Vorteile der Ätztechnik bei komplexen Leadframes

Bei besonders dünnen Leadframes mit komplexem Design spielt die Ätztechnik hinsichtlich Präzision und Produktionskosten eine große Rolle. Precision Micro

Mikroelektronische Bauelemente unterliegen einer kontinuierlichen Miniaturisierung, die mit der Forderung nach immer niedrigeren Fertigungskosten einhergeht. Für die Fertigung von Komponenten wie Leadframes, mit einer hohen Lochanzahl und ultrafeinen Abständen, sind demnach Verfahren gefragt, die hohe Präzision und enge Toleranzen sicherstellen. Leadframes werden in der Montage von Halbleiterbauelementen eingesetzt und sind ein wesentlicher Bestandteil von Chipgehäusen in integrierten Schaltungen. Sie dienen als Zwischenmaterial, an die die Pads mittels Draht gebondet werden und meist in langen Bahnen produziert werden. „Die Strukturen von Leadframes liegen im Mikrometerbereich. Da könnten selbst kleinste Herstellungsfehler den Ausfall eines kompletten Schaltkreises zur Folge haben“, erklärt Markus Rettig, Sales Manager von Precision Micro in Deutschland.

Demnach ermöglicht die Ätztechnik eine exakte Metall-Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit und einer minimalen Standardtoleranz. Mittels digitaler Werkzeugerstellung lassen sich zudem auch Design-Änderungen schnell und wirtschaftlich realisieren. Doch wo liegen die Unterschiede zwischen Ätz- und Stanztechnik? Im Folgenden werden die bevorzugten Fertigungsmethoden „Photochemisches Ätzen“ und „Stanzen“ genauer analysiert und bewertet. Entscheidend bei dem Vergleich der Verfahren ist, dass neben komplexen Formen auch eine schnelle Adaption des Designs sowie eine Kosteneffizienz hinsichtlich der Werkzeugkosten gefragt sind.

Stanzen oder Ätzen: Die Herstellungsprozesse im Vergleich

Die photochemische Ätztechnik ist eines der weitverbreiteten Verfahren bei der Leadframe-Herstellung. Die Leadframes werden in flachen Platten aus Kupfer- oder aus Eisen-Nickel-Legierungen gefertigt. Genau kontrollierte chemische Prozesse reagieren mit den an der Oberfläche befindlichen Atomen und lösen die Oberfläche ab. Die Schablonen oder auch Photomasken für die Leadframes werden mittels CAD designt, der Ätzvorgang findet mithilfe von Laminierungsverfahren statt. Die legierten Platten sind dabei zwischen den Photomasken angeordnet und werden mit UV-Licht beleuchtet, das die ausgewählten Bereiche des Laminats in eine säurebeständige Oberfläche verwandelt. Das Blech wird anschließend entwickelt. Alle Laminatflächen, die nicht belichtet wurden, werden abgewaschen. Im nächsten Schritt wird das Blech mit Säure-Lösung besprüht, die das freiliegende Metall auf der Vorder-und Rückseite des Blechs gleichzeitig ablöst und daraufhin das Produkt-Design freigibt.

Das Stanzen ist ein automatisierter Prozess, bei dem das Bandmaterial durch die Anlage geführt wird. An den Rändern des Metallbands werden Indizierungslöcher erzeugt, die das Band während des Bearbeitungsprozesses korrekt positionieren. Auf diese Weise wird es durch die Stanzmaschine geführt, in der die Stanzwerkzeuge dem Leadframe seine spezifische Form geben. Der Stanzvorgang wird normalerweise in einer Reihe von Prozessschritten vollbracht, mit der sich die Form des Bandes sukzessive an das endgültige Leadframe-Design annähert, abhängig von der Komplexität der Geometrie.

Precision Mirco hat eine sichere Methode zur Herstellung von Leadframes mit hoher Wiederholgenauigkeit entwickelt und erfüllt die hohen Anforderungen an die Qualitätsstandards für Elektronikkomponenten. Precision Micro

Leadframes – Kompliziert und zerbrechlich

Leadframes verfügen über diffizile Geometrien. Ihre Ausgangsbasis sind extrem dünne Metallbahnen. Die Ätztechnik ist in der Lage unerwünschtes Metall mit einer hohen Genauigkeit und einer minimalen Standardtoleranz von ± 25 µm zu entfernen. Dadurch entstehen glatte und gratfreie Kanten. Diese Konturgenauigkeit ist einer der entscheidenden Vorteile der Ätztechnik. Beim Stanzen wirken mechanische Kräfte auf das Material: Es kommt zu Spannungen und Konturen mit einer leichten Anschrägung und einem Grat. Die Schnittkanten sind also nicht zu 100 Prozent grat- und spannungsfrei. Die Einhaltung von Toleranzen ist mit mechanischen Bearbeitungsverfahren wie dem Stanzen im Mikrometerbereich weitaus weniger möglich als mit der Ätztechnik.

