DE102010038130B4 - Dickdraht-Bondanordnung und Verfahren zum Herstellen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Dickdraht-Bondanordnung, mit einem Substrat (2), einem Dickdraht (1) und einer Hochstrom-Dickdrahtbondverbindung, bei der ein endseitiger Bondabschnitt (4) des Dickdrahtes (1), welcher sich zum Drahtende (7) des Dickdrahtes (1) hin erstreckt, auf das Substrat (2) gebondet ist, derart, dass im Bereich des Bondabschnitts (4) ein Bondkontakt (5) zwischen dem Dickdraht (1) und dem Substrat (2) gebildet ist, wobei der Dickdraht (1) einen Verjüngungsabschnitt (6) aufweist, welcher sich an das Drahtende (7) anschließt und in welchem sich der Drahtquerschnitt zum Drahtende (7) hin verjüngt. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen einer Dickdraht-Bondanordnung.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Dickdraht-Bondanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen.
- Hintergrund der Erfindung
- Das Drahtbonden gehört zu den Technologien beim Ausbilden elektrischer Verbindungen. Das Drahtbonden dient üblicherweise zum Verbinden eines sogenannten Dies, insbesondere zum Beispiel der Halbleiter eines integrierten Halbleiters, eine Leuchtdiode oder einen Sensor, mit elektrischen Anschlüssen eines Chipgehäuses. Der Vorgang der Drahtkontaktierung wird dann als Drahtbonden bezeichnet.
- Es wird zwischen dem Bonden von Dünndrähten und Dickdrähten unterschieden. Während die Dünndrähte, welche häufig aus reinem Gold oder auch aus legiertem oder dotiertem Gold bestehen, Drahtdicken zwischen etwa 25 μm und weniger als 100 μm aufweisen, betrifft der Bereich des Dickdraht-Bondens Dickdrähte mit Durchmessern zwischen etwa 100 μm und etwa 500 μm. Solche Dickdrähte werden genutzt, um hohe Stromlasten zu bewältigen, beispielsweise in sogenannten Leistungshalbleitern.
- Auf dem Gebiet des Dickdraht-Bondens führen die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien, also insbesondere des Halbleiters einerseits und des Dickdrahtes andererseits, zu Ermüdungsrissen in der Kontaktierungsebene der Dickdraht-Bondverbindungen. Es besteht deshalb Bedarf für Technologien zur Vermeidung von solchen Problemen bei Dickdraht-Bondverbindungen.
- Das Dokument
DE 4031 814 A1 betrifft eine Leistungshalbleiter-Verpackung mit einem integrierten Leistungshalbleiter, der auf einem Träger angeordnet und über Leitungsverbindungen mit umgebenden benachbarten Kontaktpunkten verbindbar ist. - Zusammenfassung der Erfindung
- Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien auf dem Gebiet des Dickdraht-Bondens anzugeben, mit denen die Wahrscheinlichkeit für Ermüdungsprobleme von Dickdraht-Bondverbindungen vermindert oder sogar ganz ausgeschlossen ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dickdraht-Bandanordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Dickdraht-Bandanordnung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
- Die Erfindung umfasst den Gedanken einer Dickdraht-Bondanordnung mit einem Substrat, einem Dickdraht und einer Hochstrom-Dickdrahtbondverbindung, bei der ein endseitiger Bondabschnitt des Dickdrahtes, welcher sich zum Drahtende des Dickdrahtes hin erstreckt, auf das Substrat gebondet ist, derart, dass im Bereich des Bondabschnitts ein Bondkontakt zwischen dem Dickdraht und dem Substrat gebildet ist, wobei der Dickdraht einen Verjüngungsabschnitt aufweist, welcher sich an das Drahtende anschließt und in welchem sich der Drahtquerschnitt zum Drahtende hin verjüngt.
- Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Dickdraht-Bondanordnung vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats, Bereitstellen eines Dickdrahtes und Ausbilden einer Hochstrom-Dickdrahtbondverbindung, indem ein endseitiger Bondabschnitt des Dickdrahtes, welcher sich zum Drahtende des Dickdrahtes hin erstreckt, auf das Substrat gebondet wird, derart, dass im Bereich des Bondabschnitts ein Bondkontakt zwischen dem Dickdraht und dem Substrat gebildet wird, wobei der Dickdraht mit einem Verjüngungsabschnitt gebildet wird, welcher sich an das Drahtende anschließt und in welchem sich der Drahtquerschnitt zum Drahtende hin verjüngt.
