DE19713634A1 - Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit für Bonddrähte - Google Patents

Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit für Bonddrähte

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DE19713634A1 DE19713634A DE19713634A DE19713634A1 DE 19713634 A1 DE19713634 A1 DE 19713634A1 DE 19713634 A DE19713634 A DE 19713634A DE 19713634 A DE19713634 A DE 19713634A DE 19713634 A1 DE19713634 A1 DE 19713634A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Drahtklemm- und/oder Bewegungsein­ heit für Bonddrähte an einem Bondkopf einer Drahtbondvorrich­ tung zur Herstellung von Drahtbrücken zwischen Bondpads auf Halbleiterbauelementen und Kontaktstellen auf Trägerelementen.
Bei der Herstellung der Drahtbrücken ist es erforderlich, den Bonddraht von einer Vorratsspule einem am Bondkopf der Draht­ bondvorrichtung befindlichen Bondwerkzeug so zuzuführen, daß zur Ausführung der ersten Bondung am Bondwerkzeug eine aus­ reichende Taillänge zur Verfügung steht und der Bonddraht während des Ziehens der Drahtbrücke frei beweglich ist. Bei hohen Bondgeschwindigkeiten ist es von Vorteil, wenn der Bond­ draht während des Ziehens der Drahtbrücke mit einer geeigneten Vorrichtung nachgeschoben werden kann. Nach der Ausführung der jeweils zweiten Bondung einer Drahtbrücke muß der Bonddraht abgerissen werden. Das erfolgt dadurch, daß das freie Ende der Drahtbrücke um einen vorgegebenen Betrag von der zweiten Bond­ stelle abgezogen und dadurch abgerissen wird.
Diese Aufgabe erfüllen bekanntermaßen verschiebbar oder ver­ schwenkbar am Bondkopf angeordnete Drahtzangen, die den nur wenige 10 Mikrometer Durchmesser aufweisenden Bonddraht nach einem vom Steuerrechner der Bondvorrichtung vorgegebenen Pro­ gramm freigibt, festhält oder in axialer Richtung zum Bond­ werkzeug vorschiebt, bzw. zurückzieht.
Infolge des geringen Durchmessers des gewöhnlich aus Gold oder Aluminium bestehenden Bonddrahtes besteht die Gefahr, daß dieser beim Klemmen mit einer Drahtzange eine partiell blei­ bende Verformung erfährt. Das kann speziell bei solchen Draht­ zangen der Fall sein, bei denen die Backen um einen gemein­ samen Drehpunkt gegeneinander verschwenkt werden und den Bond­ draht beim Klemmen punktförmig einkerben. Dieses nahezu un­ vermeidliche Einkerben kann zu einem Drahtbruch, entweder noch während des Montagevorganges, oder später bei einer zufälligen höheren mechanischen Belastung, beispielsweise beim Einbau der vorgefertigten Baugruppe in ein Gehäuse, führen.
Ein derartiges Einkerben des Bonddrahtes wäre nur dann ver­ meidbar, wenn die Flächen der Zangenbacken beim Klemmvorgang exakt parallel zueinander ausgerichtet sind und bleiben. Das ist aber schon wegen der Durchmessertoleranzen des Bonddrahtes nicht zu gewährleisten. Außerdem müßte dann für jeden ge­ bräuchlichen Bonddrahtdurchmesser eine gesonderte Drahtzange bereitgehalten werden, was natürlich völlig unwirtschaftlich wäre.
Problematisch ist weiterhin bei den bekannten Drahtzangen die Tatsache, daß die Zangenbacken relativ großflächig ausgeführt werden müssen, um das sichere Erfassen des Bonddrahtes zu ge­ währleisten.
Ein weiterer Nachteil der üblichen Drahtzangen ist in deren Masse und den beim schnellen Öffnen und Schließen entstehenden Erschütterungen zu sehen, da die Betätigung der Zangenbacken üblicherweise durch Hubmagnete erfolgt. Diese Hubmagnete er­ zeugen erhebliche Beschleunigungen mit den damit verbundenen Erschütterungen. Darüberhinaus werden die dynamischen Eigen­ schaften durch die beträchtliche zu bewegende Masse negativ beeinflußt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine ver­ schleißfreie Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit für Drähte, insbesondere für Bonddrähte, zu schaffen, mit der eine Ver­ formung des Bonddrahtes nur im elastischen Bereich erfolgt und die wenig Masse aufweist und kostengünstig hergestellt und betrieben werden kann.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstel­ lung wird von einer Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit der eingangs genannten Art ausgegangen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Bonddraht durch eine diesen umschließende Drahtklemmvorrichtung geführt ist, daß die Betätigung der Drahtklemmvorrichtung durch piezo­ elektrische oder elektromagnetische Kraftübertragung im elastischen Bereich erfolgt und daß die Drahtklemmvorrichtung in Längsrichtung des Bonddrahtes bewegbar ist.
