DD238476A1 - Verfahren zum herstellen ultraschallgeschweisster drahtanschluesse auf plastischen schaltungstraegern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultraschallgeschweisster Drahtanschluesse auf plastischen Schaltungstraegern insbesondere fuer die Hybridintegration mikroelektronischer Schaltungen mit optoelektronischen Funktionen und zielt auf eine Miniaturisierung der Schaltung, hoehere Packungsdichten und die Ausschoepfung der Sortimentsbreite plastischer Werkstoffe. Die Aufgabe bestand darin, die Fuehrung der Ultraschallenergiedichte im Bereich der Fuegezone von Draht und Bondstelle auf einem Folienverband zu gewaehrleisten. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe durch einen ultraschallgestuetzten Schweissvorgang geloest, bei dem das Volumen des der Energieaufnahme aus Ultraschallschwingungen unterworfenen zur Bondstelle gehoerigen Teils des Folienverbandes vergroessert wird. Die Temperatur in der Schweisszone wird dabei so im Bereich zwischen 30 bis 125C erhoeht, dass das Kunststoffbasismaterial im elastischen bis hartplastischen Bereich belassen wird und die Andruckkraft der Sonotrode zu keiner plastischen Deformation fuehrt. Anwendungsgebiete des Verfahrens sind die Bauteilfertigung optoelektronischer Signaluebertragungs-, Signalverarbeitungs- und Datenanzeigeanordnungen mit Kleinstraumbedarf und Flachformatgestalt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse auf plastischen Schaltungsträgern, die aus einem Verbund aus Metallfolie, Verbundschicht und Basismaterial gebildet sind.

Einzelne Halbleiterplättchen oder eine Vielzahl von Plättchen aus zum Teil unterschiedlichem Halbleitermaterial sind zum Hervorbringen reinelektronischer oder foto- wie optoelektronischer Funktionen auf einem Schaltungsträger befestigt und sollen mit anderen auf dem Schaltkreisträger vorhandenen Leiterbahnen verbunden werden.

Das Halbleitermaterial bestehend aus Si, GaAs, GaP, InP, Ge oder abgeleiteten Verbindungshalbleitern wurde zu fertigen bipolaren oder unipolaren Halbleiteranordnungen verarbeitet, metallisiert, geprüft und in Chips vereinzelt zur Präsentation gebracht.

Objekte der erfindungsgemäßen Bearbeitung sind biegsame und flexible Leiterplatten, die von der reinen Verbinderfunktion zwischen zwei Schaltungsträgern dank der Hybridintegration selbst zur schaltkreisbestückten Leiterplatte und damit zum flexiblen Schaltungsträger werden.

Kernstück der Herstellung von flachen und flexiblen Bandschaltungen ist die Chipmontage auf das Band und die äußere Kontaktierung durch leitende Brücken über andere Bereiche der Leiterplatte bis hin zur gewünschten Versorgungsleitung. Die innere Kontaktierung der Halbleiterplättchen ist durch die Metall-Halbleiterkontakte und eine entsprechendeTrassierung bis zur Kontaktstelle für einen Drahtanschluß während der Scheibenprozesse vollzogen worden.

Anwendungsgebiete der erfindungsgemäß hergestellten hybridintegrierten mikroelektronischen Schaltungen sind TTL-Logikschaltungen, lineare und digitale Schaltungen, kombinierte Schieberegister-, Zwischenspeicher- und Treiberstufenschaltungen, wie sie für die Lichtleiternachrichtentechnik und die Signalverarbeitung in CCD-Aufnahmesystemen und Flachanzeigen mit.mittlerer bis hoher Bildpunktzahl benötigt werden.

• Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren zur Herstellung von Drahtverbindungen zwischen Halbleiterplättchen und äußeren Elektroden unter Anwendung von Druck und Wärme (Thermokompression), Druck und Ultraschallenergie (Ultraschallbonden) sowie von Druck, Wärme und Ultraschallenergie (Thermosonikbonden) sind in der Mikroelektronik seit Jahren produktionswirksam. Der Vorteil dieser Verfahren liegt darin, daß durch eine Reihe von Stellgliedern wie die Wahl der eingesetzten Drahtmarke (Al, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-AIMgCu, Au u.a.), des Drahtdurchmessers, der Drahtnachbehandlung zur Einstellung der Dehnungswerte durch Glühen oder Härten, der Gestalt des Bondwerkzeuges und den Maschinenparametern wie Andruckkraft, Bonddauer, Bondtemperatur, Vibrationsamplitude und Frequenz ein Spektrum von Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Bondsituation geschaffen werden kann.

Wägt man die drei genannten Verfahren noch gegeneinander ab, so ist festzustellen, daß Schutzvorrichtungen der Fügelteile, wie sie nach C. E. Harper im Buch "Handbook of electronic packaging" der McGrawHill Book Comp. 1969 Kap. 10 S. 59 in Gestalt von Wärmeableitsenken angebracht werden, um überschüssige Wärme abzuhalten oder abzuleiten, bei Thermosonik- oder Ultraschallbondverfahren aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus kaum erforderlich und deshalb auch entbehrlich sind. Abweichend von dem allgemeinen Trend wird in der DD-PS 213555 und DD-PS 200295 vorgeschlagen LED-Zeilen und Miniatur LED-Bauteile mit einem chiptragenden Bestandteil aus Plastmaterial, einem mit Aussparungen versehenen Distanzteil und einer Abdeckfolie mit Streu- oder Einfärbungseigenschaften aufzubauen und die äußere Kontaktierung durch Wärmeschall- oder Ultraschallschweißung zu vollziehen.

