EP4214005A2 - Herstellung von oberflächenmodifizierten cu-bändchen für das laserbonden - Google Patents

Herstellung von oberflächenmodifizierten cu-bändchen für das laserbonden

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Publication number
EP4214005A2
EP4214005A2 EP21777524.6A EP21777524A EP4214005A2 EP 4214005 A2 EP4214005 A2 EP 4214005A2 EP 21777524 A EP21777524 A EP 21777524A EP 4214005 A2 EP4214005 A2 EP 4214005A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
point
relief
roller
roughness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21777524.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Neubauer
Frank Krüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Electronics & Co Kg GmbH
Original Assignee
Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Deutschland GmbH and Co KG filed Critical Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Publication of EP4214005A2 publication Critical patent/EP4214005A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/16—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling wire rods, bars, merchant bars, rounds wire or material of like small cross-section
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/02—Shape or construction of rolls
    • B21B27/03—Sleeved rolls
    • B21B27/035—Rolls for bars, rods, rounds, tubes, wire or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H8/00—Rolling metal of indefinite length in repetitive shapes specially designed for the manufacture of particular objects, e.g. checkered sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/12—Forming profiles on internal or external surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0006—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for reducing the size of conductors or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0009—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for forming corrugations on conductors or cables

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a wire, including at least the following steps: (i) providing a wire precursor; (ii) imprinting indentations on the wire precursor and optionally deforming the wire precursor in the process; and (iii) annealing the dimpled wire precursor into wire; wherein the wire has a proportion of at least 95% by weight copper, the proportion based on the total weight of the wire.
  • the invention further relates to a wire that can be obtained by the method mentioned and to the use of a roller for producing the wire and/or for adjusting the roughness at at least one point on the wire.
  • Bond wires are used in the manufacture of semiconductor devices to electrically connect an integrated circuit and a printed circuit board together during the manufacture of semiconductor devices.
  • bonding wires are used in power electronics to electrically connect transistors, diodes and the like to the contact surfaces of the housing, also known as pads or pins. While bonding wires used to be made of gold, cheaper materials such as copper are now used. Copper wire has very good electrical and thermal conductivity. However, copper wires are prone to oxidation.
  • a special interest applies to the so-called laser bonding. This is a process in which the energy required for bonding is transferred to the bonding wire using laser beams.
  • Metal ribbons are often used here instead of wires, since the ribbon offers a larger surface for coupling the laser.
  • An advantage of bonding ribbons is that they are easy to position and hold compared to round wires. This increases the reliability of the bonding considerably. Due to the larger connection when bonding ribbons, higher currents can be carried via such connections. nothing- nevertheless, there is a constant need for further improvement of the technology with regard to the bonding wire itself and the bonding processes.
  • overlapping of wire material can occur.
  • these overlaps can cause the wire material to spatter as a result of the strong heating and sudden expansion of the air volume enclosed underneath.
  • the spatter of the wire material can lead to an unreliable bonding result due to the loss of material on the one hand and to harmful contamination of other electronic components on the other.
  • chemical methods have the disadvantage that the dimensions of the depressions are more difficult to adjust in terms of their depth and localization. For example, one-sided etching of a ribbon can only be accomplished with complex masking steps. The introduction of patterns in depressions can only be accomplished with increased effort.
  • a further object of the invention is to specify a method by means of which a wire can be produced whose at least one surface has a defined roughness.
  • a further object of the invention is a method for producing a wire whose wire surface absorbs as much as possible the portion of incident laser radiation during laser bonding.
  • Another object of the invention is a method of making a wire which heats up more than other bonding wires for the same intensity of incident laser light.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a wire wherein no impurities or residues are formed during laser bonding.
  • a further object is to simplify the production process for manufacturing the bonding wires according to the invention, for example by reducing the required steps.
  • bonding wires for so-called laser bonding, which are roughened on a side facing away from the electrical contact surface. It was observed that with the same emitted laser radiation, a higher energy transfer to the bonding wire takes place with roughened bonding wires than with smooth bonding wires. Without being bound to a theory, it is assumed that the incident laser radiation is absorbed to a higher degree by the bonding wire as a result of the roughened side, or that less laser radiation is reflected. Nevertheless, there is still a need for improvement in order to further increase the quality and reliability of the bonded connection.
  • the quality of the bonded connection can be increased in terms of contamination/yield if the roughening of the bonding wire is not carried out by removing material, i.e. brushing or milling, but rather by introducing indentations, for example by embossing he follows.
  • a method for producing a wire including at least the following steps:
  • the wire is a bonding wire, preferably a ribbon.
  • a cross-sectional plane Q E is laid through an element selected from the group consisting of the wire precursor and the wire, the cross-sectional plane Q E being perpendicular to a longitudinal direction L of the element, the cross-sectional plane Q E forms a cross-sectional area Q A with the element, the cross-sectional area Q A including two perpendicularly crossing lines LI and L2, a shortest possible portion A Li of line LI being defined by an intersection with the edge of Q A , and a longest possible section A L2 of line L2 is defined by an intersection with the edge of Q A , where the quotient of A L2 and A L1 is a number of 2 or more.
  • a wire obtainable by a method according to at least one of the embodiments
  • A device containing at least:
  • D height difference
  • a method for producing a device containing at least one electrically conductive connection including the following steps:
  • range specifications also include the values specified as limits.
  • An indication of the type "in the range from X to Y" in relation to a quantity A therefore means that A can take the values X, Y and values between X and Y.
  • Unilaterally delimited areas of the type "up to Y" for a size A mean corresponding values Y and smaller than Y.
  • a first subject matter of the present invention relates to a method for producing a wire, including at least the following steps:
  • wire precursors In principle, all wires and raw wires known to those skilled in the art that appear suitable for use in bonding in microelectronics and power electronics can be considered as wire precursors.
  • the wire precursor like the wire formed, is usually a one-piece article. Numerous forms are known and suitable. Preferred shapes are - in cross-sectional view - round, ellipsoidal and rectangular shapes.
  • a wire for bonding with an approximately rectangular cross-section is also referred to as a ribbon wire.
  • the wire has a copper content of at least 95% by weight, preferably at least 99.95% or at least 99.9% by weight, or at least 99.99% by weight copper, with the % by weight being based on the total weight of the wire are related.
  • the wire thus has up to 5% by weight, e.g. 4% by weight, or 3% by weight of other components.
  • All elements that are familiar to the person skilled in the art and appear suitable in the present case can be considered as further components, in particular metals that can be alloyed with copper, as well as metals, semimetals and nonmetals that can form intermetallic phases with copper.
  • the following metals are preferably considered as further components: tin (Sn), iron (Fe), nickel (Ni).
  • the following semimetals are preferably considered as further components: Si.
  • the following non-metals preferably come into consideration as further constituents: phosphorus (P).
  • the wire can also contain impurities.
  • the wire precursor usually has the same proportion of copper as the wire formed from the wire precursor by the method according to the invention.
  • the wire precursor is a ribbon. This can then be cut lengthwise into several ribbon wires after step (ii) or after step (iii). According to a further preferred embodiment, the wire produced according to the invention is a ribbon.
  • step (i) can in principle take place in a manner that is known to anyone skilled in the art and appears suitable.
  • the provision preferably takes the form of straightening the wire precursor in a device.
  • step (ii) indentations are indented on the wire precursor.
  • the wire precursor can be formed at the same time or afterwards. The forming preferably takes place at the same time as the indentations are indented.
  • Pressing in is understood to mean processing of the wire that takes place essentially without material removal. This differs from abrasive machining, in which material removal is caused by the abrasive machining itself. Examples of abrasive processing are brushing and grinding. As a result, a wire due to abrasive processing is lighter than before processing.
  • pressing in can be carried out in a manner that is known to anyone skilled in the art and appears suitable.
  • the indenting is done by a means selected from the group consisting of grains, indentations, embossing, stamping, sinking, and furrows.
  • Indentation is particularly preferably effected by embossing.
  • the indentation is carried out by rolling.
  • Rolling is understood as a processing method in which a material, here a wire precursor, is processed between two or more rotating tools.
  • a relief is transferred into the wire precursor by rolling.
  • the wire precursor is preferably formed at the same time during rolling. A ribbon wire can thereby be obtained.
  • the rolling can be carried out both as hot rolling and as cold rolling.
  • the rolling preferably takes place as cold rolling.
  • Indentation is particularly preferably carried out by means of embossing rollers. This means that forming and embossing take place simultaneously and in one step.
  • the rolling is carried out by at least one roll.
  • the roller often has a cylindrical surface, with other roller geometries also being known to the person skilled in the art and possibly appearing suitable.
  • the roller is provided with a relief, the relief being formed by height differences of the cylindrical surface.
  • the relief has a pattern.
  • the height difference (D) of the relief of the roller is in a range from 3 to 9 ⁇ m. for example from 4 to 8 pm, or 5 to 7 pm, or 4 to 9 pm, or 5 to 9 pm.
  • the indentations form a pattern.
  • a pattern in the present context means a recurring image or design.
  • the pattern formed by the relief on the roller corresponds to the pattern of the indentations on a wire processed by rolling with the roller.
  • the wire has a number of points, with the indentations being introduced only at a first point.
  • the wire preferably has a plurality of sides, in particular if it is a ribbon wire, with the indentations being introduced only on a first side.
