DE10111710B4

DE10111710B4 - Befestigungsverfahren für elektrische Bauteile

Info

Publication number: DE10111710B4
Application number: DE10111710A
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Maeda; Yuji Ootani; Tetsuo Nakano; Takashi Nagasaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: US6601752B2; US20010020635A1; JP2001257230A; JP4000743B2; DE10111710A1

Abstract

Befestigungsverfahren für wenigstens ein elektronisches Bauteil mit den folgenden Schritten:
Anordnen eines leitfähigen Verbindungsmaterials (40) über einem Verdrahtungssubstrat (10), welches einen Verdrahtungsabschnitt (12) enthält;
Anordnen des wenigstens einen elektronischen Bauteiles (20) auf dem Verdrahtungssubstrat (10) mittels dem leitfähigen Verbindungsmaterial (40);
Ausbilden eines Drahtbondierkissens (50) aus Metall an einem Abschnitt des Verdrahtungsabschnittes (12), der drahtbondiert werden soll; und
Drahtbondieren des elektronischen Bauteils (20) an dem Verdrahtungsabschnitt (12) über das Drahtbondierkissen (50), wobei
das Drahtbondierkissen (50) ausgebildet wird, bevor das leitfähige Verbindungsmaterial über dem Verdrahtungssubstrat (10) angeordnet wird, und
das Drahtbondierkissen (50) durch Abreiben des Abschnittes des Verdrahtungsabschnittes (12), der drahtbondiert werden soll, mit einem Bauteil (K3) gebildet wird, so dass das Drahtbondierkissen (50) in Filmform ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Montage- oder Befestigungsverfahren für elektrische oder elektronische Bauteile, bei welchem ein elektrisches Bauteil mit einem Verdrahtungsabschnitt drahtkontaktiert oder drahtgebondet wird.
Bei einem herkömmlichen Montageverfahren wird für gewöhnlich ein leitfähiges Verbindungsmaterial, beispielsweise ein leitfähiger Kleber oder ein Lot, über einem Keramiksubstrat angeordnet, auf dessen Oberfläche mit Kupfer oder Silber ein Verdrahtungsabschnitt aufplattiert ist, und ein elektronisches Bauteil, beispielsweise ein IC-Chip, wird auf dem leitfähigen Verbindungsmaterial angeordnet. Danach werden der Verdrahtungsabschnitt und das elektronische Bauteil elektrisch durch eine Drahtbondierung mit Gold verbunden.
Bei diesem Montageverfahren ist die Verbindungsfähigkeit oder Drahtbondierfähigkeit zwischen dem Verdrahtungsabschnitt und dem Golddraht schlecht. Die JP 10-112471 A offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Drahtbondierfähigkeit durch Anordnen des elektronischen Bauteils, beispielsweise des IC-Chips, über dem leitfähigen Verbindungsmaterial, gefolgt von Ausbilden eines Goldkügelchens oder Goldkissens über dem Verdrahtungsabschnitt durch Kugelbondieren und dann gefolgt von Drahtbondieren des Verdrahtungsabschnittes über das Goldkügelchen.
Das herkömmliche oder bekannte Montageverfahren hat jedoch Probleme insofern, als die Oberfläche des Verdrahtungsabschnittes mit dem leitfähigen Verbindungsmaterial verunreinigt ist, beispielsweise durch das ”Ausbluten” des leitfähigen Klebstoffes (das heißt, durch das Phänomen, daß die Komponente in dem Kunstharz, welche in dem leitfähigen Kleber enthalten ist, nicht aushärtet, sondern ausfließt) oder durch das Ausfließen von Lotflußmittel oder durch die Oxidation der Oberfläche des Verdrahtungsabschnittes durch das Erhitzen zum Zeitpunkt des Lötens oder zum Zeitpunkt des Aushärtens des leitfähigen Klebers.
Wenn somit bei dem herkömmlichen Verfahren das Goldkügelchen an dem Drahtbondierabschnitt im Verdrahtungsabschnitt ausgebildet wird, wird die Verbindungsfähigkeit zwischen dem Goldkügelchen und dem Verdrahtungsabschnitt durch die oben erwähnte Verunreinigung der Oberfläche des Verdrahtungsabschnittes verschlechtert, so daß wiederum die Drahtbondierfähigkeit im Verdrahtungsabschnitt verschlechtert wird.
Die DE 197 44 266 A1 offenbart ein Befestigungsverfahren für wenigstens ein elektronisches Bauteil mit den folgenden Schritten: Anordnen eines Verbindungsmaterials über einem Verdrahtungssubstrat, welches einen Verdrahtungsabschnitt enthält; Anordnen des wenigstens einen elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungssubstrat mittels dem Verbindungsmaterial; Ausbilden eines Drahtbondierkissens aus Metall an einem Abschnitt des Verdrahtungsabschnittes, der drahtbondiert werden soll; und Drahtbondieren des elektronischen Bauteils an dem Verdrahtungsabschnitt über das Drahtbondierkissen.
Aus der JP 08-340019 A ist es bekannt, dass die Drahtbondierkissen vor der Ausbildung des Verbindungsmaterials angeordnet werden.
