Aluminum-copper bond wires for power electronic modules
Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
Derzeit ist das Al-Dickdrahtbonden die Standardtechnologie für die Kontaktierung vom Halbleiter zum Substrat in der Leistungselektronik. Aus Zuverlässigkeitsgründen bzw. aufgrund zu erwartender höherer Lebensdauern im Betrieb von Leistungsmodulen besteht der Wunsch, Cu-Dickdrähte mit zudem besserer Strom- und Wärmeleitfähigkeit einzusetzen. Eine zu geringe Ausbeute beim Bonden auf den Halbleitern (Cratering) verhinderte bis dato den flächendeckenden industriellen Einsatz. Als mögliche Lösung werden derzeit Verbunddrähte aus einem Cu-Kern für die besseren elektrischen und thermischen Eigenschaften und einem Al-Mantel für die bessere Bondbarkeit gesehen. Für die Serientauglichkeit wird eine gleichbleibende Drahtqualität benötigt, vor allem eine konstante Dicke des Al-Mantels und eine konzentrische Lage des Cu-Kerns. Nur so kann eine hohe Ausbeute in der Produktion sichergestellt werden, da Drahtbondprozesse so eingestellt werden können, dass die Belastung des Halbleitermaterials immer gleichbleibt. Letzte Satz raus? Durch die Anpassung der Umformroute und der Wärmebehandlung für die Dickdrahtherstellung ließ sich im Projekt ein homogener Verbunddraht über die gesamte Länge herstellen. Dabei liegt der Cu-Kern konzentrisch mit vernachlässigbaren Schwankungen der Al-Manteldicke. Der Kern ist rund und ohne Ausbuchtungen. Der Anteil der intermetallischen Phase zwischen Cu-Kern und Al-Mantel lässt sich gezielt durch die abschließende Wärmebehandlung einstellen (wachsende intermetallische Phase mit steigender Zeit/Temperatur). Dadurch konnte mit hoher Gutteilausbeute auf Halbleiteroberflächen gebondet werden. Durch die höhere Steifigkeit der Drähte kommt es, zwar nicht mehr direkt beim Bonden, aber beim nächsten Prozessschritt, dem Ausformen der Drahtbrücke, vereinzelt zu Chipausbrüchen. Nach der erfolgreichen Optimierung der Prozessroute und Wärmebehandlung wurden Demonstratoren für die Zuverlässigkeitsuntersuchungen aufgebaut, allerdings konnte auch so keine 100% Ausbeute beim Bonden erreicht werden. In den Active-Power-Cycling-Versuchen zeigen sich deutlich höhere Lebensdauern für den AlCu-Draht, verglichen mit reinem Al-Draht gleichen Durchmessers. Die ersten Drahtabheber treten beim reinen Al-Draht bereits nach 70.000 Zyklen auf. Beim AlCu-Draht treten die ersten Abheber erst nach 300.000 Zyklen auf. Die Ausgangsmaterialien (Cu und Al) für die Drahtherstellung hatten lediglich eine Reinheit von 99,9 bzw. 99,8%. Darin dürfte der Grund für die zu hohen Festigkeiten und die für eine industrielle Anwendbarkeit nicht einsetzbaren neuen Drähte liegen, obgleich die zu erzielende Konzentrizität und konstante Al-Mantelwandstärke erreicht wurde. In weiterführenden Arbeiten sollten hochreine Materialien (mind. 99,99%) zum Einsatz kommen und damit eine 100% Ausbeute beim Bonden auf fragilem Halbleitermaterial nachgewiesen werden.
Publications
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Infinite Potential of Wire Bonding: New Research Findings, RealIZM blog
Martin Schneider-Ramelow
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Effect of the loop forming process on the lifetime of aluminum heavy wire bonds under accelerated mechanical testing. Microelectronics Reliability, 154, 115337.
Felke, Florens; Groth, Anne; Hempel, Martin; Czerny, Bernhard; Khatibi, Golta; Döhler, Torsten & Geissler, Ute
