PowerRibbon-Bond-Technologie Bonden von großen Alu-Bändchen verbessert Performance von Leistungshalbleitern

Gold-Ball-Wedge-Bonden und das ganzflächige Löten von Kupferbrücken (Cu-Clip) sind die am weitesten verbreiteten Verbindungstechnologien in Gehäusen für Leistungsbauteile kleiner als ein TO-252 (DPAK). Die steigenden Anforderungen an elektrische Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten zeigen jedoch Schwächen in allen derzeit verfügbaren Alternativen auf. Das Drahtbonden von dicken Aluminiumdrähten ist die Standardverbindungstechnologie für diskrete Leistungsbauteile in TO-XXX-Gehäusen. Diese Verbindungstechnik ist aufgrund ihrer elektrischen Effizienz, Flexibilität, Zuverlässigkeit und geringen Kosten eine wünschenswerte Alternative, konnte jedoch aufgrund der limitierten Platzverhältnisse in kleinen Gehäusen nicht eingesetzt werden.

Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Orthodyne Electronics

Das von Orthodyne Electronics entwickelte Bonden von großen Aluminiumbändchen (PowerRibbon) überwindet diese Einschränkungen und ermöglicht nun den effizienten Einsatz des bei Raumtemperatur durchgeführten Ultraschallbondens von Aluminium auch in kleinsten Gehäusen. Weitere Vorteile sind ein weites Prozessfenster und eine erhöhte Produktivität.

Packaging Trends

TO-XXX-Gehäuse bilden den Standard für diskrete Leistungsbauteile im mittleren Leistungsbereich. Im Zuge der Miniaturisierung ergab sich in den letzten 15 Jahren ein kontinuierlicher Wechsel von den größeren TO-220- zu den kompakteren TO-252-(D-PAK-)Gehäusen. Aluminium-(Al-)Dickdraht (125 bis 500 µm) ist die gängigste Verbindungstechnik für diese Gehäuse. Die Weiterentwicklung automatischer Drahtbonder und die Prozesserfahrung erlauben es heute, diese Bauteile zuverlässig und mit hoher Ausbeute kostengünstig zu verarbeiten. Im Gegensatz dazu ist Gold-(Au-)Ball-Wedge-Bonden mit Drahtdurchmessern von 25 bis 75 µm die am meisten verwendete Verbindungstechnologie in kleineren Bauteilen im niederen Leistungsbereich, insbesondere in SO-8-Gehäusen.

Fortschritte bei den Leistungshalbleitern erlaubten in den letzten Jahren kleinere Gehäuse in Leistungsbereichen wie sie bis dahin nur mit den größeren TO-XXX-Gehäusen möglich waren. Dieser Trend macht aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten Sinn: Bei konstanten Kosten per Wafer reduzieren sich die Kosten per Chip mit der Verringerung der Chipfläche. Ein kleinerer und/oder effizienterer Chip erlaubt kleinere Gehäuse. Diese beanspruchen eine geringere Fläche auf dem Board, was wiederum Kosten auf Systemebene einspart (Bild 1).

Die Einführung kleiner, tragbarer elektronischer Geräte wie PDAs, Handys und ähnlicher Consumer-Anwendungen sowie Produkte im Telekom- und PC-Bereich stellten höhere Anforderungen an Leistungsbauteile betreffend elektrischer Effizienz und verbessertem thermischem Verhalten unter begrenzten Platzverhältnissen, die mit existierenden Gehäusen nicht zu realisieren waren. Diese Erfordernisse gaben den Anstoß zu einer Reihe von Entwicklungen in der Gehäuse- und Verbindungstechnologie, mehrere davon mit dem Ziel, die bewährte Drahtverbindung zu ersetzen.

Derartige Bauteile erfüllen zwar die elektrischen Anforderungen, sind aber meist patentrechtlich geschützt und nur in nicht standardisierten Gehäusen verfügbar. Dies ist ihrer breiteren Verwendung hinderlich und verringert aufgrund der limitierten Stückzahlen das Kosteneinsparpotenzial. Selbst wenn elektrische und thermische Anforderungen erfüllt sind, müssen langfristig die Kosten den Marktanforderungen entsprechen. Dies fördert die Entwicklung neuer standardisierter Gehäuse und Verbindungstechnologien, die gute elektrische und thermische Effizienz sowie hohe Zuverlässigkeit aufweisen und dabei auch aus wirtschaftlicher Sicht den Marktanfordeungen entsprechen. PQFN-Gehäuse (Power Quad Flat Nolead) erfüllen diese Anforderungen.

Verbindungstechnologien

Das Verbinden mittels dünner Golddrähte verliert mehr und mehr an Attraktivität, speziell in kleinen Leistungsbauteilen, da auch diese zum Erreichen der elektrischen Anforderungen (geringer Verbindungswiderstand und hohe Stromtragfähigkeit) eine steigende Anzahl an Drähten erfordern würden. Die hohen Materialkosten werden durch den Bedarf an großen Drahtquerschnitten verstärkt. Ersetzen von Golddraht durch günstigeren Kupferdraht ermöglicht grundsätzlich geringere Kosten und bessere elektrische Eigenschaften. Jedoch erschweren spezifische Eigenschaften des Kupfers (Härte, Oxidation) den Bondvorgang, was wiederum Ausbeute und somit die Kosten negativ beeinflusst.

