SB_15.244BLP

2009
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Thermosonic-Drahtbonden
auf chemisch Silber
als Endoberfläche in der
COB – Technik

Thermosonic-Drahtbonden
auf chemisch Silber als
Endoberfläche in der
COB – Technik
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 15.244 B
DVS-Nr.: 10.048
Technische Universität Dresden Institut für
Aufbau- und Verbindungstechnik
der Elektronik
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit
und Mikrointegration
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 15.244 B / DVS-Nr.: 10.048 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 141
Bestell-Nr.: 170250
ISBN: 978-3-96870-140-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
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Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung ...................................................................................................... 3
2 Einleitung ............................................................................................................................ 4
3 Beschreibung der Problemstellung ................................................................................... 4
4 Untersuchungsprogramm .................................................................................................. 5
5 Entwicklung des Leiterplattenlayouts .............................................................................. 6
6 Optimierung der Leiterplattenqualität ............................................................................. 8
7 Charakterisierung optimierter Leiterplatten .................................................................. 10
8 Untersuchungen zur Bondbarkeit mit Au-Draht am Fraunhofer IZM .......................... 12
8.1 Vorgehen .................................................................................................................... 12
8.1.1 Anprobe .......................................................................................................... 12
8.1.2 Qualitätsrichtlinien ........................................................................................... 12
8.1.3 Korrekturfaktor................................................................................................ 12
8.2 Ausgangszustand ........................................................................................................ 13
8.2.1 Atotech ........................................................................................................... 13
8.2.1.1 Variation der US-Leistung ................................................................... 13
8.2.1.2 Variation der Bondkraft ...................................................................... 14
8.2.2 Multek ............................................................................................................ 15
8.2.2.1 Variation der US-Leistung ................................................................... 15
8.2.2.2 Variation der Bondkraft ...................................................................... 16
8.2.3 Umicore .......................................................................................................... 17
8.2.3.1 Variation der US-Leistung ................................................................... 17
8.2.3.2 Variation der Bondkraft ...................................................................... 18
8.2.4 Würth ............................................................................................................. 19
8.2.4.1 Variation der US-Leistung ................................................................... 19
8.2.4.2 Variation der Bondkraft ...................................................................... 20
8.2.5 Überprüfung der optimierten Parameter .......................................................... 20
8.2.5.1 Atotech .............................................................................................. 21
8.2.5.2 Multek................................................................................................ 22
8.2.5.3 Umicore.............................................................................................. 23
8.2.5.4 Würth................................................................................................. 24
8.2.6 Zusammenfassung der Bondergebnisse im Ausgangszustand ........................... 24
8.3 Bondbarkeit nach Lagerung unter Labor- und Stickstoffatmosphäre ............................. 25
8.4 Bondbarkeit nach dem Fertigungsschritt Kleben ........................................................... 27
8.4.1 Atotech ........................................................................................................... 27
8.4.2 Umicore .......................................................................................................... 28
8.4.3 Würth ............................................................................................................. 29
8.4.4 Vergleich der Bondbarkeit nach dem Kleben .................................................... 29
8.5 Bondbarkeit nach dem Fertigungsschritt Löten ............................................................. 30
8.5.1 Atotech ........................................................................................................... 31
8.5.2 Umicore .......................................................................................................... 32
8.5.3 Würth ............................................................................................................. 33
8.5.4 Vergleich der Bondbarkeit nach Löten .............................................................. 33
9 Untersuchungen zum Kleben und Löten am Fraunhofer IZM ...................................... 34
9.1 Nachweis qualitätsgerechter Klebeverbindungen ......................................................... 34
9.2 Nachweis qualitätsgerechter Lötverbindungen ............................................................. 34
1

