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Development of inline cure characterization methods of epoxy-based packaging materials for electronic packages via dielectric analysis
Franieck Dalferth, Erick
The encapsulation process is one of the last steps in the manufacturing of electronic assemblies. The main function is to protect the electronic components from environmental harm and to provide a structural support. The encapsulation process is often performed with thermosetting materials, especially with epoxy composite materials due to their outstanding mechanical, thermal, chemical stability and electrical insulation properties. The quality of the electronic encapsulation depends heavily on the process conditions and on the properties of the epoxy composite. Although there is a wide variety of well-developed encapsulation technologies, they all share the same challenge of determining the ideal process settings to yield the best package quality with optimal material parameters and low stress states by an economic processing with short cycle times. Here one of the main drivers are the cure conditions for the resin during the encapsulation. While machine parameters such as temperature and pressure can be monitored relatively easily and accurately, it can be quite challenging to extract material related information direct from the manufacturing, which is a key information for a better individual process understanding and development. This makes the use of analytical methods to characterize the thermoset cure behavior indispensable.
The two aims of this work are to widen the application of inline dielectric analysis (DEA) for the cure monitoring of epoxy composites in the field of encapsulation of electronic components, while delivering at the same time a deeper comprehensive understanding about the cure behavior of the epoxy composites under real process conditions. For this purpose, inline DEA cure monitoring is applied for the two common encapsulation technologies, transfer molding and resin dispensing (also referred to as potting). Within the framework of this thesis the suitability of the DEA for the cure characterization of epoxy composites for the respective encapsulation technologies is investigated in detail. The first step was to evaluate the strengths and weaknesses of DEA for the individual packaging technologies, whereby DEA demonstrated good integration capability into the processes and reproducible results. However, the measurement method has a systematic temperature dependence, which hinders the investigation of the cross-linking behavior under changing temperature conditions. To overcome this flaw of the DEA an empirical temperature compensation method was developed, which allowed to eliminate the systematic temperature shift from the cure data making DEA cure data which was recorded at different cure temperatures directly comparable. With the help of this temperature compensation for DEA inline data it was also possible to analyze the distinctive cure behavior of four different epoxy composites under process conditions and to directly correlate them to the reference quantity of the glass transition temperature. Furthermore, two different kinetic analysis approaches based on in-line DEA data were used, resulting in an accurate characterization and prediction of the curing behavior of the studied epoxy composites. Moreover, on the example of two epoxy composites (one for transfer molding and one for resin dispensing) the inline DEA cure data and kinetic modelling were validated by comparison to DSC based kinetic modelling. The similarities and differences between the resulting kinetics models of the two different measurement techniques are presented and it is shown how DEA can be of high relevance for characterizing the curing reaction under process conditions in terms of revealing direct information about vitrification effects and the influence of the curing temperature on the final cured state, which are partially not accessible by offline DSC curing characterization. Finally, based on a standard PCB structure paired with a one-sided encapsulation step via resin dispensing process, inline DEA curing data was used to describe the residual stress development monitored via additional piezoresistive sensors during curing and the resulting warpage.
Der Verkapselungsprozess ist einer der letzten Schritte bei der Herstellung elektronischer Bauteile. Die Hauptfunktionen der Verkapselung bestehen darin, die elektronischen Bauteile vor Umwelteinflüssen zu schützen und eine strukturelle Unterstützung zu gewährleisten. Für die Verkapselung werden häufig duroplastische Werkstoffe verwendet, insbesondere Epoxid-Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen, thermischen, chemischen Stabilität und elektrischen Isolationseigenschaften. Die Qualität der elektronischen Verkapselung hängt maßgeblich von den Prozessbedingungen und den Eigenschaften des Epoxidharz-Verbundstoffs ab. Obwohl es eine Vielzahl von gut entwickelten Verkapselungstechnologien gibt, stehen sie alle vor der gleichen Herausforderung, die idealen Prozesseinstellungen zu ermitteln, um die beste Gehäusequalität mit optimalen Materialparametern und geringen Spannungszuständen durch eine wirtschaftliche Verarbeitung mit kurzen Zykluszeiten zu erzielen. Einer der Hauptfaktoren sind dabei die Aushärtungsbedingungen für das Harz während der Verkapselung. Während Maschinenparameter wie Temperatur und Druck relativ einfach und genau überwacht werden können, ist es oft eine Herausforderung, materialbezogene Informationen direkt aus dem Herstellungsprozess zu extrahieren, die wiederum eine zentrale Rolle für ein besseres Verständnis und die Entwicklung individueller Prozesse spielen. Dies führt dazu, dass der Einsatz analytischer Methoden zur Charakterisierung des Aushärteverhaltens von Duroplasten unverzichtbar ist.