  • the wire has a roughness R z at at least one point in a range from 3 to 9 ⁇ m, for example from 4 to 8 ⁇ m, or 5 to 7 ⁇ m, or 4 to 9 ⁇ m, or 5 to 9 ⁇ m .
  • the wire is a ribbon wire, it preferably has a roughness Rz in a range from 3 to 9 ⁇ m, for example from 4 to 8 ⁇ m, or 5 to 7 ⁇ m, or 4 to 9 ⁇ m, or 5 to 10 ⁇ m on a first side 9pm on.
  • the roughness is determined according to DIN EN ISO 4287 (2010-07) and DIN EN ISO 4288 (1998-04).
  • At least one further point of the wire is smooth, the at least one further point being located on a point of the wire which is remote from the first point of the wire.
  • smooth is understood to mean a point or a surface, or a part thereof, if this has a roughness R z in a range from 0.1 to 1 pm, for example from 0.2 to 0.6 pm, or from 0 .2 to 0.4 pm.
  • the wire is a ribbon
  • part of a first side, or an entire first side and instead of the further point, part of a further side of the band, or an entire further side can be used have the properties described here.
  • At least one further side of the wire is smooth, the at least one further side being located on a side of the wire which is remote from the first side of the wire.
  • an element selected from the group consisting of the wire and the wire precursor has a cross-sectional area QA in a range from 25000 to 900000 ⁇ m 2 , the cross-sectional area QA being arranged perpendicularly to a longitudinal direction L of the element. If the cross-sectional area of the element is not the same at all points, the cross-sectional area QA is calculated as the arithmetic mean of several measurements of the cross-sectional area at at least seven different points on the element.
  • an element selected from the group consisting of the wire precursor and the wire has a cross-sectional plane QE, which is laid through the element, the cross-sectional plane QE being arranged perpendicular to a longitudinal direction L of the element, the cross-sectional plane QE forms a cross-sectional area QA with the element, the cross-sectional area QA including two perpendicularly intersecting lines L 1 and L2, a shortest possible portion A L I of line L 1 being defined by an intersection with the edge of QA, and where a longest possible section A L2 of line L2 is defined by an intersection with the edge of QA, where the quotient of A L2 and A Li is a number of 2 or more, for example in a range from 2 to 30, or from 5 to 20 , or from 5 to 10.
  • the cross-sectional plane QE and the other features mentioned in this paragraph are determined as shown in FIGS. If the geometry of the element, whose cross-sectional plane QE and other features are to be determined, deviates from the form shown schematically in Figures 1 and 2, the person skilled in the art will recognize and select a method of determination that comes closest to the diagram shown, taking into account the different geometry. It is quite possible that a precursor wire has a different geometry, for example that the quotient of A L2 and A Li is a number of 1. In this case, the precursor wire is round. It is then formed by the process in such a way that the wire has the aforementioned quotient of 2 or more.
  • the wire is a ribbon, it can optionally be divided into several ribbons by suitable cutting processes after embossing, so that the longest possible section of the ribbon A L2 while retaining the shortest possible borrowed section A Li is shortened.
  • the cutting process can optionally take place before or after the annealing of the ribbon.
  • a tool is used to press it in.
  • all devices that are known to the person skilled in the art and appear suitable are suitable as tools.
  • a preferred tool is a roller.
  • a roller is generally understood to mean a substantially cylindrical body. In principle, the roller can have any desired diameter. Rollers with a diameter of 50-150 mm are preferably suitable for the intended purpose. Furthermore, the roller should be formed from a material that is harder than an object to be formed under conditions of use. Rollers are often formed from forged steel, hard metal or cast steel.
  • the tool is designed as an arrangement containing at least one roller. Arrangements with several rollers, for example two or more rollers, are also possible. For example, an arrangement is suitable in which at least two rollers rotate in opposite directions and the object to be shaped is passed between the two rollers rotating in opposite directions. The two counter-rotating rollers are arranged so that there is a gap between the two rollers. This distance is preferably equal to the thickness of the wire being formed.
  • At least one first roller has a relief on its surface.
  • the height differences of the relief on the first roller can form a pattern.
  • the relief (also in the form of a pattern) is introduced into the object when an object to be formed passes through the tool.
  • the depth of the indentations made in the wire depends on the penetration depth of the relief of the first roller into the object. It is quite possible that the difference in height (D) of the relief is greater than the indentations made in the object.
  • the introduced height difference (D) of the transferred relief is referred to as roughness R z or also as embossing depth.
  • the forming of an object with rollers, with at least one first roller having a relief that is transferred to the object during forming is also referred to as “embossing rollers”.
  • the (first) roller accordingly as "embossing roller”.
  • the impression is effected by stamping.
  • a stamp is a surface with a relief.
  • the relief shows a height difference (D).
  • D height difference
  • all materials that are known to the person skilled in the art and appear suitable are suitable for a stamp, but in particular the same materials as for the rollers.
  • stamping a stamp is lowered onto an object to be processed. The relief is pressed into the object until the desired depth of the indentations is formed. This often corresponds to the height difference (D) of the relief, but sometimes the depth of the depressions is less than the height difference (D) of the relief.
  • the introduced height difference (D) of the transferred pattern is referred to as roughness R z or also as stamping depth. not.
  • the dimpled wire precursor is annealed into wire.
  • the annealing takes place below the melting temperature of copper, preferably at temperatures T G in a range from 500 to 900°C, for example in a range from 550 to 650°C, or from 750 to 850°C.
  • the specified annealing temperature T G is the temperature that a workpiece, here the wire, has over a specified period of time. The wire takes about 10 seconds to 6 minutes to glow.
  • the annealing can be carried out batchwise or continuously.
  • the annealing is preferably carried out continuously.
  • a continuous furnace is suitable for this.
  • a throughput distance in the continuous furnace and a temperature T o of the continuous furnace are selected in such a way that a wire passing through the throughput distance has the temperature T G for the duration specified above.
  • the furnace temperature for example of the continuous furnace T o can be higher than the annealing temperature T G .
  • the throughput section of the continuous furnace can also be longer and have a temperature gradient at the inlets and outlets. It is also possible to use a continuous furnace with multi-zone heating. This allows certain temperature profiles to be applied to a wire that is passing through.
  • the continuous furnace can be heated and maintained at a conventional temperature by means of a heating device located in the furnace wall or acting on the furnace wall from the outside.
  • An electric heater is suitable for this.
  • the annealing temperature T G can be generated by a plasma in the continuous furnace.
  • a nitrogen plasma can be used for this, for example with a typical output of 750 W and a process gas pressure (N 2 ) of 25 mbar.
  • the annealing of the wire is performed in an atmosphere such as nitrogen (N 2 ).
  • N 2 nitrogen
  • oxygen (O 2 ) is excluded as far as possible in order to avoid surface oxidation of the wire.
  • the atmosphere has a proportion of up to 10% by volume, for example in a range from 2 to 8% by volume, or about 5% by volume hydrogen (H 2 ).
  • the hydrogen has a reducing effect in the protective gas atmosphere. The effect of this is that any copper oxidized on the surface to form copper oxides (CuO or Cu 2 O) on the wire is reduced to elemental copper.
  • a second subject matter of the present invention is a wire obtainable by a method according to the first subject matter of the invention or one of the embodiments described therefor, or a combination of several of the embodiments described therefor.
  • a third object, preferably obtainable by the method according to the first object, or as an embodiment of the second object, is a wire at least characterized by at least the following features:
  • a first point of the wire in the case of a ribbon a first side, has a roughness R z of 3 to 9 pm, for example 4 to 8 pm, or 5 to 7 pm, or 4 to 9 pm, or 5 to 9pm on;
  • At least one other point of the wire is smooth; in the case of a ribbon is at least one more
  • the wire has a cross-sectional area QA in a range from 25,000 to 900,000 ⁇ m 2 .
  • the wire preferably has the features (a) to (c), and additionally at least one of the further features (d) or (e), more preferably both features.
  • a fourth subject matter is a method for producing a device containing at least one electrically conductive connection, the method including the following steps:
  • Laser beams are preferably selected as the electromagnetic radiation.
  • Laser beams are electromagnetic waves, often in a very narrow frequency range and with a high radiation intensity. Laser beams with a wavelength in the range from 700 to 1100 nm are particularly preferred.
  • a 400 W fiber laser with a focus diameter of 25 ⁇ m is used, for example, to heat a wire as in step (III).
  • the wire is a ribbon. The first and further positions of the tape are then each a part of a first or a further page, or a first or a further page as a whole.
  • the wire mentioned in the fourth subject is producible by the method described as the first subject of the invention, or a wire according to the second or third subject of the invention. Preferred embodiments of the first, second and third aspects of the invention relating to the wire are also preferred in the fourth aspect for the wire.
  • an electrically conductive connection is understood to mean a contact between two electrically conductive elements, for example a wire with a contact surface (for example a power semiconductor or a substrate surface (for example DCB or leadframe).
  • a contact surface for example a power semiconductor or a substrate surface (for example DCB or leadframe).
  • the wire according to the fourth subject of the invention is preferably obtainable by the method according to the first subject of the invention or one of its embodiments.
  • the roughness R z according to the fourth subject matter of the invention was preferably produced at least at the first point of the wire by indentation.
  • the indentation was preferably selected from the group consisting of grains, indentations, embossing, stamping, sinking and furrows, or a combination of two or more thereof.
  • the roughness R z was brought about at least at the first point of the wire by rolling, for example embossing.
  • a roll could include a relief for making wire.
