Startseite » Allgemein »

Höhere Produktivität und dabei besser

Mehr Leistung bei weniger Kosten – Bonden mit Heavy Aluminium Ribbon
Höhere Produktivität und dabei besser

Dickdrahtbonden wird seit vielen Jahren nur bis zu einer maximalen Drahtstärke von etwa 500 µm in der Serienfertigung eingesetzt. Für hohe Ströme, z.B. Leistungsmodule, werden daher parallele Drähte und Stitch-Bonds verwendet. Mehrfache Bonds und mehrfache Drähte treiben aber den Bonderdurchsatz stark nach unten und damit die Bondkosten in die Höhe. (Bild 2). Daher gab es schon seit längerer Zeit das Bestreben, Aluminium-Bänder mit mehrfachem Querschnitt eines Drahtes zu verwenden, und in der letzten Zeit ist die Technik der Erfüllung dieses Wunsches näher gekommen.

Dr. Farhad Farassat und Dr. Josef Sedlmair, F&K Delvotec Bondtechnik, München

Inzwischen hat sich eine Bändchenform mit 2000 µm Breite und 200 µm Dicke etabliert. Sie bietet einen Querschnitt von 0,4 mm², gut doppelt so viel wie ein Dickdraht von 500 µm (Querschnittsfläche 0,196 mm²). Die nächst dickere Version mit 300 µm ersetzt dementsprechend drei solche Drähte.
Ein typisches Modul zur Leistungsregelung verwendet je Chip drei Aluminiumdrähte von 400 µm Stärke bei einer gesamten bedeckten Breite von mindestens 2,5 mm (Bild 3). Ein Standard-Heavy-Ribbon von 2000 x 200 µm hat einen größeren Querschnitt von 0,4 mm² bei einem geringeren Platzbedarf von gut 2 mm. Das Bonden dauert kaum länger als die üblichen etwa 300 ms je Bond (also 600 ms je Draht) und erreicht folglich die dreifache Produktivität.
Dabei bietet der größere Querschnitt bei flacherer Geometrie auch technische Vorzüge:
  • Bessere Abdeckung des Bondpads, da kaum Fußverbreiterung
  • Durch flache Geometrie niedrigere Loops möglich
  • Weniger Schädigung des Bändchens im Heel verglichen mit Dickdraht
  • Stitch-Bonds sogar noch einfacher möglich als mit Draht So sind bei gleicher Loopgeometrie die Heelschädigungen, besonders bei Reverse-Bonding, bedeutend geringer als bei vergleichbaren Dickdrähten. Das erlaubt beim Bändchenbonden unüblich hohe Stufen mit kurzen Bonds zu überbrücken und damit attraktive Geometrien beim Gehäusebonden zu realisieren. Weiterhin müssen zum Stitch-Bonden geringere Höhen gefahren werden, was wiederum die Schädigung im Bändchen verringert.
Schließlich sind die Resonanzen eines Bändchenbonds in vertikaler Richtung völlig anders als quer, was einen solchen Bond gegen Schwingungen weitgehend immun macht. (Bild 4)
Technik: einfacher Umstieg
Weil das grundlegende Bondverfahren gleich ist, können weitgehend die Standard-Dickdrahtbonder eingesetzt werden (Bild 5). Meist können sie auch einfach mit einem Bausatz auf HARB umgerüstet werden. Lediglich die Ultraschall-Leistung wie auch die Bondkraft müssen mit den höheren Anforderungen Schritt halten.
Das Bondtool für dicke Bändchen hat, anders als das für Drähte, keine V-Rille, sondern einen flachen Fuß von definierter Länge. Um den Kraftschluss während der Verformung sicherzustellen, wird der Fuß des Wedge üblicherweise strukturiert, meist mit einem Waffelmuster von definierter Kassettenlänge und -tiefe. Derzeit wird noch detaillierter untersucht, ob die Kassettenseiten eine Steigung von 90° oder 45° aufweisen sollen, und welche Tiefe (relativ zur Bändchendicke) optimal ist. Im Gegensatz zu den ersten Entwicklungsmustern ist aber keine eigene Bändchenführung im Tool notwendig, etwa durch eine rechteckige Durchlassöffnung. Diese Funktion kann von einer Bändchenführung übernommen werden, welche der Dickdrahtführung weitgehend gleicht.
Meist wird in der Bändchenführung oder auch an anderer Stelle im Bondkopf eine zusätzliche Klammer vorgesehen, die das Bändchen nach dem zweiten Bond zum Abreißen fixiert. Dies dient einer verbesserten Prozess-Stabilität, ist aber erfahrungsgemäß bei den Standard-Loopgeometrien nicht zwingend notwendig.
Erfreulicherweise können mit einem hinreichend breiten Bondwerkzeug Bändchen unterschiedlicher Breite gebondet werden. Das gilt eigentlich auch für unterschiedliche Dicken, aber die oben erwähnte Waffelstruktur des Tool-Fußes variiert mit der Dicke des Bändchens, so dass üblicherweise unterschiedliche Tools eingesetzt werden.
