Drahtbondfehler: Ursachen, Diagnose und Korrekturmaßnahmen

Drahtbondfehler sollten anhand des Ortes und der Art des Fehlers diagnostiziert werden, nicht anhand eines einzelnen Maschinenalarms oder einer sofortigen Änderung der Ultraschallleistung, -kraft oder -temperatur.

Ein Antihafteffekt kann durch Oberflächenverunreinigungen, Oxidation, Kapillarverschleiß, instabile Luftblasenbildung, unzureichende Gehäuseunterstützung oder ein ungeeignetes Prozessfenster verursacht werden. Ein Drahtbruch kann am Hals, am Fuß, an der Schlaufe oder an der zweiten Bondstelle auftreten, wobei jede Stelle auf unterschiedliche mögliche Ursachen hinweist.

Dieser Leitfaden konzentriert sich hauptsächlich auf das Feindraht-Ballbonden, das in der IC-, LED- und diskreten Halbleiterfertigung eingesetzt wird. Das gleiche Diagnoseprinzip gilt auch für das Keil- und Dickdrahtbonden, obwohl sich deren Werkzeuge, Drahtkontrollsysteme und Akzeptanzkriterien unterscheiden.

Den Fehler identifizieren, bevor der Prozess angepasst wird

Die erste Frage bei der Fehlersuche lautet nicht: „Welcher Parameter sollte erhöht werden?“, sondern: „Was genau ist schiefgelaufen, wo ist der Fehler aufgetreten und unter welchen Bedingungen?“

Notieren Sie sich die folgenden Informationen, bevor Sie das Rezept ändern:

• Maschinenmodell, Bondkopf und Softwarerezept

• Drahtmaterial, Durchmesser, Spule und Produktionslos

• Kapillarteilenummer, Installationszeit und kumulierte Bondzahl

• Die-Pad-, Leadframe- oder Substrat-Finish

• Zustand von Verpackung, Werkstückhalter und Heizung

• Fehlerort innerhalb des Bauteils oder im Verbindungsbereich

• Ob der Fehler kontinuierlich, intermittierend oder chargenabhängig ist

• Visuelles Erscheinungsbild vor und nach der zerstörenden Prüfung

• Jüngste Änderungen an Material, Werkzeugen, Wartung oder Maschineneinrichtung

Ein Defekt, der unmittelbar nach einem Draht-, Kapillar- oder Materialchargenwechsel auftritt, sollte anders untersucht werden als ein Defekt, der sich erst nach vielen Produktionsstunden allmählich entwickelt.

Verwenden Sie den Fehlerort, um die Suche einzugrenzen

Diese Tabelle dient als Ausgangspunkt und nicht als endgültige Diagnose. Mehrere Ursachen können einen ähnlichen sichtbaren Defekt hervorrufen, und es können mehrere Variationsquellen gleichzeitig vorliegen.

Bindungsfehler erster Ordnung entstehen, bevor der Ball das Pad erreicht.

Beim Kugelbonden hängt die erste Verbindung von einer stabilen Freiluftkugel, einer geeigneten Kapillare, einer bondierbaren Padoberfläche und einer kontrollierten Übertragung von Kraft, Ultraschallenergie und Wärme ab.

Antihaftbeschichtung

„Nichthaftendes Pad“ (NSOP) bedeutet, dass die erste Verbindung keine ausreichende Haftung mit dem Chippad hergestellt hat. Der Fehler kann entweder sofort von der Maschine erkannt oder bei der Inspektion und Prüfung entdeckt werden.