  • the relief preferably had a height difference (D) in a range from 3 to 9 ⁇ m. Indentations could thus be introduced at least at one point of the wire by the roller.
  • Another object of the present invention is a device containing at least:
  • a wire according to the second or third subject of the invention or a wire obtainable by a method according to the first subject of the invention, or according to one or more of the embodiments described in each case; wherein the wire is electrically conductively connected to the first contact surface.
  • the wire can be electrically conductively connected to one or more further contact surfaces.
  • a fifth subject matter of the present invention relates to the use of a roller containing a relief for producing a wire, the roller having a—preferably cylindrical—surface, and the relief being characterized by a height difference (D) of the surface in a range from 3 to 9 ⁇ m. for example from 4 to 8 gm, or 5 to 7 pm, or 4 to 9 pm, or 5 to 9 pm - indentations being introduced by the roller on at least one point of the wire.
  • the indentations are preferably made on one side of the wire.
  • a sixth subject of the present invention relates to the use of a roller containing a relief for setting the roughness R z at least at one point on a wire in a range from 3 to 9 ⁇ m—for example from 4 to 8 ⁇ m, or 5 to 7 ⁇ m, or 4 to 9 ⁇ m, or 5 to 9 ⁇ m, the roller having a surface—preferably cylindrical—and the relief being characterized by a height difference (D) of the surface.
  • the wire is a ribbon
  • the roughness R z is preferably introduced on one side of the wire.
  • Preferred embodiments of the first subject matter of the invention are also preferred here insofar as they relate to the roller, the setting of the roughness R z , the roughness R z and the height difference (D).
  • Figure 1 shows a schematic view of a wire or wire precursor.
  • FIG. 2 shows a view of a cross-sectional area Q ⁇ of the object shown in FIG.
  • FIG. 3 schematically shows a method for making indentations in a wire.
  • Fig. 4 shows a ribbon a) with relief, b) with brushing.
  • FIG. 5 schematically shows a device with a wire and a contact surface.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a wire 2 or a wire precursor 1 characterized by its length L and a cross-sectional plane Q E .
  • FIG. 2 shows a view of a cross-sectional area Q ⁇ as part of the cross-sectional plane Q E shown in FIG.
  • Two perpendicular lines LI, L2 are laid through the cross-sectional area Q ⁇ . These intersect the cross-sectional area Q ⁇ in the edges of the wire 2 or of the wire precursor 1. As a result, the sections A L1 and A L2 of the lines L1 and L2 are formed.
  • FIG. 3 schematically shows a method for making indentations 3 in a wire 2 by means of a roller with a relief (upper roller, unnumbered).
  • the bottom roller is optional and can be replaced with another counter surface.
  • FIG. 4 shows the surface topography of a) a tape 2 with an incorporated pattern 6 of depressions 3; b) a brushed ribbon.
  • FIG. 5 schematically shows a device 10 containing a wire 2 which connects a first contact surface 12 to a second contact surface 13 .
  • the relief height D and the roughness Rz of the wire were determined based on the standards DIN EN ISO 4287 (2010-07) (definition and parameters) and DIN EN ISO 4288 (1998-04) (rules and procedures)., where the relief height of the roller and the roughness of the wire were determined transversely to the rolling direction. Deviating from the DIN EN ISO 4288 standard, measurements were taken over a shorter individual and overall measuring section due to the geometrical conditions of the ribbons. At least one third of the ribbon width or the effectively used roller width was defined as a sufficiently long individual measurement section. A Mahr Perthometer PCV with a 2 ⁇ m diamond tip was used. The determination is made at at least two different points on the wire or roll. The measured data was evaluated in accordance with DIN EN ISO 4287 using the MahrSurface XCR20 VI.20-4 program. b. Determination of the cross-sectional area of a wire or ribbon
  • a metallographic section was prepared and measured using an optical microscope.
  • Copper wire with a diameter of 0.78 mm and a purity of 99.98% by weight Cu was used as the starting material.
  • the wires were guided through a forming plant with two hard metal rollers in the arrangement outlined in FIG.
  • Roll No. 1 (in the figure below) was a smooth cylinder with a diameter of 96 mm.
  • Roll No. 2 (in the figure above) also had a basic cylindrical shape with a diameter of 96 mm.
  • the surface of roll No. 2 had a relief with a relief height D (D max ).
  • D max relief height
  • the surface of roll No. 2 was smooth and did not have any relief structure.
  • the wires were passed between rollers #1 and #2 rotating in opposite directions but in the direction of travel of the wires.
  • Rolls #1 and #2 had a nip S between them. This was set and determined as the shortest distance between the surface of roll no. 1 and the surface of the cylindrical basic shape of roll no. 2, ie at a point without relief.
  • the exit speed of the wires in the direction of transport was identical to the rotational speed v of the rollers at the contact surface with the wire.
  • a quickly evaporating B-Clean 62S rolling oil was used as the rolling oil.
  • the worked wires (1) - (3) and (A) and (B) were processed in a 2.5 m long continuous furnace a throughput speed of 10 m/min and an annealing temperature T G of 650° C. in a hydrogen atmosphere. After annealing, the formed wires were cooled to ambient temperature.
  • the formed comparison wires (A) and (B) were brushed according to the characteristic data in Table 2 after the annealing process.
  • the characteristics of the formed wires (1) - (3) are given in Table 1.
  • the shaped wires (1) and (2) with a roughness of R z less than 9 ⁇ m showed no spattering behavior in the laser bonding process.
  • the formed (3) with an increased roughness of R z of 18.6 pm showed a clear spattering behavior in the laser bonding process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, beinhaltend zumindest folgende Schritte: (i) Bereitstellen eines Drahtvorläufers; (ii) Eindrücken von Vertiefungen auf dem Drahtvorläufer und optional dabei Umformen des Drahtvorläufers; und (iii) Glühen des mit Vertiefungen versehenen Drahtvorläufers zum Draht; wobei der Draht einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer aufweist, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes. Die Erfindung betrifft weiterhin einen nach dem genannten Verfahren erhältlichen Draht sowie die Verwendung einer Walze zum Herstellen des Drahtes und/oder zum Einstellen der Rauigkeit an mindestens einer Stelle des Drahtes.

Description

HERSTELLUNG VON OBERFLÄCHENMODIFIZIERTEN CU-BÄNDCHEN FÜR DAS LASERBONDEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, beinhaltend zumindest folgende Schritte: (i) Bereitstellen eines Drahtvorläufers; (ii) Eindrücken von Vertiefungen auf dem Drahtvorläufer und optional dabei Umformen des Drahtvorläufers; und (iii) Glühen des mit Vertiefungen versehenen Drahtvorläufers zum Draht; wobei der Draht einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer aufweist, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes. Die Erfindung betrifft weiterhin einen nach dem genannten Verfahren erhältlichen Draht sowie die Verwendung einer Walze zum Herstellen des Drahtes und/oder zum Einstellen der Rauigkeit an mindestens einer Stelle des Drahtes.
Hintergrund der Erfindung
Bonddrähte werden bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet, um eine integrierte Schaltung und eine Leiterplatte während der Herstellung von Halbleiterbauelementen elektrisch miteinander zu verbinden. Darüber hinaus werden Bonddrähte in der Leistungselektronik verwendet, um Transistoren, Dioden und dergleichen mit den Kontaktflächen des Gehäuses, auch Pads oder Pins genannt, elektrisch zu verbinden. Während Bonddrähte früher aus Gold hergestellt wurden, werden heute kostengünstigere Materialien wie Kupfer verwendet. Kupferdraht weist eine sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Allerdings sind Kupferdrähte anfällig für Oxidation.
Hinsichtlich der Drahtgeometrie sind Bonddrähte mit kreisförmigem Querschnitt und sogenannte Bändchen, die einen mehr oder weniger rechteckigen Querschnitt haben, am gebräuchlichsten. Beide Arten von Drahtgeometrien haben ihre Vorteile, die sie für spezifische Anwendungen nützlich machen. Somit haben beide Geometriearten ihren Anteil am Markt. Bändchen haben eine größere Kontaktfläche für eine gegebene Querschnittsfläche, da sie flach auf einem Element aufliegen können. Die Biegbarkeit der Bändchen ist jedoch begrenzt. Ferner muss die Ausrichtung eines Bändchens beim Bonden beachtet werden, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen dem Bändchen und dem Element, mit dem es verbunden wird, zu erreichen. Was die Bonddrähte anbelangt, so sind diese biegeflexibler. Allerdings beinhaltet das Bonden entweder ein Schweißen und/oder eine größere Verformung des Drahtes im Bondprozess, was zu einer Beschädigung oder sogar Zerstörung des Bondpads und der darunter liegenden elektrischen Strukturen des damit verbundenen Elements bedeuten kann.
Ein besonderes Interesse gilt dem sogenannten Laserbonden. Dies ist ein Verfahren, bei dem die zum Bonden benötigte Energie mittels Laserstrahlen auf den Bonddraht übertragen wird. Hier werden gerne Metallbändchen anstelle von Drähten eingesetzt, da das Bändchen eine größere Oberfläche für die Einkopplung des Lasers bietet. Ein Vorteil beim Bonden von Bändchen ist, dass diese im Vergleich zu Runddrähten einfach in Position gebracht und gehalten werden können. Dadurch steigt die Zuverlässigkeit des Bondens erheblich. Aufgrund der größeren Verbindung beim Bonden von Bändchen können über solche Verbindungen höhere Ströme geführt werden. Nichtsde- stotrotz besteht ein ständiger Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Technologie in Bezug auf den Bonddraht selbst und die Bondprozesse.