In einer besonderen Fortbildung der Erfindung besteht die Drahtklemmvorrichtung aus einem hohlen Grundkörper, an dem wenigstens zwei axial hervorstehende Zangenbacken angeformt sind. Die Zangenbacken sind mit dem Grundkörper über Fest­ körpergelenke verbunden. Diese Festkörpergelenke können durch Materialabtrag hergestellt werden, oder stellen zumindest eine Einschnürung dar.
Die Zangenbacken liegen in der Ausgangslage mit einer vor­ gegebenen Kraft am Bonddraht an, so daß dieser sicher fest­ gehalten wird.
Das Öffnen der Zangenbacken erfolgt entgegen der Elastizität der Festkörpergelenke.
In einer Variante der Erfindung sind auf den Festkörpergelen­ ken mit diesen fest verbundene Piezo-Bimorphe angeordnet, die auf übliche Weise elektrisch angesteuert werden.
In einer anderen Variante der Erfindung ist um die Drahtklemm­ vorrichtung eine mindestens die Zangenbacken umschließende Spule angeordnet, mit deren Hilfe ein Magnetfeld erzeugt wird, welches infolge der gleichnamigen Polarisierung der Zangen­ backen zu einem Aufspreizen derselben um die Festkörpergelenke führt, so daß der Bonddraht freigegeben wird.
Um die auf den Bonddraht einwirkende Kraft auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, ist es von Vorteil, wenn die den Bonddraht umschließenden Backenflächen der Zangenbacken an die Außenkontur des Bonddrahtes angepaßt sind.
Diese im Gegensatz zu den herkömmlichen Drahtzangen besonders einfach zu realisierende Lösung zeichnet sich insbesondere da­ durch aus, daß die neuartige Drahtklemmvorrichtung keine be­ wegten Teile mehr aufweist, wodurch den Bondvorgang oder die Positioniergenauigkeit beeinflussende Erschütterungen nicht mehr entstehen können. In der Folge können die bisher erfor­ derlichen Beruhigungszeiten entfallen. Weiterhin ist als be­ sonderer Vorteil anzusehen, daß der Bonddraht nunmehr flächig geklemmt werden kann, so daß die Gefahr einer bleibenden Ver­ formung des Bonddrahtes infolge des unumgänglichen Klemmens nicht mehr besteht. Außerdem wird bei gleicher Klemmkraft eine Verkürzung der Bauform erreicht.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Draht­ klemmvorrichtung als einstückige mit einer Bohrung versehene Klemmfaust ausgebildet, wobei die Bohrung radial elastisch aufspreizbar ist. Zu diesem Zweck ist die Klemmfaust zwischen der Bohrung und einer Außenfläche mit einem Schlitz versehen, der eine Erweiterung zur Aufnahme eines Piezoelementes zum Aufspreizen der Bohrung aufweist.
Die Verwendung von Piezoelementen zum Klemmen der Bonddrähte gestattet eine wesentliche Erhöhung der Stellgeschwindigkeit. Um einen ausreichenden Stellweg zu erreichen, ist das Piezo­ element als Stapeltranslator ausgebildet.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist die Drahtklemm­ vorrichtung als elektrisch durchmesserveränderbares Piezo­ röhrchen ausgebildet, das in einem Trägerelement befestigt ist. Mit dieser Variante der Erfindung wird der Aufwand zum Klemmen des Bonddrahtes noch mehr verringert und darüber hinaus eine weitere Masseverringerung erreicht.
Zur Einfachen Realisierung des erforderlichen Drahtvorschubes ist eine weitere Fortbildung der Erfindung dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Drahtklemmvorrichtungen über einen in Längsrichtung des Bonddrahtes ausgerichteten Linearantrieb miteinander verbunden sind.
