DE60017176T2

DE60017176T2 - Eine vorrichtung und ein verfahren zum laserschweissen von bändern für elektrische verbindungen

Info

Publication number: DE60017176T2
Application number: DE60017176T
Authority: DE
Inventors: A. David RUBEN
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: DE60017176D1; EP1226000B1; US20030127434A1; WO2001030530A1; US20040256367A1; EP1226000A1; US6717100B2; US6501043B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Zusammenfügen von Verbindungselementen, insbesondere leitende Elemente zum Zusammenfügen elektronischer und mikroelektronischer Schaltungen.
Elektronische Schaltungen, wie mikroelektronische Logikschaltungen oder andere ähnliche elektronische Schaltungen, können als eine integrierte Einheit hergestellt werden, woraus sich ein sehr wirksames Verfahren zur Herstellung kompakter Schaltungen entwickelt hat. Letztendlich müssen die integrierten Schaltungskomponenten oder andere gekapselte Elektroniken für die Verwendung jedoch mit größeren Schaltungen verbunden werden und über Leiterrahmen oder andere Verbinder mit Schaltungen, wie Eingabe- und Anzeigevorrichtungen, Leistungsversorgungen und Massen sowie Komplementärschaltungen, verbunden werden. Angesichts der geringen Größe dieser Schaltungen findet die Verbindung dieser Schaltungen auch in einem relativ kleinen Maßstab statt. Beispielsweise sind integrierte Schaltungschips typischerweise kleiner als 7,5 mm × 7,5 mm (0,3 Zoll × 0,3 Zoll). Diese Schaltungen können durch sehr kleine Drähte, beispielsweise Drähte mit einem Durchmesser von 1 Millizoll, oder durch kleine, flache leitende Metallbänder, die beispielsweise 0,025 mm × 0,25 mm (0,001 Zoll × 0,01 Zoll) messen können, miteinander verbunden werden.
Im allgemeinen können Metalle für elektronische Ver bindungen durch Löten, d.h. durch Schmelzen einer Legierung oder eines Elements mit einer verhältnismäßig niedrigen Schmelztemperatur, verbunden werden, wobei das Grundmaterial der verbundenen Elemente weder geschmolzen wird noch Teil der Verbindung wird. Beim Schweißen werden dagegen die zu verbindenden Grundelemente geschmolzen, was zur Bildung eines Schweißklumpens führt, der aus Material von beiden zu verbindenden Elementen besteht, wobei mit anderen Worten eine Verschmelzung oder gründliches und vollständiges Mischen zwischen den beiden Kanten des zu verbindenden Grundmetalls auftritt. Wenngleich Wärme häufig verwendet wird, um Drähte oder andere Leiter sowohl für Festkörper-, Verschmelzungs- als auch für Löt-/Hartlötanwendungen miteinander zu verbinden, hat sich erwiesen, daß viele traditionelle Verfahren zum Erwärmen bei mikroelektronischen Anwendungen Nachteile haben. Bei einem Verfahren zum Anwenden von Wärme auf eine Bondstelle wurde der Bondkopf erwärmt, um Wärme auf die Bond- (Verbindungs-) stelle zu übertragen. Bei einem alternativen Verfahren kann ein Heizblock an einen Leiterrahmen einer Schaltung geklemmt werden. Auf diese Strukturen, die in bezug auf die zu bondende Fläche verhältnismäßig groß sind, angewendete Wärme kann jedoch zu Verformungen oder zu einem Biegen des Leiterrahmens oder zu einer Beschädigung anderer elektrischer Komponenten führen. Falls Wärme zum Löten mikroelektronischer Verbinder zu verwenden ist, wäre es wünschenswert, diese Wärme genauer an den zu lötenden Leitungen oder Verbindern zu lokalisieren, statt eine Fläche zu erwärmen, die beispielsweise so groß wie ein ganzer Leiterrahmen ist.
Als eine Alternative zum Löten unter Verwendung von Wärme allein wurden bei Band-Bondeinrichtungen aus dem Stand der Technik spezialisierte Festkörper-Bondverfahren, beispielsweise Ultraschallenergie, verwendet, um die Bänder an Substrate, Leiterrahmen oder verschiedene elektronische Komponenten zu bonden. Ultraschallenergie, die eine hochfrequente Schwingung beispielsweise von 60 kHz bis über 100 kHz ist, wird auf die durch einen Bondkopf zu bondenden Teile angewendet. Diese Schwingung sowie die damit einhergehende Abrasion des Verbinders gegen die Anschlußstelle oder die Leitung bewirken in Zusammenhang mit der Wärme und dem mechanischen Druck vom Bondkopf ein metallurgisches Atomdiffusionsbonden des Verbinders mit dem Metall der Bondstellen. Moderne Ultraschall-Bondmaschinen verwenden zweckmäßigerweise optische und Mustervergleichs-Logiksysteme zum Automatisieren des Bondprozesses für die Montage eines bestimmten Gehäuses oder einer bestimmten Schaltung.
