Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7654
Main Title: Concept development and implementation of online monitoring methods in the transfer molding process for electronic packages
Translated Title: Konzeptentwicklung und Umsetzung von Online-Überwachungsmethoden im Transfer-Molding-Prozess für die Verkapselung von elektronischen Komponenten
Author(s): Kaya, Burcu
Advisor(s): Lang, Klaus-Dieter
Referee(s): Lang, Klaus-Dieter
Schneider-Ramelow, Martin
Zimmermann, André
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The transfer molding process is one of the major processes for the encapsulation of electronic packages. To provide a structural support and to protect the electronic components from the environment, epoxy molding compounds (EMCs) are mainly used as encapsulation material. The quality of the molded packages depends strongly on the process parameters of the transfer molding process and also the characteristics of EMC. Despite the fact that the transfer molding process has many advantages such as cost-effectiveness and high volume applicability, there are some challenges regarding process optimization. Parameter settings in transfer molding process are usually done in a trial and error manner and defining optimum parameters is mostly laborious. Moreover, the defined machine process parameters are deviating from the conditions in the tool cavity e.g. pressure measured in the cavity differs from the parameter settings in the machine. In addition to process parameters, the EMC characteristics also have great influence on the package quality. The reactive nature of the epoxy resins can be influenced by prolonged storage duration and moisture content, and the possible variations from batch to batch may cause alterations in the characteristics of the EMC, i.e. moldability, change in the flow behavior of the material in the cavity and excessive void formation. Yet, some common defects can occur in the package such as wire sweep, delamination, void formation and warpage, which may ultimately lead to a total package failure. This work aims to support a more comprehensive understanding of the influence of process parameters and the variations in the material characteristics of EMC on the package quality, to reduce the possible defects in the electronic packages and to ensure a stable transfer molding process. Systematic approaches are evaluated to generate models which describe the correlations between process parameters, material characteristics and package quality. Detailed process analysis is conducted to correlate significant process parameters of the transfer molding process with quality features such as void formation, wire sweep and warpage. To determine the relationship between the process parameters and the quality characteristics mathematically, process models are generated. An approach to generate and calibrate the models is presented. The optimum process parameters of the transfer molding process are determined with the generated model to achieve the optimal package quality concerning the selected quality features and to reduce the failure costs. Moreover, with the generated models it is also possible to predict the package quality of the electronic packages. Thus, the estimation quality and the limitations of the process model are evaluated with validation experiments. In addition to that, the influence of variations of the material characteristics of the EMC due to prolonged storage duration, humidity and batch variations on the package quality is investigated. The online monitoring method, Dielectric Analysis (DEA) is implemented in the transfer molding process to observe the variations in the characteristics of the EMC. Suitability of the DEA to monitor the alterations in the material characteristics of the EMC in-situ in transfer molding process is assessed. In addition to DEA, additional temperature and pressure sensors are implemented in the cavity of the transfer molding process for process control. Material models are introduced to define the correlation between the variations in the material characteristics of EMC and the package quality and to determine the processing limitations of the preconditioned EMC in order to achieve predefined package quality. The validation of the material model is performed with another EMC to generalize the observed impact of material characteristics of the EMC on package quality.
