DE3915472A1 - Antioxidationssystem eines kupferdraht verwendenden wire-bonders - Google Patents

Antioxidationssystem eines kupferdraht verwendenden wire-bonders

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wire-Bond-Vorrichtung und insbesondere auf einen Wire-Bonder, der in der Lage ist, die Drahtoxidation bei der Verwendung von Kupferdraht zu vermeiden, um die Haftfestigkeit und die mechanische Festigkeit des Verdrahtungsmaterials zu verbessern und insbesondere das Wire-Bonden bei Halbleitervorrichtungen besser einsetzbar zu machen.
Es ist allgemein bekannt, daß beim Anbringen von Drähten zwischen einem Chip und einem Anschlußfleck eines Anschlußrahmens bei der Halbleiterherstellung das sogenannte ball-bonding Anwendung findet, bei dem man am freien Ende eines Drahtes ein Kügelchen ausbildet. Es ist aber auch das Hitze-Druck-Anschlußverfahren im Einsatz, bei dem der Draht direkt an dem Anschlußfleck ohne Zuhilfenahme eines Kügelchens befestigt wird. Das ball-bonding-Verfahren wird jedoch bevorzugt, da es eine größere Anschlußfläche und eine festere Verbindung zwischen dem Draht und dem Anschlußfleck ergibt, als es mit dem Hitze-Druck-Verfahren möglich ist.
Eine bekannte Wire-Bond-Vorrichtung ist, wie Fig. 1 zeigt, derart aufgebaut, daß ein zu einer Spule 2 aufgewickelter Draht 20 durch eine Abdeckung 1 gegen die äußere Atmosphäre geschützt ist, und dieser Draht wird durch ein Auslaßrohr 3 durch die Mitte der Spule 2 abgezogen und wird anschließend durch mehrere Klemmen 4 abgestützt und geführt. Anschließend durchläuft der Draht ein Kapillarrohr 5, das benachbart der Klemme angeordnet ist, und dieses Kapillarrohr führt den Verdrahtungsvorgang aus, indem es sich zwischen dem Anschlußrahmen und den Anschlußflecken des Halbleiterchips bewegt und den Zwischenraum mit Draht überspannt. Diese bekannte Wire-Bond-Vorrichtung weist indessen als Nachteil auf, daß der Spulenhalter den Draht nicht vollständig gegen die Umgebungsatmosphäre abschirmt, so daß eine beachtliche Oxidation des Drahtes auftreten kann. Für diese Technik wurde daher bislang vornehmlich Golddraht verwendet, der jedoch ein erheblicher Kostenfaktor bei der Herstellung von Halbleitern und insbesondere integrierten Schaltungen ist. Darüber hinaus entstand bislang ein Problem daraus, daß die Ausbeute gelegentlich abfällt, weil der Draht aufgrund der beim Wickel- oder Abpackvorgang zugeführten Wärme erschlafft oder sich dehnt. Wenn man Kupferdraht verwendet, der aufgrund seiner Materialeigenschaften eine höhere mechanische Festigkeit aufweist, verbleibt doch das Problem, daß Kupferdraht, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, leicht oxidiert, wodurch die mit ihm hergestellte Anschlußverbindung in ihrer Festigkeit leidet.
Die Erfindung möchte die vorgenannten Probleme überwinden, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antioxidationssystem für einen Spulenhalter eines Wire-Bonders anzugeben, das in der Lage ist, eine Oxidation des Drahtes zu verhindern, selbst wenn Kupferdraht oder Aluminiumdraht damit verarbeitet wird, indem der innere Abschnitt des Spulenhalters, der den Draht enthält, vollständig von der äußeren Umgebung abgeschlossen wird.
Eine weitere Aufgabe, die von der Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, ein Antioxidationssystem für einen Wire-Bonder anzugeben, der die Oxidation eines Kupferdrahtes verhindert, indem eine reduzierende Atmosphäre um den Kupferdraht beim Bilden eines Kügelchens aus dem Kupferdraht beim ball-bonding-Verfahren geschaffen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Antioxidationssystem eines Wire-Bonders zur Verarbeitung von oxidationsfähigem Drahtmaterial beim Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen einem Halbleiterchip und einem Anschlußrahmen derart aufgebaut, daß ein reduzierendes Gas zur Verhinderung einer Oxidation des Drahtes periodisch um eine Spule zugeführt wird, die mit dem Draht bewickelt ist, wobei wenigstens ein Gasrohr zur Zuführung des reduzierenden Gases gegen die Mündung einer Kapillarvorrichtung gerichtet ist, aus der der Draht herausgezogen wird, wobei das genannte Gasrohr gerade unterhalb des Endes der Kapillarvorrichtung angeordnet ist, und eine Schmelzvorrichtung ist so angeordnet, daß sie einer Unterseite des Gasrohres gegenübersteht und sich genau unterhalb der Kapillarvorrichtung befindet.