- Das Vorsehen des Verjüngungsabschnitts, welcher sich im Bondabschnitt des Dickdrahtes bis zum Drahtende hin erstreckt, vermindert die im Bereich des Bondabschnittes wirksame Schubspannung, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit der Bondverbindung zwischen Dickdraht und Substrat führt. Es wird die Wahrscheinlichkeit für Ermüdungsrisse gemindert. Die Stromtragfähigkeit bleibt im Bereich des Bondabschnitts erhalten. Die im Bereich des Verjüngungsabschnitts gezielt geänderte Geometrie gewährleistet jedoch, dass eine größere Beständigkeit für die Bondverbindung erreicht ist.
- Das Substrat kann wahlweise mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein, beispielsweise einer Metallisierung. In diesem Fall wird der Dickdraht auf die Metallisierung gebondet.
- Die im Bereich des Bondkontaktes zwischen Dickdraht und Substrat gebildete Berührungsfläche wird auch als Landefläche bezeichnet.
- Bevorzugt geht der Verjüngungsabschnitt in einer Ausführungsform von einem Bereich voller Materialstärke des Dickdrahtes aus. Die Verjüngung des Drahtquerschnitts erfolgt vom Beginn des Verjüngungsabschnitts ausgehend bevorzugt durchgehend, wobei die Verjüngung hierbei zum Drahtende hin gleichmäßig oder ungleichmäßig erfolgen kann. Eine gleichmäßige Verjüngung ist insbesondere dann gegeben, wenn der Grad der Abnahme des Drahtquerschnitts pro Längenabschnitt über den gesamten Verjüngungsabschnitt gleich ist. Eine ungleichmäßige Verjüngung bedeutet dann, dass dieses für wenigstens einen Teilabschnitt gerade nicht der Fall ist.
- Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Bondkontakt zwischen dem Dickdraht und dem Substrat im Bereich des Bondabschnitts durchgehend gebildet ist. Dieses bedeutet, dass eine durchgehende Berührungsfläche (Landefläche) im Bereich des Bondabschnitts zwischen Substrat und Dickdraht gebildet ist. Der Bondkontakt erstreckt sich dann insbesondere bis zum Drahtende hin.
- Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verjüngungsabschnitt mehrstufig ausgeführt ist, wobei Verjüngungsteilabschnitte mit unterschiedlichem Verjüngungsgrad gebildet sind. Diese Ausführungsform entspricht einer ungleichmäßigen Verjüngung im Bereich des Verjüngungsabschnitts. Unterschiedliche Verjüngungsgrade entsprechen beispielsweise steileren und flacheren Schrägen, die zum Drahtende hin mit unterschiedlicher Neigung abfallen. Alternativ kann die Verjüngung im Bereich des Verjüngungsabschnitts durchgehend gleichmäßig ausgebildet sein.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Drahtquerschnitt in dem Verjüngungsabschnitt sich wenigstens zweiseitig verjüngend gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform nimmt der Drahtquerschnitt des Dickdrahtes auf mehreren Seiten ab. Auch eine allseitige Abnahme des Drahtquerschnitts im Bereich des Verjüngungsabschnitts kann vorgesehen sein, mit Ausnahme des Oberflächenabschnitts des Dickdrahtes, welcher in den Bondkontakt einbezogen ist.
- Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Verjüngungsabschnitt mit einer von einer Dickdrahtseite abfallenden, im Wesentlichen ebenen Seitenfläche ausgeführt ist. Beispielsweise ist die abfallende Seitenfläche als Deckfläche auf der Dickdrahtoberseite hergestellt. Eine solche Verjüngung kann beispielsweise mittels mechanischer Bearbeitung mit einem Stempel hergestellt werden, der von oben auf den Endabschnitt des Dickdrahtes einwirkt.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verjüngungsabschnitt am Drahtende zu einem verbleibenden Stirnflächensockel hin ausläuft. Bei dieser Ausführungsform bleibt im Bereich des Drahtendes trotz der Verjüngung im Bereich des Verjüngungsabschnitts bestehen. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass sich die Verjüngung zu einer Drahtspitze hin auslaufend erstreckt. Verbleibt der Stirnflächensockelabschnitt, so weist dieser ausgehend von der Substratebene vorzugsweise eine Höhe zwischen etwa 20 und etwa 40%, weiter bevorzugt zwischen etwa 20% und etwa 30% der Drahtdicke auf.
- Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der Verjüngungsabschnitt mit einer gekerbten Verjüngung gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Verjüngungsabschnitts von der Drahtoberseite, also der Seite, die vom Substrat abgewandt ist, Kerben eingearbeitet sind, deren Tiefe zum Drahtende bin zunimmt, so dass eine Art effektive Verjüngung des Drahtquerschnitts gebildet ist. Bei dieser oder anderen Ausgestaltungen verlaufen die Kerben im Wesentlichen senkrecht oder schräg zum Dickdraht im Bereich des Bondabschnittes. Dies entspricht dann einer im Wesentlichen senkrechten oder einer schrägen Ausbildung in Bezug auf die dem Dickdraht zugewandten Oberfläche des Substrates. Der Winkel zwischen der Kerbenlängsrichtung und der Drahtlängsrichtung kann zwischen 0 und 180 Grad betragen.
- Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Verjüngungsabschnitt drahtendseitig über einen Bereich von etwa 60% bis etwa 70% der Länge des Bondabschnitts erstreckt. Der Verjüngungsabschnitt erstreckt sich in dieser Länge von dem Drahtende ausgehend.
- Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich der Bondabschnitt über eine Länge erstreckt, die einem Wert von etwa 10% bis etwa 20% der Dicke des Dickdrahtes entspricht.
- In Verbindung mit dem Verfahren zum Herstellen einer Dickdraht-Bondanordnung gelten die im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausgestaltungen der Dickdraht-Bondanordnung vorangehend gemachten Erläuterungen entsprechend. Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Verjüngungsabschnitt mit seiner sich verjüngenden Geometrie vor dem Bonden des Bondabschnitts auf das Substrat ausgebildet wird. Alternativ kann die Ausbildung des Verjüngungsabschnitts auch nach dem Bonden erfolgen. Auch kann vorgesehen sein, dass der Verjüngungsabschnitt im Verlauf des Bondens des Bondabschnitts auf das Substrat ausgebildet wird.
- Das Herstellen des Verjüngungsabschnitts kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise mittels Schleifen, Lasern und/oder Schneiden. Der entsprechende Arbeitsschritt kann ohne weiteres in die als solche bekannten Prozesse des Dickdraht-Bondens integriert werden. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, den Verjüngungsabschnitt herzustellen, indem ein Bondwerkzeug mit verändertem Schneidwinkel eingesetzt wird, welches ansonsten üblicherweise im Wesentlichen rechtwinklig zum gebondeten Draht wirkt.
- Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Dickdraht-Bondanordnung, bei der ein endseitiger Bondabschnitt eines Dickdrahtes auf ein Substrat gebondet ist, und -
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Dickdraht-Bondanordnung, bei der ein endseitiger Bondabschnitt eines Dickdrahtes auf ein Substrat gebondet ist, wobei in dem Bondabschnitt endseitig Kerben gebildet sind. -
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Dickdraht-Bondandordnung mit einem Dickdraht1 und einem Substrat2 , bei dem es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um ein mit einer Metallisierung3 versehenes Halbleitersubstrat handelt, beispielsweise ein Siliziumsubstrat. Ein Bondabschnitt4 des Dickdrahtes1 mit der Länge a liegt auf dem Substrat2 auf. Der Dickdraht1 verfügt über einen Drahtquerschnitt (Drahtdicke) d, wobei d etwa 100 μm bis etwa 500 μm beträgt. Der Bondabschnitt4 ist auf das Substrat2 gebondet, so dass ein Bondkontakt5 (Landefläche) gebildet ist. Bei dem Dickdraht1 handelt es sich beispielsweise um einen Dickdraht aus Aluminium. - An dem Bondabschnitt
4 ist endseitig ein Verjüngungsabschnitt6 mit einer Länge c gebildet, in welchem der Drahtquerschnitt des Dickdrahtes1 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchgehend und gleichmäßig zum Drahtende7 hin abnimmt, wobei am Drahtende7 ein Stirnflächensockel8 vorgesehen ist, welcher sich von der Oberfläche der Metallisierung3 aus erhebt. Von der Verjüngung ausgenommen ist wenigstens der Oberflächenbereich des Dickdrahtes1 , welcher im Bereich des Bondkontaktes5 liegt. -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Dickdraht-Bondanordnung. Für gleiche Merkmale werden in2 die gleichen Bezugszeichen wie in1 verwendet. - Im Bereich des Verjüngungsabschnitts
6 weist der Dickdraht1 bei der weiteren Dickdraht-Bondanordnung gemäß2 Kerben9 auf, deren Tiefe zum Drahtende7 hin kontinuierlich und gleichmäßig zunimmt. - Bei der Herstellung der in den
1 und2 gezeigten Dickdraht-Bondanordnungen kann die Ausbildung der geometrischen Form im Bereich des Verjüngungsabschnitts6 vor, nach und/oder während des Dickdraht-Bondens ausgeführt werden. So kann auch vorgesehen sein, die Verjüngung teilweise vor dem Drahtbonden herzustellen, um nach dem Drahtbonden die Verjüngung nachzubearbeiten oder weiter auszubilden. Hierzu können jeweils verschiedene Bearbeitungsverfahren wie Schleifen, Lasern oder Schneiden genutzt werden.
