Probleme bei der Lötbarkeit von Leiterrahmen bei Leistungshalbleitern

Es ist kein Geheimnis, dass Kunden von Leistungshalbleitern in der Automobilindustrie immer höhere Anforderungen stellen. Das "unter der Haube / Motorhaube"-Elektronikumfeld ist ohne Zweifel eines der thermisch anspruchsvollsten Umgebungen auf der Erde. Elektroniken, die sich nahe des Motorblocks befinden, können großen Extremen ausgesetzt sein, von der frostigen Kälte des Winters bis hin zu tropischer Hitze. Hinzu kommt die Wärmequelle des danebenliegenden, internen Verbrennungsmotors.

Der Standard des Feuchtigkeitsempfindlichkeitsschwellwerts (MSL, Moisture Sensitivity Level)  von der JEDEC / IPC wurde entwickelt, um die Feuchtigkeitsaufnahme und "Popcorning"-Effekte polymer umspritzter Materialien abzudecken. Dieser wurde in seiner Verwendung jedoch erweitert, um eine Vielzahl an unterschiedlichen Packungssituationen und Fehlermodi abzudecken. Der Standard erlaubt selbst unter den MSL1-Bedingungen, die üblicherweise von Kunden von Leistungshalbleitern in der Automobilindustrie gefordert werden, eine gewissen Grad der Delamination. Heute ist jedoch "null Toleranz für Delamination" die üblichste Anforderung von Konstrukteuren der Automobilindustrie. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben sowohl die Hersteller von Spritzgussmaterialien, als auch Leiterrahmenanbieter daran gearbeitet, wie man die Delamination ausschließen kann. Leiterrahmenhersteller haben bei ihren Produkten eine Vielzahl an Ansätzen entwickelt, welche die Haftung zwischen dem Leiterrahmenmetall selbst und der Spritzgusskomponente verbessern.  Für gewöhnlich findet dies in Form von physikalischer und chemischer Texturierung von Kupfer statt. Hierbei werden Verfahren wie die Bildung von braunem Oxid angewendet.

Es ist keine Überraschung, dass dieser Bedarf der Haftungsverbesserung zu Leiterrahmenbehandlungen führt, welche mit dem Bedürfnis der Bildung Void-freier, elektrischer Verbindungen mit hoher Leitfähigkeit zwischen dem Chip und dem Leiterrahmen im Gegensatz stehen - im Grunde genommen wirkt es der Lötbarkeit der Form oder Lötpaste entgegen Um dieses Problem zu umgehen, gehen Hersteller von Leiterrahmen immer mehr zum Spot-Plating von Silber auf Kupfer, mit einer Dicke im Bereich von 2-9 Mikrometer, über. Warum ist das Silber im Vergleich zu gesputtertem Silber auf einer Chipoberfläche so dick? Einfach deshalb, weil Kupfer sehr schnell in das Silber diffundiert, weshalb eine dickere Silberschicht zu einer längeren Haltbarkeit des Leiterrahmens führt. Beachten Sie, dass das Beschichten nicht so gut zu kontrollieren ist, wie das Sputtern. Es ist jedoch wesentlich kostengünstiger und schneller.

Unten können Sie ein Schaltbild von Lötpaste sehen, die auf einen dieser Leiterrahmen gedruckt wurde.

 Einer der auftretenden Fehlermodi ist die unvollständige Benetzung auf dem Leiterrahmen, wodurch es an Stellen zu Fehlern kommt, an denen das Lot nicht vollständig über den mit Silber beschichteten Bereich geflossen ist - "Delaminierungsstellen" - (unten). Diese flache, glänzende, silberne Oberfläche ist keine geeignete Oberfläche, um Spritzgusskomponenten darauf zu löten.

Warum benetzt das Lot also nicht gut? Die Antwort wird einem ziemlich schnell klar, wenn man ein paar Überschlagsrechnungen des endgültig zu erwartenden Silbergehalts der abgeschlossenen Lötnaht durchführt. Gehen wir von einer Lötnahtstärke (LNS) von (25,75 Mikrometer) bei einem Lot aus, das 2,5% Ag (wie z.B. Indalloy 151 oder 163) besitzt und die Beschichtungsdicke bei (3-9)Mikrometern liegt. Hier sieht man typische Schichtdicken von 2-9 Mikrometer, basierend auf einer vor Kurzem durchgeführten Kundenbefragung.

Was ist also der Silbergehalt der endgültigen Lötnaht, wenn man davon ausgeht, dass sich alles Silber auflöst?

Die Berechnungen zeigen deshalb, dass der Silbergehalt bei 6 bis 27% liegt. Der Wert von 27% liegt bei der zu erwartenden Löttemperatur weit jenseits der Löslichkeitsgrenze von Silber in dieser Art von Lot, eigentlich bei den meisten Loten. Der Mechanismus der Nichtbenetzung ist offensichtlich: Lot kann nicht Silber nicht mehr benetzen, wenn es mit unlöslichen intermetallischen Partikeln besetzt ist.

Die Botschaft an Anbieter von Leistungshalbleiterkomponenten ist:

• Halten Sie die Silberstärke auf einem konsistenten niedrigen Level: richten Sie höhere Anforderungen an das Silber-Spot-Plating ihres Lieferanten.
• Aktualisieren Sie ihre Qualitätskontrolluntersuchungen bei der Warenannahme, damit Sie in Bezug auf die Dicke des Silbers und die Konsistenz sicherstellen können, dass Sie bekommen, wofür Sie gezahlt haben.
• Halten Sie nur einen kleinen Bestand an Leiterrahmen, damit Sie keine Probleme wegen der Lebensdauer bekommen, weil Kupfer bei der langen Lagerung durch die dünne Silberschicht diffundiert und oxidiert (Lötbarkeit / Voiding-Probleme)

Sie haben eine Alternative (die Wahl eines anderen Lottyps), aber dann gehen Sie auf ein langwieriges erneutes Qualifizierungsverfahren zu.

Wie immer, bitte kontaktieren Sie mich, wenn Sie Hilfe benötigen.

Bis bald!  Andy