DE102013216282B4 - Elektrisches Bauteil mit einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle sowie Verfahren zur Vorbereitung eines elektrischen Bauteils für einen Lötprozess und Verwendung einer entsprechenden Matrix - Google Patents

Elektrisches Bauteil mit einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle sowie Verfahren zur Vorbereitung eines elektrischen Bauteils für einen Lötprozess und Verwendung einer entsprechenden Matrix Download PDF

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Abstract

Elektrisches Bauteil mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, die dafür eingerichtet ist, mit einem Draht oder einem anderen geeigneten Mittel so verbunden zu werden, dass ein Stromfluss durch die elektrische zu kontaktierende Stelle möglich ist, wobei auf dieser Stelle eine plasmapolymere Matrix angeordnet ist, die(i) eine amorphe Kohlenwasserstoff- (a-C:H) Schicht ist, gemessen mittels XPS umfassend zu ≥ 90 Atom-% aus den Elementen C und O oder(ii) eine C-haltige SiOx-Schicht ist, umfassend 5 - 80 Atom-% C, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix ohne H und wobei die Matrix eine Schichtdicke von 5 -100 nm besitzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, wobei auf dieser Stelle eine plasmapolymeren Matrix angeordnet ist, die eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht oder eine kohlenstoffhaltige SiOx-Schicht ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Vorbereiten eines elektrischen Bauteils für einen Lötprozess sowie die Verwendung einer entsprechenden plasmapolymeren Matrix zur Vorbereitung einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle auf eine Verbindung mit einem Draht.
  • In einer Vielzahl von technischen Gebieten werden elektrische und/oder elektronische Bauteile benötigt, die elektrisch leitend miteinander verbunden werden müssen. Dabei werden an dieses Verbinden (Bonding) die Anforderungen um so größer je kleiner und zahlreicher die Verbindungsstellen in einem Gesamtsystem sind. Bei einer kleineren Bindungsstelle liegt das Problem insbesondere darin, dass eine verhältnismäßig geringe Fläche zur Verfügung steht, um einen sicheren, elektrisch leitenden Kontakt herzustellen. Eine große Zahl an Bindungsstellen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass bei nicht optimaler Verfahrensführung einzelne oder mehrere Kontakte nicht zuverlässig hergestellt werden können, was im schlimmsten Fall das Gesamtsystem funktionsunfähig oder wenigstens nicht zuverlässig funktionierend werden lässt. Insbesondere im Bereich des Wire-Bondings beim Anbinden sehr kleiner Drähte an - im Regelfall - sehr kleine Kontaktstellen - sind die Anforderungen besonders hoch.
  • Probleme bereiten beim Boden oberflächliche Oxidschichten oder -bereiche, die an den zur Bindung vorbereiteten Stellen auftreten und so das Knüpfen eines wirksamen elektrischen Kontaktes behindern können. Deshalb werden in vielen Fällen Ag- oder Aubeschichtete Lead-Frames für das Wire-Bonding und/oder organisch beschichtete Lead-Frames benutzt, um den Bonding-Prozess zu unterstützen. Entsprechende Schutzschichten tragen dazu bei, dass elektrische Bauteile, bei denen noch nicht die Kontakte an elektrisch zu kontaktierenden Stellen hergestellt sind, auch über einen längeren Zeitraum gelagert werden können, ohne dass eine wesentliche Verschlechterung der Kontaktierbarkeit an den zu kontaktierenden Stellen auftritt. Dabei ist es von Bedeutung, dass die einzusetzenden Schutzschichten den Kontaktierungsprozess, also im Regelfall ein Anlöten nicht behindern oder dessen Qualität verringern. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass durch das Vorhandensein einer entsprechenden Passivierungsschicht die entstehende (Löt-)Verbindung zwar elektrisch kontaktierend zustande kommt, die mechanische Belastbarkeit der Verbindung aber herabgesetzt ist.
  • Literatur zu Passivierungsschichten aus dem Stand der Technik sind z.B.: U. Lommatzsch, J. Ihde: „Plasma Polymerization of HMDSO with an Atmospheric Pressure Plasma Jet for Corrosion Protection of Aluminium and Low-Adhesion Surfaces"; Plasma Processes and Polymers, 2009, 6, S. 642–648 und S. Sathiyanarayanan, S. Muthukrishnan, G. Venkatachari , D.C. Trivedi: „Corrosion Protection of steel by polyaniline (PANI) pigmented paint coating"; Progress in Organic Coatings 53, (2005), S. 297–301
  • Die GB 2 417 490 A offenbart eine Beschichtung mit ta-C-Schichten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein elektrisches Bauteil anzugeben, das in besonders geeigneter Weise für die Herstellung elektrischer Kontakte an gewünschten Stellen vorbereitet ist. Weiterhin war im Rahmen der vorliegenden Aufgabe bevorzugt wünschenswert, dass das elektrische Bauteil durch ein apparativ verhältnismäßig wenig aufwendiges Verfahren, bevorzugt ein Atmosphärendruckverfahren, zugänglich ist, und zudem möglichst wenig Bearbeitungsschritte zur Vorbereitung und /Bearbeitung der zu kontaktierenden Stellen erforderlich sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, wobei auf dieser Stelle eine plasmapolymere Matrix angeordnet ist, die
    1. (i) eine amorphe Kohlenwasserstoff- (a-C:H) Schicht ist, gemessen mittels XPS umfassend zu ≥ 90 Atom-% aus den Elementen C und O oder
    2. (ii) eine C-haltige SiOx-Schicht ist, umfassend 5 - 80 Atom-% C, bevorzugt 8 - 60 Atom-% C, besonders bevorzugt 10 - 40 Atom-% C, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix ohne H und wobei die Matrix eine Schichtdicke von 5 -100 nm besitzt. Ein elektrisches Bauteil im Sinne dieser Erfindung ist dabei ein Bauteil, das dazu eingerichtet ist, eine Funktion auszuüben, die nicht oder nicht nur die Weiterleitung von Strom beinhaltet. Dabei können elektrische Bauteile im Sinne dieser Erfindung einfache Strukturen sein wie zum Beispiel ein Widerstand, es können aber auch sehr komplexe Strukturen sein wie elektronische Schaltkreise.
