BA: Entwicklung und Optimierung eines Ball-Wedge-Wirebond-Prozesses für sehr kleine Kontaktpads

4. Dezember 2025

Fabian Schmid —

Das Kontaktieren von Halbleiter Chips ist eine essenzielle Voraussetzung für die Charakterisierung und Messung von Bauelementen. Dabei kann es notwendig sein, dass aus Platzgründen für Messplätze nur eine feste Verdrahtung in Form von Wirebonds in Frage kommt. Dafür müssen auf dem Chip entsprechende Kontaktpads mit ausreichend Platz zur Verfügung gestellt werden, damit eine stabile Verbindung ohne Kurzschlüsse realisiert werden kann. Da auf einem Chip aber aus Kostengründen möglichst viele Bauelemente untergebracht werden müssen, sollten die Kontaktpads immer so klein wie möglich sein.

Deswegen soll es Ziel diese Arbeit sein, einen Ball-Wedge-Wirebond-Prozess für kleine Pads mit einer Größe von 100 ×100 µm zu entwickeln.

Dazu wurden Versuche mit einem 17,5 µm Gold-Draht auf SiC-Chips mit Platinmetallisierung und PCBs mit ENIG beschichteten Kontaktpads durchgeführt. Dabei wurde zunächst der Flame-Off-Prozess bezüglich des Einflusses von Zeit und Stromstärke des Lichtbogens auf den Durchmesser des FABs bzw. der aufgeschmolzenen Drahtlänge untersucht. Im weiteren Verlauf wurde ein Parametersatz für den Ball-Bond für ENIG-Oberflächen entwickelt und danach der Wedge-Bond auf Platin optimiert bezüglich des Einflusses der Bondparameter Bondzeit, Ultraschallzeit und Ultraschallleistung auf die Ausbeute. Im Anschluss wurde versucht, zuerst die Wedge-Bonds und danach die Ball-Bonds auf Platin entsprechend der Norm DVS2811 anzupassen, indem die Bondkraft minimiert wurde. Für beide Bonds war es Ziel, unter den Vorgaben eine möglichst hohe Ausbeute zu erreichen. Des Weiteren wurden die Bonds elektrisch und mechanisch getestet. Zum Abschluss wurden noch pin-Dioden mit den erarbeiteten Parametern aufgebaut und bezüglich des Serienwiderstands untersucht. Außerdem wurde ein Reinigungsprozess für verstopfte Bondkapillaren entwickelt.

Bei den verstopften Bondkapillaren konnten diese mit Königswasser von Gold und bei organischen Verunreinigungen mit Karo’scher Säure ohne sichtbare Beschädigung der Bondkapillare gereinigt werden. Aus den Ergebnissen der EFO-Versuche lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Produkt von Zeit und Stromstärke und der Länge des aufgeschmolzenen Drahts ableiten. Außerdem lässt sich ab einem FAB-Durchmesser von 60 µm bzw. einer aufgeschmolzenen Drahtlänge von ca. 40 µm eine Sättigung feststellen. Für den Ball-Bond konnte die Bondkraft von zu Beginn 100 cN auf 50 cN gesenkt werden, wobei eine Ausbeute von ca. 50% sowohl auf Platin als auch auf ENIG erreicht werden. Für den Wedge-Bond konnte die Bondkraft von 100 cN auf 40 cN verringert werden, wobei eine Ausbeute von über 80% auf Platin und über 70% auf ENIG erreicht wurde. Es wurde außerdem eine starke Abhängigkeit der Ausbeute von Wedge-Bonds auf Platin bezüglich der Ausrichtung des Bondloops festgestellt. Mit den elektrischen Messungen konnte gezeigt werden, dass die Bonds ein ohmsches Verhalten zeigen und der Widerstand der Bonds so gering ist, dass der Einfluss auf den Serienwiderstand der pin-Dioden nicht messbar war. Bei den mechanischen Tests konnte mit den vorhandenen Testgeräten keine Kraft und sowohl Ball- als auch Wedge-Bond erfüllen mit den erarbeiteten Parametern noch nicht die Vorgaben der DVS2811.

Der Prozess ist somit technisch möglich, aber die Bondparameter müssen noch weiter optimiert werden. Dennoch konnte beim Aufbauen der Dioden gezeigt werden, dass ein Bondabstand von 160 µm umsetzbar ist.