DE3933982C2 - Kontaktierungsverfahren und Kontaktierungsvorrichtung - Google Patents

Kontaktierungsverfahren und Kontaktierungsvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktierungsverfahren und eine Kontaktierungs­ vorrichtung zum Kontaktieren eines Drahtmaterials.
Das herkömmliche Kontaktierungsverfahren, das verwendet wird zur Verdrah­ tung eines Halbleiters, das als das sog. "Nagelkopfkontaktieren" klassifiziert ist und das z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift 71 642/1986 offenbart ist, bildet einen Ball bzw. eine Kugel an einem der Enden eines dünnen Metalldrah­ tes, drückt diesen Ball von oben und verbindet ihn mit einem Substrat unter Verwendung einer Kapillare, bildet einen Ball bzw. eine Kugel am anderen Ende des dünnen Drahtes und verbindet ihn auf die gleiche Weise. Die japanische Offenle­ gungsschrift 1 73 951/1982 offenbart ein Verfahren, welches als "Keilkon­ taktieren" bezeichnet wird.
Der oben beschriebene Stand der Technik zieht nicht die Form des Balles nach der Kontaktierung in Betracht und zieht insbesondere das Problem der Form des oberen Teils des Balls nach sich. Mit anderen Worten, der Stand der Technik nimmt eine Struktur, wobei der Draht in vertikaler Richtung des Balles nach dem Kontaktieren verdrahtet ist und die Form des oberen Teils des Balls nach dem Kontaktieren geneigt bzw. schräg ist. Diese Form ist außerordentlich nachteilig für das Inkontaktbringen eines Fühlerstiftes mit dem Ball nach dem Kontaktieren, um die Verbindung des Kontaktierungsteils bzw. Kontaktierungsabschnittes und die Funktion des Bauelementes zu über­ prüfen. Die oben beschriebene Form ist gleichermaßen nachteilig für eine hochverläßliche Verbindung, wenn das Ball-Kontaktieren in Überlagerung auf dem Kontaktierungsteil vollzogen wird.
Die JP 62-104 127 A in Patents Abstracts of Japan, 1987, Band 11, Nr. 312, E-548 zeigt ein Kontaktierungsgerät, das erhitzt wird und an das eine Ultraschallwelle angelegt wird. Das Kontaktieren erfolgt mit einer Ultraschallwellen- Thermokompression.
In JP 61-237 441 A in Patents Abstracts of Japan, 1987, Band 11, Nr. 83, E-489 wird ein Drahtkontaktierungsverfahren offenbart, bei dem ein Strom an eine Kapillare, einen Draht, einen äußeren Leiter und eine Elektrode angelegt wird. Nach Abschalten des Stroms wird in einem zweiten Verfahrensschritt eine Ultraschalloszillation an den Draht angelegt.
Die JP 57-79630 A in Patents Abstracts of Japan, 1982, Band 6, Nr. 160, E-126 offenbart eine Kontaktierung eines Drahtes mit einem Halbleiterelement, bei der eine von außen erwärmte Kapillare für eine Thermokompression verwendet wird.
Die JP 63-111 635 A in Patents Abstracts of Japan, 1988, Band 12, Nr. 355, E-661 offenbart eine Kapillare mit spulenförmigen Heizspulen darin und außerhalb davon, wodurch die Kontaktierungseffizienz ansteigt.
DE 32 09 242 C2 zeigt ein Verfahren zum Anbringen von Kontakterhöhungen an Kontaktstellen einer elektronischen Mikroschaltung. Dabei wird an einen durch eine Kapillare geführten Metalldraht durch Erwärmung eine Kugel gebildet. Nach einer Verbindung der Kugel mit der Kontaktstelle wird der Draht durch Ziehen an einer zugefügten Schwachstelle von der gebildeten Kontakterhöhung getrennt.
DE 31 01 191 A1 offenbart ein Verfahren zur Verbindung von Draht mit Kontaktfeldern von Halbleiterelementen und integrierten Schaltungen. Das Verfahren besteht in einer Thermokompression durch den Schlag eines Werkzeugs zur Verformung des Drahtes oder einer Kugel. Danach erfolgt ein statischer Druck des Werkzeugs, der eine dauerhafte Verbindung der Elemente bewirkt.
