DE69305633T2

DE69305633T2 - Verfahren und Vorrichtung, um Drähte zwischen einem Halbleiterchip und dem zugehörigen Leiterrahmen anzuschliessen

Info

Publication number: DE69305633T2
Application number: DE69305633T
Authority: DE
Inventors: Antonio Grasso; Antonio Pinto
Original assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno; SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno; STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: JPH07142524A; US5516029A; EP0632484A1; EP0632484B1; DE69305633D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Leitungsdrähten zwischen einem Halbleiterschaltungschip und entsprechenden Anschlußverbindern.
Die Erfindung betrifft außerdem einen verbesserten Werkzeugkopf zum Ausführen des Verfahrens auf einer Heftbondanlage.

Technischer Hintergrund

Wie bekannt ist, besteht auf dem speziellen Gebiet der vorliegenden Erfindung Bedarf an der Schaffung elektrischer Verbindungen zwischen einem Halbleiterschaltungschip und entsprechenden Stiften oder Rheophoren an einem metallischen Trägerrahmen.
Die Verbindungsstifte sind einstückig mit dem Rahmen ausgebildet und ermöglichen das Anbringen der Halbleiterschaltung an und deren Verbindung mit einer vorgedruckten elektronischen Platine.
Am Umfang des Halbleiterchips sind vorbestimmte Kontaktstellen vorgesehen, zu denen die Anschlüsse des Schaltungsaufbaus geführt sind. Zwischen den Anschlußstellen und den inneren Enden der entsprechenden Stifte werden dünne Drähte gelegt.
Dieser Prozeßschritt des Bereitstellens elektrischer Verbindungen zwischen dem Halbleiterchip und entsprechenden Stiften ist ersichtlich kritisch.
Tatsächlich ist in diesem Stadium des Herstellungsprozesses der Halbleiterschaltung ein Chip bereits einer elektrischen Prüfung hinsichtlich korrekten Betriebs seiner Schaltung unterzogen worden.
Sollten daher die Drahtverbindungen unfachmännisch ausgeführt werden, ergäbe sich das erhebliche Risiko, daß die Schaltung nicht mehr richtig arbeiten würde und folglich Ausschuß darstellte.
Ein noch unerwünschteres und gefährlicheres Ereignis besteht darin, daß das Bauelement sich zunächst im ordnungsgemäßen Arbeitszustand zeigt, nach kurzer Einsatzzeit jedoch ausfällt.
Die Wichtigkeit der wirklich zuverlässigen Durchführung des Bondens der Drahtverbindungen ist also ersichtlich.
Zu diesem Zweck wurden einige Spezialanlagen entwickelt, beispielsweise Heftbondmaschinen. Jede Maschine enthält an seinem Werkzeugende einen Bond-Werkzeugkopf, der automatisch in Richtung eines Siliziumchips und von diesem weg angetrieben wird, wobei das Chip auf einem Mittelabschnitt des Rahmens gelagert ist.
Eine Vorrichtung zum Bonden von Drähten an metallische Flächen ist in dem US-Patent 3,218,202 vom 23. November 1965 beschrieben. Diese Vorrichtung betrifft das Druckbonden oder das Schweißen von metallischen Elementen, insbesondere das Bonden von Dünndrähten aus Edelmetallen auf kleinen metallischen Transistorbereichen, und es beinhaltet ein Bondwerkzeug mit einer Nut zur Aufnahme des Drahts während des Bondvorgangs. Das Werkzeug dieser bekannten Bondvorrichtung bildet Bondflecken gleicher Größe.
Außerdem beschreibt das britische Patent 2,177,639 vom 08. Juli 1985 ein verbessertes Ultraschall-Drahtbondgerät, welches das gleichzeitige Bonden von zwei Verbindungsdrähten bewerkstelligen kann, jedoch immer noch mit identischen Bondflächen.
Darüberhinaus offenbart das JP-Patent 57-40948 vom 06. März 1982 ein Drahtbondverfahren für Halbleiterbauelemente, bei dem ebene Bondkeile bereitgestellt werden, gebildet an Doppelköpfen mit unterschiedlichen Bondflächen.
Während sie ihr Hauptziel erreichen, erzielen diese herkömmlichen Anlagen aber noch nicht ein ausreichendes Maß an Zuverlässigkeit, um ein fehlerfreies Bonden von Drähten zu gewährleisten.
Außerdem begünstigt der Trend der aktuellen Technologien die zunehmende Miniaturisierung an dem Chip, was zusätzlich noch die Fläche verringert, die für gebondete Drahtverbindungen verfügbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Verbessern der Qualität der Verbindungen zwischen einem Halbleiterschaltungschip und den Stiften von dessen Trägerrahmen, wobei das Verfahren derartige funktionelle Merkmale besitzt, daß die den herkömmlichen Lösungen anhaftenden Beschränkungen überwunden werden.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Idee, auf der die Erfindung beruht, geht aus von dem simplen Postulat, das zum Verbessern der Qualität und Wirksamkeit einer gebondeten Verbindung die Bondfläche vergrößert werden muß.
Basierend auf dieser Lösungsidee wird die technische Aufgabe gelöst durch ein Drahtbondverfahren, wie es oben skizziert wurde und in den Kennzeichnungsteilen der Ansprüche 1 bis 3 definiert ist.
Außerdem wird dieses technische Problem gelöst bei einem Werkzeugkopf für eine Heftbondanlage gemäß Anspruch 4 und den davon abhängigen Ansprüchen.
Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich deutlich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die ohne Beschränkung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird.

