Die Effektivität und Zuverlässigkeit eines integrierten Schaltkreises (IC) in seinen verschiedenen Anwendungen hängen maßgeblich von der Qualität seiner Drahtbondverbindungen ab. Eine robuste und zuverlässige Drahtbondverbindung ist unerlässlich für den reibungslosen Betrieb und die langfristige Funktionsfähigkeit des IC. Umgekehrt kann eine mangelhafte und inkonsistente Drahtbondverbindung die Zuverlässigkeit des Bauteils erheblich beeinträchtigen und potenziell zu Betriebsstörungen und Fehlfunktionen führen.
Das Verständnis der Faktoren, die die Qualität von Drahtbondverbindungen bestimmen, ist entscheidend für die Zuverlässigkeit integrierter Schaltkreise (ICs). Die Qualität einer Drahtbondverbindung hängt eng mit der Festigkeit und Integrität der Verbindungen zwischen Bonddraht und Bondpad sowie zwischen Bonddraht und Anschlussfinger zusammen. Diese Verbindungen spielen eine zentrale Rolle für die strukturelle und elektrische Integrität des IC-Chips. Schwächen oder Unregelmäßigkeiten in diesen Verbindungen können die Leistung und Zuverlässigkeit des Bauteils beeinträchtigen und unterstreichen somit die Bedeutung hochwertiger Drahtbondverbindungen.
Zur Bewertung und Sicherstellung der Qualität von Drahtbondverbindungen wurde ein umfassendes Set an Testmethoden und -verfahren entwickelt. Diese Methoden dienen als wichtige Werkzeuge zur Beurteilung und Validierung der Zuverlässigkeit von Drahtbondverbindungen und tragen letztendlich zur Gesamtleistung und Zuverlässigkeit von IC-Chips bei.
Eine der etablierten Testmethoden zur Bewertung von Drahtbondverbindungen ist der Bondzugtest. Dabei wird der Bonddraht einer kontrollierten Kraft ausgesetzt, um seine Haftfestigkeit zu messen und seine Fähigkeit, mechanischer Belastung standzuhalten, zu bewerten. Durch die Durchführung von Bondzugtests gewinnen Hersteller und Ingenieure wertvolle Erkenntnisse über die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Drahtbondverbindungen und können potenzielle Schwachstellen oder Defekte identifizieren, die die Funktionalität des IC-Chips beeinträchtigen könnten.
Ebenso ist der Bondscherversuch eine wichtige Methode zur Beurteilung der Qualität von Drahtbondverbindungen. Bei diesem Versuch wird eine Scherkraft auf den Bonddraht ausgeübt, um seine Beständigkeit gegenüber seitlicher Beanspruchung zu prüfen. Die Ergebnisse von Bondscherversuchen tragen zur Bewertung der Stabilität und Robustheit von Drahtbondverbindungen bei und stellen sicher, dass diese den im Betrieb auftretenden mechanischen Belastungen standhalten.
Neben mechanischen Prüfungen ist die Sichtprüfung ein entscheidender Bestandteil der Bewertung der Drahtbondqualität. Sie ermöglicht die Erkennung sichtbarer Defekte oder Unregelmäßigkeiten in den Drahtbondverbindungen, wie beispielsweise Drahtschleifen, abgelöste Bondstellen oder fehlerhafte Bondgeometrien. Das Erkennen und Beheben dieser Anomalien im Rahmen der Sichtprüfung ist unerlässlich, um die hohen Qualitätsstandards der Drahtbondverbindungen aufrechtzuerhalten und die Zuverlässigkeit von IC-Chips zu gewährleisten.
Darüber hinaus spielen spezielle Prüfverfahren eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung der Qualität von Drahtbondverbindungen. Sie untersuchen spezifische Aspekte ihrer Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Bedingungen. Diese speziellen Prüfungen umfassen fortschrittliche Techniken wie Ultraschallprüfung von Bondverbindungen, Temperaturwechseltests oder die Analyse von Drahtbondkratern und ermöglichen so eine detaillierte Analyse der Drahtbondverbindungen und ihrer Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und betrieblichen Belastungen.
Die Bedeutung von Drahtbondverbindungen für die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von IC-Chips darf daher nicht unterschätzt werden. Der Einsatz etablierter Testmethoden wie Zug- und Scherfestigkeitsprüfungen sowie Sichtprüfungen und spezieller Testverfahren unterstreicht das Engagement für die hohe Qualität und Konsistenz von Drahtbondverbindungen. Durch die sorgfältige Bewertung und Validierung der Zuverlässigkeit von Drahtbondverbindungen können Hersteller und Ingenieure Vertrauen in die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von IC-Chips in unterschiedlichsten Anwendungen schaffen und so letztendlich zur Weiterentwicklung der Elektronik beitragen.
