WO2010066238A2 - Verfahren zur miniaturisierbaren kontaktierung isolierter drähte - Google Patents

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Thorsten Meiss
Tim Rossner
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WERTHSCHÜTZKY, Roland
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    • H01L2924/20—Parameters
    • H01L2924/207—Diameter ranges
    • H01L2924/20752—Diameter ranges larger or equal to 20 microns less than 30 microns

Definitions

  • miniaturization When contacting electrical components often insulated wires are used. In many products, the trend towards miniaturization of components leads to large material savings. The miniaturized components can be produced in the rule because of the small dimensions in the benefit, so many components are made in parallel on a support, resulting in immense cost savings. Above all, miniaturization also enables the development of new applications through miniaturized components and assemblies.
  • the blood pressure directly in the coronary vessels can be determined by means of very small sensors.
  • Miniaturized actuators can also be used to send and in turn to receive sound waves in the coronary vessels and thus the flow velocity of the blood can be determined via the frequency shift.
  • the reaction force of instruments in the coronary vessels can be measured.
  • miniaturized electrical components can be found in the aerospace industry, but also in the automotive industry, the building services industry and in the consumer goods industry, and in future in almost all areas of technology.
  • micro-sensors must be powered by several meters of energy and the signals are routed.
  • advantageously electrical wires often microcable used. In order to protect them against short circuits and against external influences as well as to ensure mechanical protection, these wires can be made insulated from each other. For many applications, a particularly stable, completely enclosed insulation, which prevents any current flow even in humid environments, is necessary.
  • a known contacting method which is used in microtechnology, is the ultrasonic wire bonding, which is the standard for the cold welding of micro wires. It is rarely used to contact micro wires with lengths greater than 60 centimeters, because the wire feed is usually done by a very thin capillary, which is not optimized for pulling the wire. In general, wire bonding is used for short contacting distances from the chip to the chip carrier. Recent efforts are aimed at bonding electrically insulated wires.
  • a further increase in the bonding energy can lead to the destruction of the component and is often not suitable for sensitive half-conductor chips.
  • Even contacting by means of flames or sparks of shaped spheres, as proposed in DE 3642221C2 is not easy to carry out even today with copper wires and, due to the small process windows, is not frequently used in the prior art.
  • Both methods have the disadvantage that in each case the isolation by a. Energy input must be removed defined, without destroying the wire or the chip. Especially with the here required stable insulation and the accuracy of the required contact point, this is hardly possible and remain remains of the insulation in Contact area.
  • the currently available wires that would be suitable for micro-contacting do not have the necessary stability with respect to mechanical abrasion resistance of the insulation, not completely closed and thus waterproof insulation, as well as excessive costs.
  • the metals used are designed for contacting by means of ultrasonic bonding and thus have a ductility which precludes the highest possible tensile strength of the wire, as it is desirable and necessary for simple and cost-effective handling of long micro-wires.
  • Another method for contacting electrical wires on microcomponents is the electrically conductive bonding.
  • the surfaces of the contact point are finished, for example by a gold coating, in order to obtain a low contact resistance over the long term.
  • Difficult here is the dosage of the adhesive or Lotosschers in the nanoliter range.
  • the order by means of microdispenser is very expensive, since an alignment of each contact is necessary.
  • Another possibility would be the order of the contact aid on the wire end to be contacted.
  • the contact aid due to adhesion forces, the contact aid generally draws a distance along the wire so that sufficient contact aid does not remain in the actual contact area.
  • the creation of a defined contact area at the wire end is difficult.
  • the first isolation step with a long-wave laser is to be carried out so that a material thickness in the micrometer range remains, which in turn is removed with a short-wave laser.
  • These methods are complex and it is difficult to provide micrometer-accurate stripping on the length of the wire and the insulation must be suitable for laser processing and be present in a homogeneous thickness.
  • a defined contact area can be created by the insulation is weakened, thus a predetermined breaking point is generated, and the insulation is exposed by shifting to one side of a defined line area and subsequently coated, as disclosed in DE 33 12 190 C1 discloses. This is only very limited or not applicable with a required stable insulation on a single conductor, since a strong coating can not be moved.
  • the accurate to a few micrometers positioning by moving the insulation due to the necessary micromanipulators certainly only extremely difficult and therefore not usefully applicable.
  • the method according to the invention solves the problems of the defined production of the non-isolated region, it enables the production of suitable surface layers in this contact region and thus reduces the use of precious metals to a minimum. At the same time it enables the dosage and application of the contact aid in a simple manner, in the same positioning step as it has to be used anyway for the alignment of the wires for contacting. It allows the choice of a stable insulation optimized for the application, regardless of the type of contacting. It allows the use of inexpensive and mechanically stable standard wires, such as copper wires from high frequency technology.
  • the method solves the electrical contacting of microsensors to a thin elongated device such as a guidewire or catheter.
  • a contact additive adheresive, solder, etc.
  • the method solves the electrical contacting of microsensors to a thin elongated device such as a guidewire or catheter.
  • it can also be advantageously used for other applications in the field of contacting microcomponents with long, insulated wires, in which the criteria of high insulation strength and low price of the line are important requirements.
  • this sphere is either electrolessly or galvanically selectively coated with gold.
  • Alternative coating systems such as tin layers in combination with silver are also applicable. Due to the still existing insulation of the wire, only the deposited sphere is coated with gold, which limits the use of precious metals to a necessary minimum.