Diese Arbeit verfolgt zwei Ziele, die Anwendung der inline dielektrischen Analyse (DEA) für die Aushärtungsüberwachung von Epoxidverbundwerkstoffen im Bereich der Verkapselung von elektronischen Bauteilen zu erweitern und gleichzeitig ein tieferes umfassendes Verständnis über das Aushärtungsverhalten der Epoxidverbundwerkstoffe unter realen Prozessbedingungen zu liefern. Zu diesem Zweck wird die Inline-DEA-Aushärtungsüberwachung für die beiden gängigen Verkapselungstechnologien „Transfer Molding“ und „Resin Dispensing“ (auch als Verguss bekannt) angewendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung der DEA für die Aushärtungscharakterisierung von Epoxidverbundwerkstoffen für die jeweiligen Verkapselungstechnologien im Detail untersucht. In einem ersten Schritt wurden die Stärken und Schwächen der DEA für die einzelnen Verkapselungstechnologien evaluiert, wobei die DEA eine gute Integrationsfähigkeit in die Prozesse und reproduzierbare Ergebnisse zeigte. Allerdings weist die Messmethode eine systematische Temperaturabhängigkeit auf, welche die Untersuchung des Vernetzungsverhaltens unter wechselnden Temperaturbedingungen erschwert. Um diese Schwäche der DEA zu beseitigen, wurde eine empirische Temperaturkompensationsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die systematische Temperaturverschiebung aus den Aushärtedaten zu eliminieren, so dass DEA-Aushärtedaten, die bei unterschiedlichen Aushärtetemperaturen aufgezeichnet wurden, direkt vergleichbar sind. Mit Hilfe dieser Temperaturkompensation für DEA-Inline-Daten war es ebenfalls möglich, das unterschiedliche Aushärtungsverhalten von vier verschiedenen Epoxidverbundwerkstoffen unter Prozessbedingungen zu analysieren. Dabei zeigten die temperaturkompensierten DEA-Endwerte am Ende der Vernetzung auch eine direkte Korrelation mit der resultierenden Glasübergangstemperatur. Darüber hinaus wurden zwei verschiedene kinetische Analyseansätze auf der Grundlage von Inline-DEA-Daten verwendet, die genaue Charakterisierungen und Vorhersagen des Aushärtungsverhaltens der untersuchten Epoxidharz-Verbundwerkstoffe lieferten. Außerdem wurden am Beispiel von zwei Epoxidverbundwerkstoffen (einer für das Transfer Molding und einer für den Dispensing) die Inline-DEA-Härtungsdaten und die kinetische Modellierung durch den Vergleich mit der DSC-basierten kinetischen Modellierung validiert. Dabei werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den resultierenden Kinetik Modellen der beiden unterschiedlichen Messtechniken dargestellt und es wird gezeigt, dass die DEA für die Charakterisierung der Aushärtungsreaktion unter Prozessbedingungen von hoher Relevanz sein kann, da sie direkte Informationen über Verglasungseffekte und den Einfluss der Aushärtungstemperatur auf den endgültigen Aushärtungszustand liefert, die mit der Offline-DSC-Aushärtungscharakterisierung teilweise nicht zugänglich sind. Schließlich wurde anhand einer Standard-Leiterplattenstruktur, die mit einem einseitigen Vergussschritt verkapselt wurde, die Entwicklung der Eigenspannungen, die über zusätzliche piezoresistive Sensoren während der Aushärtung überwacht wurden, und der daraus resultierende Verzug anhand von Inline-DEA-Härtungsdaten beschrieben.
