Intelligente Herstellung zuverlässiger Kupferbondverbindungen

Leistungshalbleitermodule werden in vielfältigen Anwendungsfeldern wie in der Fahrzeugtechnik oder in Energie- und Produktionsanlagen massenhaft eingesetzt. Mit ihrer Hilfe können große elektrische Ströme und Spannungen sicher und effizient geschaltet und gesteuert werden. Die herkömmliche und weit verbreitete Aufbau- und Verbindungstechnologie für aktuelle Leistungshalbleitermodule sieht sich jedoch besonders in den neuen Wachstumsmärkten der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität enormen Herausforderungen ausgesetzt.

Das seit Jahrzehnten etablierte Verfahren zur Kontaktierung der Leistungshalbleiter ist das Ultraschall-Drahtbonden mit Drähten aus Aluminium. Diese Verbindungen werden von einer Bondmaschine in einem Ultraschall-Reibschweißverfahren aufgebracht. Für anspruchsvolle Anwendungen wie die neuen Chiptechnologien auf Basis von SiC oder GaN mit hoher Leistungsdichte reicht Aluminiumdraht nicht aus, stattdessen wird Kupfer verwendet. Die Verarbeitung von Kupferdraht ist herausfordernder und erfordert neue Verfahren und Methoden.

Als Grundlage für die in den nachfolgenden Kapiteln beschriebenen Modelle und Methoden werden in diesem Kapitel zunächst der Ablauf eines Ultraschall-Drahtbondprozesses sowie die dafür notwendige Ultraschallerweichung („Ultrasonic Softening“) beschrieben. Anschließend werden Modelle für den piezoelektrischen Wandler vorgestellt, der zur Erzeugung der Ultraschallschwingung genutzt wird, und es wird eine Einführung in die Mehrzieloptimierung und Verhaltensanpassung inkl. einiger relevanter Vorarbeiten gegeben.

Um eine modellbasierte Mehrzieloptimierung des Bondprozesses durchführen zu können, ist ein vollständiges Modell des abzubildenden Systems Voraussetzung, in diesem Fall also ein Modell des gesamten Ultraschall-Drahtbondprozesses. Das in diesem Kapitel vorgestellte Gesamtmodell ist aus Teilmodellen modular aufgebaut, die auch separat genutzt und validiert werden. Dabei werden die drei wichtigsten Aspekte beim Ultraschall-Drahtbonden aufgegriffen: Die Bestimmung der Kontaktdrücke zwischen Draht und Substrat, die Prozessdynamik und die Berechnung der Reibung und Anbindung.

Die am häufigsten genutzten Verfahren zur Prüfung einer Drahtbondverbindung sind sog. Pull- und Schertests. Beide Verfahren können sowohl zerstörend als auch nicht-zerstörend ausgeführt werden. Beim Pulltest wird mittels eines Hakens am Scheitelpunkt der Drahtbrücke (des Loops) gezogen, bis die Drahtverbindung zerstört oder eine vorgegebene Kraft erreicht ist. Beim Schertest wird mithilfe eines Schermeißels eine Kraft seitlich auf den Bondfuß aufgebracht, bis die Verbindung Draht/Substrat versagt oder eine vorgegebene Kraft erreicht ist.

Durch die Analyse der beim Schertest entstehenden Scherflächen von Bonds mit unterschiedlich langer Ultraschalleinwirkung wird die Verbindungsbildung sowohl örtlich in der Verbindungszone als auch zeitlich beobachtbar. Die Ergebnisse passen gut zur mittels des Prozessmodells simulierten Verbindungsbildung.

Der Drahtbondprozess reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Prozessparameter, der Umgebungsbedingungen und der Kontaktpartner. Während Prozessparameter bekannt und deterministisch sind, sind Umgebungsbedingungen nur schwierig zu bestimmen und Eigenschaftsschwankungen der Kontaktpartner sogar völlig unbekannt. Alle Veränderungen wirken sich auf die Qualität der fertigen Verbindung aus. Derartige Schwankungen sind in der Fertigung von Leistungshalbleitermodulen unerwünscht. Das aktuelle Vorgehen zur Sicherstellung der Qualität von Bondverbindungen für Leistungshalbleitermodule basiert auf der empirischen Bestimmung eines Parametersatzes. Dieser muss robust gegenüber deterministischen Störgrößen sein. Da der Bondprozess für Kupferdraht wesentlich sensitiver reagiert als der für Aluminiumdraht, ist die Wahl eines Parametersatzes immer ein Kompromiss.

Eine auf vorab formulierten Zielen basierte Auswahl des aktuellen Parametersatzes während des Betriebs verspricht daher große Vorteile. Dazu wird eine modellbasierte Mehrzieloptimierung genutzt, die in diesem Kapitel im Detail beschrieben wird.

Ziel des Projektes „Intelligente Herstellung zuverlässiger Kupferbondverbindungen“ (InCuB) war es, die vielversprechende Technologie des Kupferdrahtbondens nicht nur für einzelne Anwendungen, sondern für eine zuverlässige Massenfertigung in verschiedenen Anwendungsbereichen zu erschließen. Als Lösungsansatz wurde eine Verhaltensanpassung der Bondmaschine während des Prozesses angestrebt. Es sollte ein Bondautomat in die Lage versetzt werden, trotz veränderlicher deterministischer Randbedingungen, Betriebspunkte so auszuwählen, dass die vom Bediener priorisierten Ziele durchgängig erreicht werden. Diese Verhaltensanpassung wurde an einem geringfügig modifizierten Bondautomaten implementiert. Eine Beeinflussung des Prozesses durch den Bediener ist über eine Vorgabe von Zielprioritäten möglich. In Kurzzeittests wurde die Funktion dieses Verfahrens demonstriert. Ein derartiges System kann, wenn es in Serie eingesetzt wird, wesentliche Verbesserungen des Kupferbondprozesses in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht bringen.