TA.TEC Consulting
Ultraschall-Drahtbonden
(Ultrasonic Wire Bonding)
Grundlagen, Bondtechnologien, Bondmethoden, Werkstoffe und industrielle Anwendungen
des modernen Drahtbondens
Was ist Ultraschall-Drahtbonden?
Ultraschall-Drahtbonden ist ein Festkörperfügeverfahren zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung elektronischer Komponenten. Dabei werden hochfrequente Ultraschallschwingungen mit einer definierten Bondkraft über eine festgelegte Bondzeit kombiniert, um eine dauerhafte metallurgische Verbindung zwischen Bonddraht und Kontaktfläche herzustellen.
Im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren erfolgt die Verbindung ohne Aufschmelzen der Werkstoffe. Die Ultraschallenergie unterstützt die Entfernung von Oxidschichten und Oberflächenverunreinigungen, fördert die plastische Verformung der Fügepartner und erhöht die reale Kontaktfläche. Dadurch entstehen metallische Mikrokontakte, in denen atomare Wechselwirkungen und lokale Diffusionsprozesse zur Ausbildung einer dauerhaften metallurgischen Verbindung beitragen.
Aufgrund seiner Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Automatisierbarkeit zählt das Drahtbonden heute zu den wichtigsten Verbindungstechnologien in der Mikroelektronik, Leistungselektronik, Batterietechnologie und Automobilindustrie.
Vorteile des Ultraschall-Drahtbondens
hohe Prozessstabilität
niedrige elektrische Übergangswiderstände
geringe thermische Belastung der Bauteile
eignet sich hervorragende für Automatisierung
Moderne Bondanlagen ermöglichen eine umfassende Prozessüberwachung, Rückverfolgbarkeit und hohe Wiederholgenauigkeit.
Typische Anwendungsbereiche
Mikroelektronik
Halbleiter-Packaging, ICs, MEMS, Sensorik, RF-Module und Optoelektronik.
Leistungselektronik
IGBT-, MOSFET- und SiC-Leistungsmodule für Wechselrichter, Ladegeräte, DC/DC-Wandler und Energiesysteme
Automotive
Traktionsinverter, On-Board-Charger, Batteriemanagementsysteme, Zell-zu-Modul-Verbindungen und Batteriemodule
Hochzuverlässigkeits-anwendungen
Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Radar-, Mikrowellen-, Telekommunikations- und Satellitensysteme
Wie lassen sich Drahtbond Prozesse klassifizieren
Drahtbonden umfasst eine Vielzahl von Verfahren, Werkstoffen und Anwendungsbereichen. Begriffe wie Ultraschall-Drahtbonden, Thermosonic-Bonden, Wedge-Wedge-Bonden, Ball-Wedge-Bonden, Fine-Wire oder Ribbon Bonding beschreiben unterschiedliche Eigenschaften eines Bondprozesses und sollten daher nicht miteinander verwechselt werden.
Ein Drahtbondprozess lässt sich aus mehreren Blickwinkeln klassifizieren. Die einzelnen Klassifizierungen ergänzen sich gegenseitig und ermöglichen eine eindeutige technische Beschreibung des jeweiligen Bondprozesses.
Für ein besseres Verständnis ist es hilfreich, Drahtbondprozesse nach vier grundlegenden Merkmalen zu klassifizieren:
Bondtechnologie
Bondmethode
Drahtgeometrie
Größenklasse des Drahts
Diese Klassifizierungen ergänzen sich gegenseitig und ermöglichen eine eindeutige Beschreibung eines Drahtbondprozesses.
Übersicht der Drahtbond-Klassifizierung
Klassifizierungsebene
Bondtechnologie
Bondmethode
Drahtgeometrie
Größenklasse
Werkstoff
Fragestellung
Wie entsteht die metallurgische Verbindung?
Wie wird die Verbindung geometrisch erzeugt?
Welche Drahtform wird verwendet?
Welcher Drahtquerschnitt wird verwendet?
Welches Draht- bzw. Bondmaterial wird verwendet?
Beispiele
Thermokompressions-, Ultraschall- oder Thermosonic-Drahtbonden
Wedge-Wedge-Bonden oder Ball-Wedge-Bonden
Runddraht oder Ribbon
Fine-Wire, Fine-Ribbon, Heavy-Wire oder Heavy-Ribbon
Aluminium, Kupfer, Gold oder Silber
Zusammenhang der Klassifizierung
Die einzelnen Klassifizierungen sind nicht voneinander abhängig, sondern können miteinander kombiniert werden.