Beim Schneidemesser sind die Anforderungen deutlich höher als beim Dickdrahtbonden, denn das breitere Bändchen verlangt wegen der höheren Querschnitte neben der angepassten Geometrie eine größere Schneidkraft und damit steifere Klingen.
Die höhere Ultraschall-Energie beim HARB stellt entschieden höhere Ansprüche an die Qualität der Bauteilklemmung. Eine Vakuumansaugung, wie bei Flachbaugruppen häufig ausreichend, ist beim HARB oft nicht mehr zuverlässig genug und muss durch mechanische Klemmungen ergänzt oder ersetzt werden.
Unterschiede beim HARB
Die Unterschiede zwischen den Bondverfahren sind weitgehend im höheren Materialquerschnitt begründet, der zum Bonden verformt werden muss. So ist beim Schneiden des Bonds ziemlich viel Kraft nötig und die Schneidekante muss exakt parallel zur Fläche des Bondpads liegen, besonders dann, wenn auf dem Chip geschnitten wird. Bei Schnittlängen von bis zu 3 mm (bei einem hypothetischen noch breiteren Bändchen als dem heutigen Standard von 2 mm) verursacht wegen des verhältnismäßig dünnen Bändchens schon eine geringe Keilform des Lot- oder Kleberbettes deutliche Unterschiede über die Schnittfläche hinweg, was dann wiederum das Abreißen des Bändchens erschwert und den Prozess weniger stabil macht. Es überrascht aber andererseits, dass der Schneideprozess insgesamt beim Bändchen eher leichter zu beherrschenist, als beim klassischen Dickdraht, denn der Schneidewiderstand des Bändchens nimmt innerhalb des Schnitts von oben nach unten mit dem Volumen des zu verdrängenden Materials zu und verhindert so ungewolltes Durchschneiden. Beim Draht hingegen nimmt der zu schneidende Querschnitt von oben nach unten erst zu und dann wieder ab – das Verfahren ist deshalb anfälliger für ungewolltes Durchschneiden.
Eine wesentliche Einschränkung betrifft das Bonden in schwierigen Geometrien, wo das Drahtbonden „um die Ecke“ erfolgen kann, also mit Bondverbindungen in S-Shape. Einleuchtenderweise ist dies beim Bändchen ausgeschlossen, und deshalb sind einige Leadframe-Geometrien mit HARB nicht vorteilhaft zu verarbeiten, besonders dort, wo der Einfachheit halber auf einen bestehenden Leadframe-Typ mehrere Drähte nebeneinander gezwängt werden (Bild 6). Hier werden zukünftig eigene Leadframe-Varianten notwendig werden, wobei die niedrigere Geometrie des Bändchens auch gleich für entsprechende flachere umspritzte Gehäuseformen ausgenutzt werden kann.
Bei Anwendungen mit sehr hohem Stromdurchgang, also mehreren Paralleldrähten, setzen manche Anwender heute zur Sicherheit einen oder mehrere Extradrähte, die von den elektrischen Werten her nicht verlangt sind, aber bei Ausfall eines einzelnen Drahtes die Bauteilfunktion aufrecht erhalten. Im Vergleich dazu ist HARB eine Alles-oder-Nichts-Technik, weil normalerweise für ein zweites Bändchen kein Platz auf dem Bondpad ist.
Unklare Langzeit- eigenschaften
Wie bis hierher klargeworden sein dürfte, besteht derzeit enorm großes Interesse an dem HARB-Verfahren, gleichzeitig aber noch sehr wenig praktische Erfahrung. Hauptgrund hierfür sind neben den üblichen Entwicklungshindernissen auch die unklaren Langzeiteigenschaften der Bauteile. Die Hauptsorge richtet sich hier auf die Metallisierung des Bondpads auf dem Chip. Hier treffen mehrere Problembereiche zusammen und verstärken sich gegenseitig:
  • Erforderliche Ultraschall-Leistung steigt mit zunehmendem Bondquerschnitt an
  • Benötigte Bondkraft steigt ebenso an
  • Leistungs-Chips werden immer dünner, um die Verlustwärme besser an das Substrat abzuleiten
  • Speziell für das HARB optimierte Leistungs-Chips oder Oberflächen gibt es noch nicht, weil das Marktvolumen noch zu gering ist
  • Schädigungen können zunächst unsichtbar sein (auch für die üblichen analytischen Methoden), aber zu Langzeitausfällen führen
Die zum Bonden erforderliche Ultraschallenergie steigt mit dem Querschnitt des Bondmaterials und der Länge des Bonds, da die US-Energie dieses gesamte Aluminiumvolumen deformieren muss. Sie nimmt außerdem mit der Größe der Bondstelle zu, also der Verschweißungsfläche selbst (Bändchenbreite mal Bondlänge). Bei den wirtschaftlich besonders attraktiven Bändchendimensionen von über 2 mm Breite und über 300 µm Dicke liegen diese Energiewerte mindestens dreimal so hoch wie für einen 500 µm-Draht, und folglich existieren auch keine Erfahrungswerte, die sich guten Gewissens extrapolierbaren ließen.
