DE19743885A1 - Verfahren und Werkzeug zum Preßverschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Werkzeug zum Preßverschweißen (Bonden) von Bonddrähten, insbesondere zur Verbindung von Leistungshalbleiterbauelementen an ihren Substraten.

In jüngerer Zeit sind die Anforderungen an die Zuverläs­ sigkeit von Leistungsmodulen permanent gestiegen. Spe­ ziell im Automotiv- und Traktionsbereich werden heute Leistungsmodule erwartet, die mehr als zehn Millionen Lastwechsel Lebensdauer aufweisen.

Im Bereich Traktion und anderen Hochzuverlässigkeitsbe­ reichen sollte eine Lebensdauer von dreißig Jahren er­ reicht werden.

Zur Zeit ist dies aufgrund von Ausfällen bei den Verbin­ dungen noch nicht realisierbar. Die Siliziumhalbleiter werden zwar wesentlich länger halten, aber insbesondere im Bondbereich wird nach ca. drei bis vier Millionen Lastwechseln eine Ablösung erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Bondverbindungen zu verbessern. Die Erfinder gehen dabei davon aus, daß diese Risse insbesondere durch folgende Wechselwirkungen entstehen: Hohe Temperaturen, die beim Betrieb von Leistungsmodulen entstehen, führen zur Dif­ fusion des in der Metallisierung des Chips vorhandenen Siliziums.

Das Silizium lagert sich dann in den zur Verbindung be­ nutzten Metallen der Drähte, insbesondere an den Korn­ grenzen ab und führt dadurch zur Versprödung des Materi- als. Weiter wird jeder Schaltvorgang des Moduls auch zu einer kleinen Bewegung des Bonddrahtes führen, da erheb­ liche Ströme geschaltet werden. Dies führt zu einer Be­ lastung der Bondstelle, besonders im Bereich der sich zunehmend verhärtenden Übergangsschicht zwischen Bond­ draht und Metallisierung.

Etwa vorhandene Schwachstellen können sich dann rißartig im Heel-Bereich ausbreiten. Durch Kerbwirkung führt dies nach einiger Zeit dann zur völligen Ablösung und dadurch zum Ausfall des Moduls, wenn wie im Stand der Technik der Bonddraht vollflächig auf seiner Kontaktfläche ver­ schweißt wird.

Erfindungsgemäß wird nun jedoch vorgeschlagen, ein Ver­ schweißen nur noch in voneinander räumlich durch einen Zwischenraum einer bestimmten Mindestbreite getrennten Bereichen vorzunehmen. Die Unteransprüche geben vorteil­ hafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Dadurch wird zum einen verhindert, daß ein entstandener Riß sich durch Kerbwirkung fortsetzen kann. Insbesondere wird jedoch auch dadurch, das die von nicht-kontak­ tierenden Flächen unterbrochene Kontaktfläche des Bond­ drahtes an einigen Stellen keinen Kontakt mehr mit dem Silizium hat, erreicht, daß die sich versprödenden Be­ reiche durch flexibel verbleibende Bereiche voneinander getrennt sind.

Dadurch verbleibt eine Restflexibilität im Bonddraht, die die minimalen Bewegungen auffängt und insbesondere der Kerbwirkung Bereiche entgegensetzen kann, die die vollen metallischen - unversprödeten - Eigenschaften be­ sitzen. Vorteilhafterweise sollten sich diese Bereich quer über die Bondrichtung erstrecken.

Vorgeschlagen wird weiter ein Bondwerkzeug, um derartige strukturierte Bondverbindungen zu erzeugen.

Die Bondfläche, bzw. die Länge des Bonddrahtes, die auf der Kontaktfläche aufliegt, kann dabei um einige zehn Prozent vergrößert werden. Dies ist unkritisch und stellt die bisherige Technologie vor keine größeren Pro­ bleme. Die bisherigen Kontaktstellen sind groß genug dimensioniert. Durch das neue Bondwerkzeug, das Kerben quer zur Bondrichtung besitzt, wird die sich ergebende Verschweißung nun an mehreren Stellen unterbrochen. Da­ durch wird der Draht an diesen Stellen unbeschädigt sein, insbesondere auch nicht durch das Bonden selbst stark beeinträchtigt sein. Insgesamt wird sich die Le­ bensdauer der neuartigen Bondverbindung um ein Vielfa­ ches erhöhen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigt die nachfolgende Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung. Dabei zeigt:

Fig. 1a einen erfindungsgemäßen Bondkeil von der Seite und

Fig. 1b das an seiner Unterseite befindliche Prägemu­ ster in Draufsicht, und

Fig. 2a zusätzlich den vom Werkzeug verpreßten Bond­ draht und

Fig. 2b eine Ansicht auf die verschweißten Flächen von der Substratseite gesehen.

Das in der Fig. 1a dargestellte Bondwerkzeug 10 weist an Unterseite und auch seitlich eine Mehrzahl von Kerben 12 auf. Die keilartigen Dimensionen des Bondwerkzeuges ent­ sprechen denen des Standes der Technik.

In der Fig. 1b ist ein Prägemuster dargestellt. Insbe­ sondere wird vorgeschlagen, in einem breiten Mittelbe­ reich keine Verpressung vorzunehmen, sondern diese in einem Seitenbereich jeweils aufgeteilt auf drei von zwei Querkerben und zwölf unterbrochenen Bereichen vorzuneh­ men.

In einem Endbereich 14, an den sich der Draht zum Lei­ stungsbauelement in entgegengesetzter Richtung zur Bond­ richtung anschließt, soll ebenfalls keine Verschweißung vorgenommen werden. Dies ist der sog. Heel-Bereich. Hier soll durch runde Ausnehmungen im Bondwerkzeug der Draht möglichst schonend beim Bonden lediglich gebogen werden.

Vielmehr sollen die dem Heel-Bereich am nächsten liegen­ den Bondflächen 16 mit einem flachen Übergang angepreßt werden, um so noch zusätzlich einen weichen Übergang zu schaffen.

In der Fig. 2a ist ein Bondkeil 10 oberhalb eines Bond­ drahtes 18 dargestellt. Der Bonddraht 18 hat bereits sein durch das Aufpressen erhaltenes Aussehen. In der Fig. 2b ist der Bonddraht in der Ansicht von unten dar­ gestellt. Mit Bezugszeichen 20 sind die einzelnen ver­ schweißten Flächen des Bonddrahtes bezeichnet, hier sechs voneinander in Längs- und Querrichtung beabstande­ te Teilflächen, die zusammen eine Fläche wie bisher ein­ nehmen, so daß gleich gute Übergangswerte erzielt wer­ den.

Claims (3)

1. Verfahren zum Preßverschweißen (Bonden) von Bond­ drähten, insbesondere zur Verbindung von Leistungshalb­ leiterbauelementen an ihren Substraten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zur Schaffung von metallischen, von Siliziumdiffusionen unbetroffen verbleibenden Bereichen mit Unterbrechungen vorgenommen wird.

2. Bondwerkzeug zum Preßverschweißen von Bonddrähten, insbesondere zur Verbindung von Leistungshalbleiterbau­ elementen an ihren Substraten, gekennzeichnet durch wenigstens eine in der den Bonddraht kontaktierenden Fläche der Bondwerkzeuge vorgesehene Kerbe (12).

3. Bondwerkzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch weitere die Kerben (12), die quer zu den ersten quer zur Bondrichtung verlaufenden Kerben längs der Bon­ drichtung verlaufen.