CN115776924A - 用于半导体和微系统技术的、由难熔金属制成的、用于与热辐射源的电热丝进行机械和电接触的布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于热辐射源的电热丝的机械和电接触的布置方式，包括由难熔金属制成的、具有至少一个可平面接触的接头表面、与所述电热丝接触的接触面、将电热丝与所述接触面连接的接触元件，本发明还涉及一种用于制造根据本发明的接触方式的方法。本发明的任务是提供与由难熔金属制成的电热丝的可靠且长期稳定的机械和电接触，该任务通过以下设计得以解决，即，所述电热丝的平坦的接头表面具有至少两个穿孔，并且/或者电热丝的接头表面的环绕边缘上构造了至少两个凹部，其中，接触元件在穿孔和/或凹部的位置处与接触面材料结合地连接，并且通过在电热丝的接触面上方，在穿孔和/或凹部位置处，构造凸缘状结构的接触元件，不仅与电热丝形成电连接，而且还与之形成机械连接。

Description

用于半导体和微系统技术的、由难熔金属制成的、用于与热辐 射源的电热丝进行机械和电接触的布置和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于与热辐射源的电热丝进行机械和电接触的布置，其中，由难熔金属制成的电热丝的布置具有至少一个可平面接触的接头表面，该布置包括与电热丝接触的接触面、以及将电热丝与所述接触面连接起来的接触元件。
本发明同样还涉及一种用于制造根据本发明所述的接触的方法。
背景技术
热辐射源的辐射功率与其绝对温度的四次幂成正比，并符合斯特凡波兹曼定律的描述。因此，为了高辐射输出，热辐射源的电热丝必须具有可能的最高温度。这需要熔点非常高的材料。为此尤其合适的是难熔金属，即高熔点的非贵金属，如钨、钽或钼。
最知名的热辐射源是白炽灯，其中钨丝被电流加热并激发发光。根据设计，电热丝的温度约为1500℃至3000℃。由于接触点处的高温和电流，在这里可能会发生材料转移。然后，非贵金属沿着电热丝蠕动，并与之发生化学反应。这导致发生脆化并形成潜在的断裂点，这就降低了热辐射源的寿命。尤其是在打开或关闭时，这些脆化部位会断裂。因此，必须小心为两个插接配对件(电热丝和触点)选择合适的材料。例如，US2145186A公开了一种布置在密封活塞中的白炽灯，尤其是灯丝与内部电源线的机械固定方式。
难熔金属在室温下由于钝化相对耐腐蚀。然而，在高温下，它们很容易与许多非金属和气体反应，这就是为什么对外壳的纯度和气密性以及电接触都有很高的要求。电热丝在高温下的安全和长期稳定的电接触是通过焊接连接(通常通过所谓的电阻点焊)实现。在这个过程中，金属结合在一起，因为两个拼接部分的原子相互化学反应或发生冶金反应，并形成牢固的粘结物。在US1477618A、DE102004061736A1、DE2200736A和DE735789A中公开了电热丝和电源引线之间的示例性焊接方式。同样，US4370589A公开了一种在电白炽灯的灯丝和电源引线之间的焊接方式，其中，电源引线的内部末端构造成齿状并焊接在电热丝的末端上，从而让电热丝和电源线在多个部位上相互熔接，并且这些地方提供了牢固可靠的电连接。
然而，电阻点焊并不能使所有材料都能很好地连接在一起。原因在于物理属性和与电极材料的相互作用。电阻点焊的理想材料属性是：
·熔点相同或接近
·低电导率
·低热导率
·高可塑性(热变形性)。
这些性质在实际焊接任务中很少满足。硬且脆的材料，如难熔金属，在焊接和冷却过程中也容易断裂。这影响电接触的质量和可靠性。
此外，焊接不是微电子和微系统技术中的标准工艺。常见的方法例如是引线键合和倒装芯片键合。
