DE112004000727T5

DE112004000727T5 - Bandverbindung

Info

Publication number: DE112004000727T5
Application number: DE112004000727T
Authority: DE
Inventors: Christoph B. Irvine Luechinger
Original assignee: Orthodyne Electronics Corp
Current assignee: Kulicke and Soffa Industries Inc
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: JP5041654B2; WO2004100258A2; US8685791B2; JP5606593B2; JP2011155298A; WO2004100258A3; US8685789B2; JP2004336043A; US20070141755A1; JP5566329B2; DE112004000727T9; US20100214754A1; DE112004000727B4; US7745253B2; US20050269694A1; US20130134577A1; JP2013179369A; US20040217488A1

Abstract

Was beansprucht wird ist:

Description

HINTERGRUND Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen und insbesondere das Verbinden eines Halbleiterplättchens mit einer Anschlussleitung in einer Halbleiterbaugruppe.
Stand der Technik
In der Herstellung von Halbleitervorrichtungen werden aktive Elemente in einer Halbleitervorrichtung, wie Senken- und/oder Quellenbereiche in einem Halbleiterplättchen elektrisch mit anderen Vorrichtungen oder elektronischen Komponenten, wie auf einer gedruckten Schaltungsplatte verbunden. Da jedoch Halbleitervorrichtungen für Umgebungsbedingungen, wie Staub, Feuchtigkeit, und plötzlichen Schlag, die die Vorrichtung beschädigen können, oder sich in andere Weise in die ordnungsgemäße Funktion der Vorrichtung einmischen können, anfällig sein können, ist die Vorrichtung typischerweise durch eine Plättchenbaugruppe geschützt. Die Plättchenbaugruppe schützt einerseits das Plättchen und erlaubt anderseits die elektrische Verbindung des Plättchens mit externen Vorrichtungen. Um das letztere zu erleichtern, sind spezielle Abschnitte des Plättchens elektrisch mit externen Leitungen der Baugruppe oder der Leiterplatine, wie mit Verbindungsdrähten oder Lötkugeln verbunden.
1 zeigt eine Seitenansicht einer typischen Verbindung zwischen einem Powerhalbleiterplättchen 10 (z. B. ein MOSFET) und einem Teil einer Leiterplatine 12. Die Leiterplatine 12 enthält einen Leiter 14 und einen Platinenunterbau 16. Die Leitung 14 erlaubt dem Plättchen 10, nachdem das Plättchen 10 verbunden wurde, externe Elemente elektrisch zu koppeln. Das Plättchen 10 ist am Plättchenunterbau 16 montiert bzw. befestigt. Die obere Oberfläche des Plättchens 10 enthält einen metallisierten Abschnitt 22, wie Aluminium, welcher Kontakt mit darunterliegenden aktiven Elementen des Plättchens 10 schafft. Eine elektrische Verbindung wird dann zwischen dem metallisierten Abschnitt 22, und dem Kontaktabschnitt 18 hergestellt. Typischerweise wird die Verbindung durch Anbindung z. B. Ultraschallanbindung eines leitenden Drahtes 24 zwischen den beiden Abschnitten hergestellt. Die Materialien für die Drähte 24 schließen Gold, Aluminium und Kupfer ein.
1 zeigt eine Einzelanbindung, Verbindung oder Steppkontakt 26 zwischen dem Draht 24 und dem metallisierten Abschnitt 22.
Die Menge des Stromflusses vom Plättchen 10 zum Leiter 14 hängt zum Teil vom Gesamtwiderstand im Stromweg, wie durch die Pfeile in 1 gezeigt, ab. Dieser Widerstand ergibt sich zum Teil aus dem Widerstand des Drahtes 24 und dem Ausbreitungswiderstand entlang des metallisierten Abschnittes 22. Der Ausbreitungswiderstand erhöht sich, wenn sich der Abstand, den der Strom von dem metallisierten Abschnitt zu dem Steppkontakt zurücklegen muss, erhöht. Der Ausbreitungswiderstand erhöht sich auch, wenn die Dicke des metallisierten Abstandes 22 abnimmt. Die typische Metallisierungsdicke liegt im Bereich von etwa 3-5 Mikrometer (d.h. viel kleiner als die Drahtdicke). Es ist wünschenswert den elektrischen Gesamtwiderstand der Verbindungen zu verringern, insbesondere um Schritt zu halten mit dem Eigenwiderstand des Halbleiterplättchens, welcher kontinuierlich abnimmt.
Eine Erhöhung der Dicke des metallisierten Abschnitts 22, erhöht jedoch auch die Kosten indem der Durchsatz des Halbleiterscheiben/Plättchenherstellungsverfahrens verringert wird.
Ferner sind Drähte durch ihre Größe typischerweise um die 20 mm im Durchmesser begrenzt, was auch die Strommenge, die in jedem Draht geführt werden kann, begrenzt. Folglich werden manchmal eine große Anzahl von Drähten benötigt, um in bestimmten Anwendungen die gewünschten Verbindungen herzustellen, was die Kosten erhöhen und den Durchsatz der Verbindungsverfahrensausrüstung (z. B. Drahtbonder) vermindert.
Anstelle von Drähten verwenden andere Anbindungsarten einen Streifen, um das Plättchen mit der Leiterplatine zu verbinden. Eine solche Ausgestaltung ist in 2 gezeigt und im US Patent Nr. 6 040 626 betitelt "Semiconductor Package" herausgegeben für Cheah et al offenbart. Ein einzelner Leitungsstreifen 50, z. B. Kupfer, wird verwendet, um eine elektrische Verbindung zwischen dem metallisierten Abschnitt 22 auf dem Plättchen 10 und dem Leiter 14 der Baugruppe/des Moduls zu erhalten. Der Streifen 50 kann auf die beiden Kontaktflächen 52 und 54 entweder aufgelötet oder aufgeklebt sein, z. B. mit einem elektrisch leitenden Epoxy oder einer Lötpaste 56. Die Verwendung eines Streifens bringt die Vorteile den Widerstand gegen Stromfluss zu reduzieren, wobei durch die Schaffung einer großen Kontaktfläche für das Koppeln des metallisierten Abschnittes 22 mit der Leitung 14 z. B. der Ausbreitungswiderstand stark reduziert wird.
Jedoch hat die Verwendung eines Streifens auch Nachteile. Um den Streifen 50 auf die Oberfläche des metallisierten Abschnittes 22 zu löten, ist eine lötbare Metallisierung z. B. Kupfer oder Nickel erforderlich. Im Allgemeinen benötigt eine solche Metallisierung einen Stapel mehrerer verschiedener Metallschichten (nicht dargestellt), wobei jede Schicht eine spezielle Funktion, z. B. Adhäsion, Sperrung und Lötbarkeit, des Lötverfahrens hat. Diese Schichten, die von der Standardmetallisierungsschicht z. B. Aluminium, verschieden sind, resultieren zusammen in höheren Herstellungskosten für die Metallisierung und in Folge für das Halbleiterplättchen. Typischerweise wird ein Lötpastenverfahren angewandt, um die Teile zu verbinden. Lötpaste 56 enthält eine Art Flussmittelkomponente, die erforderlich ist, um (1) temporär die Komponenten anzuheften, (2) sie vor dem Oxidieren zu schützen (insbesondere, wenn das Fließverfahren in Luft stattfindet) und (3) die bereits vorhandenen Oxyde zu entfernen/zu reduzieren. Abhängig von der Qualität der Teile, führt nur die Verwendung eines starken Flussmittels zu einem robusten Verfahren und verlässlichen Ergebnis des Lötverfahrens. Es ist gut bekannt, dass Flussmittelreste die Oberlächen nach dem Fließen bedecken. Neben anderen negativen Effekten (wie Korrosion in Kontakt mit Feuchtigkeit) beeinflusst ihre Anwesenheit die Stärke und Reproduzierbarkeit der Adhäsion der Formverbindung in einer darauffolenden Baugruppenverkapselung negativ. Dies kann wiederum zu einer begrenzten Verlässlichkeit solcher Teile führen. Folglich müssen Teile die mit Lötpaste verarbeitet werden, typischerweise gründlich nach dem Fließen und vor der weiteren Verarbeitung/Einkapselung gereinigt werden.
