DE102015219229A1 - Verfahren zum Verbinden eines Drahtendes mit einer Kontaktfläche - Google Patents

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bonding
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Jürgen Zacherl
Christian Braun
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Continental Automotive GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Drahtendes mit einer Kontaktfläche, bei dem das Drahtende mittels eines Werkzeugs zum Drahtbonden auf der Kontaktfläche fixiert, jedoch nicht gebondet wird und anschließend eine Verbindung mittels Laserschweißen hergestellt wird, wobei beim Laserschweißen ein Triangulationsverfahren zur Einstellung der Fokuslage des Laserstrahls verwendet wird.

Description

  • Derzeit werden Halbleiterbauteile und andere elektronische Bauteile hauptsächlich mittels Drahtbonden oder Planartechnologien mit Trägermaterialien oder Bondrahmen bzw. Leadframes elektrisch verbunden. Auch werden Verbindungen auf Trägermaterialien und zu Bondrahmen/Leadframes erstellt. Diese Verbindungen werden über Kaltverschweißungen mittels Ultraschallschweißen, Temperatur und/oder Druck erstellt (z.B.: Wirebonden, Sintern, Siplit).
  • Die verwendeten Drähte können dabei runden oder auch rechteckigen Querschnitt haben, es kommen also auch Bändchen zum Einsatz. Als Planartechnologien kommen beispielsweise Sintern oder SiPLIT (Siemens Planar Interconnect Technology) in Betracht. Trägermaterialien können z.B. Leiterplatten, DCB/AMB, Dickschichtschaltungen, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic), HTCC (High Temperature Cofired Ceramic), oder dergleichen sein.
  • Die Halbleiter werden mittels Löten, Kleben oder Sintern auf die Trägermaterialien aufgebracht. Die Halbleiter-, Löt-, Klebe- und Sinter-Dicken und somit die Höhe der Halbleiteroberfläche über dem Trägermaterial werden nicht kontrolliert, der Verbindungsprozess läuft auf einer fest eingestellten Arbeitshöhe.
  • Bei den bekannten Technologien können vor Allem die mechanischen Belastungen (Impuls) für den Halbleiter zu groß werden, wobei eine Schädigung des Gateoxids bei MosFET, IGBTs und dadurch deren elektrischer Ausfall auftreten kann. Die mechanischen Belastungen können große Variationen aufweisen, da diese auch von der Endlage (Höhe) der Halbleiteroberfläche abhängt, die derzeit nicht einbezogen wird.
  • Es steht nur eine eingeschränkte Auswahl an Verbindungsmaterialien (z.b. Al-Drähte, Bändchen) mit eingeschränkten Eigenschaften wie z.B. deren elektrischer oder thermischer Widerstand zur Verfügung.
  • Die Verbindungstechniken sind teilweise sehr schwierig zu kontrollieren und haben Einschränkungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit.
  • Die WO 2012/004106 A1 offenbart eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen mittels eines durch Bonden mit den Kontaktflächen verbundenen Metalldrahtes oder Metallbändchens, wobei zumindest eines der mit den Kontaktflächen durch Bonden verbundenen Enden des Metalldrahtes oder Metallbändchens zusätzlich mit der Kontaktfläche verschweißt ist, wobei Laserschweißen zum Einsatz kommen kann. Durch den Bondprozess und das damit einhergehende Ultraschallschweißen ergibt sich jedoch eine längere Verfahrensdauer.
  • In der DE 10 2012 222 791 A1 ist ein Verfahren zur Kontaktierung eines Halbleiters beschrieben, bei dem zunächst eine schweißbare Sinterschicht auf dem Halbleiter aufgebracht wird, mit der anschließend ein Kontaktelement beispielsweise mittels Laserscheißen stoffschlüssig verbunden wird. Dabei soll kein Druck auf die Halbleiteroberfläche ausgeübt werden.