Solid State Technology, August 1969, S. 72-77 offenbart ein Vibrationsschweißverfahren mit zwei Schritten:
  • - metallische Zwischenflächen werden gereinigt und durch die resultierende Vibrationsreibung erwärmt, und
  • - der angelegte Druck zwingt die erweichten Schnittstellen zu einer Verbindung.
US 4 315 128 zeigt ein elektrisch erhitztes Bondierungswerkzeug für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen, wobei ein elektrisch leitender Widerstandsfilm an oder nahe der Bondierungsspitze vorgesehen ist. Die Charakteristik des elektrisch leitenden Widerstandsfilms wird gesteuert, um eine sehr hohe Temperatur über einen kleinen Bereich mit einem kleinen Leistungsbetrag zu schaffen. Ein Bondieren erfolgt durch Anlegen einer Ultraschallwelle. An die leitenden Kontaktstellen kann Gleichstrom oder Wechselstrom angelegt werden.
EP 02 65 927 A2 beschreibt ein Kontaktierungsverfahren, bei dem mehrere dünne Drähte verbunden werden. Dabei wird eine Kugel an der Spitze des Drahtes gebildet, der Draht wird in bezug auf eine Kontaktierungsanschlußstelle in horizontaler Richtung gehalten, und auf die Kugel wird durch eine Heizvorrichtung Druck ausgeübt. Die oben angegebenen Schritte werden für weitere Drähte wiederholt, um eine Anzahl von Drähten an der gleichen Anschlußstelle zu kontaktieren. Diese Druckschrift zeigt die Merkmale der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 4.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Festigkeit des Kontaktierungsabschnittes zu verbessern.
Die oben angegebene Aufgabe wird durch das Kontaktierungs­ verfahren nach Patentanspruch 1 und die Kontaktierungsvorrichtung nach Patentanspruch 4 gelöst.
Das Kontaktierungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird ausgeführt durch Hochfrequenz-Leistungserwärmen einer Kontaktierungsspitze, um einen Draht-Ball im wesentlichen senkrecht zu drücken, während Ultraschall- Oszillation auf die Kontaktierungsspitze aufgebracht wird. Die Frequenz der Hochfrequenz-Oszillation liegt vorzugsweise in dem Bereich von 30 kHz bis 90 kHz und die Amplitude beträgt vorzugsweise einige Mikrometer. Die Frequenz der Hochfrequenz-Leistungsversorgung bzw. -Spannungsversorgung liegt im Bereich 200 Hz bis 2 kHz.
Fig. 6 zeigt die Kontaktierungsfestigkeit des Kontaktierungsabschnittes, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung kontaktiert ist, und zwar im Vergleich mit der Festigkeit anderer Verfahren. Es zeigt, daß, wenn Ultra­ schallwellen und Hochfrequenz-Erwärmung in Kombination miteinander verwendet werden, die Kontaktierungsfestigkeit stärker ansteigt als bei anderen Verfahren wie bei der Verwendung von Ultraschallwellen und einer Wechselspannungs-Erwärmung in Kombination miteinander.
Wenn die Spitze durch sowohl eine Ultraschallwelle als auch einen großen hochfrequenten Strom angeregt bzw. erregt wird, tritt eine Schlagvibration bzw. Pulsvibration zusätzlich zu der Ultraschallvibration auf. Dies erhöht die Reibung an der Schnittstelle zwischen der Spitze und dem Ball und flacht somit die Spitze des Kontakts ab. Zur gleichen Zeit nimmt die Reibung zwischen der Kontaktierungs-Anschlußstelle und dem Ball entsprechend zu und somit nimmt die Kontaktierungsfestigkeit zu. Mit anderen Worten, die Kombination der Ultraschallvibration und der Hochfrequenz-Erwärmung erzeugt eine Schwebung bzw. einen Puls bzw. eine Schwebungsvibration, die gleich der Differenz zwischen der Frequenz der Ultraschallwelle (Hz) und der Hochfrequenz (Hz) ist, und diese Schwebungsfrequenz erzeugt die oben beschriebene Reibungskraft. Die Amplitude der Schwebung ist gleich der Summe der Amplitude der Ultraschallwelle und der Amplitude der Hochfre­ quenz-Spannungsversorgung. Aus diesem Grund nimmt die Reibung zur Zeit des Kontaktierens zu.