Es ist bekannt, dass aufgeraute Oberflächen auf Grund ihrer vergrößerten Oberfläche eine höhere Absorption von elektromagnetischer Strahlung zeigen. Somit sollte ebenfalls eine vergrößerte Oberfläche von Bonddrähten eine höhere Absorption von Laserstrahlung in einem Laserbondprozess ermöglichen. Die Aufrauhung von Oberflächen kann durch mechanische oder chemische Verfahren (wie beispielsweise Bürsten, Ätzen) erfolgen. Diese Verfahren fuhren jedoch oftmals zu Rückständen auf den Drahtoberflächen, welche einen negativen Einfluss auf die Bondverbindung haben können. Bei diesen Rückständen kann es sich im Falle mechanischer Verfahren um Abrieb der Bürsten sowie um Partikelabtrag des Drahtmaterials handeln, welches sich an einer anderen Stelle des Drahtes wieder während des Bürstprozesses ablagem kann. Diese Rückstände können beim Bondprozess zu fehlerhaftem Auf- schmelzen des Drahtes beim Bondprozess und somit zu weniger zuverlässigen Bondverbindungen führen. Zudem kann es bei den genannten alternativen Verfahren zur Entstehung von Überlappungen von Drahtmaterial kommen. Diese Überlappungen können beim Laserbonden dazu führen, dass das Drahtmaterial infolge der starken Erwärmung und plötzlichen Ausdehnung des darunter eingeschlossenen Luftvolumens spritzt. Die Spritzer des Drahtmaterials können einerseits zu einem unzuverlässigen Bondergebnis aufgrund des Materialverlusts und andererseits zu einer schadhaften Verunreinigung anderer elektronischer Komponenten führen. Darüber hinaus haben chemische Verfahren den Nachteil, dass die Dimension der Vertiefungen in ihrer Tiefe als auch Lokalisierung schwerer einstellbar ist. So kann zum Beispiel einseitiges Ätzen eines Bändchens nur mit aufwendigen Maskierungsschritten bewerkstelligt werden. Auch das Einbringen von Mustern an Vertiefungen ist nur mit erhöhtem Aufwand zu bewerkstelligen.
Aufgaben
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mittels dessen eine für das Laserbondverfahren optimierte Drahtoberfläche hergestellt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mittels dessen ein Draht hergestellt werden kann, dessen mindestens eine Oberfläche eine definierte Rauigkeit aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Draht mit einer Rauigkeit anzugeben, der frei von Verunreinigungen, Rückständen und Lunkern ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, dessen Drahtoberfläche den Anteil an einfallender Laserstrahlung beim Laserbonden möglichst umfangreich absorbiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, wobei der Draht bei der gleichen Intensität des einfallenden Laserlichts im Vergleich zu anderen Bonddrähten stärker erhitzt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, wobei beim Laserbonden keine Verunreinigungen oder Rückstände gebildet werden. Eine weitere Aufgabe ist es, den Produktionsprozess zum Herstellen der erfindungsgemäßen Bonddrähte zu vereinfachen, z.B. durch Verringern der erforderlichen Schritte. Somit kann zusätzlich zu den technischen Vorteilen mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren eine Kosten- und Zeiteinsparung in der Produktion der erfindungsgemäßen Drähte erreicht werden.
Es ist bekannt, für das sogenannte Laserbonden Bonddrähte zu verwenden, die auf einer, der elektrischen Kontaktfläche abgewandten Seite, aufgeraut sind. Dabei wurde beobachtet, dass bei derselben emittierten Laserstrahlung bei aufgerauten Bonddrähten ein höherer Energieübertrag auf den Bonddraht erfolgt als bei glatten Bonddrähten. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die eintreffende Laserstrahlung infolge der aufgerauten Seite zu einem höheren Grad von dem Bonddraht absorbiert wird bzw. dass weniger Laserstrahlung reflektiert wird. Gleichwohl besteht weiterhin Verbesserungsbedarf, um die Qualität und Zuverlässigkeit der Bondverbindung weiter zu erhöhen.
Es wurde nun gefunden, dass die Qualität der Bondverbindung in Hinsicht auf Verunreinigungen/Ausbeute gesteigert werden kann, wenn das Aufrauen des Bonddrahtes nicht durch ein Abtragen von Material, also einem Bürsten oder Fräsen, sondern durch das Einbringen von Vertiefungen, zum Beispiel durch ein Prägen erfolgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Ein Beitrag zur mindestens teilweisen Erfüllung mindestens einer der zuvor genannten Aufgaben wird durch die unabhängigen Ansprüche geleistet. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit, die zur mindestens teilweisen Erfüllung mindestens einer der Aufgaben beitragen.
111 Ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, beinhaltend zumindest folgende Schritte:
(i) Bereitstellen eines Drahtvorläufers;
(ii) Eindrücken von Vertiefungen auf dem Drahtvorläufer; und
(iii) Glühen des mit Vertiefungen versehenen Drahtvorläufers unter Erhalt des Drahtes; wobei der Draht einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer aufweist, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes.
|2| Das Verfahren nach Ausführungsform |1|, wobei das Eindrücken ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken und Furchen, oder einer Kombination von zwei oder mehr davon.
|31 Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Eindrücken durch Walzen erfolgt, bevorzugt Prägewalzen. |4| Das Verfahren nach Ausführungsform |3|, wobei das Walzen durch mindestens eine Walze erfolgt, wobei die Walze eine zylindrische Oberfläche mit einem Relief aufweist, wobei das Relief durch Höhenunterschiede (D) der zylindrischen Oberfläche gebildet ist.
|5| Das Verfahren nach Ausführungsform |4|, wobei der Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 gm beträgt.
|6| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die durch das Verfahren auf dem Draht eingedrückten Vertiefungen ein Muster bilden.
|7| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren nur an einer ersten Stelle des Drahtes Vertiefungen eindrückt und der eingesetzte Draht mehrere Stellen aufweist.
|8| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Draht an mindestens einer Stelle eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 gm aufweist.
|9| Das Verfahren nach Ausführungsform |7|, wobei mindestens eine weitere Stelle des Drahtes glatt ist, wobei die mindestens eine weitere Stelle sich auf einer der ersten Stelle abgewandten Stelle des Drahtes befindet.
110| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Draht ein Bonddraht, bevorzugt ein Bändchen ist.
|11| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Draht und dem Drahtvorläufer eine Querschnittsfläche QA in einem Bereich von 25000 bis 900000 gm2 aufweist, wobei die Querschnittsfläche QA senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist.
112| Das Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei eine Querschnittsebene QE durch ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Drahtvorläufer und dem Draht gelegt ist, wobei die Querschnittsebene QE senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist, wobei die Querschnittsebene QE eine Querschnittsfläche QA mit dem Element bildet, wobei die Querschnittsfläche QA zwei sich senkrecht kreuzende Linien LI und L2 beinhaltet, wobei ein kürzest möglicher Abschnitt ALi der Linie LI durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, und wobei ein längst möglicher Abschnitt AL2 der Linie L2 durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, wobei der Quotient aus AL2 und AL1 eine Zahl von 2 oder mehr beträgt.
113| Ein Draht erhältlich nach einem Verfahren gemäß mindestens einer der Ausführungsformen |1| bis |12|. |14| Eine Vorrichtung beinhaltend mindestens:
(1) Eine erste Kontaktfläche;
(2) Einen Draht gemäß mindestens einer der Ausführungsformen 1131 oder einen Draht erhältlich nach einem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen 111 bis 112| ; wobei der Draht elektrisch leitend mit der ersten Kontaktfläche verbunden ist.
115| Eine Verwendung einer Walze beinhaltend ein Relief zum Herstellen eines Drahtes, wobei das Relief durch einen Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm gekennzeichnet ist, wobei durch die Walze auf mindestens eine Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht werden.
116| Eine Verwendung einer Walze beinhaltend ein Relief zum Einstellen der Rauigkeit Rz an mindestens einer Stelle eines Drahtes in einem Bereich von 3 bis 9 pm. wobei das Relief durch einen Höhenunterschied (D) gekennzeichnet ist.
117| Ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung beinhaltend mindestens eine elektrisch leitende Verbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
(I) Bereitstellen eines Substrats mit mindestens einer ersten Kontaktfläche und eines Drahtes;
(II) Positionieren des Drahtes in einer mechanischen Verbindung mit der ersten Kontaktfläche;
(III) Erhitzen einer ersten Stelle des Drahtes mittels elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 700 bis 1100 nm, unter Erhalt einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche des Substrats und dem Draht, wobei die erste Stelle des Drahtes eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 gm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9 pm, oder 5 bis 9 pm aufweist, wobei eine von der ersten Stelle des Drahtes abgewandte weitere Stelle des Drahtes, die der Kontaktfläche zugewandt ist, eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 0,1 bis 1 pm aufweist, wobei die Rauigkeit Rz an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Eindrücken erzeugt wurde, wobei das Eindrücken ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken und Furchen, oder einer Kombination von zwei oder mehr davon..
118| Das Verfahren nach Ausführungsform |17|, wobei der Draht bevorzugt erhältlich ist nach dem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen |1| bis |12|.
