ITG-Positionspapier Kfz-Anforderungen an Elektronik-Bauelemente

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1 ITG-Positionspapier Kfz-Anforderungen an Elektronik-Bauelemente Neue Herausforderungen für die Halbleiterindustrie

2 Der VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik ist mit Mitgliedern, davon Unternehmen, einer der großen technisch-wissenschaftlichen Verbände Europas. Sein Spektrum umfasst Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik und die darauf aufbauenden Technologien. Wichtige Tätigkeitsfelder sind die Forschungs- und Nachwuchsförderung, der Technikwissenstransfer und die Förderung von Sicherheit und Fortschritt im Bereich dieser Schlüsseltechnologien. Die Informationstechnische Gesellschaft im VDE (ITG) mit Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik wurde im April 1954 gegründet. Die ITG engagiert sich für die Förderung der Informationstechnik, ihrer Anwendungen und für den technisch-wissenschaftlichen Nachwuchs. Das fachliche Spektrum reicht von Elektronischen Medien über Dienste und Anwendungen bis zu Technischer Informatik, Mikroelektronik, Hochfrequenztechnik und Mobilfunk. Impressum VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. Stresemannallee Frankfurt / M. Tel.: Fax: service@vde.com Gestaltung: KELLERMANN GRAPHIK DESIGN Bild Titelseite: Siemens

3 Inhaltsverzeichnis 1. Kfz Applikationen 4 2. Anforderungen an die Kfz Elektronik Temperatur und Betriebsdauer ESD 9 3. Aktive Bauelemente Stand der Technik Dominante Ausfallmechanismen Bauelementegehäuse Vermeidung schädlicher Substanzen, green Products Umweltverträgliche Produkte Verarbeitbarkeit elektronischer Komponenten Pb-freie Bauteilanschlüsse und Gehäuse MSL/PPT Whisker Wachstum Bleifreies Löten Mischbestückung beim Übergang zu bleifreien Prozessen Warpage oder Verformung von Bauteilen Zuverlässigkeit typischer Lötverbindungen Start von bleifrei Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnik Qualitätssicherung Qualität heute Der Standard AEC-Q100-REV-F Grundlage Struktur des AEC-Q Einschränkungen Qualität morgen Entwicklungs- und Qualitätsplanung / APQP Phasen und Grundsätze des APQP Qualifizierungsstrategie Anwendungsprofil des Fahrzeugs Testtechnologie Statistik, Verwendung generischer Daten AEC-Q100 Revision Passive Bauelemente Ausblick Literaturverzeichnis Mitglieder der Fachgruppe 35 3

4 1. Kfz Applikationen Die Kfz-Elektronik besitzt ein großes wirtschaftliches Potenzial in Deutschland und Europa. Die Innovationstreiber des Marktes und von Seiten der Gesetzgebung sind Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen sowie steigende Sicherheit und steigender Komfort. Gleichzeitig wird vom Fahrzeug eine Integration in fortschrittliche Transportsysteme gewünscht, die den Schutz der Umwelt erhöhen. Elektronik besitzt eine Schlüsselstellung in der Kfz Wirtschaft, weil über 80% der Innovationen durch Elektronik geprägt oder überhaupt erst ermöglicht werden. Die weltweite Automobilproduktion liegt bei ca. 55 Millionen Fahrzeugen, die einen durchschnittlichen Elektronikanteil von 20% des Produktionswertes mit einer Wachstumsrate von ca. 15% besitzen. In heutigen Fahrzeugen der Oberklasse finden sich ca. 70 elektronische Steuergeräte. Gesetzliche Auflagen Effizienz Umweltfreundlichkeit Kundenforderungen Sicherheit Komfort Produktionskosten Testbarkeit Steigende Funktionalitäten Höhere Integrationsdichte Mechatronik Blei- und halogenfreie Elektronik Tabelle 1-1: Treibende Kräfte für die Kfz Elektronik Begrenzung von Gewicht und Bauraum, zusammen mit der Optimierung des Verkabelungsaufwandes fordern dabei eine immer weitergehende Integration von Funktionen und damit steigende Verlustleistungsdichten. Dies ist besonders herausfordernd im Hinblick auf Kostenreduktion bei kleinen Fahrzeugen. Wegen der Knappheit des zur Verfügung stehenden Bauraumes und des Bedarfs an direkten mechatronischen Steuerungen wird Elektronik zunehmend in rauhen Umgebungen (steigende Temperaturen, starke Vibrationen) eingesetzt werden [1-3]. Applikationen, die den Einsatz von Hochtemperaturelektronik benötigen, ergeben sich entweder aus der Notwendigkeit, Elektronik vor Ort zu plazieren, oder aus der zunehmenden Leistungsdichte (kompakte Bauweise bzw. hoher Leistungsbedarf). Die damit verbundenen technischen Herausforderungen bezüglich Materialien und Aufbautechnik wurden bereits in [4] ausführlich beschrieben. Beispiele für vor Ort Anwendungen sind: Elektronische Motor- und Getriebesteuerungen als Anbaugeräte Elektronisch geregelter Abgasturbolader Elektronisch geregelter Ventiltrieb beim Verbrennungsmotor Ansteuerung von Einspritzventilen Elektrische Katalysatorheizung Elektronisch geregelte Abgasrückführung beim Dieselmotor Elektronische Bremsregelung (EPS, SBC) Elektronik im Dachhimmel Lichtmaschinen-Regler 4

5 Hoher Leistungsbedarf steht insbesondere bei folgenden Anwendungen im Fokus: Integrierter Starter-Generator (Realisierung von Start-Stop Funktion, Bremsenergie-Rückgewinnung, Booster zur Unterstützung beim Beschleunigen) X-by-wire Funktionen (elektrische Bremse, elektrische Lenkung etc.) Hybridfahrzeuge (Kombination von Verbrennungsmotor und Elektroantrieb) 2. Anforderungen an die Kfz Elektronik 2.1 Temperatur und Betriebsdauer Typische Anforderungen, die sich an die Elektronik für derartige Anwendungen ergeben, sind in Tabelle 2-1 angegeben. Neben steigenden maximalen Betriebstemperaturen werden für mechatronische Systeme auch längere Betriebsdauern bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit gefordert. Motorsteuerung heute: Temperatur (Umgebung) 105 C Zukunft: ca. 125 C ca g Getriebesteuerung heute: Temperaturanforderungen (Umgebung) 125 C Dauer 140 C < 100 Stunden Zukunft: bis ca. 160 C Starter-Generator Zukunft: Maximaler Strom bei Kaltstart: 400A Kühlwassertemperatur 105 C Dauer 128 C kurzzeitig Tabelle 2-1: Typische Anforderungen an Kfz Elektronik im Powertrain nach [2] Die Extremtemperaturen, denen eine elektronische Komponente ausgesetzt wird, werden im Wesentlichen durch die Temperatur des Einbauortes und die eigene Verlustwärme bestimmt. Auf Basis zahlreicher Messreihen wurden beispielsweise in der Norm SAE J1211 Maximal- und Minimalwerte für unterschiedliche Bauräume im Kfz festgelegt (siehe Tabelle 2-2). Dadurch wurde erreicht, Bedingungen für bestimmte Einbauorte einfacher zu spezifizieren. Hohe Temperaturen, die den Einsatz von kommerziellen elektronischen Bauelementen begrenzen, treten insbesondere im Motorraum und am Triebstrang auf. Die Extremwerte werden in der Regel nur in einem Bruchteil der Betriebsdauer erreicht werden, sie werden üblicherweise für 5 bis 10% der Betriebsdauer gefordert. Die heute geforderten Betriebsdauern von Pkw liegen im Bereich von 6000 bis Stunden, je nach Hersteller und Modell. 5

