DE19538398C2 - Verfahren zur Verbesserung der Qualität des Bondvorganges - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Qualität des Bondvorganges

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität des Bondvorganges, bei dem ein an einem schwenkbar gelagerten Ultraschallübertrager befestigtes Bondwerkzeug mit einem Bonddraht über einer Kontaktfläche positioniert und anschließend auf die Kontaktfläche abgesenkt wird, wobei der Bonddraht nach dem Aufsetzen des Bondwerkzeuges durch eine Nachlaufbewegung des Ultraschallübertragers auf die Kontakt­ fläche gedrückt und anschließend auf dieser verschweißt wird.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es erfor­ derlich, elektrische Verbindungen zwischen den Halbleiter­ chips, oder anderen aktiven oder passiven Bauelementen und Leitbahnen auf Trägerelementen herzustellen, so daß die Trä­ gerelemente in Leiterplatten o. dgl. eingesetzt werden können. Bei vielen Halbleiterbauelementen wird diese elektrische Ver­ bindung dadurch hergestellt, daß zwischen den auf dem Halblei­ terchip befindlichen Bondinseln bzw. Bondpads und Kontakt­ flächen auf dem Trägerelement Drahtbrücken hergestellt werden. Die Kontaktierung erfolgt dabei durch Schweißen mit Hilfe von Ultraschallschwingungen, die durch einen Ultraschallschwinger über einen Transducer oder Ultraschallübertrager auf ein Bond­ werkzeug übertragen werden. Als Bonddraht wird in diesem Fall Aluminium- oder Kupferdraht verwendet. Sollte Golddraht ver­ wendet werden, so kommen auch thermische Verbindungsverfahren in Betracht.
Die elektrische Verbindung zwischen beiden Kontaktflächen selbst wird durch Ziehen einer Drahtbrücke vom ersten zum zweiten Kontakt hergestellt.
Zur Herstellung der Verbindungen ist es erforderlich, einer­ seits eine exakte Positionierung des Bondwerkzeuges über der Kontaktstelle vorzunehmen und dieses anschließend bis auf die Kontaktstelle abzusenken und andererseits auf den Bonddraht eine vorgegebene Andruckkraft auszuüben, die auch während des Schweißvorganges durch Zuführung von Ultraschallenergie bei­ zubehalten ist.
Um diese Arbeitsgänge ausführen zu können, besteht die Bond­ vorrichtung im wesentlichen aus einer vertikal verfahrbaren Bondeinheit, an deren unterem Ende der Ultraschallschwinger mit dem zugehörigen Ultraschallübertrager in einem Drehpunkt angelenkt sind. Damit führt das Bondwerkzeug und damit auch der unter ihm befindliche Bonddraht während der Abwärtsbewe­ gung bis zum Aufsetzpunkt eine exakt senkrechte Bewegung aus.
Nach dem Aufsetzen auf der Kontaktfläche wird entgegen einer einstellbaren Federkraft eine vorgegebene Kraft auf den Bond­ draht ausgeübt. Da während des Bondvorganges eine Verformung des Bonddrahtes stattfindet, ist vor Beginn des Bondvorganges eine Nachlaufbewegung, d. h. ein weiteres Abwärtsfahren der Bondeinheit erforderlich.
Infolge der Tatsache, daß zwischen der Spitze des Bondwerkzeu­ ges und dem oberhalb der Kontaktfläche befindlichen Drehpunkt ein Abstand vorhanden ist, vollführt die Spitze des Bondwerk­ zeuges nach dem Aufsetzen auf der Kontaktfläche während der Nachlaufbewegung eine Rotation um ihren Drehpunkt aus. Dabei entsteht zwischen der Spitze des Bondwerkzeuges und dem zwi­ schen ihr und der Kontaktfläche eingeklemmten Bonddraht eine Relativbewegung. Bei hinreichend dicken Bonddrähten und aus­ reichend großen Kontaktflächen ist diese Relativbewegung nicht sehr problematisch, so daß sie vernachlässigt werden kann. Werden jedoch einige 10 Mikrometer starke Drähte auf Kontakt­ flächen gebondet, deren Abmessungen nur unwesentlich größer sind als die des Bondrahtes, muß die Rotation der Spitze des Bondwerkzeuges während der Nachlaufbewegung berücksichtigt werden, um die Gefahr der Beschädigung des Bonddrahtes und somit eine Verschlechterung der Qualität der herzustellenden Verbindung zu vermeiden.
Bei den bisher bekannt gewordenen Bondvorrichtungen wird die­ ses Problem durch konstruktive Maßnahmen zu umgehen versucht. Beispielsweise wird der Drehpunkt, in dem der Ultraschall­ schwinger mit dem Ultraschallübertrager gelagert sind, mög­ lichst nahe zur Bondebene angeordnet. Am günstigsten wäre eine Bondeinheit, deren Drehpunkt genau in der Bondebene liegen würde, weil dann die Relativbewegung der Werkzeugspitze gegen Null geht. Das ist praktisch jedoch nicht realisierbar.
