DE102011088431A1 - Bondverbindung, Verfahren zum Herstellen einer Bondverbindung und Bondwerkzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bondverbindung (100) zwischen einem elektronischen Bauteil (1) und einem flächigen Leitungselement (10; 10a), wobei eine Vielzahl von elektrisch leitenden Kontaktstellen (15) zwischen dem Leitungselement (10; 10a) und einer vorzugsweise eine Metallisierung (3) aufweisenden Oberfläche des Bauteils (1) ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zwischen den Kontaktstellen (15) Freiräume (16) ausgebildet sind, in denen das Bauteil (1) zu der ihm zugewandten Seite des Leitungselements (10; 10a) beabstandet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Bondverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Bondverbindung und ein Bondwerkzeug zum Herstellen der Bondverbindung.
  • Eine Bondverbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2006 025 866 A1 der Anmelderin bekannt. Mittels eines mehrere Erhebungen aufweisenden Bondwerkzeugs bzw. Bondkopfes wird dabei zwischen einem Bondbändchen und einem zu kontaktierenden elektronischen Bauteil eine Vielzahl von elektrisch leitenden Kontaktstellen erzeugt. Die Erhebungen des Bondwerkzeugs weisen insbesondere unterschiedliche Höhen in Bezug auf zwischen den Erhebungen angeordnete, ebene Flächenabschnitte des Bondwerkzeugs auf. Beim Ausbilden der Bondverbindung werden die Erhebungen des Bondwerkzeugs gegen das Bondbändchen verfahren und drücken sich in das Bondbändchen ein. Die zwischen den Erhebungen angeordneten Flächenabschnitte liegen auf der Oberseite des Bondbändchens auf. Die eigentliche Ausbildung der Bondverbindung erfolgt durch Ultraschallschweißen, d.h., dass das Bondwerkzeug mit einer entsprechenden Frequenz und Amplitude bewegt wird, um an den Stellen der Erhebungen die angesprochenen Kontaktstellen auszubilden.
  • Dadurch, dass beim Eindringen der Erhebungen in das Bondbändchen Material aus dem Bondbändchen in den Bereich der zwischen den Erhebungen angeordneten Bereiche verdrängt wird, kommt es zu einem Verdichtungsprozess des Materials des Bondbändchens zwischen den Erhebungen, wobei es sich bei metallurgischen Untersuchungen herausgestellt hat, dass selbst in den Bereichen zwischen den Erhebungen das Material des Bondbändchens auf der Oberfläche des zu kontaktierenden elektronischen Bauteils aufgrund des angesprochenen Verdichtungseffekts aufliegt und aufgrund der Übertragung der Energie des Bondkopfs auch zumindest an der Oberfläche des Bauteils anhaftet. Nachteilig dabei ist, dass bei mechanischen Beanspruchungen des Bondbändchens das Bondbändchen durch das zwischen den eigentlichen Kontaktstellen anhaftende Material des Bondbändchens eine relativ geringe Elastizität bzw. Flexibilität aufweist. Derartige mechanische Belastungen im Bereich der Kontaktstellen können insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen auftreten, so dass es aufgrund der relativ starren und großflächigen Anbindung des Bondbändchens im Verbindungsbereich bzw. der mangelnden Flexibilität des Bondbändchens zwischen den Kontaktstellen mit dem elektronischen Bauteil zu Unterbrechungen bzw. Beschädigungen an den Kontaktstellen kommen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bondverbindung zwischen einem elektronischen Bauteil und einem flächigen Leitungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dessen mechanische Belastbarkeit, insbesondere beim Auftreten von Spannungen zum Beispiel infolge von Temperaturwechseleinflüssen, verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Bondverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zwischen den Kontaktstellen Freiräume ausgebildet sind, in denen das Bauteil zu der ihm zugewandten Seite des Leitungselements (Bondbändchen) beabstandet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass in den Bereichen zwischen den Kontaktstellen zwischen der Oberfläche des elektronischen Bauteils und dem Leitungselement definierte Freiräume bzw. Lücken ausgebildet sind, in denen keinerlei Kontakt zwischen der Oberfläche des elektronischen Bauteils und der Oberfläche des Leitungselements stattfindet. Dadurch können diese Bereiche beim Auftreten von mechanischen Spannungen, insbesondere in Folge von Temperaturwechseleinflüssen, sich elastisch verformen, so dass Spannungen von diesen Bereichen auf die eigentlichen Kontaktstellen zumindest verringert, im besten Falle vollständig vermieden werden können.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bondverbindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • Um über die gesamte Oberfläche des elektronischen Bauteils eine möglichst gleichmäßige Stromführung erzielen zu können ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Kontaktstellen zumindest im Wesentlichen dieselbe Größe und Einbringtiefen aufweisen.
  • Eine ganz besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Leitungselement als vorgeprägtes Element mit die Kontaktstellen ausgebildeten Vertiefungen, insbesondere in Form einer vorgeprägten Folie ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung bzw. Verwendung einer vorgeprägten Folie hat den besonderen Vorteil, dass die erforderliche Kontaktkraft eines Bondwerkzeugs senkrecht zur Bauteileoberfläche verringert werden kann, da durch die Vertiefungen der durch die Erhebungen des Bondwerkzeugs stattfindende Verformungsprozess bereits größtenteils vorweggenommen ist. Darüber hinaus wird durch das vorgeprägte Material sichergestellt, dass zwischen der Bauteiloberfläche und dem Leitungselement die angesprochenen Freiräume bzw. Abstände sicher eingehalten werden.
  • Bevorzugte Materialien im Bereich der Bondverbindungen sehen für das Leitungselement vor, dass diese als eine zumindest im Wesentlichen Kupfer enthaltende Folie ausgebildet ist, und dass die Oberfläche des Bauteils mit einer Metallisierung ausgestattet ist, die vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und eine Dicke von 5µm bis 50µm, vorzugsweise 20µm bis 35µm aufweist.
  • Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Bondverbindung. Dieses Verfahren sieht folgende Schritte vor: Zunächst wird ein flächiges Leitungselement mit einer zu kontaktierenden Oberfläche eines elektronischen Bauteils in Überdeckung gebracht. Anschließend wird ein Bondwerkzeug auf die Oberseite des flächigen Leitungselements im Bereich einer Vielzahl von Erhebungen des Bondwerkzeugs abgesenkt und es wird zumindest eine Kontaktkraft auf das Bondwerkzeug aufgebracht. Dies hat zur Folge, dass Material aus den Zwischenbereichen der Erhebungen des Bondwerkzeugs derart verdrängt wird, dass zwischen der Oberfläche des Bauteils und dem flächigen Leitungselement verbindungsfreie Freiräume ausgebildet werden.
  • Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei der als flächiges Leitungselement ein Vertiefungen aufweisendes, vorgeprägtes Leitungselement verwendet wird, und dass die Erhebungen des Bondwerkzeugs mit den Vertiefungen ausgerichtet werden.
  • Die Verbindung selbst kann entweder als Ultraschallbondverbindung, ggf. unter zusätzlicher Einwirkung von Wärme und/oder mechanischem Druck, oder aber als Thermokompressionsverbindung ausgebildet sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
  • 1 eine Anordnung zum Ausbilden einer Bondverbindung zwischen einem elektronischen Bauteil und einem flächigen Leitungselement im vereinfachten Längsschnitt vor dem Ausbilden der Bondverbindung, und
  • 2 die Anordnung gemäß 1, nachdem die Bondverbindung ausgebildet wurde, ebenfalls im vereinfachten Längsschnitt,
  • 3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 2 und
  • 4 eine Anordnung gemäß 2 unter Verwendung einer vorgeprägten Folie als Verbindungselement.
  • Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Fig. mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der 1 ist eine Anordnung zum Ausbilden einer Bondverbindung 100 zwischen einem elektronischen Bauteil 1 und einem flächigen Leitungselement 10 dargestellt. Das elektronische Bauteil 1 ist insbesondere als Leistungshalbleiterbauelement in Form eines IGBTs, eines MOSFETs, einer Diode oder ähnlichem ausgebildet, und weist neben dem eigentlichen Halbleiterbereich 2 auf seiner Oberseite eine Metallisierung 3 mit einer Dicke von 5µm bis 50µm, vorzugsweise 20m bis 35µm auf, die vorzugsweise im aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Das elektronische Bauteil 1 ist mittels einer Fügeschicht 4 auf an sich bekannte Art und Weise mit der Oberseite eines Schaltungsträgers 5 verbunden. Der Schaltungsträger 5 ist insbesondere als ein Leiterbahnen aufweisendes Substrat ausgebildet. Als Leitungselement 10 findet eine Folie bzw. ein Folienabschnitt Verwendung, der vorzugsweise aus Kupfer (alternativ auch Aluminium) besteht, derart, dass die Folie bzw. das Leitungselement 10 eine Dicke aufweist, in der dieses sich flexibel verformen lässt.
  • Zum Ausbilden der Bondverbindung 100 zwischen der Oberseite des elektronischen Bauteils 1 bzw. dessen Metallisierung 3 mit der zugewandten Unterseite des Leitungselements 10 dient ein lediglich in der 1 erkennbares Bondwerkzeug 50 mit einem Bondkopf 51. Der Bondkopf 51 weist eine Vielzahl von nadelartigen Erhebungen 52 auf, die vorzugsweise dieselbe Höhe bzw. Länge und denselben Querschnitt aufweisen. Die Erhebungen 52 gehen von der Unterseite einer im Wesentlichen ebenen Begrenzungsfläche 53 des Bondkopfs 51 aus und sind senkrecht zur Oberfläche des Leitungselements 10 bzw. zur Oberfläche der Metallisierung 3 ausgerichtet. Das Bondwerkzeug 50 bzw. der Bondkopf 51 sind in Richtung des Doppelpfeils 54, d.h. in Richtung der Erhebungen 52 auf- und abbewegbar angeordnet.
  • Vorzugsweise ist das Bondwerkzeug 50 zur Verwendung einer Bondverbindung 100 ausgebildet, bei der diese als Ultraschallschweißverbindung ausgebildet ist. Zusätzlich können jedoch Einrichtungen vorgesehen sein, die den in der 1 dargestellten Bauteileverbund und/oder den Bondkopf 51 beheizen bzw. in Richtung zur Oberfläche des Leitungselements 10 mit einem mechanischen Druck beaufschlagen (Thermosonicbonden oder Thermokompressionsbonden).
  • Die Bondverbindung 100 zwischen dem elektronischen Bauteil 1 und dem Leitungselement 10 wird dadurch ausgebildet, dass zunächst entsprechend der 1 das Leitungselement 10 in dem Bereich, in dem die Bondverbindung 100 ausgebildet werden soll, in Überdeckung mit der Metallisierung 3 des elektronischen Bauteils 1 gebracht wird. Anschließend wird der zunächst beabstandet zum Leitungselement 10 beabstandete Bondkopf 51 auf das Leitungselement 10 abgesenkt, derart, dass durch die in das Material des Leitungselements 10 eindringenden Erhebungen 52 im Bereich zwischen der Metallisierung 3 und der ihr zugewandten Oberfläche des Leitungselements 10 eine Kontaktkraft entsteht, die unter Einwirkung der angesprochenen Ultraschallschwingungen bzw. des mechanischen Drucks zur Ausbildung von Kontaktstellen 15 zwischen der Metallisierung 3 und dem Leitungselement 10 führen (2). Die Anzahl der Kontaktstellen 15 entspricht dabei der Anzahl der Erhebungen 52 des Bondkopfs 51.
  • Wesentlich dabei ist, dass die Erhebungen 51 eine derartige Höhe bzw. einen derartigen Abstand zur Begrenzungsfläche 53 des Bondkopfes 51 aufweisen, dass das beim Eindrücken der Erhebungen 52 in die Oberfläche des Verbindungselements 10 verdrängte Material in den Bereich zwischen die Erhebungen 52 gelangt, wobei jedoch das verdrängte Material bzw. das Leitungselement 10 zwischen den Erhebungen 52 nicht in Anlagekontakt mit der Begrenzungsfläche 53 des Bondkopfs 51 gerät. Dies hat zur Folge, dass nach dem Ausbilden der Bondverbindung 100 und wieder von der Oberfläche des Leitungselements 10 abgehobenem Bondkopf 51 zwischen der Metallisierung 3 und dem Leitungselement 10 in dem Bereich zwischen den Kontaktstellen 15 (verursacht durch die Erhebungen 52) Freiräume 16 ausgebildet sind, in denen zwischen der Metallisierung 3 und dem Leitungselement 10 keinerlei Kontakt besteht.
  • In der 3 ist in Draufsicht die Verbindung zwischen dem Bauteil 1 und dem Leitungselement 10 nach dem Ausbilden der Bondverbindung dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass im Bereich des Bauteils 1 bzw. des Verbindungselements 10 in Folge der Erhebungen 52 die entsprechenden Kontaktstellen 15 ausgebildet sind, die im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Bauteils 1 in dem Bereich angeordnet sind, in dem das Bauteil 1 von dem Verbindungselement 10 überdeckt ist. Hierbei weisen die Kontaktstellen 15 im Wesentlichen dieselbe Größe und Eindringtiefen auf.
