DE102016105494A1 - Bondwerkzeugspitze, bondwerkzeug, verfahren zur herstellung einer bondwerkzeugspitze und verfahren zur herstellung einer bondverbindung - Google Patents

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Mark Schnietz
Karsten Guth
Dirk Siepe
Michael Brökelmann
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Infineon Technologies AG
Hesse GmbH
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Infineon Technologies AG
Hesse GmbH
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Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Bondwerkzeugspitze zur Herstellung von Fügeverbindungen. Die Bondwerkzeugspitze weist einen Binder (20) auf, sowie eine Einlagerungsphase aus einer Vielzahl von Einlagerungspartikel (21), die in den eine Matrix bildenden Binder (20) eingelagert und durch diesen fest miteinander verbunden sind. Der Binder (20) ist als Metalllegierung ausgebildet und enthält als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung stoffschlüssiger Fügeverbindungen zwischen einem ersten Leiter (z. B. einer Metallisierung eines Halbleiterchips oder einer Leiterplatte) und einem zweiten Leiter (z. B. einem Bonddraht oder einem Bändchen). Derartige Fügeverbindungen werden in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt. Lediglich als ein Beispiel sei die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen genannt. Als Verbindungstechniken eignen sich beispielsweise Ultraschallbonden oder Ultraschallschweißen. Die Gemeinsamkeit aller relevanten Verbindungstechniken besteht darin, dass zur Herstellung der betreffenden Fügeverbindung einer der beiden zu verbindenden Leiter mittels einer Bondwerkzeugspitze gegen den anderen der Leiter gepresst wird. Bei diesem Fügeprozess wird in das Bondwerkzeug eine Ultraschallschwingung eingekoppelt, mit der das Bondwerkzeug dann schwingt. Hierdurch kommt es zu einer Relativbewegung zwischen den zu verbindenden Leitern, wodurch ein Reibschweißprozess initiiert wird. Hierbei kommt es auch zur einer Relativbewegung zwischen der Bondwerkzeugspitze und dem zweiten Leiter, was zu einem mechanischen Verschleiß der Bondwerkzeugspitze führt, so dass das Bondwerkzeug nach einer bestimmten Anzahl von hergestellten Bondverbindungen ausgetauscht werden muss. Da die Produktion für den Werkzeugwechsel unterbrochen werden muss, besteht ein großes Interesse, die Standzeit des Bondwerkzeugs zu erhöhen und dadurch eine effiziente Serienfertigung zu ermöglichen.
  • Speziell im Bereich der Leistungselektronik kann einer der Leiter als Bonddraht ausgebildet sein, der vor dem Bonden bzw. außerhalb von Bondstellen einen kreisförmigen aber auch nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann. Bonddrähte mit nicht-kreisförmigen Querschnitt werden auch als "Bondbändchen" oder "Bändchen" bezeichnet.
  • Aktuell vollzieht sich in der Leistungselektronik ein Wechsel von Bonddrähten auf Aluminiumbasis zu deutlich stabileren Bonddrähten auf Kupferbasis. Durch die Verwendung von Bonddrähten auf Kupferbasis lassen sich Bondverbindungen erzeugen, die unter thermomechanischer Wechselbeanspruchung um ein Vielfaches stabiler sind und damit eine weitaus höhere Zuverlässigkeit aufweisen, als herkömmliche Verbindungen mit aluminiumbasierten Bonddrähten.
  • Als problematisch erweist sich beim Bonden von kupferbasierten Bonddrähten jedoch die Standzeit der Bondwerkzeuge. Durch die höhere Härte und Festigkeit von kupferanstelle von aluminiumbasierten Bonddrähten erhöht sich der Verschleiß der Werkzeuge drastisch, und deren Standzeit reduziert sich signifikant.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Bondwerkzeugspitze und ein Bondwerkzeug mit geringem Verschleiß und hoher Standzeit sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Bondwerkzeugspitzen und Bondverbindungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Bondwerkzeugspitze nach Anspruch 1, durch Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze nach den Ansprüchen 14 und 15, durch Bondwerkzeuge gemäß den Ansprüchen 17 und 19 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bondverbindung gemäß Anspruch 20 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein erster Aspekt betrifft eine Bondwerkzeugspitze zur Herstellung von Fügeverbindungen. Die Bondwerkzeugspitze weist einen Binder auf, sowie eine Einlagerungsphase aus einer Vielzahl von Einlagerungspartikeln, die in den Binder eingelagert und durch diesen fest verbunden sind. Der Binder bildet eine Matrix, ist als Metalllegierung ausgebildet, und enthält als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re. Dabei bilden die Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh die Platinmetallgruppe des Periodensystems der Elemente.
  • Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze. Diese kann optional gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Bei dem Verfahren wird ein Metallpulver bereitgestellt, das zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält. Ebenfalls bereitgestellt wird eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln. Durch Vermischen des Metallpulvers mit den Einlagerungspartikeln wird eine Mischung gebildet, und durch Sintern (z.B. durch Flüssigphasensintern) der Mischung wird schließlich ein Verbundkörper erzeugt.
  • Ein dritter Aspekt betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze. Diese kann optional gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Bei dem Verfahren werden ein Metallpulver und eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln bereitgestellt. Durch Vermischen des Metallpulvers mit der Vielzahl von Einlagerungspartikeln wird eine Mischung gebildet, und durch Sintern (z.B. durch Flüssigphasensintern) der Mischung wird schließlich ein Verbundkörper erzeugt. Danach wird der Verbundkörper in eine Schmelze getaucht, die zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält.
  • Ein vierter Aspekt betrifft ein Bondwerkzeug mit einer Bondwerkzeugspitze. Diese kann optional gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet und/oder gemäß dem zweiten oder dritten Aspekt herstellbar sein. Das Bondwerkzeug weist einen Schaft auf, der stoffschlüssig mit der Bondwerkzeugspitze verbunden ist.
  • Ein fünfter Aspekt betrifft ein Bondwerkzeug mit einer Bondwerkzeugspitze. Diese kann optional gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet und/oder gemäß dem zweiten oder dritten Aspekt herstellbar sein. Das Bondwerkzeug weist einen integrierten Schaft auf, der dieselbe stoffliche Zusammensetzung aufweist wie die Bondwerkzeugspitze.
  • Ein sechster Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bondverbindung zwischen einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter. Hierbei wird ein zweiter Leiter mittels einer Bondwerkzeugspitze eines Bondwerkzeugs an einen ersten Leiter gepresst. Die Bondwerkzeugspitze weist einen Binder und eine Einlagerungsphase auf. Der Binder ist als Metalllegierung ausgebildet und enthält als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re. Die Einlagerungsphase weist eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln auf, die in den eine Matrix bildenden Binder eingelagert und durch diesen fest miteinander verbunden sind. Während des Anpressens wird eine Ultraschallschwingung in das Bondwerkzeug eingekoppelt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine Bondwerkzeugspitze mit U-förmiger Nut.
  • 2 einen Querschnitt durch ein Bondwerkzeug, das eine gemäß 1 ausgebildete Bondwerkzeugspitze aufweist, sowie einen stoffschlüssig mit dieser verbundenen Schaft.
  • 3 einen Querschnitt durch ein Bondwerkzeug, das eine gemäß 1 ausgebildete Bondwerkzeugspitze aufweist, sowie einen integrierten Schaft, der denselben stofflichen Aufbau besitzt wie die Bondwerkzeugspitze.
  • 4 einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bondwerkzeugspitze mit V-förmiger Nut.
  • 5 eine Draufsicht auf die Nut einer Bondwerkzeugspitze, wobei die Nut zwei Querrillen aufweist.
  • 6 eine Draufsicht auf die Nut einer Bondwerkzeugspitze, wobei die Nut mehrere Querrillen aufweist.
  • 7 einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bondwerkzeugspitze, die eine Waffelstruktur aufweist.
  • 8 eine Draufsicht auf die Waffelstruktur der Bondwerkzeugspitze gemäß 7.
  • 9 eine perspektivische Ansicht eines Bondwerkzeugs, das einen Aufbau gemäß 2 aufweist, allerdings eine V-förmige anstelle einer U-förmigen Nut.
  • 10 eine perspektivische Ansicht eines Bondwerkzeugs, das einen Aufbau gemäß 3 aufweist, allerdings eine V-förmige anstelle einer U-förmigen Nut.
  • 11A–C verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Bondverbindung.
  • 12 ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze.
  • 13 ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze.
  • 14 das Einbringen wenigstens eines Platinmetalls und/oder Rheniums in einen Verbundkörper durch Eintauchen des Verbundkörpers in eine wenigstens ein Platinmetall und/oder Rhenium enthaltende Schmelze.
  • 15 eine schematische Darstellung einer Bondwerkzeugspitze, die einen Volumenbereich aufweist, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt, gemäß einem ersten Beispiel.
  • 16 eine schematische Darstellung einer Bondwerkzeugspitze, die einen Volumenbereich aufweist, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt, gemäß einem zweiten Beispiel.
  • 17 eine schematische Darstellung einer Bondwerkzeugspitze, die einen Volumenbereich aufweist, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt, gemäß einem dritten Beispiel.
