1. Eigenschaften der Zugprüfung und Drahttypen

Frau Bond:

Beim vorigen Bonding Lab ging es bis zum Ziehprozess.

Dr. Yama:

Ja, das stimmt. Diesmal wollen wir Fortsetzung vom vorigen Mal machen, und dabei werde ich auch die mechanischen Eigenschaften erklären, die ja meist typische physische Eigenschaften von Goldbonddrähten darstellen. Herr Aki, bitte.

Herr Aki:

Hallo, Bondy Wie in Figur 1 zu sehen ist, kommt nach dem Ziehprozess die Wärmebehandlung. Während der Wärmebehandlung wird der Draht erwärmt, um die mechanischen Eigenschaften zu regulieren.

Frau Bond:

Was ist mit mechanischen Eigenschaften eigentlich konkret gemeint?

Herr Aki:

Gemeint ist im Wesentlichen der Charakter von einem Goldbonddraht, wobei es typisch um die „Bruchlast“ und die „Dehnungsrate“ geht. Diese beiden Eigenschaften werden anhand der Zugprüfung gemessen. Es geht darum, wenn ein Draht mit einer bestimmten Länge an beiden Enden mit einer bestimmten Geschwindigkeit gezogen wird, zu erfassen, wie groß die Last war als der Draht riss und zu messen, wie viel der Draht sich durch das Ziehen gedehnt hat.

Frau Bond:

Jetzt verstehe ich. Das B.L im Produktkatalog ist also eine Abkürzung von „Breaking Load (Bruchlast)“, und El eine Abkürzung von „Elognation (Dehnung)“.

Herr Aki:

Die Bruchlast und die Dehnungsrate haben eine enge Beziehung z. B. beim Draht-Bonding oder beim Formverfahren während des IC-Herstellungsprozesses, wie in Fig. 2 gezeigt, was für einen Bonddraht eine wichtige physische Eigenschaft ist. In Fig. 3 werden Drahttyp und Bruchlast anhand eines Diagramms verglichen. Wenn pauschal von Bonddrähten gesprochen wird, sollte man davon ausgehen, dass es verschiedene Arten gibt, je nach Gestaltung der zu verwendenden Halbleiter.

Frau Bond:

Aha, den Unterschied zwischen den Drahttypen kann man also leicht verstehen, wenn man die Bruchlasten vergleicht, nicht wahr?

2. Bedingungen für die Wärmebehandlung und die Zugprüfungseigenschaften

Frau Bond:

Was für ein Verhältnis besteht eigentlich zwischen der Bruchlast und der Dehnungsrate?

Herr Aki:

Eine gute Frage. Im grungegenommen wird die Dehnungsrate durch das Ändern der Wärmebehandlungstemperatur kontrolliert, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Grundsätzlich ist es so, dass durch das Erhöhen der Wärmebehandlungstemperatur die Bruchlast (blaue Linie) sinkt, und die Dehnungsrate (rote Linie) ansteigt.

Frau Bond:

Die rote Linie in Fig. 4 stellt also den Verlauf der Dehnungsrate dar, nicht wahr?

Dr. 山

Allgemein verwendete Bonddrähte weisen, obwohl es auch Ausnahmen gibt, eine Dehnungsrate von etwa 1 bis 10 % auf, und in der „American Society of Testing and Materials (ASTM): Amerikanische Gesellschaft für Prüfung und Materialien“ findet sich eine Beschreibung für maßgebende Normen. Bei zu schwacher Wärmebehandlung gibt es eine schlechte Schleifenform beim Bonden, und bei zu starker Wärmebehandlung wird die Bruchlast zu niedrig.

Herr Aki:

Fig. 5 zeigt den Kristallaufbau am Schnitt des Bonddrahts. L1 bis L6 entsprechen der Fig. 4.

Frau Bond:

Man merkt, dass bei starker Wärmebehandlung, die Kristallpartikel sich vergrößern.

Herr Aki:

Wenn Wärmebehandlung hinzugefügt wird, wird zunächst die Verzerrungsenergie, die sich (durch Walzen oder Ziehen) im Inneren der Kristalle angesammelt hat, freigegeben, und es erscheint eine Wiederherstellung, bei der diese Energie sich verlagert oder ausstirbt. Danach nehmen die Kristalle mit weniger innerer Verzerrung die Anteile mit der hohen Verlagerungsdichte auf und wachsen an, wodurch eine Rekristallisation erscheint, bei der sie sich in Kristalle mit weniger Verzerrung entwickeln.

Frau Bond:

Je nach Erwärmungstemperatur ändern sich die „Geschmäcker“ also …?

Herr Aki:

Richtig! Tatsächlich so ähnlich wie das Kochen, aber dieses Rezept ist grade so wichtig für einen Bonddraht.

