Drahtbonden – ein Thermokompressionsverfahren für Elektronikbauteile
Beim Thermokompressionsverfahren oder auch Thermokompressionsschweißen handelt es sich um ein Schmelzschweißverfahren, welches insbesondere beim dauerhaften Zusammenfügen von empfindlichen Elektronikbauteilen wie dem Drahtbonden zum Einsatz kommt. Alternative Schweißverfahren, die ebenfalls eine dauerhafte Verbindung zweier Bauteile untereinander ermöglichen, kommen aufgrund verschiedener Gründe in diesem Bereich häufig nicht in Frage. Ein Beispiel hierfür ist das Laserschweißverfahren, welches in der Regel derart hohe Temperaturen erzeugt, dass elektronische Bauteile wie etwa Chips hierbei einen Schaden erleiden können. Das Thermokompressionsschweißen ist da anders: Es ähnelt im Prinzip dem Lichtbogenbolzenschweißen, weil es sich hierbei ebenfalls um ein Pressschweißverfahren handelt. Beim Thermokompressionsschweißen werden jedoch nicht die Kontaktpunkte an den Bauteilen selbst geschmolzen, sondern es wird vor allem bei elektronischen Bauteilen mit einem Draht gearbeitet. Daher rührt auch die spezifische Bezeichnung des Teilaufgabenbereichs "Drahtbonden". Wie genau das Verfahren funktioniert und welche Vorteile und Schwierigkeiten berücksichtigt werden müssen, wird nachfolgend erklärt.
Die Funktionsweise des Thermokompressionsschweißens beim Drahtbonden
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich in erster Linie auf das Thermokompressionsschweißen, welches bei der Fertigung von Elektronikbauteilen zum Einsatz kommt. Hierbei spricht man auch vom sogenannten Drahtbonden, wobei vorrangig das Verfahren gemeint ist, bei dem Chips mit dem jeweiligen Gehäuse kontaktiert werden. Dafür wird zunächst ein feiner Golddraht durch eine sogenannte Kapillardüse geführt und dabei von unten über eine kontrollierte Hitzequelle erwärmt. Durch die Erwärmung schmilzt der Draht zu einer Kugel, die anschließend bei der ersten Schweißung auf die Kontaktstelle gepresst wird. Diese Kontaktstelle wird auch als Bondinsel bezeichnet. Um nun eine Verbindung mit einer weiteren Bondinsel bzw. Kontaktstelle herstellen zu können, wird die Kapillardüse wieder nach oben geführt und in einem Halbkreis auf die nächste Kontaktstelle gebracht. Dort erfolgt wiederum ein neuerliches Andrücken mit anschließendem Abschneiden des Drahtes. Verwendet wird beim Thermokompressionsschweißen im Zusammenhang mit Elektronikbauteilen bzw. dem Drahtbonden ausschließlich feiner Golddraht. Dieser wird bei Temperaturen von um die 350°C verarbeitet. Der Vorteil von Golddraht besteht darin, dass er resistent gegenüber Oxidationsvorgängen und damit für die Fertigung von Elektronikbauteilen geeignet ist. Theoretisch wäre es auch möglich andere Materialien zu verwenden, allerdings wäre dies nur mit großem technischen Aufwand möglich, der sich aus Kostensicht meist nicht rechtfertigen lässt.
Vor- und Nachteile vom Drahtbonden als Variante des Thermokompressionsschweißens
Bei der Fertigung von Elektronikbauteilen mithilfe des Thermokompressionsschweißens sind eine Reihe von Vor- und Nachteilen gegenüber anderen Verfahren und Methoden zu benennen. Gegenüber dem Laserschweißverfahren bringt das Thermokompressionsschweißen bzw. das Drahtbonden den Nachteil des Material- und Werkzeugverschleißes mit sich. Auf der anderen Seite sind die geringeren Arbeitstemperaturen, die beim Thermokompressionsschweißen erzeugt bzw. benötigt werden, den oftmals empfindlichen Bauteilen zuträglicher. Zu den weiteren Vorteilen neben dem niedrigen Wärmeeintrag gehören die kurzen Erhitzungszeiten sowie die Tatsache, dass die über das Thermokompressionsschweißen verbundenen Teile keine Verformungen erleiden. Die Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Verbindung ist ebenfalls ein positives Merkmal dieses Verfahrens.