Diese besondere Bondsituation führte zu zwei unabhängigen Fehlerarten. Einerseits traten Fehlbondungen auf und beim Anheben des Bondwerkzeuges löste sich auch der Draht sofort wieder von der Leiterbahn, obwohl in der gleichen Versuchsreihe auch Bondbrücken mit hoher Reißlast ermittelt werden konnten. Andererseits ließen sich bei einer Zahl von haftenden Drahtbrücken nur sehr niedrige Abreißfestigkeiten feststellen. Diese Werte lagen unter den geforderten Mindestfestigkeiten und mußten als Ausfall gewertet werden.

Als Ursache für die unzureichenden Ergebnisse der Drahtbondung hinsichtlich der Abrißfestigkeit und Nichtbondbarkeit kommen sowohl metallurgische, chemische wie physikalische Vorgänge in Betracht.

Aus metallurgischer Sicht ist die von E.Philofski beobachtete und in der Zeitschrift Solid State Electronics Vol. 13 (1970), 1 391-1399 beschriebene Ausbildung intermetallischer Phasen z. B. beim Au-Al-System, sowie ein als Kirkendall-Effekt bezeichneter schneller Goldabwanderungseffekt aus der Au-Al-Grenzschicht, der Fehlstellen und Haarrisse schafft und zu Unterbrechungen führt, zu beachten.

Chemische Vorgänge sind es, die durch eine Oberflächensegregation von metallischen Verunreinigungen während der Herstellung der Bondstellenoberfläche durch Bedampfung, Bestäubung, stromlose Plattierung oder Galvanik nach Ergebnissen von G. E. McGuire et. al. veröffentlicht in der Zeitschrift Thin Solid films 45 (1977) S. 59-68 sogar Edelmetallkontakte für Schweißverfahren unbrauchbar machen können. Negativ auf die Bondqualität wirken nach der DD-PS 136324 Anschlußflächen deren Metallmaterial wie z. B. Kupfer besonders zur Oxydation neigt. Selbst inkorporierte organische Verunreinigungen wie Wachs oder Lackreste stören beim Bonden auf vergoldeten Leiterbahnen nach K. H. Mücke (Metalloberfläche 32 [78] 5, S. 74-76). Die Materialeigenschaften einer Reihe von Metallen oder Metallverbindungen reichen nach der DE-OS 2732087 für einen Ultraschallschweißkontakt nicht aus. Innere elektrochemische Erscheinungen und die Bildung von Lokalelementen im Gold-Aluminiumkontaktbereich können die Korrosion versprödeter, sowie deformierter Drahtteile fördern. Aus physikalischer Sicht ist zu bedenken, daß auf Grund ihres geringen Durchmessers nach der DE-OS 2354256 die Kontaktstellen der Zuleitungsdrähte auf Metallstreifen nicht sehr stabil sind. Befindet sich die Bondstelle ferner nach der DD-PS 133495 auf einer Zwischenschicht mit lockerem Gefüge, kann der Drahtschweißprozeß zu einer so hohen mechanischen Belastung der Schicht führen, daß die Drahthaftung bis zum Abheben herabgesetzt wird.

Härtevariationen des Al-Drahtes durch ungleichmäßige Dotierung über die Drahtlänge aber auch mechanische Schäden und Anlaufstellen sind nach E. Cohan (Solid State Technology [1975] S. 31-36) durch Qualitätssicherungsmaßnahmen zu vermeiden.

Schließlich ist die mechanische Krafteinleitung beim Verbindungsprozeß durch Unebenheiten auf der Bondstelle gestört und eine nach dem Verschweißen des Drahtes mit der Bondstelle weiterhin zugeführte Ultraschallenergie lockert die Schweißstelle gemäß der DD-PS 217088 wieder und führt zu Schweißstellen mit unterschiedlichen Qualitäten. Beim Einsatz von Leiterbahnträgern aus Plastikmaterial werden deshalb bevorzugt drahtfreie Verbindungsverfahren entsprechend der sogenannten Filmträgertechnik nach den amerikanischen Patentschriften 3724068, 3763404,4151 543 und 4300153 und der Beschreibung in der Zeitschrift Electronics v. 25.12.1975 S. 61-68 angewendet um die schwachen Drahtbrücken zu umgehen. Merkmal dieser Technik ist eine chipseitige Bondung mit den Kontaktstellen auf Flachbandstreifen durch Thermokompression oder Ultraschall. (US-PS 3724068) Die chipseitige Thermodenbondung nach der US-PS 3763404 mit den metallischen Zuleitungsstreifen eines flexiblen Bandes erfolgt durch Außenrandlötung in einem Simultanprozeß und umgeht zeitraubende Einzelbondprozesse. Zur Beseitigung der geringen mechanischen Schockbeständigkeit wird bei der US-PS 4151 543 durch Glättung der Metallzungen ein unerwünschter Kapillareffekt und die Kurzschlußgefahr im Halbleiterchip beseitigt.

Eine andere Variante der drahtfreien Verbindung ist in der US-PS 4255613 beschrieben, wo durch Ausbilden eines glatten Epoxidharzformkörpers als Übergang zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil in Form einer schiefen Ebene und durch Auftragen einer Leiterbahn auf die schiefe Ebene, der elektrische Kontakt zwischen den Leiterbahnen auf dem 1. und dem zweiten Bauteil hergestellt wird.