  • Eine elektrisch zu kontaktierende Stelle ist im Sinne dieser Erfindung dabei eine Stelle, die dafür eingerichtet ist, mit einem Draht oder einem anderen geeigneten Mittel so verbunden zu werden, dass ein Stromfluss durch die elektrisch kontaktierende Stelle möglich ist.
  • Unter einer plasmapolymeren Matrix im Sinne dieser Erfindung ist zu verstehen, wenn ein Plasmapolymer vorliegt, das sich stofflich von dem die Bindungsstelle bildenden Material unterscheidet und die Bindungsstelle wenigstens teilweise umgibt. Unter den Begriff „Matrix“ ist dabei primär eine (Teil-)Beschichtung zu verstehen.
  • Der Vorteil an den erfindungsgemäßen elektrischen Bauteilen ist, dass durch die plasmapolymere Matrix die Kontaktierungsstelle wenigstens teilweise vor Oxidation geschützt ist. Überraschenderweise hat sich dabei herausgestellt, dass die erfindungsgemäß einzusetzende Matrix besonders hilfreich beim Erstellen entsprechender Kontakte ist.
  • Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die plasmapolymere Matrix zu ≥ 95 Atom%, weiter bevorzugt ≥ 98 Atom-% und besonders bevorzugt vollständig aus den angegebenen Elementen (ohne H) besteht, jeweils gemessen mittels XPS. Es ist aber zu betonen, dass geringe Anteile von Stickstoff, wie sie z. B. bei einer Atmosphärendruckbeschichtung häufig in der Matrix zu finden sein werden, überraschenderweise die Vorteile der erfindungsgemäß einzusetzenden plasmapolymeren Matrix nicht wesentlich schmälern. Dennoch ist es bevorzugt, dass der Stickstoffgehalt in der erfindungsgemäß einzusetzenden Matrix ≤ 3 Atom-%, weiter bevorzugt ≤ 1 Atom-% ist, bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix (ohne H), bevorzugt gemessen mittels XPS.
  • Eine a-C:H-Schicht im Sinne dieser Erfindung ist eine amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht, wobei bevorzugt ist, dass diese Schicht zu ≥ 95 Atom% aus den Elementen C und O besteht (gemessen mittels XPS). a-C:H-Schichten können sogar reduzierend auf mögliche an der zu kontaktierende Stellen vorhandenen Metalloxide wirken. Entsprechende a-C:H-Schichten lassen sich dabei bei Abscheidung unter reduzierenden Bedingungen auch aus Atmosphärendruckplasma erzeugen. Dies ist beispielsweise auch grundsätzlich im Rahmen des in der DE 10 2009 048 397 A1 offenbarten Verfahrens gut möglich.
  • Ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil ist bevorzugt, wobei die elektrisch zu kontaktierende Stelle aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht. Insbesondere mit Kupferkontakten entwickelt die erfindungsgemäß einzusetzende plasmapolymere Matrix ihre positiven Eigenschaften.
  • Entsprechend ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt ein elektrisches Bauteil, wobei die plasmapolymere Matrix eine passivierende Wirkung gegen Oxidschichten in der zu kontaktierenden Stelle(n) hat.
  • „Eine passivierende Wirkung gegen Oxidschichten“ bedeutet dabei im Zusammenhang mit dieser Anmeldung, dass die Oxidation der mit der erfindungsgemäß einzusetzenden plasmapolymeren Matrix beschichteten zu kontaktierenden Stelle gegenüber einer unbeschichteten zu kontaktierenden Stelle aus gleichem Material unter Normalbedingungen, Raumtemperatur, Normaldruck, Luftfeuchtigkeit von 20°C ±2°C, 65% r.F. ±4% bei 1013 hPa verlangsamt ist, bevorzugt ist die Oxidationsgeschwindigkeit nur halb so groß und besonders bevorzugt wird die Oxidation (im Bereich der Beschichtung) komplett gehemmt. Besonders bevorzugt umfasst die „passivierende Wirkung“ sogar eine reduzierende Wirkung gegenüber bereits vorhandenen Oxiden.
  • Hierdurch werden die für den Bondprozess störende Oxidschichten vermieden. Im Falle der Reduzierung wird selbstverständlich das jeweilige Oxid zum elementaren Metall reduziert.
  • Die XPS-Messung ist für die Bestimmung der Matrix-Zusammensetzung die bevorzugte Variante und wird eingesetzt, sofern in diesem Text nicht anders beschrieben. Dabei bedeutet XPS Röntgenfotoelektronenspektroskopie und wird auch ESCA (englisch: Electron Spectroscopy forChemical Analysis) bezeichnet. Sofern nicht anders angegeben, sind die Atom-Prozentzahlen jeweils bezogen auf die mittels dieses Verfahrens messbaren Gesamt-Atomzahlen.
  • Teil der Erfindung ist auch ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, wobei um diese Stelle herum eine plasmapolymere Matrix angeordnet ist, die
    1. (i) eine amorphe Kohlenwasserstoff- (a-C:H) Schicht ist, gemessen mittels XPS bestehend zu ≥ 90 Atom-% aus den Elementen C und O oder
    2. (ii) eine C-haltige SiOx-Schicht ist, umfassend 5 - 80 Atom-% C, bevorzugt 8 - 60 Atom% C, besonders bevorzugt 10 - 40 Atom-% C, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix ohne H, bevorzugt gemessen im Abstand des Durchschnitts des Drahtes von der Verbindungsstelle und wobei die Matrix eine Schichtdicke von 5 -100 nm besitzt und wobei an der elektrisch zu kontaktierenden Stelle ein Draht durch die plasmapolymere Matrix hindurch verbunden ist.
  • Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass es gut möglich ist, durch die Matrix hindurch einen Draht mit der zu kontaktierenden Stelle zu verbinden, bevorzugt durch Verschweißen. Bei diesem Prozess stört - wie oben bereits angedeutet - die plasmapolymere Matrix nicht, sie scheint vielmehr zu gewährleisten, dass eine besonders sichere Verbindung hergestellt werden kann. Da der Draht die Matrix für eine Kontaktierung der zu kontaktierenden Stelle Durchstoßen muss, ist natürlich zwischen der zu kontaktierenden Stelle und dem Draht eine entsprechende plasmapolymere Matrix nicht mehr angeordnet. Es bleibt aber um den Draht herum ein entsprechender Rest der plasmapolymeren Matrix, wobei allerdings in unmittelbarer Drahtnähe die plasmapolymere Matrix durch den Verbindungsprozess hinsichtlich ihrer Zusammensetzung verändert sein kann. Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass im Falle, dass bereits ein Draht mit der zu kontaktierenden Stelle verbunden ist, die jeweiligen Zusammensetzungsangaben für die plasmapolymere Matrix in einer Entfernung vom Draht gemessen werden, die gleich dem Durchmesser des Drahtes ist. In diesem Bereich entspricht die Zusammensetzung regelmäßig zuverlässig der Zusammensetzung, die vor dem Verbinden auch an der Stelle bestanden hat, die nun vom Draht belegt wird.
  • Selbstverständlich ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass auch für ein elektrisches Bauteil, bei dem eine entsprechende Verbindungen schon hergestellt ist, die elektrisch zu kontaktierende Stelle aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht.
  • Weiterhin erfindungsgemäß bevorzugt ist ein elektrisches Bauteil, das an der zu kontaktierenden Stelle einen Draht aus Cu, AI, Au, einer AI-Legierung, einer Cu-Legierung oder einer Au-Legierung verbunden mit der elektrisch zu kontaktierenden Stelle umfasst.
  • Darüber hinaus ist erfindungsgemäß bevorzugt ein Bauteil, bei dem die Verbindung zwischen Draht und zu kontaktierender Stelle im Wire Shear-Test durchgeführt gemäß Deutscher Verbund für Schweißtechnik E. V. Prüfverfahren für Drahtbondverbindungen, Merkblatt DVS 2811, August 1996, Punkt 5 einen auf die Bondfläche bezogenen Anteil von > 50% Scherbruch im Bond und < 50% Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung, bevorzugt > 75% Scherbruch im Bond und < 25% Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung aufweist. Dabei sollen bevorzugt je nach Schichtausgestaltung mindestens 80% der getesteten Bondverbindungen einen maximalen Anteil an Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung von 50% aufweisen. Weiter bevorzugt wird hier eine Ausgestaltung, so dass bis zu 90% der Bondverbindungen einen maximalen Anteil an Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung von 25% aufweisen. Als Metallisierung im Sinne der DVS 2811 ist hier die metallische zu kontaktierende Stelle des Substrats gemeint.
  • Mit dem Wire Shear-Test (siehe DVS 2811, Punkt 5) lässt sich zeigen, ob die eigentliche Verbindungsstelle zwischen zu kontaktierender Stelle und Draht das schwächste Glied in der Verbindungskette ist. Bei einem Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung (adhäsives Versagen) ist die Verbindung verhältnismäßig instabil. Findet ein Scherbruch im Bond statt (kohäsives Versagen), ist die Verbindung zwischen Draht und zu kontaktierender Stelle verhältnismäßig stabil. Dies ist natürlich ein Vorteil für die Stabilisierung des Gesamtsystems, insbesondere dadurch, dass durch das Verbinden zwischen Draht und Bauteil (zumindest überwiegend) keine Schwächung der Gesamtstabilität erwirkt wird.
  • Erfindungsgemäß weiter bevorzugt ist ein elektrisches Bauteil, wobei die plasmapolymere Matrix gemessen mit ERD zu ≥ 10, bevorzugt ≥ 20 Atom-% H umfasst, bezogen auf die Gesamtzahl aller in der plasmapolymeren Matrix enthaltenen Atome C, O, Si und H. Die ERD oder auch ERDA bezeichnete Messung (Elastic Recoil Detection Analysis) erfasst auch die Wasserstoffatome. Hierbei ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die mit dieser Messmethode bestimmten Wasserstoffanteile zu ≥ 25 %, weiter bevorzugt zu 25 bis 60 % Wasserstoff bezogen auf die Gesamtzahl aller in der plasmapolymeren Matrix enthaltenen C-, O- und H-Atome (gemessen mittels ERD) umfasst.