  • the process can preferably be carried out in terms of usefulness, ie several wires can be processed simultaneously, or these benefits can also be processed very quickly in series. After rinsing the wires, the contacting takes place.
  • the wires are prepositioned roughly over the component and applied by means of a tool, in the simplest case of a pin, preferably liquid Lotoksstoff on the contact coating. Due to the execution as a spherical or mushroom-shaped deposition of the excipient attracts only on the prepared deposit, whereby the amount of the contact aid is easily limited and defined on the size of the deposition defined. In contrast to the use of normal straight wires so that the contact aid is located directly at the contact point. By joining the wire end and the contact point of the component of the contact aid from the ball also attracts to the contact field of the component. Thus, the contact is made. Depending on the materials used and subsequent processes, it may be necessary to heat the contact material, for example by means of a heater mounted under the component.
  • a subsequent bonding of the wire contacting with the component by means of a non-conductive adhesive may be useful for increased mechanical and electrical stability of the contact.
  • the contact aid is not used and the contacting is carried out directly by means of cold welding (wire bonding technique) or by means of heat welding by current, laser or spark welding methods.
  • Possible variations in the process are the treatment of the cutting edge with dilute sulfuric acid and hydrogen peroxide to increase the adhesion of the deposit or to create an optimized surface when the time between cut and first coating is longer than five minutes.
  • Other variations are the replacement of the galvanic with a chemical coatings, which are not so easy to monitor in the process, but it can eliminate the electrical contact of the non-coated wire end.
  • variations of the process can be done by optimizing the cutting edge, which are for example made obliquely, or can be done by grinding in a holder or by simply scoring the insulation.
  • nickel offers particular advantages in terms of copper adhesion, copper to gold diffusion, and simple, stable process control
  • the exemplary process is not limited to the material components presented and other electroplating or chemical coating systems may be used.
  • the method offers particular advantages due to a defined structure, and in addition a particularly simple dosage of the excipient, so of adhesive or solder.
  • There which selectively modifies the pad, lead wire, insulation and contact area can be individually optimized. This makes it possible to produce insulated wires with favorable but stable insulation and for the first time can be contacted on microcontacts, since stable contact insulation can not be achieved with stable insulation.
  • some contacts are known in which electrically conductive layers are grown, or spherical structures are used for contacting.
  • GB 1024540 describes an attachment possibility of conductive pins in non-conductive substrates under heat. This application does not address the microstructibility and the creation of defined contact areas on insulated wires.
  • Fig. 1 is a view of a conventional wire with insulation and applied contact aid.
  • Fig. 2a is a view of a wire according to the invention with insulation and spherically deposited contact area.
  • Fig. 2b is a view of a wire according to the invention with insulation and mushroom-shaped or otherwise deposited contact area.
  • Fig. 3 shows the improved deposition coating at the contact point of the contact additive according to the invention.
  • Fig. 4 a represents a contacting of a component by means of inventive wire and contact aid.
  • Fig. 4 b illustrates a contacting of a component by means of inventive wire without contact aid.
  • Fig. 5 is a sketch of a galvanic coating of the wire ends, which can also be used for two-sided coating of one and more wires.
  • Fig. 6 shows a possibility for the automated production of wires on a carrier tape.
  • liquid contact additive such as solder or adhesive
  • this does not pull on standard wires at the contact point on the front surface of the wire, but due to adhesion and cohesion forces a piece along the wire and forms a collection a some distance from the front surface of the wire, as shown in Fig. 1.
  • the amount of this adhesive is usually unspecific and too much for a contact.
  • the front surface of the wire continues to provide generally no sufficient surface for a stable electrical and mechanical contact.
  • a wire according to the invention can be produced from a simple wire. This is processed by cutting, grinding or similar on the front surface. Subsequently, the adhesion of a spherical, conductive deposit takes place by growth. Alternatively, as shown in FIG. 2b, this deposition may also be mushroom-shaped or otherwise. Very short coating times allow the wire to be finished, longer coating times produce for the dosage of the contact additive (101) special flow stop edges with an angle ⁇ orientation, preventing the contact aid from being absorbed by the insulated wire but remaining in the contact area.
  • the contact aid (101) rests on the wire (100) only on the deposit (102) and not as shown in FIG. 1, as shown in FIG.
  • the amount of adhesive to be applied can be metered in a simple manner.
  • Other parameters for the adhesive dosage are the ratio of the surface activity of the outer coating of the deposition and the contact assistant, as well as the surface tension and the viscosity of the contact aid. For a selected material system, however, the latter parameters remain constant, so that in the process the amount of the applied contact additive (101) can be controlled in a simple manner via the size of the deposit (102).
  • a contact with the wire according to the invention is shown.
  • the contact aid By touching the deposit (102) with the contact aid, it draws on the deposit with a defined amount.
  • the dosage of the contact aid is thus carried out in a very simple manner.
  • the contact area When contact aid is applied to the deposit, the contact area may be brought into contact with the second contact area and a defined one The amount of contact aid draws from the deposit (101) on the contact surface (103) of the component (104) and thus establishes the electrical contact.
  • Another very favorable type of contacting which is possible in particular with the wire according to the invention is also the contacting without contact aid by means of ultrasonic welding according to Fig. 4 b.
