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Vorrichtung zum Kontaktieren einer Halbleiteranordnung mittels
Thermokompression
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kontaktieren einer Halbleiteranordnung mittels Thermokompression, bei der ein zur Kontaktierung dienender Anschlussdraht und ein Kontaktierstempel relativ zur Kontaktstelle in der xy-Ebene und der dazu senkrechten z-Richtung verschiebbar angeordnet sind, bei der ferner ein Antrieb zur zusätzlichen Bewegung des Kontaktierungsstempels und des Anschlussdrahtes in der z-Richtung und schliesslich eine Abschneidevorrichtung für den Anschlussdraht und ein Mikroskop zur Betrachtung der zu kontaktierenden Stelle vorgesehen sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drahtzuführung für den Anschlussdraht und eine Führung für den Kontaktierstempel übereinander an einem in der xy-Richtung relativ zu einem,
die zu kontaktierende Halbleiteranordnung tragenden, mittels einer Heizvorrichtung aufheizbaren Körper, verschiebbaren Mikromanipulator so befestigt sind, dass bei einer Bewegung der Drahtzuführung für den Anschlussdraht in der xy-Ebene die Führung für den Kontaktierstempel die gleiche Bewegung ausführt. Das an sich bekannte Verfahren der Thermokompression bietet die Möglichkeit, durch Anwendung von Druck und Temperatur ohne Verwendung von Fluss- und Lötmittel mechanisch feste Kontakte zwischen Metallen oder zwischen Metallen und Halbleitern herzustellen, ohne dass dabei ein Aufschmelzen des Metalles oder eine mechanische Beschädigung des Halbleiterkristalls erfolgt.
Die Herstellung eines Thermokompressionskontaktes erfolgt dadurch, dass mit einem geheizten Stempel ein in den meisten Fällen sehr dünner, weicher Metalldraht auf den ebenfalls geheizten Halbleiterkörper gepresst wird. Dieses Verfahren findet in der Halbleitertechnik z. B. bei der Kontaktierung der Aufdampfflecken von Mesa-Transistoren und Planartransistoren oder auch der Kontaktierung von Festkörperschaltkreisen Verwendung. Allgemein kann dieses Verfahren immer dann mit Vorteil angewendet werden, wenn eine Kontaktstelle mit sehr kleinen geometrischen Abmessungen mit einem Anschlussdraht versehen werden soll.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung anzugeben, mit der es möglich ist, derartige Mikrokontakte durch Thermokompression in grossem Massstab, also in der Massenfertigung herzustellen, so dass für diese Art der Kontaktierung auch ein technischer Einsatz möglich ist.
Bei der Herstellung eines Kontaktes mittels Thermokompression sind jeweils drei Punkte im Raum in der folgenden Reihenfolge zur Deckung zu bringen : Kontaktstelle, Anschlussdraht und Kontaktierstempel. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich wegen der Kleinheit der zu kontaktierenden Anordnung. So ergibt sich z. B. in der Halbleitertechnik die Aufgabe, ein draht- oder bandförmiges Anschlussstück bzw. ein Verbindungsstück zwischen Elektrode und Gehäusedurchführung mittels Thermokompression an den Kontaktflecken eines Mesa-Transistors, deren Abmessungen z. B. 15 X 40 Mm betragen, anzubringen. Weiter müssen auch die Durchführungen durch die Grundplatte mit dem drahtr oder bandförmigen Anschlussstück kontaktiert werden. Dabei wird als Anschlussstück z. B. ein extrem dünner Golddraht, dessen Durchmesser z.
B. 7 jam beträgt, verwendet. Überdies ist es in vielen Fällen notwendig, zwei Kontaktstellen, die eine Entfernung von einigen Millimetern aufweisen, zu kontaktieren. Man hat also die Aufgabe, Draht und Stempel auf die Kontaktstelle auf fim genau zu justieren, anderseits müssen aber verhältnismässig grosse Wege mit Draht und Stempel bis zur nächsten Kontaktstelle zurückgelegt werden. Es müssen also Bewe-
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gungselemente für den Draht und für den Stempel vorgesehen sein, die beide Möglichkeiten beinhalten.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung ist also so ausgebildet, dass der Kontaktierstempel bei der Justierung des Drahtes in der xy-Ebene allen Bewegungen in der xy-Ebene folgt und bei der eigentlichen Kontaktierung. nur geringfügig, mittels des zusätzlich vorgesehenen Antriebes, der eine Bewegung des Kontaktierstempels in der xy-Ebene erlaubt, nachjustiert zu werden braucht. Durch diese Vorjustierung des Stempels bei der Justierung des Drahtes kann der Nachjustierbereich des Stempels, also die zusätzliche Bewegunginderxy-Richtung, sehr klein gehalten werden. Diese kritische Nachjustierung in der xy-Ebene kann also sehr fein, d. h. mit einem grossen Übersetzungsverhältnis erfolgen.