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht, die den Zustand zeigt, wo ein Verdrahtungs­ material einen Ball an seinem Ende ausgebildet hat und über einer Kontaktierungs-Anschlußstelle angeordnet ist;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht, die den Zustand zeigt, bei dem das Ball-Kon­ taktieren ausgeführt wird, so daß die Form der oberen Fläche des Kontaktierungsabschnittes flach wird;
Fig. 3 ist eine Vorderansicht, die den Zustand zeigt, bei dem das Ball-Kon­ taktieren in Überlagerung auf dem Ball-Kontaktierungsabschnitt vollzogen wird, der bereits Ball-kontaktiert worden ist;
Fig. 4 ist eine schematische Strukturdarstellung, die ein Beispiel der Kon­ taktierungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Zeitablauf zur Zeit des Kontak­ tierens zeigt; und
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Festigkeit des Kontaktierungsabschnittes zeigt und hilfreich ist zum Erläutern des Effektes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Darstellung, die ein Beispiel der Kontaktierungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfin­ dung zeigt. Eine Kontaktierungsspitze 1 mit einer flachen Oberseite wird durch einen Spitzenhalter 2 gehalten. Ein Ultraschallhorn 3 wird auf die Trommel des Halters 2 über einen Isolierungsblock 13 gedrückt. Ein Wärme­ abschnitt, der diese Teile enthält, kann vertikal durch einen Motor-Antriebs­ mechanismus 12 und eine Kugelumlaufspindel (nicht gezeigt) abgesenkt werden. Die Kontaktierungsspitze 1 wird gebildet durch Ausformen eines Wolfram-Bleches bzw. -Blattes in eine U-Form und durch Aufbringen einer abflachenden Arbeit bzw. Kraft auf seine Spitze. Eine Hochfrequenzspannung wird zwischen beiden Enden der Spitze von einer Hochfrequenz-Konstant­ spannungsquelle 9 über einen Hochfrequenz-Übertrager 8 angelegt und Spannung wird daran zugeführt. Die Intensität und Zeitdauer der Ultraschall­ oszillation wird durch einen Ultraschalloszillator 7 gesteuert. Weiterhin wird ein Controller 10 zum Steuern des Motor-Antriebsmechanismus 12 gezeigt, ein Schaltkreissubstrat bzw. Schaltungssubstrat 6, eine Kontaktierungs-Anschluß­ stelle 5 und ein Verdrahtungsmaterial 4 (ausgestattet mit einem Ball). Diese Hochfrequenz-Konstantspannungsquelle 9, der Controller 10 und der Ultra­ schalloszillator 7 werden von einer Steuereinrichtung (Mikrocomputer) 11 gesteuert.
Als nächstes werden die Kontaktierungsprozeduren unter Verwendung dieser Vorrichtung erläutert. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das Verdrahtungsmaterial 42 mit dem Ball 41 an seiner Spitze auf der Kontaktierungs-Anschlußfläche bzw. -Anschlußstelle 5 derart angeordnet, daß das Verdrahtungsmaterial 42 im wesentlichen parallel zu dem Substrat 6 ist. Druck wird von oben auf das Verdrahtungsmaterial 42 durch die Kontaktierungsspitze 1 ausgeübt, eine Ultraschallwelle wird dann angelegt und weiterhin wird eine Hochfrequenz- Spannungsversorgungs-Erwärmung zum Kontaktieren ausgeführt, so daß die Form der oberen Fläche des Kontaktierungsabschnittes 41′ flach wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Wenn das Kontaktieren in eine solche Form ausgeführt ist, kann das Kontaktieren weiter auf dem Kontaktierungsabschnitt 41′, wie in Fig. 3 gezeigt, ausgeführt werden, und wenn eine Leistungsüberprüfung bzw. Kontaktüberprüfung nach der Verbindung ausgeführt wird, kann der flache Abschnitt der oberen Fläche des Kontaktierungsabschnittes 41′ oder 41′′ gefühlt bzw. getastet werden.
