Einführung bleifreier Chips Agere Systems, Allentown (UK)

Ingenieure von Agere Systems haben eine Materialzusammensetzung für Halbleitergehäuse gefunden, die der Halbleiterindustrie die erfolgreiche Herstellung bleifreier Gehäuse ermöglicht. Mit der neuen Formel wird die Entstehung von Zinn-Nadelkristallen gemildert, die bei herkömmlichen Zinn-Kupfergehäusen im Betrieb zu elektrischen Kurzschlüssen und anderen Systemausfällen führen können. Auf diese Weise eliminiert das Unternehmen ein mit potenziell katastrophalen Folgen behaftetes Hindernis bei der Markteinführung von bleifreien Chips.

Das neue Konzept für die Produktion von Halbleitergehäusen verbessert die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit der produzierten Chips und verzichtet dabei gänzlich auf den gefährlichen Werkstoff Blei, der zur Zeit noch in großem Umfang in Halbleiterchips zum Einsatz kommt. In gut einem Jahr allerdings wird eine EU-Vorschrift in Kraft treten, welche die Produktion bleifreier Halbleiterbausteine zwingend vorschreibt. Langfristig gesehen werden deshalb so gut wie alle der Billionen Mikrochips, die die Halbleiterindustrie mit ihren 166 Mrd. US-Dollar (Semiconductor Industry Association 2003 Industry Revenue Report, Februar 2004) Jahresumsatz Jahr für Jahr produziert, bleifrei hergestellt werden. Jedes Unternehmen, das Halbleiterchips herstellt oder sie in elektronischen Produkten einsetzt, arbeitet derzeit an der Ermittlung der richtigen Werkstoffkombination, um seine Produkte auch in Zukunft in Europa und Ländern mit vergleichbaren Gesetzen verkaufen zu dürfen. Die geleistete Forschungsarbeit löst die potenziellen Probleme, die sich aus der Umstellung der Fertigungsprozesse ergeben. Wie die meisten Firmen in der Halbleiterindustrie hat auch Agere nach der richtigen Zusammensetzung des Gehäusematerials geforscht, welche zu zuverlässigen, bleifreien Produkten führt. Der Schlüssel zur Entdeckung ist die Berücksichtigung der Kundenbedürfnisse bei der Bewertung der Produktqualität noch bevor die Produkte ausgeliefert werden.

Innerhalb eines elektronischen Systems werden die einzelnen Mikrochips in der Regel durch ein Kunststoff- oder Keramikgehäuse geschützt, das im Wesentlichen drei Aufgaben hat: Es muss den Chip vor Umwelteinflüssen schützen, die elektrischen Verbindungen zum Chip herstellen und die entstehende Verlustwärme abführen. Die aus dem Gehäuse nach außen führenden und als elektrische Verbindungen zur Leiterplatte dienenden Anschlusskontakte werden heute in der Regel mit einer Zinn-Blei-Legierung beschichtet, damit die Lötverbindungen zur Leiterplatte effizient und zuverlässig hergestellt werden können. Es hat sich erwiesen, dass die Verwendung von Blei in der zur Beschichtung dienenden Legierung die Whisker-Bildung wirksam unterbindet. Mit der Umstellung auf bleifreie Gehäuse benutzen viele Unternehmen eine Kombination, die nur aus Zinn und Kupfer besteht. Dadurch werden die Gehäuse bei deutlich höheren Temperaturen weiterverarbeitet als Gehäuse mit Blei-Zusatz. Die Forschungsarbeit hat gezeigt, dass Gehäuse aus einer Zinn-Kupfer-Legierung aber durchaus den heutigen Industriestandard-Tests, die für bleihaltige Produkte entworfen wurden, gerecht werden. Die Forschungs-Ingenieure haben jedoch beobachtet, dass im Handel erhältliches Zinn über Kupfer Gehäuse zu Nadelkristallen, den sogenannten „Whiskern“ führt. Diese können so lang werden, dass sie bei der normalen Benutzung der Geräte durch den Kunden zu einem elektrischen Kurzschluss oder anderen Ausfällen im System führen. Von der JEDEC Solid State Technology Association wurden, unter der Leitung der National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI), drei Tests vorgeschlagen, um die Anfälligkeit für Zinn-„Whisker“ effektiver zu überprüfen. Zwei der drei Tests zeigen keinen erkennbaren Unterschied zwischen bloßem Zinn und Zinn mit einer Nickelgrundierung über dem Kupfer. Das Unternehmen hat jedoch unter Verwendung des dritten Tests in kundenspezifischen Einsatzbereichen gezeigt, dass eine Nickelschicht zwischen dem Kupfer und der Zinnschicht zu drastischen Verbesserungen führt.