在引线键合中，通过细的金属丝(键合线)将部件5的接头与其他部件的或壳体的电接头4相连，见图1和图2。通常使用金、铝或铜作为键合材料。一种非常常见的引线键合工艺是所谓的球楔键合。其中，从引线键合机的毛细管1下方向外伸出的键合引线2的端部被熔化，从而通过表面张力形成球体(Ball)3。该体球3通过压力、热和超声波键合到接触面4上，并形成所谓的球键6。在球焊中，键合引线2被拉向另一个接触面4并被键合，见图2。然而，在所谓的球焊中缺少一种特殊形式的球楔键合，如图1所示。在这里，在第一球焊6完成之后，毛细管1处的引线夹被关闭，并且当启动毛细管1时，键合线2在键合的球体处被直接切断。由此在接触面4上产生球形凸起，也被称为螺柱凸块7。该工艺主要用于倒装芯片组装。DE1949869A描述了一种将电热丝与金属引线相连的方法，其中，在将金属珠对着引线和上面的电热丝压紧期间，金属珠被加热至塑料状或半塑料装，在这个过程中，通过在金属珠和引线之间的界面处的扩散而形成金属间的或冶金的连接。
铝不适合与难熔金属制成的电热丝接触，因为它与贵金属相差甚远，熔点也非常低。
贵金属“金”通常用于微电子和微系统工艺中作为导体线路，特别是作为键合线，并且用于接触面，因为它具有优异的电热属性，非常容易加工，具有高耐腐蚀性和易焊性。然而，由于高导电性和导热性，金的焊接适用性有限。借助难熔金属不可能实现可靠且长期稳定的焊接。
近年来，铜线键合开始被广为接受，主要是由于其相对于金线巨大的成本优势，以及其他的一些优点。它的直流电阻和导热性优于金线。此外，铜在高温下具有更高的机械稳定性和更好的接触可靠性。然而，铜在室温下就会开始发生快速的表面氧化是一个缺点。如果氧化铜层太厚，由于材料变得太硬，它就不能再键合。此外，键合线的端部不能再熔成球体，而这是形成螺柱凸块所必需的。因此，保护铜线免受氧化是很重要的。这需要对铜键合线进行相应的无氧储存和处理。与金类似，铜也不可能与难熔金属进行可靠且长期稳定的焊接。
即使使用所描述的、已知的、用于微电子元件的引线键合的接触方式，诸如难熔金属这样又硬又脆的材料也不能与金、铜或铝线可靠且长期稳定地直接接触。
发明内容
因此，本发明的任务是提供与由难熔金属制成的电热丝的可靠且长期稳定的机械和电接触，这种接触借助常见的微电子和微系统工艺就可以实现，因此可以轻易地集成到例如微光机电系统(MOEMS)中，并且可以实现高度自动化。
该任务通过一种根据针对布置方式的独立权利要求所述的布置方式得以实现，它用于热辐射源的电热丝的机械和电接触。根据本发明，电热丝的平坦的接头表面具有至少两个穿孔，并且/或者电热丝的接头表面的环绕边缘上构造了至少两个凹部，其中，接触元件在穿孔和/或凹部的位置处与接触面材料结合地连接，并且通过在电热丝的接触面上方，在穿孔和/或凹部位置处，构造凸缘状结构的接触元件，不仅与电热丝形成电连接，而且还与之形成机械连接。平坦的接头表面应理解为电热丝的一部分，其平坦地靠在接触面上，其中所述接头表面在这个平面内的延伸度与其厚度相比明显更大。
特别有利的是，利用电热丝的接头表面中的穿孔和/或凹部将电热丝夹持在具有引线键合球(所谓的螺柱凸块)的平坦接触表面上，并与之紧固在一起。这样形成的连接与由难熔金属制成的电热丝的接触面不仅可靠地电连接而且还可靠地机械连接。通过将电热丝的平坦的接头表面的结构修改和众所周知的球键合工艺相结合，就可以通过成熟的并且高度自动化的半导体和微系统技术在成本耗费不大的情况下可靠且长期稳定地接触难熔金属，而迄今为止，难熔金属都无法长期稳定接触或者只能在投入巨大成本的情况才可以。
在半导体和微系统技术中被称为螺柱凸块的引线键合球通过压力、热量和超声波与接触面形成材料结合的连接，此时键合球从横截面观察是一个扁平的球。这种凸缘状的扁平设计在根据本发明的布置方式中用于将电热丝的接头表面机械夹紧到接触面上，类似铆钉连接。通过电热丝的接头表面和螺柱凸块在电热丝的接头表面边沿上的穿孔和/或凹部中的平面接触，也制造出电连接。在具有根据本发明的接触设计的热辐射源运行期间，还额外地发生电热丝和接触元件的热膨胀，从而使得电热丝的接头表面和接触面之间的接触电阻接近于零。
与先前已知的与难熔金属接触方式相比，优点尤其是在于，通过本发明的布置方式，不会发生难熔金属的接触部位的脆化，也不会再发生材料转移，从而可以显著提高具有由难熔金属制成的接触部位的构造部件的使用寿命。这种接触形式可以很容易地用成熟的且高度自动化的半导体和微系统技术实现，因此可以很容易地集成到有接触难熔金属需求的微光机电系统(MOEMS)的制造过程中。