Ein wesentlicher Nachteil der Filmträgerbondtechnik ist der erhöhte Aufwand bei der Plättchenvorbereitung und die Gewährleistung der zuverlässigen Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit aller Arbeitsgänge auf den Bondeinrichtungen. Aufgrund der hohen Anschaffungskosten der dazu erforderlichen Technik ist nur eine Massenproduktion über die Filmträgerbondtechnik möglich.

• Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, unter Anwendung des thermisch weniger belastenden ultraschallgestützten Energieeintrages in die Fügezone ein Fügeverfahren zu finden, daß vom Materialaufwand in der Vorbereitung der Fertigungsteile und den Prozeßführungskosten günstiger als übliche Verfahren liegt, für eine Massenproduktion und eine Kleinserienfertigung gleichermaßen gut geeignet ist, die den Einsatz der Sortimentsbreite an Plastikwerkstoffen für starre über biegsame zu flexiblen Leitungsträgern ermöglicht und darüber hinaus bei Gewährleistung der Zuverlässigkeit der hergestellten Chipleiterbahnverbindung zu einer wesentlichen Erhöhung der Funktionsdichte und Packungsdichte in dünnen und flachen Modulen aus elektronischen wie optoelektronischen Baugruppen beiträgt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der üblichen Steuermöglichkeiten der Energiezufuhr in den unmittelbaren Bereich der zu verbindenden Draht-Bondstelle die Energiedichte der Ultraschallschwingungen im Fügebereich des Verbundes Metallkaschierung und Basismaterial definiert und differenziert zu führen.

Erfindungsgemäß wird vor oder nach dem ziehen einer Drahtverbindung von einer Kontaktstelle des Halbleiterplättchens zu einer Bondstelle auf dem Folienverbund ein Schweißvorgang zur Befestigung des Drahtendes auf der Bondstelle des Verbundes ausgeführt. Das Volumen des zur Bondstelle gehörigen Teiles des Folienverbundes, der der Ultraschallschwingung unterworfen ist, wird dämpfungsarm durch zusätzliches Material vergrößert.

Dieses zusätzliche Material kann zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, um die von der Bondstelle und vom Draht nicht aufgenommene Ultraschallenergie definiert und differenziert abzuleiten. Gleichzeitig wird die Temperatur in der Schweißzone aufwerte zwischen 30 bis 125⁰C eingestellt, wobei das Material im Bereich des vergrößerten Verbundes unterhalb des gummielastischen bzw. plastischelastischen Zustandes im elastischen bis hartelastischen Bereich belassen wird. Die über das Bondwerkzeug auf den Draht und die Bondstelle ausgeübte Andruckkraft wird so gewählt, daß keine plastische Deformation im Basismaterial, der Metallkaschierung und der Bondstelle auf Dauer eintritt.

Eine Ausbildungsrichtung der Erfindung sieht vor, daß die Volumenzunahme des zur Bondstelle gehörigen Teiles des Folienverbundes durch ein zusätzliches, erwärmbares, wärmeleitendes Substrat (im weiteren Sekundärsubstrat genannt), das in direkten mechanischen Berührungskontakt zum Verbund aus Metallkaschierung, Kleber und Kunststoffbasismaterial (im weiteren Primärsubstrat genannt) gebracht wird, herbeigeführt wird. Dabei wird das Sekundärsubstrat über den von den Ultraschallwellen betroffenen Raum der Bondstelle hinausgehend ausgedehnt und die vom Draht und der Bondstelle nicht aufgenommene Ultraschallenergie über den plastischen Träger des Primärsubstrates zum Sekundärsubstrat möglichst freischwingend abgeleitet und eine Rückkehr in die Fügezone vermindert und/oder verhindert. Erfindungsgemäß wird der direkte Kontakt zwischen dem Primär- und dem Sekundärsubstrat durch eine unlösbare Verbindung dauerhaft gestaltet und das Sekundärsubstrat an der Hybridschaltung belassen.

Die unlösbare Verbindung wird zweckmäßiger Weise durch Laminierungsverfahren wie Aufkleben, Aufwalzen usw., sowie durch Aufschweißen, Aufbügeln, chemische Vernetzung von Komponente von Primär und Sekundärsubstrat oder durch Aufgießen härtbarer Kunststoffe herbeigeführt.

Eine Weiterbildung dieser Ausbildungsrichtung der Erfindung sieht vor, daß die unlösbare Verbindung zwischen Primär- und Sekundärsubstrat nach Fertigstellung der Schweißverbindung die Hybridschaltung durch zerstörungsfreie bzw. teilweise zerstörungsfreie Verfahren abgetrennt wird.

Ferner kann der direkte Kontakt zwischen den Primär- und dem Sekundärsubstrat auch lösbar ausgeführt werden.

Die lösbare Verbindung zwischen dem Primär- und dem Sekundärsubstrat kann zweckmäßigerweise auch durch eine Klemmung, Verschraubung, Verzahnung, Vakuumansaugung oder andere Arretierung hergestellt werden.

Weiterhin kann das Sekundärsubstrat als unlösbarer oder lösbarer Bestandteil der in der Heizplatte endenden Bauteilaufnahme ausgebildet sein.

