Elektronikproduktion är ett område som omfattar byggsätt, förbindning, kapsling, komponentutveckling, produktionsprocesser, testning, provning och miljöanpassning av elektronikprodukter. Nya produkter tas fram under allt kortare tid. Det tvingar också fram en snabbare omställning till nya processer och nya komponenter. Det centrala inom elektronikproduktion är dock att utveckla robusta produktionsprocesser med högt utbyte och att de tillverkade produkterna har en hög tillförlitlighet i drift. Därför krävs en god förståelse om ingående material samt deras mekaniska, elektriska, termiska och miljömässiga egenskaper. Området är tvärvetenskapligt, eftersom det kräver förståelse ur mekanisk, fysikalisk, elektrisk, kemisk och materialvetenskaplig synvinkel. Internationellt sett är detta ett ganska nytt akademiskt forskningsområde. De institut som är mest aktiva inom området är t ex Georgia Institute of Technology, University of Maryland, USA, Technische Universität, Berlin, Tyskland och Tekniska Högskola i Helsingfors, Finland.
En central del i ämnet elektronikproduktion är elektronikbyggsätt, dvs metoder, material, processer och designregler för att bygga en elektronikprodukt. Därför handlar elektronikbyggsätt mycket om fundamental förståelse av metoder och tillförlitlighetsaspekter för strömförsörjning, signalfördelning, mekaniskt skydd och värmeavledning av integrerade kretsar.
Val av byggsättet för en elektronikprodukt avgörs av en rad faktorer. Dessa är bl a tillverkningsvolym, integreringsgrad hos integrerade kretsar, pris, prestanda och miljökrav hos slutprodukter.
Allt fler funktioner integreras i en integrerad krets. Detta leder till att antalet in- och utgångar hos komponenten ökar dramatiskt. Detta tvingar fram nya lösningar i form av nya komponenter, nya bärarmaterial för att klara av strömförsörjning och signalfördelning. En tydlig trend hos framtidens elektronikprodukter är också att frekvensen ökar. Traditionella elektronikproduktionsmetoder såsom hål- och ytmontering ger för höga induktiva reaktanser vid hög frekvens. Flip-chip där chipets aktiva sida vänds neråt, Chip-Scale Package, dvs kapslingsteknik i chipskala och integrering av integrerade kretsar direkt i en bärare är nödvändiga för att möta framtidens behov.
Idag vet vi dessutom att flera ämnen, t ex bly och halogenbaserat flamskyddsmedel som används i elektronikproduktion är miljöfarliga. Lagförslag finns att förbjuda dessa ämnen inom EU. Utveckling av nya miljövänliga material, processer och metoder samt utveckling av passande konstruktionsregler blir en viktig uppgift i framtidens elektronikproduktionsforskning.
Ett grundläggande problem, som är av central betydelse för elektronikproduktens tillförlitlighet, är de termomekaniska spänningar som uppstår i en elektronikprodukt under drift. Dessa orsakas av att halvledare, lednings- och kapslingsmaterial samt bärare har olika termiska utvidgningskoefficienter. På grund av värmeutveckling och temperaturförändring som beror av driftsförhållanden (t ex kall- och varmstart av bil), kan termomekanisk utmattning uppstå i förbindningsställen (t ex i en lödpunkt). Det optimala vore att ta fram kapslings-, bärar- och ledningsmaterial med samma termiska utvidgningskoefficient som integrerade kretsar har. Detta har pekats ut som en av de stora utmaningarna inom materialrelaterad forskning inriktad mot elektronikbyggsätt.
För lågkostnadstillämpningar används oftast polymera bärarmaterial. Det är känt att fuktupptagningen påverkar elektronikproduktens tillförlitlighet, eftersom den kan orsaka oxidation, galvanisk korrosion samt degradering av polymera material, vilket leder till försämrade elektriska prestanda och slutligen produkthaveri.
Chalmers forskning inom elektronikproduktion stöds idag främst av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) via Forskarskolan E-PROPER, av EU och NUTEK samt av företag från Sverige och utlandet. I forskningen vid Chalmers söker vi främst förstå vad som händer i gränsskiktet mellan halvledarmaterial och bärare som oftast utgörs av lod eller lim. På grund av miljökrav och avveckling av bly, ägnas forskningen mest åt de nya typerna av blyfria lod. Det är ytterst viktigt att vi förstår felmekanismer för dessa nya lod i olika tillämpningar innan de används i industriella sammanhang. Detta kan göras i en mekanisk utmattningsapparat, där produktens livslängd bestäms under kontrollerade töjningsförhållanden. Detta jämförs sedan med den livslängd som den termo-mekaniska temperaturväxlingen åstadkommer.
Temperaturväxlingsprovningen är en välkänd och accepterad metod i industrin, som tyvärr kräver lång försökstid. Korrelationen kan genomföras t ex via modelleringsarbete baserat på FEM-metoden. I bägge fallen behöver deformationsgraden i materialet bestämmas. Detta kan göras med så kallad laser-interferometrisk teknik som kan mäta små töjningar under realtid. Målet med denna forskning är att ta fram en mycket snabbare testmetod för att prediktera livslängden hos elektronikprodukter.
Ledande lim är en ny förbindningsteknik som har rönt stor uppmärksamhet för nya byggsättstillämpningar under de senaste åren. Anisotropt ledande lim i synnerhet som enbart leder ström i tryckriktningen har nu hittat speciella tillämpningar t ex vid förbindning av många integrerade kretsar i konsumentelektronik, bl a i digitalkameror, bärbara datorer, och mobiltelefoner. Forskningen inom detta område på Chalmers fokuseras på att förstå de fundamentala problemställningarna i denna förbindningsteknik, så att den kan användas i hårda driftsmiljöer, t ex bilelektronik. Typiska problemställningar är inverkan av mekaniska egenskaper hos ledande partiklar på elektrisk och mekanisk tillförlitlighet hos hela moduler vid växelström från låg till hög frekvens. Detta studeras såväl experimentellt som teoretiskt vid Chalmers. Speciellt ägnas forskningen idag åt inverkan av mikrovågseffekt på härdningsmekanismer hos ledande lim.
Integrering av aktiva integrerade kretsar direkt i en bärare är ett annat viktigt forskningsområde. Internationellt pågår det mycket forskningsaktiviteter inom området. Detta kommer även att vara en central del i Chalmers forskning inom forskarskolan E-PROPER. Centrala frågeställningar här handlar om att lösa reparations-, värmeavlednings- och signalstörningsproblem när ledarbredden och transmissionsavståndet minskar. Forskningen kommer att fokuseras på såväl mekanisk, om elektrisk som termisk modellering samt livscykelanalys av detta nya byggsätt. Samtidigt kommer testmodulerna att byggas i samarbete med andra högskolor via E-PROPER.
Idag är det många material som används för att tillverka en elektronikprodukt. Man använder t ex polymera material för kapsling och för att bära hela moduler. Koppar används för signaltransmission och kisel som bas för integrerade kretsar. När miniatyriseringen fortsätter, blir dimensionerna mycket små, oftast i mikro- och nanometerskala. Då är det ytterst viktigt att adhesionen mellan olika material i synnerhet i fuktig och korrosiv miljö är god.
Forskningen vid Chalmers inom detta område inriktar sig mot studier av adhesionskraften mellan olika materialkombinationer av metaller, polymerer, keramer och halvledare med en skjuvningsapparat. Försöken sker under kontrollerade fukt- och temperaturförhållanden. Parallellt bedrivs teoretisk modellering och simuleringsarbete för att optimera och styra materialvalet.
(Texten publicerades 2000 i skriften Ny kunskap)