Im Zuge seiner eigenen Maßnahmen zur Implementierung bleifreier Gehäuse wurden Halbleitergehäuse von unterschiedlichen Herstellern mit unterschiedlichen Zinnbeschichtungen mittels Lebensdauerprüfungen unter den bei Kunden üblichen Einsatzbedingungen ausgewertet. Agere beobachtete, dass sich in sämtlichen Fällen „Zinn-Whisker“ in den Halbleitergehäusen bilden, wenn für die Beschichtung des Metalls anstelle von Blei eine Kombination aus Zinn und Kupfer benutzt wird. Diese Lösungen müssen deshalb für die Elektronikindustrie als nicht akzeptabel betrachtet werden, da die Langzeit-Zuverlässigkeit nicht gewährleistet werden kann. Als Abhilfe wurde zwischen die Zinn und die Kupferschicht eine Lage aus Nickel eingefügt. Es zeigte sich, dass dadurch die Whisker-Bildung wirksam unterbunden wird und die Zinn-Nickel-Kupfer-Kombination eine zuverlässige Alternative darstellt. Zum Abschluss der Forschungsarbeit wurde ein Whitepaper veröffentlicht, das auf der Website des Unternehmens verfügbar ist.

„Mit der Veröffentlichung dieser Befunde hoffen wir, dass die Elektronikindustrie unseren Ansatz zur Lösung der Probleme, die durch die gegenwärtig verbreiteten Zinn-Kupfer-Gehäuse entstehen, übernehmen wir“, sagt Dr. Melissa Grupen-Shemansky, Director of Packaging and Interconnect Technology des Unternehmens. „Wir haben über einen längeren Zeitraum hinweg in einer wissenschaftlich abgesicherten Studie eine vielzahl von Optionen geprüft, die derzeit von anderen Halbleiterherstellern verwendet werden. Dabei ergab sich, dass das Problem der Zinn-Whisker, das bei hohen Temperaturen und Feuchtigkeitswerten auftrat, durch die Zinn-Nickel-Kupfer-Kombination beseitigt wird.“

Die ersten Ergebnisse einer von der „NEMI Tin Whisker Test Group“ durchgeführten unabhängigen Studie bestätigen die Beobachtungen über das Entstehen von „Whiskern“ in den zur Zeit in der Industrie verbreiteten Gehäusen aus einer Zinn-Kupfer-Legierung. Die Ergebnisse dieser Studie werden im Jahr 2005 veröffentlicht.

Während Agere für einige auf Kundenwunsch gefertigte Gehäuse ebenfalls die zur Zeit allgemein akzeptierte Kombination aus Zinn und Kupfer anwendet, hat das Unternehmen zusätzliche Schritte unternommen, um eine höhere Zuverlässigkeit anbieten zu können. Das Unternehmen beliefert seine Kunden bereits mit bleifreien Halbleiterprodukten auf der Grundlage seines selbst entwickelten Gehäuseprozesses, und wird den Großteil seines Produkt-Portfolios bis Sommer 2005 auf bleifreie Gehäuse umstellen.

EPP 428

Agere Systems ist ein weltweit führender Anbieter für Halbleiter im Bereich Storage, Wireless Data. Chips und Software von Agere unterstützen ein breites Spektrum von Computing- und Kommunikationsanwendungen. Zum Kundenkreis von Agere gehören die führenden Hersteller aus der Unterhaltungselektronik sowie von Computing- und Kommunikationsausrüstungen. Mit den Produkten von Agere wird Breitband-Zugang für jedermann an jedem Ort verfügbar – zu Hause, bei der Arbeit und für Unterwegs.