Lead-Frames ätzen

Lead-Frames sind die metallischen Trägerstrukturen, auf die Halbleiterchips montiert und gebondet werden, bevor das Gehäuse vergossen wird. Sie bestehen meist aus Kupferlegierungen, für Sonderfälle aus Eisen-Nickel-Legierungen, und werden je nach Geometrie und Stückzahl geätzt oder gestanzt. Diese Seite zeigt, welche Werkstoffe üblich sind, welcher Pitch sich ätzen lässt und wann das Ätzen dem Stanzen überlegen ist.

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Warum Lead-Frames geätzt werden

Ein Lead-Frame besteht aus der Chipinsel (Die-Pad), den Anschlussbeinchen (Leads) und einem Rahmen, der alles bis zum Vergießen zusammenhält. Je mehr Anschlüsse ein Gehäuse hat, desto enger liegen die Innenleiter am Chip. Beim Ätzen entstehen diese Strukturen ohne Schnittkraft: Die Leads verbiegen sich nicht, es gibt keinen Grat, der beim Bonden oder Vergießen stört, und das Gefüge des Bandes bleibt unverändert. Leitfähigkeit, Bondbarkeit und Lötbarkeit entsprechen damit dem Ausgangswerkstoff.

Dazu kommt das Werkzeug. Eine Geometrieänderung braucht beim Ätzen nur eine neue Fotomaske. Ein Folgeverbundwerkzeug für gestanzte Lead-Frames kostet dagegen ein Vielfaches und hat Vorlaufzeiten von Wochen bis Monaten. Für Musterserien, Gehäuseentwicklungen und Varianten mit wenigen tausend Stück ist das Ätzen deshalb die übliche Wahl.

Werkstoffe für Lead-Frames

Die Werkstoffwahl ist ein Abwägen zwischen elektrischer Leitfähigkeit, Festigkeit der dünnen Leads und Wärmeausdehnung gegenüber dem Chip. Silizium dehnt sich mit etwa 2,6 ppm/K aus, Kupferlegierungen mit rund 17 ppm/K. Kunststoffgehäuse fangen diesen Unterschied ab, Keramik- und Glasdurchführungen nicht.

Alle genannten Werkstoffe lassen sich fotochemisch ätzen. Mehr zu Kupfer und seinen Legierungen steht unter Kupfer ätzen, zu Eisen-Nickel-Legierungen unter Nickel ätzen.

Design-Regeln: welcher Pitch geht?

Beim Ätzen wirkt die Lösung von beiden Seiten und greift das Band auch seitlich an. Deshalb hängt die kleinste Struktur an der Banddicke. Mit den Faustregeln aus unserer Toleranz-Übersicht (Spalt ≥ 1,1 × Dicke, Steg ≥ 0,8 × Dicke) ergeben sich diese Richtwerte:

Die Werte gelten für durchgeätzte Strukturen und sind Orientierung, keine Zusage; der Ätzbetrieb prüft die konkrete Zeichnung. Wenn die Innenleiter feiner werden müssen, als die Banddicke erlaubt, lassen sich die Leiterspitzen vorab einseitig dünner ätzen. Dann gilt die Regel für die reduzierte Dicke.

Halbätzung bei QFN- und DFN-Frames

Bei Gehäusen ohne herausstehende Beinchen, etwa QFN und DFN, liegen Die-Pad und Anschlüsse an der Gehäuseunterseite frei. Damit die Vergussmasse die Anschlüsse trotzdem fest umschließt, werden Kanten und Stufen von einer Seite auf etwa die halbe Dicke zurückgeätzt. Diese Stufen verankern das Metall mechanisch im Kunststoff. Ein Stanzwerkzeug kann solche Teiltiefen nicht erzeugen, weshalb diese Frames praktisch immer geätzt werden. Halbätzung und Durchätzung entstehen im selben Durchgang über unterschiedliche Masken auf Ober- und Unterseite.

Ätzen oder Stanzen?

Die allgemeine Abwägung mit Kostenbeispiel steht unter Stanzen vs. Ätzen.

Nachgelagerte Prozesse

Nach dem Ätzen werden Lead-Frames in der Regel veredelt: Silber als punktuelle Beschichtung auf den Bondflächen, alternativ eine durchgehende Nickel-Palladium-Gold-Schicht (Pre-Plated Frame), die auch die spätere Lötfläche abdeckt. Die Chipinsel wird bei Bedarf durch Prägen abgesenkt (Downset), und nach dem Vergießen werden die Außenleiter verzinnt, freigeschnitten und gebogen. Ob die Veredelung beim Ätzbetrieb oder bei einem separaten Galvanikbetrieb liegt, hängt vom Anbieter ab und sollte in der Anfrage stehen.

Was über aetzen.de realistisch ist

Lead-Frames für Standard-IC-Gehäuse in Millionenstückzahlen fertigen spezialisierte Lead-Frame-Hersteller, zum großen Teil in Asien. Über aetzen.de passen vor allem Muster und Prototypen, Kleinserien, Frames für Sensoren, Leistungsmodule und Sondergehäuse sowie Frames aus Alloy 42 oder Kovar. Für eine Anfrage reichen Zeichnung oder DXF, Werkstoff, Banddicke, Stückzahl und die gewünschte Lieferform (Einzelstreifen oder Nutzen). Ablauf und benötigte Angaben stehen unter Ätzteile bestellen, Kostenrichtwerte unter Was kostet Ätzen?.

Häufige Fragen

Kann ich einen einzelnen Lead-Frame als Muster ätzen lassen?

Ja. Muster werden im Nutzen auf einem Blechbogen gefertigt, die Fotomaske ist das einzige Werkzeug. Eine Mindestmenge gibt es über aetzen.de nicht; wirtschaftlich sinnvoll ist ein Nutzen mit mehreren Streifen, weil die Maskenkosten ohnehin anfallen.

Welche Daten braucht der Ätzbetrieb?

Eine bemaßte Zeichnung oder DXF/DWG mit Streifenaußenmaß, Werkstoff, Banddicke, Toleranzangaben für die Innenleiter und gegebenenfalls die Halbätzbereiche als eigene Ebene. Angaben zur Veredelung und zum Downset gehören dazu, falls der Betrieb sie mit anbieten soll.

Warum sind QFN-Frames fast immer geätzt?

Weil sie Halbätzstufen zur Verankerung in der Vergussmasse brauchen. Diese Teiltiefen entstehen nur beim Ätzen, beim Stanzen gibt es sie nicht.

Ab welcher Stückzahl lohnt sich ein Stanzwerkzeug?

Eine feste Grenze gibt es nicht. Stanzen lohnt, wenn die Geometrie über Jahre stabil bleibt und die Stückzahl die Werkzeugkosten deutlich überwiegt. Bei Fine-Pitch-Geometrien und bei Halbätzung bleibt Ätzen auch in großen Serien die Regel.