119| Das Verfahren nach Ausführungsform 117| , wobei als elektromagnetische Strahlung Laserstrahlen ausgewählt sind. |20| Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 117| bis 119|, wobei der Draht ein Bändchen ist. Die erste und weitere Stelle des Drahtes sind dann jeweils ein Teil einer ersten bzw. einer weiteren Seite des Bändchens, oder einer ersten bzw. einer weiteren Seite des Bändchens als Ganzes.
|21| Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 117| bis |20|, wobei die erste Stelle des Drahtes oder die erste Seite des Drahtes auf der von der ersten Kontaktfläche des Substrats abgewandten Seite des Drahtes angeordnet ist.
|22| Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen |17| bis |21|, wobei die Rauigkeit Rz an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Walzen herbeigeführt wurde, zum Beispiel ein Prägewalzen.
|23| Das Verfahren nach Ausführungsform |22|, wobei zum Walzen eine Walze beinhaltend ein Relief zum Herstellen eines Drahtes, wobei das Relief durch einen Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm gekennzeichnet ist, wobei durch die Walze auf mindestens eine Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht werden oder worden sind.
Allgemeines
In der vorliegenden Beschreibung beinhalten Bereichsangaben auch die als Grenzen genannten Werte. Eine Angabe der Art „im Bereich von X bis Y“ in Bezug auf eine Größe A bedeutet folglich, dass A die Werte X, Y und Werte zwischen X und Y annehmen kann. Einseitig begrenzte Bereiche der Art „bis zu Y“ für eine Größe A bedeuten entsprechend als Werte Y und kleiner als Y.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes, beinhaltend zumindest folgende Schritte:
(i) Bereitstellen eines Drahtvorläufers;
(ii) Eindrücken von Vertiefungen auf dem Drahtvorläufer; und
(iii) Glühen des mit Vertiefungen versehenen Drahtvorläufers unter Erhalt des Drahtes; wobei der Draht einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer aufweist, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes.
Als Drahtvorläufer kommen prinzipiell alle dem Fachmann bekannten für den Einsatz zum Bonden in der Mikro- und Leistungselektronik geeignet erscheinenden Drähte und Rohdrähte in Betracht. Der Drahtvorläufer ist wie der gebildete Draht üblicherweise ein einteiliger Gegenstand. Zahlreiche Formen sind bekannt und geeignet. Bevorzugte Formen sind - in der Querschnittsansicht - runde, ellipsoide und rechteckige Formen. Ein Draht zum Bonden mit einem ungefähr rechteckigen Querschnitt wird auch als Bändchendraht bezeichnet. Erfindungsgemäß weist der Draht einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer, bevorzugt mindestens 99,95 oder mindestens 99,9 Gew.-%, oder mindestens 99,99 Gew.-% Kupfer auf, wobei die Gew.-% auf das Gesamtgewicht des Drahtes bezogen sind.
Der Draht weist also bis zu 5 Gew.-%, z.B. 4 Gew.-%, oder 3 Gew.-% an weiteren Bestandteilen auf. Als weitere Bestandteile kommen alle dem Fachmann geläufigen und vorliegend geeignet erscheinenden Elemente in Betracht, insbesondere mit Kupfer legierbare Metalle, sowie Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle, die mit Kupfer intermetallische Phasen bilden können. Als weitere Bestandteile kommen vorzugsweise folgende Metalle in Betracht: Zinn (Sn), Eisen (Fe), Nickel (Ni). Als weitere Bestandteile kommen vorzugsweise folgende Halbmetalle in Betracht: Si. Als weitere Bestandteile kommen vorzugsweise folgende Nichtmetalle in Betracht: Phosphor (P). Es können auch Kombinationen von jeweils zwei oder mehreren Metallen, Halbmetallen und Nichtmetallen, sowohl innerhalb einer Klasse (Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle), als auch Bestandteile aus unterschiedlichen Klassen. Neben der gezielten Zugabe von weiteren Bestandteilen kann der Draht ebenfalls Verunreinigungen aufweisen.
Üblicherweise weist der Drahtvorläufer denselben Anteil an Kupfer auf wie der durch das erfindungsgemäße Verfahren aus dem Drahtvorläufer gebildete Draht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drahtvorläufer ein Flachband. Dieses kann dann nach Schritt (ii), oder nach Schritt (iii) der Länge nach in mehrere Bändchendrähte geschnitten werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäß hergestellte Draht ein Bändchen.
Das Bereitstellen in Schritt (i) kann prinzipiell auf jedem Fachmann bekannte und geeignet erscheinende Weise geschehen. Bevorzugt erfolgt das Bereitstellen als Richten des Drahtvorläufers in einer Vorrichtung.
In Schritt (ii) werden Vertiefungen auf dem Drahtvorläufer eingedrückt. Gleichzeitig oder im Anschluss kann der Drahtvorläufer umgeformt werden. Bevorzugt erfolgt das Umformen gleichzeitig mit dem Eindrücken von Vertiefungen.
Unter Eindrücken wird eine Bearbeitung des Drahtes verstanden, die im Wesentlichen ohne Materialabtrag erfolgt. Dies ist ein Unterschied zu abrasiven Bearbeitungen, bei denen ein Materialabtrag durch die abrasive Bearbeitung selbst bedingt ist. Beispiele für abrasive Bearbeitungen sind Bürsten und Schleifen. Im Ergebnis ist ein Draht infolge einer abrasiven Bearbeitung leichter als vor der Bearbeitung.
Das Eindrücken kann prinzipiell auf jedem Fachmann bekannte und geeignet erscheinende Art und Weise durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt das Eindrücken durch eine Maßnahme ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken und Furchen. Besonders bevorzugt wird das Eindrücken durch ein Prägen bewirkt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Eindrücken durch Walzen. Unter Walzen wird ein Bearbeitungsverfahren verstanden, bei dem ein Werkstoff, hier ein Drahtvorläufer, zwischen zwei oder mehreren rotierenden Werkzeugen bearbeitet wird. Erfindungsgemäß wird durch das Walzen in den Drahtvorläufer ein Relief übertragen. Bevorzugt wird beim Walzen gleichzeitig der Drahtvorläufer umgeformt. Dabei kann ein Bändchendraht erhalten werden. Das Walzen kann sowohl als Warmwalzen als auch Kaltwalzen durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt das Walzen als Kaltwalzen. Besonders bevorzugt erfolgt das Eindrücken durch ein Prägewalzen. Das bedeutet, dass ein Umformen und das Prägen gleichzeitig und in einem Schritt erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Walzen durch mindestens eine Walze. Die Walze weist oftmals eine zylindrische Oberfläche auf, wobei dem Fachmann auch andere Geometrien einer Walze bekannt sind und eventuell geeignet erscheinen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Walze mit einem Relief ausgestattet, wobei das Relief durch Höhenunterschiede der zylindrischen Oberfläche gebildet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Relief ein Muster auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt der Höhenunterschied (D) des Reliefs der Walze in einem Bereich von 3 bis 9 pm. zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9pm, oder 5 bis 9 pm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die Vertiefungen ein Muster. Ein Muster bedeutet im vorliegenden Kontext ein wiederkehrendes Bild oder eine wiederkehrende Gestaltung. Das Muster, welches von dem Relief auf der Walze gebildet wird, entspricht dem Muster der Vertiefungen auf einem durch das Walzen mit der Walze bearbeiteten Draht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Draht mehrere Stellen auf, wobei die Vertiefungen nur an einer ersten Stelle eingebracht sind. Bevorzugt weist der Draht, insbesondere wenn es ein Bändchendraht ist, mehrere Seiten auf, wobei die Vertiefungen nur an einer ersten Seite eingebracht sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Draht an mindestens einer Stelle eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 pm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9pm, oder 5 bis 9 pm auf. Bevorzugt weist der Draht, wenn es ein Bändchendraht ist, auf einer ersten Seite eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 pm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9pm, oder 5 bis 9 pm auf. Die Rauigkeit wird bestimmt gemäß DIN EN ISO 4287 (2010-07) sowie DIN EN ISO 4288 (1998-04) .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine weitere Stelle des Drahtes glatt, wobei die mindestens eine weitere Stelle sich auf einer zur ersten Stelle des Drahtes abgewandten Stelle des Drahtes befindet. Unter glatt wird im vorliegenden Kontext eine Stelle oder eine Oberfläche, oder ein Teil davon verstanden, wenn diese eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 0,1 bis 1 pm, zum Beispiel von 0,2 bis 0,6 pm, oder von 0,2 bis 0,4 pm, aufweist.