Mögliche Ursachen sind:

• Organische Verunreinigungen, Rückstände oder Oxide auf der Oberfläche des Pads

• Ein unregelmäßiger, oxidierter oder außermittiger Freiluftball

• Eine abgenutzte, verunreinigte oder falsch ausgewählte Kapillare

• Unzureichende oder instabile Ultraschallenergieübertragung

• Ungeeignete Kraft, Bindungszeit oder Werkstückhaltertemperatur

• Mangelhafte Werkzeugunterstützung, Bewegung des Gehäuses oder Instabilität des Werkstückhalters

• Pad-Metallisierung, die zu dünn, beschädigt oder außerhalb des vorgesehenen Zustands ist

• Ein Drahtmaterial oder -durchmesser, der nicht dem festgelegten Rezept entspricht

Eine Erhöhung der Ultraschallenergie kann die Haftung vorübergehend verbessern, aber auch Verunreinigungen verschleiern oder die Beschädigung des Pads verstärken. Oberfläche, Freiluftkugel und Werkzeug sollten vor einer Erweiterung des Prozessfensters überprüft werden.

Kugelheber

Ein Ball Lift tritt auf, wenn sich die erste Bindung während Zugversuchen, der nachfolgenden Handhabung, dem Formgebungsprozess oder Zuverlässigkeitsprüfungen vom Pad löst.

Die Verbindung mag während der Produktion akzeptabel erschienen sein, obwohl nur begrenzter Grenzflächenkontakt oder eine instabile metallurgische Verbindung vorlag. Überprüfen Sie die Unterseite der abgelösten Kugel, die verbleibende Kontaktfläche und das entsprechende Testergebnis.

Eine saubere Trennung an der Grenzfläche deutet auf ein anderes Problem hin als ein Fehler, bei dem Pad-Metall oder darunterliegendes Chipmaterial entfernt wird.

Ablösen des Pads und Kraterbildung

Beim Ablösen des Pads wird ein Teil der Pad-Metallisierung entfernt. Kraterbildung bedeutet Beschädigungen unterhalb des Pads und kann dielektrische oder Siliziumstrukturen unterhalb der Bondfläche beeinträchtigen.

Diese Ausfälle sollten nicht einfach als Beweis dafür gewertet werden, dass die Bindung „zu stark“ ist. Mögliche Einflussfaktoren sind:

• Übermäßige Krafteinwirkung oder Ultraschallinteraktion

• Ein härteres Drahtmaterial kombiniert mit einer empfindlichen Pad-Struktur

• Ungeeignete Kapillarspitzen- oder Fasengeometrie

• Unzureichende Unterstützung unterhalb des Chips oder des Gehäuses

• Schwache Haftung des Pads oder ein ungeeigneter Metallisierungsstapel

• Hohlräume oder strukturelle Schwächen unterhalb der Klebefläche

Wenn Beschädigungen an den Pads auftreten, kann die wiederholte Reduzierung eines Parameters ohne Überprüfung der Pad-Konstruktion und der Gehäuseunterstützung die eigentliche Ursache möglicherweise nicht beheben.

Zweitbindungsfehler decken häufig Oberflächen- und Werkzeugprobleme auf.

Die zweite Bindung weist eine kleinere und dünnere Kontaktfläche auf als die erste Kugelbindung. Ihr Ergebnis hängt stark von der Kapillarfläche, der Drahtklemmung, der Anschlussfläche und der Abfolge der Drahtendenbildung ab.

Antihaftbeschichtung auf Blei

Eine Nichthaftung an den Anschlüssen (Non-stick on lead, NSOL) tritt auf, wenn die Nahtverbindung nicht am Leadframe, Substrat oder Gehäuseanschluss haftet.

Untersuchen:

• Oxidation, Abweichungen in der Beschichtung oder Verunreinigungen an den Anschlüssen

• Kapillarabrieb im Gesicht oder Materialablagerungen

• Drahtklemmung und Verformung unter der Kapillare

• Zweitbindungskraft, Ultraschallreaktion und Bindungszeit

• Heiztemperatur und Gehäusekontakt mit dem Werkstückhalter

• Endgültige Bewegung, Biegung oder unzureichende Unterstützung

• Änderungen an Draht-, Leadframe- oder Substratchargen

Wenn sich Fehler in einem Bereich eines Streifens oder Substrats häufen, sollten Sie die lokale Ebenheit, die Unterstützung und die Temperaturverteilung überprüfen, anstatt sofort die gesamte Rezeptur zu ändern.

Stichlift und schwache zweite Bindungen

Eine Naht kann während der Produktion haften bleiben, sich aber bei Zugtests oder der weiteren Handhabung lösen. Prüfen Sie, ob der Bruch an der Nahtstelle, im Draht oder in der Nähe der Nahtferse aufgetreten ist.

Eine schwache zweite Bondverbindung kann auch zu Drahtrissen und Drahtendenbildung führen. Ein ungleichmäßiges Drahtende kann dann eine instabile Freiluftkugel für den nächsten Draht erzeugen, wodurch das ursprüngliche Problem der zweiten Bondverbindung später als Defekt der ersten Bondverbindung sichtbar wird.

Aus diesem Grund sollte die Fehlersuche dem gesamten Bindungszyklus folgen und nicht jeden Alarm als isoliertes Ereignis behandeln.

Draht- und Schleifenfehler weisen auf Bewegung, Spannung und Geometrie hin

Fersenrisse

Der Fersenbereich markiert den Übergang zwischen dem Bonddraht und der aufsteigenden Schleife. Risse in diesem Bereich können durch übermäßige Verformung, starke Kapillarbewegung, ungeeignete Schleifengeometrie, wiederholte Belastung des Gehäuses oder Wechselwirkungen mit nachgelagerten Prozessen entstehen.

Prüfen Sie Lage und Verlauf des Risses unter Vergrößerung. Ein Riss, der unmittelbar nach dem Verkleben auftritt, kann eine andere Ursache haben als ein Riss, der sich nach dem Formen, durch Temperaturwechsel oder Vibrationen entwickelt.

Genickbrüche

Der Hals oberhalb einer Kugelverbindung wird durch den Freiluft-Kugelprozess und die anschließende Schlaufenbewegung beeinflusst. Eine unregelmäßige Wärmeeinflusszone, eine ungenaue Kugelzentrierung oder eine aggressive Rückwärtsbewegung können die Halsfestigkeit verringern.

Rezension:

• Zustand von Draht und Spule

• Position und Sauberkeit der EFO-Elektrode

• Freiluftballgröße und Symmetrie

• Kugelposition unterhalb der Kapillare

• Rückwärtsbewegung und Schleifenbahn

• Bruchstelle beim Zugtest

Schleifenvariation und Drahtschwung

Abweichungen von Schleifen können Höhe, Spannweite, Form, Richtung oder Abstand betreffen. Mögliche Ursachen gehen über die programmierten Schleifenwerte hinaus.

Überprüfen Sie das Drahtspannungssystem, das Ansprechverhalten der Klemme, die Kapillarwirkung, die Drahtsteifigkeit, die Position des Gehäuses und die Maschinenkalibrierung. Wenn die Schleife vor dem Formprozess stabil ist, sich aber danach bewegt, müssen auch der Formprozess und die Gehäusekonstruktion untersucht werden.

Unterteilen Sie die Hauptursachen in fünf Gruppen

Eine zuverlässige Untersuchung wird einfacher, wenn mögliche Ursachen gruppiert werden, bevor Tests ausgewählt werden.

Eine Parameteränderung sollte erst erfolgen, nachdem die Untersuchung die wahrscheinlich verantwortliche Gruppe identifiziert hat. Andernfalls wird möglicherweise eine Fehlerquelle nur vorübergehend kompensiert, während der eigentliche Defekt weiterhin besteht.

Eine zuverlässige Vorgehensweise zur Fehlersuche bei Drahtbondverbindungen

Die folgende Vorgehensweise bildet den Kern der Diagnose. Sie reduziert unnötige Rezeptänderungen und trägt zur Sicherung nützlicher Beweise bei.

1. Den Fehlerzustand beibehalten.    Notieren Sie die Maschine, das Rezept, die Materialcharge, die Werkzeugstandzeit, das Fehlerbild, den Alarm und die betroffene Position, bevor Sie Komponenten zurücksetzen oder austauschen.

2. Klassifizieren Sie den Fehlerort.    Ermitteln Sie, ob der Defekt an der ersten Bondstelle, der zweiten Bondstelle, am Hals, an der Ferse, an der Schleife, am Drahtende, an der Gehäuseposition oder bei der Maschinenhandhabung auftritt.

