Drahtbonding vs. Bandbonding: Wahl von Verbindungen für Leistungsmodule

In der Halbleiterverpackung sind Drahtbindung und Bandbindung (auch Bonding Band genannt) die beiden Hauptmethoden, das Chippad mit dem Leadframe oder Substrat zu verbinden. Der Unterschied liegt in der Querschnittsform des Leiters – eine ist ein runder Draht, der andere ein flaches Band.

Dieser Artikel behandelt Die-to-Package-Bonding-Materialien in Form von Bonding-Draht und Bonding-Band; er behandelt keine elektrischen Erdungsbänder, photovoltaische PV-Band oder Erdungszöpfe.

Die untenstehenden Abschnitte behandeln Strom, Wärmeableitung, Zuverlässigkeit, Äquivalenzumwandlung, Kosten und Anwendungen, um Ihnen bei der Entscheidung zwischen Runddraht und flachem Band in Leistungsmodulen zu helfen.

Auf den ersten Blick: runder Draht vs. flaches Band

• Der Unterschied zwischen Draht und Band liegt in der Querschnittsform (rund vs. flach), nicht im Prozess; Band kann nur keilgebunden werden.
• Ein Band kann mehrere dicke runde Drähte parallel ersetzen und so die Anzahl der Bindungspunkte verringern.
• Hochstromige, kleine Leistungspakete bevorzugen Bandband; Fein-Pitch- und beliebige Leitungen bevorzugen runden Draht.

Was ist Drahtbindung in der Halbleiterverpackung?

Drahtbonding ist eine Verpackungsverbindungstechnologie, bei der feine Metalldraht verwendet wird, angetrieben durch Ultraschall-, Thermoschall- oder Thermokompressionsenergie, um das Chippad mit dem Leadframe oder Substrat zu verbinden.

Gängige Drahtmaterialien sind Gold, Aluminium, Kupfer und Silber, mit Durchmessern von feinen Drähten von über einem Dutzend Mikrometer bis zu schweren Drähten von mehreren hundert Mikrometern.

Bis heute ist sie die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Die-Level-Interconnect-Methode – Industriequellen vertreten allgemein die Ansicht, dass die meisten Die-to-Package-Verbindungen weltweit weiterhin durch Wire Bonding hergestellt werden. Selbst gegen Alternativen wie Flip Chip bleibt sie das Arbeitstier für Geräte mit niedriger bis mittlerer Pinzahl, Stromversorgung und diskreten Gerätepaketen.

Doch der beim Drahtbinden verwendete Leiter ist nicht auf einen runden Querschnitt beschränkt. Flacht man den runden Draht zu einem rechteckigen, erhält man Bandbindung – immer noch Ultraschallverbindung, nur mit einer anderen Leiterform.

Genau dieser Unterschied in der Form treibt die daraus resultierenden Leistungs- und Prozesskompromisse an.

Runder Draht vs. flaches Band – was ist der eigentliche Unterschied?

Das häufigste Missverständnis ist, das Bandbonding als separaten "Prozess" zu betrachten. Tatsächlich liegt der Unterschied zum Runddrahtbonding in der Materialform, nicht im Prozess.

Runder Draht hat einen kreisförmigen Querschnitt, der durch den Durchmesser beschrieben wird und sich über einen weiten Bereich von feinem bis zu schwerem Draht erstreckt. Flaches Band hat einen rechteckigen Querschnitt, der durch zwei Dimensionen, Breite × Dicke beschrieben wird – zum Beispiel 1,0 mm × 0,1 mm.

Beide sind Ultraschallverbindungsmaterialien; Band ist kein brandneues Verfahren, sondern nur eine Reihe neuer Eigenschaften, die durch das "Abflachen des Drahts" entstehen.

Der entscheidende Punkt: Sobald sich die Querschnittsform ändert, ändern sich der verwendete Verbindungsprozess, der Strom, den er transportieren kann, und die passenden Pakete mit ihm.

