DE2541206A1 - Verfahren und vorrichtung zum bonden von zuleitungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bonden von zuleitungen

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DE2541206A1
DE2541206A1 DE19752541206 DE2541206A DE2541206A1 DE 2541206 A1 DE2541206 A1 DE 2541206A1 DE 19752541206 DE19752541206 DE 19752541206 DE 2541206 A DE2541206 A DE 2541206A DE 2541206 A1 DE2541206 A1 DE 2541206A1
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Norman A Howard
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UTHE Tech Inc
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Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bonden von Zuleitungen an elektrische Schaltungen.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen wird eine große Anzahl von Schaltungen auf einem einzelnen Halbleiterplättchen gebildet und gewisse Punkte in den verschiedenen Schaltungen werden mit einem elektrischen Leiter verbunden, der eine sehr kleine Querschnittsfläche hat. Ein solcher Draht hat unter Umständen nur 5 x 10 mm ( 1 circular mil) Querschnitt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Drahtenden an dem Schaltungspunkt zu befestigen, beispielsweise durch Thermokompression, eutektisches Bonden oder Ultraschall-Bonden. Der Draht wird bei solchen Verfahren typischerweise durch ein hohles Kapillarwerkzeug geführt, das auf den Schaltungspunkt abgesenkt wird, an dem der Draht befestigt werden soll. Eine Technik, die manchmal bei diesen Verfahren verwendet wird, und insbesondere beim Thermokompressions-Bonden, besteht darin, das vorstehende Ende des Drahtes zu einer Kugel zu formen, die einen größeren Durchmesser als der Drahtdurchmesser hat, an dem sie befestigt ist. Das Kapillarwerkzeug wird dann dazu verwendet, dieses Kugelende des Drahtes gegen den Schaltungspunkt zu pressen, an dem es befestigt werden soll, und das Kapillarwerkzeug und der Schaltungspunkt und der Draht werden auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt, um das Bonden zu bewirken. Das Kapillarwerkzerkzeug wird dann angehoben, während gleichzeitig zusätzlicher Draht aus dem Werkzeug herauskommt, und an einen zweiten Schaltungspunkt bewegt. Das Kapillarwerkzeug wird dann nach unten gepresst, um einen zweiten Teil des Drahtes an einen zweiten Schaltungspunkt mechanisch zu bonden und wird dann wieder angehoben. Der Teil des Drahtes, der zwischen dem Kapillarwerkzeug und dem zweiten Schaltungspunkt verläuft, wird dann durchgetrennt, entweder einfach in der Weise, daß der
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Draht unter Spannung gesetzt wird, bis er bricht, oder dadurch, daß er durch eine Flamme erhitzt wird, bis er abgetrennt ist. Ein Nachteil der ersten Technik besteht darin, daß das übrigbleibende Drahtstück, das von dem Kapillarwerkzeug vorsteht, dann erwärmt werden muß, um eine neue Kugel zu bilden. Dadurch wird ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich, und da es erwünscht ist, die Anzahl der Arbeitsschritte bei solchen Vorgängen zu minimieren, ist das ein Nachteil. Das Kapillarwerkzeug darf sich auch nur in einer vorgegebenen Richtung bewegen, während der Draht gebrochen wird. Dadurch wird dessen Beweglichkeit begrenzt und die Zeitspanne erhöht, die dazu erforderlich ist, eine große Anzahl von Zuleitungs-Bond-Vorgängen durchzuführen. Ein Nachteil beim Flammen-Trennen besteht darin, daß ein "Zopf" oder "Schwanz" auf der Schaltungsplatte stehenbleibt. Der "Zopf" oder "Schwanz" ist ein kleines Stück Draht, das vom zweiten Schaltungspunkt nach oben steht bis zum Ende des Drahtes, wo die Flamme abgetrennt hat. Dieser Teil muß durch einen zeitaufwendigen manuellen Arbeitsgang beseitigt werden, um ihn daran zu hindern, Kontakt zu anderen Teilen der Schaltung zu bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Nachteile des bekannten Standes der Technik werden durch die Erfindung mittels einer verbesserten Zuleitungs-Bond-Vorrichtung derart beseitigt, bei der ein Stück elektrisch leitender Draht durch ein Kapillarwerkzeug vorsteht und mechanisch längs verschiedener Teile seiner Länge an getrennte Schaltungspunkte gebondet wird, wobei die Verbesserung darin besteht, daß Einrichtungen im Kontakt mit dem Drahtstück am Kapillarwerkzeug vorgesehen sind, mit denen eine Wärmeableitung gebildet wird, und Einrichtungen, mit denen ein elektrischer Strom in einem Teil des Drahtes zwischen dem Kapillarwerkzeug und einem ausgewählten der Schaltungspunkte zugeführt wird, an den ein Teil des Drahtes gebondet ist, so daß dieser Teil des Drahtes durch Widerstandserwärmung erhitzt wird, bis er bricht und angeformte Kugeln an
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den Drahtenden beim Bruch bildet.
