TP3 · Automated Assembly System for Nanosatellites in System-in-Package Technology

TP3 · Automatisiertes Montagesystem für Kleinstsatelliten in System-in-Package Technologie

Project lead: FAU FAPS

Projektleitung: FAU FAPS

The goal of subproject 3 is the concept, development and prototype implementation of the assembly and interconnection technology (AVT) and automated assembly processes for producing novel nanosatellites. In cooperation with TP1, the external influences that the system must withstand during transport into space and during its time in orbit are analyzed first, as they shape the later choice of materials and processes. The requirements include in particular accelerations and vibrations as well as extreme temperature ranges and changes, and radiation exposure.

Das Ziel des Teilprojekts 3 besteht in der Konzeptionierung, Entwicklung und prototypischen Umsetzung der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) sowie automatisierter Montageprozesse zur Herstellung neuartiger Kleinstsatelliten. In Kooperation mit TP1 werden hierfür zunächst die äußeren Einflüsse analysiert, denen das System während des Transports ins All und dem Aufenthalt im Orbit standhalten muss, da diese die spätere Auswahl der Materialien und Prozesse prägen. Die Anforderungen umfassen insbesondere Beschleunigungen und Vibrationen sowie extreme Temperaturbereiche bzw. -wechsel und Strahlenbelastung.

Given the miniaturized installation space, particular attention is paid to the development of advanced technologies for chip attachment, 3D topology and packaging. The miniaturization of satellites leads to significant extensions of the current state of the art and research. Completely new is the entire process chain for assembling miniaturized 3D microsystems in System-in-Package technology (SiP) by linking innovative individual processes.

Angesichts des miniaturisierten Bauraums gilt ein besonderes Augenmerk der Entwicklung fortgeschrittener Technologien zur Chipanbindung, zur 3D-Topologie und zum Packaging. Die Miniaturisierung der Satelliten führt zu bedeutenden Erweiterungen des aktuellen Stands der Technik und Forschung. Vollständig neu ist die gesamte Verfahrenskette zur Montage miniaturisierter 3D-Mikrosysteme in System-in-Package Technologie (SiP) über die Verknüpfung innovativer Einzelprozesse.

The first step comprises the individual 3D printing of the spatial electronic circuit carriers and housings from selected ceramic materials. The additive manufacturing of ceramic components by Fused Filament Fabrication (FFF) is evaluated, with a particular focus on adapting the process parameters to reduce surface roughness. Thermal gradients during the printing process and during the chemical and thermal post-treatment cause thermomechanical stresses that can lead to cracks and warping in the component. Various methods for reducing warping are explored and compared.

Der erste Schritt umfasst den individuellen 3D-Druck der räumlichen elektronischen Schaltungsträger und Gehäuse aus ausgewählten keramischen Werkstoffen. Die additive Fertigung von keramischen Bauteilen mittels Fused Filament Fabrication (FFF) wird evaluiert, mit besonderem Fokus auf der Anpassung der Prozessparameter zur Reduzierung der Oberflächenrauheit. Durch die thermischen Gradienten beim Druckprozess sowie im Zuge der chemischen und thermischen Nachbehandlungsprozesse treten thermomechanische Spannungen auf, welche zu Rissen und Verzug im Bauteil führen können. Verschiedene Methoden zur Verzugsreduzierung werden eruiert und miteinander verglichen.

The electrical functionalization of the additively manufactured ceramic components then follows by synchronous 5-axis printing of conductive, nanoparticle-based inks, for example based on silver nanospheres, nanowires or nanoplatelets. Various silver-based inks are used with different technologies in order to produce representative circuit layouts with high edge sharpness and the lowest possible overspray in a stable and reproducible way.

