Verarbeitung von ungehäusten Bauteilen ( Dice )

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1 Verarbeitung von ungehäusten Bauteilen ( Dice ) 1

2 Prinzipielle Methoden: Chip & Wire TAB Flip-Chip Bild 1: Schematische Darstellung Chip & Wire Bild 2: Schematische Darstellung TAB Bild 3: Schematische Darstellung Flip-Chip Das Bauteil wird in einem ersten Arbeitsschritt mit seiner Rückseite auf den Schaltungsträger z.b. mittels Kleben, Löten oder eutektisch Legieren montiert. (Die-Bonden) In einem zweiten Arbeitsschritt erfolgt das Verbinden der Bauteilanschlüsse mit dem Schaltungsträger. Dabei wird jede Verbindung nacheinander einzeln hergestellt (Draht-Bonden). An das Bauteil ist ein Zwischenträger, ähnlich einer flexiblen Leiterplatte, angebracht. Dieser wird vom Bauteilhersteller fest mit dem Bauteil verbunden (Inner-Lead-Bond). Die äußeren Anschlußenden des Zwischenträgers verbindet der Anwender mit dem eigentlichen Schaltungsträger. Mit einem speziellen Werkzeig, das der Anwender selbst bereitstellen muß, werden alle Außenverbindungen gleichzeitig hergestellt und das Bauteil aus dem Zwischenträger ausgestanzt. Sowohl Inner-Lead-Bond als auch die Verbindung der Außenanschlüsse erfordern spezielle Maschinen und Werkzeuge. Deshalb kommt diese Art der Diemontage nur dort zur Anwendung, wo große Stückzahlen, z.b. Chipkasten, hergestellt werden. Bei der Diemontage mittels Flip- Chip-Technik werden die Verbindungen zwischen Bauteil und Schaltungsträger als Lötstellen ausgeführt. Der Halbleiterhersteller stellt auf den Anschlußflächen sogenannte Bumps in Form von kleinen Lotkugeln her. Diese Lotkugeln werden vom Anwender auf den Schaltungsträger gelötet. Der Durchmesser der Lotkugeln gewegt sich im Bereich von kleiner 100µm. Diese Form der Diemontageweißt eine Reihe von Vorteilen, z.b. sehr geringer Platzbedarf, kleine Anschlußinduktivität, auf. 2

3 Diemontage Bonddraht Halbleiterbauteil (Die) Leiterbahn Substrat Bild 4: Schematische DarstellungChip & Wire Anforderungen an die Verbindung Bauteil mit dem Substrat (Diemontage): Die Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil und dem Substrat muß unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Selbstverständlich muß die Verbindung eine sichere mechanische stabile Befestigung des Bauteils gewährleisten. Die Verbindung muß diese Anforderung über den gesamten Temperaturbereich in dem die Baugruppe bzw. das Bauteil betrieben wird erfüllen. ( Die Bauteiltemperatur bei Halbleiterbauteilen kann nahe an die max. Sperrschichttemperatur, für Si z.b. 175 C, heranreichen. ) Bei steigender Bauteiltemperatur steigt zum einen die Ausfallwahrscheinlichkeit und zum anderen nimmt die Lebensdauer des Bauteils ab. So gilt als Faustwert, daß eine Erhöhung der Temperatur bei einem Halbleiterbauteil um 10 C dessen Lebensdauer halbiert. Diese Halbierung setzt sich bei jeder weiteren Temperaturerhöhung um jeweils 10 C fort. Vor diesem Hintergrund ergibt sich eine weitere Anforderung an die Verbindung zwischen Bauteil und Substrat, die Verbindung muß gut wärmeleitend sein. Je nach Funktion des Halbleiterbauteils muß die Rückseite des Bauteils auch elektrisch kontaktiert werden. So ist z.b. bei Transistoren die Rückseite in der Regel der Kollektoranschluß bzw. bei FETs der Drainanschluß. Selbst wenn die Rückseite des Halbleiterbauteils keinen direkten funktionalen Anschluß darstellt ist für einen sicheren Betrieb des Bauteils innerhalb den elektrischen Spezifikationen in der Regel der Anschluß an ein bestimmtes elekrtisches Potential notwendig. Daraus ergibt sich, daß die Verbindung Bauteil-Substrat auch elektrisch leitfähig sein muß. Anforderungen an die Draht-Verbindung vom Bauteil zur Leiterbahn auf dem Substrat (Drahtbondverbindung): Die Drahtverbindung zwischen den einzelnen Anschlüssen auf dem Bauteil und den jeweiligen Anschlüssen auf dem Substrat muß mechanisch stabil sein und selbstverständlich niederohmig sein. Da dabei unterschiedliche Materialien (Pad auf dem Halbleiter, Drahtmaterial, Leiterbahn auf dem Substrat) miteinander verbunden werden, müssen diese eine metallische Verträglichkeit untereinander aufweisen. 3

4 Übliche Lieferformen ungehäuster Halbleiterbauteile Im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik bei komplexen Baugruppen kommen üblicher Weise zwei Lieferformen für ungehäuste Bauteile zur Anwendung: - als Wafer - im Chip-Tray oder auch waffle-pack genannt Wafer Bild 5: Gesägter Wafer aufgespannt auf Folie im Rahmen und dazugehörige Transportverpackung Halbleiterbauteile werden als sog. Wafer im Mehrfachnutzen gefertigt. Um die einzelnen Bauteile zu vereinzeln wird der Wafer auf eine Folie aufgezogen, in einen Rahmen gespannt und anschließend gesägt. Auf einem Wafer können sich dabei mehrere tausend Bauteile befinden. Bei der Fertigung von Baugruppen kleinerer und mittlerer Losgrößen kann dann die gelieferte Bauteilanzahl die benötigte Menge um ein vielfaches übersteigen, so daß diese Lieferform unwirtschaftlich wird. Die Bauteile werden vom Halbleiterhersteller bevor dieser sie in ein Gehäuse einsetzt elekrtisch getestet. Dieser, vom Halbleiterhersteller vorgenommene Test stellt in der Regel nur eine sehr grobe funktionale Prüfung dar. Bauteile die diese Prüfung nicht bestehen werden mit einem Farbpunkt gekennzeichnet (geinkt). Da der Test nur eine grobe Funktionsprüfung darstellt, bleiben viele nicht funktionsfähige Bauteile unerkannt. Um die Bauteile auf die Baugruppen montieren zu können, müssen diese von der Folie abgenommen werden und genau auf die Baugruppe plaziert werden. Um das Bauteil von der Folie abzulösen, wird mit einem dünnen Stift (Nadel) von unter durch die Folie gestochen, das Bauteil angehoben, u.u. die Folie mittels Vakuum nach unten weggezogen und das Bauteil mittels einer Vakuumpinzette abgenommen. Dieser Vorgang läßt sich sehr gut automatisieren ist manuell allerdings schwierig durchzuführen. Auch aus diesem Grund ist die Lieferform Wafer im Bereich der kleinen und mittleren Stückzahlen bei der Baugruppenfertigung ungünstig und nicht zuletzt unwirtschaftlich. 4

5 Chip-Tray Bild 6: Einzelne Halbleiterbauteile im Chip-Tray (wafflepack) Werden Halbleiterbauteile in kleinen Stückzahlen benötigt, so bietet sich das Chip-Tray als wirtschaftliche Lieferform an. Der Halbleiterhersteller oder ein sog. Diehaus testen die Halbleiterbauteile weitgehend auf ihre Funktion, nehmen die Bauteile von der Folie ab und setzen jedes einzelne Bauteil in ein der Chipgröße angepaßtes Fach innerhalb des Chip-Trays bzw. waffle-pack. Im Chip-Tray gelieferte Bauteile stehen deshalb auch in kleineren Stückzahlen und weitgehend funktionsgeprüft zur Verfügung. Allerdings werden bei weitem nicht alle Halbleiterbauteile in dieser Form angeboten. Die Typenauswahl ist deshalb sehr eingeschränkt. Zudem muß der erhebliche Aufwand in Hinblick auf weitgehenden Funktionstest und Handling des Bauteils teuer bezahlt werden, so daß im Vergleich zu den gehäusten Bauteilen Halbleiterbauteile im Chip-Tray erheblich teurer sind. Die Lieferform Chip-Tray wurde vor allem in Hinblick auf ein einfaches manuelles Handling entwickelt. Die Bauteile lassen sich einfach mit einer Vakuumpinzette aus dem jeweiligen Fach entnehmen und auf der Baugruppe positionieren. Selbstverständlich muß dabei das Bauteil sehr sorgfältig behandelt werden, da die sehr feinen Strukturen des Bauteils offen liegen und selbst kleinste mechanische Beschädigungen zur Zerstören des bauteils führen können. 5