  • 18 eine schematische Darstellung einer Bondwerkzeugspitze, die einen Volumenbereich aufweist, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt, gemäß einem vierten Beispiel.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Bondwerkzeugspitze 2, die eine Einlagerungsphase aus einer Vielzahl von Einlagerungspartikeln 21 enthält, sowie einen Binder 20, in den die Einlagerungspartikel 21 eingebettet sind. Der Binder 20 bildet also eine Matrix für die Einlagerungspartikel 21 und verbindet diese fest miteinander. In einer Längsrichtung z der Bondwerkzeugspitze 2 weist diese ein unteres Ende 25 auf, das dazu dient, einen von zwei Fügepartnern, die durch Bonden miteinander zu verbinden sind, gegen den anderen Fügepartner zu pressen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Einlagerungspartikel 21 in den Figuren nur schematisch im Verhältnis zu den Abmessungen der Bondwerkzeugspitze 2 signifikant vergrößert dargestellt sind.
  • Um die mechanische Festigkeit der Bondwerkzeugspitze 2 bei einer während des Bondvorgangs auftretenden Relativbewegung zwischen der Bondwerkzeugspitze 2 und dem anzupressenden Fügepartner (z. B. hervorgerufen durch eine in die Bondwerkzeugspitze 2 eingekoppelte Ultraschallschwingung) zu erhöhen, enthält der als Metalllegierung ausgebildete Binder 20 einen Härtungszusatz. Dieser besteht aus wenigstens einem der folgenden Elemente: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt), Rhenium (Re).
  • Durch den Härtungszusatz erhöht sich die mechanische Widerstandsfähigkeit des Binders 20 und damit einhergehend die Standzeit der Bondwerkzeugspitze 2 gegenüber Abrasion. Der Anteil des Härtungszusatzes an dem Binder 20 kann beispielsweise 5 Gew% bis 95 Gew% des Binders 20 betragen. Außerdem kann der Binder 20 noch genau eines oder ein beliebiges Gemisch aus zwei oder mehr der folgenden Elemente enthalten: Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Mangan (Mn), insgesamt beispielsweise wenigstens 5 Gew% bis 95 Gew%. Dabei können, wie später noch ausführlicher erläutert wird, der in dem Binder 20 enthaltene Härtungszusatz homogen im Binder 20 verteilt sein, oder der Härtungszusatz kann überwiegend in einer oberflächennahen Schicht der Bondwerkzeugspitze 2 oder eines Bondwerkzeugs 1 konzentriert sein.
  • Optional kann der Binder 20 auch noch geringe Mengen von Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) aufweisen, zum Beispiel wenn diese Stoffe aus den Einlagerungspartikeln 21 in den Bereich des Binders 20 diffundieren.
  • Der Binder 20 ist als Legierung ausgebildet, das heißt, er weist zumindest zwei chemische Elemente auf und besitzt eine kristalline Struktur, die auf metallischen Bindungen basiert.
  • Die Gesamtheit der Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase kann einen mittleren volumenäquivalenten Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 10 µm aufweisen. Der volumenäquivalente Durchmesser eines einzelnen Einlagerungspartikels 21 ist durch den Durchmesser einer Kugel gegeben, die dasselbe Volumen aufweist wie der betreffende Einlagerungspartikel 21. Der mittlere volumenäquivalente Durchmesser der Gesamtheit der Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase ist das arithmetische Mittel der volumenäquivalenten Durchmesser sämtlicher Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem genannten mittleren volumenäquivalenten Durchmesser kann die Gesamtheit der Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase ferner ein Volumen aufweisen, das 80% bis 98% des Volumens der Bondwerkzeugspitze 2 entspricht.
  • Die Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase können nicht-metallisch sein. Als Materialien für die Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase eignen sich beispielsweise Carbide (z.B. metallische und/oder nicht-metallische Carbide) oder Nitride (z.B. metallische und/oder nicht-metallische Nitride). Beispielsweise können die Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase eines oder eine beliebige Kombination der vorstehend genannten Materialien aufweisen oder aus einem oder einer beliebigen Kombination der vorstehend genannten Materialien bestehen. Geeignete Carbide sind beispielsweise Wolframcarbid (W-C), Titancarbid (Ti-C), Tantalcarbid (Ta-C), Chromcarbid (Cr-C), Niobcarbid (Nb-C), Siliziumcarbid (Si-C). Geeignete Nitride sind beispielsweise Silizumnitrid (Si-N), Titannitrid (Ti-N). Ebenfalls geeignet als Material für die Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase ist beispielsweise Aluminiumoxid (Al-O). Die genannten Materialien müssen keine bestimmte Stöchiometrie aufweisen.