Ist der Draht ein Bändchen, so kann anstelle einer ersten Stelle und einer weiteren Stelle des Bändchens auch ein Teil einer ersten Seite, oder eine gesamte erste Seite, und anstelle der weiteren Stelle ein Teil einer weiteren Seite des Bändchens, oder eine gesamte weitere Seite die hier beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Falle eines Bändchens mindestens eine weitere Seite des Drahtes glatt, wobei die mindestens eine weitere Seite sich auf einer zur ersten Seite des Drahtes abgewandten Seite des Drahtes befindet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Draht und dem Drahtvorläufer eine Querschnittsfläche QA in einem Bereich von 25000 bis 900000 pm2 auf, wobei die Querschnittsfläche QA senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist. Sollte die Quer- schnittsfläche des Elements nicht an allen Stellen gleich sein, so wird die Querschnittsfläche QA als arithmetischer Mittelwert von mehreren Messungen der Querschnittsfläche an mindestens sieben verschiedenen Stellen des Elements berechnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Drahtvorläufer und dem Draht eine Querschnittsebene QE auf, die durch das Element gelegt ist, wobei die Querschnittsebene QE senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist, wobei die Querschnittsebe- ne QE eine Querschnittsfläche QA mit dem Element bildet, wobei die Querschnittsfläche QA zwei sich senkrecht kreuzende Linien L 1 und L2 beinhaltet, wobei ein kürzest möglicher Abschnitt ALI der Linie L 1 durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, und wobei ein längst möglicher Abschnitt AL2 der Linie L2 durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, wobei der Quotient aus AL2 und ALi eine Zahl von 2 oder mehr, zum Beispiel in einem Bereich von 2 bis 30, oder von 5 bis 20, oder von 5 bis 10 beträgt. Die Bestimmung der Querschnittsebe- ne QE und der weiteren in diesem Absatz genannten Merkmale erfolgt wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Sollte die Geometrie des Elements, dessen Querschnittsebene QE und deren weitere Merkmale bestimmt werden sollen, von der in den Figuren 1 und 2 schematisch gezeigten Form abweichen, wird der Fachmann eine dem gezeigten Schema unter Berücksichtigung der abweichenden Geometrie am nächsten kommende Bestimmungsweise erkennen und auswählen. Es ist durchaus möglich, dass ein Drahtvorläufer eine andere Geometrie aufweist, z.B. dass der Quotient aus AL2 und ALi eine Zahl von 1 beträgt. In diesem Fall ist der Drahtvorläufer rund. Er wird durch das Verfahren dann so umgeformt, dass der Draht den zuvor genannten Quotienten von 2 oder mehr aufweist.
Ist der Draht ein Bändchen, kann er nach Prägen optional auch in mehrere Bändchen durch geeignete Schneidprozesse geteilt werden, so dass der längst mögliche Abschnitt des Bändchens AL2 unter Beibehaltung des kürzest mög- liehen Abschnitts ALi verkürzt wird. Der Schneidprozess kann optional vor oder nach dem Glühen des Bändchens erfolgen.
Zum Eindrücken wird ein sogenanntes Werkzeug verwendet. Als Werkzeug eignen sich prinzipiell alle dem Fachmann bekannten und geeignet erscheinenden Vorrichtungen.
Ein bevorzugtes Werkzeug ist eine Walze. Unter einer Walze wird im Allgemeinen ein im Wesentlichen zylindrischer Körper verstanden. Die Walze kann prinzipiell jeden beliebigen Durchmesser haben. Für den vorgesehenen Einsatzzweck eignen sich bevorzugt Walzen mit einem Durchmesser von 50-150 mm. Ferner sollte die Walze aus einem Material gebildet sein, dass unter Einsatzbedingungen härter ist als ein umzuformender Gegenstand. Oftmals sind Walzen aus geschmiedetem Stahl, Hartmetall oder Stahlguss gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug als eine Anordnung beinhaltend mindestens eine Walze ausgebildet. Es sind auch Anordnungen mit mehreren Walzen, zum Beispiel zwei oder mehr Walzen, möglich. Geeignet ist zum Beispiel eine Anordnung, bei der mindestens zwei Walzen gegenläufig rotieren und der umzuformende Gegenstand zwischen den zwei gegenläufigen Walzen durchgeführt wird. Die zwei gegenläufigen Walzen sind so angeordnet, dass zwischen den beiden Walzen ein Abstand vorgesehen ist. Dieser Abstand ist bevorzugt gleich der Dicke des umgeformten Drahtes.
Im vorliegenden Fall weist zumindest eine erste Walze ein Relief auf ihrer Oberfläche auf. Die Höhenunterschiede des Reliefs auf der ersten Walze können in einer Ausführungsform ein Muster bilden. Das Relief (auch in Form eines Musters) wird beim Durchlaufen eines umzuformenden Gegenstands durch das Werkzeug in den Gegenstand eingebracht. Dabei hängt die Tiefe der in den Draht eingebrachten Vertiefungen von der Eindringtiefe des Reliefs der ersten Walze in den Gegenstand ab. Es ist durchaus möglich, dass der Höhenunterschied (D) des Reliefs größer ist als die in den Gegenstand eingebrachten Vertiefungen. In Bezug auf die Vertiefungen im umgeformten Gegenstand wird der eingebrachte Höhenunterschied (D) des übertragenen Reliefs als Rauigkeit Rz oder auch als Prägetiefe bezeichnet. Das Umformen eines Gegenstands mit Walzen, wobei mindestens eine erste Walze ein Relief aufweist, das beim Umformen auf den Gegenstand übertragen wird, wird auch als „Prägewalzen“ bezeichnet. Die (erste) Walze entsprechend als „Prägewalze“.
In einer anderen Ausführungsform wird das Eindrücken durch ein Stempeln bewirkt. Ein Stempel ist eine mit einem Relief versehene Oberfläche. Das Relief weist einen Höhenunterschied (D) auf. Für einen Stempel eignen sich prinzipiell alle dem Fachmann bekannten und geeignet erscheinenden Materialien, insbesondere jedoch dieselben wie für die Walzen. Beim Stempeln wird ein Stempel auf einen zu bearbeitenden Gegenstand abgesenkt. Dabei wird das Relief soweit in den Gegenstand gedrückt, bis die gewünschte Tiefe der Vertiefungen gebildet ist. Diese entspricht oftmals dem Höhenunterschied (D) des Reliefs, manchmal ist die Tiefe der Vertiefungen jedoch geringer als der Höhenunterschied (D) des Reliefs. In Bezug auf die Vertiefungen im umgeformten Gegenstand wird der eingebrachte Höhenunterschied (D) des übertragenen Musters als Rauigkeit Rz oder auch als Stempeltiefe bezeich- net. In der Regel ist beim Stempeln eines Gegenstands auf der dem Stempel abgewandten Seite des Gegenstands ein weiteres Werkzeug oder eine Platte oder ähnliches vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass der umzuformende Gegenstand nicht etwa durch ein sich Verbiegen dem Stempel ausweichen kann. Vielmehr wird der umzuformende Gegenstand durch das weitere Werkzeug in Bezug auf die Stempelrichtung in Position gehalten.
In Schritt (iii) wird der mit Vertiefungen versehene Drahtvorläufer zu einem Draht geglüht. Das Glühen erfolgt unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer, bevorzugt bei Temperaturen TG in einem Bereich von 500 bis 900 °C, zum Beispiel in einem Bereich von 550 bis 650 °C, oder von 750 bis 850 °C. Die angegebene Glühtemperatur TG ist die Temperatur, die ein Werkstück, hier der Draht, über eine angegebene Zeit hat. Das Glühen des Drahtes dauert etwa 10 Sekunden bis 6 Minuten.
Das Glühen kann diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bevorzugt wird das Glühen kontinuierlich durchgeführt. Dazu eignet sich ein Durchlaufofen. Dabei wird eine Durchlaufstrecke im Durchlaufofen und eine Temperatur To des Durchlaufofens so gewählt, dass ein die Durchlaufstrecke durchlaufender Draht für die oben angegebene Dauer die Temperatur TG aufweist. In allen Fällen kann die Ofentemperatur, zum Beispiel des Durchlaufofens To höher sein als die Glühtemperatur TG. Auch kann die Durchlaufstrecke des Durchlaufofens länger sein und an den Ein- und Auslässen einen Temperaturgradienten aufweisen. Ferner ist es möglich, einen Durchlaufofen mit einer Mehrzonenheizung einzusetzen. Damit können bestimmte Temperaturprofile auf einen durchlaufenden Draht angewendet werden.
Der Durchlaufofen kann konventionell über eine in der Ofenwand liegende oder eine auf die Ofenwand von außen wirkende Heizvorrichtung auf Temperatur gebracht und gehalten werden. Dazu eignet sich eine elektrische Heizung. In einer anderen Ausführungsform kann die Glühtemperatur TG im Durchlaufofen durch ein Plasma erzeugt werden. Dazu kann ein Stickstoff-Plasma verwendet werden, z.B. bei einer typischen Leistung von 750 W und einem Prozessgasdruck (N2) von 25 mbar.
Bevorzugt wird das Glühen des Drahtes in einer Atmosphäre, zum Beispiel Stickstoff (N2), durchgeführt. Dies wird auch als Schutzgasatmosphäre bezeichnet. Dabei wird möglichst die Gegenwart von Sauerstoff (O2) ausgeschlossen, um eine oberflächliche Oxidation des Drahtes zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Atmosphäre einen Anteil von bis zu 10 Vol.-%, zum Beispiel in einem Bereich von 2 bis 8 Vol.-%, oder etwa 5 Vol.-% Wasserstoff (H2) auf. Der Wasserstoff wirkt in der Schutzgasatmosphäre reduzierend. Das bewirkt, dass an dem Draht etwaig oberflächlich zu Kupferoxiden (CuO oder Cu2O) oxidiertes Kupfer zu elementarem Kupfer reduziert wird.
