Fehleranalyse beim Drahtbonden: Intermetallische Phasen, Korrosion und Ermüdung in verschiedenen Metallsystemen

Betrachten wir einen Halbleiterchip, der die Werksprüfung mit Bravour besteht. Er wird im Batteriemanagementsystem eines Elektroautos eingesetzt und funktioniert über einen längeren Zeitraum einwandfrei. Doch dann treten vereinzelt Fehler auf, die schließlich zum Totalausfall des Systems führen. Die Ursache? Sie liegt nicht im komplexen Halbleiterdesign, sondern an einigen Drahtverbindungen, die aufgrund von Alterungsprozessen versagt haben.

Fehler bei der Drahtbondung Fehler können heimtückisch sein. Manchmal werden sie in der ersten Testphase nicht erkannt, können aber katastrophale Folgen mit massiven Produktrückrufen nach sich ziehen, insbesondere in Branchen, in denen sicherheitsrelevante Systeme betroffen sind, wie beispielsweise die Fertigungsindustrie. Automobilindustrie, Weltraumforschung und medizinische Geräte. Die Ursachen dieser Ausfälle zu verstehen, ist nicht nur eine akademische Übung, sondern eine entscheidende Disziplin, um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Produkts zu gewährleisten.

Diese Arbeit geht von den Grundlagen aus und stellt einen systematischen Ansatz zum Verstehen, Analysieren und Vorbeugen vor. typisches Versagen der Drahtbondung Modi und Mechanismen.

Intermetallische Verbindungen (IMCs)

Intermetallische Verbindungen sind kristalline Materialien, die an der Grenzfläche zweier unterschiedlicher Metalle während des Fügeprozesses entstehen und später Hitze ausgesetzt werden. Beispiele für intermetallische Verbindungen, die aus zwei unterschiedlichen Metallen wie z. B. … entstehen, sind … Au-Al und Cu-Al, Die beim Drahtbonden verwendeten Materialien haben einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit. Gold und Aluminium erhöhen die Festigkeit der mit dem Material hergestellten Drahtverbindungen. Trägermaterial. Allerdings können Temperatur und andere Parameter außerhalb des zulässigen Bereichs zur Bildung einer intermetallischen Verbindung führen, was insbesondere bei hohen Temperaturen eine Leistungsminderung zur Folge hat.

3 zentrale Versagensmechanismen von IMC

Versprödung und Bruch

Die intermetallischen Verbindungen (IMCs) AuAl₂, Au₅Al₂ und Au₄Al weisen von Natur aus Härte und Sprödigkeit auf. Sie besitzen keine Duktilität und können den durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien entstehenden Spannungen nicht standhalten. Daher bilden sich aufgrund dieser Sprödigkeit Mikrorisse im Grenzflächenbereich der IMCs. [1]

Kirkendall-Leerraum

Dies ist eine subtilere und potenziell gefährlichere Situation. Aufgrund des erheblichen Unterschieds in den Diffusionsgeschwindigkeiten der beiden Metalle (beispielsweise diffundiert Gold in Aluminium schneller als Aluminium selbst) kommt es auf der Oberfläche des schneller diffundierenden Metalls zu einer Ansammlung von Leerstellen. Diese Leerstellen entwickeln sich, wie nachfolgend beschrieben, zu Hohlräumen innerhalb der Grenzfläche.

Der durch die Verringerung der Kontaktfläche entstehende erhöhte Widerstand kann direkt zu einem offenen Stromkreis führen, ohne dass es nennenswerte andere Funktionsbeeinträchtigungen gibt, da der Pfad selbst aufgrund dieser Hohlräume einen so hohen Widerstand aufweist.[2]

Der "“Purpurpest”Wiederbesucht“

Die Bezeichnung “violette Plage” bezieht sich speziell auf die violette Farbe der Verbindung AuAl₂. Obwohl diese Farbe auffällig ist, liegt das Problem der Verbindung in ihren spröden Eigenschaften und ihrer Neigung zu Kirkendall-Poren. Sie gilt nach wie vor als klassisches Beispiel für Materialinkompatibilität.

