TPT HB05 LANKABONDERIN KÄYTTÖOHJE: pallo- ja lankabondaus

Transkriptio

1 Tämä käyttöohje on kirjoitettu ESR-projektissa Mikroanturitekniikan osaamisen kehittäminen Itä-Suomen lääninhallitus, 2007, TPT HB05 LANKABONDERIN KÄYTTÖOHJE: pallo- ja lankabondaus Yleistä huomioitavaa Laite on nerokas keksintö ja toimii yllättävän luotettavasti, jos vain osaat käyttää sitä oikein! 1. Yleistä lankabondauksesta 1.1. Lanka Lankabondauksen avulla muodostetaan sähköinen liitos esim. piille tehdyn mikroanturirakenteen ja piirilevyn kontaktipintojen välille. Liitos muodostetaan yleensä kupari- tai alumiinilangalla, mutta myös hopeaa ja kuparia käytetään. Langan paksuus on yleensä µm (1-3 milssiä). Kultalanka on erinomainen johde, mutta sitä käytettäessä tarvitaan yli 100 C lämpötila kiinnityskohtiin ja kultalanka on esim. kupariin verrattuna arvokasta Liitosmuodot Yleisimmät lankabondauksessa käytettävät liitosmuodot ovat pallobondaus (ballbonding) ja kiilabondaus (wedgebonding) (kuva 1.1). Pallobondaus on elektroniikkateollisuudessa yleisin menetelmä (jopa 90% toteutettavista liitoksista). Menetelmien keskeiset erot on lueteltu taulukossa Langan kiinnitystekniikat Lämpökiinnitys-tekniikka on kehitetty jo vuonna 1957 Bell laboratorioissa. Lankaa kiinnitetään lämmön ( C) ja suuren puristusvoiman avulla. Liitosmuotona on pallo, liitos on varsin on luotettava, mutta korkea lämpötila voi olla ongelma. Kontaktialusta on yleensä alumiinia tai kultaa. Ultraäänikiinnitys-tekniikka ei vaadi yhtä suurta puristusvoimaa kuin lämpökiinnitys. Lanka kiinnitetään ultraäänen ja puristusvoiman avulla. Liitosmuotona on kiila ja etuna on, että ei tarvita suurta lämpöä ja puristusvoimaa. Thermosonic-tekniikka on yhdistelmä edellisistä ja se on nykyään yleisen kiinnitysmenetelmä. Se soveltuu pallo- ja kiilabondaukseen. Tarvittava lämpötila on ( C) pienempi kuin lämpökiinnitystekniikassa ja käytettävä puristusvoima on samaa luokkaa kuin ultraäänikiinnitys-tekniikassa. Taulukko 1.1. Tärkeimmät lankabondausmenetelmät ja niiden väliset erot. Lankabondauksen tyyppi Edut Haitat 1. Pallobondaus (ball bonding) Muodostetaan langan päähän pallo, joka liitetään ensimmäiseen kontaktipintaan ultraäänen+lämmön ja mekaanisen puristuksen avulla Helpompi bondattavuus Nopeampi bondattavuus Bondaus voidaan päättää mihin tahansa suuntaan aloituspisteestä Yleisyys (jopa 90% teollisuudessa) Vain kultalanka käy (melko kallista) Tarvitaan isommat kontaktipinnat ensimmäiseen liitokseen Näytealustan lämmitys tarpeen (vain kultalanka mahdollinen) 2. Kiilabondaus (wedge bonding) Lanka painetaan kiilamaisen työkalun avulla näytteen pintaan ja kiinnitetään kontaktipintaan ultraäänen ja mekaanisen puristuksen avulla Laajempi lankavalikoima (ainakin kulta ja alumiini) Pienille kontaktipinnoille Alumiinilanka ei tarvitse lämmitystä Pallobondausta monimutkaisempaa Hidas bondausnopeus Bondaus vain yhteen suuntaan aloituspisteestä

2 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje 2 Kuva 1.1. Ensimmäisen ja toisen bondauskohdan pallobondausliitos (ylempi kuva [Savonia-amk]) ja kiilabondausliitos (alempi kuva [1]) pyyhkäisyelektronimikroskoopilla kuvattuna Bondauksen pitävyyden testaaminen Lankabondauksessa tehtyjen kiinnitysten mekaaninen kestävyys tehdään yleensä erillisellä testauslaitteistolla. Testi voi olla NDT-tyyppinen (testataan kestääkö liitos jonkun vähimmäisvoiman) tai destruktiivinen, jolloin katsotaan mikä voima tarvitaan langan irroitamiseen kontaktipinnasta. Bondausten sähköinen hyvyys on yleensä helppo testata bondauksen jälkeen, koska pieni mikropiiri bondataan tavallisesti käsin liikuteltavan kokoiselle alustalle, jossa on tarvittavat liittimet. Kuva 1.2. Tyypillinen manuaalinen testeri (Savonia-amk) bondauslankojen kiinnityspisteiden mekaanisen kestävyyden NDT-kokeisiin ja tyypillinen koeasetelma [2]. Yleensä testataan muutama isommasta sarjasta.

