Neue Materialien für die Bondtechnik

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1 Neue Materialien für die Bondtechnik Prof.-Dr.-Ing. Ute Geißler Technische Hochschule Wildau Folie 1

2 1. Einführung 2. Allgemeine Voraussetzungen für die Verbindungsbildung beim Bonden 3. Materialentwicklungen im Bereich Dünndraht 4. Materialentwicklungen im Bereich Dickdraht 5. Aluminium-Scandium (AlX) als Bonddraht Folie 2

3 1. Einführung: Übersicht der Verfahren Dünndraht / Standarddraht 1. Ball/Wedge-Verfahren Au, Cu, CuPd, Ag Dickdraht/ Bändchen d 100 µm Wedge/Wedge/Verfahren Al, Cu, AlCu, AlX 2. Wedge/Wedge/Verfahren AlSi1 ute.geissler@th-wildau.de Folie 3

4 Schneider-Ramelow, Microelectonics Reliability 63 (2016) 33l-341 Folie 4

5 2. Allgemeine Voraussetzungen für die Verbindungsbildung beim Bonden schematische Darstellung der vom Bondautomaten ausgegebenen Drahtdeformation: Bondablauf im 4 Phasen-Modell 1.Vordeformation 2. Reinigung 3. Deformation 4. Interdiffusion Geissler, Dissertation 2008 ute.geissler@th-wildau.de Folie 5

6 Der Bonddraht im Ausgangszustand... Beispiel: AlSi1, 25 µm 1. Textur 2. Korngrößen 3. Ausscheidungen FIB parallel zur Drahtachse TEM Geissler, Dissertation 2008 Folie 6

7 verändert sich unter Einwirkung von Bondkraft und Ultraschallenergie 7 ms 15 ms 22 ms Bondkraft: Versetzungsinduzierung Verfestigung Ultraschall: Umordung der Versetzungen Entfestigung Dynamische Erholung: Umordnung der induzierten Versetzungen zu Zellen/Subkörnern innerhalb der bestehenden Kornstruktur Dynamische Rekristallisation: Gefügeneubildung, Entstehung von Großwinkelkorngrenzen Erholung Rekristallisation Endzustand Anpassung der Fügepartner und Verschweißung an der Grenzfläche Geissler, Dissertation 2008 ute.geissler@th-wildau.de Folie 7

8 3. Materialentwicklungen im Bereich Dünndraht MOTIVATION. Substitution von Golddraht Etablierung kostengünstiger Technologien weitere Miniaturisierung hohe Integrationsdichte Verwendung von Cu, CuPd und Ag-legierten Drähten Vorteil von CuPd-Drähten: gute Verschweißbarkeit des Stitchbonds Quelle: Singh, I. et al. Folie 8

9 Pd-Cu-Drähte Beispiel: PdSoft 20 µm Cu-Draht, Beispiel: MaxSoft, 25 µm Dichte 9,02 g/cm³ 1 8,92 g/cm³ Schmelzpunkt 083 C 1083 C Wärmeleitfähigkeit 0,94 cal/cm s C 0,94 cal/cm s C Spezifische Wärme bei 25 C 0,09 Cal/g C 0,09 Cal/g C CTE 16,5 * 10-6 /K (0-100 C) 16,5 * 10-6 /K (0-100 C) Spezifische Elektrischer Widerstand 1,7 * 10-6 ohm/cm 1,7 * 10-6 ohm/cm E-Modul GPa GPa Vergleich der mechanischen Eigenschaften Pd-ummantelter und nicht ummantelter (bare) Cu-Drähte (Quelle Heraeus) ute.geissler@th-wildau.de Folie 9

10 Herausforderungen bei der Verwendung von Cu-Draht Chip-Cratering und Splashing Splashing: herausdrücken der Al-Metallisierung unter dem Bondkontakt Folie 10

11 Reduzierung des Splashings beim Bonden von Cu-Draht durch OP- Metallisierungen Over-Pad-Metallisierungen: Ni 3µm, Pd 0,3 µm, Au 0,03 µm Ni/Pd Quelle: Clauberg Quelle: Chylak Cu-Ball auf Al-Pad Cu-Ball auf OP-Metallisierung Folie 11