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Draht erhältlich nach einem Verfahren gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung oder einer der dazu beschriebenen Ausführungsformen, oder einer Kombination mehrerer der dazu beschriebenen Ausführungsformen. Ein driter Gegenstand, bevorzugt erhältlich durch das Verfahren nach dem ersten Gegenstand, oder als Ausführungsform des zweiten Gegenstands, ist ein Draht mindestens gekennzeichnet durch mindestens folgende Merkmale:
(a) Eine erste Stelle des Drahtes, im Falle eines Bändchens eine erste Seite, weist eine Rauigkeit Rz von 3 bis 9 pm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9pm, oder 5 bis 9 pm auf;
(b) Einen Quotienten von AL2 und AL 1 von 2 oder mehr, bestimmt nach der im Zusammenhang mit dem ersten Gegenstand der Erfindung beschriebenen Methode;
(c) Einen Anteil von mindestens 95 Gew.-% Kupfer, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes (2).
Bevorzugt ist der Draht durch mindestens eines der folgenden, weiteren Merkmale gekennzeichnet:
(d) mindestens eine weitere Stelle des Drahtes ist glatt; im Falle eines Bändchens ist mindestens eine weitere
Seite des Bändchens glatt;
(e) der Draht weist eine Querschnitsfläche QA in einem Bereich von 25000 bis 900000 pm2 auf.
Weiterhin bevorzugt weist der Draht die Merkmale (a) bis (c), und zusätzlich mindestens eines der weiteren Merkmale (d) oder (e), weiter bevorzugt beide Merkmale auf.
Ein vierter Gegenstand ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung beinhaltend mindestens eine elektrisch leitende Verbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
(I) Bereitstellen eines Substrats mit mindestens einer ersten Kontaktfläche und eines Drahtes;
(II) Positionieren des Drahtes in einer mechanischen Verbindung mit der ersten Kontaktfläche;
(III) Erhitzen einer ersten Stelle des Drahtes mittels elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 700 bis 1100 nm, unter Erhalt einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche und dem Draht, wobei die erste Stelle des Drahtes eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 pm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9 pm, oder 5 bis 9 pm aufweist, wobei eine von der ersten Stelle des Drahtes abgewandte weitere Stelle des Drahtes, die der Kontaktfläche zugewandt ist, eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 0,1 bis 1 pm.
Als elektromagnetische Strahlung werden bevorzugt Laserstrahlen ausgewählt. Laserstrahlen sind elektromagnetischer Wellen, oft eines sehr engen Frequenzbereiches und die eine hohe Strahlungsintensität aufweisen. Besonders bevorzugt sind Laserstrahlen mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1100 nm. Zum Erhitzen eines Drahts wie in Schrit (III) wird beispielsweise ein 400 W Faserlaser mit einem Fokusdurchmesser von 25 pm verwendet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Draht ein Bändchen. Die erste und weitere Stelle des Bändchens sind dann jeweils ein Teil einer ersten bzw. einer weiteren Seite, oder einer ersten bzw. einer weiteren Seite als Ganzes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der im vierten Gegenstand erwähnte Draht herstellbar durch das als ersten Gegenstand der Erfindung beschriebene Verfahren, oder ein Draht gemäß dem zweiten oder dritten Gegenstand der Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen des ersten, zweiten und dritten Gegenstands der Erfindung betreffend den Draht sind auch im vierten Gegenstand für den Draht bevorzugt.
Unter einer elektrisch leitenden Verbindung wird im vorliegenden Kontext ein Kontakt zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen, zum Beispiel einem Draht mit einer Kontaktfläche (beispielsweise eines Leistungshalbleiters oder einer Substratoberfläche (beispielsweise DCB oder Leadframe) verstanden.
Der Draht gemäß viertem Gegenstand der Erfindung ist bevorzugt erhältlich nach dem Verfahren gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung oder einer ihrer Ausführungsformen.
Die Rauigkeit Rz gemäß viertem Gegenstand der Erfindung wurde bevorzugt an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Eindrücken erzeugt. Als Eindrücken wurde bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken und Furchen, oder einer Kombination von zwei oder mehr davon.
Zum Beispiel wurde die Rauigkeit Rz an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Walzen herbeigeführt, zum Beispiel ein Prägewalzen.
Zum Walzen konnte zum Beispiel eine Walze ein Relief zum Herstellen eines Drahtes beinhalten. Das Relief wies bevorzugt einen Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm auf. Damit konnten durch die Walze an mindestens einer Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, beinhaltend mindestens:
(1) Eine erste Kontaktfläche;
(2) Einen Draht gemäß dem zweiten oder dritten Gegenstand der Erfindung, oder einen Draht erhältlich nach einem Verfahren gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung, oder gemäß einer oder mehrerer der jeweils dazu beschriebenen Ausführungsformen; wobei der Draht elektrisch leitend mit der ersten Kontaktfläche verbunden ist.
Optional kann der Draht mit einer oder mehreren weiteren Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden sein.
Ein fünfter Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung einer Walze beinhaltend ein Relief zum Herstellen eines Drahtes, wobei die Walze eine - bevorzugt zylindrische - Oberfläche aufweist, und das Relief durch einen Höhenunterschied (D) der Oberfläche in einem Bereich von 3 bis 9 pm - zum Beispiel von 4 bis 8 gm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9pm, oder 5 bis 9 pm - gekennzeichnet ist, wobei durch die Walze auf mindestens einer Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht werden. Bevorzugt werden die Vertiefungen, wenn der Draht ein Bändchen ist, auf einer Seite des Drahtes eingebracht.
Ein sechster Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung einer Walze beinhaltend ein Relief zum Einstellen der Rauigkeit Rz an mindestens einer Stelle eines Drahtes in einem Bereich von 3 bis 9 pm - zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9 pm, oder 5 bis 9 pm -, wobei die Walze eine - bevorzugt zylindrische - Oberfläche aufweist, und das Relief durch einen Höhenunterschied (D) der Oberfläche gekennzeichnet ist. Bevorzugt wird die Rauigkeit Rz, wenn der Draht ein Bändchen ist, auf einer Seite des Drahtes eingebracht. Bevorzugte Ausführungsformen des ersten Gegenstands der Erfindung sind auch hier bevorzugt, soweit sie auf die Walze, das Einstellen der Rauigkeit Rz, die Rauigkeit Rz und den Höhenunterschied (D) Bezug nehmen.
Figuren
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren und Beispielen weiter exemplarisch illustriert. Weder die Figuren, noch die Beispiele bedeuten eine Einschränkung der beanspruchten Gegenstände.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Drahtes oder eines Drahtvorläufers.
Fig. 2 zeigt einen Blick auf eine Querschnittsfläche QÄ des in Figur 1 gezeigten Objekts.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Einbringen von Vertiefungen in einen Draht.
Fig. 4 zeigt ein Bändchen a) mit Relief, b) mit Bürstung.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung mit einem Draht und einer Kontaktfläche.
Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Drahtes 2 oder eines Drahtvorläufers 1 gekennzeichnet durch seine Länge L und eine Querschnittsebene QE.
Figur 2 zeigt einen Blick auf eine Querschnittsfläche QÄ, als Teil der in Figur 1 gezeigten Querschnittsebene QE. Durch die Querschnitsfläche QÄ sind zwei senkrecht aufeinander stehende Linien LI, L2, gelegt. Diese schneiden die Querschnitsfläche QÄ in den Rändern des Drahtes 2 bzw. des Drahtvorläufers 1. Dadurch werden die Abschnitte ALI und AL2 der Linien LI und L2 gebildet.
Figur 3 zeigt schematisch ein Verfahren zum Einbringen von Vertiefungen 3 in einen Draht 2 mittels einer Walze mit einem Relief (obere Walze, ohne Bezugszeichen). Die untere Walze ist optional und kann durch eine andere Gegenoberfläche ersetzt werden. Figur 4 zeigt die Oberflächentopographie a) eines Bändchens 2 mit eingebrachtem Muster 6 aus Vertiefungen 3; b) eines gebürsteten Bändchens.
Figur 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 beinhaltend einen Draht 2, der eine erste Kontaktfläche 12 mit ei- ner zweiten Kontaktfläche 13 verbindet.
Testmethoden a. Bestimmung der Reliefhöhe und Rauigkeit
Die Bestimmung der Reliefhöhe D als auch der Rauigkeit Rzdes Drahtes erfolgte in Anlehnung an die Normen DIN EN ISO 4287 (2010-07) (Definition und Kenngrößen) und DIN EN ISO 4288 (1998-04) (Regeln und Verfahren)., wobei die Reliefhöhe der Walze sowie die Rauigkeit des Drahtes quer zur Walzrichtung bestimmt wurde. Abweichend von der Norm DIN EN ISO 4288 wurde auf Grund der geometrischen Gegebenheiten der Bändchen über eine kürze Einzel- als auch Gesamtmessstrecke gemessen. Als ausreichend lange Einzelmessstrecke wurde mindestens ein Drittel der Bändchen- bzw. der effektiv genutzten Walzenbreite definiert. Es wurde ein Mahr Perthometer PCV mit einer 2 pm großen Diamantspitze verwendet. Die Bestimmung erfolge an mindestens zwei verschiedenen Stellen des Drahtes bzw. der Walze. Die Auswertung der gemessenen Daten erfolgte in Anlehnung an die DIN EN ISO 4287 mit dem Programm MahrSurface XCR20 VI.20-4. b. Bestimmung der Querschnittsfläche eines Drahtes oder Bändchens
Zur Bestimmung der Querschnittsfläche wurde ein metallografischer Schliff angefertigt und mit Hilfe eines optischen Mikroskops ausgemessen.
Beispiele
Die Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele weiter illustriert. Die Erfindung ist nicht auf die Beispiele und darin gezeigte Merkmalskombinationen oder Parameter beschränkt.