Gemäss der Erfindung sind sowohl die Drahtzuführung für den Anschlussdraht, als auch die Führung für den Kontaktierstempel an einem verschiebbaren Mikromanipulator befestigt. Für die Verschiebung des Mikromanipulators in der xy-Ebene, die zur Justierung des Drahtes bezüglich der Kontaktstelle in der xyEbene notwendig ist, wird dieser zweckmässig auf einem Kreuztisch befestigt, der mit einem Antrieb für die Bewegung in der x-Richtung und einem Antrieb für die Bewegung in der y-Richtung versehen ist. Um die relativ grosse Bewegung des Drahtes und des Stempels von einer Kontaktstelle zur andern durchzuführen, und anderseitsdie genaue Justierungdes Drahtes in der xy-Ebene durch diesen Antrieb zu ermöglichen, sind Grob- und Feintriebe vorgesehen.
Der für die Bewegung des Anschlussdrahtes in der z-Richtung vorgesehene Antrieb kann z. B. die normale z-Verstellung eines Mikromanipulators sein. Dabei wird jedoch zwangsläufig auch der Kontaktierstempel mitbewegt. Gemäss einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist für die Bewegung des Anschlussdrahtes in der z-Richtung ein von der Bewegung des Kontaktierstempels in der z-Richtung unabhängiger Antrieb vorgesehen. Die Höhenverstellung für die Drahtzuführung und den Kontaktierstempel kann
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der z-Richtungwird dann der Kontaktierstempel nicht mehr mit auf und ab bewegt, sondern behält immer die gleiche relative Lage zum Heiztisch bzw. zur Kontaktierstelle bei.
Für die Bewegung des Stempels in der z-Richtung kann ein eigener Bedienungshebel vorgesehen sein.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Bedienungshebel, der zur unabhängigen Bewegung des Kontaktierstempels in der xy-Ebene dient, gleichzeitig zur Bewegung des Kontaktierstempels in z-Richtung dient. So kann z. B., wie im folgenden an Hand des Ausführungsbeispieles näher erläutert werden wird, die Stempelführung am Ausleger des Mikromanipulators befestigt und über einen Führungshebel in der xy-Ebene bewegt werden, und durch Drehung des Führungshebels über ein Gestänge der Kontaktierstempel abgesenkt und angehoben, also in der z-Richtung bewegt werden.
Besonders günstig ist es, wenn der Antrieb, der für die Bewegung des Kontaktierstempels in z-Richtung vorgesehen ist, nur den Kontaktierstempel selbst, jedoch nicht die Führung für den Kontaktierstempel, bewegt. Es bleibt dann bei der Bewegung des Stempels in z-Richtung die relativ grosse Masse der Stempel- führungin Ruhe. Dadurch wird die Gefahr beim Absenken des Stempels, diesen zu dejustieren, wesentlich geringer. An die Stempelführung müssen sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Stempelstange, an die der Kontaktierstempel angebracht ist, soll möglichst geringes Spiel aufweisen und reibungslos in der Führung laufen. Dieswirderfindungsgemässdadurcherreicht, dass die Stempelstange zwischen in Schrauben bzw. Gewindestiften eingepressten Kugeln gleitet.
Als Stempelstange wird zweckmässig eine harte Schnittnadel verwendet und es sind drei Schrauben bzw. Gewindestifte vorgesehen.
Wesentlich für die Arbeitsfähigkeit der Vorrichtung ist auch die Drahtzuführung. Sie muss so ausgestaltet sein, dass man den extrem dünnen Verbindungsdraht, der zur Kontaktierung dient, von der Rolle verarbeiten kann. Ausserdem soll der Draht möglichst gerade aus der Drahtzuführung herauskommen. Ge- mäss der Erfindung ist an der Drahtzuführung für den Anschlussdraht an dem der Kontaktstelle zugewendeten Ende eine Düse aus Glas oder einem Metall vorgesehen, durch die hindurch der Anschlussdraht von der Vorratsrolle abgezogen wird. Diese Düse kann z. B. eine Kapillare von 30 Durchmesser sein. Da mit einer derartigen Drahtzuführung z. B.
Drähte von 7p m Durchmesser und 0, 3-0, 4g Reissfestigkeit verarbeitet werden müssen, ist eine völlig ausgewuchtete und reibungsarme Lagerung der Spule wesentlich und es muss ein Rückwärtslauf der Spule und damit ein Zurückziehen des Drahtes vermieden werden. Eine ausgewuchtete und reibungsarme Lagerung der Spule ist auch deshalb wesentlich, weil nur dann der Draht mit einem Minimum an Zugkraft von der Rolle abgespult werden kann. Die notwendige Zugkraft soll z.
B. etwa 0, 1-0, 2g betragen
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist längs des Drahtes zwischen der Vorratsrolle und der Düse
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Weiter ist es günstig, wenn das durch die Düse auf die Kontaktierstelle geführte Drahtende gerade und möglichst mehrere Millimeter lang freistehend ist. Es wird daher gemäss der Erfindung weiter vorgeschlagen, dass die Abrollebene der Vorratsspule, die Bremse und die Mittellinie der Düse in einer Fluchtlinie liegen. Die Düse der Drahtzuführung kann z. 13. mit einer Heizung umgeben werden, um den vom Ziehen kalt verfestigten Draht vor der Verarbeitung glühen zu können.