Jedoch sind kosteneffektive nasschemische Reinigungsverfahren dafür bekannt, begrenzte Verfahrenssteuermöglichkeiten zu bieten, wodurch ein erhöhtes Ertragsverlustpotenzial verursacht wird neben den zusätzlichen Kosten (z. B. Personal, Grundfläche, Ausrüstung, Verbrauchsmaterial und Ertragsverlust) aufgrund der Notwendigkeit für diesen zusätzlichen Verfahrensschritt. Eine solche Reinigung ist auch schwierig zu automatisieren (was Arbeitskosten reduzieren würde) und schwierig in einer Reinraumumgebung umzusetzen. Ferner können nasschemische Verfahren wie auch Fließlöten, das Flussmittel (Dämpfe) verwendet, umweltschädlich sein. Zwei andere Nachteile einer Kupferstreifenverbindung sind, (1) begrenzte Flexibilität (da die Streifen typischerweise am Plättchenbonder geprägt werden, erfordern Vorrichtungsveränderungen, die eine andere Streifengeometrie erfordern, einen Austausch des Prägewerkzeugs, was die Zeit und Kosten erhöht), und (2) dass der relativ steife Kupferstreifen eine erhebliche Spannung an dem Silikonplättchen bilden kann, was ein Brechen des Plättchens verursachen kann, insbesondere wenn die Dicke der Anbindungsschicht (z. B. Lot oder Epoxy) nicht gut über einem bestimmten Minimum kontrolliert ist.
Eine andere Art der Verbindung, die derzeit verwendet wird, ist eine lötkugelbasierende Verbindung, wie sie im US Patent Nr. 6 442 033 betitelt " Low-cost 3D Flip chip packaging technology for integrated power electronics modules", herausgegeben für Liu Xingsheng et al., und in der US Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. US 2002/0066950, betitelt " Flip chip in leaded molded package with two dice" von Rajeev Joshi, welche beide durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingebracht werden, offenbart sind. Lötkugelbasierende Verbindungen haben ähnliche Nachteile, wie jene der Streifenausgestaltung in Hinblick auf die Verwendung von Lötpaste und Inflexibilität. In Hochspannungsanwendungen hat eine solche Ausgestaltung den zusätzlichen Nachteil der hohen Anfälligkeit gegen Elektromigration des Lötmittels.
Somit ist es hoch erwünscht ein sauberes, umweltfreundliches Verfahren, das gut kontrolliert werden kann, sowie eine flexible Verbindung zu verwenden. Das Ultraschallbondverfahren ist ein solches Verfahren. Es ist jedoch auch erwünscht, die Anzahl der Verbindungen zu reduzieren, um die Produktionsrate bestehender Ausrüstung zu erhöhen und die Herstellungskosten zu reduzieren. Ferner ist es erwünscht, die elektrische Leistung der Verbindungen zu verbessern, was entweder die Reduktion des elektrischen Widerstandes und/oder die Erhöhung der Stromleistungsfähigkeit, abhängig vom Typ der Anwendung, erforderlich macht. Insbesondere für bestimmte Halbleitervorrichtungen ist es auch erwünscht, die Gesamtgröße der Vorrichtung zu reduzieren und damit das Volumen, das für die Verbindung erforderlich ist.
Daher gibt es eine Notwendigkeit für einen verbesserten Typ von verarbeiteter Verbindung, der Ultraschallbonding verwendet, welche die Mängel des Standes der Technik, wie sie oben diskutiert wurden, beseitigt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein flexibles Leitungsband verwendet, um ein Plättchen und einen externen Leiter in einer Baugruppe zu verbinden, wie z. B. für Power-Anwendungen und MOSFETs. Die Verbindung zu dem Plättchen ist in einer Ausführungsform durch Ultraschallbonding. Die Bindung des Leiters kann auch durch Ultraschallbonding sein.
Andere Ausführungsformen können Thermosonic-Bonding verwenden. Das Band ist von rechteckigem Querschnitt, und kann aus einer einzelnen Schicht, wie Aluminium oder Kupfer sein, oder kann aus mehreren Schichten, wie einer dünnen Aluminiumbindeschicht, unter einer dickeren Kupferleitungsschicht sein. In einigen Ausführungsformen wird ein einzelnes Band verwendet, wohingegen in anderen Ausführungsformen mehrere parallele Bänder gebondet werden. Ferner kann jedes Band einen oder mehrere Steppkontakte oder Verbindungen an der leitenden Plättchenoberfläche mit einem oder mehreren Loops haben.
Die vorliegende Erfindung erlaubt, die Verwendung der gleichen Bondingverfahren, wie mit Drähten, d.h. ein Ultraschallbondingverfahren, das den Querschnitt und die Kontaktfläche für die Stromwege vergrößert, während das Gesamtvolumen, das durch die Verbindung eingenommen wird, begrenzt oder sogar reduziert wird, und die Verfahrensschritte sowie die Zeit um die Verbindung herzustellen reduziert werden. Die Verwendung eines Bandes der vorliegenden Erfindung erlaubt die Maximierung des Hauptloopquerschnittes, da die Spalten zwischen den Drähten gefüllt werden. Obwohl das Band einen großen Querschnitt hat, kann die Dicke gegenüber einem Draht noch reduziert werden, was das Bonding durch Ultraschallverfahren weniger schwierig macht. Folglich ist das Bonding einfacher, die Loophöhe kann verringert werden, was zu einer geringeren Verbindungshöhe führt, und einer Möglichkeit für eine reduzierte Baugruppenhöhe für kleinere Baugruppen und die Möglichkeit die Loops zu bilden erhöht sich, was zu kürzeren Loops und mehr Steppkontakten führt. Mehrere Steppkontakte erlauben die Verwendung kleinerer Bondingflächen (pro Steppkontakt), was die Notwendigkeit für einen schweren Bindungskopf, um hohe Kraft und Ultraschallenergie während des Bondings zu erzeugen und aufzubringen, vermindert. Die Verwendung von mehreren Steppkontakten, was zu kürzeren Distanzen zwischen den Steppkontakten führt, reduziert den Ausbreitungswiderstand, was ein höheres Stromführungspotenzial erlaubt.
In anderen Ausführungsformen kann das Band in verschiedenen Winkeln gebondet und geschnitten werden, abhängig von der Orientierung der Kontakte des Plättchens und der Leitungsanschlüsse. Dies erlaubt die optimale Verwendung der Bandkontaktfläche, maximiert die Bandbreite und erlaubt die Anordnung eines breiten Bandes in existierenden Baugruppen, die für Runddrahtbonding entworfen sind (z. B. TO-220 Baugruppen) in optimierter Weise.
Diese Erfindung wird besser in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den angeschlossenen Zeichnungen verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Seitenansicht einer herkömmlichen Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leiterplatine unter Verwendung eines Drahtes mit einem einzelnen Steppkontakt;
2 zeigt eine herkömmliche Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leiterplatine unter Verwendung eines Streifens;
Die 3a und 3b zeigen Seitenansicht und Draufsicht einer Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leitungsplatine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4d ist eine Seitenansicht einer Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leiterplatine unter Verwendung eines Bandes mit mehreren Steppkontakten gemäß einer anderen Ausführungsform;
4b ist eine Seitenansicht eines Bandes mit mehreren Steppkontakten, wobei zwischen den Steppkontakten Abstände gemäß einer Ausführungsform gezeigt sind;
Die 5a bis 5c zeigen Draufsichten auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung mehrerer paralleler Bänder;
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines kaschierten Bandes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines kaschierten Bandes mit 3 Schichten gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt einen Abschnitt eines Bondingwerkzeuges, das zum Bandbonding gemäß einer Ausführungsform geeignet ist;
9a zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leiterplatine, wobei die Kontakte zueinander ausgerichtet sind;
9b zeigt eine Draufsicht auf eine Verbindung zwischen einem Plättchen und einer Leiterplatine, wobei die Kontakte nicht zueinander ausgerichtet sind unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens;
9c zeigt eine Draufsicht auf die Kontaktausrichtung der 9b unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit Gate-Fingern bei der ein Band Steppkontakte zwischen den Gate-Fingern hat, gemäß einer Ausführungsform; und
11 zeigt eine Seitenansicht von gestapelten Bändern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Verwendung von gleichen oder ähnlichen Bezugsziffern in verschiedenen Figuren zeigt gleiche oder ähnliche Elemente an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere leitende flexible Bänder verwendet, um ein Halbleiterplättchen mit einer Leiterplatine zu verbinden.
Die 3a und 3b zeigen eine Seitenansicht und Draufsicht eines Halbleiterplättchens 400, das durch ein leitendes flexibles Band 404 mit einer Leiterplatine 402, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, verbunden ist. Das Plättchen 400 enthält einen metallisierten Abschnitt 406, wie Aluminium, der eine Verbindung zu darunterliegenden Elementen des Plättchens 400 schafft. Das Plättchen 400 ist gemäß einer Ausführungsform Teil einer Powerhalbleitervorrichtung, wie eines Power-MOSFETs. Die Leiterplatine 402 enthält einen Trägerabschnitt 407, an dem das Plättchen 400 z. B. durch Lötmaterial oder Epoxy befestigt ist, und Anschlüsse 408, die elektrische Verbindung mit externen Vorrichtungen erlauben. Ein Gehäuse, eine Abdeckung oder eine Baugruppe schützt das Plättchen vor externen Elementen. In manchen Ausführungsformen ist die Halbleiterbaugruppe eine TO-220 oder eine SO-8 Baugruppe.
