Lötbarkeit von RoHS-konformen Bauelementen Der Einfluß von bleifreien Oberflächen auf die Lagerfähigkeit von Halbleitern

Die Halbleiterindustrie stellt momentan die Produktion der „leadframe ICs“, der Komponenten mit Metallkontakten auf bleifreie Oberflächenvarianten um. Anwender interessiert hier vor allem, wie lange man diese neuen Komponenten vor dem Lötprozess lagern kann. Im Rahmen einer Studie hat Texas Instruments mit Hilfe der Battelle-Umgebung Klasse 2 die 8-Jahre-Lagerung in einem nicht klimatisierten Raum für die bedrahteten Bauelemente simuliert. Ergebnis: Für die getesteten Oberflächen ergibt sich ein Wert, der weit über der durchschnittlichen Lagerzeit in der Industrie liegt.

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In der Gehäusetechnik für Halbleiter betrifft die RoHS lediglich zwei Stoffe: Blei und Cadmium. Blei wird sowohl im Kupfermaterial für die Kontaktanschlüsse, in der Oberfläche – dem „Finishing“ – und bei BGA-Gehäusen in den Solder Balls verwendet. Cadmium kommt ebenfalls traditionell im Material der Ball-Kontakte zum Einsatz.

Um auf diese Stoffe im IC-Gehäuse, vor allem auf das bisher verwendete SnPb zu verzichten, werden in der Industrie folgende Lösungen verwendet:

• Nickel-Palladium-Gold: NiPdAu,
• Nickel-Palladium: NiPd,
• Mattzinn (100%-iges Zinn),
• Zinn-Wismut: SnBi,
• Nickel-Palladium-Gold-Silber: NiPdAu-Ag,
• Zinn-Silber-Kupfer: SnAgCu (externe Lotkugeln bei BGAs).

Unterschiedliche bleifreie Lötlegierungen

Aktuell existieren als kompletter Ersatz für bleihaltiges Löten keine alternativen Lotlegierungen, die sämtliche technischen Anforderungen erfüllen. Das in den USA tätige NEMI-Konsortium empfiehlt für das Reflow-Löten SnAg3.9Cu0.6-Legierungen und für das Wellenlöten SnCu0.7-Legierungen. Die Bleifrei-Richtlinie der japani-schen JEITA schlägt für das Reflow-Löten SnAg-Legierungen SnAg3.0Cu0.5 und als sekundäre Alternative SnZnBi vor. Darüber hinaus präferiert JEITA für das Wellenlöten SnCu-Legierungen und SnAg3.0Cu0.5 als alternative Lösung.

Das europäische IDEALS-Konsortium favorisiert demgegenüber für das Reflow-Löten SnAg3.8Cu0.7 und für das Wellenlöten SnAg3.8Cu0.7Sb0.25. Die Bleifrei-Richtlinie des europäischen SOLDERTEC-Verbands empfiehlt für das Reflow- und Wellenlöten Legierungen aus dem Bereich SnAg(3.4-4.1)Cu(0.45-0.9). Damit werden Legierungen der SnAgCu-Familie gegenwärtig weltweit als beste Alternative gehandelt.

Während bei Ball Grid Arrays (BGAs) versucht wird, für die Lötkontakte die identische Legierung wie die Lotpaste zu wählen, wird bei bedrahteten Gehäusevarianten für SMT (Surface Mount Technology, Oberflächenmontage) und THT (Through Hole Technology, Durchstecktechnik) ein anderer Weg gegangen. Die Kontaktrahmen bestehen aus dem Basismaterial Kupfer, welches zur besseren Lötbarkeit in der Regel mit Zinn-Blei überzogen war. Im Rahmen der RoHS-Richtlinie muss dieses Blei ersetzt werden. Als Alternativen bieten sich hier Palladium-haltige Legie-rungen an wie z.B. NiPd, NiPdAu und NiPdAu-Ag; eine weitere Alternative ist Mattzinn (100%-iges Zinn).

Die Empfehlung von Texas Instruments, Mattzinn nur bei Gehäusen mit großem Abstand der Kontakte einzusetzen, basiert auf der Ablehnung von Mattzinn durch die Luft- und Raumfahrt (siehe Link). Seit das Whisker-Wachstum (siehe Bild 1) einmal zum Ausfall einer Rakete geführt hat, ist Mattzinn in dieser Branche als Oberfläche verboten.

