DE19703639A1 - Verfahren zur Herstellung von Bonddrahtverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Bonddrahtverbindungen

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DE19703639A1 DE1997103639 DE19703639A DE19703639A1 DE 19703639 A1 DE19703639 A1 DE 19703639A1 DE 1997103639 DE1997103639 DE 1997103639 DE 19703639 A DE19703639 A DE 19703639A DE 19703639 A1 DE19703639 A1 DE 19703639A1
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Germany
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bonding
conductor tracks
conductor
connection
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English (en)
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Joachim Dr Schmidt
Jens Dr Sabotke
Frank-Dieter Hauschild
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bonddrahtverbindungen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige Verfahren werden eingesetzt, um die elektrischen Anschlüsse eines auf einem Baugruppenträger plazierten elek­ tronischen Bauelements, zum Beispiel eines Halbleiter-Chips, mit dem Leiterbahnmuster des Baugruppenträgers elektrisch zu verbinden. Dabei werden die Anschlusse des Chips über Bond­ drähte im sogenannten Ball-Wedge-Bondverfahren mit Anschluß­ flächen (Bondlands), welche den Leiterbahnen zugeordneten sind, verbunden. Beim Ball-Wedge-Bonden wird der Draht in einer Kapillare des Bondkopfes geführt. Ein von der Kapilla­ re abstehendes erstes Ende des Drahtes wird z. B. durch eine Funkenentladung geschmolzen und bildet bedingt durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes eine Kugel (Ball). Beim sogenannten Thermosonicschweißen wird beim Ab­ senken der Kapillare auf einen Bauelementanschluß unter Druck-, Wärme und Ultraschalleinwirkung eine Schweißverbin­ dung zwischen dem Bauelementanschluß und dem ersten Ende des Drahtes hergestellt. Anschließend wird die Kapillare zur An­ schlußfläche (Bondland) einer Leiterbahn geführt, wobei der Draht aus der Kapillare herausgezogen wird. Beim Absenken der Kapillare wird das zweite Ende des Bonddrahtes durch den Kapillarenrand (Wedge) auf dem Bondland breitgequetscht und ebenfalls unter Druck-, Wärme und Ultraschalleinwirktung verschweißt und gleichzeitig von dem in der Kapillare ge­ führten Draht abgetrennt. Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, daß die Herstellung der zweiten Schweißverbin­ dung durch das Breitquetschen des Drahtes auf den Anschluß­ flächen sehr viel mehr Platz beansprucht als die Herstellung der Schweißverbindung zwischen den als Kugel ausgebildeten ersten Enden der Bonddrähte und den Bauelementanschlüssen. Der Abstand zwischen benachbarten Bauelementanschlüssen kann z. B. auf dem Chip bloß 80 µm betragen, während die Breite der Anschlußflächen (Bondlands) auf dem Baugruppenträger um ein vielfaches größer gewählt werden muß, damit das Bond­ werkzeug auf die Anschlußfläche abgesenkt werden kann. Aus diesem Grund ist das Raster der den Leiterbahnen zugeordne­ ten Anschlußflächen sehr viel größer als das Raster der Bau­ elementanschlüsse und beansprucht sehr viel mehr Platz auf dem Baugruppenträger. Weiterhin nachteilig ist, daß der Raum zwischen den Anschlußflächen der Leiterbahnen und dem Bau­ element durch die Bonddrähte nur überspannt wird und deshalb ungenutzt bleibt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des An­ spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die für die Her­ stellung der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüs­ sen eines Bauelements und den Leiterbahnen beim Ball-Wedge-Bon­ den benötigte Verdrahtungsfläche auf dem Baugruppenträger erheblich reduziert werden kann, indem die Anschlußflächen für die zweiten Enden der Bonddrähte räumlich getrennt von den Leiterbahnen zwischen dem Raster der Leiterbahnen und dem Bauelement angeordnet werden und erst über zweite Bond­ drähte mit den Leiterbahnen verbunden werden. Vorteilhaft können nun die in Kugelform (Ball) ausgebildeten ersten En­ den der Bonddrähte sowohl mit den Bauelementanschlüssen als auch mit den Leiterbahnen verbunden werden. Da das Bondwerk­ zeug hierfür nicht viel Platz benötigt, kann das Abstandsra­ ster der Leiterbahnen ebenso eng ausgelegt werden, wie das Raster der Bauelementanschlüsse, also z. B. im 80 µm Raster. Gleichzeitig können die Leiterbahnen enger an das Bauelement herangeführt werden und die Bonddrahtlängen verkürzt werden. Die zweiten Enden des jeweils ersten und zweiten Bonddrahtes werden mit einer Anschlußfläche verschweißt, welche sich ge­ trennt von den Leiterbahnen und den Bauelementanschlüssen auf dem Baugruppenträger befindet. Auf diese Weise wird auch der Raum zwischen dem Bauelement und dem Leiterbahnraster vorteilhaft genutzt.