Risiko elektrischer Ladungen in der Fertigung minimieren

Die Halbleiterindustrie gilt als Wachstumsmarkt. In der Herstellung elektronischer Komponenten und Halbleiter nutzen alle großen Fertiger weltweit unter anderem Bestückungsautomaten. In automatisierten Produktionsprozessen bewegen diese Bestückungsanlagen Leiterplatten, Platinen und Wafer mit hoher Taktfrequenz; Leiterplatten und Platinen werden dabei präzise mit elektronischen Bauteilen bestückt. Dabei stellt elektrostatische Entladung (ESD – Electrostatic Discharge) eine zentrale Herausforderung dar. ESD kann überall dort entstehen, wo durch Reibung elektrische Spannung aufgebaut wird. In der Halbleiterfertigung müssen solche Spannungen unbedingt vermieden oder kontrolliert abgeleitet werden, da selbst sehr geringe Spannungen empfindliche Bauteile beschädigen können. Defekte Komponenten beeinträchtigen die Funktionalität des Endgeräts und können für Hersteller kostenintensive Rückrufaktionen nach sich ziehen. Deshalb ist es entscheidend, Spannungsspitzen zu verhindern.

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Dr. Martin Large

Wie schützen ESD-Beschichtungen vor elektrostatischer Entladung?

Schutz vor ESD wird in der Produktion grundsätzlich auf zwei Wegen erzielt: durch Erdung und durch ESD-Beschichtungen. Die Erdung stellt einen definierten Ableitpfad für elektrische Ladungen bereit. Dafür wird die gesamte Bestückungsanlage auf ein einheitliches Potenzial gebracht und alle leitenden Teile werden geerdet. ESD-Beschichtungen ergänzen dieses Konzept, indem sie Oberflächen von Werkzeugen elektrostatisch ableitfähig machen und auf diese Weise die unkontrollierte Ansammlung statischer Ladungen verhindern. Gleichzeitig ermöglichen sie den kontrollierten Transport elektrischer Ladung zur Erdung – auch auf Materialien, die von Natur aus isolierend oder schlecht leitfähig sind. So wird eine schnelle, schädliche Entladung vermieden, da sich die Spannung kontrolliert und langsam abbauen kann. Außerdem können ESD-Beschichtungen sogenannte partikelbedingte Kontaminationen reduzieren: Elektrostatisch geladene Oberflächen können verstärkt Staub anziehen.

Der Funktionsbeschichtungsexperte Rhenotherm hat eine ESD-Beschichtung entwickelt – speziell für Toolings der Bestückungsautomaten, die Wafer und Leiterplatten aufnehmen, bewegen und verarbeiten. Diese Toolings arbeiten oft mit Unterdruck (Vakuumtoolings), um die empfindlichen Wafer zum Beispiel während des Transports durch eine Bestückungsanlage sicher zu fixieren. Die Aufbringung der Beschichtung erfolgt automatisiert und ohne mechanische Vorbehandlungen wie Sandstrahlen, sodass ein Verziehen dünner Bauteile im Prozess vermieden wird.

Die ESD-Beschichtung muss zudem eine geringe Oberflächenrauheit bzw. eine glatte und ebene Oberflächentopographie aufweisen, um für die gewünschten Vakuumwerte zu sorgen. Gleichzeitig werden Werkzeugkomponenten häufig verklebt. Dabei kommen oft temperatursensitive Klebstoffe zum Einsatz. Entsprechend muss die Vernetzung der ESD-Beschichtung bei möglichst niedrigen Temperaturen erfolgen, um die Verklebung nicht zu beschädigen. Die Beschichtung von Rhenotherm ist für unterschiedlichste Substrate geeignet – darunter Metall, Aluminium, Kunststoffe und CFK – und kann damit flexibel eingesetzt werden.

