Halbleiterdrahtbindung | Kugel- vs. Keilbindung

Während der Halbleiterverpackung benötigen Chips zuverlässige elektrische Verbindungen, um Signale zu übertragen und Strom an externe Schaltungen zu leiten. Aufgrund von Unterschieden in Chipgröße, Energiebedarf und Gehäusestrukturen verwendet die Branche typischerweise andere Bindungsprozesse und entsprechende Bindungsmaterialien.

Drahtbindung ist eine der am weitesten verbreiteten Verbindungstechnologien in der Halbleiterverpackung. Sie verbindet Chippads mit Gehäuseleiterleitern, Substraten oder anderen leitfähigen Strukturen mit Halbleiter-Bindungsdrähten oder Bindbändern.

Basierend auf Verbindungsmethoden und Anwendungsbedarf verwendet die Halbleiterindustrie hauptsächlich zwei Bindungstechniken:

• Ball-Bonding
• Keilbindung

Diese beiden Prozesse entsprechen unterschiedlichen Materialsystemen:

Daher passen Kunden bei der Auswahl von Halbleiter-Bindungsmaterialien in der Regel geeignete Bindungsprozesse und Materialien entsprechend Produkttyp, Verpackungsmethode und elektrischen Leistungsanforderungen an.

Dieser Artikel stellt die Funktionsprinzipien, anwendbaren Materialien und Auswahlmethoden für Kugel- und Keilbindungen in verschiedenen Anwendungsszenarien vor. Dies hilft Kunden, die Kompatibilität zwischen Halbleiterbindungsmaterialien besser zu verstehen.

2. Kugelverbondung: Prozess, Materialien und Anwendungen

Was ist Ball-Bonding?

Ball-Bonding ist eine der am weitesten verbreiteten Bindungsmethoden in der Halbleiterverpackung. Sie verbindet hauptsächlich Chippads mit Gehäuseleitern, Substraten oder anderen leitfähigen Strukturen mithilfe feiner Metalldrähte, um die elektrische Signalübertragung zu ermöglichen.

Beim Kugelbindungsprozess wird zunächst am Ende des Verbindungsdrahts mittels elektrischem Flammenabschalten (EFO) eine Metallkugel gebildet. Die Metallkugel wird dann mittels Wärme, Druck und Ultraschallenergie mit dem Chippad verbunden. Anschließend bildet die Drahtschleifensteuerung den Verbindungsweg und schließt die zweite Bindung ab.

Grundlegende Schritte des Kugelbondings

1. Drahtschmelzen

Hohe durch elektrische Entladung erzeugte hohe Temperaturen schmelzen das Drahtende und bilden eine kugelförmige Struktur.

2. Freiluftball-Formation

Die Oberflächenspannung bewirkt, dass der geschmolzene Metalltropfen eine regelmäßige kugelförmige Form bildet, die als Free Air Ball (FAB) bekannt ist.

3. Erste Bindungsbildung

Ein Kapillarwerkzeug drückt die Metallkugel auf die Oberfläche des Chippads. Hitze, Druck und Ultraschallvibrationen schaffen eine stabile Verbindung.

4. Drahtschleifenbildung

Das Bindwerkzeug bewegt und steuert die Drahtform, um eine Schleifenhöhe und einen Verlauf zu bilden, die den Anforderungen des Gehäusedesigns entsprechen.

5. Zweite Anleihungsbildung

Am anderen Ende des Drahtes wird eine zweite Bindung gebildet, die den Chip mit dem Leadframe, dem Substrat oder anderen externen Verbindungsbereichen verbindet.

Ball-Bonding wird hauptsächlich bei Halbleiterprodukten angewendet, die feine Drahtverbindungen, kleine Pad-Pitchings und hochdichte Verpackungen erfordern. Daher wird es weit verbreitet in IC-Gehäuse, Speichergeräten, LED-Gehäusungen und anderen präzisen elektronischen Komponenten verwendet.

