Das Beste aus beiden Welten – Gold und Aluminium

Drahtbonden mit beschichteten Drähten Dr. Josef Sedlmair, F&K Delvotec Bondtechnik GmbH, München

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Für den Großteil der Drahtbonds ist Gold als Material die erste Wahl. Nachteilig ist jedoch, dass Goldraht nur bei höheren Temperaturen verarbeitet werden kann. Aluminiumdraht dagegen lässt sich zwar bei Raumtemperatur bonden, erfordert aber teueres Equipment und ist anfälliger für Korrosion. Die Vorteile beider Materialien kann man durch Aluminium-beschichtete Golddrähte ausnutzen. Diese Drähte können mit üblichen Wedge-Wedge-Drahtbondern ohne große Änderungen im Prozess gebondet werden. Es sollten lediglich spezialisierte Wedgetypen eingesetzt werden, da sonst die Standzeiten der Bondwerkzeuge nicht mehr akzeptabel sind.

Weit über eine Billion (1012) Drahtbonds werden weltweit jedes Jahr hergestellt, und mehr als 95% davon sind aus dünnem Golddraht. Aluminium stellt fast den gesamten Rest von 5%; Kupfer und ein vernachlässigbarer Anteil anderer Materialien decken den verschwindenden übrigen Teil ab. Golddraht hat eine Reihe erwünschter chemischer, physikalischer und elektrischer Eigenschaften, leidet aber gleichzeitig unter dem Nachteil, dass ein zuverlässiger und robuster Bondprozess nur bei höheren Temperaturen von 150 °C und darüber abläuft. Ein großer Teil der technologischen Entwicklungen in den letzten zehn Jahren war darauf gerichtet, diese Heizung unnötig zu machen, aber insgesamt waren die Resultate nicht überzeugend. Zwar ist es möglich, mit neueren Drahttypen die Ultraschallfrequenz deutlich über die standardmäßigen 100 oder 120 kHz hinaus auf 200 oder 240 kHz oder sogar noch weiter zu erhöhen und gleichzeitig niedrigere Arbeitstemperaturen unter 100°C zu erreichen. Dieser Fortschritt wurde jedoch andererseits um den Preis eines weniger robusten Prozesses und aufwändigerer Substratmaterial-Oberflächen erkauft. Gold-Ball-Bonden bei echter Raumtemperatur hat sich deshalb immer noch nicht verbreitet.

Darin liegt einer der Gründe, warum, wie oben dargestellt, Aluminiumdraht die wichtigste Alternative zum Golddraht ist. Er lässt sich leicht und zuverlässig bei Raumtemperatur bonden. Das Material ist preisgünstig und aus diesem Grund praktisch das einzige Drahtmaterial für Dickdrahtbonden von Leistungshalbleitern. Bei komplizierten Bauteilen, Chip-on-Board-Schaltungen oder bei vielen Sensoren mit komplizierteren Gehäusetypen, die allesamt nicht leicht aufzuheizen sind, ist Aluminiumdraht das Bondmaterial der Wahl.
Jedoch leidet Aluminium unter zwei wesentlichen Nachteilen: Zum einen kann es nur mit einem Wedge-Wedge-Bonder verarbeitet werden, welcher wegen seines drehbaren Bondkopfs langsamer und üblicherweise teurer ist. Zweitens ist es unter bestimmten Umständen für Korrosion anfälliger, besonders bei Bonds auf Gold-Kontaktflächen in Hybridschaltungen, wo eine Aluminium-Gold-Grenzfläche gebildet wird. Diese unterliegt dem Risiko für Lokalelementbildung unter Feuchtigkeit; bei höheren Temperaturen wird sie durch die Purpurpest geschwächt.
Bei Applikationen, bei denen man lieber innerhalb eines einzelnen Metallsystems bleiben würde, oder bei denen die zu bondenden Bauteile schwierig aufzuheizen sind, wünscht man sich also ein Drahtmaterial, das die besten Eigenschaften von Gold und Aluminium in sich vereint. Seit einiger Zeit ist solch ein Material verfügbar: Golddraht mit einer dünnen Aluminiumbeschichtung erfüllt diesen Wunsch weitgehend.