  • a further positioning of the bonding tool (113) in addition to the wire is necessary, however, proven technologies can be applied to the contacting of stably insulated wires.
  • ultrasonic bonding technology will also be applicable to stably insulated wires.
  • a preferred method of production is the deposition by means of galvanic coating according to FIG. 5.
  • the current intensity can be integrated over time with an integrator (109) and thus the size of the deposition can be set very precisely via the charge which has flowed.
  • the front surfaces of the wire ends are exposed by a named method and introduced into a container filled with electrolyte (105).
  • the second wire end is electrically contacted, for example via an electrical contact or, as shown in Fig. 5, via a second electrolytic contact.
  • the latter simplifies the coating of microcables that are difficult to contact.
  • the deposition can also be timed out of reductive chemical baths. As a rule, a refinement of the surface should take place after the first deposition.
  • the coatings can in turn be carried out galvanically, chemically or in the latter simply by immersion in a solution of the substance to be coated.
  • Fig. 6 shows a principle manufacturing method of the wires according to the invention.
  • One or a plurality of wires are fixed on a carrier substrate (110).
  • Substart holes are inserted, for example by means of punching, exposing the electrically conductive surfaces of the wire. Alternatively, it is sufficient to just scratch or saw through the wire, and to damage the carrier only minimally. This allows easy further processing.

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Abstract

Die Erfindung ermöglicht die Kontaktierung von vorzugsweise Mikrobauteilen mit elektrischen Drähten. Durch Anwachsen von metallischen Mikro-Abscheidungen an Schnittflächen von Mikrokabeln wird ein Kontaktbereich geschaffen, der die Dosierung und Applikation eines Kontakthilfsstoffes vereinfacht, das Ultraschallbonden zulässt, eine definierte Größe des elektrisch leitfähigen Gebietes aufweist und die Kontaktierung sehr stabil isolierter Drähte zulässt. Das Verfahren ist im Nutzen und in Serie günstig anwendbar.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zur miniaturisierbaren Kontaktierung isolierter Drähte
Einleitung
Bei der Kontaktierung von elektrischen Bauteilen finden häufig isolierte Drähte Verwendung. In vielen Produkten führt der Trend zur Miniaturisierung von Bauteilen zu großen Materialeinsparungen. Die miniaturisierten Bauteile lassen sich aufgrund der kleinen Abmessungen in der Regel im Nutzen herstellen, so werden sehr viele Bauteile auf einem Träger parallel gefertigt, wodurch sich immense Kostenersparnisse ergeben. Die Miniaturisierung ermöglicht aber vor allem auch das Erschließen neuer Anwendungen durch miniaturisierte Bauteile und Baugruppen.
So kann beispielsweise in der Medizintechnik mittels sehr kleiner Sensoren der Blutdruck direkt in den Herzkranzgefäßen bestimmt werden. Miniaturisierte Aktoren können auch zum Aussenden und wiederum zum Empfangen von Schallwellen in den Herzkranzgefäßen verwendet und so über die Frequenzverschiebung die Flussgeschwindigkeit des Blutes bestimmt werden. Zusätzlich kann während Katheterisierungen mittels miniaturisierter Kraftsensoren die Reaktionskraft von Instrumenten in den Herzkranzgefaßen gemessen werden. Weitere Anwendungen von miniaturisierten elektrischen Bauteilen lassen sich in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Automobilbau, der Gebäudetechnik und in der Konsumgüterindustrie, und in Zukunft in nahezu allen Bereichen der Technik finden. Häufig müssen Mikro-Sensoren über mehrere Meter mit Energie versorgt und die Signale geleitet werden. Hierfür werden, im Besonderen wenn Verbindungslängen über 60 cm vorliegen, vorteilhaft elektrische Drähte, häufig Mikrokabel, verwendet. Um diese gegen Kurzschluss untereinander sowie gegen äußere Einflüsse zu schützen, sowie um einen mechanischen Schutz zu gewährleisten, können diese Drähte gegeneinander isoliert ausgeführt werden. Für viele Anwendungen ist eine besonders stabile, vollständig geschlossene Isolierung, die jeglichen Stromfluss auch in feuchter Umgebung unterbindet, notwendig.
Stand der Technik
Für die Herstellung von elektrischen Mikrobauteilen gibt es heutzutage Standard- Verfahren der Halbleitertechnik. Auch die Herstellung von elektrisch stabil isolierten Drähten ist Stand der Technik, beispielsweise bei der Herstellung von Drähten der Hochfrequenztechnik, die Durchmesser von unter 20μm aufweisen können und kostengünstig aus Kupfer, und damit auch mit sehr hoher Leitfähigkeit, herstellbar sind. Derzeit gibt es allerdings kein Verfahren, welches die reproduzierbare, kostengünstige Kontaktierung von stabil isolierten, kostengünstigen Drähten auf Mikrobauteilen ermöglicht. Dieses Problem wird erstmals durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gelöst.
