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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
mit Elektroden für
die Bildung einer Kugel am Ende eines Drahts der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Solche Vorrichtungen werden auf sogenannten
Wire Bondern verwendet. Ein Wire Bonder ist eine Maschine, mit der
Halbleiterchips nach deren Montage auf einem Substrat verdrahtet
werden. Der Wire Bonder weist eine Kapillare auf, die an der Spitze
eines Horns eingespannt ist. Die Kapillare dient zum Befestigen
des Drahtes auf einem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und auf
einem Anschlusspunkt des Substrates sowie zur Drahtführung zwischen
den beiden Anschlusspunkten. Bei der Herstellung der Drahtverbindung
zwischen dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und dem Anschlusspunkt
des Substrates wird das aus der Kapillare ragende Drahtende zunächst zu
einer Kugel geschmolzen. Anschliessend wird die Drahtkugel auf dem
Anschlusspunkt des Halbleiterchips mittels Druck und Ultraschall
befestigt. Dabei wird das Horn von einem Ultraschallgeber mit Ultraschall
beaufschlagt. Diesen Prozess nennt man Ball-bonden. Dann wird der
Draht auf die benötigte
Drahtlänge durchgezogen,
zu einer Drahtbrücke
geformt und auf dem Anschlusspunkt des Substrates verschweisst. Diesen
letzten Prozessteil nennt man Wedge-bonden. Nach dem Befestigen
des Drahtes auf dem Anschlusspunkt des Substrats wird der Draht
abgerissen und der nächste
Bondzyklus kann beginnen.
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Um das aus der Kapillare herausragende Ende
des Drahtes zu einer Kugel zu formen, wird zwischen dem Draht und
der Elektrode eine DC-Hochspannung angelegt, so dass ein elektrischer
Funken entsteht, der den Draht aufschmilzt. Die Spannung, bei der
der elektrische Durchschlag der ionisierten Luft zwischen dem Draht
und der Elektrode erfolgt und sich der Funken bildet, wird als Funkenspannung bezeichnet.
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Heutzutage sind drei Typen von Vorrichtungen
für die
Bildung einer Drahtkugel (engl. ball) am Ende eines Drahtes bekannt,
die sich im Markt durchgesetzt haben. Diese drei Typen werden anhand
der 1 bis 3 erläutert.
Beim ersten Typ (1) wird eine
flache Elektrode 1 von der Seite her unter die den Draht 2 führende Kapillare 3 eingeschwenkt.
Bei dieser Anordnung von Elektrode und Draht bildet sich der elektrische
Funken 4 in Längsrichtung
des Drahtes aus. Der elektrische Funken 4 verläuft somit
symmetrisch zum Draht. Der Vorteil dieses Typs ist, dass die Symmetrie
der gebildeten Kugel vergleichsweise hoch ist. Nachteilig ist hingegen,
dass das Ein- und Ausschwenken der Elektrode Zeit kostet.
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Beim zweiten Typ (2) ist eine Elektrode 1 mit einer
Spitze seitlich versetzt unterhalb der Kapillare angeordnet. Bei
dieser Anordnung verläuft
der elektrische Funken 4 nicht symmetrisch zur Längsachse
des Drahtes, was tendenziell zur Bildung von asymmetrischen Drahtkugeln
führt.
Allerdings weist die Asymmetrie dieser Drahtkugeln eine Vorzugsrichtung
aus. Dies ermöglicht
es, die Asymmetrie mit zusätzlichen
Massnahmen zu reduzieren. Diese Anordnung erfordert zudem eine im
Vergleich zum ersten Typ höhere
Funkenspannung. Dies führt
bei gleichem vertikalem Abstand zur Niederhalteplatte, die sich
unmittelbar unterhalb der Vorrichtung befindet und die Anschlussfinger
des Substrates fixiert, zu einer grösseren Häufigkeit von elektrischen Durchschlägen auf
die Niederhalteplatte.
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Beim dritten Typ (3) ist die Elektrode 1 eine rotationssymmetrische
Lochelektrode. Nach der Bildung der Drahtkugel wird die Kapillare 3 durch
die Elektrode hindurch abgesenkt. Der Vorteil dieser Anordnung ist,
dass die zur Bildung des elektrischen Funkens nötige Spannung geringer als
bei den ersten beiden Typen ist. Der Nachteil ist, dass der Ort, wo
der elektrische Funken 4 entsteht, ständig variiert. Auch mit dieser
Vorrichtung erzeugte Drahtkugeln neigen zu Asymmetrien, allerdings
weisen diese Asymmetrien keine Vorzugsrichtung auf.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 562 224 ist eine weitere
Vorrichtung für
die Bildung einer Drahtkugel bekannt. Diese Vorrichtung weist drei
spitzige Elektroden auf, die elektrisch separat angesteuert werden,
um die durch die einzelnen Elektroden fliessenden Ströme zu regeln.
Eine ähnliche
Vorrichtung ist bekannt aus der
US
4,594,493 . Diese Vorrichtungen erzeugen gleichzeitig entweder drei
oder vier Funken. Die Einstellung der Lage der Elektroden relativ
zueinander ist jedoch eine komplizierte Aufgabe, weil gewährleistet
sein muss, dass tatsächlich
drei oder vier Funken erzeugt werden.
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Weitere Vorrichtungen für die Bildung
einer Drahtkugel sind bekannt aus der
US
4,909,427 und der
US
5,037,023 . Die
US 5,037,023 zeigt
den Gebrauch verschiedener Elektroden, wobei eine erste Elektrode
verwendet wird, um eine Drahtkugel zu formen, und wobei ein zweites
Paar von Elektroden verwendet wird, um lokal einen Abschnitt der
Isolation des Drahts zu schmelzen. Die erste Elektrode und das zweite
Paar von Elektroden werden nicht zusammen gebraucht um eine Drahtkugel
zu bilden. Sie werden nacheinander in ihre Arbeitspositionen gebracht,
um ihre Aufgaben separat erfüllen
zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung für
die Bildung einer Kugel am Ende eines Drahtes zu entwickeln, die
sich durch eine möglichst
tiefe Funkenspannung auszeichnet und mit der sich Drahtkugeln erzeugen
lassen, deren Grösse möglichst
wenig streut.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Eine erfindungsgemässe Vorrichtung
weist eine erste Elektrode, die mit einer Spitze versehen ist, und
mindestens eine zusätzliche
Elektrode auf. Alle Elektroden sind mechanisch starr miteinander verbunden.
Die zweite Elektrode, bzw. die weiteren Elektroden, beeinflusst
den Verlauf des elektrischen Feldes, das sich zwischen dem Ende
des Drahtes und den Elektroden ausbildet. Alle Elektroden sind elektrisch
miteinander verbunden und liegen somit auf dem gleichen elektrischen
Potenzial. Sie sind zudem so ausgebildet und so angeordnet, dass
der Abstand zwischen der Spitze der ersten Elektrode und dem Draht
in jedem Fall kleiner ist als der Abstand zwischen der zweiten Elektrode,
bzw. allen weiteren Elektroden, und dem Draht. Auf diese Weise wird
sichergestellt, das nur ein einziger elektrischer Funken erzeugt
wird, nämlich
zwischen dem Draht und der Spitze der ersten Elektrode. Der Vorteil
der mindestens einen zusätzlichen
Elektrode liegt darin, dass sich eine deutlich geringere Funkenspannung
als im Stand der Technik ergibt. Infolgedessen kann der Abstand
zwischen den Elektroden und der Niederhalteplatte verringert werden,
ohne die Gefahr von Durchschlägen
zu erhöhen.
Für die
Bildung der Drahtkugel muss deshalb auch die Kapillare weniger weit
angehoben werden, so dass sich die Zykluszeit reduziert.
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Die mindestens eine zusätzliche
Elektrode kann offen sein, d.h. ein offenes Ende, mit oder ohne Spitze,
haben. Vorteilhafterweise ist die mindestens eine zusätzliche
Elektrode jedoch eine geschlossene Elektrode, beispielsweise eine
ringförmige
Elektrode. Eine geschlossene Elektrode hat den Vorteil, dass die
Streuung der Funkenspannung geringer ist als bei einer offenen Elektrode,
was zu einer geringeren Streuung der Grösse der Drahtkugel führt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Die
Figuren sind nicht massstäblich
gezeichnet.
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Es zeigen:
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1-3 drei Typen von Vorrichtungen
zur Bildung einer Drahtkugel am Ende eines Drahtes aus dem Stand
der Technik, und
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4-7 drei verschiedene Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemässen
Vorrichtung zur Bildung einer Drahtkugel am Ende eines Drahtes,
und
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8 ein
elektrisches Ersatzschema.