  • Das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es eine Struktur aufweisen, die zur Führung des anzupressenden Fügepartners und/oder zu einer Verbesserung des Kraftschlusses zwischen der Bondwerkzeugspitze 25 und dem anzupressenden Fügepartner dient.
  • Beispielsweise kann die Bondwerkzeugspitze 2 an ihrem unteren Ende 25 eine Führungsnut 22 aufweisen, die sich in einer zur Längsachse z der Bondwerkzeugspitze 2 senkrecht verlaufenden Richtung x erstreckt. Im Laufe des späteren Bondvorgangs wirkt die Anpresskraft, mit der die Bondwerkzeugspitze 2 einen der Fügepartner gegen den anderen presst, in Richtung der Längsachse z. Aufgrund der Führungsnut 22 umgreift die Bondwerkzeugspitze 2 beim Bondvorgang den anzupressenden Fügepartner teilweise.
  • Eine Bondwerkzeugspitze 2, wie sie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, kann in einem Bondwerkzeug 1 eingesetzt werden, wie es beispielhaft in 2 gezeigt ist. Dabei stellt das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 auch ein unteres Ende des Bondwerkzeugs 1 dar. Das Bondwerkzeug 1 kann außerdem eine Längsachse aufweisen, die identisch ist mit der Längsachse der Bondwerkzeugspitze 2.
  • Das Bondwerkzeug 1 weist zusätzlich zu einer Bondwerkzeugspitze 2 einen Schaft 3 auf, der dazu dient, das Bondwerkzeug 1 in einen Bonder einzuspannen. Der Schaft 3 ist mit der Bondwerkzeugspitze 2 stoffschlüssig, beispielsweise durch Hartlöten, verbunden. Ein solches Bondwerkzeug 1 kann dadurch erzeugt werden, dass die Bondwerkzeugspitze 2 und der Schaft 3 unabhängig voneinander hergestellt und dann stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
  • Der Schaft 3 kann, muss jedoch kein Element der Platinmetallgruppe oder Rheniums, d.h. keinen der genannten Härtungszusätze, aufweisen, da der Schaft 3 beim späteren Bondvorgang nicht mit einem der Fügepartner in Berührung kommt, so dass insoweit kein Erfordernis nach einer erhöhten Abriebfestigkeit besteht.
  • Anstelle eine vorgefertigten Bondwerkzeugspitze 2 mit einem unabhängig von dieser hergestellten Schaft 3 stoffschlüssig zu verbinden, ist es auch möglich, eine Bondwerkzeugspitze 2 und einen Schaft 3 simultan und in einem Stück zu fertigen, also ohne dass nachträglich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einer vorgefertigten Bondwerkzeugspitze 2 und einem von dieser unabhängig vorgefertigten Schaft 3 erzeugt werden muss. Als Beispiel hierfür zeigt 3 ein Bondwerkzeug 1, dessen Schaft 3 dieselbe stoffliche Zusammensetzung aufweist, wie die Bondwerkzeugspitze 2 desselben Bondwerkzeugs 1. Ein gemäß 3 ausgebildetes Bondwerkzeug 1 kann also identisch sein mit einer Bondwerkzeugspitze 2, wie sie bezugnehmend auf 1 beschrieben wurde, wenn die Bondwerkzeugspitze 2 mit einem integrierten Schaft 3 hergestellt wird. Insoweit kann ein gemäß 3 ausgebildetes Bondwerkzeug 1 eine stoffliche Zusammensetzung aufweisen, wie sie für die Bondwerkzeugspitze 2 gemäß 1 erläutert wurde.
  • Bei den vorangehend gezeigten Beispielen war das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitzen 2 mit einer Führungsnut 22 versehen, die in einer zu ihrer Verlaufsrichtung x senkrechten Schnittebene einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Davon abweichend kann eine Führungsnut 22 jedoch auch beliebige andere Querschnittsformen aufweisen. Als Beispiel hierfür zeigt 4 einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bondwerkzeugspitze 2, deren unteres Ende 25 eine im Querschnitt V-förmige Führungsnut 22 aufweist.
  • Wie weiterhin anhand der 5 und 6 zu erkennen ist, kann eine Führungsnut 22 eine, zwei (5) oder mehre als zwei (6) Querrillen 23 aufweisen, um während des Bondvorgangs den Kraftschluss zwischen der Bondwerkzeugspitze 2 bzw. dem Bondwerkzeug 1 und dem anzupressenden Fügepartner zu erhöhen. Jede der Querrillen 23 kann sich dabei in eine Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung x der Führungsnut 22 erstrecken.