Für das Kugelbinden verwendete Materialien

Kugelbonding verwendet typischerweise feine Metalldrähte mit guter Leitfähigkeit, Duktilität und Bindungsstabilität. Die Materialauswahl hängt hauptsächlich von der Struktur des Halbleiterbauteils, den Anforderungen an die Verpackung, den Anforderungen an die elektrische Leistung und den Kostenfaktoren ab.

Derzeit sind die am häufigsten verwendeten Materialien beim Ball-Bonding:

• Golddraht

  Aufgrund seiner hervorragenden Duktilität und ausgereiften Erfahrung in der Bindung wird Golddraht weit verbreitet im Kugelbinden verwendet. In Anwendungen von Halbleiterverpackungen, die feine Ton- und hochpräzise Verbindungen erfordern, erfüllt Golddraht die Mikroverbindungsanforderungen durch stabile Materialeigenschaften. Typische Anwendungen umfassen IC-Packaging, LED-Gehäuse und RF-Bauelemente.

• Kupferverbindungsdraht

  Mit höherer Leitfähigkeit und vorteilhafteren Materialkosten im Vergleich zu Gold ist Kupferverbindungsdraht zu einer wichtigen Wahl in modernen Halbleiterverpackungen geworden. Er eignet sich für Anwendungsszenarien, die eine verbesserte elektrische Leistung erfordern, während gleichzeitig die Verpackungskosten optimiert werden. Typische Anwendungen umfassen fortschrittliche IC-Verkleidungen und Halbleiterbauelemente.

Für Feindraht-Kugelbindungsprojekte kann Silberlegierungsdraht je nach Gehäusestruktur, Haftbedingungen und Zuverlässigkeitsanforderungen auch als Alternative zu Gold- oder Kupferdraht bewertet werden.

Keilverbondung: Prozess, Materialien und Anwendungen

Was ist Keilbindung?

Keilbindung ist eine weitere wichtige Bindungsmethode in der Halbleiterverpackung. Sie verwendet hauptsächlich ein Keilwerkzeug, um Druck auf Metalldrähte oder Bänder auszuüben, kombiniert mit Ultraschallenergie, um stabile Verbindungen zwischen dem Material und Chippads, Leadframes oder anderen leitfähigen Strukturen für die elektrische Übertragung herzustellen.

Im Gegensatz zum Kugelbinden bildet Keilbindung am Drahtende keine freie Luftkugel. Stattdessen kräuselt das Keilwerkzeug direkt die Materialoberfläche. Ultraschallvibrationen erzeugen Reibung und schaffen eine Festkörperverbindung auf der Metalloberfläche.

Keilbindung eignet sich typischerweise für Leistungshalbleiter-Gehäuse, die eine höhere Stromtragfähigkeit, größere Verbindungsflächen und langfristige Zuverlässigkeit erfordern. Daher wird sie weit verbreitet in IGBT-Modulen, MOSFET-Stromgeräten, New-Energy-Fahrzeug-Leistungsmodulen, Leistungsumwandlungssystemen und industrieller Leistungselektronik eingesetzt.

Im Vergleich zum Ball-Bonding, das hauptsächlich für Feinpitch-IC-Verpackungen verwendet wird, konzentriert sich Keilbonding stärker auf Verbindungsstärke, Stromübertragungsfähigkeit und Zuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen von Leistungsgeräten.

Grundlegende Schritte des Keilbondings

1. Materialpositionierung

Der Bonding-Draht oder das Bandband wird an der angegebenen Position auf dem Chippad oder dem Verbindungsterminal platziert.

2. Ultraschallenergieanwendung

Das Keilwerkzeug übt Druck aus und erzeugt hochfrequente Ultraschallvibrationen. Dadurch wird die Oxidschicht an der Kontaktgrenzfläche zwischen Material und Pad durchbricht und so eine metallische Verbindung entsteht.