Das Ultraschall-Bandbonden wird in erster Linie als ein Verfahren zum Verbinden integrierter Schaltungen, von Gehäusen oder von Substraten bei Hochfrequenz- oder Hochleistungsanwendungen verwendet. Ultraschall-Bondtechniken haben jedoch mehrere Nachteile, weshalb diese Verfahren nun weniger verwendet werden. Das Ultraschall- oder Thermoschallbonden, d.h. eine Ultraschallschwingung unter Verwendung von Wärme, kann Anwendungen beim Bonden flacher, starrer Strukturen finden, es ist jedoch nicht gut für das Bonden weniger starrer, d.h. flexibler oder halbflexibler Strukturen geeignet. Diese Strukturen neigen ansprechend auf die Ultraschallenergie zu Schwingungen, was dazu führt, daß ein großer Teil der Energie verlorengeht, statt daß die vorgesehene Bindung erzeugt wird. Ein weiterer Nachteil des Ultraschallbondens besteht darin, daß es in erster Linie mit bestimmten Materialien verwendet werden kann und im allgemeinen auf Gold, Aluminium und Kupfer beschränkt ist. Dementsprechend ist das zu bondende Substratmetall im allgemeinen mit Gold überzogen.
Weil die Ultraschallenergie tatsächlich eine Schwingung, wenngleich eine sehr hochfrequente, ist, kann diese Schwingung eine unerwünschte Bewegung der während des Bondprozesses zu verbindenden Teile hervorrufen. Dies kann nicht nur zu einem Versatz der Teile zueinander führen, sondern die Bewegung der Teile während der Zeit, in der das Bonden ausgeführt wird, führt natürlicherweise zu einer schwächeren und inkonsistenten Bindung. Diese Probleme führen zu erheblichen Schwingungsstabilitätsanforderungen für die Anschlüsse und Substrate, die beim Ultraschallbonden verwendet werden. Angesichts der Beschränkungen beim Ultraschallbonden wäre ein alternatives Verfahren zum Bonden von Leitern für mikroelektronische Vorrichtungen erwünscht.
Das Widerstandsschweißen wurde bei der Herstellung von Mikroelektronik nur begrenzt angewendet. Metallische Objekte setzen dem Fluß elektrischen Stroms in unterschiedlichem Maße Widerstand entgegen. Dieser Widerstand ruft Wärmeenergie hervor, wenn elektrischer Strom durch die zu bondenden Metalle hindurchfließt. Je höher die Stromstärke und die Dauer des Stroms sind, desto größer ist die erzeugte Wärmeenergie. Metallische Objekte haben thermische Eigenschaften, einen Schmelzpunkt, einen spezifischen Wärmegehalt, eine thermische Leitfähigkeit und weitere. Durch die Verwendung dieser Eigenschaften kann eine Umgebung zur Erzeugung eines Schmelzbads erzeugt werden, das zu einem Schweißklumpen härtet. Die Anwendung des Widerstandsschweißens ist jedoch begrenzt und im all gemeinen mit Bandmaterialien niedrigen Widerstands, wie Kupfer, Silber und Gold, nicht vereinbar.
