Chip & Wire und COB Technologien
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Chip & Wire und
COB Technologien
• Die- und Drahtbondtechnologie Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und
Mikrointegration IZM entwickelt in enger Koope-
• Feinstdraht- und Bändchenbonden ration mit dem Forschungsschwerpunkt Technolo-
für Hochfrequenzapplikationen gien der Mikroperipherik der Technischen Univer-
sität Berlin seit weit über 10 Jahren Grundlagen
• COB Technologie und neue Technologien für zukünftige Aufbau-
und Verbindungstechniken (AVT) von mikroelek-
• Dickdraht- und Bändchenbonden tronischen und mikrosystemtechnischen Bauteilen
für Power Module und Gesamtsystemen (Electronic Assembly and
Packaging).
• Qualifikation von Zulieferern, Der Institutsverbund befasst sich mit dem
Prozessen und Mitarbeitern Design, der Technologieentwicklung, der Qualität
und Zuverlässigkeit sowie der Herstellung von
• Technologische Unterstützung, Komponenten und Systemen der Mikroelektronik
Prototypen- und und Mikrosystemtechnik.
Kleinserienfertigung Das Die- und Drahtbonden als anteilsmäßig
bedeutungsvollste Verbindungstechnik bei der
• Zuverlässigkeitsuntersuchungen Halbleitermontage wird im Institutsverbund viel-
und Analytik fach eingesetzt, optimiert und weiterentwickelt.
Anwendungen liegen u. a. in der Chip on Board
• Forschungsaktivitäten Technik (speziell im Standarddrahtbereich), Leis-
tungsmodul-Technologie (Dickdrahtbereich),
Hochfrequenztechnik (Fine Pitch, Feinstdraht,
Bändchen) und im Sensoraufbau (Hybridtechnik).
Bond Pad Pitch von 25 µm beim
Die- und drahtbondkontaktierte LED Feinstdrahtbonden im Laborbetrieb
C&W und COB Technologien
Die- und Drahtbondtrends
Drahtbondtechnologie
Im IZM Branch Lab in Berlin Adlershof stehen für Derzeitige Entwicklungen bzw. Anwendungsan-
alle derzeit üblichen Die- und Drahtbondverfahren forderungen in der Drahtbondtechnik umfassen:
vollautomatische Bonder zur Verfügung, mit deren – (Ultra)-Fine-Pitch / Fine Wire Bonding:
Hilfe industrierelevante Technologieentwicklungen Automatische Verarbeitung von immer
und -optimierungen durchgeführt werden. dünneren Drähten (< 20 µm) bei zuneh-
Typisch im Bereich der Diebondtechnologie ist mend verringerten Pitches (< 50 µm)
dabei das vollautomatische Dispensen oder Stem- – Short (< 750 µm), low (< 90 µm) und
peln von Die-Klebern auf Substrate jeglicher Art, long (> 7 mm) loop Bonding
das Pick & Place der Halbleiter von Tapes oder – Deep Access Bonding: Bonden in engen
Wafflepacks und das sich anschließende Aus- Vertiefungen und nahe an Gehäuse- oder
härten der Kleber. Insbesondere beim Aufbau Bauteilwänden
von Leistungselektronik werden „Nacktchips“ – Bonden bei Raumtemperatur mit Au,
(ungehäuste Halbleiter) aber auch auf verschie- Cu und mit Al beschichteten Au- oder
denste Arten gelötet (Preform und Pastenver- Cu-Drähten
arbeitung, Löten unter Schutz- oder Formiergas, – Bonden auf alternativen Finish-Metallisie-
im Vakuum oder in der Dampfphase). rungen (z. B. chemisch Ag, Ni / Pd / Flash-Au
Beim Drahtbonden stehen im Standarddraht- oder Cu mit Schutzschichten)
bereich (25 – 50 µm) das US-Wedge/Wedge-Bon- – Al-, Au- oder Al / Cu-Bimetall-Bändchen-
den von AlSi1-Draht oder mit Al beschichteten bonden bis max. 2 x 0,2 mm2
Au-Drähten bei Raumtemperatur ebenso im Vor- – Bonden komplexer bzw. anspruchsvoller
dergrund wie das TS-Ball / Wedge-Verfahren von Systeme wie HF Module oder Mikrosysteme /
Au- und Cu-Drähten. Kontaktiert werden dabei MEMS-Devices,
sämtliche denkbaren Substrate wie Chips, Leiter- – Hochtemperaturelektronik oder Aufbauten
platten, Keramiken oder Leadframes. Die Verar- auf Flex-Material.