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der kurzen Bondwege weniger Drahtmaterial benötigt wird, was beim Golddrahtbonden die Herstellungsko­ sten erheblich reduziert. Darüber hinaus werden die zur Her­ stellung von Bonddrähten ungenutzten Verfahrwege des Bond­ kopfes deutlich reduziert. Da bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren statt eines Bonddrahtes zwei verwandt werden, um die Verbindung von den Leiterbahnen zum Bauelement herzustellen, ist die Drahtführung der Bonddrähte insgesamt flacher, wo­ durch die mechanische Stabilität der Bondverbindungen erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die in den Unteransprüchen beschriebenen Merkmale ermöglicht. Falls der Platzbedarf für das Leiterbahnraster auf dem Baugruppenträ­ ger nicht unbedingt so klein wie möglich ausgelegt werden muß und statt dessen die Verfahrwege des Bondwerkzeugs mög­ lichst klein gewählt werden sollen, ist es vorteilhaft, wenn nur jeder übernächste Bauelementanschluß über zwei Bonddräh­ te mit einer zugeordneten Leiterbahn verbunden wird und die übrigen Bauelementanschlüsse mit einer Anschlußfläche ver­ bunden werden, die unmittelbar an die zugeordnete Leiterbahn angebunden ist.
Vorteilhaft kann die Breite einer Anschlußfläche größer aus­ gebildet werden als die Summe aus der Breite der zugeordne­ ten Leiterbahn und den Abständen dieser Leiterbahn zu den auf dem Baugruppenträger direkt benachbarten Leiterbahnen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Anschlußflächen im Raum zwischen dem Bauelement und den Enden der Leiterbahnen in mehreren Reihen versetzt zueinander anzuordnen, da auf diese Weise der zur Verfügung stehende ungenutzte Raum zwischen dem Bauelement und dem Leiterbahnraster besonders effizient genutzt wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1a eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Baugruppen­ träger nach dem Stand der Technik,
Fig. 1b einen schematischen Querschnitt durch eine Bondver­ bindung der Fig. 1a,
Fig. 2a eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Baugruppen­ trägers, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellt wurde und
Fig. 2b einen schematischen Querschnitt durch eine Bond­ drahtverbindung zwischen einer Leiterbahn und einem Bauele­ mentanschluß der Fig. 2a.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Fig. 1a und 1b zeigen einen Baugruppenträger 1, der dem bisher bekannten Stand der Technik entspricht. Ein sol­ cher Baugruppenträger kann z. B. eine Leiterplatte oder ein Hybrid sein. Auf einer Hauptoberfläche des Baugruppenträgers befindet sich wenigstens ein Bauelement 2, das z. B. ein IC sein kann. Das Bauelement 2 ist auf den Baugruppenträger aufgeklebt oder in sonstiger Weise befestigt. An der von der Hauptoberfläche abgewandten Oberseite des IC's befinden sich zahlreiche Anschlüsse 5, von denen nur einige in Fig. 1a ge­ zeigt sind. Die Anschlüsse sind auf dem IC mit einem engen Raster in einem Abstand a von nur 80 µm angeordnet. Weiter­ hin befindet sich ein Raster von Leiterbahnen 3 auf dieser Hauptoberfläche des Baugruppenträgers 1, an deren Enden An­ schlußflächen 4 vorgesehen sind, die mit den Anschlüssen 5 des Bauelementes 2 über Bonddrähte im Ball-Wedge-Bondverfah­ ren verbunden werden. Bei der Herstellung der Bonddrahtver­ bindung wird ein Bondwerkzeug benutzt, bei dem der Draht in einer Kapillare geführt wird, deren Durchmesser an den Draht angepaßt ist. Als Bonddraht wird meist Golddraht verwandt. Das Ende 6a des Drahtes unterhalb der Kapillare wird z. B. durch die Energie einer Funkenentladung geschmolzen, wobei die Schmelze bedingt durch die Oberflächenspannung eine Ku­ gel (Ball) bildet. Beim Absenken der Kapillare auf den Bau­ elementanschluß 2 wird an dem Ende 6a des Bonddrahtes 6 eine Schweißverbindung durch Druck-, Wärme- und Ultraschallein­ wirkung hergestellt. Anschließend wird das Bondwerkzeug zu einer Anschlußfläche 4 geführt, wobei der Draht aus der Ka­ pillare herausgezogen wird. Beim erneuten Absenken der Ka­ pillare auf der Anschlußfläche 4 bildet der Draht eine Schlaufenform. Die