Um isolierte Drähte zu elektrisch zu kontaktieren, muss an der Kontaktstelle ein Bereich geschaffen werden, der nicht isoliert, sondern gut elektrisch kontaktierbar ist. Ein bekanntes Kontaktierverfahren, welches in der Mikrotechnik Verwendung findet, ist das Ultraschall-Drahtbonden, welches zum Kaltverschweißen von Mikrodrähten den Standard darstellt. Um Mikrodrähte mit Längen größer 60 Zentimeter zu kontaktieren wird es seltener angewendet, da die Drahtzufuhr in der Regel durch eine sehr dünne Kapillare erfolgt, die zum Ziehen des Drahtes nicht optimiert ist. In der Regel wird das Drahtbonden für kurze Kontaktierungsstrecken vom Chip bis zum Chipträger angewendet. Neuere Bestrebungen zielen auf das Bonden elektrisch isolierter Drähte ab. Dies resultiert aus den immer kleiner werdenden Kontaktabständen und der geringeren Biegesteifigkeit dünnerer Drähte, so dass durch Umfallen vor dem Umspritzen eines Bauteils mit Kunststoff Kurzschlüsse entstehen könnten. Die mechanische Stabilität des verwendeten Isolierungsmaterials dieser bondfähigen Drähte ist darauf ausgelegt, leicht durch das Bondwerkzeüg durchstoßen werden zu können. Alternativ kann durch das Abflammen des Drahtes die Isolierung entfernt bzw. großteils geschädigt werden und ein Kontakt durch Bonden hergestellt werden. Weiterhin muss die Isolierung nur eine Kontaktstelle mit Flächengrößen im Bereich weniger Quadratnanometer isolieren, nämlich die Fläche zweier zufallig überlappender Drähte, und bei äußerst geringer mechanischer Belastung. Diese Bond- Verfahren sind somit nicht geeignet, günstige, stabil isolierte Kupferdrähte auf Mikrobauteilen zu kontaktieren. Eine weitere Erhöhung der Bondenergie, wie es in der DE 16905038Al vorgeschlagen wird, kann zur Zerstörung des Bauteils führen und ist häufig nicht für empfindliche Halbeleiterchips geeignet. Auch eine Kontaktierung mittels Flammen bzw. Funken geformter Kugeln wie es in der DE 3642221C2 vorgeschlagen wird, ist auch heutzutage mit Kupferdrähten nicht einfach durchzuführen und gehört aufgrund der kleinen Prozessfenster zum nicht häufig angewendeten Stand der Technik. Bei beiden Verfahren besteht der Nachteil, dass jeweils die Isolierung durch einen. Energieeintrag definiert entfernt werden muss, ohne den Draht oder den Chip zu zerstören. Gerade bei den hier geforderten stabilen Isolierungen und der Exaktheit der geforderten Kontaktstelle ist dies kaum möglich und es verbleiben Reste der Isolierung im Kontaktbereich. Die derzeitig erhältlichen Drähte, die zur Mikrokontaktierung geeignet wären, weisen nicht die notwendige Stabilität bezüglich mechanischer Abriebfestigkeit der Isolierung, keine vollständig geschlossene und somit wasserfeste Isolierung, sowie zu hohe Kosten auf. Die eingesetzten Metalle sind auf die Kontaktierung mittels Ultraschallbonden ausgelegt und weisen somit eine Duktilität auf, die einer möglichst hohen Reißfestigkeit des Drahtes entgegensteht, wie sie aber für einfache und kostengünstige Handhabung von langen Mikrodrähten wünschenswert und notwendig ist.
Ein weiteres Verfahren zur Kontaktierung elektrischer Drähte auf Mikrobauteilen ist das elektrisch leitfähige Kleben. Hierbei werden die Oberflächen der Kontaktstelle veredelt, beispielsweise durch einen Goldüberzug, um langzeitstabil einen geringen Übergangswiderstand zu erhalten. Schwierig hierbei ist die Dosierung des Kleb- oder Lothilfsstoffes im Nanoliterbereich. Der Auftrag mittels Mikrodispenser ist sehr aufwendig, da eine Ausrichtung an jedem Kontakt notwendig ist. Eine weitere Möglichkeit wäre der Auftrag des Kontakthilfsstoffes auf dem zu kontaktierenden Drahtende. Allerdings zieht der Kontakthilfsstoff aufgrund von Adhäsionskräften in der Regel ein Stück am Draht entlang, so dass im eigentlichen Kontaktbereich nicht ausreichend Kontakthilfsstoff verbleibt. Weiterhin ist die Schaffung eines definierten Kontaktbereiches am Drahtende schwierig. Möglichkeiten sind die Verwendung von veredelten und isolierten Kupfer- oder anderen veredelten Metalldrähten. Diese sind im Grundpreis aufgrund des hohen Edelmetalleinsatzes der Beschichtung bzw. Grundmaterials und der geringen Margen für Spezialanwendungen kostenintensiv. Zusätzlich erfordert eine notwendiger Entfernung der Isolierung im Kontaktbereich wiederum eine sehr exakte Einzelmanipulation. So könnte der Draht unter der Isolierung mittels einer Mikroklinge, Laserablation oder der Anwendung von lokaler Hitze oder von Lösungsmittel freigelegt werden. Dies ist aufwendig und kostenintensiv und besonders im Mikrobereich äußerst schwierig durchführbar und eine Quelle für Fehler. So beschreibt beispielsweise die EP 1 396 915 Al ein Verfahren zur Abisolation von Kabelbündeln mittels zweier unterschiedlicher Laserquellen. Hierbei ist der erste Isolierungsschritt mit einem langwelligen Laser so durchzuführen, dass eine Materialdicke im Mikrometerbereich bestehen bleibt, die wiederum mit einem kurzwelligen Laser entfernt wird. Diese Verfahren sind aufwändig und es ist schwierig, eine mikrometergenaue Abisolierung auf der Länge des Drahtes zu schaffen und die Isolierung muss entsprechend für die Laserbearbeitung geeignet sein und in homogener Dicke vorliegen. Ebenso kann ein definierter Kontaktbereich geschaffen werden, indem die Isolierung geschwächt wird, somit eine Sollbruchstelle erzeugt wird, und die Isolierung durch Verschieben zu einer Seite ein definierter Leitungsbereich freigelegt und nachfolgend beschichtet wird, wie es in der DE 33 12 190 Cl beschrieben offenbart ist. Dies ist mit einer geforderten stabilen Isolierung auf einem Einzelleiter nur sehr begrenzt oder gar nicht anwendbar, da sich eine haftfeste Beschichtung nicht verschieben lässt. Weiterhin ist die auf wenige Mikrometer genaue Positionierung durch Verschieben der Isolierung aufgrund der notwendigen Mikromanipulatoren sicherlich nur äußerst schwierig und damit nicht sinnvoll anwendbar.