beitung von Dickdrähten bis 500 µm Durchmes-
ser bzw. auch Dickdraht-Bändchen bis 2 mm mit
rechteckigem Querschnitt erfolgt dabei bei Raum-
temperatur mittels US-Bonden vorwiegend im Feinstdraht- und Bändchenbonden
Bereich der Leistungselektronik. für Hochfrequenzapplikationen
Hochfrequenzbauteile benötigen kurze Verbin-
dungsstrecken, um bei höchstmöglichen Frequen-
zen arbeiten zu können. Kurze Signalwege kön-
nen durch kleinste Bondpadabstände und beste
Übertragungsmöglichkeiten bei sehr hohen Fre-
quenzen (ab ca. 30 GHz) durch Bändchenbonden
realisiert werden.
Im Finepitch / Feinstdrahtbereich sind am Fraun-
hofer IZM Padgeometrien bis zu einem Pitch von
35 µm mit Bonddrähten im Au-TS-Ball / Wedge-
Bondverfahren ebenso verarbeitbar wie feinste
Au- und Al-Drähte (17,5 µm) im Wedge / Wedge-
Verfahren mit Spezialtools und Bändchen mit
Querschnitten von typischerweise 12,5 µm x
50 µm. Dabei können auch geringste Padab-
stände (< 250 µm) und Loophöhen (< 80 µm)
eingestellt werden.
Staged Fine Pitch Ball-Wedge Bonding
C&W und COB Technologien
COB Technologie COB Trends
Die COB Technologie ist ein schon länger eta- Heutzutage werden allerdings auch Leiterplat-
blierter Integrationsprozess der im Vergleich zu ten mit hohen Glasübergangstemperaturen
Standardtechnologien ein hohes Miniaturisie- (150 °C), in z-Richtung verringerten Ausdeh-
rungspotential bietet, bei großer Flexibilität und nungskoeffizienten, Flexmaterialien oder anor-
Kompatibilität zur SMD-Montage und anderen ganisch nichtmetallische Substrate wie Kera-
Aufbau- und Verbindungstechniken. miken (COC = Chip on Ceramic) eingesetzt
Ausgangspunkt in den 90er Jahren war das sowie andere produktivere Verfahren wie das
Bestreben, mikroelektronische Baugruppen mög- Au-TS-Ball/Wedge-Bonden genutzt. Dazu
lichst kostengünstig und höchst zuverlässig auf- bedarf es allerdings alternativer Finish-Metal-
zubauen, bei gleichzeitiger Miniaturisierung der lisierungen wie beispielsweise chemisch Ag
Package-Dimensionen. Dabei wurde zumeist oder Ni/Pd/Flash-Au. Zum Au-Bonden bei
preiswertes Leiterplatten-Standardmaterial mit Raumtemperatur liegen am IZM ebenfalls
Ni / Flash-Au Metallisierungsfinish eingesetzt, auf Untersuchungsergebnisse vor.
