DE102019119348A1 - Beschichtetes Trägerband, Bonddraht und Bondbändchen sowie Verwendung derselben zum Bonden einer Leistungselektronik - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Trägerband bestehend aus einem Substrat und einer bondbaren Funktionsschicht, wobei das Substrat aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht, wobei die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material besteht, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann, wobei die Funktionsschicht direkt auf das Substrat mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens oder Tauchverfahrens aufgebracht wurde. Alternativ kann auch zwischen Substrat und Funktionsschicht eine Zwischenschicht aus Kuper mit einer Dicke von unter 2,0 µm vorhanden sein.Die Erfindung betrifft auch prinzipiell gleich aufgebaute Bonddrähte und Bondbändchen, wobei das Substrat durch einen Kern ersetzt ist.Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Trägerbandes, Bonddrahtes oder Bondbändchens zum Bonden einer Leistungselektronik.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Trägerband mit einem Substrat und einer bondbaren Funktionsschicht sowie einen Bonddraht oder ein Bondbändchen mit einem Kern und einer Funktionsschicht sowie eine Verwendung derselben zum Bonden einer Leistungselektronik.
  • Das Bonden mit Drähten setzt man seit vielen Jahren ein, im Bereich der Leistungselektronik wird Kupfer ungeschützt verwendet. Klassisch setzt man hier auf Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierungen, auf die gebondet wird. Gold wird nur bei feinen Drähten eingesetzt. In der Regel kommt in der Elektrotechnik dann als Drahtmaterial auch Aluminium zum Einsatz. Die Kosten des Aluminiumplattierens stellen einen großen Teil der Werkstoffkosten des Bondsystems dar. Das Kupfer, in das hinein plattiert wird, wäre alleine dagegen deutlich günstiger.
  • Eine übliche galvanische Beschichtung des Kupfers mit einem Mehrschichtsystem wird oft eingesetzt. Diese Systeme müssen deutlich dicker sein als wenige Nanometer. Auf eine dicke Unternickelung von 2-4 µm wird eine Palladium- und/oder Goldschicht von mindestens 60 nm aufgetragen, meist ist letztgenannte Schichtdicke sogar noch deutlich höher. Dadurch wird die Beschichtung teuer und die Einsparung aufgrund des niedrigen Materialpreises des Kupfers wird durch den Aufwand der Galvanisierung kompensiert.
  • Es wird teilweise auch reines ungeschütztes Kupferband ohne jede zusätzliche Schicht verwendet. Hierbei muss aber darauf geachtet werden, dass so ein Halbzeug unter besonderen Bedingungen gelagert werden muss, beispielsweise unter Stickstoffatmosphäre, um eine Oxidierung der Kupferoberfläche zu verhindern, da ansonsten nur kurz nach einer Reinigung der Oberfläche zuverlässig gebondet werden kann.
  • Aluminium als Draht direkt auf Kupfer einzusetzen, hat den Nachteil, dass sich durch die Bildung intermetallischer Phasen zwischen Kupfer und Drahtmaterial und bei großen Strömen - wie sie in der Leistungselektronik auftreten - durch häufige Temperaturwechsel - Strom fließt und erwärmt den Draht; wenn der Strom ausgeschaltet ist findet eine Abkühlung statt - Risse im Bondfuß bilden, die dann zu einem Bondversagen im Einsatz führen. Noch problematischer ist aber, dass ungeschütztes Kupfer bis zum Bonden korrodiert und damit metallurgische Reaktionen im Bondfuß zwischen den Metallen - es bilden sich intermetallische Phasen - nicht sauber laufen, sondern Korrosionsprodukte des Kupfers eingebaut werden, die die Funktion und Haltbarkeit des Bondes negativ beeinflussen. Eine dicke Kupferoxidschicht verhindert das sichere Anbinden des Bonddrahtes auf der Kupferoberfläche.
  • Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trägerband, einen Bonddraht und ein Bondbändchen, die Kupfer als Grundmaterial beim Bonden nutzen, mit einem temporärem Anlaufschutz zu versehen, um sie bis zur Bondverarbeitung vor Korrosion zu schützen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein beschichtetes Trägerband mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder durch einen Bonddraht oder ein Bondbändchen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird die Nickel-Sperrschicht weggelassen. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass leichtes Eindiffundieren des Edelmetalls in das Kupfer, was durch die Nickel-Sperrschicht verhindert würde, nicht schadet. Trotz des Eindiffundierens bleibt ein ausreichender Korrosionsschutz bestehen. Dieser ist zwar nicht dauerhaft, aber wenn das Material ein Jahr lang gut bondbar ist, dann reicht dies üblicherweise.
  • Danach wird die Aufgabe durch ein beschichtetes Trägerband beziehungsweise einen Bonddraht oder ein Bondbändchen gelöst, das aus einem Substrat beziehungsweise aus einem Kern und einer bondbaren Funktionsschicht besteht, dabei besteht das Substrat beziehungsweise der Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung und die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann, wobei die Funktionsschicht direkt auf das Substrat beziehungsweise den Kern mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens oder Tauchverfahrens aufgebracht wurde. Bei den Bonddrähten und Bondbändchen handelt es sich um das Gegenstück zu den Trägerbändern, die miteinander gebondet werden und deren Aufbau prinzipiell gleich ist, Um günstiger große Ströme auf Dauer über Bondverbindungen zu leiten, wird erfindungsgemäß das Kupfer durch einen temporären Anlaufschutz ohne Unternickelung geschützt, der die Bondbarkeit nicht beeinträchtigt, sondern verbessert, und den Fertigungsprozess stabiler macht. Dadurch wird auch Kupfer mit Kupferdraht sauber und somit leichter verbondbar. Die Verwendung von ansonsten oft eingesetztem Schutzgas beim Bonden kann hierbei sogar entfallen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein beschichtetes Trägerband mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 oder durch einen Bonddraht oder ein Bondbändchen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Danach wird die Aufgabe durch ein beschichtetes Trägerband gelöst, das sich von dem vorgenannten dadurch unterscheidet, dass zwischen Substrat und Funktionsschicht noch eine Zwischenschicht vorhanden ist, die aus Kupfer mit einer Dicke von unter 2 µm, besteht, insbesondere beträgt die Dicke 0,05-1,0 µm, bevorzugt 0,05-0,5 µm. Es ergeben sich dieselben Vorteile, wie oben zu einem Trägerband, einem Bonddraht oder einem Bondbändchen gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 ausgeführt.
  • Die Dicke des Trägerbandes beträgt vorteilhafterweise 0,1-4,0 mm, typischerweise 0,4-1,5 mm und bevorzugt 0,6-1,5 mm.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Funktionsschicht des Trägerbandes nicht durchgängig geschlossen ist, die Durchmesser der Löcher jedoch nicht größer als 700 µm, bevorzugt nicht größer als 200 µm, besonders bevorzugt nicht größer als 10 µm, sind. Eine solche Funktionsschicht, nicht perfekte Beschichtung, ist mit weniger Aufwand herzustellen als eine perfekte Funktionsschicht, ohne jede Löcher und Poren. Da die Löcher jedoch deutlich kleiner sind als der Durchmesser des zu bondenden Drahtes, schadet es nicht, wenn in den Löchern Korrosionsprodukte vorhanden wären.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kern des Bonddrahtes einen Durchmesser von 125-800 um, bevorzugt 300-500 µm, besonders bevorzugt 300-400 µm, aufweist. Da es sich dabei um gängige Dicken handelt, können die vorhandenen Bondvorrichtungen und -verfahren verwendet werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kern des Bondbändchens eine Dicke von 0,1-1,0 mm, bevorzugt 0,2-0,7 mm, besonders bevorzugt 0,2-0,5 mm, und/oder eine Breite von 1,0-5,0 mm, bevorzugt 2,0-4,0 mm, besonders bevorzugt 2,0-3,0 mm, aufweist. Da es sich dabei um gängige Dicken und Breiten handelt, können die vorhandenen Bondvorrichtungen und -verfahren verwendet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schichtdicke der Funktionsschicht 5-200 nm, bevorzugt 5-100 nm, besonderes bevorzugt 10-50 nm, beträgt. Solche Schichtdicken werden in einem Galvanisierungsbad schon bei Verweilzeiten von 1-20 s erzielt, wodurch die Herstellungsdauer deutlich reduziert wird. Die Beschichtung mit einer so dünnen Funktionsschicht beeinträchtigt nachfolgende Prozesse wie Bonden, Kleben, Löten, Schweißen nicht und muss daher auch nicht entfernt werden, wie dies bei organischen Schutzoberflächen nötig wäre.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Funktionsschicht aus einem Silikat, einer Chromverbindung, leitfähigen organischen Molekülen, einem Leitlack, einer Palladium-Nickel-Legierung oder einem Edelmetall, insbesondere Palladium, Gold, Silber, Rhodium, besteht. Edelmetalle sind hierbei für das Bonden seit Jahrzehnten erprobte Schichten, andere Korrosionsschutzschichten müssen so optimiert werden, dass sie stabil durchstoßen werden und die Bondqualität nicht kritisch beeinflussen. Sie bieten einen Materialpreisvorteil gegenüber edelmetallhaltigen Schichten.
