In der Mikroelektronik Drahtbonden ist einer der wichtigsten Prozesse. Hersteller nutzen diese Technik seit vielen Jahren für zwei Zwecke. Sie stellt eine nahtlose elektrische und mechanische Verbindung zwischen winzigen Halbleiterchips und ihrer äußeren Verpackung her.
Es besteht eine starke Konkurrenz durch Alternativen wie Flip-Chips und fortschrittliche 3D-Verpackungen. Allerdings dominiert das Drahtbonden als Verbindungstechnologie auf höchstem Niveau.
Beispielsweise ist es für über 75 % aller Chip-zu-Gehäuse-Verbindungen weltweit verantwortlich.
Um das Drahtbonden von ICs, PCBs und Halbleitern zu verstehen, müssen Sie die Grundlagen des Drahtbondprozesses, die Bonddrahtmaterialien und zukünftige Trends kennen.
Anschließend bietet dieser Artikel eine umfassende Untersuchung des Drahtbondens mit Schwerpunkt auf:
• Techniken
• Materialien
• Anwendungen
• Kosten
• Häufige Probleme
Was ist Drahtbonden?
Drahtbonden ist ein Verfahren, bei dem Halbleiterbauelemente elektrisch mit einem Gehäuse, einem Substrat oder einer Leiterplatte verbunden werden. Dabei kommen feine Drähte zum Einsatz. Diese Bonddrähte bestehen in der Regel aus Gold, Aluminium und Kupfer. Die Verbindung erfolgt durch Druck in Kombination mit Wärme und Ultraschallenergie.
Zu den Hauptvorteilen des Drahtbondens gehören:
Drahtbonden ist vielseitig
Es unterstützt eine große Bandbreite an Materialien, Gehäusetypen und Gerätegeometrien und ist daher für praktisch jede Anwendung geeignet.
Leicht skalierbar
Es unterstützt die IC-Drahtbonding-Produktion in großen Stückzahlen und ist gleichzeitig für Spezialprojekte mit kleinen Stückzahlen geeignet.
Zuverlässige Fertigung
Bei richtiger Ausführung halten Bonddrähte rauen Umgebungen stand, darunter in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und bei medizinischen Geräten.
Erschwingliche Technologie
Im Vergleich zu Flip-Chip-Lösungen bietet das Drahtbonden aufgrund seiner einfacheren Anforderungen und des geringeren Gerätebedarfs eine kostengünstigere Verbindungsoption.
Obwohl das Konzept einfach erscheint – nur ein dünner Draht, der ein Chip-Pad mit einem Gehäuse-Pad verbindet – erfordert der eigentliche Drahtbondprozess präzise Werkzeuge, eine saubere Umgebung und eine sorgfältige Materialauswahl.
Arten von Drahtbondtechnologien
Es gibt drei Hauptkategorien von Drahtbondtechniken mit jeweils unterschiedlichen Anwendungsfällen:
Kugelbindung
Das gängigste Drahtbondverfahren ist das Ballbonden, insbesondere bei Gold- und Kupferdrahtbondanwendungen. Dabei wird am Drahtende eine kugelförmige Luftkugel erzeugt, die dann im Thermosonic-Verfahren durch Wärme, Ultraschallenergie und Druck auf das Bondpad gepresst wird.
Die Verwendung von Golddrahtbonden mit Ballbonds ist nicht neu, da Gold ein sehr guter Leiter mit hoher Korrosionsbeständigkeit ist. Kupferbonddraht erfreut sich als kostengünstigere und leistungsstärkere Alternative zunehmender Beliebtheit, insbesondere bei Leistungsbauelementen. Ballbonds sind schnell und ungerichtet und eignen sich daher für das schnelle Drahtbonden von ICs in der Unterhaltungselektronik.
Keilbonden
Beim Wedge-Bonden wird der Bonddraht mit einem keilförmigen Werkzeug direkt gegen das Pad gedrückt. Diese Technik wird häufig bei Aluminiumdrähten in Anwendungen wie dem Halbleiter-Drahtbonden für Automobil-Leistungsgeräte und Luft- und Raumfahrtsysteme eingesetzt.
Es ermöglicht die Feinabstimmung von Abmessungen von nur 15–25 μm. Es wird häufig beim PCB-Drahtbonden für die direkte Chip-on-Board-Montage verwendet. Aluminium-Wedge-Bonds sind kostengünstig, unterliegen jedoch Einschränkungen hinsichtlich des Pad-Abstands.
