Messung der Erhebung von Anschlussstiften in Halbleitergehäusen

Mit dem Wachstum in der Automobilkommunikation und der elektronischen Steuerung sowie der Nachfrage nach kleineren und dünneren Produkten wie Smartphones, Tablets und tragbaren Produkten steigen die Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit der Montage. Besondere Aufmerksamkeit ist bei den Pins von Halbleitergehäusen („Lead Frame Packages“) erforderlich, da ein Anheben der Anschlussstifte (auch oft als Lead-Hebung oder Lead Lifting bezeichnet) zu Verbindungsfehlern und reduzierter Verbindungsfestigkeit führen kann.
In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Kenntnisse über Leiterrahmen und die Anhebung von Anschlussstiften, die Herausforderung bei gängigen Messungen von Anhebungen und die neueste Messmethode erläutert, die nicht nur diese Herausforderung löst, sondern auch die Arbeitseffizienz und -präzision erheblich verbessert.

Leiterrahmen (Leads)
Materialien, Verarbeitung und Anwendungen von Leiterrahmen
Anhebung von Anschlussstiften, Verbindungsfehler und andere Herausforderungen bei der Oberflächenbestückung
Herausforderung bei gängigen Messungen der Anhebung von Anschlussstiften
- Herausforderung bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften mit einem Höhenmessgerät
- Herausforderung bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften mit einem 3D-Koordinatenmessgerät
Lösung von Herausforderungen bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften
Zusammenfassung

Leiterrahmen (Leads)

Ein Leiterrahmen ist ein Bauteil, das einen Halbleiterchip (Halbleiterelement) in einem Halbleitergehäuse wie einer integrierten Schaltung (IC) oder einer Schaltung mit hohem Integrationsgrad (LSI) trägt und befestigt. Der Anschluss an die externe Verdrahtung erfolgt über äußere Anschlussstellen, d. h. mehrere externe Klemmen, die wie die Beine eines Tausendfüßlers aus einem Gehäuse herausragen.
Ein fertiges Halbleitergehäuse dieser Art wird als Lead Frame Package bezeichnet, und die aus dem Kunststoff herausragenden äußeren Anschlussstifte werden Leads genannt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Namen der einzelnen Teile in einem Leiterrahmen und die interne Struktur eines Halbleitergehäuses.

Leiterrahmen (links) und Querschnitt eines Halbleitergehäuses (rechts)

Materialien, Verarbeitung und Anwendungen von Leiterrahmen

Leiterrahmen werden normalerweise aus dünnen Blechen aus einer Kupfer- (Cu) oder Eisenlegierung (Fe) oder einem ähnlichen Material hergestellt, das hervorragende Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Das Präzisionspressen (Stanzen, Ziehen und Biegen) wird mit einem langen Streifen dieses dünnen Blechs durchgeführt. In einer Serie von Prozessen entstehen die Die-Pads, die die Halbleiterchips (Halbleiterelemente) tragen und fixieren, die inneren Anschlussstifte (die mit den Halbleiterelementen verbunden sind), die äußeren Anschlussstifte (die mit der externen Verdrahtung verbunden sind) und andere notwendige Teile. Neben der maschinellen Bearbeitung umfasst der Herstellungsprozess von Leiterrahmen auch Ätz-, Plattierungs- und andere Oberflächenbehandlungsprozesse.
Leiterrahmen werden nicht nur in Gehäusen für IC- und LSI-Schaltungen verwendet, sondern auch für diskrete Halbleiter, Fotokoppler, LEDs und andere Komponenten. Bei allen oben genannten Komponenten werden die Elektroden der Halbleiterelemente und die inneren Leitungen anhand von Drahtbonding verbunden.

