Towards reliable die and wire bonding processes in SpO2 sensor manufacturing

Abstract

Reliable die and gold wire bonding are essential for achieving consistent performance and high manufacturing yield in SpO2 sensor sub-assemblies. However, limited prior understanding of bond formation mechanisms and parameter interactions in the existing production process created uncertainty around which factors most strongly influence bond integrity. In addition, prototype builds exhibited inconsistent wire bond quality, prompting a structured two-stage design of experiments (DOE) to identify the key parameters affecting wire bond strength and process capability.

The results indicate that ultrasonic gain is the dominant factor influencing shear strength, with bonding force contributing to a lesser but still measurable extent. Bonding time affects bond quality only up to approximately 15 ms, after which its influence diminishes. Pull strength remained stable across parameter variations due to consistent neck-break failure modes. Several parameter combinations demonstrated low variation and high process capability, indicating feasible process windows for production use. Additional exploratory tests investigated free-air-ball formation, heat affected zone characteristics, and the influence of substrate temperature. Die bonding challenges were assessed in parallel, focusing on substrate pad height uniformity, epoxy coverage, and mechanical downholder configuration.

Overall, the work provides a clearer understanding of the bonding mechanisms and the critical process parameters that influence the mechanical integrity of gold wire bonds, offering a solid basis for future validation and process optimization.

Luotettavat die- ja lankabondausprosessit ovat keskeisessä asemassa SpO2-sensorin optisten alikokoonpanojen valmistuksessa. Prosessin toimintamekanismien sekä kriittisten prosessiparametrien ymmärrys oli kuitenkin puutteellista, minkä lisäksi protosarjat toivat esiin ongelmia molemmissa prosesseissa, mutta pääpainopisteeksi valittiin lankabondaus, jota tutkittiin kirjallisuuskatsauksen sekä kaksiosaisen koesuunnittelun (DOE) avulla. Mekaanista suorituskykyä arvioitiin leikkaus- ja vetolujuuskokeilla.

Leikkauslujuuteen vaikuttivat eniten ultraäänienergia ja bondausvoima, kun taas vetolujuus pysyi lähes muuttumattomana. Tämä selittyy todennäköisesti vetolujuustestin toistuvalla vikamoodilla, jossa lanka katkeaa systemaattisesti bondauspallon juuresta. Koesuunnittelun toinen osa osoitti parametriryhmien tuottavan matalat variaatiokertoimet sekä korkeat prosessin suorituskykyindeksit, mutta bondauksen aika nousi bondausvoimaa merkittävämmäksi arvoksi. Voidaan olettaa, että 15 ms kohdalla saavutetaan lähes täysi bondaus. Lisäksi tehtiin eksploratiivista tutkimusta vapaan pallon (FAB) muodostumisesta, lämpövaikutusalueesta (HAZ) sekä substraatin lämpötilan vaikutuksesta. Die-bondauksen haasteita tarkasteltiin erikseen keskittyen substraatin pad-korkeuden vaihteluihin, epoksin levittymiseen ja mekaanisen downholder-komponentin konfiguraatioon.

Kokonaisuutena työ selkeyttää AuAl-sidoksen muodostumismekanismeja sekä tunnistaa kriittiset prosessiparametrit, jotka vaikuttavat kultalankabondausten mekaaniseen eheyteen. Tulokset tarjoavat vakaan perustan jatkovalidoinnille ja prosessin optimoinnille.