3. Erste Bindungsbildung

Druck und Ultraschallwirkung schaffen eine stabile Verbindung zwischen dem Chippad und dem verbindenden Material.

4. Draht-/Bandschleifenbildung

Der Verbindungspfad des Verbindungsdrahts oder des Bandbands wird entsprechend den Anforderungen der Gehäusestruktur gesteuert.

5. Zweite Anleihungsbildung

Das andere Ende ist verbunden und bildet einen vollständigen elektrischen Weg zwischen dem Chip und den externen Anschlüssen oder Schaltungsstrukturen.

Verwendete Materialien für Keilbindung

Keilbindung verwendet typischerweise Metalldrähte oder -bänder mit guter Leitfähigkeit, mechanischen Eigenschaften und Eignung für Ultraschallverbindungseigenschaften.

Da Anwendungen bei Leistungshalbleitern oft große Ströme führen und langfristigen thermischen Zyklen ausgesetzt sind, sind Aluminium-Bindungsdraht und Aluminiumband die häufigsten Materialwahlen für Keilbindungen geworden.

Derzeit werden bei Keilbindungen häufig verwendet:

• Aluminiumverbindungsdraht

  Aluminium-Bindungsdraht bietet gute Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften und eine große Bandbreite an Drahtdurchmessern. Er wird häufig in Leistungshalbleiter-Keilverbindungen eingesetzt. Im Vergleich zu feinen Metalldrähten, die in Präzisions-IC-Verpackungen verwendet werden, eignet sich Aluminiumdraht besser für Leistungsgeräte mit höherer Stromkapazität. Typische Anwendungen umfassen IGBT-Module, Leistungshalbleiterbauelemente und Automobilelektronikmodule.

• Aluminium-Bindband

  Aluminium-Bonding-Band verfügt über einen rechteckigen Querschnitt. Im Vergleich zu runden Bonding-Kabeln bietet es eine größere Verbindungsfläche und eignet sich somit für Hochstrom-Leistungselektronik-Gehäuse. Seine stabile elektrische Verbindungsfähigkeit macht es weit verbreitet im Bereich neuer Energie- und Hochleistungsmodule. Typische Anwendungen umfassen Elektrofahrzeug-Leistungsmodule, Wechselrichtersysteme und neue Energie-Leistungselektronikgeräte.

Kernunterschiede zwischen Kugelbindung und Keilbindung

Sowohl Kugelbindungen als auch Keilbindungen sind gängige Bindungsverfahren in der Halbleiterverpackung. Aufgrund von Unterschieden in Verbindungsmethoden, Werkzeugstrukturen und anwendbaren Materialien werden sie jedoch hauptsächlich auf verschiedene Arten von Halbleiterprodukten angewendet.

Kugel-Bonding wird typischerweise für Anwendungen verwendet, die Hochdichte-Verbindungen und Feinton-Verpackungen erfordern. Gängige Materialien sind Gold- und Kupferbindungsdrähte, die hauptsächlich in Präzisions-Halbleiterverpackungen wie ICs und Speichergeräten verwendet werden.

Keilbindung eignet sich besser für Anwendungen in der Leistungselektronik, die eine höhere Stromtragfähigkeit und größere Verbindungsflächen erfordern. Sie verwendet häufig Aluminium-Bindungsdraht oder Aluminiumband und wird häufig bei IGBTs, Leistungsmodulen und neuen Energieelektronikgeräten eingesetzt.

Wie man die richtige Bindungsmethode basierend auf der Anwendung auswählt

Bei der Halbleiterverpackung hängt die Wahl der Bindungsmethode hauptsächlich vom Chiptyp, der Gehäusestruktur und den elektrischen Leistungsanforderungen ab. Verschiedene Anwendungen entsprechen unterschiedlichen Bindungsprozessen und Materialsystemen.