  • Diese Wasserstoffanteile, insbesondere in der bevorzugten Konzentration, tragen in Kombination mit den anderen Bestandteilen, insbesondere den in den bevorzugten Bindungsverhältnissen vorliegenden Kohlenstoffatomen zu einem reduzierenden Verhalten bzw. Fähigkeiten des Matrixmaterials in hervorragender Weise bei.
  • Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil, wobei das Matrixmaterial umfasst
    im Fall (i): (amorrphe Kohlenwasserstoff-Schicht)
    O zu 20 - 40 Atom-%, bevorzugt O zu 25 - 35 Atom-% und
    C zu 50 - 75 Atom-%, bevorzugt 60 - 75 Atom-% und bevorzugt
    N 0,1 - 10 Atom-%
    oder im Fall (ii): (kohlenstoffhaltige SiOx-Schicht)
    Si zu 10 - 40 Atom-%, bevorzugt 20 -35 Atom-% und
    O zu 20 - 55 Atom-%, bevorzugt 30 - 50 Atom-% und bevorzugt
    C zu 5 - 55 Atom-%, weiter bevorzugt 35 - 55 Atom-% sowie ebenfalls bevorzugt
    N 0,1 - 8 Atom-%
    umfasst, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller in der plasmapolymeren Matrix enthaltenen Atome ohne H und gemessen mittels XPS.
  • Erfindungsgemäß weiter bevorzugt ist, dass das Verhältnis von Si : O 0,4 zu 1 bevorzugt 0,6 bis 0,9 beträgt und/oder
    das Verhältnis Si : C 0,1 bis 4, bevorzugt 1 bis 3 beträgt und/oder
    das Verhältnis O : C 0,2 bis 11, bevorzugt 0,5 bis 7 beträgt. Die Bestimmung für diese Matrixmaterialanteile erfolgt mittels XPS.
  • Dem Fachmann ist es unschwer möglich, die entsprechenden Matrixzusammensetzungen einzustellen. Hierzu steht eine Vielzahl von Informationen im Bereich der Plasmapolymertechnologie zur Verfügung. Beispielsweise lässt sich
    der H-Anteil steuern durch Parameter wie etwa der Plasmaanregungsenergie, dem Monomergemisch oder auch den Gasvolumenströmen,
    der O-Anteil steuern durch zum Beispiel durch zusätzliche Zugabe von O2 in das lonisations- oder Trägergas und
    der C-Anteil steuern durch beispielsweise das Verhältnis zwischen O2 zu Monomer.
  • Teil der Erfindung ist Verfahren zum Vorbereiten eines elektrischen Bauteils für einen Lötprozess, umfassend die Schritte
    1. a) Bereitstellen eines elektrisches Bauteils mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle,
    2. b) ggf. Reduktion der zu kontaktierenden Stelle mittels reduzierendem Plasma (bevorzugt Atmosphärendruck Plasma, AD-Plasma)
    3. c) Abscheiden einer Matrix wie oben definiert auf dieser Stelle.
  • AD-Plasma bedeutet in diesem Zusammenhang Atmosphärendruckplasma, aber selbstverständlich ist eine Reduktion auch mittels Niederdruckplasmas denkbar, was sich dann anbietet, falls der gesamte Prozess unter Niederdruckbedingungen stattfinden soll. Es ist aber bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei Atmosphärendruck erfolgt.
  • Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die erfindungsgemäßen elektrischen Bauteile herzustellen.
  • Teil der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Verbinden eines Drahtes an eine elektrisch zu kontaktierende Stelle eines elektrischen Bauteils, umfassend die Schritte:
    1. a) Bereitstellen eines elektrisches Bauteils wie oben beschrieben für eine elektrische Kontaktierung vorbereitet wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert,
    2. b) Bereitstellen eines Drahtes,
    3. c) Kontaktieren der Beschichtung über der elektrisch zu kontaktierenden Stelle mit dem Draht und
    4. d) Verbinden des Drahtes durch die Schicht hindurch mit der elektrisch zu kontaktierenden Stelle.
  • Auf diese Art werden die erfindungsgemäßen Bauteile hergestellt, die bereits einen Draht an den zu kontaktierenden Stellen verbunden haben.
  • Bei der Herstellung von insbesondere Halbleiterchips besteht die Notwendigkeit, leitende Verbindungen an dessen Kontaktflächen zu erzeugen. Die leitenden Verbindungen können hierbei zu anderen Kontaktflächen auf dem Chip oder zu Kontaktflächen von peripheren Geräten, z.B. Gehäusen, Leiterplatten usw., führen. Eingesetzt werden hierbei dünne Drähte aus Gold, Kupfer oder aus Aluminiumlegierungen. Das Verbinden der dünnen Drähte erfolgt hierbei durch einen als Drahtbonden bezeichneten Vorgang. Der Draht wird mittels Druck, Temperatur, mechanische Schwingungen oder einer Kombination von diesen mit den Kontaktflächen verbunden (verschweißt). Besondere Bedeutung hat hierbei die Verwendung von mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich, das Ultraschallbonden.
  • Beim Ultraschallbonden wird zur Herstellung der leitenden Verbindung ein Schweißwerkzeug verwendet, das als Kapillare beim Ball-Bonding oder keilförmig beim Wedge-Bonding ausgeführt ist. Eine Drahtführung führt den zu verbindenden Draht an das Ende des Schweißwerkzeuges, so dass der Draht zwischen dem Schweißwerkzeug und der zu bondenden Oberfläche der (elektrisch zu kontaktierenden Stelle) positioniert ist. Das Bondwerkzeug wird derart mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt, dass der Fuß des Bondwerkzeuges in der Ebene der Kontaktfläche (der elektrisch zu kontaktierenden Stelle) des Halbleiterchips schwingt. Durch diese Schwingungen in Verbindung mit einer Kraftausübung des Bondwerkzeuges in Richtung Kontaktoberfläche wird der Draht mit seinem Ende auf der Kontaktoberfläche verschweißt und somit die leitende Verbindung auf der Kontaktfläche des Halbleiterchips hergestellt.
  • Nachdem die Verbindung des Drahtes auf der ersten Kontaktfläche erfolgt ist, fährt das Bondwerkzeug nach ggf. mechanischer Trennung des Bonddrahtes zur nächsten Kontaktfläche, um den Prozess der Herstellung der leitenden Verbindung fortzusetzen.
  • Bevorzugt ist daher in diesem Zusammenhang, dass der Schritt d) zum Verbinden des Drahtes mittels Ultraschall-Unterstützung und/oder mittels thermischem Schweißen erfolgt.
  • Bevorzugt ist ferner, dass das Abscheiden im Schritt c) des Verfahrens zum Vorbereiten des elektrischen Bauteils durch ein CVD-Verfahren, insbesondere durch ein PE-CVD-Verfahren erfolgt. Ganz besonders bevorzugt erfolgt dieses Verfahren bei Atmosphärendruck.
  • Auf diese Weise lassen sich mittels einer oder mehrerer der vorgenannten Maßnahmen lassen sich effektiv elektrische Bauteile zum Kontaktieren vorbereiten bzw. stabile elektrische Kontakte an den entsprechenden Stellen für die erfindungsgemäßen Bauteile herstellen.
  • Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Vorbereiten eines elektrischen Bauteils für ein Verbindungsprozess, wobei im Schritt c) ein Kohlenwasserstoff und/oder eine siliziumorganische Verbindung als Precursor eingesetzt wird, bevorzugt ein Kohlenwasserstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethin, Ethen, Propin, Propen, Cycloalkane, Cycloalkene und Alkohole mit Anzahl von C-Atomen <= 10, bevorzugt Butanol, Pentanol und Cyclopentanol und/oder bevorzugt eine siliziumorganische Verbindung mit Anzahl von Si-Atomen <= 5, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HMDSO, TEOS, TMS, HMDSN, Octamethylcyclotetrasiloxan.
  • Weiterhin bevorzugt ist bei diesem Verfahren, dass eine Düse im Schritt c) eingesetzt wird, die stromabwärts von den Elektroden einen Relaxationsraum umfasst.
  • Mittels der vorgenannten Maßnahmen lassen sich besonders effektiv, resourcenschonend und schnell sowie zuverlässig die erfindungsgemäßen zur Kontaktierung mit einem Draht vorbereiteten Bauteile herstellen.
  • Die CVD-Verfahren sind dabei dem Fachmann geläufig, er beherrscht die entsprechenden Technologien und sie ermöglichen es, ausreichend ortsgenau und in einem vernünftigen Kosten-Nutzen-Verhältnis die entsprechenden Vorbereitungen der elektrisch zu kontaktierenden Stelle vorzunehmen.
  • Aus Gründen der Handhabbarkeit ist ein Atmosphärendruck-Verfahren einem Niederdruck-Verfahren vorzuziehen.
  • Bei der bevorzugt einzusetzenden Düse mit Relaxationsraum dient dieser dazu, die Matrixmaterialien vor Kontakt mit der Zieloberfläche einen Teil ihrer thermischen/kinetischen Energie abgeben können, sodann die Abscheidung unter weniger rigiden Bedingungen erfolgt.Auch kann der Energieübertrag aus dem Plasma auf das Monomer besser gesteuert werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Gegenstände bzw. die erfindungsgemäßen Gegenstände haben den Vorteil, dass sie nicht nur effektiv herstellbar sind, sondern den Bondprozess, insbesondere zu Drähten, ganz besonders zu dünnen Drähten in hervorragender Weise unterstützen:
  • Ohne an eine Theorie gebunden zu sein wird davon ausgegangen, dass die Matrix besonders effektiv zum Entstehen einer zuverlässigen Bindung zwischen kontaktierender Stelle und Metalldraht ermöglicht, weil sie effektiv das Entstehen von Metalloxiden an der zu kontaktierenden Stelle verhindert. Gleichzeitig kann sie als Flussmittel wirken und/oder reduzierend wirken. Der Haupteffekt dürfte jedoch die schon beschriebene Passivierung sein: Dort, wo sich die Matrix befindet, ist der direkte Sauerstoffzutritt zumindest erschwert, so dass eine Oxidation der an der zu kontaktierenden Stelle vorhandenen Metalle (bevorzugt Cu) nicht erfolgt oder deutlich erschwert ist.
  • Es wurde weiter oben bereits auf die Offenlegungsschrift DE 10 2009 048 397 A1 hingewiesen. Für die bevorzugten Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die in diesem Dokument offenbarte PE-CVD-PVD-Düsengeometrie besonders bevorzugt. Dementsprechend sind die in den 1 bis 3 der DE 10 2009 048 397 A1 abgebildeten Düsenanordnungen nebst den dazugehörigen Beschreibungen (Absätze [0060], [0070]) auf dem Wege der Verweisung Bestandteil dieser Beschreibung.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere aber unter Einsatz einer bevorzugten Düsengeometrie lässt sich eine qualitativ hochwertige Matrix abscheiden. Qualitativ hochwertig bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass wenige Fehlstellen vorhanden sind. Diese Zahl der Fehlstellen lässt sich mittels des Silbernitrat-Tropfentestes (vgl. Beispiel 2) prüfen. Dementsprechend ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine erfindungsgemäß einzusetzende Matrix im Silbernitrat-Tropfentest (vgl. Beispiel 2) über ≤ 15, bevorzugt ≤ 10, weiter bevorzugt ≤ 8 und ganz besonders bevorzugt ≤ 5 Defekte/25 mm2 verfügt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an Beispielen weiter erläutert:
  • Beispiele
  • Wire Shear Test
  • Der Wire Shear Test wird gemäß DVS 2811, Punkt 5 (Prüfverfahren für Drahtbondverbindungen, vom August 1996) durchgeführt.
