DE102019128634B3

DE102019128634B3 - Laserbonden mit mehrlagigen Bändchen

Info

Publication number: DE102019128634B3
Application number: DE102019128634.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Mehlmann
Original assignee: F&K Delvotec Bondtechnik GmbH
Current assignee: F&K Delvotec Bondtechnik GmbH
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2039-10-24

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer gebondeten selbsttragenden Leiter-Verbindung zwischen zwei Bondstellen, an denen jeweils in einem Bondschritt eine stoffschlüssige Verbindung des selbsttragenden Leiters mit einer Bondfläche hergestellt wird und zwischen denen der Leiter in einem Bondloop verläuft, wobei eine Mehrzahl von band- oder drahtförmigen Einzelleitern für die selbsttragende Leiter-Verbindung benutzt wird, derart, dass die Einzelleiter gleichzeitig zugeführt und in den Bondschritten gemeinsam mit der jeweiligen Bondfläche und miteinander stoffschlüssig verbunden werden, zwischen den Bondstellen aber nicht miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gebondeten selbsttragenden Leiter-Verbindung zwischen zwei Bondstellen, an denen jeweils in einem Bondschritt eine stoffschlüssige Verbindung des selbsttragenden Leiters mit einer Bondfläche hergestellt wird und zwischen denen der Leiter in einer Bondloop verläuft. Sie betrifft des weiteren eine Bondvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Verfahren zur Herstellung elektrischer Verbindungen der genannten Art sind seit langem bekannt und im praktischen Einsatz, insbesondere zur Herstellung von Verbindungen zwischen elektronischen Bauelementen oder Schaltkreisen mit zugeordneten Trägern oder anderen Bauteilen.
In der Vergangenheit wurden zur Herstellung solcher Verbindungen Drähte mit kreisförmigem Querschnitt, applikations-abhängig insbesondere aus Gold oder Aluminium, eingesetzt. Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindungen mit den Bondflächen dienen insbesondere Ultraschall-Drahtbonder, die auf dem Prinzip des Reibschweißens basieren, sowie sog. Ball-Bonder. Derartige Bondvorrichtungen sind marktgängig.
In den letzten Jahren hat sich der Anwendungsbereich der genannten Verfahren wesentlich erweitert, insbesondere in die Bereiche der Leistungselektronik und der Batterietechnik. In diesen Anwendungsfeldern sind typischerweise über die Leiter-Verbindungen wesentlich höhere Ströme zu übertragen als mit Bonddrähten in den früher dominierenden Anwendungen bei der Verdrahtung von Logik- und Speicherschaltungen und anderen Komponenten der Signalelektronik. Hierfür sind wesentlich höhere Leiterquerschnitte erforderlich. Die Verarbeitung von Leiterdrähten mit großem Durchmesser stößt bei den traditionellen Bondverfahren aber an prinzipbedingte Grenzen.
In den letzten Jahren sind daher einerseits zunehmend bandförmige Leiter eingesetzt worden. Neuerdings werden auch Bändchen aus Kupfer verwendet. Es wurden zur stoffschlüssigen Verbindung der Leiter mit den entsprechenden Kontaktflächen Laserschweißverfahren bzw. Kombinationen aus Ultraschall-Bondverfahren und dem Laserschweißen entwickelt. Entsprechende Bondvorrichtungen - verkürzt bezeichnet als Laserbonder - werden von der Anmelderin hergestellt und angeboten.
Die für Leiter-Verbindungen der genannten Art typischen bogenförmigen Leiterverläufe zwischen den Bondstellen („Bondloops“) erfordern eine gewisse Biegsamkeit des Bondmittels (Draht oder Bändchen). Bei der Verwendung von Leitern mit großem Querschnitt haben sich hierbei Probleme gezeigt, und es sind mechanische Beschädigungen der Leiter sowie der Verbindungsstellen auf den Bondflächen (den eigentlichen „Bonds“) festgestellt worden.
Die DE 10 2007 063 588 A1 offenbart eine Bondvorrichtung, mit der elektrische Kontaktstellen über Bondloops verbunden werden können und zwar unterschiedlichste Drahtdurchmesser bzw. Bandleiter Verwendung finden. Hierbei wird insbesondere ein Ultraschall-Drahtbonder eingesetzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der genannten Art sowie eine hierfür geeignete Bondvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere die Herstellung einwandfreier Leiter-Verbindungen mit hoher Zuverlässigkeit auch bei den für eine hohe Stromtragfähigkeit erforderlichen großen Leiterquerschnitten gewährleisten.
Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Bondvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, den für eine hohe Stromtragfähigkeit von Leiter-Verbindungen der hier in Rede stehenden Art erforderlichen großen Leiterquerschnitt in einer Weise bereitzustellen, dass eine hinreichende Biegsamkeit in dem Bondloop gewährleistet wird. Sie schließt weiter den Gedanken ein, hierzu den Gesamt-Leiterquerschnitt in Teil-Querschnitte aufzuteilen. Mithin werden statt eines massiven und entsprechend steifen einzelnen Leiters mehrere Einzelleiter eingesetzt.
Weiterhin schließt die Erfindung den Gedanken ein, diese Einzelleiter an den Bondstellen in einem gemeinsamen Bondschritt sowohl mit der zugehörigen Kontaktfläche (Bondfläche) als auch miteinander stoffschlüssig zu verbinden und hierdurch einen Bond mit einer Beschaffenheit und Zuverlässigkeit zu erzeugen, wie dies von Bonds bei Einzeldrähten mit geringerem Querschnitt bekannt ist. Zwischen den Bonds jedoch sollen die Einzelleiter nicht fest mechanisch gekoppelt sein, so dass sie weitgehend die Biegsamkeit behalten, die ihrem relativ geringen Querschnitt entspricht.
In einer ersten Ausführung dieses Konzepts ist vorgesehen, dass die Einzelleiter gleichzeitig einem Bondwerkzeug zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung mittels separater Zuführungen zugeführt werden. Grundsätzlich lassen sich allerdings mehrere Einzelleiter auch in einer einzelnen Zuführung „sammeln“ und der Bondstelle zuführen.
In einer Ausgestaltung dieser bevorzugten Ausführung werden die Zuführungslängen der Einzelleiter in den separaten Zuführungen in Abhängigkeit von der Lage der Einzelleiter in dem Bondloop separat eingestellt. Da bei den in Rede stehenden Verfahren eine angestrebte Konfiguration des Bondloops vorab bestimmt wird, lassen sich auch die Bogenverläufe der Einzelleiter unter Beachtung des Erfordernisses, dass diese relativ zueinander frei beweglich bleiben, vorab bestimmen. Aufgrund der vordefinierten Form der Bondloops für die Einzelleiter lassen sich die benötigten Zuführungslängen errechnen und an den separaten Zuführungen jeweils einzeln einstellen.
In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausführung wird mindestens ein Teil der bandförmigen Einzelleiter übereinander angeordnet. Dies schließt auch eine (im Querschnitt) matrix-artige Anordnung von einer Mehrzahl von Leitern sowohl über- als auch nebeneinander ein. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch mit mehreren bandförmigen Einzelleitern ausführbar, die ausschließlich nebeneinander angeordnet sind.
Bei der Verwendung drahtförmiger Einzelleiter, also von herkömmlichen Bonddrähten, ist es aus derzeitiger Sicht bevorzugt, dass mindestens ein Teil hiervon nebeneinander angeordnet wird. Auch hier ist aber auch eine matrix-artige Anordnung von Bonddrähten sowohl neben- als auch übereinander denkbar.
In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausführung der eigentlichen Bondschritte weisen diese, zumindest beim Einsatz bandförmiger Leiter, jeweils einen Laserschweißschritt auf. Hierunter fällt insbesondere auch das weiter oben erwähnte Laserbonden.
In einer anderen Ausführung, die sich aufgrund der langen Erfahrung mit der Ultraschall-Drahtbondtechnik und angesichts der vielen verfügbaren Bondvorrichtungen dieser Art, insbesondere für den Einsatz von drahtförmigen Einzelleitern eignet, weisen die Bondschritte jeweils einen Ultraschall-Reibschweißschritt auf.
Es versteht sich, dass eine erfindungsgemäße Bondvorrichtung technische Mittel zur Ausführung der oben erläuterten Verfahrensaspekte umfasst, so dass hierauf nicht nochmals genauer eingegangen werden muss. Wesentlich ist jedenfalls das Vorhandensein einer Zuführungseinrichtung zur Zuführung einer Mehrzahl von band- oder drahtförmigen Einzelleitern zu dem Bondwerkzeug. Insbesondere ist nach Obigem eine Bondvorrichtung bevorzugt, bei der die Zuführungseinrichtung eine Mehrzahl separater Zuführungen zur Zuführung jeweils genau eines band- oder drahtförmigen Einzelleiters umfasst.
