Analyse der Schadensentwicklung in Kupfer- Durchkontaktierungen in Leiterplatten unter Variation der Bohrlochqualität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Schneider-Ramelow
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510901535

In mikroelektronischen Systemen werden mit Glas faserverstärkte polymerbasierte Substrate als Verdrahtungsträger von elektronischen Komponenten eingesetzt. Mit Kupferdurchkontaktierungen (DuKo) zwischen den Cu-Lagen von der Ober- zur Unterseite des PCBs versehen, müssen die Leiterplatten unter immer höheren thermomechanischen Wechselbelastungen zuverlässig über lange Zeiträume ihre Funktionalität behalten. Zur Herstellung der DuKos in Leiterplatten werden nach Aushärtung des Basismaterials Löcher gebohrt. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Verschleiß bzw. die begrenzten Standzeiten der Bohrer die Bohrlochgeometrien und die Lochwandrauheiten im Basismaterial wesentlich beeinflussen. Wird die Fließgrenze des elektrochemisch abgeschiedenen Cu in der DuKo überschritten, treten plastische Deformationen auf, und es können Mikrorisse entstehen und wachsen (Ermüdung), die letztendlich zum elektrischen Ausfall der Leiterstruktur führen. Die Entstehung und das Wachstums der Risse wird durch die Bohrlochgeometrien und Lochwandrauheiten entscheidend beeinflusst. Das Ziel dieses Projektes ist es, diese Einflüsse zu klären und zu quantifizieren. Dazu wurde ein aus Experimenten und numerischer Simulation bestehender Versuchsplan entworfen: Per Nano-CT erfolgt eine Korrelation von Wandstärke und Rauheitenverteilungen jeweils über die gesamte DuKo-Länge zu Kennwerten, die für die Lebensdauer maßgeblich sind. Dieser Einfluss führt zu einer lokalen Erhöhung der plastischen Dehnungen im Kupfer was durch begleitende FEM Analysen analysiert wird. Zur frühzeitigen Detektion der Risse wird IR-Thermographie und das neuartige Intermodulation Distortion (IMD) Verfahren eingesetzt. Durch das hier eingesetzte IMD-Verfahren werden frühe Zustände der Rissentwicklung identifiziert und in Kombination mit bildgebenden Verfahren (Nano-CT, Querschliffe) ein neues und klareres Bild über frühe Phasen der Rissentstehung und -ausbreitung geschaffen. Geometrische Einflussfaktoren werden erfasst, und mit daran angepassten FE-Modellen werden die Lebensdauerexperimente begleitet. Dies wird Aufschluss zu Ursprüngen und Einflussfaktoren der Rissinitiierung geben, so dass ein verbessertes Verständnis des Schadensmechanismus innerhalb der DuKo entwickelt werden kann und so eine detailliertere Quantifizierung der Prozesseinflüsse auf die Lebensdauer ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfgang H. Müller