6 Diemontage Für die Diemontage kommen verschiede Montagetechniken zur Anwendung: - Kleben (Epoxy-Diebonden) - Löten - eutektisches Legieren Die am häufigsten angewandte Methode ist das Kleben mit elektrisch leitfähigen Epoxidharz-Klebern, die mit Silberpartikel gefüllt sind. Kleben (Epoxy-Diebonden) Bild 7: Schematische Darstellung Epoxy-Diebond-Verbindung Der Kleberauftrag erfolgt - per Hand, z.b. mit einer Spatel, einem Pinsel oder einer Nadel - mit einem Dispenser - im Siebdruck - in Stempeltechnik Es ist darauf zu achten, daß die gesamte Rückseite des Bauteils mit dem Kleber benetzt ist und daß der Kleber an der Seite des Bauteils nur etwa bis zur Hälfte hochsteigt. (siehe Bild 7) Das Aushärten des Klebers erfolgt in der Regel im Wärmeschrank. Niedrige Aushärtetemperaturen im Bereich C bedingen lange Aushärtezeiten zwischen Minuten. Von Vorteil ist dabei, daß die thermische Belastung der Baugruppe niedrig ist und eine große Ealstizität der Klebestelle erreicht wird. Nachteilig ist, daß die mechanische Festigkeit der Verbindung bedingt durch die geringere Vernetzung des Klebers niedrig bleibt. Bei hohen Aushärtetemperaturen (Bereich C) und kurzen Aushärtezeiten (Bereich Minuten) werden hohe mechanische Festigkeiten erreicht, allerdings nimmt die Elastizität der Verbindung deutlich ab. 6

7 Bei großflächigen Halbleiterbauteilen, z.b. Powertransistoren müssen bei der Aufbringung des Klebers mittels Dispenser mehrere Klebepunkte gesetzt werden. Bild 8 zeigt als Beispiel den Kleberauftrag bei einem Power- MOSFET der Chipgröße 6x4mm². Bild 8: Klebepunkt zur Montage eines Power- MOSFETs der Größe 6x4mm² Bei der Klebetechnik besteht immer die Gefahr von Lufteinschlüssen unter dem Bauteil. An diesen Stellen ist weder eine elektrische Leitfähigkeit, noch eine thermische Leitung gegeben. Die kann zur parziellen Überhitzung des Bauteils und somit zu dessen Zerstörung führen. Um Lufteinschlüsse in der Klebeverbindung zwischen Bauteil und Schaltungsträger sichtbar zu machen eignet sich die Ultraschallmikroskopie sehr gut. Bild 9 und 10 zeigen US-Aufnahmen von Diebondverbindungen bei denen der Kleber wie in Bild 8 aufgetragen wurde. Bild 9: US-Aufnahme einer Diebond-Verbindung die dunklen Stellen sind Klebepunkte, die hellen Stellen dazwischen zeigen Lufteinschlüsse. Die Diebondverbindung ist sehr schlecht Bild 10: US-Aufnahme einer Diebond- Verbindung die dunklen Stellen sind Klebepunkte, die hellen Stellen dazwischen zeigen Lufteinschlüsse. Die Diebondverbindung ist mangelhaft Der Kleber wird in der Regel in einem Wärmeschrank ausgehärtet. Die Aushärtetemperatur und die Aushärtezeit sind vom Klebertyp abhängig. Allgemein gilt, je höher die Aushärtetemperatur, desto kürzer die Aushärtezeit. Eine hohe Aushärtetemperatur führt in der Regel zu höherer mechanischer Festigkeit. Die Elastizität der Klebeverbindung nimmt dagegen ab. Dies kann zu einer Schädigung der Diebondverbindung bei Temperaturwechselbeanspruchungen führen, da sich das Halbleiterbauteil im Verhältnis zum Schaltungsträger anders ausdehnt und so thermisch induzierte mechanische Spannungen auf die Diebondstelle einwirken. 7

8 Weichlöten Prinzipiell kann die Verbindung zwischen einem Die und dem Schaltungsträger mittels Reflow-Löttechnik erfolgen. Dabei sind aber verschiedene Geschichtspunkte zu beachten: - Das Bauteil muß eine auf das Lot abgestimmte Rückseitenmetallisierung aufweisen ( Gold kann z.b. nicht mit SnPB-Lot gelötet werden, da das Gold ablegiert wird) gängige Rückseitenmetallisierungen sind z.b. Ti ; NiSi ; AbSi ; Ni bei n-dotiertem Silizium und Al ; AuGa ; AuIn ; Ni ; Ag bei p-dotiertem Silizium - Alle Oberflächen, die an der Lötung beteiligt sind sollen frei von Oxid sein - Flußmittelfreies Löten in reduzierender Atmosphäre, z.b. gereinigtes H 2 oder H 2 N 2 -Gemisch - Besteht die Gefahr von Gaseinschlüssen so muß im Vakuum gelötet werden Es gibt eine Vielzahl von Gründen, warum als Diemontage das Weichlöten sehr selten zur Anwendung kommt: - Sowohl Schaltungsträger, als auch die Dice müssen so gelagert werden, daß sie vor Oxidation geschütz sind, da keine Flußmittel beim Löten verwendet werden. - Das Löten unter Schutzgas bzw. im Vakuum ist aufwendig und teuer - Die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Lotes verschlechtern sich unter Temperaturwechselbeanspruchung durch Materialermüdung - Die Temperaturbelastung während des Lötvorgangs kann für den Halbleiter sehr hoch sein und diesen schädigen - Die Oxidationsneigung des Lots beschleunigt die Materialermüdung, daher ist eine hermetische Kapselung der Schaltung anzuwenden Vorteile des Weichlötens bei der Diemontage sind: - Die Lötverbindung weißt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf - Die Wärmeleitfähigkeit der Lötverbindung ist groß - Durch das duktile Verhalten des Lotes ist die Montage auf thermisch nicht angepaßte Träger möglich Einsatzbereiche des Weichlötens bei der Diemontage sind: - Leistungselektronik - Diodenmontage in Gehäuse 8

9 Anlegieren (eutektik-bonden) Zwischen Gold und Silizium kann sich eine eutektische AuSi-Legierung ausbilden. Dieser Umstand wird bei der Diemontage mittels eutektischem Legieren ausgenutzt C C 1404 C flüssige Phase Au+Si flüssige flüssige Phase Phase + kristallines Si C kristalline kristalline Phase s Au Au+Si Si (Atom) % % Au (Atom) Bild 11: Phasendiagramm Gold/Silizium Bei einem Mischungsverhältnis von ca. 32 Atom% Silizium und ca. 68 Atom% Gold stellt sich eine eutektische Legierung mit einer Schmelztemperatur von 370 C ein. Bei diesem Mischungsverhältnis und oberhalb der eutektischen Temperatur befindet sich die Legierung vollständig in seiner flüssigen Phase. Vorraussetzungen für das Anlegieren sind: - Goldmetallisierung der Landfläche - Rückseitenmetallisierung beim Halbleiterbauteil ist nicht erforderlich, allerdings gilt: wenn eine Rückseitenmetallisierung vorhanden ist muß diese aus Gold sein - Verunreinigungsfreie und Oxidfreie Oberflächen Vorteile des Auflegierens sind: - sehr niederohmiger Kontak - sehr gute Wärmeleitung - hohe mechanische Festigkeit - Verbindung ohne Zusatzwerkstoff Nachteile des Auflegierens sind: - hohe Prozeßtemperatur - relativ hoher Ausschußanteil - lange Wärmeauslagerung der Baugruppe zum Abbau thermischer Spannungen nötig - durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Bauteile und des Schaltungsträgers treten hohe mechanische Spannungen auf Seinen bevorzugten Einsatzbereich findet das prozeßtechnisch aufwendige Verfahren des Anlegierens (Eutktik- Diebondens) in der Leistungselektronik. 9

