Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2173
Main Title: Berechnung der Verbindungsqualität beim Ultraschall-Wedge/Wedge-Bonden
Translated Title: Calculation of the Welding Quality in US-Wedge/Wedge Bonding
Author(s): Gaul, Holger
Advisor(s): Reichl, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Einflüsse der Maschineneigenschaften, Bondoberflächen und speziell der Bondparameter auf die Scherfestigkeit eines Drahtbondkontakts sind bis heute nicht umfassend physikalisch beschrieben. Für eine weitere Leistungssteigerung bei der Kontaktierung von Halbleiterbauelementen ist daher eine Erweiterung der bisherigen Modellbildung nötig. Die Einflüsse auf den Bondprozess werden dabei mit Modellparametern beschrieben, welche die Eigenschaften des Substrats, der Bondoberfläche, des Drahts, des Bondautomaten und des Werkzeugs wiederspiegeln. Bestehende Modelle zur Berechnung der Reibreinigungsleistung werden erweitert, um das Bonden von Aluminium bei Raumtemperatur zu beschreiben. Dort ist die Deformation im Zusammenhang mit der Reinigung der Kontaktoberflächen essentiell und hat einen entscheidenden Einfluss auf das Bondergebnis. Erstmals wird daher in dieser Arbeit eine Berechnung der Verbindungsbildung in der Aktivierungsphase unter Berücksichtigung der Drahtdeformation entwickelt. Das Deformationsverhalten des Drahts wird dabei unter Berücksichtigung neuester Erkenntnisse zur dynamischen Ver- und Entfestigung des Materials berechnet. Mit dem Modell kann so die zeitabhängige Kontaktfläche A(t) berechnet werden. Die Änderung der Kontaktfläche führt zu zeitabhängigen Modellparametern (c_ges(t)) und einer Verringerung der benötigten Energie zur Reinigung der Oberfläche (b(t,F)). Analog zu dieser Energie wird eine Schwellreinigungsleistung eingeführt sowie das Einschwingverhalten berücksichtigt. Somit ist es weltweit erstmals möglich, den verzögerten Anstieg der Scherkraft nach Einschalten des Ultraschalls in einem geschlossenen Modell zu berechnen. Die experimentelle Überprüfung erfolgt Anhand von Schwingungs-, Deformations- und Scherkraftmessungen. Diese Korrelation, welche bislang noch nicht durchgeführt wurde, ermöglicht die Eingrenzung der im Modell formulierten Einflüsse auf das Bondergebnis in Form der Modellparameter. Zusätzlich wird in bisher einmaligen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die Bewegung von Werkzeug und Draht unter Ultraschall sichtbar gemacht. So wurde bewiesen, dass Werkzeug und Draht in der Reinigungsphase haften. Die gemessenen Scherkraftverläufe können mit dem entwickelten Modell erstmals für verschiedene Bondparameter aus der Reibreinigungsleistung berechnet werden. Weiterhin wird die Reibphase zwischen Beginn und Ende eingegrenzt. Damit wird auch die Kontaktdeformation erklärt, welche während der Reinigungsphase von der ansteigenden Transversalkraft dominiert wird. Über die Beschreibung der Aktivierungsphase hinaus erweitert die Arbeit so das bekannte Phasenmodell des Bondprozesses. Die Annäherungsphase findet parallel zur Aktivierungsphase statt, wobei die Deformation des Kontakts in der Interdiffusionsphase durch die Entfestigung des Materials weiter fortschreitet. Abschließend wird eine Prozesskontrolle vorgeschlagen, welche unter Einsatz des Modells Eigenschaften der Bondoberfläche aus dem Verlauf der Werkzeugschwingung und der Transversalkraft bestimmen kann. Mit den gewonnenen Daten wird die US-Leistung prognostiziert, aus der die notwendige gereinigte Fläche für eine qualitätsgerechte Verschweißung resultiert. So kann die US-Leistung dynamisch eingestellt und erstmals auf starke Schwankungen in der Oberflächenqualität reagiert werden.
Until now, the physics of machine characteristic, bond surface, and especially of bond parameter influences on a wire bond contact’s shearing strength have not been comprehensively described. An expansion on previous modeling is therefore required in order to achieve additional increases in semiconductor component contacting. In doing so, the influences on the bond process are described with model parameters which reflect the characteristics of the substrate, bond surface, wire, automatic bonding machine, and tools. Existing models for calculating friction cleaning rate are expanded in order to describe aluminum bonding at room temperature. There, the deformation in connection with contact surface cleaning is essential and has a critical influence on the bond result. For the first time, therefore, this work will develop a calculation of bond creation during the activation phase while taking wire deformation into account. The wire’s deformation behavior will at the same time be calculated while considering the newest insights on dynamic hardening and softening. As a result, the model allows for a time-dependent contact surface calculation (A(t)). Changes in contact surface lead to time-dependent model parameters (c_ges(t)) and a reduction of the energy required to clean the surface (b(t,F)). In analogy to this energy, a threshold cleaning rate will be introduced and transient behaviors will be taken into account. Thus, for the first time anywhere in the world, it calculating the delayed shearing force increase after ultrasound energization in a closed model has become possible. Experimental examination is performed through oscillation, deformation, and shear force measurements. This correlation, which has not been performed until now, makes it possible, in the form of the model parameters, to limit the influences formulated in the model to the bond result. In addition, the previously unique snapshot images will bring to light tool and wire movement subject to ultrasound. It could thus be proved that tool and wire adhere during the cleaning phase. The developed model for the first time allows the measured shear force paths for different bond parameters to be calculated from the friction cleaning rate. Furthermore, the friction phase between beginning and end becomes limited. Thus an explanation is also found for that contact deformation which is dominated during the cleaning phase by the increasing transversal force. In addition to describing the activation phase, the study extends the known phase bond process phase model. The approximation phase takes place in parallel to the activation phase in which case the contact deformation in the interdiffusion phase continues to progress due to material softening. In conclusion, a process control will be suggested which, through use of the model, will be able to determine the characteristics of the bond surface from the course of tool oscillations and transversal forces. The cleaned surface required for quality-suited welding can be predicted from the US energy data obtained. The US energy can be dynamically adjusted and for the first time reacted to strong fluctuations in surface quality.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22418
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2470
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2173
Exam Date: 8-May-2009
Issue Date: 11-Jun-2009
Date Available: 11-Jun-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Regelung
Reibung
Schwingungsmessung
Wedge bonding
Bond process control
Friction model
Vibration
Wedge bonding
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