DE2125748A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen eines Drahtes mittels einer Thermokompressionsverbindung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen eines Drahtes mittels einer Thermokompressionsverbindung

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DE2125748A1
DE2125748A1 DE19712125748 DE2125748A DE2125748A1 DE 2125748 A1 DE2125748 A1 DE 2125748A1 DE 19712125748 DE19712125748 DE 19712125748 DE 2125748 A DE2125748 A DE 2125748A DE 2125748 A1 DE2125748 A1 DE 2125748A1
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thermocompression
carrier
connection
welded
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Jean Douvres la Delivrande; Brehon Pierre Epron; Schmidt (Frankreich)
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

FFHN.551O.
wij/evh.
2125748 GÜNTHER M. DAVID
PatsntassGssor
Anmelder: H.V. PHiLiPS1 GLOEILAMFENFABRIEKEN
Akte: PHlT- ?310
Anmeldung vom» 24. Ms i 1971
"Verfahren und Vorrichtung zum Verschweisaen eines Drahtes mittels einer Thermokompreaaionsverbindung."
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen eines Drahtes an einem Träger, wie einer Halbleiteranordnung, mittels einer Thermokompressionsverbindung, welches Verfahren aus einer stirnseitigen Befestigung eines Drahtes besteht, dessen zu befestigendes Ende kugelförmig und dazu bestimmt ist, einen Schweisspunkt zu bilden und durch örtliches Schmelzen des Drahtes erhalten wird. Ein derartiges Verfahren eignet sich insbesondere zum Befestigen von Verbindungsleitern, die dazu dienen, bestimmte Zonen eines Halbleiterkörpers einer elektronischen Anordnung mit anderen Elementen dieser Anordnung zu verbinden. In einem derartigen Fall wird das Drahtende, das die Kugel enthält, im allgemeinen mittels einer Thermokompressionsverbindung stirn-
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-"2<- FPHN. 5310.
seitig mit einer der Zonen des Halbleiterkörpera verschweisst, während das andere Ende des Verbindungsdrahtes ebenfalls durch eine Thermokompressionsverbindung, jedoch an der Seite des Drahtes, beispielsweise mit einer Anschlusszunge der Anordnung verschweisst wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, das erfindungsgemässe Verfahren durchzuführen.
Es ist bekannt, dass nach der Befestigung des Halbleiterkörpera auf einem Fuss elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktstellen wenigstens einiger Zonen dea Halbleiterkörpers und Verbindungselemente des Fusses angeordnet werden müsaen. Dazu ist die üblichste Technik das Verschweiasen mittels einer Thermokompressionsverbindung sehr dünner Metalldrähte. In vielen Fällen, inabesondere bei integrierten Schaltungen, wird eine Thermokompreaaionsverbindung - "nail head bonding" genannt - angewandt, wobei das freie Ende dea Drahtea, der die elektrische Verbindung bilden muss, eine Kugel aufweist, weiche durch die Thermokompressionsverbindung ungefähr die Form eines Nagelkopfes annimmt.
Bei einem Gerät, das dazu geeignet ist, das Verfahren durchzuführen, enthält die Schweissvorrichtung eine Kapillarrohre, in welcher der Draht bevor die elektrischen Verbindungen hergestellt sind, frei beweglich ist. Gleichzeitig mit dem Zuschneiden des Drahtea bildet man an einem Ende eine Kugel, die dazu bestimmt ist, mit Hilfe von Druck während des nachfolgenden Lötvorganges den Nagelkopf zu bilden. Bei diesen bekannten Schweissanordnungen wird das Zuschneiden des Drahtes und die Bildung der Kugel durch örtliches Schmelzen des Drahtes erhalten.
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- *.- FPHN.5310.
. Es ist eine Schmelzmethode bekannt, wobei die Wärme einer Flamme, die von einem Wasserstoffbrenner ständig geliefert wird, die jedoch nur im geeigneten Augenblick auf den Draht gerichtet wird, verwendet wird. Die Richtung der Flamme wird entweder durch das Richten eines Sauerstoffstrahles oder durch eine mechanische Einstellung des Brenners mittels eines Luftzylinders erhalten.