6 Bauraum Temperatur Min. Max. Motorraum Drosselklappe -40 C 204 C Ansaugrohr -40 C 121 C Spritzwand -40 C 141 C Fahrwerk Isolierte Bereiche -40 C 84 C An Wärmequellen -40 C 121 C Am Triebstrang -40 C 177 C Außenbereich Beliebig -40 C 113 C Innenraum Armaturenbrett -40 C 84 C Dachhimmel -40 C 113 C Kofferraum Beliebig -40 C 84 C Tabelle 2-2: Extremtemperaturen klassifiziert nach Einbauräumen gemäß SAE Standard J1211 Für die Auslegung einer zuverlässigen elektronischen oder mechatronischen Komponente ist es wichtig, die Betriebsbedingungen genauer zu kennen, um die möglichen Alterungs- und Ausfalleffekte berücksichtigen zu können. Neben den Extremtemperaturen des Bauraumes sind dies hauptsächlich die Temperaturbereiche und deren Zeitdauern im Betrieb ( Mission Profile ), die Anzahl und Höhe der Temperaturwechsel, thermische Gradienten und Kühlmöglichkeiten, aber auch mechanische Belastungen, Vorkommen chemischer Substanzen, Feuchte und Staub. In Tabelle 2-3 sind typische Werte als Anforderungen an ein integriertes Starter-Generator System zusammengestellt, als Beispiel für ein am Motor angebautes mechatronisches System, das besonderen Belastungen ausgesetzt ist. Tabelle 2-3: Typische Anforderungen an ein Starter-Generator System 6

7 Bauraum Klassifizierung Umgebungstemperaturbereich Motorraum Auf dem Motor / Getriebe heute -40 bis 125 C -40 bis 140 C Vibration bis 3g bis 30g bis 30g Auf dem Motor / Getriebe zukünftig -40 bis 150 C Schock bis 20g bis 100g bis 100g Operating life bis Stunden Standby time bis Stunden Tabelle 2-4: Verallgemeinerte Spezifikation von Einsatzbedingungen für Automobilelektronik nach [1] Tabelle 2-4 zeigt verallgemeinerte Spezifikationen für die Automobilelektronik. Sie verdeutlicht, dass für elektronische Steuerungen Umgebungstemperaturen bis 140 C bereits gefordert werden, Tendenz steigend. Tab. 2-5: Temperaturanforderungen für Anbausteuergeräte heute und zukünftig (Quelle: MEDEA+ Projekt HOTCAR [5]) In Tab. 2-5 sind die Temperaturlimits zusammengestellt, die im MEDEA+ Projekt T124 (HOTCAR) für künftige Automobilanwendungen an Motor oder Getriebe erarbeitet wurden [5]. Um die Bedingungen für elektronische Bauelemente abzuleiten, muss der Aufbau der Steuergeräte berücksichtigt werden. Abbildung 2-1 zeigt schematisch die Temperaturen in einem elektronischen Steuergerät. Die Temperatur der Umgebungsluft bzw. des Kühlmediums bestimmt die Temperatur der Grundplatte/Wärmesenke. In der Regel liegt die Temperatur der Leiterplatte ca. 10K höher, die Bauelementetemperatur (Sperrschicht-Temperatur) wird durch deren Verlustleistung und den Wärmewiderstand (Einheit in K/W) zur Wärmesenke festgelegt. Für Mikrocontroller ergeben sich auf diese Weise 165 C, bei Leistungshalbleitern werden bis zu 200 C erwartet. 7

8 Abb. 2-1: Temperaturen in einem elektronischen Steuergerät, schematisch Da ein zusätzlicher Bedarf für konkrete dynamische Belastungsmessungen innerhalb von existierenden Steuergeräten besteht, um Überdimensionierungen zu vermeiden, wurden detaillierte Testmessungen von Temperaturprofilen in einem Versuchsfahrzeug ermittelt. Daraus konnten hypothetische Temperaturverläufe von elektronischen Bauteilen in künftigen rauhen Umgebungen abgeleitet werden (Abb. 2-2). Dabei wurde die Annahme getroffen, dass die Eigenerwärmung in einem Anbau-Steuergerät am Getriebe genau so hoch ist wie in einem heutigen Steuergerät. Abb.2-2: Temperaturverlauf eines Power ICs der Getriebesteuerung während eines eintägigen Fahrzyklus (Gehäusetemperatur): a) in der Elektronik-Box, b) für den Fall des Einbauortes am Starter Zur statistischen Absicherung waren Messungen unter verschiedenen Fahrbedingungen nötig. Abb. 2-3 zeigt die Auswertung hinsichtlich der mittleren und maximalen Temperaturwerte. Die mittleren Temperaturen im Betrieb steigen etwa linear mit der Außentemperatur an, während die Maximalwerte bei niedrigen Temperaturen auch schon recht hoch werden können. Insbesondere die häufigen Temperaturwechsel in der Kfz Anwendung bilden eine besondere Belastung. Für das in Abb.2-2b gezeigte Temperaturprofil ergibt sich eine ca. 10-fach höhere Belastung der Lötstellen durch Temperaturwechsel, wenn das Steuergerät von der Elektronik-Box direkt an den Motor (Starter) umgesetzt wird. 8

9 Abb. 2-3: Voraussichtliche Temperaturbelastung von Getriebeelektronik, Beispiel Gehäusetemperatur eines Power-ICs 2.2 ESD ESD (Electrostatic Discharge) kann elektronische Bauelemente schädigen oder zerstören. Insbesondere die Gateoxide von MOS gesteuerten Bauelementen sind gegen Spannungsspitzen sehr empfindlich. Die Eingangspins integrierter Schaltkreise werden daher mit ESD Schutzstrukturen geschützt, die über einen niederohmigen Pfad ungewünschte Aufladungen abführen sollen. Zur Absicherung von ESD gibt es verschiedene Tests, die reale Situationen nachbilden. Abb. 2-4: Testschaltungen nach dem Human Body Modell HBM (a) und dem Machine Modell MM (b) [43] 9

10 Abb. 2-5: Testschaltung nach dem Charged Device Model CDM [43] Bei der Montage von Kraftfahrzeugen kann es vorkommen, dass sich elektrostatische Aufladungen gebildet haben, wenn ein Steuergerät eingebaut und mit dem Stecker an den Kabelsatz des Fahrzeuges angeschlossen wird. In ungünstigen Fällen kann dies dazu führen, dass sich die Baugruppe über einen einzelnen Steckkontakt (einen einzelnen Bauelementepin) entlädt. Diese Situation ist in Abb. 2-6 dargestellt. Sie wird mit den Standardtests nicht nachgebildet. In Erweiterung der ESD Modelle wurde daher das Charged Board Modell vorgeschlagen (Abb. 2-7). Dies konnte sich aber nicht als allgemeiner Standard durchsetzen. Abb. 2-6: Elektrostatische Entladung einer Baugruppe Abb.2-7: Darstellung des Charged Board Modells Dieses Modell sollte weiterentwickelt werden, da es die spezielle Gefahr bei der Montage von Baugruppen mit Bus-Anschlüssen darstellt; auf Grund der nötigen Flankensteilheiten bei Bus- Signalen können die Bus-Anschlüsse von IC s nur bedingt durch äussere Beschaltung vor ESD geschützt werden. Hier besteht eine signifikante Diskrepanz zwischen dem ESD-Test an Baugruppen mit 15kV und der ESD-Festigkeit von IC s mit 2 oder 4kV. 10

