DE3703694A1 - Ball-bondverfahren und vorrichtung zur durchfuehrung derselben - Google Patents

Ball-bondverfahren und vorrichtung zur durchfuehrung derselben

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DE3703694A1
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bond
wire
bond wire
ball
bonding
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DE19873703694
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English (en)
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Farhad Dipl Ing Farassat
Walter Birgel
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Dynapert Delvotec GmbH
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Dynapert Delvotec GmbH
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    • H01L2924/1901—Structure
    • H01L2924/1904—Component type
    • H01L2924/19042—Component type being an inductor

Description

Unter Bonden versteht man in der Mikroelektronik im allgemeinen das Verbinden von Bauelementen untereinander durch Kleben oder Schweißen im Unterschied zum üblichen Löten, wo die Ver­ bindungen mittels eines Lotes (meist Zinn-Blei-Legierung) her­ gestellt werden. Dabei unterscheidet man zwischen chip-(die)- Bondverfahren zum Befestigen eines Bauelementes auf einem Trägersubstrat und Draht-Bondverfahren zum Verbinden der Bau­ elementenanschlüsse mit dem Trägersubstrat bzw. der Kontakt­ flächen von Bauelement und Trägersubstrat mittels feiner Drähte. Mit letztgenanntem Verfahren beschäftigt sich die vorliegende Erfindung, und zwar insbesondere mit dem sogenannten Ball- Bonden. Die einzelnen Schritte des Ball-Bondens sind wie folgt:
  • - Positionieren und Absenken des Bondkopfes bzw. einer diesem zugeordneten Bond-Kapillare mit abgeflammter Bonddraht-Kugel (Ball) aus einer hochgefahrenen Aus­ gangsposition auf eine erste Bondstelle;
  • - Aufschweißen der Bonddraht-Kugel unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunter­ stützung;
  • - Hochfahren der Bond-Kapillare;
  • - Schleifen- bzw. loop-Bildung;
  • - Aufschweißen des Bonddrahtes an einer zweiten Bond­ stelle unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung;
  • - Hochfahren der Bond-Kapillare in eine vorgegebene tail-length-Position, Abreißen des Bonddrahtes durch Ausübung eines Zuges auf diesen mittels einer am Bonddraht angreifenden Klammer und anschließend Hochfahren der Bond-Kapillare in die Ausgangsposition; sowie
  • - Abflammen des freien Bonddrahtendes unter Ausbildung einer Bonddraht-Kugel;
  • - usf.
Bei der zunehmend fortschreitenden Miniaturisierung der Bauelemente und damit der Bond- bzw. Kontaktstellen ist es erforderlich, die Ball-Größe entsprechend klein zu bemessen, um Kurzschlüsse zwischen benachbarten Bond­ bzw. Kontaktstellen zu vermeiden. Darüber hinaus wird gefordert, die erwähnten "Mini-Balls" exakt zu dimensio­ nieren. Diese beiden Voraussetzungen lassen sich jedoch mit dem herkömmlichen beschriebenen Verfahren nicht ohne weiteres erfüllen. Der Grund dafür liegt darin, daß beim herkömmlichen Ball-Bonden folgende Erscheinungen unbe­ rücksichtigt bleiben:
1. Dehnung des meist sehr dünnen Golddrahtes bis zu 10%;
2. Schlupf zwischen dem Bonddraht und der den Abriß des­ selben bewirkenden Klammer;
3. Verformung des Bonddrahtes, insbesondere seitliche Ausbiegung desselben, im unbelasteten Zustand nach Aufschweißung an der zweiten Bondstelle bedingt durch innere Spannungen.
Aufgrund der Nichtberücksichtigung der genannten Er­ scheinungen entsteht beim bisherigen Ball-Bonden eine sehr undefinierte sogenannte "tail-length" und dement­ sprechend undefinierte Ball-Größe.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art so­ wie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit dem bzw. der sich die Ball-Größe exakt einstellen läßt, und zwar insbesondere auch bei Aus­ bildung von sogenannten "Mini-Balls".
Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruches 1 oder An­ spruches 4 gelöst, wobei die Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 6 gekennzeichnet ist.
Die erfindungsgemäßen Verfahren liefern neben der Lösung der gestellten Aufgabe zusätzlich weitere Informationen. Wenn bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 keine elektrische Verbindung zwischen der Drahtklammer und der Bondstelle bzw. dem lead-frame herstellbar ist, sobald sich die Drahtklammer in Drahtklemmstellung befindet, bedeutet dies, daß keine "tail-Verbindung" zur zweiten Bond­ stelle vorhanden ist bzw. der Bonddraht ohne Einwirkung der Drahtklammer bereits abgerissen ist. In diesem Fall wird der Bonder vorzugsweise abgeschaltet und der Fehler untersucht und beseitigt, um dann den Bonder wieder neu einzustellen.