Eine gelötete Kupferbrücke (Cu-Clip) als Verbindungselement bietet zwar sehr gute elektrische Eigenschaften, jedoch sind Kosten, Flexibilität und Zuverlässigkeit mit Fragezeichen behaftet. Al-Dickdraht ist aufgrund seiner Flexibilität, der geringen Kosten und hohen Zuverlässigkeit zwar eine wünschenswerte Alternative, die kleinen und speziell niedrigen Gehäuse verhindern jedoch meist den Einsatz dicker Drähte.

Jede der existierenden Verbindungstechniken weist also Schwachstellen und Einschränkungen auf und eignet sich daher häufig nur für bestimmte Anwendungen. Der breite Markt für Massenanwendungen benötigt daher eine effektivere Verbindungstechnologie, die die Anforderungen hinsichtlich elektrischer und thermischer Effizienz als auch Kosten und Zuverlässigkeit erfüllen kann.

PowerRibbon-Bonden

PowerRibbon von Orthodyne Electronics ist eine Weiterentwicklung des Al-Dickdrahtprozesses wobei heute Al-Bändchen mit Abmessungen im Bereich 500 µm × 100 µm bis 2000 µm × 250 µm zum Einsatz kommen. Beim Ersatz des runden Drahtquerschnitts durch den rechteckigen Querschnitt des Bändchens werden die generellen Materialeigenschaften vergleichbar belassen. Die Veränderung der Querschnittsgeometrie hat zur Folge, dass die horizontalen Freiheitsgrade der Verbindung eingeschränkt, die vertikalen jedoch erweitert werden.

Unter horizontalem Freiheitsgrad versteht man die Möglichkeit, Drähte unter großen Winkeln auszulegen. Diese Flexibiliteät ist besonders für das Verbinden von TO-XXX-Gehäusen oder Multi-Chip-Modulen aufgrund deren komplexer Auslegung der Anschlüsse notwendig. Die Verbesserung der vertikalen Freiheitsgrade ist möglich durch die Entkopplung von Bändchenbreite und -dicke. Dies erlaubt eine Verbindung mit großem Materialquerschnitt (hohe Stromtragfähigkeit) und minimaler Anzahl von Verbindungen, die aufgrund der nun angepassten Dicke des Bändchens mit kleinsten Bauteil-Formfaktoren kompatibel ist.

Der Anwender ist nun in der Lage, die vom Al-Dickdrahtbonden bekannten Vorteile wie geringe Materialkosten, hohe elektrische und thermische Effizienz und Flexibilität auch in kleinsten Bauteilen wie SO-8 oder PQFN zu nutzen. Bild 2 zeigt, dass die PowerRibbon-Technologie die geometrischen Gegebenheiten eines Standard SO-8-Gehäuses gut komplementiert. Der breite Sourceanschluss entlang eines Großteils der Heatsink erlaubt mit der Bändchenverbindung, eine hohe Flächenbedeckung auf dem Chip zu erzeugen und gleichzeitig die Anzahl der kurzen, geraden Bändchen minimal zu halten.

Effizienz

Gemäß Tabelle 1 beträgt der elektrische Widerstand eines Bändchens mit 1000 µm × 100 µm und 1 mm Länge ca. 0,26 mΩ, während er für einen 50 µm Au-Draht mit etwa 11,35 Ω in etwa 43-fach höher ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die maximale Anzahl an 50-µm-Drähten, die in einem SO-8-Gehäuse gebondet werden kann, durch die Fläche des Source-Leads auf 20 bis 22 begrenzt ist. Für einen Chip mit den Dimensionen 6 mm × 4 mm und einer typischen Sourcemetallisierung mit 4 mm Dicke beträgt der Verbindungswiderstand einer Konfiguration mit zwei 1000 µm × 100 µm Bändchen mit zwei Stitch-Bonds auf dem Chip ungefähr 0,5 mΩ.

Dies entspricht in etwa dem Verbindungswiderstand von 18 Cu-Drähten mit 75 µm Drahtdurchmesser, der maximalen Anzahl von Drähten die in dieser Gehäusegröße gebondet werden können. Unter dem Gesichtpunkt, dass jede zu erstellende Verbindung eine gewisse Wahrscheinlichkeit für ein Bondproblem, Non-stick oder Cratering, aufweist, ist das Bändchenbonden eine attraktive Alternative. Wenn ein Bauteil bei hohen Frequenzen arbeitet, müssen auch der sogenannte Skin-Effekt und die Induktivität der Verbindung berücksichtigt werden.