Erweiterte Variationen
Thermokompressionsbonden nutzt ausschließlich Wärme und Druck und ist zwar langsamer, bietet aber eine hohe Zuverlässigkeit. Im Gegensatz dazu verwendet das Ribbon-Bonden flache Bänder anstelle von Runddrähten für Hochstrom- oder HF-Anwendungen. Beim Reverse-Bonden wird ein Bolzen auf dem Pad platziert, bevor der Draht daran gebondet wird. Schließlich stellen laserunterstütztes und photonisches Bonden fortschrittliche Methoden für MEMS, LEDs und photonische Geräte dar.
Drahtbondmaterialien
Die Wahl des Bonddrahtes hängt von den Anforderungen an Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit, Kosten und Zuverlässigkeit ab.
Zu den gängigen Bonddrahtmaterialien gehören:
Bonddraht aus Gold
Dies ist das traditionellste Material für Goldbonden und IC-Drahtbonden und bietet hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit. Es wird nach wie vor häufig beim Halbleiter-Drahtbonden für kritische Anwendungen verwendet.
Aluminium-Bonddraht
Es wird hauptsächlich beim Keilbonden verwendet, ist kostengünstig und leicht und eignet sich daher ideal für Leistungsmodule und PCB-Drahtbonden.
Bonddraht aus Kupfer
Es gewinnt als kostengünstigere Alternative zu Gold an Bedeutung und bietet eine bessere elektrische und thermische Leitfähigkeit. Es erfordert jedoch Schutzbeschichtungen, wie z. B. Pd-beschichteten Kupferbonddraht, um Oxidation zu verhindern.
Silber-Bonddraht
Obwohl es weniger verbreitet ist, bietet es die höchste Leitfähigkeit. Silberbonddraht eignet sich für Nischenanwendungen, die niederohmige Bonddrähte erfordern.
Legierungs- und beschichtete Drähte
Pd-beschichteter Kupferbonddraht kombiniert die Leitfähigkeit von Kupfer mit der Oxidationsbeständigkeit von Palladium. Bimetallische und legierte Bonddrähte verbessern die Festigkeit und thermische Stabilität. Diese Variationen sind für das Drahtbonden von Halbleitern bei hohen Temperaturen und hohen Frequenzen unerlässlich.
Drahtdurchmesser und -geometrie
Beim Fine-Pitch-IC-Drahtbonden werden dünne Drähte von 17–25 μm verwendet, während dickere Drähte von 100–300 μm sowie Bänder für Anwendungen mit noch höheren Strömen verwendet werden. Schleifenhöhe, Fersenwinkel und Bonddrahtgeometrie beeinflussen die Qualität maßgeblich.
Drahtbondgeräte und -werkzeuge
Um präzise Drahtbondprozesse durchführen zu können, ist spezielle Ausrüstung unerlässlich:
• Drahtbonder: Vollautomatische, halbautomatische und manuelle Maschinen
• Kapillaren: Geeignet für Golddrahtbonden
• Keilwerkzeuge: Wirksam für das Bonden von Aluminium- und Kupferdrähten
Moderne Maschinen ermöglichen eine präzise Steuerung der Ultraschallkraft, Temperatur und Bondzeit, was für das Drahtbonden miniaturisierter Halbleiter entscheidend ist.
Grundlagen des Drahtbondprozesses
Der Drahtbondprozess besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Schritten, die darauf abzielen, sichere, leitfähige und mechanisch stabile Verbindungen zu erzeugen. Diese Schritte sind bei den meisten Halbleiter-Drahtbondanwendungen üblich:
Die Platzierung
Zunächst wird der Halbleiterchip mit Klebstoffen, Lötzinn oder Epoxidharz an einem Gehäusesubstrat oder einer Leiterplatte befestigt.
Drahtauswahl
Die Wahl des Bonddrahts – ob Golddrahtbonddraht, Kupferbonddraht oder Aluminium – hängt von den Kosten sowie den elektrischen und thermischen Anforderungen ab.
Werkzeug-Setup
Spezielle Kapillaren und Keilwerkzeuge führen den Draht während des Bondzyklus.