das die Halbleiter meistens mit auf Epoxy basie- Zur Erweiterung der Verarbeitungsmöglich-
renden Klebern befestigt und mit AlSi1-Standard- keiten stehen am IZM Berlin noch eine Reihe
draht kontaktiert wurden. Der Verkapselungs- begleitender Technologien zur Verfügung. So
schutz wurde i. d. R. durch Glob Top-Materialien kann beispielsweise zum Reinigen bzw. zur
mit angepassten thermischen Ausdehnungsko- Oberflächenbeeinflussung von Substraten eine
effizienten realisiert. Plasmaätze (Sauerstoffplasma) oder Laserbe-
Speziell KMUs haben in den letzten Jahren zu- strahlung genutzt werden. Mit einem Abla-
nehmend die Möglichkeit erkannt und genutzt, tionslaser (3 Wellenlängen, Spotgrößen etwa
durch den Einsatz der Nacktchipverarbeitung Zeit 2 µm bis 250 µm) können außerdem Mikro-
und Geld zu sparen, insbesondere, wenn die Ein- strukturierungen vorgenommen werden.
führung der COB Technologie durch das Know Anwendungen sind beispielsweise die
How sowie das technologische und analytische Unterbrechung von Leiterzügen auf Chips
Equipment von Instituten wie dem IZM begleitet und Leiterplatten, das Trimmen von gedruck-
wird. Dementsprechend ist eine Partnerschaft ten Widerständen in Hybridschaltungen oder
diese neuen Prozesse betreffend ein hervorra- das selektive Entfernen von Schichten wie
gendes Mittel sich einem wachsenden und an- etwa Passivierungen und Lötstoplacke.
spruchsvollen Markt zu stellen.
Glob Top Dispensen COB Demonstrator
C&W und COB Technologien
Dickdraht- und Bändchenbonden Qualifikation von Zulieferern, Prozes-
für Power Module sen und Mitarbeitern
Die AVT von Leistungselektronikmodulen bedarf Die Qualität von C&W und COB Aufbauten
neben möglichst porenarmen Die-Attach-Verbin- hängt maßgeblich von der Ausgangsqualität
dungen auch höchst zuverlässiger Dickdrahtbond- sämtlicher eingesetzter Komponenten und ins-
verbindungen (100 – 500 µm). Bei deren Verarbei- besondere von der Bondbarkeit der Trägersub-
tung auftretende hohe mechanische Belastungen strate und Halbleiter ab. Hier bietet das IZM
bedeuten gerade für dünne Chips zusammen mit Unterstützung bei der Spezifikation und dem
dem Temperaturhub bei aktiver Stromwechselbe- Test der Ausgangswerkstoffe wie z. B. PCB,
schaltung im Betrieb enorme mechanische Bean- Die-Attach-Kleber, Bonddrähte und Verkapse-
spruchungen besonders der Wedges (unterschied- lungsmaterialien, sowie bei der Auswahl des
liche CTE von Chip, Al-Draht, Lot und Substrat). einzusetzenden Equipments inkl. der Werk-
Auswirkungen auf die Lebensdauer von Power zeuge. Beispielsweise hängt die Bondbarkeit
Modulen haben deshalb neben dem Beanspru- von PCB-Material vom Grundwerkstoff (Art,
chungsprofil bereits die einzelnen Prozessschritte Dicke, etc.) und dessen Metallisierungssystem
und damit die Aufbauqualität. genauso ab wie von der Oberflächenrauhigkeit
und dem Schwingungsverhalten der Pads. Hier
Unsere Aktivitäten umfassen: kann mit unserer Hilfe in enger Kooperation mit
– Kooperationen mit Substratherstellern zur den Herstellern PCB für COB Anwendungen
Verbesserung der Verarbeitbarkeit, der oder auch eine ganze Prozesskette analysiert
Kühlung und der Zuverlässigkeit und qualifiziert werden.