Anhebung von Anschlussstiften, Verbindungsfehler und andere Herausforderungen bei der Oberflächenbestückung

In den letzten Jahren, als die Größe von montierten elektronischen Komponenten immer mehr abnahm und die Dichte der elektronischen Schaltungen zunahm, wurde ein höheres Maß an Präzision für Leiterrahmen und deren Verbindungen erforderlich. Bei der Oberflächenmontage können Defekte bei den Abmessungen und Formen der äußeren Anschlüsse sowie Koplanaritätsfehler zu Herausforderungen führen. Die Anhebung von Anschlussstiften bei oberflächenmontierten Bauelementen (SMDs) kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, wie z. B. unzureichende Verteilung (geringe Benetzbarkeit) der Lötpaste durch unsachgemäße Oberflächenbehandlung oder unzureichende Reflow-Erwärmung, unzureichendes Schmelzen des Lots durch ungeeignete Reflow-Bedingungen und Wölbung der Leiterplatte. Dieses Anheben kann zu Verbindungsfehlern und reduzierter Verbindungsfestigkeit führen.
Im Folgenden finden Sie mögliche Ursachen für die Anhebung von Anschlussstiften und andere typische Montagefehler sowie Beispiele für Gegenmaßnahmen.

Anhebung von Anschlussstiften (falsche Positionierung)

Problem: Äußere Anschlussstifte und Anschlussklemmen anderer elektronischer Komponenten bleiben unverlötet und werden angehoben.
Ursachen: Falsche Ausrichtung des Lötpastendrucks oder der Komponenten, ungleiche Menge der gedruckten Lötpaste, ungleiche Schmelzzeit, Verformung von Anschlussstiften oder anderen Anschlussklemmen und unzureichender Druck des Bestückers
Gegenmaßnahmen: Korrigieren Sie die Positionen, reduzieren Sie den Flussmittelgehalt, prüfen und kontrollieren Sie die Formen von Anschlussstiften und anderen Anschlussklemmen und überprüfen Sie die Druck- und Reflow-Bedingungen.

Unzureichendes Schmelzen des Lots

Problem: Das Lot schmilzt nicht vollständig und es bleibt Lotpulver zurück. Dies führt zu Herausforderungen wie z. B. einer geringeren Verbindungsstärke der montierten Komponenten und einem Anheben der Anschlussstifte.
Ursachen: Ungeeignete Reflow-Bedingungen, verschlechterte Lötpaste
Gegenmaßnahmen: Kontrollieren Sie die Reflow-Bedingungen und überprüfen oder ändern Sie die Aufbewahrungsmethode für die Lötpaste.

Kein Weichlot

Problem: Es befindet sich kein oder nur eine sehr geringe Menge an Weichlot auf dem Montagepad.
Ursachen: Unzureichende Menge an gedruckter Lötpaste, unzureichende Benetzbarkeit, verursacht durch die Oberflächenbeschaffenheit der Montagepads und der Anschlussstifte oder durch verdorbene Lötpaste, und unzureichende Reflow-Erwärmung
Gegenmaßnahmen: Überprüfen Sie den Zustand der Oberflächen von Montagepads und Anschlussstiften, der Druckmasken und der Lötpaste. Überprüfen Sie die Reflow-Bedingungen.

Unzureichende Verteilung der Lötpaste

Problem: Das Weichlot verteilt sich nicht ausreichend auf den Montagepads und den Anschlussstiften, was zu einer verminderten Festigkeit der Verbindung und zum Anheben der Anschlussstifte führt.
Ursachen: Unzureichende Menge an gedruckter Lötpaste, beschädigte Montagepads, Anschlussstifte oder Lötpaste oder unzureichende Reflow-Erwärmung
Gegenmaßnahmen: Überprüfen Sie den Zustand der Oberflächen von Montagepads und Anschlussstiften, der Druckmasken und der Lötpaste. Überprüfen Sie die Reflow-Bedingungen.

