Investigation of Wire Microstructure and Interface Formation during AlSi1 Ultrasonic Wedge-Wedge-Bonding

Abstract

Für die modellhafte Beschreibung des Drahtbondvorganges in Abhängigkeit von den Bondparametern ist sowohl das Verständnis der werkstoffwissenschaftlichen Zusammenhänge am Interface als auch im Bonddraht von entscheidender Bedeutung. Diese Vorgänge sind sehr eng mit der Oberflächenaktivierung der Fügepartner und der Drahtdeformation in z-Richtung verknüpft. Während der Bondzeit bildet sich am Interface eine intermetallische Phase vom Typ Au8Al3 aus, deren Schichtdicke von der Höhe der Ultraschallenergie beeinflusst wird. Am Ende des Bondprozesses ist das Interface nahezu vollständig mit intermetallischer Phase bedeckt. Entgegen der bisherigen Vorstellungen wird jedoch die Flash-Au-Schicht der Leiterplattenmetallisierung durch die Relativbewegung zwischen Draht und Substrat beim US-Wedge-Wedge-Bonden nicht durchgerieben, sie bleibt als Bestandteil des elektrischen Kontaktes erhalten. Während der Drahtdeformation laufen konkurrierend Ver- und Entfestigungsprozesse im Wedge ab. Damit verbunden sind die Auflösung der Drahttextur und die dynamische Erholung/Rekristallisation des Aluminiumdrahtes unter Einwirkung der Bondparameter. Am Ende des Bondprozesses ist die Härte des Wedges höher als die Härte des Drahtes im Ausgangszustand, jedoch geringer als die Härte des vordeformierten und damit kaltverfestigten Wedges vor Beginn der Ultraschalleinwirkung. Die Höhe der Ultraschallenergie bestimmt die Entfestigung: Je höher die gewählte Ultraschallenergie, umso stärker entfestigt der Wedge während des Drahtbondens. Am Ende der Arbeit wird ein Drahtbondmodell vorgestellt, aus dem Empfehlungen für die Bondparameter und ein Vorschlag für den Aufbau des Bonddrahtes abgeleitet werden.For modelling the wire bond process it is essential to know micro- and nanomaterial processes at the interface and in the bonding wire. These processes are closely related to wire and substrate surface activation and to wire deformation in z-direction. Within the bonding time an Au8Al3 intermetallic phase is grown at the interface. Its thickness is controlled by ultrasonic power. At the end of the bonding process the interface is almost completely covered by intermetallic phase. Contrary to the established assumption, after the wire bond process the 50-100 nm thin flash-Au-layer is an eminent part of the interface structure and the electric contact. The wire deformation is accompanied by competing hardening and softening processes inside the wedge. So the interaction of ultrasonic power and bonding force results in a translation of the wire fibre texture by dynamic recrystallisation of the AlSi1 wedge. At the end of the wire bonding process the wedge is harder than the as-received wire but its hardness is lower than the pre-deformed and cold-worked wire before ultrasonic energy has been acting. The ultrasonic power level determines the degree of wedge softening. The higher the ultrasonic power the more the wedge is softened during the wire bonding process. At the end recommendations for the choice of the bond parameters and a model for an optimised bonding wire are given