Faktoren, die das Wachstum des integrierten Marketings beschleunigen:

Das Wachstum intermetallischer Verbindungen (IMCs) ist ein diffusionskontrollierter Prozess und hängt gemäß der Arrhenius-Gleichung hauptsächlich von Temperatur und Zeit ab. Die wichtigsten Faktoren, die den Wachstumsprozess beeinflussen, sind:

Temperatur: Dies ist der wichtigste Faktor überhaupt. Jede Temperatur, die auch nur geringfügig über der Auslegungsspezifikation liegt, kann ein exponentielles Wachstum der intermetallischen Verbindungen (IMCs) verursachen.
Zeit: Langfristige Einwirkung hoher Temperaturen, auch wenn diese moderat sind.
Aktuelle Dichte: Hohe Ströme können Elektromigration auslösen, die wesentlich zur Diffusion von Atomen und zur Bildung von Hohlräumen beiträgt.

Korrosion

Korrosion ist die allmähliche Zerstörung von Metall durch die chemische Reaktion des Metalls mit seiner Umgebung. Korrosion infolge von Drahtbondierungen kann zu Festigkeitsverlusten an der Bondgrenzfläche, erhöhtem elektrischem Widerstand und Unterbrechungen führen. Zu den Faktoren, die Korrosion beeinflussen, gehören:

Umweltbedingungen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und das Vorhandensein korrosiver Gase (H₂S, SO₂, Cl₂).
Verunreinigungen: Ionische Rückstände aus Herstellungsprozessen wie Chloride und Bromide.
Elektrische Vorspannung: Durch Anlegen einer Spannung können elektrochemische Migrations- und Korrosionsreaktionen ausgelöst werden.
Materialeigenschaften: Die inhärenten korrosionsbeständigen Eigenschaften der verwendeten Draht- und Padmaterialien.

Arten von Korrosion bei Drahtverbindungen

Das Verständnis der verschiedenen Korrosionsarten ist für Halbleiter-Verpackungsingenieure im Hinblick auf Fehleranalyse und Design for Reliability (DFR) unerlässlich.

Diese Tabelle zeigt die sechs wichtigsten Korrosionsmechanismen beim Drahtbonden mit ihren jeweiligen Ursachen und Auswirkungen:

Galvanische (elektrochemische) Korrosion:

Ursache: Dies geschieht, wenn zwei unterschiedliche Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Gold, in Gegenwart einer Elektrolytlösung, etwa Feuchtigkeit mit ionischen Verunreinigungen, miteinander in Kontakt kommen. Das Metall mit der geringeren Edelmetallqualität korrodiert.
Drahtbond-Fehlermodus: Bei einem auf eine Aluminiumplatte gebondeten Golddraht korrodiert die Aluminiumplatte und bildet eine nichtleitende Oxidschicht. Dies führt zu einem Anstieg des Widerstandswerts und schließlich zum Ausfall der Bondverbindung. Dies stellt ein erhebliches Problem bei der Verbindung von Aluminiumplatten und Golddrähten dar.

Lochfraßkorrosion:

Ursache: Ein lokaler Angriff, der durch einen teilweisen Verlust der Oxidschicht auf einer Metalloberfläche ausgelöst wird und üblicherweise durch Chloridionen verursacht wird.
Drahtbond-Fehlermodus: Kupferdrahtverbindungen versagen aufgrund der Möglichkeit, dass eine einzige Art von Chloridverunreinigung eine Vertiefung auf dem Draht erzeugt, wodurch eine Spannungsspitze entsteht, von der aus ein Riss entstehen kann, der schließlich bei Temperaturwechseln zu einem Drahtbruch führt.

Spaltkorrosion:

Ursache: Eine Art lokalisierter Angriff in einem abgeschirmten und stagnierenden Bereich, beispielsweise unter einem Verunreinigungspartikel oder in dem schlecht haftenden Bereich zwischen Draht und Formmasse.
Drahtbond-Fehlermodus: Das Eindringen von Feuchtigkeit in diese Mikrospalten führt zu einem sauren und korrosiven Milieu. Die entstehende Säure verursacht Korrosion an der Drahtbond-Grenzfläche; dadurch kann es zu Ausfällen aufgrund einer schwachen Drahtverbindung kommen, die bei der Inspektion nicht sichtbar ist.

Interkristalline Korrosion (IGC):

Ursache: Bevorzugte Korrosion entlang von Korngrenzen in einem Metall, oft aufgrund von Reaktivität, die durch die Abscheidung von Verunreinigungen hervorgerufen wird.
Drahtbond-Fehlermodus: Dies ist eine mögliche Folge bei Aluminium-Bondpads, wenn die Metallisierungstechnik nicht vollständig optimiert ist. Das Bondpad selbst kann durch interkristalline Korrosion (IKK) beschädigt werden, was zu Bondablösungen führen kann. Landebahnkrater.