Die Induktivität beeinflusst das Schaltverhalten des Bauteils. Der Skin-Effekt ist ein Verdrängen der Stromleitung hin zur Oberfläche des Verbindungselementes. Die Stromtragfähigkeit der Verbindung bei hohen Schaltfrequenzen verringert sich dadurch. Da die Oberfläche eines Bändchens mit rechteckigem Querschnitt bei identischer Fläche größer ist als bei einem runden Draht, ist dieser Effekt für die Bändchengeometrie weniger drastisch. Die Induktivität hängt von der Geometrie der Verbindung ab, wobei die Länge entscheident ist. Die flachen Bändchen verhalten sich dabei ähnlich einer Cu-Clip-Verbindung und bieten damit eine höhere Effizienz als bei Drahtalternativen.

Zuverlässigkeit

Großflächige Verbindungen auf der Chipober- und -unterseite können durch entsprechende Materialwahl und das Design zuverlässig ausgelegt werden. Eine Draht- oder Bändchenverbindung auf der Chipoberseite weist jedoch aufgrund der mechanischen Flexibilität der Verbindung unter Last grundsätzlich eine höhere Zuverlässigkeit auf. Mit PowerRibbon gebondete Standard-SO-8- und PQFN-Bauteile haben in einer Anzahl von unabhängigen Tests die folgenden Zuverlässigkeitsprüfungen ohne Ausfall an der Bondverbindung überstanden:

• Temperaturzyklen (500 Zyklen @ -65°C/+150°C)
• Hochtemperaturauslagerung (1000 Stunden @ 175°C)
• Pressure Cooker Test (168 Stunden @ Ta=121°C, RH=100%, 15 PSIG)
• Moisture Sensitivity Level 2 (MSL2)

Durch die monometallische Al-Verbindung auf dem Chip sind mit PowerRibbon auch Sperrschichttemperaturen von 175 °C möglich, wie sie typischerweise für Bauteile in Automobilanwendungen gefordert werden. Eine Voraussetzung ist dabei, dass die Gate-Verbindung ebenfalls mit Al-Draht verbunden ist.

Kosten

Alle heute verwendeten Verbindungstechnologien weisen Schwächen in zumindest einer Kostenkategorie auf. Die hohen Materialkosten stellen das Hauptproblem für Au-Drahtverbindungen dar. Mit 13,57 € pro Gramm Gold, einer gesamten Drahtlänge von insgesamt 22 mm pro Bauteil und 50 µm Durchmesser entsprechen die Kosten der Verbindung in etwa 1,3 Cent. Bei einem Drahtdurchmesser von 75 µm steigen die Kosten auf etwa 2,3 Cent pro Bauteil.

Im Vergleich dazu sind die gegenwärtigen Kosten für eine Konfiguration mit zwei 1000 µm × 100 µm Al-Bändchen mit je 3,5 mm Länge mit ca. 0,15 Cent um etwa einen Faktor 10 geringer. Es darf erwartet werden, dass diese Kosten mit zunehmender Marktakzeptanz und entsprechend höheren Volumina noch reduziert werden.

Eine Verbindung mittels Cu-Clip benötigt zusätzliche Prozessschritte im Waferprozess. Die damit verbundenen Kosten belaufen sich auf etwa 15,40 € pro 6“-Wafer, was bei einer Chipgrösse von 6 mm² etwa 0,77 Cent pro Bauteil ausmacht. Ein Cu-Clip, der speziell auf eine bestimmte Chipkonfiguration zugeschnitten ist, ist unflexibel, wird nur in limitierten Mengen benötigt, und ist daher teuer. Ein Cu-Clip der für mehrere unterschiedliche Chip-Konfigurationen verwendet wird, kann dagegen nur schwer optimiert werden, was widerum die elektrische Effizienz beeinträchtigt. Diese Verbindungstechnik ist daher für hochleistungsfähige Applikationen interessant, für die Mehrheit der Anwendungen jedoch weniger attraktiv.

Die Kosten für Cu-Draht entsprechen etwa einem Zehntel derer eines vergleichbaren Au-Drahtes. Jedoch sind im Vergleich zum Golddraht-Bonden die Prozessausbeute und die Prozessgeschwindigkeit geringer. Zusätzlich verlangt der Cu-Bondprozess eine Schutzgasatmosphäre, um eine Oxidation während des Bondprozesses zu verhindern. Diese zusätzlichen Vorkehrungen erhöhen die Kosten, können aber die Empfindlichkeit des Cu-Bondprozesses, speziell bezüglich Muschelausbrüchen, wenn auf aktiven Oberflächen gebondet wird, nicht eliminieren.

Das Ultraschallbonden von Al-Drähten ist dagegen für seinen sanften Bondprozess bekannt und wird weitläufig für das Bonden über aktiven Oberflächen verwendet. PowerRibbbon ist aufgrund der gegebenen Geometrie des Materials sogar eher sanfter, als der Al-Drahtbondprozess und bringt zusätzlich den Vorteil, dass insgesamt weniger Bondstellen notwendig sind und damit – vor allem auch verglichen zum Cu-Bondprozess – das Ausbeuterisiko erheblich verringert wird.

Siegbert Haumann ist verantwortlich für Produkt-Marketing, Christoph Lüchinger für strategische Entwicklung bei Orthodyne Electronics, Edling.

(ID:201353)