Es können auch zwei Gasrohre vorhanden sein, die einander gegenüberstehend enden. In diesem Falle befindet sich die Schmelzvorrichtung unter dem einen Gasrohr.
Eine Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Merkmale und Vorteile des Systems nach der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines konven­ tionellen Wire-Bonders;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Anti­ oxidationssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung des Mündungsbereiches der Kapillarvorrich­ tung in dem System nach Fig. 2, und
Fig. 4A bis 4E schematische Darstellungen ver­ schiedener Stufen im Betriebsablauf bei der Verwendung des Systems und der Vor­ richtung nach den Fig. 2 und 3.
In der nachfolgenden Beschreibung werden jene Elemente, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bereits erläutert worden sind, als jenen vergleichbar angesehen, und sie tragen auch die bereits verwendeten Bezugszeichen.
Fig. 2 zeigt einen Verteiler 6, der in einem inneren oberen Abschnitt einer Abdeckung 1 angeordnet und mit einem Gasbehälter 9 über eine Rohrleitung 8 und einen Anschlußstutzen 7 verbunden ist. Ein Gasströmungsregler 10 und ein Elektromagnetventil 11 befinden sich in der Rohrleitung 8, und das Elektromagnetventil 11 dient dazu, periodisch für 10 Sekunden zu öffnen und für 20 Sekunden zu schließen. Die Steuerung dieser Vorgänge erfolgt durch einen Zeitgeber 12. Hierfür kann jede Art von Zeitgeber verwendet werden, der dazu geeignet ist, die Zuführung von Gas durch die Rohrleitung 8 in der vorerwähnten Weise zu steuern. Der Zeitgeber kann beispielsweise einen elektronischen Zeitgeber 12 a und einen Verstärker 12 b enthalten, die miteinander verbunden sind und von denen letzterer das Öffnen und Schließen des Elektromagnetventils 11 bewirkt. Weiterhin sind, wie Fig. 3 zeigt, Gasrohre 31 und 32 zu beiden Seiten einer Kapillarvorrichtung 5 angeordnet, durch die der zu verschweißende Anschlußdraht 20 zugeführt wird. Eine Schmelzvorrichtung, beispielsweise ein Funkenerzeuger 30, befindet sich an der Unterseite eines der genannten Gasrohre, gemäß Fig. 3 unterhalb des Gasrohres 32, und das Ende der Schmelzvorrichtung ist gerade unterhalb der Mündung der Kapillarvorrichtung 5 angeordnet.
Der auf die Spule 2 unter der Abdeckung 1 gewickelte Draht 20 wird durch ein Abzugsrohr 3 hindurch abgezogen und dann durch eine Anzahl von Klemmen 4 oder anderer geeigneter Führungseinrichtungen der Kapillarvorrichtung 5 zugeführt. Unter der Steuerung durch den Zeitgeber 12, der das Elektromagnetventil 11 periodisch öffnet und schließt, wird zu diesem Zeitpunkt ein in dem Gasbehälter 9 enthaltenes Inertgas durch den Gasströmungsregler 10 intermittierend in den Raum unter der Abdeckung 1 eingeleitet, d.h. für 10 Sekunden strömt Gas zu, gefolgt von einer Pause von 20 Sekunden und einer erneuten Gaseinleitphase von 10 Sekunden, u.s.f. Als Inertgas kann ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff oder aus Wasserstoff und Argon in vorteilhafter Weise verwendet werden.
Die Gaszuführmenge wird durch den Gasströmungsregler 10 derart gesteuert, daß der Gasdruck unter der Abdeckung 1 eine Größe erreicht, daß der Draht 20 von der Spule 2 sanft abgegeben wird. Das in den Innenraum unter der Abdeckung 1 eingeleitete Inertgas wird von dem Verteiler 6 um die Spule herum verteilt, ohne daß die zugeführte Gasströmung direkt auf den Draht 20 aufprallt, und eine Oxidation des Drahtes 20 wird verhindert, indem die Umgebungsatmosphäre des Drahtes 20 im Raum unter der Abdeckung 1 mit Inertgas ausgefüllt wird.