Kurze Beschreiung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 teilweise im Querschnitt eine schematische Ansicht eines Halbleitermaterialchips, welches auf einem Trägerrahmen gelagert ist und einem Drahtbondprozess gemäß dem erfindungsemäßen Verfahren unterzogen wird;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Werkzeugkopfs gemäß der Erfindung, angewendet bei einer Bondanlage zur Ausführung des Prozesses nach Figur 1;
Fig. 3 eine Vertikalschnittansicht entlang der Linie III-III durch das in Figur 2 gezeigte Werkzeug;
Fig. 4 eine weitere Vertikalschnittansicht des in Figur 2 gezeigten Werkzeugs entlang der Linie IV-IV;
Fig. 5 eine Detailansicht aus Figur 3 in vergrößertem Maßstab.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend auf die zeichnerischen Darstellungen ist allgemein und thematisch bei 1 ein Chip aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, dargestellt, in dem eine elektronische Schaltung ausgebildet ist, die, weil konventionell, nicht dargestellt ist.
Das Chip 1 ist auf einem Mittelabschnitt 3 eines aus einem dünnen Metallblech ausgebildeten Rahmens 2 gelagert und wird daran gebondet.
Es versteht sich, daß das Chip 1 und der Rahmen 2 einander entlang der Fläche 4 des Halbleitersubstrats berühren, während die Schaltung auf der freiliegenden Fläche des Chips vollständig ersichtlich wäre.
Der Rahmen 2 ist einstückig mit mehreren Verbindungsanschlüssen ausgebildet, die im wesentlichen aus Kontaktstiften 5 bestehen, die zum Abschluß des Fertigungsprozesses in eine vorgedruckte elektronische Platine eingesteckt werden.
Ein Leitungsdraht 7 wird zwischen jeden der Stifte 5 und einer entsprechenden Kontaktstelle auf dem Chip 1 gebondet. Insbesondere wird der Draht an einem inneren Ende oder einer Pfostenleitung 8 des Stifts 5 und an einer Stelle 6 auf dem Chip gebondet.
Beispielhaft ist in Fig. 1 ein Draht 7 dargestellt, der sich zwischen dem Pfostenleiter 8 eines Stifts 5 und einer Kontaktstelle 6 am Umfang des Chips 1 in Längsrichtung erstreckt.
Die einander abgewandten Enden des Drahts 7 werden deshalb an das Ende 8 des Stifts 5 bzw. an die Verbindungsstelle 6 gebondet.
Zu diesem Zweck ist eine nur teilweise dargestellte Heftbondanlage vorgesehen. Diese Anlage trägt an ihrem Arbeitsende einen Bond-Werkzeugkopf 9, der automatisch auf das auf dem Rahmen 2 gelagerte Siliziumchip 1 zu und von dem Chip weg angetrieben werden kann, ebenso wie auf die Stifte 5 zu und von diesen weg angetrieben werden kann.
Speziell enthält das Werkzeug 9 eine Bondspitze 11, die dazu ausgebildet ist, sowohl gegen ein Ende eines Drahts 7, welches mit der Stelle 6 durch Bonden zu verbinden ist, als auch mit dem anderen Ende des Drahts 7 zur Anlage zu gelangen, welches mit dem Stift 5 durch Bonden zu verbinden ist.
In vorteilhafter Weise besitzt erfindungsgemäß die Spitze 11 ein mit Nuten versehenes Bodenende 12, wodurch der Verbindungsdraht läuft.
Insbesondere erstreckt sich ein Paar paralleler Nuten 13 und 14 entlang diesem Ende 12. Die Nuten 13 und 14 haben einen im wesentlichen V- förmigen Querschnitt mit einem Öffnungswinkel von annähernd 60º.
Ferner haben die Nuten 13 und 14 unterschiedliche Längen. Vorzugsweise und nach Maßgabe individueller Anforderungen ist die zuerst erwähnte Nut 13 etwa um ein Drittel bis zu einer Hälfte länger als die als zweites erwähnte Nut 14.
Die erste Nut 13 hat eine im wesentlichen gestreckte Profilform mit gekrümmten, entgegengesetzten Enden 17, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Die zweite Nut 14 ist statt dessen an einem Ende durch einen vorstehenden Kern 15 verschlossen. Die Profilform 10 in der zweiten Nut 14 ist deutlich in Fig. 3 erkennbar. Das gekrümmte Profil zwischen dem Kern 15 und der Linie 10 der Nut 14 ist in Fig. 5 gezeigt.
Im folgenden wird das Bondverfahren gemäß der Erfindung beschrieben.
Während der Draht auf das Ende 8 des Stifts 5 aufgebondet wird, wird er in der ersten Nut 13 gehalten, wie dies rechts in Fig. 1 zu sehen ist.
Das Bonden erfolgt mit Hilfe von Ultraschall oder unter Verwendung einer anderen, äquivalenten Methode.
Anschließend wird die Bondanlage automatisch so betrieben, daß sie die Spitze 11 zu einer Stelle 6 auf den Chip 1 bringt, an der das andere Ende des Drahts 2 angebondet wird.
Allerdings wird das Drahtende dann beim Bonden in der zweiten Nut 14 gehalten, wie dies alles auf der linken Seite der Fig. 1 zu sehen ist.
Während dieses Schritts des Bondprozesses kerbt der Kern 15 den Draht 7 ein und durchdringt ihn, um seinen Querschnitt zu schwächen, allerdings verletzt dies nicht die Bondverbindung, auch nicht, wenn der Draht einem scharfen Zug ausgesetzt wird, wie es üblicherweise bei Dünndrähten der Fall ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung lösen die technische Aufgabe und erzielen mehrere Vorteile, von denen als besonderer Vorteil sicherlich der Umstand hervorzuheben ist, daß die gebondeten Drahtverbindungen effektiver und zuverlässiger sind als die mit herkömmlichen Methoden erzielten Verbindungen.
Tatsächlich erzeugt das Differenznut-Werkzeug Bondverbindungen mit Kontaktstellen und Stiften, die sich eignen für Räumlichkeiten und Abmessungen, wie sie an den jeweiligen Kontaktpunkten zur Verfügung stehen.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von Leitungsdrähten (7) zwischen einem Halbleiterschaltungschip (1) und entsprechenden Anschlußverbindern (5), umfassend die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Bondkopfs, der eine Bondspitze (11) mit einem Arbeitsende (12) aufweist, die mindestens ein Paar Nuten (13, 14) unterschiedlicher Länge enthält, welche mindestens eine erste und eine zweite Bondfläche mit verschiedenen Flächengrößen definieren und die Leitungsdrähte (7) aufnehmen;

