Besserer CpK durch automatisches Bondtesten

Geht man davon aus, dass für Drahtbonds aus Aluminium-Dünndraht von 25 µm häufig ein Mindestpullwert von 6 cN verlangt wird, reicht es nicht aus , dass einfach der Durchschnitt einer Stichprobe von z. B. 20 Drahtbonds über dem geforderten Mindestwert von 6 cN liegt. Viel wichtiger ist aber, dass kein einziger Bond unterhalb der Mindestschwelle liegen darf – dies aber wiederum ist keine sinnvolle Vorschrift, wenn keine 100 %-Messung aller Bauteile möglich ist, wie das beim Pulltest natürlich der Fall ist.

CpK und Bondtests

Wie kann man dann aber nur aus Stichproben sicherstellen, dass der Bondprozess zumindest mit hoher Wahrscheinlichkeit keine schlechten Bauteile liefern wird?

Man braucht ein Maß dafür, mit welcher Gewissheit alle Pullwerte die Hürde von 6 cN übertreffen. Wenn nicht nur der Mittelwert der Verteilung über der vorgegebenen Hürde liegt, sondern gleichzeitig die Verteilung der Werte so schmal ist, dass die gesamte Gauss‘sche Glockenkurve vollständig über der Hürde liegt, dann werden praktisch alle Bonds die vorgegebene Minimalgüte einhalten.

Das entscheidende Wort hier ist „praktisch“, denn die Normalverteilung hat nun einmal die Eigenschaft, weit zu niedrigen und hohen Werten auszugreifen, wenn auch solche Werte extrem selten auftreten. Geht man z. B. drei Standardabweichungen tiefer als der Mittelwert der Verteilung, so findet man nur noch 0,135 % oder 1.350 ppm der Messungen.

Auch bei größerem Mittelwert verursacht die breitere Verteilung mehr Ausschuss.F&K Delvotec

Wenn z. B. unsere Drahtbonds einen durchschnittlichen Pullwert von 9 cN aufweisen und eine Standardabweichung von +/-1 cN haben, dann liegen unterhalb der geforderten 6 cN nur 0,135 % aller Bonds. Genau diesen Sachverhalt beschreibt der CpK-Wert, der in diesem Beispiel 1 beträgt.

Kurz gesagt, drückt der CpK-Wert aus, wie weit eine Verteilung über der Spezifikation liegt, oder um wie viele Standardabweichungen der Mittelwert über der Hürde liegt. Damit sagt er genau das Gesuchte aus, nämlich, mit welcher Sicherheit eine Produktion das geforderte Minimum übertrifft.

Ein hoher Mittelwert allein reicht dazu also nicht aus. Hätten wir in unserem Beispiel einen höheren Durchschnitts-Pullwert von, sagen wir, 11 cN erreicht und gleichzeitig aber eine größere Standardabweichung von 2 cN, dann wäre der Prozess nur auf den ersten Blick wegen des höheren Durchschnitts besser. Genauer betrachtet läge nämlich die Qualitätsschwelle (6 cN) nicht mehr 3 Standardabweichungen tiefer, sondern nur mehr 2,5, und das erhöht in der Normalverteilung die Fehlerrate auf 0,62 %, produziert also fünfmal soviel Ausschuss.

Die Standardabweichung eines Prozesses ist also mindestens genauso im Auge zu behalten wie der Mittelwert; in unserem Beispiel ist zwar der durchschnittliche Pullwert gestiegen, aber gleichzeitig der CpK-Wert von 1,0 auf 0,833 gesunken.

Dies sollte nun auch klarmachen, warum heutzutage üblicherweise CpK-Werte von 1,67 oder sogar 2 verlangt werden: ein CpK-Wert von 2 bedeutet, dass der Mittelwert unseres Prozesses die Spezifikation um 6 Standardabweichungen übertrifft und damit statistisch null Fehler zu erwarten sind – also eine 6-Sigma-Fertigung erreicht ist.

Bondtests: schlechter als erlaubt

In der täglichen Praxis des Drahtbondens ist die Forderung von CpK = 1,67 oder gar 2,0 durchaus nicht trivial zu erfüllen. Erstaunlicherweise liegt dies aber nicht etwa daran, dass moderne Drahtbonder keine bessere Bondqualität liefern könnten, sondern an der Tatsache, dass die Bondtests schlechtere Resultate liefern, als sie eigentlich sollten.

Schuld daran ist die vereinfachte Durchführung der Pulltests, die meist manuell ablaufen.

Dabei wird lediglich die Kraft registriert, bei welcher der Bond versagt. Wie aber das erläuternde Standard-Merkblatt DVS 2811 darlegt, ist die gemessene Kraft nur dann gleich groß wie die am Bond wirksame, wenn die Drahtbrücke einen Winkel von 30° mit dem Untergrund aufspannt. Bei niedrigeren Winkeln ist die am Bond wirksame Kraft größer als die gemessene, bei Winkeln über 30° ist sie geringer als gemessen. Diese Abhängigkeit kennt zwar jeder Praxisanwender, berücksichtigt wird sie aber so gut wie nie. Dass sie einen enormen Effekt entwickeln kann, wird im Folgenden deutlich.