Da das Zuschneiden des Drahtes und die Bildung der Kugel am Ende desselben von der ausströmenden Menge Wasserstoff und komprimierter Luft abhängig sind, sind die Resultate wenig genau und schlecht reproduzierbar. Insbesondere kann der Durchmesser der gebildeten Kugel jeweils zwischen sehr weiten Grenzen schwanken, was sehr nachteilig ist, da der Wert des Durchmessers zur Erhaltung einer günstigen Thermokompressionsverbindung ein wichtiges Parameter ist. Weiter tritt Verschleiss der Führungsvorrichtung auf, und zwar in dem Fall, wo der Brenner auf mechanische Weise auf den Draht gerichtet wird, so dass Spielraum beim Brenner entsteht und ein einwandfreies Ausrichten des Brenners auf den Draht nicht einfach ist.
Die Bearbeitungen, d.h. das Zuschneiden des Drahtes und die Bildung der Kugel, werden im allgemeinen nach dem Verschweissen des Drahtes mit den metallisierten Kontaktatellen des Fusses durchgeführt. Damit eine Verbrennung dieser metallisierten Kontaktstellen vermieden wird ist es notwendig, den Draht mit eirrer grösseren Länge abzuschneiden als notwendig ist, wobei der nicht notwendige Teil des Drahtes zu einem Kurzschluss mit benachbarten Kontaktgebieten führen kann.
Die Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile auszuschalten. Dazu wird beim erfindungsgemäasen Verfahren die Kugelform
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- V- FPHN.5310.
durch eine elektrische Funkenentladung zwischen zwei Elektroden verursacht, wobei eine der zwei Elektroden durch den Draht selbst gebildet wird.
Wenn beim erfindungsgemässen Verfahren durch die Funkenzündung am Ende des Drahtes eine Kugel gebildet ist, wird diese durch eine Thermokompressionsverbindungmit einer Kontaktstelle der Halbleiteranordnung verschweisst, danach verschweisat man ebenfalls durch eine Thermokompresaionsverbindung die Seite des Drahtes m mit einer zweiten Kontaktstelle der Anordnung, wonach man an demjenigen Teil des Drahtes auaserhalb der zwei Verbindungsstellen zieht, damit der Draht an der Stelle einer Einkerbung, die durch das Thermokompressionawerkzeug an der Stelle der zweiten Lötstelle gebildet iat, bricht. Da der Draht in der unmittelbaren Nähe der zweiten Verbindungastelle abgeachnitten wird iat es möglich, den Draht weit genug von der Halbleiteranordnung zu entfernen um eine neue Kugel für die nachfolgende Bearbeitung zu bilden, wobei jede Gefahr vor Verbrennung eines Teils der Halbleiteranordnung vermieden wird.
Der als Elektrode verwendete Draht befindet sich notwendigerweise in der Bahn der elektrischen Entladung. Es braucht keine besondere Einstellung der Lage der Elektroden gegenüber einander stattzufinden und wenn die angewandte Energie zwischen den Elektroden konstant bleibt, sind die Resultate durchaus reproduzierbar.
Nach der Erfindung iat eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, das Verfahren durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass aie eine Elektrode enthält, die auf das freie Ende des zu befestigenden Drahtes gerichtet ist, wobei die Elektrode und der
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- 5 FPHN.531O.
Draht mit den Drahtklemmen eines Impulse hoher Spannung erzeugenden Generators verbunden sind. Bei einer günstigen Ausführungsform leiten die mechanischen Mittel, die es ermöglichen» den Draht festzuklemmen und an den Draht zu ziehen "bis dieser gebrochen ist, elektrischen Strom und ist der Draht durch diese Mittel mit dem Generator verbunden.