Kapillare wird nun ganz auf die Anschluß­ fläche abgesenkt und der Draht unter Druck-, Wärme und Ul­ traschalleinwirkung (Thermosonicschweißen) mit der Anschluß­ fläche 4 verschweißt. Dabei bildet der Kapillarenrand ein keilförmiges Schweißwerkzeug mit dem das Ende 6b des Bond­ drahtes auf der Anschlußfläche breitgequetscht, verscheißt und gleichzeitig vom Draht in der Kapillare abgetrennt wird. Bei diesem Verfahrensschritt benötigt das Bondwerkzeug einen gewissen Platz auf der Anschlußfläche, so daß die Anschluß­ flächen nicht beliebig klein ausgelegt sein können. Die An­ schlußflächen 4 sind in den Leiterbahnen 3 integriert, so daß nun ein Anschluß 5 des Bauelementes 2 mit einer Leiter­ bahn 3 über den Bonddraht 6 elektrisch verbunden ist. Wie besonders gut in Fig. 1a zu erkennen ist, muß das Raster der Anschlußflächen 4 mit den Leiterbahnen 3 (Abstandsmaß b) sehr viel breiter ausgeführt werden als das Raster der Bau­ elementanschlüsse (Abstandsmaß a). Insbesondere ist es nicht möglich die Breite der Anschlußflächen 4 größer auszugestal­ ten als die Summe aus der Breite der jeweils zugeordneten Leiterbahn und den beiden Abständen dieser Leiterbahn zu den auf dem Baugruppenträger direkt benachbarten Leiterbahnen.
In den Fig. 2a und 2b ist ein Baugruppenträger 1 gezeigt der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Figuren sollen nur den wesentlichen Inhalt der Erfindung deutlich machen und sind daher, was die Größenordnungen und z. B. die Länge der Bonddrähte anbelangt stark vereinfacht. Das dargestellte Leiterbahnmuster bildet wie bei der in Fig. Ia dargestellten bekannten Lösung ein Raster mit zueinander parallel verlaufenden Leiterbahnenden. Die Leiterbahnenden 3 können aber im Vergleich zu Fig. 1a sehr viel dichter an das Bauelement 2 herangeführt sein. In dem hier gezeigten Bei­ spiel wird jeder Bauelementanschluß 5 über zwei Bonddrähte 6 und 7 mit einer Leiterbahn 3 verbunden. Dabei wird so ver­ fahren, daß das in Kugelform (Ball) ausgestaltete erste Ende 6a eines Bonddrahtes 6 mit einem Anschluß 5 des Bauelementes 2 verscheißt wird. Anschließend wird das zweite Ende 6b des Bonddrahtes 6 auf der Anschlußfläche 4 verschweißt. Die An­ schlußfläche 4 ist aber nicht in eine Leiterbahn 3 inte­ griert, sondern befindet sich räumlich getrennt von den Leiterbahnen 3 auf dem Flächenstück zwischen dem Bauelement 2 und dem Raster der Leiterbahnen. Nach dem Breitquetschen und Verschweißen des Endes 6b des Bonddrahtes 6a wird nun der Bondkopf zu einer Leiterbahn 3 gefahren, die mit dieser Anschlußfläche 4 verbunden werden soll. Die Leiterbahnen 3 befinden sich in einem engen Raster auf dem Baugruppenträger in einem Abstand b voneinander, welcher etwa dem Abstand a der Bauelementanschlüsse entspricht. Dies ist möglich, da bei dem in Fig. 2a gezeigten Baugruppenträger 1 die Breite einer Anschlußfläche 4 gleich oder größer als die Summe aus der Breite der zugeordneten Leiterbahn und den beiden Ab­ ständen dieser Leiterbahn zu den jeweils direkt benachbarten Leiterbahnen sein kann, ohne daß die Anschlußflächen die Leiterbahnen überlappen. Es sind aber auch größere Abstände b denkbar. Das Kugel- oder Ballförmige Ende 7a eines zweiten Bonddrahtes 7 wird nun zunächst mit der Leiterbahn 3 ver­ schweißt. Dies ist leicht möglich, da für die Herstellung dieser Scheißverbindung nicht so viel Platz auf den Leiter­ bahnen beansprucht wird, wie für die Herstellung der zweiten Schweißverbindung 7b. Die Verbindung kann also auch auf sehr schmalen Leiterbahnen hergestellt werden. Anschließend wird das Bondwerkzeug zu der Anschlußfläche 4 zurückgeführt und es wird das zweite Ende 7b des Bonddrahtes 7 mit der An­ schlußfläche 4 verschweißt, wobei dieses Ende nun erneut durch das Bondwerkzeug auf der Anschlußfläche 4 breitge­ drückt werden kann (Wedge-Bonden). Die übrigen Anschlüsse 5 werden in gleicher Weise mit den Leiterbahnen 3 verbunden, so daß jeder Leiterbahn 3 über eine zugeordnete Anschlußflä­ che 4 mit einem Bauelementanschluß 5 über zwei Bonddrähte 6,7 verbunden ist. Die Bonddrähte 6 und 7 können dabei auch so geführt sein, daß sie über die Anschlußflächen benachbar­ ter Bonddrähte hinweggeführt sind. Vorteilhaft sind die An­ schlußflächen 4 in dem hiergezeigten Beispiel in drei Reihen zwischen dem Bauelement 2 und dem Raster der Leiterbahnen 3 angeordnet. So wird der zur Verfügung stehende Platz optimal genutzt.
