Die wirtschaftliche Herstellung von Bleirahmen - ein technischer Vergleich

Leadframes werden in fast allen Halbleitergehäusen verwendet. Die meisten Gehäuse für integrierte Schaltungen werden hergestellt, indem der Siliziumchip auf einen Leadframe gesetzt wird, der Chip dann mit den Metallanschlüssen des Leadframes verdrahtet wird und der Chip dann mit Kunststoff umhüllt wird. Diese einfache und in der Regel kostengünstige Verpackung ist für viele Anwendungen immer noch die beste Lösung.

In der Regel werden Leadframes in langen Bändern hergestellt, die sich schnell auf Montagemaschinen verarbeiten lassen, und es kommen zwei Herstellungsverfahren zum Einsatz: das chemische Ätzen (das oft als am besten geeignet für die Produktion von kleinen bis mittleren Stückzahlen angesehen wird) und das Stanzen (das meist mit hohen Stückzahlen in Verbindung gebracht wird).

Bei der Entwicklung von Leadframes gibt es nicht immer eine Einheitsgröße, und sehr oft werden kundenspezifische Spezifikationen und Merkmale, Designs zur Verbesserung der elektrischen und thermischen Eigenschaften sowie spezifische Anforderungen an die Zykluszeit verlangt. Precision Micro verfügt über umfassende Erfahrung in der Herstellung von Leadframes für eine Reihe verschiedener Kunden unter Verwendung des chemischen Ätzens. Dieser Artikel beschreibt die Art der Arbeit des Unternehmens in diesem Bereich.

Verschiedene Technologien zur Herstellung von Leadframes

Chemisches Ätzen

Das chemische Ätzen ist eine der beliebtesten und am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung von Leadframes. Obwohl es vielleicht als ein Verfahren mit hohen Stückkosten angesehen wird, ist die Herstellung von Werkzeugen sehr kostengünstig und äußerst zeitsparend.

Geätzte Bleirahmen werden in flachen Blechen hergestellt, die in der Regel entweder aus Kupfer oder aus Eisen-Nickel-Legierungen (z. B. Legierung 42) bestehen, die bei Raumtemperatur eine sehr geringe Ausdehnung aufweisen.

Diese Legierungen mit geringer Wärmeausdehnung werden in modernen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Metall mit Glas oder Keramik verbunden werden muss, und in Bereichen, in denen die gleichen Wärmeausdehnungsraten für die zu verbindenden Materialien erforderlich sind, um damit verbundene Probleme im Verbindungsbereich zu vermeiden.

Beide Seiten der flachen Legierungsbleche werden gereinigt und dann mit Fotoresist laminiert. Der Fotoresist wird dann mit Hilfe einer Ultraviolettquelle und eines Präzisionsmusterfilms mit dem gewünschten Leadframe-Muster belichtet. Der Fotolack wird über den Bereichen entwickelt, die weggeätzt werden sollen, wobei der verbleibende Fotolack die Teile während des Ätzvorgangs schützt.

Abschließend wird der schützende Fotoresist von den fertigen Leiterrahmen abgezogen, bevor die geätzten Platten je nach Kundenwunsch in Streifen vereinzelt oder zur leichteren Handhabung in Platten geliefert werden. Die geschnittenen Streifen werden gereinigt und beschichtet, in der Regel mit Silber an den inneren Anschlüssen, um das Drahtbonding zu erleichtern. Die plattierten Streifen sind dann bereit für die Endkontrolle.

Stanzen

Das Stanzen ist ein automatisiertes Hochgeschwindigkeitsverfahren, das sich für große Produktionsmengen eignet, die die anfänglich hohen Werkzeugkosten erträglich machen. Das Blech - in der Regel in Rollenform - wird an beiden Kanten durchbohrt, um Indexierungslöcher zu erzeugen, die das Blech während der weiteren Verarbeitung positionieren. Die Positionierungslöcher werden verwendet, um das Blechband durch die Stanzmaschine zu bewegen. Für die Geometrie des Lead Frames sind außerdem spezielle Matrizen- und Stanzsets erforderlich.

Der Prozess wird in der Regel durch eine Reihe von Stanzvorgängen durchgeführt, die sich schrittweise der endgültigen Lead-Frame-Geometrie annähern, wobei die Anzahl der Schritte vollständig von der Komplexität der Geometrie des Lead Frames abhängt.

Was ist die richtige Methode für Sie?