Claims (12)
- Dickdraht-Bondanordnung, mit: – einem Substrat (
2 ), – einem Dickdraht (1 ) und – einer Hochstrom-Dickdrahtbondverbindung, bei der ein endseitiger Bondabschnitt (4 ) des Dickdrahtes (1 ), welcher sich zum Drahtende (7 ) des Dickdrahtes (1 ) hin erstreckt, auf das Substrat (2 ) gebondet ist, derart, dass im Bereich des Bondabschnitts (4 ) ein Bondkontakt (5 ) zwischen dem Dickdraht (1 ) und dem Substrat (2 ) gebildet ist, wobei der Dickdraht (1 ) einen Verjüngungsabschnitt (6 ) aufweist, welcher sich an das Drahtende (7 ) anschließt und in welchem sich der Drahtquerschnitt zum Drahtende (7 ) hin verjüngt. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bondkontakt (
5 ) zwischen dem Dickdraht (1 ) und dem Substrat (2 ) im Bereich des Bondabschnitts (4 ) durchgehend gebildet ist. - Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt (
6 ) mehrstufig ausgeführt ist, wobei Verjüngungsteilabschnitte mit unterschiedlichem Verjüngungsgrad gebildet sind. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtquerschnitt in dem Verjüngungsabschnitt (
6 ) sich wenigstens zweiseitig verjüngend gebildet ist. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt (
6 ) mit einer von einer Dickdrahtseite abfallenden, im Wesentlichen ebenen Seitenfläche ausgeführt ist. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt (
6 ) am Drahtende (7 ) zu einem verbleibenden Stirnflächensockel (8 ) hin ausläuft. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt (
6 ) mit einer gekerbten Verjüngung gebildet ist. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verjüngungsabschnitt (
6 ) drahtendseitig über einen Bereich von etwa 60% bis etwa 70% der Länge des Bondabschnitts (4 ) erstreckt. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bondabschnitt (
6 ) über eine Länge erstreckt, die einem Wert von etwa 10% bis etwa 20% der Dicke des Dickdrahtes (1 ) entspricht. - Verfahren zum Herstellen einer Dickdraht-Bondanordnung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Substrats (
2 ), – Bereitstellen eines Dickdrahtes (1 ) und – Ausbilden einer Hochstrom-Dickdrahtbondverbindung, indem ein endseitiger Bondabschnitt (4 ) des Dickdrahtes (1 ), welcher sich zum Drahtende (7 ) des Dickdrahtes (1 ) hin erstreckt, auf das Substrat (2 ) gebondet wird, derart, dass im Bereich des Bondabschnitts (4 ) ein Bondkontakt (5 ) zwischen dem Dickdraht (1 ) und dem Substrat (2 ) gebildet wird, wobei der Dickdraht (1 ) mit einem Verjüngungsabschnitt (6 ) gebildet wird, welcher sich an das Drahtende (7 ) anschließt und in welchem sich der Drahtquerschnitt zum Drahtende (7 ) hin verjüngt. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt (
6 ) vor dem Bonden des Bondabschnittes (4 ) auf das Substrat (2 ) ausgebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsabschnitt im Verlauf des Bondens des Bondabschnittes (
4 ) auf das Substrat (2 ) ausgebildet wird.
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