Runder Draht hat einen einstellbaren Parameter (Durchmesser), während Band zwei hat (Breite und Dicke), was mehr Flexibilität für das Design bietet – ein Punkt, der später bei der Äquivalenzumrechnung sehr deutlich wird.

Eine kurze Anmerkung zur Benennung: Band erscheint in der Literatur auch als Bonding Band oder Banddraht – alle beziehen sich auf dasselbe flache Bonding-Band, nicht zu verwechseln mit photovoltaischem PV-Band.

Wie der Bindungsprozess mit der Materialwahl zusammenhängt

Um den Draht-gegen-Band-Kompromiss zu verstehen, beginne mit einer asymmetrischen Tatsache: Band kann nur mit Keilbindungen verbunden werden, während Runddraht sowohl mit Kugel- als auch Keilbindung funktioniert.

Zu Beginn jedes Bindungszyklus schmilzt das Kugelbinden den Drahtende mit einem elektrischen Funken zu einer Kugel (Freiluftkugel, FAB) und verbindet sie dann als erste Bindung. Sie ist nichtgerichtet – die zweite Bindung kann in jede Richtung gesetzt werden – und schnell, hauptsächlich für feines Gold, Kupfer, Palladium-beschichtete Kupfer- und Silberdrähte verwendet und erfordert in der Regel eine erhöhte Temperatur.

Keilbindung bildet keine Kugel; sie bindet direkt unter Druck und Ultraschallenergie, mit einer niedrigen Schleife und einer Richtungsbeschränkung, und kann sowohl runden Draht jeder Größe als auch Band verbinden. Aluminiumdraht und Aluminiumband können ultraschallmäßig bei Raumtemperatur verbunden werden.

Warum kann Band nur keilgebunden werden? Weil sein flacher Querschnitt an einem Kugelbinder nicht omnidirektional gebunden werden kann wie runder Draht – er muss mit einem speziellen Keilwerkzeug gerichtet verbunden werden. Mit anderen Worten: Die Kombination "Band + Kugelbindung" existiert physikalisch einfach nicht.

Das wiederum definiert den Materialpool: Mit Keilbindung erhält man Aluminiumdraht und alle Bandtypen; bei Kugelbindung erhält man feine Durchmesser von Edward-Metall- oder kupferrunden Drähten.

Für einen tieferen Einblick in die beiden Prozesse selbst siehe unseren Leitfaden Ball Bonding vs. Wedge Bonding .

Wo das Band gewinnt – Strom, Wärme und Zuverlässigkeit

In Hochstromanwendungen geht der Vorteil von Band über den einfachen "größeren Querschnitt" hinaus – dahinter steckt ein spezifischerer Mechanismus.

Ein gleichmäßigerer Strom tritt in den Chip ein. Veröffentlichte technische Forschungen weisen darauf hin, dass wenn mehrere runde Drähte parallel auf demselben Pad geschaltet werden, deren Bindungskontaktflächen getrennt und diskontinuierlich sind; starker Strom, der von diesen gestreuten Punkten in die Matrix eintritt, kann lokale Unterschiede bei Wärmeabgabe und elektrischem Feld verursachen. Ein Band hingegen bietet eine durchgehend große Kontaktfläche, sodass der Strom gleichmäßiger in die Matrix eintritt.

Bei leistungsstarken, hochstromigen Bauelementen kann ein kontinuierlich großer gebundener Bereich oft mehr Strom führen.

Bessere Wärmeableitung. Der größere Kontakt und die größere Oberfläche helfen, Wärme abzugeben – wertvoll in Stromgeräten, die kontinuierlich mit hohem Strom betrieben werden.

Niedrigere parasitäre Induktivität. In HF- und Hochfrequenzwegen ist die niedrige Induktivität des Bandes ein sekundärer, aber echter Vorteil.

