Atmosphärendruckplasma zur Prozessverbesserung Drahtbonden
Atmosphärendruckplasma wird beim Drahtbonden als selektive Feinreinigung eingesetzt, um die Kontaktflächen von Verunreinigungen und Rückständen zu befreien. Denn grundsätzlich gilt, dass starke Verbindungen zwischen Draht und Trägermaterial nur auf sauberen Anschlussflächen (Bondpads) entstehen können. Somit hat die Plasmabehandlung einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und folglich die Zuverlässigkeit des gesamten Bauteils. Zusammen mit TPT Wire Bonder aus Karlsfeld und dem gemeinsamen Partner Axend Pte Ltd. hat relyon plasma die Einflüsse von kaltem Atmosphärendruckplasma auf das Drahtbonden mit Golddraht untersucht.
Regensburg / Karlsfeld. Idealerweise erfolgt das Drahtbonden auf sauberen Metalloberflächen (Bondpads) des Halbleiterbauteils bzw. des Trägermaterials. In der Praxis treten allerdings häufig Kontaminationen der Fläche auf, was dazu führen kann, dass keine Haftung auf dem Pad („Non-Stick on Pad“ oder kurz: NSOP) oder sogenannte „Lifts“ (Anhebungen der Bonds) entstehen. Beide Fälle führen in der Produktion zu Ausfällen, Stillstandszeiten und Qualitätsmängeln. Daher wird Atmosphärendruckplasma bei diesem Prozess als selektive Feinreinigung vor dem Drahtbonden eingesetzt, wodurch sowohl NSOPs als auch Lifts vermieden werden können und die Qualität gesteigert wird.
Untersuchung der Ballscherfestigkeit vor und nach der Plasmabehandlung
Eine Testleiterplatte mit einer ENEPIG Oberfläche („Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold“) wird halbseitig mit dem Atmosphärendruckplasma Hochleistungssystem plasmabrush® PB3 bei einem Abstand von 20 mm 0,5 Sekunden mit einem Druckluftplasma beaufschlagt. Anschließend werden für den Versuch 60 Bondverbindungen (je 30 Balls und Wedges) auf die unbehandelte sowie auf die plasmabehandelte Testleiterplatte mit dem TPT HB16 Wedge & Ball Bonder aufgebracht. Durch die vorherige Plasmabehandlung soll so eine stärkere Verbindung zwischen den Bondpads und den Kontaktpunkten des Drahts entstehen.
Im optischen Vergleich sehen die Ball-Bonds auf den unbehandelten und den plasmabehandelten ENEPIG Flächen fest aus und es gibt keine Probleme mit dem Bond-Stick beim Drahtbonden. Um den qualitativen Unterschied zwischen den plasmavorbehandelten und den unbehandelten Ball-Bonds zu messen, wird ein Schertest mit dem XYZTEC Condor Sigma Bond Tester durchgeführt, der einen deutlichen Qualitätsunterschied zwischen den beiden Testreihen aufzeigt. Bei den 30 Proben ohne Plasmavorbehandlung wird eine mittlere Scherfestigkeit von 60.89 gf gemessen, bevor sich die Ballverbindung vollständig von der ENEPIG-Oberfläche ablöst. Auf dem Bondpad verbleibt lediglich ein kaum sichtbarer Abdruck des abgescherten Drahtkontaktes, ein typisches Merkmal für das Versagen des intermetallischen Kontaktes zwischen Golddraht und ENEPIG Oberfläche.
Bei den Bonds auf den plasmavorbehandelten Flächen hingegen kommt es bei den Schertests bei einer mittleren Scherfestigkeit von 68.34 gf zu einem gänzlich anderen Verhalten: Das Bruchbild zeigt eine abgescherte Ballbindung, wobei Drahtmaterial auf der Oberfläche zurückbleibt. Die Scherfestigkeit der Bonds auf der plasmavorbehandelten Oberfläche ist somit nur durch die Scherfestigkeit des Drahtes selbst begrenzt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Plasmavorbehandlung die intermetallische Verbindung zwischen ENEPIG Oberfläche und Golddraht so deutlich verbessert werden kann, dass sie signifikant stärker ist als die Festigkeit des Golddrahtmaterials.
Drahtzugtest bei Wedge-Bonds vor und nach der Plasmabehandlung
Bei den Wedge-Bonds wird ebenfalls mit dem XYZTEC Condor Sigma Bond Tester ein Zugtest durchgeführt. Bei den Wedges, die ohne vorherige Plasmabehandlung aufgebracht wurden, treten inkonsistente Zugtest-Ergebnisse auf, was beweist, dass die Verbindung nicht optimal ist, obwohl sie optisch unkritisch aussieht. Alles in allem treten bei der Mehrzahl der Wedges, die ohne vorherige Plasmabehandlung aufgebracht wurden, sogenannte Lifts auf, die auf eine schwache intermetallische Wedge-Bindung hinweisen.
Bei den Wedges, die auf die plasmavorbehandelte Oberfläche aufgebracht wurden, tritt kein Versagen im Wedge-Bereich auf. Alle Bruchbilder, die nun auftreten sind entweder im Draht selbst oder direkt vor dem Verbindungspunkt („span“ bzw. „neck break“), was darauf hinweist, dass die Bonds sowohl auf dem Ball als auch auf dem Wedge stark sind und somit der Draht nur im Bereich zwischen den beiden Bonds bricht.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine Oberflächenbehandlung mit Atmosphärendruck-plasma zu signifikanten Verbesserungen sowohl beim Ball- als auch beim Wedge-Bonden führt, was sowohl beim Ballscher- als auch beim Drahtzugtest eindeutig nachgewiesen werden konnte.
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