  • Hierbei wird der Schermeißel parallel zur (ursprünglich) zu kontaktierenden Stelle ausgerichtet. Nachfolgend wird der Meißel in die sogenannte Touchdown-Position gebracht, das bedeutet dass Kontakt besteht mit dem Substrat, auf dem die (ursprünglich) zu kontaktierende Stelle liegt. Danach wird der Schermeißel auf die Scherhöhe gebracht (Scherhöhe: halbe Drahtdicke, falls ein Bondball eingesetzt wurde: halbe Bondballdicke). Dann wird über den Schermeißel eine Scherkraft auf den gebondeten Draht in Scherhöhe ausgeübt und diese Kraft gesteigert, bis eine Abscherung erfolgt. Diese Kraft wird gemessen. Beim Abscheren können dabei die in DVS 2811, Pkt. 5 beschriebenen Abschermerkmale auftreten.
  • Je höherwertig die Bondverbindung ist, desto seltener findet ein Scherbruch in der Grenzfläche Bond/Metallisierung statt. Grundlage der Ergebnisse ist eine statistische Auswertung der Wire Shear Tests bei mind. 30 Bonds auf den behandelten Substraten, sowie eine Flächen-Analyse der Anteile der verschiedenen Scherbrüche jeder einzelnen Bondverbindung.
  • Silbernitrat-Tropfen-Test
  • Es wird eine AgNO3-Lösung mit einer Konzentration von 0,01 Gew.-% Silbernitrat hergestellt. Die richtige Konzentration gewährleistet eine Bildung von einzeln differenzierbaren Ag-Kristallen, die zählbar sind und gleichzeitig, dass die Lösung genug Silberionen beinhaltet, die sich an eventuellen Defektstellen abscheiden können, ohne dass die Lösung davor durch zu große (rasch wachsende) Defekte verarmt.
  • Versuchsdurchführung:
    1. 1. Die Testlösung wird auf die zu prüfende (beschichtete) Stelle mittels einer Pipette aufgetragen. Zur Prüfung von ebenen Oberflächen sind beispielsweise 200 µl sinnvoll.
    2. 2. Die Lösung wird eine Stunde unter Vermeidung von direktem Sonnenlicht auf der Probe belassen. Dabei ist zu gewährleisten, dass es nicht zu einer wesentlichen Verdunstung der Silbernitratlösung kommt. Hier bietet es sich an, die Teststelle mit einer kleinvolumigen Abdeckung abzudecken.
    3. 3. Es folgt eine Evaluierung des Testergebnisses mit Hilfe einer Mikroskopaufnahme. Sinnvolle Vergrößerungsfaktoren sind 20- bis 30-fach. Dabei wird durch den Tropfen hindurch mikroskopiert und die sichtbaren Silberpartikel gezählt.
  • Bemerkungen zum Testablauf:
    • - Es ist auf vibrations- und erschütterungsfreie Lagerung der Proben innerhalb der Testdauer zu achten.
    • - Eine Reaktion der Testlösung mit der zu testenden Schicht muss vermieden werden. - Gegebenenfalls muss die Schicht vor Messung durch Temperung in einen hydrophoben Zustand (statischer Wasserrandwinkel ≥ 90° gemessen nach DIN 55660 - 2: 2011 - 12). überführt werden.
    • - Eine Volumenverringerung des Tropfens der Testlösung ist durch geeignete Maßnahmen möglichst weitestgehend zu vermeiden.
    • - Für Vergleichbarkeit muss die Testdauer sauber eingehalten werden.
  • Beurteilung:
    • - Gutes Ergebnis: Defektdichten im Bereich ≤ 10 Defekte/25 mm2.
    • - „Mittleres Ergebnis“: Defektdichten im Bereich von 11 bis 30 Defekten/25 mm2.
    • - Schlechtes Ergebnis: Defektdichten im Bereich ≥ 30 Defekten/25 mm2.
  • Vorbereiten eines Beispiels für ein elektrisches Bauteil für ein Bonding-Prozess
  • Es erfolgte die Abscheidung einer plasmapolymeren Schicht auf einen Cu-bedampften Siliziumwafer mit dem Atmosphärendruck (AD) - Plasmasystem OpenairPlas der Firma Plasmatreat.
  • Verwendet wurde die vom IFAM entwickelte Düse gem. DE 10 2006 038 780 A1 (insbesondere 1 und zugehörige Textteile wie die Absätze 0035 - 0040).
  • Zur Vorbehandlung der Oberfläche wurde das AD-Plasmajetsystem eingesetzt. Dabei wurde ein Stickstoffplasma in der Düse erzeugt und durch den Düsenausgang aus der Düse geführt. Die reduzierende Wirkung des Plasmas wird durch die Zugabe von Wasserstoff (<5 vol.%) in den Düsenkopf erzeugt. Alternativ sind hier auch N2/H2 Gemische mit bis zu 5% H2-Anteil als lonisationsgas möglich. Die Düse wurde dann rasternd mit einer konstanten Geschwindigkeit z.B. 10-50m/min (hier 25m/min) über die zu beschichtende Oberfläche geführt. (Gasströme: 25-35 l/min, N2, hier: 29 l/min N2, 31/min H2, hier 2 l/min) Im direkten Anschluss an diese Behandlung erfolgt die Schichtabscheidung - ggf. in einer Atmosphäre unter Sauerstoffausschluss.
