PallaBond, eine neue multifunktionale Endoberfläche

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1 PallaBond, eine neue multifunktionale Endoberfläche

2 Inhaltsverzeichnis Wer ist APL Oberflächentechnik GmbH?... 3 Was ist PallaBond?... 3 Wie funktioniert das Verfahren?... 3 Auf welche Anwendungen zielt PallaBond ab?... 4 Drahtbonden...4 Drahtbond Marktentwicklung...5 Dickdrahtbonden...5 Thermokompressions Bonden...5 Löten...6 Hochfrequenz Applikationen...6 Untersuchung der Einfügungsdämpfung:...7 Keramische Elektronik...9 Feinleiter Anwendungen...9 Was sind die Vorteile des PallaBond Prozess? Technologische Vorteile Ökologische Vorteile Wirtschaftliche Vorteile Weitere Informationen Quellen Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Beispiele von verschiedenen Drahtbondanwendungen...3 Abb. 2: Prozessablauf für EP und EPAG...4 Abb. 3: REM Aufnahme von reinem Kupferdraht auf der Endoberfläche...5 Abb. 4: Kupferdraht auf der Endoberfläche...5 Abb. 5: Weltweiter Drahtbond-Trend...5 Abb. 6: Au-Cu/ CuPd & Ag Konversionsquote in Abb. 7: Thermokompressions Bonden - Prozessablauf [6]...6 Abb. 8: Direkt Palladium auf Kupfer mit einer Pad zu Pad Distanz von 15 µm...6 Abb. 9: Elektrolytisch Pd, autokatalytisch Au auf Kupfer mit einer Pad zu Pad Distanz von 15 µm...6 Abb. 10: Schematische Beschreibung des Skin-Effekts im Vergleich ENEPIG und EP/EPAG [5]...7 Abb. 11: Design der Test-LPs...7 Abb. 12: Einfügedämpfungsmessung...8 Abb. 13: Vergleich von verschiedenen Endoberflächen bei Hochfrequenz...8 Abb. 14: PallaBond Beschichtung im Vergleich zu ENIG und ENEPIG [2]...9 Abb. 15: EPAG L/S <15 µm; keine übermäßige Beschichtung auf Basismaterial...9 Abb. 16: ENEPIG L/S <15 µm; ausgeprägt übermäßige Beschichtung auf Basismaterial...9 Abb. 18: Porositätstest Ergebnisse Seite 2 von 11, V2.01_150323

3 Wer ist APL Oberflächentechnik GmbH? APL Oberflächentechnik GmbH ist ein Dienstleister für funktionelle Oberflächen in der Elektronik- und Leiterplattenindustrie. APL hat sich auf chemisch Zinn, Refreshen von chemisch Zinn, Reinigen von Leiterplatten (ENIG/ENEPIG) und Pd/Au-Schichten (EP/EPAG) spezialisiert. Diese Produkte werden unter den Produktmarken smarttin, FinalClean und PallaBond vertrieben. Der Firmensitz von APL ist in Lörrach (Deutschland). APL kooperiert mit vielen verschiedenen Leiterplattenherstellern, Fertigungsherstellern, Leiterplattenhändlern und weltweit agierenden OEMs. Was ist PallaBond? PallaBond ist eine neue Entwicklung von Atotech. Diese multifunktionale Endoberfläche kann für eine Vielzahl von Applikationen angewandt werden. Bei dieser Endoberfläche wird Palladium direkt und stromlos auf Kupfer abgeschieden (EP electroless palladium), ohne Nickelbarriere. Optional kann zusätzlich auf der Palladiumschicht, autokatalytisch Gold abgeschieden werden (EPAG electroless palladium, autocatalytic gold). Nach langer Zeit der Entwicklung und etlichen Versuchsreihen von Atotech werden wir der erste Vertriebspartner für PallaBond in Deutschland sein. PallaBond ist eine ausgezeichnete Endoberfläche für Lötanwendungen, sowie Gold (Au)-, Aluminium (Al)-, Silber (Ag)-, und Kupfer (Cu)-Drahtbond-Anwendungen. Leiterplatten (LPs), flexible LPs und keramische Substrate können mit PallaBond beschichtet werden die einzige Voraussetzung ist eine Kupferleiterbahn auf der Substratoberfläche. Für Lötanwendungen reicht eine Goldschichtdicke von nm aus, für Bonddraht-Anwendungen sollte die Goldschichtdicke jedoch >100 nm betragen. Reiner Cu-Draht auf EPAG Cu-Pd-Draht auf EPAG Ag-Draht auf EPAG Au-Draht auf EPAG Abb. 1: Beispiele von verschiedenen Drahtbondanwendungen Wie funktioniert das Verfahren? Das vereinfachte Verfahren erlaubt die Beschichtung in vertikaler Anlage. Der Prozess beginnt mit einer Reinigung (Vorbehandlung), die das Anätzen und Aktivieren der Kupferoberfläche beinhaltet. Diese Reinigung führt dazu, dass die gesamte Oberfläche benetzt wird. Die nachfolgende Mikroätze raut die Oberfläche leicht an und entfernt dadurch alle Oxide und Verunreinigungen. Daraufhin wird die Oberfläche aktiviert. Nach der Aktivierung kann das Palladium stromlos auf der Kupferoberfläche abgeschieden werden. Optional kann auf die Palladium Oberfläche autokatalytisch Gold abgeschieden werden. Da es sich um einen stromlosen Beschichtungsprozess Seite 3 von 11, V2.01_150323

