DE3544377A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines halbleiters mit anschlussdraehten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines halbleiters mit anschlussdraehten

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DE3544377A1
DE3544377A1 DE19853544377 DE3544377A DE3544377A1 DE 3544377 A1 DE3544377 A1 DE 3544377A1 DE 19853544377 DE19853544377 DE 19853544377 DE 3544377 A DE3544377 A DE 3544377A DE 3544377 A1 DE3544377 A1 DE 3544377A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden eines Halbleiters mit An­ schlußdrähten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zum Verbinden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten sind aus K.G. Faas, J. Swozil, Verdrahtungen und Verbindungen in der Nachrichtentechnik, Akademische Verlagsgesell­ schaft, Frankfurt a.M., 1974, S. 547 bis 551 bekannt. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung kommen bevorzugt in der Mikroelektronik bei der Halbleiter- bzw. Hybridher­ stellung zum Einsatz.
Bei der Fertigung elektronischer Geräte, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterchips und Hybridschal­ tungen werden bekannte Verfahren, wie Thermokompressi­ onsschweißen, Ultraschallschweißen und Löten unter Ein­ satz der TAB-Methode eingesetzt.
Das Thermokompressionsschweißen ist beispielsweise aus dem eingangs erwähnten Fachbuch, S. 522 bis 529 bekannt. Bei diesem Bondverfahren werden die beiden Kontaktpart­ ner unter gleichzeitiger Anwendung von Wärme und Druck untereinander verbunden. Das Ultraschallschweißen ist beispielsweise aus dem eingangs erwähnten Fachbuch, S. 529 bis 540 bekannt. Bei diesem Bondverfahren wird den Berührungspunkten der Kontaktpartner Schwingungsenergie im KHZ-Bereich über eine Sonotrode zugeführt.
Bei beiden Methoden werden zum "Wire-Bonden" Aluminium- oder Golddrähte auf dem Halbleiterchip an dafür vorgese­ henen Kontaktstellen aufgeschweißt bzw. gebondet. An­ schließend kann der Halbleiterchip auf ein Substrat ge­ legt und mit weiteren Anschlußdrähten verschweißt wer­ den. Hierdurch werden die Verbindungen zwischen den sehr feinen Strukturen auf dem Halbleiterchip und den exter­ nen Beschaltungen hergestellt.
Dabei ist nachteilig, daß die Leistung der einzusetzen­ den Maschinen vom verwendeten Bonddraht abhängig ist. Beim Bonden mit Aluminiumdraht muß beispielsweise der Kopf oder der Tisch des Bonders in x-, y-, ϕ-Richtung be­ wegt werden. Dadurch wird zwangsläufig die Anzahl der möglichen Bondverbindungen oder Bonddrähte pro Zeitein­ heit eingeschränkt. Bei zur Zeit üblichen Maschinen kön­ nen bei Anwendung von Aluminiumdraht ca. drei Drähte pro Sekunde gebondet werden. Bei Anwendung von Golddraht ist die erreichbare Geschwindigkeit doppelt so hoch, d.h. mit Golddrahtbondern ist eine Leistung von sechs Drähten pro Sekunde erreichbar.
Das TAB-Verfahren (Tape Automated Bonding) ist bei­ spielsweise aus dem Handbuch der Leiterplattentechnik, 2. Auflage, Eugen Leuze Verlag, Saulgau/Württemberg, 1982, S. 495 bekannt. Bei dieser Methode werden die Kon­ taktstellen auf dem Halbleiterchip gleichzeitig mit ei­ nem Leiterbahnkamm, der sich auf einer Filmfolie befin­ det, mittels einer Lötvorrichtung verbunden. Die auf diese Weise hergestellten Filme mit aufgelöteten Halb­ leiterchips können dann beispielsweise mit Hilfe einer weiteren Maschine simultan auf ein anderes Substrat auf­ gebracht werden.