Das Band 404, welches einen rechteckigen Querschnitt haben kann, ist Aluminium, obwohl andere leitende Metalle, wie Kupfer auch geeignet sind. In einer Ausführungsform sind die mechanischen Eigenschaften des Bandes 404 ähnlich jenen vom Draht. Zum Beispiel kann ein 60 mm × 8 mm Aluminiumband eine Zugfestigkeit von etwa 2000 g haben. Die Breite des Bandes 404 kann von 20 mm bis 100 mm oder mehr reichen. In einer Ausführungsform ist die Breite 120 mm. Breitere Bänder sind im Allgemeinen dazu in der Lage eine größere Anzahl von Drähten zu ersetzen. Zum Beispiel kann ein einzelnes 120 mm Band fünf 20 mm Drähte ersetzen. Die Dicke des Bandes 404 kann von 2 mm bis 10 mm oder mehr reichen. In einer Ausführungsform ist die Dicke 12 mm. Dicken von 2 mm erfordern eine präzise Schneidekontrolle, sodass das Band geschnitten werden kann, ohne in das Substrat zu schneiden. Zu bemerken ist, dass geringere Dicken möglich sind mit verbesserter Ausrüstung und verbessertem Verfahren. Einige typische Größen von Bändern 404 sind 20 mm × 2mm, 20mm × 4mm, 30 mm × 3 mm, 40 mm × 4 mm, 50 mm × 5 mm, 60 mm × 8 mm, 80 mm × 6 mm, 80 mm × 8 mm, 80 mm × 10 mm und 100mm × 10 mm. Das Seitenverhältnis (Breite/Dicke) ist in einer Ausführungsform zwischen 7 und 13 mit einem typischen Verhältnis von ungefähr 10. Ein Seitenverhältnis von etwa 10 zeigte die Schaffung eines guten Kompromisses zwischen Bondbarkeit (je dünner desto besser) und Kippempfindlichkeit (je dicker desto besser). Der Fachmann wird verstehen, dass andere Größen des Bandes auch geeignet sind, abhängig von Faktoren wie Systemerfordernissen und Verfahrenstechnologie.
Das Band 404 ist an dem metallisierten Abschnitt 406 durch ein Ultraschallbondverfahren, wie es dem Fachmann bekannt ist und z. B. in den herkömmlich übertragenen US Patenten 4 824 005 betitelt "Dual mode ultrasonic generator in a wire bonding apparatus" von Smith, Jr. und 6 439 448 betitelt "Lange Wire Bonder Head" von Ringler, welche beide durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingebracht werden, offenbart ist, gebondet. Ultraschallbonding ist umweltfreundlicher, sauberer, weniger teuer und leichter zu steuern als Löten. Jedoch wird Ultraschallbonden schwieriger, wenn die Dicke des Drahtes zunimmt. Im Falle von Drähten, können Drähte mit kleinen Durchmessern verwendet werden, aber es wird eine größere Anzahl von Drähten benötigt, um den gleichen Querschnitt zu erzielen, was zu einer geringeren Produktivität und höheren Kosten führt.
Die relativ geringe Dicke des Bandes 404 (z. B. 2 bis 10 mm) erlaubt Ultraschallbonding während eine große Breite (z. B. 20 bis 100 mm) eine große Bondfläche erlaubt. Die geringe Dicke des Bandes 404 schafft auch Flexibilität, sodass innerhalb einer gegebenen Fläche des metallisierten Abschnitts 406, die Anzahl der Bonds oder Steppkontakte erhöht werden kann, und die Länge des Bandes zwischen den Bonds verringert werden kann. Das kann vorteilhaft sein, wie unten näher erläutert wird.
Bezugnehmend auf 3b, ist das Band 404 in einer Ausführungsform an dem metallisierten Abschnitt 406 entlang einer Fläche 412 ultraschallgebondet, obwohl der tatsächliche Bond kleiner sein kann. Das Ultraschallbonding erfolgt durch herkömmliche Verfahren, z. B. mit Frequenzen um 60 kHz. Jedoch sind Variationen derzeitiger Ultraschallbondingverfahren auch geeignet. Zum Beispiel kann Ultraschallbonding bei einer Frequenz höher als 60 kHz, z. B. um 80 kHz stattfinden, was eine höhere Reproduzierbarkeit des resultierenden Bonds schafft und eine geringere Vibrationsamplitude von dem Bondwerkzeug erfordert. In anderen Ausführungsformen ist das Band 404 durch Thermosonicbonden mit dem metallisierten Abschnitt 406 verbunden. Es gibt Kompromisse bei der Verwendung von Thermosonicbonding, wie zusätzliche Komplexität und Kosten verbunden mit dem Erhitzen eines Substrates und Bonden an dem erhitzten Substrat gegenüber geringeren Ultraschallkrafterfordernissen und einem verzeihenderen Verfahren.
Zurückkehrend zu 3b ist die Fläche 412 ungefähr die Breite des Bandes 404 und ungefähr die doppelte Dicke des Bandes 404 in einer Ausführungsform. In anderen Ausführungsformen ist die Länge der Fläche 412 weniger als das Doppelte der Dicke des Bandes 404 aber mehr als die Dicke des Bandes 404. In einigen Ausführungsformen ist die tatsächliche Bindung von dem Ultraschallbonding zumindest so groß, wie die Fläche der Querschnittsfläche des Bandes 404. Ein Bondwerkzeug für eine größere (längere) gebondete Fläche 412 erlaubt das Erzielen eines Bondes von ausreichender Länge (d.h. zumindest so lang wie die Dicke des Bandes), selbst mit geringeren als optimalen Ultraschallbondingparametern. Ferner ist die tatsächliche Bondfläche von gleichem Ausmaß, wie die Bondfläche für Drahtbonding und daher können vergleichbare Kraft (Bond) und Stromleistung (Ultraschall) vom Drahtbonding für das Ultraschallbonding des Bandes 404 verwendet werden. Typischerweise wird ausreichend Stromfluss erhalten, wenn die tatsächliche Bondfläche zumindest annähernd die Größe des Bandquerschnittes hat.
Im Allgemeinen steigt die Leistung und Verarbeitbarkeit mit der Breite des Bandes 404. Die Breite ist jedoch durch verschiedene Faktoren, wie das Ultraschalbondverfahren, die Verlässlichkeit des Bonds und die Art der Baugruppe begrenzt. Zum Beispiel muss die Breite des Bandes und sein Seitenverhältnis in Abhängigkeit von der Neigung der Bondoberfläche relativ zum Bondwerkzeug begrenzt werden. Spannung und Zug, die durch nicht zusammenpassende thermische Expansion zwischen dem Band und dem Substrat verursacht wird, erhöht sich mit sich erhöhender Größe der gebondeten Fläche, wobei die Ermüdungsversagensdauer eines Bonds mit zunehmender maximaler Linearabmessung fortschreitend begrenzt wird. Die kritische lineare Abmessung ist die Länge der Diagonale der rechteckigen Bondfläche. Die Schwere dieser Begrenzung hängt vom Typ der Baugruppe und der Typ der Anwendung ab. Sie wird weniger schwerwiegend in einer separaten Kunststoffformbaugruppe sein, aber betonter in einem elektronischen Modul (welches typischerweise nur um Schutz gegen Oxidation und Korrosion zu erzielen mit Silikongel gefüllt ist).
Solange jedoch die maximale Abmessung vergleichbar, z. B. innerhalb von +/–50 % mit der Maximalabmessung der Bondfläche eines großen Drahtes ist, wird erwartet, dass die Begrenzung vergleichbar ist mit jener eines Runddrahtbonds, da die größte Abmessung noch von ähnlicher Größe ist.
4a ist eine Seitenansicht, die eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, in welcher mehrere Bonds oder Steppkontakte 500 verwendet werden, um das Band 404 mit dem metallisierten Abschnitt 406 zu kontaktieren. Steppkontakte 500 werden in einer Ausführungsform unter Verwendung von Ultraschallbonding gebildet. Mehrere Steppkontakte reduzieren den Ausbreitungswiderstand entlang des metallisierten Abschnittes 406. Wie man aus 4 sehen kann, muss je kürzer der Abstand zwischen den Steppkontakten 500 ist, der Strom einen umso kürzeren Abstand in der Metallisierung mit hohem elektrischen Widerstand laufen, was in einem geringeren Ausbreitungswiderstand und höherem Stromfluss zum Anschluss 408 der Leiterplatine 402 resultiert. In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Steppkontakte zwischen 2 und 6, obwohl ein einzelner Steppkontakt auch verwendet werden kann. Der Abstand zwischen den Steppkontakten 500 hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Größe des Bandes 404, dem Bandbondingverfahren und Erfordernissen der sich ergebenden Vorrichtung. Zum Beispiel erlauben dünnere Bänder, dass die Abstände kürzer sind, teilweise aufgrund erhöhter Flexibilität. In einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Steppkontakten (Mitte-zur-Mitte der Steppkontakte) für ein 80 mm × 8 mm Band zwischen etwa 1,25 mm und 2 mm, und für ein 40 mm × 4 mm Band kann der Abstand auf 0,6 mm reduziert werden.