4 handelt, muss keine elektrische Verbindung zwischen der Kupferoberfläche und dem Bad hergestellt werden. Der PallaBond Prozessablauf ist ganz einfach: Reiniger Mikroätze Vortauchen Aktivieren E Less Pd E Less Au Temperatur [ C] Zeit [min] Komponente 40 5 PallaBond CLN 35 1 PallaBond ME 35 1 PallaBond PREDIP 25 2 PallaBond ACT 52 5 PallaBond PD Optional für EPAG (für Golddrahtbond Anwendungen) PallaBond Au Abb. 2: Prozessablauf für EP und EPAG Auf welche Anwendungen zielt PallaBond ab? PallaBond zeigt folgende Vorteile gegenüber bestehenden Endoberflächen: Drahtbonden Draht Bonden (Cu, Cu-Pd, Al, Au und Ag Draht) Feinleiter Applikationen mit Abständen kleiner 30 µm Löten (Reflow, Wellen, Selektiv Wellen, Dampfphasen) Hochfrequenz Anwendungen Leitfähige Kleber Keramische Substrate (mit Kupfer als Leitmaterial) Flip Chip Anwendungen Flexible LPs Einpresstechnik PallaBond lässt sich wie üblich mit Al und Golddraht, aber auch mit reinem Kupfer, Kupfer/ Palladium und Silberdraht bonden. Aus finanziellen Gründen steigt der Marktanteil des Kupfer-Drahtbonden schnell an. Neuste Marktuntersuchungen im Jahr 2014 haben ergeben, dass fast 50% des Drahtbond-Verfahrens die Kupfer-Drahtbondtechnik nutzen (vor allem in der IC-Verpackungsindustrie). Im Vergleich zu ENIG und ENEPIG zeigt EPAG ein gleiches oder besseres Drahtbond-Ergebnis, was auf ein größeres Arbeitsfenster beim Gold-Drahtbonden zurück zuführen ist. Untersuchungen zeigen, dass trotz einer dünneren AU-Beschichtung, Kupfer/Palladium-Drahtbonden auf EPAG bessere Ergebnisse liefert als auf ENIG und ENEPIG. Seite 4 von 11, V2.01_150323

