DE19508617C1 - Verfahren zum Ultraschall-Keil-Drahtbonden von Mikrodrähten und Werkzeug hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Ultraschall-Keil-Drahtbonden von Mikrodrähten aus Aluminium, Palladium und Kupfer, sowie Legierungen dieser Materialien auf allen Substraten, die bondbar sind.

Das Ultraschalldrahtbonden bei Raumtemperatur erfolgt mit sogenannten Bondkeilen, im Gegensatz zu Kapillaren beim Thermocompressions- und Thermosonicbonden. Die Bondkeile werden in verschiedenen Ausführungen angeboten, angepaßt an Drahtmaterialien, Draht-durchmesser und den Einsatz in verschiedenen Maschinen und die Verwendung auf speziellen Substraten (z. B. Microwellenbauelemente). Gemeinsam ist ihnen der Schaft mit genormten Durchmesser und drei verschiedenen Längen, eine Phase für eine definierte Einspannrichtung und eine rechteckförmige Fußfläche über die Bondkraft und Ultraschallschwingungen auf den darunter befindlichen Draht beim Vorgang des Bondens wirken. Der Draht wird durch eine Bohrung im Fußbereich des Keiles von einer Seite unter die Fußfläche geleitet.

Speziell zum Golddrahtbonden werden Werkzeuge mit einer Rille versehen, die quer zur Schwingungsrichtung in die Fußfläche erodiert wird. Sie dient bei diesem Draht zur Unterstützung des Formschlusses zwischen Bondkeil und Draht, der unbedingt notwendig ist, da Gold im Vergleich zu anderen eingesetzten Drahtmaterialien, wie z. B. Aluminium wesentlich duktiler ist. Das Ultraschall-Keil-Drahtbonden mit Golddraht wird bei Raumtemperatur üblicherweise nicht angewendet. Für einen zuverlässigen Golddrahtkontakt wird das Substrat auf Temperaturen, die größer als 80°C sind, erwärmt.

Steigende Ansprüche an die Verfahrensqualität und Zuverlässigkeit der Kontakte führen immer wieder zu Weiterentwicklungen des Verfahrensablaufes, einschließlich seiner Komponenten. Ein Beispiel stellt EP 0632493 dar. Es wird eine Halbleiterbauelementeanordnung beschrieben, bei der der Kontakt auf dem Trägerstreifen zweimal gebondet wird und so zwei Kontakte mit einem Bonddraht entstehen. Das erfordert aber die Stitch-Bondfähigkeit der Maschine und verlängert den Verfahrensablauf um einen weiteren Positionierungs- und Bondschritt.

Beim Ultraschall-Keil-Drahtbonden kommt es verfahrensbedingt nicht unter der gesamten Bondfläche zur Bindungsbildung, sie umfaßt ein ringförmiges Gebiet, an dem die Scherspannung in der Kontaktebene am größten ist. Des weiteren verursacht die plastische Drahtdeformation einen Einschnürbereich, an dem der Draht bei mechanischen Belastungen bevorzugt reißt. Diese Einschnürung gewinnt zusätzlich an Bedeutung, wenn Bauelemente mit hohem Strombedarf zu kontaktieren sind und der elektrische Widerstand des Drahtes eine Rolle spielt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Fläche der Bindungsbildung im Verhältnis zur gesamten Bondfläche zu erhöhen und durch eine bessere Ankopplung des Drahtes an das Werkzeug den Anteil der zugeführten Energie, der in die Kontaktebene gelangt, zu erhöhen, um die mit der wirkenden Energie einhergehende Drahtdeformation zu verringern, was die Drahteinschnürung reduziert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen genannten und im Ausführungsbeispiel näher erläuterten Mitteln gelöst.