Die erfindungsgemäße Bondvorrichtung kann einerseits als stationäre Bondvorrichtung in Art der bekannten stationären Dickdrahtbonder konstruiert sein. Andererseits liegt im Rahmen der Erfindung auch eine Ausführung als hand- oder robotergeführtes mobiles Bondgerät, mit dem sich vorteilhaft Bondverbindungen an Teilen herstellen lassen, die nicht in einen stationären Dickdrahtbonder eingesetzt werden können.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

1 bis 6 zeigen einen typischen Ultraschall- oder kombinierten Ultraschall-/Laser-Bondvorgang.

Ein Dickdrahtbonder mit fortgeschrittener Konstruktion arbeitet grundsätzlich wie folgt:

Zunächst wird der Bondkopf in Bondrichtung gedreht und ausgehend von dieser Startposition unter Mitnahme eines Drahtes hin zu einer ersten Kontaktfläche auf Bondhöhe abgesenkt. Sodann erfolgt ein sogenannter „touch-down“ eines am Bondkopf angeordneten Stempels, und zwar unter Ultraschallerregung desselben (und ggfs. Einstrahlung von Laserstrahlung). Hiermit einhergehend wird ein erster Bond ausgebildet. Anschließend wird der Bondkopf längs einer vorgegebenen Raumkurve unter Ausbildung eines sogenannten „loop“ zu einer zweiten Kontaktfläche bewegt.

Es erfolgt ein erneuter „touch-down“ des am Bondkopf angeordneten Stempels unter Ultraschallerregung desselben (und ggfs. mit erneuter Lasereinstrahlung), so dass ein zweiter Bond ausgebildet wird. Danach wird der Bondkopf wieder etwas hoch und seitlich zurück, d.h. entgegen der Drahtzuführungsrichtung bewegt unter Ausbildung einer sogenannten „tail-length“. Ist das Drahtmesser in Drahtzuführungsrichtung gesehen hinter dem Stempel angeordnet, erfolgt eine Zurückbewegung des Bondkopfes unter Ausbildung der sogenannten „tail-length“ so weit, bis das Messer außerhalb der Bondstelle liegt. Dann wird der Bondkopf wieder abgesenkt, bis das Drahtmesser wirksam ist unter Ausbildung eines Trennschnitts, wobei der Draht nur teilweise durchgetrennt wird. Danach fährt der Bondkopf wieder hoch und zurück, um den Draht an der Schnitt- bzw. Trennstelle abzureißen.
Wenn das Messer zwischen Stempel und Drahtführungsröhrchen liegt, wird die erste „tail-length“-Bewegung des Bondkopfes entbehrlich, wodurch sich die Arbeitsgeschwindigkeit erhöhen lässt. Mit der ersten Konstruktion, bei der das Messer hinter dem Stempel angeordnet ist, lassen sich jedoch besser bzw. präziser „loops“ kleiner Abmessung herstellen; dann kann eine etwas geringere Arbeitsgeschwindigkeit in Kauf genommen werden.
Die beschriebene Zurückbewegung des Bondkopfes lässt sich auch durch entsprechende Vorwärtsbewegung der Unterlage ersetzen. Insofern kommt es nur auf die Relativbewegung zwischen Bondkopf und Unterlage samt Kontaktflächen an.
In den 1 bis 6 sind als wesentliche Teile eines (nicht vollständig dargestellten) Drahtbonders 10 zur Herstellung einer Drahtbondverbindung zwischen zwei Kontaktflächen 11 und 12 auf einem Bauelement 13 mittels zweier Bonddrähte 14a, 14b, zwei Drahtführungsröhrchen 15a, 15b (oder entsprechende Zuführungen für Bänder), ein Stempel (Wedge) 16 und ein Messer 17 gezeigt. Bei einem sog. Laserbonder kommt eine Optikeinrichtung am Bondwerkzeug hinzu, mit der in den Bondschritten Laserstrahlung auf die Bonddrähte bzw. Bändchen eingestrahlt wird; diese ist in den Figuren nicht dargestellt.