Der Bond Pull Test
Der Bondzugtest wird häufig zur Beurteilung und Sicherstellung der Qualität von Drahtbondverbindungen eingesetzt. Er dient auch der Kontrolle und Optimierung des Drahtbondprozesses während der Montagefertigung. Bei diesem Test wird ein Haken unter den Draht gelegt und eine senkrechte Zugkraft nach oben ausgeübt, bis der Draht reißt (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1. Zugversuch
Tritt während des Haftzugtests, selbst bei sehr hohen Zugkräften, ein Ablösen der Kugel oder der Schweißnaht auf, gilt dies als inakzeptabel und deutet auf eine mangelhafte Haftqualität hin. In solchen Fällen ist eine gründliche Analyse der Ursache der Antihaftwirkung erforderlich, und es müssen geeignete Abhilfemaßnahmen ergriffen werden. Abbildung 2 zeigt Beispiele für das Ablösen der Kugel und der Schweißnaht.
Abbildung 2. Kugelhebung und Keilhebung (Schweißnahthebung) Versagen
Versagensarten und deren Interpretation bei Zugversuchen
Der Goldball-Bond-Zugtest kann verschiedene Fehlerarten aufzeigen, darunter Ballabhebung (Typ A), Ballhalsbruch (Typ B), Bruch in der Mitte (Typ C), Fersenbruch (Typ D) und Schweißnahtabhebung (Typ E), wie in Abbildung 3 dargestellt. In einigen Fällen können Fehler auch an anderen Grenzflächen auftreten, wie z. B. das Ablösen der Bondpad-Metallisierung, Ablösungen unter dem Bondpad und das Ablösen der Kontaktfinger-Metallisierung. Im Folgenden werden diese fünf Fehlerarten detailliert erläutert und diskutiert.
Kugelheberfehler
Das Auftreten von Ball-Lift-Fehlern deutet auf eine sehr schwache Verbindung zwischen Kugel und Bondpad hin. Dieser Fehlertyp weist entweder auf eine fehlende oder eine geschwächte Bondverbindung hin. Verschiedene Faktoren können zu Ball-Lift-Fehlern beitragen, darunter eine fehlerhafte Einrichtung des Drahtbonders und Verunreinigungen der Bondpad-Oberfläche. Eine unzureichende Einrichtung, gekennzeichnet durch falsche Parametereinstellungen, instabile Werkstückhalter und verschlissene Werkzeuge, kann zu einer minderwertigen initialen Verschweißung und einer unzureichenden intermetallischen Phasenbildung zwischen Bondpad und Kugel führen.
Kugelhalsversagen
Das Versagen des Drahtes direkt oberhalb des Kugelansatzes (siehe Abbildung 4) ist die häufigste Fehlerursache bei Bondzugtests. Beim Bruch des Kugelansatzes wird der Draht aufgrund eines Bruchs im Ansatzbereich – der Stelle, an der der Draht auf den Kugelansatz trifft – von der Kugelverbindung getrennt. Diese Art von Fehler ist oft auf eine fehlerhafte Einrichtung des Bonders zurückzuführen, beispielsweise auf falsche Bondparameter, ungenaue Bewegungseinstellungen oder verschlissene bzw. verschmutzte Werkzeuge. Falsche Bondparameter können zu einer übermäßigen Verformung der Verbindung führen, wodurch ein dünner, schwacher oder rissiger Ansatz entsteht, der bruchgefährdet ist. Auch Drahtfehler, die durch verschlissene und verschmutzte Werkzeuge verursacht werden, können die Rissausbreitung begünstigen.
Abbildung 4. Zeigt Halsbruch, Mittelspannbruch und Fersenbruch.
Drahtbruch in der Feldmitte
Das Versagen des Bonddrahts in der Mitte, wie in Abbildung 4 dargestellt, deutet darauf hin, dass der Draht aufgrund plastischer Verformung und duktilem Bruch versagt hat, im Gegensatz zu einem Sprödbruch am Drahtfuß oder am Kugelhals. Typischerweise ergibt diese Art von Versagen den höchsten Bondzugwert, der sich der Zugfestigkeit des Drahts stark annähert.
