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Ein Beispiel für einen mittels Lasercavity eingebetteten Chip, der mit Aluminium drahtgebondet wurde.
Anwendungsbeispiel wie sich durch die Kombination von Würths Platinentechnik Lasercavity und dem Drahtbonden signifikant Platz einsparen lässt.

Mit dieser Methode will der Leiterplattenhersteller Würth Elektronik nun sein Dienstleistungsportfolio erweitern und vollzieht damit einen weiteren Schritt in Richtung Systemhaus. Der Mittelständler verspricht sich damit einen wesentlichen Vorteil: Drahtbonden ist eine ausgesprochen platzsparende Technik. „Ein weiterer Vorteil ist die hohe Zuverlässigkeit dieser Aufbau- und Verbindungstechniken“, betont Philipp Conrad, Vertriebsingenieur von Würth Elektronik. „Zahlreiche Tests haben dies bereits bestätigt.“

Auf Wunsch bietet Würth Elektronik das Drahtbonden als ergänzende Dienstleistung zur klassischen Leiterplattenherstellung an. „Wir arbeiten hier eng mit dem Unternehmen B&F Bonding aus Schopfheim zusammen“, erläutert Philipp Conrad weiter. Das Unternehmen hat sich auf Drahtbonding (Alu und Gold) spezialisiert und verfügt nicht nur über einen langjährigen Erfahrungsschatz auf diesem Gebiet, sondern auch über Know-how zu weiteren Bond-Techniken wie beispielsweise Die-Bonding, Präzisions-Die-Bestückung und Vergießen. „Durch die Kooperation mit B&F Bonding können wir Kundenwünsche kompetent und noch individueller und flexibler umsetzen“, ist der Experte überzeugt, und: „Das geht vor allem schnell.“

Optimale Verbindung

Die Drahtbondtechnik wartet mit einer relativ niedrigen Prozesstemperatur auf, die vor allem sehr empfindlichen Chips zugute kommt. Zwar lässt sich Golddraht-Bonden (ball/wedge) in der Regel nicht bei Raumtemperatur durchführen, aber um eine gute Verbindung zu erzielen, reicht eine Mindesttemperatur des Substrates von 120° C bereits aus. Genauso wie beim Aluminiumdraht-Bonden gelten für das Golddraht-Bonden die gleichen Voraussetzungen: Es dürfen sich keine Unebenheiten auf den Bondpads befinden. Die Bondpads dürfen keine Verschmutzung aufweisen. Würth verwendet Golddrähte mit einem Durchmesser von 25 µm. Golddrahtbonden eignet sich sehr gut für Hochtemperatur-Anwendungen wie etwa Power-LEDs. Ein Grund hierfür ist, dass Gold weicher ist als Aluminium. Letzteres würde in einer Hochtemperatur-Anwendung schneller brechen.

Beim Golddraht-Bonden sollte chipseitig beachtet werden, dass der minimale Pitch nicht kleiner als 100 µm sein sollte und die minimale Chip-Pad-Größe 80 µm betragen sollte. Damit der Draht während des Bondens nicht an der Chipkante beschädigt wird, sollte der minimale Abstand von Chip und Landepad etwa die 1,5-fache Chipdicke betragen. Ein Beispiel: Bei einem Chip mit 200 µm Chipdicke sollte der Abstand mindestens 300 µm ausmachen. Die Länge des Landepads sollte so lang wie möglich sein. Dass bei Würth die Länge der Landepads mit 2500 µm veranschlagt ist, dient Reparaturzwecken. Sollte ein Draht ein zweites Mal repariert werden müssen, ist da noch genügend Platz auf den Landepads vorhanden. Nach dem Bondprozess lässt sich die Freistellung der Landepads mit einem Glob-Top schützen.