Bei dem in 1 gezeigten Zustand ist der Stempel 16 auf die erste Kontaktfläche 11 auf dem Bauelement 13 (auf einer nicht näher dargestellten Unterlage) mit den Bonddrähte 14a, 14b dazwischen, abgesenkt. Die Bonddrähte 14a, 14b werden auf eine hier nicht näher dargestellte Weise von dem Bondkopf mitgenommen bzw. durch die Drahtführungsröhrchen 15a, 15b nachgeschoben. 1 zeigt den sogenannten „touch-down“ des Stempels 16 unter gleichzeitiger Ultraschallerregung durch einen (nicht dargestellten) Transducer zur Ausbildung eines ersten Bonds 18 auf der Kontaktfläche 11. Der Stempel 16 ragt in diesem Zustand in Z-Richtung nach unten über das Messer 17 und die Drahtführungsröhrchen 15a, 15b hinaus; das Messer wirkt also noch nicht auf den Bonddraht ein.
Gemäß 2 wird der Bondkopf (und mit ihm der Stempel 16, das Drahtführungsröhrchen 15 und das Messer 17) unter Ausbildung einer Bonddrahtschlaufe (Loop) 19a, 19b in einer zusammengesetzten Bewegungsfolge anheben/laterales verschieben/absenken gemäß den unterhalb der Bauelementoberfläche 13 dargestellten z- und xy-Pfeilen zu der zweiten Kontaktfläche 12 bewegt. Dort erfolgt ein erneuter „touch-down“ unter Ausbildung eines zweiten Bonds 20. Wiederum steht der Stempel 16 über das freie Ende des Messers 17 und das untere Ende der Drahtführungsröhrchen 15a, 15b vor, so dass nur er die Bonddrähte berührt und unter Ultraschallerregung die zweite Bondverbindung erzeugt.
Wie in 3 dargestellt, wird der Bondkopf mit Stempel, Drahtführungsröhrchen und Messer dann etwas angehoben und in der ursprünglichen Bewegungsrichtung in der xy-Ebene weiter verfahren, was durch die z- und xy-Pfeile unterhalb der zweiten Kontaktfläche 12 symbolisiert ist. Die Bonddrähte 14a, 14b werden hierbei mitgenommen und hierdurch die sogenannte „Tail-Iength“ 21 erzeugt. Nach Vollendung dieser Bewegung befindet sich das Messer 17 in einer Position seitlich des zweiten Bond 20.
Wie in 4 dargestellt, wird dann der Bondkopf - zusammen mit den Drahtführungsröhrchen 15a, 15b und dem Messer 17 - in dieser lateralen Position gemäß dem z-Pfeil unter der zweiten Kontaktfläche 12 abgesenkt. Gleichzeitig erfolgt eine mit dem Pfeil z' bezeichnete entgegengerichtete Verschiebung des Stempels 16 relativ zum Bondkopf. Im Ergebnis steht nunmehr das Messer 17 mit seiner Schneide sowohl über die Unterseite des Stempels 16 als auch das untere Ende der Drahtführungsröhrchen 15a, 15b vor, und das Messer 17 wirkt auf die Bonddrähte 14a, 14b ein und trennt diese zumindest teilweise durch.
Gemäß 5 wird der Bondkopf sodann, wie durch den linken z-Pfeil unter der zweiten Kontaktfläche 12 verdeutlicht, wieder nach oben gefahren, wodurch das Messer 17 wieder aus den Bonddrähten 14a, 14b austritt. Dann wird der Stempel 16 - wie durch den z''-Pfeil in seinem Inneren symbolisiert - wieder nach unten verschoben.
Anschließend erfolgt eine seitliche Bewegung des Bondkopfes in Richtung des xy-Pfeiles unterhalb der zweiten Kontaktfläche 12, ein erneutes Absenken gemäß dem zweiten z-Pfeil und eine weitere Bewegung in der xy-Ebene, wodurch schließlich der in 6 dargestellte Zustand erreicht wird, dass die Bonddrähte 14a, 14b seitlich des zweiten Bonds 20 vollständig durchtrennt ist.