Unter Vernachlässigung der Metallkombination zwischen Draht und Bondflächen-(Pad)-Metallisierung ist die Intensität der Verbindung von der eingebrachten Energie und die Haftkraft des Kontaktes vom Produkt aus der entstandenen Festigkeit und der Größe der Bindungsfläche abhängig. Mit zunehmender Energieeinwirkung vom Werkzeug auf den Draht zur Anregung der Bindungsbildung vergrößert sich aber auch seine Deformation und es kommt zur Drahteinschnürung, verbunden mit dem Absinken der Drahtzerreißkraft. Es ist daher angestrebt, nur soviel Energie zu induzieren, daß die Drahtzerreißkraft nicht geringer als die Bondabrißkraft ist.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit einem an sich bekannten Werkzeug zum Golddrahtbonden und Verwendung von Mikrodrähten mit geringerer Duktilität als Golddraht, zwei ringförmige Bindungsgebiete im Bondbereich erzeugt werden. Die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Gesamtfläche ist größer als die Einzelfläche eines üblicher Weise entstehenden Bindungsgebietes. Das führt zu einer größeren Abrißkraft mit geringerer notwendiger Deformation.

Außerdem verursacht die Rille über den mit ihr verbundenen Formschluß zwischen Werkzeug und Draht eine bessere Übertragung der induzierten Energie in das Bindungsgebiet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß bei geringerem notwendigen Energieeintrag die Verbindungsqualität erhöht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Bondwerkzeug mit Detailansicht der Fußfläche in Schnitt- und Rückansicht

Fig. 2 eine Detailansicht der Fußfläche mit Querrille im Schnitt

Fig. 3 eine Durchsicht eines Bonds mit einer Schweißzone

Fig. 4 eine Durchsicht eines Bonds mit zwei vollständig voneinander getrennten Schweißzonen

Fig. 5 ein Diagramm mit Darstellung der theoretischen Bindungsflächen bei Anwendung des konventionellen Verfahrens im Vergleich zum Erfindungsgemäßen in Abhängigkeit von der Rillenbreite in µm

Fig. 6 ein Diagramm mit Darstellung der Abreißkraft von Drahtbrücken in cN, gebondet vom konventionellen und vom Werkzeug mit Rille quer zur Schwingungsrichtung

Fig. 7 eine Durchsicht eines Bonds auf sehr schmalem Pad mit zwei voneinander getrennten Schweißzonen

Fig. 8 ein Diagramm mit Darstellung der Abreißkraft von Drahtbrücken in cN, gebondet vom konventionellen und vom Werkzeug mit Rille quer zur Schwingungsrichtung auf einer Leiterplatte, dessen Kupferleiterzüge eine organische Schutzschicht aufweisen

Fig. 1 zeigt ein Standardwerkzeug für das Ultraschallboden von Mikrodrähten, deren Durchmesser kleiner als 100 µm ist, mit der Drahtführung 1, der Bondfußbreite 2, der Bondfußlänge 3 und den Vorder- 4 und Rückradien 5.

In Fig. 2 ist die Fußfläche durch die Rille 6 geteilt. Die Rille verläuft quer zur Schwingungsrichtung des Werkzeuges. Bei größeren Bondfußlängen ist die Anordnung von mehreren Rillen vorteilhaft.

Das Standardbondwerkzeug mit einer zusammenhängenden Fußfläche verursacht nur ein ringförmiges Bindungsgebiet gemäß Fig. 3. Bei einem Werkzeug, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, sind bei ausreichend tiefer und breiter Rille 6 praktisch zwei Fußflächen vorhanden. Es bilden sich zwei ringförmige Gebiete 9 und 10 gemäß Fig. 4, deren Gesamtfläche unter Beachtung bestimmter Bedingungen größer ist, als die Fläche des Ringgebietes, das bei dem Standardwerkzeug entsteht.