Dieser konstruktiv bedingte Nachteil üblicher Bondeinheiten führt außerdem zu einem Positionierfehler der Spitze des Bond­ werkzeuges, der dazu führen kann, daß die Herstellung von hochpräzisen Bondverbindungen auf besonders kleinen Kon­ taktflächen nicht möglich ist.
Aus der US 5,156,320 geht ein Ultraschall-Drahtbonder und insbesondere ein Drahtbondverfahren hervor, bei dem der Draht­ bonder einen Bondarm aufweist, der in einem Rahmen um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert ist und an dessen freiem Ende ein Bondwerkzeug befestigt ist. Dem hier beschriebenen Bondverfahren liegt das Problem zugrunde, daß beim Ziehen der Drahtbrücke und gleichzeitigem Abheben des Bondwerkzeuges eine seitliche Abweichung in Y-Richtung auftritt. Die Folge ist eine seitliche Auslenkung der Drahtbrücke. Um dies zu verhin­ dern, wird der Bewegung des Bondwerkzeuges während des Ziehens der Drahtbrücke eine Zusatzbewegung in Y-Richtung überlagert. Damit kann der Gefahr von Kurzschlüssen benachbarter Draht­ brücken begegnet werden.
Die Herstellung hochpräziser Verbindungen und eine Verbesse­ rung der dynamischen Eigenschaften der Bondeinheit läßt sich jedoch hiermit nicht erreichen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Verbesserung der Bondqualität zu schaffen, bei dem auf einfache Weise die Herstellung hochpräziser Verbindungen er­ möglicht wird und mit dem eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Bondeinheit ermöglicht wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei mechanisch optimierter Lage des Drehpunktes im Schwerpunkt von Ultraschallschwinger, Ultraschallübertrager und Bondwerk­ zeug während der vertikalen Bewegung des Bondwerkzeuges zwi­ schen dessen Aufsetzen auf der Kontaktfläche und dessen Abhe­ ben eine horizontale Zusatzbewegung in der Weise überlagert wird, daß die Relativbewegung zwischen der Spitze des Bond­ werkzeuges und der Kontaktfläche in diesem Zeitraum minimiert wird.
Mit dieser besonders einfachen Lösung lassen sich sämtliche Nachteile des Standes der Technik vermeiden, die insbesondere dann auftreten, wenn besonders dünne Bonddrähte auf extrem kleinen Kontaktflächen zu befestigen sind. Ein weiterer Vor­ teil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß es entgegen den Bestrebungen im Stand der Technik möglich ist, den Drehpunkt dort anzuordnen, wo dieser die günstigsten Auswirkungen auf die Dynamik der bewegten Teile der Bondvorrichtung hat. Dabei spielt es keine Rolle, in welchem Abstand der Drehpunkt zur Kontaktfläche und zur Werkzeugspitze angeordnet wird. Damit ist es möglich, den Drehpunkt so anzuordnen, daß dieser sich genau im Schwerpunkt von Ultraschallschwinger, Ultraschall­ übertrager und Bondwerkzeug befindet. Daraus ergibt sich, daß neben der besonders präzisen Ausführung von Bondungen zusätz­ lich eine Optimierung der Bondeinheit selbst möglich wird. Darüberhinaus entfällt dadurch der Steineranteil des Massen­ trägheitsmomentes, so daß sich die Aufsetzkraft verringert, was bei besonders dünnen Bonddrähten von Vorteil ist. Bei normalen Bonddrähten kann andererseits die Aufsetzgeschwindig­ keit vergrößert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Zusatzbewegung des Bondgutes in Richtung zum Ultraschall­ schwinger, oder kann Zusatzbewegung auch durch Bewegen des Ultraschallübertragers relativ zur Kontaktfläche vorgenommen werden.
In Fortführung der Erfindung entspricht die Orientierung der Zusatzbewegung der Orientierung der zu ziehenden Drahtbrücke, so daß die Zusatzbewegung mit geringstmöglichem steuerungs­ technischen Aufwand realisiert werden kann.
Die Zusatzbewegung wird mit dem Aufsetzen des Bondwerkzeuges auf der Kontaktfläche gestartet.
