DE3805584A1 - Vorrichtung und verfahren zur gesteuerten zufuehrung eines bonddrahtes zum "wedge" oder zur kapillare eines bondkopfes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur gesteuerten zufuehrung eines bonddrahtes zum "wedge" oder zur kapillare eines bondkopfes

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur gesteuerten Zuführung eines Bonddrahtes zum "wedge" oder zur Kapillare eines Bondkopfes.
Unter Bonden versteht man in der Mikroelektronik im allgemei­ nen das Verbinden von Bauelementen untereinander durch Kle­ ben oder Schweißen im Unterschied zum üblichen Löten, wo die Verbindungen mittels eines Lotes (meist Zinn-Blei-Legie­ rung) hergestellt werden. Dabei unterscheidet man zwischen Chip-(Die)-Bondverfahren zum Befestigen eines Bauelementes auf einem Trägersubstrat und Draht-Bondverfahren zum Verbin­ den der Bauelementenanschlüsse mit dem Trägersubstrat mittels feiner Drähte. Bei der Erfindung geht es um ein Detail des letztgenannten Verfahrens. Dabei unterscheidet man das soge­ nannte Thermokompressionsbonden, auch als Nail-Head-Ball- Bonden bekannt, und das sogenannte Ultraschall-wedge-Bonden. Eine Kombination aus Thermokompression- und Ultraschall-Bon­ den ist das sogenannte Thermosonic-Bonden. Dieses Verfahren erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Hier wird meist Gold­ draht verwendet, der ähnlich wie beim Ball-Bonden zu einer Kugel abgeschmolzen wird. Das Verschweißen erfolgt bei mäßiger Hitze mit Hilfe von Ultraschall. Dieses Verfahren ist relativ gut beherrschbar und auch automatisierbar. Zum erwähnten Stand der Technik sei auf die US-PSen 34 59 355, 33 57 090 und 31 28 649 oder DE-OS 33 35 840 und DE-PS 35 37 551 verwiesen, die einen gewissen Überblick über die genannte Bondtechnik vermitteln.
Bei allen Draht-Bondverfahren wird der Bonddraht mittels Klem­ men oder Zangen entweder zur Bondstelle (pad) nachgezogen oder nach dem Bonden von dieser zum Abreißen des Bonddrahtes wie­ der weggezogen. Während einer Loopbildung sind die erwähnten Klemmen oder Zangen offen mit der Folge, daß der Bonddraht relativ widerstandslos nachgezogen werden kann. Dies wiederum hat jedoch zur Folge, daß die Länge des nachgezogenen Drahtes und damit die Loop-Größe abhängig ist von zufällig herrschen­ den Widerständen an der Drahtspule und in der Drahtführung. Bei größeren Loops hat sich gezeigt, daß die zur Loop-Bildung erforderliche Drahtlänge sehr häufig zu klein ist. Bei klei­ neren Loops tritt sehr häufig das Gegenteil ein.
Beim Ball-Bonden tritt zusätzlich das Problem des sogenannten "Golfschlages" auf. Der im Abstand von einigen µm von der Kapillaröffnung ausgebildete "ball" wird beim Absenken der Kapillare in Richtung zum "pad" bzw. zur Bondstelle hin ge­ stoßen mit der Folge, daß der "ball" unter praktisch wider­ standslosem Nachziehen des Bonddrahtes auf der Bondstelle auf­ prallt und gegebenenfalls sogar wieder zurückspringt, bevor die Kapillare vollständig abgesenkt ist und den "ball" mit der Bondstelle verschweißt. Dabei verliert der "ball" sehr häufig seine Zentrierung gegenüber der Kapillare bzw. der der Bondstelle zugekehrten etwa konisch erweiterten Kapillaröff­ nung mit der Folge einer fehlerhaften Bondverbindung. Beim Ball-Bonden gilt es also, die Drahtspannung nicht nur während der Loop-Bildung, sondern auch beim "touchdown" des "balls" konstant zu halten, um eine präzise Bondverbindung zu erhal­ ten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Zuführung des Bonddrahtes so zu steuern, daß während des gesamten Betriebs des Bonders eine vorgegebene Loop-Größe eingehalten und beim Ball-Bonden zusätzlich der sogenannte "Golfschlag" vermieden wird, wobei die mechanische Einwir­ kung auf den Bonddraht ein Minimum sein soll.
Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise vorrich­ tungstechnisch durch die kennzeichnenden Maßnahmen des An­ spruches 1, und verfahrenstechnisch durch die kennzeichnen­ den Maßnahmen des Anspruches 7 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Fluideinwirkung auf den Bonddraht läßt sich dieser ohne mechanische Einwirkung je nach Bedarf schieben oder zurückhalten bzw. bremsen unter Aufrechter­ haltung einer im wesentlichen konstanten Drahtspannung, wo­ durch eine vorgegebene Drahtlänge für die Bildung eines Loops genau eingehalten und beim Ball-Bonden zusätzlich der soge­ nannte "Golfschlag" vermieden werden kann. Bei kleineren Loops und beim "touchdown" des balls wird der Bonddraht in der Regel fluidisch gebremst; bei größeren Loops wird der Bonddraht vorzugsweise fluidisch nachgeschoben. Auch das normale Nachziehen des Bonddrahtes vor einem neuen Bondvor­ gang kann unter Anwendung des Erfindungsgedankens fluidisch erfolgen. Dadurch ist eine mechanische Einwirkung auf den Bonddraht nur noch beim Abreißen desselben erforderlich mit der Folge, daß der Bonddraht nur minimal mechanisch belastet wird. Dieser Vorteil ist vor allem beim Golddrahtbonden von großer Bedeutung, daß die dabei verwendeten Golddrähte einen extrem kleinen Durchmesser haben und dementsprechend gegenüber mechanischer Einwirkung empfindlich sind.
Vorteilhafte Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 ff und 8 f beschrieben.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäß ausgebildeten Vorrichtung anhand der beigefügten Zeich­ nung näher erläutert, welche die Vorrichtung im schematischen Längsschnitt zeigt. Dementsprechend dient zur gesteuerten Zuführung eines Bonddrahtes 10 zu einem nichtdargestellten "wedge" (Keilstück) oder zu einer nichtdargestellten Kapilla­ re eines Bondkopfes eine dem "wedge" oder der Bondkapillare vorgeordnete Bonddrahtführung 12, in die ein wahlweise mit einer Druckgas-, nämlich Druckluftquelle 13 oder Unterdruck­ quelle 14 verbindbarer Anschluß 15 mündet. Dem zuletzt er­ wähnten Anschluß 15 ist ein Umschaltventil 16 zugeordnet, mittels dem der Anschluß 15 entweder mit der Druckluftquelle 13 oder Unterdruckquelle 14 verbindbar ist. Das Umschaltven­ til 16 ist vorzugsweise mit der Ablaufsteuerung des im einzel­ nen nicht dargestellten Bonders bzw. dessen Bondkopfes ge­ koppelt.
Die Bonddrahtführung 12 weist einen Montageblock 17 mit einer Durchgangsbohrung 18 auf, an deren spulenseitigem Ende eine Drahtführungsdüse 19 fixiert ist, während am wedge- oder kapillarseitigen Ende der Durchgangsbohrung 18 ein Draht- Leitröhrchen 20 eingesetzt ist. Der mit der Druckluft- oder Unterdruckquelle verbindbare Anschluß 15 liegt unmittelbar hinter der Drahtführungsdüse 19. Er mündet in die Durchgangs­ bohrung 18 zwischen Drahtführungsdüse 19 und Draht-Leitröhr­ chen 20. Die Drahtführungsdüse 19 ist ähnlich wie eine Bond­ kapillare ausgebildet. Sie weist an ihrem wedge- bzw. kapil­ larseitigen Ende eine düsenartige Verengung auf, durch die der von der nichtdargestellten Drahtspule kommende Bonddraht 10 ein­ gefädelt wird. Die Einfädelung und ggf. Zuführung des Bonddrah­ tes 10 zum wedge- bzw. zur Bondkapillare erfolgt mit Druck­ luftunterstützung, indem durch den Anschluß 15 bei entspre­ chender Schaltung des Ventils 16 Druckluft in die Durchgangs­ bohrung 18 eingeblasen wird. Der Anschluß 15 mündet in die Durchgangsbohrung 18 in einem spitzen Winkel zur Längsachse der Drahtführungsdüse 19, so daß bei Einleitung von Druckluft in die Durchgangsbohrung 18 der Bonddraht 10 durch die Bond­ drahtführung 12 hindurch fluidisch geschoben wird. Es bildet sich innerhalb der Durchgangsbohrung 18 und des Draht-Leit­ röhrchens 20 um den Bonddraht 10 eine koaxiale Stromung in Richtung zum wedge bzw. zur Bondkapillare aus. Diese koaxiale Luftströmung bewirkt ein Nachschieben des Bonddrahtes 10, und zwar in Abhängigkeit von der Intensität der eingeblasenen Luft.
Bei Verwendung eines Golddrahtes mit einem Durchmesser von etwa 25 bis 100 µm beträgt der minimale Innendurchmesser der ausgangsseitigen Verengung der Drahtführungsdüse 19 etwa 100 bis 130 µm. Die Durchgangsbohrung 18 sowie das Draht-Leit­ röhrchen weisen dagegen einen Innendurchmesser von etwa 1,5 bis 2,2 mm auf. Die sich daraus ergebenden Durchmesser-Ver­ hältnisse gelten ganz generell.