Als Sekundärsubstrate werden erfindungsgemäß Plattenabschnitte aus Hartgewebe und Hartpapier mit Harzträgern aus Geweben von Glasseide oder Baumwolle, sowie Papier und Bindemitteln aus Harzen wie z. B. Epoxidharz, Siliconharz, Phenolkresolharz verwendet. Ebenso für den Einsatz als Sekundärsubstrate sind Plastwerkstoffe aus PTFE (Polytetrafluoräthylen) geeignet, in denen die Kaltflußneigung durch Füllstoffe reduziert worden ist. Schließlich sind für diesen Einsatzzweck auch andere Basismaterialien gedruckter Schaltungstechnik, wie die flexiblen Polyester- oder Polyimidharzfolienblöcke ohne oder mit Füllung oder starre Leiterplattensubstrate aus Keramik oder Glas brauchbar.

Vor dem Einsatz als Sekundärsubstrat sind vorhandene Metallkaschierungen vom Sekundärsubstrat zweckmäßig zu entfernen.

Eine zweite Ausbildungseinrichtung der Erfindung sieht vor, daß die Volumenzunahme des zur Bondstelle gehörigen Teils des Folienverbundes durch Vergrößerung der Fläche der Metallkaschierung und zwar über die Breite der Leiterbahn hinaus vorgenommen wird und auf dem Träger aus Plastikmaterial verbleibt.

Erfindungsgemäß werden bei flexiblen Mehrlagenleiterplatten als Primärsubstrat die Leiterbahnen der tieferliegenden Lagen um die in höheren Lagen angebrachten Bondstellen der Drahtanschlüsse herumgeführt, so daß die Projektionen der Bondstellen auf die tieferliegenden Lagen frei von Metall-Kunststoffübergängen gelassen werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Figur 1: Grundschema des ultraschallgestützten Drahtbondens auf erwärmten kaschierten Leitbahnträgern aus

Plastikmaterial Figur 2: Häufigkeitsverteilung der Abreißkräfte von Thermosonik-geschweißten Drahtbrücken auf

Epoxidharzglasseidenhartgewebeohne (Kurve 1) und mit einem Sekundärsubstrat (Kurve 2) Figur 3: Häufigkeitsverteilung der Reißlast-Festigkeit von Thermosonik-geschweißten Drahtbrücken auf Kupferkaschierten

Polyesterfolien.ohne (Kurve 1) und mit einem Sekundärsubstrat (Kurve 2) Figur 4: Querschnitt durch einen Teil einer Mehrlagenhybridschaltung

Für den Einsatz in optoelektronischen Hybridschaltungen, die neben den Halbleiterplättchen für die Lichtemission oder den Lichtempfang auch gleich noch die entsprechende Adressierschaltung zur Ansteuerung oder Abfrage enthalten, sind gemäß der Erfindung eine Reihe verschiedener Chipträgermaterialien geeignet. Der Chipträger wird aus den in Tabelle 1

Tabelle 1: Biegsame bis flexible Leiterplatten für Hybridschaltungen

Material	Nenndicke	Dichte	Elastizitätsmodul E	Freiheitvon
	S	P		Blase, Riß und
	mm	g/cm3	N/mm2	Delamination
				bei Temp.
Si I icon harz/Glasseidengewebe
(Hgw2572)		1,7		180°C4h
Epoxidharz/Glasseidengewebe
(Hgw2372)	0,15	1,7	10 800	130°C4h
Polyester (PETP)	0,125	1,385	4 500	85°C16h
Polyimid(PI)	0,160	1,42	2 950	125°C16h
Fluorcarbon (PTFE)	0,20	2,15-2,25

genannten Kunststoffen auf Harzbasis in der Weise hergestellt, daß zum Beispiel das Polyesterharz aus Polyethylentherephtalat (PETP) geschmolzen, dann in einem Blasverfahren extrudiert und in ein oder zwei Richtungen gestreckt wird. Chipträger mit einem Gewebe als Harzträger werden mit einem Harz als Bindemittel und weiteren aufeinander geschichteten Faserstoffbahnen durch Pressen unter Druck und Wärme zu Tafeln oder biegsamen Folien zusammengepreßt und als Schichtpreßstoffe ausgeliefert.

Das harzbeschichtete Glasseidengewebe als Leiterbahnunterlage ist vorwiegend für mechanisch und elektrisch beanspruchte Schaltungen der Elektronik, elektronische und optische Nachrichtentechnik, Fernmeldetechnik und Displaytechnik einzusetzen, da die Oberflächenwiderstände oberhalb 10GQ und Verlustfaktoren unter 0,06 liegen und die Wasseraufnahme gering ist. Ein Polyesterträger hat eine noch geringere Wasseraufnahme und beste Feuchtebeständigkeit, so daß die niedrigen Herstellungskosten bei Ausgleich der Hitzeschrumpfung durch thermische Vorbehandlung dieses elektrisch hochwertige Basismaterial zum bevorzugten Träger flexibler gedruckter Schaltungen wird. Polyimid weist eine gute Kombination von thermisch und mechanisch günstigen Eigenschaften auf und besitzt dem Polyester vergleichbare elektrische Kenndaten weit über den Raumtemperaturbereich hinaus. Die bessere thermische Belastungsstabilität gewährleistet eine bessere Anpassung an thermisch gestützte Fügeprozesse z. B. das Löten.

Fluorkarbon (PTFE)-Substratesind gute Träger für verlustarme breitbandige gedruckte Schaltungen, die dank ihres hohen Isolationswiderstandes eine niedrige Signalverzerrung und Signaldämpfung, niedriges Übersprechen von einer auf eine andere Leiterbahn und einen sehr geringen Frequenzgang bei kleiner Dielektrizitätskonstanten hervorbringen. Die Erschließung dieser verschiedenen Trägermaterialien für den ultraschallgestützten Drahtkontaktierungsprozeß wird am Grundschema nach der Figur 1 beschrieben.