12 Reduzierung des Splashings beim Bonden von Cu-Draht durch AlSc-Metallisierungen feinkristalline AlSc-Schicht mit Al 3 Sc-Ausscheidungen starke Verfestigung der Schicht Schichtoberfläche (SEM) Schichtquerschnitt (TEM) Cu-Ballbonds auf 900 nm AlSc-Schicht Splashing 1,8 µm bis max. 2,6 µm Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 ute.geissler@th-wildau.de Folie 12

13 4. Materialentwicklungen im Bereich Dickdraht aktuell: Verwendung von 4N oder 5N Al-Dickdrähten Bsp. Elektrische Antriebe Bsp. Wechselrichter Folie 13

14 klassische Aluminium- Dickdrähte: unterschiedlicher Mikrostruktur unterschiedliche Eigenschaften Al-H11 Al-R Al-H11CR Drahtstärke 300 µm M. Broll, U. Geißler, Microelectronics Reliability 55 (2015) Quelle: Hereaus Folie 14

15 Problem : Ermüdung (Dauerbruch) des Dickdrahtes Nähe Interface Risswachstum durch thermomechanische Wechselbeanspruchung Al, = 24 x 10-6 K -1 Si, = 2,5 x 10-6 K -1 Ausfälle zumeist durch: thermische und/oder elektrische (Hochstrom-) Wechselbeanspruchung massiv unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Al-Draht und Si-Chip dadurch mechanische Wechselbeanspruchung im Bereich des Wedges 400 µm Al-Wedge Chip Quelle: J. Göhre, U. Geißler ute.geissler@th-wildau.de Folie 15

16 Source: R. Schmidt, 2012 Source: K. Weidner, 2012 Alternativen zum Al-Dickdrahtbonden Cu, Al/Cu-Bonding Chip Defects Planar Interconnect Planar Cu Interconnect Si chip DCB Insulation film Sintered Flex Foils Flexibility Others: Double sided cooling Embedding Preforms Folie 16

17 Cu-Dickdraht Quelle: Hereaus Folie 17

18 Al- ummantelter Cu-Draht Folie 18

19 Al- ummantelter Cu-Draht Quelle: Semikron Folie 19

20 5. Aluminium-Scandium (AlX) als Bonddrahtlegierung in der Leistungselektronik + Legierung ist aushärtbar: Al-Matrix Bildung von Al 3 Sc Ausscheidungen + kohärent + Gitterverspannung + thermisch sehr stabil Al 3 Sc Behinderung der Korngrenzenbewegung Behinderung der Entfestigungsmechanismen im Al bei erhöhten Temperaturen! ute.geissler@th-wildau.de Folie 20

21 Break Load [cn] Elongation [%] Festigkeitssteigerung der AlSc-Legierung durch Aushärtung 2500 (drawing -> homogenization -> annealing) 40,00 copper C 35,00 30, C 25,00 20, BL, 300 C BL, 350 C EL, 300 C EL, 350 C 15,00 10,00 5,00 temperaturbeständig durch Al 3 Sc-Teilchen) feinkörnig durch Al 3 ScTeilchen) hochfest (Teilchen und Korngrenzen) verbesserte Lebensdauer 0 0, Time [min] ute.geissler@th-wildau.de Folie 21

22 Anstieg der Festigkeit durch erhöhte Temperaturen Ursache: Bildung von Al 3 Sc-Ausscheidungen TEM Zunahme von Reißlast und Dehnung in Abhängigkeit von der Aushärtungstemperatur (t = 30 min) Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 ute.geissler@th-wildau.de Folie 22

23 AlSc Ausscheidungshärtungsprozessführung ermöglicht Vielfalt an Drahtqualitäten Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 Folie 23

24 Mikrostruktur des AlSc-Drahtes vor- und nach thermischer Belastung FIB feinkristallines Gefüge, gezogener Draht, Raumtemperatur TEM 150 C, 6h 275 C, 6h Thermische Stabilität der Gefügestruktur Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 Folie 24

25 Bondbarkeit auf Leistungselektronik- Halbleitern Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 Folie 25

26 AlSc: verbesserte Lebensdauer bei zyklischer Belastung gegenüber klassischen Al-Drahtqualitäten Vergleich der Scherkräfte verschiedener Al- Drahtqualitäten mit dem AlSc-Draht nach zyklischer Belastung Gefüge nach Zyklen (FIB-cross section) Geissler, Thomas, et al. Journal of ELECTRONIC MATERIALS 45 (2016)10 Folie 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Die AlSc-Projekte wurden von der DFG und dem BMBF gefördert. Beteiligt waren die TU Berlin und das Fraunhofer IZM. Folie 27