Studie zur Lagerfähigkeit von bleifreien Produkten

Die von Texas Instruments durchgeführte Studie zur Lagerfähigkeit von bleifreien Produkten wurde im Applikationsreport SZZA046 (siehe Link) im vergangenen Jahr veröffentlicht und führt ältere Studien aus dem Jahr 1999 fort. TI setzt NiPdAu-Oberflächen seit 1989 ein und kann mit mehr als 40 Mrd. verkauften Produkten den Einsatz für bleihaltige und bleifreie Lötprozesse bestätigen. Neu an dieser Studie ist die Untersuchung von Mattzinn.

Im Lötprozess mit SnPb- oder Sn-Oberflächen wird das Metall aufgeschmolzen. Danach werden die Kupferoberflächen der bedrahteten Kontakte und der Pads auf der Leiterplatte benetzt. Beim Löten mit NiPd oder NiPdAu lösen sich Pd oder Pd und Au auf und das Nickel benetzt die Kontakte und stellt dadurch die Verbindung her.

Alterungsprozesse werden in der Regel beschleunigt, indem man die Produkte einer heißen Dampfatmosphäre aussetzt. Für die untersuchten Oberflächen mit einem Anteil an Palladium stellt dies jedoch ein Problem dar, weil Stoffe aus der Vergussmasse oder andere organische Komponenten die Auflösung des Palladiums während des Lötprozesses verhindern können. Alterung unter einer Dampfatmosphäre führt also zu nichtreproduzierbaren Artefakten bei den Pd-haltigen Oberflächen. Aus diesem Grund wurde für den Alterungsprozess eine „Battelle Class 2 MFG“ Testumgebung geschaffen wie im Applikationsbericht beschrieben. Durch den Vergleich der Ergebnisse aus der Studie aus dem Jahre 1999 und bei normalen Bedingungen für 51 Monate gelagerter Bauteile konnte der Alterungsfaktor in der Testumgebung genau bestimmt werden.

Tabelle 1 beschreibt die sechs untersuchten Oberflächen. Die Produkte wurden jeweils lose in Petrischalen, als Stangenware und gegurtet der Testumgebung ausgesetzt, so dass 18 verschiedene Gruppen untersucht wurden.

Die Ergebnisse der Untersuchung

Die visuelle Inspektion der Proben nach Korrosionseffekten wurde im 24-Stunden-Rhythmus von 0 bis 96 h unter einem Mikroskop mit 40-facher Vergrößerung durchgeführt. Ein Maßstab von 0 (keine Korrosion) bis 5 (starke Korrosion) wurde festgelegt. Lediglich die lose eingelagerten Bauteile zeigten Korrosion; jedoch wies kein Proband den Wert 5 auf. Bei den Ag-haltigen Oberflächen wurden höhere Korrosionswerte verzeichnet, was jedoch auf die Ag/S-Reaktion in der Testkammer zurückzuführen ist.

Die Korrosionsprodukte wurden mit SEM/EDAX- und Auger-Verfahren untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass im Wesentlichen Oxide und Kupferchloride zu finden sind. Ein geringes Auftreten von Kupfersulfiden wird ebenfalls auf die Gase in der Testkammer zurückgeführt. Da die Lötbarkeitstests keine Fehler der korrodierten Teile zeigten, steht für uns fest, dass die Korrosionsprodukte sehr dünn sind und leicht durch das Flussmittel im Lot gelöst werden können (siehe Bild 2).

In einer weiteren Testreihe wurden die Benetzungswerte für die Kontakte gemessen (Tabelle 2). Auch hier zeigt sich, dass lediglich die lose in Petrischalen gelagerten Produkte Einschränkungen aufweisen. Es ergibt sich also einen Zusammenhang zwischen Korrosion und Benetzungsverhalten. Gutes Verhalten für die Benetzung zeigen die in Stangen oder Gurten gelagerten Proben.

Die Lötbarkeit wurde nach IPC/EIA/JEDEC J-STD-002B überprüft. Diese Testmethode eignet sich zur Bestimmung der Lötbarkeit von SMT-Komponenten besser als das übliche Eintauchen in ein Lotbad mit anschließender visueller Inspektion.

