Chip & Wire und COB Technologien

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1 Chip & Wire und COB Technologien Die- und Drahtbondtechnologie Feinstdraht- und Bändchenbonden für Hochfrequenzapplikationen COB Technologie Dickdraht- und Bändchenbonden für Power Module Qualifikation von Zulieferern, Prozessen und Mitarbeitern Technologische Unterstützung, Prototypen- und Kleinserienfertigung Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Analytik Forschungsaktivitäten Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mi krointegration IZM entwickelt in enger Ko opera tion mit dem Forschungsschwerpunkt Techno logien der Mikroperipherik der Tech nischen Universität Berlin seit weit über 10 Jahren Grundlagen und neue Technologien für zukünftige Aufbauund Verbindungstech niken (AVT) von mikroelektronischen und mi krosystemtechnischen Bautei len und Ge samt sys temen (Electronic Assembly and Packaging). Der Institutsverbund befasst sich mit dem Design, der Technologieentwicklung, der Qualität und Zuverlässigkeit sowie der Herstellung von Kom po nenten und Systemen der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Das Die- und Drahtbonden als anteilsmäßig bedeutungsvollste Verbindungstechnik bei der Halbleitermontage wird im Institutsverbund vielfach eingesetzt, optimiert und weiterentwickelt. Anwendungen liegen u. a. in der Chip on Board Technik (speziell im Standarddrahtbereich), Leis - tungsmodul-technologie (Dickdrahtbereich), Hochfrequenztechnik (Fine Pitch, Feinstdraht, Bändchen) und im Sensoraufbau (Hybridtechnik). Die- und drahtbondkontaktierte LED Bond Pad Pitch von 25 µm beim Feinstdrahtbonden im Laborbetrieb

2 Die- und Drahtbondtechnologie Im IZM Branch Lab in Berlin Adlershof stehen für alle derzeit üblichen Die- und Drahtbondverfahren vollautomatische Bonder zur Verfügung, mit de ren Hilfe industrierelevante Technologieentwick lungen und -optimierungen durchgeführt werden. Typisch im Bereich der Diebondtechnologie ist dabei das vollautomatische Dispensen oder Stempeln von Die-Klebern auf Substrate jeglicher Art, das Pick & Place der Halbleiter von Tapes oder Wafflepacks und das sich anschließende Aushärten der Kleber. Insbesondere beim Aufbau von Leistungselektronik werden Nacktchips (ungehäuste Halbleiter) aber auch auf verschiedenste Arten gelötet (Preform und Pastenverarbeitung, Löten unter Schutz- oder Formiergas, im Vakuum oder in der Dampfphase). Beim Drahtbonden stehen im Standarddrahtbereich (25 50 µm) das US-Wedge/Wedge-Bonden von AlSi1-Draht oder mit Al beschichteten Au-Drähten bei Raumtemperatur ebenso im Vordergrund wie das TS-Ball / Wedge-Verfahren von Au- und Cu-Drähten. Kontaktiert werden dabei sämtliche denkbaren Substrate wie Chips, Leiterplatten, Keramiken oder Leadframes. Die Vera r - beitung von Dickdrähten bis 500 µm Durchmesser bzw. auch Dickdraht-Bändchen bis 2 mm mit rechteckigem Querschnitt erfolgt dabei bei Raumtemperatur mittels US-Bonden vorwiegend im Bereich der Leistungselektronik. Drahtbondtrends Derzeitige Entwicklungen bzw. Anwendungsanforderungen in der Drahtbondtechnik umfassen: (Ultra)-Fine-Pitch / Fine Wire Bonding: Automatische Verarbeitung von immer dünneren Drähten (< 20 µm) bei zunehmend verringerten Pitches (< 50 µm) Short (< 750 µm), low (< 90 µm) und long (> 7 mm) loop Bonding Deep Access Bonding: Bonden in engen Vertiefungen und nahe an Gehäuse- oder Bauteilwänden Bonden bei Raumtemperatur mit Au, Cu und mit Al beschichteten Au- oder Cu-Drähten Bonden auf alternativen Finish-Metallisierungen (z. B. chemisch Ag, Ni / Pd / Flash-Au oder Cu mit Schutzschichten) Al-, Au- oder Al / Cu-Bimetall-Bändchenbonden bis max. 2 x 0,2 mm 2 Bonden komplexer bzw. anspruchsvoller Systeme wie HF Module oder Mikrosysteme / MEMS-Devices, Hochtemperaturelektronik oder Aufbauten auf Flex-Material. Feinstdraht- und Bändchenbonden für Hochfrequenzapplikationen Hochfrequenzbauteile benötigen kurze Verbindungsstrecken, um bei höchstmöglichen Frequenzen arbeiten zu können. Kurze Signalwege können durch kleinste Bondpadabstände und beste Übertragungsmöglichkeiten bei sehr hohen Frequenzen (ab ca. 30 GHz) durch Bändchenbonden realisiert werden. Im Finepitch / Feinstdrahtbereich sind am Fraunhofer IZM Padgeometrien bis zu einem Pitch von 35 µm mit Bonddrähten im Au-TS-Ball / Wedge- Bondverfahren ebenso verarbeitbar wie feinste Au- und Al-Drähte (17,5 µm) im Wedge / Wedge- Verfahren mit Spezialtools und Bändchen mit Querschnitten von typischerweise 12,5 µm x 50 µm. Dabei können auch geringste Pad abstände (< 250 µm) und Loophöhen (< 80 µm) eingestellt werden. Staged Fine Pitch Ball-Wedge Bonding

