Entwicklung und Erprobung eines optimierten Al-Manteldrahtes mit unterschiedlichen Gefügeeigenschaften zum Ultraschall-Wedge/Wedge-Bonden
Final Report Abstract
Im Verlauf dieses Projektes zum Erkenntnistransfer wurde ein fester, temperaturbeständiger Bonddraht bestehend aus einer AlSc-Legierung neu entwickelt und getestet. Um eine gute Bondbarkeit zu gewährleisten, wurde geplant, den Draht als Manteldraht herzustellen (rein-Al-Mantel, AlSc-Seele). Das Mantelzugverfahren für Bonddrähte wurde an einer Modellsubstanz Al-Cu (Al-Mantel, Cu-Seele) erfolgreich erprobt. Im Verlauf des Projektes zeigte sich, dass die AlSc-Seele bereits ohne den ursprünglich geplanten Mantel bondbar war. Die weitere Drahtentwicklung konnte ohne Mantel erfolgen. Dadurch wurde eine zusätzliche Grenzfläche, die für die Zuverlässigkeit der Bondverbindung ein mögliches Risiko hätte sein können, vermieden. Ebenso wird der Ziehprozess des Drahtes kostengünstiger. Das aus der Aushärtbarkeit der Legierung resultierende komplexe Temperatur- und Verformungregime für das Herunterziehen des Drahtes wurde optimiert. Aus der hochfesten AlSc-Legierung können Bonddrähte von 400 µm Drahtdurchmesser bis 50 µm Drahtdurchmesser gezogen werden. Das Temperaturregime für den Drahtzug des 25 µm Draht ist noch nicht optimiert. Es kommt während des Ziehens zum Abreißen des Drahtes. Weitere Arbeiten sind durch den Kooperationspartner nach Abschluss des Projektes geplant. Der AlSc-Draht zeichnet sich in jeder Drahtstärke durch ein feinkristallines Gefüge aus (Korngrößen < 1 µm). Das feine Korn bewirkt gute Deformationseigenschaften während des Ultraschall-Wedge/Wedge-Bondprozesses und eine gute Anpassung der Fügepartner Draht und Substrat. Trotz der hohen Härte der Drähte lassen sich diese qualitätsgerecht auf DCB- und Chipoberflächen bonden, ohne dass die elektrische Funktionsfähigkeit der Chips verloren geht. Konventionelle Aluminiumbonddrähte entfestigen normalerweise ab Einsatztemperaturen von ca. 100°C. Damit verbunden ist Kornwachstum, das in der Konsequenz zum Ausfall der Bondverbindung durch Heelrisse führt. Es wird dokumentiert, dass das feinkristalline Gefüge des neuen AlSc-Drahtes sogar noch nach einer Glühung im Temperaturbereich von 250°C bis 300°C erhalten bleibt. Ursache dafür ist die Ausscheidung weiterer kohärenter Al3Sc-Teilchen in diesem Temperaturbereich aus der Matrix, die die Versetzungs- und Grenzflächenbewegung und damit Rekristallisation/Kornwachstum hemmen. Die Ausscheidung der Teilchen stabilisiert jedoch nicht nur das Gefüge. In einem Temperaturbereich von 250°C bis 300°C, in dem kein konventioneller Al-Draht einsatzfähig wäre, steigt durch die ablaufende Ausscheidungshärtung die Reißlast des AlSc-Drahtes soweit an, dass sie über der Reißlast von Cu-Draht liegt. Hier liegt der große Vorteil des neuen AlSc-Drahtes: Er ermöglicht Al-Drahtanwendungen bei erhöhten Einsatztemperaturen bis 300°C. Die Erkenntnisse um die Prozesschritte der Ausscheidungshärtung im AlSc-Draht (Lösungsglühung und Aushärtungsverhalten) ermöglichen beispielsweise den Draht zuerst zu bonden und den gebondeten Wedge nachträglich auszuhärten. Die nachträgliche Aushärtung kann dann sogar unter erhöhten Betriebstemperaturen erfolgen. In ersten Zuverlässigkeitstests hat der AlSc-Draht (Drahtstärke 300 µm) sehr gute Ergebnisse erzielt. Auch nach 300.000 Temperaturzyklen (∆T: 80K, 100K und 120 K) war die Bondverbindung nicht ausgefallen. Der AlSc-Draht stellt auf Grund seiner guten Deformationseigenschaften/Bondbarkeit vor allem im Dickdrahtbereich eine Alternative zum Cu-Draht dar, der sich aktuell nur unter sehr hohem Aufwand (Aufbringen spezieller dicker Metallisierungen/Schichten) bonden lässt, ohne dass Chipcratering auftritt. Es gilt zu überlegen, ob die vergleichsweise geringere Stromtragfähigkeit des AlSc-Drahtes gegenüber Cu-Draht durch Verwendung größerer Durchmesser zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Publications
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Optimierung der Drahteigenschaften für verbesserte Al-Bondkontakte. Deutsche IMAPS Konferenz München, Oktober 2011
Ute Geißler, Eugen Milke, Martin Schneider-Ramelow, Peter Prenosil
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Alternative Drahtwerkstoffe für den Einsatz im Wedge/Wedge-Bondprozess. Konferenzbeitrag Elektronische Baugruppen und Leiterplatten (EBL) 6, 2012, Fellbach Elektronische Baugruppen und Leiterplatten, EBL 2012. VDE-Verlag Berlin, 2012 (GMM-Fachbericht 71), S.227-232
Ute Geißler, Eugen Milke, Peter Prenosil, Martin Schneider-Ramelow, Klaus-Dieter Lan
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European R&D Trends in wire bonding technologies. Proceedings of the 45th IMAPS International Symposium on Microelectronics. September 09-13, 2012 in San Diego, Ca, USA, S.209-214
Schneider-Ramelow, M; Göhre, J.-M.; Geißler, U.; Schmitz, S.; Lang, K.D.
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Neue Drahtwerkstoffe für den Einsatz im Wedge/Wedge-Bondprozess. Jahrbuch Mikroverbindungstechnik 2012/2013, DVS-Media-Verlag, S. 100-111, ISBN: 978-3-87155-249-6
Ute Geißler, Martin Schneider-Ramelow, Eugen Milke
