Auf der Suche nach alternativen Lotmaterialien zu Zinn-Blei-Legierungen

Lösungen für „grüne“ IC-Packages

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Seit Jahren spürt die Elektronikindustrie den zunehmenden Druck, umweltverträglichere Produkte herzustellen. In den USA, Japan und Europa werden differierende Strategien verfolgt, hinter denen unterschiedliche Gesetzesvorlagen, Umwelt- oder Kostenbetrachtungen stehen. Nach Lage der Dinge werden japanische Hersteller die ersten „grünen“ Baugruppen in hohen Volumen herstellen, in den USA wartet man noch etwas ab und in Europa wurde die offizielle Einführung bis zum Jahr 2006 verschoben.

Jeff Cannis, Amkor Technology

Während mancher noch darüber diskutieren möchte, ob die Kosten der Bleifrei-Fertigung oder anderer umweltverträglicher Maßnahmen logisch begründbar sind, steht außer Frage, dass künftig wesent-lich mehr Komponenten und Geräte auf „grüne“ Weise produziert werden müssen. Wie dabei Zeitablauf und Umfang der Umstel-lung aussehen, wird man sehen. Doch bereits heute zeigt sich, dass weltweit Millionen von Geräten wie Videorecorder, Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik bereits in Bleifrei-Prozessen gefertigt werden. Die meisten Packaging-Dienstleister, einschließlich Amkor, haben verstanden, dass sie diese Entwicklung aufgreifen müssen, wollen sie nicht Marktanteile verlieren oder gute Kundenbeziehungen aufs Spiel setzen.
Probleme beim Packaging
Grundsätzlich ist im Packaging die Minimierung oder Vermeidung von Blei wesentlich. Bauteil-anschlüsse, typischerweise mit einer Blei-Zinn-Schicht überzogene Pins oder Lotkügelchen (Solder Spheres) für Field-Array-Gehäuse, sind durch alternative Materialien zu ersetzen. Allerdings ist derzeit noch nicht völlig geklärt, womit man die bauteilinternen, bleihaltigen Lote für Die-Attach oder Flip-Chip-Techniken ersetzen kann. Zwar sind einige Bleifrei-Materialien für diese Aufgaben spezifiziert worden, aber die Problematik der einzelnen Schmelzpunkte der Lote einer Baugruppe muss auf jeden Fall gelöst werden. Es besteht die Möglichkeit, dass im Einzelfall durchaus Ausnahmen möglich sind, doch muss sich die Industrie um praktikable Lösungen kümmern.
Zusätzlich zur Beseitigung von Blei und anderen toxischen Schwermetallen wie Kupfer, Cadmium oder Quecksilber müssen auch Flammschutzmittel wie bromhaltige Halogene reduziert werden. Das tangiert unmittelbar die Vergussmaterialien und Leiterplatten-Substrate. Zusammen mit der Vermeidung von Halogenen ist auch der Einsatz von Antimonhaltigem Flammschutz (Sb) verpönt.
Natürlich darf dabei die Zuverlässigkeit der IC-Packages nicht reduziert, sondern muss sogar noch erhöht werden. Die höheren Prozesstemperaturen bleifreier Produktion sorgen für größere thermische Belastungen, die zu Delaminationen oder Gehäuse-Defekten führen können. Ein weiterer Effekt des Übergangs zur „grünen“ Produktion ist, dass einige Packages und Baugruppen erheblich geändert werden müssen, bis hin zu aufwändigen Re-Designs.