3 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje 3 2. TPT HB05 laitteisto 2.1. Laitteiston pääosat 1. Mikroskooppi ja USB-kamera (kytketty tietokoneeseen jossa Motic ohjelmisto) 2. Valokuitu työkohteen valaisua varten 3. Lämmitettävä ja korkeussäädettävä näytealusta 4. Laitteen keskeiset säätökytkimet 5. Bondauksen korkeussuunnan (Z) ohjaus ja EFOn kytkin (=pallo langan päähän) 6. Näytealustan liiketaso 7. Bondauksen sivuttaisliikkeen (XY) ohjaus, langan syötön säätimet ja ultraäänen manuaalinen käyttö 8. Bondaustyökalu, kapillaari (pallobondaus) tai neula (kiilabondaus) Näytealusta kytketään erilliseen vakuumipumppuun. Kuva 2.1. TPT HB05 laitteiston keskeiset osat [1].

4 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje Laitteiston säätökytkimet 1. Ensimmäisen bondauskohdan asetukset 2. Toisen bondauskohdan asetukset 3. Ultraäänienergian säätö 4. Bondauksen ajan säätö 5. Käytettävän painamisvoiman säätö 6. Näytealustan lämpötilansäätö (kultalanka 120ºC) 7. Bondausasetusten palautus bondauskohtaan 1 8. Bondausmenetelmän valinta (wedge / ball) 9. Langan lukitus (clamp) päälle (vihr) tai pois (pun) 10. Ultraäänen manuaalinen testaus 11. Bondauslangan hännän pituus 2 liitoksen jälkeen 12. Näytealustan lämpötilan säädin Huom: US, Time, Force säätimien asetukset eivät kerro suoraan SI-yksiköinä arvoja, mutta potentiometrien säätövälit (min-max) ovat: US: W tai W (U/S jumper HI/LO), Time: ms, Force g 2.3. Laitteiston sivuttaisliikkeen ohjaussäädin 1. Ultraäänen manuaalinen käyttö 2. Lanka sisään 3. Lanka ulos Kuvalähteet [1].

5 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje 5 3. Bondaus 3.1. Laitteen käynnistys 1. Käynnistä laite laitteen takana olevasta virtakytkimestä (oikealla). Käynnistä mikroskoopin USB-kameraan liitetty tietokone ja Motic ohjelmisto jos haluat mikroskoopin kuvan näkyviin tietokoneelle. 2. Käynnistä vakuumipumppu ja avaa vakuumilinja näytealustalle. 3. Aseta näyte alustalle ja säädä alustan korkeus siten, että alustan pohjasta näytteen kontaktipintoihin on matkaa n mm. 4. Säädä mikroskooppi ja mikroskoopin valo siten, että näet ainakin ensimmäiset kontaktipinnat hyvin Langan pujotus kapillaarin/neulan läpi Jos lanka ei tule vielä kapillaarin (pallobondaus) tai neulan lävitse (kiilabondaus): 1. Avaa langankiristin painamalla Clamp -painiketta -> punainen valo syttyy. 2. Käännä langankiristintä vasemmalle, langan kohdalta sivuun (jäykähkö, napsahtaa). 3. Ohjaa lanka kapillaarin (pallobondaus) tai neulan (kiilabondaus, kuva 3.1.) sisälle puhtailla pinseteillä. 4. Vedä lanka ulos kapillaarin kärjestä /neulan keskeltä. Jos kapillaari/neula on tukossa, avaa se volframilangalla tai ultaäänipesurissa etanolikylvyssä. (5. Kiilabondaus: pujota lanka neulan kärjessä olevan pienen reiän lävitse hyvin hankalaa. Vedä lankaa neulan lävitse pieni pätkä, ohjaa irtaallaan olevaa lankaa vähän vasemmalla ja oikealle ja pujota pää.) 6. Siirrä langankiristin varovasti takaisin paikoilleen, siten, että lanka jää kiristimen väliin (varmista, että punainen valo palaa Clamp -painikkeen vierellä). 7. Sulje langankiristin painamalla Clamp -painiketta -> vihreä valo syttyy. 8. Leikkaa liian pitkä langan pää tarvittaessa poikki puhtailla saksilla. 9. Säädä langan sopiva pituus langankiristimen ohjauspainikkeilla. 10. Langan sisäänmeno- ja ulosmenoliikkeellä on tietyt rajat, kun rajat tulevat vastaan, avaa langankiristin painamalla Clamp -painiketta. Tällöin saat naputettua langanohjausta ilman, että lanka liikkuu. Jos lanka silti liikkuu mukana, käännä langankiristin sivuun. Kuva 3.1. Kiilabondauksessa käytettävässä neulassa lanka on pujotettava ensin neulan läpi ja sitten vielä neulan päässä olevasta pienemmästä reiästä [1].