3 COB Technologie COB Trends Die COB Technologie ist ein schon länger eta - blier ter Integrationsprozess der im Vergleich zu Stan dardtechnologien ein hohes Miniaturisierungs po tential bietet, bei großer Flexibilität und Kompa tibilität zur SMD-Montage und anderen Aufbau- und Verbindungstechniken. Ausgangspunkt in den 90er Jahren war das Bestreben, mikroelektronische Baugruppen möglichst kostengünstig und höchst zuverlässig aufzubauen, bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Package-Dimensionen. Dabei wurde zumeist preiswertes Leiterplatten-Standardmaterial mit Ni / Flash-Au Metallisierungsfinish eingesetzt, auf das die Halbleiter meistens mit auf Epoxy basierenden Klebern befestigt und mit AlSi1-Standard - draht kontaktiert wurden. Der Verkapselungsschutz wurde i. d. R. durch Glob Top-Materialien mit angepassten thermischen Ausdehnungskoef fizienten realisiert. Speziell KMUs haben in den letzten Jahren zunehmend die Möglichkeit erkannt und genutzt, durch den Einsatz der Nacktchip verarbeitung Zeit und Geld zu sparen, insbesondere, wenn die Einfüh rung der COB Technologie durch das Know How sowie das technologische und analytische Equip ment von Instituten wie dem IZM begleitet wird. Dementsprechend ist eine Part nerschaft diese neuen Prozesse betreffend ein hervorra - gendes Mittel sich einem wachsenden und anspruchsvollen Markt zu stellen. Heutzutage werden allerdings auch Leiter platten mit hohen Glasübergangstemperaturen (150 C), in z-richtung verringerten Ausdehnungs koef fi zienten, Flexmaterialien oder anorganisch nichtmetallische Substrate wie Keramiken (COC = Chip on Ceramic) eingesetzt sowie andere produktivere Verfahren wie das Au-TS-Ball/Wedge-Bonden genutzt. Dazu bedarf es allerdings alternativer Finish-Metallisierungen wie beispielsweise chemisch Ag oder Ni/Pd/Flash-Au. Zum Au-Bonden bei Raumtemperatur liegen am IZM ebenfalls Untersuchungsergebnisse vor. Zur Erweiterung der Verarbeitungsmöglichkeiten stehen am IZM Berlin noch eine Reihe begleitender Technologien zur Verfügung. So kann beispielsweise zum Reinigen bzw. zur Oberflächenbeeinflussung von Substraten eine Plasmaätze (Sauerstoffplasma) oder Laserbestrahlung genutzt werden. Mit einem Ablationslaser (3 Wellenlängen, Spotgrößen etwa 2 µm bis 250 µm) können außerdem Mikrostrukturierungen vorgenommen werden. Anwendungen sind beispielsweise die Unterbrechung von Leiterzügen auf Chips und Leiterplatten, das Trimmen von gedruckten Widerständen in Hybridschaltungen oder das selektive Entfernen von Schichten wie etwa Passivierungen und Lötstoplacke. Glob Top Dispensen COB Demonstrator

4 Dickdraht- und Bändchenbonden für Power Module Die AVT von Leistungselektronikmodulen bedarf neben möglichst porenarmen Die-Attach-Ver bin - dungen auch höchst zuverlässiger Dickdrahtbondverbindungen ( µm). Bei deren Verar beitung auftretende hohe mechanische Belastungen bedeuten gerade für dünne Chips zusammen mit dem Temperaturhub bei aktiver Stromwechselbeschaltung im Betrieb enorme mechanische Beanspruchungen besonders der Wedges (unterschiedliche CTE von Chip, Al-Draht, Lot und Substrat). Auswirkungen auf die Lebensdauer von Power Modulen haben deshalb neben dem Beanspruchungsprofil bereits die einzelnen Prozessschritte und damit die Aufbauqualität. Unsere Aktivitäten umfassen: Kooperationen mit Substratherstellern zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, der Kühlung und der Zuverlässigkeit Entwicklung von Kühlkonzepten zur Abfuhr der im Betrieb entstehenden Verlustwärme Innovative Löttechnologien zum porenfreien Aufbau von Chips und großen Substraten Dickdraht- und Bändchenbonden Optimierung der Verkapselungs- und Gehäu sungstechnologien Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanalysen Messstandkonzeption für Power Cycling Durchführung elektrischer Funktionstests Lebensdauervorhersagemodelle Entwicklung alternativer Kontaktiertechnologien und Materialkombinationen Qualifikation von Zulieferern, Prozessen und Mitarbeitern Die Qualität von C&W und COB Aufbauten hängt maßgeblich von der Ausgangsqualität sämtlicher eingesetzter Komponenten und insbesondere von der Bondbarkeit der Träger substrate und Halb leiter ab. Hier bietet das IZM Unterstützung bei der Spezifikation und dem Test der Ausgangs werkstoffe wie z. B. PCB, Die-Attach-Kleber, Bonddrähte und Verkap selungsmaterialien, sowie bei der Auswahl des einzusetzenden Equipments inkl. der Werkzeuge. Beispielsweise hängt die Bondbarkeit von PCB-Material vom Grundwerk stoff (Art, Dicke, etc.) und dessen Metallisierungs system genauso ab wie von der Oberflächenrau higkeit und dem Schwingungsverhalten der Pads. Hier kann mit unserer Hilfe in enger Kooperation mit den Herstellern PCB für COB Anwendungen oder auch eine ganze Prozesskette analysiert und qualifiziert werden. Dabei helfen die am IZM verfügbaren analysetechnischen Möglichkeiten wie z. B. Rauhig keitsmessungen mit Auflösungen im nm-be reich, metallographische Techniken (Schliffe, REM, EDX, ESCA, FIB, Mikro- und Nanohärte messung), RFA aber auch zerstörende (mechanische) und nicht zerstörende Tests wie X-ray oder Sonoscan. Zur Qualifikation und Weiterbildung werden am IZM regelmäßig mehrtägige Die- und Drahtbond lehrgänge angeboten. Zum Inhalt der Kurse existiert ein separater Flyer. Alle Angebote finden Sie auch unter Die- und drahtgebondetes Leistungselektronikmodul Die- und Drahtbondschulung am IZM

5 Technologische Unterstützung, Prototypen- und Kleinserienfertigung Sei es für Trouble Shooting bei Problemen in der Serienfertigung oder zur Einstellung und kontinuierlichen Sicherung der Qualität, in jedem Fall bietet das IZM direkte technologische Unterstützung kurzfristig oder auch kontinuierlich an. Dabei unterstützten wir beim Finden richtiger Partner (z. B. PCB-Lieferer), geeignetem, kosten - effizientem Equipment, bei der Technologieentwicklung und -optimierung sowie bei Zuverlässigkeitsanalysen bezogen auf die unterschiedlichen Anwendungsfelder wie Consumer-, Telekommu - nikations- oder Automotiveelektronik bzw. andere Applikationen. F & E-Arbeiten, Prototypen- und Kleinserienfertigung, reguläre Prozessqualitätskontrolle, Zuverlässigkeits- und Schadensanalysen, Technologietransfer und Fortbildung z. B. auf dem Gebiet der COB Technologie sind Beispiele für den IZM-Service für Kunden aus Industrie und Forschung. Das Equipment am Fraunhofer IZM umfasst dabei automatische Die- sowie Drahtbond- und Dispensgeräte inklusive verschiedenster Messund Testmöglichkeiten. Der Institutsservice bietet ganze Prozessketten aber auch einzelne Prozessschritte wie z. B. das Drahtbonden oder alle COB-relevanten Verfahrensschritte, beginnend mit der Konzeption und dem Design über Ma te rial-, Werkzeug- und Prozessauswahl bis hin zu qualitäts- und zuverlässigkeitsrelevanten Maß nahmen. Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Analytik Die Zuverlässigkeit von die- und drahtgebondeten Komponenten und Produkten kann für unsere Kunden durch standarisierte oder speziell zu benennende bzw. zu entwickelnde Testmethoden geprüft werden, beginnend bei der Inspektion der Oberflächen von Drahtbondbereichen bis hin zur Lebensdauerabschätzung von Komponenten und Modulen. Typische Testbedingungen sind: Temperaturzykeltests im 1-, 2- oder 3-Kammerschrank Mechanische Schocktests Active Power Cycling Temperaturauslagerung Feuchte Wärmeauslagerung z. B. bei 85 C und 85 % r. F. Pressure Cooker oder HAST Die Zuverlässigkeit kann dabei im Vergleich zu nationalen, internationalen oder firmenspezifischen Standards bewertet werden, wie z. B. DIN IEC, ASTM und MIL-STD. Weiterhin können vi suelle, mechanische und in situ Qualitätsbe - wer tungen ebenso angeboten werden wie de taillierte Schadens- bzw. Fehleranalysen. Die viel fältigen analysetechnischen Möglichkeiten am IZM finden Sie auf unseren Internetseiten ausführlicher dokumentiert. Demonstrator, optisches Sensorsystem in COB Stacking Technologie Au-Al-Interdiffusion mit Phasen- und Porenwachstum