In der bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Stroms einen fallenden rampenförmigen Verlauf, und die Wärmeableiteinrichtung weist einen Kragen auf, der eng um den Draht paßt und in das Ende des Kapillarwerkzeugs montiert ist. Der Schaltungspunkt, an dem der Draht befestigt ist, und der Kragen wirken als Wärmeableitungen, so daß diejenigen Teile des Drahtes, die mit ihnen in Berührung stehen, daran gehindert werden, durch die Widerstandserwärmung so heiß zu werden, daß sie schmelzen. Es wird also nur der Zwischenteil des Drahtes durch die Widerstandserwärmung zerbrochen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen die Unterbrechung des Stroms in dem Drahtteil bei dessen Bruch festgestellt wird und ein Positionssteuersignal erzeugt wird, um das Kapillarwerkzeug relativ zur Schaltung zu bewegen. Da das Kapillarwerkzeug zur Durchführung der Trennung sich nicht zu bewegen braucht, wie bei der Spannungs-Trennmethode, kann sich das Werkzeug unmittelbar nach dem Trennen frei in Jeder Richtung bewegen, so daß Herstellungszeit eingespart wird.
Durch die Erfindung soll also eine verbesserte Zuleitungs-Bond-Vorrichtung verfügbar gemacht werden, bei der der Draht von einer mechanischen Bondung an den Schaltungspunkt mittels eines steigenden rampenförmigen elektrischen Stroms getrennt wird, der gleichzeitig den Draht unterbricht und Kugeln an den Enden des Drahtes beim Bruch bildet.
Durch die Erfindung soll weiter eine Zuleitungs-Bond-Vorrichtung verfügbar gemacht werden, die den Draht von dem Schaltungspunkt, an den er gebondet ist, trennt, ohne daß ein "Zopf" verbleibt.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:
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Pig. 1, 2, 3 und 4 teilweise geschnittene Seitenansichten einer
Ausfuhrungsform der Erfindung in verschiedenen Stufen der Zuleitungs-Bond-Folge j
Fig. 5 ein Schaltbild einer Rampenstrom-Erzeugungs
schaltung; und
Fig. 6 den Verlauf des durch die Schaltung gemäß
Fig. 5 erzeugten Stromes.