    1. a.) Zur Schichtbildung einer a-C:H-Schicht wurde das Plasma in der Düse mit dem lonisationsgas Stickstoff (29L/min) erzeugt. Das Plasma wurde dabei durch bogenähnliche Entladungen unter Anlegen einer gepulsten Hochspannung mit der Frequenz zwischen 17 und 25 kHz, generiert, bei einer Kombination aus FG 5005 (Generator) und HTR 11 (Trafo) in einem Bereich von 300-400V und 100% PCT. Die „Grunddüse (Düsenkörper)“ besitzt die Bezeichnung PFW 10. In das so erzeugte Plasma wird am Düsenausgang das Precursorgemisch aus verdampftem Monomer (z.b. zyklischen Kohlenstoffverbindungen, hier Cyclopentanol etc. bei 150°C, 6g/h Monomer) und dem Trägergas Stickstoff (2 I /min) eingespeist. Wiederum wurde die Düse dann rasternd mit Geschwindigkeiten zwischen z.B. 5 und 50 m/min (hier 25m/min) über die zu beschichtende Oberfläche in einem Abstand von 3 mm (im Falle einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre) geführt. Die Abstände können grundsätzlich zugunsten oder auf Kosten der Schichtabscheiderate vergrößert oder verringert werden. Ebenso verhält es sich mit den Bewegungsgeschwindigkeiten der Düse bzw. der Bauteils unter der Düse. Auch Schichtabscheidungen unter Verwendung eines Druckluftplasmas sind möglich - im Vergleich zu Stickstoffplasmen aber unter reduzierter Schichtabscheiderate.
    2. b.) Angaben für die Geräte und Einstellungen wie oben, wenn nicht anders angegeben - für den Fall von siliziumorganischen Beschichtungen:
      • Zur Bildung von Kombinationsschichten aus siliziumorganischen (siliziumorganisch-bei diesen Versuchen Hexamathyldisiloxan (HMDSO), sonst auch TEOS,etc.möglich )) und organischen Monomeren (z.B. Cyclopentanol, etc.) werden beide Monomeren verdampft (hier 30 g/h HMDSO bei 100°C und 15 g/h Cyclopentanol bei 150°C), mit einem Trägergasstrom von je 2 L/min N2 vermischt und dann in ein Druckluftplasma ( 300-400V, 19 kHz, 100% PCT) mit 29 L/min Druckluft eingespeist.
      • Wiederum wurde die Düse dann mit Geschwindigkeiten zwischen z.B. 5 und 100 m/min über die zu beschichtende Oberfläche in einem Abstand von 6 mm (sauerstoffhaltige Atmosphäre) geführt. Die Abstände können grundsätzlich zugunsten oder auf Kosten der Schichtabscheiderate vergrößert oder verringert werden. Ebenso verhält es sich mit den Bewegungsgeschwindigkeiten der Düse bzw. der Bauteils unter der Düse.
      • Die entstehende Schichtdicke betrug in beiden Fällen um 100nm. Kleinere Schichtdicken ≤ 50 nm, bevorzugt ≤ 30 nm sind allgemein und nicht nur in diesem speziellen Beschichtungsverfahren möglich. Eine größere Schichtdicke kann durch Wiederholung des Beschichtungsprozesses direkt nach dem ersten Prozess erreicht werden.
  • Verbindung von Drähten an zu kontaktierende Stellen
  • Die Substrate, sogenannte DCB's (Direct copper Bonding) Substrate, wurden zunächst analog zu Beispiel 3 beschichtet und dann in der Drahtbondmaschine platziert und fixiert. Bei einem DCB handelt es sich um Keramiksubstrate, die mit einer Kupferschicht (Metallisierung) überzogen wurden.
  • Die Durchführung des Drahtbondverfahrens wurde dabei in Anlehnung an die DVS 2810 (Drahtbonden, Stand September 1992) durchgeführt. Das Bonden der beschichteten DCB's wurde mit einem Delvotec G5 6600 unter Verwendung eines 300 µm AI-H11 Bonddrahts durchgeführt (hier gemäß Drahtbonden, Punkt 2.3.2, der DWS 2810 mit Ultraschallwarmschweißen gemäß Punkt 2.1.3). Die eingestellte Bondkraft betrug dabei zwischen 50 bis 2000 cN. Der Bondkopf fährt dabei die zu bondende Stelle (Bondpad 1) an und kontaktiert dort den Bonddraht mit dem Substrat. Dann fährt der Bondkopf zum Bondpad 2 - unter Nachführung des Bonddrahtes - und führt dort denselben Bondprozess aus wie am Bondpad 1. Im Anschluss an den Bondprozess am Bondpad 2 wird der Bonddraht mechanisch durchtrennt und der Prozess kann an einem neuen Platz auf dem Substrat erneut beginnen.
