Maximale Zuverlässigkeit im Feld

John Maguire, Nordson March, Maastricht (Nl)

Den Nutzen von Plasma findet man in zwei unterschiedlichen Bereichen: zuerst im Drahtbonden selbst, was auch „die Statistiken“ genannt werden könnte, und zweitens in der langfristigen Zuverlässigkeit des Bauteils, hier „Bauteilzuverlässigkeit“ genannt. Obgleich diese beiden Faktoren in gewissem Umfang zusammenhängen, ist es einfacher und übersichtlicher, sie getrennt zu besprechen.

Heute werden die meisten „ersten“ Bonds an einer Aluminium-Metallisierung eines Halbleiterbauteils vorgenommen und die meisten „zweiten“ Bonds an Gold. Dieses Bild ändert sich jedoch rasch mit der Einführung von Kupferdrähten und neuen Metallisierungen an Bauteilen und Trägern oder Substraten, mit denen sie verbunden werden. Hier finden wir bereits eine Quelle der Vielfalt im Plasmaverfahren vor: Flash-Gold von 50nm kann erheblich anders als 2 Mikron dickes Gold verarbeitet werden. Eine Nickel-/Palladium-Metallisierung an einem IC wird anders als Aluminium gebondet. Metallträger können ganz anders als BGA-Substrate verarbeitet werden. Während die straffe Prozesssteuerung in der Halbleiterindustrie eine insgesamt vorhersehbare Metallisierung gewährleistet, zeigen dem gegenüber die Abläufe in der Platinen- und Galvanikindustrie grundsätzlich ein höheres Maß an Variabilität. Es ist nicht ungewöhnlich, dass man BGA-Substrate von drei verschiedenen Anbietern nach den gleichen Spezifikationen kauft, und dann feststellen muss, dass sich drei unterschiedliche Sets von Drahtbond-Statistiken ergeben.

Idealerweise erfolgt das Bonden auf sauberen Metallflächen des Halbleiterbauteils bzw. des Substrats oder Trägers. In der Praxis gibt es zahlreiche Quellen zu Flächenkontamination, die Einfluss auf die Drahtbond-Statistiken bzw die Bauteilzuverlässigkeit haben können. Dazu gehören:

Drahtbonding-Statistiken neigen dazu, hauptsächlich durch Anwesenheit organischer Stoffe und Oxide beeinflusst zu werden, während die langfristige Zuverlässigkeit eher durch anorganische Kontamination beeinflusst wird. Überschneidungen gibt es jedoch auch. Plasma kann grundsätzlich eine absolut saubere Metalloberfläche für das Drahtbonding kreieren, allerdings hat sich wiederholt gezeigt, dass eine Metalloberfläche innerhalb weniger Stunden nach der Plasmabehandlung mit atmosphärischen organischen Verunreinigungen kontaminiert sein kann. Dieser Effekt ist insbesondere in einem Reinraum festzustellen, der – obgleich „partikelfrei“ – doch hohe Konzentrationen organischer Stoffe von Kunststoffen, Oberflächenbeschichtungen und Personal, die sich durch die Umwälzung der Luft im Reinraum ansammeln können, aufweisen können

Das Problem von Kontaminationen liegt einfach darin, dass sie die Oberfläche bedecken, an die wir etwas anbonden möchten, so dass eine gute Bondverbindung nicht zustande kommt. Außerdem ist das Auftreten von Kontaminationen „unsystematisch“; sie treten auf und verschwinden, sind nicht gleichmäßig verteilt und nahezu unmöglich zu lokalisieren, identifizieren und quantifizieren. Ein Bondingprozess kann über Stunden oder Tage problemlos laufen und plötzlich aus nicht ersichtlichen Gründen außer Kontrolle geraten. Die Sofortlösung liegt häufig im Hochschalten der Ultraschallleistung mit allen Begleitfolgen. Die wesentlichen Punkte, mit denen wir konfrontiert werden, sind:

