Atmosphärische Plasmabehandlung ist eine gängige und etablierte Methode zur Feinreinigung und Aktivierung von Oberflächen. Bei Polymeren und Verbundwerkstoffen kann eine solche Aktivierung mit einem Atmosphärendruck-Plasma die effizienteste Methode und bei Betrieb mit Druckluft kostengünstig und kompatibel mit praktisch jedem Serienprozess sein. Es müssen keine nasschemischen Primer eingesetzt werden. Hierdurch ist die Funktionalisierung mit dem atmosphärischen Plasma besonders umweltfreundlich und materialschonend. In einem Prozessschritt werden eine Feinreinigung, ein Ausgleich der statischen Oberflächenladung und eine Funktionalisierung erreicht. Dies gilt auch für die Bearbeitung von kompletten elektronischen Baugruppen. Auf einer Platine ist eine hohe Bandbreite Materialien präsent: Thermoplastische Kunststoffe, Metalle, Keramische Oberflächen, Lötstopplacke, Leiterbahnen und das PCB-Trägermaterial. Soll so eine Baugruppe vergossen werden, ist eine Optimierung durch eine trockene atmosphärische Plasmabehandlung eine sehr effiziente Methode, die zu einer homogenen Vergussqualität führt. Lunker und Spalten werden vermieden und das Eindringen von Feuchtigkeit in die Baugruppe erheblich vermindert.

Atmosphärische Plasmadüsen mit strömungsstabilisierter Entladung

Der Underfill-Prozess in der Mikroelektronik ist ein Beispiel für die Anwendung von Kunstharz-Verguss. Bei der Flip-Chip-Montage wird der Chip direkt, mit dem aktiven Kontaktmuster nach unten zur Leiterplatte aufgelötet. Dies führt zu besonders geringen Abmessungen des Gehäuses und kurzen Leiterlängen. Zur Stabilisierung und zur Verbesserung der Wärmeleitung wird ein elastisches, temperaturbeständiges Kunstharz, der „Underfill“ in den Spalt zwischen Chip und Leiterplatte dosiert. Typischerweise wird das Harz von der Seite des Chips dosiert und füllt den Spalt angetrieben durch den Kapillareffekt. Qualität und Geschwindigkeit dieses Prozesses werden über die Viskosität und die Benetzungsfreudigkeit des Kunstharzes bestimmt. Eine entsprechende Vorbehandlung mit atmosphärischen Plasma erhöht die Fließgeschwindigkeit dabei erheblich und verbessert gleichzeitig die Qualität der Verbindung.

Bild 1: Schematischer Aufbau  einer atmosphärischen Plasmadüse mit externer Hochspannungsquelle, innenliegender Anode und auf Massel liegender Kathode. Am Gaseinlass (1) wird das Prozessgas (z.B. Luft) zugeführt und in eine Wirbelströmung (4) gelenkt. Zwischen Anode (2) und Kathode (3) zündet eine Entladung (5) und erzeugt einen heißen Primärbereich (6), der dann über die Düsenöffnung als Jet (7) auf das Substrat geblasen wird.

Bild 1: Schematischer Aufbau einer atmosphärischen Plasmadüse mit externer Hochspannungsquelle, innenliegender Anode und auf Massel liegender Kathode. Am Gaseinlass (1) wird das Prozessgas (z.B. Luft) zugeführt und in eine Wirbelströmung (4) gelenkt. Zwischen Anode (2) und Kathode (3) zündet eine Entladung (5) und erzeugt einen heißen Primärbereich (6), der dann über die Düsenöffnung als Jet (7) auf das Substrat geblasen wird. Relyon Plasma

  1. Auch bei Atmosphärendruck und mit Luft lässt sich ein hochreaktiver Plasmastrahl erzeugen. Dieser Strahl enthält reaktive Gasphasenspezies (Ionen, Radikale und angeregte Moleküle) in hoher Konzentration und ist bei geeignetem Düsendesign in Summe elektrisch neutral. Relyon Plasma entwickelt besonders kompakte und langzeitstabile Plasmaerzeuger in Düsenform: Durch Verwendung einer unipolaren gepulsten Hochspanungsquelle und einer Vortex-Strömung in der Düse wird der Lichtbogen daran gehindert, sich an einem „hot spot“ zu stabilisieren. Der Lichtbogen rotiert mit hoher Frequenz in der Brennkammer. Trotz der hohen Leistungsdichte erwärmt sich die Düse nur wenig und die Elektroden erodieren kaum. Die Plasmatemperatur kann über einen weiten Bereich frei eingestellt werden. Das Prinzip ist in Bild 1 dargestellt.