Die gemäss der Erfindung weiter vorgesehene Abschneidevorrichtung soll zweckmässig so ausgebildet sein, dass es mit ihr möglich ist, den Draht in einstellbarer Weise so abzuschneiden, dass immer ein gleich- langes Stück aus der Düse herausragt. Dies wird gemäss einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Abschneidevorrichtung so montiert ist, dass ihre Lage in der xy-Ebene relativ zum Anschlussdraht bei einer Bewegung des Drahtes in dieser Ebene unverändert bleibt. Die Abschneidevorrichtung wird also z. B. als Ganzes mit auf dem Kreuztisch montiert und behält daher immer die gleiche relative Lage zur Drahtzuführung bei.
Das zur Betrachtung der Kontaktierstelle vorgesehene Mikroskop ist zweckmässig so ausgebildet, dass in Schrägbetrachtung gearbeitet werden kann. Dadurch kann die eigentliche Kontaktierung, d. h. das Absenken des Kontaktierstempels und die Deformation des Anschlussdrahtes beobachtet werden. Durch diese Massnahme können Ausfälle bei der Kontaktierung, die durch ungenaue Kontaktierung, z. B. der Aufdampfflecken des Mesa-Transistors, erfolgen, stark reduziert werden. Es besteht nämlich die Möglichkeit, dass der bereits justierte Anschlussdraht durch unvermeidbare kleinste Erschütterungen wieder dejustiert wird.
Eine solche Dejustierung, die bei senkrechter Betrachtungsweise nicht mehr korrigiert werden kann, kann bei der gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Schrägbetrachtung vermieden werden.
Die mikroskopische Justierung von Draht und Stempel muss häufig, nämlich dann, wenn bei einer Halbleiteranordnung nicht nur die Elektrode bzw. der Halbleiterkörper mittels Thermokompression kontaktiert werden soll, sondern auch die Verbindung mit der Durchführung durch das Gehäuse und dem Anschlussdraht durch Thermokompression in einem Arbeitsgang erfolgt, mit mehreren geeigneten Vergrösserungen erfolgen. So ist z. B. bei der Kontaktierung eines Mesa-Transistors, bei dem Emitter- und Basiselektrode und die entsprechenden Gehäusedurchführungen kontaktiert werden sollen, ein viermaliger Objektivwechsel notwendig ; dabei ist bei der Kontaktierung von Emitter- bzw. Basiselektrode eine starke Vergrösserung (z. B. etwa 150-fach) und bei der Kontaktierung der Durchführungen ein grosses Gesichtsfeld notwendig.
Bei dieser letztgenannten Kontaktierung reicht jedoch eine geringere Vergrösserung, z. B. nur eine 10 - 15-fache Vergrösserung aus. Um diesen Objektivwechsel durchzuführen, ist gemäss der Erfindung eine Schlittenführung vorgesehen. Durch Verschiebung der Objektive über diese Schlittenführung wird der notwendige Vergrösserungswechsel erreicht. Es ist besonders günstig, wenn man, statt diese Verschiebung
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bewegung des Motors in eine Hin- und Herbewegung des Schlittens transformiert und sie dient auch dazu, zu ermöglichen, dass sowohl Motor als auch Zusatzvorrichtung an einer von der Kontaktiervorrichtung entfernten Stelle angebracht werden können, d. h. an einer Stelle, an der die durch den Motor bewirkten Erschütterungen den Kontaktiervorgang nicht nachteilig beeinflussen können.
Das zu kontaktierende System, also z. B. der Mesa-Transistor, ist auf einem Heiztisch angeordnet.
Dieser Heiztisch ist mit entsprechenden Bohrungen für die Durchführungsdrähte der Grundplatte versehen. Zweckmässig werden diese Bohrungen in ihrem Durchmesser möglichst klein gehalten, damit die Durchführungsdrähte mit Sicherheit an den Innenwänden der Bohrung anliegen, da eine Aufheizung der Emitter-und Basisdurchführungsdrähte oder allgemein der Durchführungsdrähte am schnellsten über die Drähte selbst und nicht über dieEinglasung erreicht wird. Um einen guten Wärmekontakt der Grundplatte des Gehäuses und damit des Halbleiterkristalls zum Heiztisch zu erreichen, ist zweckmässig ein seitlich wegschwenkbarer Niederhalter vorgesehen.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es zweckmässig, wenn die Kontaktierung der Elektroden und der Gehäusedurchführungmittelsdes Anschlussdrahtes durch Thermokompression in einem Arbeitsgang erfolgt.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der die zu kontaktierende Anordnung tragende Heiztisch in der xy-Ebene schwenk-bzw. drehbar angeordnet ist. Es kann dann nach der Kontaktierung der Elektrode, also z. B. einer der beiden Aufdampfflecken des Mesa-Transistors, der Kontaktierstempel wieder hochgefahren werden und auch die Drahtzuführung so weit hochgestellt werden, dass bei der nun folgenden Drehung des Heiztisches in der xy-Ebene die entsprechende Durchführung der Gehäusegrundplatte unter den Anschlussdraht gebracht wird.