Der Linearantrieb besteht vorzugsweise aus wenigstens einem Stapeltranslator, der innerhalb einer am Bondkopf befestigten Führung in der Weise fixiert ist, daß die mit dem Linearan­ trieb verbundenen Drahtklemmvorrichtungen in Längsrichtung des Bonddrahtes relativ zueinander bewegbar sind. Damit läßt sich auch mit sehr geringen Stellwegen ein sehr effektiver Draht­ vorschub erreichen, da durch die Steuerung lediglich zu sichern ist, daß beide Drahtklemmvorrichtungen nicht gleich­ zeitig geschlossen sind, wenn durch den Stapeltranslator gera­ de eine Axialbewegung der Drahtklemmvorrichtungen durchgeführt wird. Durch eine geeignete Abstimmung der Frequenz der An­ steuerung des Stapeltranslators und der Drahtklemmvorrich­ tungen läßt sich die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Bonddrahtes auf besonders einfache Weise steuern. Damit kann der Drahtvorschub zur Erzeugung der gewünschten Taillänge elektronisch gesteuert werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht der Drahtklemmvorrichtung;
Fig. 2 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Drahtklemmvorrichtung nach Fig. 1 mit einem auf jedem Festkörpergelenk angeordneten Piezo-Bimorph;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in Fig. 2;
Fig. 4 eine Vorderansicht der Drahtklemmvorrichtung mit einem Spulenkörper zur Betätigung der Zangen­ backen;
Fig. 5 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Drahtklemmvorrichtung entsprechend Fig. 4;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung der Drahtklemmvorrichtung entlang der Linie B-B in Fig. 5;
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Variante der Erfin­ dung mit einer durch einem Stapeltranslator be­ tätigten Klemmfaust;
Fig. 8 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 7 mit einem Bondwerkzeug (Wed­ ge);
Fig. 9 die Rückansicht der Darstellung nach Fig. 8;
Fig. 10 eine weitere im Schnitt dargestellte erfindungs­ gemäße Klemmvorrichtung mit einem Piezoröhrchen; und
Fig. 11 eine Seitenansicht der Ausführung nach Fig. 10.
Aus den Fig. 1-3 ist eine Ausführung der Drahtklemmvorrich­ tung 1 ersichtlich, bei der aus einen 6-eckigen hohlen Grund­ körper 2 vier symmetrisch gestaltete Zangenbacken 3 axial hervorstehen. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von Zangenbacken 3, z. B. drei, vorgesehen werden. Funktionell entstehen dadurch jedoch keine Unterschiede. Die Außenkonturen des Grundkörpers 2 können auch eine beliebige andere Form auf­ weisen.
Die Zangenbacken 3 umschließen eine kreisrunde Öffnung 4 zur Aufnahme eines Bonddrahtes 5. Im einfachsten Fall können die zum Bonddraht 5 weisenden Backenflächen der Zangenbacken 3 ebenflächig ausgeführt werden, wobei eine wesentlich schonen­ dere Klemmung des Bonddrahtes 5 erreicht wird, wenn die Backenflächen entsprechend der Außenkontur des Bonddrahtes gewölbt sind. Der Durchmesser der Öffnung 4 ist dabei geringer als der Außendurchmesser des Bonddrahtes, so daß dieser im elastischen Bereich mit einer vorgegebenen Kraft geklemmt wird. Der übrige Bereich der Öffnung 4 innerhalb des Grundkör­ pers 2 weist einen deutlich größeren Durchmesser auf, um den durch die Öffnung zu führenden Bonddraht nicht zu behindern. Außerdem geht der Bereich größeren Durchmessers der Öffnung 4 gleichmäßig in den Bereich der Zangenbacken 3 mit geringerem Durchmesser über. Dadurch wird ein leichtes Einfädeln des Bonddrahtes gewährleistet.
Die Zangenbacken 3 sind über Festkörpergelenke 6 einstückig mit dem Grundkörper 2 verbunden. Zur Betätigung der Zangen­ backen 3 können Piezo-Aktoren, z. B. Piezo-Bimorphe 7 verwendet werden, die mit den Festkörpergelenken 6 verbunden sind (Fig. 2, 3) und die bei einer elektrischen Ansteuerung ein Auf­ spreizen der Zangenbacken 3 veranlassen. Das bedeutet, daß der durch die Drahtklemmvorrichtung 1 geführte Bonddraht 5 im nichtbetätigten Zustand der Piezo-Bimorphe 7 durch die Eigene­ lastizität (Federvorspannung) der Festkörpergelenke 6 geklemmt wird. Die Klemmkraft ergibt sich hier aus dem Durchmesser­ unterschied zum Außendurchmesser des Bonddrahtes 5 und den Abmessungen des Festkörpergelenkes.