Bei Verbindung des Anschlusses 15 an die Unterdruckquelle 14 wird der Bonddraht 10 regelrecht gebremst unter Aufrechter­ haltung einer im wesentlichen konstanten Drahtspannung. Es wird dadurch verhindert, daß insbesondere bei der Loop-Bildung zuviel Bonddraht nachgezogen wird mit der Folge eines unver­ hältnismäßig großen Loops. Bei Ausbildung größerer Loops ist es dagegen von Vorteil, wenn Druckluft durch den Anschluß 15 eingeblasen wird. Der Bonddraht 10 wird dadurch regelrecht nachgeschoben, so daß ausreichend Draht für die Loopbildung vorhanden ist. Die beschriebene Vorrichtung eignet sich dem­ nach auch ganz besonders gut, wenn hintereinander Loops unter­ schiedlicher Größe gebildet werden müssen. Die entsprechende Steuerung der fluidischen Einwirkung auf den Bonddraht erfolgt über das Ventil 16 in Abhängigkeit von der Bondkopf-Steuer­ befehlen.
Beim Ball-Bonden wird durch die fluidische Konstanthaltung der Drahtspannung ein sanftes Absenken des "balls" samt Kapillare auf die Bondstelle unter Aufrechterhaltung der ball-Zentrie­ rung erreicht, d. h. der eingangs erläuterte "Golfschlag" vermieden.
Vorzugsweise weist die koaxiale Strömung eine Drallkomponente um den Bonddraht auf, wodurch dieser innerhalb der Durchgangs­ bohrung 18 sowie des Leitröhrchens 20 regelrecht zentriert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Leitröhr­ chen 20 vertikal nach unten zum "wedge" bzw. zur Bondkapillare hin gebogen.
Die dargestellte Einrichtung sowie das beschriebene Verfahren kann bei herkömmlichen Bondgeräten nachträglich montiert und eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft haben sich die beschriebene Vorrichtung sowie das beschriebene Verfahren beim Golddrahtbonden herausgestellt.
Die fluidische Einwirkung auf den Bonddraht kann vorzugsweise variierbar gestaltet sein, z. B. hinsichtlich Druck und Luft­ durchsatz unter entsprechender Veränderung der Drahtspannung in Anpassung an unterschiedliche Verfahrensstufen des Bond­ kopfes.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale wer­ den als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur gesteuerten Zuführung eines Bonddrahtes (10) zum "wedge" (Keilstück) oder zur Kapillare eines Bondkopfes, gekennzeichnet durch eine dem "wedge" oder der Bondkapillare vorgeordnete kanal­ artige Bonddrahtführung (12), in die ein wahlweise mit einer Druckgas-, insbesondere Druckluft (13)- oder Unterdruck­ quelle (14) verbindbarer Fluidanschluß (15) mündet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluidanschluß (15) ein mit der Bondkopfsteuerung gekoppeltes Umschalt­ ventil (16) zugeordnet ist, mittels dem der Anschluß (15) entweder mit der Druckgas- bzw. Druckluftquelle (13) oder Unterdruckquelle (14) verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bonddraht­ führung (12) eine Drahtführungsdüse (19) aufweist, an die sich wedge- oder kapillarseitig ein Draht-Leitröhrchen (20) größeren Innendurchmessers anschließt, wobei der mit der Druckgas- bzw. Druckluftquelle (13) oder Unterdruck­ quelle (14) verbindbare Fluidanschluß (15) unmittelbar hinter der Drahtführungsdüse (19) liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtführungs­ düse (19) am spulenseitigen Ende einer in einem Montage­ block (17) ausgebildeten Durchgangsbohrung (18) fixiert ist, während das Draht-Leitröhrchen (20) am wedge- oder kapillarseitigen Ende der Durchgangsbohrung (18) ange­ schlossen ist, und daß der mit der Druckgas- bzw. Druck­ luft- oder Unterdruckquelle verbindbare Fluidanschluß (15) zwischen Drahtführungsdüse (19) und Draht-Leitröhr­ chen (20) in die Durchgangsbohrung (18) mündet.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Druckgas- bzw. Druckluft- oder Unterdruckquelle verbind­ bare Fluidanschluß (15) unter einem spitzen Winkel zur Drahtführungsdüse (19) in die Bonddrahtführung (12) mün­ det.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmes­ ser der ausgangsseitig angeordneten Verengung der Draht­ führungsdüse (19) bei einem Drahtdurchmesser von kleiner als 100 µm etwa 100 bis 130 µm beträgt, während das der Drahtführungsdüse (19) folgende Draht-Leitröhrchen (20) einen Innendurchmesser von etwa 1,5 bis 2,2 mm aufweist.
7. Verfahren zur gesteuerten Zuführung eines Bonddrahtes zum "wedge" oder zur Kapillare eines Bondkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer koaxialen Gas-, insbesondere Luftströmung der Bonddraht während des Bondvorganges, insbesondere bei Loop-Bildung, in Richtung zum "wedge" oder zur Kapillare des Bondkopfes geschoben oder auf den Bonddraht ein Zug in Richtung vom "wedge" oder der Kapillare des Bondkopfes weg unter Aufrechterhaltung einer etwa konstanten Draht­ spannung ausgeübt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der koaxialen Gas-, insbesondere Luftströmung, während des Bondvorganges umkehrbar sowie die Intensität (Druck- und/ oder Durchsatz) der Gas-, insbesondere Luftströmung, variierbar ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Gas- bzw. Luftströmung eine Drallkomponente um den Bond­ draht herum aufweist.
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