  • In der 4 ist ein modifiziertes Leitungselement 10a in Form einer vorgeprägten Folie dargestellt. Die vorgeprägte Folie 10a weist an ihrer Oberseite 11 sowie ihrer Unterseite 12 jeweils Vertiefungen 13 auf, die als gleichmäßiges Muster ausgebildet sind. Bei der Verwendung des Leitungselements 10a müssen die Erhebungen 52 mit den Vertiefungen 13 auf der Oberseite 11 des Leitungselements 10a ausgerichtet werden. Die Bondverbindung 100 zwischen dem Leitungselement 10a und der Metallisierung 3 erfolgt im Bereich der Unterseite 12 des Leitungselements 10a zwischen den Vertiefungen 13.
  • Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung der Bondverbindung 100 zwischen dem Bauteil 1 und dem Leitungselement 10, 10a findet bevorzugt Verwendung bei Leistungshalbleitern, die eine relativ große zu kontaktierende Oberfläche aufweisen, bei der Kontaktierung von Solarzellen oder ähnlichem. Derartige Bauteile können beispielsweise Bestandteil von Wechselrichtern, aktiven Gleichrichtern, Leistungsendstufen, einer Motorsteuerung oder Geräte bzw. Einrichtungen zum Betrieb von Solarzellen sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006025866 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Bondverbindung (100) zwischen einem elektronischen Bauteil (1) und einem flächigen Leitungselement (10; 10a), wobei eine Vielzahl von elektrisch leitenden Kontaktstellen (15) zwischen dem Leitungselement (10; 10a) und einer vorzugsweise eine Metallisierung (3) aufweisenden Oberfläche des Bauteils (1) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktstellen (15) Freiräume (16) ausgebildet sind, in denen das Bauteil (1) zu der ihm zugewandten Seite des Leitungselements (10; 10a) beabstandet ist.
  2. Bondverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Kontaktstellen (15) zumindest im Wesentlichen dieselbe Größe und Eindringtiefen aufweisen.
  3. Bondverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (10a) als vorgeprägtes Element mit die Kontaktstellen (15) ausbildenden Vertiefungen (13), insbesondere in Form einer vorgeprägten Folie, ausgebildet ist.
  4. Bondverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (10; 10a) als eine zumindest im Wesentlichen Kupfer enthaltende Folie ausgebildet ist, und dass die Oberfläche des Bauteils mit einer Metallisierung (3) ausgestattet ist, die vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und eine Dicke von 5µm bis 50µm, vorzugsweise 20µm bis 35µm aufweist.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Bondverbindung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Schritten: – In Überdeckung bringen eines flächigen Leitungselements (10; 10a) mit einer zu kontaktierenden Oberfläche eines elektronischen Bauteils (1) – Absenken eines Bondwerkzeugs (50) auf die Oberseite des flächigen Leitungselements (10; 10a) im Bereich einer Vielzahl zum Erhebungen (52) des Bondwerkzeugs (50) und Aufbringen zumindest einer Kontaktkraft auf das Bondwerkzeug (50) – Verdrängen von Material des Leitungselements (10; 10a) aus Flächenbereichen zwischen den Erhebungen (52) des Bondwerkzeugs (50) derart, dass zwischen dem Bauteil (1) und dem flächigen Leitungselement (10; 10a) Freiräume (16) ausgebildet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als flächiges Leitungselement (10a) ein Vertiefungen (13) aufweisendes, vorgeprägtes Leitungselement (10a), insbesondere in Form einer Folie verwendet wird, und dass die Erhebungen (52) des Bondwerkzeugs (50) mit den Vertiefungen (13) ausgerichtet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondverbindung (100) als Ultraschallschweißverbindung, ggf. unter zusätzlicher Einwirkung von Wärme und/oder mechanischem Druck ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondverbindung (100) als Thermokompressionsverbindung ausgebildet wird.
  9. Bondwerkzeug (50) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mit Erhebungen (52), die Kontaktstellen (15) zwischen einem flächigen Leitungselement (10; 10a) und einem elektronischen Bauteil (1) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (52) sich von einer Begrenzungsfläche (53) eines Bondkopfs (51) erheben und eine Höhe aufweisen, die bei vollständig auf das Bauteil (1) abgesenkten Erhebungen (52) einen Abstand zwischen dem Bauteil (1) und dem Leitungselement (10; 10a) lassen.
  10. Elektronischer Schaltungsträger (5), umfassend ein elektronisches Bauteil (1), das mittels seiner Bondverbindung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem flächigen Verbindungselement (10; 10a) elektrisch kontaktiert ist.
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