11 3. Aktive Bauelemente 3.1 Stand der Technik Aktive Halbleiterbauelemente für hohe Umgebungstemperaturbereiche gewinnen in Automobilanwendungen immer mehr an Bedeutung. Hierbei werden seitens der OEM und Tier1 vor allem hochtemperaturfeste Flash-Speicher, Hochleistungsmikrokontroller sowie Smart-Power-Bauelemente gefordert. Derzeit existierende Silizium-Halbleiterbauelemente für Automobilanwendungen sind für Temperaturen auf der Halbleiteroberfläche von 150 C (Mikrokontroller) bzw. 175 C (Power Devices) qualifiziert und freigegeben. Junction-Temperaturen von größer 150 C (Mikrokontroller) bzw. 175 C (Power Devices) werden zunehmend seitens der Automobilzulieferindustrie genannt (siehe Tabelle 2-5). Um gleichzeitig das geforderte 0-Fehler -Qualitätsziel zu erreichen, muß der Bauelementehersteller grundlegend neue Wege beschreiten, um die aktuell auf dem Markt verfügbaren Halbleiter den neuen Anforderungen anzupassen: Entwicklung neuer Bauelemente-Designs für die neuen Temperaturbereiche, neue elektrische Bauelement-Testkonzepte, angepaßte Wafertechnologieund Produktqualifikationsstrategien, neue Halbleitergehäusekonzepte [6,7]. Flash-Speicher für den Automotivemarkt sind bezüglich Datenhaltung (Data-Retention) sowie ihrer möglichen Schreib- und Lesezyklen (Data Write/Erase-Endurance) bei Chiptemperaturen von 150 C limitiert. Eine Erhöhung der Arbeitstemperatur bringt vor allem Probleme hinsichtlich der Speicherinhalterkennung mit sich, da Schwellspannungsverschiebungen sowie Leckstromerhöhungen in der Speicherzelle auftreten. Neue Konzepte für die Flash-Zellen sind daher notwendig. Weiterhin sind die Forderungen der OEMs hinsichtlich Produktlebensdauern von mindestens Betriebsstunden für den erhöhten Temperatureinsatzbereich zu erfüllen. Die Forderung der Sicherstellung der Verfügbarkeit von Halbleiterbauelementen über die Lebenszeit des Automobils bleibt ebenfalls unverändert. Neben der Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie für höhere Temperatureinsatzbereiche ist der zunehmende Einsatz der SOI-Technologie (Silicon-On-Insulator, [8]) unter bestimmten Voraussetzungen ein möglicher Weg. Auf dem Markt existieren bereits ICs in SOI-Technologie, die heute bereits in der Luftfahrtindustrie für Umgebungstemperaturen von max. 225 C angewendet werden [9]. Halbleiterbauelemente, die für Industrie- und Konsumeranwendungen entwickelt worden sind, sind für Hochtemperaturanwendungen ungeeignet. Deren elektrische Parameter sind designtechnisch nicht für die oben genannten Hochtemperaturanwendungen in der Automobilindustrie spezifiziert. Der Unterschied Automotive und Katalog/Consumer IC s wird in Zukunft noch deutlicher werden. Automotive Produkte wird es wohl kaum zu Katalogpreisen geben aufgrund der höheren Anforderungen, die für Consumer Produkte nicht benötigt werden. Die Qualifizierungskosten für Automotive sind nicht unerheblich, und wenn ein spezielles Halbleiterdesign oder Halbleiterpro- 11

12 zess für Automotive benötigt wird, wird es relativ schnell teuer (geringere Stückzahlen, da man ja nicht in alle der 55 Millionen Autos jährlich das gleiche Produkt einbaut und es auch Mitbewerber gibt). Als Risiko muss man Bestrebungen bezeichnen, aus Kostengründen im Automobil auch immer mehr Consumer oder sagen wir besser Katalogprodukte zu verwenden. Die Gehäuseminiaturisierung in naher Zukunft wird über BGA und QFN packages mit 0.5 oder 0.4mm Pitch verlaufen, beide sind vermutlich zumindest in den rauheren Automotive Umfeldern nicht so ohne weiteres einsetzbar, wo aufgrund der thermischen Zyklen und Schwingungsbelastung bedrahtete Bauteile wohl besser sind. PQFN /QFN ist ein oberflächenmontierbares Kunststoffgehäuse mit Anschlüssen an der Unterseite des Gehäuses. PQFN-Gehäuse haben je nach Typ ein oder mehrere exponierte Die- Träger zur besseren Wärmeableitung. In ein Gehäuse können mehrere Dice unterschiedlicher Funktion und Technologie montiert werden, zum Beispiel Leistungstransistoren und Ansteuer- ICs. Kaum größer als Bare Dice können sie durch den Halbleiterhersteller voll getestet werden; sie sind verwendbar auf allen heute üblichen Schaltungsträgern. PQFNs sind speziell für die hohen Leistungsanforderungen in automobilen, industriellen und kommerziellen Anforderungen entwickelt. Die Standardtechnologie, abgeleitet von der heutigen Standardtechnologie für plastikgehäuste Bauelemente, erlaubt eine schnelle und kostengünstige Realisierung von Varianten bei Kostenneutralität gegenüber anderen heutigen Gehäusetechnologien. Die Technologie der QFNs breitet sich momentan sehr stark aus, weil sie einen zukunftsorientierten Standard mit hoher Eignung für das Kraftfahrzeug darstellt. Langfristig zeichnen sich auf Grund der weiteren Miniaturisierung Chip Size Packages und Technologien zur 3-dimensionalen Integration ab. 3.2 Dominante Ausfallmechanismen Wenn man die gegenwärtig eingesetzten Qualifizierungstests für Automobil Elektronik auf den unterschiedlichen Systemebenen unter Berücksichtigung der jeweiligen Verantwortlichkeiten analysiert, ergibt sich, dass jede dieser Ebenen getrennt betrachtet werden muss. Die zu erwartenden dominanten Ausfallmechanismen und erforderliche Testdauern für verschiedene Systemebenen im Kfz sind in Tab. 3-1 zusammengestellt. Ausgehend von den gängigen Lebensdauermodellen (Arrhenius bzw. Coffin-Manson) werden unter der Annahme von 6000 Betriebsstunden und Startvorgängen folgende Anforderungen für Kfz Steuergeräte abgeleitet: 12

