Reinhard Schemmel

Enhanced process development by simulation of ultrasonic heavy wire bonding


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ISBN:

978-3-8440-8527-3

Series:

Schriften des Lehrstuhls für Dynamik und Mechatronik
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. habil. Walter Sextro
Paderborn

Volume:

Keywords:

ultrasonic thick wire bonding; bond formation; ultrasonic softening effect

Type of publication:

Thesis

Language:

English

Pages:

174 pages

Figures:

56 figures

Weight:

257 g

Format:

21 x 14,8 cm

Binding:

Paperback

Price:

48,80 € / 61,10 SFr

Published:

April 2022

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Abstract:

Das Ultraschall-Dickdrahtbonden mit Aluminiumdraht ist ein Standardverfahren zur elektrischen Kontaktierung von Leistungshalbleitermodulen. Die steigenden Anforderungen an die Effizienz und Zuverlässigkeit der Module haben zu technologischen Weiterentwicklungen geführt und es werden vermehrt Kupferdrähte mit wesentlich besseren elektrischen und thermischen Eigenschaften eingesetzt. Hieraus resultieren durch höhere Prozesskräfte und Ultraschallleistung neue Herausforderungen bei der Prozessentwicklung; hierfür wird ein Simulationsmodell zur Verbesserung der Prozessentwicklung entwickelt.
In Ultraschall-Drahtbondversuchen mit 400 μm Aluminium und Kupfer Drähten wurde der Einfluss der Prozessparameter auf die Bondqualität untersucht; diese Ergebnisse und zusätzliche Messungen der Drahtdeformation und Schwingungen wurden für die Formulierung der Anforderungen und zur Validierung der Ergebnisse des Simulationsmodells genutzt.
Es wurde ein Prozessmodell, basierend auf einer Co-Simulation zwischen MATLAB und ANSYS, entwickelt; hierbei wurden die physikalischen Phänomene wie die Ultraschall Werkstoffentfestigung, der Verbindungsaufbau und die dynamischen Systemeigenschaften abgebildet. Basierend auf einer Zug-Druck-Prüfmaschine wurde ein Prüfstand zur Identifikation der Modellparameter entwickelt. In zusätzlichen Druckversuchen mit den Bonddrähten mit und ohne Ultraschallanregung wurde die Reduktion der Umformkräfte unter Ultraschalleinfluss untersucht.
Mit dem entwickelten Prozessmodell wurden die Parameterstudien aus den Ultraschall-Drahtbondversuchen simuliert und direkt mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, wobei sich eine relativ gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung sowohl für Aluminium, als auch für Kupfer, erzielen ließ.

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