在根据本发明的布置方式的一种实施例中，穿孔是圆形的、三角形的(n＝3)、正方形的(n＝4)和/或n边形的。这里的n是大于2的自然数。根据螺柱凸块的尺寸(这取决于键合引线的直径和引线键合期间的工艺参数)，借此可以优化机械接触和电接触。典型的键合引线直径在(10…50)μm的范围内。这导致螺柱凸块的直径通常小于100μm。穿孔和凹部的直径必须小于螺柱凸块的直径，才能够可靠地夹紧。
在根据本发明的装置方式的另一实施例中，凹部是三角形(n＝3)、正方形(n＝4)、梯形(n＝2)、弧形的和/或n边形的。这里n是大于2的自然数。根据螺柱凸块的尺寸(这取决于键合引线的直径和引线键合期间的工艺参数)，借此可以优化机械和电接触。
电热丝的接头表面可以具有穿孔或者凹部或两者都有，它们的形状可以自由组合。
在根据本发明的接触方式的另一种设计方案中，接触面和接触元件优选为金和铜制成。金和铜具有优异的电性能和热性能，可以很好地加工。特别是金还具有高耐腐蚀性和易焊接性。
在根据本发明的接触方式的另一种设计方案中，电热丝的难熔金属是钨或钽。这些材料优选用在具有高辐射输出的热辐射源中，因为它们具有非常高的熔点。
在根据本发明的接触方式的一种设计方案中，可以在大于700℃的温度下加热电热丝，而不在电热丝和接触点之间发生化学反应。接触点是指接触元件与接触面材料结合地相连的部位，在这里通过穿孔和/或凹部在电热丝的接头表面和接触面之间构成机械连接和电连接。这只有通过一方面修改电热丝的接头表面，另一方面将接触元件在穿孔和/或凹部位置与下面的接触面结合，两者结合才能实现。由于难熔金属制成的电热丝不会与接触面形成化学连接，因此在700℃以上的极高温度下，在难熔金属和接触元件材料之间不再发生材料流动或者说材料转移。这防止了非贵金属的材料沿着电热丝的蠕动以及与之发生化学反应。不再会发生断裂或者形成会降低热辐射源寿命的潜在断裂点。
本发明的任务还通过一种用于制造根据权利要求1至6所述的、用于热辐射源的电热丝的机械和电接触的布置的方法得以解决，其中，所述接触元件借助所述穿孔和/或凹部位置处的引线键合来施加到接触面上，并且直接位于所述穿孔或凹部位置处的所述电热丝的接头表面上方的凸缘状突起部分上的接触元件断裂。
根据本发明的布置方式及其制造方式适合于并且被设计用在半导体和微系统技术中。
附图说明
接下来借助实施例更详尽地阐述本发明。附图示出：
图1由倒装芯片组件中已知的球焊法，用于在平坦的接触面上制造球形凸块，即所谓的螺柱凸块；
图2从现有技术已知的微电子元件中的引线键合接触形式；
图3根据本发明的、接头表面具有穿孔的电热丝的一种实施方式：(a)圆形穿孔，(b)三角形穿孔，(c)矩形穿孔，(d)n边形穿孔；
图4根据本发明的、接头表面具有凹部的电热丝的一种实施方式：(a)三角形凹部，(b)矩形凹部，(c)梯形凹部，(d)不同凹部的组合；
图5根据本发明的、接头表面具有穿孔和凹部的、由难熔金属制成的电热丝的一种实施例方式：(a)圆形穿孔和梯形凹部，(b)圆形穿孔与三角形凹部；
图6根据本发明的一种借助螺柱凸块接触由难熔金属制成的电热丝的实施方式；
图7根据本发明的、电热丝与上面有一个穿孔和两个凹部的接触面接触的横截面。
具体实施方式
图3示出了电热丝的具有不同形式穿孔的接头表面10的根据本发明的一种实施方式。根据螺柱凸块7(即接触元件)的尺寸(其取决于键合引线的直径和引线键合时的工艺参数)，借此可以优化机械接触和电接触。
图4示出了电热丝的具有不同形式穿孔的接头表面10的根据本发明的另一种实施方式。根据螺柱凸块7的尺寸(其取决于键合引线的直径和引线键合时的工艺参数)，借此可以优化机械接触和电接触。
图5显示了电热丝的具有不同形式穿孔11和凹部17的、根据本发明的接头表面10的一种优选实施方式。由于键合引线的直径不能任意减小，穿孔11和凹部17的组合尤其对于接触点的面积非常小的情况是有利的，因为可以设计更多数量的接触点。通过将第一螺柱凸块7置入穿孔11中，电热丝被固定并防止滑动。凹部17中的其他螺柱凸块7提供了必要的机械稳定性和良好的电接触。