3. Überprüfen Sie den Fehlermodus.    Mithilfe einer Sichtprüfung und der entsprechenden Zug-, Scher- oder elektrischen Prüfung lassen sich Schnittstellenabhebungen, Drahtbrüche, Beschädigungen der Auflagefläche und strukturelle Versagen unterscheiden.

4. Prüfen Sie die letzten Änderungen.    Überprüfung neuer Drähte, Kapillaren, Pads, Leadframes, Substrate, Rezepturen, Wartungsarbeiten, Heizungseinstellungen, Software oder Bedieneraktionen.

5. Vergleiche mit einer bekannten, zuverlässigen Referenz.    Verwenden Sie verifiziertes Material, eine verifizierte Kapillare oder eine zuvor stabile Rezeptur, sofern dies sicher möglich ist. Ändern Sie jeweils nur einen Kontrollfaktor.

6. Material von der Maschine trennen.    Testen Sie, wenn möglich, das verdächtige Material an einer als funktionierend bekannten Anlage oder lassen Sie ein als funktionierend bekanntes Material an der verdächtigen Maschine laufen.

7. Werkzeuge und Kalibrierung prüfen.    Überprüfen Sie die Kapillarinstallation, die Kalibrierung der Haftkraft, den Zustand des EFO, den Zustand des Wandlers, die Werkstückhalterung, die Stabilität der Heizung und die Ausrichtung der Sicht.

8. Prozessfenster erstellen oder wiederherstellen.    Prozessvariablen sollten durch eine kontrollierte Studie angepasst werden, anstatt Produktionsrezepte wiederholt durch Versuch und Irrtum zu verändern.

9. Wiederholen Sie den gesamten Bindungszyklus.    Bestätigen Sie die Bildung des Freiluftballs, die erste Bindung, die Schleife, die zweite Bindung, das Ende und den nächsten Ball über genügend Zyklen, um intermittierende Fehler aufzudecken.

10. Die Korrekturmaßnahme kann durch Belege untermauert werden.    Vergleichen Sie die Fehlerrate, das visuelle Ergebnis, die Fehlerart und die Ergebnisse mechanischer oder elektrischer Prüfungen, bevor Sie den Prozess freigeben.

Eine Korrektur ist nicht allein durch das Verschwinden des Alarms bestätigt. Das Anleiheergebnis und die Ausfallverteilung müssen sich wieder in einem vereinbarten stabilen Zustand einpendeln.

Nutzen Sie die richtigen Beweise für das Scheitern

Sichtprüfung

Die mikroskopische Untersuchung ermöglicht die Beurteilung von Bondposition, Verformung, Drahtendenlänge, Schlaufenhöhe, Fersenzustand, Drahtbeschädigung und sichtbaren Verunreinigungen. Die Bilder sollten sowohl einwandfreie als auch fehlerhafte Beispiele unter gleichbleibender Vergrößerung und Beleuchtung zeigen.

Drahtzugprüfung

Drahtzugversuche liefern Informationen über die Haftung, die Festigkeit der Klebeverbindung, das Schlaufenverhalten und die Bruchstelle. Dokumentieren Sie das Kraftergebnis zusammen mit der Bruchform, da gleiche Kraftwerte auf unterschiedliche Schwachstellen hinweisen können.

Scherfestigkeitsprüfung der Verbindung

Scherprüfungen können für bestimmte Kugelbondverbindungen, Bump-Verbindungen, Drahtbondverbindungen oder andere Strukturen geeignet sein. Prüfverfahren, Werkzeughöhe, Prüfrichtung und Akzeptanzkriterien müssen der zu prüfenden Verbindung entsprechen.

Querschnitts- und Polsteranalyse

Bei Verdacht auf Ablösung der Pads, Kraterbildung, Risse unter der Oberfläche, begrenzte Grenzflächenbildung oder Beschädigung der Gehäusestruktur können Querschnittsuntersuchungen oder weitere Materialanalysen erforderlich sein.

