DD258104A1

DD258104A1 - Verfahren und anordnung zum elektrischen anschmelzen von kugeln an bonddraehten

Info

Publication number: DD258104A1
Application number: DD28995186A
Authority: DD
Inventors: Peter Fischer; Werner Schneider; Juergen Klotsche
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1986-05-05
Filing date: 1986-05-05
Publication date: 1988-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum elektrischen Anschmelzen von Kugeln an Bonddraehten. Es sollen metallurgische Eigenschaften der Bondkugel erzielt werden, die ein vollautomatisches, hochproduktives und zuverlaessiges Kontaktieren von Nichtedelmetallmikrodraehten ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird mittels einer Ansteuerungsanordnung zwischen einer vertikal beweglichen Anschmelzelektrode und dem Bonddrahtende ein Lichtbogen erzeugt, dessen Energie nach Erreichen des Kugeldurchmessers gezielt reduziert wird, um ueber die Beeinflussung der Abkuehlcharakteristik guenstige metallurgische Eigenschaften der Bondkugel zu erhalten. Die thermische Behandlung erfolgt vorzugsweise waehrend des Absenkens der Kapillare bei relativ konstantem Abstand zwischen Anschmelzelektrode und Bondkugel.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum elektrischen Anschmelzen von Kugeln an Bonddrähten bei manuellen und automatischen Drahtbondern und ermöglicht die Verwendung von Edelmetall- sowie Nichtedelmetallmikrodrähten zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen nach dem TC-/TS-Verfahren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind zahlreiche Lösungen für das elektrische Kugelanschmelzen mittels Lichtbogenentladung eines Kondensators (z. B. DD-WP 215667, EP 43692) und Mehrimpulsentladungen (z.B. DD-WP 152883, EP 64930) bekannt. Die Verfahren sind charakterisiert durch Einzelimpulse, deren Amplitude meist exponentiell abfällt bzw. bei Mehrimpulsentladungen durch eine Folge von Hochspannungsimpulsen konstanter Frequenz und Amplitude. Der Lichtbogen wird zwischen einer starren Elektrode und dem aus der Kapillare des Bondwerkzeugs herausragenden Mikrodrahtende erzeugt und so lange aufrechterhalten, bis der geforderte Kugeldurchmesser des Mikrodrahtendes erreicht ist. Nach Abschalten des Lichtbogens wird das Bondwerkzeug abgesenkt und gebondet. Die elektronische Ansteuerung bei den bekannten Verfahren erfolgt im Prinzip über eine aus einer EMK, einem Spannungswandler und einer Ansteuerungsbaugruppe mit Starteingang bestehenden Schaltungsanordnung, wobei der Ausgang der Ansteuerungsbaugruppe mit einem Steuereingang des Spannungswandlers verbunden ist und die von der EMK erzeugte Eingangsspannung U₆ über den Spannungswandler in eine Hochspannung U_azur Erzeugung des Lichtbogens transformiert wird. Die Ausgangsspannung U_a erreicht eine konstante Amplitude über einen vorgewählten Zeitraum und hält damit die Anschmelztemperatur des Mikrodrahtes über diesen Zeitraum ebenfalls relativ konstant auf einem Wert, der oberhalb der Schmelztemperatur des Mikrodrahtmaterials liegt. Nach Erreichen des geforderten Kugeldurchmessers fällt die Temperatur durch Abschalten der Spannung abrupt ab.

Das hat speziell bei von Gold abweichenden Drahtwerkstoffen ungünstige Materialbeeinflussungen zur Folge. Es handelt sich dabei um die Entstehung einer für die nachfolgende Verformung der Kugel beim Bondprozeß ungeeigneten metallurgischen Struktur bzw. um entstehende Schwachstellen am Übergang zwischen angeschmolzener Kugel und dem Ausgangsdraht, was eine Herabsetzung der Kontaktsicherheit mit sich bringt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zum elektrischen Anschmelzen von Kugeln an Bonddrähten zu schaffen, die den Einsatz von Nichtedelmetallmikrodrähten beim vollautomatischen, hochproduktiven und zuverlässigen Kontaktieren von elektronischen Bauelementen nach dem TCVTS-Verfahreη ermöglicht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nach dem Kugelanschmelzen an Bonddrähten auftretenden ungünstigen metallurgischen Veränderungen der Bondkugel sowie das Entstehen von Schwachstellen am Übergang zwischen angeschmolzener Kugel und Ausgangsdraht zu verhindern, ohne daß sich der Kugeldurchmesser dabei weiter vergrößert und die Bondzykluszeit wesentlich verlängert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen einer Anschmelzelektrode und dem aus der Kapillare ragenden Bonddrahtende ein Lichtbogen zum Kugelanschmelzen erzeugt wird, dessen Energie eine Temperatur des Bonddrahtendes oberhalb der Schmelztemperatur und daß nach Erreichen des geforderten Kugeldurchmessers der Bondkugel die Lichtbogenenergie soweit reduziert wird, daß eine Temperatur der Bondkugel unterhalb der Schmelztemperatur erzielt wird. Die stufenweise gezielte Reduzierung der Lichtbogenenergie erfolgt innerhalb einer für den jeweiligen Drahtwerkstoff spezifischen Zeit. Nach diesem Zeitpunkt, der im Wesentlichen durch die physikalischen Eigenschaften des Drahtwerkstoffes und den Drahtdurchmesser bestimmt wird, bricht die Energiezufuhr ab und das Drahtmaterial kühlt sich weiter ab. Die thermische Behandlung wird auch während des Absenkens des Bondwerkzeugs durchgeführt, wobei der Abstand zwischen der Anschmelzelektrode und der Bondkugel relativ konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck ist die Anschmelzelektrode im Bereich zwischen einer Ausgangshöhe und einer Endlage vertikal beweglich und ihre Bewegung mit der Abwärtsbewegung der Kapillare gekoppelt. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Mehrphasenanschmelzens wird durch eine elektronische Schaltung ermöglicht, die das Kugelanschmelzen nicht wie bisher abrupt abbricht, sondern die elektrische Leitung des Anschmelzgerätes zeitlich gestaffelt reduziert. Dabei ist ein Ausgang einer Ansteuerungsbaugruppe mit einem Steuereingang eines Spannungswandlers verbunden, welcher von einer EMK gespeist wird und die von dieser erzeugte konstante Eingangsspannung Ue in eine Hochspannung Üa zur Versorgung der Anschmelzelektrode transformiert.

Erfindungsgemäß ist zwischen der EMK und dem Spannungswandler ein Spannungsregelglied parallel geschaltet, dessen zweiter Eingang mit einem zweiten Ausgang der Ansteuerungsbaugruppe verbunden ist. Das Spannungsregelglied ermöglicht eine schnelle kontinuierliche Regelung der Eingangsspannung Ue entsprechend einer von der Ansteuerungsbaugruppe gelieferten Steuerspannung Ui. Entsprechend der Frequenz der Steuerimpulse der Ansteuerungsbaugruppe am Steuereingang des Spannungswandlers wird dann die Eingangsspannung in Hochspannungsimpulse umgewandelt.

Die Erfindung ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der Abkühlcharakteristik der Bondkugeln nach dem Anschmelzen, ohne daß die Bondkugel sich dabei weiter vergrößert und die Bondzykluszeit wesentlich verlängert wird. Die damit erzielten metallurgischen Eigenschaften der Bondkugel und des daran angrenzenden Drahtes ermöglichen das vollautomatische, hochproduktive Bonden mit Nichtedelmetallmikrodrähten unter Gewährleistung eines sicheren Kontakts.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand von drei Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Ansteuerung der Anschmelzelektrode, Fig. 2: die Kugelgröße und Temperaturverhalten der Bondkugel in zeitlicher Abhängigkeit von den Parametern der

Ansteuerungsanördnung sowie Fig. 3: das Zusammenwirken von Anschmelzelektrode und BondwerRzeug während des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem Spannungswandler 11, der mit einer niedrigen Gleichspannung Ue von einer EMK13 gespeist wird, einem dazwischen parallelgeschalteten Spannungsregelglied 14 und einer Ansteuerungsbaugruppe 9 mit einem Starteingang 10, welche sowohl eine Steuerspannung Ui für das Spannungsregelglied 14 als auch Steuerimpulsein Form einer Wechselspannung U₂ an den Steuereingang 12 des Spannungswandlers 11 liefert. Die Ausgangsspannung Ua steht in einem festen Verhältnis zur Eingangsspannung Ue und ist eine Impulsspannung mit Rechteckcharakteristik. Zunächst wird am Starteingang 10 der Anschmelzvorgang gestartet. Dabei wird in den Spannungswandler 11 eine Spannung Ue₁ eingespeist, während am Steuereingang 12 gleichzeitig die Wechselspannung U₂ anliegt, so daß Ausgangsimpulse von Ua₁ = Ue₁ · ^Ua/ue entstehen. Der dadurch zwischen Anschmelzelektrode 5 und Bonddrahtende 1 erzeugte Lichtbogen 4 erhitzt das Bonddrahtende 1 auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Drahtwerkstoffes und führt zum Anschmelzen einer Bondkugel 2. Nach einer für den jeweiligen Drahtwerkstoff spezifischen Zeit t, ist der Solldurchmesser von i. d. R. dem 2,5fachen Drahtdurchmesser erreicht und die Ansteuerungsbaugruppe 9 senkt die Spannung U₁ soweit, daß die darausfolgende geringere Ausgangsspannung Ua₂ = Ue₂ · Ua/Ue und damit die geringere Lichtbogenenergie die Temperatur der Bondkugel 2 auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur senkt. Durch gezielte Temperatursenkung in weiteren Stufungen der Ausgangsspannung Ua läßt sich ein Abschreckungseffekt unterdrücken. Während der zweiten und weiteren Phasen der Temperaturbehandlung zur Verbesserung der metallurgischen Eigenschaften vergrößert sich der Durchmesser der Bondkugel 2 nicht mehr.

Nach dem Anschmelzen der Bondkugel 2 wird die den Bonddraht führende Kapillare 3 abgesenkt, um die Bondkugel 2 auf dem Halbleiterchip 8 zu kontaktieren. Dabei wird vorteilhafterweise die Bewegung der Kapillare 3 von der Anschmelzelektrode 5, welche innerhalb einer Ausgangshöhe 6 und einer Endlage 7 vertikal beweglich ist, verfolgt, um den Abstand zwischen Bonddrahtende 1 und Anschmelzelektrode 5 relativ konstant zu halten. Somit wird durch eine Überlappung der Anschmelzzeit und der Absenkzeit der Kapillare in die erste Bondebene eine wesentliche Verlängerung der Bondzykluszeit infolge der thermischen Behandlung während des Abkühlvorgangs vermieden. .

Claims

1. Verfahren zum elektrischen Anschmelzen von Kugeln an Bonddrähten durch eine elektrische Entladung, wobei mittels einer Ansteuerschaltung zwischen einer Anschmelzelektrode und dem Bonddrahtende ein Lichtbogen erzeugt wird, der das Bonddrahtende auf eine Anschmelztemperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur liegt, erhitzt und diese Anschmelztemperatur so lange konstant hält, bis der geforderte Kugeldurchmesser erreicht ist, gekennzeichnet dadurch, daß nach Erreichen des geforderten Durchmessers der Bondkugel (2) die Energie des Lichtbogens (4) gezielt reduziert wird, daß die dabei wirkende Energie des Lichtbogens (4) eine Temperatur der Bondkugel (2) unterhalb der Schmelztemperatur erzielt und daß erst nach einer für den jeweiligen Drahtwerkstoff spezifischen Zeit die Energiezufuhr abbricht.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die sich an das Anschmelzen der Bondkugel (2) anschließende Temperaturbehandlung auch während des Absenkens der Kapillare (3) des Bondwerkzeuges bei relativ konstantem Abstand zwischen der Bondkugel (2) und der Anschmelzelektrode (5) durchgeführt wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Punkt 1 und 2, bestehend aus einer EMK (13), ' einem Spannungswandler (11) mit Steuereingang (12), einer Ansteuerungsbaugruppe (9) mit Starteingang (10) sowie einer Anschmelzelektrode (5), wobei der Ausgang der Ansteuerungsbaugruppe (9) mit dem Steuereingang (12) des Spannungswandlers (11) verbunden ist und die von der EMK (13) erzeugte Eingangsspannung über den Spannungswandler (11) in eine Hochspannung, welche die Anschmelzelektrode (5) speist, transformiert wird, gekennzeichnet dadurch, daß ein Spannungsregelglied (14) zwischen der EMK (13) und dem Spannungswandler (11) parallelgeschaltet ist und ein zweiter Ausgang der Ansteuerungsbaugruppe (9) mit dem Spannungsregelglied (14) verbunden ist.

4. Anordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschmelzelektrode (5) vertikal beweglich ist im Bereich zwischen einer Ausgangshöhe (6) und einer Endlage (7) und daß die Bewegung der Anschmelzelektrode (5) mit der Bewegung der Kapillare (3) gekoppelt ist.