10 Anglasen Bei Verwendung von glasbildenden Keramiken bzw. Keramikträgern und sog. Glasloten können Silizium- Halbleiterbauteile direkt mit der Keramik verbunden werden. Vorraussetzungen dabei sind verunreinigungsfreie Oberflächen, geeignete Keramik als Träger und Halbleiterbauteile ohne Rückseitenmetallisierung. Der Vorteil des Anglasens ist, daß auf dem Halbleiter keine Rückseitenmetallisierung aufgebracht werden muß. Die Nachteile dieses Verfahrens sind: - die hohe Prozeßtemperaturen ( C) - daß keine elektrisch leitende Verbindung möglich ist - daß unterschiedliche Ausdehnungskoeeffizienten zwischen Bauteil und Substrat nicht ausgeglichen werden Das Anglasen findet seine Anwendung vorzugsweise im Bereich der Sensorik. Vergleich verschiedener Diemontagetechniken Merkmale Kleben Weichlöten Anlegieren Anglasen Bondtemperatur in C Bondzeit in s < Therm. Auslagerung in min Benetzungshilfe Kreisbewegung Ultraschall Verbindungswerkstoff a) leitend Weichlot AuSi- Glaslot b) th. leitend meist SnPb Eutektikum c) nichtleitend Die-Rückseite für elektr. leitende weichlötfähige keine keine Verbindung --> Rückseiten- Rückseiten- Rückseiten- Metallisierung metallisiersung metallisierung metallisierung Landefläche elektr. leitend weichlötbar Gold Keramik Ohm.Widerstand in Ωcm a) b) c) Therm.Leitfähigkeit in W/mK a) 1,4..1, ,7..1 b) 0,8..1,5 c) 0,1..0,4 Scherfestigkeit in N/mm²

11 Anodisches Bonden chip & wire - Technik Das Anglasen, auch anodisches Bonden genannt, stellt ein spezielles verfahren dar, das Vorzugsweise im Bereich der Sensorik seinen Einsatz findet. Dabei werden der Halbleiterbauteile auf sog. Pyrex-Glas montiert. Das Pyrexglas kann sowohl als Träger oder als Zwischenschicht zu einem anderen Träger dienen. Pyrexglas besteht aus ca. 80% SiO 2 ; 14% B 2 O 3 ; 4% NaO 2 und 1% A l2 O 3. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Pyrexglas kommt mit 3, /K dem von Silizium mit 2, /K recht nahe. Im Bild 12 ist schematisch die Prozeßanordnung dargestellt. Wichtig beim anodischen Bonden ist der enge Kontakt zwischen dem Siliziumwafer und dem Pyrexglas, der defektfreie, partikelfreie, ebene und sehr glatte Oberflächen vorraussetzt. Pyrexglas Silizium Migration +Na +Na +Na Heizplatte C U = V Bild 12: Schematische Anordnung beim anodischen Bonden = Der Prozeßablauf ist wie folgt: 1. Siliziumwafer und Pyrexscheibe in engen Kontakt bringen und erwärmen ( ca C) 2. Anlegen einer negativien Gleichspannung ( V) an das Pyrexglas bei geerdetem Si-Wafer 3. Durch die hohe elekrtische Feldstärke und die hohe Temperatur wandern Na + -Ionen von der Pyrex-Siliziumgrenzfläche weg und hinterlassen unabgesättigte O-Bindungen 4. Siliziumatome bilden damit feste chemische SiO-Brücken aus, die zur Verbindung zwischen Pyrexglas und Silizium führen. Das Bild 13 zeigt ein Beispiel eines Sensoraufbaus, bei dem ein Drucksensor aus Si auf ein Pyrexglas moniert wurde. Das Pyrexglas dienst dabei zum einen zur mechanischen Verstärkung des Siliziums und zum anderen als Zwischenträger zum Metallgehäuse. Bild 13: Aufbautechnik für einen piezoresitiven Silizium-Druckdsensor 11

12 Drahtbonden Ungehäuste Halbleiterbauteile werden durch Drahtbonden mit dünnen Drähten mit den Leiterbahnen der Schaltung elektrisch kontaktiert. Das Drahtbonden ist eine Mikrofügetechnik. Von einer Mikrofügetechnik spricht man, wenn die Abmessungen der erzeugten Verbindungsstellen im Größenbereich der Werkstoffstruktur wie z.b. Schichtdicken, Rauhtiefe oder Korngröße liegen. Die beim Drahtbonden erzeugten Verbindungen sind Festkörperverschweißungen. Dabei kommen keine zusätzlichen Fügestoffe zum Einsatz. Die Bindung der Fügepartner beruht auf den Kohäsionskräften im Festkörper. Die prinzipielle Schwierigkeit beim Schweißen im festen Zustand besteht darin, eine möglichst großflächige Annäherung der Metallgitter der Fügepartner bis auf Gitterabstand zu erzielen, so daß die atomaren Bindekräfte wirksam werden können und eine wechselseitige Diffusion stattfinden kann. Mindestens einer der Fügepartner muß deshalb plastisch verformbar sein. Im Fall des Drahtbondens ist das immer der Draht. Übliche Drahtbondverfahren sind : - Thermokompressionsbonden (mittels Druck und Temperatur werden die Fügepartner verschweißt) - Ultraschallbonden (mittels Druck und durch Ultraschall erzeugte Reibung werden die Fügepartner verschweißt) - Thermosonicbonden (mittels Druck, Temperatur und durch Ultraschall erzeugte Reibung werden die Fügepartner verschweißt) Neben den physikalischen Größen, die zur Verschweißung der Fügepartner eingesetzt werden unterscheidet man Drahtbondverfahren nach der Ausformung der Bondstellen bzw. entsprechend den verwendeten Bondwerkzeugen in: - Ball-Wedge - Wedge-Wedge Als optimale Kombinationen haben sich gezeigt: - Thermokomprssions- bzw. Thermosonicbonden --> Ball-Wedge - Ultraschall --> Wedge-Wedge Kennzeichen von Drahtbondverfahren sind : - Die Drahtverbindungen haben geringe geometrische Abmessungen - Sie weisen eine gute bis sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf - Sie zeichnen sich durch eine anforderungsgerechte mechanische und thermische Stabilität aus - Sie sind sehr gut automatisierbar 12

13 Ball-Wedge-Bonden Beim Ball-Wedge-Bonden wird eine Kapillare als Werkzeug verwendet. Bild 14 zeigt eine Kapillare von unten. Der Bonddraht ird durch die Bohrung in der Mitte der Kapillare geführt. An das Ende des Bonddrahts wird eine Kugel, der sog. Ball angeschmolzen. Die Phase an der Bohrung dient zur plastischen Verformung des Balls beim Verschweißen an der ersten Bondstelle, der abgerundete Rand der Kapillare dient zur Verschweißung des Bonddrahts an der zweiten Bondstelle. Bild 14: REM-Aufnahme einer Bondkapillare (Blick von unten) Bild 15: REM-Aufnahme erste Bondstelle (Ballbond) Bild 16: REM-Aufnahme zweite Bondstelle (Wedgebond) Bild 15 zeigt die typische Ausformung der ersten Bondstelle, Bild 16 die typische Ausformung der zweiten Bondstelle beim Ball-Wedge-Bonden. Die Form der Bondstellen ist sehr unterschiedlich. Daraus ergibt sich, daß sowohl die Eigenschaften als auch die Bondparameter der beiden Bondstellen sehr unterschiedlich sein können. In der Regel weißt beim Ball-Wedge-Bonden die erste Bondstelle, der Ball eine höhere Zuverlässigkeit (Festigkeit) auf, als die zweite Bondstelle. 13

