Drahtbonden: Moderne Anwendungen, Technologietrends und Kostenüberlegungen

Einführung

Das Drahtbonden ist seit langem die dominierende Methode, um Halbleiterchips mit Gehäuse-Anschlussrahmen und Leiterplatten zu verbinden, insbesondere in der Chip-on-Board (COB)-Technologie, bei der der Chip direkt auf die PCB montiert wird. Drahtbonden für COB wurde in der Unterhaltungselektronik, wie bei Taschenrechnern und frühen digitalen Geräten, aufgrund seiner Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in der Massenproduktion beliebt.

Im Laufe der Zeit hat sich das Drahtbonden für COB weiterentwickelt, um den Anforderungen der Miniaturisierung und höherer Leistung gerecht zu werden, und wurde zu einer kritischen Technologie in Anwendungen wie Leistungs-LEDs, Bildsensoren, Leistungselektronik und Hochleistungsrechnen. Heute macht das Drahtbonden 75-80% der Erstverbindungen in der Mikroelektronikindustrie aus und bietet zuverlässige Verbindungen in kompakten, leistungsstarken Designs.

Moderne Anwendungen des Drahtbondens in der Elektronik

Drahtbonden wird in einer breiten Palette moderner Anwendungen eingesetzt und bietet Flexibilität, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Einige der Schlüsselbereiche umfassen:

• 3D-Integrierte Schaltkreise (ICs): Bei 3D-ICs, bei denen mehrere Halbleiter-Dies vertikal gestapelt sind, ist das Drahtbonden entscheidend für die Verbindung dieser Schichten. Da die Geräte kompakter werden, ist die Nachfrage nach hoher Verarbeitungsleistung gestiegen, was das Drahtbonden unverzichtbar macht, um feine Pitch-Abstände und hohe Pin-Anzahlen zu bewältigen. Diese Technologie ist kritisch für Hochleistungsrechnen, fortschrittliche mobile Geräte und hochdichte digitale Elektronik.

3D-gestapelte Die mit Drahtbonden

• Leistungselektronik und Wide-Bandgap-Halbleiter: Drahtbonden ist wesentlich für das Verpacken von Wide-Bandgap-Halbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen verwendet werden. Diese Halbleiter arbeiten bei hohen Spannungen und Temperaturen, und oft wird Drahtbonden mit starkem Kupferdraht verwendet, um die höheren Stromlasten zu bewältigen und eine effiziente Energieverwaltung zu gewährleisten.

Drahtgebondetes Leistungsmodul (Bildquelle: Electronics Weekly, „Powering UP“, April 2022)

• Optoelektronik und Bildsensoren: Mit der steigenden Auflösung von Bildsensoren erhöht sich dramatisch die Anzahl der benötigten Verbindungen, was feines Drahtbonden unerlässlich macht. Diese leistungsstarken, hochdichten Designs sind entscheidend für fortschrittliche Verbraucherelektronik, medizinische Diagnostik und Sicherheitssysteme.

CMOS-Bildsensor COB mit Drahtbondverbindungen [Bildquelle: Universität von Alberta veröffentlicht in Sensors 2011]

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• Chip-on-Board (COB) LEDs: Die COB-Technologie wird weit verbreitet in LED-Designs eingesetzt und bietet eine höhere Lumen-Dichte sowie verbessertes thermisches Management. Drahtbonden ermöglicht kompakte LED-Arrays mit effizienter Wärmeableitung, was zu helleren, langlebigeren Beleuchtungslösungen in der Automobilindustrie, Industrie und bei Verbraucheranwendungen führt.

COB-LED-Array (Bildquelle: CREE)

Kostenüberlegungen beim Drahtbonden

Obwohl das Drahtbonden signifikante Vorteile in Bezug auf Leistung und Platzeffizienz bietet, bleibt der Kostenfaktor, besonders bei der Massenproduktion, ein wichtiger Aspekt. Die Kosten für das Drahtbonden werden durch mehrere Variablen beeinflusst, einschließlich des verwendeten Materials, der Komplexität der Anwendung und des Produktionsvolumens.