图6示出了由难熔金属制成的电热丝的结构化接头表面10和粘结的螺柱凸块7之间的、根据本发明的接触的一种优选的实施方式。特别有利的是，电热丝的连接表面10中的穿孔11和Z或凹部17用于将电热丝夹持在与线键合球、螺柱凸块7的平坦接触表面4上，并因此紧固。这样形成的连接不仅与由难熔金属制成的电热丝在接触面4上电连接，而且还与之可靠地机械连接。这种连接是长期稳定的、可靠的，无需大费周章即可制造出来。
由例如金或铜制成的螺柱凸块7与同样也例如由金或铜制成的接触面4形成材料结合的连接，其中，粘合的键合球体3在横截面上观察是键合引线端部19断掉的扁平的球体18(图7)。该凸缘状的扁平结构18用于将电热丝的接头表面10机械地夹持到接触面4上，类似于铆钉连接。通过电热丝的接头表面10和螺柱凸块7在电热丝的接头表面10边沿上的穿孔11和/或凹部17中的平面接触，也制造出电连接。在具有根据本发明的接触设计的热辐射源运行期间，还额外地发生电热丝和接触元件(例如金线)的热膨胀，从而使得电热丝的接头表面10和接触面4之间的接触电阻接近于零。
与先前已知的与难熔金属的接触方式相比，优点尤其在于，利用根据本发明的布置方式不会再发生接触部位的脆化，或者材料的转移，从而可以显著提高具有由难熔金属制成的接触部位的构造部件的使用寿命。接触部位钝化等情况也不会出现。
附图标记列表
1 引线键合器的毛细管
2 键合引线
3 球体
4接触面、电接头
5 构造部件
7 螺柱凸块
8 基材
9 楔子键合
10电热丝的接头表面/接触面
11 圆形的穿孔
12 三角形的穿孔
13 矩形的穿孔
14n边形的穿孔
15 三角形的凹部
16 矩形的凹部
17 梯形的凹部
18 扁平的球体
19 断开的键合引线

Claims (7)

1.一种布置方式，其用于热辐射源的电热丝的机械和电接触，包括由难熔金属制成的、具有至少一个可平面接触的接头表面(10)、与所述电热丝接触的接触面(4)、将电热丝与所述接触面(4)连接的接触元件(7)，其特征在于，所述电热丝的平坦的接头表面(10)具有至少两个穿孔(11、12、13、14)，并且/或者电热丝的接头表面(10)的环绕边缘上构造了至少两个凹部(15、16、17)，其中，所述接触元件(7)在穿孔(11、12、13、14)和/或凹部(15、16、17)的位置处与接触面(4)材料结合地连接，并且通过在电热丝的接触面(10)上方，在穿孔(11、12、13、14)和/或凹部(15、16)位置处，将所述接触元件(7)设计成凸缘状的结构(18)，不仅与电热丝形成电连接，而且还与之形成机械连接。
2.根据权利要求1所述的用于热辐射源的电热丝的机械接触和电接触的布置方式，其特征在于，所述穿孔构造成圆形(11)、三角形(12)、四边形(13)和/或n边形(14)。
3.根据权利要求1所述的、用于热辐射源的电热丝的机械接触和电接触的布置方式，其特征在于，所述凹部构造成三角形(12)、四边形(13)、梯形(17)、弧形的和/或n边形。
4.根据权利要求1所述的用于热辐射源的电热丝的机械接触和电接触的布置方式，其特征在于，所述接触面(4)和所述接触元件(7)优选地由金和/或铜制成。
5.根据权利要求1所述的用于热辐射源的电热丝的机械接触和电接触的布置方式，其特征在于，所述电热丝的难熔金属是钨或钽。
6.根据权利要求1所述的用于热辐射源的电热丝的机械接触和电接触的布置方式，其特征在于，所述电热丝可以被加热超过700℃，而不会在电热丝和接触部位之间发生化学反应。
7.用于制造根据权利要求1至6所述的用于热辐射源的电热丝的机械和电接触的布置的方法，其中，所述接触元件(7)借助所述穿孔(11、12、13、14)和/或凹部(15、16、17)位置处的引线键合来施加到接触面(4)上，并且直接位于所述穿孔或凹部位置处的所述电热丝的接头表面(10)上方的凸缘状突起部分上的接触元件是断开的。
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