Materialien für Advanced Packaging Größere Chip-Packages fordern Vergussmaterialien heraus

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Größer, dünner und komplexer: Moderne Halbleitergehäuse stellen hohe Anforderungen an Vergussmaterialien und werden immer gefragter. Sumitomo Bakelite will seine Kapazitäten für Mold-Underfill- und Compression-Molding-Materialien deswegen deutlich erweitern.

Je größer und komplexer ein Halbleitergehäuse wird, desto wichtiger werden die Eigenschaften der Materialien, die seine empfindlichen Strukturen schützen. Mittlerweile müssen Vergussmassen bei modernen Packaging-Verfahren auch mikroskopisch kleine Zwischenräume zuverlässig füllen, mechanische Spannungen ausgleichen und verhindern, dass sich große oder besonders dünne Gehäuse während der Verarbeitung verformen.

Wie stark die Nachfrage nach solchen Materialien wächst, zeigt eine Ankündigung des japanischen Spezialchemieunternehmens Sumitomo Bakelite. Der Hersteller plant, seine Produktionskapazitäten für Mold-Underfill-Materialien (MUF) und Granulate für das Compression Molding erheblich auszubauen. Die Kapazität für MUF-Materialien soll sich etwa verdoppeln, die für Compression-Molding-Granulate sogar verdreifachen.

Warum moderne Halbleitergehäuse neue Vergussmassen benötigen

Vergussmassen müssen stetig weiterentwickelt werden, weil neue Anforderungen entstehen. Dazu gehört etwa der sogenannte Warpage-Effekt: Werden unterschiedliche Materialien im Halbleitergehäuse erwärmt oder abgekühlt, dehnen sie sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark aus. Dadurch können mechanische Spannungen entstehen, die das Package verformen und im ungünstigsten Fall Verbindungen oder Bauteile beschädigen.

Besonders kritisch sind die Auswirkungen dieses Effekts bei großen Packages mit mehreren Chips, dünnen Siliziumstrukturen und einer hohen Dichte elektrischer Verbindungen. Neben der thermomechanischen Stabilität kommt es deshalb auf die Fließeigenschaften der Vergussmaterialien an. Sie müssen auch engste Zwischenräume vollständig ausfüllen, ohne Hohlräume einzuschließen.

Mold Underfill ist eine Möglichkeit, die erforderliche Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Bei diesem Verfahren werden die Bereiche um die Lötverbindungen zwischen Chip und Substrat sowie das Package in einem gemeinsamen Formprozess vergossen. Damit lassen sich Prozessschritte zusammenfassen, die bei anderen Verfahren getrennt erfolgen. Sumitomo Bakelite setzt hierfür auf Materialien seiner Produktfamilie Sumikon EME, die nach Unternehmensangaben eine gute Füllfähigkeit in mikroskopisch kleinen Spalten mit geringem Verzug des Gehäuses verbinden.

Füllstoffe, Viskosität und Partikelgrößen im Zusammenspiel

Für großflächige Packages und das Panel-Level-Packaging gewinnen auch Materialien für das Compression Molding an Bedeutung. Hierbei wird das Vergussmaterial unter Druck in einer Form verteilt und anschließend ausgehärtet.

Entscheidend ist das Zusammenspiel mehrerer Materialeigenschaften. Die Größe der Füllstoffpartikel beeinflusst, wie gut enge Strukturen gefüllt werden können. Die Viskosität bestimmt das Fließverhalten während des Formprozesses, während sich über die Zusammensetzung des Materials unter anderem die thermische Ausdehnung und die mechanischen Eigenschaften beeinflussen lassen.

Sumitomo Bakelite will durch die gezielte Abstimmung dieser Parameter auch große Panels gleichmäßig vergießen und dabei den Package-Verzug gering halten. Gerade beim Panel-Level-Packaging, bei dem zahlreiche Chips auf großflächigen Trägern verarbeitet werden, ist dies eine wichtige Voraussetzung für eine wirtschaftliche Serienfertigung.

Für die Halbleiterfertigung ist dies nicht nur eine Frage der Zuverlässigkeit: Ein gleichmäßiger Formprozess kann auch die Handhabung der Packages erleichtern, Ausschuss reduzieren und damit die Wirtschaftlichkeit beeinflussen.

