DE4232745A1 - Bonddraht zum Ultraschallbonden - Google Patents

Bonddraht zum Ultraschallbonden

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Description

Die Erfindung betrifft einen Bonddraht bzw. ein Bändchen (im folgenden Bonddraht) aus einem duktilen Material mit niedriger Fließgrenze, wie insbesondere Gold und Kupfer, zum Ultraschallbonden bei Temperaturen unter 150°C, vorzugsweise bei Raumtemperatur.
Bonddrähte aus Gold oder Kupfer werden üblicherweise durch Thermosonic-Drahtbonden bei Temperaturen zwischen 150 und 350°C verarbeitet. Niedrigere Verarbeitungstemperaturen führen zu verschlechteter Verfahrenszuverlässigkeit.
Abgesehen von dem erhöhten Aufwand zur Vorwärmung der Bauelemente und für beheizte Werkzeuge ist die untere Temperaturgrenze von 150°C für einige Bauelemente und schon vorhandene Kontaktierungen zu hoch.
Es ist bekannt, daß der Zustand der Oberflächen der Bondpartner einen großen Einfluß auf das Bondergebnis besitzt. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Reinheit der Oberflächen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit des Ultraschalldrahtbondens mit Bonddrähten aus einem duktilen Material mit niedriger Fließgrenze, wie insbesondere Gold und Kupfer, bei Temperaturen unter 150°C so zu erhöhen, daß die Bauelemente auch z. B. bei Raumtemperatur sicher gebondet werden können.
Es wurde gefunden, daß eine erhöhte Verfahrenszuverlässigkeit bei Bondtemperaturen unter 150 °C erreicht wird, wenn die Bonddrähte vor dem Ultraschallbonden mit einem dünnen Mantel aus einem gegenüber dem Drahtmaterial harten bis spröden Material überzogen wurden. Mit derart vorbereiteten Bonddrähten kann auch bei Raumtemperatur zuverlässig gebondet werden.
Mit reinem Goldmikrodraht wurden durch Ultraschall-Keilbonden bei Raumtemperatur und mit optimierten Bondparametern auf goldmetallisierte Pads Verbindungen hergestellt, deren im Abreißtest ermittelte mittlere Abreißkraft etwa 50% der Reißkraft des Drahtes betrug. Demgegenüber wurden für unter gleichen Bedingungen hergestellte Verbindungen aus Goldmikrodraht mit einer Aluminium/Aluminiumoxid-Schicht von 50 nm Dicke eine mittlere Abreißkraft von etwa 80% der Reißkraft des Drahtes ermittelt.
Die Schicht schützt das Drahtmaterial bis zur Bindung vor Kontaminationen bzw. bei Kupfer vor Oxidation. Sie bricht bei der Drahtdeformation im Bondprozeß auf. Die eigentliche Bindung findet zwischen dem Drahtmaterial und der Pad- Metallisierung statt.
Auch in den Fällen, wo mit ersten Testbeschichtungen noch keine wesentliche Verbesserung der mittleren Abreißkraft erreicht wurde, verringerte sich die Streuung der Abreißkräfte signifikant, und es konnte mit geringerer Energie und damit geringerer mechanische Belastung des Drahtes gebondet werden. Die vergleichweise geringe Drahtdeformation, die zur Ausbildung der Bindung nötig ist, führt wegen der geringeren Kerbwirkungen des Bondwerkzeuges zur Verbesserung der Gesamtfestigkeit der Verbindung und erhöhter Verfahrenszuverlässigkeit. Der Anteil der im Abreißtest durch Drahtriß ausgefallenen Bondverbindungen stieg gegenüber dem der durch Abheben ausgefallenen von 50 : 50 auf bis zu 84 : 14 deutlich an.
Die Technologien zur Ummantelung des Bonddrahtes mit den genannten Materialien sind grundsätzlich bekannt. Die Materialschichten können zum Beispiel aufgedampft, aufgesputtert oder galvanisch abgeschieden werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungs­ beispielen dargestellt.
Getestet wurden in je 50 Bondversuchen mit Ultraschall (US) bei jeweils gleichen Bondparametern:
  • 1. Ein 30 µm dicker Golddraht aus 99,99% Gold mit einer Reißkraft von 13,5 cN und einer Dehnung von 6-8% (Draht 1).
  • 2. Ein Draht 1, auf dem eine 50 nm dicke Aluminiumschicht aufgesputtert und der an Luft oxidiert war (Draht 2).
  • 3. Ein Draht 1, der mit einer 200 nm dicken Zinnschicht überzogen und 24 h bei 155°C getempert war (Draht 3).
  • 4. Ein Draht 1, auf dem eine 50 nm dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden war (Draht 4).
Langzeituntersuchungen von Verbindungen mit dem Draht 2 bei trockener Wärme (155°C) bis zu 1200 h zeigten keine Veränderungen des anfänglichen Kontaktwiderstandes von 9 mOhm. Es kann angenommen werden, daß sich offensichtlich kein Aluminium aus der dünnen Mantelschicht des Bonddrahtes in die Verbindungsschicht einlagert und sich keine intermetallischen Phasen bilden, sonst hätte der Kontaktwiderstand ansteigen müssen.

Claims (9)

1. Bonddraht aus einem duktilen Material mit niedriger Fließgrenze, wie insbesondere Gold und Kupfer, zum Ultraschallbonden, gekennzeichnet dadurch, daß der Draht mit einem dünnen Mantel aus einem gegenüber dem Material des Bonddrahtes harten Material überzogen ist.
2. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mantelschicht 5 bis 100 nm dick ist.
3. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Mantel aus einem Material besteht, das an Luft oder durch zusätzliche Oxidationsmittel eine spröde Oxydschicht bildet.
4. Bonddraht nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Bonddraht mit Aluminium ummantelt ist.
5. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Bonddraht mit Nickel ummantelt ist.
6. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in die Mantelschicht Hartstoffe eingelagert sind.
7. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Bonddraht mit einem Material ummantelt ist, das mit dem Drahtmaterial bzw. einer auf dem Draht aufgebrachten Schicht eine harte intermetallische Verbindungen bildet.
8. Bonddraht nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Bonddraht mit Zinn ummantelt ist.
9. Bonddraht nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Bonddraht mit einem Material beschichtet ist, das in den Draht diffundiert und in der Oberfläche harte Mischkristalle bildet.
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