Haltbarkeit bei Temperaturzyklen. Veröffentlichte Forschungen zeigen, dass unter Temperaturzyklen die Lebensdauer eines äquivalenten Aluminiumbänders etwa das 2,17-fache des äquivalenten Aluminiumdrahts erreichen kann (verglichen mit Al-Band und Al-Draht mit vergleichbarer Stromtragfähigkeit).

Zur Orientierung zeigen veröffentlichte Daten auch, dass bei einer Schleifenlänge von etwa 1 cm ein 300 μm großer Aluminiumdraht etwa 25 A und ein 500 μm Draht etwa 60 A trägt – Werte, die je nach Testbedingungen variieren und nur für Größenordnungsreferenz dienen.

Diese Vorteile sind am deutlichsten bei hochstromdichten IGBT-/SiC-Leistungsmodulen sichtbar.

Ein Band, wie viele Drähte? Die Äquivalenzlogik

Eine der praktischsten Fragen, die Ingenieure stellen: "Ich verwende derzeit N-schwere Aluminiumleitungen – wie viele Bänder würden sie ersetzen?" Um es zu beantworten: Verstehe zuerst die Umwandlungslogik, anstatt eine Tabelle auswendig zu lernen.

Das Wesentliche der Umwandlung ist gleicher Widerstand über gleiche Länge, bestimmt durch Querschnittsfläche × Widerstand. Die Breite × Dicke eines Bandes kann den kombinierten Querschnitten mehrerer runder Drähte entsprechen – der Querschnitt entspricht und der Widerstand über die gleiche Länge entspricht ebenfalls.

Veröffentlichte Umrechnungsdaten zeigen, dass ein Aluminiumband mit einem Breiten-zu-Dicke-Verhältnis von etwa 10:1 etwa 12 Aluminiumdrähte ersetzen kann, deren Durchmesser der Banddicke entspricht, also etwa 8 Kupferdrähte. Zum Beispiel hat ein 1,0 mm × 0,1 mm großes Aluminiumband einen Querschnitt von etwa 100.000 μm², während ein 100 μm großes rundes Aluminiumband etwa 7.854 μm² hat – ein Verhältnis von etwa 12,7, was mit der obigen Abbildung übereinstimmt.

Ein ausgearbeitetes Beispiel: Angenommen, Sie verwenden derzeit vier 380 μm große Aluminiumdrähte mit einem Gesamtquerschnitt von etwa 0,454 mm². Ein einzelnes 2,0 mm × 0,25 mm Aluminiumband (0,5 mm² Querschnitt) reicht dann als elektrisches Äquivalent aus. Die Schritte sind einfach – summieren Sie die Drahtquerschnitte, wählen Sie ein Band mit gleichem oder etwas größerem Querschnitt und überprüfen Sie dann die Bedingungen des Gehäuses.

Schnelle geometrische Äquivalenz (abgeleitet aus der Querschnittsfläche, gerundet):

(Berechnet aus der Querschnittsgeometrie; die tatsächliche Auswahl muss weiterhin den aktuellen und das Prozessfenster berücksichtigen.)

Verschiedene Materialien ersetzen unterschiedliche Drahtanzahl, da ihre Widerstände unterschiedlich sind: ρ_Al ≈ 2,7, ρ_Cu ≈ 1,7, ρ_Au ≈ 2,3 ×10⁻⁶ Ω·cm. Der geringere Widerstand von Kupfer bedeutet, dass ein Kupferband mit demselben Querschnitt eine andere Anzahl von Drähten ersetzt als ein Aluminiumband.

Der praktische Vorteil der Umwandlung ist eine geringere Bindungsanzahl – weniger potenzielle Versagensschnittstellen und ein schnellerer Bindungszyklus.

Eine Erinnerung jedoch: Die Äquivalenzumrechnung ist nur der Ausgangspunkt der "elektrischen Äquivalenz" – die endgültige Auswahl muss weiterhin Schleifenhöhe, Pad-Größe und das Prozessfenster berücksichtigen.

Senkt Bandkleben tatsächlich die Kosten?