Zuverlässigkeit erschwert Reparierbarkeit

Mold-Underfill-Prozesse klingen technisch gesehen toll, allerdings gibt es einen Haken. Die zunehmende Integration stellt die Frage nach der Reparierbarkeit und dem Recycling moderner Halbleitergehäuse. Herkömmliche Epoxid-Vergussmaterialien lassen sich nach dem Aushärten nur schwer wieder entfernen. Werden Chips und Substrat durch Mold Underfill dauerhaft miteinander verbunden, ist ein Austausch einzelner defekter Komponenten innerhalb des Packages in der Regel nicht möglich.

Die Eigenschaften, die für mechanische Stabilität und lange Lebensdauer sorgen, erschweren damit zugleich die Demontage und Wiederverwendung. Zwar gibt es bereits Ansätze für nacharbeitbare Underfill-Materialien, deren Eignung für hochintegrierte Packages jedoch vom jeweiligen Material und Fertigungsprozess abhängt. Der deutsche Hersteller Hoenle bietet beispielsweise Flip-Chip-Underfills an, die sich bei Temperaturen oberhalb von etwa 150 °C wieder ablösen lassen.

Ähnliche Beispiele gibt es etwa in der Elektromobilität: Während manche Hersteller ihre Batteriepacks so konstruieren, dass sich einzelne Komponenten demontieren lassen, werden bei anderen Zellen und weitere Bauteile verklebt oder vergossen. Das erschwert die Reparatur und sortenreine Zerlegung erheblich; ein Wiederverwertungsdesaster sondergleichen.

Auch Henkel entwickelt Materialien gegen den Package-Verzug

Natürlich wird nicht nur in Japan und nicht nur von Sumitomo an Vergussmaterialien für große Chip-Packages gearbeitet. Der Düsseldorfer Spezialchemiekonzern Henkel bietet über seinen Geschäftsbereich Adhesive Technologies ebenfalls verschiedene Underfill- und Vergussmaterialien für anspruchsvolle Halbleitergehäuse an.

Ein Beispiel ist Loctite Eccobond LCM 1000AG-1, ein flüssiges Material für das Compression Molding von Wafern und Panels. Henkel setzt dabei auf feine Füllstoffpartikel mit einer oberen Korngrößengrenze von 10 µm. Das Material soll auch schmale Zwischenräume zuverlässig ausfüllen und den Package-Verzug nach Herstellerangaben um mehr als 70 Prozent reduzieren. Als weitere Eigenschaften nennt Henkel eine Aushärtung in der Form innerhalb von fünf Minuten bei 120 °C sowie eine nachfolgende Aushärtung bei 150 °C.

Für Flip-Chip- und 2,5D-Packages bietet Henkel außerdem Kapillar-Underfills an. Anders als beim Mold Underfill fließt das Material dabei aufgrund der Kapillarwirkung in die engen Zwischenräume zwischen Chip und Substrat. Das Produkt Loctite Eccobond UF 9000AE soll insbesondere die Lötverbindungen großer, hochintegrierter Packages gegen mechanische und thermische Belastungen schützen.

Die unterschiedlichen Materialansätze zeigen, dass für Advanced Packaging nicht eine einzige Vergusstechnologie ausreicht. Welche Formulierung geeignet ist, hängt unter anderem von der Gehäusearchitektur, der Größe der zu füllenden Zwischenräume und dem eingesetzten Fertigungsprozess ab.

Sumitomo Bakelite baut Produktion in Asien aus

Um die wachsende Nachfrage zu bedienen, will Sumitomo Bakelite neue Produktionslinien in Suzhou in China und Singapur errichten. In Singapur soll die zusätzliche Fertigung zum Ende des Geschäftsjahres 2028 beginnen, in Suzhou im Geschäftsjahr 2030.

Weitere Kapazitäten sollen durch die geplante Übernahme des Chemiegeschäfts von Kyocera hinzukommen. Sumitomo Bakelite hatte bereits im Juni 2026 eine separate Erweiterung seiner Produktion von Halbleiter-Vergussmaterialien in Suzhou um rund 30 Prozent angekündigt.

Für die Halbleiterindustrie verdeutlicht die Entwicklung vor allem, dass die Leistungsfähigkeit moderner Chips nicht nur von den Strukturen auf dem Silizium abhängt. Auch die Materialien und Verfahren, mit denen mehrere Chips zu einem funktionsfähigen und zuverlässigen Package verbunden werden, gewinnen an Bedeutung. (sb)

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