Wenn bei dem Verfahren nach Anspruch 4 nach vorbe­ stimmter Absenkung des Bondkopfes noch immer kein Kontakt zwischen dem freien Bonddrahtende und der Ab­ flamm-Einrichtung feststellbar ist, bedeutet dies, daß die "tail-length" so kurz sein muß, daß ein ausreichend groß bemessener Ball nicht mehr herstellbar ist. Auch in diesem Fall wird der Bonder vorzugsweise abgeschaltet, der Fehler untersucht und beseitigt, um dann den Bonder wieder neu einzustellen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren erlauben also zusätz­ liche Fehlersignale, die beim Arbeiten nach dem bis­ herigen Verfahren nicht erhalten werden können.
Details des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in den An­ sprüchen 2 und 3 beschrieben.
Nachstehend wird anhand einer Prinzip-Zeichnung das er­ findungsgemäße Verfahren nochmals näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 7 den prinzipiellen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Ball-Bond­ verfahrens.
In der Zeichnung sind mit der Bezugsziffer 10 eine Bondkapillare, 11 ein Gold-Bonddraht mit einem Mini-Ball 12 am unteren freien Drahtende, 13 eine am Bonddraht 11 angreifende Drahtklammer, 14 ein Bauelement mit einer ersten Bondstelle 17, 15 ein lead-frame, 16 eine zweite Bondstelle auf dem lead-frame bzw. Substrat, und 18 eine Abflammlanze gekennzeichnet.
Ausgehend von einer hochgefahrenen Ausgangsposition eines im einzelnen nicht näher dargestellten Bondkopfes samt Bond-Kapillare 10 mit abgeflammter Bonddraht- Kugel bzw. Ball 12 auf eine erste Bondstelle 17 auf einem Bauelement 14 abgesenkt entsprechend Pfeil 19 in Fig. 1. Die Absenkung der Bond-Kapillare 10 erfolgt unter Mitnahme des Balls 12 und damit entsprechender Mitnahme des Bonddrahtes 11. Anschließend erfolgt das Aufschweißen des Balls 12 an der ersten Bondstelle 17 auf dem Bauelement 14 unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung.
Dann wird der Bondkopf bzw. die Bond-Kapillare 10 wieder hochgefahren (siehe Pfeil 20 in Fig. 3) und in eine vor­ gegebene Loop-Position entsprechend Fig. 4 bewegt, unter Ausbildung einer sogenannten Bonddraht-Schleife 21. In der Loop-Position befindet sich die Bond-Kapillare ober­ halb der zweiten Bondstelle 16. Die Bond-Kapillare wird dann unter entsprechender Mitnahme des Bonddrahtes 11 aus der Loop-Position erneut abgesenkt (siehe Pfeil 22 in Fig. 4). In abgesenkter Stellung entsprechend Fig. 5 erfolgt dann das Aufschweißen des Bonddrahtes 11 an der zweiten Bondstelle 16 ebenfalls unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung.
Dann wird der Bondkopf bzw. die Bond-Kapillare 10 in tail-length-Position 28 gefahren entsprechend Fig. 6. Anschließend wird die Drahtklammer 13 aktiviert und entsprechend den Pfeilen 23 in Fig. 6 in Drahtklemm­ stellung gebracht. Dann wird zwischen der Drahtklammer und der zweiten Bondstelle 16 eine elektrische Spannung angelegt, gegebenenfalls über den lead-frame 15. Sobald diese Spannung anliegt wird die Drahtklammer 13 ent­ sprechend den Pfeilen 24 in Fig. 7 nach oben bewegt bzw. hochgefahren unter entsprechender Ausübung eines Zuges auf den Bonddraht 11, bis dieser abreißt. Mit dem Abriß des Bonddrahtes 11 wird die elektrische Verbindung zwischen Drahtklammer 13 und zweiter Bondstelle 16 unterbrochen. Die Zug- bzw. Abreißbewegung der Draht­ klammer 13 wird gestoppt. Gleichzeitig wird die Weg­ strecke festgehalten, die die Drahtklammer 13 in Richtung der Pfeile 24 bis zum Abriß des Bonddrahtes 11 zurückgelegt hat. Auf diese Weise ist die tatsächliche tail-length 25 (Fig. 7) bzw. die exakte Position des freien Bond­ drahtendes oberhalb der zweiten Bondstelle 16 bestimm­ bar, so daß es möglich ist, die Einrichtung zum Ab­ flammen des freien Bonddrahtendes unter Ausbildung eines neuen balls 12, nämlich die Abflammlanze 18, ge­ gegenüber dem freien Bonddrahtende bzw. der Drahtspitze so zu positionieren (siehe Doppelpfeil 26 in Fig. 7), daß die Abflammlanze 18 stets einen vorbestimmten Ab­ stand zur Bonddrahtspitze aufweist. Dann wird die Ab­ flammlanze 18 aktiviert (Abflammfunke 27), so daß sich der tail 25 zu einem neuen ball 12 verformt.