Spart der Wechsel auf Bandband tatsächlich Geld? Die Antwort ist kein einfaches "Ja" oder "Nein" – es hängt von der Kombination mehrerer Kostenfaktoren ab.

Materialkosten

Die Stückkosten unterscheiden sich deutlich zwischen Gold-, Silber-, Kupfer- und Aluminiumverbindungsdrähten – Gold ist am höchsten, während Kupfer und Aluminium wirtschaftlicher sind. Die Materialwahl ist selbst ein Kostenhebel, der zusätzlich zur Wahl der Draht-gegen-Band-Form berücksichtigt wird.

Anleiherzahl und Durchsatz

Ein Band, das mehrere Drähte ersetzt, bedeutet weniger Bondingzyklen und einen schnelleren Bonding-Rhythmus, wodurch die Bondarbeitszeit pro Paket verkürzt wird. Dies ist die direkteste Sparsamkeitsquelle für Band in der Großserienproduktion.

Zuverlässigkeitskosten

Weniger Bindungsgrenzflächen bedeuten weniger potenzielle Ausfallpunkte, was im Laufe der Zeit hilft, Überarbeitungs- und ausfallbedingte Kosten zu senken.

Die einmalige Investition auf der anderen Seite

Band erfordert spezielle Keilwerkzeuge und einen Deep-Access-Bondhead, sodass die Einführung eine einmalige Ausrüstungs- und Werkzeuginvestition mit sich bringt. Bei kleinen Mengen oder bei Standorten, an denen bereits eine ausgereifte Dickdrahtleitung vorhanden ist, zahlt sich das Umschalten möglicherweise nicht aus.

Ob es also Geld spart, hängt also von den Gesamtbesitzkosten ab – Material, Arbeitskraft, Ertrag und Ausrüstungsamortisation zusammen – und nicht vom Materialeinheitspreis allein. Ob sich ein Wechsel lohnt, hängt von Verpackungstyp, Produktionsvolumen und aktuellem Zustand Ihrer Produktlinie ab.

Welche Anwendungen verwenden Draht im Gegensatz zu Flachband?

Aktuelle und Tonhöhenanforderungen variieren je nach Anwendung, und das gilt auch für die richtige Wahl – nutzen Sie dies, um Ihre Variante schnell zu finden:

Leistungsmodule (IGBT / SiC / DBC)

Hochstromwege – das Heimatgebiet aus schwerem Aluminiumdraht und Aluminiumband.

Automobil & EV

Motorsteuerungsmodule, Batteriemodule und CCS-Hochstromverbindungen, bei denen die Zuverlässigkeit und die Zykluszeitvorteile von Band hervorstechen.

HF / Mikrowelle

Hochfrequente Signalwege, bei denen die niedrige Induktivität des Bandes ein sekundärer Vorteil ist.

LED / Optoelektronik

Meistens feine, runde Draht mit Kugelbindung; leistungsstarke LEDs zeigen einen Trend zu Bandband.

IC / Logik / MEMS

Feiner Pitch und hohe Kegelzählungen – das Heimstadion feiner runder Draht.

Die Anwendung legt die Strom- und Tonanforderungen fest, die wiederum über Draht oder Flachband entscheiden. Weitere Hintergrundinformationen zu Leistungsmodul-Szenarien finden Sie auf unserer Seite zur Anwendung von Halbleiterverpackungen.

Wie wählt man – runden Draht oder Band?

Nachdem wir die Vorteile behandelt haben, zählt auch das Gesamtbild: Band ist nicht in allem das Beste – in vielen Fällen bleibt runder Draht die richtige Wahl.

Wo der Runddraht immer noch gewinnt.

Band ist richtvorbestimmt – es kann nicht omnidirektional wie Runddraht geführt werden, daher ist Runddraht flexibler für scharfe Biegungen oder komplexe Leitungen; Feinpitch-ICs und Signalleitungen bleiben Runddraht-Bereich. Band benötigt außerdem spezielle Keilwerkzeuge und einen Deep-Access-Bondhead, daher kann nicht jede Leitung es Plug-and-Play übernehmen.