Der global tätige Packaging-Dienstleister ist hier mit einigen Unsicherheiten konfrontiert. So hat man es natürlich mit einer sehr großen Zahl unterschiedlicher Produkte und Entwicklungen zu tun, hinzu kommen erhebliche Zeitunterschiede im angestrebten Ablauf des Übergangs sowie in den regionalen Gesetzgebungen. Neben dem Mangel an Standardisierungen kommt erschwerend hinzu, dass die Industrie erst noch verstärkt Informationen über bleifreie Prozesse und Lötanlagen sammeln, aufgreifen und sichten muss. Zudem sind noch keine vergleichbaren Applikationen und Produkt-Anforderungen spezifiziert worden. Zwar sind die Hersteller engagiert dabei, zum frühest sinnvoll möglichen Termin „grüne“ Produkte anzubieten, doch erste Entscheidungen über Material und Prozess sind fällig, lange bevor wirklich erschöpfend alle Informationen über Verfahren und Systeme vorliegen. Das damit verbundene technische und wirtschaftliche Risiko muss überlegt gehandelt und über die Wertschöpfungskette betrachtet werden. Womöglich dauert das Sammeln der Informationen noch einige Jahre, bis man in der Industrie den vollen Überblick über die wesentlichen Problematiken in der Entwicklung gewonnen hat. Doch läuft in der Zwischenzeit der Implementierungsvorgang bereits an.
Aus Amkors Sicht ist es wesentlich, den Kunden die passenden Packaging-Lösungen als standardisierte Prozesse zur Verfügung zu stellen. Durch eine Kombination von internen Entwicklungen, Konsortium-Aktivitäten und ausgewählten Partner-Projekten sind wir in der Lage, praktikable Lösungen mit all den hier nötigen zusätzlichen Informationen für den Customer-Support rechtzeitig zu offerieren. Es wäre sicher unrealistisch, eine totale Übereinstimmung zwischen den Anforderungen aller Kunden zu erwarten, aber eine Begrenzung der möglichen Materialien wäre sinnvoll. Neben der Logistik spielen dafür auch noch Überlegungen zu Kosten und Qualität ei-ne große Rolle. Sind zudem eine sehr hohe Zahl von Materialien zu qualifizieren, dann sind Verzögerungen nicht auszuschließen. Beispielsweise führt jede weitere andere Legierung für Lotkügelchen dazu, dass die Bestellmenge mehr aufgeteilt wird und deshalb die Kosten steigen. Auch die Installation mehrerer Plattierungslinien für unterschiedliche Bleifrei-Überzüge wirkt sich deutlich kostentreibend aus und muss außerdem noch logistisch in den Produktionsablauf integriert werden.
Verfügbare Lösungen und weitere Packaging-Entwicklungen
Die möglichen Bleifrei-Legierungen gehen in die Hunderte, wobei die Auswahl der Konsortien und Hersteller erheblich variiert. Doch zeichnet sich eine Übereinstimmung bei den Loten ab. Sieht man von wenigen Ausnahmen ab, so scheint die Familie der Legierungen aus Zinn, Silber und Kupfer die größte Akzeptanz zu finden. Dieses Material schmilzt typischerweise im Bereich von 216 bis 219 °C und zeigt in seiner Zusammensetzung keine riesigen Unterschiede. Obwohl man immer noch große Anstrengun-gen unternimmt, eine geeignete Legierung im Schmelzbereich des eutektischen SnPb-Lots (183 °C) zu finden, muss man sich mit den Gedanken an Prozesse mit höheren Temperaturen anfreunden. Dieser Wechsel in der Einstellung hat wesentliche Ursachen. Zum einen ist die Zuverlässigkeit von Bleifrei-Lötstellen auf den Baugruppen genau so hoch wie jene mit herkömmlichen eutektischen Formulierungen, wenn nicht sogar um einiges besser. Die bisher verfügbaren Daten über thermische Zyklen zeigen eine um 20% höhere Performance in diesem Punkt, das wird auch von unseren eigenen Untersuchungen bestätigt (Bild 2).