Der oben beschriebene Kontaktierungsbetrieb wird durch die Steuereinrich­ tung 11 in Übereinstimmung mit dem in Fig. 5 gezeigten Zeitablauf gesteuert und die Anwendung bzw. das Aufbringen der Ultraschallwelle wird zu dem Zeitpunkt ausgeführt, wenn das Andrücken ausreichend lange ausgeführt worden ist. Auch die Aktivierung der Hochfrequenz-Spannungsversorgung wird von einem System ausgeführt, das sofort, ein paar Sekunden nach der Ultraschalloszillation aktiviert und erwärmt, um so jeden thermischen Einfluß auf das Verdrahtungsmaterial und die metallische Struktur der Basis zu verhüten. Der Kontaktierungsbetrieb kann auch durch Verfahren ausgeführt werden, die sich von dem Verfahren mit dem in Fig. 5 gezeigten Zeitablauf unterscheiden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Frequenz der Ultraschall­ welle 60 kHz und die Frequenz der Hochfrequenzerwärmung ist 400 Hz, der gleiche Effekt kann jedoch erhalten werden, wenn die Frequenz der Ultra­ schallwelle und die der Hochfrequenzerwärmung aus dem Bereich von 30 kHz bis 90 kHz bzw. aus dem Bereich von 200 Hz bis 2 kHz ausgewählt werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann eine flache und hochfeste Kontaktierung erreicht werden, was mit den herkömmlichen Kon­ taktierungsverfahren nicht möglich war. Insbesondere bezüglich der Festigkeit können Kontaktierungsverbindungen, die eine extrem hohe Festigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren haben, erhalten werden durch Verwenden der Ultraschallwellen- und Hochfrequenz-Erwärmungskontaktierung, wie in Fig. 6 gezeigt, und eine hochverläßliche Verbindung kann erhalten werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Kontaktieren eines Drahtmaterials (42) mit einem kugelartigen Ende (41) auf einer Kontaktierungsstelle (5) mit Hilfe einer abgeflachten Kontaktierungsspitze (1), wobei das Drahtmaterial (42) parallel zur Oberfläche der Kontaktierungsstelle (5) geführt wird, eine Ultraschallwelle an die Kontaktierungsspitze (1) angelegt wird, und die Kontaktierungsspitze (1) vertikal nach unten bewegt wird, um das kugelartige Ende (41) auf die Kontaktierungsstelle (5) zu drücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsspitze (1) U-förmig ausgebildet ist, wobei an die U-förmigen Enden eine Spannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 200 Hz bis 2 kHz angelegt wird während des Anlegens der Ultraschallwelle und während das kugelartige Ende (41) auf die Kontaktierungsstelle (5) gedrückt wird, so daß die Kontaktierungsspitze (1) aufgrund ihres elektrischen Widerstands erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz der Ultraschallwelle aus dem Bereich von 30 kHz bis 90 kHz ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte:
nach dem Kontaktieren des kugelartigen Endes (41) des Drahtmaterials (42) auf die Kontaktierungsstelle (5) Anordnen eines kugelartigen Endes eines weiteren Drahtes auf einem vorher kontaktierten Ende des Drahtmaterials (42) von einer zur Oberfläche der Kontaktierungsstelle (5) parallelen Richtung aus; und
Wiederholen der Verfahrensschritte nach Ansprüchen 1 oder 2, so daß die Kontaktierungsspitze (1) das kugelartige Ende des weiteren Drahtes auf das zuvor kontaktierte Ende des Drahtmaterials (42) drückt.
4. Vorrichtung zum Kontaktieren eines Drahtmaterials (42) mit einem kugelartigen Ende (41) auf einer Kontaktierungsstelle (5) mit Hilfe einer abgeflachten Kontaktierungsspitze (1);
mit einer Einrichtung, die das Drahtmaterial (42) parallel zur Oberfläche der Kontaktierungsstelle (5) führt;
mit einer Einrichtung (7), die eine Ultraschallwelle an die Kontaktierungsspitze (1) anlegt; und
mit einer Einrichtung (12) zum vertikalen Bewegen der Kontaktierungsspitze (1) nach unten, um das kugelartige Ende (41) auf die Kontaktierungsstelle (5) zu drücken, gekennzeichnet durch U-förmige Ausbildung der Kontaktierungsspitze (1); und eine Einrichtung (8, 9) zum Anlegen einer Spannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 200 Hz bis 2 kHz an die U- förmigen Enden während des Anlegens der Ultraschallwelle und während das kugelartige Ende (41) auf die Kontaktierungsstelle gedrückt wird, so daß die Kontaktierungsspitze (1) aufgrund ihres elektrischen Widerstands erhitzt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Frequenz der Ultraschallwelle aus dem Bereich von 30 kHz bis 90 kHz ausgewählt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungsspitze (1) aus Wolfram hergestellt ist.
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