Maschinenprozessüberwachung

Einige Drahtbondanlagen überwachen Kraft, Ultraschallverhalten, Drahtverformung, Frequenzverhalten oder einzelne Bondschritte. Diese Signale können Änderungen erkennen und die Rückverfolgbarkeit gewährleisten, ihre Grenzwerte müssen jedoch für das jeweilige Produkt festgelegt und anhand der physikalischen Bondergebnisse verifiziert werden.

Elektrische und Zuverlässigkeitsprüfung

Elektrische Prüfungen und Zuverlässigkeitsprüfungen auf Gehäuseebene werden wichtig, wenn die Ergebnisse der mechanischen Verbindung zwar akzeptabel erscheinen, aber Feldbedingungen, Stromstärke, Feuchtigkeit, Temperatur oder wiederholte Belastung einen anderen Ausfallmechanismus offenbaren können.

Die Oberflächenreinigung sollte der Spurensicherung folgen.

Oberflächenverunreinigungen und Oxidation können zu NSOP und NSOL beitragen. Durch Reinigung lässt sich die Haftung verbessern, wenn die Art der Verunreinigung und die gewählte Reinigungsmethode bekannt sind.

Gehen Sie nicht davon aus, dass jede schwache Bindung eine Plasmareinigung erfordert. Prüfen Sie vor dem Hinzufügen eines Reinigungsschritts Folgendes:

• Welche Oberfläche ist kontaminiert oder oxidiert?

• Ob das Material die vorgeschlagene Behandlung verträgt

• Ob die Reinigung die Oberflächenbeschaffenheit oder den Zustand der Verpackung verändert

• Wie schnell das gereinigte Material verbunden werden muss

• Wie das Ergebnis anhand einer unbehandelten Ausgangslage überprüft wird

Die verfügbaren Oberflächenvorbereitungssysteme können über die folgende Webseite eingesehen werden: Kategorie der Plasmareiniger für HalbmaschinenDie Prozesskompatibilität muss für den eigentlichen Chip, den Leadframe, das Substrat und die Verunreinigungen noch bestätigt werden.

Kapillaren und Ersatzteile beeinträchtigen mehr als nur die Ausfallzeiten

Die Geometrie der Kapillaren beeinflusst die Kugelbildung, den Durchmesser der verbundenen Kugel, die Interaktion der Kontaktflächen, die Schleifenbildung, die Drahthaftung und die Stabilität der zweiten Verbindung. Verschleiß oder Verunreinigungen können daher mehrere Defekte gleichzeitig verursachen.

Bei der Untersuchung eines vermuteten Kapillarproblems ist Folgendes zu dokumentieren:

• Vollständige Kapillarteilenummer und Zeichnungsrevision

• Drahtmaterial und Durchmesser

• Angesammelte Anleihen oder Betriebszeit

• Spitzen-, Fasen-, Loch- und Flächenbeschaffenheit

• Materialansammlung oder sichtbare Beschädigung

• Fehlerrate vor und nach dem Austausch

Drahtklemmen, EFO-Elektroden, Wandler, Heizgeräte, Kameras, Beleuchtung, Werkstückhalter und Handhabungskomponenten können ebenfalls die Prozessstabilität beeinflussen. Drahtbondgeräteteile und Kapillarkategorie bietet einen Ausgangspunkt für die Identifizierung geeigneter Werkzeuge und Ersatzteile.

Bedingungen, die einen Produktionsstopp erfordern

Den Vorgang unterbrechen und Beweise sichern, wenn:

• Ablösung des Pads, Kraterbildung oder Beschädigung der Matrize werden erkannt

• Derselbe Haftungsablösungs- oder Antihaftfehler tritt nach einem kontrollierten Zurücksetzen erneut auf.

• Drahtbrüche bergen die Gefahr von losem leitfähigem Material.

• Die Kapillare, der Wandler, die Klemme oder die EFO-Komponente ist sichtbar beschädigt.

• Die Kalibrierung mittels Kraft, Heizung, Ultraschall oder Sichtprüfung liegt außerhalb des zulässigen Zustands.