Beim TAB-Verfahren liegt der Hauptnachteil darin, daß die Halbleiterchips an den Kontaktstellen eine lötfähige Beschichtung aufweisen müssen. Trotz des Simultanlötens ist der Zeitaufwand pro Halbleiterchip relativ groß und die Leistung pro Einzelverbindung und Zeiteinheit ist kleiner als bei den Drahtbondverfahren, wie Thermokom­ pressionsschweißen oder Ultraschallschweißen.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren zum Verbinden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten der eingangs genannten Art anzugeben, das eine hohe Geschwindigkeit des Verbindungsvorganges gewährleistet und gleichzeitig die Verarbeitung sehr feiner Anschlußdrähte ermöglicht. Desweiteren soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 4 angegeben.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß keine zusätzlichen, zum Löten ge­ eigneten Metallisierungen auf den Halbleiterchips not­ wendig sind. Neben der enormen Geschwindigkeit des Ver­ bindungsvorganges ist es von Vorteil, daß die aufzu­ schweißenden Leiterbahnkämme eine sehr feine Struktur aufweisen können. Weitere Vorteile sind der nachfolgen­ den Beschreibung entnehmbar.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine erste Ausführungsvariante zum Verbinden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsvariante zur Verbindung eines Halbleiters mit Anschlußdrähten und ei­ nem Hybridsubstrat,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines mit einem Halbleiter bestückten Hybridsubstrats.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsvariante zum Ver­ binden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten darge­ stellt. Dabei ist eine mit Leiterbahnkämmen versehene Filmfolie 1 vorgesehen, die zwischen einer Abwickeltrom­ mel 2 und einer Aufwickeltrommel 3 transportierbar ist. Zwischen beiden Trommeln 2,3 ist ein Schweißkopf 4 mit Laser angeordnet. Die mit den Leiterbahnkämmen zu ver­ schweißenden Halbleiterchips 5 können mittels eines Transportbandes 6 direkt unter den Schweißkopf 4 ge­ bracht werden.
Nach genauer Justierung eines Halbleiterchips 5 unter den Schweißkopf 4 wird ein Leiterbahnkamm mit den Kon­ taktstellen des Halbleiterchips 5 verschweißt. Ein Vor­ teil des Laserstrahlschweißverfahrens besteht darin, daß die Kontaktstellen keine lötfähigen Beschichtungen, d.h. keine zusätzlichen Metallisierungen aufweisen müssen, sondern daß die bei Halbleiterchips üblichen Metallisie­ rungen (Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Nickel usw.) für den Schweißvorgang gut geeignet sind. Da das Laser­ licht eine große Energiedichte besitzt, ist die erfor­ derliche Zeit für das Schweißen der einzelnen Punkte minimal, d.h. die Verschweißung der Kontaktstellen er­ folgt fast simultan. Die Geschwindigkeit des Systems ist etwa 20- bis 30mal höher als bei den bisher üblichen Verfahren (Ultraschallschweißen, Thermokompressions­ schweißen, TAB-Verfahren). Infolge der guten Fokussier­ barkeit des Laserstrahls sind auch Halbleiterchips mit sehr hoher Integration und sehr eng aneinanderliegenden Kontaktstellen in einfacher Weise schweißbar, d.h. die Leiterbahnkämme können wesentlich feiner sein als dies beim TAB-Verfahren oder beim Thermokompressionsschweißen möglich ist. Ein weiterer Vorteil des Laserstrahl­ schweißverfahrens besteht darin, daß die Wartungsinter­ valle der Anlage im Vergleich zu den bisher üblichen Verfahren verlängert werden können. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß beim Laserstrahlschweißverfahren keine verschleißintensiven Baueinheiten notwendig sind.
Nach der erfolgten Verbindung verbleiben die mit den Leiterbahnkämmen verschweißten Halbleiterchips 7 für die weitere Verarbeitung auf der Filmfolie 1.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsvariante zum Ver­ binden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten darge­ stellt. Dabei liegen die Halbleiterchips 5 im Unter­ schied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 auf einem Hybridsubstrat 8 bzw. auf einem Lead-frame. Das Hybrid­ substrat 8 kann neben dem Halbleiterchip 5 noch mit an­ deren Bauteilen, wie z.B. Kondensatoren, Potentiometern usw. bestückt sein. Als Lead-frame wird ein Metallgitter bezeichnet, das als Schaltungsträger das Halbleiterchip aufnehmen kann, wodurch ein vollständig in sich abge­ schlossener Funktionsblock ohne Leiterplatte gebildet wird.
