RFA und die Herausforderung der Miniaturisierung in der Elektronikfertigung

Als Jack Kilby 1958 die erste funktionierende integrierte Schaltung vorstellte, lag sein Schwerpunkt auf der Miniaturisierung. Mit der Erfindung des Transistors im Jahr 1948 waren Computer nicht mehr auf die thermisch ineffizient arbeitende Vakuumröhrentechnologie mit ihren großen Bauteilen angewiesen. Gleichzeitig begann auch der Wettlauf um die Frage, wie klein integrierte Schaltkreise (integrated circuit - IC) werden können.

Seit den Tagen von Jack Kilby sind Halbleiterbauelemente exponentiell kleiner geworden, und heutzutage halten wir leistungsstarke Computer in Form unserer Smartphones buchstäblich in der Hand. Doch nicht nur die Rechenleistung eines so kleinen Gerätes ist bemerkenswert, es arbeitet auch bei einer Temperatur, die niedrig genug für den praktischen Einsatz ist. Dies ist zum einen auf das Design des ICs selbst und zum anderen auf die komplexe und effiziente Anordnung der elektrischen Anschlüsse (Pins) zurückzuführen, die ihn umgeben.

Wie das „Packaging“ mit den Fortschritten im Chipdesign Schritt hält

Die vielleicht bedeutendste Entwicklung zur Reduzierung der Größe einer integrierten Schaltung ist das Wafer Level Packaging (WLP). Dieses Fertigungsverfahren stellt sicher, dass der Chip und die Pins so klein wie möglich sind, und nur die Fläche des Chips selbst die Grenze die Größe des ICs bestimmt.

Je kleiner und komplexer Geräte werden, desto größer ist der Einfluss des Packaging auf die Leistung. Die Pins müssen so ausgelegt sein, dass Widerstand und Länge minimiert werden, um hohe Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Betriebstemperaturen zu gewährleisten. So wird beispielsweise die Flip-Chip-Technologie aufgrund des effizienteren Kontakts gegenüber dem drahtgebundenen Packaging bevorzugt, denn die große Dichte an Drähten erschwert hohe Schaltgeschwindigkeiten, da sie eine übermäßige Induktivität verursachen.

Größe und Schaltgeschwindigkeit stellen im Bereich Pin-Design heute schon eine Herausforderung dar, doch die neue Generation von Mikroelektromechanische Systemen (MEMS) wird eine weitere Komplexitätsstufe hinzufügen. MEMS integrieren mechanische Sensoren und Elektronik in einem einzigen Chip. Für diese Technologie werden ständig neue Anwendungen entwickelt, beispielsweise Beschleunigungssensoren für Airbag-Sensoren, optische Schalter und Blutdrucksensoren. Diese Sensoren fügen noch mehr Kontakte zu einem bereits extrem komplexen Gerät hinzu. Auch das Packaging wird immer anspruchsvoller, da ein Teil des Sensors offen gegenüber der Umgebung sein muss, um effizient zu arbeiten, während der Rest auf normale Weise beschichtet und versiegelt werden muss.

Unabhängig davon, ob es sich bei dem Chip um einen standardmäßigen IC-Prozessor oder ein MEMS-Gerät handelt, die Verbindungen werden über Schichten aus beschichtetem Metall hergestellt, auf die ein Lot aufgebracht wird. Dabei ist es entscheidend, dass die Schichten unter dem Lot die richtige Dicke und Zusammensetzung aufweisen. Bei der sogenannten Under Bump Metallurgy, kurz UBM, wird die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) dazu eingesetzt, die Integrität der aufgebrachten Schichten zu überprüfen, auf denen die „Kontaktierhügel“ aufgetragen werden.

Der Anschluss der Halbleiterbauelemente an andere Komponenten erfolgt in der Regel entweder über einen Leadframe oder mit einer Leiterplatte. Mehr Anschlüsse an ein kleineres Gerät erfordern Leiterplatten und Leadframes mit extrem dünnen Leiterbahnen und hoher Dichte. Heutzutage sind Leiterbahnen mit einer Dicke von nur 20 µm für Leiterplatten erhältlich und die fortschrittlichsten Leadframes müssen lasergeschnitten oder fotogeätzt werden, um die erforderliche Präzision und Gleichmäßigkeit zu erreichen.

Die RFA ist eine bewährte Technologie zur Analyse von aufgebrachten Schichten auf Wafern, Leadframes und Leiterplatten. Da die Abmessungen jedoch extrem klein werden, wird die Fähigkeit von klassischen RFA-Geräten, zuverlässige Ergebnisse zu liefern, in Frage gestellt.

RFA-Analysegerät speziell für die WLP-Analyse: FT160

Hitachi High-Tech hat RFA-Analysegeräte entwickelt, die speziell für die Verifizierung von IC-Substraten, UBM, Leadframe-Beschichtungen und PCB-Beschichtungen geeignet sind. Das Analysegerät FT160 verfügt über die neueste Röntgentechnologie, um hochpräzise Messungen von Beschichtungen im Nanometerbereich zu liefern. Der Messfleckdurchmesser von weniger als 30 µm ermöglicht hochpräzise Messungen von Schichtdicken und Analysen von Zusammensetzungen, die für Lothügel, Metallablagerungen und Beschichtungen in der Halbleiterfertigung unerlässlich sind.

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