Die flexible oder biegsame Leiterplatte besteht aus einer Schichtfolge von Metallbahn 1,Klebestoffschicht2 und Isolierstoffträger 3. Dieses so gebildete Substrat, das zum Träger einer kompletten elektronischen Schaltung ausgebaut werden soll, gilt für den Kontaktierungsprozeß als Primärsubstrat 4. In direktem Berührungskontakt unter dem Primärsubstrat 4 befindet sich als erfindungswesentliches Element ein Sekundärsubstrat 5, dessen akustische Impedanz vergleichbar niedrig, wie die des Isolierstoffträgers 3 ist. Eine unter dem Sekundärsubstrat 5 befindliche Heizplatte 6 temperiert alle darüberliegenden Substrate 4 und 5 auch während des Fügeprozesses. Zur Beschleunigung des Kontaktierungsprozesses wird der Substratverband bereits anlagenextern vorgewärmt. Für die Gewährleistung der richtigen relativen Lage von Primär- und Sekundärsubstrat sorgt ein Justierstift 7, der in einer Justierstiftaufnahme in der Heizplatte 8 verankert ist und der von dem Bonden durch die Passung 9 im Sekundärsubstrat 5 und das Justierloch 10 im Primärsubstrat 4 gesteckt wird. Die Heizplatte 6 wird auf einem Ansaugstutzen 11 befestigt.

Wird der Ansaugstutzen 11 mittels Ventil 12 an eine Vakuumpumpe 13 angeschlossen, erfolgt über die Ansauglöcher 14 der Heizplatte 6 die Fixierung des Sekundärsubstrates 5 und über die Ansauglöcher 15 die Fixierung des Primärsubstrates 4. Nun wird das Bondwerkzeug 16 in dessen Kapillare 17 sich z.B. ein Bonddraht 18 aus Gold bewegen kann, auf das Primärsubstrat 4 abgesenkt. Am Bonddraht 18 unter dem Bondwerkzeug 16 bildet sich eine Deformationszone 19 aus, auf die das Nahfeld der Ultraschallschwingung mit der Schwingungsrichtung 21, das Wärmefeld der Heizplatte 6 in der Wärmeflußrichtung 22 und die Andruckkraft des Kapillarbondwerkzeuges in der Andruckrichtung 23 wirkte. Mit der Volumenvergrößerung des Primärsubstrates 4 durch Unterlegung mit dem Sekundärsubstrat 5 wird die Ausbreitung des Fernfeldes der von der Ultraschallquelle ausgehenen und über das Bondwerkzeug in das Primärsubstrat eingekoppelten Ultraschallschwingungen eine Bedingung geschaffen, die im Nahbereich der Deformationszone 19 des Bonddrahtes Ungleichmäßigkeiten der örtlichen Energieverteilung abbaut und die Überlagerung von Nah- und Fernfeld so gesteuert, daß die gesamte Bondstelle in erster Linie nur vom Nahfeld getroffen wird und sich Rückwirkungen des Fernfeldes auf größere Substratbereiche verteilen. Die im folgenden angegebenen experimentellen Ergebnisse wurden an einem zum Thermosonik-Bruder umgebauten Labordrahtbonder LDB 70 des VEB ZFTM Dresden erzielt. Dabei wurde als Bondwerkzeug 16 ein Kapillarwerkzeug aus Wolframkarbid benutzt; der Bonddraht 18 bestand aus einem 30/xm starkem 4N-Golddraht. Die Bondtemperatur wurde auf 9O⁰C eingstellt; die Ultraschallfrequenz lag bei 60KHz und die Andruckkraft des Bondwerkzeuges 16 betrug 1 N. Bei den an Luft durchgeführten Bondungen wurde zwischen den Bedingungen der Kugel- und der Keilbondung geringfügig abgestuft. In der Bauteilaufnahme für die Substrate 4 und 5 befand sich eine elektrische Heizung und eine Vakuumansaugung. Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Bondergebnisse wurden nach der Bestückung der Bauteilaufnahme mit biegsamen Leiterplatten aus Glasfaserverstärktem Epoxidharz, auf dem eine 25μ,ηη dicke Kupferschicht sowie eine 5-7μ,ιη galvanisch abgeschiedene Ni/Ag-Schichtfolge bei einer Leiterplattennennstärke von 100/xm aufgebracht war, erzielt.

Tabelle 1: Reißlastfestigkeit von Drahtbrücken auf biegsamen Leiterplatten (100Mm) als Funktion der Dicke von zum Kaltfluß

neigenden sowie elastischen Sekundärsubstraten Die Reißlastfestigkeit wurde an 40 Brücken mit einer Schleppzeigerfederwaage gemessen.