• Materialkosten: Die Kosten für Drahtbondmaterialien variieren stark. Gold-Drahtbonden ist die teuerste Option, mit einem Preis von etwa 349 Dollar pro Gramm für 0,8 mil Draht. Kupfer und Aluminium bieten jedoch wesentlich kostengünstigere Alternativen, insbesondere in Anwendungen, bei denen hohe Leitfähigkeit und Haltbarkeit weiterhin unerlässlich sind. Zum Beispiel kann der gleiche Durchmesser von Aluminium- oder Kupferbondingdraht nur einen Bruchteil der Kosten im Vergleich zu Gold betragen, was sie zu idealen Wahlmöglichkeiten für die Massenproduktion macht.
• Herstellungskosten: Die Kosten für Drahtbondmaschinen variieren je nach ihrem Automatisierungsgrad. Manuelle oder halbautomatische Maschinen können Zehntausende von Dollar kosten und eignen sich für kleinere oder Prototypenproduktionen, während vollautomatische Maschinen Hunderttausende von Dollar kosten können und für die Großserienproduktion unerlässlich sind. Für Kleinserien oder einmalige Produktionsläufe ist es oft kosteneffektiver, den Drahtbondprozess an einen externen Hersteller auszulagern. Diese Dienstleister können erschwinglichere Lösungen anbieten, ohne dass Unternehmen in teure Drahtbondequipment investieren müssen.
• Produktionsvolumen und Werkzeugkosten: Drahtbonden wird mit größeren Produktionsvolumen kosteneffizienter. Obwohl die anfänglichen Werkzeugkosten für Drahtbonden-Einrichtungen fest sind, sinken die Kosten pro Einheit mit steigender Produktion. Bei einer hohen Produktionsmenge – wie Hunderttausende bis Millionen Einheiten pro Jahr – können COB-Designs kosteneffektiver sein als die Verwendung von standardmäßig verpackten Chips. Dies liegt daran, dass COB die Notwendigkeit der Die-Verpackung eliminiert, was die Montagekosten reduziert und kompaktere Designs mit weniger Komponenten ermöglicht.
• Beispielhafte Kostenübersicht: Für ein grundlegendes COB-Design mit einem 1770 um x 1258 um Die und 21 Drahtbonden können die Kosten je nach Automatisierungsgrad und Produktionsvolumen erheblich variieren. Hier ist ein Beispiel für eine kleine Charge von 100 Einheiten:
  • Drahtbonden-Service und Werkzeugkosten: $500 (fest);
  • Drahtbonden-Prozess (Aluminiumkeilbonden): $360;
  • Kosten für nackten Die: $115 pro Einheit;
  • PCB mit ENEPIG-Oberflächenfinish (50x50mm): $590;
  • Verpackung und Versand: $50.
  Gesamtkosten für eine Produktionsreihe von 100 Einheiten: $1,615. Bei höheren Produktionsvolumen sinken diese Kosten deutlich, was COB-Designs zu einer erschwinglicheren Wahl für die Großserienfertigung macht.

Würfel mit 21 Pins zur Kostenanalyse

Drahtbonden COB-Design in Altium Designer

Fazit

Drahtbonden bleibt eine entscheidende Technologie in der modernen Elektronik und bietet Flexibilität und Kosteneffizienz in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich 3D-ICs, Leistungselektronik und COB-LEDs. Obwohl Material- und Herstellungskosten variieren können, insbesondere bei der Produktion in hohen Stückzahlen, werden die Kostenvorteile des Drahtbondens mit zunehmender Produktionsmenge evident. Da die Technologie weiterhin fortschreitet, wird das Drahtbonden essentiell bleiben, um die nächste Generation von Hochleistungselektronikgeräten zu verbinden.

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