 

Bild 2: Unipolare gepulste Hochspannungsquelle PS2000 mit Hochspannungskabel und Plasmaerzeuger.

Bild 2: Unipolare gepulste Hochspannungsquelle PS2000 mit Hochspannungskabel und Plasmaerzeuger. Relyon Plasma

Für die vorliegende Untersuchung sind zwei verschiedene Düsenvarianten ausgewählt worden,

  1. um das elektrische Übersprechen des Plasmastrahls auf zu behandelnde elektronische Baugruppe zu untersuchen. Beide ausgewählte Düsen werden im PAA-Modus betrieben und gegenübergestellt (Bild 2). Die A450-Düse ist auf hohe Leitungsdichte optimiert und zeigt deutlich zwei Zonen in der Plasmaflamme. Die A250-Düse ist auf geringen Ladungsträgertransfer optimiert. Die Wirkung der Plasmabehandlung auf der Oberfläche ist thermischer, chemischer und elektrischer Natur und hängt von den eingestellten Prozessparametern ab. Dabei spielen Arbeitsabstand, Art des Prozessgases, eingestellte Anregungsleistung  und Bearbeitungsgeschwindigkeit aber auch die Eigenschaften des Substrates eine wichtige Rolle (Bild 3).
Bild 3b

Bild 3b Relyon Plasma

Bild 3a: Wechseldüsenbaureihe in Reihenfolge steigender Leistungsdichte und entsprechend steigender statischer Temperatur. Die Düse A250 ist auf geringe Ladungsübertragung optimiert. Die Düse A450 auf maximale Leistungsdichte.

Bild 3a: Wechseldüsenbaureihe in Reihenfolge steigender Leistungsdichte und entsprechend steigender statischer Temperatur. Die Düse A250 ist auf geringe Ladungsübertragung optimiert. Die Düse A450 auf maximale Leistungsdichte. Relyon Plasma

Mechanismen für die Ladungsübertragung

Direkte Ladungsübertragung

Die atmosphärische Plasmabehandlung ist ein Prozess, bei dem in der Entladungszone hohe elektrische Felder auftreten. Allerdings ist das austretende sekundäre Plasma in Summe elektrisch neutral und entfaltet seine Wirkung auf die Oberfläche (anders als eine Corona-Entladung) eher durch die angeregten chemischen Spezies als durch Feldeffekte an der Oberfläche selbst. Trotzdem werden häufig Bedenken geäußert, dass empfindliche Bauteile durch unzulässige Potenziale geschädigt werden könnten.

Bei atmosphärischen Plasmen mit Anregung durch gepulste Lichtbögen, kann die Elektronentemperatur der Kernfilamente bei 10.000 K liegen, die mittlere Temperatur der Neutralteilchen und massebehafteten Ionen im Brennraum kann dabei bereits unter 1000 K liegen. Diese Temperatur sinkt durch Expansion, Strahlungsverlust und turbulente Durchmischung am Düsenausgang schnell weiter ab. Im Brennraum nahe am heißen Kernbereich liegen die Teilchendichten für geladene Teilchen bei bis zu 1013/cm3. Ladungsungleichgewichte in dieser Phase existieren damit auf einer Längenskala, die durch die Debye-Länge gegeben ist.

Formel

Bei einer angenommenen Elektronentemperatur von 10.000 K und einer Dichte von 1013/cm3 ergibt sich eine Länge von < 0,2mm.

Nur innerhalb dieser geringen Länge ergeben sich Potenzialdifferenzen, die nicht mehr unmittelbar durch Ladungsbewegung abgeschirmt werden und die unter Umständen durch die Strömung bis zum Düsenaustritt beziehungsweise bis zu empfindlichen Substrat mitgerissen werden können.

Schwankungen in der freien Ladungsträgerdichte

Bei einer gepulsten oder stochastisch fluktuierenden Bogenintensität schwankt die Ladungsträgerdichte im Plasmajet. Das Frequenzspektrum der Fluktuation liegt bei gepulsten Bogenentladungen typischerweise zwischen 20 und 100 kHz. Die Austrittsgeschwindigkeiten an der Düse liegen bei etwa 50 m/s. Damit sind Schwankungen in der Ladungsträgerdichte auf einer Längenskala von rund 1 mm zu erwarten. Zusätzliche Fluktuationen werden über die turbulente Austragung aus dem Brennraum induziert. Die Summe dieser Fluktuationen überträgt sich auf die Ladungsträgerdichte und damit die Leitfähigkeit des emittierten Plasmastrahls. Allerdings mitteln sich diese Fluktuationen auf dem Weg von Düsenaustritt zum Substrat aus, wenn diese Distanz erheblich länger ist als die Längenskala der Fluktuationen.