Die Gestaltung der Fußfläche erfolgt unter Beachtung nachfolgend beschriebener Randbedingungen in zwei oder mehrere separate Flächen, in der Form daß sich die dazugehörige Anzahl an vollständigen Schweißzonen (Bindungsgebiete) ausbilden kann. Eine Form des Ultraschall-Drahtbondkeiles mit Querrille wird bislang für die Kontaktierung von Golddraht eingesetzt. Die Rille dient hier primär der Verbesserung der Übertragung der Ultraschalleistung, das heißt der Schwingungen des Werkzeuges durch den und nicht in den Draht. Dies erfolgt über den mit der Rille geförderten Formschluß zwischen Draht und Werkzeug. Golddraht ist gegenüber den im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Materialien (Al(x), Pd(x) und Cu(x)) duktiler, die Fließgrenze liegt niedriger. Der bei diesem Draht notwendige Energieeintrag für die Bindungsbildung ist bei Raumtemperatur vergleichsweise höher (reicht oft für einen zuverlässigen Kontakt nicht aus) und verursacht eine stärkere plastische Deformation. Das führt zwar zur Bindungsbildung, aber in der Regel nicht mehr zur Trennung zweier Gebiete, sie gehen statt dessen ineinander über. Damit wird der theoretisch mögliche Flächenzuwachs gehemmt. Die Abmessungen der Rille trennen in diesem Fall nicht mehr exakt die Einzelwirkungen der Teilflächen. Die Energieübertragung wird zwar verbessert, es kommt aber zu keiner zusätzlichen Bindungsfläche. Dem Streben nach einer breiten Rille wirkt die damit verbundene Reduzierung der Größe der Teilflächen entgegen, was sich direkt auf die Fläche der Bindungsgebiete auswirkt.

Der Flächenvergleich von theoretisch erreichbaren Bindungsgebieten, deren Form von der Bondfußlänge, damit der Länge des Bonds (entsprechend der Halbachse a in Fig. 3) und Drahtdeformation, damit der Breite des Bonds (entsprechend Halbachse b in Fig. 3) abhängt, veranschaulicht deutlich den Einfluß der Rillenbreite auf die Größe des Bindungsgebietes.

Dem Vergleich gemäß Fig. 5 liegen zu Grunde:

• - Drahtdurchmesser = 30 µm
• - Deformationsgrad = 1,5; b ist rund 22 µm
• - Bondfußlänge = 64 µm; a ist rund 32 µm
• - Bondringbreite = 5 µm

Gegenübergestellt werden zwei Werkzeuge mit gleichen Bondfußlängen, gleicher Schwingungsamplitude (die hier vernachlässigt werden kann), gleicher Drahtdeformation und gleich breitem Bindungsgebiet (Bondringe 11, Fig. 3 und 4). Bei der Größe der in Fig. 4 zuzuordnenden Halbachsen a ist die jeweilige Rillenbreite 12 nach Fig. 4 berücksichtigt. Je nach Bondbreite, ausgedrückt durch Drahtdurchmesser und Deformationsgrad, verändert sich die maximal zulässige Rillenbreite direkt proportional. Gleich verhält es sich mit der Bondfußlänge.

Die minimale Rillenbreite wird zum einen herstellungstechnisch begrenzt (derzeit etwa bei 15 . . . 20 µm, Erodierverfahren) und zum anderen durch die angestrebte Trennung beider Fußflächen des Querrillenwerkzeuges. Dem entgegen wirkt die Schwingungsamplitude. Sie erzeugt über den stofflichen Zusammenhang des Drahtes eine Übertragung von Spannungen zwischen den Teilgebieten unterhalb des Bondfußes, die im Idealfall aber wechselwirkungsfrei sein sollten. Mit steigender notwendiger Drahtdeformation muß die Rille tiefer sein. Bei Werkzeugen zum Golddrahtbonden beträgt sie etwa 5 µm. Dieses Maß kann bei 30 µm-AlSi1-Drähten auf gut bondbaren AlSi1-Pads schon zu Abreißkraftverbesserungen von etwa 20% gegenüber vergleichbaren konventionellen Werkzeugen führen (siehe Fig. 6). Noch bessere Ergebnisse werden mit einem Draht größerer Härte erzielt, bei dem die Deformation geringer ist. Mindestmaße für die Tiefe orientieren sich am Drahtdeformationsgrad, der von Anwendung zu Anwendung (Substratmaterial, Padmetallisierung, Kontaminationsschichten u. a.) unabhängig vom Werkzeug verschieden sein kann.

