Bild 1: Schematische Darstellung des Schervorgangs eines Goldbumps (Bild: Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., „Prüfverfahren für Drahtbondverbindungen,“ DVS, Düsseldorf, 2017)
Um das Know-how zum Thema Dickdrahtbonden von Leistungshalbleiterbauelementen auf FR4-Substraten am Fraunhofer ISIT zu erweitern, wurde im Rahmen einer Mikrotechnologen-Abschlussarbeit eine Machbarkeitsstudie für einen Dickdrahtbondprozess mit 500µm Al-Dickdraht durchgeführt. Mit Hilfe von Schertests und Querschliffanalysen wurden die gebondeten Verbindungen auf Scherfestigkeit und Rissbildung bewertet.
Der Schertest einfach erklärt
Als Schertest wird ein zerstörendes Verfahren zur Analyse stoffschlüssiger Verbindungen (z.B. auf Substrate geklebte oder gelötete Bare-Dies, gelötete SMD-Bauelemente, Bump- oder Bonddrahtverbindungen) bezeichnet. Dabei fährt ein Schermeißel auf einer vordefinierten Höhe und mit vordefinierter Geschwindigkeit horizontal gegen die Probe und schert diese ab. Während des Scherprozesses wird die Kraft aufgezeichnet. In Bild 1 wird der Scherablauf eines Goldbumps von links nach rechts aufgezeigt. Wedgeverbindungen werden in gleicher Art geprüft.
So funktioniert die Querschliffanalyse
Die metallographische Schliffpräparation ist ein weiteres zerstörendes Untersuchungsverfahren. Dabei werden sowohl materialspezifische Eigenschaften wie z.B. die Korngrenzenausrichtung oder die Ausbildung der intermetallischen Phase von Gefügen als auch im Schadensfall Risse im Inneren von Bauteilen, Lötstellen oder mangelhafte Kontaktanbindung von Bauelementen betrachtet. Dafür werden die Proben in Kunstharz eingebettet, geschliffen und anschließend poliert, so dass die Probe anschließend unter einem Lichtmikroskop analysiert werden kann (Bild 2).
Ergebnis
Um einen geeigneten Parametersatz zu finden, wurden die Bondparameter je nach Scherergebnis erhöht oder verringert. Nach mehreren Bonddurchläufen mit verschiedenen Parametern wurde ein geeigneter Parametersatz ermittelt, mit dem es möglich ist, ein gutes Bondergebnis mit einer Scherfestigkeit über 35MPa sowie einer durchgängigen Anbindung zu den Anschlusspads für Testaufbauten zu realisieren. Bild 3 zeigt eine Reihe von Bondungen, die die geforderten qualitativen Ansprüche erfüllen.
Fazit
Die Erkenntnisse, die im Verlauf der Arbeit gesammelt wurden, helfen zukünftig bei der Bewertung von Dickdraht gebondeten Aufbauten. Vor allem ist es gelungen, ein Bondprogramm zu entwickeln, das für zukünftige Anwendungen als Basis genutzt und durch Modifizierung auf die jeweilige Anwendung adaptiert werden kann. Das Fraunhofer ISIT bietet Technologieberatung und Unterstützung bei der Prozessevaluierung und Optimierung an.