Verfasst von Doug Katze, Leiter Geschäftsentwicklung Elektronik
Entwicklungsingenieure stehen vor der Herausforderung, mehr Funktionalität in kleinere, leistungsstärkere elektronische Geräte zu integrieren und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Temperaturwechseln, Stößen, Vibrationen und mechanischer Belastung zu gewährleisten. Mit sinkenden Bauteilgrößen und steigenden Leistungsanforderungen sind Underfill- und Edge-Bond-Materialien zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, um die Robustheit der Baugruppen zu verbessern und die Produktlebensdauer zu verlängern.
Miniaturisierte PCB stellen immer höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit.
Die Zuverlässigkeitsherausforderungen moderner Elektronik
Elektronische Baugruppen arbeiten heute in zunehmend anspruchsvollen Umgebungen. Geräte sind regelmäßig folgenden Belastungen ausgesetzt:
- Wiederholte Temperaturzyklen
- Mechanischer Stoß und Vibration
- Platinenbiegung während der Montage und Verwendung
- Abweichungen im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Bauteilen und Substraten
- Höhere Betriebstemperaturen und Leistungsdichten
Diese Bedingungen belasten Lötstellen erheblich, insbesondere in Gehäusen mit Flächenanordnung wie BGAs, CSPs und Flip-Chip-Bauteilen. Mit schrumpfenden Gehäuseabmessungen und kleineren Lötstellen verringert sich die Zuverlässigkeitsreserve.
Die Hersteller müssen daher über die Lötstelle selbst hinausblicken und zusätzliche Methoden zur Spannungsreduzierung in Betracht ziehen.
Was ist elektronische Unterfüllung?
Underfill-Vergussmassen sind so konzipiert, dass sie unter ein Bauteil fließen und den Raum zwischen Gehäuse und Leiterplatte ausfüllen. Nach dem Aushärten bildet das Material eine verstärkte Struktur, die mechanische und thermische Spannungen gleichmäßiger über die Leiterbahnen verteilt.
Verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit
Elektronische Baugruppen werden bei Zuverlässigkeitstests wie Temperaturwechseltests stark beansprucht. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Leiterplatte, Bauteilen und Lötstellen entstehen Spannungen, da sich diese Teile unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen. Die Spannung in einer elektronischen Baugruppe ist unabhängig davon, ob Underfill verwendet wird oder nicht. Underfill reduziert die Spannung nicht, sondern verteilt sie über die größere Oberfläche der Baugruppe, anstatt sie wie üblich auf die Lötstellen zu konzentrieren. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Baugruppe erhöht.
Erhöhte mechanische Festigkeit
Die Unterfüllung verstärkt die Haftung des Gehäuses und schützt die Komponenten so vor Stößen, Vibrationen und mechanischen Erschütterungen. Dies geschieht durch zusätzliche Haftkräfte der Unterfüllung sowie durch die Umverteilung von Spannungen weg von den Lötstellen auf eine größere Oberfläche.
Verbesserte Langzeitzuverlässigkeit
Bei hochwertigen Elektronikgeräten, bei denen Reparatur oder Austausch kostspielig sind, kann eine Unterfüllung die Betriebsdauer erheblich verlängern und die Zuverlässigkeit im Feld verbessern.
Unterstützung für miniaturisierte Designs
Da die Bauteile immer kleiner und die Leiterbahnabstände immer feiner werden, bietet die Unterfüllung eine zusätzliche Schutzebene, die eine weitere Miniaturisierung ermöglicht, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Was ist Edge-Bond-Technologie?
Während Underfill eine umfassende Verstärkung bietet, erfordern manche Anwendungen einen schnelleren, gezielteren, fertigungsfreundlicheren und kostengünstigeren Ansatz. Edge-Bond-Materialien erfüllen diese Anforderung, indem sie Bauteile an strategischen Stellen am Rand fixieren, anstatt den gesamten Spalt unter dem Gehäuse auszufüllen.
Kantenverklebungsmaterialien werden an den Ecken oder Kanten eines Bauteils aufgetragen und härten aus, um eine lokale Verstärkung zu erzeugen, die die Spannung an den Lötstellen reduziert und gleichzeitig die Komplexität des Prozesses minimiert.
Schnellerer Produktionsdurchsatz
Da das Edgebond-Material nur an ausgewählten Stellen aufgetragen wird, benötigt das Klebung deutlich weniger Material und die Bearbeitungszeiten sind im Vergleich zu herkömmlichen Underfill-Verfahren wesentlich kürzer.