Die Verfahren aus dem Stand der Technik sind damit nicht geeignet, einen im Mikrometermaßstab wohl definierten Kontaktbereich zu schaffen, dessen Herstellung von den Parametern der Isolierung nahezu unabhängig ist, und sie lösen weiterhin nicht das Problem der Dosierung eines Kontakthilfsstoffes auf einem edlen Kontaktsystem an der Drahtspitze im gleichen Arbeitsprozess mit der gleichen Genauigkeit, wie es im Folgenden offenbart wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Probleme der definierten Herstellung des nicht isolierten Bereiches, es ermöglicht die Herstellung geeigneter Oberflächenschichten in diesem Kontaktbereich und reduziert damit den Edelmetalleinsatz auf ein Minimum. Es ermöglicht gleichzeitig die Dosierung und Applikation des Kontakthilfsstoffes auf einfache Weise, in demselben Positionierschritt wie er für die Ausrichtung der Drähte zur Kontaktierung sowieso angewendet werden muss. Es erlaubt die Wahl einer auf die Anwendung optimierten stabilen Isolierung, unabhängig von Ausführung der Kontaktierung. Es ermöglicht den Einsatz kostengünstigster sowie mechanisch stabiler Standarddrähte, beispielsweise von Kupferdrähten aus der Hochfrequenztechnik.
Folgende Probleme werden durch das Verfahren gelöst:
Kostengünstige Herstellung eines mikro-strukturierten, definierten Kontaktbereiches, dessen Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich gesteuert werden können, Herstellung eines definierten Kontakt-Materialsystems bei minimalem Materialeinsatz Sehr gute Dosierung und Applikation eines Kontakthilfsstoffes (Kleber, Lot, etc.) Reduzierung der Anzahl von Justageschritten Im besonderen löst das Verfahren das elektrische Kontaktieren von Mikrosensoren an einer dünnen langgestreckten Einrichtung wie einem Führungsdraht oder Katheter. Es kann aber auch für weitere Anwendungen im Bereich der Kontaktierung von Mikrobauteilen mit langen, isolierten Drähten vorteilhaft angewendet werden, bei denen die Kriterien hohe Isolationsfestigkeit und geringer Preis der Leitung wichtige Anforderungen darstellen.
Lösung des Problems
Aus der Hochfrequenztechnik sind dünne Drähte mit mechanisch stabiler, vollständig geschlossener, „pinholefreier" Isolierung schon länger Stand der Technik und aufgrund der hohen Abnahmemengen sehr kostengünstig. Diese Drähte sind vor allem auf minimalen Durchmesser mit Dicken um ca. 20 μm und hohe Reißfestigkeit optimiert, Letzteres um stabile Prozesse in der Verarbeitung zu gewährleisten. Sie bestehen aus sehr günstigen Kupfer, bzw. Kupferlegierungen, welches gleichzeitig eine hohe Reißfestigkeit und einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren verwendet im einfachsten und günstigsten Fall diese Drähte. Durch Abschneiden mit einem scharfen Werkzeug entsteht eine definierte Schnittkante mit einem Durchmesser von ca. 20μm bei Standard-Drahtdicken. Auf diese frisch geschaffene Querschnittsfläche wird, vorzugsweise galvanisch aus einem Nickel- Sulfamatbad, direkt nach Ausführung des Schnittes Nickel abgeschieden. Durch Einstellen der Stromstärke kann die Abscheiderate und durch Einstellen der Beschichtungszeit weiterhin die Nickeldicke eingestellt werden. Die Nickelschicht kann sehr dünn ausgeführt werden. Dann erfolgt eine Beschichtung des Kupferdrahtes nur auf der Frontfläche und ein kleines Stück unter der Isolierung. Somit können sehr kleine Kontaktflächen erzeugt werden. In der vorliegenden Anwendung wird allerdings eine etwas größere Menge Nickel abgeschieden, so dass sich eine kugel- oder pilzförmige Abscheidung (Bump) an der Drahtspitze bildet (vdl. Fig. 2 a + b)). Diese Kugel wird in einem weiteren Schritt entweder stromlos oder auch galvanisch selektiv mit Gold beschichtet. Alternative Beschichtungssysteme wie beispielsweise Zinnschichten in Kombination mit Silber sind auch anwendbar. Aufgrund der weiterhin vorhandenen Isolierung des Drahtes wird nur die abgeschiedene Kugel mit Gold beschichtet, wodurch der Edelmetalleinsatz auf ein notwendiges Minimum begrenzt wird. Der Prozess kann vorzugsweise im Nutzen ausgeführt werden, es können also mehrere Drähte gleichzeitig prozessiert werden, beziehungsweise diese Nutzen können auch seriell sehr zügig weiterverarbeitet werden. Nach