  • Die Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines Trägerbandes, einen Bonddraht oder ein Bondbändchen gemäß der Erfindung zum Bonden einer Leistungselektronik gelöst. Es ergeben sich die schon oben zum Trägerband, Bonddraht und Bondbändchen genannten Vorteile.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nun anhand von jeweils einem Ausführungsbeispiel für ein beschichtetes Trägerband, einen Bonddraht und ein Bondbändchen näher erläutert.
  • Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines beschichteten Trägerbandes weist ein Substrat aus reinem Kupfer aus. Die Querschnittsmaße dieses Substrats betragen 0,6 mm x 25 mm und die Länge des Trägerbandes ist üblicherweise mehr als 100 m für die Beschichtung in der Bandgalvanik. Auf die eine Seite dieses Substrats wurde eine Funktionsschicht aus reinem Palladium mit einer Schichtdicke von 10 nm in einem Galvanisierungsbad aufgebracht. Hierfür reicht bei dieser geringen Schichtdicke eine Verweilzeit von ca. 10 s aus. Nach der Herstellung wird das beschichtete Trägerband aufgerollt.
  • Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Bonddrahtes weist einen Kern aus reinem Kupfer aus, dessen Durchmesser 300 µm beträgt. Auf den Kern wurde eine Funktionsschicht aus reinem Gold mit einer Schichtdicke von 10 nm in einem Galvanisierungsbad aufgebracht. Hierfür reicht bei dieser geringen Schichtdicke eine Verweilzeit von ca. 10 s aus. Nach der Herstellung wird der beschichtete Bonddtaht aufgerollt.
  • Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Bondbändchens weist einen Kern aus reinem Kupfer aus. Die Querschnittsmaße dieses Kerns betragen 0,5 mm x 2,0 mm und die Länge ist 2 cm in der Batterietechnik im abgelängten Zustand beziehungsweise mehr als 50 m als Rollenware. Auf den Kern wurde eine Funktionsschicht aus reinem Gold mit einer Schichtdicke von 10 nm in einem Galvanisierungsbad aufgebracht. Hierfür reicht bei dieser geringen Schichtdicke eine Verweilzeit von ca. 10 s aus. Nach der Herstellung wird das beschichtete Bondbändchen aufgerollt.
  • Jeweils weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele für ein beschichtetes Trägerband, einen Bonddraht und ein Bondbändchen unterscheiden sich von den vorgenannten Ausführungsbeispielen dadurch, dass jeweils zwischen Substrat beziehungsweise Kern und Funktionsschicht eine Zwischenschicht aus Kupfer mit einer Dicke von 0,1 µm ausgebildet ist.
  • Die für die Ausführungsbeispiele angegebenen Materialien Abmessungen sind nicht beschränkend; vielmehr können alternativ alle weiter oben genannten Materialien und Abmessungen verwendet werden. Die verwendeten Längen des Trägerbandes, des Bonddrahtes und des Bondbändchens hängen davon ab, wie groß die entsprechenden Lose gemacht werden sollen.