Ungleichmäßige Menge an Weichlot

Problem: Die Menge des Lots an den gelöteten Teilen ist nicht gleichmäßig. Dies führt zum Anheben der Anschlussstifte und zu Verbindungsfehlern.
Ursachen: Geringe Bedruckbarkeit (Eignung für den Siebdruck) der Lötpaste oder falsche Druckbedingungen
Gegenmaßnahme: Überprüfen Sie die Lötpaste und die Druckbedingungen.

Herausforderung bei gängigen Messungen der Anhebung von Anschlussstiften

Es ist nicht einfach, die Anschlussbedingungen für die zahlreichen Anschlussstifte zu überprüfen, die auf einem einzeln montierten Halbleitergehäuse vorhanden sind. Noch schwieriger wird die Messung zur Überprüfung der Bedingungen bei kleineren elektronischen Bauteilen und Komponenten und bei Leiterplatten, bei denen die Bestückungsdichte höher ist.
Bei der Messung mit einem gängigen Höhenmessgerät oder 3D-Koordinatenmessgerät (KMG) treten die folgenden Herausforderungen auf:

Herausforderung bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften mit einem Höhenmessgerät

Ein Höhenmessgerät kann in Kombination mit einer Messuhr zur Höhenmessung verwendet werden.
Da nur Punkte gemessen werden können, ist es notwendig, viel Zeit zu investieren und eine große Anzahl von Punkten zu messen, um die Präzision zu verbessern. Doch selbst dann ist es unmöglich, die gesamten Oberflächenbedingungen zu ermitteln.

Bei den Anschlussstiften von Halbleiterbauelementen, die dicht auf einer Leiterplatte montiert sind, kann es schwierig sein, taktile Messungen an sehr kleinen Komponenten in engen Abschnitten durchzuführen. Schwankungen der Messergebnisse zwischen verschiedenen Anwendern und Fehler im Messsystem machen eine stabile Messung ebenfalls unmöglich.

Herausforderung bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften mit einem 3D-Koordinatenmessgerät

Bei einer Messung mit einem 3D-Koordinatenmessgerät ist es erforderlich, mit der Spitze des Messtasters mehrere Punkte auf der Oberfläche des Messobjekts zu berühren.
Allerdings kann schon eine leichte Verbiegung der Leiterplatte oder der Komponenten durch den Druck des Messtasters zu Abweichungen bei den Messwerten führen.

Da die Positionen der Anschlussstifte in einem Halbleitergehäuse klein sind, ist es außerdem notwendig, im Voraus ein Präzisionsprogramm für das Messsystem zu erstellen. Einige Anschlussstifte können aufgrund ihrer Größe oder Position nicht einmal gemessen werden.

Lösung von Herausforderungen bei der Messung der Anhebung von Anschlussstiften

Die üblicherweise verwendeten Kontaktmessgeräte benötigen viel Zeit für die Messung, da sie dreidimensionale Messobjekte und Flächen durch Punktkontakt messen. Hinzu kommen die Herausforderungen der geringen Zuverlässigkeit der Messungen aufgrund von Schwankungen, die durch menschliche Faktoren verursacht werden, und die Schwierigkeit, aus den Zahlen und anderen Nachbearbeitungen verwertbare Daten zu erstellen.

Um diese Messprobleme zu lösen, hat KEYENCE das 3D-Profilometer der Modellreihe VR entwickelt.
Die Modellreihe VR erfasst präzise die 3D-Form der gesamten Oberfläche, ohne das Messobjekt zu berühren. Ein 3D-Scan des Messobjekts auf dem Objekttisch kann in nur einer Sekunde abgeschlossen werden, wodurch eine hochpräzise Messung der 3D-Form möglich ist. Das System ist in der Lage, sofortige und quantitative Messungen durchzuführen, ohne fehlerhafte Messergebnisse zu erhalten. In diesem Abschnitt werden einige Vorteile der Modellreihe VR vorgestellt.