5 Abb. 3: REM Aufnahme von reinem Kupferdraht auf der Endoberfläche Abb. 4: Kupferdraht auf der Endoberfläche Drahtbond Marktentwicklung Eine Studie der Firma Heraeus zeigt die Entwicklung des Drahtbondmarktes nahm Kupfer (auf die Gesamtlänge bezogen) 21% des Marktanteils aller Drahtbond-Verfahren ein. Im Jahr 2014 wird erwartet, dass der Anteil des Kupfer-Drahtbondens (reine Cu- und Cu-Pd-Draht) fast 50% des Marktanteils erreicht. Der Grund für den Anstieg ist, dass Kupfer günstiger als Gold ist mit einer vergleichbaren Zuverlässigkeit in vielen Bereichen. Der palladiumbeschichtete Kupferdraht bietet ein größeres Prozessfenster. Abb. 5: Weltweiter Drahtbond-Trend Abb. 6: Au-Cu/ CuPd & Ag Konversionsquote in 2012 Dickdrahtbonden Bonddrähte mit einem größeren Durchmesser als 75 µm werden als Dickdraht bezeichnet. Sie werden bei Hochstromanwendungen verwendet. Der Vorteil liegt in der geringeren Selbstinduktion des Drahtes. Die Selbstinduktion ist bei einem dicken Draht mit einer konstanten Länge kleiner als bei einem dünnen Draht. Dickdrahtbonden ist auf PallaBond ebenfalls möglich. Thermokompressions Bonden Um eine höhere Dichteverbindung zwischen dem Chip und dem Substrat zu erreichen, wird bei High Density package (HDP) Anwendungen immer mehr und mehr das Thermokompressions Bonden angewendet. ENIG und ENEPIG kommt hier nicht mehr in Frage. Bei diesen Anwendungen beträgt die Distanz zwischen Bond-Pad und Substrat meist weniger als 20 µm, somit ist nicht ausreichend Platz um das Bond-Pad mit 5 µm Nickel zu benetzen. Um solche Strukturen in einer guten Art und Weise abzudecken benötigt man auf dem Substrat eine Oberfläche die nicht dicker ist als 300 nm. Momentan wird OSP verwendet, jedoch mit den Nachteilen, dass die Oberfläche durch die thermische Vorbehandlung und die nötige Aktivierung des Kupfers mit einem aggressiven Flussmittel vor dem Thermokompressions Bonden beschädigt werden kann. Seite 5 von 11, V2.01_150323

6 NCP freistellen Werkzeug platzieren Bondkopf ablösen Thermokompressions- Bonden Abb. 7: Thermokompressions Bonden - Prozessablauf [6] Für solche Fälle ist die PallaBond -Oberfläche eine perfekte Alternative. Sie ist sehr dünn und außerdem sehr robust hinsichtlich der thermischen Stabilität für die Schritte vor dem Thermokompressions Bonden, da die Cu-Oberfläche mit Pd und Au abgedeckt ist. Löten PallaBond ist eine ausgezeichnete Lötoberfläche für SMD, Wellenlöten und Dampfphasenlöten. Der sogenannte Blackpad-Fehler kann nicht auftreten, da die Lötverbindung mit dem Lot und dem Kupfer-Pad und nicht mit einer Nickelschicht wie bei ENIG und ENEPIG gebildet wird. Mikrostrukturen können wegen der sehr dünnen Schicht von max. 300 nm realisiert werden (Gesamtdicke von Pd und Au). Endoberflächen wie ENIG, ENEPIG und elektrolytisches Nickel/Gold zeigen eine Gesamtschichtdicke von nm. Abb. 8: Direkt Palladium auf Kupfer mit einer Pad zu Pad Distanz von 15 µm Abb. 9: Elektrolytisch Pd, autokatalytisch Au auf Kupfer mit einer Pad zu Pad Distanz von 15 µm Hochfrequenz Applikationen Die Nickelfreiheit der PallaBond Schicht führt zu einem exzellenten Einsatz in der Hochfrequenztechik. Der sogenannte Skin-Effekt kann auf EPAG im Vergleich zu ENIG und ENEPIG nicht mehr auftreten. Je höher die Frequenz umso mehr Elektronen wandern zur Oberfläche (skin) des elektrischen Leiters. Aufgund der Materialeigenschaften von Nickel (schlechte Leitfähigkeit) tritt der Skin-Effekt dort stärker auf als auf einem reinen Kupferleiter. PallaBond zeigt, aufgrund der sehr geringen Gesamtschichtdicke, einen großen Vorteil gegenüber ENIG und ENEPIG auf. Auch bei höheren Frequenzen findet die Transmission des Signals im Kupferleiter statt und nicht in der Nickelschicht. Dieser Vorteil ist wichtig bei Frequenzen die höher als 3 GHz sind. Seite 6 von 11, V2.01_150323