  • Testergebnisse:Die gemäß Beispiel 3a und 3b vorbereiteten DCB's, mit den daran gemäß Beispiel 4 gebondeten Drähten, wurden den Testverfahren gemäß Beispiel 1 und 2 unterworfen. Die Ergebnisse sind dabei wie folgt:
    1. a.) a-C:H vorbereitete DCB's (Beispiel 3a, nach Überführung in hydrophoben Zustand)
      • AgNO3 Test:≤25 Defekte / 25mm2
      • Scher Test: 70% der Fälle mit einem Flächenanteil 50-75% der Bondfläche als Durchscherung (Kohäsionsbruch)
    2. b.) Siliziumorganik + a-C:H vorbereiteteDCB's
      • AgNO3 Test:≤20 Defekte / 25mm2
      • Shear Test: 90% der Fälle mit mehr als 75% der Bondfläche als Durchscherung (Kohäsionsbruch)

Claims (17)

  1. Elektrisches Bauteil mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, die dafür eingerichtet ist, mit einem Draht oder einem anderen geeigneten Mittel so verbunden zu werden, dass ein Stromfluss durch die elektrische zu kontaktierende Stelle möglich ist, wobei auf dieser Stelle eine plasmapolymere Matrix angeordnet ist, die (i) eine amorphe Kohlenwasserstoff- (a-C:H) Schicht ist, gemessen mittels XPS umfassend zu ≥ 90 Atom-% aus den Elementen C und O oder (ii) eine C-haltige SiOx-Schicht ist, umfassend 5 - 80 Atom-% C, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix ohne H und wobei die Matrix eine Schichtdicke von 5 -100 nm besitzt.
  2. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die elektrisch zu kontaktierende Stelle aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht.
  3. Elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die plasmapolymere Matrix eine passivierende Wirkung auf die Oxidschichten der zu kontaktierende Stelle ausübt.
  4. Elektrisches Bauteil, mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, wobei um diese Stelle herum eine plasmapolymere Matrix angeordnet ist, wobei an der elektrisch zu kontaktierenden Stelle ein Draht durch die plasmapolymere Matrix hindurch verbunden ist, wobei die Matrix (i) eine amorphe Kohlenwasserstoff- (a-C:H) Schicht ist, gemessen mittels XPS bestehend zu ≥ 90 Atom-% aus den Elementen C und O oder (ii) eine C-haltige SiOx-Schicht ist, umfassend 5 - 80 Atom-% C, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller Atome der plasmapolymeren Matrix ohne H, bevorzugt gemessen im Abstand des Durchschnitts des Drahtes von der Verbindungsstelle und wobei die Matrix eine Schichtdicke von 5 -100 nm besitzt.
  5. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei die elektrisch zu kontaktierende Stelle aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht.
  6. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Draht aus Cu, AI, Au einer AI-Legierung, einer Cu-Legierung oder einer Au-Legierung besteht.
  7. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Verbindung zwischen Draht und zu kontaktierender Stelle im Wire Shear-Test einen Flächenanteil bezogen auf die Bondfläche der Durchscherung von > 50%, bevorzugt > 75% aufweist.
  8. Elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die plasmapolymere Matrix gemessen mit ERD zu ≥ 10, bevorzugt ≥ 20 Atom-% H umfasst, bezogen auf die Gesamtzahl aller in der plasmapolymeren Matrix enthaltenen Atome C, O, Si und H.
  9. Elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial umfasst: im Fall (i): O zu 20 - 40 Atom-%, und C zu 50 - 75 Atom-%, oder im Fall (ii): Si zu 10 - 40 Atom-% und O zu 20 - 55 Atom-% jeweils bezogen auf die Gesamtzahl aller in der plasmapolymeren Matrix enthaltenen Atome ohne H und gemessen mittels XPS.
  10. Verfahren zum Vorbereiten eines elektrischen Bauteils für einen Verbindungsprozess, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrischen Bauteils mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle, die dafür eingerichtet ist, mit einem Draht oder einem anderen geeigneten Mittel so verbunden zu werden, dass ein Stromfluss durch die elektrische zu kontaktierende Stelle möglich ist, c) Abscheiden von einer Matrix wie in einem der Ansprüche 1, 8 und 9 definiert auf dieser Stelle.
  11. Verfahren zum Verbinden eines Drahtes an eine elektrisch zu kontaktierende Stelle eines elektrischen Bauteils, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines elektrischen Bauteils mit wenigstens einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, b) Bereitstellen eines Drahtes, c) Kontaktieren der Beschichtung über der elektrisch zu kontaktierenden Stelle mit dem Draht und d) Verbinden des Drahtes durch die Schicht hindurch mit der elektrisch zu kontaktierenden Stelle.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Schritt d) unter Ultraschall-Unterstützung und/oder mittels thermischem Schweißen erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Schritt c) durch ein CVD-Verfahren, insbesondere durch ein PE-CVD-Verfahren erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 13, wobei Schritt c) bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 13 bis 14, wobei im Schritt c) ein Kohlenwasserstoff und/oder eine siliziumorganische Verbindung als Precursor eingesetzt wird, bevorzugt ein Kohlenwasserstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethin, Ethen, Propin, Propen, Cycloalkane, Cycloalkene und Alkohole mit Anzahl von C-Atomen <= 10, bevorzugt Butanol, Pentanol und Cyclopentanol und/oder bevorzugt eine siliziumorganische Verbindung mit Anzahl von Si-Atomen <= 5, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HMDSO, TEOS, TMS, HMDSN, Octamethylcyclotetrasiloxan.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 13 bis 15, wobei eine Düse in Schritt c) eingesetzt wird, die stromabwärts von den Elektroden einen Relaxationsraum umfasst.
  17. Verwendung einer Matrix wie in einem der Ansprüche 1, 8 und 9 definiert zur Vorbereitung einer elektrisch zu kontaktierenden Stelle auf eine Verbindung mit einem Draht.
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