Das Verfahren wird weiterhin dadurch verbes­ sert, daß die lineare Zusatzbewegung beim Abheben des Bond­ werkzeuges nach Abschluß des Bondvorganges in entgegengesetz­ ter Richtung ausgeführt wird, wodurch die Gefahr einer Beschä­ digung des Bonddrahtes vollständig ausgeschlossen wird.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Betrag der Zusatzbewegung aus dem Abstand der Spitze des Bondwerkzeuges von der Drehachse des schwenkbar gelagerten Ultraschallübertragers und dem Betrag der Nach­ laufbewegungen bestimmt wird.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Bondvorrichtung ausgeführt werden, welche einen schwenkbar in einer Bondein­ heit gelagerten Ultraschallübertrager besitzt, an dem an einem Ende ein Ultraschallschwinger und am anderen Ende ein Bond­ werkzeug zur Ausführung der Bondung angeordnet ist. Der Bond­ vorgang selbst erfolgt unter Ausübung einer Andruckkraft die auf den zu befestigenden Bonddraht ausgeübt wird unter gleich­ zeitiger Einwirkung von Ultraschallenergie.
Die erforderliche Andruckkraft wird durch eine voreingestellte Federkraft in Richtung zum Bonddraht erzeugt. Während der Ausführung der Nachlaufbewegung wird eine Zusatzbewegung der Bondeinheit in horizontaler Richtung hervorgerufen, die damit der Nachlaufbewegung überlagert ist. Diese Nachlaufbewegung wird mit dem Aufsetzen des Bondwerkzeuges auf der Kontakt­ fläche gestartet und in Richtung der zu ziehenden Drahtbrücke ausgeführt. Beim Abheben des Bondwerkzeuges von dem an der Bondstelle befestigten Bonddraht wird die Zusatzbewegung in entgegengesetzter Richtung ausgeführt, wodurch jegliche Schä­ digung des Bonddrahtes vermieden werden kann, da zwischen Bondwerkzeug und Bonddraht keine Relativbewegung mehr auftritt.
Dieses besonders einfache und damit leicht nachzuvollziehende Verfahren gewährleistet die Ausführung von hochpräzisen Bon­ dungen mit Bonddrähten im Durchmesserbereich von wenigen 10 Mikrometern auch auf kleinsten Kontaktflächen, deren Abmessun­ gen ebenfalls nur mehrere 10 Mikrometer betragen.
Der erforderliche Betrag der Zusatzbewegung kann aus dem Ab­ stand der Spitze des Bondwerkzeuges von der Drehachse des schwenkbar gelagerten Ultraschallübertragers und dem Betrag der Nachlaufbewegung ermittelt werden.
Darüber hinaus ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, die Bondeinheit konstruktiv so zu gestalten, daß verbesserte dynamische Eigenschaften erreicht werden, ohne daß dies einen Einfluß auf die Qualität der Bondung hätte. Bei­ spielsweise kann der Drehpunkt des schwenkbar aufgehängten Ultraschallübertragers in den Schwerpunkt verlegt werden, wodurch bei den Schwenkbewegungen geringere Massenträgheits­ momente auftreten, so daß das Aufsetzen auf der Bondinsel entweder feinfühliger oder mit höherer Geschwindigkeit in Abhän­ gigkeit von der Stärke des Bonddrahtes erfolgen kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verbesserung der Qualität des Bondvorganges, bei dem ein an einem schwenkbar gelagerten Ultraschall­ übertrager befestigtes Bondwerkzeug mit einem Bonddraht über einer Kontaktfläche positioniert und anschließend auf die Kontaktfläche abgesenkt wird, wobei der Bonddraht nach dem Aufsetzen des Bondwerkzeuges durch eine Nachlaufbe­ wegung des Ultraschallübertragers auf die Kontaktfläche gedrückt und anschließend auf dieser verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei me­ chanisch optimierter Lage des Drehpunktes im Schwerpunkt von Ultraschallschwinger, Ultraschallübertrager und Bond­ werkzeug während der vertikalen Bewegung des Bondwerkzeu­ ges zwischen dessen Aufsetzen auf der Kontaktfläche und dessen Abheben eine horizontale Zusatzbewegung in der Weise überlagert wird, daß die Relativbewegung zwischen der Spitze des Bondwerkzeuges und der Kontaktfläche in diesem Zeitraum minimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzbewegung des Bondgutes in Richtung zum Ultraschallschwinger erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzbewegung durch Bewegen des Ultraschallübertragers relativ zur Kontaktfläche vorgenom­ men wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Zusatzbewegung der Orientierung der zu ziehenden Drahtbrücke entspricht.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbewegung mit dem Aufsetzen des Bondwerkzeuges auf der Kontaktfläche gestartet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Zusatzbewe­ gung beim Abheben des Bondwerkzeuges nach Abschluß des Bondvorganges in entgegengesetzter Richtung ausgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Zusatzbe­ wegung aus dem Abstand der Spitze des Bondwerkzeuges von der Drehachse des schwenkbar gelagerten Ultraschallüber­ tragers und dem Betrag der Nachlaufbewegungen bestimmt wird.
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