Spannungsrisskorrosion (SCC):

Ursache: Die Wirkung von Zugkräften in Verbindung mit einer korrosiven Umgebung führt zur Ausbreitung von Sprödbrüchen in einem Material.
Drahtbond-Fehlermodus: Spannungsrisskorrosion (SCC) kann, wenn auch selten, bei vorgespannten Drahtverbindungen auftreten, insbesondere in Gehäusen mit hohen Eigenspannungen aufgrund des Verkapselungsmaterials und -prozesses. In korrosiver Umgebung kann ein Draht plötzlich und spröde brechen, wobei ihm lediglich eine geringfügige Dehnung vorausgeht.

Gleichmäßige Korrosion:

Ursache: Ein allgemeiner chemischer Angriff, wie zum Beispiel Oxidation, der sich gleichmäßig über die gesamte Oberfläche eines Metalls verteilt.
Drahtbond-Fehlermodus: Dies zeigt sich bei Aluminiumdrähten in Form eines allmählichen Wachstums von Aluminiumoxid, was zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands der Drähte führt. Bei Kupferdrähten äußert sich dies in Form einer Kupferoxidschicht, die ebenfalls die Leitfähigkeit und die Klebefähigkeit beeinträchtigen kann.

Materialarten & Ihre Korrosionseigenschaften in Drahtverbindungen

Die Korrosion von Drahtverbindungen wird durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Temperatur und das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Schwefel und Chlor verursacht.

Bei Metallen kann das Verhalten in einer korrosiven Umgebung unterschiedlich sein; daher ist die Wahl des Metalls gegenüber einem anderen ein wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss.

Gold (Au)Dies kann mit anderen Aluminiummetallen kombiniert werden, die möglicherweise instabil sind. Der Grund dafür ist, dass diese Metalle die Verbindungsfläche bei Kontakt mit Feuchtigkeit mit der Zeit korrodieren.
Aluminium (Al): Dieses Material ist anfällig für galvanische Korrosion in Gegenwart von Feuchtigkeit und anderen Metallen. Die Oxidschichten können die Haftfestigkeit der Aluminium-Metall-Verbindung verringern. Die Oxidschichten auf der Oberfläche beeinträchtigen die elektrischen Eigenschaften während des Verbindungsprozesses.
Kupfer (Cu)Kupfer besitzt oxidische Eigenschaften und neigt unter extremen Bedingungen mit Feuchtigkeit und Schwefel in der Atmosphäre zur Sulfidbildung. Selbst wenn sich Kupferoxid bildet, können Sulfide, insbesondere bei Feuchtigkeit, weitere Ursachen für Haftungsversagen sein. Das Kupferoxid beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Haftfläche selbst.
Silber (Ag): Aufgrund der Bildung von Schwefelverbindungen neigt das Material zum Anlaufen, wodurch sich eine Silbersulfidschicht bildet und der Widerstand der Verbindung ansteigt. Da das Anlaufen bei hohen Schwefelkonzentrationen schnell erfolgen kann, müssen in den Prüfumgebungen entsprechende Einschränkungen festgelegt werden.

Material	Wichtigste Vorteile	Hauptherausforderungen	Zuverlässigkeitsfaktoren
Aluminium	Kostengünstige, einfache Verbindung	Intermetallische Verbindungen mit Au, mäßige Korrosion	Leichte Korrosion, Materialermüdung
Gold	Duktil und korrosionsbeständig	Teure intermetallische Verbindungen mit Al	Ausgezeichnete Dauerfestigkeit, geringe Korrosion
Kupfer	Hohe Leitfähigkeit, niedrige Kosten	Korrosionsanfällig, schwierige Haftung	Hohes Korrosionsrisiko, Härtung
Silber	Gute Leitfähigkeit, vielversprechende Zuverlässigkeit	Begrenzte Daten, trüben	Mäßige Korrosion, weniger nachgewiesene Ermüdung

Mechanische und thermische Ermüdung

Ermüdungsbrüche entstehen durch zyklische Spannungen, die weit unterhalb der Zugfestigkeit des Materials liegen, aber dennoch Risse im Material auslösen und ausbreiten.