13 Tabelle 3-1: Dominante Ausfallmechanismen und erforderliche Testdauern für verschiedene Systemebenen im Kfz. 3.3 Bauelementegehäuse Unter den in der Praxis wirksamen Stressarten stellt der Lötprozeß als Kombination von Temperaturschock und Feuchteeinfluss die härteste, aber unvermeidliche Beanspruchung des Bauelements dar. Diese Tatsache schlägt sich in der entsprechenden Normung deutlich nieder. So stieg etwa die Überarbeitungshäufigkeit des einschlägigen IPC/JEDEC Standards [10] während der letzten Jahre beträchtlich: nach einer ersten Überarbeitung im Jahr 2002 [11] folgten bis 2004 noch zwei weitere [12,13]. In dieser Aktivität schlägt sich vor allem die durch die Bleifreiheit des Lotes bedingte Erhöhung der Löttemperatur nieder. Grundsätzlich steht der Löter vor zwei Herausforderungen: Zum einen ist dies die Forderung nach einer definierten Temperatur über einer durch unvorhersehbare thermische Lastverteilung gekennzeichnete Leiterplatte und zum anderen die Abhängigkeit der Empfindlichkeit der Bauelemente von der Form des Lötprofils, also der Änderung der Temperatur T über der Zeit t. Dieser Moisture sensitivity level (MSL) ist in manchen Fällen durch einen Test gemäß aktueller Normung nicht eindeutig bestimmbar. So ergaben sich für Standard-Gehäuse wie MQFP und TSSOP unterschiedliche MSLs je nach Dauer der Lötprozedur [14]; dabei ist die Abhängigkeit der Lötempfindlichkeit von der Stressdauer für die beiden Gehäuse gegenläufig, was einen erfolgreichen Lötprozeß zusätzlich erschwert. In dieser Situation wird man ohne eine detaillierte Analyse des Lötprozesses [15] und eine systematische Verbesserung der Lötbarkeit der Bauelemente [16] nicht weiterkommen. 13

14 3.4 Vermeidung schädlicher Substanzen, green Products Mit den Vorgaben der WEEE [17] samt RoHS [18] und ELV [19] ist auch die Halbleiterindustrie gefordert, ihren Beitrag zur Verbesserung und Erhalt der Umwelt zu leisten, indem nicht nur in den eigenen Fertigungen grün, d.h. umweltgerecht produziert wird, sondern insbesondere auch die zur Auslieferung gelangenden Produkte den gesetzlichen Ansprüchen und die der Verbraucher unter Berücksichtigung des technisch und wirtschaftlich Machbaren entsprechen. Neben den EU Direktiven gibt es auch Marketing Interessen und technische Belange, womit sich vielfach alles auf Pb-frei fokussiert. Neben der Entwicklung und Einführung alternativer, d.h. Pb-freier Bauteilanschlüsse sind besonders Anstrengungen vonnöten, die Komponenten für die Verarbeitung temperaturfester zu machen, da Pb-freie Lötprozesse bei höheren Temperaturen ablaufen, als man von SnPb Lötstraßen gewohnt ist. Somit muß diesen umweltgerechten Bauteilen neben der Vermeidung verbotener Substanzen auch von vorn herein eine erhöhte Lötwärmebeständigkeit ( RaSH = Resistance against Soldering Heat) seitens der Bauelementehersteller mit auf den Weg durch die Fertigungen in die Märkte und zum Endverbraucher mitgegeben werden Umweltverträgliche Produkte Durch die Legislative angestoßen gilt es, Stoffe wie Pb, Cd, Hg, Cr-VI und auch Polybromierte Biphenyle (PBB) sowie Polybromierte Diphenyl-Ether (PBDE) nicht mehr im Herstellungsprozess neuer Produkte anzuwenden. Für die Halbleiterindustrie bedeutet das im Wesentlichen, Pb aus dem Lot, sowie Br (und vorsorglich schon Sb) aus Vergussmassen und Leiterplattenmaterialien und von letzteren auch Glykoläther aus dem Lötstopplack zu eliminieren. Als Ersatz kommen nun vielfach neue Stoffe und Prozesse auch wegen der höheren Temperaturen bei der Verarbeitung des Lötens auf Leiterplatten zum Einsatz. Mit den dann insgesamt hochwertigeren Produkten eröffnet sich weiterer Nutzen für bislang sehr eingeschränkte Hochtemperaturanwendungen von Plastik-komponenten. Die Umstellung auf Pb- und Halogen-freie Fertigungen ist eine Herausforderung für Produzenten und Anwender von Halbleiterbauelementen. Technisch sind Lösungen erarbeitet worden, wobei sich bauteileseits neben bereits eingeführtem NiPdAu (NiPd) nun rein Sn für Lotoberflächen bedrahteter Komponenten und SnAgCu Lotkugeln für Ball Grid Arrays behaupten. Die gute Lötbarkeit dieser Bauteilanschlüsse ist sowohl mit SnPb als auch SnAgCu Loten gegeben. Das Löten der Bauteile auf Leiterplatten bedarf sorgfältiger Beachtung der Verarbeitbarkeit, die durch die Kombination zweier Bauteileigenschaften, nämlich der Feuchteempfindlichkeit (MSL = Moisture Sensitivity Level) und der maximal spezifizierten Gehäusetemperatur (PPT = Package Peak Temperature) gemäß dem J-STD-020 [20] beim Lötprozess gegeben ist. Die Einführung neuer Vergussmassen ist vielfach unumgänglich, um die zuverlässige Verarbeitbarkeit von Plastikbauteilen zu gewährleisten. Dabei werden Halogen- und Sb-freie Biphenyl Epoxid Harze mit Metallhydraten und oxiden oder Multi-Aromaten als Flammhemmer zum Einsatz kommen. 14

15 Die für die Einführung bleifreier Produkte zu klärenden Aspekte sind: Überprüfung der derzeitig qualifizierten Bauteile und Materialkombinationen, inwieweit diese bei den auftretenden höheren Gehäusetemperaturen (245 C C gegenüber früher 225 C C) in der Oberflächenmontage weiterhin so verwendet werden können oder ob und welche Änderungen am Prozess oder an Materialien vorgenommen werden müssen Entwicklung und Einführung robuster Pb-freier Lotoberflächen bei bedrahteten Bauelementen aus eigenen Fertigungslinien und auch aus Vertragsfirmen Qualifikation und Anwendung Pb-freier Lotkugeln fuer Ball Grid Array Bauelemente Entwicklung und Einführung Pb-freier Lotkugeln bei Flip-Chip Bauteilen Untersuchung, Qualifikation Halogen-freier Vergussmassen und organischer Substrate Einsatz Pb-freier Anschlüsse und geeigneter Gehäusematerialien und Techniken für die Verarbeitung neuer Produkte bei den erhöhten Temperaturen Pb-freier Leiterplattenlötprozesse Das komplexe Scenario der Umstellung vom herkömmlichen Bauteilangebot zum umweltfreundlichen Portfolio an Halbeiterbauelementen und der aus den legislativen Vorgaben resultierenden technischen Erfordernisse ist in Abb. 3-1 dargestellt. Abb. 3-1: Die Legislative erfordert über Pb-frei hinausgehende technische Änderungen. Freescale prägte die Terminologie Environmentally Preferred Products (EPP) in Anerkennung der Tatsache, dass RoHS mehr als Pb-frei bedeutet. In der Vielfalt der leider nicht immer eindeutigen Definitionen hat sich auch RoHS-5 oder RoHS 5 of 6 etabliert, was in diesem Zusammenhang bedeutet, dass diese Bauelemente bis auf Pb die Vorgaben der RoHS erfüllen. Weiterhin ist ersichtlich, dass es in der Direktive u.a. eben auch Ausnahmeregeln für Pb gibt. Die Lötwärmebeständigkeit dahingegen ist für Pb-freie Verarbeitung unumgänglich. Derzeit gibt es noch keinen generellen Bann gegen Halogene. Jedoch wird man halogenhaltige Flammhemmer zukünftig vermeiden, womit man u.a. auf Chipebene der trockenen Korrosion sowie auch der Degradation des Gold-Aluminium Bondsystems durch die mögliche Freisetzung von Halogenen aus der Vergussmasse bei Einwirkung erhöhter Temperaturen entgegenwirkt. Neue Plastikmaterialien und ihre Flammhemmer werden insgesamt temperaturstabiler sein Verarbeitbarkeit elektronischer Komponenten Der sich fortwährend entwickelnde JEDEC/IPC Joint Standard J-STD-020 [20] kümmert sich um die Verarbeitbarkeit feuchteempfindlicher Bauelemente bei der Oberflächenmontage unter Wahrung der Gehäuseintegrität beim Lötvorgang. Die bei diesem Arbeitsschritt für die Bauteilzuverlässigkeit relevante Temperatur wird an seiner Oberseite gemessen und ist mittlerweile fachlich als Package Peak Temperature (PPT) festgeschrieben. Sie ist die wichtige Bezugsgröße 15

