Leistungselektronik in Minuten statt Monaten testen
Die hohen Anforderungen an die Automobilelektronik – z.B. eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren – sind für Halbleiterchips und ihre Außenverbindungen ein Problem. Bisherige Tests dauern lange. Ein Praxisproblem, das ein neues Testverfahren jetzt löst.
Bei den Standardtests für die Zuverlässigkeit von Dickdrahtbonds werden typische Lastprofile simuliert, indem solche Tests Hunderttausende Ein- und Ausschaltvorgänge rasch hintereinander ablaufen lassen, bis die Drahtbonds versagen. Solch ein beschleunigter Test ist der Power-Cycling-Test (PC-Test), der aber immer noch einige Monate dauern kann. Zur Sicherstellung der laufenden Fertigungsqualität ist er also kaum geeignet, außerdem sind die erforderlichen Teststände teuer. Seit langer Zeit wünscht man sich daher einen ergänzenden Schnelltest, bei dem es ausreichen würde, halbquantitative Messdaten zu erhalten.
So wäre es schon wertvoll, nach einer Änderung in Materialien oder Prozessdetails schnell zu sehen, ob sich die Bondqualität verbessert oder verschlechtert hat.
„Minuten statt Monate – das war die Zielvorgabe für den neuen Tester“, präzisiert Siegfried Seidl, die Anforderungen an den Test, der dann an der TU Wien entwickelt wurde.
Bild 1: Klemmzange und Anregungsbewegung (Bild: F&S BONDTEC Semiconductor GmbH)
Dieser Test wurde von F&S Bondtec in Form des vollautomatischen BAMFIT-Testers (Bondtec Accelerated Mechanical Fatigue Interconnect Test) auf den Markt gebracht und zum Patent angemeldet. Erste Preise wurden mit diesem System auch schon gewonnen.
Das Grundprinzip des neuen Testverfahrens ist einfach: Im Betrieb wird ein Drahtbond bei jedem Schaltzyklus thermisch belastet, weil sich der Halbleiter-Chip durch den Stromdurchfluss erwärmt. Aluminium-Bonddraht und Silizium-Chip dehnen sich aber sehr unterschiedlich aus – um einen Faktor 8. Das erzeugt eine mechanische Spannungsbelastung an der Bondstelle, die mit der Zeit zu Ermüdungsrissen am und im Bondinterface führt. Genau diese mechanische Belastung bildet der BAMFIT-Tester nach. Dazu wurde eine Testvorrichtung realisiert, bei der eine zangenähnliche Klemme den Bondfuß auf fast seiner ganzen Länge und in einer definierten Höhe von etwa 30 µm über der Bondfläche greift (Bild 1). Diese Klemme ist auf der Basis eines Dickdrahtbonders so gebaut, dass sie genau wie ein Bondwedge mit einem Ultraschall-Transducer angeregt wird und dann eine Längsschwingung ausführt, die am Bondfuß in Drahtrichtung vor- und rückwärts zieht. Die Zugamplitude ist durch den Ultraschallpegel einstellbar und liegt bei etwa 1 µm, was vergleichbar mit der thermischen Ausdehnung ist. Statt einem Zyklus von 5 s wie beim PC-Test werden aber typischerweise 60.000 Zyklen/s wie beim Drahtbonden durchlaufen. Zusätzlich wird über diese Drahtklemme noch eine geringe Zuglast nach oben von wenigen cN angelegt, um das Abheben des Bonds zu erleichtern. Nach dem Versagen des Bonds hebt die Drahtklemme den Bond dann weiter ab, was vom Testgerät detektiert wird, und die Anzahl der durchlaufenen Zyklen wird als Qualitätsmaß protokolliert. Selbst für einige Millionen Lastzyklen braucht der Tester nur wenige Minuten und nicht Monate wie der PC-Test. Unterschiedliche Belastungsszenarien werden beim PC-Test u.a. durch unterschiedliche Temperaturhübe erzeugt. Auch diese lassen sich beim BAMFIT-Verfahren einfach nachbilden, weil ein höherer Ultraschall-Pegel auch eine größere mechanische Schwingungsamplitude am Klemmwerkzeug und damit am Bond-Interface erzeugt. Der BAMFIT-Tester basiert auf einem automatischen Bonder und Tester der Familie 56XX von F&S Bondtec. Zahlreiche Funktionen wie Programmierung beliebig vieler Bondstellen, Bilderkennung, Touchdown zur Ermittlung der Bondhöhe, Erzeugung und Überwachung des Ultraschalls etc. sind daher schon eingebaut. Bereits vorhandene Bonder sind einfach durch Tausch des Bondkopfs auf das BAMFIT-Verfahren umrüstbar. Inzwischen zeigt sich überdies, dass dieser Tester auch dem klassischen Schertest überlegen ist und besser differenzierte Aussagen über die Bondqualität liefert, besonders bei Bonds sehr hoher Qualität.
„Damit werden ganz andere Möglichkeiten für Qualitätssicherung und Prozessmonitoring eröffnet. Zunächst für die Leistungselektronik, die auch die Basis für weitere Entwicklungen sind, an denen wir derzeit arbeiten.“
