Elektronikfertigung Der Drahtbondtest mit kapazitiven Testmethoden

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Das Drahtbonden ist in elektronischen Geräten, in der Halbleiterindustrie und in der Mikroelektronik weit verbreitet. Es ermöglicht Verbindungen zwischen dem Die und anderen elektronischen Komponenten in einer integrierten Schaltung (IC). Gefragt sind effektive Testmethoden für Drahtbonds.

Der Halbleiter- und Elektronikfertigungsmarkt wächst weiter rasant. Laut einem aktuellen Bericht von Fortune Business Insights soll der Halbleitermarkt bis 2032 einen Wert von über 2.062,59 Mrd. US-Dollar erreichen. Mit steigender Nachfrage wird das Testen von Drahtbondverbindungen immer wichtiger. Diese Verbindungen sind essenziell, da sie den Halbleiterchip mit Gehäuseanschlüssen oder dem Substrat verknüpfen. Fehler in den Verbindungen können zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen führen und die Bauteilfunktion einschränken. Das Testen dieser Bonds sichert nicht nur die Zuverlässigkeit und senkt Produktionskosten, sondern stellt auch die Konformität mit Industrienormen sicher.

Beim Drahtbonden wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Bondpad eines Chips und einem entsprechenden Pad auf dem Gehäusesubstrat oder einem anderen Chip hergestellt. Häufige Fehler bei Drahtbonds sind:

• Drahtdurchhang (Wire Sag): Der Draht dehnt sich unter Spannung oder hängt durch. Dies führt zu unzureichendem Kontakt und beeinträchtigter elektrischer Funktion.

• Drahtverschiebung (Wire Sweep): Seitliche Bewegungen des Drahts während des Bondprozesses können zu Fehlausrichtungen und unzuverlässigen Verbindungen führen.

• Schleifenbildung (Loop Formation): Unbeabsichtigte Drahtüberschüsse verursachen Schleifen, was die Verbindungsqualität und die Bauteilfunktion beeinträchtigt.

• Drahtkurzschlüsse (Wire Shorts): Tritt auf, wenn zwei Drähte versehentlich Kontakt haben, was zu Schaltungsfehlern oder Bauteilversagen führen kann.

• Drahtunterbrechungen (Wire Open): Hierbei wird ein Draht unterbrochen, der mit einem Pad verbunden sein sollte, was zu einem offenen Stromkreis und Störungen der Bauteilfunktion führt.

Ein Überblick über die Testmethoden von Drahtbondfehlern

Zu den gängigsten Methoden zum Testen von Drahtbondfehlern zählen die optische/Röntgeninspektion mit Automated X-ray Inspection (AXI) und elektrische Testmethoden mit Automated Test Equipment (ATE). AXI nutzt Röntgenstrahlen, um Drahtverbindungen zu durchdringen und detaillierte Bilder zu erzeugen. Dadurch lassen sich versteckte Defekte wie Fremdmaterial, Hohlräume und Fehlstellen aufspüren. Diese Methode ist zerstörungsfrei und ideal für die Inspektion komplexer Baugruppen. Ihre Nachteile sind jedoch die vergleichsweise langsame Geschwindigkeit, hohe Kosten sowie Bedenken bezüglich der Strahlensicherheit.

ATE prüft die elektrischen Eigenschaften von Drahtbonds und erkennt Probleme wie offene Stromkreise, Kurzschlüsse und Leistungsminderungen. Diese Methode ist schnell, konsistent und programmierbar, was sie ideal für die Massenproduktion macht. Allerdings kann sie strukturelle und mechanische Defekte nicht identifizieren. Neben elektrischen und optischen Testverfahren gibt es weitere Techniken zur Bewertung von Drahtbonds:

• Der Wire- und Bond-Pull-Test misst die Zugfestigkeit von Wirebonds oder Ribbonbonds.

• Mit dem Ball-Shear-Test wird die Festigkeit des Ball-Bonds analysiert.

• Der Thermo-Cycling-Test bewertet die Dauerhaftigkeit der Bonds, indem sie wechselnden Temperaturen ausgesetzt werden.

• Der Stress-Test beurteilt die thermische Beständigkeit und mechanische Belastbarkeit von Wirebonds über die Zeit.

Bei kapazitiven Tests werden die Kopplungseigenschaften zwischen metallischen Oberflächen genutzt, wie Drahtbonds und einer über dem IC positionierten Metall- oder Sensorplatte. In diesem Aufbau wird jeder Pin und Draht des ICs als elektrisch leitende Platte eines Kondensators betrachtet. Es lassen sich Defekte erkennen, die mit traditionellen ATE- und Röntgenverfahren unsichtbar bleiben. Das können Beinahe-Kurzschlüsse zwischen Drahtbonds und internen Anschlüssen oder vertikal durchhängende Drähte sein. Zusätzlich decken kapazitive Tests Probleme wie falsche Dies und Unregelmäßigkeiten in Vergussmassen auf.

Drahtbonddefekte mit kapazitiver Kopplung erkennen

Die Theorie zur Erkennung von Drahtbonddefekten mit kapazitiver Kopplung ist einfach. Es wird elektrische Energie durch ein gemeinsames elektrisches Feld zwischen zwei Leitern übertragen, nicht durch eine direkte Verbindung. Dies erlaubt die Kommunikation oder Signalübertragung zwischen physisch nicht verbundenen Komponenten. Diese Methode wird bei Drahtbondtests angewandt, indem die Kapazität zwischen zwei leitenden Flächen gemessen wird: einer kapazitiven Struktur über dem Drahtbondbereich und dem leitfähigen Pfad, der mit dem Drahtbond verbunden ist. Durch die Analyse der kapazitiven Reaktion können Zustand und Positionierung von Drahtbonds in gekapselten ICs bewertet werden.

Die Vectorless Test Enhanced Probe (VTEP), wie in Bild 1 dargestellt, ist ein Beispiel für diese Technologie. Der Tastkopf setzt auf fortschrittliche kapazitive und induktive Sensortechniken, um die elektrischen Eigenschaften von Komponenten und Verbindungen auf PCBs zu erkennen und zu messen. Im Gegensatz zu traditionellen Testmethoden, die detaillierte Eingangs-/Ausgangsvektoren benötigen, arbeitet die VTEP ohne diese Vektoren und bietet dabei exzellente Signal-Rausch-Verhältnisse.

In Bild 2 wird gezeigt, wie die Lösung kapazitive und induktive Sensortechniken nutzt, um den Kapazitätswert des Drahtbonds zu erkennen und zu messen. Der Stimulus wird über die Guard-Pins in den Leadframe eingespeist und bewegt sich dann zum Drahtbond. Sobald der Verstärker die Sensorplatte, eine kapazitive Struktur, berührt, wird der Stromkreis geschlossen und die Kopplungsantwort aufgenommen. Der Electrical Structural Tester (EST) wendet kapazitive und induktive Sensortechniken an, ergänzt durch einen statistischen Algorithmus für die Bauteil-Durchschnittsprüfung (Part Average Test, PAT). Ausgehend von einer Reihe bekannter guter Bauteile lernt der EST den grundlegenden Drahtbondtest. So kann der Anwender alle Abweichungen der Drahtbonds erkennen, wie etwa den Beinahe-Kurzschluss. Ein solches Testgerät ist in Bild 3 dargestellt.

Vorteile und Grenzen kapazitiver Tests

Das kapazitive Testverfahren ist besonders effektiv bei Gehäusen mit peripherer Leitungsanordnung, wie dem Dual In-line Package (DIP) und Quad-Flat Package (QFP). Bei diesen sind die Anschlüsse ringsum oder neben dem IC angeordnet. In dieser Konfiguration, bei der die Drahtverbindungen nur in einer Schicht um den Chip herum liegen, lassen sich kapazitive Kopplungssignale zur Bestimmung der Drahtbondposition einfach und präzise messen.

Mit wachsendem technologischem Fortschritt und komplexeren IC-Designs sind jedoch fortgeschrittene Gehäusetypen wie das Ball Grid Array (BGA) entstanden, bei denen Drähte in mehreren Lagen gestapelt sind. Diese komplexere Anordnung der Drahtbonds erschwert die Messung kapazitiver Kopplungssignale, da es zu einer Überlappung von Drahtlagen kommt und das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt werden kann (siehe Bilder 4 und 5). Daher ist die Berücksichtigung der Drahtbondanordnung entscheidend, bevor man sich für die kapazitive Kopplungstestmethode entscheidet. Bei komplexen Gehäusetypen wie BGA könnten alternative Testverfahren erforderlich sein, um genaue Messungen und eine zuverlässige Fehlererkennung sicherzustellen.

Screening von Drahtbonddefekten für die Mikroelektronik

In der Mikroelektronik ist das Drahtbonden entscheidend, und mit dem prognostizierten Marktwachstum steigt der Bedarf an effizienten Testmethoden. Traditionelle AXI- und ATE-Systeme bieten wertvolle Einblicke, weisen jedoch Einschränkungen auf. Verschiedene IC-Deformationsfehler erfordern spezialisierte Testansätze. ATE-Systeme sind ideal für die Erkennung elektrischer Defekte wie offene, kurzgeschlossene oder fehlende Leitungen in Hochproduktionsumgebungen. Sie können jedoch keine Probleme wie zusätzliche oder verirrte Drähte, sogenannte Beinahe-Kurzschlüsse oder durchhängende Drähte identifizieren. Daher könnte ein IC während der ATE-Tests als funktionstüchtig erscheinen, obwohl er es möglicherweise nicht ist.

AXI-Systeme bieten die Möglichkeit, alle Drahtbondfehler zu erkennen, erfordern jedoch manuelle Sichtprüfungen, die personalintensiv und fehleranfällig sind. Für die Inspektion jeder Charge wäre das in der Massenproduktion zu zeitaufwendig, was zu Engpässen führt und AXI auf Stichproben beschränkt. Kapazitive Tests bieten Lösungen für beide Herausforderungen, indem sie Defekte aufdecken, die traditionelle ATE- und Röntgensysteme übersehen, wie Beinahe-Kurzschlüsse und vertikal durchhängende Drähte. Diese Tests können zudem Probleme wie falsche Dies und Vergussmassen aufdecken, was die Diagnosemöglichkeiten erweitert. Kombiniert mit statistischer PAT-Analyse ermöglicht diese Testmethode die Erkennung elektrischer und nicht-elektrischer Defekte effizient und mit hohem Testdurchsatz, geeignet für hohe Produktionsraten. (heh)

* Shawn Lee ist Produktmanager bei Keysight Technologies.

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