Im ersten Bonding Lab werden wir uns auf das Bonden konzentrieren. In mehreren Videos erklären wir, wie die Drähte beim Bonden in grob unterteilt 4 Schritten verformt und verbunden werden.

1. Was ist ein Bonddraht?

Professor Hana:

Frau Bond, wissen Sie, was ein Bonddraht ist?

Frau Bond:

Ja, ich habe mich ein bisschen schlau gemacht. Der Golddraht aus Abbildung 1 ist zum Beispiel ein Bonddraht. Er verbindet die Aluminiumelektroden und die Leitelektroden des IC-Chips, der für einen Halbleiter verwendet wird. Ich habe im Fernsehen schon einmal etwas Ähnliches wie Video 1 gesehen.

Dr. Yama:

Professor Hana, finden Sie nicht, dass das die perfekte Gelegenheit wäre, Frau Bond den Ablauf des Drahtbondens etwas genauer zu erklären? Aber formulieren Sie es bitte einfach, ohne unnötig viele Fachtermine. Frau Bond ist gerade erst zu uns gekommen.

Professor Hana:

Sie haben Recht. Lassen Sie mich anfangen! Das Verbinden eines Bonddrahtes nennt man „Drahtbonden“. Diese Arbeit wird von einer Maschine verrichtet, die „Bondmaschine“ genannt wird. Mit solch einem speziellen Apparat kann man unter bestimmten Bedingungen am schnellsten bis zu 20 Drähte pro Sekunde verbinden. Auf der 2. Abbildung kann man sehen, wie die vielen anderen Werkzeuge und Teile heißen, die für das Bonden nötig sind. Beispielsweise wird eine „Kapillare” verwendet, ein zylindrisches Verbindungswerkzeug, durch welches man den Draht fädelt. Durch das Bewegen der Kapillare kann der Draht gebondet werden.

2. Ball-Bonden (erstes Bonden)

Frau Bond:

Professor Hana, auf Abbildung 3 ist die Spitze des Drahts, der unten aus der Kapillare kommt, rund, oder?

Professor Hana:

Lassen Sie uns das 2. Video in Slow Motion anschauen. Die runde Spitze ist eine Kugel, die „FAB (Free Air Ball)“ genannt wird. Durch das Zuführen von Strom schmilzt die Spitze des Drahts und härtet sich durch Oberflächenspannung in eine runde Form. Der Durchmesser des Balls muss größer sein, als der der Kapillare-Öffnung, um das Rausrutschen des Drahts zu verhindern.

Professor Hana:

Nachdem sich der Ball gebildet hat, bewegt sich die Kapillare zum Pad des IC-Chips und verbindet den Ball mit der Aluminiumelektrode, die als „Ball-Bonden” bezeichnet wird. Da man mit diesem Bonden anfängt, wird es im Allgemeinen auch als „erstes Bonden“ bezeichnet.

Frau Bond:

Mir ist aufgefallen, dass der Ball nach dem Schmelzen wieder hart wird. Wie kann er in diesem Zustand gebondet werden?

Professor Hana:

Um den Ball mit der Aluminiumelektrode zu verbinden, braucht man 3 Dinge: Den Druck, der die Kapillare auf den Ball ausübt, den Ultraschall, der von der Kapillare aus oszilliert und die Wärme, die von dem Bondboden ausgeht. In Video 4 kann man in Slow Motion sehen, wie das Ball-Bonden abläuft.

2. Loop

Frau Bond:

Professor Hana, nach dem 1. Bonden müsste das 2. Bonden kommen, oder?

Professor Hana:

Nicht so schnell, Frau Bond! Wenn Sie sich das Video 5 in Slow Motion anschauen, werden Sie sehen, dass der verbundene Draht von der Seite die Form eines Dreiecks bildet. Der Draht, der so zwischen die beiden Elektroden verbunden wird, wird als Loop (Schleife) bezeichnet. Es ist wichtig diesen Loop zwischen dem 1. und dem 2. Bonden zu formen. Die Form des Loop ist abhängig von der Bewegung der Kapillare und der Eigenschaften des Drahts. In Video 5 kann man sehen, wie der Draht nach dem 1. Bonden zum 2. Bonden gezogen wird und dabei die Form ändert, durch die Bewegung der Kapillare, während der Draht kontinuierlich herausgelassen wird.