Erste Bindungsbildung
Beim Goldbonden wird die Drahtspitze mittels elektrischer Flamme (EFO) zu einer Freiluftkugel geformt und anschließend mit Ultraschallvibrationen und Hitze auf das Pad gebondet. Beim Keilbonden wird der Draht direkt hineingeschoben, um eine Keilverbindung zu bilden.
Schleifenbildung
Der Draht wird bis zum zweiten Verbindungspunkt verlängert und bildet eine bogenförmige Schleife. Die Geometrie der gebundenen Drahtschleife beeinflusst direkt die elektrische Leistungsqualität.
Zweite Bindungsbildung
Das zweite Ende des Bonddrahtes wird mit dem Zielsubstrat und dem Gehäusepad verschweißt.
Inspektion und Prüfung
Dabei handelt es sich um drei Tests:
• Zugversuche
• Scherversuche
• Sichtprüfungen
Diese drei Tests stellen sicher, dass der Drahtbondprozess Industriestandards wie MIL-STD-883 entspricht.
Die Präzision jedes einzelnen Schritts ist entscheidend für die Ausbeute, insbesondere beim IC-Drahtbonden mit hoher Dichte und beim PCB-Drahtbonden, bei dem die Padgröße nur 40 Mikrometer beträgt und die Abstände unter 70 μm liegen.
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Anwendungen des Drahtbondens in der Elektronik
Drahtbonden wird in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt:
IC-Drahtbonden ist in der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Smartphones, Laptops und Wearables, wichtig. Kupferdrahtbonden wird auch häufig in der Automobilelektronik, beispielsweise bei Leistungsmodulen, Sensoren und Steuergeräten, eingesetzt.
Auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie, beispielsweise bei Radaren, Satelliten und Militärelektronik, werden Bonddrähte von hoher Qualität benötigt. Auch medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Hörgeräte und Implantate erfordern die Präzision des Halbleiterdrahtbondens.
Darüber hinaus wird in der Optoelektronik und bei LEDs das PCB-Drahtbonden verwendet, das in Chip-on-Board-LED-Arrays und CMOS-Bildsensoren benötigt wird.
Schließlich ist auch die Leistungselektronik mit SiC- und GaN-Bauelementen in hohem Maße von der Verwendung dicker Kupferbonddrähte abhängig, um ein effizientes Energiemanagement zu ermöglichen.
Zuverlässigkeitsherausforderungen bei Bonddrähten und Drahtbonden
Trotz der Fortschritte in diesem Bereich stellt die Qualität gebondeter Drähte immer noch eine Herausforderung dar. Dabei handelt es sich um Bondfehler, die durch Bondabhebungen, Fersenrisse und Brüche während der Temperaturwechselbeanspruchung gekennzeichnet sind.
Darüber hinaus werden Materialprobleme durch intermetallische Au-Al-Verbindungen (IMCs), Kupferoxidation und Silberanlaufen verursacht. Darüber hinaus treten geometrische Spannungen auf, wenn Fersenspannungen und Rissausbreitung durch die unsachgemäße Konstruktion der Bonddrahtschleifen verstärkt werden.
Kostenüberlegungen beim Drahtbonden
Die wichtigsten Kriterien für die Auswahl von Bonddrahtmaterialien und -mechanismen sind die Kosten:
Golddrahtbonden ist ebenfalls zuverlässig und kostspielig. Kupferdrahtbonden ermöglicht erhebliche Einsparungen bei der Massenproduktion von IC-Drahtbonden. Aluminium-Bonddraht ist ein kostengünstiges Drahtbonden für Leistungselektronik und PCBs.
Die Maschineninvestitionen sind unterschiedlich: Halbautomatische Bonder kosten Zehntausende von Dollar, vollautomatische Maschinen Hunderttausende von Dollar.
Fazit
Drahtbonden ist eine der Technologien, die seit 1960 unverzichtbar ist. Der Drahtbondprozess ist beim Goldbonden, Kupferdrahtbonden und PCB-Drahtbonden sehr wichtig.
Obwohl Flip-Chip- und moderne Verbindungstechniken auf dem Vormarsch sind, werden Bonddrähte auch weiterhin im Mittelpunkt des Halbleiterdrahtbondens stehen. Dank der aktuellen Fortschritte bei Materialien, Automatisierung und Design wird das Drahtbonden die Anforderungen der nächsten Elektronikgeneration erfüllen können.