10 Untersuchungen zur Verkapselung am Fraunhofer IZM ............................................... 39
11 Untersuchungen zur Zuverlässigkeit am Fraunhofer IZM ............................................. 41
11.1 Zuverlässigkeit unverkapselter Proben .......................................................................... 41
11.1.1 Temperaturauslagerung bei 150°C .................................................................. 41
11.1.2 Feuchte Wärme bei 85°C/85%r.F. ................................................................... 45
11.2 Zuverlässigkeit verkapselter Proben .............................................................................. 49
11.2.1 Feuchte Wärme ............................................................................................... 50
11.2.2 Temperaturwechsel ......................................................................................... 51
11.2.3 Temperaturauslagerung ................................................................................... 53
12 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse und Fazit des Fraunhofer IZM...... 53
13 Untersuchungen zur Bondbarkeit mit Au-Draht am IAVT ............................................ 55
13.1 Methoden ................................................................................................................... 55
13.1.1 Zerstörende Prüfung – Pull-Test ....................................................................... 55
13.1.2 Ermittlung des Korrekturfaktors ....................................................................... 56
13.1.3 Probenkennzeichnung ..................................................................................... 57
13.2 Ergebnisse ................................................................................................................... 57
13.2.1 Bondort Leiterzug, Anlieferungszustand (direkt aus der Verpackung) ............... 57
13.2.2 Bondort Leiterzug, Vorlagerung in unter Stickstoff ........................................... 58
13.2.3 Bondort Leiterzug, Vorlagerung unter Laboratmosphäre .................................. 60
13.2.4 Probleme der Bondanproben auf schmalen Leiterzügen ................................... 62
13.2.5 Bondort Steckerpad, Anlieferungszustand (direkt aus der Verpackung) ............ 64
13.2.6 Bondort Steckerpad, Ergebnisse der Temperaturlagerung 150 °C bis zu 1000 h
68
13.2.7 Bondort Steckerpad, Temperaturlagerung 180 °C bis zu 1000 Stunden ........... 71
13.2.8 Bondort Steckerpad, Temperaturwechseltest – 40 °C / + 125 °C bis zu 1000
Zyklen 71
13.2.9 Bondort Steckerpad, Feuchteauslagerung 85 °C / 85 % r.F. ............................. 73
13.2.10 Bondort Steckerpad, Simulation Reflowlöten und Kleben ................................. 76
13.2.11 Ergebnisse der Focused-Ion-Beam-Untersuchungen ......................................... 79
13.2.11.1 Erläuterungen ................................................................................ 79
13.2.11.2 Ergebnisse ..................................................................................... 80
13.2.11.3 Probe 2: Hersteller A, 200 nm Ag, 1000 h bei T=150 °C ................ 81
13.2.11.4 Probe 4: Hersteller W, 400 nm Ag, direkt nach dem Bonden,
Bestimmung Ag- Schichtdicke .......................................................................... 83
14 Zusammenfassung der Untersuchungen am IAVT ........................................................ 84
15 Schlussbemerkungen ....................................................................................................... 85
16 Veröffentlichungen .......................................................................................................... 87
Literatur ................................................................................................................................. 87
Anhang A .............................................................................................................................. 88
Vorlagerung unter Stickstoff ............................................................................................... 88
Atotech ....................................................................................................................... 88
Umicore ....................................................................................................................... 89
Würth ....................................................................................................................... 90
Vorlagerung unter Luft ........................................................................................................ 91
Atotech ....................................................................................................................... 91
Umicor e ..................................................................................................................... 92
Würth ....................................................................................................................... 93
2

2 Einleitung
Die bekannten, raschen Weiterentwicklung in der Halbleiterindustrie und die damit möglichen
neuen Produktgenerationen der Baugruppen- und Mikrosystemtechnik stellt an das Packaging
elektronischer Komponenten und Systeme bezüglich Miniaturisierung, Zuverlässigkeit und
Herstellungskosten wachsende und bereits jetzt sehr hohe Anforderungen. Das
Hauptaugenmerk der Chipanwender richtet sich dabei darauf, Erzeugnisse mit immer höherer
Packungsdichte und damit erweitertem Funktionsumfang kostengünstig auf dem Markt
anbieten zu können. Gegenwärtig wird zur Bewältigung dieser Aufgabe zunehmend ein Weg
beschritten, der auf die Konfektionierung jedes Einzelchips mit einem eigenen Gehäuse
verzichtet, sondern in der sogenannten Chip-on-Board-Technik mehrere Chips zunächst
unverkappt („nackt“) auf einem geeigneten Verdrahtungsträger montiert und erst anschließend
umhüllt. Zu diesem Zweck müssen die Chipanschlüsse auf geeignete Weise mit den
Leiterbahnen dieser Träger mechanisch stabil, elektrisch leitend und mittels einer unter
betriebsabhängigen Zuverlässigkeitsaspekten geeigneten Werkstoffpaarung miteinander
verbunden werden. Die Verfahren der Wahl hierzu sind die Flip-Chip-Technik und das
Drahtbonden. Die Flip-Chip-Technik ermöglicht dabei die höchsten Packungsdichten, erfordert
aber sehr aufwändige technologische Zusatzschritte. Sie war nicht Gegenstand dieses
Forschungsprojekts.
Die Chip-on-Board-Technik mittels Drahtbonden ist gegenwärtig dadurch gekennzeichnet, dass
die Cu-Leiterzüge auf Leiterplatten entweder für das Ultraschallbonden mit Al(Si1)-Draht eine
Metallisierung aus Ni + Flash-Au erhalten oder für das Thermosonic-Bonden mit Au-Draht eine
solche aus Ni + “Dick“-Au. Bekannt ist auch eine für beide Drahtbondverfahren geeignete
Metallisierung Ni/Pd/Au, die jedoch wegen hoher Bad- und Materialkosten sowie sehr
aufwändiger Prozessführung nur in geringem Umfang zum Einsatz kommt.
Gegenwärtig ist keine Metallisierung im durchgängigen Einsatz, die möglichst universell für alle
Belange der COB-Technik geeignet ist, d.h. die das Thermosonic-Bonden, gleichzeitig darüber
hinaus natürlich SMD-Lötungen mit den seit 2006 verbindlichen bleifreien Loten, Chipbonden
durch Kleben und Löten sowie Flip-Chip-Technik und Hermetisierung zuverlässig und
kostengünstig gewährleisten kann. Als eine solche Schicht bietet sich chemisch abgeschiedenes
Silber an.
3 Beschreibung der Problemstellung
Es ist lange bekannt, dass auf relativ dickem (bis zu 5 μm) galvanisch versilberten Leadframes
(Werkstoff: CuFe3), die insbesondere bei höher temperaturbelasteten Bauelementen zum
Einsatz kommen, TS-Bondungen mit Au-Draht mit hoher Prozessausbeute herstellbar sind und
die Kontakte sich erwartungsgemäß wegen der vollständigen Mischbarkeit von Au und Ag
durch sehr hohe Zuverlässigkeit auszeichnen [1]. Bei oberflächlicher Betrachtung könnte wegen
der vergleichbaren metallurgischen Konstellation wie auf den versilberten Cu-Leiterzügen einer
Leiterplatte geschlussfolgert werden, dass das TS-Bonden auf Immersion-Ag in der COB-Technik
problemlos übernehmbar sein sollte. Es gibt jedoch eine Reihe gravierender Unterschiede, die
sich sehr wahrscheinlich hinsichtlich der Prozessparameter und der Kontaktzuverlässigkeit
entscheidend auswirken werden:
Bedingt durch den unterschiedlichen Abscheidemechanismus hat eine galvanisch erzeugte
Schicht eine grundsätzlich andere Morphologie als eine stromlos erzeugte. Damit ändern sich die
4