Fersenbruch
Beim Fersenbruch löst sich der Draht aufgrund eines Bruchs im Fersenbereich, also dem Bereich, in dem der Draht in die Verbindung übergeht, von seiner Keil- oder Halbmondverbindung. Wie in Abbildung 4 dargestellt, deutet ein Fersenbruch bei Bondzugtests in der Regel auf eine Beschädigung im Fersenbereich hin. Unsachgemäße Bewegungen des Bondkopfes und zu niedrige Schlaufeneinstellungen können die Drähte übermäßigen Spannungen aussetzen, wodurch sie nach hinten und von der Verbindung weggezogen werden. Dies führt zu erheblichen Fersenrissen, die sich bis zum Bruch ausbreiten können. Das Vorhandensein eines Mikrorisses im Fersenbereich ist eine Hauptursache für Fersenbrüche und kann während des Bondvorgangs entstehen. Hohe Bondkräfte und übermäßige Ultraschallenergie aufgrund der Bondparameter sowie beschädigte, verstopfte oder überbeanspruchte Kapillaren sind mögliche Ursachen für Mikrorisse.
Schweißlift
Schweißnahtablösung bezeichnet das Ablösen einer Keilverbindung vom Bondpad oder Bondstift bzw. einer Halbmondverbindung vom Bondfinger des Leadframes (siehe Abbildung 5). Bei Zugfestigkeitsprüfungen deutet Schweißnahtablösung auf eine unzureichende Prozessoptimierung hin. Ähnlich wie bei Kugelablösungsfehlern ist Schweißnahtablösung, selbst bei sehr hohen Zugfestigkeitswerten, ein Indiz für mangelhafte Qualität und sollte nicht akzeptiert werden. Ursachen für Schweißnahtablösung können niedrige Bondparameter, Verunreinigungen auf dem Leadframe, harte Metallisierung oder eine unzureichende Ultraschallkopplung zwischen Kapillare und Leadfinger sein, möglicherweise bedingt durch die Sprödigkeit des Leadframes oder eine unzureichende Fixierung während des Bondvorgangs.
Abbildung 5. Schweißnahtabhebung
Kugel-Bindungs-Scherversuch
Der zerstörende Drahtbond-Zugtest liefert nur bedingt umfassende Informationen über die Festigkeit und Gesamtqualität der ursprünglichen Verbindung. Obwohl ein einfacher Drahtbond-Zugtest die Eigenschaften einer Kugelbondverbindung nicht vollständig erfasst, können hochwertige Kugelbondverbindungen bis zum Zehnfachen der zum Zerstören einer Drahtbondverbindung erforderlichen Kraft aushalten, während minderwertige Verbindungen immer noch eine höhere Kraft zum Ablösen benötigen als im Drahtbond-Zugtest. Daher sind Zugtests ungeeignet, um die tatsächliche Festigkeit von Kugelbondverbindungen zu bestimmen. Aus diesem Grund wurde die Entwicklung einer ergänzenden Testmethode für Drahtbondverbindungen, des sogenannten Kugelbond-Schertests, vorangetrieben.
Die Kugelscherprüfung dient der Bewertung der Integrität der Grenzfläche zwischen Goldkugel und Bondpad beim Goldkugelbonden. Dieser zerstörende Test liefert Daten zur intermetallischen Phasenbildung und zur Bonddeckung, gemessen in Gramm Kraft pro Fläche der Kugelbildung.
Beschreibung des Tests
Der Test beinhaltet den Einsatz eines Scherwerkzeugs, das während der Prüfung eine ausreichende Kraft auf die Kugelverbindung ausübt. Die korrekte Positionierung des Werkzeugs ist beim Schertest entscheidend. Der Scherstempel wird strategisch direkt über dem Bondpad und in unmittelbarer Nähe des Kugelmittelpunkts positioniert. Anschließend bewegt sich das Scherwerkzeug parallel zur Klebefläche und durchtrennt die Kugelverbindung. Abbildung 6 veranschaulicht die Positionierung des Scherwerkzeugs.
Eine fehlerhafte Positionierung des Werkzeugs ist ein häufiges Problem bei Scherversuchen. Die Positionierung des Scherstempels während des Kugelscherversuchs muss den in der Spezifikation festgelegten Kriterien entsprechen. Bei einer normal verformten Kugel sollte sich das Werkzeug dem Substrat bis auf 2,5 mm annähern und darüber hinausragen. Bei großen, hohen Kugeln darf es nicht höher positioniert werden, da es sonst am Substrat schleifen könnte. Abbildung 7 veranschaulicht die schrittweise Bewegung des Scherstempels und die Versagensarten der Kugelverbindung.
Abbildung 6. Kugelscherversuch
Zu den beobachteten Versagensarten bei einem Kugelscherversuch gehören das Abheben der Kugel/teilweises Ablösen der Metallisierung, das Abscheren der Kugel (Trennung der Schweißnaht), das Abheben des Bondpads (Entfernung der Substratmetallisierung) und die Kraterbildung. Jede dieser Versagensarten wird im Folgenden detaillierter erläutert.