14 Prinzipieller Ablauf beim Ball-Wedge-Bonden Ausgangssituation Im Bild 17 ist die Ausgangssituation beim Ball-Wedge-Bonden dargestellt. Das Bondwerkzeug (Kapillare) ist im Schnitt dargestellt. An das Ende des durch die Kapillare geführten Bonddraht wurde eine Kugel, der sog. Ball angeschmolzen. Das Bondwerkzeug befindet sich in einem sehr großen Abstand zum Werkstück. Bild 17: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden Ausgangssitiuation Erster Suchposition Im Bild 18 ist zu sehen, daß das Bondwerkzeug abgesenkt wurde. Der Abstand zwischen Bondwerkzeug, bzw. dem Ball und dem Werkstück ist nun sehr klein. Der Ball soll aber das Wrkstück nicht berühren! In dieser Position läßt sich nun die Stelle an der der erste Bond gesetzt werden soll sehr genau anfahren. Bild 18: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden erste Suchposition Erster Bond Bild 19 zeigt die Ausbildung der ersten Bondstelle. Die Kapillare drückt den Ball auf das Bondpad. Druck, Temperatur und ggf. Ultraschall führen zur plastischen Verformung und damit zur Verschweißung des Ball mit der Metallisierung des Bondpads. Bild 19: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden erster Bond 14

15 Loopposition Im Bild 20 hat die Kapillare wieder abgehoben und wurde auf eine Zwischenhöhe, die sog. Loophöhe angehoben. Da der Bonddraht mit dem angeschmolzenen Ball auf dem Bondpad verschweißt ist, wird nun weiterer Draht von der Drahtspule abgewickelt. Bild 20: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden Loopposition Anfahren der zweiten Bondstelle Wie im Bild 21 dargestellt wird nun die zweite Bondstelle in Loophöhe angefahren. Da für die zweite Bondstelle der Rand der Kapillare als Werkzeug zum Verschweißen benutzt wird und der Draht in der Bohrung der Kapillare allseitig umschlossen ist, kann nach der ersten Bondstelle das Bondwerkzeug in jede beliebige Richtung verfahren werden. Dieser Umstand gilt als einer der Hauptvorteile beim Ball-Wedge-Bonden. Bild 21: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden Anfahren der zweiten Bondstelle Zweite Suchposition Bild 22: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden zweite Suchposition Das Bondwerkzeug wird wieder nahe an die zu bondende Oberfläche abgesenkt. Wichtig ist dabei, daß weder Draht noch Kapillare den Landfleck auf dem Werkstück berührt! IIm Bild 22 ist die dargestellt. In dieser Suchposition läßt sich nun die Stelle an der der Bonddraht mit der Metallisierung des Landflecks verschweißt werden soll sehr präzise anfahren. 15

16 Zweite Bondstelle Das Bild 23 zeigt die Ausbildung der zweiten Bondstelle. Der abgerundete Rand der Kapillare dient dabei als Werkzeug. Druck, Temperatur und ggf. Ultraschall führen zur plastischen Verformung des Drahts und zur Verschweißung von Bonddraht und Metallisierung des Pads auf dem Substrat. Bild 23: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden zweite Bondstelle Ausbildung des Tails Bild 24: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden Tailbildung Im Bild 24 ist dargestellt wie der sog. Tail ausgebildet wird. Unter dem Tail versteht man ein kurzes Stück Bonddraht das aus der Kapillare hervorschaut, nachdem die zweite Bondstelle ausgeführt wurde. Um den Tail zu bilden hebt die Kapillare ein kurzes Stück vom Bondpad ab. Da der Bonddraht mit dem Bondpad verschweißt wurde, wird nun wieder Draht von der Drahtspule abgewickelt. Ist genügend Draht nachgezogen worden um den gewünschten Tail zu bilden schließt eine Drahtklammer oberhalb der Kapillare und verhindert ein weiters Abwickeln des Bonddrahts von der Drahtspule. Hebt nun die Kapillare gemeinsam mit der Drahtklammer weiter ab, so muß der Bonddraht abreißen. Wurde die zweite Bondstelle optimal ausgeformt, so hat sich dort eine Sollbruchstelle für den Draht ausgebildet und an dieser reißt der Bonddraht ab. Anschmelzen des Balls Bild 25: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Ball-Wedge-Bonden Anschmelzen des Balls Im Bild 25 ist dargestellt, wie eine Elektrode, die sog. Abfunkelektrode unter das Bondwerkzeug fahren wurde. Zwischen dem Bonddraht und der Elektrode wird Hochspannung angelegt, so daß es zu einer Funkenentladung zwischen Bonddraht und Elektrode kommt. Die Energie der Funkenentladung schmilzt an den Bonddraht eine Kugel, den Ball an und damit ist wieder die Ausgangssituatiin für einen erneuten Bondvorgang hergestellt. 16

17 Wedge-Wedge-Bonden Beim Wedge-Wedge-Bonden wird ein Bondkeil (engl. wedge) als Werkzeug verwendet. Daraus leitet sich auch der Name dieser Bondart ab. Bild 26 zeigt einen Bondkeil von unten. Der Bonddraht wird durch eine konische Bohrung an der Rückseite des Bondkeils geführt. Die Bohrung mündet auf der Unterseite des Bondwerkzeugs. Die Fläche vor der Bohrungsmündung dient als Werkzeug zur plastischen Verformung des Bonddrahts während des Schweißvorgangs. Die Ausformung der ersten und zweiten Bondstelle erfolgt mit der selben Stelle des Bondkeils und ist daher annähernd identisch. Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Ball- Wedge-Bonden und dem Wedge-Wedge-Bonden ist das Anfahren der zweiten Bondstelle nachdem der Bonddraht an der ersten Bondstelle angeschweißt wurde. Beim Ball-Wedge-Bonden kann in beliebiger Richtung von der ersten zur zweiten Bondstelle positioniert werden, beim Wedge-Wedge-Bonden kann dies nur in einer einzigen Richtung gesehen. Wird versucht in eine andere Richtung zu verfahren, so wird der Draht verloren und die Ausbildung Bild 26: REM-Aufnahme eines Bondkeils (Blick von unten) der zweiten Bondstelle ist nicht möglich. Um trotz dieser Einschränkung mit dem Wedge-Wedge-Bonden jede Drahtbondverbindung auf einer Baugruppe herstellen zu können, ist es notwendig durch Drehen der Baugruppe immer die erste und zweite Bondstelle so zueinander auszurichten, daß diese in der vorgegebenen Bondrichtung angefahrfen werden können. Das Drehen der Baugruppe ist bei manuellen Bondmaschine die gängige Methode. Bei Wedge-Wedge-Bondautomaten wird nicht die Baugruppe gedreht, sondern der komplette Bondkopf der Maschine. Zudem muß die jeweilige Bondposition über ein Verfahren der Baugruppe in XY-Richtung angefahren werden. Ein Ball-Wedge- Bondautomat muß den Bondkopf nicht drehen, sondern fährt jede Bondstelle einfach über eine XY-Bewegung des Bondtisches an. Durch den Wegfall der Drehbewegung können im selben Zeitraum mit einem Ball-Wedge- Bondautomaten ca. 2..3mal mehr Bondverbindungen hergestellt werden, als mit einem Wedge-Wedge- Bondautomaten. Bild 27 zeigt die typische Form einer Wedge-Wedge-Bondstelle. Bild 28 zeigt die typische Loopform bei Wedge-Wedge-Bondverbindungen und zeigt wie gleichförmig erste und zweite Bodstelle bim Wedge-Wedge- Bonden ausgeformt sind. Bild 27: Typische Form eines Wedge-Wedge-Bonds 17 Bild 28:Typische Loopausbildung bei Wedge-Wedge-Bondverbindungen