Ein Drahtbondprozess wird daher in der Praxis durch mehrere Merkmale gleichzeitig beschrieben.
Beispiel: Mikroelektronik
Merkmal Klassifizierung
Bondtechnologie Thermosonic-Drahtbonden
Bondmethode Ball-Wedge-Bonden
Drahtgeometrie Runddraht
Größenklasse Fine-Wire
Werkstoff Gold
Typische Anwendungen:
Halbleiter-Packaging
Sensorik
RF-Module
Mikroelektronik
Wichtiger Hinweis zur Größenklassifizierung
Die Übergänge zwischen Fine-Wire, Heavy-Wire, Fine-Ribbon und Heavy-Ribbon sind nicht international normiert. Die Zuordnung kann je nach Bondverfahren, Werkstoff, Hersteller und Anwendungsbereich variieren.
Die in der Fachliteratur und Industrie verwendeten Größenbereiche dienen daher in erster Linie als technische Orientierung und nicht als verbindliche Normgrenzen.
Bondtechnologien
Die Ausbildung einer metallurgischen Verbindung beim Drahtbonden kann durch unterschiedliche Energieeinbringungsmechanismen erfolgen. In der Fachliteratur werden Drahtbondtechnologien häufig anhand der zur Bondbildung eingesetzten Prozessenergien klassifiziert.
Bondtechnologie Primäre Energieeinbringung
Thermokompressions-Bonden Temperatur + Bondkraft
Ultraschall-Drahtbonden Ultraschallenergie + Bondkraft
Thermosonic-Drahtbonden Temperatur + Ultraschallenergie + Bondkraft
Ultraschall-Drahtbonden
Beim Ultraschall-Drahtbonden erfolgt die Bondbildung durch die Kombination aus Ultraschallenergie und Bondkraft. Das Verfahren wird insbesondere für Aluminium-, Kupfer- und Ribbon-Anwendungen eingesetzt und ist heute die dominierende Bondtechnologie in der Leistungs- und Automobilelektronik.
Thermosonic-Drahtbonden
Beim Thermosonic-Drahtbonden wird die Ultraschallenergie durch eine zusätzliche Temperatur unterstützt. Die Temperatur wirkt als Aktivierungsenergie und ermöglicht eine Reduzierung der erforderlichen Bondkraft und Ultraschallenergie. Das Verfahren wird überwiegend für Fine-Wire-Anwendungen in der Mikroelektronik und Halbleitertechnik eingesetzt.
Thermokompressions-Drahtbonden
Beim Thermokompressions-Bonden erfolgt die Bondbildung ausschließlich durch Temperatur und Bondkraft. Im Gegensatz zum Ultraschall- und Thermosonic-Bonden wird keine Ultraschallenergie eingesetzt. Das Verfahren zählt zu den historischen Grundlagen moderner Drahtbondtechnologien und wird heute überwiegend in ausgewählten Spezialanwendungen eingesetzt.
Bondmethoden
Wedge - Wedge Drahtbonden
Beim Wedge-Wedge-Bonden werden First Bond und Second Bond mit einem Bondkeil erzeugt.
Die Geometrie des Werkzeugs bestimmt Drahtführung, Bondgeometrie und Energieübertragung. Der Prozess umfasst Bondfuß, Loop und Bond Tail und eignet sich für Fine-Wire-, Heavy-Wire- und Ribbon-Anwendungen.
Interne Verlinkungen:
Fine-Wire-Wedges | Heavy-Wire-Wedges
Ball - Wedge Drahtbonden
Beim Ball-Wedge-Bonden wird zunächst ein Free Air Ball (FAB) durch einen Electronic Flame-Off (EFO) erzeugt. Der First Bond erfolgt als Ball Bond, der Second Bond als Stitch Bond. Die Methode eignet sich besonders für Fine-Pitch-Anwendungen und hochintegrierte Halbleiterstrukturen.
Interne Verlinkungen:
iBOND5000ball | iBOND5000dual
Bondwerkstoffe
Aluminium (Al): Industriestandard für zahlreiche Ultraschall-Wedge-Bondprozesse in der Leistungselektronik.