6 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje 6 Taulukko 3.1. Hyvät aloitusparametrit pallo- ja kiilabondaukseen (huom: käytä vain kultalankaa pallobondaukseen). Lanka 17 µm (.7 Mil) 25 µm (1.0 Mil) 50 µm (2 Mil) Ultraäänienergia Aika Voima Lämpötila 120ºC 120ºC 120ºC Kapillaari (11.1 mm pitkä) 25 µm 38 µm 89 Wedge neula (19 mm pitkä) 38 µm 38 µm 102 µm 3.2. Pallobondaus 1. Valitse bondausmenetelmäksi ball (paina mode ). Varmista, että käytössä on kultalanka ja lanka menee (valkean) kapillaarin läpi asianmukaisesti. 2. Säädä alustan lämpötilaksi 120 C. Odota, että lämpötila saavutetaan. 3. Liikuta EFO-järjestelmän vartta (kuvassa 3.2 numero 5) langan suuntaan. Jos lanka osuu EFOjärjestelmän varteen, säädä lankaa sisäänpäin sivuttaisliikkeen ohjaussäätimen painikkeella. Langan tulee olla hyvin lähellä EFO:n vartta, mutta se ei saa osua siihen (väli µm). 4. Muodosta langan päähän pallo nostamalla bondauksen korkeussuunnan säädintä ylöspäin. EFOmuodostaa langan päähän pallon lyhyen oikosulun avulla (850 V). 5. Säädä bondausparametrit ensimäiselle ja toiselle bondauskohdalle. Hyvät aloitusarvot saat taulukosta Toteuta pallobondaus kuvan 3.3. vaiheita seuraamalla. Kuva 3.2. EFO-järjestelmä pallon muodostamiseksi langan päähän [1].

7 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje 7 Kuva 3.3. Pallobondauksen suoritus vaiheittain [1].

8 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje Kiilabondaus 1. Valitse bondausmenetelmäksi Wedge. Varmista, että lanka menee neulan (metallinvärinen) pään läpi asianmukaisesti. 2. Jos käytät kultalankaa, säädä alustan lämpötilaksi 120ºC. Odota, että lämpötila saavutetaan 3. Säädä bondausparametrit ensimmäisellä ja toiselle bondauskohdalle. Aloitusarvot saat taulukosta Toteuta kiilabondaus kuvan 3.4. vaiheita seuraamalla. Kuva 3.4. Kiilabondauksen suoritus vaiheittan [1].

9 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje Hyödyllisiä vinkkejä Jos lanka ei tartu: Onko kontaktipinnoilla epäpuhtauksia/oksidoitumista? Voi jäädä myös huonosti onnistuneesta etsauksesta. Onko näyte kunnolla kiinni näytealustassa? Näyte on oltava tukevasti kiinni paikallaan ja vaakatasossa. Liian iso tai pieni pallo pallobondauksen ensimmäisessä kohdassa. Säädä ensin isommalle bondausaikaa (reilusti) ja voimaa (vähemmän) Ultraäänienergiaa voi olla liian vähän tai liian paljon (liian paljon rikkoo langan) Erityisesti kiilabondauksessa bondausaika ja voima voi olla myös liian pitkä (rikkoo langan) Huom: Pallobondauksessa toinen bondauskohta voi vaatia erilaiset asetukset, vaikka alusta olisi sama kummassakin kohdassa Kuva 3.5. Tyypillisiä liikeratoja bondauksessa. Matalille näytteille riittää liike ylös-sivulle-alas [2]. Kuva 3.6. Erittäin nopean automaattisen pallobonderin liikerata (oikeanpuoleinen kuva) [2].

10 TPT HB05 lankabonderin käyttöohje Huoltotoimenpiteet 4.1. Neulan tai kapillaarin vaihtaminen (ei normaalikäyttäjälle) 1. Jos laite ei ole päällä, käynnistä se laitteen takana olevasta virtakytkimestä. 2. Avaa langankiristin ohjauspaneelista painamalla Clamp -painiketta -> punainen valo syttyy 3. Siirrä langankiristin vasemmalle (vähän jäykkä, liikkuu kyllä). 4. Vedä lanka pois kapillaarista/neulasta ja lasisesta ohjurista 5. Avaa neulan/kapillaarin kiristysruuvi 6. Vaihda neula/kapillaari. Neulan/kapilallarin yläpään on oltava samassa tasossa pidikkeen yläosan kanssa. 7. Kiristä ruuvi 25 Ncm tiukkuuteen momenttiavaimella, joka löytyy työkalupakista. 8. Työnnä lanka lasiseen ohjuriin solmimalla langan pää esim. ohueen rautalankaan ja työnnä rautalanka lasiohjuriin ensin. Aseta lanka kapillaariin/neulaan (katso langan pujotus kappale 3.2.) 9. Siirrä langankiristin takaisin. 10. Sulje langankiristin painamalla Clamp -painiketta -> vihreä valo syttyy LÄHTEET [1] TPT HB02/04/05 wire bonder operation manual, version 1.03 [2] Franz Hickmann, Wire Bonding Technology, version 3.03 ( [3] Evtek/Elektroniikka, Mikrosysteemitekniikka-kurssin kurssimateriaalia ( lankabondaus sovelluksesta ) X:\MEMS Laboratorio\LAADUNHALLINTA_OHJEET_YM\KÄYTTÖOHJE_lankabonderi.doc Viimeksi muutettu: