Thermomechanische Beschreibung der Ausbildung einer intermetallischen Phase beim Ultraschall-Wedge-, Wedge-Drahtbonden im Rahmen der Theorie der materiellen Kräfte

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Interpretation und Beschreibung der Bildung von intermetallischen Phasen zwischen dem Drahtwerkstoff und der Substratmetallisierung während des Ultraschall (US)-Wedge/Wedge-Drahtbondens. Mit Hilfe von thermomechanisch gekoppelten Finite-Elemente (FE)-Simulationen werden hier die herrschenden Temperaturwerte während des Bondprozesses eingegrenzt sowie die im Draht und am Interface zwischen dem Draht und der Substratmetallisierung erzeugten Spannungs- und Dehnungszustände berechnet. Daraus ergibt sich eine maximale Temperatur von ca. 88 °C, welche jedoch nach dem klassischen Diffusionsgesetz für die Bildung der Au8Al3-Phase mit einer Dicke von etwa 30 bis 40 nm nicht ausreichend ist. Aus diesem Grund wird aus der Theorie der materiellen Kräfte ein linearer Zusammenhang zwischen der Massenflussrate und der thermomechanischen Kraft am Interface entwickelt, um die bondparameter- und zeitabhängige Ausbildung der intermetallischen Phasen mit den herrschenden mechanischen Spannungen zu koppeln. Darüber hinaus werden Bonduntersuchungen mit verschiedenen US-Leistungen sowie mit optimierten Parametern durchgeführt, die jedoch an bestimmten Bondzeitpunkten abgebrochen wurden. Anschließend werden die Dicken der sich dabei gebildeten intermetallischen Phasen experimentell ermittelt. Durch den Vergleich der FE-Simulationen mit den vermessenen IP-Dicken lässt sich ein Wachstumsgesetz für die Ausbildung der intermetallischen Phasen herleiten, mit dessen Hilfe die IP-Dicke nur durch Simulation der beim Bonden aufgezeichneten Deformationskurve prognostiziert werden kann. Zudem wird für diesen Bondprozess ein effektiver Diffusionskoeffizient in Abhängigkeit der Bondparameter und der thermomechanischen Kraft am Interface berechnet. Es ergibt sich betragsmäßig die gleiche Größenordnung wie bei der klassischen Diffusionsrechnung nach FICK, die für die Erklärung der Interfaceausbildung auf rein thermischem Weg eine Temperatur von 270 bis 330 °C erfordert.