DE19605038A1 - Verfahren zum Bonden von Isolierdraht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Bonden von Isolierdraht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden von lackisolierten Drähten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 10.
Zur Herstellung von Identifikationssystemen werden Sender/Empfänger-Einheiten mit Logikschaltungen in integrierten Schaltkreisen (Chips) gekoppelt. Das System ist mit der Außenwelt beispielsweise durch Spulen verbunden, die im Radiofrequenzbereich arbeiten und die aus dünnen, mit Polyurethanlack-Überzug isolierten Kupferdrähten gewickelt sind. Typische Drahtdurchmesser liegen um 10-50 µm. Zum Verbinden derartiger elektronischer Bauelemente mit Halbleiterchips kommen Verfahren wie z. B. das Thermokompressions-Schweißverfahren zum Einsatz, bei dem die Kupferdrahtenden mit den metallisierten Chipkontaktflächen verbunden werden. Bei diesem Verfahren wird der Draht jedoch stark deformiert, wodurch der Gefahr des Abreißens entsteht.
Ein lackisolierter Draht wird zuerst mittels Mikro-Fräsern oder überhitzten Lötbädern abisoliert, anschließend verzinnt und dann auf die Chip-Kontaktflächen aufgebondet. Übliche Chip-Kontaktflächen bestehen häufig aus Aluminiumdünnfilmen, die in einem zusätzlichen Prozeßschritt zum Ankontaktieren der Kupferdrähte einem sogenannten Gold-Bump-Verfahren unterzogen worden sind, um die Aluminiumfläche lötbar zu machen und so eine Haftung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen zu ermöglichen.
Die übliche Verfahrensweise besteht aus einer Reihe von technisch und zeitlich aufwendigen und teuren Prozeßschritten, die die Produktionskosten erhöhen.
Ein Ultraschall-Bondverfahren ist beispielsweise aus der JP-A 07169798 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Bondverfahren für lackisolierte Drähte anzugeben, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 und 10 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung besteht darin, lackisolierte Drähte mit einem Ultraschall-Bondverfahren ohne den Prozeßschritt des separaten Abisolierens und Verzinnens direkt auf die Kontaktflächen eines Chips aufzubonden. Vorteilhaft ist außerdem, daß der kostenintensive Gold-Bump-Prozeß zum Vergolden der Kontaktflächen der Chips eingespart werden kann und die Belastung im Verbindungsbereich zwischen Draht und Kontaktfläche verringert wird.
Das Verfahren kann mit herkömmlichen Bondmaschinen durchgeführt werden, die in geringem Umfang modifiziert sind. Vorteilhaft ist es, spezielles Bondwerkzeug zu verwenden, das einfach aufgebaut und in üblichen Bondmaschinen verwendet werden kann, da herkömmliches Bondwerkzeug zum Führen von losen Drahtenden von Bauelementen nicht geeignet ist.
Im folgenden ist die Erfindung erläutert und die verbesserten Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens anhand von Abbildungen näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1a ein Bondwerkzeug für eine wedge-wedge-Bondvorrichtung
Fig. 1b eine Ansicht der Unterseite des Bondwerkzeugs
Fig. 2 eine Bondkapillare, insbesondere für ball-wedge-Bondvorrichtungen
Fig. 3. eine Bondkapillare mit Einfädelhilfe, insbesondere für ball-wedge-Bondvorrichtungen.
Zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen Bauelementen, z. B. Spulen und anderen Wickelgütern, und einem Halbleiterchip muß zunächst die Isolierung der Lackschutzschicht, die einen etwaigen Windungsschluß im Bauelement verhindern soll, durchbrochen werden.
Dies kann mittels elektromagnetischer Energie wie Wärme, Mikrowellen - vorzugsweise bei einem wasserhaltigen Lack - oder akustischer Energie, z. B. Ultraschall mit einer Frequenz oberhalb von 50 kHz erfolgen. Zumindest ein Teil der eingestrahlten Energie wird in der Lackschicht absorbiert und zerstört dort den Lack, bzw. bei Einwirken von Wärme wird der Lack lokal verbrannt.
Im folgenden ist ein sogenanntes wedge-wedge-Bondverfahren beschrieben. Dazu wird in einem ersten erfindungsgemäßen Prozeßschritt mit einer Ultraschalleistung, die höher ist als die zum üblichen Bonden verwendete Leistung, die Lackschicht durchbrochen. Zudem wird der Draht mit einer höheren Anpreßkraft als üblich auf die Kontaktfläche gedrückt.