NSOPs sind ein Problem, da sie zu Stillstandzeiten führt. Anhebungen werden von verschiedenen Anwendern unterschiedlich bewertet. Für einige Anwender ist eine Anhebung innerhalb der Spezifikationen noch akzeptabel. Bei Anwendungen, die ein bestimmtes Maß an Zuverlässigkeit erfordern, ist eine Anhebung niemals ein akzeptabler Ausfallmodus. Die Frage ist, ob man ein paar zufällig verteilte Anhebungen, die sich noch nicht als solche gezeigt haben, erfassen wird. Rückgang der gebondeten Bereiche, der durchschnittlichen Scherfestigkeit und Zugfestigkeit sind allesamt Indikatoren dafür, dass der Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Bonddraht und dem Pad während des Bondings nicht optimal war. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Oberflächenverschmutzung den Prozess des „Schweißens“ verhindert. Außerdem ist bekannt, dass die Kontaktfläche während des Klebens niemals hundertprozentig ist, sie erhöht sich jedoch mit der Zeit und führt zu einem stärkeren Bond durch den Prozess der Korngrenzwanderung. Die Oberflächenkontamination hemmt diesen Prozess und führt zu einer Verbindung, die ihre maximal mögliche Stärke nicht erreicht. Dies ist ein Bereich, in dem suboptimale Klebestatistiken die Gerätezuverlässigkeit beeinflussen. Wenn der Bondingbereich nicht maximiert wird, schlägt die Verbindung während der Zuverlässigkeitsprüfung früher fehl.

Kehrt man die obige Schilderung um, ist es einfach, die Vorteile von Plasma abzuleiten:

Berücksichtigt man die Anfangsaussage, so ist es durchaus möglich, dass Plasma kurzfristige, unsystematische Abweichungen von einem Prozess, der ansonsten sehr stabil mit hoher Prozessfähigkeit abläuft, unterbindet. Allerdings führt selbst ein sehr „fähiger“ Prozess, der unter seinem ultimativen Potenzial abläuft, zu suboptimaler Bauteilzuverlässigkeit. Ein optimierter Drahtbondprozess, der den gebondeten Bereich maximiert und die Pad-Schäden minimiert, wird stets eine bessere Zuverlässigkeit als ein suboptimierter Ablauf erzielen.

Trotz der großen Vielfalt, die man heutzutage in Kombinationen aus Bonddrähten und Metallisierungen findet, sind die Ausfallmodi, die während der Zuverlässigkeitsprüfungen auftreten, offensichtlich für alle metallurgischen Systeme zutreffend. Monometallische Verbindungen bilden hier eine „Klasse innerhalb einer Klasse“ und keineswegs eine Ausnahme. Der Unterschied von einem metallurgischen System zum anderen ist nicht so sehr der Ausfallmodus, als vielmehr die Anfälligkeit für diesen Ausfallmodus: Die Zeitspanne bis zum Ausfall. Vereinfacht betrachtet können wir sagen, dass die häufigsten Ausfallursachen folgende Aspekte umfassen:

So dargestellt ist der Zusammenhang mit Bondpad-Kontamination leicht erkennbar. Davon ausgehend, dass unser Bondvorgang optimiert ist und unsere Metallisierungen in Bezug auf Dicke, Haftung, Oberflächentopografie, Dichte u.s.w. „in Ordnung“ sind, ist die Ursache eines schlecht geformten Bonds, d. h. einer Verbindung mit geringer Kontaktoberfläche, die großteils aus nicht zusammen gewachsenen Mikroverbindungen besteht, hauptsächlich auf organische Kontaminationen auf der Oberfläche des Bondpads zurückzuführen. Die Gründe dafür, dass solche Verbindungen um das Vielfache schneller ausfallen, als wir erwarten würden, sind recht komplex und würden den Umfang dieser Übersicht übersteigen. Allerdings ist die Lösung des Problems – „Reinigen Sie Ihr Bondpad“ – erfrischend einfach.

Die üblichen polymetallischen Systeme bilden „Intermetallics“. Am besten untersucht ist hierbei zweifellos die Gold-Aluminium-Kombination. Die Bildung eines Intermetallics ist der erforderliche erste Schritt der Bildung einer Verbindung und Intermetallics werden während des Herstellungsprozesses, des Einbrennens und der Verwendung der Komponenten gebildet. Geht man davon aus, dass das Bilden von Intermetallics im Grunde die Diffusion eines Metalls in ein anderes bezeichnet, so wird eines davon durch diesen Prozess verbraucht und das Ergebnis ist stets ein Ausfall. Wenn die Verbindung frei von Verschmutzungen ist, ist die Zeitspanne bis zum Ausfall jedoch üblicherweise wesentlich länger als die baulich vorgesehende Lebensdauer des Teils und deshalb ist das Bilden von Intermetallics und der daraus resultierende Kirkendall-Effekt in der Praxis kein Problem. Die Intermetallics sind stark und elektrisch leitend.

