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Oxidation verhindern

Einsatz von Kupfer beim Einbau in Chip-Gehäuse
Oxidation verhindern

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Durch die Entwicklung von OP2 mit angepasster Wafer-Verarbeitung, Umsetzung von Draht-Bond-Erfahrung, optimierter Kombination von Kapillare und Draht ist die Golddraht-Technik für feine Raster auch auf Kupfer-Wafer anwendbar. Diese Lösung ermöglicht es, ein be-währtes Drahtmaterial direkt auf Kupfer-Wafer ohne zusätzliche Metallschichten auf den Anschlussflächen zu bonden. In diesem Beitrag werden der gegenwärtige Status und die künftige Entwicklung des Draht-Bondens mit Kupfer, einer stark aufstrebenden Verbindungstechnik, näher betrachtet.

Michael Sheaffer, Robert Chylak, John Peters, Kulicke&Soffa, München

Vor mehr als zehn Jahren wurde das Ball-Bonden von Kupferdraht auf Aluminium-Anschlussflächen als Maßnahme zur Kos-tensenkung näher betrachtet. Zu jener Zeit schwankten die Goldpreise extrem und erreichten ihren historischen Höchststand von über 800 Dollar/Feinunze verglichen mit heutigen Goldpreisen von 260 bis 325 Dollar. Als Standardgehäuse jener Zeit galten 18- bis 40-polige Kunststoff-DIL-Gehäuse mit einem Anschlussraster auf dem Chip von 150 bis 200 µm. Die Bond-Drähte waren kaum länger als 3 mm.Im Vergleich zum Ball-Bonden mit Golddraht, dem Industriestandard für hohe Ausbeute und hohe Zuverlässigkeit, war der entsprechende Prozess mit Kupferdraht weniger robust, die Ausbeuten nicht so stabil und das Prozessfenster für Kupfer-Bonden kleiner. Für weniger anspruchsvolle Anwendungen allerdings war die Ausbeute ganz gut und viele Unternehmen führten Kupferdraht in die Produktion ein, insbesondere für dickere Drähte über 33 µm Durchmesser. Eine Übersicht über die Entwicklungen der Materialkombinationen für Chip-Kontaktierungen, wie sie von vielen Unternehmen verfolgt werden, vermittelt Tabelle 1.
Derzeit wecken steigende Datenraten, dünnere Drahtdurchmesser und die Goldkosten von vielpoligen BGA-Gehäusen mit langen Bond-Drähten das Interesse an einer Verwendung von Kupferfein-draht als alternativer Verbindung für die IC-Gehäuse. In Tabelle 2 findet sich ei-ne Zusammenstellung der Kosten für Gold- und Kupfer-Bond-Draht in Halb-leiter-Gehäusen mit 256 und 400 Anschlüssen. Für heutige Komponenten mit mehr als 400 Anschlüssen und Drahtlängen über 3 mm erscheinen die möglichen Ein-sparungen an direkten Materialkosten pro Gehäuse recht verlockend. Allerdings musste Kulicke&Soffa in seiner engen Zusammenarbeit mit mehreren großen Kunden feststellen, dass dieser Kostenvorteil durch drei Einflüsse entscheidend verringert wird:
• Notwendigkeit einer Schutzgas-Atmosphäre (Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff) während des Ball-Bondens zur Verhinderung der Oxydation
• verringerte Ausbeute wegen der kleineren Prozessfenster für erstes und zweites Bonden sowie
• die Anforderung, ein bereits in Produktion befindliches Bauteil erneut qualifizieren zu müssen.
Diese verdeckten Kosten können die typische Materialersparnis (Tabelle 2) von 0,06 bis 0,10 Dollar für ein BGA entscheidend schmälern. In den meisten Fällen dürften die aktuellen Einsparungen einer Gold-Substitution durch Kupfer noch nicht den Aufwand für eine Re-Qualifizierung rechtfertigen. Daher reichen Kostenvorteile alleine nicht aus, um den Übergang zum Kupferdraht-Bonden zu forcieren, auch nicht in Gehäusen mit vielen Anschlüsen und relativ langen Drahtlängen. Andere Befürworter des Kupferdraht-Bondens für feine Anschlussraster verweisen auf die elektrischen Eigenschaften des Kupferdrahtes oder seine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Wechselwirkungen mit der Vergussmasse (Mold Sweep).