Aluminiumbeschichteter Golddraht ist üblicherweise ein Standard-Gold-Bonddraht von 30 bis 50 µm Durchmesser, auf den eine dünne Aluminiumschicht von 15 bis 30 nm aufgesputtert wird. Diese Schichtdicke entspricht etwa 60 bis 120 Atomlagen Aluminium und damit einer sehr dünnen Schicht. Derzeit bietet erst ein Hersteller von Bonddrähten diesen Draht als Standardprodukt in unterschiedlichen Drahtstärken und Spulengrößen an. Die zusätzlichen Prozessschritte mit dem Sputtern der Beschichtung machen den Draht natürlich deutlich teurer, aber dieser Preisunterschied wird sicherlich mit zunehmendem Marktvolumen geringer werden.
Kein Wechsel in den Geräten
Das Bonden von beschichtetem Draht ist nicht schwierig, und die üblichen Wedge-Wedge-Drahtbonder sind ohne Probleme dafür geeignet. Meist wird mit den gewohnten Bondfrequenzen zwischen 60 und 140 kHz gearbeitet, dabei wird das untere Ende des Frequenzspektrums für die etwas dickeren Drähte gewöhnlich bevorzugt. Die Bondwerkzeuge sind die standardmäßig gebräuchlichen Tools für Golddraht; sie sind typischerweise mit normalen Kreuzrillen (Cross-Groove) versehen.
Der Haupteffekt der Aluminiumbeschichtung scheint eine abrasive Wirkung zu sein: Das aufgesputterte Aluminium besitzt die für Aluminium übliche native Oxidschicht von wenigen Nanometern Dicke, die wegen ihrer Härte und Rauigkeit als eine Art Schleifpapier wirkt. Sie bricht die Oberfläche der Bondpartner während der ersten Phase der Verbindungsbildung auf, genauso wie dies beim Bonden mit Aluminiumdraht abläuft. Die folgenden Schritte des Gitterkontakts und des Stoffschlusses beziehen dann auch das massive Gold des Bonddrahtes ein und ähneln dem gewohnten Bonden mit Golddraht. In der schließlich erzeugten Bondverbindung sind die Reste der gesputterten Aluminiumschicht nicht mehr erkennbar, genauso wenig wie das Aluminiumoxid. Aluminium wie Aluminiumoxid verschwinden vermutlich im Gefüge der Bondverbindung und diffundieren in die Materialtiefe.
Wenig Änderungen im Bondprozess
Die Bondparameter ändern sich nicht wesentlich, verglichen mit konventionellem Aluminium- oder Golddraht der gleichen Drahtstärke. Ein deutlicherer Unterschied tritt lediglich bezogen auf die Lagerzeit auf: Wegen der dünnen Aluminium-Beschichtung von nur 15 bis 30 nm nimmt die Aluminiumoxidschicht, die sich mit vermutlich 5 bis 10 Nanometer spontan bildet, einen größeren Anteil der Metallschicht ein und scheint daher stärker empfindlich auf Lagerbedingungen und Lagerzeit. Denkbar ist auch, dass mit der Zeit das Aluminium teilweise in die Goldphase wegdiffundiert. Deshalb ist aluminiumbeschichteter Golddraht deutlich anfälliger für Überlagerung als Drähte aus beiden Basismaterialien.