Anschließend wird die Drahtklammer 13 wieder geöffnet und in die Ausgangsposition gemäß Fig. 1 abgesenkt. Ein neuer Bondvorgang der beschriebenen Art kann wieder beginnen.
Als Antrieb für die Drahtklammer 13 dient vorzugsweise ein Schrittmotor. Die von der Drahtklammer 13 zurückge­ legte Wegstrecke bis zum Abriß des Bonddrahtes 11 wird dementsprechend in Schritten (clocks) festgehalten. Vor­ zugsweise erfolgt die Auf- und Abbewegung der Abflamm­ lanze 18 in Richtung des Doppelpfeiles 26 ebenfalls mittels eines Schrittmotors, wobei die Zählwerke der beiden Schrittmotoren über eine Rechnereinheit mit­ einander gekoppelt sind, so daß die gewünschte Zu­ ordnung der Abflammlanze 18 zur freien Drahtspitze selbsttätig bzw. vollautomatisch herstellbar ist.
Sobald sich die Drahtklammer 13 wieder in ihrer Start­ position gemäß Fig. 1 befindet, wird das der Draht­ klammer 13 zugeordnete Zählwerk wieder auf Null ge­ stellt. Auch die Abflammlanze 18 wird nach dem Ab­ flammen des tails 25 wieder in eine Nullposition ge­ bracht. Sobald diese erreicht ist, wird das dem An­ trieb der Abflammlanze 18 zugeordnete Zählwerk eben­ falls auf Null gestellt. Sowohl die Drahtklammer 13 als auch die Abflammlanze 18 befinden sich somit je­ weils in Ausgangs- bzw. Startposition, von der aus die gegenseitige Positionierung von freier Drahtspitze und Abflammlanze 18 bestimmt und gesteuert wird.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, die eingangs genannten Erscheinungen bzw. Größen, wie Drahtdehnung und Drahtverformung (seitliche Ausbiegung im unbelasteten Zustand), als Fehlgrößen zur exakten Ball-Dimensionierung auszuschließen.
Dasselbe Ergebnis erhält man, wenn nach dem Abriß des Bonddrahtes 11 die hochgefahrene Bond-Kapillare 10 wieder abgesenkt wird, bis die freie Drahtspitze die mittlerweile in Abflammstellung gebrachte bzw. einge­ schwenkte Abflammlanze oder einen entsprechenden An­ schlag kontaktiert. Dann braucht der Bondkopf nur noch so weit angehoben zu werden, bis ein vorbestimmter Ab­ stand zwischen der freien Drahtspitze und der Abflamm­ lanze 18 erreicht ist. Auch auf diese Weise läßt sich die Ball-Größe dauerhaft exakt bestimmen. Die Abflamm­ lanze 18 führt bei dem zuletzt genannten Verfahren lediglich eine Bewegung in Richtung des Doppelpfeiles 29 in Fig. 7 aus.
Als Kontaktsensor kann bei dem zuletzt genannten Ver­ fahren ein herkömmlicher elektrischer (berührungsfreier), mechanischer oder Ultraschall-Sensor dienen.
Bei dem zuletzt genannten Verfahren läßt sich auch fest­ stellen, ob überhaupt ein ausreichend langer tail 25 vor­ handen ist. Sofern nämlich nach vorbestimmter Absenkung des Bondkopfes noch immer kein Kontakt zur Abflammlanze 18 hergestellt ist, bedeutet dies, daß die tail-length zu kurz ist, um einen ausreichend großen Ball 12 ausbilden zu können.
Bei dem erstgenannten Verfahren ist von Vorteil, daß sich ein vorzeitiger Abriß des Bonddrahtes ohne Einwirkung der Drahtklammer 13 feststellen läßt, und zwar dann, wenn nach dem Schließen der Drahtklammer 13 eine elektrische Verbindung zwischen derselben und der zweiten Bondstelle 16 nicht herstellbar ist.
Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder im Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims (6)

1. Ball-Bondverfahren, insbesondere Golddraht-Bondverfahren, welches folgende Arbeitsschritte umfaßt:
  • a) Positionieren und Absenken einer Bond-Kapillare mit abge­ flammter Bonddraht-Kugel (Ball) aus einer hochgefahrenen Ausgangsposition auf eine erste Bondstelle;
  • b) Aufschweißen der Bonddraht-Kugel unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung;
  • c) Hochfahren der Bond-Kapillare;
  • d) Schleifen- bzw. Loop-Bildung;
  • e) Aufschweißen des Bonddrahtes an einer zweiten Bond­ stelle unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung:
  • f) Hochfahren der Bond-Kapillare in eine vorgegebene tail-length-Position, Abreißen des Bonddrahtes durch Ausübung eines Zuges auf diesen mittels einer am Bonddraht an­ greifenden Klammer; und anschließend Hochfahren der Bond-Kapillare in die Ausgangsposition; sowie
  • g) Abflammen des freien Bonddrahtendes unter Ausbildung einer neuen Bonddraht-Kugel (Ball); dadurch gekennzeichnet, daß
  • h) nach Aufschweißen des Bonddrahtes an der zweiten Bond­ stelle zwischen dieser und der den Zug auf den Bond­ draht ausübenden Klammer eine elektrische Spannung angelegt wird, sobald sich die Klammer in Drahtklemm­ stellung befindet;
  • i) anschließend die Wegstrecke der Klammer bis zum Abriß des Bonddrahtes und damit bis zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der zweiten Bondstelle und der Klammer gemessen wird; und daß
  • j) die Einrichtung zum Abflammen des freien Bond­ drahtendes, insbesondere Abflammlanze, unter Be­ rücksichtigung der gemessenen Klammer-Wegstrecke dem freien Bonddrahtende bzw. der Drahtspitze so zuge­ ordnet wird, daß die Abflamm-Einrichtung, insbesondere Abflammlanze, einen vorbestimmten Abstand zum freien Bonddrahtende bzw. zur Drahtspitze aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zum Abreißen des an der zweiten Bondstelle aufgeschweißten Bonddrahtes dienende Klammer schrittweise (clock-wise) hochgefahren wird unter Zählung der Bewegungsschritte bis zum Abriß des Bonddrahtes.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Abriß des Bonddrahtes der der Klammer zugeordnete Bewegungsschrittzähler wieder auf Null gestellt wird.
4. Ball-Bondverfahren, insbesondere
  • a) Positionieren und Absenken einer Bond-Kapillare mit abgeflammter Bonddraht-Kugel (Ball) aus einer hoch­ gefahrenen Ausgangsposition auf eine erste Bondstelle;
  • b) Aufschweißen der Bonddraht-Kugel unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunter­ stützung;
  • c) Hochfahren der Bond-Kapillare;
  • d) Schleifen- bzw. Loop-Bildung;
  • e) Aufschweißen des Bonddrahtes an einer zweiten Bond­ stelle unter Wärmezugabe, definiertem Anpreßdruck und/oder Ultraschallunterstützung;
  • f) Hochfahren der Bond-Kapillare in eine vorgegebene tail-length-Position, Abreißen des Bonddrahtes durch Ausübung eines Zuges auf diesen mittels einer am Bonddraht an­ greifenden Klammer, und weiter Hochfahren in die Ausgangsposition; sowie
  • g) Abflammen des freien Bonddrahtendes unter Ausbildung einer neuen Bonddraht-Kugel (Ball); dadurch gekennzeichnet, daß
  • h) vor dem Abflammen des freien Bonddrahtendes die dafür bestimmte Abflammeinrichtung, insbesondere Abflammlanze, in Abflammstellung gebracht wird; und daß
  • i) anschließend der Bondkopf samt Bond-Kapillare soweit abgesenkt wird, bis das freie Bonddrahtende bzw. die Drahtspitze die Abflammlanze oder ein dieser zuge­ ordnetes Wegbegrenzungs-Element (Anschlag) kontaktiert, um dann wieder um eine vorgegebene Wegstrecke hochge­ fahren zu werden, so daß das freie Bonddrahtende bzw. die Drahtspitze einen vorbestimmten Abstand von der Abflammeinrichtung, insbesondere Abflammlanze, auf­ weist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktierung des freien Bonddrahtendes bzw. der Drahtspitze mittels eines elektrischen, mechanischen und/oder Ultraschall-Sensors festgestellt wird.
6. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den Abriß des Bonddrahtes (11) bewirkenden Klammer (13) ein Schrittantrieb zugeordnet ist, der mit einem Zählwerk gekoppelt ist, so daß die von der Draht­ klammer (13) zurückgelegte Wegstrecke nach vorgegebener Nullstellung digital einstellbar und/oder bestimmbar ist.
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