Die besseren elektrischen Eigenschaften von Kupfer gegenüber Gold lassen sich nicht leugnen: Schließlich liegt der Gleichstrom-Widerstand von Gold um den Faktor 1,36 über dem von Kupfer. Bei höheren Frequenzen allerdings fließt der Strom mehr an der Oberfläche des Leiters: Sein Widerstand hängt damit von der Frequenz ab. Bei 2 GHz z.B. leitet Kupfer um 15,1 % besser als Gold. Das ist eine signifikante, aber nicht überwältigende Verbesserung. Ebenso leitet Kupfer die Wärme besser als Gold: 394 W/mK statt 293 W/mK. Dieser Vorteil läßt sich aber nicht in allen Anwendungen ausnutzen.
Schließlich muss noch der Widerstand gegen Mold-Sweep betrachtet werden, der im wesentlichen vom Elastizitätsmodul des Drahtes bestimmt wird: Im isotropen Zustand zeigt Kupfer einen um 50 % höheren Wert als Gold. Allerdings bekommen moderne Golddrähte ein kristallines Gefüge, welches die Drahtsteifigkeit signifikant erhöht. Verfechter des Kupferdrahts halten dem entgegen, dass sich die Ma-terialstruktur in der wärmebehandelten Zone oberhalb des Gold-Bond-Balls nach ungünstigen Werten hin verändert. Aus diesem Grunde bleibt der höhere Elastizitätsmodul des Kupferdrahts als bestimmender Faktor bestehen. Die Entwicklung in diesem Bereich ist noch in vollem Gange: Es muss aber noch nachgewiesen werden, daß Kupferdraht tatsächlich einen besseren Widerstand gegen Mold-Sweep bietet.
Marktanforderungen, die sich an Leistungsdaten orientieren, dürften eines Tages das Bonden von Kupfer-Feindrähten als alternative Draht-Bond-Technik für feine Anschlußraster in den Vordergrund bringen. Es ist aber noch eine Menge zu tun, bis feststeht, ob die Vorteile durch Kupferdraht auch für feine Anschlussraster realisiert werden können.
Kupferdraht weckt einige Erwartungen für die Chip-Kontaktierung in Gehäusen für Leistungs-, Kfz-Elektronik- und diskrete Bauteile, die gegenwärtig Golddrähte mit Durchmessern über 33 µm enthalten. Dies kommt daher, dass die Anwendungen, die stärkere Bond-Drähte erfordern, im allgemeinen sehr kostensensitiv sind und die Kosten des Golddrahtes fast ausschließlich vom Material bestimmt werden. Ein Stück Golddraht mit 50 µm Durchmesser hat das vierfache Volumen eines halb so dicken Drahtes und damit auch die vierfachen Kosten, da das Volumen mit dem Quadrat des Radius steigt. Darüber hinaus werden Leistungsbauelemente für möglichst hohe Strombelastung ausgelegt, so dass die elektrischen Leitereigenschaften von Kupfer für einen Entwickler von Leistungs-ICs sehr attraktiv sind. Offensichtlich bedeutet dies, daß Akzeptanz und kontinuierlicher Übergang zu Kupferdraht in Leistungsbauteilen und Diskreten mit niedriger Anschlusszahl sicher zu erwarten sind.
Kulicke&Soffa bietet in diesem Bereich Lösungen an. Zusammensetzung und thermomechanische Verarbeitung der Kupferdrähte sind so definiert, dass sie eine optimale Bond-Barkeit zusammen mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit, guter Loop-Stabilität und verstärktem Widerstand gegen Oxidation bieten. Für die jeweiligen Anwendungsbereiche hat man zwei Drahttypen im Programm: DHF-Kupferdraht für Ball- und Wedge-Bonden in Leistungsbauteilen und Gehäusen für Diskrete sowie iCU-Material für feines Raster oder High-End-IC-Anwendungen.
Bonden von Kupfer-Wafern
In den vergangenen Jahren haben Wafer mit kupfernen Anschlussflächen nur vereinzelt ihren Weg in die Fertigungshallen gefunden. Bei dem Vorhaben, die Herausforderung des Ball-Bondens auf reinen Kupfer-Anschlussflächen zu lösen, sind verschiedene Abdeckmaterialien untersucht worden: Nickel- oder Gold-Plattierung und aufgesputtertes Aluminium. Gegenüber Gold und Aluminium hat Kupfer nämlich einige unangenehme Materialeigenschaften, die sein Bonden erheblich erschweren. Kupfer oxidiert schnell, temperaturabhängig und die Stärke des Oxids wächst darüber hinaus auch noch kontinuierlich. Damit ist die Oberflächen-Beschaffenheit eine entscheidende Variable beim Ball-Bonden.
