Beim Golddrahtbonden handelt es sich um ein etabliertes Verfahren der Halbleitertechnik, um elektrische Verbindungen zwischen dem Mikrochip und den Anschlüssen des Gehäuses (z. B. Leadframe oder Substrat) herzustellen. Dabei wird ein feiner Golddraht mittels thermischer Energie, Druck und Ultraschall präzise auf die Kontaktflächen (Bondpads) geschweißt. Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit eignet sich Gold besonders gut für zuverlässige und langlebige Verbindungen in der Leistungselektronik und Optoelektronik.
Für das Golddrahtbonden stehen bei Multi-CB die Leiterplatten-Oberflächen ENEPIG und galvanisch Softgold zur Verfügung.
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Bonden mit Golddraht Prozessablauf
Das Golddrahtbonden wird als Thermoschall-Verfahren auf automatisierten Bondmaschinen durchgeführt. Eine feine Kapillarnadel führt den Golddraht präzise zum ersten Bondpad. Durch die simultane Einwirkung von Ultraschallenergie, Anpresskraft und Temperatur (typisch 120–220 °C) wird die Oxidschicht auf der Metallisierung aufgebrochen und eine intermetallische Verbindung zwischen Gold und Pad-Metallisierung erzeugt. Nach dem ersten Bondpunkt wird der Draht zu einer definierten Schleife geführt und auf dem zweiten Pad (z. B. Substrat oder Leadframe) befestigt. Anschließend wird der Draht mittels Klemmmechanismus abgerissen, wobei ein kontrollierter Drahtrest für den nächsten Bondzyklus verbleibt.
Charakteristika von Gold als Bonddraht
Gold (Au) wird aufgrund spezifischer physikalischer Eigenschaften als Bonddrahtmaterial eingesetzt. Mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 45 × 10⁶ S/m gewährleistet Gold eine geringe ohmsche Verlustleistung in der Verbindung. Entscheidend für die Zuverlässigkeit ist die chemische Beständigkeit: Gold bildet keine native Oxidschicht und zeigt eine hohe Korrosionsresistenz gegenüber Umgebungseinflüssen. Die geringe Vickershärte (ca. 60–100 HV) und die hohe Duktilität ermöglichen die definierte Deformation des Drahtes während des Bondprozesses sowie die Realisierung niedriger Schleifenhöhen ohne Materialermüdung.
Einfluss von Oberflächenkontaminationen auf das Golddrahtbonden
Die Qualität der Bondverbindung wird maßgeblich durch den Zustand der Pad-Oberflächen bestimmt. Organische Rückstände (z. B. aus der Chipherstellung) oder Oxidschichten auf der Aluminium-Metallisierung reduzieren die Oberflächenenergie und behindern die intermetallische Phasenbildung. Dies äußert sich in fehlender Haftung (Non-Stick on Pad / NSOP) oder in Delaminationen (Lifts) an der Grenzfläche. Zur Vermeidung dieser Defekte wird eine Plasmaprozess vor dem Bonden eingesetzt: Durch Ionenbeschuss (z. B. Argon- oder Sauerstoffplasma) werden Kontaminationen abgetragen und die Oberfläche aktiviert, wodurch reproduzierbare Haftungsbedingungen geschaffen werden.
Qualitätssicherung beim Golddrahtbonden
Die Validierung von Bondverbindungen erfolgt durch zerstörende mechanische Tests nach definierten Normen (z. B. MIL-STD-883 oder DIN EN 62137). Beim Drahtzugtest wird der gebondete Draht mittels Haken bis zur Materialtrennung belastet; die gemessene Bruchkraft muss einen spezifischen Grenzwert überschreiten. Der Ball-Schertest quantifiziert die laterale Festigkeit des ersten Bondpunktes, indem ein Scherwerkzeug den Bondball parallel zur Pad-Oberfläche abdrückt. Die resultierenden Scherkräfte geben Aufschluss über die Qualität der intermetallischen Phasenbildung und dienen der statistischen Prozesskontrolle (SPC) in der Serienfertigung.
Golddrahtbonden FAQ
Beim Golddrahtbonden (auch Gold Wire Bonding genannt) werden hauchdünne Golddrähte (ca. 15-75 µm dick) verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen einem Mikrochip und dem Gehäuse (Leadframe) einer Leiterplatte herzustellen. Es ist das Standardverfahren, um integrierte Schaltungen mit der Außenwelt zu verbinden.
Gold bietet entscheidende Vorteile: Es ist extrem korrosionsbeständig (es oxidiert nicht), lässt sich auch bei sehr geringen Kräften und Temperaturen gut verformen und bietet eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Dadurch ist die Verbindung extrem zuverlässig und langlebig.
Der Prozess erfolgt thermosonisch. Das bedeutet, es wird eine Kombination aus Wärme (meistens zwischen 150°C und 250°C), Ultraschall und Druck eingesetzt. Der Golddraht wird durch eine Nadel (Kapillare) geführt. Am Drahtende wird mittels einer Flamme oder Funken eine Kugel geschmolzen, die dann auf den Chip-Anschluss (Pad) gepresst wird. Die zweite Verbindung (zum Gehäuse) wird dann als Keilnaht (wedge bond) ausgeführt.
Ja, gängige Alternativen sind Kupfer- oder Aluminiumdrähte. Kupfer ist günstiger und hat eine bessere elektrische Leitfähigkeit, ist aber härter und erfordert mehr Energie beim Bonden. Aluminium wird oft für Leistungsanwendungen genommen. Gold wird trotz des höheren Preises vor allem dort eingesetzt, wo höchste Zuverlässigkeit gefordert ist oder die Chip-Pads sehr empfindlich sind, da der Bondprozess mit Gold besonders materialschonend ist.
Golddrahtbonden wird typischerweise in Hochfrequenztechnik, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Automotive-Bereichen eingesetzt. Es ist ideal für alle Baugruppen, die extremen Temperaturschwankungen standhalten müssen oder bei denen ein Ausfall durch Korrosion unbedingt vermieden werden muss (z. B. in LED-Modulen, Sensoren oder Hochleistungsprozessoren).