3. Das Zugprüfungsverfahren

Herr Aki:

Als Nächstes eine Erklärung über das Zugprüfungsverfahren. Die Vorrichtung als Ganzes sieht so aus, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Es wird einem Bonddraht mit einer bestimmten Länge eine Verformung (Verzerrung) mit bestimmter Geschwindigkeit auferlegt, und während dessen, die Last, die dem Lastmesser auferlegt wird, in Echtzeit gemessen.

Frau Bond:

Wie werden Bruchlast und Dehnungsrate gemessen?

Herr Aki:

Bruchlast und Dehnungsrate werden von einem „Spannung-Verzerrung Diagramm“ abgelesen, das man „S-S-Kurve“ nennt. Die Spannung bezieht sich auf die Last pro Schnittflächeneinheit, und weil die Verzerrung etwa das gleiche bedeutet wie die Dehnungsrate, wird im Gebiet der Goldbonddrähte auch ein Diagramm, in dem die y-Achse die Bruchlast, und die x-Achse die Dehnungsrate darstellt, oft S-S-Kurve genannt.

Frau Bond:

So, so! Das heißt, dass beim Bruchpunkt in Fig. 7, der Schnittpunkt mit der x-Achse die Dehnungsrate darstellt, und der Schnittpunkt mit der y-Achse die Bruchlast darstellt, nicht wahr? Dann kann man also im Video 1 den Augenblick sehen, wo der Bruch passiert …! Det is ja irre …!!

Herr Aki:

Sieh mal an. Du kannst ja schon ganz gut Dialekt sprechen.

4. Näheres zur S-S-Kurve

Herr Aki:

Aus der S-S-Kurve kann man auch anderes, außer den Eigenschaften des Bruchpunkts entnehmen.

Frau Bond:

Man sieht ja tatsächlich, dass bei der S-S-Kurve in Fig. 8 die Form der Au Wire (des Au-Drahts) und der Fe Wire (des Fe-Drahts) ganz anders ist.

Herr Aki:

Beim allgemeinen Eisen- und Stahlmaterial erscheint die Fließgrenze während der Zugprüfung. Von dieser Fließgrenze aus können der elastische Bereich und der plastische Bereich deutlich unterschieden werden.

Frau Bond:

Über Elastizität und Plastizität weiß ich ja Bescheid, weil ich das ja bei der vorigen Lektion im Bondlabour gelernt habe. Aber Gold hat doch auch Elastizität und Plastizität, oder?

Herr Aki:

Es gibt auch sehr viele Sorten von Metal, wie z. B. Gold, Kupfer und Aluminium, wo keine Fließgrenze vorhanden ist, und Elastizität und Plastizität nicht deutlich unterschieden werden können. In diesem Fall wird ein Festigkeitspunkt verwendet, der der Fließgrenze entspricht, um der Annehmlichkeit willen eine Grenze zwischen dem elastischen Bereich und dem plastischen Bereich zu schaffen. Konkret gesagt, wird, wie in Fig. 9 dargestellt, eine Anfangstangente L1 an der S-S-Kurve ermittelt, danach wird die L1 parallel zur y-Achse verschoben um die Linie L2 zu ermitteln, die durch die Dehnungsrate von 0.2 % geht. Der Schnittpunkt P1 zwischen der L2 und der S-S-Kurve wird der 0.2% Festigkeitspunkt genannt.

Frau Bond:

Warum denn 0.2 %?

Dr. Yama:

Weil die Dehnungsrate beim allgemeinen Eisen- und Stahlmaterial an der Fließgrenze etwa 0.2 % beträgt, wird die Spannung, bei der die Dehnungsrate beim Entfernen der Last 0,2 % beträgt, häufig die 0.2 % Festigkeit genannt.

Frau Bond:

Herr Aki! Mein Gehirn ist überhitzt …

5. Dann machen wir für heute mal Schluss.

Dr. Yama:

Ja … Heute machen wir Schluss; das nächste Mal geht es um den Wickelprozess.

Herr Aki:

Beim Wickelprozess wird eine bestimmte Länge von Bonddraht auf eine Spule gewickelt, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Allgemein beträgt die Wickellänge 100 m bis 10,000 m, und wird je nach Wunsch des Kunden geändert. Wickeln hört sich zwar einfach an, aber schon bei wenigen Gram Last reißt der Draht. Trotzdem muss eine gewisse Last auferlegt werden, weil sonst beim Transport der Draht locker wird und sich verwickelt. Das ist also ein sehr empfindlicher Prozess.

Frau Bond:

Tatsächlich? Vielen Dank, Herr Aki und Dr. Yama. I freue mich schon auf interessante Themen zum nächsten Mal.