Abweichend zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, nur jeden übernächsten Bauelementanschluß 5 über zwei Bonddrähte mit einer Leiterbahn zu verbinden und die übrigen Bonddrähte, wie im Stand der Technik bekannt, mit nur einem Bonddraht mit einer Anschlußfläche zu ver­ schweißen, die unmittelbar in eine Leiterbahn integriert ist. Bei diesem Verfahren sind die ungenutzten Verfahrwege des Bondwerkzeuges noch geringer, obwohl nun das Raster der Leiterbahnen 3 nicht ganz so eng gewählt werden kann, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Bonddrahtverbindungen zwi­ schen den Anschlüssen (5) wenigstens eines auf einem Baugrup­ penträger (1) angeordneten elektrischen oder elektronischen Bauelements (2) und auf dem Baugruppenträger (1) angeordneten Leiterbahnen (3) durch Ball-Wedge-Bonden, wobei erste Enden der Bonddrähte durch das Bondwerkzeug zunächst kugelartig ge­ formt und anschließend mit den Bauelementanschlüssen ver­ schweißt werden und wobei zweite Enden der Bonddrähte mit dem Bondwerkzeug auf den Leiterbahnen zugeordneten Anschlußflä­ chen breitgequetscht und festgeschweißt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Leiterbahnen (3) zugeordneten An­ schlußflächen (4) zwischen dem Bauelement (2) und den Leiter­ bahnen (3) und räumlich getrennt von den Leiterbahnen (3) an­ geordnet sind und daß die Anschlußflächen (4) mit wenigstens einem Teil der Bauelementanschlüsse (5) über erste Bonddrähte (6) und mit den Leiterbahnen (3) über zweite Bonddrähte (7) verbunden werden, wobei jeweils das erste Ende (6a) des er­ sten Bonddrahtes (6) mit einem Bauelementanschluß (5) und das erste Ende (7a) des zweiten Bonddrahtes (7) mit einer Leiter­ bahn (3) verbunden wird und das zweite Ende (6b) des ersten Bonddrahtes (6) und das zweiten Ende (7b) des zweiten Bond­ drahtes (7) mit der dieser Leiterbahn zugeordneten Anschluß­ fläche (4) verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Bauelementanschluß (5) mit einer Anschlußfläche (4) verbunden wird, die mit einer Leiterbahn (3) unmittelbar verbunden ist.
3. Baugruppenträger zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leiterbahnen (3) zugeordneten Anschlußflächen (4) zwischen dem Bauelement (2) und den Enden der Leiterbahnen (3) und räumlich getrennt von den Enden der Leiterbahnen (3) angeordnet sind und daß die Anschlußflächen (4) mit wenigstens einem Teil der Bau­ elementanschlüsse (5) über erste Bonddrähte (6) und mit den Leiterbahnen (3) über zweite Bonddrähte (7) verbindbar sind, wobei die mit den Bauelementanschlüssen (5) verbindbaren En­ den (6a) der ersten Bonddrähte (6) und die mit den Leiter­ bahnen (3) verbindbaren Enden (7a) der zweiten Bonddrähte (7) eine in der Breite kleinere Anbindungsfläche aufweisen als die mit den Anschlußflächen (4) verbindbaren zweiten En­ den (6b) der ersten Drähte (6) und zweiten Enden (7b) der zweiten Drähte (7).
4. Baugruppenträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite einer Anschlußfläche (4) größer ist als die Summe aus der Breite der zugeordneten Leiterbahn (3) und den beiden Abständen dieser Leiterbahn (3) zu den auf dem Bau­ gruppenträger (1) direkt benachbarten Leiterbahnen.
5. Baugruppenträger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anschlußflächen (4) im Raum zwischen dem wenigstens einem Bauelement (2) und den Enden der Leiterbah­ nen (3) in mehreren Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
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