„Mit dem photochemischen Ätzen lassen sich Leadframes herstellen, die engere Toleranzen erfordern und feinere Objektstrukturen erzeugen als es per Stanzen möglich ist“, erläutert Markus Rettig. Die Formstabilität ist höher, ebenso wie die Ebenheit – beides eine notwendige Voraussetzung für die Beschaffenheit von Leadframes. Die Ausschussrate bleibt mit dem Ätzen folglich geringer. Diese hohen Anforderungen könnten mit dem Stanzen auch erzeugt werden. Jedoch müssten komplexere Werkzeuge hergestellt werden, die die Vorlaufzeit und die Kosten entsprechend erhöhen.

Ideal für Prototypen und Serienproduktion

Bei der Auswahl der geeigneten Produktionstechnik entscheiden auch das Produktionsvolumen und die Bearbeitungsgeschwindigkeit über den Einsatz des idealen Verfahrens. Das Stanzen ist das ökonomischste Verfahren für hohe Losgrößen. In der Serienproduktion kann es sehr kostengünstig sein. Hohe Einrichtungs- und Instandhaltungskosten können diesen Effekt jedoch reduzieren. Sie nehmen direkten Einfluss auf die Bearbeitungskosten und somit auf die Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens. Der Stanzprozess hat speziell bei komplexen Formen in Bezug auf die Werkzeugbestückung lange Vorlaufzeiten. Wenn die Stanzwerkzeuge erst einmal eingerichtet sind, sind die Bearbeitungszeiten kurz.

Die Ätztechnik wird bei kleinen bis mittleren Produktionsraten favorisiert. Bei großen Stückzahlen kann das Verfahren wirtschaftlich sein, wenn der Aspekt der Werkzeugkosten zum Tragen kommt. Das Design der Leadframes wird im Ätzverfahren digital am Computer erzeugt, es müssen keine teuren Werkzeuge hergestellt werden. Im Falle einer kurzfristigen Änderung des Designs entsteht kaum Aufwand und daher sind die zusätzlichen Kosten zu vernachlässigen. Denn Design-Änderungen lassen sich in wenigen Stunden anstatt in Tagen und Wochen realisieren. Die Ätztechnik eignet sich somit für einzelne Prototypen genauso wie für die Massenfertigung. Hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit kann die Ätztechnik erforderliche Bauteiltoleranzen konsequent erreichen – ein entscheidender Faktor für die Serienproduktion. „Das bedeutet auch, dass Leadframes im photochemischen Ätzverfahren unendlich oft reproduziert werden können, ohne dass es zu einem Werkzeugverschleiß kommen wird“, ergänzt Markus Rettig.

Formstabilität und Ebenheit sind bei ätztechnisch hergestellten Leadframes höher als bei gestanzten. Precision Micro

Laser-Technik unterstützt Präzision

Bei der Wahl des idealen Herstellungsverfahrens kann es hilfreich sein, auch die Erfahrung des jeweiligen Partners für die Leadframe-Herstellung einzubeziehen. Das britische Unternehmen Precision Mirco mit Vertriebsniederlassung in Deutschland produziert seit über 50 Jahren Hochpräzisionsmetallteile – darunter Leadframes für SOICs, QFPs oder Smartcards – mittels Produktionsverfahren wie photochemisches Ätzen, aber auch Electro-Forming (Galvanisierung) und Drahterodieren. Bei der Fertigung von Leadframes bietet Precision Micro die Möglichkeit, diese mit Absenkungen herzustellen, bei denen die Auflagefläche für die Chipkontaktierung eingebuchtet ist. Der Chip kann so besser vor äußeren Einwirkungen geschützt werden. In einem anderen Bereich hat das Unternehmen einen Prozess entwickelt, den so genannten Laser Evolved Etching Process (LEEP), um Mikroelektronikbestandteile und Leadframes in noch kleinerem Maßstab mit einstelliger Mikrometergenauigkeit und wesentlich größeren Seitenverhältnissen zu fertigen. Der Prozess basiert auf dem herkömmlichen Verfahren des Ätzens und kombiniert dieses mit Laser-Technologie.

(mrc)