Fersenriss

Dies ist ein klassisches Beispiel für einen Ermüdungsbruch. Der Fersenbereich einer Drahtbondierung, also die Stelle, an der der Draht auf die Kugel oder den Keil trifft, ist ein natürlicher Spannungskonzentrator.

Ursache: Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumchip, Bonddraht und Substrat kommt es aufgrund von Temperaturzyklen zu Relativbewegungen. Diese periodischen Bewegungen führen zu zyklischen Biegespannungen am Drahtfuß, was letztendlich zur Bildung von Mikrorissen und einem typischen Versagensmodus in diesem Bereich führt.

Genickbruch (Kugelbindungen):

Ähnlich wie bei Fersenrissen ist eine weitere Stelle mit einer Tendenz zur zyklischen Ermüdung der Bereich, in dem der Draht die Kugelverbindung verlässt, oft als ‘Hals’ bezeichnet.

Kraterbildung:

Dies ist ein schwerwiegender Fehler, da Bondpad und Silizium dadurch beeinträchtigt werden. Ursache hierfür ist die übermäßige Ultraschallenergie bzw. Bondkraft, die dazu führen kann, dass beim Bondprozess Siliziummaterial vom Substrat abgetragen wird. Der Fehler kann sofort oder auch verzögert auftreten.

Fehleranalyse beim Drahtbonden

Für eine systematische Fehleranalyse ist ein strukturiertes Vorgehen erforderlich. Das folgende Flussdiagramm beschreibt die Vorgehensweise:

Zerstörungsfreie Analyse (NDA):

Elektrische Prüfung: Es hilft dabei, die Art des Fehlers (offen, hochohmig, Kurzschluss) zu bestimmen und das defekte Netz/die defekte Verbindung zu isolieren.
Röntgenstrahlen Bildgebung: Interne Defekte wie Drahtverwicklungen, Drahtbrüche, Kurzschlüsse und Kugel-/Keilunregelmäßigkeiten können erkannt werden, ohne die Verpackung zu öffnen.
C-Mode-Rasterakustikmikroskopie (C-SAM): Hierbei wird eine Ultraschallprüfung durchgeführt, um nach Grenzflächenablösungen, Anzeichen von inneren Rissen und Hohlräumen innerhalb des Gehäuses zu suchen, insbesondere an Grenzflächen zwischen Vergussmasse und Chip oder Leadframe.

Zerstörende physikalische Analyse (DPA):

Entkapselung: Ein Verfahren zur Entfernung der Formmasse mittels Chemikalien/Plasma, um die Chip- und Drahtverbindungen sichtbar zu machen.
Optische Mikroskopie: Erste Sichtprüfung Ziel ist es, die Fehlerstelle zu lokalisieren und ihre Merkmale zu bestimmen, wie z. B. Verfärbungen, abgelöste Verbindungen und Drahtbrüche.
Rasterelektronenmikroskopie (REM): Es liefert detaillierte und hochauflösende Bilder der Bruchstelle, was ein wichtiges Kriterium für die Untersuchung des Versagens duktiler versus spröder Werkstoffe sowie mikroskopischer Hohlraumverläufe darstellt. [3]
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS): Gleichzeitig mit SEM zur Elementzusammensetzungsanalyse in einem ausgewählten Bereich eingesetzt. Es ist ein wichtiges Werkzeug zum Nachweis des Vorhandenseins intermetallischer Komponenten (Au-Al-Verhältnis), Korrosionsprodukte (Sauerstoff mit Aluminium, Schwefel mit Silber) und ionischer Verunreinigungen (Chlor und Kalium).

Minderungstechniken für Korrosion beim Drahtbonden

Es gibt verschiedene Methoden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Drahtbondverbindungen:

Materialauswahl und -abstimmung:

Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit sollten andere Drahtbondierungsverfahren als Au-Al verwendet werden., Hochtemperaturanwendungen. Dies kann beispielsweise die Verbindung von Aluminium mit Aluminium und die Verwendung von palladiumbeschichtetem Kupferdraht anstelle von blankem Kupferdraht umfassen, da dieser einen besseren Schutz vor Aluminiumoxidation und Korrosion bietet.
Verwenden Sie Formmassen mit geringer ionischer Belastung und niedriger Feuchtigkeitsaufnahme.