Probleme entstehen, wenn die Oberflächen, die gebondet werden, nicht sauber, sondern durch anorganische Materialien, insbesondere Halogene, verschmutzt sind. Die Halogene können als Resultat der Waferprozesse, durch Umweltschmutz oder in der Gussmasse, die für das Bauteil-Package verwendet wird, vorhanden sein. Durch einen etwas komplizierten Mechanismus, den man als Horsting-Effekt bezeichnet und der wie der Kirkendall-Effekt eine Folge der Diffusion eines Metalls in ein anderes ist, konzentrieren sich die Halogene in Zonen auf der Metall-Schnittstelle, wo sie den Prozess der Hohlraumbildung beschleunigen und gleichzeitig Korrosion begünstigen. Halogene, die nicht in der Bondschnittstelle eingebunden sind, jedoch Kontakt mit der Metalloberfläche haben, insbesondere im Bereich von Mikroschweißverbindungen, können elektrochemische Zellen bilden, die zu rascher Korrosion führen. Eine schlecht geformte Verbindung mit geringem Verbindungsbereich und vielen Mikroschweißverbindungen weist eine größere Perimeterlänge auf als eine gut geformte Verbindung und ist damit anfälliger für diesen Korrosionsmechanismus.

Von den drei genannten Ausfallmechanismen ist der zuletzt genannte am häufigsten, da die Mehrheit der integrierten Schaltkreise heutzutage aus Golddrahtverbindungen auf einer Aluminium-Metallisierung aufbaut. Trotz der Komplexität des Ausfallmechanismus ist die Lösung erneut erfreulich einfach: „Reinigen Sie Ihr Bondpad“.