4b ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit mehreren Steppkontakten um die Steppkontaktanordnung auf dem Plättchen zu illustrieren. Band 404 ist ein einzelnes breites Band (ungefähr die Breite des metallisierten Abschnittes 406) oder eines von mehreren parallelen Bändern. Die Abstände x₀, x₁, x₂, x₃ und x₄ sind wie gezeigt, wobei x₀ + x₁ + x₂ + x₃ + x₄ = d (die Länge des metallisierten Abschnittes 406). Zu bemerken ist, dass nur 4 Steppkontakte 500-1-500-4 gezeigt sind, obwohl andere Anzahlen auch möglich sind. Ferner sind die Abstände x₀ – x₄ nicht im Maßstab dargestellt, da verschiedene Ausführungsformen, verschiedene Abstände ergeben werden. In einer Ausführungsform sind die Abstände x₀ und x₄ (von der Mitte der Steppkontakte an den Enden des Plättchens zum Ende des Plättchens) ungefähr der halbe Abstand von dem Mitte-zur-Mitte Abstand der inneren Steppkontakte, d.h. x₁ = x₂ = x₃ = 2x₀ = 2x₄. Die Anordnung in dieser Weise minimiert in einer ersten Annäherung den Maximalabstand zwischen jedem Punkt an dem metallisierten Abschnitt 406 und dem nähersten Bond oder Steppkontakt 500. Diese Annäherung nimmt auch an, dass der Widerstand jedes der kleinen Loops (zwischen Steppkontakten 500) viel geringer ist, als der Widerstand des Hauptloops (zwischen Steppkontakt 500-1 und Anschluss 408). Die Richtigkeit dieser Näherung nimmt zu, wenn die Anzahl der Steppkontakte zunimmt, d.h. bei dichterer Anordnung der Steppkontakte.
Unter den Steppkontakten ist der Widerstand am Steppkontakt 500-1 am niedrigsten, was zum höchsten Stromfluss und zur höchsten Stromdichte am Steppkontakt 500-1 führt. Somit kann bei Anwendungen, die durch den Spitzenstrom begrenzt sind, Schaden am ersten Steppkontakt z. B. in Form von Schmelzen der Plättchenmetallisierung und Beschädigung des Plättchens aufgrund zu hoher Stromdichte am Bond oder Steppkontakt auftreten. Folglich wäre es wünschenswert, die Steppkontakte 500 so anzuordnen, dass jeder Steppkontakt den selben Widerstand oder Stromfluss „sieht„. Somit werden gemäß einer anderen Ausführungsform Steppkontakte 500 so angeordnet, dass die Trennung zwischen den Steppkontakten zunimmt, wenn die Steppkontakte sich weiter vom Anschluss 408 entfernen. In einer Ausführungsform ist x₀ < x₁/2 < x₂/2 < x₃/2 < x₄.
Der Abstand kann auch durch das Verfahren, bei welchem das Band 404 an den metallisierten Abschnitt 406 gebondet wird, begrenzt sein. Zum Beispiel wird während des Bondingverfahrens das Band 404 durch ein Bondwerkzeug, wie es detailliert unten beschrieben wird, zur Bondfläche geführt, wo Ultraschallbonding das Band 404 am metallisierten Abschnitt 406 befestigt. Zusätzliches Band 404 wird dann durch das Bondwerkzeug zugeführt, um einen Loop zu bilden und hinunter zur nächsten Bondfläche. Nach dem ersten Bond ist, wenn das Band zurück aus der Zufuhrrichtung geloopt wird, ein kürzerer Abstand zum nächsten Bond oder Steppkontakt möglich. Jedoch wird beim zurückloopen des Bandes Spannung auf den neuen Bond aufgebracht, was den Bond beschädigen oder brechen kann. Das Loopen des Bandes nach vorwärts, in die gleiche Richtung wie die Zufuhr, reduziert stark die Spannung, macht jedoch die Bildung eines kurzen Loops kritischer. In einer Ausführungsform ist das Band in einem Winkel von ungefähr 90 ° von dem metallisierten Abschnitt 406 ausgerichtet, was ein begrenztes Niveau an übermäßiger Spannung auf den Bond anordnet, währenddessen auch ein kurzer Abstand zwischen den Bonds erlaubt wird. Wie der Fachmann es schätzen wird, kann jedoch das Zuführen des Bandes vorwärts oder rückwärts in verschiedenen Winkeln das wünschenswerteste sein, abhängig von den verschiedenen Faktoren, wie der Bondingausrüstung, dem Band und den Vorrichtungserfordernissen.
Es gibt auch Vorteile beim Minimieren der Höhe H der Bandloops. Eine geringere Höhe erlaubt eine kleinere Profilbaugruppe sowie reduzierten Widerstand für hohen Stromfluss. Jedoch ist wie bei der Abstandsbegrenzung, die Höhe durch die Dicke des Bandes sowie das Bondingverfahren begrenzt. Es gibt kein oberes Limit für die Loophöhe (innerhalb des Bereiches von typischen Abmessungen von Halbleitern, Baugruppen oder Modulen), aber je niedriger die Zielloophöhe ist, desto herausfordender ist seine Steuerung, d.h. eine hohe Reproduzierbarkeit zu erzielen, wobei die Minimalloophöhe von der Dicke des Bandes (über den Einfluss auf die Steifigkeit in Hinblick auf das Biegen des Bandes) abhängt. In einer Ausführungsform sind die Loophöhen 1,00 mm (von der Oberfläche des Plättchens zur oberen Oberfläche des Bandes) für 8 mm dicke Bänder. Jedoch abhängig von den Vorrichtungserfordernissen können die Loophöhen andere Höhen, wie 0,60 mm haben, um die Reproduzierbarkeit oder genügend Kontrolle der Loophöhe zu erzielen oder 0,40 mm für ein 8 mm dickes Band, um Füllmaterial (z. B. Silikongel in Powermodulen und Kunststoffformen in einzelnen Powervorrichtungen) noch genügend Platz zu geben, um sorgfältig zu füllen, sodass sich unter dem Band keine Leerstellen/Blasen bilden.
Andere Faktoren als Vorrichtungs- und/oder Verfahrensbegrenzungen können auch die Anzahl der und den Abstand zwischen den Steppkontakten auf dem metallisierten Abschnitt 406 bestimmen. Selbst wenn kürzere Abstände zwischen Steppkontakten den Widerstand reduzieren und höheren Strom liefern, verringert die größere Anzahl von Steppkontakten oder Loops auch den Durchsatz. Für Anwendungen, in welchen ein hoher Strom nicht kritisch ist, kann ein höherer Durchsatz wünschenswerter sein, auf Kosten von geringerem Stromfluss. In einer solchen Situation würden eine geringere Anzahl von Steppkontakten oder Bonds gebildet werden. Daher kann die Anzahl der Steppkontakte und der Abstand zwischen den Steppkontakten abhängig von den Vorrichtungserfordernissen variieren.
Die 5a, 5b und 5c zeigen Draufsichten auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in welchen mehrere Bänder 404 verwendet werden, um den metallisierten Abschnitt 406 mit den Anschlüssen 408 zu verbinden. 5a zeigt vier 60 mm × 8 mm Bänder 404 mit 3 Steppkontakten oder Bonds. 5b zeigt vier 80 mm × 8 mm Bänder mit 4 Steppkontakten und 5c zeigt vier 80 mm × 8 mm Bänder mit 5 Steppkontakten. Höhere Stromführungsfähigkeit oder geringerer Widerstand ist mit mehreren Bändern möglich, da die Fläche, von der der Strom zum Bond gesammelt wird, reduziert ist. Im Allgemeinen nimmt, wenn die Anzahl der Bänder steigt, der Widerstand ab und der Stromfluss nimmt zu. Jedoch kann, wenn die Anzahl zunimmt, die erforderliche Breite der einzelnen Bänder abnehmen. Schmälere Bänder sind erwünscht, wenn die Vorrichtung Gegenstand großer Temperaturveränderungen ist. Dies ist deshalb, weil ein schmälerer Bond weniger Spannung von Wirkungen des thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) erleidet, was zu einem verlässlicheren Bond führt. Somit existieren Kompromisse zwischen dem Vorhandensein weniger breiterer Bänder und dem Vorhandensein einer großen Anzahl von schmäleren Bändern. Wie oben abgehandelt, ist ein typisches Seitenverhältnis ungefähr 10. Geringere Seitenverhältnisse können ebenfalls Vorteile gegenüber Drähten bringen; jedoch wenn die Seitenverhältnisse abnehmen (z. B. auf 3 oder weniger), erhält das Band ein Aussehen und ein Verhalten wie ein Draht, wobei die Vorteile, die durch Bänder gegeben werden, zunichte gemacht werden.