16 bei der Bestimmung der Feuchteempfindlichkeit (MSL = Moisture Sensitivity Level), womit ausgesagt wird, wie lange die Bauelemente nach Öffnen einer gegebenenfalls vorhandenen Trockenverpackung vor einem Lötvorgang und ohne erneuten Trockenbackens an der Atmosphäre unter Normalbedingungen von 30 C und spezifizierter relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gelagert werden dürfen. Die Richtlinien in Tabelle 3-2 stammen aus dem J-STD-020 und sind auch für die Lagerung und Weiterverarbeitung von teilbestückten Leiterplatten bzw. für Reparatur oder Ablöten defekter Bauelemente zur weiteren Analyse zutreffend und daher sinngemäß anzuwenden. Handhabung von feuchte- oder reflow-sensitiven Bauelementen wird auch im J-STD 033 beschrieben [21]. Tab. 3-2: Beispiele der Klassifizierung von Feuchteempfindlichkeit nach J-STD-020 Die technische Notwendigkeit für diesen MSL/PPT Standard und seiner Befolgung liegt in der grundsätzlichen Eigenschaft von Bauelementen, die von Vergussmassen umhüllt, geklebt, abgedichtet oder unterfüllt sind, dass sich diese Plastikmaterialien über kurz oder lang wie Schwämme mit Wasser sättigen und dadurch unter anderem die Haftung an den Grenzflächen der beteiligten Materialien geschwächt wird. Wenn dann beim Löten die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten dieser Materialien zum Tragen kommen, sich also Materialspannungen aufbauen und letztlich die Adhäsion bzw. auch Kohäsion überschreiten, können dadurch Delaminationen von Grenzflächen und Risse im Gehäuse auftreten, die einerseits zum Sofortausfall der Bauteile z.b. durch Bondabheber oder Bonddrahtscherungen führen, andererseits aber viel unangenehmere Folgen nach sich ziehen können, so dass es eben durch den Verlust an Gehäuseintegrität auch zu latenten Ausfällen kommen kann. Verminderte Wärmeabfuhr durch den geringeren Flächenkontakt von Chip zum Gehäusekörper oder aber das beschleunigte Eindringen von Feuchte und chemisch aktiver Verunreinigungen sind beispielhaft als mögliche Mechanismen zu nennen und leiten hiermit dann spätere Systemausfälle wegen Überhitzung oder Leckströme oder Korrosion ein. Die Schwierigkeit beim Verarbeiten von Bauteilen liegt im nahezu widersprüchlichen Bestreben, dass eine Lötung möglichst heiß und schnell erfolgen soll, dabei aber die Zuverlässigkeit des verarbeiteten Gutes nicht vergessen werden darf, wozu die Komponenten beim Löten möglichst kühl bleiben müssen und nur schonend, d.h. langsam erhitzt werden dürfen. Diese grundsätzliche Problematik tritt nun wieder verstärkt in den Vordergrund, wo die zur Ausbildung guter Lötstellen notwendige, d.h. minimalen Lötstellentemperaturen von Pb-freien SnAgCu Loten (liquidus 221 C 227 C) mit 225 C 240 C wesentlich höher liegen als die der vorher üblichen 16

17 und nah-eutektischen SnPb Lote (liquidus 183 C 210 C) mit einst 205 C-220 C. Zudem muss man sich der Tatsache stellen, dass auf bestückten Leiterplatten die in Bauformen, Materialien und Dimensionen unterschiedlichsten Gehäuse angeordnet sind, man mithin verschiedene Wärmekapazitäten und Wärmeanbindungen vorfindet, was dort insgesamt zu ungleichen Energieverteilungen und damit auch zu verschiedenen Temperaturen führt. Dieses Delta-T auf den Leiterplatten und zugehörige Prozess- oder Ofentoleranzen resultieren in Gehäusetemperaturen von 225 C C bei der konventionellen Verarbeitung mit bleihaltigen Loten und zu 245 C 260 C beim Pb-freien Löten, wo das Prozessfenster auch noch enger ist [21]. Die für die Bestückung der Leiterplatten relevanten Temperaturen sollten Produkt-für-Produkt detailliert bestimmt werden (Abb 3-2), damit gute Ausbeute und zuverlässige Fertigung einhergehen und sich beim Kunden in der Anwendung im Feldeinsatz bewähren. Abb. 3-2: Bei Fertigung zuverlässiger Systeme wird die minimale Lötstellentemperatur erreicht und die maximale Bauteiltemperatur beim Löten der Leiterplatte nicht überschritten. Die veränderte thermische Belastung der Bauteilkörper beim herkömmlichen SnPb Löten gegenüber der anstehenden Pb-freien Verarbeitung zeigt Tabelle 3-3. Diese dem oben genannten J-STD-020 entliehene Zuordnung von maximalen Gehäusetemperaturen an den durch Volumen und Dicke grob beschriebenen Bauteilen gilt als Richtschnur und ist im Zweifelsfall immer durch Messungen an der Bauteiloberseite auf der jeweiligen Leiterplatte im Rahmen der Produktionsvorbereitung zum Löten zu verifizieren. Tab. 3-3: Maximale Gehäusetemperaturen beim Löten oberflächenmontierter Bauteile gemäß J-STD