Das Produktionsvolumen von Leadframes ist ein wichtiger Faktor bei der Wahl des Herstellungsverfahrens, wobei das Stanzen im Allgemeinen für sehr hohe Produktionsvolumen am wirtschaftlichsten ist, während das chemische Ätzen für kleine bis mittlere Produktionsläufe geeignet ist.

Dies ist fast ausschließlich auf die jeweiligen Werkzeugkosten zurückzuführen.

Die Werkzeuge für das chemische Ätzen sind digital, so dass keine teuren und schwer anpassbaren Stahlformen geschnitten werden müssen. Dies bedeutet, dass große Mengen von Leadframes ohne Werkzeugverschleiß reproduziert werden können, wodurch sichergestellt wird, dass das erste und das 500.000ste Teil exakt gleich sind.

Da es sich um ein „virtuelles“ Werkzeug handelt, kann es extrem schnell und kostengünstig angepasst und geändert werden, so dass es sich ideal für die Herstellung von Prototypen bis hin zu Großserien eignet. Dies ermöglicht eine Optimierung des Designs ohne finanzielle Einbußen, trägt zu einer risikoarmen Einstiegsstrategie bei und erleichtert die Produktaktualisierung. Die Durchlaufzeit mit Fotowerkzeugen ist etwa 90 % kürzer als bei gestanzten Rahmen. Das Stanzen erfordert erhebliche Investitionen in den Formenbau, der nicht nur kostspielig ist, sondern in manchen Fällen auch sechs bis zehn Monate in Anspruch nehmen kann, während das Ätzen nur wenige Stunden in Anspruch nimmt.

Neben den Zeit- und Kostenunterschieden bei der Herstellung der Werkzeuge gibt es jedoch noch weitere Aspekte des chemischen Ätzverfahrens, die alle Hersteller von Leadframes - ob sie nun kleine, mittlere oder große Stückzahlen herstellen - aufhorchen lassen.

Leadframes sind oft sehr komplex und auch sehr zerbrechlich. In vielen Fällen bedeuten die geometrische Komplexität und die Anforderung an extrem genaue Toleranzen und Präzision, dass das chemische Ätzen nicht nur ein potenziell wünschenswertes Herstellungsverfahren ist, sondern sogar die einzige Technologie, mit der bestimmte Leadframes hergestellt werden können.

Schauen wir uns das Problem der Komplexität einmal genauer an

Beim Stanzen von Leadframes erhöht die Komplexität die Kosten, unabhängig davon, ob es sich um geringe, mittlere oder hohe Stückzahlen handelt. Die Komplexität des Leadframes bedeutet die Notwendigkeit eines komplexen Werkzeugs, und komplexe Werkzeuge bedeuten höhere Kosten, ein höheres Potenzial für Werkzeugfehler und längere Vorlaufzeiten für eine zufriedenstellende Fertigstellung.

Beim chemischen Ätzen spielt es in Bezug auf Kosten und Durchlaufzeit keine Rolle, wie komplex die Geometrie des Teils ist, da das Bauteilbild in einem einzigen Prozess direkt auf das Blech gedruckt wird.

Außerdem können durch chemisches Ätzen Leadframes mit engeren Toleranzen und feineren Details als beim Stanzen hergestellt werden, und das alles bei minimaler oder gar keiner Verschlechterung und Verformung des bearbeiteten Metalls und mit geringer bis gar keiner Wahrscheinlichkeit von Graten oder Defekten. Die Fehlerquote ist sehr gering, und anders als beim Stanzen ist jeder hergestellte Leadframe absolut plan.

Aber natürlich hat auch das Stanzen seine Berechtigung. Während der "Sweet Spot" des chemischen Ätzens in der Herstellung komplexer Leadframes in kleinen bis mittleren Produktionsserien liegt, stellt das Stanzen bei extrem hohen Stückzahlen, bei denen die Werkzeugkosten vertretbar sind und die Designs nicht übermäßig komplex sind, in der Regel ein wirtschaftlicheres Verfahren dar.

Das Prägeverfahren ist im Grunde genommen einfach. Es stellt einen Leadframe her, indem ein Substrat in eine Form gepresst wird und eine bestimmte Form geformt wird, während das Substrat nacheinander mit einer sequenziellen Transfer-Pressformvorrichtung übertragen wird. Das chemische Ätzen ist ein weitaus komplizierteres Verfahren, weshalb es auch bei komplexen Geometrien eingesetzt werden kann und ein hohes Maß an Präzision erreicht. Die größere Anzahl von Variablen im Prozess kann die mögliche Fehlerspanne erhöhen, aber dies kann durch die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, das sich auf das chemische Ätzverfahren spezialisiert hat, wie Precision Micro, gemildert werden.