Neben dem grundsätzlich erzielbaren Gewinn an Bindungsfläche unter den beschriebenen Voraussetzungen, hat bei Drahtkontaktierungen auf extrem schmalen Pads, die u. U. schmaler als der Bond sein können, auch das Überdeckungsverhältnis zwischen Bond und Pad einen Einfluß. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 7 veranschaulicht, bei dem das Anschlußpad 13 nur 13 µm breit ist, der Drahtdurchmesser jedoch schon 17,5 µm beträgt. Hier ergab sich aufgrund des in Fig. 7 veranschaulichten größeren Überdeckungsverhältnisses des durch zwei Ringe entstandenen wirksamen Bindungsgebietes 14 eine Steigerung der Abreißkraft der Bonds von 2,39 cN auf 2,97 cN (100 Tests, davon jeweils der Mittelwert, Steigerung von rund 25%) im Vergleich zweier Werkzeuge.

Ebenfalls läßt sich die Kontaktqualität auf sogenannten "schlecht zu bondenden" Schichten spürbar verbessern, was im Bild 8 demonstriert wird.

Hier wurde zum Zweck des Vergleiches zwischen zwei Werkzeugen mit einem 30 µm dicken AlMg1-Draht auf Kupferleitbahnen einer Leiterplatte gebondet, die mit einer dünnen organischen Passivierung beschichtet war. Zur Kontaktherstellung zwischen Draht und Leitbahn muß diese Schicht während des Bondvorganges erst noch durchdrungen werden.

So erklären sich die für diesen Drahtdurchmesser geringen Mittelwerte der Abreißkräfte. Die Differenz von etwa 50% übersteigt jedoch noch den Gewinn von 35%, der mit diesem Draht auf Siliciumchipbondpads erzielt wurde. Für jeden Anwendungsfall des beschriebenen Verfahrens gibt es ein Optimum bei der Gestaltung der Rille(n). Das betrifft das Maß für ihre Breite und Tiefe.

Eine Zuordnung dieser Abmessungen zu Drahtdurchmesser, Drahthärte, Art und Beschaffenheit des Bondpads und des unmittelbar darunter befindlichen Substrates ergebe ein umfangreiches Tabellenwerk. Eine Größe jedoch, in der sich diese vielen Einflüsse widerspiegeln, ist die Drahtdeformation. An ihr orientiert sich die Rillentiefe. Sie sollte größer als die Eindringtiefe der Fußfläche des Bondkeiles sein.

Ein Mindestwert für die minimal notwendige Breite leitet sich aus der Schwingungsamplitude der Fußfläche beim Bondvorgang ab. Die Teilflächen müssen getrennt bleiben, also beträgt die Mindestbreite wenigstens das Zweifache der Schwingungsamplitude im Bereich der Kontaktbildung. Hier ist jedoch noch zu beachten, daß mit zunehmender Breite auch die Gesamtfläche beider Fußteilflächen abnimmt. So ergibt sich in jedem Fall nur ein Kompromiß für die optimale Rillenbreite. Zur Überprüfung, daß das maximal zulässige Maß nicht überschritten wird, dient der geometrische Vergleich der zu erwartenden Bindungsfläche zwischen dem konventionellen und dem Werkzeug mit Rille, wie er im Bild 5 demonstriert wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ultraschall-Keil-Drahtbonden von Mikrodrähten aus Aluminium, Palladium und Kupfer, sowie Legierungen dieser Materialien auf bondbaren Substraten bei Raumtemperatur, gekennzeichnet dadurch, daß mit einem an sich bekannten Werkzeug zum Golddrahtbonden, das an seinem Bondfuß wenigstens eine Rille (6) quer zur Schwingungsrichtung aufweist, die Mikrodrahte in einem Bondvorgang kontaktiert und dabei zwei vollständig voneinander getrennte Schweißzonen im Kontaktbereich erzeugt werden.

2. Werkzeug zum Ultraschall-Keil-Drahtbonden von Mikrodrähten aus Aluminium, Palladium und Kupfer, sowie Legierungen dieser Materialien auf bondbaren Substraten bei Raumtemperatur, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens eine quer zur Schwingungsrichtung verlaufende Rille (6) in der Fußfläche angeordnet ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Tiefe der Rille größer als die Eindringtiefe des Werkzeugs in den Draht während des Bondvorgangs ist, und daß die Breite der Rille wenigstens das Doppelte der Schwingungsamplitude des Werkzeuges beträgt.

4. Werkzeug nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß in der Fußfläche (2, 3) mehrere Rillen (6) angeordnet sind.