EMSによるワイヤボンディングの熱機械応力解析

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序章

ワイヤボンディング法は、エレクトロニクスパッケージングにおける最も重要な相互接続技術の1つです。デバイスの製造中に、集積回路または他の半導体デバイスと回路基板との間の電気的接触を行うために使用されます。
特定の応用でこの相互接続技術の信頼性を評価するには、統合された電磁気、熱、および構造解析が必要です。

図 1 -ワイヤボンディングの例 [1]

問題の説明

EMS静的磁場解析を熱構造解析と連成させ実行し、ワイヤボンディング接続の故障挙動を検討します。解析対象のモデルは、共通のアルミニウム基板上の 2 つの銅層を接続する 300 μm の太さのワイヤで構成されています。

ワイヤループの形状を図 2a に示します。高さ H は、ワイヤの上部から基板までの距離です。結合長 L は足から足までの距離として定義されます (寸法は表 1 に示されています)。この例は、その臨界高温ゾーンにおけるワイヤのたわみの大きさを決定することを目的としています。

ワイヤーボンド (H: 高さ、L: 長さ) [2] a)。 3D モデル b)。

図 2 -ワイヤボンド (H: 高さ、L: 長さ) [2] a)。 3D モデル b)。

表 1 -モデルの寸法 [3]

寸法	アルミ基板	銅層	ワイヤー
長さ(mm)	43	15	9
高さ(mm)	1	0.3	3
幅(mm)	25	15	0.3 (直径)

解析設定

定常状態の熱解析と構造解析を連成させたEMSの静的磁場モジュールを使用して、ワイヤの磁気結果、温度分布、および機械的変形を計算および視覚化します。

EMS を使用して分析を実行するには、次の重要な手順を実行する必要があります。

すべての固体に適切な材料を選択します。
必要な電磁入力を定義します。
必要な熱入力を適用します。
構造境界条件を適用します。
モデル全体をメッシュ化し、ソルバーを実行します。

材料

この検討では、次の材料特性が使用されます (表 2)。

表 2 -材料特性

部品	密度（Kg/ $モーキューブ$ )	相対透磁率	電気伝導性 (S/m)	比熱容量 (J/Kg.K)	熱伝導率 (W/m.K)	弾性率 (パ)	ポアソン比	熱膨張係数 (/K)
ワイヤー (Al-H11)	2700	1	3.57 E+07	897	230	71.8 E+09	0.33	25.3 E-06
アルミナ基板 $AI インデックス 2 espace fin d'indice シンプル O インデックス 3$ 96%)	3690	1	0	687	24.7	不要
銅層	8900	0.99	5.7 E+07	390	385	不要

電磁入力

ワイヤは、10A の直流電流を流される固体コイルとして定義されます。

熱入力

ワイヤの接合された両方の足に適用される初期温度は 300 K に設定されています。周囲の空気体の熱対流入力は次のとおりです。
- 解析の初期 (周囲) 温度は 300 K に設定されています。

- 周囲空気の対流係数を10W/m²Kに設定

機械的境界条件

図 3 に示すように、ボンディングされたワイヤの両方の足と各 DCB 基板の 4 つの面に固定境界条件が適用されます。

図 3 -適用される機械的境界条件

メッシュ生成

ワイヤは解析で最も重要なコンポーネントであるため、より細かいメッシュを作成するためにメッシュ調節がワイヤに適用され、この部分の結果の精度が向上しました (図 4)。

図 4 -a)モデル全体のメッシュプロット、b)ワイヤ。

結果

解析結果には、磁束密度、磁場強度、印加電流密度、温度と熱流束の分布、機械的変位、応力などが含まれます。

EMS は、結果を 3D プロットおよび曲線として視覚化する可能性を提供します。下の図は、ワイヤの 2 つの接合された足の間に加えられた電流密度の分布をベクトルプロットで示しています。

図 5 -適用された電流密度のベクトルプロット。

表 3 には、結果表で EMS によって計算および生成された解析されたワイヤの DC 抵抗が含まれています。

表 3 -配線抵抗

	抵抗 (オーム)
固体コイル	4.8532 E-0.003

図 6 は、最大値 340 K を達成するワイヤ内の温度分布を示しています。

図 6 -温度分布のフリンジプロット

温度の最大値は、この場所に電流が集中するため、ワイヤの頂点にあります。この高温ゾーンでは、図 7 に示すように最大の機械的たわみも発生します。表 4 は、EMS と参照結果の比較を示しています。

表 4 - EMS と参照 [2] の結果の比較表

	EMS	参考[2]
温度 (K)	340	337

図 7 -結果の変位プロット

図 8 は、ボンディングワイヤで EMS によって生成された変位プロットの結果を示しています。これは参照結果と非常によく相関しています。

ワイヤに沿ったワイヤ変位プロット - EMS およびリファレンス [2] の結果

図 8 -ワイヤに沿ったワイヤ変位プロット - EMS および参考[2] の結果

結論

この例では、ボンディングワイヤケースの性能の EMS 数値評価を示します。これにより、ワイヤが寿命中に受ける疲労をより正確に見積もることができます。得られた結果は、構造解析と熱解析の両方で参考文献 [2] と非常によく一致しています。

参考文献

[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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