RoHS-konforme Halbleiter Moderne Zinnbeschichtungsformeln für Bauteileanschlüsse senken Whiskerbildung

Bleifreie Lötverfahren haben das Bewusstsein von Elektronikherstellern für ein metallurgisches Phänomen geschärft, das als Whiskerbildung (Entstehung von Haarkristallen) bezeichnet wird. Ausfälle elektrischer Systeme infolge von Kurzschlüssen zwischen Leiterbahnen oder Bauteilanschlüssen werden auf dieses Phänomen zurückgeführt.

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Zur Bildung von Whiskern kommt es meist in Schaltungen, in denen Zinn als letzte Oberflächenbeschichtung von Leiterplatten oder elektronischen Bauelementen verwendet wird. In bestimmten Fällen wachsen miksroskopisch kleine, nur einen Kristall messende, haarähnliche Strukturen aus der Metalloberfläche heraus. Die Bildung solcher Zinn-Whisker lässt sich problemlos vermeiden, wenn man dem Beschichtungsmaterial eine geringe Menge Blei (3% sind ausreichend) zusetzt.

Nun verlangt jedoch die europäische RoHS-Direktive den völligen Verzicht auf Blei in nahezu allen elektronischen Produkten, was zu einem neuerlichen Interesse daran geführt hat, welche Mechanismen für das Entstehen solcher Whisker verantwortlich sind und wie sie sich kontrollieren lassen. Viele Halbleiterunternehmen, darunter auch STMicroelectronics, haben umfangreiche Programme zur Entwicklung und Zertifizierung von Prozessen gestartet, mit denen sich das Wachstum der Haarkristalle in den meisten Anwendungen eindämmen oder sogar ganz eliminieren lässt.

Als erstes wurde untersucht, welche Phänomene auf der Zinnbeschichtung ablaufen. Auch wenn die entsprechenden Studien noch nicht abgeschlossen sind, hat sich gezeigt, dass das Entstehen der Whisker in erster Linie auf innere Druckbelastungen nahe der Oberfläche des Metalls zurückzuführen ist. Wenn diese Belastungen eine kritische Grenze überschreiten, führen sie zum Entstehen der Haarkristalle. Man glaubt, dass sich auf diesem Weg die interne Energie des Systems reduziert. Die internen Belastungen verzinnter Schichten können unterschiedliche Ursachen haben, wie z.B. Kontamination mit organischen Stoffen, Defekte auf atomarer Ebene sowie unterschiedliche Wärmeausdehnungs-Koeffizienten zwischen Basismaterial und Zinnbeschichtung.

Geringere Korngröße durch Additive

Frühe Zusammensetzungen von Zinnbeschichtungen waren darauf ausgerichtet, eine glänzende Oberfläche zu erzeugen. Man setzt dem Beschichtungsbad hierzu bestimmte Chemikalien (Glanzbildner) zu, welche die Korngröße und die Ebenheit der beschichteten Oberfläche kontrollieren. Infolge der Eigenschaften der Metalle und der hohen Konzentration der Additive, die für eine hochglänzende Oberfläche benötigt werden, waren frühe Verfahren anfällig gegen das Problem der Einlagerung organischer Stoffe oder atomarer Unrgelemäßigkeiten innerhalb der Beschichtung. Man glaubt, dass diese Unregelmäßigkeiten bzw. Änderungen der Weite des Zinn-Kristallgitters zu einer erhöhten Anfälligkeit für Whiskerbildung geführt haben.

Eine wesentliche Neuerung moderner Zinnbeschichtungs-Formeln ist, dass deutlich geringere Konzentrationen an Additiven zur Verringerung der Korngröße zum Einsatz kommen. Das Resultat ist eine mattere Oberfläche ohne negativen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften. In einer als E4-Initiative bezeichneten gemeinsamen Anstrengung identifizierten die Firmen Infineon, NXP, Freescale und ST eine Reihe von geeigneten kommerziellen, matten Zinnbeschichtungs-Formeln, die beständig gegen Whiskerbildung sind.

Auch Phasenwechsel innerhalb der Zinnbeschichtung können zu lokalen internen Kompressionsbelastungen führen. Da Zinn und Kupfer in der Regel im Zuge einer Reaktion, mit der eine erhebliche Volumenzunahme einhergeht, eine intermetallische Struktur (Cu6Sn5) bilden, muss auch dies bei zinnbeschichteten kupfernen Leadframes berücksichtigt werden. Die Kombination aus Eindringen und Ausdehnen führt sonst zum Entstehen eines Keils in der Zinnschicht an der Korngrenze (Bild 1).

Gewünschte intermetallische Struktur

Wenn die intermetallische Verbindung dagegen bei höheren Temperaturen (z.B. bei 150°C) entsteht, kommt es zur Bildung einer andersartigen und eher wünschenswerten intermetallischen Struktur, die gleichförmiger und praktisch frei von Keilen ist (Bild 2). Ein Ausheizen bei 150°C, in dessen Verlauf die intermetallischen Keilstrukturen praktisch verschwinden, dient als Grundlage für die zweite Komponente der Strategie von STMicroelectronics zum Eindämmen der Whiskerbildung.

Das Bild links zeigt ein Intermetall, das sich bei Zimmertemperatur über einen Zeitraum von einem Monat bildete. Man erkennt große, blockartige und unregelmäßig geformte Cu6Sn5-Strukturen, die sich nahezu ausschließlich an den Korngrenzen befinden. Im Unterschied dazu zeigt das rechte Bild die intermetallische Schicht, die sich nach 24-stündigem Ausheizen bei 150°C gebildet hat. Die überaus gleichförmige Cu6Sn5-Schicht ist praktisch frei von Keilen. Umfangreiche Tests haben ergeben, dass die Wirkung des die Whiskerbildung eindämmenden Ausheizens bei 150°C unabhängig von der Dicke der Beschichtung mehr als 400 Tage bei Zimmertemperatur anhält.

Durch Kombinieren dieser beiden Whisker-Vermeidungsverfahren entsteht eine Beschichtung, bei der Whisker, die sich nachteilig auf die elektrische Leistungsfähigkeit oder die Zuverlässigkeit eines Bauteils auswirken können, nicht entstehen. Beispielsweise konnten keine Whisker beobachtet werden, wenn etwa 1500 Bauteile mit 40 verschiedenen Gehäusetypen einem 400-tägigen Umgebungstest ausgesetzt wurden, besteht aus einem sechsmonatigen Test mit wechselnden Umgebungsbedingungen, einer sechsmonatigen Lagerung bei trockener Luft sowie 500 Temperaturzyklen (35 bis 125°C) und einer 500-stündigen Lagerung mit hoher Temperatur und Feuchtigkeit (85°C bei 85% rel. Feuchte).

Zwar wurde ein Großteil dieses Prüfplans ausgearbeitet, lange bevor am 1. März 2006 die JEDEC-Spezifikationen JESD 201 (Methodology for the Assessment of Whisker Risk) und JESD 22A121 (Test Method for Whisker Growth) herausgegeben wurden, doch stellt der Qualifikationsplan bereits mehr als 80% der ST-Kunden zufrieden. Ungeachtet dessen wird ST den neuen JEDEC-Standard berücksichtigen und seine Zinnbeschichtungsserie entsprechend neu qualifizieren.

*Michael Hundt ist Director Corporate Package Development bei der USA Group von STMicroelectronics in Carrollton.

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