Der erfindungsgemäße Einsatz mehrerer Bonddrähte oder -bändchen mit relativ geringem Querschnitt und somit hoher Biegsamkeit - von denen in den 1 bis 6 exemplarisch lediglich zwei gezeigt sind - erfordert eine derartige Ausgestaltung des Bondwerkzeuges, dass die Drähte bzw. Bändchen sowohl miteinander als auch mit den jeweiligen Bondflächen verschweißt werden. Die Schneidvorrichtung ist derart auszubilden, dass sie das Durchtrennen sämtlicher Drähte bzw. Bändchen, unabhängig von deren Position relativ zueinander, gewährleistet. Dies sind Aufgaben, die im Rahmen fachmännischen Handelns gelöst werden können.
Des Weiteren ist es erforderlich, dass die Einzelleiter derart zugeführt werden, dass zwischen den Bondstellen, also innerhalb der Bondloop, in Abhängigkeit von der konkreten geometrischen Konstellation (etwa auch bei Bondstellen mit Niveauunterschieden) eine hinreichend freie Beweglichkeit relativ zueinander besteht. Je größer diese Beweglichkeit ist, umso flexibler ist grundsätzlich die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Leiter-Verbindung auch bei relativ „steifen“ Materialien wie Kupfer.
Bei geeigneter Verfahrensführung und entsprechender Konstruktion der wesentlichen Vorrichtungskomponenten lassen sich Leiter-Verbindungen mit hoher Stromtragfähigkeit herstellen, die auch bei relativ geringen Bondstellen-Abständen und Niveauunterschieden der Bondstellen gleichwohl hinreichend flexibel sind, so dass Beschädigungen der Leiter selbst, wie auch der eigentlichen Bonds, weitestgehend ausgeschlossen sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer gebondeten selbsttragenden Leiter-Verbindung zwischen zwei Bondstellen, an denen jeweils in einem Bondschritt eine stoffschlüssige Verbindung des selbsttragenden Leiters mit einer Bondfläche hergestellt wird und zwischen denen der Leiter in einem Bondloop verläuft, wobei eine Mehrzahl von band- oder drahtförmigen Einzelleitern für die selbsttragende Leiter-Verbindung benutzt wird, derart, dass die Einzelleiter gleichzeitig zugeführt und in den Bondschritten gemeinsam mit der jeweiligen Bondfläche und miteinander stoffschlüssig verbunden werden, zwischen den Bondstellen aber nicht miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einzelleiter einem Bondwerkzeug zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung mittels separater Zuführungen zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zuführungslängen der Einzelleiter in den separaten Zuführungen in Abhängigkeit von der Lage der Einzelleiter in der Bondloop separat eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der bandförmigen Einzelleiter übereinander angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein Teil der drahtförmigen Einzelleiter nebeneinander angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bondschritte jeweils einen Laserschweißschritt aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bondschritte jeweils einen Ultraschall-Reibschweißschritt aufweisen.
Bondvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen Bondkopf, mit einem Bondwerkzeug zum Ausführen der Bondschritte, mindestens einer Leiter-Zuführungseinrichtung und einer Schneideinrichtung zum Abtrennen des überstehenden Leiters nach dem jeweiligen zweiten Bondschritt, wobei die Zuführungseinrichtung zur Zuführung einer Mehrzahl von band- oder drahtförmigen Einzelleitern zu dem Bondwerkzeug ausgebildet ist.
Bondvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Zuführungseinrichtung eine Mehrzahl separater Zuführungen zur Zuführung jeweils genau eines band- oder drahtförmigen Einzelleiters umfasst.
Bondvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die separaten Zuführungen der Zuführungseinrichtung jeweils Einstellmittel zum Einstellen der Zuführungslängen der Einzelleiter in Abhängigkeit von der Lage der Einzelleiter in der Bondloop aufweisen.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens ein Teil der separaten Zuführungen in Bezug auf die Bondflächen übereinander angeordnet und zur Zuführung bandförmiger Einzelleiter ausgebildet ist.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei mindestens ein Teil der Zuführungen bezüglich der Bondflächen nebeneinander angeordnet und zur Zuführung drahtförmiger Einzelleiter ausgebildet ist.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Bondwerkzeug eine Einrichtung zum Laserschweißen aufweist.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Bondwerkzeug einen mit einem Ultraschall-Transducer verbundenen Bondkeil zum Herstellen einer Ultraschall-Bondverbindung aufweist.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, ausgebildet als stationäre Bondvorrichtung.
Bondvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, ausgebildet als hand- oder robotergeführtes Bondgerät.