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In der Verbindungstechnik von elektrotechnischen Bauteilen ist das Draht-Bonden eine schon seit Jahrzehnten etablierte Technik [1]. Diese Reibschweißverbindung (Solid-State-Welding) fand zunächst bei Gehäusen für integrierte Schaltkreise (IC) ihren Einsatz. Dort wurden Silizium-Chips durch Draht-Bonden von Golddraht mit dem Leadframe verbunden. Diese Bauelemente fanden separat in elektronischen Schaltungen ihre Anwendung. Seit vielen Jahren gibt es jedoch den Trend der Miniaturisierung und höhere Integration von Baugruppen.

Insbesondere im Automobilbereich ergaben sich völlig neue Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Die Integration, z.B. bei Steuergeräten oder Sensoren, schritt voran, sodass ein Gehäuse mit Stanzteilen heute neben der Schutz- und Befestigungsfunktion auch elektrische Funktionen übernimmt [2]. Die traditionelle Lötverbindung ist oft einer Bondverbindung gewichen. Anschlüsse von Leistungshalbleitern werden durch Aluminiumdickdrahtbonden (150 bis 500 µm) mit Steckerkontakten verbunden, Siliziumchips werden als Bare-Die direkt auf das Stanzgitter aufgebracht und mit Golddraht kontaktiert.

Zusätzlich finden auch andere Verbindungstechniken wie Reflowlöten, Leitkleben oder Widerstandschweißen Eingang in mechatronische Baugruppen, sodass Werkstoffe auch für diese Technologien geeignet sein müssen.

Klassische Bondoberflächen

Die Bondtechnologie stellt hohe Anforderungen an Oberflächenveredelung und Werkstoffe der Stanzgitter. Aus der Leiterplattentechnik kennt man Oberflächen, die oftmals chemisch abgeschieden werden wie Nickel-Phosphor mit Feingold (Electroless Nickel, Immersion Gold, ENIG) oder Palladium. Edelmetalle haben auch bei Einsatz als Veredelung von Stanzgittern die besten Eigenschaften für gute Bondergebnisse. In der LED-Technik ist Silber weit verbreitet. Auch bei ICs ist Silber als Bondoberfläche schon lange im Einsatz, mit dem Nachteil einer geringen Korrosionsbeständigkeit und somit eingeschränktem Anwendungsbereich [1] [3].

Für Anwendungen in der Automobilindustrie hat Inovan seit ca. 15 Jahren Bondgold in millionenfachem Einsatz, eine Feingoldschicht (Au) von ca.0,3 µm mit Unternickelung. Bewährt hat sich auch das Bonden auf Aluminiumsilizium (AlSi), das bei Inovan durch Walzplattieren in dickeren Schichten von typisch 0,1 mm hergestellt wird.

Letztendlich ist der in Frage kommende Werkstoff in Abstimmung mit den geforderten Eigenschaften des Bauteils zu betrachten. Vor allem der Einsatzort des Produkts muss genauestens geklärt werden. Hierzu zählen Einflüsse aus Umwelt und Betrieb des jeweiligen Bauteils. So können z.B. hohe Betriebstemperaturen zu verstärkter Diffusion innerhalb des Bondbereiches führen und bei ungünstiger Werkstoffauswahl die Verschweißung durch Poren schädigen (Kirkendall-Effekt [1]). Die Au- und AlSi-Oberflächen zeichnen sich durch ein großes Anwendungsspektrum und sehr gute Prozessfähigkeit aus.

Die oben beschriebenen Oberflächen sind allerdings sehr hochwertig und erhöhen dadurch die Kosten für die Baugruppen immens, insbesondere in Zeiten steigender Edelmetallpreise ein gewichtiger Faktor. Daher ist es von großem Interesse, gangbare Alternativen zu finden. NiP- und Silberschichten sind durch Edelmetalleinsatz bzw. Herstellkosten und wegen Einschränkungen in ihrer Anwendung keine echte Alternative [1] [6].