1. Herstellen von Kupferbändchen
Als Ausgangmaterial wurden Kupfemmddrähte mit einem Durchmesser von 0,78 mm und einer Reinheit von 99,98 Gew.% Cu verwendet. Die Drähte wurden durch eine Umformanlage mit zwei Walzen aus Hartmetall in der in Figur 3 skizzierten Anordnung geführt. Die Walze Nr. 1 (in der Figur unten) war ein glatter Zylinder mit einem Durchmesser von 96 mm. Die Walze Nr. 2 (in der Figur oben) hatte ebenfalls eine zylindrische Grundform mit einem Durchmesser von 96 mm. Im Falle der umgeformten Drähte (1) - (3) wies die Oberfläche der Walze Nr. 2 ein Relief mit einer Reliefhöhe D (Dmax) auf. Im Falle der umgeformten Drähte (A) und (B) war die Oberfläche der Walze Nr. 2 glatt und wies keinerlei Reliefstruktur auf. Die Drähte wurden zwischen den gegenläufig, aber in Transportrichtung der Drähte, rotierenden Walzen Nr. 1 und Nr. 2 hindurchgeführt. Die Walzen Nr. 1 und Nr. 2 wiesen zwischen sich einen Walzspalt S auf. Dieser wurde als kürzeste Entfernung zwischen der Oberfläche von Walze Nr. 1 und der Oberfläche der zylindrischen Grundform von Walze Nr. 2, also an einer Stelle ohne Relief, eingestellt und bestimmt. Die Auslaufgeschwindigkeit der Drähte in Transportrichtung war identisch mit der Rotationsgeschwindigkeit v der Walzen an der Kontaktfläche mit dem Draht. Als Walzöl wurde ein schnell verflüchtigendes Walzöl B-Clean 62S verwendet. Nach dem Walzschritt, wurden die umgeformten Drähte (1) - (3) und (A) und (B) in einem 2,5 m langen Durchlaufofen bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 10 m/min und einer Glühtemperatur TG von 650°C in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht. Nach dem Glühen wurden die umgeformten Drähte an Umgebungstemperatur abgekühlt. Die umgeformten Vergleichsdrähte (A) und (B) wurden nach dem Glühprozess gemäß den Kenndaten in Tabelle 2 gebürstet. Die Kenndaten der umgeformten Drähte (1) - (3) sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Tabelle 2 . Beurteilung der Qualität der umgeformten Drähte
Die Qualität der umgeformten Drähte wurde einerseits optisch in Hinblick auf unerwünschte Rückstände auf der Oberfläche mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen beurteilt:
+: keine Rückstände, -: wenig Rückstände, - - : viel Rückstände Im nächsten Schritt wurde das Verhalten der umgeformten Drähte beim Laserbonden in Hinblick auf eventuell auftretendes Spritzverhalten untersucht. Hierzu wurden die umgeformten Drähte in identisch aufgebauten elektronischen Komponenten unter den gleichen Einstellungen des Laserbonders gebondet. Auftretende Spritzer wurden mit Hilfe eines optischen Mikroskops ausgezählt: +: keine Spritzer, wenig Spritzer, - viele Spritzer.
Es wurde beobachtet, dass die gebürsteten, umgeformten Drähte (A) und (B) Rückstände auf der Oberfläche zeigten. Dabei wurden im Falle der größer eingebrachten Vertiefungen mehr Rückstände auf der Oberfläche identifiziert. Diese Rückstände führten zu Spritzverhalten der gebürsteten, umgeformten Drähte (A) und (B) beim Laserbondprozess. Hingegen konnten keine Rückstände auf den Oberflächen der umgeformten Drähte (1) - (3) festgestellt werden.
Die umgeformten Drähte (1) und (2) mit einer Rauigkeit von Rz kleiner als 9 pm zeigten kein Spritzverhalten im Laserbondprozess. Hingegen zeigte der umgeformte (3) mit einer erhöhten Rauigkeit von Rz von 18,6 pm ein deutliches Spritzverhalten im Laserbondprozess.
Bezugszeichenliste
1 Drahtvorläufer
2 Draht
3 Vertiefung
4 Walze
5 Oberfläche der Walze
6 Relief
7 Erste Seite
8 Weitere Seite
10 Vorrichtung
11 Substrat
12 Erste Kontaktfläche
D Höhenunterschied
QE Querschnittsebene
QA Querschnittsfläche
L Länge
L1, L2 Linie
ALI, AL2 Abschnitt

Claims

Ansprüche
1. Ein Verfahren zum Herstellen eines Drahtes (2), beinhaltend zumindest folgende Schritte:
(i) Bereitstellen eines Drahtvorläufers (1);
(ii) Eindrücken von Vertiefungen (3) auf dem Drahtvorläufer (1); und
(iii) Glühen des mit Vertiefungen (3) versehenen Drahtvorläufers (1) unter Erhalt des Drahtes (2); wobei der Draht (2) einen Anteil von mindestens 95 Gew. -% Kupfer aufweist, den Anteil bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes (2).
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Eindrücken ausgewählt ist aus der Gmppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken, Furchen.
3. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eindrücken durch Walzen erfolgt.
4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Walzen durch mindestens eine Walze (4) erfolgt, wobei die Walze (4) eine zylindrische Oberfläche (5) mit einem Relief (6) aufweist, wobei das Relief (6) durch Höhenunterschiede (D) der zylindrischen Oberfläche (5) gebildet ist.
5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm beträgt.
6. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vertiefungen (3) ein Muster bilden.
7. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Draht (2) mehrere Stellen (7, 8) aufweist, wobei die Vertiefungen (3) nur an einer ersten Stelle (7) eingebracht sind.
8. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Draht (2) an mindestens einer Stelle eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 pm aufweist.
9. Das Verfahren nach Anspmch 7, wobei mindestens eine weitere Stelle (8) des Drahtes (2) glatt ist, wobei die mindestens eine weitere Stelle (8) sich auf der der ersten Stelle (7) abgewandten Stelle des Drahtes (2) befindet.
10. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Draht (2) ein Bonddraht, bevorzugt ein Bändchen ist.
11. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Draht (2) und dem Drahtvorläufer (1) eine Querschnittsfläche QA in einem Bereich von 25000 bis 900000 pm2 aufweist, wobei die Querschnittsfläche QA senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsebene QE durch ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Drahtvorläufer (1b) und dem Draht (2) gelegt ist, wobei die Querschnittsebene QE senkrecht zu einer Längsrichtung L des Elements angeordnet ist, wobei die Querschnittsebene QE eine Querschnittsfläche QA mit dem Element bildet, wobei die Querschnittsfläche QA zwei sich senkrecht kreuzende Linien LI und L2 beinhaltet, wobei ein kürzest möglicher Abschnitt ALi der Linie LI durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, und wobei ein längst möglicher Abschnitt AL2 der Linie L2 durch einen Schnitt mit dem Rand von QA definiert ist, wobei der Quotient aus AL2 und AL1 eine Zahl von 2 oder mehr beträgt. Ein Draht (2) erhältlich nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12. Eine Verwendung einer Walze (4) beinhaltend ein Relief (6) zum Herstellen eines Drahtes, wobei das Relief (6) durch einen Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm gekennzeichnet ist, wobei durch die Walze an mindestens einer Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht werden Eine Verwendung einer Walze (4) beinhaltend ein Relief (6) zum Einstellen der Rauigkeit Rz an mindestens einer Stelle eines Drahtes in einem Bereich von 3 bis 9 pm, wobei das Relief (6) durch einen Höhenunterschied (D) gekennzeichnet ist. Ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung beinhaltend mindestens eine elektrisch leitende Verbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
(I) Bereitstellen eines Substrats mit mindestens einer ersten Kontaktfläche und eines Drahtes, wobei der Draht optional erhältlich ist nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12;
(II) Positionieren des Drahtes in einer mechanischen Verbindung mit der ersten Kontaktfläche;
(III) Erhitzen einer ersten Stelle des Drahtes mittels elektromagnetischer Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 700 bis 1100 nm, unter Erhalt einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche des Substrats und dem Draht, wobei die erste Stelle des Drahtes eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 3 bis 9 pm, zum Beispiel von 4 bis 8 pm, oder 5 bis 7 pm, oder 4 bis 9 pm, oder 5 bis 9 pm aufweist, wobei eine von der ersten Stelle des Drahtes abgewandte weitere Stelle des Drahtes, die der Kontaktfläche zugewandt ist, eine Rauigkeit Rz in einem Bereich von 0,1 bis 1 pm aufweist, wobei die Rauigkeit Rz an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Eindrücken ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Körnen, Kerben, Prägen, Stempeln, Senken und Furchen, oder einer Kombination von zwei oder mehr davon, erzeugt wurde. 17. Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Stelle des Drahtes oder die erste Seite des Drahtes auf der von der ersten Kontaktfläche des Substrats abgewandten Seite des Drahtes angeordnet ist.
18. Das Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Rauigkeit Rz an mindestens der ersten Stelle des Drahtes durch ein Walzen herbeigeführt wurde, wobei zum Walzen bevorzugt eine Walze beinhaltend ein Relief zum Herstellen eines Drahtes eingesetzt wurde, durch die auf mindestens eine Stelle des Drahtes Vertiefungen eingebracht worden sind, wobei das Relief durch einen Höhenunterschied (D) in einem Bereich von 3 bis 9 pm gekennzeichnet ist.
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