  • Eine Führungsnut 22 stellt während des Bondvorgangs eine Führung für den anzupressenden Fügepartner dar, d. h. im Bereich der Bondwerkzeugspitze 2 ist die Verlaufsrichtung des durch die Bondwerkzeugspitze 2 bzw. des Bondwerkzeugs 1 angepressten Fügepartners identisch mit der Verlaufsrichtung der Nut 22.
  • Anstelle einer derartigen Führungsnut 22 kann das untere Ende 25 einer Bondwerkzeugspitze 2 jedoch auch eine andere Struktur aufweisen, die geeignet ist, während des Bondvorgangs den Kraftschluss zwischen der Bondwerkzeugspitze 2 bzw. dem Bondwerkzeug 1 und dem anzupressenden Fügepartner zu erhöhen. Als Beispiel hierfür sei eine Waffelstruktur genannt, wie sie in 7 im Querschnitt und in 8 in Draufsicht auf das untere Ende 25 gezeigt ist.
  • Die 9 und 10 zeigen noch perspektivische Ansichten von Bondwerkzeugen 1, deren Aufbau dem unter Bezugnahme auf 2 bzw. 3 erläuterten Aufbau entspricht mit dem Unterschied, dass die Führungsnut 22 im Querschnitt nicht U-förmig sondern V-förmig ist. Alternativ kann das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 des Bondwerkzeugs 1 jedoch auch mit einer beliebigen anderen Struktur zur Erhöhung des Kraftschlusses versehen sein, insbesondere mit einer Struktur, wie sie unter Bezugnahme auf die vorangehenden Figuren erläutert wurde.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann eine Bondwerkzeugspitze 2 oder ein Bondwerkzeug 1 kein Osmium (Os) enthalten. Hierdurch lassen sich Risiken vermeiden, die von hoch toxischen Osmiumoxiden (insbesondere Osmiumtetroxid OsO4) ausgehen.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 11A bis 11C ein Fügeverfahren zur Herstellung einer Bondverbindung zwischen einem ersten Fügepartner 41 und einem zweiten Fügepartner 42 erläutert. Dem Grunde nach handelt es sich bei dem Fügeverfahren um ein Ultraschalbond- oder Ultraschallschweißverfahren. Bei dem ersten Fügepartner 41 kann es sich beispielsweise um eine Metallisierung eines Objekts 40, z.B. eines Halbleiterchips, einer isolierenden Keramikschicht oder eines anderen Objekts, handeln, bei dem zweiten Fügepartner 42 um einen Bonddraht mit kreisförmigem oder nicht-kreisförmigem Querschnitt. In diesem Sinne werden Bondbändchen oder Metallbänder mit nicht-kreisförmigem Querschnitt ebenfalls als Bonddrähte angesehen.
  • Wie in 11A dargestellt ist, wird der zweite Fügepartner 42 zwischen dem unteren Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 bzw. dem unteren Ende 25 des Bondwerkzeugs 1 einerseits und dem ersten Fügepartner 41 andererseits angeordnet und durch das untere Ende 25 des in einen Bonder 6 eingespannten Bondwerkzeugs 1 mit einer Anpresskraft F gegen den ersten Fügepartner 41 gepresst. Während des Anpressvorgangs wird außerdem über einen Ultraschallgeber 5 Ultraschallenergie in Form von Ultraschallschwingungen in das Bondwerkzeug 1 und damit in die Bondwerkzeugspitze 2 eingekoppelt. Geeignete Ultraschallfrequenzen liegen beispielsweise im Bereich von 20 kHz bis 140 kHz. Grundsätzlich kann jedoch auch bei Frequenzen gearbeitet werden, die unterhalb oder oberhalb des genannten Bereichs liegen. Die Leistung des letztlich in das Bondwerkzeug 1 eingekoppelten Ultraschallsignals kann beispielsweise bis zu 3000 W betragen und z.B. wenigstens 0,1 W aufweisen.
  • Das Ultraschallsignal bewirkt, dass das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 in einer Richtung x, die im Wesentlichen senkrecht zur Längs- oder Anpressrichtung z verläuft, mit hoher Frequenz hin- und her schwingt. Dies führt in an sich bekannter Weise zu einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zwischen dem ersten Fügepartner 41 und dem zweiten Fügepartner 42, bei der die Fügepartner 41 und 42 unmittelbar miteinander verbunden sind. Nach der Herstellung dieser Fügeverbindung kann das Bondwerkzeug 1, wie in 11C gezeigt, von der Fügestelle abgehoben werden.