1. Kugellift/Teilmetallisierungsabhebung
Als Balllift bezeichnet man eine Ablösung an der Bondpad-Grenzfläche, bei der nur geringe oder keine intermetallischen Phasen vorhanden sind oder zurückbleiben. Abbildung 7 (a) zeigt, wie ein Teil der Al-Metallisierung mit der Kugel abgeschert wird, wodurch während des Schertests eine partielle Metallisierung auf dem Bondpad zurückbleibt.
2. Kugelscherung (Trennung der Schweißnaht) Wenn während des Kugelscherversuchs eine ausgeprägte intermetallische Phasenbildung vorliegt, kann der Stempel die gesamte Kugel abscheren, sodass Gold oder eine intermetallische Phase auf dem Bondpad zurückbleibt, wie in Abbildung 7 (b) dargestellt.
3. Ablösung des Bondpads (Entfernung der Substratmetallisierung) Ein weiterer Fehlermodus beim Schertest ist die Ablösung des Bondpads, bei der sich das Bondpad vom darunterliegenden Substrat trennt. Die Aluminiummetallisierung löst sich ab und liegt frei. Dies kann durch eine unzureichende Haftung der Aluminiummetallisierung verursacht werden. In diesem Fehlermodus bleibt die Grenzfläche zwischen der Kugelverbindung und dem daran haftenden Restpad intakt, wie in Abbildung 7(c) dargestellt.
4. Kraterbildung. Kraterbildung ist ein Oberbegriff für eine Form des Bondversagens, die durch mechanische Beschädigung des Bondpads oder des darunterliegenden Materials entsteht. Diese Art von Versagen tritt an der Unterseite einer Drahtbondverbindung während Zug- oder Scherversuchen auf, typischerweise infolge von Rissen, die während des Bondvorgangs unter dem Bondpad entstehen. Abbildung 7 (d) zeigt den Kraterbildungseffekt während des Kugelscherversuchs.
Abbildung 7. Versagensarten im Scherversuch: (a) Abheben der Kugel, (b) Abscheren der Kugel, (c) Abheben des Bondpads, (d) Kraterbildung
Visuelle Prüfung der Klebequalität
Die Prüfung von Drahtbondverbindungen erfolgte traditionell visuell, da die menschliche Fähigkeit zur Fehlererkennung den Möglichkeiten verfügbarer Maschinen überlegen ist. Dieses Verfahren dient der Sicherstellung der korrekten Ausbildung von Kugel- und Keilbondverbindungen. Visuelle Anzeichen von Problemen wie gerissene Bondenden, Keilbrüche, falsch platzierte oder ungleichmäßige Drahtplatzierung, „golfschlägerartige“ Bondierung der Kugel, übermäßige Verengung und andere deuten darauf hin, dass der Drahtbondprozess nicht unter Kontrolle ist. Die Sichtprüfung verifiziert zudem die korrekte Positionierung der Bondverbindungen in Bezug auf die Bondpads und Bondfinger des Leadframes/Substrats. Darüber hinaus werden potenzielle Bondfehler, die zu offenen oder Kurzschlüssen führen könnten, anhand spezifischer Kriterien wie Drahtabstand und Nähe der einzelnen Bondverbindungen zueinander erkannt.
Wie bereits erwähnt, werden Zug- und Scherfestigkeitsprüfungen eingesetzt, um die Qualität der Bondverbindungen sowohl auf dem Chip als auch an den Anschlussfingern zu beurteilen. Es gibt jedoch zahlreiche weitere Fehlerarten, die nur durch Sichtprüfung erkannt werden können, wie z. B. verformte Bondverbindungen, Drahtbondfehler und Prüfmarken. Daher ist die Sichtprüfung im heutigen Drahtbondprozess von entscheidender Bedeutung. Die Prüfung der Bondqualität umfasst sowohl die Vor- als auch die Nachprüfung. Die Vorprüfung ist unerlässlich, um Prozesskonsistenz und -zuverlässigkeit zu gewährleisten, während die Nachprüfung notwendig ist, um die Zuverlässigkeit des Gehäuses sicherzustellen.
Vorabprüfung der Verklebung
In den letzten Phasen der Herstellung integrierter Schaltungen ist die Inspektion der Prüfspuren auf den Bondpads, die durch die elektrische Prüfung der Wafer entstanden sind, von entscheidender Bedeutung. Diese Vorabprüfung dient der Identifizierung potenzieller Problembereiche, wie z. B. Prüfspuren, die über die Pad-Grenzen hinausragen, übermäßig große Spuren oder Kratzer, die während der elektrischen Prüfung entstanden sind. Die Auswertung verschiedener Parameter, darunter Pad-Größe, Mittelpunkt, Spurengröße und -deckungsgrad sowie Größe und Position der größten Spur, ermöglicht die Inspektion der Bondpads und die Quantifizierung dieser Defekte.
