Das Drahtbonden ist in der Halbleiterindustrie und Mikroelektronik etabliert, doch schon Verunreinigungen im Bereich von 5 bis 10 Nanometern können den Bondprozess behindern. Dank weicher Schneekristalle reinigt die CO₂-Schneestrahltechnologie auch sehr sensible und fein strukturierte Oberflächen.

Als Standardverfahren zur elektrischen Kontaktierung in der Aufbau- und Verbindungstechnik hat sich das Drahtbonden seit 70 Jahren in einem breiten Anwendungsspektrum etabliert. Es reicht von der Halbleitertechnologie, Mikroelektronik und optischen Komponenten über Automobile, Consumerprodukte, MEMS und Industriesensorik bis hin zu speziellen Aufgabenstellungen wie dem Bonden von Batteriezellen für die Elektromobilität, Akkuwerkzeuge und Energiespeicher.

Das Drahtbonden ist als Kontaktierungstechnik in der Halbleiterindustrie und Mikroelektronik etabliert. Eine Voraussetzung für gute Verbindungen sind bedarfsgerecht saubere Oberflächen. (Bild: Bond-IQ)

«Grundsätzlich unterteilt sich das Drahtbonden in drei grosse Verfahrensgruppen. Zwei davon sind Dünndrahtverfahren, bei denen je nach Anwendung Drähte aus Gold, Silber, Aluminium oder Kupfer mit einem Durchmesser von 18 bis 50 µm verarbeitet werden. Bei der dritten Gruppe handelt es sich um das Dickdrahtbonden mit Drahtdurchmessern von 100 bis 500 µm», konkretisiert Stefan Schmitz, Geschäftsführer der Bond-IQ GmbH.

Die Beratungsgesellschaft in der Drahtbondtechnologie ist Initiator des Industrieprojekts Surf:Guide. Projektziel ist, einen Leitfaden zur Sauberkeit und dem Zustand von Bondoberflächen zu erarbeiten, der als Grundlage für die Erstellung eines industriell anerkannten, internationalen Standards dient.

Verunreinigungen im Nanometerbereich behindern das Bonden

Da die Verbindungsbildung sowohl beim Dünn- als auch beim Dickdrahtbonden im Nanometerbereich erfolgt, müssen die zu kontaktierenden Metalle in einen atomaren Abstand zueinander gebracht werden. Entsprechend können Verunreinigungen oder Zwischenschichten bereits im Bereich von 5 bis 10 nm den Bondprozess behindern. Es handelt sich dabei beispielsweise um Fingerabdrücke, ausblutende Kleber, Flussmittelrückstände, Ausgasungen von Klebern und anderen Polymeren, Staub, Oxide oder Rückstände aus insbesondere nasschemischen Reinigungsprozessen.

«Optisch erkennbare Kontaminationen sind kritisch fürs Bonden. Sind diese Verschmutzungen nach der Reinigung optisch nicht mehr da, ist die Bondfläche normalerweise ausreichend sauber. Dies lässt sich in der Regel mit Hilfe eines Mikroskops und einem optischen Vorher-Nachher-Vergleich feststellen. Bereits damit lässt sich die Erfolgsquote um das Drei- bis Vierfache erhöhen», erklärt Schmitz.

Schneestrahlen entfernt auch verkrustete Verunreinigungen

Klassischerweise werden Bondflächen nach wie vor in nasschemischen Verfahren mit Lösemitteln oder wasserbasierten Medien gereinigt, die eine energieintensive Trocknung erfordern. Die Plasmareinigung kann bei dünnen, bekannten und sehr spezifischen Kontaminationen eingesetzt werden.

