Thermomechanische Spannungssimulation des Drahtbondens mit EMS

Einführung

Die Drahtbondmethode ist eine der wichtigsten Verbindungstechniken in der Elektronikverpackung. Es wird verwendet, um einen elektrischen Kontakt zwischen integrierten Schaltkreisen oder anderen Halbleiterbauelementen und der Leiterplatte während der Herstellung der Bauelemente herzustellen.
Um die Zuverlässigkeit dieser Verbindungstechnik in bestimmten Anwendungen zu bewerten, ist eine integrierte elektromagnetische, thermische und strukturelle Analyse erforderlich.

Abbildung 1 - Drahtbondbeispiel [1]

Problembeschreibung

Eine mit einer thermostrukturellen Analyse gekoppelte magnetostatische EMS-Simulation wird durchgeführt, um das Ausfallverhalten einer Drahtbondverbindung zu untersuchen. Das untersuchte Modell besteht aus einem 300 µm dicken Draht, der zwei Kupferschichten auf einem gemeinsamen Aluminiumsubstrat verbindet.

Die Drahtschleifengeometrie ist in Fig. 2a dargestellt - die Höhe H ist der Abstand von der Oberseite des Drahtes zum Substrat; Die Bindungslänge L ist als der Abstand von Fuß zu Fuß definiert (Abmessung in Tabelle 1 angegeben). Das vorliegende Beispiel zielt darauf ab, die Größe der Drahtablenkung in seiner kritischen Hochtemperaturzone zu bestimmen.

Drahtbindung (H: Höhe, L: Länge) [2] a). 3D-Modell b).

Abbildung 2 - Drahtbonden (H: Höhe, L: Länge) [2] a). 3D-Modell b).

Tabelle 1 - Modellabmessungen [3]

Maße	Aluminiumsubstrat	Kupferschicht	Draht
Länge (mm)	43	fünfzehn	9
Höhe (mm)	1	0,3	3
Breite (mm)	25	fünfzehn	0,3 (Durchmesser)

Simulations-Setup

Das Magnetostatic-Modul von EMS dient in Verbindung mit der stationären thermischen und strukturellen Analyse zur Berechnung und Visualisierung der magnetischen Ergebnisse, der Temperaturverteilung und der mechanischen Verformung des Drahtes.

Um eine Analyse mit EMS durchzuführen, müssen die folgenden wichtigen Schritte ausgeführt werden:

Wählen Sie für alle Festkörper ein geeignetes Material.
Definieren Sie die notwendigen elektromagnetischen Eingänge.
Legen Sie die erforderlichen thermischen Eingänge an.
Übernehmen Sie die strukturellen Randbedingungen.
Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus.

Materialien

In unserer Fallstudie werden folgende Materialeigenschaften verwendet (Tabelle 2):

Tabelle 2 - Materialeigenschaften

Teil	Dichte (Kg/ $m au cube$ )	Relative Durchlässigkeit	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Spezifische Wärmekapazität (J/Kg. K)	Wärmeleitfähigkeit (W/m. K)	Elastizitätsmodul (Pa)	Poisson-Verhältnis	Wärmeausdehnungskoeffizient (/K)
Draht (Al-H11)	2700	1	3,57 E + 07	897	230	71,8 E + 09	0,33	25.3 E-06
Aluminiumoxid-Substrat $AI indice 2 espace fin d'indice simple O indice 3$ 96%)	3690	1	0	687	24.7	Nicht benötigt
Kupferschichten	8900	0,99	5,7 E + 07	390	385	Nicht benötigt

Elektromagnetische Eingänge

Der Draht ist als feste Spule definiert, die einen Gleichstrom von 10 A führt.

Thermische Eingabe

Die anfängliche Temperatur, die an beide Bondfüße des Drahtes angelegt wird, ist auf 300 K eingestellt. Die Wärmekonvektionseingaben für den Umgebungsluftkörper:
-Die Anfangstemperatur (Umgebungstemperatur) der Simulation ist auf 300 K eingestellt
-Konvektionskoeffizient an der Umgebungsluft ist auf 10 W/m² K eingestellt

Mechanische Randbedingungen

Feste Randbedingungen gelten für beide Füße des Bonddrahtes und für die vier Flächen jedes DCB-Substrats, wie in Abbildung 3 dargestellt:

Abbildung 3 - Angewandte mechanische Randbedingungen s

Ineinander greifen

Für eine feinere Vernetzung wurde auf den Draht eine Maschenkontrolle angewendet, da dies die wichtigste Komponente in der Analyse ist, um die Genauigkeit der Ergebnisse in diesem Teil zu verbessern (Abbildung 4).

Mesh-Plot für das gesamte Modell a), der Draht b).

Abbildung 4 - Netzdiagramm für das gesamte Modell a), den Draht b).

Ergebnisse

Die Simulationsergebnisse umfassen: Magnetflussdichte, Magnetfeldstärke, angelegte Stromdichte, Temperatur- und Wärmeflussverteilung, mechanische Verschiebung, Spannung usw.

EMS bietet die Möglichkeit, Ergebnisse als 3D-Diagramme und Kurven zu visualisieren. Die folgende Abbildung zeigt die Verteilung der angelegten Stromdichte zwischen den beiden gebondeten Füßen des Drahtes in einem Vektordiagramm.

Abbildung 5 - Vektordiagramm der angelegten Stromdichte.

Die Tabelle 3 enthält den Gleichstromwiderstand des simulierten Kabels, der von EMS in der Ergebnistabelle berechnet und generiert wird.

Tabelle 3 - Leitungswiderstand

	Widerstand (Ohm)
Feste Spule	4,8532 E-0,003

Die Abbildung 6 zeigt die Temperaturverteilung im Draht, die einen Maximalwert von 340 K erreicht.

Abbildung 6 - Randdiagramm der Temperaturverteilung

Das Temperaturmaximum befindet sich aufgrund der Stromkonzentration an dieser Stelle im Scheitelpunkt des Drahtes. Diese Hochtemperaturzone erfährt auch die maximale mechanische Durchbiegung, wie in 7 gezeigt. Tabelle 4 zeigt einen Vergleich zwischen EMS und Referenzergebnissen.

Tabelle 4 - Vergleichstabelle zwischen EMS und den Referenzergebnissen [2]

	EMS	Referenz [2]
Temperatur (Kelvin)	340	337

Abbildung 7 - Resultierende Verschiebungskurve

Fig. 8 zeigt die durch EMS erzeugten Verschiebungsdiagrammergebnisse in dem gebondeten Draht, die sehr gut mit den Referenzergebnissen korrelieren.

Abbildung 8 - Die Drahtverlagerungskurve entlang des Drahtes - Ergebnisse von EMS und Referenz [2]

Fazit

Dieses Beispiel zeigt eine numerische EMS-Bewertung der Leistung eines Bonddrahtgehäuses. Dies ermöglicht eine bessere Abschätzung der Ermüdung des Drahtes während seiner Lebensdauer. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit der Referenz [2] sowohl für die strukturelle als auch für die thermische Analyse.

Verweise

[1]. https://www.we-online.com/web/en/wuerth_elektronik/start.php
[2]. Dagdelen, Turker. "Failure analysis of thick wire bonds. MS thesis". University of Waterloo, 2013.
[3]. Dagdelen, Turker, Eihab Abdel-Rahman, and Mustafa Yavuz. "Reliability Criteria for Thick Bonding Wire." Materials 11.4 (2018): 618.

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