18 Prinzipieller Ablauf beim Wedge-Wedge-Bonden Ausgangssituation Im Bild 29 ist die Ausgangssituation beimwedge-wedge- Bonden dargestellt. Der Bonddraht ist durch eine Bohrung an der Rückseite des Bondkeils geführt.das freie Ende des Bonddrahts liegt frei unter dem Bondkeil. Das Bondwerkzeug befindet sich in einem sehr großen Abstand zum Werkstück. Von besonderer Bedeutung ist beim Wedge-Wedge-Bonden, daß in der Ausgangssituation durch drehen des Werkstücks die erste und zweite Bondstelle in Richtung der Bonddrahtzuführung ausgerichtet wird. Bei Wedge-Wedge-Bondautomaten wird in der Ausgangssituation der Bondkopf solange gedreht, bis erste und zweite Bondstelle in Richtung der Drahtzuführung ausgerichtet sind. Bild 29: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Ausgangssitiuation Erste Suchposition Im Bild 30 befindet sich das Bondwerkzeug in der ersten Suchposition. Die Suchhöhe muß dabei so eingestellt sein, daß das freie Bonddrahtende, der sog. Tail die Oberfläche des Bondpads gerade nicht berührt. Bild 30: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden erste Suchposition Erster Bond Das Bild 31 zeigt die schematische Darstellung des ersten Bonds. Druck und mittels Ultraschall erzeugte Reibung führen zur plastischen Verformung des Bonddrahts und damit zur Verschweißung des Bonddrahts mit der Metallisierung des Bondpads. Bild 31: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden erster Bond 18

19 Loopposition Im Bild 32 hat das Bondwerkzeug wieder abgehoben und wurde auf eine Zwischenhöhe, die sog. Loophöhe angehoben. Da der Bonddraht mit dem freien Drahtende auf dem Bondpad verschweißt ist, wird nun weiterer Draht von der Drahtspule abgewickelt. Bild 32: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Loopposition Anfahren der zweiten Bondstelle Wie im Bild 33 dargestellt wird nun die zweite Bondstelle in Loophöhe angefahren. Dabei ist die Verfahrweg durch die Geometrie des Bondwerkzeugs und der Drahtzuführung auf eine einzige Richtung begrenzt. Es kann nur in die Richtung verfahren werden, aus der der Draht zuzgeführt wird. Deshalb ist es notwendig, daß in der Ausgangssituation, d.h. bevor der erste Bond gesetzt wird, das Werkstück durch drehen bereits so ausgerichtet wird, daß die zweite Bondstelle nun angefahren werden kann. Bild 33: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Anfahren der zweiten Bondstelle Zweite Suchposition Im Bild 34 befindet sich das Bondwerkzeug in der zweiten Suchposition. Die Suchhöhe wird dabei wieder so eingestellt, daß der Bonddraht die Metallisierung des Bondpads nicht berührt. Kleine Korrekturen der Bondposition sind in der zweiten Suchposition möglich, jede Korrektur wirkt sich aber auf die Form des Loops aus. Bild 34: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Zweite Suchposition 19

20 Zweiter Bond Das Bild 35 zeigt die schematische Darstellung des zweiten Bonds. Druck und mittels Ultraschall erzeugte Reibung führen zur plastischen Verformung des Bonddrahts und damit zur Verschweißung des Bonddrahts mit der Metallisierung des Bondpads. Bild 35: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Zweiter Bond Abreissen des Bonddrahts Bild 36: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Abreissen des Bonddrahts Im Bild 36 ist schematisch dargestellt wie der Bonddraht an der zweiten Bondstelle abgerissen wird. Nachdem mittels Druck und Ultraschall der Bonddraht mit der Metallisierung des Bondpads verschweißt wurde bleibt das Bondwerkzeug noch auf der Bondstelle aufgesetzt, eine Drahtklammer, die z.b. hinter dem Bondwerkzeug sitzt, schließt, hält den Draht fest und reißt durch eine Bewegung den Bonddraht an der zweiten Bondstelle ab. Der Bewegungsweg der Drahtklammer ist wesentlich kleiner als im Bild 36 dargestellt. Das Drahtende des Bonddrahts darf beim Abreissen die Bohrung im Bondkeil nicht verlassen! Ausbilden des Tails Bild 37: Schematische Darstellung des Bondvorgangs beim Wedge-Wedge-Bonden Ausbilden des Tails Im Bild 37 ist schematisch dargestellt wie der Bonddraht durch eine Bewegung der Drahtklammer in Richtung Bondwerkzeug wieder soweit durch die Bohrung des Bondkeil geschoben wird, daß das freie Drahtende auf der Unterseite des Bondkeils zum Liegen kommt. Die Länge des freien Drahtendes, des sog. Tails kann bei den meisten Bondmaschinen variiert werden. Der Tail sollte jedoch so kurz wie möglich eingestelt werden, da ein zu langer Tail häufig Ursache für Kurzschlüsse mit Strukturen auf dem Halbleiter sein kann. Als Folge eines zu kurzen Tails kann es passieren, daß der Draht aus der Bohrung im Bondkeil rutscht und sich der Bonddraht aus dem Bondkeil ausfädelt. Nach der Ausbildung des Tails kann ein neuer Bondzyklus begonnen werden. 20

21 Einflußgrößen beim Drahtbonden Auf den Bondprozeß wirken eine Vielzahl von Einflußgrößen ein. Die nachfolgende Grafik (Bild 38) stellt diese im Überblick dar. Bondverfahren - Wirkprinzip - Bondparameter - Bondwerkzeug - Prozeßfähigkeit - Prozeßbeherrschung ect. Bondmaschine - Bondablauf, Arbeitsprinzip - Arbeitsgeschwindigkeit - Positioniergenauigkeit - Fahrwege - Erkennungssystem ect. Draht - Durchmesser - Werkstoff - Reißkraft - Dehnung, Härte - Oberfläche, Toleranzen - Abwickelverhalten ect. Bondprozeß Metallisierung - Material, Vorbehandlung - Härte, Duktilität, Reinheit - Morphologie, Rauhigkeit - Schichtdicke, Schichtstruktur - Kontaminationen ect. Konstruktion - Design, Layout - Funktionalität - Simulation - Kompatibilität zu Gehäusen ect. Bondumgebung - Personal-know-how - Personalmotivation - Fertigungslogistik - Klima, Reinheit - Wartung ect. Qualitätstechnik - Prüfverfahren, Meßtechnik - Richtlinien, Standards - Lastenhefte - Fertigungssteuerung ect. Bondsubstrat - Material, Aufbau - Schwingungsverhalten - Schichthaftung - Substrathalter, -heizung - Fertigungstoleranzen ect. Bild 38: Einflußgrößen beim Drahtbonden Bondverfahren Von grundlegender Bedeutung für den Bondprozeß, welches Bondverfahren (Wirkprinzip) zum Einsatz kommt. Dabei spielt sowohl die Art der Ausformung der ersten und zweiten Bondstelle (Ball-Wedge-Bonden oder Wdge-Wedge-Bonden) als auch die am Schweißvorgang beteiligten pyhsikalischen Größen (Druck, Temperatur, Ultraschall) eine entscheidente Rolle. Im Zusammenhang mit dem Bondverfahren sind selbstverständlich auch prozessbedingte Einflüsse zu sehen. Bondmaschine In engem Zusammenhang mit dem gewählten Bondverfahren steht die Bondmaschine. Durch diese wird der Bondablauf, das Arbeitsprinzip und die Arbeitsgeschwindigkeit, die Positioniergenauigkeit und die möglichen Fahrwege bestimmt. Selbstverständlich besteht ein grundlegender Unterschied für den Bondprozeß, ob eine manuelle Bondmaschine oder ein Bondautomat zum Einsatz kommt. Bondumgebung Die Bondumgebung sowohl in Hinblick auf die räumlichen Gegebenheiten wie Reinheit und Klima, als auch in Hinblick auf das Bedienpersonal hat sehr großen Einfluß auf den Bondprozeß. Vor allem wenn manuelle Bondmaschinen eingesetzt werden ist der Wissensstand des Personals (Personal-know-how) und die Motivation des Personals für das Bondergebnis entscheidend. 21