Wenn die Elektrode und die entsprechende Durchführung bzw. das System kontaktiert ist, ist es notwendig, ein weiteres Stück des Anschlussdrahtes von der Vorratsrolle zur Kontaktierung der nächsten Elek-
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trode bzw. des nächsten Systems abzurollen. Dies geschieht zweckmässig dadurch, dass die den Mikromanipulator tragende, in der xy-Ebene verschiebbare Platte in x-Richtung verschoben wird, u. zw. so weit, dass ein Anschlussdrahtstück gewünschter Länge von der Vorratsrolle abgespult wird. An dieser Stelle kann dann z. B. eine Rastung vorgesehen sein, die eine weitere Bewegung der den Mikromanipulator tragenden Platte verhindert. In dieser Raststellung ist dann die Abschneidevorrichtung so justiert, dass der Anschlussdraht unmittelbar hinter der Durchführung abgeschnitten werden kann.
Darauf wird die den Mikromanipulator tragende Platte so verschoben, dass die Kontaktierung der nächsten Elektrode erfolgen bzw. das kontaktierte System herausgenommen werden kann.
Die gemäss der Erfindung vorgeschlagene Kontaktiervorrichtung erlaubt auch den Einbau eines Längsoder Rundmagazins zur Aufnahme einer grösseren Zahl, z. B. 10 - 20 von zu kontaktierenden Systemen bzw. Grundplatten. Oder es kann auch ein Bestückungsmechanismus eingebaut werden. Gemäss der Er- findung wird daher weiter vorgeschlagen, dass Horden (Längs- oder Rundhorden) zur Zuführung der zu kontaktierenden Systeme bzw. zum Wegführen der kontaktierten Systeme vorgesehen sind. Von einer an die Vorrichtung herangebrachten Horde kann dann der Heiztisch bedient und nach der Kontaktierung des Bauelements dieses auf eine zweite leere Horde gebracht werden.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung kann der die Halbleiteranordnung tragende Körper als Horde, z. B. als Längshorde, ausgebildet und zusammen mit der Heizvorrichtung drehbar angeordnet sein.
Eine nähere Erläuterungder Erfindung wird im folgenden an Hand eines in den Figuren dargestellten, besonders günstigen Ausführungsbeispieles gegeben.
In den Fig. 1 und 2 ist auch das Koordinatensystem angegeben, wie es den folgenden Betrachtungen zugrundeliegt.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung von links gesehen dargestellt. Der Pfeil 41 gibt die optische Achse des Beobachtungsmikroskops an. In Fig. 2 ist die Vorrichtung von rechts gesehen dargestellt.
Auf einer Platte 1 ist ein Kreuztisch 2 in x- und y-Richtung verschiebbar angeordnet. Auf diesem Kreuztisch ist der Mikromanipulator 3 befestigt. Der Antrieb für den Kreuztisch in x-Richtung (Grob- und Fein ! rieb) ist mit 6 und der Antrieb für den Kreuztisch in y-Richtung (Grob- und Feintrieb) mit 7 bezeichnet. Je nach Geometrie der zu kontaktierenden Stellen genügt es auch, für den Antrieb in y-Richtung nur einen Feintrieb und für den Antrieb in x-Richtung nur einen relativ groben Trieb vorzusehen. Dies gilt vor allem dann, wenn die Abmessungen der zu kontaktierenden Stelle in der x-Richtung relativ gross zu der in der y-Richtung sind. Mittels der Antriebe 6 und 7 erfolgt die Justierung des Anschlussdrahtes 10- inx- und y-Richtung.
Die Drahtzuführung für den Anschlussdraht ist mit 4 bezeichnet und mittels der Befestigung 31 mit der Frontplatte des Mikromanipulators verbunden. Das zur Kontaktierung dienende Ende des Drahtes 10 ragt aus einer Glasdüse 9 heraus. Mit 8 ist der Antrieb fürdie Bewegung des Anschlussdrahtes in z-Richtung bezeichnet. Die Abschneidevorrichtung 11 für den Anschlussdraht 10 ist fest mit dem Kreuztisch 2 verbunden, so dass die relative Lage dieser Abschneidevorrichtung in bezug auf den Anschlussdraht bei einer Bewegung desselben in xy-Richtung unverändert bleibt. Zur Betätigung der Abschneidevorrichtung ist ein Drahtauslöser 12 vorgesehen. Dieser Drahtauslöser ist in denDrehknopf, der zur Schwenkung des Heiztisches 14 dient, eingebaut.
Um auch eine Bedienung der Abschneidevorrichtung mit der linken Hand zu ermöglichen, kann ein zweiter Drahtauslöser 30 vorgesehen sein.
Die Schwenkung des Heiztisches erfolgt mittels des Hebels 13 über ein Gestänge 28. Weiter ist ein Niederhalter 16 für das zu kontaktierende System vorgesehen, der die Form einer Gabel aufweist, um einen zu grossen Wärmeübergang, d. h. einen zu grossen Temperaturabfall beim Aufsetzen des Niederhalters auf das System zu verhindern. An der mit 15 bezeichneten Stelle zwischen den Gabelzinken des Niederhalters 16 wird das zu kontaktierende System aufgebracht. Mit dem Knopf 17 kann der Niederhalter seitlich ausgeschwenkt werden. Der Kontaktierstempel 19 ist an der Stempelstange 18 befestigt, die in der Führung 5 in z-Richtung gleitet. Die Führungseinrichtung für den Kontaktierstempel ist am Ausleger 20 des Mikromanipulators befestigt.