  • Die DE 199 27 803 A1 beschreibt als ein Fügeverfahren das Laserstrahlschweißen. Danach wird dieses Verfahren in der Automobilindustrie z. B. zum Schweißen von Dachnähten, im Schiffbau zum Schweißen von Sandwichpaneelen, im Behälterbau etc. eingesetzt. Eine verfahrensbedingte Anforderung ist die korrekte Einhaltung der Fokuslage, der Abstand zwischen Fokus und Werkstückoberfläche, während des Bearbeitungsprozesses. Das einem dortigen Sensor zu Grunde liegende Meßprinzip ist die Triangulation. Die Anwendung bei der Kontaktierung elektronischer Bauteile, insbesondere von Halbleiterbauteilen, mit Drähten ist jedoch nicht beschrieben.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur stressfreien Kontaktierung eines Bonddrahtes mit einer Kontaktfläche, insbesondere auf einem Halbleiterbauelement anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Demnach wird zum Verbinden eines Drahtendes mit einer Kontaktfläche das Drahtende mittels eines Werkzeugs zum Drahtbonden auf der Kontaktfläche fixiert, jedoch nicht gebondet, und anschließend eine Verbindung mittels Laserschweißen hergestellt, wobei beim Laserschweißen ein Triangulationsverfahren zur Einstellung der Fokuslage des Laserstrahls verwendet wird.
  • Durch Kombination der drei Prozesse Drahtführung mittels Wirebondapparatur, Laserschweißen und Lasertriangulation oder Teile dieser, ist eine neue Verbindungstechnologie für stressfreies Halbleiterschweißen möglich.
  • In vorteilhafter Weise kommt beim Laserschweißen ein „grüner“ Laser (Wellenlänge 532nm) zum Einsatz. Über die Lasertriangulation wird die genaue Höhe (Abstand) der Halbleiteroberfläche festgestellt, dies ermöglicht auch bei starken Durchbiegungen der Halbleiter oder Trägermaterialien die Berücksichtigung der tatsächlichen Höhe der Halbleiteroberfläche. Über die Wirebondapparatur kann der Draht/das Bändchen formschlüssig an den Halbleiter ohne großen mechanischen Stress angebunden werden. Die elektrische, thermische und mechanische Verbindung wird dann durch einen sehr gut kontrollierbaren Laserschweißprozess erstellt.
  • Der Prozess kann schneller ablaufen, da keine Einwirkzeit durch Ultraschallschweißen, wie es beim Drahtbonden verwirklicht wird, notwendig ist; Laserschweißen erfolgt schneller als Ultraschallschweißen.
  • Der Verbindungsprozess kann stressfrei stattfinden, da die Arbeitshöhe der Halbleiteroberflächen in der Draht-/Bändchenführung beachtet werden kann, auch kann der Laserschweißprozess sehr gut hinsichtlich Einwirkung, Durchschweißung, Temperaturbelastung kontrolliert werden.
  • Der Laserschweißprozess mit einem grünen Laser ist für rote Oberflächen, wie sie bei Gold oder Kupfer vorliegen partikelfrei möglich.
  • Die Verwölbungen von Trägermaterialien und Halbleitern werden in der Prozessführung ausgeglichen.
  • Die Verwendung von anderen Materialien z.B. von Reinkupfer ist unabhängig von der Härte möglich, dies ermöglicht höhere Stromleitfähigkeiten, höhere thermische Leitfähigkeit und auch höhere mechanische Stabilität.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allen Bereichen des Aufbaus und der Verbindungstechnik von Halbleitern (Bare Dies) und Bondrahmen/Leadframes und bekannter Trägermaterialien angewandt werden.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
  • 1 eine Querschnittsdarstellung einer Anordnung von Halbleiterchips auf einem Trägersubstrat, das auf einem Kühlkörper angeordnet ist,
  • 2 eine erfindungsgemäße Verbindung zweier Anordnungen gemäß 1,
  • 3 eine erfindungsgemäße Verbindung einer Anordnungen gemäß 1 mit einem Leadframe,
  • 4 eine erfindungsgemäße Verbindung zweiter Leadframes
  • 5 eine erfindungsgemäße Verbindung eines Halbleiterchips auf einer Anordnungen gemäß 1 mit einem Leadframe,
  • 1 zeigt einen typischen Aufbau einer Verbindungsanordnung VA mit einem Trägersubstrat 2 und darauf angeordneten und damit verbundenen Halbleiterchips 8.
  • Das Trägersubstrat 2 ist im dargestellten Beispiel als kupferkaschierte Keramik oder DCB (direct copper bonded) mit einem Keramikträgerschicht 3, einer im Wesentlichen ganzflächigen Kupferschicht 4 auf der einen Oberfläche und einer strukturierten Kupferschicht 5 auf der anderen Oberfläche ausgebildet. Das Trägersubstrat 2 ist mittels eines ersten Verbindungsmaterials 6 wie beispielsweise Lot oder Wärmeleitkleber mit einem Kühlkörper 1 verbunden.
  • Die strukturierte Kupferschicht 5 bildet in herkömmlicher Weise Kontaktflecken und Leiterbahnen aus, auf denen Halbleiterchips 8 angeordnet sind und mit denen sie ggf. verbunden werden. Die Verbindung erfolgt dabei mittels Bondrähte 9, die auch bandförmig ausgebildet sein können.