Der von der Spule 2 abgegebene Draht 20 wird nach Verlassen des die Spule 2 zentral durchsetzenden Abzugsrohres 3 von den Klemmen 4 gehalten und soweit aus dem Abgaberohr herausgezogen, daß ein kurzes Drahtstück aus der Mündung der Kapillarvorrichtung 5 vorsteht, wie in Fig. 4A gezeigt. Sodann wird, wie in Fig. 4B dargestellt, das aus der Kapillarvorrichtung 5 vorstehende Drahtstück von der Schmelzvorrichtung 30 von einer an dieser entwickelten elektrischen Entladung aufgeschmolzen, woraus sich aufgrund der Oberflächenspannung des Materials ein Kügelchen 21 formt. In diesem Augenblick wird ein reduzierendes Gas durch die Gasrohre 31 und 32 von links und rechts auf das Kügelchen 21 geblasen, damit es sich nicht mit einer Oxidschicht überzieht.
Obgleich verschiedene Arten von reduzierenden Gasen bei der Erfindung eingesetzt werden können, sind Mischungen aus Wasserstoff und Stickstoff oder aus Argon und Wasserstoff vorzuziehen.
Anschließend wird das am Ende des aus der Kapillarvorrichtung 5 vorstehenden Drahtstücks gebildete Kügelchen 21 gemäß Fig. 4C auf einen Anschlußfleck 42 auf der Oberseite eines Chips 41 angeschweißt, wobei es ebenfalls wünschenswert ist, eine reduzierende Atmosphäre um das Kügelchen auszubilden, indem das reduzierende Gas kontinuierlich geblasen wird, damit das Kügelchen 21 beim Schweißen nicht oxidieren kann.
Nachdem das Kügelchen 21 an dem Anschlußfleck 42 angeschweißt worden ist, wird der Draht 20 aus der Kapillarvorrichtung 5 gemäß Fig. 40 herausgezogen, indem die Kapillarvorrichtung angehoben wird, und letztere bewegt sich dann zur Seite, in den Fig. 4D und 4E nach rechts, in Richtung auf einen Anschlußrahmen 43. Sodann wird der Draht, wie in Fig. 4E gezeigt, auf eine metallbeschichtete Oberfläche festgeschweißt, die an dem Anschlußrahmen 43 ausgebildet ist, und sodann wird der Draht 20 abgeschnitten.
Das vollständige Anschließen eines Halbleiterchips an einen Anschlußrahmen besteht in der Wiederholung der vorgenannten Vorgänge, wobei es wünschenswert ist, eine reduzierende Atmosphäre aufrechtzuerhalten, indem das reduzierende Gas kontinuierlich geblasen wird, womit eine Oxidation des Drahtes vermieden wird.
Die Erfindung ermöglicht somit den Einsatz von an sich oxidationsfähigen Materialien als Anschlußdrähte, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium mit den damit verbundenen Vorteilen hinsichtlich der Materialfestigkeit, was die Zuverlässigkeit der Produkte verbessert. Da die Geschwindigkeit der Kompountbildung zwischen dem Metall des Anschlußflecks und dem anderen Metall des Chips im allgemeinen niedrig ist, kann die Zuverlässigkeit des Produkts weiter verbessert werden.

Claims (4)

1. Antioxidationssystem eines Wire-Bonders zum Anbringen eines Drahtes zwischen einem Halbleiteranschlußfleck und einem Anschlußrahmen einer Halbleitervorrichtung, wobei der Draht aus einem oxidationsfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein reduzierendes Gas zur Verhinderung einer Oxidation des Drahtes periodisch in die Umgebung einer mit dem Draht bewickelten Spule zugeführt wird, daß wenigstens ein Gasrohr zum Zuführen des reduzierenden Gases gegen den Auslaß einer Kapillarvorrichtung, die den Draht abgibt, gerichtet ist, wobei das genannte wenigstens eine Gasrohr gerade unter der Mündung der Kapillarvorrichtung endet, und daß eine Schweiß- oder Schmelzvorrichtung vorgesehen ist, die der Unterseite eines Gasrohres und der Mündung der Kapillarvorrichtung gegenübersteht.
2. Antioxidationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Gas ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff oder aus Wasserstoff und Argon oder eine Kombination aus diesen Gemischen ist.
3. Antioxidationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gasrohre vorgesehen sind, die an der Mündung der Kapillarvorrichtung enden und deren Enden einander gegenüberstehen, wobei die Schweiß- oder Schmelzvorrichtung nur an einem der Gasrohre angebracht ist.
4. Antioxidationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweiß- oder Schmelzvorrichtung eine elektrische Funkenentladungsvorrichtung ist.
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