	Dicke	Mittlere Reißlast	Standardabweichung	Ausfälle	Zuwachs
Sekundärsubstrat	χ [mm]	F(mN)	S(mN)	C Λ«Μ	C
Art	0			Γ 4m Vi	Γ
	0,18	62	19	[%]	[mN]
—	0,3	79	21	7,5	—
PTFE-Folie	0,45	87	25	2,5	17
PTFE-Folie	1,1	83	22	0	25
PTFE-Folie	0	68	29	0	21
PTFE-Folie		69	26	7,5	6
—	0,15			5	—
Gewebeverstärktes		75	23
Epoxidharz	0,5			5	6
Gewebeverstärktes		81	23
Epoxidharz	0,6			0	12
Gewebeverstärktes		76	24
Epoxidharz	0,7			0	7
Gewebeverstärktes		98	20
Epoxidharz	1,4			0	29
Gewebeverstärktes		92	19
Epoxidharz	1,6			0	23
Gewebeverstärktes		87	21
Epoxidharz		0	18

In der ersten Versuchsgruppe wurden zum Kaltfluß neigende Kunststoffträger aus Fluorkarbon insbesondere PTFE-Folien aus Nünchritz (TGL 21443) mit Dickestufen zwischen 0,18 bis 1,1 mm als Sekundärsubstrat 5 benutzt. Obwohl dieses Material im in Frage kommenden Temperaturbereich bereits eine deutliche Zunahme der akustischen Impedanz aufweist, bringt eine Unterlegung des Primärsubstrates 4 aus biegsamen Leiterplattenmaterial Glasseidenverstärktes Epoxidharz Hgw 2372 (von 150μηη Nenndicke nach der TGL 15372) gegenüber dem nichtunterlegten Primärsubstrat eine unerwartete Erhöhung der mittleren Reißlastwerte um 6 bis 25 m N. Neben dem neuen, nun völlig ausreichenden Mittelwert der Reißlast von 87 mN bei einer Sekundärsubstratdicke von 0,3mm treten unterhalb 4OmN keine Reißlastwerte mehr auf.

In einer zweiten Versuchsgruppe wurde bei gleichem Primärsubstrat der elastische bis hartelastische glasseidenverstärkte Epoxidharz-Schichtpreßstoff Hgw 2372 ohne Leiterbahnlegung in einem Dickenbereich zwischen 0,15 bis 1,6mm als Sekundärsubstrat erprobt. Für einen Dickenbereich von 0,5 bis 1,6mm wurden nur ausfallfreie Bondungen (F > 4OmN) festgestellt. Die günstigsten Reißlastfestigkeiten wurden bei 0,7 mm starkem Sekundärsubstrat aus Schichtpreßstoff ermittelt. Figur 2 zeigt die Summenhäufigkeitsverteilung der Reißlastfestigkeitsmessung derWärmeschallschweißung von Golddrähten auf Kontaktinseln auf biegsamen Leiterplatten, die mit artgleichen 0,7 mm starken Sekundärsubstraten während des Bondprozesses (Kurve 2 in Fig. 2) unterlegt waren. Gegenüber dem Verlauf nach Kurve 1, die die Situation ohne Unterlegung des Primärsubstrates durch ein gleichartiges Sekundärsubstrat wiedergibt, ist in der Kurve 2 ein gleichmäßiger Qualitätszuwachs über die gesamte Streubreite der Reißlastfestigkeit erkennbar. Der Qualitätszuwachs beträgt im wesentlichen Bereich der Summenhäufigkeitsverteilung 30 bis 35 mN und belegt die mittlere Reißlastfestigkeit von über 9OmN. Damit liegt man mit großer Sicherheit auch oberhalb dertechnisch festgelegten Ausfallgrenze von <40mN.

Aus beiden Testreihen der Bondversuche mit zum Kaltfluß neigenden, wie mit elastischen Sekundärsubstraten geht hervor, daß nicht so sehr die Erhöhung der Steifigkeit der Kombination Primär-Sekundär-Substrat die Qualitätszunahme der Bondstellen hervorruft, denn wäre dies der Fall, dann müßten Sekundärsubstrate mit den höchsten Dickewerten die größten Eonderfolge zeigen. Die Meßwerte nach Tabelle 2 stehen jedoch zu dieser Hypothese im Widerspruch. Vielmehr zeigt sich, daß die Anpassung der akustischen Impedanz des Primär- und des Sekundärsubstrates von maßgeblicher Bedeutung ist und möglichst ein sprungfreier Übergang gewährleistet bleiben sollte, wodurch eine dämpfungsarme Weiterleitung des Fernfeldes der US-Schwingung bzw. eine deutlichere Dominanz des Nahfeldes in der Bondstellenregion bewirkt wird.

Auf der Basis dieser Ergebnisse sind für jedes weitere als Primärsubstrat zu verwendende Leiterplattenmaterial gleichartige oder ähnliche Materialien für den Einsatz als Sekundärsubstrat wählbar, wobei die günstigste Dicke der Sekundärsubstrate aus einer Versuchsreihe abzuleiten ist.

Dieser Sachverhalt wird im folgenden Text durch Bondergebnisse auf dünnen, flexiblen Leiterplatten belegt. Als Ausgangsmaterial wird eine flexible Einlagenleiterplatte aus kupferkaschierter Polyesterfolie benutzt, die eine 75/xm dicke PETP-Schicht, eine 15/xm starke Klebelage und eine 35/nm dicke Kupferkaschierung besitzt.

Nach der Erzeugung eines Leiterzugbildes von parallelen Streifenleitern im Raster von 1,25 mm und einer Breite der Leiterbahnen von 600Mm, wird die Kupferschicht mit einer Nickel-und Silberauflage von 5-7μ,ηη versehen. Auch in diesem Fall werden zum Kaltfluß neigende und elastische Sekundärsubstrate eingesetzt. Wie aus der Tabelle 3 hervorgeht, bringen beide Sekundärsubstratarten auch hier gegenüber den Bondversuchen ohne Sekundärsubstrat deutliche Stabilitätsgewinne. Höchste Zunahmen der Reißlastfestigkeit werden beim Einsatz von Sekundärsubstraten aus glasseidengewebeverstärktem Epoxidharz registriert. Ohne Bondausfälle kommt man jedoch bereits bei dünnen PTFE-Folien-Sekundärsubstraten im 0,3mm-Dickenbereich aus.