  • Wie der 1 in stark schematisierter Weise dargestellt ist, gibt es Verwölbungen sowohl bei der Verbindung des Trägersubstrats 2 mit dem Kühlkörper 1 als auch bei der Verbindung der Halbleiterchips 8 mit Kontaktstellen auf dem Trägersubstrat 2, sowie ggf. Dickenschwankungen der Materialien, so dass die Abstände der mittels Bonddrähte zu kontaktierenden Halbleiteroberflächen und auch der zu kontaktierenden Kontaktstellen auf dem Trägersubstrat 2 unterschiedliche Abstände zu einer Bezugsebene, beispielsweise der Unterseite des Kühlkörpers 1 haben können und meistens haben.
  • Um trotzdem eine gute Verbindung zwischen den Enden von Bonddrähten 9 und den zu kontaktierenden Stellen zu erzielen soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommen.
  • Dabei wird zunächst die Höhe der Trägersubstratoberfläche an einer Verbindungsstelle eines Bonddrahtes 9 mit einer Kontaktstelle auf der Trägersubstratoberfläche mittels Lasertriangulation gemessen, was durch erste Pfeile 10 angedeutet ist. Dies kann kurz vor dem Verbindungsprozess stattfinden.
  • Es erfolgt außerdem eine Messung der Höhe der Halbleiteroberfläche an der Verbindungsfläche mittels Lasertriangulation, was ebenfalls kurz vor dem Verbindungsprozess stattfinden kann.
  • Anschließend erfolgt ein stressfreier formschlüssiger Kontakt des Drahtes/Bändchens 9 mit der Oberfläche des Halbleiterchips 8 an der Verbindungsfläche Halbleiter (unter Berücksichtigung der gemessenen Höhe) mittels eines Bondtools ohne jedoch ein Ultraschallschweißen durchzuführen.
  • Anschließend erfolgt ein Partikel-freies Laserschweißen (beispielsweise mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 532nm) des Drahtes/Bändchens 9 an die Halbleiteroberfläche. Dabei erfolgt ein Durchschweißen ohne Einbringung von Ultraschall.
  • Das Bändchen 9 bzw. der Bonddraht werden dann in einem Loop mittels des Bondtools und einer Bondbewegung zur Kontaktfläche auf dem Trägersubstrat 2 geführt, wo wieder ein stressfreier formschlüssiger Kontakt des Drahtes/Bändchens 9 mit der Trägersubstratoberfläche an der späteren Schweißfläche unter Berücksichtigung der gemessenen Höhe mittels des Bondtools ohne Ultraschallschweißen erfolgt.
  • Anschließend erfolgt wieder ein Partikel-freies Laserschweißen des Drahtes/Bändchens 9 an die Oberfläche einer Kontaktstelle auf der strukturierten Kupferschicht 5, wobei ebenfalls ein Durchschweißen ohne Einbringung von Ultraschall erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand des Ausführungsbeispiels der 1 zur Verbindung eines Kontaktfleckens oder Bondpads auf einem Halbleiterchip 8 und einer Kontaktfläche auf einem Trägersubstrat 2 erläutert. In gleicher Weise kann eine solche Schweißverbindung bei der Verbindung zweier Verbindungsanordnungen VA1 und VA2 gemäß 2, einer Verbindungsanordung VA mit einem Leadframe 13 an einem Gehäuserahmen 12 gemäß 3, zweier Leadframes 13.1 und 13.2 zweier Gehäuserahmen 12.1 und 12.2 gemäß 4 sowie eines Halbleiterchips 8 auf einer Verbindungsanordnung VA, die auf einem Gehäuserahmen 12.3 angeordnet ist, mit einem Leadframe 13.3 an diesem Gehäuserahmen 12.3 erfolgen. Es sind außerdem andere Verbindungskombinationen möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/004106 A1 [0007]
    • DE 102012222791 A1 [0008]
    • DE 19927803 A1 [0009]

Claims (2)

  1. Verfahren zum Verbinden eines Drahtendes mit einer Kontaktfläche, bei dem das Drahtende mittels eines Werkzeugs zum Drahtbonden auf der Kontaktfläche fixiert, jedoch nicht gebondet wird und anschließend eine Verbindung mittels Laserschweißen hergestellt wird, wobei beim oder vor dem Laserschweißen ein Triangulationsverfahren zur Einstellung der Fokuslage des Laserstrahls verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche auf einem Halbleiterchip (8), einem Trägersubstrat (2) oder einem Leadframe (13; 13.1, 13.2; 13.3) ist.
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