22 Draht Das jeweilige Bondverfahren gibt zum Teil die Wahl des Bonddrahtesmaterials vor. Beim Ball-Wedge-Bonden muß an der Bonddraht eine Kugel angeschmolzen werden. Damit sich während des Schmelzvorgangs keine Oxidschicht auf der Kugel bildet wird beim Ball-Wedge-Bonden fast ausschließlich Golddraht verwedet, während für Wedge-Wedge-Bonden das bevorzuge Dahtmaterial Aluminium ist. Neben dem Werkstoff selbst kommt den Werkstoffeigenschaften wie Reißfestigkeit, Dehnung, Härte, Oberflächenbeschaffenheit, usw. eine starke Bedeutung zu. Nicht zuletzt hat der Drahtdurchmesser einen entscheidenden Einfluß auf den Bondprozeß. In vielen Fällen kommen Drähte mit 25µm Drahtdurchmesser zu Einsatz, die verfügbaren Drahtdurchmesser bewegen sich aber in einem Bereich von ca. 10µm...750µm. Oftmals unbeachtet, aber deshalb nicht von geringer Bedeutung für den Bondprozeß ist das Abwickelverhalten des Bonddrahts von der Drahtspule. Dabei wirken sich sowohl die geometrischen Abmessungen der Drahtspule als auch die Art der Wickelung des Drahtes auf der Spule auf das Abwickelverhalten des Bonddrahts aus. Metallisierung Einen sehr großen Einfluß auf den Bondprozeß haben die Metallsierungen, mit denen der Bonddraht verschweißt werden soll. Dabei wirken sich sowohl die metallischen Eigenschaften (Werkstoff, Härte, Duktilität, Morphologie) und die geometrischen Eigenschaften (Schichtdicke, Schichtstruktur, Rauhigkeit), als auch mögliche Verunreinigung in ihrer Gesamtheit auf den Bondprozeß ein. Bondsubstrat Neben der Metallsierung hat auch das gewählte Substratmaterial großen Einfluß auf den Bondprozeß. Dabei ist von großer Bedeutung der Substratwerkstoff (Keramik, Kunstsott, Metall) und damit eng verbunden dessen Schwingungsverhalten, sowie geometrische Eigenschaften wie z.b. Fertigungstoleranzen und Ebenheit. Auch die Substrateigenschaften in Hinblick auf die Art der Substrataufnahme (mechanische Klemmung oder Haltevakuum) und die Möglichkeit der Beheizung des Substrat über die Substrataufnahme spielen beim Bondprozeß eine große Rolle. Konstruktion Bereits beim Entwurf einer Baugruppe, also beim Design und der Erstellung des Layouts wird großer Einfluß auf einen späteren Bondprozeß genommen. Die Lage und die Größe der Landflächen der Bonddrähte in Bezug auf die Bondpads auf dem Halbleiterbauteil können von entscheidenter Bedeutung sein. Deshalb werden in der Regel sog. Design-Rules erstellt, an die sich der Konstrukteur unbedingt zu halten hat, um ein sicheres Drahtbonden in der Fertigung zu ermöglichen. Qualitätstechnik Um reproduzierbare Bondergebnisse zu erhalten werden eine Reihe von Prüfverfahren angewandt. Aus den Ergebnissen der Prüfungen lassen sich Richtlinien und Standards ableiten. Bereits beim Entwurf der Baugruppe sollte im Lastenheft klar definiert werden, welche Anforderungen an die Bondverbindungen gestellt werden. Alleine eine wie auch immer geartete elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterbauteil und der Baugruppe ist zu wenig. Die Drahtbondverbindung muß einer Vielzahl von Anforderungen genügen um eine sichere, dauerhafte und zuverlässige Verbindung zwischen Bauteil und Baugruppe zu gewährleisten! 22

23 Bondparameter beim Drahtbonden Die Parameter beim Drahtbonden können nicht als verbindliche Größen definiert werden, wie die Vielzahl der Einflußgrößen auf den Bondprozeß verdeutlicht hat. Trotzdem können für einzelne Fälle Richtwerte der Bondparameter angegeben werden, die dann als Startwerte für die Optimierung der Bondparameter gewählt werden können. Nachfolgend werden Bondparameter für einen Drahtdurchmesser von 25µm (Standarddrahtdurchmesser) für Ball-Wedge-Bonden und Wedge-Wedge-Bonden gegenüber gestellt: Ball-Wedge-Bonden (Thermosionic) Prozeßparameter für Golddraht mit 25µm Drahtdurchmesser Wedge-Wedge-Bonden (Ultraschall) Prozeßparameter für AlSi1-Draht mit 25µm Drahtdurchmesser Bondtemperatur C Bondtemperatur Raumtemperatur Bondkraft cN Bondkraft cN (höhere Kraft beim Ball) Bondzeit ms Bondzeit ms Ultraschallleistung mW Ultraschallleistung mW (bei kHz) (bei kHz) 23

24 Einfluß der Schwingrichtung (Ultraschall) des Bondwerkzeuges Bei einer Bondmaschine ist das Bondwerkzeug am Bondarm montiert. Bei Bondverfahren, bei denen als physikalische Größe auch Reibung mittels Ultraschall zur Ausformung der Bondstelle und damit zum Verschweißen von Bonddraht und Metallisierung zum Einsatz kommt, wird der Bondarm mittels eines Ultraschallerregers (Transducer) in eine mechanische Schwingung versetzt. Im Bild 39 ist schematisch dargestellt, wie eine Bondmaschine aufgebaut ist und welchen Einfluß die Schwingrichtung des Bondarms auf die Ausformung der Bondstelle hat. Transducer Transducerhorn Bond-Werkzeug Schwingrichtung Lager Werkstückhalter Substrat Schwingrichtung Substrat Lager Bild 39: Schematische Darstellung einer Bondmaschine und Einfluß der Schwingrichtung auf die Ausformung der Bondstelle Die Schwingamplitude des Bondwerkzeugs liegt im Bereich von wenigen µm (3..30µm). Bei dünnen Bonddrähten (25µm Drahtdurchmesser) ist sie kleiner als bei dicken Drähten (>75µm Drahtdurchmesser). Es muß sichergestellt sein, daß die Schwingung nicht mechanisch gedämpft wird, bzw. daß sich das Substrat mitbewegt. Liegt der Bonddraht quer zur Schwingrichtung, so ergibt sich ein kurzer Übergang zwischen Schweißstelle und Bonddraht, liegt der Bonddraht in Schwingrichtung wird der Übergangsbereich größer und fliesender. Der Einfluß der Schwingrichtung auf die Qualität bzw. Festigkeit einer Bondverbindung wirkt sich praktisch nur an der zweiten Bondstelle beim Ball-Wedge-Bonden aus. An der ersten Bondstelle (Ball) beim Ball-Wedge-Bonden ist die Ausformung des Balls immer gleich, da die Ausformung des Balls über den Innenkegel der kapillare richtungsunabhängig erfolgt. Beim Wedge-Wedge-Bonden kann erste und zweite Bondstelle nur in einer Richtung ausgeführt werden. Diese Richtung ist durch die Drahtführung im Bondkeil vorgegeben. Sie entspricht der Schwingrichtung des Bondarms und ist somit für jede Bondstelle gleich. Der Einfluß der Schwingrichtung auf die Ausformung der zweiten Bondstelle beim Ball-Wedge-Bonden kann durch unterschiedliche Parametereinstellung (primär Ultraschallleistung und Bondzeit) ausgelichen werden. Dies ist bei einem Ball-Wedge-Bondautomaten im Programm leicht möglich, da dort für jede Bondstelle die Bondparameter einzeln programmiert werden können. Bei einem manuellen Bonder ist dies nicht möglich. Manuelle Bondmaschinen lassen nur eine getrennte Programmierung für die erste und zweite Bondstelle zu. Um den Einfluß der Schwingrichtung auf die Qualität der zweiten Bondverbindung möglichs gering zu halten sollte für jeden Bondzyklus auch beim ball-wedge-bonden das Werkstück so ausgerichtet werden, daß erste und zweite Bondstelle möglichst in der Schwingrichtung des Bondarms liegen. 24