Ein anderer Faktor, der für SnAgCu-Legierungen spricht, ist die Tatsache, dass für viele Baugruppen die maximale Löttemperatur 260 °C nicht überschreiten darf. Zahlreiche Studien, darunter einige, die zur Apex 2001 vorgestellt wurden, zeigen, dass beste Lötergebnisse mit Spitzentemperaturen nicht höher als 245 °C erzielt wurden. Solch eine maximale Temperaturbelastung befindet sich noch innerhalb der thermischen Spezifikationen vieler aktueller Package-Lösungen, ohne dass die Materialien einschneidend verändert werden müssen.
Ein anderer Unsicherheitsfaktor bei der Auswahl von Bleifrei-Rezepturen liegt in der momentanen Patentsituation. Zahlreiche Patentansprüche, insbesondere in den USA und Japan, überdecken einen weiten Bereich der möglichen SnAgCu-Legierungen und ihre Variationen. Hier wird derzeit in der Industrie fortlaufend gesichtet, sortiert und die exakte Abgrenzung jedes Patentanspruchs geprüft. Nachdem immer mehr Informationen verfügbar sind, kann man davon ausgehen, daß die Unterschiede in der Performance dieser Legierungen nicht erheblich sind. Deshalb kann man auch davon ausgehen, dass die Auswahl bei den Unternehmen nach der Überlegung erfolgt, juristische Verstrickungen zu vermeiden. Sowohl für die Patentinhaber als auch die Materiallieferanten wäre die ideale Situation jene, in der man sich auf vernünftige Vereinbarungen über die weltweite Nutzung der verschiedenen SnAgCu-Legierungen einigen könnte. Genau das passiert übrigens momentan. Auf jeden Fall werden jene Lieferanten, die eine angemessene Lizenzierung vornehmen, durchaus eine beherrschende Marktposition erreichen können.
Bei üblichen Packages mit Pins (Leadframe) ist die Situation weniger klar. Weil die traditionelle Verzinnung auf galvanischem Weg erfolgt, muss eine Methode gefunden werden, die diese vorhandenen Einrichtungen nutzt beziehungsweise dazu kompatibel ist. Packages mit Nickel-Palladium-plattierten Teilen gibt es seit über zehn Jahren. Obwohl es sich um eine bewähre Technik handelt, sieht es nicht so aus, als ob sich NiPd-Packages weiter durchsetzen werden. Den NiPd-Lösungen stehen Bedenken in puncto Kosten, Verfügbarkeit, Problematiken aus dem Board-Assembly sowie Package-Zuverlässigkeit bei höheren Reflow-Temperaturen gegenüber.
So wird also der übliche Verzinnungsprozess am Ende der Linie alternativ mit einer bleifreien Legierung durchgeführt. Diese Lösung bietet einige Vorteile. Zum einen können die vorhandenen Produktionseinrichtungen und auch die Prozesse praktisch unverändert weiter gefahren werden. Zudem kann man erwarten, dass die Package-Zuverlässigkeit weiterhin hoch ist, denn es werden die gleichen Leadframes eingesetzt und die Galvanikbäder sind ähnlich zur SnPd-Plattierungsprozedur. Somit kann man kostenneutral zu den vorhandenen SnPb-Prozessen arbeiten.
Die letzte Frage ist mithin: welches zinnhaltige Material oder soll sogar reines Zinn verwendet werden? Hier gehen in der Industrie die Ansichten noch weit auseinander. In einigen Applikationen setzt man in Japan auf SnBi (Zinn-Wismut) als Alternative, weil Wismut-Beimischungen das Wachstum von Zinn-Whiskern vermeiden. Aus dem gleichen Grund favorisieren andere Firmen SnCu-Legierungen.