Nicht einmal Plasma-Reinigung von Kupfer kann die notwendige Wafer-Reinheit für eine ordnungsgemäße Ausbildung des ersten Bondens sicherstellen. Als man versuchte, mit Plasma frisch gereinigte Kupfer-Pads zu bonden, stellte sich heraus, dass diese bei einem Temperatur-anstieg von über 40 ºC derart rasch oxidierten, dass eine Verarbeitung selbst mit den schnellsten Draht-Bondern nicht mehr möglich war. Auch beim Einsatz von Schutzgas mussten die plasmagereinigten Kupfer-Wafer innerhalb von 15 Minuten verarbeitet werden, ansonsten wuchs die Oxidschicht wieder. Damit ist dies offensichtlich keine geeignete und robuste Lösung für eine Produktionsumgebung.
Auch die Plattierung mit Nickel oder Gold hat sich nicht als robuster Prozess erwiesen: Es ist schwierig, den Plattierungs-Prozess aus dem Labor in einen zuverlässigen Produktionsprozess umzusetzen. Dagegen ist das Aufsputtern von Aluminium ein bewährter, aber teurer, Produktionsprozess: Fabrikmanager sind froh, wenn sie ihn weglassen können, da er einen zusätzlichen Fertigungsschritt mit allen Konsequenzen bedeutet und zusätzliche Kosten für das Produkt verursacht. Eine bessere Lösung, die auf der patentierten OP2-Technik (Oxide Prevention Process) von Kulicke&Soffa beruht, erlaubt das Bonden von Golddraht auf kupfernen Bond-Flächen. Dieser Prozess lässt sich wesentlich leichter steuern und billiger realisie-ren als das Sputtern oder Plattieren eines Wafers.
Oxidverhinderung heisst die Lösung
Der Prozess OP2 ist einer der Schlüssel fürerfolgreiches Ball-Bonden von Golddraht auf kupferne Wafer. Er beginnt schon vor den Zerteilen des Wafers in einzelne Chips mit dem Reinigen und Entfernen des ursprünglichen Oxids von den Kupfer-Anschlussflächen sowie dem Aufbringen einer dünnen Schutzschicht. Ganz zum Schluss erfolgt das Draht-Bonden eines Goldballs auf die Kupfer-Anschlussflächen. Dies verhindert die Oxidation während der Handhabung, dem Zerteilen in Chips bis hin zur Chip-Montage im Gehäuse. Die während des Bondens wirkende Ultraschall-Energie durchbricht sicher die Schutzschicht und eine metallische Verschweißung kann sich in gleicher Weise, wie bei einer Aluminium-Anschlussfläche, ausbilden. Mit dem Prozess OP2-Gold60 ist man in der Lage, fertigungsgerecht und zuverlässig Golddraht auf Kupfer-Anschlussflächen im 60-µm-Raster zu bonden. Als Folgeprozess ist OP2-Gold50 für 50-µm-Raster geplant, Versuche für 35-µm-Raster laufen bereits.
Ob die Bond-Prozesse für Kupfer-Feindraht auch auf Kupfer-Pads funktionieren, muss sich noch zeigen. Dazu sind nämlich einige Hindernisse zu überwinden. Für die nächste Zeit ist aber anzunehmen, dass die Fortschritte der OP2-Prozesse zu feineren Rastern hin den größten Teil der Industrieforderungen für drahtgebondete Gehäuse abdecken dürften.
Schlussfolgerung
Durch die Entwicklung von OP2 mit angepasster Wafer-Verarbeitung, Umsetzung von Draht-Bond-Erfahrung, optimierter Kombination von Kapillare und Draht ist die Golddraht-Technik für feine Raster auch auf Kupfer-Wafer anwendbar. Diese Lösung ermöglicht es, ein bewährtes Drahtmaterial direkt auf Kupfer-Wafer ohne zusätzliche Metallschichten auf den Anschlussflächen zu bonden. Die Planung von Kulicke&Soffa sieht vor, OP2-Goldprozesse zuerst in Halbleiter-Gehäusen für die Verarbeitung von Kupfer-Wafern zu implementieren. Gemeinsame Arbeiten mit Kunden zur Sicherung der Zuverlässigkeit und Ausbeute in der Produktion laufen bereits. Für den wachsenden Markt der Leistungs-ICs und Komponenten mit niedriger Anschlusszahl wird das Unternehmen weiter Drähte, Kapillaren, Ausrüstungen und Prozesse entwickeln. Wenn diese Bauteile erfolgreich getestet und angenommen werden, kann dies möglicherweise für vielpolige Gehäuse zu einer Umstellung auf Kupfer-Bond-Draht mit allen genannten Vorteilen führen.
Literatur
M.G. Osborne and N.M. Mur-deshwar, „Developing Wire Bond Interconnect Solutions for Copper“, Semicon West 2000, Flip-Chip vs. Wire Bond Conference, July 2000.
EPP 172
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