  • Das vorangehend erläuterte Fügeverfahren eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich zur Verbindung zweier als elektrische Leiter ausgebildeter Fügepartner 41, 42. Das Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass es sich bei dem ersten Fügepartner 41 um eine Metallisierung eines Körpers 40 handeln muss. Beispielsweise kann der erste Fügepartner 41 auch als solitäres metallisches Element wie z.B. eine Metallplatte ausgebildet sein. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass es sich bei dem zweiten Fügepartner 42 um einen Bonddraht handelt.
  • Sofern der zweite Fügepartner 42 als Bonddraht (dieser schließt Bondbändchen ein) ausgebildet ist, kann er beispielsweise außerhalb von Bondstellen optional eine Querschnittsfläche von wenigstens 0,07 mm2 aufweisen, was im Fall eines Bonddrahtes mit kreisförmigem Querschnitt einem Durchmesser von etwa 300 µm entspricht. Allerdings können andere Fügepartner 42, die die eine Querschnittsfläche von weniger als 0,07 mm2 aufweisen, ebenfalls auf die erläuterte Weise unter Verwendung eines einen Härtungszusatz aufweisenden Bondwerkzeugs 1 gebondet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Fügepartner 42 vollständig oder zumindest zu 99,88 Atom% aus Kupfer bestehen, das im Hinblick auf die Abrasionsfestigkeit besonders hohe Anforderungen an das untere Ende 25 der Bondwerkzeugspitze 2 bzw. des Bondwerkzeugs 1 stellt. Allerdings können andere Fügepartner 42, die weniger oder kein Kupfer enthalten, ebenfalls auf die erläuterte Weise unter Verwendung eines einen Härtungszusatz aufweisenden Bondwerkzeugs 1 gebondet werden.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 12 noch ein Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze 2 vorgestellt, wie sie bezugnehmend auf 1 erläutert wurde, oder zur Herstellung eines Bondwerkzeugs 1, wie es bezugnehmend auf 3 erläutert wurde. Zunächst wird ein Metallpulver bereitgestellt, das als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält (701). Sofern jedoch eine Bondwerkzeugspitze 2 oder ein Bondwerkzeug 3 hergestellt werden soll, der kein Osmium (Os) enthält, enthält das bereitgestellte Metallpulver als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re.
  • Ebenfalls bereitgestellt wird eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln 21 (702). Das Metallpulver bildet später im Wesentlichen den Binder 20 (d.h. die Matrix), die Einlagerungspartikel 21 im Wesentlichen die Einlagerungsphase. Das Metallpulver und die Einlagerungspartikel 21 werden dann vermischt, so dass eine Mischung entsteht (703), die bei ausreichender Durchmischung auch homogen sein kann. Durch Sintern (z.B. durch Flüssigphasensintern) der Mischung wird dann ein Verbundkörper gebildet (704). Durch das Sintern entsteht aus dem Metallpulver der Binder 20, d.h. eine Matrix, die die Einlagerungspartikel 21 fest miteinander verbindet und die außerdem zumindest einen der genannten Härtungszusätze enthält und dadurch eine besonders geringe Abrasivität aufweist.
  • Weiterhin wird unter Bezugnahme auf 13 noch ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze 2 vorgestellt, wie sie bezugnehmend auf 1 erläutert wurde, oder zur Herstellung eines Bondwerkzeugs 1, wie es bezugnehmend auf 3 erläutert wurde. Zunächst wird ein Metallpulver bereitgestellt, das einen der genannten Härtungszusätze, d.h. zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthalten kann, oder das keinen der genannten Härtungszusätze, d.h. keines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re, aufweisen kann (801). Sofern jedoch eine Bondwerkzeugspitze 2 oder ein
  • Bondwerkzeug 3 hergestellt werden soll, die bzw. das kein Osmium (Os) enthält, enthält das Metallpulver kein Osmium.
  • Ebenfalls bereitgestellt wird eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln (802). Das Metallpulver bildet später im Wesentlichen den Binder 20 (d.h. die Matrix), die Einlagerungspartikel 21 im Wesentlichen die Einlagerungsphase. Das Metallpulver und die Einlagerungspartikel 21 werden dann vermischt, so dass eine Mischung entsteht (803), die bei ausreichender Durchmischung auch homogen sein kann. Durch Sintern (z.B. durch Flüssigphasensintern) der Mischung wird dann ein Verbundkörper gebildet (804). Während des Sinterns entsteht aus dem Metallpulver ein Binder, der die Einlagerungspartikel 21 der Einlagerungsphase fest miteinander verbindet und der bereits zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthalten kann, was aber nicht zwingend der Fall sein muss.
  • Um erstmalig oder zusätzlich zumindest eines oder mehrere der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re in den Binder des Verbundkörpers einzubringen und damit eine Bondwerkzeugspitze 2 oder ein Bondwerkzeug 1 mit einem einen Härtungszusatz enthaltenden, abrasionsresistenten Binder 20 zu erzeugen, kann der Verbundkörper in eine den Härtungszusatz (d.h. in eine zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re) enthaltende Schmelze eingebracht werden, wodurch der Härtungszusatz aus der Schmelze in den Binder des Verbundkörpers eindiffundiert, so dass die fertige Bondwerkzeugspitze 2 bzw. das fertige Bondwerkzeug 1 zumindest in einem Bereich, in dem der Binder 20 die Oberfläche der Bondwerkzeugspitze 2 bzw. des Bondwerkzeugs 1 bildet, einen Härtungszusatz enthält.
  • 14 zeigt hierzu einen Tiegel 7, der eine einen Härtungszusatz 71 aufweisende Schmelze 70 enthält. In die Schmelze 70 sind Verbundkörper zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze 2 (links) bzw. zur Herstellung eines Bondwerkzeugs 1 (rechts) eingebracht. Optional kann die Schmelze 70 noch ein oder mehr weitere Metalle 72, beispielsweise genau eines oder ein beliebiges Gemisch aus zwei oder mehr der folgenden Elemente enthalten: Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Mangan (Mn).
  • Aufgrund des Härtungszusatzes kann eine Bondwerkzeugspitze 2, wie sie vorangehend beschrieben wurde, einen zusammenhängenden Volumenbereich 26 mit einem Volumen von wenigstens 0,01 mm3 aufweisen, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt. Verschiedene Beispiele hierzu sind in den 15 bis 18 schematisch dargestellt. Die Bondwerkzeugspitze 2 weist jeweils eine Kontaktoberfläche 27 auf, die, wenn das Bondwerkzeug einen zweiten Leiter 42 gegen den ersten Leiter 41 presst, den zweiten Leiter 42 unmittelbar kontaktiert.
  • Wie anhand der 15 bis 18 veranschaulicht ist, kann sich ein zusammenhängender Volumenbereich 26 ausgehend von der Kontaktoberfläche 27 in die Bondwerkzeugspitze 2 hinein erstrecken. Infolge der hohen Konzentration des Härtungszusatzes zumindest im Bereich der Kontaktoberfläche 27 weist die Bondwerkzeugspitze 2 zumindest im Bereich der Kontaktoberfläche 27 eine hohe Härte und damit eine geringere Abrasivität auf, als herkömmliche Bondwerkzeugspitzen. Dieses Kriterium kann für sämtliche der vorangehend erläuterten Bondwerkzeugspitzen 2 gelten.
  • Optional kann ein solcher zusammenhängender Volumenbereich 26, der ein Volumen von wenigstens 0,01 mm3 aufweist und in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt, auch von der Kontaktoberfläche 27 beabstandet sein, was schematisch in 18 dargestellt ist. Hierdurch kann, wenn sich die Bondwerkzeugspitze 2 im Lauf der Zeit im Bereich ihrer ursprünglichen Kontaktoberfläche 27 abnutzt, sichergestellt werden, dass sie auch an ihrer nach der Abnutzung vorliegenden „neuen“ Kontaktoberfläche 27 eine durch den Härtungszusatz 27 bewirkte hohe Härte aufweist.
  • Wie aus 18 ebenfalls hervorgeht, kann eine Bondwerkzeugspitze 2 zwei oder mehr (prinzipiell beliebig viele) zusammenhängende Volumenbereiche 26 aufweisen, die jeweils ein Volumen von wenigstens 0,01 mm3 aufweisen und in denen der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt.

Claims (23)

  1. Bondwerkzeugspitze, die aufweist: einen Binder (20), der als Metalllegierung ausgebildet ist und der als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält; und eine Einlagerungsphase aus einer Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21), die in den eine Matrix bildenden Binder (20) eingelagert und durch diesen fest miteinander verbunden sind.
  2. Bondwerkzeugspitze nach Anspruch 1, bei der der Binder (20) genau eines oder ein beliebiges Gemisch aus zwei oder mehr der folgenden Elemente enthält: Cobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Mangan (Mn).
  3. Bondwerkzeugspitze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Gesamtheit der Einlagerungspartikel (21) einen mittleren volumenäquivalenten Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 10 µm aufweist.
  4. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Gesamtheit der Einlagerungspartikel (21) ein Volumen aufweist, das 80% bis 98% des Volumens der Bondwerkzeugspitze (2) entspricht.
