Fraunhofer-Forscher definieren neue Bewertungskriterien für Dickdraht-Bondkontakte

Neue Materialien werden auch in kleinsten Dimensionen wie in Drahtbondkontakten eingesetzt, die sich in Chips, elektronischen Bauteilen sowie elektrischen Anschlüssen befinden und Schaltkreise verbinden. In den stetig wachsenden leistungselektronischen Anwendungsfeldern wie der alternativen Energieerzeugung und der Elektrifizierung von Fahrzeugen wird die Dickdrahtbondtechnologie für die Kontaktierung von Leistungshalbleitern eingesetzt.

Aluminium-Dickdrahtkontakte Bonds Fraunhofer IMWS
© Foto Fraunhofer IMWS

Reihe Aluminium-Dickdrahtkontakte als Prüfmuster zur Untersuchung der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen. Im Projekt werden die Abhängigkeiten von Mikrostruktur, Materialeigenschaften und Schertestergebnissen untersucht.

Schermeißel Aluminium-Dickdrahtkontakt Bond
© Foto Fa. XYZtec

Hinter einem Aluminium-Dickdrahtkontakt positionierter Schermeißel. Der Schertest ist die standardmäßig angewandte Methode zur Überprüfung der Bondqualität von Dickdrahtkontakten.

FEM-Simulation Schertest Dickdraht Bondkontakt
© Foto Fraunhofer IMWS

FEM-Simulation des Schertests eines Dickdraht-Bondkontaktes zur Bestimmung der Verformungs- und Spannungsverläufe im Aluminiummaterial

Fast ausschließlich wird dabei mit Dickdraht aus Aluminium (Al) gebondet. Neben den üblichen Reinst- und Rein-Aluminium-Sorten wird immer häufiger auf neuartige Aluminium-Drahtwerkstoffe sowie Aluminium-ummantelte Kupfer-Dickdrähte zurückgegriffen. Diese haben den Vorteil, dass sie korrosionsbeständig, höherfester und wärmebeständiger sind. Dadurch weisen diese Materialien eine bis zu zehnmal höhere Lebensdauer auf.

Zur Überprüfung der Verbindungsqualität werden in der Prozessoptimierung sowie fertigungsbegleitend standardmäßig mechanische Tests wie sogenannte Pull- und Schertests durchgeführt. Bei Letzterem wird der Kontakt mit einem Meißel in definierter Höhe von der Verbindungsstelle geschoben und somit durchtrennt. Anschließend werden definierte Qualitätsmerkmale wie Scherkraft und die beim Test entstehenden Bruchbilder (sog. Schercode)  bewertet. Durch die Neu- und Weiterentwicklung der Drahtmaterialien und den damit einhergehenden Veränderungen der mechanischen Eigenschaften ergeben sich jedoch auch Auswirkungen auf die Schertestergebnisse: Die Interpretation der Testresultate und die bisher angewendeten Bewertungskriterien für eine gut-schlecht-Klassifizierung der Bondqualität müssen angepasst werden.

Im aktuellen AiF-Forschungsprojekt »Korrelation von Schertestergebnissen und Zuverlässigkeit feinkristalliner Aluminium-basierter Dickdrahtbondkontakte« erarbeitet das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM eine grundlegende Wissensbasis zu den Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen der Bondkontakte. Diese bildet die Voraussetzung, um allgemeingültige Beurteilungs- und Bewertungsrichtlinien für Schertestresultate zu definieren.

»Bei den neuartigen, zuverlässigkeitsoptimierten Drahtmaterialien werden die minimal geforderten Scherkraftwerte problemlos eingehalten. Eine Herausforderung sind allerdings die sich im Vergleich zu den herkömmlichen Drähten signifikant veränderten Schercodes«, sagt Robert Klengel, Gesamtprojektkoordinator  und Projektleiter am Fraunhofer IMWS. Nach aktuellen Bewertungskriterien stellen diese unter Umständen eine unzulässige Materialreaktion dar, sodass von einer unzureichenden Verbindung und somit von einer schlechten Bondqualität ausgegangen wird. Für die neuartigen Drahtqualitäten existieren folglich keine allgemeingültigen Beurteilungs- und Bewertungsrichtlinien bezüglich der Schertestresultate. Ein elementarer Bestandteil des Qualitätsmanagements bleibt somit offen.

Da die Ausgangsqualität stets die Lebensdauer beeinflusst, bedarf es dringend einer Neudefinition zulässiger Kriterien in Bezug auf Scherkraft und Schercode für Dickdrahtmaterialien. Zentrale Frage ist dabei, wie sich bei aller Vielfalt der zur Verfügung stehenden Ausgangsmaterialien in Zukunft das Scherergebnis und somit die Bondqualität verlässlich bewerten lässt. Dafür werden in dem Forschungsvorhaben verschiedene Prüfmuster aufgebaut, in denen Grundmaterialien untersucht und Kontakte in verschiedenen Alterungsstufen dem Schertest unterzogen werden. Für jeden Zustand wird außerdem die Mikrostruktur der Kontaktzone analysiert, um diese in Beziehung zu den Schertestergebnissen zu setzen.

»Wir untersuchen die mikrostrukturellen und mechanischen Vorgänge von Bondverbindungen beim Schertest. Als Ergebnis soll eine Wechselbeziehung von Schertestergebnis, Gefüge und Verbindungsqualität sowie deren Einfluss auf die zu prognostizierende Lebensdauer hergestellt werden. Diese Ergebnisse sollen später in Merkblätter und/oder Normen Eingang finden«, erklärt Robert Klengel die Ziele des bis zum 31. Oktober 2018 laufenden Projekts.

Das Projekt wird durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Projektträger ist die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung AiF. Das Projekt wurde über die Forschungsvereinigung DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. eingereicht.