Kupfer (Cu): Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe mechanische Festigkeit und wirtschaftliche Vorteile für Serienanwendungen.
Gold (Au): Hohe Korrosionsbeständigkeit, stabile Prozessführung und bewährter Werkstoff für thermosonische Fine-Wire-Anwendungen.
Silber (Ag): Sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und interessante Alternative für ausgewählte Anwendungen.
Klassifizierung nach Drahtgeometrie und Drahtgröße
Neben dem verwendeten Werkstoff werden Bonddrähte häufig anhand ihrer Geometrie und ihres Querschnitts klassifiziert. Die Auswahl beeinflusst unter anderem Stromtragfähigkeit, elektrische Eigenschaften, Bondpad-Design, Packungsdichte sowie die Auslegung des Bondprozesses.
In der Praxis wird häufig zwischen Fine-Wire-/Fine-Ribbon-Anwendungen und Heavy-Wire-/Heavy-Ribbon-Anwendungen unterschieden.
Die Übergänge zwischen diesen Klassen sind jedoch nicht international normiert und können je nach Bondverfahren, Werkstoff, Hersteller und Anwendungsbereich variieren. Die nachfolgend genannten Größenbereiche stellen typische Industrieanwendungen dar und dienen als Orientierung.
Fine Wire (Runddraht)
Typische Drahtdurchmesser:
-
ca. 12,5 µm bis 75 µm
Typische Werkstoffe:
-
Gold (Au)
-
Kupfer (Cu)
-
Silber (Ag)
Typische Anwendungen:
-
Halbleiter-Packaging
-
MEMS
-
RF-Module
-
Sensorik
-
Optoelektronik
Fine Ribbon
(Bändchen)
Typische Ribbon-Abmessungen:
-
Breiten häufig im Bereich von etwa 25 µm bis 300 µm
-
Dicken häufig im Bereich von etwa 25 µm bis 50 µm
Typische Werkstoffe:
-
Gold (Au)
Typische Anwendungen:
-
Mikrowellentechnik
-
Hochfrequenztechnik
-
RF-Module
Heavy Wire (Runddraht)
Typische Drahtdurchmesser:
-
ca. 100 µm bis 600 µm
Typische Werkstoffe:
-
Aluminium (Al)
-
Kupfer (Cu)
Typische Anwendungen:
-
Leistungselektronik
-
Batterietechnologie
-
SiC-Leistungsmodule
Heavy Ribbon
(Bändchen)
Typische Ribbon-Abmessungen:
-
Breiten von ca. 0,3 mm bis mehreren Millimetern
-
Dicken von ca. 50 µm bis über 300 µm
Typische Werkstoffe:
-
Aluminium (Al)
-
Kupfer (Cu)
Typische Anwendungen:
-
Power Electronics
-
EV Battery Systems
-
High-Current Interconnects
Wichtige Prozessparameter
Der Ultraschall-Drahtbondprozess wird maßgeblich durch die Wechselwirkung von Bondkraft (Bond Force), Ultraschallleistung (Ultrasonic Power), Bondzeit (Bond Time), Prozesstemperatur und Bondwerkzeug bestimmt.
Diese Parameter beeinflussen die Reibungsenergie an der Kontaktfläche und damit die Ausbildung der metallurgischen Verbindung zwischen Bonddraht und Bondpad. Die optimale Parametrierung hängt unter anderem von der Bondtechnologie, dem Drahtwerkstoff und -durchmesser, der Padmetallisierung sowie den Anforderungen an Prozessfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Baugruppe ab.
Interne Verlinkungen:
Häufige Fehlerbilder
Fehlerbilder beim Ultraschall-Drahtbonden entstehen häufig durch ungeeignete Prozessparameter, Materialinkompatibilitäten oder Oberflächenkontaminationen.
Zu den typischen Bonddefekten zählen Non-Stick-On-Pad (NSOP), Lift-Off, Heel Crack, Wire Break, Cratering, Wire Nick sowie Overbonding.
Diese Defekte können die mechanische Festigkeit und elektrische Integrität der Bondverbindung beeinträchtigen und sich negativ auf die Langzeitzuverlässigkeit elektronischer Baugruppen auswirken.
Eine systematische Prozessüberwachung und Fehleranalyse ist daher entscheidend für die Sicherstellung stabiler und reproduzierbarer Bondprozesse.
Interne Verlinkungen: