DE102006025870A1 - Mehrschichtiges Bond-Bändchen - Google Patents

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Manfred Reinold
Thomas Kaden
Immanuel Mueller
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen als Bändchen ausgebildeten Bonddraht (4) sowie eine Bondverbindung (1) mit einem solchen Bonddraht (4). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bonddraht (4) mindestens zwei Schichten (5, 6, 7) mit unterschiedlicher Stromtragfähigkeit aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen als Bändchen ausgebildeten Bonddraht zum Bonden mikroelektronischer Bauteile und/oder Kontaktflächen.
  • Bei Bonddrähten handelt es sich um Anschlussdrähte für mikroelektronische Bauteile wie integrierte Schaltkreise oder LEDs. Häufig besteht der Bonddraht, insbesondere in der mikroelektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik aus Gold oder einer Goldlegierung. Es kommen aber auch Bonddrähte aus Aluminium, meist mit geringem Siliziumanteil zur Anwendung. Eine Hauptanwendung ist die Verbindung der bei einem Chip von außen sichtbaren Anschlüsse (Pins) mit im Innern des Chips angeordneten Anschlüssen (Pads). Für diese Anwendung werden meist Bonddrähte mit kreisrundem Querschnitt mit einem Durchmesser zwischen etwa 25 und 50 μm eingesetzt. Neben den Bonddrähten mit kreisrundem Querschnitt werden auch so genannte Bändchen mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt. Die Flexibilität und damit die Lebensdauer der als Bändchen ausgebildeten Bonddrähte ist in der Regel höher als bei Bonddrähten mit kreisrundem Querschnitt. Auch weisen als Bändchen ausgebildete Bonddrähte meist eine höhere Stromtragfähigkeit auf, d.h. der Durchbrennstrom ist höher als bei vergleichbaren Bonddrähten mit kreisrundem Querschnitt. In der Leistungselektronik kommen häufig nahezu reine Aluminium- Bonddrähte zur Anwendung. Auch hier werden Bonddrähte mit kreisrundem Querschnitt eingesetzt, wobei der Durchmesser der Bonddrähte für Leistungselektronikanwendungen in der Regel zwischen 125 und 500 μm beträgt. Neben den Bonddrähten mit kreisrundem Querschnitt kommen in der Leistungselektronik vermehrt als Bändchen ausgebildete Bonddrähte zum Einsatz. Bei der Materialwahl der Bonddrähte muss häufig ein Kompromiss zwischen guter Bondbarkeit und ausreichender Stromtragfähigkeit gefunden werden.
  • Aus der DE 42 32 742 C2 ist ein Bonddraht mit kreisrundem Querschnitt bekannt, der einen Kern aus Gold oder Kupfer aufweist, wobei der Kern mit einer Beschichtung aus Aluminium oder Aluminiumoxid mit einer Schichtdicke zwischen 5 nm bis 100 nm versehen ist. Der Kern aus Kupfer sorgt für eine hohe Stromtragfähigkeit, wobei die Beschichtung ein zuverlässiges Kontaktieren bzw. Verschweißen mit den Kontaktflächen zulässt. Der beschichtete Bonddraht weist eine höhere Reißkraft auf als ein entsprechender nicht beschichteter Bonddraht.
  • Insbesondere um hohe Ströme übertragen zu können, werden häufig eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Bonddrähten mit kreisrundem Querschnitt mit bis zu 500 μm Durchmesser eingesetzt. Das Bonden der vielen Einzeldrähte ist zeit- und kostenintensiv. Ferner reicht der zur Verfügung stehende Platz hierzu oft nicht aus. Die eingesetzten dicken Bonddrähte mit kreisrundem Querschnitt sind gegenüber Schüttel- und Temperaturwechselbeanspruchungen äußerst empfindlich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bonddraht vorzuschlagen, der insbesondere für die Übertragung hoher Ströme ausgelegt und zuverlässig zu verschweißen ist sowie eine möglichst hohe Lebensdauer und eine möglichst geringe Flächenausdehnung aufweist.
  • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird mit einem als Bändchen ausgebildeten Bonddraht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen als Bändchen ausgebildeten Bonddraht mehrschichtig auszubilden, wobei die Schichten aus unterschiedlichem Material ausgebildet sind. Bevorzugt besteht dabei die stromtragfähigere Schicht aus Kupfer und/oder Gold, wohingegen die den Kontakt herstellende Schicht, also die mit einer Kontaktfläche eines mikroelektronischen Bauelementes oder Kontaktes zu verschweißende Schicht aus Silber, und/oder Zinn, und/oder Aluminium, und/oder Kupfer, und/oder Kupferlegierungen, und/oder Nickel, und/oder Gold besteht. Bevorzugt erfolgt das Bonden unter Zufuhr mindestens eines Ultraschallimpulses und/oder Wärme. Alternativ oder zusätzlich kann mit Drücken gearbeitet werden. Der erfindungsgemäße als Bändchen ausgebildete Bonddraht kann beispielsweise im Wedge-Wedge-Bondverfahren, im Ball/Wedge-Bondverfahren oder im Ball/Ball-Bondverfahren gebondet werden. Insbesondere sind die unterschiedlichen Schichten des als Bändchen ausgebildeten Bonddrahtes ausschließlich parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer derartigen Anordnung in einem Bonddraht mit rechteckigem Querschnitt weist die den Kontakt mit einer Kontaktfläche herstellende Schicht eine große Auflagefläche auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des als Bändchen ausgebildeten Bonddrahtes können die mindestens zwei Schichten so gewählt werden, dass die den Kontakt herstellende Schicht möglichst zuverlässig verschweißbar und gut kontaktierbar ist, wohingegen die mindestens eine weitere Schicht eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist. Aufgrund der erhöhten Stromtragfähigkeit der weiteren Schicht kann der als Bändchen ausgebildete Bonddraht insgesamt dünner ausgeführt werden, als wenn er nur aus einer einzigen Schicht bestehen würde. Hierdurch erhöht sich die Flexibilität und damit die Lebensdauer des Bändchens. Die Empfindlichkeit gegenüber Schüttel- und/oder Temperaturwechselbeanspruchungen sinkt damit deutlich gegenüber herkömmlichen Bändchen aus einem einzigen Vollmaterial. Beispielsweise ist es denkbar die den Kontakt herstellende Schicht als dünne Aluminiumschicht oder Goldschicht oder Nickelschicht oder Platinschicht und die stromtragfähigere Schicht aus Gold und/oder Kupfer auszubilden. Die Dicke eines derartigen Bonddrahtes ist wesentlich geringer, als wenn der Bonddraht ausschließlich aus Aluminium bestehen würde.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Schmelzpunkt der unterschiedlichen Schichtmaterialien unterschiedlich ist. Bevorzugt ist der Schmelzpunkt der den Kontakt zu dem mikroelektronischen Bauelement herstellenden Schicht niedriger als der Schmelzpunkt der Schicht mit der erhöhten Stromtragfähigkeit.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leitfähigkeit der mindestens zwei unterschiedlichen Schichten voneinander verschieden. Bevorzugt ist die Leitfähigkeit der Schicht mit der erhöhten Stromtragfähigkeit höher.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Biegesteifigkeit und/oder die Reißkraft, also die Zugkraft, die benötigt wird, um die Einzelschicht durchzureißen, und/oder die Dehnbarkeit der Schichten bzw. des Schichtmaterials unterschiedlich ist. Die unterschiedlichen. Somit lassen sich für den jeweiligen Anwendungsfall optimal geeignete Bändchen-Bonddrähte herstellen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dicke der mindestens zweier Schichten unterschiedlich ist. Bevorzugt ist die stromtragfähigere Schicht dicker ausgebildet als die den Kontakt herstellende Schicht. Durch die Variation der Dicke der Schichten kann die Stromtragfähigkeit der Schichten, aber auch deren Flexibilität variiert werden. Die Gesamtdicke des Bonddrahtes wird durch die Verwendung von einem besonders stromtragfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer oder Gold erheblich reduziert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bonddraht sandwichartig ausgebildet und weist mindestens drei, Schichten, nämlich zwei äußere Schichten und mindestens eine dazwischen liegende Schicht auf. Bevorzugt ist die mittlere Schicht oder eine der mittleren Schichten stromtragfähiger als die äußeren Schichten. Bei einem derart ausgebildeten Bonddraht ist es gleichgültig, ob der Kontakt mit einem mikroelektronischen Bauteil mit der einen oder der anderen, gegenüberliegenden Flachseite hergestellt wird. Ein derartiger Sandwichdraht ist äußerst stromtragfähig und unanfällig gegen Schüttel- und Temperaturwechselbeanspruchungen. Bevorzugt sind die Schichten parallel zueinander ausgerichtet, wobei die Dicke der äußeren Schichten in Weiterbildung der Erfindung geringer ist als deren Breite. Ein mehrschichtiger, als Bändchen ausgebildeter Bonddraht kann beispielsweise im Heißwalzverfahren hergestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die unterschiedlichen Schichten ausschließlich parallel zueinander angeordnete und somit in einer Seitenansicht des Drahtes sichtbar, also an die Außenseite des Drahtes geführt. Es ist auch denkbar, die mittlere Schicht, beispielsweise galvanisch, zu beschichten. In diesem Fall ist die Querschnittsfläche nur näherungsweise rechteckförmig. Bevorzugt bestehen die beiden gegenüberliegenden äußeren Schichten aus demselben Material.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die äußeren Schichten einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als die mindestens eine innere Schicht. Ein derartiger Bonddraht lässt sich zuverlässig mit einer Kontaktfläche verschweißen.
  • Bevorzugt ist die Leitfähigkeit und/oder die Biegesteifigkeit und/oder die Reißkraft und/oder die Dehnbarkeit bei den äußeren und der inneren Schicht unterschiedlich. Wesentlich ist, dass die Parameter derart gewählt werden, dass sich der Bonddraht zuverlässig verschweißen und kontaktieren lässt und die mittlere Schicht eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist, wobei der Bonddraht durch die Materialkombination insgesamt biegsamer ist als wenn er nur aus einem einzigen Vollmaterial bestehen würde.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Bondverbindung, die mindestens einen zuvor beschriebenen Bonddraht umfasst. Dabei ist bevorzugt die Breiten-Seite des Bonddrahtes im Kontaktbereich parallel zu den zu kontaktierenden Kontaktflächen ausgerichtet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
  • Darin zeigen:
  • 1 eine Bondverbindung unter Verwendung eines als Bändchenausgebildeten Bonddrahtes, und
  • 2 einen vollumfänglich von einer äußeren Schicht umhülltes Bondbändchen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Verbindung 1 zwischen zwei Kontaktflächen 2, 3 dargestellt. Bei der Kontaktfläche 2 handelt es sich beispielsweise um den Pad eines Chips und bei der Kontaktfläche 3 um den zugehörigen Pin. Die Kontaktflächen 2, 3 sind über einen als Bändchen ausgebildeten Bonddraht 4 elektrisch leitend miteinander verbunden.
  • Der Bonddraht 4 besteht aus drei Schichten 5, 6, 7, wobei die Schichten 5, 6, 7 vollflächig miteinander verbunden sind. Die äußeren beiden Schichten 5, 7 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium, wohingegen die sandwichartig zwischen den äußeren Schichten 5, 7 aufgenommene innere Schicht aus Kupfer besteht. Die innere bzw. mittlere Schicht 6 weist eine höhere Stromtragfähigkeit auf als die beiden äußeren Schichten 5, 7. Dies bedeutet, dass der Durchbrennstrom der mittleren Schicht 6 höher ist als der zum Durchbrennen benötigte Maximalstrom der äußeren Schichten 5, 7.
  • Die Dicke D des als Bändchen ausgebildeten Bonddrahtes 4 ist geringer als dessen Breite B. Die Dicke D des als Bändchen ausgebildeten Bonddrahtes 4 ist durch den sandwichartigen Aufbau mit der inneren Kupferschicht 6 bei höherer oder zumindest gleicher Stromtragfähigkeit des Bonddrahtes 4 wesentlich geringer, als wenn der Bonddraht ausschließlich aus Aluminium bestehen würde und nicht mehrschichtig aufgebaut wäre. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die stromtragfähigere Schicht 6 bei gleicher Stromfähigkeit dünner ausgeführt werden kann, als wenn die Schicht 6 aus Aluminium bestehen würde.
  • Durch die Verwendung von Aluminium als Material für die äußeren Schichten 5, 7 lässt sich der Bonddraht 4 zuverlässig mit den Kontaktflächen 2, 3, vorzugsweise unter Verwendung von Ultraschall, bonden.
  • Die Schichten 5, 6, 7 sind parallel zueinander ausgerichtet, wobei die mittlere Schicht 6 keinen unmittelbaren Kontakt zu den Kontaktflächen 2, 3 aufweist. Der Kontakt wird ausschließlich über die in der Zeichnungsebene untere, äußere Schicht 7 hergestellt.
  • Der in 1 gezeigte Bändchen-Bonddraht ist wesentlich flexibler als ein vollständig aus Aluminium bestehender Bonddraht, wodurch seine Bruchfestigkeit erhöht ist. Somit ist der in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Bonddraht wesentlich unanfälliger gegenüber Schüttel- und Temperaturwechselbeanspruchungen.
  • Der erfindungsgemäße Bonddraht eignet sich insbesondere zum Einsatz in der Leistungselektronik zur Übertragung hoher Ströme. Ein mögliches Hauptanwendungsgebiet ist die Hybridantriebstechnik.
  • Der in 1 dargestellte Bonddraht 4 benötigt wesentlich weniger Raum als eine entsprechende Anzahl nebeneinander angeordneter Bonddrähte mit kreisrundem Querschnitt, um den gleichen Maximalstrom übertragen zu können. Ferner weist der Bonddraht 4 einen großen Kontaktbereich zu den Kontaktflächen 2, 3 auf, der sich über die gesamte Breite des Bonddrahtes 4 erstreckt.
  • In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines mehrschichtigen Bondbändchens 4 dargestellt. Das Bondbändchen ist im Querschnitt rechteckig ausgebildet und weist einen Kern, also eine innere Schicht 8 auf. Diese ist im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, in dem ausschließlich parallele Schichten vorgesehen sind, vollumfänglich umhüllt von einer äußeren Schicht 9. Die innere Schicht 8 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die äußere Schicht 9 besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Bondbändchen ist die äußere Schicht 9 äußerst dünn und umhüllt die innere Schicht 8 vollumfänglich, d.h. an vier Seiten. Die Stirnflächen sind nicht beschichtet, da das Bondbändchen von einer Rolle abgewickelt und abgeschnitten ist. Die äußere Schicht 9 ist hauchdünn im Verhältnis zu der inneren Schicht 8. Die Dicke D des Bondbändchens 4 beträgt etwa 30 μm. Die mittlere Schichtdicke der äußeren Schicht beträgt lediglich etwa 23 nm. Die äußere Schicht 9 kann beispielsweise im Sputter-Verfahren, galvanisch oder im Wege der Walzplattierung aufgebracht werden. Durch die äußere Schicht 9 wird eine Oxidation vermieden und die Bondbarkeit verbessert. Das mit der hauchdünnen äußeren Schicht 9 vollumfänglich beschichtete Bändchen 4 hat den Vorteil, dass es gute Bondeigenschaften bezüglich der Oberfläche hat und außerdem die guten Deformationseigenschaften eines Bändchens, insbesondere die gute, flächige Verschweißbarkeit bei geringer Deformation, mit sich bringt. Daher eignet sich das in 2 gezeigte Bändchen 4 insbesondere zur Bondung von weichen, empfindlichen Oberflächen, insbesondere ICs. Das gezeigte Bändchen kann mittels eines Standardbändchenbonders gebondet werden.

Claims (15)

  1. Als Bändchen ausgebildeter Bonddraht (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (4) mindestes zwei Schichten (5, 6, 7) aus unterschiedlichen Materialien aufweist.
  2. Bonddraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (5, 6, 7) eine unterschiedliche Stromtragfähigkeit aufweisen.
  3. Bonddraht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt der Schichten unterschiedlich ist.
  4. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit der Schichten (5, 6, 7) unterschiedlich ist.
  5. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesteifigkeit und/oder die Reißkraft und/oder die Dehnbarkeit der Schichten (5, 6, 7) unterschiedlich ist.
  6. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schichten (5, 6, 7) unterschiedlich ist.
  7. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (4) mindestens drei Schichten (5, 6, 7), nämlich zwei äußere Schichten (5, 7) und mindestens eine dazwischen liegende innere Schicht (6) umfasst, und dass die mindestens eine innere Schicht (6) stromtragfähiger ist als die äußeren Schichten (5, 7).
  8. Bonddraht nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Schichten (5, 7) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als die mindestens eine innere Schicht (6).
  9. Bonddraht nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine innere Schicht (6) eine höhere Leitfähigkeit und/oder eine geringere Biegesteifigkeit und/oder eine geringere Reißkraft und/oder eine geringe Dehnbarkeit aufweist als die äußeren Schichten (5, 7), oder umgekehrt.
  10. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (9) die innere Schicht (8) vollumfänglich umhüllt.
  11. Bonddraht nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Schichtdicke der äußeren Schicht (9) etwa zwischen 1 nm und 200 nm, insbesondere etwa zwischen 15 nm und 30 nm, bevorzugt etwa zwischen 20 nm und 25 nm beträgt.
  12. Bonddraht nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Schichtdicke der äußeren Schicht (9) geringer ist als 1/10 der mittleren Dicke (D) des Bonddrahtes (4).
  13. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dicke des Bonddrahtes (4) etwa 25 μm bis 300 μm beträgt.
  14. Bonddraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite des Bonddrahtes (4) etwa 50 μm bis 1 mm beträgt.
  15. Bondverbindung zwischen zwei Kontaktflächen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (2, 3) mit mindestens einem Bonddraht (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche miteinander verbunden, vorzugsweise ultraschallverschweisst, sind.
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