Der Vorteil einer derartigen Vorrichtung gegenüber einer Vorrichtung mit einem Brenner liegt in der Tatsache, dass die Abmessungen sehr gering sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Teils der Vorrichtung zum Schweissen unter Anwendung des Thermokompressionsverfahrens, wobei die erfindungsgemässen Elektroden verwendet worden sind,
Fig. 2 eine Ansicht gemüse Fig. 1 aber in vergrössertem Masstab, wobei im wesentlichen die Schmelzvorrichtung für den Draht gezeigt wird sowie die Vorrichtung um den Draht zu klemmen und loszuziehent
Fig. 3 eine Darstellung eines mit Hilfe der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 hergestellten Produktes.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Schweissapparat enthält einen Sockel 1, auf dem ein zylinderförmiger Ofen 2 angeordnet ist, der gegenüber dem Sockel 1 mittels einer Isolierschicht 3 thermisch isoliert ist. Oberhalb des Ofens 2 befindet sich eine Führungsbahn At die ungefähr horizontal liegt und in der sich mit einem Fuss verlötete Halbleiterkörper bewegen können, bevor sie die
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elektronische Anordnung bilden· In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsljeispiel ist der Halbleiterkörper 17 auf einem metallenen vergoldeten Streifen 5 angebracht, der Anschlusszungen 18, 19 und enthält. Die Anschlusszunge 18, die mit einer der Zonen des HaIbleiterkörpers 17 mechanisch und elektrisch verbunden ist, dient zugleich als Träger dieses Körpers, während die Anschlusszungen und 20 als Verbindungsmittel mit den anderen Zonen 21 und 22 des Halbleiterkörpers dienen. Der Streifen 5 enthält einige Konfigub rationen 18, I9» 20 und der Streifen wird durch eine automatische Vorrichtung, die in den Figuren nicht dargestellt ist, über die Führungsbahn 4 fortbewegt.
Das Werkzeug 6 für die Thermokompressionsverbindung, die oberhalb der Führungsbahn 4 angeordnet ist, und von einem Arm 7 getragen wird, der an einem nicht dargestellten Mikromanipulator befestigt ist, enthält in seiner Längsrichtung eine hindurchgehende Bohrung, in der ein Draht 8 beweglich ist. Der Draht 8 rührt von einer Spule her, die in einem Halter 9 eingeschlossen ist, und er dient dazu, die elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktstellen der Zonen 21 und 22 des Halbleiterkörpers I7 und den Anschlusszungen 19 und 20 des Streifens 5 zu bilden. Das Werkzeug 6 für die Thermokompressionsverbindung ist in vertikaler und horizontaler Richtung mit Hilfe an sich bekannter nicht dargestellter Mittel bewegbar.
Das Werkzeug 6 wird mit Hilfe einiger Heizspiralen 10, die unmittelbar über dem kegelförmigen Arbeitsgebiet des Werkzeugs liegen, auf einer konstanten Temperatur gehalten.
Zwischen dem Ausgang des Halters 9 und dem Eingang der
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Bohrung im Werkzeug 6 wird der Draht 8 an einer Klemmvorrichtung vorbeigeführt, die mit dem Arm 7 feat verbunden ist, und durch einen elastischen Streifen 11a gebildet wird, der in Richtung einea Blocks 11b mit Hilfe geeigneter Mittel, beispielsweise durch Ausübung eines Druckes oder mit Hilfe von magnetischen Mitteln, bewegbar ist.
Mit Hilfe eines Bügels 12, der mit dem Werkzeug 6 verbunden ist, ist eine zugespitzte Elektrode 13» beispielsweise aus Wolframkarbid, in einem geeigneten Abstand vom freien Ende des Drahtes 8 befestigt. Die Elektrode 13 und der Draht 8, durch die Bremsvorrichtung, sind mit Hilfe von Drähten 14 mit den Ausgangsklemmen eines nicht dargestellten Impulsgenerators verbunden, der beispielsweise eine Induktionsspule enthalten kann, die aus einer ständigen Stromquelle gespeist wird, wobei in dem Primärkreis ein Unterbrecher von Schwingungstyp aufgenommen ist, entweder mit festen Kontakten oder mit Quecksilber. Man kann ebenfalls jede andere Ausführungsform eines Generators verwenden, der dazu geeignet ist, zwischen seinen Ausgangsklemmen eine erhöhte Spannung zu liefern.
