DD140942A1

DD140942A1 - Verfahren und anordnung zur mikroverbindungstechnik mittels laser

Info

Publication number: DD140942A1
Application number: DD20995378A
Authority: DD
Inventors: Horst Ahlers; Bernd Laemmel; Horst Schulenburg; Juergen Waldmann; Gerhard Zscherpe
Original assignee: Horst Ahlers; Bernd Laemmel; Horst Schulenburg; Juergen Waldmann; Gerhard Zscherpe
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für die Mikroverbindungen von Dünn- und Dickschichtschaltungen einschließlich Schichtkombinationen, integrierten Schaltkreisen, Mehrebenenmikroleiterplatten, funktioneller Mikroelektronik und anderen Mikrotechniken. Ziel der Erfindung ist, mittels Laser für beliebige Materialien und Materialkombinationen auf Trägern und Bauelementen ohne die Verwendung von Drähten eine einfache Handhabung, einen geringen Positionieraufwand, eine automatische Fertigung sowie eine gleichzeitige und/oder nacheinanderfolgende Herstellung zu ermöglichen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, einen Laserstrahl durch das Trägermaterial hindurchwirken zu lassen und die Leiterbahn, die auf ihn aufgebracht ist, sowie die Kontaktbahn eines Halbleiterbauelements, das sich darunter befindet, so zu erwärmen, daß eine innige Verbindung entsteht, die einen multivalenten Einsatz möglich macht. Die Anwendung von Steuer- und Regelstrecken unter Einschluß von Mikroprozessoren stellt einen modernen Weg der Erhöhung der Güte der Verbindungsstellen dar. - Figur -

Description

Titel, der Erfindung

Verfahren und Anordnung zur Mikroverbindungstechnik mittels Laser

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordrnung für MikroVerbindungen von Dünn- und Dickschichtschaltungen, einschließlich Schichtkombinationen, integrierten Schaltkreisen, Mehrebenenmikroleiterplatten, funktioneller Mikroelektronik und anderen Mikrotechniken»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß ein von der aktiven Halbleiterzone (n- oder p-dotiert) ausgehender und zum Außenanschluß führender, sperrschichtfreier Kontakt mechanisch und thermisch (Biegen, Löten) stark beansprucht wird· Dabei ist der Kontakt niederohmig₈ und der Kontaktwiderstand bleibt bei den Beanspruchungen konstant (Po Becker, rme Jahrgang 39 (1973) 1O₉ S„ .444)

Die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelements wird wesentlich durch die Güte dieser Verbindungsstellen beeinflußte

Bekannt ist weiterhin, daß eine Verbindung Kristall-Anschlußdraht über zwei Schweißstellen führt (D₀ Baker, R₀ Jones, Reliability 5 (1966) H. 5, S. 229)*

Als kompakte und drahtförmige Verbindungsmaterialien werden Gold und Aluminium eingesetzt {Electronics, 46 (1973) Ή ι So 29; SST 18 (1975) 10, So 46$ IMD ENt EVIi 4/7?) ο ' ' "

Dabei kommt das bekannte Thermokompressionsschweißen (thermocompression bonding, nailhe'ad bonding) zur Anwendung« Der ,Golddraht läuft durch eine Kapillare im Schweißkopfο Der Kristall wird vorgeheizt und das kugelförmige Golddrahtende aufgeschweißt_o Der Schweißkopf bewegt sich zum Pfosten und schweißt dort den Golddraht durch Druck an» Beim Abheben des Schweißkopfes wird der Golddraht mit einer Wasserstoff-Flamme abgeschnitten«,

Dagegen wird beim bekannten Ultraschallschweißen (Bild der Wissenschaft 8 (1975) S. 2) beispielsweise der Aluminiumdraht durch den Schweißkopf (Sonartrode) gequetschte

Die genannten Verfahren gewährleisten, die Bondungen zeitlich nacheinander zu realisieren© Produktiver ist die Folienbondtechnik, da sie gestattet, mehrere Bondungen gleichzeitig durchzuführen· Bei dieser Technik werden Zwischenträger aus isolierender flexibler Folie verwendet, die ein Metalleitbahnmuster enthält und ein simultanes Bonden der Innen- und Außenanschlüsse, vorzugsweise durch Löten oder TOB (SST 18 (1975) 10, S₀ 46, IMD Mt EVM 4/77)

JO gestattet*

Die Bauelemente sind nach erfolgter Innenkontaktierung auch als gehäuselose Chips weiterverarbeitbar· .