Prozessoptimierung:

Es soll ein optimales Prozessfenster hinsichtlich Bindungskräften, Energie, Dauer und Temperatur geschaffen werden, damit eine starke Bindung ohne Beschädigung des Wafers und mit minimalem anfänglichem Wachstum intermetallischer Verbindungen hergestellt werden kann.
Gewährleisten Sie eine strenge Kontrolle der Produktionsumgebung hinsichtlich ionischer Kontamination und Feuchtigkeitseinwirkung.

Schutzbarrieren:

Verwenden Sie Schutzschichten auf den Bondpads, zum Beispiel, Chemisch Nickel/Chemisch gebundenes Palladium/Immersion Gold, das eine ebene, korrosionsbeständige und haftfähige Oberfläche bietet.
Gewährleisten Sie einen zuverlässigen Verkapselungsprozess mit einer hermetischen oder nahezu hermetischen Abdichtung gegen Feuchtigkeit und Verunreinigungen.

Design für Zuverlässigkeit (DfR):

Optimieren Sie die Drahtschlaufenformen, um die Belastung der Fersenverbindung zu reduzieren.
Es muss die Konstruktionsregeln des Bondpads erfüllen, um eine stabile Basis für die Verklebung zu gewährleisten.

Fazit

Die Versagensarten beim Drahtbonden, nämlich intermetallisches Wachstum, Korrosion und Ermüdungsbruch, treten häufig gleichzeitig auf. Ein Versagen mit geringem Wachstum der intermetallischen Verbindung kann sich durch Korrosion weiterentwickeln und schließlich zu einem Ermüdungsbruch führen.

In der heutigen, wettbewerbsintensiven Halbleiterindustrie ist der Übergang von einer reaktiven Fehleranalyse zu einem proaktiven Ansatz namens ‘Zuverlässigkeit durch Design’ von größter Bedeutung.

Das Verständnis von Ausfallmechanismen unterstützt die Konstruktionsentscheidungen hinsichtlich Materialien und Drahtbondierung weit vor dem Einsatz. Grundlegende Informationen zu Drahtbondtypen, Materialien und zugehörigen Prozessen finden Sie im Basisartikel:

Drahtbonden: Der ultimative Leitfaden zu Verfahren, Materialien und Designoptionen

Häufig gestellte Fragen zu Drahtbondfehlern

Warum korrodieren Kupferdrahtverbindungen so leicht?

Kupfer reagiert leicht mit Sauerstoff und Schwefelverbindungen und korrodiert daher leicht. Kupferbindungen sind besonders korrosionsanfällig, vor allem bei Kontakt mit Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Schmutz. Bei der Zugabe ungleicher Metalle kann es zu galvanischer Korrosion kommen.

Welches ist das beste Drahtbondmaterial für Hochfrequenz- oder Hochleistungsanwendungen?

Gold und Kupfer sind aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit gängige Bondmaterialien für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Silber findet aufgrund seiner Anlaufneigung nur begrenzt Verwendung als Bondmaterial für Hochfrequenz- oder Hochleistungsanwendungen. Letztendlich müssen die Materialien jedoch anhand von Kosten, Leitfähigkeit und Stabilität unter Umgebungsbedingungen ausgewählt werden.

In welchem Zusammenhang stehen Drahtbondfehler mit den aktuellen Problemen der Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen?

Fehler bei Drahtbondverbindungen stellen ein Risiko dar, insbesondere im Falle von Korrosion und Materialermüdung in Batteriemanagementsystemen. Dies kann Kurzschlüsse oder Überhitzung in Elektrofahrzeugen begünstigen und zu Reichweitenangst und Sicherheitsproblemen beitragen, die durch den Übergang zu erneuerbaren Verkehrsmitteln weltweit noch verschärft wurden.

Was verändert sich bei der Drahtbond-Performance unter thermischer Belastung?

Durch das Erhitzen und Abkühlen der Materialien kommt es zu deren Ausdehnung und Zusammenziehen, wodurch mechanische Spannungen an der Klebefläche entstehen. Infolge der Temperaturwechsel können Ermüdungsrisse, Bruchstellen an der Klebefläche oder Ablösungen auftreten, was die mechanische Integrität der Verbindung beeinträchtigt.

Referenzen:

[1] Harman, G. (2010). Drahtbonden in der Mikroelektronik (3. Aufl.). McGraw-Hill Professional.

[2] Su, B., Qu, J. & Pecht, M. (2019). Kupferdrahtbonden. Springer.

[3] Lai, Z. & Mei, Y. (2018). Fortschrittliche Drahtbond-Verbindungstechnologie. Springer.

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