J-STD-002B definiert einen guten Lötkontakt, wenn 95% der kritischen Fläche einer jeden Kontaktfläche mit Lot ohne Defekte bedeckt ist. Für SMT-Gehäuse ist die kritische Fläche definiert als der Bereich unter der Kontaktfläche plus an beiden Seiten die Fläche bis zur Dicke des Kontaktes. Die visuelle Inspektion erfolgte nach J-STD-001. Probanden aus den sechs Testgruppen wurden nach 0 und 96 Stunden Lagerung in der Testumgebung gelötet. Als Lot wurde handelsübliches 95.5Sn/4Ag/0.5Cu und das in Bild 3 dargestellte Lötprofil verwendet.

Alle Bauteile aus den unterschiedlichen Testgruppen zeigten gute Benetzung und Lötbarkeit. Bild 4 und 5 zeigen als Beispiel sind hier die Aufnahmen für NiPdAu und SnPb. Im Zugversuch lagen sämtliche Probanden mit >20N über dem in der Industrie geforderten Wert von 10N (siehe Bild 6).

Fachgerechte Lagerung beeinfluss Lagerfähigkeit positiv

Im Versuchsaufbau wurde ein typisches Lager ohne Feuchtigkeitsregelung simuliert. Für die getesteten Oberflächen NiPdAu, NiPd, NiP-dAu-Ag, Mattzinn und SnPb ergibt sich mit einer berechneten Lagerzeit von >8 Jahren ein Wert, der weit über der durchschnittlichen Lagerung in der Industrie liegt.

Das bisher verwendete SnPb hat keinen Vorteil auf die Haltbarkeit der Produkte, so dass keine negativen Effekte durch Wechsel zu erwarten sind. Fachgerechte Lagerung der Produkte in Stangen oder Gurten minimiert die Korrosionseffekte, steigert die Benetzungsfähigkeit und hat damit einen positiven Einfluss auf die Lagerfähigkeit.

Temperaturbeständigkeit und MSL-Level

Da die bleifreien Lötprozesse bei höheren Temperaturen ablaufen, müssen die Bauteile in erster Linie temperaturfester gemacht werden (RaSH = Resitance against Soldering Heat). Zudem ist ihre Feuchteempfindlichkeit beim Löten zu beachten. Der Grund: Das Plastikmaterial der Gehäuse nimmt Wasser auf. Wird nun das Bauteil, bestehend aus Silizium, Metallen und Plastik, im Lötprozess erhitzt, bauen sich Spannungen zwischen den Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auf; das Wasser wird zu Dampf und baut Druck auf.

Diese Kräfte können die Materialien delaminieren und zu Rissen im Gehäuse führen. Im günstigen Fall lösen sich hier Bonddrähte, so dass man den Ausfall umgehend beim Testen feststellen kann. Schlimmer sind latente Langzeitschäden, wenn der schlechte Kontakt vom Chip zum Gehäuse die Wärmeabfuhr vermindert oder Risse im Gehäuse Feuchtigkeit und chemische Stoffe eindringen lassen, womit es zu späteren Ausfällen kommen kann.

Das momentan am häufigsten von der JEDEC-Website heruntergeladene Dokument ist der „JE-DEC/IPC-Joint-Standard J-STD-020C über feuchteempfindliche Bauelemente und wie sie verarbeitet werden können“ (siehe Link). In diesem Standard werden die Bauteile nach Feuchteempfindlichkeit in die Klassen (Moisture Sensitivity Level = MSL) 1 bis 5 eingeteilt. Zudem wird auf den Unterschied in den maximalen Bauteiltemperaturen beim SnPb und bleifreien Lötprozess hingewiesen. Grob gesagt steigen die Temperaturen von 225 bis 240°C beim bleihaltigen Lötprozess auf 245 bis 260°C bei Verwendung von bleifreien Loten. Diese Werte müssen bei der Qualifizierung von neuen Materialien und Oberflächen für die Gehäusetechnik vom Halbleiterhersteller berücksichtigt werden.

*Christian Borgert ist Business Development Manager für den Produktbereich Standard Linear & Logik bei der Texas Instruments Deutschland GmbH in Freising und Mitglied des Bleifrei-Teams bei TI.

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