Induktive (magnetische) Kopplung

Eine magnetische oder induktive Energiekopplung in leitfähige Strukturen auf einem Substrat werden in der Betrachtung komplett vernachlässigt, da die magnetischen Feldstärken bei den geringen Strömen (< 1A) und dem relativ hohen Abstand der Stromschleife von >20mm in der Entladungszone zum Substrat vernachlässigbar sind.

Hochfrequente elektromagnetische Kopplung

Hochfrequente elektromagnetische Felder werden von einem Sender zu einem Empfänger nur dann effizient übertragen, wenn die Antennenstrukturen in der Größenordnung der elektromagnetischen Wellenlänge liegen. Im Plasmaerzeuger und auf den Substraten liegen die Längen im Bereich von einigen Zentimetern. Das Powerspektrum im Nahfeld der Plasmadüse zeigt nur Frequenzen im Bereich von 100 kHz entsprechend Wellenlängen von etwa 3000 m mit einer relevanten Amplitude. Um diesen Frequenzbereich effektiv zu übertragen sind sehr große Antennenstrukturen erforderlich. Darüber hinaus werden Öffnungen, die erheblich kürzer als die Wellenlänge sind, nicht durchdrungen.

Kapazitive (elektrische) Kopplung

Neben der direkten Ladungsübertragung ist auch eine kapazitive AC-Entkopplung durch den Austrittsspalt der Düse denkbar. Durch die teilweise stochastische Natur der atmosphärischen Entladung zwischen zwei Elektroden treten hochfrequente Transienten auf der innenliegenden Anode auf. (siehe Bild 1 des Grundlagenaufbaus).

Versuchsaufbau und Durchführung

Bild 4: Messprinzip und Ersatzschaltbild. Die Spannungsquelle ist charakterisiert durch Amplitude, Frequenz und Pulsform, wahlweise dargestellt als Pulszug (links) oder Amplitudenspekrum im Frequenzraum (rechts). Die Potentialmessung wird entweder mit einer differentiellen Sonde S1 oder einer einfachen Sonde S2 durchgeführt.

Bild 4: Messprinzip und Ersatzschaltbild. Die Spannungsquelle ist charakterisiert durch Amplitude, Frequenz und Pulsform, wahlweise dargestellt als Pulszug (links) oder Amplitudenspekrum im Frequenzraum (rechts). Die Potentialmessung wird entweder mit einer differentiellen Sonde S1 oder einer einfachen Sonde S2 durchgeführt. Relyon Plasma

Das gemessene lokale elektrische Potenzial hängt selbstverständlich von der gewählten Versuchsanordnung ab. Für die spätere Betrachtung zur konkreten Belastung eines Bauteils ist es wichtig, die Messsonde genau zu charakterisieren. Prinzipiell besteht im Raum zwischen der inneren Elektrode, die auf Arbeitsspannung liegt, durch den Düsenaustritt bis zum Substrat (etwa einer Leiterplatte) eine leitfähige Verbindung. Ein Plasma enthält frei bewegliche Ladungsträger! Entscheidend für das Messergebnis sind der Innenwiderstand und die Kapazität der Messsonde und die Bandbreite des erfassten Frequenzspektrums. Für die Interpretation in der Praxis kann noch unterschieden werden zwischen einem absoluten lokalen Potenzial und einer lokalen Potenzialdifferenz, die sich zwischen zwei nahe beieinander liegenden Sonden aufbaut (Differenzielle Messung S1, Messung bezogen auf Masse S2; Bild 4).

Wir haben nun mit einem Speicheroszilloskop (Tektronix) und einem hochwertigen Messkopf (10 MOhm, 8 pF) das absolute und das differentielle Spannungssignal ortsaufgelöst gemessen und jeweils eine Spektralanalyse durchgeführt. Unterbrechung der Plasmaflamme durch eine dielektrische Platte aus Al2O3 senkt den DC-Anteil des Messsignals aber ändert den AC-Anteil des Signals kaum. Die Pulsarbeitsfrequenz der Hochspannungsquelle ist weiterhin im Powerspektrum sichtbar. Das heißt, dass auch bei vollständiger Isolation des Substrates von der Plasmaquelle eine elektrische Leistung übertragen wird, die zu Bauteilbelastungen führen kann.

Bild 5a: Ortsabhängigkeit der aus den Messungen berechneten RC Kenngröße, die die Ladungsübertragung des Plasmastromes beschreibt.

