Zuverlässige Bondverbindungen

Feinere Leiterbahnbreiten und -abstände, höhere Signalfrequenzen, eine verbesserte Zuverlässigkeit von Lötverbindungen und neuartige Drahtbondmaterialien wie Kupfer sind nur einige der Herausforderungen an Endoberflächen für Leiterplatten und IC-Substrate. Die Endoberfläche sollte sowohl mit bestehenden Technologien wie dem Aluminium- und Gold-Drahtbonden als auch mit neuartigen Verfahren wie dem Kupfer- oder Kupfer/Palladium-Drahtbonden kompatibel sein. Zusätzlich gibt es weitere Anforderungen hinsichtlich der Reduzierung und Eliminierung von toxischen und gefährlichen Materialien sowie das Bestreben, die Herstellungskosten weiter zu senken. Diese Anforderungen sind wichtig für Branche und Hersteller auf ihrem Weg hin zu mehr Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Kompatibilität mit neuen Technologien.

Atotechs Antwort auf diese Problemstellungen ist ein neuartiges Palladium-Direktverfahren für die Oberflächenveredelung (Pallabond), das mit einer optionalen Goldschicht aufwartet. Die Electroless-Palladium- und Autocatalytic-Gold-Oberfläche (EP/EPAG) verzichtet auf Nickel und damit auf die sonst übliche Kupferdiffusionssperrschicht. Wegen seiner kurzen Abscheidungszeit sowie des geringen Temperaturbedarfs ist es kompatibel mit vielen Basismaterialien und Lötstoppmaskentypen. Darüber hinaus führt das Pallabond-Verfahren zu einer Beschichtungsstärke von weniger als 300 nm und eignet sich damit für sehr feine Leiterzüge und Abstände. Die Eignung für Kontakt- und Einpressapplikationen ist derzeit in der Prüfung.

EPAG-Oberfläche als Baukastensystem

Einer der Hauptvorteile der neuartigen EPAG-Oberfläche ist die Eignung für Gold- und Kupferdrahtbondanwendungen bei gleichzeitiger Lötbarkeit, die vergleichbar mit der ENEPIG-Oberfläche (Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold) ist. Das Schichtsystem Palladium/Gold lässt sich, einem Baukastensystem gleich, den Anforderungen entsprechend variieren. Mit dieser multifunktionalen Bondoberfläche lassen sich vielfältige Bondanwendungen abdecken. So ist es möglich, Gold- wie auch Kupferdrahtverbindungen herzustellen. Das Kupferdrahtbonden als Alternative zu Golddrahtbonden wird immer häufiger praktiziertund überzeugt auf Grund von Kostenvorteilen. Mittlerweile deckt das Kupferdrahtbonden etwa 40 Prozent der Drahtbond-Packages ab. EPAG wurde bei Untersuchungen im Vergleich zu ENIG und ENEPIG hinsichtlich Kupferdrahtverbindung getestet und hat sich als vollwertiger Ersatz mit deutlich größerem Arbeitsfenster herausgestellt. Sogar bei der Anwendung mit dünneren Goldschichten zeigt EPAG die besseren Drahtbondergebnisse von Kupfer-Palladium-Drähten im Vergleich zu ENEPIG oder ENIG.

Nach weitgehenden Untersuchungen zeigte sich Pallabond auch als sehr gute Lötoberfläche, sowohl in der SMT-Reflow- als auch in der Wellen- und Dampfphasenlötung. Der bekannte Blackpad-Fehler, bekannt von herkömmlichen Goldschichtsystemen, kann verfahrensbedingt gar nicht erst auftreten; denn im Gegensatz zu ENIG entsteht bei Pallabond die Lötverbindung direkt auf dem Kupfer.

Es eignet sich für Tastendruckanwendungen, Hochfrequenzanwendungen, flexible PCBs sowie zum Drahtbonden mittels Gold-, Aluminium- und Kupferdraht. Das Verfahren führt zu einer sehr guten Festigkeit der Lötverbindung bei bleifreiem und eutektischem Lot. Durch die Nickelfreiheit ist Pallabond sehr gut für Hochfrequenz-Applikationen geeignet. Der Begriff „Skin-Effekt“ beschreibt, dass bei höheren Frequenzen die Elektronen bevorzugt in die äußere Schicht (skin) eines elektrischen Leiters wandern. Der Skin-Effekt ist materialabhängig und bei Nickel, aufgrund der höheren Leitfähigkeit, sehr viel stärker ausgeprägt als bei Kupfer. Daher haben ENEPIG- und ENIG-Schichten bei Hochfrequenz-Anwendungen einen Nachteil, da sie eine Nickelschicht aufweisen. Durch die dünne Oberflächenbeschichtung bei EP/EPAG fließt selbst bei hohen Frequenzen der Strom hauptsächlich durch das Kupfer, was zu geringeren Signalverlusten im Vergleich zu ENEPIG oder ENIG führt. Dieser Vorteil ist nicht nur für Drahtbond-Packages wichtig, sondern auch für Flip-Chip-Applikationen, die ENEPIG verwenden.

Umweltfreundlich und frei von Toxiden

Neben den eindeutigen technischen Vorteilen bietet Pallabond auch eine Vielzahl an Umweltvorteilen, beispielsweise einen geringeren Wasser- und Energieverbrauch, aufgrund von weniger Verfahrensschritten und geringeren Prozesstemperaturen. Vor allem aber ist das neue Pallabond-Verfahren frei von toxischen oder umwelttechnisch bedenklichen Materialien wie Thioharnstoff, Blei und Nickel. Insgesamt lässt sich Pallabond als umweltfreundliches Verfahren beschreiben, das die technischen Vorteile mit Wirtschaftlichkeit verbindet. Ferner ermöglicht es den Herstellern, ihre Betriebskosten im Vergleich zum Standard-ENEPIG-Verfahren zu senken.

In Korea, Taiwan, Japan und Europa führt Atotech derzeit Alpha- und Betatests durch, die bis zum Ende des ersten Quartals 2014 beendet sein sollen. Musterbeschichtungen sind bei Atotech in Berlin erhältlich. Die Markteinführung von Pallabond ist für Anfang 2014 vorgesehen. In Europa wird das Verfahren über den Vertriebspartner APL Oberflächentechnik angeboten, einem eigentümergeführten Unternehmen für Oberflächentechnologie und verwandte Dienstleistungen, das sich auf chemisch Zinn spezialisiert hat. Mit der Einführung von Pallabond kann APL eine multifunktionale Oberfläche für die Leiterplatten- und für die Mikroelektronikbranche anbieten. „Wir freuen uns sehr über diese neue Oberflächenveredelung, die unser Dienstleistungsangebot erweitert und unseren Kunden interessante neuartige Geschäftsfelder eröffnet“, ist sich Walter Tastl, Geschäftsführer von APL, sicher. APL wird den Pallabond-Prozess vertikal betreiben und das abschließende Spülen horizontal.

Productronica 2013: Halle B1, Stand 461

(mrc)