Das Transfer-Molding-Verfahren ist einer der wichtigsten Prozesse für die Verkapselung von elektronischen Komponenten. Um eine strukturelle Unterstützung zu gewährleisten und die elektronischen Komponenten vor Umwelteinflüssen zu schützen, werden häufig Epoxidformmassen als Verkapselungsmaterial verwendet. Die Qualität der gemoldeten Bauteile hängt stark von den Prozessparametern des Transfer-Molding-Verfahrens und von den Eigenschaften der Epoxidformmassen ab. Obwohl der Transfer-Molding-Prozess viele Vorteile, wie z.B. geringe Kosten und große Volumenanwendbarkeit, aufweist, gibt es einige Herausforderungen hinsichtlich der Prozessoptimierung. Die Parametereinstellungen beim Transfer-Molding-Prozess werden in der Regel auf Basis von Trial-and-Error Verfahren ermittelt, und die Definition der optimalen Parameter ist sehr aufwändig. Darüber hinaus weichen die definierten Prozessparameter der Maschine von den gemessenen Zuständen in der Werkzeugkavität ab, z.B. stimmt der in der Kavität gemessene Druck nicht mit den Parametereinstellungen in der Maschine überein. Neben den Prozessparametern haben auch die Eigenschaften von Epoxidformmassen großen Einfluss auf die Bauteilqualität. Die reaktive Natur der Epoxidharze kann durch eine verlängerte Lagerdauer und den Feuchtigkeitsgehalt beeinflusst werden. Zusätzlich können die möglichen Variationen von Charge zu Charge Veränderungen in den Eigenschaften der Epoxidharze insbesondere hinsichtlich der Formbarkeit, Veränderung des Fließverhaltens des Materials in der Kavität und übermäßiger Lunkerbildung verursachen. Dennoch können einige charakteristische Defekte in den verkapselten Bauteilen auftreten, wie z. B. Drahtverwehung, Delamination, Lunker und Verzug, was letztendlich zu einem Gesamtversagen der verkapselten Bauteile führen kann. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein umfassenderes Verständnis über den Einfluss von Prozessparametern und die Variationen in den Materialeigenschaften von Epoxidformmassen auf die Bauteilqualität zu erarbeiten. Weiterhin ist es das Ziel, mögliche Defekte in den verkapselten Bauteilen zu reduzieren und einen stabilen Transfer-Molding-Prozess sicherzustellen. Systematische Ansätze werden evaluiert, um Modelle zu generieren, die die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Materialeigenschaften und Bauteilqualität beschreiben. Zur Verknüpfung signifikanter Prozessparameter des Transfer-Molding-Verfahrens mit Qualitätsmerkmalen wie Lunkerbildung, Drahtverwehung und Verzug, wird eine detaillierte Prozessanalyse durchgeführt. Um den Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und den Qualitätsmerkmalen mathematisch zu ermitteln, werden Prozessmodelle generiert. Ein Ansatz zum Generieren und Kalibrieren der Modelle wird vorgestellt. Mit dem generierten Modell werden die optimalen Prozessparameter des Transfer-Molding-Prozesses ermittelt, damit eine optimale Bauteilqualität hinsichtlich der ausgewählten Qualitätsmerkmale sichergestellt und somit mögliche Fehlerkosten reduziert werden können. Darüber hinaus ist es mit den generierten Modellen auch möglich, die Bauteilqualität vorherzusagen. Daher werden die Prognosequalität und die Grenzen des Prozessmodells mit Validierungsversuchen evaluiert. Weiterhin wird der Einfluss von Veränderungen der Materialeigenschaften der Epoxidformmassen aufgrund der Lagerdauer, Feuchte und Chargenschwankungen auf die Bauteilqualität untersucht. Die Online-Überwachungsmethode Dielektrische Analyse (DEA) wird im Transfer-Molding-Prozess implementiert, um die Veränderungen in den Eigenschaften der Epoxidharze zu beobachten. Die Eignung der DEA zur in-situ Überwachung der Veränderungen der Materialeigenschaften der Epoxidharze im Transfer-Molding-Prozess wird bewertet. Zusätzlich zu der DEA sind Temperatur- und Drucksensoren in der Kavität des Transfer Molding Werkzeuges zur Prozesssteuerung implementiert. Um die Korrelation zwischen den Veränderungen in den Materialeigenschaften von Epoxidformasse und der Bauteilqualität zu definieren, werden Materialmodelle eingeführt. Weiterhin werden so die Verarbeitungsbeschränkungen der vorkonditionierten Epoxidformmasse zum Erreichen einer vordefinierten Baueilqualität bestimmt. Zur Überprüfung einer allgemeinen Gültigkeit des Materialmodells wird eine Validierung des Modells mit einer zweiten Epoxidformmasse durchgeführt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8508
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7654
Exam Date: 23-May-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 30-Nov-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): transfer molding process
electronic packaging
online monitoring
dielectric analysis
design of experiments
dielektrische Analyse
statistische Versuchsplanung
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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