Predicting the Bond Quality of Heavy Copper Wire Bonds using a Friction Model Approach

Ultraschall-Drahtbonden ist eine Standardtechnologie im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungshalbleitermodulen. Um Prozessschritte und damit wertvolle Zeit zu sparen, sollen die Kupferdickdrähte für die Leistungshalbleiter auch für die Kontaktierung von eingespritzten Anschlusssteckern im Modulrahmen verwendet werden. Das Kontaktierungsverfahren mit diesen Drähten auf Steckern in dünnwandigen Kunststoffrahmen führt häufig zu unzureichender Bondqualität. In dieser Arbeit wird das Bonden von Anschlusssteckern experimentell und anhand von Simulationen untersucht, um die Prozessstabilität zu steigern. Zunächst wurden Experimente auf Untergründen mit hoher Steifigkeit durchgeführt, um Störgrößen von Untergrundeigenschaften zu verringern. Die gewonnenen Erkenntnisse erlaubten die Entwicklung eines Simulationsmodells für die Vorhersage der Bondqualität. Dieses basiert auf einer flächenaufgelösten Reibarbeitsbestimmung im Fügebereich unter Berücksichtigung des Ultraschallerweichungseffektes und der hierdurch entstehenden hohen Drahtverformung. Experimente an den Anschlusssteckern im Modulrahmen zeigten eine verringerte Relativverschiebung zwischen Draht und Stecker, was zu einer deutlichen Verringerung der Reibarbeit führt. Außerdem wurden verminderte Schwingamplituden des Bondwerkzeugs nachgewiesen. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibarbeit. Beide Effekte wurden mithilfe eines Mehrmassenschwingers modelliert. Die gewonnenen Erkenntnisse und die erstellten Simulationsmodelle ermöglichen die Entwicklung von Klemmvorrichtungen, welche die identifizierten Störgrößen gezielt kompensieren und so ein verlässliches Bonden der Anschlussstecker im gleichen Prozessschritt ermöglichen, in dem auch die Leistungshalbleiter kontaktiert werden.