Ein weiterer deutlicher Unterschied betrifft die Standzeiten der Bondwerkzeuge. Übliche Bondwedges halten über hunderttausend Bonds aus, bevor sie wegen Abnützung oder Materialaufbau ausgetauscht werden müssen. Bei beschichteten Drähten ist der begrenzende Faktor immer der Aufbau von Aluminium auf der bondenden Fläche der Wedges. Dieser Materialaufbau findet nicht linear mit der Zeit statt und beeinflusst die Verbindungsbildung in nicht vorhersehbarer Art und Weise, denn er ändert die Ankopplung der Ultraschallenergie in den Bond ständig. Durch Abbrechen einzelner aufgebauter Materialbrocken kann sich dieser Störeinfluss immer wieder völlig abrupt ändern. Interessanterweise und aus nicht völlig verstandenen Mechanismen ist dieser Effekt für dickere Drähte von 50 µm Stärke weniger ausgeprägt als für dünnere von 38, 32 oder gar 25 µm. In extremen Fällen wird davon gesprochen, dass die Wedges schon nach 100 oder 200 Bonds gewechselt werden müssen, was für einen normalen Produktionsprozess natürlich nicht zumutbar ist. Obwohl die Wedges im Prinzip durch Wegätzen des Aluminium-Aufbaus gereinigt und dann wieder verwendet werden können, ist der häufige Stillstand für den Werkzeugwechsel trotzdem nicht akzeptabel. Daher ist ein großer Anteil der Entwicklungsarbeit bei F&K Delvotec in den Mechanismus dieses Materialaufbaus auf dem Werkzeug geflossen, sowie in den Einfluss von Bondfrequenz und anderen Parametern wie die Toolgeometrie und das Material (oder die Materialkombinationen).
Probleme bei Werkzeugen
Mittlerweile sind einige spezialisierte Wedgetypen entwickelt worden, meist auf Basis der für Aluminiumdraht gebräuchlichen Wolframkarbid-Wedges. Um dem Materialaufbau entgegenzuwirken, sind die Spitzen aus einem anderen Material gefertigt, einige aus Keramikmaterial, andere mit Osmium-Überzügen. Zusammen mit gründlichen und detaillierten Untersuchungen zum Ultraschall-Schwingverhalten an der Wedgespitze und auch über den Verlauf des Werkzeuges hinweg, hat man bei F&K Delvotec inzwischen ein vertieftes Verständnis der Prozesse gewonnen, die während des Bondens ablaufen. Unterstützt durch einfache regenerative Maßnahmen auf dem Bonder, zu denen der Wedge nicht ausgebaut werden muss, erreicht man inzwischen Toolstandzeiten von mehreren zehntausend Bonds, bevor die Wedges ersetzt oder gereinigt werden müssen. Diese Standzeiten sind für den Produktionsbetrieb hinreichend.
Bereit für weitere Anwendungsgebiete
Auch wegen der oben beschriebenen Schwierigkeiten haben sich beschichtete Drähte noch nicht über eng umschriebene Nischen hinaus entwickelt und werden heute in der Serienproduktion erst für einige wenige Bauteiltypen eingesetzt, überwiegend Sensoren in der Automobilelektronik, wo der Vorteil des Gold-Gold-Metallsystems und die Bondbarkeit bei Raumtemperaturen die größten Vorteile bringen. Es ist jedoch zu erwarten, dass mit steigenden Wedge-Standzeiten und weiteren Standarddrahttypen sowie den damit verbundenen fallenden Drahtkosten weitere Anwendungen für diese neue Technologie attraktiv werden.
Im Hinblick auf die allgemeinen Vorteile neuer und weiterentwickelter Drahtmaterialien und Materialkombinationen hat sich das gemeinsame Forschungsprojekt Wirecoat gebildet, in dem unter anderem TU Dresden, FhG-IZM, FhG-IWM, Bosch, F&K Delvotec, Heraeus und EADS mitarbeiten und diese Neuentwicklungen möglichst rasch praxisnah umsetzen und industrialisieren wollen. Weitere Ausblicke in dieser Technologiesparte sind unter anderem noch dünnere, hochfeste Drähte, aber auch isolierte Drähte und verschiedene Bändchenmaterialien. Von besonderem Interesse ist dabei natürlich mit Aluminium beschichteter Kupferdraht, sowohl für dünne als auch für dicke Drähte.
Productronica: B5.281
epp 497
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