Enhanced process development by simulation of ultrasonic heavy wire bonding

Das Ultraschall-Dickdrahtbonden mit Aluminiumdraht ist ein Standardverfahren zur elektrischenKontaktierung von Leistungshalbleitermodulen. Die steigenden Anforderungen an die Effizienzund Zuverlässigkeit der Module haben zu technologischen Weiterentwicklungen geführt und eswerden vermehrt Kupferdrähte mit wesentlich besseren elektrischen und thermischen Eigenschafteneingesetzt. Hieraus resultieren durch höhere Prozesskräfte und Ultraschallleistung neueHerausforderungen bei der Prozessentwicklung; hierfür wird ein Simulationsmodell zur Verbesserungder Prozessentwicklung entwickelt.In Ultraschall-Drahtbondversuchen mit 400 m Aluminium und Kupfer Drähten wurde der Einflussder Prozessparameter auf die Bondqualität untersucht; diese Ergebnisse und zusätzliche Messungender Drahtdeformation und Schwingungen wurden für die Formulierung der Anforderungenund zur Validierung der Ergebnisse des Simulationsmodells genutzt.Es wurde ein Prozessmodell, basierend auf einer Co-Simulation zwischen MATLAB und ANSYS,entwickelt; hierbei wurden die phyiskalischen Phänomene wie die Ultraschall Werkstoffentfestigung,der Verbindungsaufbau und die dynamischen Systemeigenschaften abgebildet.Basierend auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine wurde ein Prüfstand zur Identifikation der Modellparameterentwickelt. In zusätzlichen Druckversuchen mit den Bonddrähten mit und ohneUltraschallanregung wurde die Reduktion der Umformkräfte unter Ultraschalleinfluss untersucht.Mit dem entwickelten Prozessmodell wurden die Parameterstudien aus den Ultraschall-Drahtbondversuchensimuliert und direkt mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, wobei sich einerelativ gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung sowohl für Aluminium, als auchfür Kupfer, erzielen ließ.

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Ultrasonic heavy wire bonding with aluminium wire is a standard process to produce electricalcontacts in power semiconductor modules. The increasing demands on the efficiency and reliabilityof the modules have led to technological developments and copper wires with significantlybetter electrical and thermal properties are used more often nowadays. This results in new challengesin process development due to higher process forces and ultrasonic power; for this purpose,a simulation model is developed to improve process development.Ultrasonic wire bonding tests with 400 m aluminium and copper wires were carried out to investigatethe influence of the process parameters on the bond quality; these results and additionalmeasurements of wire deformation and vibrations were used to define the requirements for themodel and validate the results of the simulation.A process model based on a co-simulation was developed between MATLAB and ANSYS; thephysical phenomena such as ultrasonic softening of the wire material, bond formation and dynamicbehaviour of the components were considered.Based on a tensile-compression testing machine, a test rig was developed to identify the modelparameters. In additional compression tests with the wires with and without ultrasonic excitation,the reduction of the forming forces under ultrasonic influence was characterised.With the developed process model, the parameter studies from the ultrasonic wire bond testswere simulated and directly compared with the experimental results; a relative good agreementbetween simulation and measurement could be achieved for both aluminium and copper.