25 Bondwerkzeuge Das verwendete Bondwerkzeug hat entscheidenden Einfluß auf das Bondergebnis. Ein falsch gewähltes Bondwerkzeug kann dazu führen, daß ein Verschweißen des Bonddraht mit der Metalisierung gar nicht zu Stande kommt oder im ungünstigsten Fall das Halbleiterbauteil bzw. das Bondpad auf der Baugruppe beschädigt oder gar zerstört wird. Bondwerkzeuge sind Präzisionswerkzeuge, mit denen im µ-bereich Mikroschweißverbindungen hergestellt werden. Jede noch so kleine Beschädigung des Bondwerkzeugs kann deshalb zur Zerstörung des Werkzeugs führen. Beim Umgang mit Bondwerkzeugen ist deshalb besondere Sorgfalt unbedingt einzuhalten! Bondkapillaren Bondkapillaren werden in der Regel aus Keramik gefertigt. Im Bild 39 ist die Spitze, das eigentliche Werkzeug, einer Bondkapillare im Schnitt gezeichnet. Die Bedeutung der einzelnen Buchstaben in der Zeichnung sind: A B C D F T R W Konuswinkel Innenbohrungsdurchmesser Größe der Fase der Innenbohrung Durchmesser der Öffnung Winkel des Innenkegel (Fase) Durchmesser der Kapillarenspitze Außenradius Flankenwinkel Einfluß des Flankenwinkels bei Bondkapillaren Bondkapillaren werden mit unterschiedlichen Flankenwinkeln gefertigt. Gebräuchlich sind Kapillaren mit einem Flankenwinkel im Bereich von Allgemein gilt, je kleiner der Flankenwinkel ist, desto mehr Anpreßkraft wirkt auf den Draht bei der Ausbildung der zweiten Bondstelle. Höhere Anpreßkraft kann das Bonden auf schwierigen Oberflächen erleichtern. Im Bild 40 ist die Ausformung der zweiten Bondstelle für unterschiedlich große Flankenwinkel dargestellt. R C B Bild 39: Spitze einer Bondkapillare im Schnitt A D F T W Bild 40: Ausformung der zweiten Bondstelle bei Kapillaren mit unterschiedlichen Flankenwinkeln 25 Große Flankenwinkel bieten den Vorteil, daß weniger Platz für die zweite Bondstelle benötigt wird und daß der Bonddraht wenig verformt wird. Die geringere Drahtverformung führt zu höherer Abreißfestigkeit des Bonddrahts am Übergang zwischen Bonddraht und Schweißstelle. Bei kleinen Flankenwinkel ergibt sich der Nachteil, daß für den zweiten Bond eine größere Fläche benötigt wird und die starke Verformung des Bonddrahts im Übergangsbereich zu eienr deutlichen Schwächung der Reißlast führt.

26 Einfluß des Außenradiuses bei Bondkapillaren Bondkapillaren werden mit unterschiedlichen Außenradien gefertigt. Allgemein gilt, je kleiner der Außenradius ist, desto stärker wird der Draht am Rand der Kapillare verformt und dadurch wirkt mehr Anpreßkraft auf den Draht bei der Ausbildung der zweiten Bondstelle. Ein großer Außenradius verformt den Draht deutlich weniger. Das Bild 41 verdeutlicht den Unterschied der Ausformung der zweiten Bondstelle abhängig von der Größe des Außenradiuses. Ein flacher, wenig verformter Übergang von der Schweißstelle in den Draht weist kleine Materialgefügeveränderungen auf und hat dadurch eine höhere Reißfestigkeit, als ein sehr stark verformter Übergang. Großer Flankenwinkel in Kombination mit großem Außenradius stellt die günstigste Kapillarenform in Bezug auf die Ausformung des Übergangs Schweißstelle zu Draht dar. chip & wire - Technik Nachteilig dabei sind die geringen Anpreßkräfte, die während der Ausbildung der Schweißstelle wirken. Dadurch ist die Haftfestigkeit der Schweißstelle oftmals geringer als bei kleinem Flankenwinkel und kleinem Außenradius. Bild 41: Ausformung der zweiten Bondstelle bei Kapillaren mit unterschiedlichen Außenradius Einfluß des Innenkegels bei Bondkapillaren Die Form des Innenkegels einer Kapillare beeinflußt wesentlich die Ausformung der ersten Bondstelle beim Ball-Wedge-Bonden. Im Bild 42 ist die unterschiedliche Ausformung des Balls bei unterschiedlichen Innenkegeln dargestellt. Die Innenkegel von Bondkapillaren werden mit unterscheidlichen Fasenwinkeln gefertigt. Kleine Fasenwinkel (90 ) leiten eine geringere Anpreßkraft in den Ball ein, so daß die Metallisierung des Bondpads geringer belastet wird als bei Kapillaren mit großem Fasenwinkel (120 ). Bei großer Anpreßkraft wird der ball deutlich flacher ausgeformt und die Metallsierung des Bondpads kann beschädigt werden. Allerdings lassen sich mit höherer Anpreßkraft auch Metallsierungen bonden, die sich nur schwer Bild 42: Ausformung der ersten Bondstelle bei Kapillaren mit unterschiedlichen Innenkegel bonden lassen. Die Scherfestigkeit der Ballbondstellen mit großen Fasenwinkeln sind, bedingt durch die höhere Anpreßkraft während des Schweißvorgangs meist höher als bei kleinen Fasenwinkeln. 26

27 Einfluß der Bondkapillare auf den pitch-abstand Die Anzahl der Außenanschlüsse bei Halbleiterbauteilen stieg in den letzten Jahren permanent an und wird auch in den nächsten Jahren stetig zunehmen. Dies hat und hatte zur Folge, daß die Bondpads auf den Halbleiterbauteilen immer kleiner werden und ebenso die Abstände zwischen den Bondpads stetig verringert werden. Lagen die kleinsten pitch-abstände 1997 noch im Bereich von >150µm so bewegen sich die kleinesten pitch-abstände heute im Bereich von 60µm beim Ball-Wedge-Bonden und im Bereich von 45µm beim Wedge- Wedge-Bonden. Prognostiziert werden pitch-abstände im Bereich von µm für das Jahr Dieser Herrausforderung müssen sich die Drahtbondverfahren stellen. Einen wesentlichen Beitrag um diese Herausforderung zu meistern kommt dabei dem Bondwerkzeug zu. Bondkapillaren für normale pitch-abstände normaler pitch-abstand finepitch Bild 43: Schematische Darstellung - Bondkapillare für normale pitch-abstände im Schnitt dargestellt und für finepitch- Anwendungen im Teilschnitt dargestellt (>200µm) verjüngen sich zur Spitze hin gleichmäßig. Um zu gewährleisten, daß eine bereits fertiggestellte Bondverbindung beim Bonden einer benachbarten Bondstelle nicht beschädigt wird, werden Bondkapillaren für finepitch-anwendungen zusätzlich an der Spitze verjüngt. Dies ist im Bild 43 schematisch dargestellt. Eine Bondkapillare für finepitch-applikationen ist mechanisch nicht so stabil als eine Kapillare für normale Anwendungen. Dies hat kurzere Standzeiten des Werkzeugs zur Folge. Weierhin kann es sein, daß die Schwingeigenschaften nicht so optimal sind, wie dies bei Normalkapillaren der Fall ist. Die Bilder 44, 45 und 46 zeigen Beispiele von finepitch-bondapplikationen. Bild 44: finepitch-ball-wedge-bonden Bild 45: finepitch-ball-wedge-bonden Bild 46: finepitch-ball-wedge-bonden 27