6 Forschungsaktivitäten Kontakt Seit Jahren werden am IZM Grundlagenuntersuchungen zu den metallkundlichen Abläufen beim Drahtbonden durchgeführt, die zur stoffkundlichen Verbindungen zwischen Drahtwerkstoff und Substratmetallisierung führen. Die Ermittlung dieser metallkundlichen Vorgänge in den einzelnen Stadien des Bondprozesses, welche die Ausbildung des Grenzflächen- Nanogefüges bewirken, soll zu einem besseren Verständnis der Verbindungsbildung beim Drahtbonden führen. Dies ist heutzutage insbesondere vor dem Hintergrund immer dünnerer Bonddrähte (deutlich kleiner als 25 µm) und kleinerer An schlussgeometrien (< 50 µm) sowohl auf den Halbleiter- als auch den Verdrahtungs träger materialien von enormer Wichtigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung eines Bondmodells zur Beschreibung der Wirkungs weise einzelner Bondparameter und deren Zusammenwirken. Durch die Anwendung der Focused-Ion- Beam-Methode (FIB) als Präparationsverfahren und transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Untersuchungen konnten bereits die sehr feinen Gefügestrukturen (Kornstrukturen < 500 nm) eines genutzten 25 µm AlSi1-Bond - drahtes in den Phasen des Bondprozesses und die Grenzfläche von mittels Ultraschall (US) drahtgebondeten AlSi1-Wedges auf mit Standardmetallisierung beschichteten Leiterplatten (18 µm Cu, ca. 6 µm chemisch Ni(P), nm Flash-Au) beschrieben werden. Charakteristisch ist, dass die Grenzfläche zwischen Draht und Metallisierung nach dem Bonden noch eine ca. 50 nm durchgehende Goldschicht zeigt und eine etwas dünnere (ca. 30 nm), darüber liegende zweite Zone, die als intermetallische Al 3 Au 8 -Phase identifiziert werden konnte. Weitere Forschungsaktivitäten beziehen sich auf verschiedenste Ausfallmechanismen bei der Drahtbondkontaktierung, z. B. basierend auf Interdiffusions-, Korrosions- oder Ermüdungs vorgängen. Ziel ist es, verbesserte Lebensdauer vorhersagemodelle zu entwickeln und zu verifizieren. Gefüge- und Interfaceuntersuchungen beim AlSi1-Wedge / Wedge-Bonden Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM Prof. Dr.- Ing. Dr.- Ing. E. h. Herbert Reichl Gustav-Meyer-Allee 25 / TIB 4/ Berlin Fon: +49.(0) Fax: +49.(0) www: Gruppenleiter Advanced Chip & Wire Bonding: Dipl.- Ing. (FH) Stefan Schmitz Fon: +49.(0) Fax: +49.(0) IZM Branch Lab in Berlin Adlershof Volmerstraße 9A Berlin Sekretariat Fon: +49.(0) Fax: +49.(0) Konzept & Redaktion: M.Creutzfeldt / MCC Berlin + Fraunhofer IZM, Berlin Design: J. Metze / Atelier f:50 Berlin CWCOB 08/08-02d

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