Für die Langzeitstabilität nachteilig könnte auch die Tatsache sein, dass ein Bändchenbond quasi per definitionem einen großen Teil der bondbaren Chipmetallisierung mit Aluminium bedeckt, das einen (relativ hohen) thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 24 ppm/K aufweist. Das Silizium des Chips dagegen dehnt sich bei Erwärmung nur um 2,5 ppm/K aus, und damit besteht ein beträchtliches Risiko von grenzflächennahen Rissen, besonders wenn die Bauteile mit häufigen Temperaturwechseln betrieben werden. Das ist im Automobilbau natürlich die Regel und nicht die Ausnahme. Dickdrähten hingegen bedecken mehrere kleinere Bondflächen, so dass dort dieser Effekt möglicherweise weniger ausgeprägt ist. Es ist aber genauso gut denk- und diskutierbar, dass ein auf das Substrat gelöteter Chip dann durch das Bändchenbonden in eine Art Sandwich-Konstruktion, mit höheren Ausdehnungskoeffizienten oberhalb und unterhalb, eingebettet ist und eher weniger beansprucht wird.
Ein weiterer Diskussionspunkt ist derzeit, was für den Chip schädlicher ist: wenn ein einzelner Bond mit deutlich höherer Energie aufgebracht wird, oder aber mehrere Bonds nacheinander mit geringeren Einzelenergien, wie beim heutigen Bonden von parallelen Drähten. Denkbar und diskutabel ist jedoch auch, dass die Kerbwirkung der einzelnen Dickdrahtbonds (die Kontaktfläche des Drahtes ist ja zu Anfang schmal und wird erst während des Bondens verbreitert) schädlicher ist als der großflächige und ebene Kontakt mit dem Bändchen. Auch hier ist derzeit die Erfahrungsbasis noch bei weitem nicht breit genug.
Wie geht es weiter?
Das Interesse an der neuen HARB-Technik ist enorm. Praktisch jeder Hersteller oder Anwender von Leistungsbauelementen beschäftigt sich derzeit damit. Die derzeit dringendsten Weiterentwicklungen betreffen, zumindest bei Anwendern in Europa und USA, vor allem die Prüf- und Messtechnik. So müssen Vorgehensweisen zum Pulltest definiert werden, aber auch zum Schertest hinsichtlich empfehlenswerter Scherhöhen und besonders der Scherrichtung längs oder quer zum Bond, sowie zur Beurteilung der Bruchmuster.
Die Bändchen stehen derzeit an der Schwelle zur Standardisierung von Formaten. Bislang werden sie nur von den wesentlichen Dickdraht-Anbietern gefertigt, und die geringen Produktionsmengen erlauben noch keine Massenproduktion mit entsprechend optimierten und kostengünstigen Technologien. So werden üblicherweise die Bändchen aus gezogenen Al-Drähten des gewünschten Querschnitts gewalzt, anstatt sie aus breiteren flachgewalzten Blechen in der richtigen Breite zu schneiden. Häufig wird auch noch eine speziell entwickelte Materialbehandlung angeschlossen. Der Preis für Bändchen liegt derzeit daher noch weit über einem vergleichbaren Al-Draht, wird aber sicherlich mit zunehmender Verbreitung sinken. Das muss er auch, um nicht den Vorteil durch die höhere Maschinenproduktivität bei den Materialkosten wieder zu verspielen.
Erfolgversprechende erste Schritte
Wie schon erwähnt, gibt es als Konsequenz der skizzierten Hindernisse erst wenige Bauteile, die heute schon mit Heavy Ribbon gebondet werden. Am einfachsten, und damit heute am attraktivsten, scheinen noch Anwendungen wie die in Bild 7 gezeigte zu sein, wo die Leistungsbonds eine Platine mit dem Gehäuse verbinden, also keine Silizium-Chips gebondet werden müssen. Hier lassen sich sehr gut Erfahrungen sammeln. Außerdem ist es sehr hilfreich, dass Umbausätze zum HARB inzwischen auch für halbautomatische Dickdrahtbonder existieren, so dass man nicht gleich mit den hohen Anschaffungskosten eines Vollautomaten konfrontiert ist, oder aber einen Vollautomaten nicht für Entwicklungsarbeiten mit HARB blockieren muss. Diese Möglichkeit dürfte auch die „Time to Market“ für einige Produkte deutlich reduzieren und den Weg für diese Technologie und ihr enormes Potenzial ebnen.
SMT, Stand 7-413
EPP 500
Unsere Webinar-Empfehlung
INLINE – Der Podcast für Elektronikfertigung

Doris Jetter, Redaktion EPP und Sophie Siegmund Redaktion EPP Europe sprechen einmal monatlich mit namhaften Persönlichkeiten der Elektronikfertigung über aktuelle und spannende Themen, die die Branche umtreiben.

Hören Sie hier die aktuelle Episode:

Aktuelle Ausgabe
Titelbild EPP Elektronik Produktion und Prüftechnik 1
Ausgabe
1.2024
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de