Weitere Probleme im Bondbereich, die die Bondqualität beeinträchtigen können, sind die Verfärbung der Bondpads durch Korrosion und das Vorhandensein von Fotolackrückständen. Eine Sichtprüfung ist unerlässlich, um diese Probleme zu erkennen und zu beheben. Fotolackrückstände sind unter normalen Lichtverhältnissen nicht sichtbar, ermöglichen aber mithilfe von polarisiertem UV-Licht unter einem Mikroskop die Identifizierung von Passivierungs- und Fotolackrückstandsproblemen.
Inspektion nach der Verklebung
Nach dem Bondvorgang können verschiedene Probleme auftreten, die nur durch Sichtprüfung erkannt werden können. Die Nachprüfung umfasst die Identifizierung von Bondqualitätsmängeln, wie z. B. beschädigte, zu dünne, falsch platzierte oder verformte Bondstellen, sowie die Überprüfung des Drahtzustands, einschließlich der Schleifenhöhe. Die Sichtprüfung kann manuell mit Unterstützung eines Bedieners oder mithilfe automatischer Sichtprüfsysteme durchgeführt werden.
Spezielle Qualitätsprüfungen
Die Branche nutzt verschiedene Methoden zur Beurteilung der Bondqualität. Sichtprüfung, Bondzugprüfung, Bondscherprüfung, Bondätzung, elektrische Prüfung, Ausheizprüfung, Temperaturwechsel-/Temperaturschockprüfung, elektromagnetische Resonanz und Oberflächenanalyse gehören zu den gängigsten Verfahren. Während einige dieser Tests zur Überwachung von Produktionsprozessen geeignet sind, sind andere speziell für den Laboreinsatz zur Bewertung und Weiterentwicklung der Drahtbondtechnologie konzipiert.
Ätzung von Bindungen
Die Beurteilung der Schichten unterhalb der Bondpads nach dem Bonden erfolgt durch Ätzen. Dabei werden die Kugel (der Draht) und die Pad-Metallisierung entfernt, um die darunterliegenden Materialien auf Defekte zu untersuchen. Nassätzen dient nicht nur der Erkennung von durch Geräteparameter verursachten Schäden unter der Oberfläche, sondern auch der Optimierung der Bondparameter. Typischerweise werden chemische Lösungen wie NaOH oder KOH verwendet, um das Verbindungsmaterial zu entfernen und die darunterliegende Struktur freizulegen. Beispielsweise wird bei der Beurteilung von Kratern unterhalb des Bondpads die Bondpad-Metallisierung mit einer Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) entfernt.
Elektrische Bewertung
Die Qualität der Verbindung wird durch elektrische Prüfungen beurteilt. Eine mangelhafte Verbindung führt zu einem Stromkreisunterbrechung, während zwei benachbarte Verbindungen im Kontakt einen Kurzschluss verursachen. Spezielle Verfahren wie die Vierpunktmessung werden eingesetzt, um den elektrischen Widerstand der Grenzfläche zwischen Goldkugel und Aluminium-Bondpad zu messen. Der Widerstand steigt mit dem Wachstum intermetallischer Verbindungen, und ein Stromkreisunterbrechungsfehler deutet auf umfangreiche Hohlräume an der Grenzfläche hin.
Thermische Prüfung
Der Backtest quantifiziert die Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen Gold und Aluminium (Au/Al). Eine übermäßige Diffusion von Aluminiumatomen in Gold kann zu Kirkendall-Porenbildung an der Au/Al-Grenzfläche und damit zum Ablösen der Verbindung führen. Durch die Behandlung verbundener Bauelemente mit hohen Temperaturen (175 °C, 240 °C oder 300 °C) über verschiedene Zeiträume lässt sich die Langzeitstabilität der Verbindung beurteilen.
Oberflächenanalyse
Oberflächenanalysetechniken wie die energiedispersive Röntgenanalyse (EDX), die wellenlängendispersive Röntgenanalyse (WDX), die Auger-Mikroskopie und die Rasterelektronenmikroskopie (REM) werden als Werkzeuge zur Fehleranalyse eingesetzt, um Verunreinigungen aufzudecken, das Ausmaß der Bildung intermetallischer Verbindungen zu bestimmen und Bindungsunregelmäßigkeiten zu identifizieren.
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