Vorteil 1: Die 3D-Form der gesamten Messobjektoberfläche kann mit einer einzigen Messung präzise und vollständig in nur einer Sekunde erfasst werden

Die Modellreihe VR erfasst Oberflächendaten in nur einer Sekunde, was die für die Messung einer großen Anzahl von Punkten erforderliche Zeit erheblich reduziert. Sie ermöglicht eine präzise Messung und schnelle Beurteilung der 3D-Form des gesamten Messobjekts.
Unterschiede in den Höhen mehrerer Anschlussstifte können in einer Farbkarte visualisiert werden, sodass Sie auf einen Blick erkennen können, welche Anschlussstifte angehoben wurden und wie stark die Anhebung war. Sobald ein Scan abgeschlossen ist, kann die Profilmessung einer beliebigen Stelle zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden, um Details zu den Oberflächenbedingungen zu ermitteln.

Mehrfachmessung der Anhebung von Anschlussstiften, Farbkartenanzeige und Profilmessung

Vorteil 2: Problemlose Durchführung quantitativer Messungen von kleinen Messobjekten

Durch Umschalten zwischen der Kamera mit geringer Vergrößerung und der Kamera mit starker Vergrößerung können Sie selbst bei kleinen Messobjekten, wie z. B. den Anschlussstiften von Halbleiterbauelementen, präzise 3D-Scans der gesamten Form oder detaillierter Komponenten durchführen.

Die Messung von 3D-Formen kann ganz einfach durchgeführt werden, indem Sie das Messobjekt auf den Objekttisch legen und eine Aufnahme starten. Da eine automatische Positionskorrektur anhand von Messobjektdaten möglich ist, ist eine präzise Positionierung nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine quantitative Messung ohne durch menschliche Faktoren verursachte Schwankungen, unabhängig von der Erfahrung und den Kenntnissen des Anwenders. Dadurch kann die Anzahl der Proben, die in einer bestimmten Zeit gemessen werden können, erhöht werden.
Diese Modellreihe umfasst auch die neue „Smart Measurement“-Funktion, die den Messbereich automatisch konfiguriert und den Objekttisch bewegt. Damit entfällt die Arbeit, die für die Einstellung der Messlänge, des Z-Bereichs oder anderer Werte erforderlich ist.

Zusammenfassung

Die Modellreihe VR kann die 3D-Form der gesamten Oberfläche durch berührungsloses 3D-Scannen mit hoher Geschwindigkeit präzise und sofort messen, um die Anhebung von Anschlussstiften, die Montagebedingungen der einzelnen Komponenten und andere notwendige Elemente zu identifizieren.

Die Messung kann in nur einer Sekunde abgeschlossen werden. Anhebungen mehrerer Anschlussstifte können anhand der farblich dargestellten Oberflächenbedingungen auf der Farbkarte erfasst werden. Detaillierte Daten können durch eine Profilmessung des gewünschten Querschnitts gewonnen werden.
Durch Anpassung der Vergrößerung ist es möglich, die gesamte Form oder detaillierte Stellen von kleinen und empfindlichen montierten Komponenten mit hoher Präzision und berührungslos zu messen.
Es ist keine Positionierung oder spezifisches Fachwissen erforderlich. Legen Sie einfach das Messobjekt auf den Objekttisch und starten Sie die Aufnahme.
Die 3D-Form kann in einer Farbkarte angezeigt werden. Der Austausch von Daten, die visuell leicht verständlich sind, ermöglicht eine einfache Koordination und die Umsetzung von Gegenmaßnahmen.
Mehrere Messdatensätze können einfach und quantitativ verglichen und analysiert werden.

So können Sie mehrere Messdatensätze nebeneinander vergleichen. Die Analyse kann durchgeführt werden, indem die Einstellungen auf alle Datensätze gleichzeitig angewendet werden. Durch die gemeinsame Nutzung der mit der Modellreihe VR erfassten 3D-Formdaten ist es möglich, den Zeitaufwand erheblich zu reduzieren und die Effizienz des gesamten Prozesses einschließlich Messung, Fehleranalyse und Gegenmaßnahmen zu verbessern.

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