In der nachfolgenden Tabelle 2 ist die Reißlastfestigkeit von Drahtbrücken auf flexiblen Leiterplatten (125Mm) als Funktion der Dicke von zum Kaltfluß neigenden und elastischen Sekundärsubstraten dargestellt.

Sekundärsubstrat Art

Dicke x(mm)

Mittlere Reißlast	Standardabweichung	Ausfälle	Zuwachs
		F<40mN	AF
F(mN)	S(mN)	(%)	(mN)

	—	57	23	20
PTFE-Folie	0,18	77	17	0	20
PTFE-Folie	0,3	79	24	0	22
PTFE-Folie	0,45	61	18	5	4

glasseideverstärktes Epoxidharz 0,15

glasseideverstärktes Epoxidharz 0,5

glasseideverstärktes Epoxidharz 0,6

glasseideverstärktes Epoxidharz 0,7

24 20 23 26 20

40 20 2,5 17,5 10

Die Reißlastfestigkeit wurde an > 40 Brücken mit einer Schleppzeigerfederwaage gemessen. In dieser Versuchsreihe wurde eine flexible Einlagenleiterplatte aus PETP-Folie nach TGL 11651/01 mit einer PTFE-FoMeTGL 21443 aus Nünchritz und mit einem glasseidengewebeverstärktem Epoxidharz TGL 15372 (LEW) verstärkt.

In Figur 3 ist die Summenhäufigkeitsverteilung der Reißlastfestigkeit von Golddraht auf einer Polyesterfolienleiterplatte unter Anwendung eines 0,5mm starken Epoxidharzsekundärsubstrates wiedergegeben. Gegenüber der direkt durch die Bondaufnahme (Metallaufbau) bedämpften Wärmeschallschweißung zeigt sich beim Einsatz dieses Sekundärsubstrates bei allen Prüflingen eine qualitativ zu höheren Reißlastwerten verschobene Verteilungskurve.

Zur Erhöhung der Packungsdichte in Schaltungen sind insbesondere Mehrlagenleiterplatten geeignet. Die Handhabung von Mehrlagenleiterplatten z. B. aus Polyesterfolien mitKupferkaschierungen in mehreren Ebenen wird an Hand der Figur 4 erläutert. Der im Schnitt gezeichnete Leiterbahnträger 31 besitzt auf der Trägeroberfläche 32 in der ersten Ebene Leiterbahnzüge für zwei unterschiedliche Kontaktvarianten. Das Ende 33 der Leiterbahn 34 für ein mittels einer Leitkleberschicht 35 befestigtes Halbleiterplättchen 36 ist durch einen nicht näher bezeichneten Spalt vom Außenrand 37 einer ersten funktioneilen Leiterbahn 38 entfernt. Aus dem Spalt zwischen den Leiterbahnzügen 34 und 38 ist zur Erhöhung des Isolationswiderstandes zwischen den Leiterzügen die Klebstofflage für die abgeätzte Kupferschicht zu entfernen.

Wird anstelle der Leitkleberkontaktierung der Halbleiterplättchen eine Lotverbindung zum Leiterzug 34 hergestellt, sind die Flußmittelreste durch eine Isopropanolreinigung zu entfernen. Dabei steigt der Isolationswiderstand bei einem Isolationsspalt von 0,5mm von 3 · 10¹⁰ auf 1,7 10¹² Ohm an.

Die erste funktioneile Leiterbahn 38 auf der untersten Ebene auf dem Leiterbahnträger 31 wird nun so gestaltet, daß die Bond- und Anschlußstellen an die Leiterbahnen der darüberliegenden Ebenen im Projektionsbereich einer Freiätzung 39 der Leiterbahn 38 liegen. Der Raum dieser Freiätzung 39 der Leiterbahn 38 wird durch vorgestanzte Polyesterabschnitte ausgefüllt und durch Zwischenlagen 40, die auch über die Leiterbahn 38 gezogen werden und lediglich den Bereich um die vorgesehene Bondstellenregion zugänglich lassen, abgedeckt. Der Außenrand 41 einer weiteren funktioneilen Leiterbahn 42 befindet sich in einer neuen zweiten Ebene über der ersten Leitbahnebene. Auch die funktioneile Leiterbahn 42 besitzt eine Freiätzung 43. Die Freiätzung 43 ist vom Durchmesser kleiner gehalten als die Freiätzung 39 derfunktionellen Leiterbahn 38 der ersten, untersten Leitbahnebene und befindet sich im Projektionsbereich der Bondstelle der obersten Leiterbahnebene. Polyesterabschnitte als Zwischenlage 40 füllen wiederum die Freiätzung 43 der Leiterbahn 42 aus und decken sie bis auf den Bereich der Bondstelle ab. Über diesem Schichtpaket von Leiterbahnen und isolierenden Zwischenlagen 40 ist eine dritte Leiterbahnebene, die durch die

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dritte funktionelle Leiterbahn 44 repräsentiert ist, gezogen. Die oberste Leiterbahnebene ist ebenfalls durch eine Polyesterdeckfolie geschützt. Die Kontaktregion ist bewußt frei gehalten und wie in den anderen Ebenen durch eine Nickel-, Silberbelegung bondfreundlich gestaltet.