Neben den genannten Bondtechniken wird die Lasertechnik zum Löten und Schweißen oder Trennen eingesetzt. Nachteilig hierbei ist die unzureichende Ausnutzung der verfügbaren Leistung (Bild der Wissenschaft 8 (1975) S, 2),

Zum Weichlöten kleiner elektronischer Bauelemente genügen beispielsweise 5 W, während Dauerstricklaser von > 50 W eingesetzt werden· Vorteilhaft ist es, durch

spezielle Hologramme auf mehrere Punkte zu konzentrieren« Dadurch läßt sich simultanes Löten bzw» Bonden ermöglichen und die Leistungsreserve wird besser aus- . * genutzte . ..·.'.

Desweiteren sollte versucht werden durch kontaktierte Medien, beispielsweise Glas, die Bondstellen zu schützen und durch Einsparung von Schritten die Bondkapazi-' tat zu erhöheno .

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Mikroverbindungstechnik mittels Laser für beliebige Materialien und Materialkombinationen auf Irägern und Bauelemente ohne die Verwendung von Drähten zu entwickeln»

Das Verfahren und die Anordnung soll einfach handhabbar, mit geringem Positionieraufwand, universell steuerbar und damit eine automatische Fertigung ermöglichen« Es soll erreicht werden, daß mehrere Verbindungen gleichzeitig und/oder nacheinander hergestellt werden· Damit wird eine sichere produktivere und ef-.

fektivere Verbindungstechnik angestrebt. Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Mikroverbindungstechnik von be~ liebigen Materialien und Materialkombinationen auf Trägern und Bauelementen untereinander mittels Laser zu schäffeno

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst_s daß ein Laserstrahl durch beispielsweise das Trägermaterial hindurchwirkt und die Leiterbahn, die auf ihn aufgebracht ist sowie die Kontaktbahn eines Halbleiterbauelements, das sich darunter befindet, so erwärmt, daß · eine innige Verbindung entsteht©

Die bisher bekannten technischen Lösungen zeigen bereits die Möglichkeiten auf, die direkte Kontaktierung und die damit verbundenen Unreinheiten der Schweißung und Verbindung auf ein Minimum herabzusetzen*

Ebenso kann der umgekehrte .Effekt auftreten, und der Laserstrahl wirkt durch das Bauelement hindurch·

Durch die Wahl der Wellenlänge des Lasers kann erreicht werden, daß die Träger oder Bauelemente nicht oder schwach absorbieren» Die innige Verbindung kann durch zusätzlichen Druck, Vorheizen und die Anwendung von ζ» Β« inerten Gasen unterstützt und verbessert werden. " Das Verbinden durch Laser mit anderen Verbindungstechniken macht einen multivalenten Einsatz möglich*

Ein ebenfalls günstiger Effekt kann dadurch erreicht werden, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Leiterbahnen auf Trägern oder Bauelementen entsprechend auf— gerauht oder mit einer bestimmten Struktur 7/ersehen werden.

Ein moderner Weg der Erhöhung der Güte der Verbindungsstellen stellt die Anwendung von Steuer- und Regelstrecken unt-er Einschluß von Mikroprozessoren dar₀ Dazu muß die Güte der Verbindung während oder nach der Verbindungsherstellung gemessen werden, oder es müssen entsprechende Modellfunktionen vorhanden sein· Dann kann der Mikroprozessor ständig ermitteln, welche Form_t Intensitätsverteilung und Wellenlänge der Laserstrahl oder mehrere auf die zu verbindende Stelle gerichtete Laserstrahlen haben müssen, und welche Positionen Strahlen, Träger und Bauelemente einnehmen» Durch geeignete Stellglieder können dann die zu verbindenden Stellen aufgesucht_s die gesamte Anordnung einjustiert und die Energiezufuhr durch den Laser und/oder die Hilfsenergien dosiert 'werden«,