Reduzierter Materialverbrauch
Durch gezielte Anwendung wird der Gesamtmaterialverbrauch gesenkt, während gleichzeitig erhebliche Verbesserungen der Zuverlässigkeit erzielt werden.
Verbesserte Stoß- und Vibrationsfestigkeit
Kantenverklebungsmaterialien funktionieren ähnlich wie Unterfüllmaterialien, indem sie die Zuverlässigkeit einer Baugruppe erhöhen. Dies geschieht durch die Verteilung von Spannungen, die durch Vibrationen, Stürze oder Temperaturschocks an den Lötstellen entstehen, auf eine größere Fläche. Dadurch werden Bauteile stabilisiert und Bewegungen unter mechanischer Belastung reduziert, was einen wertvollen Schutz für tragbare und stark beanspruchte Elektronikprodukte bietet.
Fertigungsflexibilität
Obwohl Underfill-Materialien die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen deutlich erhöhen, sind sie nicht mit dem Standard-SMT-Fertigungsprozess kompatibel. Dies macht Underfill aus Fertigungssicht unerwünscht und verursacht hohe Kosten. Underfill wird üblicherweise gefroren geliefert, d. h. die Spritzen müssen im Gefrierschrank gelagert und vor Gebrauch aufgetaut werden. Der Underfill-Prozess selbst erfolgt offline, außerhalb der regulären Fertigungslinie, da das Material auf einer Heizplatte aufgetragen und anschließend 30–60 Minuten im Ofen ausgehärtet werden muss. Diese Inkompatibilität mit dem Standard-SMT-Fertigungsprozess treibt die Fertigungskosten erheblich in die Höhe. Edgebond-Materialien bieten für viele Anwendungen ein optimales Verhältnis zwischen erhöhter Zuverlässigkeit und Produktionseffizienz und sind daher für die Serienfertigung attraktiv. UV-härtende Edgebond-Materialien bieten Anwendern einen besonderen Vorteil: Sie sind zwar wie Underfill einkomponentig, benötigen aber keine Tiefkühllagerung. Dadurch entfällt der Auftauschritt im Fertigungsprozess. UV-härtendes Edgebond ist auch mit dem SMT-Fertigungsprozess kompatibel. Der Prozess kann vollständig inline durchgeführt werden, was die Kosten im Vergleich zu Underfill reduziert. UV-härtendes Edgebond kann ohne Heizplatten wie bei Underfill inline aufgetragen und innerhalb von Sekunden ausgehärtet werden.
Underfill vs. Edge Bond: Was ist der Unterschied?
Beide Technologien verbessern die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen, erreichen dieses Ziel jedoch auf unterschiedliche Weise. Das Verständnis der jeweiligen Vor- und Nachteile hilft Herstellern, den optimalen Ansatz für ihre Anwendung zu wählen.
Keine der beiden Lösungen ist per se besser. Die optimale Wahl hängt von den Leistungsanforderungen, den Prioritäten in der Fertigung, dem Wert der Komponenten und den Lebenszyklusaspekten ab.
Welche Technologie bietet eine bessere Nachbearbeitbarkeit?
Zuverlässigkeit ist nur ein Aspekt der Materialauswahl. Hersteller müssen auch berücksichtigen, was passiert, wenn ein hochwertiges Bauteil während der Produktion oder bei einer Reparatur vor Ort ausgetauscht werden muss.
Herkömmliche Underfill-Materialien erzeugen eine starke Verbindung zwischen Bauteil und Substrat und vergießend alle Lötstellen vollständig. Dies erschwert das Entfernen der Bauteile und kann die PCB beschädigen. Obwohl diese Verstärkung für viele geschäftskritische Anwendungen wünschenswert ist, kann sie Nachbearbeitungsprozesse verkomplizieren und die Reparaturkosten bei teuren Bauteilen erhöhen.
Kantenverklebungsmaterialien bieten eine deutlich höhere Fertigungsflexibilität. Da die Verstärkung nur an bestimmten Stellen entlang des Bauteilumfangs aufgebracht wird und keine Lötstellen vergießend , lässt sich die Kantenverklebung leichter entfernen. Dadurch können Hersteller Bauteile austauschen oder reparieren, ohne die gesamte Baugruppe beeinträchtigen zu müssen.