dem Spülen der Drähte erfolgt die Kontaktierung. Hierbei werden die Drähte grob über dem Bauteil vorpositioniert und mittels eines Werkzeuges, im einfachsten Fall einer Stecknadel, der vorzugsweise flüssige Lothilfsstoff auf der Kontaktbeschichtung aufgebracht. Aufgrund der Ausführung als kugel- oder pilzförmige Abscheidung zieht der Lothilfsstoff nur auf der hergestellten Abscheidung auf, wodurch die Menge des Kontakthilfsstoffes auf einfache Weise begrenzt und über die Größe der Abscheidung definiert eingestellt ist. Im Gegensatz zur Verwendung von normalen geradlinigen Drähten befindet sich damit der Kontakthilfsstoff direkt an der Kontaktstelle. Durch Zusammenfügen des Drahtendes und der Kontaktstelle des Bauteils zieht der Kontakthilfsstoff von der Kugel auch auf das Kontaktfeld des Bauteils auf. Damit ist die Kontaktierung hergestellt. Je nach verwendeten Stoffen und nachfolgenden Prozessen kann ein Ausheizen des Kontaktstoffes, beispielsweise durch eine unter dem Bauteil angebrachte Heizung, notwendig sein. Auch ein nachfolgendes Verkleben der Drahtkontaktierung mit dem Bauteil mittels eines nicht leitfähigem Klebstoff kann für eine erhöhte mechanische und elektrische Stabilität der Kontaktierung dienlich sein. Mit einer weiteren sehr effizienten Kontaktierungstechnik wird der Kontakthilfssto ff nicht verwendet und die Kontaktierung direkt mittels Kaltverschweißung (Drahtbondtechnik) oder mittels Heißverschweißung durch Strom-, Laser- oder Funkenschweißverfahren ausgeführt. Mögliche Variationen im Prozess sind die Behandlung der Schnittkante mittels verdünnter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, um die Haftfestigkeit der Abscheidung zu erhöhen beziehungsweise um eine optimierte Oberfläche zu schaffen, wenn die Zeit zwischen Schnitt und erster Beschichtung länger als fünf Minuten beträgt. Weitere Variationen sind der Austausch der galvanischen gegen eine chemische Beschichtungen, die zwar nicht so einfach im Prozess zu überwachen sind, dafür aber das elektrische Kontaktieren des nicht zu beschichtenden Drahtendes entfallen kann. Weitere, aber in der Regel nicht notwendige, Variationen des Prozesses können durch die Optimierung der Schnittkante erfolgen, die beispielsweise schräg ausgeführt werden, bzw. durch Anschleifen in einem Halter oder durch einfaches Anritzen der Isolierung erfolgen kann. Obwohl Nickel besondere Vorteile bezüglich der Haftfestigkeit auf Kupfer, der Unterbindung der Diffusion von Kupfer in Gold sowie eine einfache stabile Prozessführung ermöglicht, so ist doch der beispielhafte Prozess nicht auf die vorgestellten Materialkomponenten begrenzt und andere galvanische oder chemische Beschichtungssysteme können eingesetzt werden.
Somit bietet das Verfahren besondere Vorteile aufgrund einer definierten Struktur, sowie zusätzlich eine besonders einfache Dosierung des Hilfsstoffes, also von Kleber oder Lot. Da die selektiv die Kontaktstelle modifiziert werden kann, können Leitungsdraht, Isolierung und Kontaktgebiet einzeln optimiert werden. Damit sind isolierte Drähte mit günstiger aber stabiler Isolierung herstellbar und erstmalig auf Mikrokontakten kontaktierbar, da sich bei stabilen Isolierungen kein definierter Kontaktbereich schaffen lässt. Im Stand der Technik sind einige Kontaktierungen bekannt, bei denen elektrisch leitfähige Schichten aufgewachsen werden, oder kugelförmige Gebilde zur Kontaktierung verwendet werden.
So beschreibt die GB 1024540 eine Befestigungsmöglichkeit von leitfähigen Stiften in nicht leitfähigen Substarten unter Hitzeeinwirkung. Diese Anmeldung greift nicht die Mikrostrukturierbarkeit und das Schaffen von definierten Kontaktgebieten an isolierten Drähten auf.
In der DE 195 35 282 Al wird die Schaffung von diskreten Kontaktgebieten mittels chemischer Abscheidung von Metallen beschrieben. Es greift nicht die Schaffung eines elektrischen Kontakt gebietes an einem isolierten Draht auf.
Weitere Veröffentlichungen mit Kontaktierungen über kugelähnliche Gebilde beziehen sich beispielsweise auf die Verbindung zweier Bauteile oder eines Bauteils mit einer Leiterplatte, wie beispielsweise die Kontaktierung mittels elastischer kugelförmiger Gebilde, dargelegt in der JP 11031541 A.