Fehlermodi, denen man sich direkt stellen muss.

Veröffentlichte Versagensanalysen weisen darauf hin, dass Second-Bond-Lift und Fersenriss echte Versagensarten für Band sind und dass Band empfindlicher auf das Fenster des Bonding-Prozesses und die Sauberkeit der Schnittstelle reagiert. Dies ist kein Argument gegen Band – es ist eine Erinnerung daran, dass die entsprechenden Prozesskontrollen vorhanden sein müssen.

Schneller Referenzpunkt für die Entscheidung:

Letztlich geht es bei der Auswahl darum, das Szenario anzupassen – nicht darum, dass Band bedingungslos besser ist als Draht.

Qualifikation des Wechsels – Bürgschaftstest und praktische Checkliste

Sobald Sie sich entscheiden, das Band auszuprobieren, müssen Sie trotzdem wissen, wie man die Bonitätsqualität überprüft und was vor der Einführung zu überprüfen ist.

Wie die Bindungsstärke überprüft wird.

Zwei Hauptmethoden: der Drahtzugtest (destruktiver Zug, Bewertung von Schleifen- und Bindungsfestigkeit) und der Bindungsschertest (Scherkraft, Bewertung der gebundenen Grenzfläche).

Bandbindungen mit ihrer großen Kontaktfläche werden meist durch Scher-/Drucktests bewertet, während Runddraht hauptsächlich auf Zugtests angewiesen ist. Testmethoden können Standards wie ASTM F459 und JEDEC JESD22-B116A folgen (prüfen Sie die aktuelle Version vor der Zitierung).

Beachten Sie, dass diese Tests die Frage der "Bindungsfestigkeit" beantworten; sie ergänzen statt ersetzen sie die Probeprobenprüfungen der eigenen Bruchlast und Verlängerung des Materials.

Checkliste für die Bewertung vor dem Wechsel:

• Können die Pad-Größe und das Layout die Bandbreite und das Keil-Imprint berücksichtigen?
• Hat der Bonder einen Deep-Access-Bondhead und passende Keilwerkzeuge?
• Kann die Hechtschicht (weiches Lötzinn / Lötpaste / Silber-Epoxidharz) der höheren Ultraschallenergie der Bandbindung standhalten?
• Mach die Schlaufenhöhe und die Passform im Paket;
• Zuverlässigkeitsüberprüfungsplan: Temperatureinschaltung / Einschalten sowie Zieh- und Scherproben;
• Lieferkette: Passen die Bandgrößen und das Spulenformat an Ihr Fütterungssystem an.

Materialien auf einen Blick – Draht- und Bandoptionen

Mit dem Rahmenwerk hier die verfügbaren Materialien und wie jedes Modell positioniert ist.

Verbindungsdraht:

• Gold: äußerst zuverlässig, das Rückgrat der Kugelbindung, mit langsamem intermetallischem Wachstum an der Grenzfläche.
• Silberlegierung: ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine gängige Alternative zu Golddraht.
• Kupfer-/Pd-beschichtetes Kupfer: das Verhältnis zwischen Kosten und Zuverlässigkeit; Kupferbindung benötigt eine träge Atmosphäre.
• Aluminium: das Keilbindungs-Fundament für Stromgeräte; bindet ultraschallmäßig bei Raumtemperatur.

Klebeband:

• Aluminium: das Hauptbestandteil der Hochstromverbindungen in Leistungsmodulen.
• Kupfer / Gold / Silber: Optionen für unterschiedliche Anforderungen an Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit.

Henan Chalco liefert sowohl Bonding-Draht als auch Bonding-Band über die oben genannten Materialien; Bonding-Bänder sind in mehreren Breiten- × Dickengrößen erhältlich.