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Die 4 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung
zur Bildung einer Drahtkugel am Ende eines Drahtes 2, wie
sie auf einem Wire Bonder verwendet werden kann. Der Draht 2 wird
wie in der Einleitung beschrieben von einer Kapillare 3 geführt. Am
Beginn eines Bondzyklus ragte ein Ende des Drahtes 2 aus
der Spitze 5 der Kapillare 3 heraus. Dieses Drahtende
ist nun zu einer Kugel zu formen. Die Vorrichtung weist drei Elektroden 6 – 8 auf,
die sowohl mechanisch starr miteinander als auch elektrisch miteinander
verbunden sind und somit das gleiche elektrische Potenzial aufweisen.
Die erste Elektrode 6 ist mit einer Spitze 9 ausgebildet.
Wenn die Kapillare 3 angehoben worden ist und sich bezüglich der
Vorrichtung in der Position befindet, in der die Drahtkugel gebildet
werden soll, dann befindet sich die Spitze 9 der ersten
Elektrode 6 seitlich versetzt unterhalb der Spitze der
Kapillare 3. In der 4 befindet
sich die Spitze 9 der ersten Elektrode 6 auf der einen,
nämlich
der rechten Seite der Kapillare 3. Die zweite Elektrode 7 und
die dritte Elektrode 8 sind länger als die erste Elektrode 6 und
reichen bis auf die andere Seite der Kapillare 3, im Beispiel
der 4 also bis auf die
linke Seite der Kapillare 3. Der Abstand zwischen einem
beliebigen Punkt der zweiten Elektrode 7 und dem Ende des
Drahtes 2 wie auch der Abstand zwischen einem beliebigen
Punkt der dritten Elektrode 8 und dem Ende des Drahtes 2 ist grösser als
der maximale Abstand zwischen der Spitze 9 der ersten Elektrode 6 und
dem Ende des Drahtes 2. Zu beachten ist dabei, dass die
Länge des
aus der Kapillare 3 herausragenden Drahtstückes gewissen
Schwankungen unterliegt und dass dieses Drahtstück in eine beliebige Richtung
zeigen kann.
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Die zweite und dritte Elektrode 7 und 8 sind ohne
Kanten auszubilden, da sich an Kanten Spitzen des elektrischen Feldes
bilden können.
Diese Einschränkung
gilt allerdings nur für
denjenigen Bereich der Vorrichtung, wo das elektrische Feld vergleichsweise
gross ist. Die Einschränkung
gilt also nicht für diejenigen
Teile der Elektroden 7 und 8, die am weitesten
von der Spitze 5 der Kapillare 3 entfernt sind. Der
Querschnitt der zweiten und dritten Elektrode ist deshalb bevorzugt
kreisförmig.
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Die 5 zeigt
die auf einem Wire Bonder eingesetzte Vorrichtung in seitlicher
Ansicht. Der Wire Bonder umfasst einen Bondkopf 10 mit
einem Horn 11, an dessen Spitze die Kapillare 3 eingespannt
ist. Das Horn 11 ist gegenüber dem Bondkopf 10 in
vertikaler Richtung 12 verschiebbar. Unterhalb der Vorrichtung
befindet sich eine sogenannte Niederhalteplatte 13, mit
der Anschlussfinger 14 eines Substrates 15, auf
dem ein Halbleiterchip 16 montiert ist, fixiert werden.
Im gezeigten Beispiel befinden sich die drei Elektroden 6 – 8 in
einer Ebene (nur die Elektrode 7 ist sichtbar), die parallel
zur Oberfläche 17 der Niederhalteplatte 13 verläuft. Es
ist aber auch möglich,
die beiden Elektroden 7 und 8 in einer anderen Ebene
als die erste Elektrode 6 anzuordnen. Die Elektroden 6 – 8 sind über einen
isolierenden Körper 18 am
Bondkopf 10 befestigt. Die Kapillare 3 ist auf einen
Anschlusspunkt auf dem Halbleiterchip 16 abgesenkt.
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Die 6 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung
zur Bildung einer Drahtkugel am Ende eines Drahtes 2. Diese
Vorrichtung weist nur die erste Elektrode 6 und die zweite
Elektrode 7 auf, die mechanisch starr miteinander verbunden
sind. Die erste Elektrode 6 ist wiederum mit der Spitze 9 versehen.