Keine der bisherigen Veröffentlichungen zeigen Lösungen für die Schaffung eines mikrostrukturierten Kontakt gebietes an einem stabil isoliertem Draht auf.
Zeichnungsbeschreibung und Beispiele
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Fig. 1 ist die Ansicht eines konventionellen Drahtes mit Isolierung und appliziertem Kontakthilfsstoff.
Fig. 2a ist die Ansicht eines erfindungsgemäßen Drahtes mit Isolierung und kugelförmig abgeschiedenem Kontaktbereich.
Fig. 2b ist die Ansicht eines erfindungsgemäßen Drahtes mit Isolierung und pilzförmig bzw. andersförmig abgeschiedenem Kontaktbereich.
Fig. 3 zeigt die verbesserte Beschichtung der Abscheidung an der Kontaktstelle des erfindungsgemäßen mit Kontakthilfsstoff.
Fig. 4 a stellt eine Kontaktierung eines Bauteils mittels erfindungsgemäßem Draht und Kontakthilfsstoff dar.
Fig. 4 b stellt eine Kontaktierung eines Bauteils mittels erfindungsgemäßem Draht ohne Kontakthilfsstoff dar.
Fig. 5 ist die Skizze einer galvanischen Beschichtung der Drahtenden, die auch zur beidseitigen Beschichtung von ein und mehr Drähten genutzt werden kann.
Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit zur automatisierten Fertigung von Drähten auf einem Trägerband. Bei der Kontaktierung von Drähten (100) mit flüssigem Kontakthilfsstoff (101), wie z.B. Lot oder Klebstoff, zieht dieser bei Standarddrähten nicht an der Kontaktstelle an der Frontfläche des Drahtes auf, sondern wandert auf Grund von Adhäsions- und Kohäsionskräften ein Stück entlang des Drahtes und bildet eine Ansammlung ein einiger Entfernung zur Frontfläche des Drahtes, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Menge dieses Klebstoffes ist in der Regel unspezifisch und für eine Kontaktierung zu viel. Die Frontfläche des Drahtes bietet weiterhin in der Regel keine ausreichende Fläche für eine stabile elektrische und mechanische Kontaktierung.
Durch Abscheiden einer Beschichtung (102 a) nach Fig. 2 kann aus einem einfachen Draht ein erfindungsgemäßer Draht erstellt werden. Dieser wird durch Schneiden, Schleifen oder Ähnlichem an der Frontfläche bearbeitet. Anschließend erfolgt durch Aufwachsen das Anhaften einer kugelförmigen, leitfähigen Abscheidung. Diese Abscheidung kann alternativ auch, wie in Fig. 2b dargestellt ist, pilzförmig oder andersartig ausgeführt sein. Sehr kurze Beschichtungszeiten ermöglichen ein Veredelung des Drahtes, längere Beschichtungszeiten erzeugen für die Dosierung des Kontakthilfsstoffes (101) spezielle Fließstoppkanten mit einer Ausrichtung im Winkel α, die Verhindern, dass der Kontakthilfsstoff auf den isolierten Draht aufzieht, sondern im Kontaktbereich verbleibt.
Dies hat zur Folge, dass der Kontakthilfsstoff (101) wie in Fig. 3 dargestellt, nur auf der Abscheidung (102), und nicht wie in Fig. 1 dargestellt, auf dem Draht (100) aufzieht. Durch Variation der Größe der Abscheidung (102) lässt sich die zu applizierende Menge Klebstoff auf einfache Weise dosieren. Weitere Parameter zur Klebstoffdosierung sind ist das Verhältnis der Oberflächenaktivität der äußeren Beschichtung der Abscheidung und des Kontakthilfsstoffes, sowie die Oberflächenspannung und die Viskosität des Kontakthilfsstoffes. Für ein gewähltes Materialsystem verbleiben allerdings letztere Parameter konstant, so dass im Prozess die Menge des applizierten Kontakthilfsstoffes (101) auf einfache Weise über die Größe der Abscheidung (102) kontrolliert werden kann.
In Fig. 4 a wird eine Kontaktierung mit dem erfindungsgemäßen Draht gezeigt. Durch Berührung der Abscheidung (102) mit dem Kontakthilfsstoff zieht dieser mit einer definierten Menge auf die Abscheidung auf. Die Dosierung des Kontakthilfsstoffes erfolgt somit auf sehr einfache Weise. Wenn Kontakthilfsstoff auf der Abscheidung appliziert ist, kann der Kontaktbereich mit der zweiten Kontaktfläche in Kontakt gebracht werden und eine definierte Menge Kontakthilfsstoff zieht von der Abscheidung (101) auf dem Kontaktfläche (103) des Bauteils (104) auf und stellt so die elektrische Kontaktierung her.
Eine weitere sehr günstige Kontaktierungsart die im Besonderen mit dem erfindungsgemäßen Draht möglich wird, ist auch die Kontaktierung ohne Kontakthilfsstoff mittels Ultraschall- Verschweißung nach Fig. 4 b. Hierbei ist eine weitere Positionierung des Bondwerkzeugs (113) zusätzlich zum Draht notwendig, allerdings können bewährte Technologien auf die Kontaktierung stabil isolierter Drähte angewendet werden. Somit wird auch die Ultraschallbontechnologie auf stabil isolierte Drähte anwendbar.