– Entwicklung von Kühlkonzepten zur Abfuhr Dabei helfen die am IZM verfügbaren analyse-
der im Betrieb entstehenden Verlustwärme technischen Möglichkeiten wie z. B. Rauhigkeits-
– Innovative Löttechnologien zum porenfreien messungen mit Auflösungen im nm-Bereich, me-
Aufbau von Chips und großen Substraten tallographische Techniken (Schliffe, REM, EDX,
– Dickdraht- und Bändchenbonden ESCA, FIB, Mikro- und Nanohärtemessung), RFA
– Optimierung der Verkapselungs- und aber auch zerstörende (mechanische) und nicht
Gehäusungstechnologien zerstörende Tests wie X-ray oder Sonoscan. Zur
– Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanalysen Qualifikation und Weiterbildung werden am IZM
– Messstandkonzeption für Power Cycling regelmäßig mehrtägige Die- und Drahtbondlehr-
– Durchführung elektrischer Funktionstests gänge angeboten.
– Lebensdauervorhersagemodelle Zum Inhalt der Kurse existiert ein separater
– Entwicklung alternativer Kontaktiertechnologien Flyer. Alle Angebote finden Sie auch unter
und Materialkombinationen www.izm.fhg.de/bondlehrgang.
Die- und drahtgebondetes Leistungselektronikmodul Die- und Drahtbondschulung am IZM
C&W und COB Technologien
Technologische Unterstützung, Proto- Zuverlässigkeitsuntersuchungen
typen- und Kleinserienfertigung und Analytik
Sei es für Trouble Shooting bei Problemen in der Die Zuverlässigkeit von die- und drahtgebonde-
Serienfertigung oder zur Einstellung und konti- ten Komponenten und Produkten kann für unsere
nuierlichen Sicherung der Qualität, in jedem Fall Kunden durch standarisierte oder speziell zu be-
bietet das IZM direkte technologische Unterstüt- nennende bzw. zu entwickelnde Testmethoden
zung kurzfristig oder auch kontinuierlich an. geprüft werden, beginnend bei der Inspektion der
Dabei unterstützten wir beim Finden richtiger Oberflächen von Drahtbondbereichen bis hin zur
Partner (z. B. PCB-Lieferer), geeignetem, kosten- Lebensdauerabschätzung von Komponenten und
effizientem Equipment, bei der Technologieent- Modulen.
wicklung und -optimierung sowie bei Zuverlässig-
keitsanalysen bezogen auf die unterschiedlichen Typische Testbedingungen sind:
Anwendungsfelder wie Consumer-, Telekommu- – Temperaturzykeltests im 1-, 2- oder
nikations- oder Automotiveelektronik bzw. ande- 3-Kammerschrank
re Applikationen. F & E-Arbeiten, Prototypen- und – Mechanische Schocktests
Kleinserienfertigung, reguläre Prozessqualitäts- – Active Power Cycling
kontrolle, Zuverlässigkeits- und Schadensanalysen, – Temperaturauslagerung
Technologietransfer und Fortbildung z. B. auf – Feuchte Wärmeauslagerung z. B.
dem Gebiet der COB Technologie sind Beispiele bei 85 °C und 85 % r. F.
für den IZM-Service für Kunden aus Industrie – Pressure Cooker oder HAST
und Forschung.
Das Equipment am Fraunhofer IZM umfasst Die Zuverlässigkeit kann dabei im Vergleich zu
dabei automatische Die- sowie Drahtbond- und nationalen, internationalen oder firmenspezifi-
Dispensgeräte inklusive verschiedenster Mess- schen Standards bewertet werden, wie z. B.
und Testmöglichkeiten. Der Institutsservice bie- DIN IEC, ASTM und MIL-STD. Weiterhin können
tet ganze Prozessketten aber auch einzelne Pro- visuelle, mechanische und in situ Qualitätsbe-
zessschritte wie z. B. das Drahtbonden oder alle wertungen ebenso angeboten werden wie
COB-relevanten Verfahrensschritte, beginnend mit detaillierte Schadens- bzw. Fehleranalysen. Die
der Konzeption und dem Design über Material-, vielfältigen analysetechnischen Möglichkeiten
Werkzeug- und Prozessauswahl bis hin zu quali- am IZM finden Sie auf unseren Internetseiten
täts- und zuverlässigkeitsrelevanten Maßnahmen. ausführlicher dokumentiert.
