AT525920A1 - Montageverfahren von drahtleitern an anschlussflächen von halbleitergeräten - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Ultraschall-Bonden und kann zur Montage von Drahtleitern bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden. Der Erfindungsgedanke: ein Mon- tageverfahren von Drahtleitern an den Anschlussflächen von Halbleiterbauelementen durch Ultra- schallschweißen, umfasst das Aufbringen von externem statischen Druck auf die zu verbindenden Elemente, das Zuführen von Ultraschallschwingungen zu der Verbindungszone und der Strom- durchfluss durch beide zu verbindenden Elemente, dessen Wert 0,8 bis 0,9 des Werts des Schmelz- stroms höher als das niedrigere schmelzende Element, dabei wird eine Kontaktelektrode vor dem Schweißen in der Nähe der Ultraschallelektrode zum geschweißten Leiter so herangebracht, dass ein Segment des Leiters zwischen den Elektroden gebildet wird, während die Kontaktelektrode den Leiter mit statischem Druck sowohl auf die Anschlussfläche als auch außerhalb dieser drückt, wo- nach vor dem Schweißen der Widerstand des Leitersegments gemessen wird und entsprechend dem erhaltenen Wert wird die Spannung während des Schweißens eingestellt, um den Wert des Schweißstroms aufrechtzuerhalten.
Description
ANMELDUNGSTITEL: MONTAGEVERFAHREN VON DRAHTLEITERN AN ANSCHLUSSFLÄCHEN VON HALBLEITERGERÄTEN
BEREICH DER TECHNIK Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Ultraschall-Bondens und kann zur Mon-
tage von Drahileitern bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden,
BISHERIGER STAND DER TECHNIK
Ein bekanntes Verfahren des Ultraschall-Bondens für Metallteile unterschiedlicher Dicke, hauptsächlich isolierte Drähte mit Zuleitungsteilen ohne vorheriges Abisolieren (Erlinderzertifikat der UdSSR Nr. 349527, Internationale Patentklassifikation B23K 19/00, veröffentlicht am 04.09.1972}, bei dem die Teile gequetscht, die Teile größerer Dicke erhitzt und zur Verbindungsstelle mit Ultraschallschwingungen zugeführt werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Kontaktpunktschweißung (Erfinderzertifikat der UdSSR Nr. 240889, Internationale Patentklassifikation B23K, veröffentlicht am 01.04.1969) von Metallen mit geringer Dicke, hauptsächlich mit akkumulierter Energie unter Verwendung von Ultraschallbearbeitung der Verbindung, die darin besteht, dass die Kontaktwiderstand kontinuierlich gemessen und der Schweißstromimpuls wird abgeschaltet, wenn er einen bestimmten, optimalen Wert des Kontakitwiderstands erreicht.
Die obigen Verfahren sind in ihrer Anwendung beschränkt, insbesondere besteht das Verfahren des Ultraschall-Bondens von Metallteilen unterschiedlicher Dicke nur darin, das Teil zu erhitzen, dessen Verformung nicht begrenzt ist.
Als Vorgänger wurde das Verfahren des Ultraschall-Bondens gewählt, wenn Drähte zu den Anschlussflächen integrierter Schaltkreise angeschweißt werden (Erfinderzertifikat S8U1230043A, Internationale Patentklassifikation V23K20/10 veröffentlicht am 24.09.84) die darin besteht, dass auf die zu verbindenden Elemente mittels einer Ultraschallelektrode ein äuBerer statischer Druck ausgeübt wird, die Ultraschallschwingungen in die Verbindungszone eingespeist werden und elektrischer Strom durch beide verbundenen Elemente geleitet wird und der Stromwert 0,8 bis 0,9 des Schmelzstromwertes eines niedrigeren schmelzbaren Elementes beträgt , während der Kontakt zur Stromübertragung direkt der Anschlussfläche des Gerätes zugeführt wird.
Aufgrund der Tendenz zur zunehmenden Integration derzeitiger Halbieiterbauelemente,
wie funktioneller Halbleiterchips oder hybrider Mikroschaltungen, werden die Gesamtabmessungen der Anschlussflächen auf Bauelementen zum Anbringen von Verbindungsleitem tendenziel minimiert, d.h. ihre Breite und Länge werden dem Durchmesser der Drahtleiter vergleich-
bar, die an solche Anschlussflächen geschweißt werden müssen, während die minimalen Abmessungen der Anschlussflächen es schwierig machen, den Schweißstrom der Schweißzone Zuzuführen, um ihn durch beide verbundenen Elemente zu leiten, um eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung zu erzeugen.
Um den Verbrauch von Edelmetallen bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen zu reduzieren, wird außerdem auch die Dicke des Beschichtungsmaterials der Anschlussflächen verringert (hauptsächlich bei der Vergoldung), was dazu führt, dass das Material der Anschlussfläche im Fall des Zuführens eines Kontakts zur Anschlussfläche den angegebenen Stromwert nicht hält und zu-
samımenbrechen (durchbrennen) kann.
VERWIRKLICHUNG DER ERFINDUNG Die Erfindungsaufgabe besteht darin, die obigen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen,
Die Lösung dieses technischen Problems wird unter Verwendung eines Verfahrens implementiert, bei dem die Montage von Drahtleitern an den Anschlussflächen eines Halbleiterbauelements wie folgt durchgeführt wird.
Vor Beginn des Schweißens wird in der Nähe der Ultraschallelektrode eine Kontaktelektrode so an den zu verschweißenden Leiter herangeführt, dass zwischen den Elektroden ein Segment des Leiters entsteht, dabei drückt die Kontaktelektrode den Leiter mit statischer Druck sowohl an die Anschlussfläche als auch außerhalb dieser Fläche, wonach der Widerstand des Segments vor dem Schweißen des Leiters gemessen wird und der resultierende Wert die Spannung während des Schweißens einstellt, um den Wert des Schweißstroms aufrechtzuerhalten.
Die Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens ermöglicht die Montage von Drahileitern auf Kontaktpads mit minimalen Gesamtabmessungen sowie das Schweißen auf Anschlussflächen mit einer minimalen Beschichtungsdicke aufgrund der Zufuhr von Schweißstrom zur Schweißzone
durch den zu geschweißten Leiter,
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL Die Erfindung wird durch Zeichnungen veranschaulicht, Die Fig. 1, und Fig. 2 zeigen Ausführungsbeispiele des Verfahrens.
1. Das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens (Fig. 1)
2
Auf der Anschlussfläche 1 des Halbleiterkristalls 2, der auf der Funktionsplatine 3 montiert
ist, wird die erste Schweißverbindung durch Ultraschall-Bonden in Form einer verformten „Kugel“ 4 gebildet, Aus dem Leiter 5 wird eine Brücke gebildet und mit Hilfe der Ultraschallelektrode 7 wird der statische Druck P1 zum Leiter 5 auf der Anschlussfläche 6 aufgebracht. Außerhalb des Bereichs der Anschlussfläche 6 wird die Kontaktelektrode 8 senkrecht auf den Leiter 5 abgesenkt und statischer Druck P2 aufgebracht, während sich zwischen der Ultraschallelektrode 7 und der Kontaktelektrode 8 ein Abschnitt des Leiters 5 mit der Länge L gebildet, die beiden Elektroden sind mit der Stromquelle 9 verbunden, und die Ultraschallelektrode 7 ist über den Ultraschallwandier 10 mit dem Ultraschallgenerator 11 verbunden, und die Stromquelle 9 sich in einem Modus zum Messen des Widerstands des Leitersegments 5 mit der Länge L vor dem Schweißen befindet.
Der Widerstand R1 des Segments des Leiters 5 mit einer Länge L wird gemessen, der Ultraschallgenerator 10 und die Stromquelle 9 werden eingeschalten und unter Berücksichtigung des gemessenen Widerstands R1 die Ausgangsspannung an der Stromquelle 9 auf den Wert UZ geändert, dadurch {nach dem Ohmschen Gesetz) den erforderlichen Wert des Schweißstroms Zschw. Während des Schweißens aufrechterhalten, in diesem Fall erfolgt zwischen der Ultraschallelektrode 7 und dem Material des Leiters 5 aufgrund des Kontaktwiderstands (Übergangswiderstand) eine gegenseitige Erwärmung sowie eine Erwärmung des Materials des Kontaktpads 6 des Halbleiterbauelements, während unter dem Einfluss von Ultraschallenergie, die durch die Ultraschallelektrode 7 in die Schweißzone eingebracht wird, eine plastische Verformung der zu verbindenden Materialien und eine Schweißverbindung zwischen dem Leiter 5 und dem Anschlussfläche 6 gebildet wird.
2. Das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens (Fig. 2}.
Auf der Anschlussfläche 1 des Halbleiterkristalls 2, der auf der Funktionsplatine 3 installiert ist, wird die erste Schweißverbindung durch Ultraschall-Bonden in Form einer verformten „Kugel“ 4 gebildet. Aus dem Leiter 5 wird eine Brücke auch auf der Anschlussfläche 6 zum Leiter 5 gebildet, unter Verwendung einer Ultraschallelektrode 7 wird ein statischer Druck P1 ausgeübt. Im Bereich der Anschlussfläche 6 wird die Kontaktelektrode 8 senkrecht auf den Leiter 5 abgesenkt und ein statischer Druck P2 aufgebracht, während zwischen der Ultraschallelektrode 7 und der Kontaktelektrode 8 ein Abschnitt des Leiters 5 der Länge L gebildet ist, dabei sind beide Elektroden mit der Stromquelle 9 verbunden, und die Ultraschallelektrode 7 ist über den Ultraschallwandler 10 mit dem Ultraschallgenerator 11 verbunden, und die Stromquelle 9 befindet sich im Modus
zum Messen des Widerstands des Segments des Leiters 5 mit der Länge L vor dem Schweißen.
3
Der Widerstand #2 des Segments des Leiters 5 mit der Länge L wird gemessen, der Ultraschallgenerator 10 und die Stromquelle 9 werden eingeschalten und unter Berücksichtigung des gemessenen Widerstands A? geändert, die Ausgangsspannung an der Stromquelle 9 auf den Wert U2. dadurch (nach dem Ohmschen Gesetz} den erforderlichen Wert des Schweißstroms /Sscme während des Schweißens aufrechterhalten, in diesem Fall zwischen der Ultraschallelektrode 7 und dem Material des Leiters 5, auferund des Kontakt(Übergangs-)widerstands, eine gegenseitige Erwärmung, sowie Erhitzen des Materials der Anschlussfläche 6 des H albleiterbauelements, während unter dem Einfluss von Ultraschallenergie, die durch die Ultraschallelektrode 7 in die Schweißzone eingeführt wird, eine plastische Verformung der zu verbindenden Materialien und eine Schweißverbindung zwischen den Leiter 5 und der Anschlussfläche 6 gebildet wird.
Für beide Varianten der Ausführungsbeispiele des Verfahrens gilt, dass der Widerstand des Leitersegments R1 und R2 vom Anpresspunkt des Leitersegments an die Anschlussfläche abhängt, die sich sowohl im Bereich von der Anschlussfläche als auch außerhalb der Fläche befinden können, wenn der Kontakt auf den Leiter außerhalb der Grenzen der Anschiussfläche aufgebracht wird, der Schweißstrom Zs nur entlang des Segments des Leiters fließt und wenn der Kontakt im Bereich der Kontaktfläche aufgebracht wird, dann fließt der Schweißstrom Zschw
gleichzeitig entlang des Leitersegments und über die Anschlussfläche.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ausführungsbeispiel
Die Montage des Drahtleiters erfolgte auf einer automatisierten Ultraschallbondanlage vom Typ UMS-2ShK im „Ball-Keil“-Verfahren,
Der Golddraht von der Sorte ZI 99,99TU 48-1-763-84 „Goldmikrodraht für integrierte Schaltungen“ mit einem Durchmesser von 40 um wurde seriell zuerst durch Ultraschall-Bonden an die Anschlussflächen des Kristalls unter Verwendung des „Ball“ Verfahrens geschweißt, eine Brücke wurde gebildet, eine Ultraschallelektrode vom Typ KT 51 mit der Länge des Schweißabdrucks von 60 um, hergestellt aus einer Legierung vom Typ BK6, auf die Anschlussfläche der Platine abgesenkt und den Draht mit einer Schweißkraft von 60 Gramm gequetscht, dabei hatten die Kontaktpads auf der Platine zwei Gesamtabmessungen: (60x60) pm und (800x 800) um mit einer Dicke der Goldbeschichtung von 0,05 um.
