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Bild 1: Reinigungsprozesse in der Power-Modul-Produktion
Bild 2: Diode ungereinigt (links) und gereinigt (rechts)
Bild 3: Drahtbonds auf Oxidschicht (links), Drahtbonds auf durch Reinigung aktiviertem Kupfersubstrat (rechts)
Bild 4: Vergleich der Scherwerte: ungereinigte Leistungsmodule (links); vor dem Drahtbonden gereinigte Module (rechts)
Bild 5: Glaspassivierung eines Thyristors: durch einen ungeeigneten Reiniger angegriffen (links) und optimal gereinigt (rechts)

Das Ziel der Reinigung ist es immer, die Langzeitzuverlässigkeit der Leistungsmodule zu garantieren. Wer Power-Module wie IGBTs oder Dioden als Die Attach auf das Kupfersubstrat mittels Lötprozess aufbringen muss, kommt daher um eine intensive Reinigung nicht herum. Bereits geringste Lotpasten-Rückstände auf den Oberflächen können zum Ausfall der elektronischen Baugruppe führen. Im Zuge dessen, wie sich die Leistungsmerkmale und Packungsdichte der Leistungsmodule erhöhen, haben sich unterschiedliche Produktionsabläufe etabliert. Gründe für die Unterschiede sind im späteren Anwendungsbereich zu finden, wie etwa der Automobil- oder Industriebranche oder aber aufgrund der kundenseitig gewünschten Funktionalität und des Designs.

Daraus ergibt sich, dass eine Reinigung alleine nicht mehr ausreichend ist: In der Regel steht der Die Attach, also das Aufbringen von beispielsweise IGBTs und Dioden auf das Kupfersubstrat durch einen Lötprozess an erster Stelle. Im Anschluss daran kann die Fertigung variieren. In jedem Fall gibt es zwei Stellen, an denen eine Reinigungsanwendung nötig ist. Zum einen nach dem Lötprozess beim Die Attach, um die Substratoberflächen der Module auf das Drahtbonden vorzubereiten und zum anderen nach dem Auflöten der Substrate auf den Kühlkörper, dem so genannten „heat sink soldering“, bevor die Module weiter verarbeitet bzw. drahtgebondet, vergossen und/oder mit Gehäusen verbunden werden. (Bild 1)

Optimierter Reinigungsprozess für gute Ergebnisse

Unabhängig von dem jeweiligen Produktionsablauf und der Modulstruktur befinden sich jedoch nach dem Löten noch Rückstände auf den Chips und Substratoberflächen, wie etwa Oxidschichten oder Flussmittelspritzer. Sie haben negative Auswirkungen auf nachfolgende Prozesse wie das Drahtbonden oder den Verguss. Verbleiben Flussmittelspritzer auf den Oberflächen, so beeinträchtigt dies die Haftung der Drahtbonds. Rückstände auf den Substrat- und Chipoberflächen vermindern darüber hinaus die erreichbaren Scherwerte auf Kupfer, Dioden und IGBTs.

Wasserbasierende Reinigungsprozesse haben nicht nur die früher mangels Alternativen gängigen entzündlichen Lösemittel abgelöst. Vielmehr haben sich sie sich in den letzten Jahren als Standard etabliert. Noch eines drauf setzen wasserbasierende Reinigungsmedien, die speziell für die Bedürfnisse von Leistungsmodulen entwickelt wurden: Sie garantieren neben einer profunden Reinigungsleistung auch die Materialverträglichkeit und Langzeitzuverlässigkeit der Module. Als wichtiger Nebeneffekt bieten sie signifikant bessere VOC-Werte (Volatile Organic Compound) sowie gute Arbeits- und Sicherheitsbedingungen. Daher ist von einem optimierten Reinigungsprozess die Rede. Daraus ergeben sich verschiedene Vorteile vor allem sowohl im Bereich der Drahtbondqualität und -zuverlässigkeit, die sich in den üblichen Scher- und Power-Cycling-Tests zeigen, als auch um das Vergießen und hinsichtlich der Materialverträglichkeit.

Rückstände und Oxide beeinträchtigen Drahtbondqualität

Es gibt zwei Haupteinflussgrößen auf die Qualität der Drahtbondverbindungen. An erster Stelle stehen dabei Flussmittelrückstände auf den Substraten aus dem Lötprozess und insbesondere Flussmittelspritzer, die auf den Chipoberflächen verbleiben (Bild 2). Das Drahtbonden auf ungereinigten Chips führt zu mangelhafter Qualität und resultiert erstens häufig in einer unnötig hohen Bondleistung, die wiederum zu Bondbrüchen und sogar Chipdefekten wie dem so genannten „Cratering“ führt und zweitens aufgrund einer unzureichenden Bondverbindung in Lift-offs.

An zweiter Stelle stehen Oxidschichten auf der Oberfläche der Substrate. Als Qualitätsmerkmal für Leistungsmodule dient eine optisch einwandfreie und fleckenfreie Oberfläche der Substrate und Chips. Jedoch kann es unter anderem durch den Lötprozess oder ungeeignete Reiniger zu stark oxidierten Teilen kommen. Diese führen ebenfalls zu Problemen beim Drahtbonden und können die Ausbeute bzw. den Yield beeinträchtigen (Bild 3). Ein geeigneter Reiniger muss daher eine sehr gute Reinigungsleistung besitzen und alle Flussmittelrückstände aus den verschiedenen Lötprozessen entfernen sowie die oxidierten Oberflächen aktivieren. Beim Einsatz eines speziell für Leistungsmodule angepassten Reinigungsprozesses werden die Oberflächen optimal auf das Drahtbonden vorbereitet. Vor allem wasserbasierende, pH-neutrale und tensidfreie Reinigungsmedien haben sich in diesem Bereich in der Produktionspraxis gegenüber Lösemitteln bewiesen und liefern sowohl gute Bondausbeuten als auch optisch einwandfreie Teile.