Der Führungshebel für die Mikromanipulatorfeinbewegung in xy-Richtung, die zur unabhängigen Justierung des Stempels in der xy-Ebene dient, ist mit 21 bezeichnet. Bei Drehung des Antriebes 23 des Führungshebels 21 wird über das Gestänge 22 die Stempelstange 18 in z-Richtung bewegt, ohne dass dabei eine Bewegung der Führung für den Kontaktierstempel, die mit 5 bezeichnet ist, erfolgt. Zur Betätigung des Motors, der zur Bewegung der Schlittenführung beim Objektivwechsel dient, ist zweckmässig ein Druckknopf 24 vorgesehen.
Statt eines Heiztisches kann auch eine Horde, z. B. eine Längshorde, als die Halbleiteranordnung tragender Körper dienen. Bei Verwendung einer Längshorde verläuft diese in y-Richtung und ist in dieser
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Richtung verschiebbar. Zur Aufheizung der zu kontaktierenden Anordnung können z. B. von beiden Seiten in x-Richtung Heizbacken an die Horde, insbesondere nur an den Teil, der das zu kontaktierende System trägt, herangeführt werden.
Beim Betrieb der Vorrichtung wird also die Justierung des Drahtes in der xy-Ebene und die Verschiebung des Schlittens beim Objektivwechsel mit der linken Hand durchgeführt. Die von der xy-Bewegung des Anschlussdrahtes unabhängige Bewegung des Kontaktierstempels in der xy-Ebene und die Bewegung des Stempels in der z-Richtung, die Betätigung der Abschneidevorrichtung, die Bewegung des Drahtes in zRichtung und die Schwenkung des Heiztisches sowie des Niederhalters erfolgt mit der rechten Hand.
In Fig. 3 ist die Drahtzuführung für den Anschlussdraht im Schnitt dargestellt. Das Gehäuse der Drahtzuführungseinrichtung ist mit 4 bezeichnet. Die Vorratsspule 25 ist mittels einer möglichst reibungs- armen Lagerung in diesem Gehäuse befestigt. Beim Abziehen des Anschlussdrahtes 10 von der Vorratsrolle läuft dieser über eine Bremse 26 und durch eine Düse 9. Die Bremswirkung der z. B. aus zwei Filzbelegungen bestehenden Bremsen kann entsprechend der Reissfestigkeit des Anschlussdrahtes mit einer Schraube 27 eingestellt werden, mittels der die beiden Beläge der Filzbremse mehr oder weniger fest gegeneinander gedrückt werden.
In Fig. 4 ist die Führung 5 für den Kontaktierstempel in z-Richtung dargestellt. Drei Gewindestifte 33,34 und 35, die selbstverständlich genauso als Schrauben ausgebildet sein können, sind durch den Mantel 38 der Führung hindurchgeführt, u. zw. so, dass sie einen Winkel von 1200 gegeneinander bilden. Sie tragen an ihrem der Stempelstange 18 zugewendeten Ende drehbare Kugeln 28,29 und 32, die die Stempelstange längs ihres Umfanges berühren. Diese Führungsmittel sind sowohl am oberen Ende 39 als auch am unteren Ende 40 der Führung 5 angeordnet. In Fig. 5 ist einer der Gewindestifte dargestellt. Das die Kugel tragende Ende 36 und 37 des Gewindestiftes ist entsprechend dem Krümmungsradius der Kugel nach innen gebogen ausgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Kontaktieren einer Halbleiteranordnung mittels Thermokompression, bei der ein zur Kontaktierungdienender Anschlussdraht und ein Kontaktierstempel relativ zur Kontaktstelle in der xyEbene und der dazu senkrechten z-Richtung verschiebbar angeordnet sind, bei der ferner ein Antrieb zur zusätzlichen Bewegung des Kontaktierstempels und des Anschlussdrahtes in der z-Richtung und schliesslich eine Abschneidevorrichtung für den Anschlussdraht und ein Mikroskop zur Betrachtung der zu kontaktieren- den Stelle vorgesehen sind, dad urch gekennzeichnet, dass eine Drahtzuführungfür den Anschluss- draht (10) und eine Führung (5) für den Kontaktierstempel (19) übereinander an einem in der xy-Richtung relativ zu einem, die zu kontaktierende Halbleiteranordnung (15) tragenden, mittels einer Heizvorrichtung (14)
aufheizbaren Körper (15), verschiebbaren Mikromanipulator (3) so befestigt sind, dass bei einer Bewegung der Drahtzuführung für den Anschlussdraht (10) in der xy-Ebene die Führung (5) für den Kontaktierstempel (19) die gleiche Bewegung ausführt.