Vor der Installation an einem Ultraschallgenerator vom Typ UGEN-20A wurden folgende Ultraschall-Schweißparameter eingestellt: Ultraschall-Schwingungsleistung 0.15 W, Ul-
raschall-Schwingungsfrequenz 62 kHz, Schweißzeit 40 ms, Bei der Stromquelle ITSP-3P wurde
4
der Wert des Schweißstroms auf 18 A eingestellt.
Im ersten Fall wurde bei der Montage des Drahtes auf einem Kontaktpad mit Abmessungen (60x60} um eine Kontaktelektrode aus einer Kupferlegierung auf den Leiter abgesenkt und mit einem statischen Druck von 20 Gramm zusammengedrückt, der Leiter wurde gegen die von der Anschlussfläche isolierte Oberfläche der Platine gedrückt, d. h. die Kontaktstelle lag außerhalb des Bereichs der Anschlussfläche, während die Kontaktstelle von der Stirnfläche der Ultraschallelektrode in einem Abstand von 100 um getrennt war, Vor dem Schweißen hat die Stromquelle ITSP-3P automatisch den Widerstand des Schweißkreises gemessen, einschließlich des Widerstands des zwischen den Elektroden eingeschlossenen Leitersegments, der 0,08 Chm betrug, und (gemäß dem Ohmschen Gesetz) hat die Stromquelle ITSP-3P die Schweißspannung auf 1,44 V automatisch eingestellt.
Im zweiten Fall wurde bei der Montage des Drahtes auf einem Kontaktpad mit Abmessungen von (800 x 800) um eine Kontaktelektrode aus einer Kupferlegierung auf den Leiter abgesenkt und mit einer Kraft von 20 Gramm zusammengedrückt, wodurch der Leiter an die Oberfläche der Anschlussfläche gedrückt wurde, d. h. der Kontaktpunkt befand sich im Bereich der Anschlussfläche, während der Kontaktpunkt von der Stimfläche der Ultraschallelektrode in einem Abstand von 100 um entfernt war, Vor dem Schweißen hat die Stromquelle ITSP-3P automatisch den Widerstand des Schweißkreises gemessen, einschließlich des Widerstands des zwischen den Elektroden eingeschlossenen Leitersegments, der 0,06 Ohm betrug, und (nach dem Ohmschen Gesetz) wurde die Schweißspannung automatisch auf 1,08 V eingestellt.
Ferner wurden in beiden Fällen der UGEN-20A-Ultraschallgenerator und die ITSP-3PStromaquelle eingeschaltet, während die Bildung einer Schweißverbindung des Drahtleiters mit der Anschlussfläche der Platine erfolgte und das Schweißen nur unter das Arbeitsende der Ultraschallelektrode stattfand.
In beiden Fällen betrug der Wert der Trennkraft von Schweißverbindungen während des Tests nicht weniger als 150 mN (15 Gramm), was eine gute Qualität des Drahtbondens während des Be-
iriebs einer Halbleitervorrichtung garantiert.
Claims (1)
- Patentanspruch Verfahren zum Anbringen von Drahtleitern an die Anschlussflächen von Halbleitervorrichtungen durch Ultraschall-Bonden, umfassend das Aufbringen von externem statischen Druck auf die zu verbindenden Elemente, das Zuführen von Ultraschallschwingungen zur Verbindungszone und den Stromdurchfluss durch beide Elemente, dessen Wert 0,8 bis 0,9 des Werts des Schmelzstroms eines niedrigeren schmelzbaren Elements beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Schweißens neben der Ultraschallelektrode eine Kontaktelektrode derart an den geschweißten Leiter gebracht wird dass ein Segment des Leiters zwischen den Elektroden gebildet wird, während die Kontaktelektrode den Leiter mit statischem Druck sowohl auf die Anschlussfläche als auch außerhalb der Fläche drückt, wonach vor dem Schweißen der Widerstand eines Segments des Leiters gemessen wird, und entsprechend dem erhaltenen Wert die Spannung während des Schwei-ßens eingestellt wird, um den Wert des Schweißstroms beizubehalten.
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