Typischerweise gibt es, wie für einen runden Draht, zwischen dem Band und dem darunterliegenden Silikon ein CTE-Missverhältnis. Zum Beispiel kann ein Kupferband wünschenswert sein, da Kupfer einen geringeren Widerstand als Aluminium und einen höheren Schmelzpunkt hat. Wenn jedoch die Metallisierung Aluminium ist, welches weicher ist als Kupfer, kann das Bonding des Kupferbandes an die Aluminiumschicht dazu führen, dass der Bond sich durch die Aluminiumschicht erstreckt und das darunterliegende Silikon beschädigt (dies wäre für einen runden Draht aufgrund des höheren Druckes noch schlimmer). Daher ist in einer Ausführungsform eine Kupferplattierung oder eine Metallplatte über der Metallisierungsschicht angeordnet. Die Metallplatte sollte aus einem Material sein, das einen CTE zwischen jenem von Silikon und dem Bandmaterial z. B. Kupfer hat, um als ein Spannungs-/Streckzugspuffer zu wirken. In einer Ausführungsform ist das Material nickelplattiertes Molybdän. Dies eliminiert die Notwendigkeit, den Ausbreitungswiderstand zu reduzieren, was dazu führt, dass der Widerstand hauptsächlich dem Band innewohnt. Ein breites Kupferband mit einem Steppkontakt schafft eine Breite Bondkontaktfläche für einen zuverlässigen Bond, wobei ein geringer Widerstand für Stromfluss geschaffen wird. Ferner reduziert die Verwendung eines Materials mit einem CTE näher der Bondoberfläche (Kupfer) die Temperaturwirkungen auf die Festigkeit des Bondes.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines kaschierten Bandes 600, gebildet aus einer dünnen ersten leitenden Schicht 602 und einer darüberliegenden zweiten leitenden Schicht 606. Die erste Schicht 602 ist aus dem gleichen Material gemacht, wie die darunterliegende Metallisierungsschicht 604, an die sie gebunden werden soll. Die Eigenschaften der ersten Schicht 602 oder Bindungsschicht enthalten erhöhte Bondbarkeit („weich„, so dass darunterliegende Strukturen unbeschädigt bleiben, und leicht bondbar mit Ultraschallverfahren), Korrosionsbeständigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, sodass Strom leicht durch diese Schicht laufen kann, um die zweite Schicht 606 zu erreichen und relativ geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient (oder nahe zu Silikon). Im Allgemeinen sind die letzten zwei Eigenschaften weniger wichtig als die ersten zwei. In einer Ausführungsform wird Aluminium für die erste Schicht 602 mit einer Dicke von ungefähr 2 mm verwendet. Somit werden zwei gleiche Materialien miteinander verbunden (wenn die Metallisierung Aluminium ist), was zu einem festeren und verlässlicheren Bond führt.
Ferner werden, da es momentan nicht möglich ist, Kupfer direkt auf Aluminiummetallisierungsschichten zu bonden, die über einer aktiven Schaltung liegen, Aluminiumbondblöcke typischerweise in Bereiche verlegt, wo keine aktive Schaltung darunter ist. Dies kann erlauben, dünne (z. B. 2 mm) Kupferdrähte an Aluminiummetallisierung zu bonden, ohne die Gefahr, aktive Elemente unter dem Aluminium zu beschädigen. Bondblöcke zu bewegen erfordert jedoch normalerweise die Silikonplättchen größer zu machen. Die Größe des Silikonplättchens ist immer noch der größte Kostenfaktor in einer Halbleitervorrichtung. Daher ist die Möglichkeit, Kupfer über aktiven Schaltungen mit hoher Rate zu bonden, sehr erwünscht, was erreicht werden kann durch Verwendung eines kaschierten Bandes mit einer Aluminiumschicht zwischen der Metallisierungsschicht und dem Kupferband.
Eine dickere, zweite Schicht 606 mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und geringem Widerstand liegt über der ersten Schicht 602. Neben hoher Leitfähigkeit sollte die zweite Schicht 606 auch korrosionsbeständig sein und einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten haben. Eine zusätzliche Eigenschaft, manchmal nicht so wichtig wie die obige, ist es, seine Härte zu begrenzen, um die Loopbildungsfähigkeit nicht so sehr zu beeinflussen und ein gutes Koppeln zwischen der Schicht und dem Bondwerkzeug zu ermöglichen. In einer Ausführungsform ist die zweite Schicht 606 Kupfer mit einer Dicke von etwa 6 bis 8 mm. Die zweite Schicht 606 kann verschiedene Dicken haben, abhängig in einigen Ausführungsformen von der Dicke der ersten Schicht 602, sodass das Seitenverhältnis im Bereich 7 bis 13 (typischerweise 10) liegt. Größere Querschnitte (größere Dicke) werden größere Ultraschallleistung zum Bonden erfordern, und daher höhere Kräfte, um das notwendige Koppeln zwischen dem Bondwerkzeug und dem Kupferabschnitt zu erreichen. Kupfer bietet geringen elektrischen Widerstand und/oder einen starken/steifen und korrosionsbeständigen Loop. Andere Materialien, die geeignet sein können für die zweite Schicht 606 beinhalten Gold, das sehr viel teurer ist, und eine Silber-Nickel-Legierung.
Eine 2 mm Aluminiumbondingschicht wurde als für die derzeitigen Verfahren geeignet gefunden. Aluminium ist wünschenswert für Ultraschallbonding, da es mit vielen Materialien bei Raumtemperatur verbunden werden kann, leicht bondbar ist und darunterliegende aktive Elemente vor möglichen Schäden durch Ultraschallbonding schützt. Seine „Weichheit„ erlaubt Bonden an empfindliche Strukturen mit gutem Resultat. Obwohl seine elektrische und thermische Leitfähigkeiten hoch ist, ist sie immer noch geringer verglichen mit anderen Materialien wie Kupfer. Jedoch während Kupfer höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit hat, ist es relativ hart und schwierig zu bonden. Somit bringt die Ausbildung des Bandes 600 mit einer dünnen Aluminiumschicht zwischen dem Kupfer und der Aluminiummetallisierung Vorteile sowohl des Kupfers als auch des Aluminiums. In anderen Ausführungsformen kann die erste Schicht 602 aus einem Metall oder Bondmaterial sein das ähnlich, aber nicht exakt gleich mit der darunterliegenden Metallisierung ist, was immer noch Vorteile bringt, wenn auch nicht in dem Ausmaß wie bei Verwendung des gleichen Metalls. In einer anderen Ausführungsform wird Kupfer verwendet. Andere Ausführungsformen können eine härtere Bondingschicht als Aluminium verwenden, wie in dem Fall wenn die Metallisierung, die unter den aktiven Elementen liegt aus einem härteren Material, wie Kupfer, gebildet wird.
Ein anderer Aspekt beim Entwurf von Powerverbindungen ist ihre Verlässlichkeit. Insbesondere bei Powermodulen ist ein thermisches Missverhältnis an der Bondzwischenfläche, hauptsächlich verursacht durch die große CTE-Differenz zwischen Silikon und Aluminium, ein begrenzender Faktor. Theoretisch könnte dies drastisch mit dem kaschierten Band 600, das oben abgehandelt wurde, geändert werden, wenn das Hauptbandmaterial oder die dickere zweite Schicht 606 einen CTE näher zu jenem von Silikon hätte. Zum Beispiel, da der CTE von Kupfer (d.h. ungefähr 17.10^–6 K^–1) näher zu dem von Silikon (d.h. ungefähr 3.10^–6 K^–1) ist als Aluminium (d.h. ungefähr 24.10^–6 K^–1), sodass die Differenz ungefähr 14.10^–6 K^–1, verglichen mit ungefähr 21.10^–6 K^–1 ist, sollte die Verlässlichkeit verbessert sein. Berechnungen haben einen Verbesserungsfaktor von ungefähr 2 gezeigt. Als ein Beispiel eröffnet dies die Möglichkeit, die Verlässlichkeit in industriellen Powermodulen um ungefähr einen Faktor 2 zu verbessern, eine lange gesuchte Verbesserung.