• Die Fehlerrate ändert sich nach einem Material- oder Werkzeugloswechsel sprunghaft.

• Ein Maschinenalarm wird wiederholt umgangen, ohne dass seine Ursache ermittelt wird.

• Der Prozess besteht die Sichtprüfung, fällt aber bei der erforderlichen mechanischen oder elektrischen Prüfung durch.

Die Fortsetzung der Produktion bei gleichzeitiger Erhöhung der Prozessenergie kann dazu führen, dass ein behebbares Verbindungsproblem in eine Beschädigung der Kontaktfläche, Werkzeugverschleiß oder ein größeres Zuverlässigkeitsrisiko mündet.

Häufig gestellte Fragen zu Drahtbondfehlern

Was ist der erste Schritt, wenn NSOP plötzlich ansteigt?

Bewahren Sie die fehlerhaften Proben auf und dokumentieren Sie die letzten Änderungen. Überprüfen Sie die Padoberfläche, die Freiluftblase, die Kapillare und die betroffenen Stellen, bevor Sie die gesamte Kleberezeptur ändern.

Beweist ein hoher Zugkraftwert, dass die Drahtverbindung gut ist?

Nicht für sich allein. Auch der Ort und die Art des Fehlers sind wichtig. Ein hohes Ergebnis in Verbindung mit Ablösung des Bremsbelags, Kraterbildung oder anderen strukturellen Fehlern kann auf einen inakzeptablen Prozess hinweisen.

Sollte die Ultraschallleistung erhöht werden, wenn eine Verbindung nicht hält?

Nicht automatisch. Schlechte Haftung kann durch Verunreinigungen, Oxidation, Kapillarverschleiß, instabile Kugelbildung, unzureichende Unterstützung oder den Zustand des Geräts verursacht werden. Eine Leistungserhöhung ohne Ursachenermittlung kann das Pad beschädigen.

Kann eine neue Kapillare sowohl Defekte erster als auch zweiter Bindung beheben?

Es kann zwar durch Verschleiß, Verunreinigungen oder ungeeignete Geometrie verursachte Defekte beheben, aber nicht jedes Material-, Verpackungs-, Kalibrierungs- oder Prozessproblem. Vergleichen Sie das Ergebnis mit einer unter kontrollierten Bedingungen geprüften Kapillare.

Warum tritt der Defekt nur in einem Bereich der Verpackung auf?

Ein ortsspezifisches Muster kann auf die Unterstützung des Werkstückträgers, die Temperaturverteilung, Verformungen des Gehäuses, die Ausrichtung der Sicht, den lokalen Oberflächenzustand oder bewegungsbedingte Abweichungen hinweisen. Erfassen Sie die Fehlerposition, bevor Sie globale Parameter ändern.

Abschließende Empfehlung

Die Fehlersuche bei Drahtbondverbindungen sollte auf Fakten basieren, nicht auf bloßen Parameterschätzungen. Identifizieren Sie die Fehlerstelle, bewahren Sie den Fehlerzustand, unterscheiden Sie Material- und Werkzeugprobleme von Maschinen- und Prozessproblemen und ändern Sie jeweils nur einen kontrollierbaren Faktor.

Setzen Sie Sichtprüfung, Fehlermodusanalyse, Zug- oder Scherversuche und Maschinendiagnose kombiniert ein. Eine Korrekturmaßnahme ist erst dann abgeschlossen, wenn das angestrebte Verbindungsergebnis über wiederholte Zyklen und repräsentative Produktionsbedingungen hinweg stabil bleibt.

Verfügbar DrahtbondiergerätWerkzeuge und Ersatzteile können im Hinblick auf den betroffenen Prozess überprüft werden. Um einen Maschinenfehler oder einen wiederkehrenden Bondfehler zu besprechen, senden Sie bitte das Bonder-Modell, Fotos des Fehlers, Informationen zu Drähten und Kapillaren, Alarmdetails und Informationen zu den letzten Prozessänderungen über das entsprechende Formular. Kontaktseite für Halbmaschinen.