Mit Hilfe eines Mikrostromunterbrechers, der in der Figur nicht dargestellt ist, wird eine elektrische Entladung 16 zwischen der Elektrode 13 und dem freien Ende des Drahtea 8 verursacht. Die in dem Augenblick frei werdende Energie verursacht eine Erwärmung des Endes des Drahtes 8 und infolgedessen das Schmelzen jenes Endes. Dadurch, dass einerseits die Dauer der Entladung 16 und zum anderen der Abstand und dar Potentialunterschied zwischen der Elektrode 13 und dem Draht 8 geregelt wird, lässt sich eine ausreichend grosse Energie und Temperatur erreichen um am Ende des Drahtes 8 eine Kugel 8a zu bilden. Diese Kugel 8a wird mit Hilfe des
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Werkzeugs 6 gegen eine Kontaktstelle des Halbleiterkörpers 17 gedrückt, beispielsweise gegen die Kontaktstelle 22, und sie wird mit-Hilfe einer Thermokompressionsver"bindung unter Bildung eines Kopfes daran befestigt. Nachdem die Klemmvorrichtung 11 entkuppelt ist, wird das Werkzeug 6 verschoben und der Draht 8, der im Werkzeug 6 beweglich ist, wird ober eine Anschlusszunge, beispielsweise die Zunge 20 des Streifens 5» gebracht, gegen weiche der Draht mit der Seite gedrückt wird. Dies hat zur Folge, dasa am Draht ein Kopf 23 gebildet wird, der an der genannten Anschlusszunge befestigt ist, und dass die Zone 22 und die Anschlusszunge 20 mittels des Drahtteils 24 miteinander elektrisch verbunden sind.
Während der Bildung des Kopfes 23 durch das Werkzeug 6 lässt das Werkzeug am Ende des Drahtes eine Einkerbung zurück, die den Anfang eines Bruches bildet. Danach wird der Draht 8 zwischen den Streifen 11a und den Block 11b eingeklemmt undvder Arm 7 wird mit dem Werkzeug 6 nach oben geführt, wodurch der Draht 8 an der Stelle des Anfanges des Bruches bei der Verbindung 23 abgebrochen wird. Danach wird eine neue Kugel 8a gebildet, und der Prozess wiederholt sich, beispielsweise um die Zone 21 mittels eines Drahtstückes 25 mit der Anschlusszunge I9 zu verbinden.
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Claims (5)

FPHN. 5310. PATENTANSPRUECHE:
1. Verfahren zum Befestigen eines Drahtes an einem Träger, wie eine Halbleiteranordnung, mit Hilfe einer Thermokompressionsverbindung, das aus der stirnseitigen Befestigung eines Drahtes besteht, dessen zu befestigendes Ende eine Kugelform aufweist, die dazu bestimmt ist, einen Schweisspunkt zu bilden und die erhalten wird durch örtliches Schmelzen des Drahtes, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelform durch eine elektrische Funkenentladung zwischen zwei Elektroden verursacht wird, wobei eine der zwei Elektroden durch den Draht selbst gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem eine Funkenentladung eine Kugel am Ende des Drahtes gebildet hat, die Kugel mit Hilfe einer Thermokompressionsverbindung mit einer Kontaktstelle des Trägers verschweisst wird, dass danach der Draht mit Hilfe einer Thermokompressionsverbindung mit der Seite mit einer zweiten Kontaktstelle des Trägers verschweisst wird, wonach am Teil des Drahtes ausserhalb der zwei Lötstellen gezogen wird, damit der Draht an der Stelle einer Einkerbung abbricht, die durch das Thermokomprefjsionswerkzeug an der Stelle der zweiten Lötstelle gebildet ist.
3. Halbleiteranordnung, die durch Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 erhalten worden ist.
4. Vorrichtung um mit Hilfe einer Thermokompressionsverbindung einen Draht an einem Träger zu befestigen zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Elektrode enthält, die auf das freie Ende des zu befestigenden Drahtes gerichtet ist, wobei die Elektrode und der Draht mit den
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Drahtklemmen eines Generators zum Erzeugen elektrischer Impulse hoher Spannung verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass sie bewegliche Mittel enthält, die dazu geeignet sind, den Draht festzuklemmen und an den Draht zu ziehen, nachdem er mit dem Träger verschweisst ist, welche Mittel elektrisch leitend sind und dass der Draht über diese Mittel mit dem Generator verbunden ist.
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