Ebenso ist das Verfahren durch die dargelegte Form der automatischen Parametereinstellung und -optimierungj besonders dazu geeignet, viele Verbindungen, . wie sie beispielsweise in der Mikroelektronik für vielpolige Gehäuse erforderlich sind, nacheinander oder gleichzeitig herzustellen

4"

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungs~ beispielen erläutert werdeno

In Figur 1 trifft der Laserstrahl 1 senkrecht auf das nichtabsorbierende oder schwachabsorbierende Trägermaterial 2· Auf der unteren Seite des Trägermaterials sind mehrere Kontaktstellen 3 angebracht_s die nacheinander über ein entsprechendes Programm vom Laserstrahl angefahren werden« Die Kontaktstellen 3 absorbieren

einen Großteil der Laserenergie, erwärmen sich bis zum Schmelzpunkt und leiten die Wärme zu den Kontaktinseln 4-j die auf einem Halbleiter mit p-Gebiet 5 und n~Gebieten 6 eindiffundiert sindo Die gegenüberliegenden Kontaktstellen 5 und Kontaktinseln 4 schmelzen auf und ergeben nach Abschalten der Laserenergie eine innige Verbindung im Zeitablauf des nachfolgenden Abkühlungsprozesses. Um vor der Laserbestrahlung eine gute mechanische Verbindung zwischen den Kontaktstellen 3 und den Kontaktinseln 4 zu garantiere^ werden beide mittels einer Einspannvorrichtung ? verspannt« .

Bei geeigneter Auswahl eines Lasers in Abhängigkeit von den optischen und thermischen Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials kann der Verbindungs- · prozeß auch nach Figo 2 erfolgen* Wird zwischen die Kontaktstellen eine Folie 8 eingelegt bzw₀ auf eine der beiden gegenüberliegenden Kontakte Material als Lot aufgedampft, so kann die Kontaktverbindung haltbarer werdeno

Claims

Mlll*t mm Erfindungsanspruch

1« Verfahren und Anordnung zur Mikroverbindungstechnik von Dünn- und Dickschichtschaltungen, einschließlich Schichtkombinationen, integrierten Schaltkreisen, Mehrebenenmikroleiterplatten, funktioneller Mikroelektronik und anderen Mikrotechniken, dadurch gekennzeichnet j daß ein Laserstrahl bestimmter Wellenlänge durch nicht- oder schwachabsorbierende Trägermaterialien oder Bauelemente hindurchdringt und im Bauelement oder auf dem Bauelement, auf dem Träger_s zwischen Bauelementen und zwischen Trägern sowie zwischen Bauelementen und Trägern beliebige aufgebrachte Materialkombinationen verbindet»

2» Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger und/oder Bauelemente unter zusätzlichem Druck an beliebig vorgesehenen Stellen miteinander und/oder untereinander verbunden werdeno

3» Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch ge-20. kennzeichnet, daß eine Kombination mit anderen Mikroverbindungstechniken wie Ultraschallschweißen, Thermokompressionsbonden, Widerstandsbonden und anderen erfolgte

4-0 Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Mikroverbindungen beliebige vorher aufgebrachte Materialien " auf Trägern, Bauelementen oder ihren Kombinationen verwendet werden und sie verschiedene Oberflächenbeschaffenheit aufweisenο

Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MikroVerbindungen .durch Vorheizen und unter Zusatz von flüssigen, festen und gasförmigen Medien und ihre Kombination hergestellt werden«.

6ο Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu verbindenden Stellen mehrere Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, Laserstrahlen vorgegebener geometrischer Intensitätsverteilungen und mehrere Strahlen an mehreren zu verbindenden Stellen gleichzeitig treffen©

7ο Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verbindungsprozesses " in Abhängigkeit von den optischen, thermischen und anderen Eigenschaften Leistungsdichte und Leistungsdichteverteilung sowie geometrische Lage des Laserstrahls und Positionierung der Verbindungsstelle kontinuierlich und/oder in Stufen als Punktion der Güte der Verbindungsstelle gesteuert bzw„ geregelt · und die Laserwellenlänge eingestellt wird«

Verfahren und Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung, Laserleistungsdichteverteilung j Laserstrahlführung und/oder die zu verbindenden Anordnungen mittels eines Mikroprozessor· systems oder ähnlichen elektronischen Einrichtungen aufgesucht, eingustiert und dosiert wird»

Hierzu /J Seite Zeichnung