Derzeit gibt es eine starke Unterstützung für die Anwendung von Sn. Firmen mit langer Erfahrung in der Verarbeitung von Zinnplattierten Packages entscheiden sich für mattes Zinn. Langfristig sieht es wohl so aus, dass die Zinn-Plattierung höchstwahrscheinlich die größten Chancen hat. Wobei allerdings die Frage nach der Zuverlässigkeit wegen der Zinn-Whisker im Raume steht. Sobald allerdings umfassende Kenntnisse über diesen Whisker-Mechanismus vorhanden sind, kann ei-ne Voralterungsmethode zusammen mit Techniken, die Whisker-Wachstum einschränken, entwickelt werden. Die Etablierung von Industriestandards für die Behandlung der Whisker-Problematik braucht noch einige Zeit. Momentan arbeitet man in der Forschung und Entwicklung mit unterschiedlichen Analysemethoden, um die metallurgische Struktur und die internen Kräfteverhältnisse zu untersuchen.
Wie bereits erwähnt, bestehen Bedenken in der Package-Zuverlässigkeit wegen der Höchsttemperaturen von 260 °C beim Löten der Baugruppen. Die Sorge wegen defekter Bauteile (Bild 3) hat in den letzten zwei Jahren jedoch erheblich abgenommen. Packaging-Material, das mindestens eine Feuchteunempfindlichkeit nach JEDEC Level 3 erreicht, ist für die meisten Gehäuse verfügbar. Viele der Materialien, die solch hohe Temperaturen vertragen, sind auch noch frei von Halogenen.
Dies soll nun nicht besagen, dass alle technischen Probleme im Packaging schon gelöst wären, doch werden fortlaufend Materialien und Prozesse entwickelt, die eine umweltfreundliche Fertigung ermöglichen. In Anbetracht der kurzen Zeitspanne wurde hier Erhebliches erreicht. Außerdem zeigt sich, daß der Fertigungsprozess der Baugruppen etwas weniger herausfordernd wird als ursprünglich erwartet. Ein bestens kontrollierter Prozess zusammen mit adäquatem Equipment und einem überlegten Board-Design ermöglichen eine Bleifrei-Fertigung mit vernünftigen Spitzentemperaturen. Natürlich wird für Entwicklung und Implementierung der Prozesse noch einige Zeit vergehen, aber wir werden auch unsere Packaging-Lösungen im Detail noch deutlich verfeinern.
Wichtige Kostenbetrachtungen
Obwohl ein Großteil der Anstrengungen zur Einführung umweltverträglicher Fertigungsmethoden um technische Herausforderungen kreist, dürfen natürlich die Kosten nicht übersehen werden. Leider gibt es keine einfache Formel, mit der man diese Ausgaben berechnen kann. In manchen Packages mit hoher Performance müssen teurere Materialien eingesetzt werden. Auch die Verwendung von plattierten NiPd-Leadframes kann zu höheren Materialkosten führen. Die Ausgaben für bleifreie Lotbeschichtungen sind selbstverständlich abhängig von der eingesetzten Methode. Einige der favorisierten Plating-Materialien, insbesondere SnBi und SnAg, können nicht so einfach galvanisch aufgetragen werden. Diese Plattierungsprozesse laufen typischerweise mit geringeren Produktionsdurchsätzen ab als mit mattem Zinn, SnCu oder der momentanen SnPb-Technik. Wichtig bei Field-Array-Packages aller Art ist, dass die Kosten für bleifreie Lotkügelchen bis um den Faktor Drei steigen können, wenn sie in geringen Volumen eingekauft werden.
Im Grundsatz unterscheiden sich traditioneller und alternativer Prozessablauf nicht wesentlich, somit sind auf der Kostenseite keine signifikanten Überraschungen zu erwarten. Man darf also davon ausgehen, dass im Wesentlichen die Packaging-Kosten vom Material abhängig sind. Diese Auswirkungen sind von Package zu Package unterschiedlich und werden auch noch davon getragen, wieweit Änderungen wegen höherer Anforderungen nötig werden.
Zusammengefasst lassen sich für den Übergang zur „grünen“ Elektronikfertigung einige wesentliche Vorteile festhalten:
• die Zuverlässigkeit der Packages wird erhöht,
• verbesserte Materialien werden eingesetzt und
• Unternehmen sind gezwungen, sich mit den umweltrelevanten Auswirkungen ihrer Aktivitäten noch mehr auseinanderzusetzen.