Darüber hinaus kann das Ätzen nicht auf vorbeschichtetem Band angewendet werden. Hier ist oft das Stanzen die erforderliche Option, da das Ätzen durch die Beschichtung zu Ätzunterschieden und Ungenauigkeiten führen kann. Damit das Ätzen bei plattierten Bändern eingesetzt werden kann, müsste zuerst geätzt und dann nach dem Ätzen plattiert werden, was aus einem einstufigen Prozess einen zweistufigen Prozess macht und somit die Kosten erhöht. Es gibt jedoch Fälle, in denen das Volumen der Auflage oder die Komplexität des Leadframes selbst dieses zweistufige „Ätzen und Beschichten“-Verfahren wünschenswert macht.

Beim Stanzen werden auch die Stifte des Leadframe geformt, während die Teile aus dem Band gestanzt werden, und auch hier handelt es sich um einen zweistufigen Prozess, der sich auf die Kosteneffizienz auswirken kann.

Präzisionsfertigung von Mikro- und Leadframes

Bislang wurden in diesem Artikel die allgemeinen Erwägungen bei der Wahl zwischen Stanzen und chemischem Ätzen bei der Herstellung von Leadframes behandelt. Es gibt jedoch noch eine weitere Variable, die in die Überlegungen einbezogen werden muss, und zwar das Fachwissen und die Erfahrung des von Ihnen gewählten Fertigungspartners.

Ein Beispiel dafür ist die potenziell erhöhte Fehlerspanne aufgrund der vielen Variablen im chemischen Ätzprozess. Der führende europäische Spezialist für chemisches Ätzen, Precision Micro, verfügt aufgrund jahrelanger Erfahrung in diesem Bereich über eine robuste, wiederholbare Methode zur Herstellung von Leadframes, die von anderen Anbietern chemischer Ätzdienstleistungen nicht unbedingt erreicht werden kann. Diese Erfahrung, die sich über mehr als 5 Jahrzehnte erstreckt, mildert in hohem Maße die Bereiche ab, in denen das chemische Ätzen im Allgemeinen als Schwäche angesehen wird. Das Unternehmen hat stark in die Prozesskontrolle investiert, um die Schwankungen zu verringern, und in die optische Inspektion, um eine Fehlerquote von null Teilen pro Million zu erreichen.

Precision Micro verfügt über unübertroffene Erfahrung in der Herstellung von maßgeschneiderten Leadframes in Zusammenarbeit mit einigen der weltweit führenden Halbleiter-Packaging-Unternehmen. Die Fertigungsprozesse des Unternehmens mit engen Toleranzen eignen sich für zahlreiche Leadframe-Anwendungen, sind jedoch ideal für die Herstellung von Leadframes mit hoher Lead-/Pin-Anzahl und ultrafeinem Pitch geeignet.

Schlussfolgerung

Ganz allgemein lässt sich sagen, dass sich das Stanzen am besten für die Herstellung einfacher Leadframes in hohen Stückzahlen eignet und das fotochemische Ätzen am besten für die Herstellung komplexer Leadframes in niedrigen bis mittleren Stückzahlen.

Precision Micro entwickelt das fotochemische Ätzverfahren jedoch ständig weiter, und so wächst seine Anwendbarkeit für eine Vielzahl von Anwendungen täglich. Das Unternehmen ist in der Lage, Vorurteile in der Branche über die Verwendung des photochemischen Ätzens zu widerlegen, und der Bereich der Leadframe-Herstellung ist ein perfektes Beispiel dafür.

Angesichts der inhärenten Vorteile des Verfahrens in Bezug auf die Fähigkeit, extrem komplexe Teile mit hohen Toleranzen zu fertigen, und der einfachen Anpassbarkeit und Kosteneffizienz der zugehörigen Werkzeuge, eröffnet das Know-how von Precision Micro den Herstellern von Lead Frames immer mehr Möglichkeiten.

Selbst die Prämisse, dass das Stanzen das einzige wirtschaftliche Verfahren für die Herstellung von Leadframes in großen Stückzahlen ist, wird in Frage gestellt, da Precision Micro kontinuierlich an der Prozessautomatisierung arbeitet.