Die Fig. 4-6 zeigen eine Variante der Erfindung 1, bei der die Betätigung der Zangenbacken 3 durch eine die Drahtklemm­ vorrichtung 1 umgebende Spule 8 erfolgt. Um einen möglichst großen magnetischen Fluß zu erreichen, umschließt die Spule 8 den Grundkörper 2 möglichst eng. Der Aufbau der Drahtklemmvorrichtung 1 ist dabei mit der Ausführung nach den Fig. 1-3 identisch.
In den Fig. 7 bis 11 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Drahtklemmvorrichtung als einstückige mit einer Bohrung 9 versehene Klemmfaust 10 ausgebildet ist.
Der Durchmesser der Bohrung 9 entspricht dabei dem durch diese zu dem Bondwerkzeug 11 (Wedge) zu führenden Bonddraht 5, wobei dieser im entspannten Zustand der Klemmfaust 10 geklemmt wird. Um den Bonddraht 5 lösen zu können und axial durch die Bohrung 9 ziehen zu können, ist die Bohrung 9 radial elastisch auf­ spreizbar. Zu diesem Zweck ist die Klemmfaust 10 zwischen der Bohrung 9 und einer Außenfläche mit einem Schlitz 12 versehen, der eine Erweiterung 13 zur Aufnahme eines Piezoelements in Form eines Stapeltranslators 14 zum Aufspreizen der Bohrung 9 aufweist. Die Verwendung des Stapeltranslators 14 gewähr­ leistet einen ausreichenden Stellweg. Der Stapeltranslator 14 ist über die elektrischen Anschlüsse 15 mit der Steuerung des Drahtbonders verbunden.
Die Klemmfaust 10 ist dazu in einem Träger 16 befestigt, der sich unmittelbar hinter dem Bondwerkzeug 11 am Bondkopf befin­ det. Dieser Träger 16 ist in Längsrichtung des Bonddrahtes 5 bewegbar, so daß der während eines Bondzyklus erforderliche Drahtvorschub realisiert werden kann.
Aus den Fig. 10, 11 geht eine weiter Variante der Erfindung hervor, bei der die Drahtklemmvorrichtung als elektrisch durchmesserveränderbares Piezoröhrchen 17 ausgebildet ist, welches in einem Trägerelement 18 befestigt ist. Mit dieser Variante der Erfindung wird der Aufwand zum Klemmen des Bond­ drahtes 11 noch weiter verringert und eine weitere Masse­ verringerung erreicht. Der Unterschied zu der Variante nach den Fig. 7 bis 9 besteht hier darin, daß der Bonddraht 5 im Ruhezustand des Piezoröhrchens 17 nicht geklemmt wird, sondern erst beim Anlegen einer Spannung an den Anschlüssen 15. Dazu muß der Durchmesser der Bohrung des Piezoröhrchens 17 gering­ fügig größer sein, als der Außendurchmesser des Bonddrahtes 11.
Der erforderliche Drahtvorschub kann hier dadurch realisiert werden, daß das Trägerelement 18 in Drahtlängsrichtung beweg­ bar an der Drahtbondvorrichtung angeordnet wird. Diese Längs­ bewegung kann mit bekannten Hubmagneten erfolgen, wobei jedoch auch Lösungen mit Stapeltranslatoren möglich sind.
Beispielsweise kann die Längsbewegung des Bonddrahtes 5 auf eine besonders elegante Weise auch dadurch realisiert werden, daß zwei Drahtklemmvorrichtungen 1 durch einen Stapeltrans­ lator axial miteinander verbunden werden, der ebenfalls mit einer Durchgangsbohrung zum Hindurchführen des Bonddrahtes 5 versehen ist, die mit der Öffnung 4 in den Zangenbacken 3 der beiden Drahtklemmvorrichtungen 1 oder der Bohrung 9 in der Klemmfaust 10 fluchtet. Diese Anordnung kann dann in dem Trägerelement 18 befestigt werden.