Wir haben einen Punkt erreicht, an dem es einfach ist, anzunehmen, dass durch Sicherstellung einer sauberen Oberfläche einer Plasmaprozess stets zu verbesserter „Drahtbond-Statistik“ und verbesserter Bauteilzuverlässigkeit führt. In unserer „idealen Welt“ würden wir ein Plasma verwenden, das alle organischen und anorganischen Kontaminationen von unseren Bondpads sputtert und so das völlig saubere Bondpad erzielt, das zu einer maximierten „Drahtbond-Statistik“ und maximierter „Bauteilzuverlässigkeit“ führt. Doch genau hier beginnt es, komplex zu werden. Diese Lösung, die in Form eines direkten Hochleistungs-Argon-Plasma bei relativ niedrigem Druck erreichbar ist, wird manchmal verwendet. Sie kann auf einigen Metallträgern mit Leistungsbauteilen verwendet werden. Die Anwendbarkeit wird durch die Auswirkung von Sputtern und Überhitzung beschränkt. Metallträger sind üblicherweise nicht anfällig für Überhitzen und der Wiederauftrag des gesputterten Materials ist nur dann ein Problem, wenn dies signifikant ist und zu einer Veränderung des spezifischen Widerstandes der Oberfläche oder der Bauteilleistung, d. h. zu Leckstrom oder Änderungen der Bauteilmerkmale, führt. Das Sputtern von organischen Kontaminationen, das, wie wir gesehen haben, die größte Auswirkung auf die Drahtbond-Statistiken hat, ist jedoch wesentlich langsamer als das Reiningen in einem „chemischen Plasma“, wie z. B. Sauerstoff, allerdings ist Sauerstoff-Plasma nahezu unwirksam bei anorganischen Kontaminationen. Sauerstoff ist ebenfalls in den meisten Fällen keine Option, wo wir es mit Metallen zu tun haben, die oxidieren können, wie z. B. Kupfer oder Palladium. Hier haben wir die erste „Polarität“, die wir bei der Erstellung eines Plasmaprozesses berücksichtigen müssen: Plasma sputtern oder chemisches Plasma? In den meisten Fällen wählen wir einen Prozess, der beide Vorgänge kombiniert, d. h. eine Mischung aus Sauerstoff und Argon. Für oxidierbare Oberflächen ist dies meist eine Mischung aus Wasserstoff und Argon. Diese Wahl führt direkt zur nächsten Polarität. Chemisches Plasma funktioniert am besten bei höherem Druck (250 – 2000mT), wohingegen „Sputter“ Plasma niedrigen Druck (150 – 250mT) erfordert, um den mittleren freien Pfad der energetischen Ionen zu maximieren, welche das Sputtern ausführen. Da organische Kontaminationen unser häufigsten Problem darstellen, beginnen wir üblicherweise tatsächlich mit einem Sauerstoff-Plasma mit höherem Druck und neigen dazu, dieses aggressiver zu machen (indem wir den Druck senken, Argon hinzufügen und die Plasmaleistung erhöhen) wenn wir sehen, dass wir mit erheblichen Mengen anorganischer Kontaminationen zu tun haben oder wenn es Anzeichen dafür gibt, dass wir die Durchlaufzeit reduzieren und damit die Produktionsleistung erhöhen könnten, indem wir einen aggressiveren Plasmaprozess verwenden. Steigern wir die Leistung zu sehr, insbesondere bei organischen Substraten, so kann dies zu Überhitzung und übermäßigem Sputtern führen, z. B. bei Flash-Gold. Je nach Art der Teile, die wir mittels Drahtbonden verbinden möchten, also Träger oder organisches Substrat, dickes oder dünnes Gold, empfindliche oder robuste Komponenten, sehr feine Raster oder grobe Raster (bei sehr feinen Rastern erlangt der Oberflächenwiderstand eine größere Bedeutung), manipulieren wir die „Hebel“ des Plasmaprozesses. Das Ziel ist es, ein Verarbeitungsfenster zu definieren, bei dem wir die Reinigungswirkung maximieren, dabei jedoch mögliche Nachteile eines zu aggressiven Plasmas vermeiden. Bedenkt man die Anzahl der involvierten Variablen für die Art der Teile und die Plasma-Parameter, die variierbar sind, so ist ein DoE (Design of Experiment) häufig ein sinnvoller Ansatz. Es bleibt zu berücksichtigen, dass DoEs, wie z. B. SPC, entwickelt wurden, um in einer Welt der kontrollierten und prognostizierbaren „Ursache und Wirkung“ zu funktionieren, was für Kontaminationen üblicherweise nicht zutrifft.

Wir haben Kontaminationen zwar als „nahezu unmöglich zu lokalisieren, zu identifizieren und zu quantifizieren“ beschrieben, dennoch tendieren sie dazu, in den meisten Fällen ihren eigenen „Statistiken“ zu folgen und sich innerhalb gewisser Bereiche zu bewegen. Die Folge der Einrichtung eines Plasmaprozesses auf einem limitierten Teilemuster ist verständlicherweise, dass der „Musterdurchschnitt“ nicht dem „Prozessdurchschnitt“ entspricht.

Wenn wir von der Prozessentwicklung zur Produktion übergehen, ist es demzufolge normalerweise erforderlich, den Plasmaprozess neu zu positionieren, um den „ungünstigsten Fall“ zu berücksichtigen, der in der Produktion auftreten könnte. Außerdem werden wir es bei der Einführung eines Plasmaprozesses erstmalig mit einer normalisierten, sauberen Oberfläche zu tun haben, einer Oberfläche, die im Wesentlichen als „stets gleich“ bekannt ist. Dies erfordert fast immer eine Neuzentrierung des Drahtbond-Prozesses.