Eine weitere Alternative stellt die Laserreinigung dar. «Bei sehr sensiblen Oberflächen, beispielsweise in der Mikroelektronik, müssen allerdings zunächst die Kosten für ein Lasersystem und die passende Lasertechnologie in Übereinstimmung gebracht werden», beschreibt Stefan Schmitz. «Im aktuellen Interesse der Industrie liegt die QuattroClean-Schneestrahlreinigung, da sich damit auch stärker haftende, verkrustete Verunreinigungen entfernen lassen.»

CO₂-Schneestrahlreinigung hinterlässt trockene Flächen

Bei der skalierbaren und reinraumfähigen QuattroClean-Schneestrahltechnologie handelt es sich um ein trockenes Reinigungsverfahren für ganzflächige und lokale Anwendungen. Das Verfahren eignet sich, um partikuläre Verunreinigungen bis in den Submikrometer-Bereich und filmische Kontaminationen bis hin zu Nanolagen reproduzierbar zu entfernen.

Mit der Schneestrahlreinigung lassen sich filmische – hier ein Fingerabdruck – und partikuläre Kontaminationen auf Leiterplatten effizient entfernen (links: kontaminierte Oberfläche, rechts Oberfläche nach der Reinigung). (Bild: Bond-IQ)

Als Reinigungsmedium nutzt die Technologie flüssiges, aus chemischen Produktionsprozessen und der Energiegewinnung aus Biomasse recyceltes, aufbereitetes Kohlendioxid. Es wird durch eine flexibel anpassbare, verschleissfreie Zweistoff-Ringdüse geleitet und entspannt beim Austritt zu feinen Schneekristallen, die von einem separaten Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und mit Überschallgeschwindigkeit auf die zu reinigende Oberfläche aufgebracht werden.

Die Reinigungswirkung basiert auf einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Lösemittel- und Sublimationseffekt. Da das kristalline Kohlendioxid während des Prozesses vollständig sublimiert, sind die behandelten Flächen trocken. Entfernte Kontaminationen werden zusammen mit dem Prozessgas abgesaugt, eine Rückverschmutzung der Oberflächen sowie Verunreinigung der Umgebung werden verhindert.

Die Schneestrahlreinigung lässt sich automatisieren

Die geringe Härte der feinen Schneekristalle ermöglicht die Reinigung auch von sehr sensiblen und fein strukturierten Oberflächen. Dies eröffnet der QuattroClean-Schneestrahltechnologie ein breites Anwendungsgebiet. Das Verfahren ist unter anderem für die Entfernung von Flussmitteln und Lötrückständen auf PCB und PCBA, die Entfernung von chemischen und partikulären Verunreinigungen auf Bondpads sowie der Reinigung von Batteriezellen vor dem Kontaktieren im Einsatz.

Sämtliche Flussmittelrückstände werden von der Leiterplatte vollständig und prozesssicher entfernt, ohne die PCB-Struktur zu beeinträchtigen. (Bild: ACP Systems)

«Auf Leiterplatten, bei denen oft eine Mischung aus organischen Rückständen wie Fetten, Fingerabdrücken, Flussmittel oder Rückständen aus nasschemischen Reinigungsprozessen vorhanden ist, kann das Verfahren sehr effizient eingesetzt werden. Sehr gute Ergebnisse haben wir darüber hinaus auf Halbleitern und bei Gehäusen, die aus galvanischen oder anderen nasschemischen Prozessen kommen, erzielen können», berichtet Stefan Schmitz. Dazu trägt auch die vergleichsweise einfach durchzuführende Automatisierung der Reinigung beziehungsweise deren Integration in Fertigungslinien bei. «Daraus resultieren zwei Vorteile. So sorgt die automatisierte Reinigung für reproduzierbar homogene Ergebnisse. Wird die Reinigung in den Herstellprozess eingebunden, kann die frisch vorliegende Verunreinigung direkt entfernt werden, bevor sie durch Lagerprozesse zu einem noch grösseren Problem wird», ergänzt Stefan Schmitz.

ACP Systems AG auf der Electronica (10. bis 13. November 2026 in München):  Halle A2, Stand 112