Die Beschichtung kombiniert ESD-Schutz mit Trockenschmierung, Gleitoptimierung und hoher Abrasionsfestigkeit. Zudem lässt sie sich an spezifische Anforderungen anpassen, beispielsweise hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit oder Klebstoffkompatibilität.

Niedrige Prozesstemperaturen für empfindliche Toolings

Konventionelle ESD-Beschichtungen werden häufig in mehreren Schichten aufgetragen und anschließend bei hohen Temperaturen ausgehärtet. Polymerbeschichtungen werden teilweise bei Temperaturen von bis zu 400 Grad gesintert. Solche Temperaturen sind jedoch nicht für alle Bauteile geeignet – filigrane und dünne Komponenten können sich verziehen und verklebte Toolings sind in der Regel temperatursensitiv, sie können nicht so stark erhitzt werden. Das gleiche gilt für Kunststoffsubstrate, Bauteile aus Aluminium oder Legierungen mit Aluminium. Die neue ESD-Beschichtung lässt sich bei deutlich niedrigeren Temperaturen verarbeiten. Dadurch wird nicht nur die Beschichtung temperatursensitiver Bauteile ermöglicht, sondern auch der Energieverbrauch im Beschichtungsprozess reduziert, was Betriebskosten und CO₂-Emissionen senkt.

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Petra Gottwald

Warum komplexe Geometrien besondere Beschichtungen brauchen

 Tooling-Komponenten weisen häufig komplexe oder filigrane Geometrien auf. Je komplexer die Form, desto anspruchsvoller ist der Beschichtungsprozess. In vielen Fällen müssen bisher Geometrien angepasst werden, um mechanischen Verzug auszugleichen. Das kann jedoch zu erhöhtem Gewicht der Teile, geringerer Prozessgeschwindigkeit und Taktverlusten führen. Die aktuelle ESD-Beschichtung ermöglicht dagegen die Bearbeitung nahezu aller Geometrien – auch sehr dünner oder empfindlicher Bauteile. Selbst feinste Bohrungen in Vakuumtoolings bleiben erhalten. Dies ist mit klassischen Pulverbeschichtungen zum Beispiel häufig nicht möglich oder mit hohem Aufwand (Nachbearbeitung) möglich.

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Rückstandsfrei entfernen und erneut beschichten

Ein weiterer Faktor ist die Nachhaltigkeit: Toolings sind kostenintensiv in der Herstellung, weshalb ihre Wiederverwendung wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist. Wird ein ESD-Wert nach längerem Einsatz nicht mehr erreicht oder ein Bauteil beschädigt, kann es einfach erneut beschichtet und muss nicht entsorgt werden.

Die Beschichtung von Rhenotherm lässt sich schonend mittels Photonen entfernen, ohne empfindliche Bauteile zu beschädigen. Während mechanische Verfahren wie Sandstrahlen kritisch sein können, ermöglicht die SLD-Technologie eine materialschonende Entfernung mit minimalem Energieeintrag. Anschließend ist das Bauteil ohne Qualitätsverlust neu beschichtbar, bei Bedarf mehrfach. Die Lebensdauer der Beschichtung hängt stark von Produktionsintensität und Taktung ab. Viele Unternehmen halten deshalb kritische Komponenten als Ersatzteile vor. Diese sind während der Beschichtung eines Teiles einsetzbar. Die Wiederbeschichtung erfolgt innerhalb weniger Werktage.

Mehr Prozesssicherheit in der Halbleiterfertigung

Moderne ESD-Beschichtungen schützen Toolings von Bestückungsautomaten zuverlässig vor elektrostatischen Schäden. Niedrige Prozesstemperaturen erlauben es dabei, Energieverbrauch und CO₂-Emissionen zu senken. Durch die Möglichkeit zur Wiederbeschichtung leisten diese ESD-Beschichtungen einen Beitrag zu nachhaltigen und ressourcenschonenden Fertigungsprozessen. Sie verbinden Prozesssicherheit, Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit in elektrostatisch sensiblen Anwendungen.