Durch eine entsprechende elektronische Steuerung läßt sich mit dieser Anordnung auf einfache Weise ein Drahtvorschub errei­ chen, ohne daß des Trägerelement 18 bewegt werden müßte. Das kann dadurch erfolgen, daß die Drahtklemmvorrichtungen immer im Wechsel betätigt werden und vor jedem Umschalten der Stapeltranslator. Mit einer entsprechenden Betätigungsfrequenz läßt sich mit dieser Anordnung ein Drahtvorschub erreichen, dessen Geschwindigkeit mit einem mechanischen Vorschub ver­ gleichbar ist, nur eben wesentlich geräuschärmer und er­ schütterungsfrei.
Bezugszeichenliste
1 Drahtklemmvorrichtung
2 Grundkörper
3 Zangenbacke
4 Öffnung
5 Bonddraht
6 Festkörpergelenk
7 Piezo-Bimorph
8 Spule
9 Bohrung
10 Klemmfaust
11 Bondwerkzug
12 Schlitz
13 Erweiterung
14 Stapeltranslator
15 Anschluß
16 Träger
17 Piezoröhrchen
18 Trägerelement

Claims (16)

1. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit für Bonddrähte an einem Bondkopf einer Drahtbondvorrichtung zur Herstellung von Drahtbrücken zwischen Bondpads auf Halbleiterbauelemen­ ten und Kontaktstellen auf Trägerelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bonddraht (5) durch eine diesen umschließende Drahtklemmvorrichtung (1) ge­ führt ist, daß die Betätigung der Drahtklemmvorrichtung (1) durch piezoelektrische oder elektromagnetische Kraft­ übertragung im elastischen Bereich erfolgt und daß die Drahtklemmvorrichtung (1) in Längsrichtung des Bonddrahtes (5) bewegbar ist.
2. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtklemmvorrichtung (1) aus einem hohlen Grundkörper (2) besteht, an dem wenigstens zwei axial hervorstehende Zangenbacken (3) angeordnet sind und daß die Zangenbacken (3) am Grundkörper (1) über Festkörpergelenke (6) ange­ lenkt sind.
3. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­ körpergelenke (3) als Einschnürung ausgebildet sind.
4. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpergelenke (3) durch Materialabtrag hergestellt sind.
5. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zangenbacken (3) in der Ausgangslage mit einer vor­ gegebenen Kraft am Bonddraht (5) anliegen, so daß dieser festgehalten wird.
6. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen der Zangenbacken (3) entgegen der Elastizität der Festkörpergelenke (6) erfolgt.
7. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Festkörpergelenken (6) mit diesen fest verbundene und elektrisch ansteuerbare Piezo-Bimorphe (7) angeordnet sind.
8. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtklemmvorrichtung (1) von einer mindestens die Zangenbacken (3) umschließende Spule (8) umgeben ist.
9. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bonddraht (5) umschließenden Backenflächen der Zangenbacken (3) an die Außenkontur des Bonddrahtes (5) angepaßt sind.
10. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtklemmvorrichtung als einstückige mit einer Bohrung (9) versehene Klemmfaust (10) ausgebildet ist und daß die Bohrung (9) radial elastisch aufspreizbar ist.
11. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmfaust (10) zwischen der Bohrung (9) und einer Außen­ fläche mit einem Schlitz (12) versehen ist, der eine Er­ weiterung (13) zur Aufnahme eines Piezoelementes zum Auf­ spreizen der Bohrung (9) aufweist.
12. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement als Stapeltranslator (14) ausgebildet ist.
13. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtklemmvorrichtung als elektrisch durch­ messerveränderbares Piezoröhrchen (17) ausgebildet ist.
14. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoröhrchen (17) in einem Trägerelement (18) befestigt ist.
15. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drahtklemmvorrichtungen (1), über einen in Längsrich­ tung des Bonddrahtes (5) ausgerichteten Linearantrieb mit­ einander verbunden, am Bondkopf befestigt sind.
16. Drahtklemm- und/oder Bewegungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb aus wenigstens einem Stapeltranslator be­ steht und innerhalb einer am Bondkopf befestigten Führung in der Weise fixiert ist, daß die mit dem Linearantrieb verbundenen Drahtklemmvorrichtungen in Längsrichtung des Bonddrahtes (5) relativ zueinander bewegbar sind.
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