Die Ultraschalleistung übersteigt die übliche Leistung um mindestens 20%, vorzugsweise liegt sie zwischen 4 und 5 Watt statt bei den üblichen 2 Watt.
Die Anpreßkraft ist vorteilhafterweise um etwa eine Größenordnung höher als die übliche Anpreßkraft von 0,2-0,3 N beim Bonden, vorzugsweise beträgt sie mehr als 1 N. Die Lackschutzschicht wird dabei so stark geschädigt, daß der metallische Draht zum Vorschein kommt. Die Reste der durchbrochenen Lackschicht werden dabei zuverlässig an die Flanken des aufzubondenden Drahtstückes geschoben.
In einem zweiten, direkt anschließenden Prozeßschritt wird das Drahtende mit geringerer Kraft als beim ersten Schritt an die Chipkontaktfläche gepreßt. Die Kraft muß jedoch groß genug sein, um den mechanischen Widerstand durch die Lackreste, die sich jetzt an den Flanken des Drahtstückes befinden, zu überwinden. Vorzugsweise liegt die Anpreßkraft im zweiten Prozeßschritt im Bereich von 0,1 bis 5 N. vorzugsweise von 0,5 bis 1,5 N für übliche Drahtstärken um 50 µm.
Die Ultraschalleistungen und die Anpreßkräfte sind insgesamt in beiden Prozeßschritten gering genug, um die Chipkontaktfläche nicht zu schädigen.
Nach diesen beiden Prozeßschritten ist die elektrische Verbindung zwischen Bauelement und Chip-Kontaktfläche dauerhaft hergestellt. Die Haltekräfte zwischen Draht und Kontaktfläche sind vergleichbar mit üblichen kaltverschweißten Verbindungen. Die Belastung des Verbindungsbereiches zwischen Drahtende und Kontaktfläche sowie die Deformation des Drahtendes ist wesentlich geringer als bei einem Thermokompressions-Verfahren.
Das Verfahren kann mit einfachen Veränderungen an den Bondmaschinen durchgeführt werden, und wird bevorzugt mit Bondmaschinen ausgeführt, die Ultraschalleistungen und Anpreßkräfte bis zur gewünschten Höhe von vorzugsweise etwa 10 W und 5 N zur Verfügung stellen.
Besonders vorteilhaft ist es, daß das Bondwerkzeug vereinfacht werden kann, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Anstatt der üblichen aufwendigen Konstruktion mit einer schrägen Durchbohrung des in etwa zylinderförmigen Werkzeugs in einem Winkel zwischen typischerweise 30° und 60° und einer Drahtumlenkung, die einen in die Bohrung eingeführten Bonddraht an der Unterseite des Werkzeugs parallel zur Kontaktfläche führt, wird ein einfacheres Bondwerkzeug 1 verwendet, dessen Unterseite 1′ eine längliche, konkave Einkerbung 2 aufweist, die dem Drahtdurchmesser angepaßt ist. Vorzugsweise ist die Einkerbung 2 geformt wie ein aufgeschnittener Zylinder, parallel zu dessen Mittelachse der Draht 3 geführt wird. Die Tiefe der Einkerbung ist dabei geringer als der jeweilige Drahtdurchmesser.
Besonders vorteilhaft ist, daß das Bondwerkzeug 1 somit im Horizontalen arbeitet und eine aufwendige Einfädelprozedur der an sich ungeführten Drahtenden 3, z. B. einer Spule, entfällt und trotzdem die Drahtenden 3 beim Bonden sicher geführt und auf die Kontaktfläche 4 gepreßt werden.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft ein ball-wedge-Bondverfahren Bei den üblichen ball-wedge-Verfahren wird ein Drahtende, das in eine Bondkpillare eingelegt ist, durch eine Funkenentladung aufgeschmolzen. Die so entstandene Schmelzkugel wird auf die gewünschte Kontaktfläche mit Ultraschall aufgebondet. Dieses Verfahren bedingt jedoch eine durchgehend leitfähige Verbindung zum Draht und kann mit lackisolierten Drähten nicht durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird die Isolierung des Drahtendes durch Einwirken von thermischer Energie zerstört. Dazu wird der Draht in eine spezielle Bondkapillare 5 eingelegt, die einen inneren Durchmesser 5′ aufweist und die seitlich geschlitzt ist (Fig. 2). Die Schlitzbreite ist nur geringfügig breiter als der Drahtdurchmesser. Nach dem Einlegen des Drahtes kann der Schlitz 6 verschlossen werden, um den Draht sicher zu halten. Dies geschieht z. B. mit Hilfe einer Hülse, die über die Kapillare 5 geschoben wird oder mittels eines geschlitzten Ringes, der bereits beim Einlegen des Drahtes auf die Kapillare 5 gesteckt ist, wobei der Schlitz im Ring mindestens so breit ist wie derjenige in der Kapillare 5. Nach dem Einlegen des Drahtes wird der Ring so verdreht, daß der Schlitz 6 in der Kapillare 5 durch den Ring verschlossen wird. Ring und Hülse sind in Fig. 2 nicht dargestellt.