Es ist immer ein aufregender Moment, wenn die Einführung eines Plasmaprozesses besprochen wird. Es ist stets jemand dabei, der die Oberfläche vor und nach dem Plasma messen möchte, um sicher zu sein, dass alles so verläuft, wie es sollte. Das kann gemacht werden. Bei der Einrichtung des Prozesses werden zahlreiche Kunden verstehen wollen, warum ihr Drahtbond-Prozess „außer Kontrolle“ ist; was ist auf der Oberfläche? Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) allein oder kombiniert mit Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) kann eine Indikation geben, was sich auf der Oberfläche befindet. Diese Informationen können auch nützlich bei der Entscheidung, welcher Plasmaprozess verwendet wird, sein. Keine dieser Techniken ist jedoch für das Qualitätsmanagement in der Produktion realisierbar und beide sind sehr kostspielig in der Anwendung. Zudem können die Verunreinigungen von heute ganz andere als die von morgen sein, so dass jede Qualitätskontrolle, die zur Überwachung der Verunreinigungen eingerichtet wurde, dazu führen kann, dass der falsche Faktor gemessen wird oder aber, dass etwas übersehen wird, das heute aufgetreten ist und gestern noch nicht vorhanden war. Der Ansatz, der bei der Einrichtung eines Plasmaprozesses befolgt wird, bietet dennoch ein Maß an Sicherheit, das in den meisten Fällen angemessen ist. Der Plasmaprozess wird eingerichtet, um die Bondpads im „ungünstigsten Fall“ zu reinigen. Ohne zu hinterfragen, welche Verunreinigungen aktuell vorhanden sind, wird der Plasmaprozess eingerichtet, um eine normalisierte, saubere Oberfläche zu gewährleisten. Diese Oberfläche ermöglicht die Drahtbond-Statistiken, die während der Prozessentwicklung errichtet wurden.

Letztlich enden alle Anwender damit, Drahtbond-Statistiken (die sie sowieso befolgen) als Indikator dafür zu verwenden, dass der Plasmaprozess das tut, was er tun sollte. Plasmasysteme wurden entwickelt, um einen in starkem Maße wiederholbaren Prozess mit akkurater Steuerung der Gasströmung, des Prozessdrucks und der Prozessdauer zu durchlaufen. Die praktische Erfahrung mit vielen Hunderten Maschinen, die vor dem Drahtbonding einen Plasmaprozess durchführen, zeigt, dass, wenn der Input für den Prozess unverändert bleibt (die Art der Halbleiterbauteil und des Trägers/Substrats) und der Bonding-Prozess stabil ist, die Drahtbond-Statistiken ebenfalls sehr stabil sind.

Häufig treten Fragen zu der Wirkung von Plasma auf die Halbleiterbauteilen auf; gibt es Probleme mit ESD, Parameteränderungen für die Bauteilen, das Aufladen etc.?

Einige davon, wie z. B. Überhitzen und Sputtern mit Neuauftrag, sind mögliche Konsequenzen der Wahl falscher Prozessparametereinstellungen und wurden obenstehend behandelt. Als Bezugspunkt kann angemerkt werden, dass praktisch jeder Mikroprozessor und jedes Speicherbauteil vor dem Drahtbonden durch ein direktes Plasma läuft (oder in der Verarbeitung auf Wafer-Ebene bei „Wafer Level Packages“), ohne dass Funktion oder Zuverlässigkeit hierbei beeinträchtigt werden. Korrekt angewandt ist Plasma sicher und wirkungsvoll. Es gibt dennoch Klassen von Halbleiterteilen, die empfindlich gegenüber direktem Plasma sind. Teile mit offenen Übergängen, Bildsensoren, EEPROMs und einige Typen von Leistungsbauteilen können direktem Plasma nicht ausgesetzt werden, ohne dass dies zu Leistungsveränderungen oder in einigen Fällen zu katastrophalen Schäden führt. In einigen Fällen kann ein Plasma, das im Wesentlichen das RF-Feld, das Vorhandensein von geladenen und energetischen Partikeln und das Licht, das allen Plasmaprozessen zueigen ist, elimiert, eine Lösung anbieten. Das „ionenfreie Plasma“ von Nordson March ist ein derartiges System. Es liegt stets in der Verantwortlichkeit eines Plasma-Anwenders, sicherzustellen, dass es kein Kompatibilitätsproblem mit seinen Bauteilen gibt, allerdings kann Ihnen Ihr Hersteller von Plasma-Ausstattungen bei dieser Bewertung behilflich sein.

Die Einführung eines angemessenen Plasmaprozesses vor dem Drahtbonding trägt stets zu einer saubereren zu bondenden Oberfläche bei. Potenzielle Vorteile umfassen verbesserte Drahtbond-Statistiken, verbesserte Bauteilzuverlässigkeit und den Wegfall von Abweichungen aufgrund von unsystematischen Einflüssen.

www.nordsonmarch.com; www.plasmapowerplus.com