Bei Anwendungen, die teure Prozessoren, Speicherbausteine, Sensoren, KI-Beschleuniger oder Spezialkomponenten beinhalten, kann die Nachbearbeitbarkeit neben Zuverlässigkeit, Durchsatz und Herstellungskosten zu einem wichtigen Faktor werden.
Wie verbessern Unterfüll- und Kantenverklebungsmaterialien die Zuverlässigkeit?
Ob unterhalb eines Gehäuses oder strategisch um dessen Umfang herum angewendet, beide Technologien tragen dazu bei, die eigentlichen Ursachen für Lötstellenfehler zu beheben.
Zu den wichtigsten Vorteilen hinsichtlich der Zuverlässigkeit gehören:
- Reduzierung der mechanischen Belastung von Lötstellen
- Verbesserte Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln
- Erhöhte Haltbarkeit bei Stoß- und Vibrationsereignissen
- Bessere Leistung in rauen Betriebsumgebungen
- Erhöhtes Vertrauen in die langfristige Produktzuverlässigkeit
Da die Gerätearchitekturen immer kompakter und ausgefeilter werden, gewinnen diese Verstärkungsstrategien in Anwendungen der Konsumgüter-, Industrie-, Automobil, Telekommunikations- und Infrastrukturelektronik zunehmend an Bedeutung.
Die richtige Verstärkungsstrategie auswählen
Die Wahl zwischen Underfill- und Edge-Bond-Technologie hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Geräteanforderungen, Umgebungsbedingungen, Fertigungsziele und Zuverlässigkeitsziele.
Wann Unterfüllung sinnvoll ist
- Eine Unterfüllung wird oft bevorzugt, wenn:
- Höchste Zuverlässigkeit ist erforderlich
- Die Kosten sind kein ausschlaggebender Faktor.
- Die Baugruppen sind starken Temperaturschwankungen ausgesetzt.
- Hochwertige Bauteile müssen geschützt werden.
- Flip-Chip- oder fortschrittliche Verpackungstechnologien werden verwendet.
- Langzeitbeständigkeit ist das Hauptziel
Wann Edge Bond die bessere Wahl ist
Kantenverklebungsmaterialien werden häufig dann gewählt, wenn:
- Effizienz in der Massenproduktion ist entscheidend
- Zuverlässigkeitsverbesserungen sind erforderlich, ohne dass eine vollständige Unterfüllung erfolgt.
- Kosten- und Durchsatzüberlegungen sind wichtig
- Die Bauteile müssen vor Stößen und Vibrationen geschützt werden.
- Nachbearbeitbarkeit kann erforderlich sein
- Gezielte Verstärkung gewährleistet ausreichende Haltbarkeit
In vielen Fällen bewerten Ingenieure beide Ansätze während der Produktentwicklung, um das optimale Gleichgewicht zwischen Zuverlässigkeit, Prozessvereinfachung, Reparierbarkeit der Komponenten und Herstellungskosten zu ermitteln.
Unterstützung der Zukunft fortschrittlicher Elektronik
Mit der Weiterentwicklung elektronischer Geräte gewinnen Verstärkungsmaterialien zunehmend an Bedeutung für die Zuverlässigkeit. Ob durch umfassende Spannungsverteilung mittels Underfill-Technologien oder gezielte Verstärkung mit Kantenverklebungsmaterialien – Herstellern stehen heute mehr Möglichkeiten denn je zur Verfügung, um die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Baugruppen zu verbessern.
Der Erfolg hängt letztendlich davon ab, Materialien auszuwählen, die den Anwendungsanforderungen entsprechen, und mit Lieferanten zusammenzuarbeiten, die bei der Optimierung der Prozessentwicklung, der Zuverlässigkeitsprüfung und der Produktionsumsetzung helfen können.
Bei Dymax arbeiten wir eng mit Elektronikherstellern zusammen, um lichthärtende, kantenverklebende und verstärkende Klebstofflösungen anzubieten, die die Zuverlässigkeit von Baugruppen verbessern und gleichzeitig effiziente Fertigungsprozesse unterstützen. Für Anwendungen, die sowohl Robustheit als auch Wartungsfreundlichkeit erfordern, profitieren Hersteller von Verstärkungstechnologien, die einen starken mechanischen Schutz bieten und gleichzeitig die Nachbearbeitung und den Austausch von Bauteilen erleichtern.