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Device for contacting a semiconductor arrangement by means of
Thermocompression
The invention relates to a device for contacting a semiconductor arrangement by means of thermocompression, in which a connecting wire used for contacting and a contacting die are arranged displaceably relative to the contact point in the xy plane and the z-direction perpendicular thereto, in which a drive is also used for additional Movement of the contacting stamp and the connecting wire in the z-direction and finally a cutting device for the connecting wire and a microscope for viewing the point to be contacted are provided, and is characterized in that a wire feed for the connecting wire and a guide for the contacting stamp one above the other on one in the xy direction relative to one,
the slidable micromanipulator carrying the body to be contacted, which can be heated by means of a heating device, is attached so that when the wire feed for the connecting wire moves in the xy plane, the guide for the contacting die executes the same movement. The per se known method of thermocompression offers the possibility of establishing mechanically strong contacts between metals or between metals and semiconductors by applying pressure and temperature without the use of flux and solder, without melting of the metal or mechanical damage to the semiconductor crystal .
A thermocompression contact is produced by pressing a, in most cases, very thin, soft metal wire onto the semiconductor body, which is also heated, using a heated stamp. This method is used in semiconductor technology, for. B. in contacting the vapor deposition of mesa transistors and planar transistors or the contacting of solid-state circuits use. In general, this method can always be used to advantage when a contact point with very small geometrical dimensions is to be provided with a connecting wire.
The basic idea of the invention is to provide a device with which it is possible to produce such microcontacts by thermocompression on a large scale, that is, in mass production, so that technical use is also possible for this type of contacting.
When establishing a contact by means of thermocompression, three points in the space must be brought into line in the following order: contact point, connecting wire and contact stamp. Particular difficulties arise because of the small size of the arrangement to be contacted. So z. B. in semiconductor technology the task of a wire or ribbon-shaped connector or a connector between the electrode and housing leadthrough by means of thermocompression on the contact pads of a mesa transistor, the dimensions of which z. B. 15 X 40 mm, to be attached. Furthermore, the bushings through the base plate must also be contacted with the wire or strip-shaped connector. It is used as a connector z. B. an extremely thin gold wire whose diameter z.
B. 7 jam is used. Moreover, in many cases it is necessary to make contact with two contact points that are a few millimeters apart. So you have the task of precisely adjusting the wire and stamp to the contact point on film, but on the other hand, relatively long distances have to be covered with wire and stamp to the next contact point. So it must move
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supply elements for the wire and for the punch, which include both possibilities.
The device according to the invention is designed so that the contacting stamp follows all movements in the xy plane when adjusting the wire in the xy plane and during the actual contacting. only slightly needs to be readjusted by means of the additionally provided drive, which allows movement of the contacting die in the xy plane. As a result of this pre-adjustment of the punch when adjusting the wire, the readjustment range of the punch, that is to say the additional movement in the xy direction, can be kept very small. This critical readjustment in the xy plane can therefore be very fine, i.e. H. be done with a large gear ratio.
According to the invention, both the wire feed for the connecting wire and the guide for the contacting stamp are attached to a displaceable micromanipulator. For the displacement of the micromanipulator in the xy plane, which is necessary to adjust the wire with respect to the contact point in the xy plane, it is expediently attached to a cross table with a drive for the movement in the x direction and a drive for the Movement in the y direction is provided. Coarse and fine drives are provided in order to carry out the relatively large movement of the wire and the punch from one contact point to the other and, on the other hand, to enable the wire to be precisely adjusted in the xy plane using this drive.
The drive provided for moving the connecting wire in the z-direction can, for. B. the normal z-adjustment of a micromanipulator. In doing so, however, the contacting stamp is inevitably also moved. According to a favorable further development of the invention, a drive which is independent of the movement of the contacting die in the z direction is provided for moving the connecting wire in the z direction. The height adjustment for the wire feed and the contact stamp can
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In the z-direction, the contact stamp is no longer moved up and down, but always maintains the same position relative to the heating table or the contact point.
A separate operating lever can be provided for moving the stamp in the z-direction.
It is particularly favorable, however, if the operating lever, which is used for the independent movement of the contacting die in the xy plane, simultaneously serves to move the contacting die in the z-direction. So z. B., as will be explained in more detail below with reference to the embodiment, the punch guide attached to the boom of the micromanipulator and moved via a guide lever in the xy plane, and lowered and raised by rotating the guide lever via a linkage of the contacting punch, so in be moved in the z-direction.
It is particularly favorable if the drive, which is provided for moving the contacting stamp in the z-direction, only moves the contacting stamp itself, but not the guide for the contacting stamp. During the movement of the punch in the z-direction, the relatively large mass of the punch guide then remains at rest. As a result, the risk of misaligning the ram when lowering it is significantly lower. Very high demands must be placed on the punch guide. The punch rod to which the contacting punch is attached should have as little play as possible and run smoothly in the guide. This is achieved according to the invention in that the stamp rod slides between balls pressed into screws or threaded pins.
A hard cutting needle is expediently used as the punch rod and three screws or threaded pins are provided.
The wire feed is also essential for the workability of the device. It must be designed in such a way that the extremely thin connecting wire used for contacting can be processed from the roll. In addition, the wire should come out of the wire feed as straight as possible. According to the invention, a nozzle made of glass or a metal is provided on the wire feed for the connecting wire at the end facing the contact point, through which the connecting wire is drawn off from the supply roll. This nozzle can, for. B. be a capillary of 30 diameter. Since with such a wire feed z. B.