Nach genauer Justierung eines sich auf dem Hybridsub­ strat 8 bzw. Lead-frame befindlichen Halbleiterchips 5 unter den Schweißkopf 4 wird ein erster Teil des Leiter­ bahnkammes mit den Kontaktstellen des Halbleiterchips 5 verschweißt. Anschließend erfolgt die Verschweißung ei­ nes zweiten Teils des Leiterbahnkammes mit den Kontakt­ stellen des Hybridsubstrates 8 bzw. Lead-frames. Alter­ nativ hierzu können auch beide Schweißvorgänge mittels zweier Laserstrahlen gleichzeitig ablaufen.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird bei der zweiten Ausführungsvariante die Filmfolie 1 nur bis zur Verbindung der Halbleiterchips 5 bzw. des Sub­ strates 8 mit den Leiterbahnkämmen benutzt und nicht zur weiteren Verarbeitung der geschweißten Halbleiterchips 9. Die geschweißten Halbleiterchips 9 werden vielmehr mit Hilfe des Transportbandes 6 weitergeleitet und ggf. weiteren Verarbeitungsprozessen zugeführt. Die mit den Leiterbahnkämmen (Kontaktspinnen) versehene Filmfolie 1 wird unmittelbar nach (oder während) den Schweißvorgän­ gen (Bondvorgängen) ausgestanzt und als Leerfolie auf die Aufwickeltrommel 3 gewickelt. Für den Stanzvorgang ist entweder eine eigene Stanzvorrichtung neben dem Schweißkopf 4 vorgesehen oder der Schweißkopf 4 selbst besitzt eine eigene Stanzvorrichtung.
In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines mit einem Halbleiterchip 5 bestückten Hybridsubstrats 8 dar­ gestellt. Die auf dem Hybridsubstrat 8 aufliegende Film­ folie 1 ist strichpunktiert dargestellt. Der aus sechs einzelnen Leiterbahnen bestehende Leiterbahnkamm ist mit 1 a bezeichnet. Der Leiterbahnkamm 1 a ist präzise derart ausgerichtet, daß die Enden der einzelnen Leiterbahnen des Kammes jeweils genau über den Kontaktstellen 5 a des Halbleiterchips 5 sowie über Leiterbahnen 10 des Hybrid­ substrats 8 liegen. Die Verschweißungen des Leiterbahn­ kammes 1 a mit den Kontaktstellen 5 a des Halbleiterchips 5 bw. mit den Leiterbahnen 10 des Hybridsubstrats 8 er­ folgen gleichzeitig unter Einsatz von zwei Lasern 4 a bzw. 4 b.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden eines Halbleiters mit Anschlußdrähten unter Zuhilfenahme des Laserstrahl­ schweißens, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Filmfolie (1) aufgebrachter Leiterbahnkamm sowie ein Halbleiterchip (5) unter einen Laser-Schweißkopf (4) transportiert wird und nach genauer Justierung die Kon­ taktstellen des Halbleiterchips (5) mit dem Leiterbahn­ kamm verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß nach erfolgter Verschweißung der Kontaktstellen des Halbleiterchips (5) ein Teil des Leiterbahnkammes mit Kontaktstellen eines den Halbleiterchip tragenden Hybridsubstrats (8) bzw. Lead-frames verschweißt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß simultan zur Verschweißung der Kontaktstellen des Halbleiterchips (5) ein Teil des Leiterbahnkammes mit Kontaktstellen eines den Halbleiterchip (5) tragen­ den Hybridsubstrats (8) bzw. Lead-frames verschweißt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das mit dem Leiterbahnkamm versehene Teilstück der Filmfolie (1) nach erfolgter Verschweißung ausgestanzt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport der Filmfolie (1) mit Leiterbahnkämmen eine Abwickeltrommel (2) sowie eine Aufwickeltrommel (3) und zum Transport der Halbleiterchips (5) unter den Schweißkopf (4) ein Transportband (6) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum simultanen Verschweißen der Kontakt­ stellen des Halbleiterchips (5) und des Hybridsubstrats (8) bzw. Lead-frames ein Schweißkopf (4) mit zwei Laser­ strahlen vorgesehen ist.
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