Alternatives Schichtsystem

Es sollte ein Schichtsystem mit universellen Eigenschaften, guter Bondbarkeit und dem Potenzial der Edelmetalleinsparung gefunden und in einem Galvanikprozess realisiert werden. Deshalb hat Inovan bei der Auswahl des zu entwickelnden und zu untersuchenden Schichtsystems folgende Kriterien betrachtet:

  • Einsparung von Edelmetall,
  • breites Anwendungsspektrum,
  • hohe Prozesssicherheit und breites Bondfenster,
  • Einsatz eingeführter Werkstoffe für Bondanwendungen,
  • Einsatz in bekannte Prozesse der galvanischen Oberflächenveredelung,
  • mögliche Integration in bewährten In-House-Prozess Bondgoldoberfläche,
  • geringe Korrosionsneigung sowie
  • hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Diffusion.

Palladium statt Gold

Schon seit etwa 20 Jahren ist Palladium als Ersatz für Goldschichten in der Elektrotechnik- und Steckverbinderbranche in der Diskussion [4]. Treiber für die Entwicklung bei IC-Anwendungen war eine Oberfläche, die löt- und bondfähig ist. Im Zusammenhang mit der ROHS-konformen Umstellung auf bleifreie Verzinnungen und Lote erlebte Palladium eine Renaissance bei den elektronischen Bauelementen und wurde in dem Zusammenhang auch für den Stanzteile- und Leadframebereich entdeckt [5]. Diese Schichten gerieten aber teilweise wieder in Vergessenheit bzw. wurden nicht über den ganzen Markt ausgetestet.

Da diese Schichtsysteme sowohl für Golddraht und Die-Bondanwendungen wie auch für whiskerfreie Lötoberflächen und Kleben geeignet sind, lag es nahe, für Aludraht-Bonden dieses Metall eingehender zu untersuchen. Da Palladium eine wesentlich höhere Härte hat als Gold kann sogar die Schichtdicke gegenüber einer Bondgoldoberfläche auf ca. 0,1 µm abgesenkt werden.

Zur temporären Unterdrückung des Brown-Powder-Effekts, d.h. Anhäufung von Kohlenstoff durch Zerlegung von Kohlenstoffmolekülen auf der katalytisch wirkenden Pd-Oberfläche, wird eine nur wenige Nanometer dicke Feingoldschicht aufgebracht. Die Aufgabenstellung war nun ein geeignetes Gesamtsystem zu finden, das sich galvanisch auf die Metalloberfläche eines Leadframes applizieren lässt.

Ni-Pd-Au-Varianten untersuchen

In Rahmen einer detaillierten Untersuchung wurden Proben in unterschiedlichen Varianten des Grundmaterials sowie der Beschaffenheit und Schichtdicke von Nickel, Palladium und Gold variiert. Optimale Oberflächen und Bondparameter müssen Bondverbindungen ohne Abheber (Lift-offs) aufzeigen. Als Versagensmechanismen sind nur Drahtbruch oder Heelcracks zulässig. Weiteres Qualitätsmerkmal der Bondverbindung ist auch die Form des Bondfußes. Dieser darf beispielsweise eine vorgeschriebene Breite nicht überschreiten.

Ziel der Varianten-Optimierungen war ein möglichst breites Bondfenster, d.h. die Parameter wie Ultraschallenergie und Anpresskraft zeigen ein möglichst großes Toleranzfenster, in dem Bondverbindungen guter Qualität möglich sind. Dies sichert beim späteren Serienprozess ein gutes Ergebnis auch bei extremen Umwelt- und Belastungseinflüssen wie im Labormaßstab.