18 3.4.3 Pb-freie Bauteilanschlüsse und Gehäuse MSL/PPT Für bedrahtete Bauelemente stehen neben den bereits in vielfacher Anwendung befindlichen NiPdAu (NiPd) Oberflächen auch Mattzinn, d.h. 100% Sn zur Verfügung. Die Benetzungseigenschaften [23] dieser beiden Pb-freien Oberflächen sind SnPb unterlegen, genügen jedoch den Ansprüchen beim Löten von Leiterplatten. NiPdAu (NiPd) bleibt eine Option, muss jedoch für Produkte von Fall zu Fall eingehend technisch und wirtschaftlich diskutiert werden. Beim Übergang auf Pb-frei hat sich Freescale daher auf Lotbäder zum Elektroplatieren von Matt Sn auf Kupferträgerstreifen konzentrieren. Weiterhin von Kunden benötigte Bauteile, die jetzt noch auf Alloy42 aufgebaut sind und konventionelle SnPb Lotoberflächen haben, zukünftig aber Pb-frei verarbeitet werden sollen, müssen in entsprechende Gehäuse mit Trägerstreifen aus Cu überführt werden [24]. Dabei kommen dann auch die notwendigen Änderungen der Vergussmassen und Fertigungsprozesse zum Einsatz. Es wird eine Neuklassifizierung in Sachen MSL/PPT vorgenommen, was man hinsichtlich der Verarbeitbarkeit bei den höheren Temperaturen generell für die Gehäusefamilien der älteren Generationen als notwendig festgestellt hat. Die Zielvorgabe von MSL1/260 C bei neuen Produkten wird nicht immer zu erfüllen sein, denn die Feuchteempfindlichkeit erhöht sich mit steigender Temperatur, so dass es bei existierenden Bauteilen auch zu einer Verschlechterung des MSL für die Pb-frei typischen Verarbeitungstemperaturen gegenüber den vordem für das SnPb Löten spezifizierten Komponenten kommen wird. Pb-freie Ball Grid Arrays haben heute typisch Sn4.0Ag0.5Cu Lotkugeln [25]. Was die Eliminierung von Pb aus der Bauelementefertigung angeht, so wird man wohl Flip-Chip BGAs mit extern Pb-freien Verbindungen schaffen, jedoch auf längere Sicht nicht auf die hoch-pb haltigen internen Flip-Chip Lotkugeln technisch verzichten können. Dies trifft genauso auf Bauelemente in HSOP, QFN oder auf andere Gehäuse mit nach außen ragenden Kühlkörpern zu, wo die auch zukünftig verwendeten bleireichen Chiplote zur Wärmeabfuhr vom aktiven Bauelement unumgänglich sind und gleichzeitig für eine Löthierarchie, innen hoch und außen niedriger schmelzend, Sorge getragen ist. PBGAs werden mit der Zielvorgabe von mindestens MSL3/245 C gefertigt. Modernere Vergussmassen nehmen Abstand von Br- bzw. Sb-Verbindungen als Flammhemmer und werden zukünftig halogenfrei, dafür aber mit aromatischen Hilfsmitteln versehen, um die Umwelts- und Sicherheitsbestimmungen einzuhalten. Dazu muss die chemische Stabilität bei den durch Pb-frei höheren Verarbeitungstemperaturen nachgewiesen werden, so dass keine Zuverlässigkeitsprobleme durch unerwartete Reaktionen weder kurz- noch langfristig zwischen Gehäuse- oder Chipmaterialien bei Verarbeitung oder Betrieb auftreten. Fertigungstechnisch sind zusätzliche Reinigungsschritte mit Plasma oder UV-Ozon vor Drahtbonden und/oder vor Plastikvergießen in Evaluierung, die zum Ziel haben, frische Oberflächen zu schaffen, Verschmutzungen im Gefüge zu minimieren, den sich ausbildenden Materialverbund an den Grenzflächen zu stärken, um somit den auftretenden extrinsisch thermo-mechanischen Kräften mehr intrinsische Robustheit entgegenzusetzen. Weitergehende Entwicklung und das Sammeln von Erfahrungen lassen MSL1/260 C und damit Einsparung jeglicher Trockenverpackung für Standardbauelemente als technisch möglich erscheinen, wobei Aufwand und Nutzen noch überlegt gegeneinander abgewogen werden müssen. 18

19 3.4.4 Whisker Wachstum Das spontane Wachsen von Whiskern [26-28] aus platierten Sn Oberflächen (Abb. 3-3) wird insbesondere in Raum- und Luftfahrt als Risiko betrachtet [29,30] und bedarf auch für terrestrische Anwendungen genaueren Hinsehens. Als Ursache für das Heraustreiben dieser kristallinen Sn Auswüchse aus der Sn Oberfläche vermutet man mechanische Spannungen, die z.b. durch die Bildung intermetallsicher CuSn-Phasen in Korngrenzen entstehen oder aber durch Fehlanpassung von Basismaterial und Platierung, wie es beim Alloy42 mit Sn beobachtet wird. Abb. 3-3a: Whisker aus einer Sn Oberfläche Abb. 3-3b: Whisker aus einer SnPb Oberfläche Vollkommen ist der Mechanismus insgesamt bislang aber nicht vollends erklärt oder verstanden. Zur weiteren Klärung der Natur und Entstehung bzw. Vermeidung von Whiskern sowie insbesondere deren Bedeutung für die Elektro- und Elektronikindustrie arbeiten NEMI (National Electronics Manufacturing Institute Inc, USA), SOLDERTEC (Tin Technology Ltd., Europa) und JEITA (Japan Electronics and Information Technology Association, Japan) an einem gemeinsamen Programm [31-34]. Infineon, Freescale, Philips und STMicroelectronics bilden eine Initiative E4 (Environmental 4) zu gemeinsamen Studien der Whiskerbildung und ihrer Vermeidung [35,36]. Eine gleichmäßig gewachsene intermetallische SnCu Phase während eines Temperschritts von 150 C wirkt als Diffusionsbarriere und unterbindet die Sn Whisker auf Cu Trägerstreifen, worauf insbesondere Wert während der Bauteillagerung gelegt wird. Die von NEMI vorgeschlagenen Whisker Tests, lange Auslagerung bei Raumtemperatur oder 60 C/93%RH oder auch -55 C/85 C Luft-Luft Temperaturzyklen produzierten in E4 keine längeren Whisker als 25µm. Gelötete Bauteile weisen sowieso kaum Whisker auf, der Einfluss des Schneid- und Biegeprozesses an Bauteilen mit Matte Sn beloteten Cu Trägerstreifen wurde auch untersucht [37-39]. Das Ziel der genannten Untersuchungsgruppen besteht darin, einen allseits akzeptablen Ersatz in Form von Pb-freien Lotoberflächen zu erarbeiten, indem Erfahrungen ausgetauscht und weitere Untersuchungen abgestimmt und durchgeführt werden. Aktive Mitgestaltung von Standards sowie Entwicklung von Whisker-Test- und Unterdrückungsmethoden gehören mit zum Programm. Andere Unternehmen sind gern eingeladen, sich anzuschließen und herstellerseits für kundenorientierte Lösungen beizutragen. Bei NiPdAu finish wurde kein Whisker-Wachstum festgestellt, daher haben sich einige Hersteller, die nicht der E4 Initiative angehören, für diesen Weg entschieden, um für den Kunden das Problem zu minimieren. 19

