Photochemische Ätztechnik: Der Favorit bei komplexen Leadframes

Die fortschreitende Miniaturisierung um Halbleiterelektronikbereich treibt die realisierten Funktionselemente und deren Fertigungsprozesse an die physikalischen Grenzen. Es entstehen  komplexe und äußerst filigrane Komponenten, die an das Fertigungsverfahren hohe Ansprüche hinsichtlich Kosten und Präzision stellen. Am Beispiel der Herstellung von Leadframes werden zwei Verfahren miteinander verglichen: das photochemische Ätzen und das Stanzen. Bei besonders dünnen Leadframes mit komplexem Design spielt die Ätztechnik hierbei eine große Rolle.

Mikroelektronische Bauelemente unterliegen einer kontinuierlichen Miniaturisierung. So waren die Abmessungen für einen Transistor, eines der Hauptelemente einer mikroelektronischen Schaltung, in den Anfangszeiten der Mikroelektronik noch bei über zehn Mikrometern. Die Abmessungen von Transistoren heutzutage liegen bei einigen Nanometern. Der wesentliche Auslöser für die Verkleinerung der Strukturen ist die Forderung nach immer niedrigeren Fertigungskosten. Die Fertigung von mikroelektronischen Schaltungen beispielsweise erfolgt in Losfertigung auf Wafern mit mehreren hundert bis tausend Chips. Die Fertigungskosten sind dabei abhängig von der Anzahl der Chips pro Wafer. Damit mehr Chips auf die Wafer passen, müssen die darauf platzierten Elemente und Strukturen immer kleiner werden und damit auch immer diffiziler.

Die Miniaturisierung stellt folglich auch an den Fertigungsprozess immer höhere Anforderungen. Am Beispiel der Herstellung von Leadframes wird deutlich, dass neben komplexen Formen auch eine schnelle Adaption des Designs sowie eine Kosteneffizienz hinsichtlich der Werkzeugkosten gefragt sind.

Übliche Verfahren: Ätzen und Stanzen

„Bei der Fertigung von Leadframes mit einer hohen Lochanzahl und ultrafeinen Abständen sind Herstellungsprozesse gefragt, die Komponenten mit höchster Genauigkeit unter Einhaltung engster Toleranzen erzeugen“, erklärt Markus Rettig, Sales Manager bei Precision Micro in Deutschland. Das britische Unternehmen mit Vertriebsniederlassung in Eckental bei Nürnberg produziert seit mehr als 50 Jahren Hochpräzisionsmetallteile mittels Produktionsverfahren wie photochemisches Ätzen, Electro-Forming (Galvanisierung) und Drahterodieren. Precision Micro verfügt über weitreichende Erfahrung in der Fertigung von Leadframes unter anderem für SOICs, QFPs oder Smartcards.

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 Anschlüsse der Halbleiterchips, genannt Pads, mittels Draht gebondet werden. Üblicherweise werden Leadframes in langen Bahnen produziert. Die bevorzugten Fertigungsmethoden sind Ätzen und Stanzen. „Da die herzustellenden Strukturen im Mikrometerbereich liegen, könnten selbst kleinste Herstellungsfehler den Ausfall eines kompletten Schaltkreises zur Folge haben“, erklärt Markus Rettig. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Fertigungsverfahren genauer zu analysieren und zu bewerten.

Der Herstellungsprozess im Vergleich

Die photochemische Ätztechnik ist eines der weitverbreiteten Verfahren bei der Leadframe-Herstellung. Die Leadframes werden bei diesem Verfahren in flachen Platten aus Kupfer- oder aus Eisen-Nickel-Legierungen gefertigt. Genauestens 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 Leadframes-Design annähert, abhängig von der Komplexität der Geometrie.

Ideal für Prototypen wie auch Massenfertigung

Bei beiden Produktionstechniken entscheiden vorwiegend 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, wohingegen hohe Einrichtungs- und Instandhaltungskosten diesen Effekt reduzieren können. 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, ist aber auch bei großen Stückzahlen wirtschaftlich. Dies ist hauptsächlich auf die Werkzeugkosten zurückzuführen. Das Design der Leadframes wird im Ätzverfahren digital am Computer erzeugt, es müssen keine teuren Werkzeuge hergestellt werden wie beim Stanzen, die sich im Falle einer kurzfristigen Änderung des Designs nur mit Aufwand und zusätzlichen Kosten anpassen lassen. Änderungen im Design können in wenigen Stunden anstatt in Tagen und Wochen realisiert werden. Aus diesem Grund eignet sich die Ätztechnik 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 mit Ätztechnik erreicht

Leadframes sind meist kompliziert und zerbrechlich. Sie erfordern deshalb ein Herstellungsverfahren, das diffizile Geometrien umsetzen kann und auch extrem dünne Metallbahnen bearbeiten kann. Die Ätztechnik ist ein chemischer Prozess, der nicht erwünschtes Metall mit einer hohen Genauigkeit mit einer Standardtoleranz von ± 25 Mikrometern entfernt. Durch diesen genauestens kontrollierten Prozess 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 sowie zu Konturen mit einer leichten Anschrägung und einem Grat. Die Einhaltung von Toleranzen ist mit mechanischen Bearbeitungsverfahren wie dem Stanzen im Mikrometerbereich weitaus weniger möglich als mit der Ätztechnik, weil die Schnittkanten nicht zu 100 Prozent grat- und spannungsfrei sind.

„Mit dem photochemischen Ätzen lassen sich Leadframes herstellen, die engere Toleranzen erfordern und feinere Objektstrukturen erzeugen als mit dem Stanzen“, so 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. Um diese hohen Anforderungen auch mit dem Stanzen zu erzeugen, müssten komplexere Werkzeuge hergestellt werden, die die Vorlaufzeit und die Kosten entsprechend erhöhen.

Innovative Technik zum Schutz der Chipkontaktierung

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Wahl des idealen Herstellungsverfahrens ist die Erfahrung des jeweiligen Partners für die Leadframe-Herstellung. Precision Mirco beispielsweise hat eine sichere Methode mit hoher Wiederholgenauigkeit entwickelt und verfügt über eine lange Erfahrung in diesem Bereich. „Dank dieser Erfahrung lassen sich mögliche Schwächen der Ätztechnik für bestimmte Anwendungen wie mit beschichteten Leadframes ausgleichen“, bestätigt Markus Rettig. Als einer der ersten stellte Precision Micro Leadframes mit Absenkungen her, bei denen die Auflagefläche für die Chipkontaktierung eingebuchtet ist, um den Chip optimal zu schützen. In einem anderen Bereich hat das Unternehmen einen Prozess entwickelt, den so genannten Laser Evolved Etching Process (LEEP), um hoch genaue Mikroelektronikbestandteile und Leadframes zu fertigen. Der Prozess basiert auf dem herkömmlichen Verfahren des Ätzens und kombiniert dieses mit Laser-Technologie.

Grundsätzlich kann man festhalten, dass das photochemische Ätzen ein wirtschaftliches und präzises Fertigungsverfahren ist, wenn es um geometrische Kompliziertheit und äußerst anspruchsvolle Toleranzen geht.