Gemäß Fig. 1 wird ein Draht 10 von einer nicht dargestellten Quelle durch ein Kapillarwerkzeug 12 zugeführt, in dessen unterstes Ende ein Kragen 14 eingepaßt ist. Der Teil des Drahtes, der durch den Kragen 14 hervorkommt, wird an einen geerdeten ersten Schaltungspunkt 16 mittels irgendeiner von verschiedenen bekannten mechanischen Bond-Techniken gebondet, beispielsweise durch Thermokompression. Der Draht 10 läuft dann durch das Kapillarwerkzeug und den Kragen 14 aus, wenn das Kapillarwerkzeug relativ zum Schaltungspunkt 16 bewegt wird, bis sich dieses über einem geerdeten zweiten Schaltungspunkt 18 befindet. Der Teil des Drahtes, der zwischen dem Schaltungspunkt 16 und dem Schaltungspunkt 18 verläuft, wird im folgenden mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Das Ende des Drahtteils 20 am Schaltungspunkt 18 wird dann mechanisch, beispielsweise durch Thermokompression, unter dem Druck des abgesenkten Kapillarwerkzeugs 12 gegen den Schaltungspunkt 18 gebondet, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist.
Das Kapillarwerkzeug 12 wird dann angehoben und mehr., Draht 10
° zwischen
läuft aus, so daß ein Teil 22 verbleibt, der sich/lern Kragen 14 und dem Schaltungspunkt 18 erstreckt. Ein elektrischer Strom wird von einer Quelle 24 geliefert, die in Reihe mit einem Klemmkontrollkreis 26 zwischen dem Kapillarwerkzeug 12 und dem Schaltungspunkt geschaltet ist. Das Kapillarwerkzeug 12 stellt Kontakt mit dem Draht 10 durch den Kragen 14 her.
Der Kragen 14 und der Schaltungspunkt 18 wirken als Wärmeableitungen für die Teile des Drahtes, mit denen sie in Berührung stehen,
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und der zwischenliegende Drahtteil 22, der sich zwischen diesen Punkten erstreckt, erwärmt sich damit auf eine höhere Temperatur als diese Teile. Wenn der Zwischenteil 22 durch Widerstandserwärmung auf die Schmelztemperatur erwärmt ist, bricht der Draht und formt eine Kugel 28 am Teil des Drahtes am Schaltungspunkt und eine Kugel 30 am von dem Kapillarwerkzeug 12 vorstehenden Ende des Drahtes 10. Diese Kugeln 28 und 30 bilden sich, weil der geschmolzene Draht dazu neigt, eine Form anzunehmen, die kleinste Oberfläche hat, nämlich eine Kugel. Es wird kein "Zopf" oder "Schwanz" gebildet, im Gegensatz zum Flammen-Trennen, weil der ganze Zwischenteil auf Schmelztemperatur erwärmt wird.
Wenn der Draht 22 durch die Widerstandserwärmung bricht, wird der Strom durch die Klemmkontroll schaltung 26 unterbrochen und diese erzeugt ein Steuersignal auf Leitung 32, die dafür sorgt, daß sich das Kapillarwerkzeug 12 relativ zu den Schaltungspunkten 16 und 18 bewegt, um das Kapillarwerkzeug über neuen Schaltungspunkten neu zu positionieren. Der Mechanismus zur Bewegung des Kapillarwerkzeugs 12 ist nicht dargestellt, da solche Mechanismen bekannt sind und keinen Teil der Erfindung bilden (vergl. beispielsweise US-Patentschrift 3 776 447).
Die Größe der durch den Zwischenteil des Drahtes fließenden Stromdichte ist wichtig. Wenn die Stromdichte zu hoch ist, wird der Zwischenteil aus dem Spalt zwischen dem Kapillarwerkzeug und dem Schaltungspunkt herausgeblasen, so daß keine Kugelenden entstehen. Wenn die Stromdichte zu niedrig ist, erweicht sich der Zwischenteil gerade bis zu dem Punkt, wo er bricht, und fällt auf die Schaltung zurück, ohne daß Kugelenden gebildet werden. Die Größe des Stroms hängt von dem Drahtmaterial und dessen Durchmesser ab. Es wurde auch festgestellt, daß ein fallender rampenförmiger Stromverlauf am wirksamsten ist.