28 Bondkeile Bondkeile werden in der Regel aus Hartmetall gefertigt. Einen allgemeinen Überblick über die wichtigsten Maße maschinenbezogenen Maße von Bondkeilen gibt das Bild 47, im Bild 48 werden die wichtigsten Maße in Hinblick auf die Bondapplikation, für die das Werkzeug gedacht ist (primär der Drahtdurchmesser) dargestellt. D - Durchmesser (Standard 1/16 inch) K - Abplattung (Standard 1/20 inch) L - Werkzeuglänge (Standard 13/4 inch) S - H - A - X - Spitzenwinkel (Standard 20 ) Bondfußbreite (abhängig vom Drahtdurchmesser) Gesamtlänge des Bondfußes (abhängig vom Drahtdurchmesser) Winkel des Hinterschliffes (Standard 10 ) h - Höhe des Hinterschliffes (Standard 1/25 inch) D K K S H L A Bild 47: Darstellung der primär maschinenbezogenen Maße an einem Bondkeil X X h RV- RH- FL - BF - Bondfußradius vorne (Standard für 25µm-Draht -> 25µm) Abplattung (Standard für 25µm-Draht -> 25µm) Bondfußlänge (Standard für 25µm-Draht -> 50µm) Bondfußlänge incl. Bondfußradien W H - A - Bondfußbreite (abhängig vom Drahtdurchmesser) Gesamtlänge des Bondfußes (Standard für 25µm-Draht -> 381µm) RV FL BF RH F F - Freistellung A H - Bondfußbreite (Standard für 25µm-Draht -> 102µm) in dieser Darstellung nicht sichtbar Bild 48: Darstellung der primär Draht bezogenen Maße an einem Bondkeil 28

29 Häufig erfolgt die Drahtzuführung bei Wedge-Wedge-Bondmaschinen unter einem Winkel von 30, 45 oder 60 schräg von hinten durch den Bondkeil. Dies kann, wie in Bild 49 dargestellt, zu Problemen bei schwer zugängliche Bondstellen, wie z.b. nahe einer Gehäusewandung, führen. Eine Lösung dieses Problems kann eine senkrechte (90 ) Drahtzuführung durch eine senkrechte Bohrung im Bondwerkzeug sein. Der Bonddraht wird von oben durch die Bohrung des Bondkeil geführt und tritt im Bereich des Hinterschliffes aus dem Werkzeug aus. Die eigentliche Bonddrahtführung erfolgt, wie bei jedem Wedge-Wedge-Bondwerkzeug, auch bei einem 90 -Bondkeil durch eine schräge Bohrung an der Rückseite des Keils so, daß der Bonddraht mit seinem freien Ende unterhalb des Bondfußes liegt. Drahtzuführung Winkel 45 Drahtzuführung Winkel 90 Gehäusewand Gehäusewand Bild 49: Gegenüberstellung 45 - und 90 -Drahtzuführung bei Wedge-Wedge-Bondmaschinen Erfolgt die Bonddrahtzuführung unter einem Winkel von 30, 45 oder 60 schräg von hinten, so hat dies den Vorteil, daß der Bonddraht mit geringer Reibung zugeführt wird. Infolge der geringen Reibung bei der Drahtzuführung bilden sich sehr repruduzierbar Loops aus und die Gefahr des Abreißens des Drahtes bei der Ausbildung des Loops ist klein. Problematisch ist das Bonden nahe an einem Hindernis, z.b. eine Gehäusewandung oder ein benachbartes Bauteil. Erfolgt die Bonddrahtzuführung durch eine senkrechte Bohrung im Bondkeil ( sog. 90 -Bonddrahtzuführung), so erfährt der Bonddraht in der bohrung eine erhebliche Reibung, die sich nachteilig auf das Zuführen des Bonddrahts auswirkt. Ungelichmäßig geformte Loops bis hin zum Abreißen des Bonddrahts während der Loopausbildung können die Folge sein. Durch die 90 -Bonddrahtzuführung kann allerdings sehr nahe an ein Hindernisse gebondet werden. Dickdraht-Bonden Werden elektrische Verbindungen benötigt, die mit hohe Strömen belastet werden, so kommen dickere Drähte zum Einsatz. Handelsübliche Bonddrahtdurchmesser liegen in einem Bereich von 17,5..500µm. Werden Bonddrähte mit einem Drahtdurchmesser >75µm verarbeitet, so spricht man vom Dickdrahtbonden. Dickdrahtbonden wird in der Regel immer im Wedge-Wedge-Verfahren ausgeführt. Ein Grund dafür ist sicherlich, daß beim Wedge-Wedge-Bonden Aluminiumdraht verwendet werden kann, was bei großen Drahtdurchmesser einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber Golddraht, der beim Ball-Wedge-Bonden obligatorisch ist, bietet. Das Bild 50 zeigt ein Beispiel aus dem Bereich der Leistungselektronik. Dabei wurden mehrere Bonddrähte parallen von der Anode der Leistungsdiode zum Substrat gebonden. Dies hat zum einen den Grund, daß sich der Strom über die Bonddrähte verteilt und so die Strombelastung jedes einzelnen Bonddrahts geringer ist, als wenn ein noch dickerer Draht gebonden worden wäre, und zum anderen, daß parallele Bonddrähte (bei gleicher Bonddrahtlänge) eine kleinere Induktivität aufweisen, als ein einziger Bonddraht. 29

30 Dickdraht-Wedge-Wedge-Bondstellen weisen eine andere Ausformung auf, als Dünndraht-Wedge-Wedge-Bondstellen. Dies ergibt sich aus der unterschiedlichen Ausführung der Bondkeile, die für Dünn- bzw. Dickdraht-Applikationen eingesetzt werden. Ist der Bondfuß bei einem Dünndrahtbondkeil in der Regel flach, so wird im Dickdrahtbereich ein Bondkeil eingesetzt, der den Bonddraht mittels einer Nut seitlich führt und verformt. Die typische Verformung des Bonddrahts ist im Bild 50 deutlich zu sehen. Bild 50: Beispiel eines Leistungsmoduls mit Al-Dickdraht-Bondverbindungen Um die Bondverbindung nach dem Verschweißen des Bonddrahts an der zweiten Bondstelle zu beenden wird der Bonddraht mit Hilfe der Drahtklammer an der zweiten Bondstelle abgerissen. Bei dünnen Drähten wird dazu nur eine geringe Kraft benötigt. Beim Dickdrahtbonden muß der Draht an der zweiten Bondstelle entweder mit einem eigenen Werkzeug (Messer), das hinter dem Bondkeil sitzt abgetrennt werden oder das Bondwerkzeug muß eine Art Messer integriert haben. Bei einem Bondwerkzeug mit integrierten Messer muß dann für die Ausformung der ersten und der zweiten Bondstelle der Bondkeil unterschiedlcih ausgeformt sein. Im Bild 51 ist ein solches Bondwerkzeug dargestellt: Bondkeil von vorne Bondkeil von unten zweite Bondstelle erste Bondstelle Von vorne gesehen dient die rechte Nut im Bondkeil zur Ausformung der ersten Bondstelle. Die Nut hat an der Vorderkante und an der Rückseite jeweils einen Radius, so daß die plastische Verformung des Bonddraht während des Schweißvorgangs möglichst drahtschonend erfolgt. Die von vorne gesehen linke Nut im Bondkeil dient zur Ausformung der zweiten Bondstelle. Diese Nut wird an der Rückseite des Bondkeils durch einen Quersteg, eine Art Messer begrenzt. Mit diesem Messer wird der Bonddraht während des Schweißvorgangs weitgehend durchtrennt, so daß mit der Drahtklammer nur ein leichter Zug ausgeübt werden muß, um den Draht an der Stelle der Vorschädigung endgültig abzutrennen. Eine vom Bondkeil getrennte Drahtführung muß gewährleisten, daß der Bonddraht in die jeweilige Nut positioniert wird. Bild 51: Dickdrahtbondwerkzeug mit unterschiedlicher Ausformung für erste und zweite Bondstelle 30