Anschließend erfolgt die elektrische Funktionalisierung der additiv gefertigten Keramikbauteile mittels synchronem 5-Achs-Druck von leitfähigen, Nanopartikel-basierten Tinten, wie zum Beispiel auf Basis von Silber-Nano-Spheres, -Wires oder -Platelets. Verschiedene silberbasierte Tinten werden mit unterschiedlichen Technologien eingesetzt, um repräsentative Schaltungslayouts mit hoher Kantenschärfe und einem möglichst niedrigen Overspray stabil und reproduzierbar herzustellen.

The selective drying and sintering of the particles of the conductive inks is carried out using novel methods of energy input. Lasers, vapor phase, microwaves, induction and convection are investigated and evaluated for this purpose. The evaluation criteria are, on the one hand, the electrical conductivity determined by four-point measurement and, on the other hand, the geometric structure of the conductor tracks characterized by microscopy.

Das selektive Trocknen und Sintern der Partikel der leitfähigen Tinten erfolgt mittels neuartiger Methoden zum Energieeintrag. Hierzu werden Laser, Dampfphase, Mikrowellen, Induktion und Konvektion untersucht und evaluiert. Als Bewertungskriterien werden einerseits die mittels Vierpunktmessung bestimmte elektrische Leitfähigkeit und andererseits die mittels Mikroskopie charakterisierte geometrische Struktur der Leiterbahnen herangezogen.

The 3D precision placement of the integrated circuits (ICs) on the electrically functionalized spatial circuit carriers is realized by automated placement systems. For the 3D integration of the required ICs in the miniaturized installation space, advanced interconnection technologies are used, in particular System-in-Package technologies such as chip stacking by means of Through Silicon Vias, flip-chip mounting, solder ball bumping and other vertical electrical interconnection techniques.

Die 3D-Präzisionsbestückung der integrierten Schaltkreise (IC) auf den elektrisch funktionalisierten räumlichen Schaltungsträgern wird durch automatisierte Bestückungssysteme realisiert. Für die 3D-Integration der benötigten ICs im miniaturisierten Bauraum werden fortgeschrittene Verbindungstechnologien eingesetzt, insbesondere System-in-Package-Technologien wie Chip-Stapeltechniken mittels Through Silicon Vias, Flip-Chip-Montage, Solder Ball Bumping sowie weitere vertikale elektrische Verbindungstechniken.

The third work package comprises the necessary investigations to test the reliability and lifetime of the metallized and populated ceramics. The assemblies are subjected to a thermal cycling test to determine the resistance of the connections to mechanical stress. Vibration tests evaluate the mechanical stability and robustness of the assembly. High-temperature storage is used to investigate the thermal stability and long-term durability of the assembly at high operating temperatures.

Das dritte Arbeitspaket umfasst notwendige Untersuchungen zur Prüfung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer der metallisierten und bestückten Keramiken. Die Aufbauten werden einem Temperaturwechseltest ausgesetzt, um die Beständigkeit der Verbindungen gegenüber der mechanischen Beanspruchung zu bestimmen. Vibrationstests bewerten die mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit der Baugruppe. Mittels Hochtemperaturauslagerung wird die thermische Stabilität und Langzeitbeständigkeit der Baugruppe bei hohen Betriebstemperaturen untersucht.

Finally, a concept is developed to combine the individual processes of additive metallization in the miniaturized installation space of the nanosatellites in a single system. To this end, the capabilities of the 5-axis system are to be combined with high-precision IC placement modules. This system is intended to enable flexible and precise manufacturing, as all tools are mounted at the same time and can be activated by tool-change commands.

Schließlich wird ein Konzept erarbeitet, um die einzelnen Prozesse der additiven Metallisierung im miniaturisierten Bauraum der Kleinstsatelliten in einer Anlage zu vereinen. Hierzu sollen die Fähigkeiten der 5-Achs-Anlage mit hochpräzisen IC-Bestückungsmodulen kombiniert werden. Diese Anlage soll eine flexible und präzise Fertigung ermöglichen, da alle Werkzeuge gleichzeitig montiert sind und durch Werkzeugwechselbefehle aktiviert werden können.