  5. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Einlagerungspartikel (21) eines oder eine beliebige Kombination der folgenden Materialen aufweisen, oder aus einem oder einer beliebigen Kombination der folgenden Materialen bestehen: einem oder mehreren metallischen und/oder nicht-metallischen Carbiden; einem oder mehreren metallischen und/oder nicht-metallischen Nitriden.
  6. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Einlagerungspartikel (21) eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem oder mehreren der folgenden Materialien bestehen: Wolframcarbid (W-C); Titancarbid (Ti-C); Tantalcarbid (Ta-C), Chromcarbid (Cr-C), Niobcarbid (Nb-C), Siliziumcarbid (Si-C), Titannitrid (Ti-N), Silizumnitrid (Si-N), Aluminiumoxid (Al-O).
  7. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Längsachse (z) aufweist, sowie eine im Querschnitt U- oder V-förmige Führungsnut (22), die in einer zur Längsachse (z) senkrechten lateralen Richtung (x) verläuft.
  8. Bondwerkzeugspitze nach Anspruch 7, bei der die Führungsnut (22) eine oder mehr jeweils senkrecht zur lateralen Richtung (x) verlaufende Querrillen (23) aufweist.
  9. Bondwerkzeugspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Waffelstruktur.
  10. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Anteil des Härtungszusatzes am Binder (20) 5 Gewichtsprozent bis 95 Gewichtsprozent beträgt.
  11. Bondwerkzeugspitze nach Anspruch 10, bei der der Härtungszusatz homogen im Binder (20) verteilt ist.
  12. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, die kein Osmium (Os) enthält.
  13. Bondwerkzeugspitze nach einem der vorangehenden Ansprüche, die einen zusammenhängenden Volumenbereich (26) mit einem Volumen von wenigstens 0,01 mm3 aufweist, in dem der Anteil des Härtungszusatzes mindestens 0,28 Atomprozent beträgt.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze (2), die gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Metallpulvers, das zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re; Bereitstellen einer Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21); Erzeugen einer Mischung durch Vermischen des Metallpulvers mit der Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21); und Erzeugen eines Verbundkörpers durch Sintern der Mischung.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Bondwerkzeugspitze (2), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Metallpulvers; Bereitstellen einer Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21); Erzeugen einer Mischung durch Vermischen des Metallpulvers mit der Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21); Erzeugen eines Verbundkörpers durch Sintern der Mischung; und Eintauchen des Verbundkörpers in eine Schmelze (70), die zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Schmelze (70) genau eines oder ein beliebiges Gemisch aus zwei oder mehr der folgenden Elemente enthält: Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Mangan (Mn); und/oder das Metallpulver genau eines oder ein beliebiges Gemisch aus zwei oder mehr der folgenden Elemente enthält: Kobalt (Co), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Mangan (Mn).
  17. Bondwerkzeug mit einer Bondwerkzeugspitze (2), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet und/oder die gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16 herstellbar ist, und das einen Schaft (3) aufweist, der stoffschlüssig mit der Bondwerkzeugspitze (21) verbunden ist.
  18. Bondwerkzeug nach Anspruch 17, bei dem der Schaft (3) keines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält.
  19. Bondwerkzeug mit einer Bondwerkzeugspitze (2), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet und/oder die gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16 herstellbar ist; und das einen integrierten Schaft (3) aufweist, der dieselbe stoffliche Zusammensetzung wie die Bondwerkzeugspitze (2) aufweist.
  20. Verfahren zur Herstellung einer Bondverbindung zwischen einem ersten Leiter (41) und einem zweiten Leiter (42), wobei das Verfahren aufweist: Anpressen eines zweiten Leiters (42) an einen ersten Leiter (41) mittels einer Bondwerkzeugspitze eines Bondwerkzeugs (1), wobei die Bondwerkzeugspitze einen Binder (20) und eine Einlagerungsphase aufweist, wobei der Binder (20) als Metalllegierung ausgebildet ist und als Härtungszusatz zumindest eines der Elemente Os, Pd, Ru, Ir, Pt, Rh, Re enthält, und wobei die Einlagerungsphase eine Vielzahl von Einlagerungspartikeln (21) aufweist, die in den eine Matrix bildenden Binder (20) eingelagert und durch diesen fest miteinander verbunden sind; und Einkoppeln einer Ultraschallschwingung in das Bondwerkzeug (1) während des Anpressens.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Schaft (3) des Bondwerkzeugs (1) vor dem Anpressen in einen Bonder (6) eingespannt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem der zweite Leiter (42) als Bonddraht oder als Bondbändchen ausgebildet ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem der zweite Leiter (42) vollständig oder zumindest zu 99,88 Atom% aus Kupfer besteht.
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