7 ENEPIG nm Ni; 150 nm; Pd; 80 nm Au EPAG nm Pd; 100 nm Au Eindringtiefe bei 10 GHz Endoberflächeflächen Endober- 20µm Dicke Dicke nm < 200 nm 20 µm Kupfer Nickel Palladium Gold Frequenz Eindringtiefe für Kupfer (µm) Eindringtiefe für Nickel (µm) 60 Hz ,7 10 khz ,7 100 khz ,0 1 MHz 65 5,4 10 MHz 21 1,7 100 MHz 6,5 0,54 10 GHz 0,65 0,054 Abb. 10: Schematische Beschreibung des Skin-Effekts im Vergleich ENEPIG und EP/EPAG [5] Untersuchung der Einfügedämpfung: Als Einfügedämpfung wird die Abschwächung eines Signals durch ein Bauteil bezeichnet. Zur Untersuchung der frequenzabhängigen Dämpfungen von Endoberflächen wurden verschiedene Schichtsysteme durch die Firma Polar Instruments Ltd. untersucht. Dabei wurden Testleiterplatten nach Vorgaben der Firma Polar erstellt und mit heute üblichen Schichtsystemen- und Dicken beschichtet. Als Referenz dient hier eine unbeschichtete Cu- Leiterbahn. Schichtdicke [µm] Oberfläche * hoher Phosphorgehalt Ag Sn NiP Pd Au iag (chemisch Silber) 0,2 / / / / EP / / / 0,1 / EP EPAG / / / 0,1 0,1 isn (chemisch Zinn) / 1,1 / / / ENIG (HP)* / / 4,2 / 0,04 ENEPIG / / 7,0 0,05 0,07 Abb. 11: Design der Test-LPs Seite 7 von 11, V2.01_150323

8 Die Einfügedämpfung (db Verlust pro Zoll) wurde mit 4 GHz gemessen. Bei 4 GHz, db Verlust pro Zoll (25,4 mm) Abb. 12: Einfügedämpfungsmessung Da Silber der beste elektrische Leiter ist, war zu erwarten dass die Dämpfung hierbei am geringsten ist. Ähnlich gut wie Silber verhalten sich EP und Cu bei der Messung der Einfügedämpfung. Für EPAG und isn konnten leicht höhere Dämpfungsverluste festgestellt werden. Nickelhaltige Endoberflächen zeigen bei 4 GHz die größte Dämpfung des Signals. Nickel ist somit für höhere Frequenzen schlecht geeignet. Ein zusätzlicher, unabhängiger Test mit verschiedenen Endoberflächen wurde im Frequenzbereich von 0 GHz bis 67 GHz durchgeführt. Verwendete Endoberflächen waren ENEPIG, EPAG und chemisch Silber. Schichtdicke [µm] Ag Ni Pd Au Oberfläche iag (chemisch Silber) 1,0 / / / EPAG / / 0,1 0,07 ENEPIG / 5-8 0,2 0,07 Algorithmischer Algorithmic loss of Verlust the input der signals (no Eingangssignale absolut value) (kein Absolutwert) loss (db) Reflection Reflexion of der the Eingangssignale input signals Frequenz (GHz) Abb. 13: Vergleich von verschiedenen Endoberflächen bei Hochfrequenz Hierbei wurde ebenfalls die Dämpfung des Eingangsignals ermittelt. Die EPAG Oberfläche zeigt gleich gute Resultate wie chemisch Silber. ENEPIG zeigt schlechte Resultate bei hohen Frequenzen. Dieses Ergebnis entspricht den Testresultaten der Firma Polar. Seite 8 von 11, V2.01_150323

9 Keramische Elektronik PallaBond kann ebenfalls auf keramischen Substraten aufgebracht werden. Vorraussetzung ist eine elektrisch leitende Kupferoberfläche. Keramische Substrate werden zum Beispiel in der Hochfrequenztechnik oder auch für Hochtemperatur-Anwendungen eingesetzt (z.b. Motorsteuergeräte). Feinleiter Anwendungen Die Gesamtschichtdicke von 150 nm bis max. 300 nm von PallaBond bietet die Möglichkeit Feinleiter auf LPs zu beschichten. Im Vergleich zu anderen Endoberflächen tritt kein plating am Grundmaterial auf. 30 µm PallaBond 29.8 µm nm Pd 100 nm Au Copper Nickel Palladium ENIG 15.8 µm nm Ni 100 nm Au Gold ENEPIG 15.5 µm nm Ni 150 nm Pd 100 nm Au Abb. 14: PallaBond Beschichtung im Vergleich zu ENIG und ENEPIG [2] Abb. 15: EPAG L/S <15 µm; keine übermäßige Beschichtung auf Basismaterial Abb. 16: ENEPIG L/S <15 µm; ausgeprägt übermäßige Beschichtung auf Basismaterial Seite 9 von 11, V2.01_150323