Der größte Nachteil hingegen wird wohl bei der Kostenbetrachtung erscheinen, so hatten bereits viele Unternehmen erhebliche F&E-Ausgaben und weitere werden folgen. Geht man von einem langsamen Übergang aus, wird es einige Jahre dauern, bis diese Ausgaben wieder verdient werden. Eine längere Übergangszeit wird dazu führen, dass einige Firmen Fertigungsressourcen sowohl für den traditionellen SnPb- als auch blei-freien Prozess vorhalten müssen. Doch sogar wenn die Implementierung stagnieren oder sich noch weiter in die Länge ziehen sollte, gehen von dieser Entwicklung einige Vorteile aus. Nicht zuletzt kann man hier auf die verstärkten Kooperationen in der gesamten Wertschöpfungskette hinweisen.
Die europäische Gesetzgebung im Bereich Umweltschutz hat sich auch für die Elektronikfertigung zäh hingezogen. Doch seit dem Jahr 2000 gibt es eine klare, wenn auch komplizierte Situation mit drei Hauptinitiativen in der EU:
• Die WEEE-Direktive (Waste from Electrical and Electronic Equipment) behandelt primär die Reduzierung von Abfällen und verbessertes Recycling am Schluss der Nutzungszeit.
• Die ROHS-Direktive umfasst Restriktionen aller Art im Gebrauch gefährlicher oder giftiger Stoffe wie Blei, Cadmium oder Quecksilber usw. Hier ist festgeschrieben, dass mit dem Jahr 2006 solche Materialien nicht mehr verwendet werden dürfen. Die einzigen Ausnahmen von diesem Bann sind Blei in Keramik, Glas, Automobilelektronik oder für das Abschirmen von Strahlen.
• Die EEE-Direktive regelt die Gesamtauswirkungen auf die Umwelt bei Einführung „grüner“ Entwicklungs- und Fertigungsstrategien, enthält aber keine Material-Restriktion.
In anderen Regionen hat man das Ächten von gefährlichen Stoffen nicht in den Mittelpunkt gestellt, wohl aber deren Rückgewinnung. Insbesondere in Japan wirkt die Gesetzgebung nicht mehr als treibende Kraft. Vielmehr gibt es hier den Trend zum unternehmensweiten Umweltbewußtsein. Mag zwar sein, dass dies auch als Euphemismus zum Erobern von Marktanteilen eingesetzt wird, aber die Unternehmen haben damit den Umweltschutzgedanken durchgehend über alle Firmenebenen in ihre Politik eingebunden und erwarten sich darüber weitere Wettbewerbsvorteile. Nach der offiziellen JEITA-Roadmap sollen bereits im Jahr 2003 alle neuen Produkte mit bleifreien Lotlegierungen gefertigt werden. Allerdings gilt das nicht für andere asiatische Staaten. Hier hat Umweltschutz, beispielsweise in China, noch keine Priorität beim Betrachten der industriellen Produktion.
Bereits seit Anfang der 90-er Jahre hat man sich in den USA mit gesetzgeberischen Eingriffen beschäftigt (Gesetzesvorlage von Senator Bill Reid von 1991, Lead Exposure Reduction Act). Nachdem es hier eine längere Zeit sehr still war, gewinnt die Diskussion deutlich mehr Gewicht. Zwar wird die Debatte vielerorts immer noch unter dem Aspekt geführt, wieweit die Einführung bleifreier Lote technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, doch insgesamt reduziert die Industrie den Einsatz gefährlicher Substanzen und Prozesse. Außerdem will man weder den Anschluss noch Marktanteile verlieren. Aus diesen Anstrengungen rühren viele grundlegenden Forschungsarbeiten mit starkem Praxisbezug im Übergang zur „grünen“ Fertigung.
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