für die Bondbarkeit einer Schicht wesentlich mitverantwortlichen mechanischen Eigenschaften
(Härte, E-Modul u.a.) signifikant.
Typische Schichtdicken liegen in der Galvanik bei einigen Mikrometern, bei stromlos
abgeschiedenen Schichten sind diese mindestens um den Faktor 10 geringer (einige 100
Nanometer). Damit ändern sich die Massenverhältnisse der an der Kontaktbildung beteiligten
Partner bedeutend und auch die "auf den Bond wirkende" Härte.
Immersion-Ag-Schichten beinhalten einen organischen Inhibitor, der in atomaren Dimensionen
auch die Oberflächeneigenschaften verändert und der damit auf die Bondbarkeit Einfluss haben
könnte. Ferner muss die Langzeitwirkung (Lagerbarkeit) des Inhibitors bzw. der Oberfläche auf
die Bondbarkeit ermittelt werden.
Die aus diesen Unterschieden und ihren Folgen sich ableitenden Probleme sind gegenwärtig
nicht gelöst und haben offensichtlich auch in der Fachwelt zu Verunsicherungen bezüglich der
Anwendbarkeit von Immersion-Ag in der COB-Technik geführt. So reicht beispielsweise das
Spektrum der Beurteilung der Bondbarkeit von Immersion-Ag auf Cu in der Leiterplattentechnik
von „Feinsilber ausgezeichnet“ über „Hartsilber schlecht“ [2] bis zu „Einsatz Chem. Silber für
Löten (Bonden)“ [3] und zu „Au-Drahtbonden auf chem. Ag – nein“ in [4]. Es war das Anliegen
dieses Projekts, diese Unsicherheiten zu beseitigen.
4 Untersuchungsprogramm
Zur Klärung der skizzierten Fragestellungen wurde folgendes Vorgehen und
Untersuchungsprogramm durchgeführt.
- Entwicklung eines geeigneten Leiterplattenlayouts
- Herstellung von Leiterplatten und Verteilung zum Beschichten
- Charakterisierung der Ag-Schichten von den unterschiedlichen Herstellern
- Untersuchungen zur Bondbarkeit im Ausgangszustand
- Untersuchungen zur Bondbarkeit nach verschiedenen Lagerungsbedingungen und
Vorbehandlungen
- Untersuchungen zum Die-Attach mittels Löten und Kleben
- Nachweis der Verarbeitbarkeit von gängigen Verkapselungsmaterialien
- Untersuchungen zu Zuverlässigkeit verkapselter und offener Aufbauten
5

5 Entwicklung des Leiterplattenlayouts
Zur Durchführung des Untersuchungsprogramms wurde ein geeignetes Leiterplattenlayout
entworfen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Leiterplattenlayout mit Platz für 6 Testchips
Die Die-Landeflächen für 6 Chips pro Leiterplatte sind an jeder Seite 500 μm größer als der zu
verwendende IZM Testchip (s. Abbildung 2). Dies gewährleistet eine qualitätsgerechte
Ausbildung des Die-Attach-Meniskus während des Chipbondens.
Abbildung 2: IZM Testchip 40.1 (4,9x4,9 mm²) mit Daisy-Chain-Strukturen
Die Bondpads wurden so angeordnet, dass alle Loops die gleiche Looplänge aufweisen
(s. Abbildung 3). Dies erleichtert die Auswertung der Pulltests, da nur ein Korrekturfaktor für die
gemessene Pullkraft berechnet werden muss. Des Weiteren wurden die Bondpads elektrisch so
miteinander verbunden, dass im Zusammenspiel mit dem IZM Testchip eine Daisy-Chain
Messung möglich ist. Dazu befinden sich in den Ecken der Die-Landeflächen kreisrunde
6