Bessere Schertestwerte

Die Qualität der Drahtbonds wird durch Schertests beurteilt. Ein stabiler Prozess mit hohen Scherwerten ist letztlich entscheidend für den Yield. Bestehen Leistungsmodule diese Schertests nicht, hat dies einen enormen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und die Produktionskosten, insbesondere, wenn die Substrate bereits auf die Kühlkörper aufgelötet wurden und diese dann ebenfalls verworfen werden müssen.

Zestron hat in diesem Rahmen den Einfluss eines optimierten Reinigungsprozesses auf die Scherwerte in einer internen Studie, basierend auf verschiedenen Kundenprojekten, untersucht. In einem ersten Schritt zeigten die Ergebnisse, dass ein optimierter Reinigungsprozess im Vergleich zu ungereinigten Modulen zu einer deutlichen Erhöhung der Scherwerte führt (Bild 4). Der zweite Teil der Studie untersuchte verschiedene Reinigungstechnologien, also MPC und Tensidreiniger, hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Oberflächen bestmöglich auf den Drahtbondprozess vorzubereiten. Dabei erwies es sich, dass wasserbasierende Reinigungsmedien zu höheren Scherwerten führen als herkömmliche Tenside, da sie nach dem Spülen keine Rückstände auf den Oberflächen hinterlassen. Wasserbasierende Reinigungsprozessen können noch mehr: Abhängig vom jeweiligen Produktionsprozess ließ sich sogar die gewöhnlich nachfolgende Plasmabehandlung einsparen.

Power-Cycling-Tests für Langzeitzuverlässigkeit

Ein weiterer Aspekt ist, die Langzeitzuverlässigkeit der Leistungsmodule zu garantieren: Die weithin verwendete Methode zur Qualifizierung der Langzeitzuverlässigkeit oder Lebensdauer ist das so genannte Power Cycling. Die Leistungsmodule müssen sich dabei basierend auf speziellen Lebenszyklusmodellen entsprechend ihrer späteren Einsatzgebiete einer intensiven Prüfung unterziehen. Dabei wird die Lebensdauer in Zyklen gemessen. Häufigstes Fehlerbild bei verunreinigten Leistungsmodulen sind Bond Lift-offs, die durch minderwertige Bondverbindungen aufgrund von Verunreinigungen entstehen. Sobald eine Drahtbondverbindung ausfällt, steigt die Belastung der anderen Bonds, was zu einem exponentiellen Anstieg der Bondausfälle bis hin zum Ausfall des ganzen Leistungsmoduls führt.

Die Reinigung der Module vor dem Drahtbonden hat somit signifikante Auswirkungen auf die Ergebnisse von Power-Cycling-Tests. Werden die Rückstände aus dem Lötprozess durch einen optimierten Reinigungsprozess vollständig von den Oberflächen entfernt, verbessert sich Bondqualität. Dadurch erhöht sich die Langzeitzuverlässigkeit was sich in sehr guten Testergebnissen wiederspiegelt. Im Vergleich dazu erzielen im herkömmlichen Prozess gereinigte Module eine statistisch geringere Lebensdauer.

Vergusshaftung und Materialverträglichkeit

Der Reinigungsprozess beeinflusst zudem die Qualität des Vergusses (Moulding). Um gebondete Substrate vor Umwelteinflüssen zu schützen, vergießt man sie. Jedoch spielen Verunreinigungen eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Haftung des Mouldings. Flussmittelrückstände auf den Substratoberflächen reduzieren die Haftkräfte des Mouldings, was zur Delamination führen kann. Darüber hinaus kann es zu elektrochemischer Migration unter der Vergussmasse und damit zu Feldausfällen kommen. Im Laufe verschiedener Reinigungsprojekte wurde bewiesen, dass ein Reinigungsprozess für höhere Haftkräfte sorgt und sich gleichzeitig Defekte durch Delamination vermeiden lassen.

Zwar steht bei der Auswahl des Reinigungsprozesses für Leistungsmodule die Reinigungsleistung im Hinblick auf das Drahtbonden und die Produktionsausbeute im Vordergrund. Allerdings wird dabei oftmals ein wichtiger Aspekt vernachlässigt: die Verträglichkeit des Reinigungsmediums mit den Materialien des Leistungsmoduls. Reinigungsmedien für Leistungsmodule müssen außergewöhnliche Anforderungen in diesem Bereich erfüllen. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Reinigungsmediums ein kritischer Punkt, um sicherzustellen, dass verschiedene Chip-Passivierungen und die Substratoberflächen nicht angegriffen werden. Ungeeignete Reiniger greifen die Passivierungen an und führen zu einer Schädigung oder Beeinträchtigung der Chipfunktion (Bild 4). Daher wird grundsätzlich empfohlen, nicht nur die Reinigungsleistung zu prüfen, sondern auch sicherzustellen, dass die Materialverträglichkeit mit dem Reinigungsmedium gegeben ist, bevor der Reinigungsprozess implementiert wird.

Gut gereinigt – viel gespart

Die Reinigung von Leistungsmodulen vor dem Drahtbonden ist ein Muss, um die Langzeitzuverlässigkeit der Module zu garantieren. Entsprechend angepasste Prozesse mit wässrigen Reinigungsmedien, die speziell für Leistungsmodule entwickelt wurden, garantieren dabei hohe Reinheitsgrade und erhöhen die Qualität beim Drahtbonden und Vergießen. Gleichzeitig bieten sie eine optimale Verträglichkeit mit Chippassivierungen und Substraten.