7 zeigt eine andere Ausführungsform eines kaschierten Bandes 700, in welcher eine dritte Materialschicht 702 über der zweiten Schicht 606 liegt. Wie bei der Ausführungsform von 6, ist die erste Schicht 602 aus Bondmaterial, z. B. nützlich beim Ultraschallbonding und die zweite Schicht 606 ist aus einem leitenden Material, ausgewählt unter verschiedenen Aspekten wie Leitfähigkeit und Flexibilität. Da das Koppeln zwischen dem Bondwerkzeug und dem Band 700 ein anderes Schlüsselerfordernis ist (welches die erforderliche Kraft in einem wesentlichen Ausmaß bestimmt), kann es vorteilhaft sein, die dritte Schicht (oder Bindeschicht) 702, die nicht notwendigerweise mit der ersten Schicht 602 am Boden identisch ist, einzuschließen. Die dritte Schicht 702 würde ein optimiertes Koppeln zwischen dem Band und dem Bondwerkzeug unterstützen. Eigenschaften der dritten Schicht 702 oder Kopplungsschicht sind ausgewählt, mittlere Härte zu haben, korrosionsbeständig zu sein, eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu haben und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu haben, obwohl typischerweise die ersten zwei Eigenschaften größere Bedeutung als die letzteren zwei haben. Dies kann sich jedoch mit verschiedenen Anwendungen ändern. In einer Ausführungsform wird Aluminium für die dritte Schicht 702 verwendet. Andere Materialien können Kupfer, Gold und Silber einschließen, wenn auch jedes Nachteile hat. Zum Beispiel ist Kupfer hart und Gold und Silber sind teurer. Die Dicke der dritten Schicht 702 ist in einer Ausführungsform zwischen ungefähr 0,5 mm und 2 mm mit einer typischen Dicke von 1 mm. Die erste Schicht 602 und die zweite Schicht 606 sind gleich mit jenen, die oben im Bezug auf die Ausführungsform in 6 beschrieben sind.
Ein Vorteil bei der Verwendung eines Bandes anstelle eines runden Drahtes in einer kaschierten Konfiguration ist, dass Aluminium effektiver verwendet wird. Zum Beispiel wird bei Verwendung eines runden Drahtes mit einem Kupferkern und einem Aluminiumzylinder, der das Kupfer umgibt, nur der untere Abschnitt des Aluminium für das Bonden verwendet, wenn der Draht an der Metallisierung gebondet und „flachgedrückt„ wird. Somit werden die oberen und die seitlichen Abschnitte des Aluminiums nicht verwendet um den Bond zu kreieren. Bei Verwendung eines Bandes jedoch, wird das Aluminium während des Ultraschallbondingverfahrens vollständig verwendet. Entsprechend kann mehr Kupfer (als ein Prozentsatz des gesamten Drahtquerschnittes) verwendet werden, was in einer höheren Stromführungsfähigkeit resultiert. Die Dicke der kaschierten Schicht eines Bandes kann geringer als für einen Draht (z. B. für ein Zweischichtenband oder ein einseitig kaschiertes Band) gewählt werden, da es viel weniger deformiert werden muss (weniger als 1 mm, typischerweise ungefähr 0,5 mm, entsprechend den Beobachtungen und Untersuchungen).
8 zeigt eine Ausführungsform eines Abschnittes (der Fuß) eines Bondingwerkzeuges für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Der Fuß des Bondingwerkzeuges verwendet eine Kreuznutenstruktur und bildet ein Diamantenmuster wie gezeigt. Die Tiefe der Nuten hängt von der Dicke des Bandes ab. In einer Ausführungsform ist die Dicke zwischen etwa 1 mm und 1,5 mm für ein 8 mm dickes Band. Dieser Mustertyp erhöht die Kopplungsoberfläche zwischen dem Werkzeug und dem Band während des Bondverfahrens. Die Ränder der Nuten verbessern auch das direkte Ineinandergreifen zwischen dem Werkzeug und dem Band am Beginn des Bondverfahrens, reduziert den Schlupf zwischen dem Werkzeug und dem Band und überträgt die Werkzeugbewegung in das Band und auf die Zwischenfläche zwischen dem Band und dem Substrat. Es wird auch erwartet, dass dieses Diamantenmuster leicht die Kippempfindlichkeit des Bandbondings reduziert. Die Bondoberfläche sollte gut normal zum Bondwerkzeug stehen; sonst ist die Last des Werkzeugs auf das Band inhomogen und das Bonding, in Wirklichkeit dann das Überbonding findet nur auf einer Seite des Bandes statt. Das Diamantmuster begrenzt die Deformation auf der Seite, auf der das Werkzeug dem Substrat näher ist (aufgrund einer begrenzten Senkrechtheit) da aber das Werkzeug dennoch leichter in das Material auf dieser Seite des Bandes sinkt, wird es eher auch in einem gewissen Ausmaß in die andere Seite sinken und zumindest einige Energie übertragen. Daher erhöht/maximiert diese Art von Muster die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Band und minimiert den Schaden am Bandfuß. Es wurde auch beobachtet, dass die Verwendung von Bändern mit Seitenverhältnissen von 10 eine annehmbare Bondqualität für Kippwinkel bis zu 1° liefern.
In vielen Baugruppen sind Anschlüsse 408 und metallisierter Abschnitt 406 zueinander ausgerichtet, wie in 9a gezeigt entlang der Linie 900. Ausgerichtet wie es hier verwendet wird, heißt ein Hauptteil der Bondingfläche von den Anschlüssen 408 sind in dem Bereich, der von der Bondfläche des metallisierten Abschnittes 406 senkrecht zu einer ihrer Seiten, projiziert ist. In diesen Arten von Baugruppen (z. B. SO-8 Baugruppen) wird Band 404 entlang der Linie 900 zugeführt und gebondet und senkrecht zur Linie 900 abgeschnitten. Hier ist die Maximalbreite des Bandes 404 auf die kürzere der beiden Breiten des metallisierten Abschnittes 406 und des Anschlusses 408 begrenzt. Jedoch können andere Arten von Baugruppen Anschlüsse 408 und einen metallisierten Abschnitt 406 haben, die zueinander versetzt sind, sowie es in 9b gezeigt ist. Bei Verwendung herkömmlicher Ultraschallbonding-ausrüstung und -verfahren wird das Band 404 senkrecht zur Länge des Bandes gebondet und geschnitten, wie in 9b gezeigt. Dies kann die Bondfläche und Breite des Bandes reduzieren, sowie die Anzahl der Steppkontakte oder Bonds, da die Fläche am Anschluss 408 und am metallisierten Abschnitt 406 nicht optimal genutzt wird.
9c zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher das Band 404 parallel zur beabsichtigten Bondfläche des Anschlusses 408 und dem metallisierten Abschnitt 406 geschnitten und gebondet wird. Unter Verwendung dieser Konfiguration werden die Bondflächen vollständiger genutzt, sodass breitere Bänder mit mehr Bonds verwendet werden können. Herkömmliche Ultraschallbondingausrüstung kann so verändert werden, dass das Bondwerkzeug gedreht wird. Dies erlaubt dem Band, in verschiedenen Winkeln gebondet und geschnitten zu werden. Durch Schneiden und Bonden parallel mit den Bondflächen des Plättchens und der Anschlüsse kann die Bandbreite, die Bondfläche und/oder die Anzahl der Steppkontakte vorteilhaft erhöht werden. Zu bemerken ist, dass Ausrichtungen anders als parallel auch Vorteile gegenüber dem Bonden mit einem fixen Werkzeug bringen können.
Winkelbonden kann durch Durchführen von Veränderungen bei bestehender Ultraschallbondingausrüstung, wie in dem herkömmlich übertragenen US-Patentnr. 4 976 392 betitelt „Ultrasonic wire bonder wire formation and cutter system„, die in ihrer Gesamtheit hier durch Referenz eingebracht wird, beschrieben, verwirklicht werden. Winkelbonden kann durch Drehen der Bandführung und des Schneiders relativ zum Bondwerkzeug erzielt werden oder durch Drehen des Bondwerkzeuges allein (jedoch ist dann der Schnitt nicht parallel zum Bond(werkzeug)).
Ein Weg um ein Winkelbonden zu erzielen, ist durch Drehen des Bondfußes des Werkzeuges relativ zum Wandler und zur Drahtführung. Obwohl diese Art der Ausrichtung des Werkzeuges und daher die Einstellung fix und anwendungsbezogen ist, bedeutet sie keinen anderen zusätzlichen Aufwand. Natürlich werden die Vibrationsmerkmale verschieden und eine Funktion des Winkels sein, aber dies kann eingerichtet werden. Der Schneider wird auch gedreht, wenn der Schnitt parallel zum Bond erforderlich ist. Eine solche Einstellung ist in den meisten unterschiedlichen Poweranwendungen ausreichend, bei denen typischerweise nur ein Winkel erforderlich ist (siehe 9c). In einer Powermodulanwendung, in der viel mehr Verbindungen unter verschiedenen Winkeln sein können, kann eine flexible Lösung erforderlich sein. Dies würde es erlauben, den Relativwinkel zwischen Bondfuß und Bandführung und Schneider einzustellen, was die Flexibilität unterstützt, welche die Hauptstärke von Ultraschallbonding verglichen zu anderen Verbindungstechniken in solchen Anwendungen ist.