  • Die Vorteile der Erfindung lassen sich die wie folgt zusammenfassen:
    • - Wesentliche Vereinfachung von Verpackung und Lagerung.
    • - Deutlich längere Verfallszeit für geöffnete Lose während der Fertigung durch Senkung des Korrosionsangriffs auf die Bondoberfläche.
    • - Eliminierung beziehungsweise Minimierung des oxidationsbedingten Ausschusses.
    • - Hohe Prozessstabilität beim Bonden hinsichtlich Streuung der Bond(prüf)kräfte.
    • - Erhöhung der Temperaturwechselzyklenzahl, die ein Bond sicher aushält.
    • - Klimaeinflüsse auf das Kupfer werden sehr stark gesenkt, in einer globalisierten Fertigungskette wird mithin eine stabile Fertigung ermöglicht.
    • - Bonddrähte und Bondprodukte können viel einfacher bevorratet werden. Somit sind größere, günstigere Abnahmelose möglich.

Claims (10)

  1. Beschichtetes Trägerband bestehend aus einem Substrat und einer bondbaren Funktionsschicht, wobei das Substrat aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht, wobei die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material besteht, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann, wobei die Funktionsschicht direkt auf das Substrat mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens oder Tauchverfahrens aufgebracht wurde.
  2. Beschichtetes Trägerband bestehend aus einem Substrat, einer Zwischenschicht und einer bondbaren Funktionsschicht, wobei das Substrat aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht, wobei die Zwischenschicht aus Kupfer besteht, das eine Dicke von unter 2 µm, insbesondere 0,05-1,0 µm, bevorzugt 0,05-0,5 µm, aufweist, wobei die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material besteht, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann, wobei die Funktionsschicht auf die Zwischenschicht mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens oder Tauchverfahrens aufgebracht wurde.
  3. Trägerband nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Funktionsschicht nicht durchgängig geschlossen ist, die Durchmesser der Löcher jedoch nicht größer als 700 µm, bevorzugt nicht größer als 200 µm, besonders bevorzugt nicht größer als 10 µm, sind.
  4. Bonddraht oder Bondbändchen aus genau zwei Komponenten, einem Kern und einer Funktionsschicht, wobei der Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht, wobei die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material besteht, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann,, wobei die Funktionsschicht direkt auf den Kern mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens aufgebracht wurde.
  5. Bonddraht oder Bondbändchen bestehend aus einem Kern, einer Zwischenschicht und einer Funktionsschicht, wobei der Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht, wobei die Zwischenschicht aus Kupfer besteht, das eine Dicke von unter 2 µm, insbesondere 0,05-1,0 µm, bevorzugt 0,05-0,5 µm, aufweist, wobei die Funktionsschicht aus einem anorganischen oder organischen Material besteht, auf dem oder durch das hindurch technisch zuverlässig gebondet werden kann, wobei die Funktionsschicht auf die Zwischenschicht mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens aufgebracht wurde.
  6. Bonddraht nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei sein Kern einen Durchmesser von 125-800 µm, bevorzugt 300-500 µm, besonders bevorzugt 300-400 µm, aufweist.
  7. Bondbändchen nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei sein Kern eine Dicke von 0,1-1,0 mm, bevorzugt 0,2-0,7 mm, besonders bevorzugt 0,2-0,5 mm, und/oder eine Breite von 1,0-5,0 mm, bevorzugt 2,0-4,0 mm, besonders bevorzugt 2,0-3,0 mm, aufweist.
  8. Trägerband, Bonddraht oder Bondbändchen nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Schichtdicke der Funktionsschicht 5-200 nm, bevorzugt 5-100 nm, besonderes bevorzugt 10-50 nm, beträgt.
  9. Trägerband, Bonddraht oder Bondbändchen nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Funktionsschicht aus einem Silikat, einer Chromverbindung, leitfähigen organischen Molekülen, einem Leitlack, einer Palladium-Nickel-Legierung oder einem Edelmetall, insbesondere Palladium, Gold, Silber, Rhodium, besteht.
  10. Verwendung eines Trägerbandes, Bonddrahtes oder Bondbändchens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche zum Bonden einer Leistungselektronik.
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