Der in der Bondkapillare 5 geführte Draht wird dann mit einer Flamme am unteren, der Kontaktfläche zugewandten Seite angeschmolzen, wobei gleichzeitig der Isolierlack in diesem Drahtbereich verbrannt wird. Danach folgt der zweite Prozeßschritt wie im ersten Beispiel beschrieben. Da keine Lackreste am angeschmolzenen Drahtende vorhanden sind, können Anpreßkräfte und Ultraschallenergien gegebenenfalls etwas geringer sein als im ersten Beispiel.
Besonders vorteilhaft ist es, wie in Fig. 3 dargestellt, die Bondkapillare 7 mit einer trichterförmigen Erweiterung 7′ am der Kontaktfläche 4 abgewandten Ende zu versehen, was das Einführen von dünnen Drahtanschlüssen erleichtert. Die Drahtenden - z. B. einer Spule - können nacheinander oder simultan eingeführt und angeschmolzen werden. Anschließend folgt das Verbinden mit der Chip-Kontaktfläche z. B. mittels Ultraschall in der oben beschriebenen Weise.

Claims (20)

1. Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von lackisolierten Drahtenden mit Kontaktflächen, wobei ein lackisoliertes Drahtende abisoliert und auf eine Kontaktfläche gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lackschicht des Drahtendes in einem ersten Prozeßschritt zerstört wird, indem das Drahtende mit einem ersten elektromagnetischen und/oder akustischen Energieeintrag beaufschlagt und in einem zweiten darauffolgenden Prozeßschritt mit einer vorgegebenen Anpreßkraft auf die Kontaktfläche gepreßt und mit einem zweiten elektromagnetischen und/oder akustischen Energieeintrag beaufschlagt und mit dieser Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im ersten Prozeßschritt zusätzlich mit einer ersten Anpreßkraft an die Kontaktfläche gepreßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im ersten Prozeßschritt mit einer ersten zusätzlichen Anpreßkraft von größer als 1 N an die Kontaktfläche gepreßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im zweiten Prozeßschritt mit einer zweiten Anpreßkraft zwischen 0,1 und 5 N auf die Kontaktfläche gepreßt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende mit Ultraschall einer Frequenz oberhalb von 50 kHz beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschalleistung im ersten Prozeßschritt mehr als 2,4 Watt beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im zweiten Prozeßschritt mit einer zweiten Ultraschalleistung zwischen 1 und 5 Watt beaufschlagt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im ersten Prozeßschritt mit thermischer Energie beaufschlagt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende im ersten Prozeßschritt mit Mikrowellenenergie beaufschlagt wird
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum elektrisch leitenden Verbinden von lackisolierten Drahtenden und Kontaktflächen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens eine Energiequelle zur Erzeugung von akustischer und/oder elektromagnetischer Energie enthält und diese in Richtung des Drahtendes abstrahlt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende für das Verbinden mit Ultraschallenergie in einem Bondwerkzeug (1) geführt ist, das an der der Kontaktfläche zugewandten Unterseite mit einer konkav geformten, länglichen Einkerbung (2) versehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Einkerbung (2) an der Unterseite des Bondwerkzeugs (1) geringer ist als der Durchmesser des Drahtendes.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtende beim Beaufschlagen mit thermischer Energie im ersten Prozeßschritt in einer Bondkapillare (5, 7) geführt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondkapillare (5) mit einem seitlichen Schlitz (6) längs der Längsachse der Kapillare versehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10-14 dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des vertikalen Schlitzes höchstens 50% breiter als der Durchmesser des Drahtendes ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondkapillare (7) mit einer trichterförmigen Erweiterung (7′) an der der Kontaktfläche abgewandten Seite versehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßkraft zwischen Drahtende und Kontaktfläche einstellbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßkraft zwischen Drahtende und Kontaktfläche bis zu 5 N wählbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 10-18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiequelle der Vorrichtung eine Ultraschallquelle ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 10-19 dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Ultraschallquelle zwischen 0 und 10 Watt wählbar ist.
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