Thermomechanische Beschreibung der Interfaceausbildung an Aluminium Ultraschall (US)-Wedge/Wedge-Drahtbondkontakten
Final Report Abstract
Die inhaltlichen Ergebnisse bzw. die wissenschaftlichen Fortschritte der Forschungsarbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Verbindungsbildung zwischen dem Drahtwerkstoff und der Substratmetallisierung beim US- Wedge/Wedge-Drahtbonden wurde studiert und modelhaft beschrieben. - Der Einfluss der Drahtdeformation als wesentliches Resultat der Bondparametereinstellungen auf die Interdiffusion zwischen Al-Wedges und einer Au-Finishmetallisierung von Leiterplattenmaterial wurde untersucht. Hierbei wurde die Au-Al-Phasenwachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Bondparameter und der thermomechanischen Kraft im Interface berechnet. Es ergab sich beitragsmäßig die gleiche Größenordnung wie bei klassischer Diffusionsrechnung nach Fick, die auf rein thermischem Weg eine Temperatur von 270 bis 330 °C erfordern würde. - Aus dem erwähnten Zusammenhang ließ sich ein Wachstumsgesetz für die Ausbildung der intermetallischen Phasen herleiten, mit dessen Hilfe die IP-Dicke nur durch Simulation der beim Bonden aufgezeichneten Deformationskurve vorhergesagt werden kann. - Aus der Theorie der materiellen Kräfte wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Massenflussrate und der thermomechanischen Kraft am Interface zwischen dem Draht und der Chipmetallisierung entwickelt, um die bondparameter- und zeitabhängigen Ausbildung der intermetallischen Phasen mit den herrschenden mechanischen Spannungen zu koppeln. - Dazu konnte mit FIB-Aufnahmen die IP-Dicke mit verschiedenen US-Leistungen nach dem Bonden sowie mit optimierten Parametern zu verschiedenen Bondzeitpunkten vermessen werden. Ferner ließ sich deren Verteilung über die gesamte Wedgebreite untersuchen und damit der in der Literatur diskutierte Bondring [19] überprüfen und beweisen. Diese Schichtdickenmessungen wurden durch vereinzelt durchgeführte TEM-Aufnahmen bestätigt. - Mit Hilfe der thermomechanisch gekoppelten FE-Simulationen konnte die Temperaturentwicklung und -verteilung während des Bondprozesses eingegrenzt werden. Es ergab sich eine maximale Temperatur von ca. 80 °C. Außerdem konnten die im Draht und am Interface erzeugten Spannungs- und Dehnungszustände berechnet werden. - Für die Berechnung der thermomechanischen Kraft am Interface wurde ein in C++ geschriebener Postprozessor weiterentwickelt. - Dieser Zusammenhang ließ sich durch den Vergleich der FE-Simulationen mit den Experimenten bestätigen. Bei der Bearbeitung des Projekts begegnete man folgenden Schwierigkeiten/Überraschungen: Die direkte Berücksichtigung des hochfrequenten Ultraschalls im Input-Deck der FE-Simulation bereitete numerische Schwierigkeiten. Sie konnte jedoch umgangen werden, indem als Anfangs- / Randwertbedingung die experimentell bekannte z-Deformation des Drahtes verwendet wurde. - Aufgrund der komplizierten Geometrie des zu simulierenden Wedges und des zum Bonden vom Dickdraht verwendeten Bondwerkzeugs blieben die FE-Simulationen des Dickdraht-Bondprozesses unvollständig. - Nanoindentationsmessungen zur Ermittlung von E-Moduli an extrem kleinen Proben wie dem 25 µm AlSi1-Draht im Projekt lieferten deutlich zu geringe Kennwerte, weshalb in dieser Arbeit typische Literaturkennwerte genutzt wurden. Dieser Sachverhalt ist vermutlich präparationsbedingt (Einbetten eines kleinen Drahtstückes in Kunststoffmasse, diese Aushärten, dann Drahtstück anschleifen und messen) und bedarf zukünftig intensiverer Forschungsarbeiten.
Publications
- Thermomechanical description of interface formation in aluminum ultrasound (US)-wedge/wedge-wirebond contacts. Proc. 12th EPTC, Singapore, 2010, pp. 473-478
Müller W.H., Sbeiti M., Schneider-Ramelow M., Geissler U.
- Thermo-mechanical description of material diffusion during an ultrasonic wire bonding process. PAMM, 2011, 11, pp. 427-428
Müller W.H., Sbeiti M., Schneider-Ramelow M., Geissler U.
- FE-thermomechanische Analyse zur Beschreibung der Ausbildung der intermetallischen Phase beim Drahtbonden. PLUS, 2012, 5(14), pp. 1125-1131
Sbeiti M., Müller W.H., Schneider-Ramelow M., Geissler U., Schmitz S.