Der derartig bestückte Schaltungsrohling wird zur Integration mit den durch den Halbleiterchip 36 vertretenen Schaltungselementen der Drahtkontaktierung zugeführt. Nach der lösbaren Verbindung von Primär- und Sekundärsubstrat für die Dauer des Bondprozesses und einer Vorwärmung des Verbundes auf die Bondtemperatur wird die Kontaktperle 45 des Kontaktdrahtes 46 auf einer Kontaktinsel auf der freien Oberfläche des Halbleiterplättchens 36 gedrückt und ultraschallgestützt, angeschweißt. Anschließend wird das Bondwerkzeug angehoben und in leichtem Bogen gegen die Bondfläche auf der Leiterbahn 38 geführt auf diese abgesenkt und eine Keilkontaktstelle 47 am Drahtteil gebildet.

Eine am Drahtschwanz erneut geformte Drahtperle wird zur Kontaktperle 48 für den Kontaktdraht 49, der mit einer anderen Kontaktinsel auf dem Halbleiterplättchen 36 und der Bondstelle der Leiterbahn 42 durch die Keilkontaktstelle 50 verbunden ist. In gleicher Weise sitzt die Kontaktperle 51 des Kontaktdrahtes 52 auf dem Halbleiterplättchen und die Keilkontaktstelle 53 auf der obersten Leiterbahnebene der dritten funktioneilen Leiterbahn 44.

Claims (11)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zum Herstellen ultraschallgescheißter Drahtanschlüsse auf plastischen Trägern aus einem Verbund von Metallkaschierung, Kleber und Kunststoffbasismaterial unter Anwendung von Druck und insbesondere Wärme, gekennzeichnet dadurch, daß vor oder nach dem Ziehen einer Drahtverbindung von einer Kontaktstelle eines Halbleiterplättchenszu einer Bondstelle auf dem Folienverbund zur Befestigung des Drahtendes auf der Bondstelle ein Schweißvorgang ausgeführt wird, bei dem das Volumen des der Energieaufnahme aus Ultraschallschwingungen unterworfenen zur Bondstelle gehörigen Teiles des Folienverbundes dämpfungsarm durch Werkstoffmaterial, das zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann, vergrößert wird, die Temperatur in der Schweißzone auf Werte zwischen 30 bis 125°C eingestellt wird, wobei das Material im Bereich des vergrößerten Verbundes unterhalb der gummielastischen bzw. plastisch-elastischen Zustandes belassen wird und über das Bondwerkzeug auf den Draht und die Bondstelle eine Andruckkraft ausgeübt wird, die zu keiner wesentlichen, dauerhaften Deformation des Basismaterials der Metallkaschierung der Bondstelle führt.
2. 2. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Volumenzunahme des zur Bondstelle gehörigen Teiles des Folienverbundes durch ein zusätzliches, erwärmbares, wärmeleitendes Sekundärsubstrat, das in direktem mechanischem Berührungskontakt zu dem Primärsubstrat gebracht, herbeigeführt wird.
3. 3. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der direkte Kontakt zwischen dem Primär- und dem Sekundärsubstrat durch eine unlösbare Verbindung dauerhaft gestaltet und das Sekundärsubstrat an der Hybridschaltung belassen wird.
4. 4. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die unlösbare Verbindung durch Laminierungsverfahren wie Aufkleben, Aufwalzen o. ä., sowie durch Aufschweißen, Aufbügeln, chemische Vernetzung von Komponenten des Primär- und des Sekundärsubstrates oder durch Aufgießen haftender und härtbarer Kunststoffe herbeigeführt wird.
5. 5. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 2 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die unlösbare Verbindung zwischen Primär- und Sekundärstubstrat nach Fertigstellung der Schweißverbindung die Hybridschaltung durch zerstörungsfreie bzw. teilweise zerstörungsfreie Verfahren abgetrennt wird.
6. 6. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der direkte Kontakt zwischen dem Primär- und dem Sekundärsubstrat lösbar ausgeführt wird.
7. 7. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1, 2 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die lösbare Verbindung zwischen dem Primär- und Sekundärsubstrat durch eine Klemmung, Verschraubung, Verzahnung, Vakuumansaugung oder andere Arretierung hergestellt wird.
8. 8. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Sekundärsubstrat unlösbarer oder lösbarer Bestandteil der in der Heizplatte endenden Bauteilaufriahme ist.
9. 9. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß als Sekundärsubstrate andere Basismaterialien der gedruckten Schaltungstechnik, wie z. B. die flexiblen Polyester- oder Polyimidharzfolienabschnitte ohne oder mit Füllung oder starre Leiterplattensubstrate aus Keramik, Glas oder Quarz, die frei von Metallkaschierung sind, verwendet werden.
10. 10. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach dem Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Volumenzunahme des zur Bondstelle gehörigen Teils des Folienverbundes durch Vergrößerung der Fläche der Metallkaschierung und zwar über die Breite der Leiterbahn hinaus vorgenommen wird und auf dem Träger aus Plastikmaterial verbleibt.
11. 11. Verfahren zum Herstellen ultraschallgeschweißter Drahtanschlüsse nach den Punkten 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß bei flexiblen Mehrlagenleiterplatten als Primärsubstrat die Leiterbahnen der tieferliegenden Lagen um die in höheren Lagen angebrachten Bondstellen der Drahtanschlüsse herumgeführt werden, so daß Projektionen der Bondstellen auf die tieferliegenden Lagen frei von Metall-Kunststoffübergängen gehalten werden.

    Hierzu 4 Seiten Zeichnungen