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In Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Quelle 24 für rampenförmigen Strom dargestellt. Der positive Anschluß einer Spannungsquelle 34, bei der es sich um eine Batterie handeln kann, jedoch typischerweise eine externe Stromversorgung, ist durch einen Widerstand mit dem Emitter eines PNP Leistungstransistors 38 verbunden, und über einen Widerstand 40 mit der Basis des Transistors 38. Die Basis des Transistors 38 ist ebenfalls Über einen Kondensator 42 mit einem Anschluß eines Druckknopfschalters 44 und einem Außenanschluß 46 verbunden. Die andere Klemme des Schalters 44 ist mit dem negativen Anschluß der Stromversorgung 34 verbunden. Der Kollektor des Transistors 38 ist mit einem zweiten externen Anschluß verbunden. Der Anschluß 48 ist über die Klemmkontrollschaltung mit dem Kapillarwerkzeug 12 verbunden, und der Anschluß 46 ist mit dem Schaltungspunkt 18, an den die Zuleitung gebondet ist, verbunden.
Wenn der Schalter 44 geschlossen ist, fließt Strom durch den Widerstand 40, so daß der Kondensator 42 geladen wird, und die Basis-Vorspannung aufbaut, die am Transistor 38 liegt. Wenn die Basis-Vorspannung steigt, wird der Transistor 38 immer weniger leitend und es entsteht ein fallender, rampenförmiger Stromverlauf im Kreis zwischen den Anschlüssen 46 und 48, bei dem es sich tatsächlich um den Drahtteil 22 handelt. Ein solcher fallender, rampenförmiger Verlauf ist in Fig. 6 dargestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung wurde ein Aluminiumdraht von 25 Mikrometer (1 mil) Durchmesser und etwa 0,64 mm (25 mil) Länge zwischen dem Schaltungspunkt, an den er gebondet war, und dem Kapillarwerkzeug durch das Anlegen von 13 Ampe're Spitzenstrom von einer Schaltung gemäß Fig. 5 gebrochen, wenn diese mit einer Quelle 34 von 12 Volt gespeist wurde. Angeformte Kugeln wurden an den Drahtenden beim Bruch" gebildet. Golddraht ist zur Verwendung mit der Erfindung ebenfalls geeignet.
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Claims (7)

  1. Ul Pl D
    Patentansprüche
    Verfahren zum Bonden von Zuleitungen, bei dem ein Stück elektrisch leitender Draht durch ein Kapillarwerkzeug vorgeschoben wird und mechanisch längs unterschiedlicher Teile seiner Länge an getrennte Schaltungspunkte gebondet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stück Draht in Kontakt mit einer Wärmeableitung am Kapillarwerkzeug gebracht wird und ein elektrischer Strom in dem Teil des Drahtes zwischen dem Kapillarwerkzeug und einem ausgewählten Schaltungspunkt, an den der Draht gebondet ist, erzeugt wird, um den Drahtteil durch Widerstandserwärmung bis zum Bruch zu erwärmen, wobei angeformte Kugeln an den Enden des Drahtes beim Bruch gebildet werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom mit einem fallenden rampenförmigen Verlauf angelegt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeableitung der Draht in einem Kragen im Kapillarwerkzeug gehalten wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Kapillarwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß im Kapillarwerkzeug eine Berührungsvorrichtung für den Draht vorgesehen ist, mit der eine Wärmeableitung aufgebaut werden kann, und eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in dem Teil zwischen dem Kapillarwerkzeug und einem ausgewählten Schaltungspunkt, an den der Draht gebondet ist.
    .../A2
    60981 3 /0809
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom einen fallenden rampenförmigen Verlauf hat.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß in das Kapillarwerkzeug ein eng um den Draht passender Kragen montiert ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fühler vorgesehen ist, der die Unterbrechung des Stroms in dem Drahtteil bei dessen Bruch feststellt und ein Positionssteuersignal erzeugt, mit dem das Kapillarwerkzeug relativ zu den Schaltungspunkten bewegt wird.
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    Leerseite
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