10 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher das Band 404 mit mehreren Steppkontakten 500 (aus 5) mit einer Vorrichtung verwendet wird, wie einem MOSFET-Plättchen mit Gate-Fingern 1000. Steppkontakte 500 werden zwischen die Gate-Finger 1000 gebondet. Dies eliminiert die Notwendigkeit, eine zusätzliche isolierende Schicht über die Finger 1000 zu bilden. Ein Trend auch in Powerelektronik (hauptsächlich seperate Power-MOSFETs für DC-DC Wandleranwendungen), ist zu höheren Schaltfrequenzen. Betrieb mit höherer Frequenz (z. B. > 1 MHz) verbessert die Effizienz in DC-DC Wandleranwendungen und erlaubt es, passive Komponenten (z. B. Induktoren und Kondensatoren) kleiner zu halten.
Um das Schaltverhalten eines MOSFETs zu verbessern, sind Gate-Finger in dem Bereich der Quellmetallisierung vorgesehen (um den Abstand zwischen dem Gate und jedem Punkt in der Quelle zu reduzieren, um die Schaltverzögerung zu reduzieren). Diese Gate-Finger unterbrechen die Quellmetallisierung. Zum Beispiel beschreibt US-Patent Nr. 6 040 626 wie diese Finger mit einem elektrisch isolierenden Material bedeckt werden müssen, sodass der Clip, der an die Quellmetallisierung angeschlossen ist, keinen Kurzschluss zwischen dem Gate(finger) und der Quellmetallisierung erzeugt. Wenn die Gate-Fingeranordnung so ist, dass die Steppkontakte eines Bandes zwischen ihnen angeordnet werden können, eliminiert das Band die Notwendigkeit dieser obengenannten elektrischen Isolierung.
Die Verwendung eines Bandes in Anwendungen mit höherer Frequenz bringt auch den Vorteil des begrenzten Skineffekts von Bändern verglichen mit runden Drähten. Zum Beispiel ist die Skintiefe bei einem MHz 3,1 mm für Aluminium und 2,5 mm für Kupfer. Da der meiste Strom in einer Schicht unter der Leiteroberfläche mit einer Dicke gleich der Skintiefe fließt, führt der reduzierte Querschnitt zu einem höheren Spannungsverlust und einer höheren Joul'schen Erwärmung. Bei einem numerischen Beispiel trägt in einem 20 mm Draht nur der äußere Ring von 3,1 mm Dicke eine wesentliche Menge an Strom. Sein Querschnitt ist (∂/4)·(20² – 16.9²) = 90mm² oder annähernd 90/314 ungefähr 29 % des gesamten Drahtquerschnitts. Im Gegensatz dazu ist für ein 80 mm × 8 mm Band der Querschnitt des äußeren Rings von 3,1 mm Dicke (vernachlässigt die kurzen Seiten) 2.80 mm·3,1 mm = 496 mm² oder 496/640 ungefähr 77,5 % des gesamten Bandquerschnittes.
Obwohl Bänder in anderen Anwendungen verwendet wurden, wurde die Verwendung von Bändern in Verbindung mit Halbleiterplättchen und Baugruppen wie Highpoweranwendungen und MOSFETs aus zahlreichen Gründen nicht verwendet. Zum Beispiel benutzen Hochfrequenzanwendungen wie Mikrowelle und Optoelektronik Bänder für ihre verbesserte Hochfrequenzleistungsfähigkeit. Der rechteckige Querschnitt reduziert den Skineffekt, niedrige Loops mit geeigneter Form führen zu geringer Induktivität der Verbindung und die Form ist ähnlicher jener von Bandleitungen, die zu geringeren Reflektionsverlusten am Ende der Verbindung führen. Hochfrequenzanwendungen wünschen Bänder, die große Oberflächenbereiche (reduzierte Skineffekte) und Loops mit gut definierter Geometrie (kleine Varianz in der Induktivität) haben. Dies führt zu Einzelbändern mit Einzelbonds, da Ausbreitungswiderstand kein Thema ist. Ferner verwenden Bänder, die in diesen Hochfrequenzanwendungen typischerweise verwendet werden, Gold als Bandmaterial und verarbeiten die Bonds durch Erhitzen des Substrates, d.h. es ist ein Thermosonicverfahren und nicht ein reines Ultraschallverfahren (d.h. ohne Anwendung von Hitze).
Die Verwendung von Bandbonding der vorliegenden Erfindung bringt zahlreiche Vorteile. Das Ausmaß der Produktivitäts-/Durchsatzverbesserung wird von der Anwendung abhängen. Zum Beispiel wurden in einer mittleren Powerbaugruppe (z. B. einer TO-220 Baugruppe) 3 parallele 20 mm Aluminiumdrähte mit jeweils 2 Steppkontakten an dem Plättchen durch ein 80 mm × 10 mm Aluminiumband mit 3 Steppkontakten an dem Plättchen für gleiche elektrische Leistung ersetzt. Die Produktivitätsverbesserung erhöht sich um einen Faktor von etwa 2,5, da die Verfahrenszeit für ein solches Band mit den Entwurfskriterien (mit Bezug auf die Größe der Bondfläche), die beschrieben wurden, vergleichbar ist mit jener eines einzelnen 20 mm Drahtes. In einer Lowpowerbaugruppe (z. B. einer SO-12 Baugruppe) wurden vier 5 mm Aluminiumdrähte mit einem einzelnen Steppkontakt auf dem Plättchen durch ein 30 mm × 3 mm Aluminiumband mit einem einzelnen Steppkontakt auf dem Plättchen ersetzt. Der Produktivitätsverbesserungsfaktor ist ungefähr 4, da die Verarbeitungszeit für ein solches Band vergleichbar ist mit jener eines einzelnen 5 mm Drahtes.
Die vorliegende Erfindung schafft andere Merkmale, die vorteilhaft sein können. Zum Beispiel bringt Bandbonding eine höhere Steifigkeit in der Substratebene, wodurch sich die Empfindlichkeit gegen Vibrationen in dieser Richtung verringert. Dies kann Vorteile bei Kraftfahrzeugsanwendungen haben, wo Silikongel, das verwendet wird um die Powermodule zu füllen, eine merkliche Kraft auf die Drähte unter Vibration ausübt. Andere Vorteile können daraus resultieren, dass viele Drähte durch ein einzelnes Band oder eine geringere Anzahl von Bändern ersetzt werden. Zum Beispiel ist es üblich, Drähte nach dem Bonden auf Zug zu teste, um die Qualität des Bonds zu bestimmen. Wenn die Anzahl der Drähte auf einem Plättchen zunimmt, nimmt die Zeit um alle Drähte auf dem Plättchen auf Zug zu testen zu und/oder die Anzahl der benötigten Zugtestvorrichtungen muss erhöht werden. Folglich können, wenn ein einzelnes Band oder eine geringe Anzahl von Bändern, anstelle von Drähten benutzt wird, Zeit und/oder Kosten gesenkt werden. Durch Reduktion der Anzahl aller Bonds oder Steppkontakte auf dem Plättchen ist auch ein niedrigeres Ertrags-Verlustpotential möglich, aufgrund von geringeren Chancen einen fehlerhaften oder beschädigenden Bond auf dem Plättchen zu bilden. Es wurde auch beobachtet, dass aufgrund des geringeren Druckes ein Aluminiumband nicht so tief in die metallisierte Fläche des Plättchens eindringt, im Allgemeinen < 1 im, verglichen mit einem runden Draht mit vergleichbarer Härte (> 1 im, abhängig vom Durchmesser und der Härte). Dies reduziert auch das Risiko der Beschädigung der darunterliegenden Schaltung, wobei die Möglichkeit eines geringeren Ertragsverlustes geboten wird und daher von geringeren Herstellungskosten.