Demonstrator, optisches Sensorsystem in
COB Stacking Technologie Au-Al-Interdiffusion mit Phasen- und Porenwachstum
C&W und COB Technologien
Forschungsaktivitäten Kontakt
Seit Jahren werden am IZM Grundlagenunter- Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit
suchungen zu den metallkundlichen Abläufen und Mikrointegration IZM
beim Drahtbonden durchgeführt, die zur stoff- Prof. Dr.- Ing. Dr.- Ing. E. h. Herbert Reichl
kundlichen Verbindungen zwischen Drahtwerk- Gustav-Meyer-Allee 25 / TIB 4/2-1
stoff und Substratmetallisierung führen. 13355 Berlin
Die Ermittlung dieser metallkundlichen Vor- Fon: +49.(0)30.4 64 03 -1 00
gänge in den einzelnen Stadien des Bondprozes- Fax: +49.(0)30.4 64 03 -1 11
ses, welche die Ausbildung des Grenzflächen- E-Mail: info@izm.fraunhofer.de
Nanogefüges bewirken, soll zu einem besseren www: http://www.izm.fraunhofer.de
Verständnis der Verbindungsbildung beim Draht-
bonden führen. Dies ist heutzutage insbesondere Gruppenleiter
vor dem Hintergrund immer dünnerer Bond- Advanced Chip & Wire Bonding:
drähte (deutlich kleiner als 25 µm) und kleinerer Dipl.- Ing. (FH) Stefan Schmitz
Anschlussgeometrien (< 50 µm) sowohl auf den Fon: +49.(0)30.63 92-8172
Halbleiter- als auch den Verdrahtungsträgermate- Fax: +49.(0)30.63 92-81 62
rialien von enormer Wichtigkeit, insbesondere im E-mail: stefan.schmitz@izm.fraunhofer.de
Hinblick auf die Entwicklung eines Bondmodells
zur Beschreibung der Wirkungsweise einzelner IZM Branch Lab in Berlin Adlershof
Bondparameter und deren Zusammenwirken. Volmerstraße 9A
Durch die Anwendung der Focused-Ion- 12489 Berlin
Beam-Methode (FIB) als Präparationsverfahren Sekretariat
und transmissionselektronenmikroskopischen Fon: +49.(0)30.63 92-81 70
(TEM) Untersuchungen konnten bereits die Fax: +49.(0)30.63 92-81 62
sehr feinen Gefügestrukturen (Kornstrukturen
< 500 nm) eines genutzten 25 µm AlSi1-Bond-
drahtes in den Phasen des Bondprozesses und
die Grenzfläche von mittels Ultraschall (US)
drahtgebondeten AlSi1-Wedges auf mit Stan-
dardmetallisierung beschichteten Leiterplatten
(18 µm Cu, ca. 6 µm chemisch Ni(P), 50 –100 nm
Flash-Au) beschrieben werden. Charakteristisch
ist, dass die Grenzfläche zwischen Draht und
Metallisierung nach dem Bonden noch eine
ca. 50 nm durchgehende Goldschicht zeigt und
eine etwas dünnere (ca. 30 nm), darüber lie-
gende zweite Zone, die als intermetallische
Konzept & Redaktion: M.Creutzfeldt / MCC Berlin + Fraunhofer IZM, Berlin · Design: J. Metze / Atelier f:50 Berlin
Al3Au8-Phase identifiziert werden konnte.
Weitere Forschungsaktivitäten beziehen sich
auf verschiedenste Ausfallmechanismen bei der
Drahtbondkontaktierung, z. B. basierend auf
Interdiffusions-, Korrosions- oder Ermüdungsvor-
gängen. Ziel ist es, verbesserte Lebensdauervor-
hersagemodelle zu entwickeln und zu verifizie-
ren.
Gefüge- und Interfaceuntersuchungen beim
AlSi1-Wedge / Wedge-Bonden
CWCOB 08/08 - 02d
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