Bild 5a: Ortsabhängigkeit der aus den Messungen berechneten RC Kenngröße, die die Ladungsübertragung des Plasmastromes beschreibt. Relyon Plasma

Bild 5b

Bild 5b Relyon Plasma

Aus diesen Messwerten lassen sich jeweils bei bekannter Anregungsspannung die Werte für das als Ersatzschaltbild angenommene RC-Element ableiten. Die dargestellte Tendenz ist intuitiv plausibel: Mit steigendem Abstand sinkt die Kapazität die sich zwischen dem Ausgangsbereich der Plasmadüse und der Oberfläche der Messsonde ausbildet. Gleichzeitig rekombinieren im sekundären Plasmajet freie Ladungsträger und die Plasmaflamme kühlt ab. Damit erhöht sich der elektrische Widerstand mit steigendem Abstand sehr schnell. Für einen typischen Arbeitsprozess mit der potentialarmen Düse A250 und einen Arbeitsabstand von 20mm ist in Bild 5 das ortsabhängige Potenzial auf einer Fläche von 25 mm x 25mm gezeigt. Die maximale Potenzialdifferenz auf der gesamten Fläche beträgt etwa 3 V. Die lokalen Potenzialdifferenzen, gemessen mit einer Differenzialsonde mit 1 mm Messpunktabstand, liegt auf der gesamten betrachteten Fläche bei weniger als 300 mV (Bild 6).

Praktisches Modellsystem

Als Modellsystem soll ein einfaches CMOS-Gatter betrachtet werden, da die meisten digitalen ICs wie Sensoren, Prozessoren oder Arbeitsspeicher, zurzeit in dieser Technik hergestellt werden. Bei typischen Strukturstärken von weniger als 1 µm liegen die Durchschlagsspannungen unterhalb von 20 V. Die Verlustleistung im Ruhezustand beträgt üblicherweise rund 10 nW. dynamisch werden in pro Gattern etwa 10 µW bis hin zu 100 µW/MHz umgesetzt. Das bedeutet, dass die Einzelelemente Eingangsimpedanzen von rund 1 GOhm und typische Kapazitäten von ca. 1 pF aufweisen. CMOS-Eingänge sind empfindlich gegenüber statischen Aufladungen und Überspannungen, weshalb vor CMOS-Eingänge, wenn technisch möglich, ein- oder zweistufige Schutzschaltungen (zum Beispiel Dioden gegen die beiden Betriebsspannungen) zum Einsatz kommen. Typischerweise reduziert sich der Widerstand von Pin-zu-Pin am integrierten Baustein daher auf  <100 MOhm.

In der Praxis werden die einzelnen Gatter zu Logikstrukturen verknüpft, an die diskrete Bauteilgrenze geführt und dort auf die Platine aufgelötet. Hier sind die Strukturen im Millimeterbereich. Die korrekte Fragestellung lautet also, ob über eine Distanz von einigen Millimetern die Plasmaflamme eine Potenzialdifferenz induzieren kann, die auf einem diskreten CMOS-Gatter zu einem Durchschlag der Sperrschicht führen kann. Hierzu kann eine einfache Sonde definiert werden, mit der praktische Messungen durchgeführt werden können.

Bild 6a: Ortsabhängiges Potenzial, gemessen mit einem Messfühler mit 100 MOhm gegen Masse (links) bzw. 100 MOhm differenziell gemessen zwischen zwei in der waagerechten um 1 mm beanstandeten Messpunkten.

Bild 6a: Ortsabhängiges Potenzial, gemessen mit einem Messfühler mit 100 MOhm gegen Masse (links) bzw. 100 MOhm differenziell gemessen zwischen zwei in der waagerechten um 1 mm beanstandeten Messpunkten. Relyon Plasma

Bild 6b

Bild 6b Relyon Plasma

Literaturverzeichnis
Liebermann, M. A., & Lichtenberg, A. (2005). Principles of Discharges and Materials Processing. New Jersey: Wiley.

Nettesheim, S., Korzec, D., & Burger, D. (2015). Plasmaaktivierung von Rolle. Adhäsion, 20-25.

schonende Oberflächentechnik

Wird bei atmosphärischen Plasmaprozessen das Substrat nicht in unmittelbare Nähe der heißen Zone geführt, und wird ein Düsentyp verwendet, der ein gutes Confinement der primären Entladungszone sicherstellt, kann die direkte Ladungsübertragung sehr niedrig gehalten werden. Schädigungen auch sehr empfindlicher Bauteile wie CMOS-Gatter lassen sich damit ausschließen. Wichtig für die Betrachtung ist die Kenntnis von Bearbeitungsprozess und des eingesetzten Plasmasystems. Auch ohne detaillierte Einzelfallbetrachtungen ist es möglich, über ein einfaches Ersatzschaltbild für die Plasmaflamme abzuschätzen, welche Risiken durch Aufladungseffekte entstehen können.