Die US 196 41 730 A1 offenbart schließlich noch das Läppen der Oberfläche eines Wafers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aus der DE 197 44 266 A1 bekanntes Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass eine bessere Verbindung zwischen dem Drahtbondierkissen und dem Verdrahtungssubstrat hergestellt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vor, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen Gegenstand der Unteransprüche sind.
Es wird ein Befestigungsverfahren für elektrische Bauteile offenbart, bei welchem ein Verdrahtungsabschnitt eines Verdrahtungssubstrates und ein auf dem Substrat mittels eines leitfähigen Verbindungsmaterials angeordnetes elektronisches Teil drahtbondiert werden, wobei die Verunreinigung oder Kontamination des Verdrahtungsabschnittes mit dem leitfähigen Verbindungsmaterial verhindert ist, wodurch die Verbindungsfähigkeit zwischen dem Substratteil und dem Verdrahtungsabschnitt verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Drahtbondierungskissen durch Abreiben eines Abschnittes eines Verdrahtungsabschnittes, der drahtbondiert werden soll, mit einem Bauteil gebildet, so daß das Drahtbondierkissen in Filmform ausgebildet wird und zwar bevor ein leitfähiges Verbindungsmaterial über einem Verdrahtungssubstrat angeordnet wird.
Das Problem der Verunreinigung des Verdrahtungsabschnittes mit dem leitfähigen Verbindungsmaterial wird somit quasi inhärent vermieden.
Wenn weiterhin das leitfähige Verbindungsmaterial angeordnet oder aufgebracht wird und ein elektronisches Bauteil angeordnet wird, nachdem das Kissen ausgebildet worden ist, wird die Zeitperiode, bis das Kissen ausgebildet ist, verkürzt. Von daher wird eine Zeitperiode, während der die Oberflächen der Drahtbondierabschnitte auf den Verdrahtungsabschnitten freiliegen, verkürzt, was eine Oxidation der Oberflächen auf ein Minimum beschränkt. Infolgedessen ist die Verunreinigung der Verdrahtungsabschnitte mit dem leitfähigen Verbindungsmaterial verhindert, um die Verbindungsfähigkeit zwischen dem Kissen oder dem Substratbauteil und den Verdrahtungsabschnitten zu verbessern.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigt:
1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Montieren oder Befestigen elektronischer Bauteile;
2A–2F einzelne Stufen zur Erläuterung des Verfahrens von 1;
3A–3E erläuternde Darstellungen, welche verschiedene Verfahren zur Ausbildung von Kissen zeigen, wobei in 3D eine Ausführungsform dargestellt ist;
4A–4D erläuternde Darstellungen, welche ein Verfahren zur Ausbildung von Kissen durch Wärmekontaktbondieren eines Goldblattes zeigen;
5 eine Draufsicht, welche die Draufsichtform des Kissens zeigt;
6A und 6B erläuternde Darstellungen, welche einen Verbindungszustand eines Drahtes zeigen, wobei 6A ein vorstehendes oder hochragendes Kissen zeigt und 6B ein flaches Kissen zeigt;
7A–7D erläuternde Darstellungen, welche erste und zweite Beispiele eines Kissenausbildungsverfahren zeigen;
8A–8D erläuternde Darstellungen, welche ein Beispiel zeigen, bei dem eine Maske mit einer Kissenausbildungsvertiefung im zweiten Beispiel des Kissenausbildungsverfahrens verwendet wird; und
9A–9F erläuternde Darstellungen, welche eine Mehrzahl von Abwandlungen zeigen, wie das Kissen leicht in dem Formungsverfahren unter Verwendung der Maske zerstörbar oder verformbar ist.
3A, 3B, 3C, 3E, 4A–4D, 6A, 7A–7D, 8A–8D und 9A–9F betreffen Beispiele zur Erläuterung der Erfindung.
1 ist ein Flußdiagramm; welches ein Verfahren zum Montieren oder Befestigen in festen Baugruppen (”packaging”) elektronischer Bauteile gemäß eines ersten Beispiels zur Erläuterung der Erfindung zeigt, und die 2A–2F zeigen die einzelnen Stufen des Montageverfahrens. 2A–2E sind schematische Schnittdarstellungen an Zwischenschritten zur Herstellung der Montagestruktur eines drahtgebondeten elektronischen Teiles, wie es in 2F gezeigt ist.
Die Montagestruktur gemäß 2F weist ein Keramiksubstrat 10 aus einer Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid, auf. Auf einer oberen Fläche dieses Keramiksubstrates 10 sind Verdrahtungsabschnitte 12 angeordnet, welche Oberflächen aus Kupfer, Silber oder dergleichen haben. Diese Verdrahtungsabschnitte 12 können beispielsweise aus einem Substrat aus Wolfram oder Molybdän gemacht sein, welches mit Kupfer oder Silber plattiert ist.
Auf Teilen der Verdrahtungsabschnitte 12 ist ein leitfähiger Kleber 40 angeordnet, über den ein IC-Chip 20 und ein anderes Bauteil, beispielsweise ein Kondensator 30 (d. h. ein Teil, welches nicht drahtgebondet wird und welches nachfolgend als ”nicht-WB-Teil” bezeichnet wird, wobei ”WB” für ”wire-bonded” steht), elektrisch mit den Verdrahtungsabschnitten verbunden und auf der Fläche 11 des Keramiksubstrates 10 angeordnet sind. Der leitfähige Kleber 40 kann durch Mischen eines leitfähigen Füllstoffs, beispielsweise Ag, Ag/Pd, Ag/Pt, Au, Cu oder Ni, in einen thermisch aushärtenden Kleber hergestellt werden, beispielsweise Epoxyharz, um Leitfähigkeit durch körperlichen Kontakt herzustellen.
Über den Verdrahtungsabschnitten 12 um den IC-Chip 20 herum sind Bondierkissen 50 (oder Substratbauteile) ausgebildet, welche aus Gold gefertigt sind. Hierbei können die Kissen 50 aus Metall oder einer Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold (Au), Silber (Ag), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Palladium (Pd), Platin (Pt), Zinn (Sn) und Nickel (Ni) sein. Das Kissen 50 und der IC-Chip 20 sind elektrisch durch Drähte 60 verbunden, welche durch das Drahtbondieren von Gold gebildet werden. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Erstellen dieser Struktur nacheinander in der Reihenfolge der einzelnen Schritte erläutert.
Zunächst wird in einem Substratvorbereitungsschritt S1 gemäß 2A das Keramiksubstrat 10 vorbereitet, welches auf der oberen Fläche 11 die Verdrahtungsabschnitte 12 hat. Nachfolgend wird ein Plasmareinigungsschritt S2 durchgeführt, in dem das Keramiksubstrat in der Kammer einer nicht gezeigten Plasmaerzeugungsvorrichtung angeordnet wird.
Gemäß 2B wird eine Atmosphäre eines Mischgases aus Argon und Wasserstoff in der Kammer durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen einem Paar von Elektroden in der Vorrichtung aufbereitet (z. B. 500 bis 750 W, 1 bis 3 Minuten lang), so daß die Ionenpartikel (Ar+, H+ oder dergleichen), welche durch die Plasmaentladung erzeugt werden, auf die Fläche 11 des Substrates 10 auftreffen können, um die Fläche 11 zu reinigen, welche die Verdrahtungsabschnitte 12 enthält.
Nachfolgend werden in einem Kissenausbildungsschritt S3 in den Verdrahtungsabschnitten 12, welche drahtbondiert werden, die Drahtbondierkissen 50 aus Gold ausgebildet, wie in 2C gezeigt. Bezugnehmend auf die 3 und 4 wird nachfolgend eine Anzahl von Verfahren beschrieben, um in dem Kissenausbildungsschritt S3 die Kissen 50 auszubilden.
Gemäß 3A werden die Kissen 50 durch Verwendung von Drahtbondierdrähten und dem Kugelbondierverfahren gebildet. Bei diesem Verfahren werden die Kissen 50 in einer Vielzahl von vorstehenden oder hochragenden (z. T. unregelmäßigen) Formen ausgebildet, wie in 3A gezeigt. Genauer gesagt, wie beispielsweise in der JP 10-112471 A beschrieben, können die Kissen 50 durch Ausbilden von Erhebungen durch das Kugelbondierverfahren gebildet werden.
Gemäß der 3B und 3C wird das Kissen 50 durch Verwendung eines Drahtbondierdrahtes und dem Keilbondierverfahren ausgebildet. Genauer gesagt, gemäß 3B wird ein Keilbondierungswerkzeug K1 verwendet, um einen Golddraht K2 durch Ultraschallvibration auf den Verdrahtungsabschnitt 12 zu stoßen. Danach wird gemäß 3C der unnötige Abschnitt abgeschnitten, um das im wesentlichen flache Kissen 50 zu bilden.
Gemäß 3D wird der Verdrahtungsabschnitt 12 an seiner Oberfläche manuell oder unter Verwendung eines Werkzeuges oder eines Bauteils (z. B. eines Goldstabes) K3 abgerieben, um das Kissen 50 in Filmform auf der Oberfläche des Verdrahtungsabschnittes 12 zu bilden.
Gemäß 3E wird ein Goldblatt (ein Stück Blattgold) auf die Oberfläche des Verdrahtungsabschnittes 12 durch einen Kleber K4 angeheftet, um das Kissen 50 in Blattform zu bilden.
Das Verfahren zum Ausbilden des Blattkissens 50 läßt sich durch ein Verfahren durch Wärmekontaktbondieren eines Goldblattes veranschaulichen, wie in 4 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird ein Goldblatt (bzw. ein Stück Blattgold) mit einer Dicke von 0,5 Mikron (μm) und dem Bezugszeichen K5 zunächst gemäß 4A mit seiner einen Seite auf die Verdrahtungsabschnitte 12 über dem Keramiksubstrat 10 abgelegt. Ein Wärmekontaktbondierwerkzeug K6 mit Vorsprüngen entsprechend den Drahtbondierabschnitten der Verdrahtungsabschnitte 12 wird gemäß 4B verwendet, um das Goldblatt K5 an den Oberflächen der Verdrahtungsabschnitte 12 von der Außenseite des Goldblattes K5 her durch Wärmekontakt anzubondieren.
Nachfolgend wird ein Schneidwerkzeug K7 gemäß 4C verwendet, um die Umgebung der wärmekontaktbondierten Abschnitte des Goldblattes K5 abzuschneiden, um unnötige oder überflüssige Abschnitte des Goldblattes K5 gemäß 4D zu entfernen. Somit werden die blattförmigen Kissen 50 ausgebildet, welche an den Oberflächen der Verdrahtungsabschnitte 12 wärmebondiert sind.
Wie oben beschrieben, können die Kissen 50 durch verschiedene Verfahren oder Vorgehensweisen ausgebildet werden, beispielsweise durch das Kugelbondierverfahren, das Keilbondierverfahren, das Aufreibverfahren des Goldbauteiles und das Anheftverfahren des Goldblattes oder Blattgoldes. Die Draufsichtform des Kissens 50, welches über dem Verdrahtungsabschnitt 12 ausgebildet wird, ist in 5 dargestellt, wo auch die Verbindung über den Draht 60 dargestellt ist. Unter Berücksichtigung oder Betrachtung einer Versetzungsbreite A und der Präzision des Drahtes 60 beim Drahtbondieren wird gemäß 5 das (gestrichelt dargestellte) Kissen 50 größer als der Zielbondierbereich gemacht.
Nachdem das Kissen 50 in dem Kissenausbildungsschritt S3 ausgebildet worden ist, erfolgt ein Erwärmungs- oder Heizschritt S4. In diesem Schritt S4 werden das Kissen 50 und der Verdrahtungsabschnitt 12 erwärmt oder erhitzt, um zu bewirken, daß die Gold- oder Kupferatome hiervon thermisch über die Grenze (z. B. die Grenze zwischen Gold und Kupfer) zwischen Kissen 50 und Verdrahtungsabschnitt 12 diffundieren, um die Anhaftung zwischen dem Kissen 50 und dem Verdrahtungsabschnitt 12 zu verbessern.
Die Wärmebehandlung in diesem Heizschritt S4 wird bevorzugt in einer Stickstoffgasatmosphäre oder einer Wasserstoffgasatmosphäre eines Heizofens durchgeführt, so daß die verbleibenden Abschnitte, beispielsweise die Verdrahtungsabschnitte 12 ohne Kissen 50, an einer Oxidation gehindert werden. Die bevorzugten Heizbedingungen liegen bei 200°C oder höher (z. B. 300°C bei diesem Beispiel zur Erläuterung der Erfindung) für 10 Minuten oder länger (bei diesem Beispiel zur Erläuterung der Erfindung).
Nachfolgend wird ein Schritt S5 des Aufdruckens eines leitfähigen Klebers durchgeführt, d. h. ein Schritt des Anordnens eines leitfähigen Verbindungsmaterials auf dem Verdrahtungssubstrat. Gemäß 2D wird der gewünschte Abschnitt, d. h. der Abschnitt des Verdrahtungsabschnittes 12, auf welchem der IC-Chip 20 oder das nicht-WB-Teil 30 angeordnet werden, mit einem pastenförmigen leitfähigen Kleber unter Verwendung einer Aufbringvorrichtung 110, beispielsweise einer Rakel, bedruckt. Hierbei ist die obere Seite 11 des Keramiksubstrates 10 mit einer Maske 100 mit entsprechenden Öffnungen abgedeckt.
Diese Maske ist aus Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl. In der Maske 100 dieser Ausführungsform sind zurückgestufte Abschnitte oder Kissenschutzausnehmungen 101 mit einer Tiefe oder einem Rücksprung zumindest gleich der Dicke der Kissen 50 an solchen Positionen der der Fläche 11 des Keramiksubstrates 10 zugewandten Fläche ausgebildet, daß sie den Kissen 50 auf den Verdrahtungsabschnitten 12 entsprechen. Im Ergebnis werden die Kissen 50 in den Ausnehmungen oder Vertiefungen 101 aufgenommen und geeignet geschützt, so daß sie an einer Verformung oder dergleichen gehindert werden können.
Nachfolgend wird gemäß 2E ein Teileanordnungsschritt oder Montageschritt S6 für ein elektronisches Bauteil oder elektronische Bauteile durchgeführt, um den IC-Chip 20 und das nicht-WB-Teil 30 auf dem Keramiksubstrat 10 mittels des leitfähigen Klebers 40 anzuordnen. Nachfolgend wird ein Aushärtungsschritt S7 durchgeführt, um den pastenförmigen leitfähigen Kleber 40 auszuhärten, um die Verdrahtungsabschnitte 12 über dem Keramiksubstrat 10 und den IC-Chip 20 und das nicht-WB-Teil 30 anzukleben und elektrisch zu verbinden. Hierbei wird im Aushärtungsschritt S7 die Wärmebehandlung (beispielsweise bei 150°C über 10 Minuten hinweg) bevorzugt in einer Stickstoffatmosphäre (N₂) durchgeführt, so daß die verbleibenden Verdrahtungsabschnitte 12 nicht oxidieren.
Nach den voranstehenden einzelnen Schritten S1 bis S7 wird ein Drahtbondierschritt S8 durchgeführt. Genauer gesagt, die Drahtbondierung erfolgt unter Verwendung von Golddrähten, wobei der IC-Chip 20 auf die primäre Bondierseite und die Kissen 50 auf die sekundäre Bondierseite gesetzt werden. Somit werden der IC-Chip 20 und die Kissen 50 elektrisch durch die Drähte 60 verbunden, um die fertige montierte Struktur gemäß 2F zu bilden.
Hierbei wird bei dem Montageverfahren oder Anordnungsverfahren gemäß dem vorliegenden Beispiel zur Erläuterung der Erfindung vor dem Aufdruckschritt des leitfähigen Klebers (d. h. dem Schritt des Anordnens des leitfähigen Verbindungsmaterials auf dem Verdrahtungssubstrat, also vor dem Schritt S5) der Kissenausbildungsschritt S3 durchgeführt, um die Drahtbondierkissen 60 aus Gold an den Abschnitten der Verdrahtungsabschnitte 12 auszubilden, welche drahtbondiert werden sollen. Im Ergebnis entsteht nicht das Problem einer Verunreinigung der Oberflächen der Verdrahtungsabschnitte 12 mit dem leitfähigen Kleber 40, beispielsweise durch ”Ausschwitzen” oder ”Ausbluten” des leitfähigen Klebers 40, oder einer Oxidation der Oberflächen der Verdrahtungsabschnitte 12 durch das Erhitzen im Aushärtungsschritt.
Das leitfähige Verbindungsmaterial kann beispielsweise ein Lot sein. Genauer gesagt, anstelle des Aufdruckschrittes S5 für den leitfähigen Kleber wird ein pastenförmiges Lot aufgedruckt oder sonstwie aufgebracht und dann wird der Teileanordnungsschritt S6 durchgeführt. Anstelle des Aushärtungsschrittes S7 wird das Lot aufgeschmolzen, um den IC-Chip 20 etc. festzulegen. Auch bei Verwendung eines Lotes ist es bei dem erfindungsgemäßen Montageverfahren möglich, das Problem der Oberflächenverunreinigung der Verdrahtungsabschnitte 12 durch das Lot (oder das leitfähige Verbindungsmaterial allgemein) zu vermeiden, also beispielsweise durch das Ausfließen des Lotflußmittels oder die Oxidation der Oberflächen der Verdrahtungsabschnitte 12, wie es durch das Erhitzen beim Aufschmelzen des Lotes erfolgen könnte.
Weiterhin werden bei dem erfindungsgemäßen Montageverfahren der Anordnungsschritt S5 für das leitfähige Verbindungsmaterial und der Anordnungsschritt S6 für das mindestens eine elektronische Bauteil, welche im Stand der Technik vor dem Kissenausbildungsschritt durchgeführt werden, nach dem Kissenausbildungsschritt S3 durchgeführt, so daß die Taktzeitdauer bis zum Kissenausbildungsschritt S3 verkürzt ist. Somit kann die Zeitdauer, während der die Oberflächen der Drahtbondierabschnitte der Verdrahtungsabschnitte 12 freiliegen, verkürzt werden, um eine Oxidation dieser Oberflächen auf ein Minimum zu begrenzen. Daher wird die Verunreinigung der Verdrahtungsabschnitte 12 mit dem leitfähigen Verbindungsmaterial 40 verhindert, wodurch die Verbindungsfähigkeit zwischen den Kissen 50 und den Verdrahtungsabschnitten 12 verbessert wird.
Bei dem Montageverfahren können, wenn die Kissen 50 unter Verwendung der Drahtbondierdrähte gemäß den 3A bis 3C ausgebildet werden, diese durch die Drahtbondiervorrichtung gebildet werden, welche im Drahtbondierschritt S8 verwendet wird, um die Anlagenkosten zu verringern und die Herstellungsschritte zu vereinfachen.
In dem oben beschriebenen ersten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung werden die Kissen 50 durch verschiedene Verfahren, beispielsweise das Kugelbondierverfahren, das Keilbondierverfahren, das Aufreibverfahren des Goldbauteils und das Goldblatt-Anhaftverfahren, gebildet. Wenn das Kugelbondierverfahren verwendet wird, werden die Kissen 50 in einer vorstehenden oder hochragenden Form ausgebildet, wie in 3A gezeigt. Wenn das Keilbondierverfahren, das Aufreibverfahren des Goldbauteiles oder das Goldblatt-Anhaftverfahren verwendet werden, ergeben sich Kissen 50 in flacher Form, wie in 3C gezeigt.
Die 6A und 6B sind schematische Schnittdarstellungen, welche einen Verbindungszustand des Drahtbondierdrahtes 60 zeigen. 6A zeigt hierbei den Fall eines hochragenden Kissens 50, wohingegen 6B den Fall eines flachen Kissens 50 zeigt. Wenn das Kugelbondierverfahren verwendet wird, ist die Form des Kissens 50 komplizierter als bei den anderen Verfahren. Von daher ist eine hohe Präzision notwendig, um auf der sekundären Bondierseite zu positionieren, um die Verbindungsfestigkeit zwischen Draht 60 und Kissen 50 zu verbessern.
Selbst wenn das Kissen 50 durch das Kugelbondierverfahren gebildet worden ist, ist es daher bevorzugt, zumindest den oberen Abschnitt (den Drahtbondierabschnitt) des Kissens 50 abzuflachen. Das vorliegende Beispiel zur Erläuterung der Erfindung befaßt sich mit einem Montageverfahren, bei welchem das vorstehende oder hochragende Kissen 50 durch das Kugelbondierverfahren gebildet worden ist und dann (um)geformt wird, und wird hauptsächlich unter Berücksichtigung der Unterschiede zum voranstehenden ersten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung beschrieben.
Die 7A–7D sind schematische Schnittdarstellungen, welche ein erstes Beispiel (7A und 7B) und ein zweites Beispiel (7C und 7D) eines Kissen(um)formverfahrens gemäß diesem Beispiel zur Erläuterung der Erfindung zeigen. Das erste Verfahren gemäß den 7A und 7B ist ein Abscherverfahren. Bei diesem Verfahren wird zunächst das Kissen 50 in der mehr oder weniger unregelmäßig aufragenden Form ausgebildet und sein vorderer (oberer) endseitiger Abschnitt wird durch ein Abscherwerkzeug oder eine Klinge K8, beispielsweise einen Cutter, abgeschnitten, um die Oberfläche des verbleibenden Abschnittes abzuschneiden.
Im zweiten Beispiel gemäß den 7C und 7D wird das Kissen 50 wieder zunächst in der mehr oder weniger unregelmäßig aufragenden Form ausgebildet und seine vordere (obere) Endseite wird durch ein geeignetes Werkzeug niedergedrückt oder gestaucht, um diese Oberfläche abzuflachen. Im gezeigten Beispiel wird die Maske 100 zur Verwendung in dem bereits erläuterten Aufdruckschritt S5 für den leitfähigen Kleber als das Druckwerkzeug verwendet.
Wenn in den 7C und 7D die obere Fläche 11 des Keramiksubstrates 10 mit der Maske 100 abgedeckt wird, wird die Oberseite des Vorsprunges des aufragenden Kissens 50 durch die Substratabdeckfläche der Maske 100, welche die obere Fläche 11 des Keramiksubstrates 10 abdeckt, niedergedrückt oder gequetscht. Dieses Niederdrücken wird unter Verwendung des Drucks (Anpreßdruck) des Werkzeuges 110 (Rakel) während des Druckschrittes S5 aufgebracht.
In den 7C und 7D hat die das Substrat abdeckende Fläche der Maske 100 nicht die Kissenausnehmung 100 gemäß 2D, sondern ist im wesentlichen flach. Es ist jedoch bevorzugt, da eine derartige Ausnehmung oder derartige Ausnehmungen ausgebildet werden. Bevorzugte Vorgehensweisen beim zweiten Beispiel werden an speziellen Formen und Bedingungen unter Bezugnahme auf die Abfolgeansichten gemäß den 8A–8D, welche schematische Schnittdarstellungen sind, näher erläutert.
8A zeigt den Zustand, nachdem das Kissen 50 unter Verwendung des Kugelbondierverfahrens ausgebildet wurde, das heißt, nach dem Heizschritt S4 in dem voranstehendem ersten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung. An den Abschnitten der Verdrahtungsabschnitte 12 des Keramiksubstrates 10, welche drahtbondiert werden, sind die vorstehenden oder hochragenden Kissen 50 ausgebildet. In diesem Beispiel hat das Kissen 50 eine Höhe H1 von 60 Mikron und eine Breite oder maximal Weite W1 von 120 Mikron.
In der Maske 100 ist gemäß 8B eine Ausnehmung 102 in einem derartigen Abschnitt der Fläche, welche in Richtung der oberen Fläche 11 des Substratsubstrates 10 weist, ausgebildet, daß die obere Endseite des Kissens 50 niedergedrückt werden kann. Die Ausnehmung 102 ist eine Kissenformungsausnehmung und hat eine Aufgabe unterschiedlich zu derjenigen der Kissenschutzausnehmung 101 von 2D. Kurz gesagt, die Ausnehmung 102 ist so geformt, daß der Grad der Zerstörung und/oder Deformation des freien Endes des Kissens 50 bei dem Druckvorgang eingestellt oder reguliert wird.
Im Falle dieses Beispiels, in welchem der IC-Chip 20 einen Anschlußabstand von 400 Mikron und eine Anschlußgröße von 140 Quadratmikron (μm²) hat, wird die Maske 100 beispielsweise durch eine rostfreie Stahlmaske mit einer Tiefe D1 von 70 Mikron ausgebildet. Weiterhin kann die Ausnehmung 102, d. h. die Kissenformungsnehmung, in diesem Beispiel durch ein Ätzen oder Plattierverfahren ausgebildet werden, um eine Tiefe H2 von 35 Mikron und einen Innendurchmesser W2 von 200 Mikron zu haben.
Gemäß 8C wird das metallische Druckwerkzeug 110 oder die Rakel 110 verwendet, um die Maske 100 in einer bestimmten Richtung zu schieben und zu bewegen, um hierbei den leitfähigen Kleber 40 oder das Lot aufzudrucken. Zu dieser Zeit wird das Kissen 50 in der Ausnehmung 102 durch den Aufpreßdruck an seinem oberen freien Ende (teilweise) zerstört oder aufgebrochen und verformt, so daß die Oberfläche des freien Endes des Kissens 50 schließlich flach deformiert ist, wie in 8D gezeigt. In diesem Beispiel können beim Druckvorgang der Aufpreßdruck 10 kg und die Druckbewegungsgeschwindigkeit 30 cm/s betragen, so daß das letztendlich geformte Kissen 50 eine Dicke oder Höhe H3 von 35 bis 40 Mikron hat.
Die Tiefe der Ausnehmung 102 wird hierbei dahingehend bestimmt, wie das Kissen 50 aufzubrechen und zu verformen ist. Genauer gesagt, die Tiefe der Ausnehmung 102 kann geringer gemacht werden, wenn das Kissen 50 stärker deformiert werden soll. Weiterhin müssen Durchmesser und Form der Ausnehmung 102 entsprechend der letztendlich gewünschten Form des Kissens 50 geeignet ausgewählt werden.
Der Aufpreßdruck wird durch die Form des Kissens 50, welches aufzubrechen und zu verformen ist, bestimmt. Ein hoher Druck kann für mehr Verformung aufgebracht werden. Der Aufpreßdruck wird auch durch die Härte des Kissens 50 bestimmt. Hohe Härte macht entsprechend hohen Druck notwendig. Abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Druckwerkzeuges 110 ist der Verformungsvorgang am Kissen 50 unterschiedlich dahingehend, daß er mit sinkender Geschwindigkeit höher wird. Aufgrund der erwähnten Faktoren ist es daher notwendig, die korrekten Bedingungen einzustellen und sicherzustellen.
Weiterhin wird die Maske 100 beim Schubvorgang durch das Werkzeug 110 durch den Einfluß des Kissens 50 angehoben, so daß die Menge von aufgebrachtem oder übergetragenem leitfähigem Kleber 40 oder vom Lot anwachsen kann. Unter Berücksichtigung dieser Möglichkeit müssen die oben erwähnten Druckbedingungen bestimmt werden.
Was die zu verwendende Maske 100 betrifft, ist eine Maske aus Metall bevorzugt, es kann jedoch auch eine Siebmaske verwendet werden, wenn die Kissenformungsausnehmung 102 nicht notwendig ist und wenn das Kissen 50 weich ist. Ein geeignetes Material für die Maske muß abhängig von der Härte des Kissens 50, welches zu verformen ist, und/oder den Aufdruckbedingungen ausgewählt werden. Die Tiefe der Ausnehmung 102 muß ebenfalls berücksichtigt werden, da sie durch das Material der Maske 100 eingeschränkt ist.
Bei dem zweiten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung gemäß obiger Beschreibung wird der Formungsschritt des Kissens den Schritten des voranstehenden ersten Beispiels zur Erläuterung der Erfindung hinzugefügt. Da jedoch die Oberfläche des Kissens 50, welches zu bondieren ist, abgeflacht werden kann, ist es möglich, die Probleme der komplizierten Form des Kissens 50 und die Anforderung nach einer hohen Präzision bei der Positionierung der sekundären Bondierposition und des Kissens 50 zu vermeiden. Daher ist es möglich, das Drahtbondieren zu erleichtern und Schwankungen in der Verbindungsfestigkeit zwischen dem Draht 60 und dem Kissen 50 zu vermeiden.
Bei diesem Formungsverfahren unter Verwendung der Maske 100 als Druckwerkzeug kann das Kissen 50 gleichzeitig mit dem erwähnten Aufdruckschritt S5 für den leitfähigen Kleber geformt werden, so daß sich die Anzahl von Herstellungsschritten gegenüber dem voranstehenden ersten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung nicht erhöht. Bei dem Formungsverfahren unter Verwendung der Maske mit der Kissenformungsausnehmung 102 kann weiterhin die Verformung des Kissens 50 durch den Druckvorgang leicht durch geeignete Ausbildung der Ausnehmung 102 den gewünschten Bedingungen angepaßt werden.
Bei dem Formungsverfahren unter Verwendung der Maske 100 kann eine Vielzahl von Abwandlungen vorgenommen werden, wie in den 9A–9F gezeigt, wo Ausbildungsformen gezeigt sind, mit denen das Kissen 50 noch stärker aufbrech- und verformbar ist. Gemäß den 9A–9D wird die Bodenfläche der Ausnehmung 102, welche in Anlage mit dem Kissen 50 zum Zeitpunkt der Formung gerät, geschärft. Gemäß 9E wird die Bodenfläche der Ausnehmung 102 durch Einsatz von gehärtetem Stahl 103 (gehärteter Abschnitt) gehärtet. Weiterhin kann gemäß 9F das Keramiksubstrat 10 auf einem Heizer K9 angeordnet sein, und das Kissen 50 wird erhitzt und aufgeweicht für die nachfolgenden Formungs- und Aufdruckvorgänge.
<Modifikationen und Abwandlungen>
Das Verdrahtungssubstrat ist nicht auf das erwähnte Keramiksubstrat 10 beschränkt, sondern kann auch beispielsweise ein Glasepoxysubstrat sein, wo der Verdrahtungsabschnitt aus Kupfer oder Silber wie in dem erwähnten Beispiel zur Erläuterung der Erfindung ist. Alternativ kann der Körper des ”lead frames” mit Silber plattiert sein. In diesem Fall entspricht der Körper des ”lead frames” dem Verdrahtungssubstrat und das aufplattierte Silber entspricht dem Verdrahtungsabschnitt.