Im Vergleich zum Golddraht-Bonden ist die Bondgeschwindigkeit beim Aluminiumdraht-Bonden (wedge/wedge) langsamer, hat jedoch den Vorteil, dass durch kostengünstige Endoberflächen der Bondpads das finale Produkt günstiger wird. Beim Aluminiumdraht-Bonden handelt es sich um reines Reibschweißen. Dabei werden zwei reine Metalle mit einem definierten Druck zusammengepresst und mit einer Ultraschallschwingung, erzeugt durch einen Transducer, reibverschweißt. Beim Aluminium-Drahtbonden ist die Ausrichtung der Landepads von großer Bedeutung. Durch die Wedge-Wedge-Verbindung sollte die Ausrichtung des Chip-Pad zum Substrat-Pad parallel sein. Allerdings lassen sich Aluminiumdrähte in einem beliebigen Winkel zwischen Chip-Pad und Substrat bonden. Das Wedge-Wedge-Verfahren ist sehr robust und äußerst vielseitig einsetzbar. In beiden Fällen wird nach dem Bondprozess der Chip mit Glob-Top versiegelt, um diesen vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Drahtbonden bietet viele Vorteile

Das Ziel beim Drahtbonden ist es, einen guten elektrischen Kontakt herzustellen, verbunden mit einer guten mechanischen Festigkeit der Bonddrähte, um Kurzschlüsse zu vermeiden. So erlaubt die Technik eine hohe Flexibilität im Hinblick auf die Chip-, Gehäuse-, Substratgeometrie. Die Verbindung und deren Zuverlässigkeit lässt sich leicht prüfen. Dafür gibt es etablierte Prüfverfahren wie Pull- oder Schertesten von Drahtbonds. Solcherlei Verbindungen erlauben auch die Reparatur und bieten auch die Möglichkeit von verschiedenen Metallisierungen der Pads auf dem Chipträger. Für Aluminium-Drahtbonden bewährt hat sich chemisch Nickel/Sudgold (ENIG). Diese Oberfläche erlaubt sehr flache Pads und ist für feine Strukturen geeignet. Zudem zeichnet sich die ENIG-Oberfläche durch hohe Planarität, gute Alterungsstabilität, die Eignung für das Weichlöten und Bonden sowie als Oberfläche für einfache Kontaktaufgaben aus. Als eine optimale Leiterplattenoberfläche definiert Philipp Conrad ENEPIG, eine Nickel-Palladium-Gold-Oberfläche (galvanisch Gold).

Zudem bietet die Drahtbondtechnik eine ziemliche Platzersparnis auf der Leiterplatte. So ist es beispielsweise möglich, nackte Chips in Kavitäten zu versenken und dadurch nicht nur Platz zu gewinnen, sondern ein effizientes Wärmemanagement für Hochtemperatur-Anwendungen zu realisieren. Auf diese Weise gelang es, 12.000 LEDs auf 1 dm³ zu platzieren, wobei die LEDs eine Kantenbreite von 400 µm aufwiesen. Die Setzgenauigkeit von Chips oder LEDs gibt der Leiterplattenhersteller mit ± 30 µm an. Durch die individuelle Diodenkontaktierung in die Kavität lässt sich zum einen die Höhe minimieren, andererseits durch individuelle Heatsinks – seien sie dreidimensional oder auch wassergekühlt – lässt sich das Wärmemanagement realisieren. Damit lassen sich selbst komplexe Schaltungen relativ einfach handhaben. Auch vom Kunden beigestellte Substrate verschiedenster Art werden verarbeitet.

Die Vertriebsingenieure von Würth Elektronik stehen den Kunden mit fachmännischem Rat zur Seite. „Wir suchen für unseren Kunden immer nach der besten Lösung – am besten natürlich aus einer Hand“, versichert Philipp Conrad, der noch eine weitere Zusicherung parat hat: „Das gelingt uns durch die Kooperation mit B&F Bonding Schopfheim. Wir analysieren mit dem Kunden den Bedarf, erarbeiten Lösungsmöglichkeiten für die passende Leiterplattentechnologie und kümmern uns auch um die entsprechende Weiterverarbeitung.“ Die Nachfrage nach der Bondtechnik sei groß und komme vor allem aus den Branchen der Sensor-, Mess- und Medizintechnik, aber auch der Industrieelektronik.