Der oben erwähnte Drahtwinkel hängt nur von zwei Faktoren ab, nämlich der Loop-Höhe und dem Abstand der Bondflächen. In der Praxis variieren beide, besonders stark im Fall von COB- und Hybridschaltungen, weil dort häufig Drahtbonds von sehr unterschiedlichen Längen in der selben Schaltung auftreten, aber die Loop-Höhe durch Gehäuse- oder Vergussvorgaben begrenzt sind. Damit schwankt die Geometrie von Draht zu Draht beträchtlich, und selbst Bonds von völlig identischer Qualität zeigen unterschiedliche Messwerte. Das ist nicht verwunderlich, denn ein Drahtwinkel von 15°, also ein Loop von etwa halber Höhe als der Regelfall von 30°, verringert den gemessenen Pullwert um ganze 47 %, während ihn ein Drahtwinkel von 45° um 43 % erhöht. Drei gleich gut gebondete Drahtbrücken mit einem tatsächlichen Pullwert von 9 cN, die wegen unterschiedlicher Längen und Höhen Winkel von 15°, 30° und 45° darstellen, würden dann in der exakt gleichen Situation Messwerte von 4,7 cN, 9 cN und 12,9 cN liefern.

Es ist dann natürlich nicht verwunderlich, dass unter solchen Umständen selbst perfekt gleiche Bonds keine guten Resultate liefern, was den CpK anbelangt, denn dieser hängt ja linear von der Standardabweichung der Messwerte ab. Es ist aber auch nicht verwunderlich, dass in der Praxis diese Korrektur nur höchst selten durchgeführt wird, denn bei einer typischen Schaltung mit 20 bis 100 Drähten ist es kaum zumutbar, für jeden Draht die Bondabstände zu ermitteln. Noch schwieriger ist es, die tatsächliche Loophöhe für jeden Draht zu ermitteln, denn die meisten Pulltester messen nur die Pullkraft, nicht aber die Höhe, an der sie auftritt.

Automatisch geht‘s besser

Beim automatischen Bondtester, wie er von F&K Delvotec Semiconductor als Erweiterung des weit verbreiteten halbautomatischen Drahtbonders 5600 angeboten wird, spart die Automatisierung viel Zeit ein, denn die Koordinaten der Bonds sind bereits durch die Programmierung bekannt, und die Höhe des Loops wird beim Testen gemessen.

Weil vorher der Pullhaken mit einem Touchdown auch die Höhe des Substrats ermittelt hat, kann die Loophöhe einfach errechnet werden. Damit sind alle Koordinaten der Drahtbrücke bekannt und die resultierenden Drahtwinkel am ersten und zweiten Bond lassen sich bequem errechnen. Diese beiden Winkel müssen übrigens nicht gleich sein, denn sie hängen auch vom Eingriffspunkt des Pullhakens ab. Der ist bei symmetrischen Loops natürlich in der Mitte, sollte aber bei unterschiedlich hohen Bondstellen näher an der höheren Bondstelle liegen, damit die beiden Winkel gleich bleiben.

Mit diesen bekannten Winkeln ermittelt der Pulltester dann gleich die korrigierten Pullwerte an den beiden Bonds und zeigt sie, zusammen mit den anderen gemessenen Werten, am Bildschirm an und speichert sie zugleich noch in einer Datenbank für spätere Auswertungen.

Die Resultate sind beeindruckend. Ein typisches Beispiel betrifft eine Schaltung mit 240 Golddrähten von 25 µm Stärke, die bei einer Bondlänge von etwa 1.500 µm zwischen 250 und 750 µm hoch sind. Die gemessenen Pullwerte schwanken zwischen 4,4 und 12,7 cN, so dass sich ein Mittelwert von 9,5 cN und eine Standardabweichung von 1,96 cN ergeben. Die Standardabweichung beträgt relativ zum Mittelwert also gut 20%. Bei einem unteren Spezifikationslimit von nur 3 cN, wie etwa im MIL-Standard gefordert, ergibt sich damit ein CpK-Wert von lediglich 1,10 – für die Fertigung von Automobilteilen völlig inakzeptabel.

Werden die Messwerte dagegen um den Winkeleinfluss korrigiert, so ändern sich sowohl der Mittelwert (sinkt auf 8,4 cN) als auch die Standardabweichung (sinkt auf 0,90 cN, halbiert sich relativ also fast auf 11 %). Dass der Mittelwert sinkt, liegt daran, dass etwa doppelt so viele Bonddrähte über 30° liegen als darunter, und dass deswegen also mehr Drähte zu günstig gemessen werden als zu ungünstig. Trotzdem ist der Effekt der geringeren Standardabweichung wichtiger, denn obwohl die Verteilung nun im Mittel etwas tiefer liegt als vorher und damit näher am Spezifikationslimit von 3 cN, verdoppelt sich der CpK fast und beträgt nun 1,99. Das exakt gleiche Produkt, das ohne Korrektur also nicht freigegeben worden wäre, zeigt nach der Korrektur also exzellente Werte und läge sogar nahe bei der gewünschten 6-Sigma-Grenze von CpK = 2. Anders ausgedrückt: Die Bonds sind hervorragend und nur die Messung hat sie schlecht aussehen lassen. 

(hb)