Experimentelle Untersuchung des Ultraschall-Drahtbondens

Neben den klassischen Methoden der experimentellen Versuchsplanung beim Ultraschall-Drahtbonden wie dem Design of Experiment (DoE), der Durchführung von Scher- und Pulltests und der optischen Beurteilung der Bondverbindung durch Mikroskopaufnahmen wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten am Lehrstuhl zahlreiche ergänzende Experimente und Messungen zur Untersuchung des Einflusses der Bondprozess-Parameter auf die Verbindungsqualität durchgeführt:

• Experimentelle Schwingungs- und Modalanalyse mittels Laservibrometrie,
• Niederfrequente Bondversuche (<1 kHz) zur Messung der dynamischen Prozesskräfte und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen vom Bondprozess für Motion-Tracking-Analysen,
• Analyse der Ultraschall-Werkstoffentfestigung („Ultrasonic Softening“) für die Parametrierung von Simulationsmodellen.

Die experimentelle Schwingungs- und Modalanalyse ist ein wichtiges Instrument, um den Einfluss von Untergrundschwingungen auf die Bondqualität während des Bondens zu untersuchen. Um Schädigungen wie die Delamination des Untergrundes oder Beschädigungen bereits gesetzter Verbindungen zu vermeiden und die Ultraschallleistung so effektiv wie möglich in die Fügezone einzuleiten, sollte die Schwingungserregung des Untergrundes so gering wie möglich sein. Durch Bondversuche auf einem Kupfer-Stab konnte der Einfluss von Untergrund-Resonanzen auf das Schwingverhalten während des Bondens untersucht werden. Hierbei stellte sich heraus, dass das „überresonante“ Bonden vorteilhaft ist, um Untergrundschwingungen zu reduzieren.

Neben der Schwingungsanalyse während des Bondens ist auch die Messung der Prozesskräfte für die Analyse des Verbindungsaufbaus beim Drahtbonden interessant. Die dynamische Kraftmessung bei Ultraschall-Frequenzen ist durch die notwendige Kalibrierung der Kraftsensoren in diesem Frequenzbereich mit sehr hohem Aufwand verbunden. Aus diesem Grund wurde am Lehrstuhl ein Prüfstand zur Untersuchung der Bondphasen beim niederfrequenten Drahtbonden entwickelt, welcher auf einer modifizierten Zug-Druck-Prüfmaschine basiert: Statt eines Ultraschall-Transducers kommt hier ein elektrodynamischer Shaker zum Einsatz. Die grundlegenden Abläufe beim niederfrequenten Drahtbonden sind denen des herkömmlichen US-Drahtbondens gleich. Die niedrige Anregefrequenz ermöglicht die Messung der Prozesskräfte mit herkömmlichen piezoelektrischen Kraftsensoren, welche für den Frequenzbereich von bis zu 20 kHz am Lehrstuhl dynamisch kalibriert wurden. Neben der Messung der Prozesskräfte wird der Prüfstand für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen genutzt, welche die Verfolgung der Prozessabläufe in guter Auflösung ermöglicht.

Veröffentlichungen des Lehrstuhls zu diesem Forschungsbereich finden Sie hier:

• Effects of different working frequencies on the joint formation in copper wire bonding.
• Numerical and experimental investigations in ultrasonic heavy wire bonding.