Ein anderes Verbesserungspotential der rechteckigen Bandgeometrie bietet, verglichen zur runden Drahtgeometrie, die Möglichkeit mehrere Bänder auf ihren Bonds/Steppkontakten übereinander zu stapeln wie in 11 gezeigt. Drei Bänder 404 sind gestapelt auf den Steppkontakten 500 gezeigt. Jedes folgende gestapelte Band ist z. B. durch Ultraschall an einem entsprechenden darunterliegenden Bond oder Steppkontakt 500 gebondet. Dies erlaubt, dass der Verbindungsquerschnitt weiter erhöht wird, während die Höhe immer noch vergleichbar mit einem Draht gehalten wird. Zum Beispiel können bis zu drei 80 mm × 8 mm Bänder auf diese Weise in einer Powermodulanwendung gestapelt werden. Mit dem Trend zu effizienteren Powerhalbleitern nimmt die Plättchengröße ab, während die Stromleitfähigkeit konstant bleibt oder sogar zunimmt. Dies erfordert größere Querschnittsverbindungen. Wenn die Breite nicht erhöht werden kann und/oder das Seitenverhältnis auf einem bestimmten Wert gehalten werden muss, kann Aufeinanderstapeln immer noch erlauben den Verbindungsquerschnitt zu erhöhen. Mit dem vorliegenden Schneidesystem kann der letzte Steppkontakt 500-3 nicht gestapelt werden, da das System einen Träger unter dem Werkzeug während der Schneidbewegung benötigt und daher wäre nicht genug Platz in einer separaten Powerbaugruppe für dieses Verfahren. Diese Beschränkung kann jedoch mit einer entsprechenden Ausbildung des Schneidmechanismus behoben werden. Zu bemerken ist, dass dieser Aspekt der Erfindung nicht das Stapeln auf Bändern mit vielen Steppkontakten erfordert; das Stapeln über Bändern mit einem einzelnen gebondeten Steppkontakt bringt auch Vorteile wie oben abgehandelt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nur illustrativ und nicht beschränkend gemeint. Es ist daher für den Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen gemacht werden können ohne von dieser Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen. Zum Beispiel ist das Bonding eines Halbleiterplättchens an eine Baugruppe oben beschrieben. Das Bandbonding kann jedoch auch zwischen zwei Elementen in einem elektronischen Modul stattfinden, von denen eines, beide oder keines ein Halbleiterplättchen ist. Ferner ist das Bonding hauptsächlich im Hinblick auf Ultraschallbonding beschrieben und zu einem geringeren Grad in Hinblick auf Thermosonicbonding. Jedoch können auch andere Bondingverfahren, die für die Verwendung des flexiblen Bandes, das hier abgehandelt wurde, geeignet ist auch verwendet werden, wie Thermokompression. Das Bonding kann von gleicher oder von verschiedener Weise sowohl für Plättchen-auf-Band als auch für Anschluss-auf-Band sein. Daher umfassen die angeschlossenen Ansprüche alle solche Änderungen und Modifikationen, die in den wahren Geist und Umfang dieser Erfindung fallen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein flexibles leitendes Band ist an die Oberfläche eines Plättchens und an die Anschlüsse einer Leiterplatine einer Baugruppe ultraschallgebondet. Mehrere Bänder und/oder mehrere gebondete Bereiche bringen verschiedene Vorteile wie hohe Stromführungsfähigkeit, reduzierten Ausbreitungswiderstand, verlässliche Bonds aufgrund großer Kontaktflächen, geringere Kosten und höheren Durchsatz aufgrund weniger zu bondender und testender Flächen.

Claims

Was beansprucht wird ist:
Eine elektronische Baugruppe umfassend: eine elektronische Vorrichtung mit einer leitenden oberen Oberfläche; ein leitender externer Anschluss zu der elektronischen Vorrichtung; und ein leitendes Band, das an einen ersten Abschnitt der leitenden oberen Oberfläche ultraschallgebondet ist und an den leitenden Anschluss gebondet ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin die elektronische Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 2, worin die Halbleitervorrichtung ein Power-MOSFET-Plättchen, eine Diode oder ein isolierter Gatebipolartransistor ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das leitende Band an mehrere Kontaktflächen der leitenden oberen Oberfläche gebondet ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten externen leitenden Anschluss zur elektronischen Vorrichtung; und ein zweites leitendes Band parallel zum ersten leitenden Band und ultraschallgebondet an die leitende obere Oberfläche und den zweiten leitenden Anschluss.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das leitende Band einen rechteckigen Querschnitt hat.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das leitende Band und die leitende obere Oberfläche aus Aluminium sind.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das leitende Band eine erste Schicht umfasst, die die leitende obere Oberfläche kontaktiert und eine zweite Schicht, die über der ersten Schicht liegt.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 8, worin die erste Schicht aus Aluminium und die zweite Schicht aus Kupfer ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 9, worin die erste Schicht dünner ist, als die zweite Schicht.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 8, worin die leitende Schicht ferner eine dritte Schicht umfasst, die über der zweiten Schicht liegt.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 8, worin die erste Schicht und die leitende obere Oberfläche das selbe Material enthalten.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das Band entlang einer Linie parallel zu einer Seite der leitenden oberen Oberfläche und des leitenden Anschlusses gebondet und geschnitten ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin die Breite des Bandes zwischen etwa 20 mm und 100 mm liegt.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin die Dicke des Bandes zwischen ungefähr 2 mm und 10 mm liegt.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin das Seitenverhältnis des Bandes ungefähr 10 ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin der leitende Anschluss Teil eines Halbleiterplättchens ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, worin der leitende Abschlussteil eine Leiterplatine ist.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 4, worin die mehreren Kontaktbereiche zwischen Gate-Fingern liegen.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 1, ferner umfassend ein zweites leitendes Band, das über dem leitenden Band liegt.
Elektronische Baugruppe aus Anspruch 20, worin das zweite Band auf den ersten Abschnitt der leitenden Oberfläche ultraschallgebondet ist.
Halbleiterplättchenbaugruppe umfassend: ein Halbleiterplättchen mit einer oberen leitenden Oberfläche; einen externen leitenden Leiter zu dem Plättchen; und ein flexibles Band, dass die obere leitende Oberfläche mit dem Leiter elektrisch verbindet, wobei das Band auf die obere leitende Oberfläche in mehreren Bereichen gebondet ist und worin das Band zumindest einen Loop über das Plättchen bildet.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, worin das Plättchen ein Power-MOSFET ist.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, worin die Bonds durch Ultraschallbonding gebildet sind.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, worin das Band einen rechteckigen Querschnitt hat.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, ferner umfassend: einen zweiten zum Plättchen externen Leiter; und ein zweites flexibles Band, das parallel zum ersten flexiblen Band ist und die obere leitende Oberfläche mit dem zweiten Leiter elektrisch verbindet, worin das zweite Band an die obere leitende Oberfläche an mehreren Bereichen gebondet ist und worin das zweite Band zumindest einen Loop über das Plättchen bildet.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 26, worin der erste und der zweite leitende Leiter der gleiche sind.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, worin das Band eine Bindeschicht und eine leitende Schicht, die über der Bindeschicht liegt, umfasst.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, ferner umfassend ein zweites leitendes Band, das über dem flexiblen Band liegt.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 29, worin das zweite leitende Band zumindest in einem der mehreren Bereiche gebondet ist.
Plättchenbaugruppe aus Anspruch 22, worin die Bonds durch Thermosonicbonding oder Thermokompression gebildet sind.
Verfahren zum elektrischen Verbinden einer elektronischen Vorrichtung mit einem externen Leiter, umfassend: Ultraschallbonding eines ersten Abschnitts eines Bandes an einen ersten Abschnitt auf einer leitenden oberen Oberfläche der Vorrichtung und Bonding eines zweiten Abschnittes des Bandes an den externen Leiter.
Verfahren nach Anspruch 32, worin die elektronische Vorrichtung ein Halbleiterplättchen ist.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend: Ultraschallbonding eines dritten Abschnittes des Bandes an einen zweiten Abschnitt auf der leitenden oberen Oberfläche der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend: Ultraschallbonding eines ersten Abschnittes eines zweiten Bandes auf einen zweiten Abschnitt auf der leitenden oberen Oberfläche der Vorrichtung; und Bonding eines zweiten Abschnittes des zweiten Bandes an den externen Leiter.
Verfahren nach Anspruch 32, worin das Ultraschallbonding mit einem Bondwerkzeug mit einem diamantförmigen Muster durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend das Schneiden des Bandes nach dem Bonding.
Verfahren nach Anspruch 37, worin das Ultraschallbonding und Schneiden entlang paralleler Linien erfolgt und in verschiedenen Winkeln durchgeführt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 32, worin das Band eine Bindeschicht und eine leitende Schicht, die über der Bindeschicht liegt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, worin das Band ferner eine Kopplungsschicht umfasst, die über der leitenden Schicht liegt.
Verfahren nach Anspruch 32, worin die leitende obere Oberfläche aus Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 39, worin die Bindeschicht Aluminium enthält und die leitende Schicht Kupfer enthält.
Verfahren nach Anspruch 35, worin das erste und zweite Band parallel zueinander sind.
Verfahren nach Anspruch 34, worin der erste und zweite Abschnitt der leitenden Oberfläche zwischen Gate-Fingern sind.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend Ultraschallbonding eines ersten Abschnitts eines zweiten Bandes an den ersten Abschnitt auf der leitenden Oberfläche, worin das zweite Band über dem Band liegt.
Verfahren zum elektrischen Verbinden einer elektronischen Vorrichtung mit einem externen Leiter, umfassend: Bonding eines ersten Abschnittes eines flexiblen leitenden Bandes an einen ersten Abschnitt auf einer leitenden oberen Oberfläche der Vorrichtung; und Bonding eines zweiten Abschnittes des Bandes an den externen Leiter.
Verfahren nach Anspruch 46, worin das Bonding des Bandes durch Thermosonicbonding oder Thermokompression erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 46, ferner umfassend Bonding eines dritten Abschnitts des Bandes an einen zweiten Abschnitt auf der leitenden oberen Oberfläche der Vorrichtung.