Die erwähnten Plasmareinigungsschritte S2 und Heizschritte S4 können, wenn notwendig, durchgeführt werden, können jedoch auch weggelassen werden; dies hängt von den jeweiligen Bedingungen ab. Die Anordnung des leitfähigen Verbindungsmaterials muß nicht durch einen Maskenaufdruckvorgang erfolgen, sondern kann auch durch ein selektives Aufbringverfahren erfolgen.
Zusammengefaßt stellt die vorliegende Erfindung ein Montageverfahren oder Anordnungsverfahren für elektronische Bauteile dar, bei welchem wenigstens ein elektronisches Bauteil auf einem Verdrahtungssubstrat über ein leitfähiges Verbindungsmaterial angeordnet wird, welches auf einem Verdrahtungssubstrat angeordnet ist, und wobei ein Verdrahtungsabschnitt auf dem Verdrahtungssubstrat und das wenigstens eine elektronische Bauteil drahtbondiert werden. Wesentlich ist, daß der Kissenausbildungsschritt S3 vor dem Aufbringschritt S5 für das leitfähige Verbindungsmaterial durchgeführt wird. Details hierzu können geeignet modifiziert werden.
Beim Schritt des Bedruckens eines Verdrahtungsabschnittes eines Keramiksubstrates mit einem leitfähigen Kleber zur Anordnung eines IC-Chips oder eines Bauteils anders als der IC-Chip, beispielsweise eines Kondensators, wird somit gemäß der Erfindung ein Drahtbondierkissen aus Gold durch ein Kugelbondierverfahren oder dergleichen am Abschnitt des Verdrahtungsabschnittes ausgebildet, wo die Drahtbondierung erfolgen soll. Nachdem das Kissen ausgebildet worden ist und bevor der leitfähige Kleber aufgedruckt wird, wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um zwischen dem Verdrahtungsabschnitt und dem Kissen eine thermische Diffusion zu bewirken, so daß die Verbindungsfähigkeit oder Anhaftung verbessert wird.

Claims

Befestigungsverfahren für wenigstens ein elektronisches Bauteil mit den folgenden Schritten: Anordnen eines leitfähigen Verbindungsmaterials (40) über einem Verdrahtungssubstrat (10), welches einen Verdrahtungsabschnitt (12) enthält; Anordnen des wenigstens einen elektronischen Bauteiles (20) auf dem Verdrahtungssubstrat (10) mittels dem leitfähigen Verbindungsmaterial (40); Ausbilden eines Drahtbondierkissens (50) aus Metall an einem Abschnitt des Verdrahtungsabschnittes (12), der drahtbondiert werden soll; und Drahtbondieren des elektronischen Bauteils (20) an dem Verdrahtungsabschnitt (12) über das Drahtbondierkissen (50), wobei das Drahtbondierkissen (50) ausgebildet wird, bevor das leitfähige Verbindungsmaterial über dem Verdrahtungssubstrat (10) angeordnet wird, und das Drahtbondierkissen (50) durch Abreiben des Abschnittes des Verdrahtungsabschnittes (12), der drahtbondiert werden soll, mit einem Bauteil (K3) gebildet wird, so dass das Drahtbondierkissen (50) in Filmform ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Verbindungsmaterial (40) über dem Verdrahtungssubstrat (10) durch Aufdrucken des leitfähigen Verbindungsmaterials (40) angeordnet wird, wobei ein Maskenbauteil (100) mit einer Öffnung an einem gewünschten Abschnitt das Verdrahtungssubstrat (10) abdeckt und wobei das Maskenbauteil (100) eine Ausnehmung (101) in seinem Abschnitt zum Abdecken des Drahtbondierkissens (50) hat, wobei die Ausnehmung (101) eine Dicke wenigstens gleich dem Drahtbondierkissen (50) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtbondierkissen (50) und der Verdrahtungsabschnitt (12) mit dem Drahtbondierkissen (50) nach Ausbildung des Drahtbondierkissens (50) und vor der Anordnung des leitfähigen Verbindungsmaterials über dem Verdrahtungssubstrat (10) wärmebehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Stickstoffgasatmosphäre oder Wasserstoffgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei 200°C oder mehr für 10 Minuten oder länger erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtbondierkissen (50) aus Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold (Au), Silber (Ag), Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Palladium (Pd), Platin (Pt), Zinn (Sn) und Nickel (Ni) hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtbondierkissen (50) aus Gold (Au) ist, der Verdrahtungsabschnitt (12) aus Kupfer (Cu) ist und ein Draht (60) für die Drahtbondierung aus Gold (Au) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmareinigung zum Reinigen des Verdrahtungssubstrates (10) mit dem Verdrahtungsabschnitt (12) vor Ausbildung des Drahtbondierkissens (50) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmareinigung in einer Atmosphäre eines Mischgases aus Argon und Wasserstoff durch Anlegen eines elektrischen Feldes von 500–750 W für 1–3 Minuten durchgeführt wird.