If wires with a diameter of 7 μm and 0.3-0.4g tensile strength have to be processed, a completely balanced and low-friction mounting of the coil is essential, and reverse rotation of the coil and thus retraction of the wire must be avoided. A balanced and low-friction mounting of the reel is also essential because only then can the wire be unwound from the reel with a minimum of tensile force. The necessary tensile force should z.
B. be about 0.1-0.2g
According to a further development of the invention there is along the wire between the supply roll and the nozzle
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It is also advantageous if the wire end passed through the nozzle onto the contact point is straight and, if possible, several millimeters long. It is therefore further proposed according to the invention that the unrolling plane of the supply reel, the brake and the center line of the nozzle are in alignment. The nozzle of the wire feed can, for. 13. Surrounded with a heater so that the wire, which has been cold-hardened from drawing, can be annealed before processing.
The cutting device further provided according to the invention should expediently be designed in such a way that it is possible with it to cut the wire in an adjustable manner so that a piece of the same length always protrudes from the nozzle. According to a development of the invention, this is achieved in that the cutting device is mounted such that its position in the xy plane relative to the connecting wire remains unchanged when the wire moves in this plane. The cutting device is so z. B. mounted as a whole on the cross table and therefore always maintains the same position relative to the wire feed.
The microscope provided for viewing the contact point is expediently designed in such a way that it is possible to work in an oblique view. This allows the actual contact, d. H. the lowering of the contact stamp and the deformation of the connecting wire can be observed. Through this measure, failures in the contacting caused by imprecise contacting, e.g. B. the evaporation spots of the mesa transistor, are greatly reduced. This is because there is a possibility that the already adjusted connection wire will be misaligned again due to inevitable smallest vibrations.
Such a misalignment, which can no longer be corrected when viewed vertically, can be avoided in the oblique view proposed according to the invention.
The microscopic adjustment of wire and punch must often, namely when, in a semiconductor arrangement, not only the electrode or the semiconductor body is to be contacted by means of thermocompression, but also the connection with the bushing through the housing and the connecting wire by thermocompression takes place in one operation , with several suitable magnifications. So is z. B. when contacting a mesa transistor, in which the emitter and base electrodes and the corresponding housing bushings are to be contacted, a four-time lens change is necessary; When making contact with the emitter or base electrode, a large magnification (e.g. about 150 times) is necessary and when making contact with the bushings, a large field of view is necessary.
With this last-mentioned contact, however, a lower magnification is sufficient, e.g. B. only a 10-15x magnification. In order to carry out this objective change, a slide guide is provided according to the invention. The necessary change in magnification is achieved by shifting the objectives over this slide guide. It is especially beneficial if one, instead of this shift
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movement of the motor is transformed into a reciprocating movement of the slide and it also serves to enable both the motor and the additional device to be attached to a location remote from the contacting device, i. H. at a point where the vibrations caused by the motor cannot adversely affect the contacting process.
The system to be contacted, so z. B. the mesa transistor is arranged on a heating table.
This heating table is provided with corresponding holes for the lead-through wires of the base plate. These bores are expediently kept as small as possible in their diameter so that the lead-through wires rest against the inner walls of the bore, since heating of the emitter and base lead-through wires or generally the lead-through wires is achieved most quickly via the wires themselves and not via the glazing. In order to achieve good thermal contact between the base plate of the housing and thus between the semiconductor crystal and the heating table, a hold-down device that can be pivoted away to the side is expediently provided.
As has already been stated, it is expedient if the contacting of the electrodes and the housing lead-through for the connection wire takes place by thermocompression in one operation.
This is achieved according to the invention in that the heating table carrying the arrangement to be contacted swivels or swivels in the xy plane. is rotatably arranged. It can then after contacting the electrode, so z. B. one of the two evaporation spots of the mesa transistor, the contacting stamp are raised again and also the wire feed are raised so far that the corresponding lead-through of the housing base plate is brought under the connecting wire when the heating table is now rotated in the xy plane.
When the electrode and the corresponding bushing or the system is in contact, it is necessary to remove another piece of the connecting wire from the supply roll to make contact with the next electrical
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trode or the next system. This is expediently done in that the plate carrying the micromanipulator and displaceable in the xy plane is displaced in the x direction, u. between so far that a connecting wire piece of the desired length is unwound from the supply roll. At this point z. B. a detent can be provided, which prevents further movement of the plate carrying the micromanipulator. In this locking position, the cutting device is then adjusted so that the connecting wire can be cut off directly behind the feed-through.
The plate carrying the micromanipulator is then shifted in such a way that contact is made with the next electrode or the contacted system can be removed.
The contacting device proposed according to the invention also allows the installation of a longitudinal or circular magazine to accommodate a larger number, e.g. B. 10-20 of systems or base plates to be contacted. Or a placement mechanism can also be installed. According to the invention, it is therefore further proposed that trays (longitudinal or round trays) are provided for feeding the systems to be contacted or for removing the contacted systems. The heating table can then be operated from a shelf brought up to the device and, after the component has been contacted, it can be brought to a second empty shelf.
According to a further development of the invention, the body carrying the semiconductor arrangement can be used as a tray, e.g. B. formed as a longitudinal shelf and rotatably arranged together with the heating device.
A more detailed explanation of the invention is given below with reference to a particularly favorable embodiment shown in the figures.