Für Spezifikationen siehe die Produktseiten Aluminum Bonding Wire, Gold Bonding Wire, Copper / Pd coated Copper Bonding Wire, Silver Bonding Wire und Bonding Band.

Sofort-Zitat

Halbleiter-Bindungsdraht

Golddraht

Kupferverbindungsdraht

Aluminiumverbindungsdraht

Silberlegierungs-Verbindungsdraht

Halbleiter-Bonding-Band

Aluminium-Klebeband

Kupfersäule

Halbleiter-Sputter-Zielmaterialien

Häufig gestellte Fragen

Was ist Drahtbindung in der Halbleiterverpackung?

Das Drahtbinden verwendet feinen Metalldraht, der durch Ultraschall-, Thermoschall- oder Thermokompressionsenergie angetrieben wird, um das Matrixpad mit dem Leadframe oder Substrat zu verbinden. Es ist die am weitesten entwickelte und am weitesten verbreitete Methode der Drahtverbindung auf Matrixebene, wobei üblicherweise Gold-, Aluminium-, Kupfer- oder Silberdraht verwendet wird.

Was ist der Unterschied zwischen Drahtbonding und Bandbonding?

Der Unterschied liegt im Querschnitt des Leiters: Draht ist rund, Band flach rechteckig. Band kann nur keilgebunden werden, bietet eine größere Kontaktfläche und eine höhere Stromkapazität und wird hauptsächlich in Hochstrom-Leistungspaketen verwendet; runder Draht eignet sich für feine Tonhöhe und Leitungen in beliebige Richtungen.

Wie viele Drahtbindungen kann ein Band ersetzen?

Als Größenordnung kann ein Aluminiumband mit einem Breiten-zu-Dicke-Verhältnis von etwa 10:1 etwa 12 Aluminiumdrähte ersetzen, deren Durchmesser der Banddicke entspricht (die genaue Anzahl variiert je nach Größe und Material). Die Umrechnung basiert auf gleichem Widerstand über gleicher Länge, also äquivalentem Querschnitt – siehe den oben genannten Äquivalenzabschnitt.

Ist das Bandbonding zuverlässiger als das Bonding mit schwerem Draht?

Bei Temperaturzyklen hält ein äquivalentes Aluminiumband typischerweise länger als gleichwertiger Aluminiumdraht (veröffentlichte Studien gehen von etwa 2,17 × an). Band hat jedoch eigene Versagensmodi, wie Zweitbindungslift und Fersenriss, und benötigt die entsprechenden Prozesssteuerungen.

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

Ball-Bonding schmilzt den Draht-Ende vor dem Verbinden zu einer Kugel – nicht richtungsabhängig und schnell, bei feinem runden Draht. Keil-Bonding bildet keine Kugel, mit einer niedrigen Schlaufe und einer Richtungsbeschränkung und kann sowohl runden Draht als auch Band verbinden. Siehe unseren Leitfaden zum Ball Bonding vs. Wedge-Bonding.

Was ist der Unterschied zwischen Wire Bonding und Flip Chip?

Beim Draht-/Flachband-Bonding zeigt der Die nach oben und ist durch Metalldrähte mit dem Rahmen verbunden; bei Flip Chip wird der Chip direkt durch Beulen oder Lötkugeln umgedreht und miteinander verbunden, ohne Kabel. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Wahl zwischen Draht und Flachband innerhalb der Drahtbonding-Familie. In LED- und ähnlichen Anwendungen hat jeder Ansatz seinen Platz – siehe LED-Packaging-Bonding-Draht.

Ist Bonding Band dasselbe wie Bonding Band oder PV Band?

Bonding Band und Bonding Band sind zwei Bezeichnungen für dasselbe flache Band, das beim Stanzkleben verwendet wird. Es ist nicht dasselbe wie photovoltaisches PV-Band (Solar-Tabbing-Band) oder elektrische Erdungsriemen – die Verwendung und Spezifikationen unterscheiden sich.