Die zweite Elektrode 7 ist ringförmig und somit eine geschlossene
Elektrode. Die beiden Elektroden 6 und 7 befinden
sich in einer Ebene, die unterhalb der Spitze 5 der Kapillare 3 und
parallel zur Oberfläche 17 (5) der Niederhalteplatte 13 verläuft. Das
Zentrum der ringförmigen
Elektrode 7 befindet sich unterhalb der Spitze 5 der
Kapillare 3. Die erste Elektrode 6 ist länger als
die maximale Länge des
aus der Kapillare 3 herausragenden Drahtabschnittes. Der
elektrische Funken 4 entsteht daher immer zwischen der
Spitze 9 der ersten Elektrode 6 und dem Draht 2.
Die Ränder
des Ringes der Elektrode 7 sind bevorzugt abgerundet, d.h.
ohne Kanten ausgebildet. Diese Eigenschaft ist aus der 6 allerdings nicht ersichtlich.
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Die 7 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung
zur Bildung einer Drahtkugel am Ende eines Drahtes 2. Auch
diese Vorrichtung weist nur die erste Elektrode 6 und die
zweite Elektrode 7 auf, die mechanisch starr miteinander
verbunden sind. Die erste Elektrode 6 ist wiederum mit
der Spitze 9 versehen. Die zweite Elektrode 7 besteht
aus zwei parallel zur ersten Elektrode 6 verlaufenden Abschnitten 19,
die durch einen Bogen 20 verbunden sind. Die zweite Elektrode 7 ist
also auch eine geschlossene Elektrode. Die beiden Elektroden 6 und 7 befinden
sich in einer Ebene, die unterhalb der Spitze 5 der Kapillare 3 und
parallel zur Oberfläche 17 (5) der Niederhalteplatte 13 verläuft. Die
beiden Elektroden 6 und 7 sind wiederum so dimensioniert und
angeordnet, dass der elektrische Funken 4 immer zwischen
der Spitze 9 der ersten Elektrode 6 und dem Draht 2 entsteht.
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Nach der Bildung der Drahtkugel wird
die Kapillare 3 zwischen den offenen Elektroden 7 und 8 (Ausführungsbeispiel
1) hindurch bzw. durch die geschlossene Elektrode 7 (Ausführungsbeispiele
2 und 3) hindurch auf den entsprechenden Anschlusspunkt auf
dem Halbleiterchip 16 abgesenkt und die Drahtkugel dort
befestigt.
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Die 8 zeigt
das elektrische Ersatzschema. Der Draht 2 und alle Elektroden 6 – 8 beim
ersten Ausführungsbeispiel
bzw. 6 und 7 beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel
sind durch einen an sich aus dem Stand der Technik bekannten Funkengenerator 21 verbunden.
Der Funkengenerator besteht im wesentlichen aus einer Konstantstromquelle.
Um den elektrischen Funken 4 zwischen dem Drahtende und
der ersten Elektrode 6 bilden zu können, muss die dazwischen liegende
Luft ionisiert werden, bis ein elektrischer Durchschlag stattfindet
und somit der Funken 4 entsteht. Dazu wird über der
Konstantstromquelle eine zunehmende Gleichspannung aufgebaut, bis
der Durchschlag erfolgt. Für
die Grösse der
gebildeten Drahtkugel sind zwei hauptsächlich Faktoren massgebend.
Der eine Faktor ist die elektrische Energie, die im Verbindungskabel
zwischen der Konstantstromquelle und den Elektroden 6 – 8 beim Aufbau
der Gleichspannung erzeugt und gespeichert wird. Sobald der elektrische
Funken 4 gebildet ist, wird diese Energie in der sich bildenden
Drahtkugel entladen. Der zweite Faktor ist die von der Konstantstromquelle
von der Funkenbildung bis zum Abschluss des Kugelbildungsprozesses
gelieferte Strommenge, die durch die vorgegebene Stromstärke und
die Zeitdauer gesteuert werden kann. Die Energie, die im Verbindungskabel
aufgebaut wird und bei der Entstehung des Funkens gespeichert ist
und sich dann entlädt,
kann nicht kontrolliert werden. Die erfindungsgemässen Vorrichtungen
haben den Vorteil, insbesondere wenn die zweite Elektrode 7 eine geschlossene
Elektrode ist, dass einerseits die Funkenspannung und andererseits
auch deren Streuung wesentlich geringer ist als beim Stand der Technik. Die
stark reduzierte Streuung der Funkenspannung hat eine ebensolche
Reduzierung der Streuung der im Verbindungskabel bis zur Entladung
gespeicherten Energie und damit auch eine Reduzierung der Streuung
der Grösse
der geformten Drahtkugel zur Folge.