- Halten eines Endes des Drahts (7) an dem Verbinder (5) in einer (13) der Nuten und Bonden des Endes;

- Halten des anderen Endes des Drahts an dem Chip (1) in der anderen (14) der Nuten und Bonden des Endes; und

- Einkerben des anderen Endes des Drahts (7) mit Hilfe eines Vorsprungs (15), welcher ein Ende der anderen (14) der Nuten verschließt, um das Abbrechen des Drahts nach dem Bonden zu erleichtern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Nut (13) länger als die andere Nut (14) ist.

3. Bondkopf für eine Heftbondanlage zum Bonden von längsgestreckten Leitungsdrähten (7) zwischen einem Halbleiterschaltungs- Chip (1) und entsprechenden Anschlußverbindern (5), umfassend eine Bondspitze (11) mit einem Arbeitsende (12), welches mindestens eine erste und eine zweite Bondfläche mit unterschiedlichen Flächengrößen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondspitze (11) mindestens eine erste (13) und eine zweite Drahthaltenut (14) unterschiedlicher Längen aufweist, welche die erste bzw. die zweite Bondfläche definieren, von denen die zweite Drahthaltenut (14) an einem Ende durch einen Vorsprung (15) geschlossen ist, um den Draht einzukerben und das Abbrechen des Drahts nach dem Bonden zu erleichtern.

4. Werkzeugkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (13, 14) parallel zueinander entlang dem Arbeitsende (12) verlaufen.

5. Werkzeugkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (13) der Nuten annähernd ein Drittel bis die Hälfte länger ist als die zweite (14) der Nuten.

6. Werkzeugkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (13, 14) im wesentlichen V-förmig mit einem Öffnungswinkel von etwa 60º in einem Querschnitt senkrecht zur Länge der Nuten sind.

7. Werkzeugkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut (13) eine im wesentlichen geradlinige Profilgestalt (16) mit gekrümmten, einander abgewandten Enden (17) aufweist, wobei die einander abgewandten Enden (17) eine Biegung aufweisen, die zur Mitte der Bondspitze (11) gerichtet ist, betrachtet in einem Querschnitt parallel zur Länge der Nut.