Fehlermechanismen und Prüfverfahren miniaturisierter Lötverbindungen

2005 wurden in einer Studie, erarbeitet von einem deutschlandweiten Expertenkreis aus Industrie und Wissenschaft, der aktuelle Forschungs- und Handlungsbedarf in der Elektronikproduktion analysiert. Ausgehend von den Veränderungen in der Halbleitertechnik, die insbesondere durch das Erreichen von Strukturbreiten auf dem Siliziumwafer von unter 100nm gekennzeichnet waren, und den zukünftigen Produktanforderungen an Elektronikbaugruppen in wettbewerbsrelevanten Marktsegmenten erarbeitete dieser Expertenkreis den Gesamtbericht „Aufbau- und Verbindungstechnik auf dem Weg zur Nanoelektronik- Nano-AVT“, dessen Thesen wiederum in öffentlichen Diskursen durch das Fachpublikum bewertet wurden. Diese Aktivitäten mündeten schließlich in eine Bekanntmachung des BMBF für einen den Bedarf adressierenden Förderschwerpunkt.
Das daraufhin initiierte Verbundprojekt „nanoPAL - Zerstörende und zerstörungsfreie Prüftechnik für die Charakterisierung von nanoskaligen Alterungsmechanismen an hochminiaturisierten Lötverbindungen“ widmet sich dem als besonders wichtig bewerteten Bedarf an modifizierten und neuen Prüfmethoden für die Qualität und Zuverlässigkeit von Verbindungsstellen und damit der Lebensdauer elektronischer Baugruppen.
Minimierte konventionelle und insbesondere neuartige Lötverbindungen konnten bisher bei den durch die Nano-AVT erforderlichen kleinen Lotvolumina (bestimmt durch die Strukturverkleinerungen und damit das Verhältnis von Lötanschlussfläche zu Lotvolumen) in ihren Ermüdungs- und Schädigungseigenschaften durch reale Feldbelastungen nur sehr unzureichend beschrieben werden. Aufgrund des Überganges der Gefüge-Teilgeometrien in den Submikrometerbereich treten Versagensmechanismen auf, die sich von bisherigen Standardloten und Standardvolumina unterscheiden und die komplexe, in ihrem Zusammenwirken bis dahin unbekannte Wirkkombinationen hervorrufen, für die noch keine Schädigungsmodelle existieren. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Zuverlässigkeitsuntersuchungen unter Testbedingungen auf solche unter Feldbedingungen ist für annähernd nanoskalige Verbindungskonstruktionen auf der Basis bisher vorliegender gesicherter Erkenntnisse nicht möglich. Die Verfahrens- und technische Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen muss in Kenntnis veränderter Ausfallmechanismen („Physics of Failure“) von grenzflächendominierten Verbindungen neu definiert werden.
Das Gesamtziel des Projektes „nanoPAL“ leitete sich aus der erkennbaren Limitierung der elektrischen Charakterisierung von Lötverbindungen bezüglich ihres Alterungsverhaltens ab. Zwingende Voraussetzung für die Definition neuartiger Prüfverfahren ist die genaue Kenntnis der bereits geschilderten komplexen Versagensmechanismen in miniaturisierten Verbindungsstellen. Mit Hilfe bekannter zerstörungsfreier und nichtzerstörungsfreier Diagnostikverfahren wurden geeignete Teststrukturen in Aufbau und Gefüge der Verbindungsstellen im Ausgangszustand und unter lastbedingter Alterung charakterisiert.
Darauf aufbauend wurden in einem Teilprojekt bekannte zerstörungsfreie Prüftechniken bezüglich ihrer Auflösungsgrenzen und Fehlerabdeckung evaluiert, Verfahren durch Kombination mit anderen Techniken verbessert und spezielle Algorithmen für eine erweiterte Analyse von Messdaten entwickelt.
Ein zweites Teilprojekt befasste sich mit der Verbesserung der zerstörenden Prüftechniken. Im Mittelpunkt standen dabei einerseits die Realisierung einer exakten und hochauflösenden Verschiebungswegmessung in neuartigen Belastungseinrichtungen für die Charakterisierung von Versagensprozessen (Kriech- und Rissbildung) an hochminiaturisierten Lötverbindungen und andererseits die Adaption des bewährten Schertests an extrem miniaturisierte Bauelementabmessungen durch optische Inspektionsverfahren mit aktiver Rückkopplung auf den Testvorgang.
Das vorliegende Buch fasst diese Ergebnisse und eine Vielzahl durchgeführter ergänzender Untersuchungen zusammen. Das Projektkonsortium dankt dem BMBF ausdrücklich für die Förderung und möchte mit dieser Veröffentlichung einen aktiven Beitrag zum Ergebnistransfer leisten.