10 Chronoamperometrie Porositätstest: Die Chronoamperometrie ist eine elektrochemische Testmethode. Hierbei wurde sie verwendet um die Porosität von Edelmetallschichten (hier Pd) auf weniger edler Basis (hier Cu) zu messen. Ein schwaches Signal deutet auf geringe Porosität hin. Die Tests wurden mit unterschiedlichen Schichtstärken der Palladiumschicht durchgeführt. Analysenparameter: Elektrolyt Ansatz: Temperatur: verdünnte Schwefelsäure, 5 Vol-% Raumtemperatur Gerät: Potentiostat / Galvanostat, Model 263 A-2 Messbereich: Messspannung: Messzeit: 0,785 cm2 0,2 V 600 s Die Testergebnisse zeigen schon bei einer Palladium-Schichtdicke von 60 nm einen geringen messbaren Strom, was auf eine geringe Porosität der Schicht schließt. Dickere Schichten zeigen noch geringere Werte (siehe Abb. 17). Ab 100 nm konnte keine Veränderung des gemessenen Stroms mit zunehmender Schichtstärke festgestellt werden. Damit Palladium als Diffusionsbarriere dient sollte eine Schichtstärke von 100 nm Palladium gewählt werden. Abb. 17: schematische Grafik vom Testaufbau Abb. 18: Porositätstest Ergebnisse Was sind die Vorteile des PallaBond Prozess? Der PallaBond Prozess hat eine Menge Vorteile die unten aufgeführt sind. Sie werden in technologische, ökologische und wirtschaftliche Vorteile aufgeteilt. Technologische Vorteile Riesige Vorteile in der Hochfrequenztechnik durch nickelfreie Endoberfläche Feinleiter-Anwendungen möglich durch max. Gesamtschichtdicke von <300 nm Seite 10 von 11, V2.01_150323

11 Ökologische Vorteile Wirtschaftliche Vorteile Größere Auswahl an Drahtbonds durch reine Palladiumschichten Reines Kupfer-Bonden ist möglich sowie mit Ag-, Au- und Aluminium Draht Sehr gute Lötergebnisse für Bleifrei und eutektisches Löten Sehr gute Kompatibilität mit neuen Materialen durch niedrige Temperaturen und kurze Expositionszeiten Gute Biegeeigenschaften für flexible LPs Für Einpresstechnik-Anwendung geeignet Kein Nickel Abfall Weitere Informationen Reine Palladium-Schichten (ohne Gold) beinhalten keine giftigen und umweltschädlichen Chemikalien Wasser-Einsparung aufgrund einfacherer und kürzerer Prozesse Energie-Einsparung durch niedrigere Prozesstemperaturen Sehr viel günstiger im Vergleich zum Gold-Druckpastenverfahren auf keramischen Bauteilen Reine Palladium Schichten können für low-cost Drahtbond-Anwendungen wie LED angewandt werden (ohne Goldpreis) Höherer Ertrag durch ausgezeichnete FineLine Fähigkeit PallaBond ist eine neue multifunktionale Endoberfläche und noch immer in der Entwicklung. Momentan gibt es noch keine Langzeiterfahrung für dieses Produkt. Für weitere Informationen, sowie Anfragen zur Musterplattenbeschichtung wenden Sie sich bitte an Frau Nadine Schmidt. APL Oberflächentechnik GmbH Frau Nadine Schmidt Im Entenbad 17 D Lörrach Hauingen Tel.: +49 (0) 7621 / Fax.: +49 (0) 7621 / ns@apl-ssc.com web: Quellen [1] Atotech: [2] Atotech Direct EP/EPAG Surface Finish PallaBond Jan 2014, MO [3] Atotech: Summary Benefits of PallaBond Process, Apr 2012 [4] Prismark Partners LLC, Cu Wire Bond Market Data [5] Atotech: PallaBond Direct Palladium with Direct Gold on Copper A revolutionary new Surface Finish Feb 2013 [6] Seite 11 von 11, V2.01_150323