In FIGS. 1 and 2, the coordinate system is also indicated on the basis of the following considerations.
In Fig. 1, an embodiment of a device is shown seen from the left. The arrow 41 indicates the optical axis of the observation microscope. In Fig. 2 the device is shown seen from the right.
A cross table 2 is arranged on a plate 1 so as to be displaceable in the x and y directions. The micromanipulator 3 is attached to this cross table. The drive for the cross table in the x direction (coarse and fine! Rub) is denoted by 6 and the drive for the cross table in the y direction (coarse and fine drive) is denoted by 7. Depending on the geometry of the points to be contacted, it is also sufficient to provide only one fine drive for the drive in the y direction and only one relatively coarse drive for the drive in the x direction. This is especially true when the dimensions of the point to be contacted in the x-direction are relatively large to those in the y-direction. The adjustment of the connecting wire 10 in the x and y directions takes place by means of the drives 6 and 7.
The wire feed for the connecting wire is denoted by 4 and connected to the front plate of the micromanipulator by means of the fastening 31. The end of the wire 10 used for contacting protrudes from a glass nozzle 9. The drive for moving the connecting wire in the z direction is designated by 8. The cutting device 11 for the connecting wire 10 is firmly connected to the cross table 2, so that the relative position of this cutting device in relation to the connecting wire remains unchanged when the latter is moved in the xy direction. A cable release 12 is provided for actuating the cutting device. This cable release is built into the rotary knob that is used to pivot the heating table 14.
In order to enable the cutting device to be operated with the left hand, a second cable release 30 can be provided.
The heating table is pivoted by means of the lever 13 via a linkage 28. A hold-down device 16 is also provided for the system to be contacted, which has the shape of a fork in order to avoid excessive heat transfer, i.e. H. to prevent too great a drop in temperature when the hold-down device is placed on the system. At the point designated by 15 between the fork prongs of the hold-down device 16, the system to be contacted is applied. The hold-down device can be swiveled out to the side with the button 17. The contacting punch 19 is attached to the punch rod 18, which slides in the guide 5 in the z-direction. The guide device for the contacting stamp is attached to the arm 20 of the micromanipulator.
The guide lever for the micromanipulator fine movement in the xy direction, which is used for the independent adjustment of the stamp in the xy plane, is denoted by 21. When the drive 23 of the guide lever 21 is rotated, the ram rod 18 is moved in the z-direction via the linkage 22 without any movement of the guide for the contacting die, which is denoted by 5, taking place. To operate the motor, which is used to move the slide guide when changing lenses, a push button 24 is expediently provided.
Instead of a heating table, a tray, e.g. B. a longitudinal shelf, serve as the semiconductor device supporting body. When using a longitudinal shelf, it runs in the y-direction and is in this
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Movable direction. To heat the arrangement to be contacted z. B. from both sides in the x-direction heating jaws are brought up to the tray, in particular only to the part that carries the system to be contacted.
When operating the device, the adjustment of the wire in the xy plane and the displacement of the carriage when changing the lens are carried out with the left hand. The movement of the contacting punch in the xy plane, independent of the xy movement of the connecting wire, and the movement of the punch in the z direction, the actuation of the cutting device, the movement of the wire in the z direction and the swiveling of the heating table and the hold-down are carried out with the right hand.
In Fig. 3, the wire feed for the connecting wire is shown in section. The housing of the wire feed device is denoted by 4. The supply reel 25 is fastened in this housing by means of a bearing with as little friction as possible. When pulling the connecting wire 10 from the supply roll it runs over a brake 26 and through a nozzle 9. The braking effect of the z. B. consisting of two felt pads brakes can be adjusted according to the tensile strength of the connecting wire with a screw 27, by means of which the two pads of the felt brake are pressed more or less firmly against each other.
In Fig. 4, the guide 5 for the contacting die is shown in the z-direction. Three threaded pins 33, 34 and 35, which of course can also be designed as screws, are passed through the jacket 38 of the guide, u. so that they form an angle of 1200 to each other. They carry rotatable balls 28, 29 and 32 at their end facing the stamp rod 18, which balls touch the stamp rod along its circumference. These guide means are arranged both at the upper end 39 and at the lower end 40 of the guide 5. In Fig. 5 one of the threaded pins is shown. The end 36 and 37 of the threaded pin carrying the ball is designed to be bent inwardly in accordance with the radius of curvature of the ball.
PATENT CLAIMS:
1. Device for contacting a semiconductor arrangement by means of thermocompression, in which a connecting wire and a contacting stamp are arranged displaceably relative to the contact point in the xy plane and the perpendicular z-direction, in which a drive for additional movement of the contacting stamp and the connecting wire in the z-direction and finally a cutting device for the connecting wire and a microscope for viewing the point to be contacted are provided, characterized by the fact that a wire feed for the connecting wire (10) and a guide (5) for the contacting stamp (19 ) one above the other on one in the xy direction relative to one carrying the semiconductor arrangement (15) to be contacted by means of a heating device (14)
heatable body (15), displaceable micromanipulator (3) are attached so that when the wire feed for the connecting wire (10) moves in the xy plane, the guide (5) for the contacting punch (19) executes the same movement.