20 3.5 Bleifreies Löten Mischbestückung beim Übergang zur bleifreien Prozessen Insbesondere im Übergangszeitraum bis zur vollständigen Umstellung auf Pb-frei aber auch sonst durch das weltweit vorhandene Angebot an Bauteilen sowie für nicht unbedingt den Direktiven unterliegende Märkte werden nicht alle Komponenten homogen mit ihresgleichen in Sachen Lotoberfläche verfügbar sein. Somit wird es zur Anwendung von weiterhin konventionellen SnPb Bauteilen auf Pb-freien Leiterplatten kommen, genauso wie bereits umgestellte Pbfreie Bauteile noch auf Leiterplatten landen werden, die mit herkömmlichen SnPb Loten gefertigt werden (Abb. 3-4). Bei solchen Mischbestückungen sind einige Regeln und Empfehlungen zu berücksichtigen, wobei das Mission Profile der Applikation bei der Risikobetrachtung eine wichtige Rolle spielt. Abb. 3-4: Bedingte Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität der konventionellen bzw. Pb-freien Bauteilversionen. Beim Löten konventioneller SnPb Bauteile unter Pb-frei Bedingungen ist in erster Linie darauf zu achten, dass die MSL/PPT Vorgaben eingehalten werden. Konventionelle Bauteile mit bleihaltigen Lotoberflächen müssen daraufhin geprüft werden, vom Gehäuse her für die erhöhte Prozesstemperatur geeignet zu sein, um sie unbeschadet und zuverlässig zu überstehen. Bauteilseitig bleihaltige Lote schmelzen unter Pb-frei Bedingungen problemlos mit bleifreien Lotdepots auf den Leiterplatten auf und bilden gemeinsam gute Lötstellen. Werden Pb-freie bedrahtete Bauteile in SnPb Lote auf Leiterplatten gesetzt, wird man in der Regel keinerlei Veränderungen zu den herkömmlichen Einstellungen vornehmen müssen. Das SnPb Lotangebot seitens der Leiterplatte oder aus der Welle beherrscht das Lotsystem und wird durch die geringe Mengen Pb-freien Lots von den Bauteilbeinchen unbeeindruckt bleiben. Es bilden sich gute Lötstellen aus, die Bauteilzuverlässigkeit ist bei entsprechender MSL/PPT Kategorie gegeben. Etwas anders sieht es dagegen aus, wenn PBGAs mit Pb-freien Kugeln auf das mengenmäßig eher kleine jedoch bleihaltige Depot der SnPb Paste auf der Leiterplatte treffen. Da muss nun sichergestellt werden, dass es zum vollständigen Aufschmelzer und zur Durchmischung der beiden Lote kommt, dass der Zweifache Kollaps des BGAs zur Leiterplatte hin geschieht und Zeit zum Durchmengen der flüssigen Lote bleibt. Die Bauteile müssen gut einschwimmen und sich dabei zentrieren. Dies ist unserer Erfahrung nach bei einer Lötstellentemperatur von mindesten 225 C gegeben und liegt damit oberhalb der sonst üblichen Temperatur in den Lötstellen von 205 C 220 C von SnPb. 20

21 Wenn bei der Leiterplattenfertigung die Prozesstemperaturen zur Verarbeitung von Pb-freien BGAs mit SnAgCu Kugeln angehoben werden, muss darauf geachtet werden, dass alle Komponenten auf der Leiterplatte die resultierenden Gehäusetemperaturen vertragen Warpage oder Verformung von Bauteilen Im Zusammenhang mit der Ausbildung von Lotverbindungen ist ein thermo-mechanisches Phänomen zu berücksichtigen, das besonders bei großflächigen Bauteilen auf Leiterplatten beachtet werden muss. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten resultieren in Kräften in den Gehäusen der Bauteile. Diese Verspannungen führen bereits bei der Herstellung zu mehr oder weniger starken Verbiegungen, worunter bei bedrahteten Bauteilen die Komplanarität der Anschlüsse in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Bei Array Packages können sich die Lotkugeln infolge dieses Warpage von Substrat und Plastikabdeckung aus der Lötebene verschieben und das Entstehen der Lötstelle behindern oder sogar verhindern (Abb. 3-5). Geeignete Wahl der Materialien und geschicktes Design der Substrate kann die Verformung auf besser als 200µm bei 27mm x 27mm PBGAs minimieren. Abb. 3-5: Die Bauteilverformung führt zu sich ungenügend ausbildenden Lötstellen, da auch der Wärmetransport vom Gehäuse zur Leiterplatte vermindert ist. Die Verformung der Gehäuse ist dynamisch und verändert sich mit dem Temperaturverlauf des Lötprofils und sich einstellender Temperaturen am Bauteil. Allerdings unterliegt auch die Leiterplatte dieser Physik und somit müssen auch dort stabilisierende Maßnahmen ergriffen werden, damit es zu gut geformten Lötstellen und keinem Ausbeuteverlust bei der Leiterplattenbestückung und dem Löten kommt Zuverlässigkeit typischer Lötverbindungen Mit Temperaturzyklen geht man der Haltbarkeit und Beständigkeit von Lotverbindungen nach. Dazu werden Kombinationen von Bauteilen mit den zu untersuchenden unterschiedlichen Lotoberflächen mit den verfügbaren konventionellen SnPb bzw. Pb-freien Prozessen auf Leiterplatten montiert und in einer Temperaturkammer thermisch gestresst. Hier überwacht man den ohmschen Widerstand der verketteten Lötstellen während des Zyklen und zeichnet Veränderungen auf, die Hinweis auf den Ausfall von Verbindungselementen geben. Aus den im folgenden gezeigten Weibull Darstellung am Beispiel des 64-poligen LQFP (Abb. 3-6) kann man folgern, 21

22 dass die Lebensdauer von Lötstellen mit Matt Sn mindestens genauso gut ist wie die von SnPb Oberflächen und das sowohl in konventionellem SnPb als auch in SnAgCu Loten auf den Leiterplatten. Abb. 3-6: Zuverlässigkeit von Lötstellen auf Leiterplatten mit 64LQFP Die entsprechende Aussage kann auch für PBGAs getroffen werden (Abb. 3-7), insbesondere wenn in der Fertigung sichergestellt ist, dass die Ausbildung der Lötstelle durch gute Zentrierung der Bauteile unterstützt wird. Abb. 3-7: Zuverlässigkeit von Lötstellen auf Leiterplatten mit PBGA388 22

23 3.5.4 Start von bleifrei Mit dem 1.Juli 2006 wird in der Elektro- und Elektronik-Industrie durch RoHS ein neuer Fertigungsabschnitt Pb-frei offiziell beginnen, der sich in den Vorjahren vornehmlich in Sachen Materialkunde und Prozessentwicklung abspielte und sich nunmehr kurz vor zwölf durch intensivierte Vorbereitungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette auch auf anderen Gebieten abzeichnet. Während technische Fragen weitgehend geklärt sind, kommen nun besonders logistische Fragen der Umstellung in den Vordergrund und auch dort gibt s noch viel gemeinsam zu tun. 3.6 Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnik Durch die Aufbau- und Verbindungstechnik werden elektronische Bauelemente zu den funktionalen Systemen eines Kraftfahrzeuges zusammengefügt. Für die Kfz-Elektronik sind folgende Trends aus Aufbau- und Verbindungstechnik wichtig [44]: Steigende Anschlusszahl (Finepitch, BGA) für leistungsfähige ICs / Prozessoren Aufbautechniken für Multichip / SIP / SIC auf Basis mehrer Dice für komplexe Funktionen Gehäuse wie FlipChip, CSP, BGA, QFN / PQFN usw. für hohe Bauelementdichte auf Schaltungsträger Montage von Bare Dice auf Keramik-, DBC- oder IMS-Substraten für Miniaturisierung der Gehäuse- und Aufbautechnologie Optische Lichtleiter mit Transceivern und Steckern für Bussysteme Integration von Lichtleitern in Substrate für schnelle und gleichzeitig ungestörte Datenübertragung in der Schaltung Hohe Leistungsfähigkeit der Power-Bauelemente: Si statt Kühlkörper, direkt auf Schaltungsträger ohne Kühlkörper montiert Thermisches Management für Leistung optimiert durch Wärmeableitung vom Halbleiter auf Baugruppen-Metallgehäuse Integration Stecker in Gehäuse, erhöhte Polzahl, kleinere Raster Kleben von Bauteilen Bauraumorientierte Bauformen und Baugruppen: Mechatronik Integration Gehäuse + Substrat (+ Stecker): MID, Inserttechnologie, Leadframe-technologie Schutz vor Umwelt durch dichte Kapselung / Verguss Flachleiter an Stelle konventioneller Kabelbäume; sie dienen in Zukunft gleichzeitig als Schaltungsträger Für alle diese Technologien ist neben der Funktionalität die Eignung für den Einsatz im Kfz wichtig. 23

24 4. Qualitätssicherung 4.1 Qualität heute Die AEC Q100 wurde in den USA auf Initiative der Automobilfirmen Chrysler, Delco und Ford erstellt und ist heute in vielen Lastenheften für Halbleiterbauelemente vorgeschrieben. Aus der erfolgreichen Qualifikation nach AEC-Q100 schließt der Anwender/ Entwickler einer Baugruppe auf die Eignung für die Anwendung im Kfz. Die Qualitätsstellen von Lieferant und Kunden stellen die Fertigungsqualität sicher. 4.2 Der Standard AEC-Q100-REV-F Grundlage AEC-Q100 enthält einen Satz von Beanspruchungstests; die Spezifikation definiert die Mindestanforderungen für eine Qualifikation für Integrierte Schaltkreise durch Beanspruchungstests und die zugehörigen Testbedingungen. Durch die Verwendung generischer Daten kann den Aufwand zur Qualifikation verringert werden. Die Qualifikation nach AEC-Q100 entbindet den Lieferanten nicht von seiner Verantwortung für sein internes Qualifikationsprogramm. Zusammen mit weiteren in diese Spezifikation eingebundenen Richtlinien (Part Average Testing, Statistical Yield Analysis, Electrical Characterization, usw.) soll damit ein definierter Level von Qualität und Zuverlässigkeit in der Anwendung sichergestellt werden. Durch die standardisierte Prozedur ergibt sich die Vergleichbarkeit mit anderen Teilen und anderen Qualifikationen. Die Eignung für die Anwendung ist nicht Inhalt der Qualifikation nach AEC-Q100, sie ist Aufgabe des Anwenders. Der Anwender eines qualifizierten Bauelementes ist verantwortlich für die Bestätigung aller Qualifikationsdaten, die die Übereinstimmung mit dieser Vorschrift beweisen. Die Stress-Tests sind im Prinzip in folgende Gruppen klassifizierbar: Elektrische Charakterisierung für die Funktion Anwendung für Kfz Simulation der Lebensdauer Beschleunigte Umwelttests Elektrische Umwelt Technologie (Fehler-, Know-How-orientiert) Gehäusetests Die-Tests Fertigung Defekt-Screening 24

25 4.2.2 Einschränkungen Neue Anwendungen, härtere Umgebungsbedingungen, neue Technologien und Bauformen und gleichzeitig höhere Qualitätsanforderungen stellen höhere Anforderungen an den Nachweis, dass eine Komponente für die Anwendung geeignet ist. Die heutigen Stress-Tests und Testbedingungen nach AEC-Q100 sind nicht geeignet, diese gestiegenen Anforderungen zu validieren. Mit den Stichprobengrößen aus AEC-Q100 werden systematische Fehler/ Entwicklungsfehler im %-Bereich mit der durch LTPD definierten Wahrscheinlichkeit gefunden, statistisch verteilte Fehler vor allem im ppm-bereich z.b. Produktionsfehler und Materialfehler können nicht gefunden werden. Mit LTPD (Lot Tolerance Percent Defective) wird der Prozentsatz an fehlerhaften Teilen bezeichnet, der mit 90% Sicherheit in einem Test mit der angegebenen Stichprobengröße durch einen oder mehrere Ausfälle erkannt wird. Die Anwendungsbedingungen liegen bereits nahe an den technologischen Grenzen, eine Testbeschleunigung durch Stresserhöhung ist nicht mehr möglich. Zukünftige Anwendungen werden immer näher an die physikalischen Grenzen gehen und damit die Möglichkeiten für beschleunigtes Testen weiter einschränken. Abb. 4-1: Lebensdauer als Funktion der Betriebstemperatur für zwei Ausfallmechanismen, schematisch. 25

26 Dies ist in Abb. 4-1 skizziert. Ein Ausfallmechanismus, der im normalen Betrieb die Lebensdauer begrenzt (niedrige Aktivierungsenergie E a ) kann in beschleunigten Tests nur unterhalb der Temperatur T max provoziert werden. Oberhalb dieser Temperatur, bis zur Zerstörungsgrenze der eingesetzten Materialien T limit führt der zweite Ausfallmechanismus mit der höheren Aktivierungsenergie zum Ausfall. Wenn sich die Betriebstemperatur immer weiter den Materialgrenzen annähert, wird die mögliche Beschleunigung durch weitere Temperaturerhöhung immer geringer, d.h. die Testdauern werden immer länger. Ausfallmechanismen mit niedriger Aktivierungsenergie müssen deshalb so früh wie möglich im Entwicklungszustand abgeprüft werden. Tests auf höherer Systemebene können nicht so ausgedehnt werden, dass sie beispielsweise Ausfallmechanismen im Hableiter mit niedriger Aktivierungsenergie absichern können. Diese müssen in anwendungsspezifischen Fällen direkt mit dem Hersteller geklärt werden (Bauelemente-Qualifizierung oder Technologiequalifizierung). 4.3 Qualität morgen Durch AEC-Q100 kann nur nachgewiesen werden, dass die getesteten Teile keine systematischen Fehler im %-Bereich zeigen, die heutigen Qualitätsanforderungen im ppm-bereich sind damit nicht nachweisbar. Härtere Anwendungsprofile, komplexere Technologien, niedrigere Qualifikationskosten und kürzere Qualifikationszeiten sind Herausforderungen der Zukunft. Oberste Prämisse für Entwicklung und Qualität Integrierter Schaltkreise ist der Kundennutzen in Qualität entsprechend Kundenerwartung und Anwendungsprofil Funktion Versorgungssicherheit über die Fahrzeuglebensdauer (Product Life Cycle) Kosten (Cost of Ownership) Qualität und Zuverlässigkeit eines Produktes werden durch alle Arbeitsschritte im Produktleben beeinflusst, die Qualifikation ist nur ein Arbeitsschritt unter vielen anderen wichtigen Schritten der Qualitätsplanung. Ein zukünftiger Qualitätsprozess muss von der Wiege bis zum Grabe des Integrierten Schaltkreises reichen, vom ersten Entwurf bis zur Nachserienversorgung und der stofflichen Verwertung. Die Qualifikation ist nur ein Baustein des modernen Qualitätsprozesses. 4.4 Entwicklungs- und Qualitätsplanung / APQP Ein sinnvoller Ansatz zur optimalen Entwicklungs-, Fertigungs- und Versorgungsqualität ist eine fortschrittliche Produkt-Qualitäts-Planung nach den Grundsätzen des APQP (Advanced Product Quality Planning). Grundlage der Planung ist das Qualitätsmanagement-System / Zertifizierung nach ISO