Die folgende Tabelle hilft Kunden, die passende Beziehung zwischen gängigen Anwendungen und Klebematerialien schnell zu verstehen.

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen Kugel-Bonding und Keil-Bonding?

Die Hauptunterschiede zwischen Ball-Bonding und Keilbindung liegen in der Verbindungsmethode, den verwendeten Werkzeugen und den anwendbaren Materialien.

Das Kugelbonding vervollständigt die Verbindung durch die Bildung einer Metallkugel. Es verwendet typischerweise Gold- oder Kupferverbindungsdrähte und wird hauptsächlich für hochdichte Halbleitergehäuse wie ICs und Speicherbauelemente verwendet.

Keilbindung bildet die Verbindung mit einem keilförmigen Werkzeug und Ultraschallenergie. Sie verwendet typischerweise Aluminiumverbindungsdraht oder Aluminiumband und wird hauptsächlich im Bereich von Leistungshalbleitern und Hochstromverpackungen eingesetzt.

Welche Bindungsmethode wird für Leistungshalbleiterbauelemente verwendet?

Leistungshalbleiterbauelemente verwenden typischerweise Keilbindung.

Da Stromgeräte hohe Ströme führen und in langfristigen thermischen Zyklen arbeiten müssen, werden Aluminium-Bonding-Draht und Aluminium-Bonding-Band-Verbindungen häufig für Keilverbindungen verwendet.

Typische Anwendungen sind:

IGBT-Module

Leistungsmodule

Elektrofahrzeug-Elektroniksysteme

Ist Aluminium-Bondingdraht für das Ball-Bonding geeignet?

Unter normalen Umständen wird Aluminium-Bonding-Draht hauptsächlich für Keil-Bonding-Anwendungen verwendet, nicht für Kugel-Bonding.

Dies liegt daran, dass Aluminiumdraht typischerweise in Leistungshalbleitergehäufungen verwendet wird, die größere Drahtdurchmesser und eine hohe Stromtragfähigkeit erfordern, während Kugelbindung hauptsächlich für feinste, hochdichte IC-Verpackungen verwendet wird, oft mit Gold- oder Kupferdrähten.

Welche Faktoren sollten bei der Auswahl von Klebematerialien berücksichtigt werden?

Bei der Auswahl von Halbleiterbindungsmaterialien – insbesondere beim Vergleich von Gold-, Silber-, Kupfer- und Aluminiumverbindungsdrähten – müssen Sie umfassend berücksichtigen:

• Anwendungstyp
• Bindungsmethode
• Drahtdurchmesser / Bandabmessungen
• Mechanische Eigenschaften
• Elektrische Anforderungen

Verschiedene Gehäusestrukturen und Anwendungsumgebungen stellen unterschiedliche Anforderungen an Klebematerialien, die entsprechend den spezifischen Anforderungen abgestimmt werden müssen.

Auswahl des richtigen Bindungsmaterials für die Halbleiterverpackung

Bei der Halbleiterverpackung muss das passende Bindungsmaterial basierend auf Anwendungsanforderungen, Gehäusestruktur und Bindungsprozess ausgewählt werden.

• Kugelbindung wird hauptsächlich für feintonige, hochdichte Halbleiterverpackungen verwendet, wobei üblicherweise Gold- und Kupferverbindungsdraht verwendet werden.
• Keilbindung wird im Bereich der Leistungshalbleiter weit verbreitet eingesetzt, wobei typischerweise Aluminium-Bindungsdraht und Aluminium-Bindband verwendet werden.

Die Auswahl der Klebematerialien erfordert eine umfassende Einschätzung, die Verpackungsform, aktuelle Anforderungen, Größenanforderungen und Anwendungsumgebung kombiniert.

Durch das Verständnis der passenden Beziehung zwischen verschiedenen Bindungsmethoden und Materialien können Kunden effektiver Lösungen für Bindstofflösungen auswählen, die ihren Halbleiteranforderungen entsprechen.