Frau Bond:

Hat die Form des Loops eine bestimmte Bedeutung? Muss der Draht immer in eine dreieckige Form gebogen werden?

Professor Hana:

Natürlich gibt es für den Loop Gründe. Man kann den Draht so biegen, dass der Loop nicht sinkt und den IC-Chip nicht berührt oder man formt die Loops so ordentlich, dass benachbarte Loops einander nicht berühren und verhindert so einen Kurzschluss. Manchmal ist die Form dreieckig, manchmal trapezförmig. Das hängt ganz vom Gehäuse ab.

Dr. Yama:

Genau. Nach dem Drahtbonden kommt derHarzversiegelungsprozess, bei dem Harz in den gesamten IC-Chip gegossen und ausgehärtet wird, wie auf Abbildung 4. Wenn man die Drähte nicht biegt, dann werden sie von dem Harz verbogen. Deswegen ist die Form des Loops sehr wichtig. Professor Hana, vielleicht können Sie Frau Bond die Herstellung eines IC-Chips ein anderes Mal erklären.

④ Wedge-Tail-Bonden (2. Bonden)

Professor Hana:

Beim Anschließen an die Leitelektrode werden die Drähte von der Kapillare gequetscht und verbunden, ohne einen Ball zu bilden. Diese Verbindung wird „Wedge-Bond“ genannt. Weil es der zweite Bond ist, wird es allgemein als „2. Bonden“ bezeichnet. Genauso wie beim Ball-Bonden wird auch diesmal durch Gewichteinwirkung und Ultraschallwellen der Kapillare und der Wärme, die von dem Bondpad ausgeht, verbunden.

Frau Bond:

In Video 6 kann man in Slow Motion sehen, wie das 2. Bonden abläuft. Direkt nach dem 2. Bonden ist zu sehen wie die Kapillare kurz nach oben schießt, obwohl der Bonddraht und die Leitelektrode immer noch miteinander verbunden sind. Bedeutet das, dass das Bonden missglückt ist?

Professor Hana:

Sie haben gut aufgepasst! Was Sie, wie in Abbildung 5, bemerkt haben, ist das Tail-Bonden, welches gleichzeitig mit dem Wedge-Bonden abläuft. Beim Wedge-Bonden wird der Bonddraht mit der Leitelektrode verbunden. Gleichzeitig wird durch das Tail-Bonden der nächste Bondablauf vorbereitet. Mit anderen Worten die Formung eines neuen Balls wird vorbereitet.

Frau Bond:

Es wird bereits das nächste Bonden vorbereitet…? Der Bondablauf ist komplexer als gedacht.

Professor Hana:

Um durch elektrische Entladung einen Ball zu bilden, muss der Draht etwas aus der Kapillare herausragen. Der Teil, der aus der Kapillare ragt, wird Tail genannt, deswegen wird das Bonden, bei dem der Tail geformt wird, Tail-Bonden genannt.

Frau Bond:

Und wie wird der Tail geformt…?

Professor Hana:

Zuerst werden der Draht und die Leitelektrode vorübergehend durch Tail-Bonden verbunden. Als nächstes steigt nur die Kapillare so hoch, wie der Tail lang sein soll, und reißt dann das Teil, das vorübergehend verbunden war, ab. In Video 3 kann man sehen, dass die Drahtklemme oben an der Kapillare geöffnet und geschlossen wird. Das Öffnen und Schließen der Drahtklemme ermöglichen es, der Kapillare alleine zu steigen und den Draht abzureißen.

Frau Bond:

Und damit ist das Bonden abgeschlossen. Vielen Dank für die Erklärung!

Dr. Yama:

Das war sehr anschaulich, Professor Hana. Ich hoffe, Sie helfen uns auch das nächste Mal!