Eine bevorzugte Herstellungsweise ist die Abscheidung mittels galvanischer Beschichtung nach Fig. 5. Hierbei kann die Stromstärke über die Zeit mit einem Integrator (109) integriert werden und somit über die geflossene Ladung die Größe der Abscheidung sehr exakt eingestellt werden. Hierbei werden die Frontflächen der Drahtenden durch eine benanntes Verfahren freigelegt und in ein mit Elektrolyten gefülltes Behältnis (105) eingeführt. Das zweite Drahtende wird elektrisch kontaktiert, beispielsweise über eine elektrischen Kontakt oder, wie in Fig. 5 dargestellt, über einen zweiten elektrolytischen Kontakt. Letzteres vereinfacht die Beschichtung von Mikrokabeln, die schwierig zu kontaktieren sind. Alternativ kann die Abscheidung auch zeitgesteuert stromlos aus reduktiven chemischen Bädern erfolgen. In der Regel sollte nach der ersten Abscheidung eine Veredlung der Oberfläche erfolgen. Dies ermöglicht die langzeitstabile Kontaktierung mit Klebstoff, verhindert die Oxidation zum Bonden und ermöglicht die Einstellung der Klebermenge aufgrund der Oberflächenaktivität der äußeren Beschichtung. Die Beschichtungen können wiederum galvanisch, chemisch oder im Letzteren einfach durch Eintauchen in eine Lösung des zu beschichtenden Stoffes erfolgen.
Die Fig. 6 zeigt ein prinzipielles Fertigungsverfahren der erfindungsgemäßen Drähte. Es sind einer oder eine Vielzahl von Drähten auf einem Trägersubstrat (110) fixiert. In dieses Substart werden beispielsweise mittels Stanzen Löcher eingefügt, die elektrisch leitfähige Flächen des Drahtes freilegen. Alternativ genügt es auch, nur den Draht anzuritzen oder durchzusägen, und den Träger nur minimal zu schädigen. Dies ermöglicht eine einfache Weiterverarbeitung.
Die Beschreibungen sind als Erklärung des Prozesses ausgeführt und sind in verschiedenen Kombinationen und Variationen anwendbar. Bezugszeichenliste
100 Isolierter Draht
101 Kontakt-Hilfsstoff
102 a + b Aufgewachsene, leitfähige Abscheidung
103 Anschlussfläche des Bauteils
104 Bauteil (Mikro-Chip, etc.)
105 a + b Gefäß mit Elektrolyt
106 a + b Elektroden im Elektrolyt
107 Strom- oder Spannungsquelle
108 Elektrischer Leiter
109 Integrator
110 Träger
111 Stanzloch im Träger
112 Spule
113 Bondwerkzeug α Winkel zwischen Beschichtung und Drahtlängsachse

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Kontaktierung von isolierten elektrischen Drähten (100), dadurch gekennzeichnet, dass
• eine Querschnittsfläche durch Abschneiden erzeugt wird, und
• auf der Querschnittsfläche eine kugel- oder pilzförmige Beschichtung (102a, 102b) durch einen Beschichtungsprozess aufgebracht wird, die bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Legierungsbestandteile der Materialien und unterhalb der Zerstörungstemperatur der Isolierung erfolgt, so dass ein definierter Kontaktbereich (102) durch die Beschichtung an dem Draht erzeugt wird und der Draht durch die Beschichtung (102a, 102b) an der Kontaktfläche einen vergrößerten Durchmesser aufweist.
2. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche freigelegt oder erzeugt wird, indem durch eine Variation des Schnittwinkels des Werkzeuges oder durch Quetschen des Drahtes (100) eine elektrisch leitfähige Fläche erzeugt, die kleiner, gleich, oder größer als die als die vorherige Querschnittsfläche des Drahtes (100) ist.
3. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (102) der Kontaktfläche elektrochemisch durch galvanische Beschichtung oder durch chemisch reduktive Beschichtung oder durch Tauchen oder durch eine Kombination dieser Verfahren erfolgt.
4. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (102) der Kontaktfläche eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit und eine angepasste Oberflächenaktivität aufweist, die beispielsweise durch selbst verstärkendes Spitzenwachstum durch elektrostatische Feldüberhöhung an Spitzen, durch ein elektrochemisches Aufrauhen oder durch eine hydrophile oder hydrophobe Zusatzbeschichtung erzeugt werden kann, um eine Dosierung eines Kontakthilfsstoffes (101) zu vereinfachen.
5. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung des Drahtes (100) mit einem Bauteil (104) mit einem Kontakthilfsstoff (101) wie Lot oder elektrisch leitfähigem Klebstoff erfolgt.
6. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung des Drahtes mit einem Bauteil (104) ohne Kontakthilfsstoff (101) mittels Schweißverfahren wie Ultraschallschweißen - Bondenoder Laserschweißen erfolgt.
7. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Drähte (100) gleichzeitig auf einen Träger prozessiert werden.
8. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Drähte 100 gleichzeitig ohne einen Träger (110) prozessiert werden.
9. Kontaktierverfahren mit einem Draht (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung nach der Prozessierung entfernt wird und unisolierte Drähte mit einem sehr genau definierten Kontaktbereich zum Kontaktieren von Bauteilen (104) verwendet werden können.
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