Im weiteren Verlauf wurden die Bonds metallografisch und mikroskopisch untersucht. In Bild 6 ist ein so genannter Bondfuß im Querschliff zu sehen. Die Verschweißung zeigt keine nennenswerten Fehler. In der Mitte des Bondfußes ist die Verschweißung gut sichtbar. Die hellen Flecken sind ein Indiz, dass das Palladium in den Aluminiumbereich diffundiert ist. Dies bedeutet, dass eine Verschweißung stattgefunden hat. Außerdem sieht man eine durchgehende Pd-Schicht, d.h. die Bondverbindung findet auf dem Palladium statt. Dies war eine Fragestellung der Schliff-REM-Untersuchung.

Die Nanoschichten konnten im Bezug auf Schichtdicke, Haftung etc. reproduzierbar abgeschieden werden. Diverse thermische Auslagerungen vor und nach dem Bonden zur Simulation von Zwischenlagerung und Beschleunigung evtl. schädigender Diffusionsprozesse wurden ohne Ausfall bestanden. Langzeitauslagerungen über mehrere tausend Stunden waren ebenso erfolgreich. Die Ziele, etablierte Werkstoffe einsetzen zu können und seriennahe Prozesse zu fahren, konnten erfüllt werden.

Parallel zum Schichtsystem war die Ermittlung geeigneter Bondparameter notwendig. Es zeigte sich ein kleineres Prozessfenster gegenüber Oberflächen mit Bondgold und AlSi.

Eine sehr gute Korrelation der einzelnen Untersuchungen war gegeben. So konnten alle Prüf- und Messergebnisse durch entsprechende Analysen zusammengeführt werden und es stehen keine widersprüchlichen Aussagen zur Debatte.

Ausblick

Die schon seit Jahren aus dem Leiterplattenbereich bekannte Nanoschichtkombination Ni-Nano-Pd-Nano-Au hat bei den Untersuchungen von Inovan gute Ergebnisse erbracht und somit sehr gut die Tendenzen aufgezeigt. Bei den durchgeführten Testreihen und abgeprüften Eigenschaften zeigten sich keine nennenswerten Nachteile gegenüber den hochwertigen konventionellen Beschichtungen wie Feingold oder AlSi. Sicherlich stellen die geprüften Eigenschaften nur Grundvoraussetzungen an die Bauteile dar und entsprechende Produkte müssen anwendungsspezifisch auf Verhalten wie Vibration, Temperaturwechsel etc. geprüft werden. Solche Untersuchungen gehören in den Bereich einer spezifischen Produktentwicklung und konnten somit nicht Bestandteil dieser Entwicklung sein.

Über Inovan

Inovan ist ein Anbieter von kundenspezifischen Problemlösungen für die Kontakttechnik. Die Produktionspalette reicht dabei von veredelten Stanzgittern bis hin zu kundenspezifischen Mechatronikbaugruppen. Die Fertigung dieser Präzisionsteile richtet sich nach kundenspezifischen Anforderungen. Bei Bedarf liefert man die Entwicklung bis hin zur Realisierung maßgeschneiderter Lösungen für Großserien. Im Bereich Stanz- und Montagetechnik, galvanische Oberflächen und Kontaktwerkstoffe werden Kunden auf der ganzen Welt beliefert.

Literatur

[1] George Harman: Wire Bonding in Microelectronics; Mc Graw-Hill Companies, 1989.

[2] Gausemeier, Feldmann: Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen; Hanser Verlag 2006.

[3] Kieninger: Chip und Wire Technik, Verarbeitung von ungehäusten Halbleiterbauteilen; FH-München, 2005.

[4] U. Landau: Steckverbinder in der Automobilindustrie, Vortrag 28; Ulmer Gespräch 2006.

[5] Douglas Romm, Berhard Lange, Donald Abbott: Evaluation of Nickel-Palladium-Gold-Finished Surface-mount Integrated Surfaces; Texas Instrument 2001.

[6] http://www.siliconfareast.com/bonding-theory.htm.

Markus Klingenberg

1188.jpg
: Inovan, Birkenfeld.

(hb)

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