Kupfer- oder Gold-Bonds? Ausfallanalyse an Leistungs-MOSFETs

Ausfallanalyse an Leistungs-MOSFETs
Ausfallanalyse an Leistungs-MOSFETs

In mikroelektronischen Bauteilen kommen aus Kostengründen immer öfter Bonddrähte aus Kupfer statt aus Gold zum Einsatz. Die Erfahrung hat gezeigt: Kupfer-Bonddrähte stellen eine brauchbare Alternative dar, allerdings sind zum Nachweis ihrer Zuverlässigkeit neuartige Ausfallanalyse-Techniken (FA, Failure Analysis) erforderlich, die den Besonderheiten des Kupfer-Bondprozesses Rechnung tragen.

Bonddrähte aus Kupfer sind in mikroelektronischen Bauteilen eine Alternative zu Bonddrähten aus Gold. Allerdings muss deren Zuverlässigkeit überprüft werden. Vishay hat einige neue, speziell für Bauteile mit Kupferdraht-Bonding-Technologie entwickelte FA-Techniken und Verfahren getestet, darunter eine Methode zur Analyse von Kupferdrähten und Kupferdraht-Bonds. Im Gegensatz zu früheren Techniken zerstört diese nicht die Testobjekte, sondern lässt sie intakt. In einem weiteren Verfahren, das auf der exakten Messung der Bonding-Tiefe relativ zur Metallisierung des Silizium-Wafer beruht, wird die Robustheit von Kupferdraht-Bonding-Technologien analysiert. Der Beitrag erläutert, warum Kupferdrähte eine andere Behandlung als Golddrähte erfordern, und beschreibt am Beispiel von Leistungs-MOSFETs die einzelnen Schritte von Ausfallanalysen mit aussagekräftigen Ergebnissen.

Analyse ohne Zerstörung

Zur Untersuchung der Ausfallursache muss man das Bauteilgehäuse öffnen. Die übliche Entkapselung, bei der das Gehäuse durch nasschemisches Ätzen entfernt wird, ist auf Produkte mit Kupferdraht-Bonding nicht anwendbar, weil die aus Salpetersäure austretenden Dämpfe bzw. Gase die Kupferdrähte schnell verätzen. Hierfür zeigt Bild 1 ein Beispiel: Das Bauteilgehäuse wurde in diesem Fall mit Hilfe von für Bauteile mit Gold-Bonddrähten entwickelten Methoden geöffnet. Man sieht stark und zum Teil sehr stark verätzte (angegriffene) Kupferdrähte.

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Ausfallanalyse an Leistungs-MOSFETs

In mikroelektronischen Bauteilen kommen aus Kostengründen immer öfter Bonddrähte aus Kupfer statt aus Gold zum Einsatz. Die Erfahrung hat gezeigt: Kupfer-Bonddrähte stellen eine brauchbare Alternative dar, allerdings sind zum Nachweis ihrer Zuverläss

Weil eine Entkapselung des Bauteils mittels Ätzen nachfolgende Analysen erschwert oder u.U. sogar unmöglich macht, ist eine korrosionsfreie Methode erforderlich. Bei einem der von Vishay getesteten Verfahren wurde zunächst die Vergussmasse teilweise mit Hilfe eines Lasers entfernt, danach die Chip-Oberfläche mit Hilfe einer optimierten nasschemischen Ätzmethode (Jet-Etching) freigelegt. Dieses Vorgehen minimiert die Schäden an Kupferdrähten und Bonds. Bild 2 zeigt einen nach dieser Methode freigelegten Chip. Dieses Verfahren lässt zwar die Kupferdrähte und Bonds intakt, hat jedoch einen Nachteil: Fremdkörper, die als Ausfallursache in Frage kommen, können selbst durch minimale Mengen nasser Chemikalien weggespült werden - womit keine Analyse möglich wäre. Die beste Möglichkeit zum Entkapseln von Bauteilen, um z.B. abgelöste Bonds, überschüssige Die-Attach-Klebstoffe, Oberflächenverschmutzung zu analysieren, ist eine Kombination aus Laser-Entkapselung und Plasma-Trockenätzen. Bild 3 zeigt ein nach dieser Methode entkapseltes Bauteil - mit unversehrter Chip-Oberfläche, mit Drähten und Bonds, die sich untersuchen lassen.

Ausfallanalyse im Detail

Bei defekten Bauteilen mit Kupferdraht-Bonds muss auch die Dicke der nach dem Bonding-Prozess verbleibenden Aluminium-Metallisierung untersucht werden. Die Mindestdicke der unter dem Kupferdraht-Bond verbleibenden Aluminiumschicht (Bondpad) hat wesentlichen Einfluss auf die Langzeitzuverlässigkeit von Produkten mit Kupferdraht-Bonds. Hierzu ist die FIB-Technologie (Focused Ion Beam, fokussierter Ionenstrahl) ein unverzichtbares Ausfallanalyse-Werkzeug.

Vishay hat Parallelschliff- und FIB-Querschnittsanalysemethoden zu einem FA-Prozess kombiniert, der ohne Nasschemie auskommt. Im Beispiel von Bild 4 wurde die Chip-Oberfläche freigelegt, indem man die Vergussmasse durch Parallelschleifen entfernte. Die untere rechte Hälfte des Chip ist noch von einer dünnen Schicht Vergussmasse bedeckt, da der Chip des untersuchten Bauteils eine leichte Neigung gegenüber der Gehäuseoberfläche aufwies.

Bild 5 zeigt einen FIB-Querschnitt durch einen Kupferdraht-Bond. Die Messung ergibt, dass die verbleibende Aluminiumschicht eine Mindestdicke von nur 0,125 μm aufweist. Ein derartiges „Over-Bonding“ sollte tunlichst vermieden werden - Voraussetzung dafür ist allerdings eine leistungsfähige Analysetechnik.

Eine schnellere Methode zur Bestimmung der Aluminiumschichtdicke unter den Kupferdraht-Bonds ist ein chemisches Ätzverfahren, das nur die Kupferdrähte wegätzt und die Aluminiumschicht intakt lässt, so dass man diese einer FIB-Querschnittsanalyse unterziehen kann. Vorteil dieses Verfahrens: Es legt sämtliche Bonds auf der gesamten Chip-Oberfläche frei und man kann wählen, an welchen Bonds man eine FIB-Querschnittsanalyse durchführen möchte.

Bild 6 zeigt eine Gesamtansicht der Chip-Oberfläche nach dem nasschemischen Ätzen; Bild 7 stellt den FIB-Querschnitt durch einen der Bond-Bereiche dar. Man beachte, dass die Korngrenze der oberen Aluminium-Metallisierung und das beim Bonden seitlich herausgequetschte Aluminium deutlich zu sehen sind. Das beweist, dass die Aluminiumoberfläche durch das Freilegen nicht verändert wurde.

Einen Bond-Querschnitt erhält man üblicherweise durch mechanisches Schleifen. Dabei ist oft zu beobachten, dass das Kupfer an der Kontaktstelle zwischen Kupfer-Bond und Aluminium-Bondpad „schmiert“. Dieses Problem lässt sich lösen, indem die betroffenen Stellen nach dem mechanischen Schliff einer FIB-Feinpolitur unterzogen werden (Bild 8).