Lasererzeugte Wärme hat Anwendungen bei bestimmten Teileverbindungsverfahren gefunden. Beispielsweise wurden Leiterrahmen bei Anwendungen, wie TAB (automatisches Bandbonden) mit Lasern geschweißt, wie beispielsweise im US-Patent, 4 893 742 von Bullock dargelegt ist. Das TAB-Bonden unterliegt jedoch einer Anzahl von Beschränkungen, wobei die wesentliche darin besteht, daß zweckgebundene und kostspielige Einrichtungen für jeden Prozeßschritt erforderlich sind. Die Verbindungsbänder oder Leiterrahmen müssen vorab gebildet werden. Daher sind mit den speziell ausgelegten Bandträgern für jeden hergestellten Schaltungstyp lange Vorlaufzeiten und hohe Kosten verbunden. Zweckgebundene Werkzeuge sind erforderlich, um TAB-Leitungen auszuschneiden und zu bilden. Es ist eine "Höckerbildung", d.h. das Anordnen kleiner Metallhöcker an den Bondstellen der Schaltung erforderlich, um oberhalb der Passivierungsschicht der Schaltung eine Bondfläche bereitzustellen. Zusätzlich müssen die Leiterrahmen vor dem Löten angeordnet und genau in Position gehalten werden. Schließlich benötigen die mit bestehenden Vorrichtungen und Verfahren zu bondenden Leitungen Lötmittel zum Ausführen des Bondens, wobei der Hauptkörper der Leitung und der Verbinder nicht den Schmelzpunkt erreichen und nur das Lötmittel erweicht wird. TAB-Leitungen werden dementsprechend an irgendeinem Punkt vor dem Bondprozeß mit Lötmittel beschichtet. Daher ist eine erhebliche Vorbereitung der TAB-Leiterrahmen erforderlich. Im allgemeinen ist das Charakterisieren des Verhaltens einzelner Entwürfe und Strukturen, ebenso wie die Konstruktion von Leiterrahmenbändern für TAB-Herstellungsverfahren sehr zeitaufwendig.
Im Dokument FR-A-2 605 176 ist eine Vorrichtung zum Bonden eines leitenden Metalldrahts an ein auf einem Werkstück positioniertes Substrat unter Verwendung eines Laserstrahls und mit einem Bondkopf offenbart, welche aufweist: einen Bondkopf, in dem sich eine Öffnung befindet, welcher über einer Bondstelle auf dem Substrat angeordnet werden kann, wobei der Bondkopf einen Fädelungsschlitz aufweist, durch den der leitende Metalldraht geführt wird, um ihn unter einem Bondfuß anzuordnen, eine Laserstrahlquelle und eine optische Faser, die in die Öffnung des Bondkopfs eingeführt wird, so daß der Laserstrahl auf die obere Fläche des leitenden Metalldrahts gerichtet werden kann, der sich unter dem Bondfuß befindet.
Es wäre wünschenswert, ein Laserbonden bereitzustellen, das unter Verwendung ähnlicher Vorrichtungen wie traditionelle Keilbondeinrichtungen, die einzelne Kontaktpunkte automatisch bonden können, ohne die für bandmontierte Leiterrahmen erforderlichen Vorbereitungen ausgeführt werden könnte. Es wäre auch wünschenswert, ein Bondverfahren bereitzustellen, das an einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metallen mit einem niedrigen Widerstand, funktionieren würde, ohne daß ein Lötmittel verwendet wird. Zusätzlich wäre es wünschenswert, eine Bondtechnik bereitzustellen, bei der ein stark lokalisierter Erwärmungsbereich verwendet wird, ohne daß Leiterrahmen oder andere Komponenten neben der Bondstelle peripher erwärmt werden. Schließlich wäre es wünschenswert, ein Bondverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, flexible Materialien zu bonden, die dazu neigen können, ansprechend auf das Anwenden von Ultraschallenergie zu schwingen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Bonden eines leitenden Metallbands an ein auf einem Werkstück positioniertes Substrat mit den folgenden Schritten vor:
Zuführen von leitendem Metallband von einer Spule,
Bereitstellen eines Bondkopfs mit einer sich darin befindenden Öffnung über einer Bondstelle auf dem Substrat, wobei der Bondkopf einen Fädelungsschlitz aufweist, durch den Band von der Spule geführt wird, um es unter einem Bondfuß anzuordnen,
Bereitstellen einer Laserstrahlquelle und eines Laserstrahlgehäuses mit Zielmitteln, die über dem Bondkopf angeordnet sind, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der auf einen Punkt fokussiert wird, welcher sich in Lageübereinstimmung mit der Öffnung in dem Bondkopf befindet, so daß der Laserstrahl auf die obere Fläche des Bands gerichtet wird, das sich unter dem Bondfuß befindet, und
Ausstrahlen des Lasers über eine vorgegebene Zeit, die ausreicht, um an der Bondstelle einen Schweißklumpen zu bilden, wobei der Schweißklumpen aus Material sowohl von dem Band als auch dem Substrat besteht.
Die bei bestehenden Systemen zur Herstellung von Verbindern auftretenden Schwierigkeiten werden auf diese Weise mit einer Vorrichtung überwunden, die das Laserbonden von Bandverbindern, insbesondere von leitenden Verbindern, die zum Bereitstellen von Stromwegen für den Betrieb elektronischer oder mikroelektronischer Komponenten verwendet werden, ermöglicht. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung für die Verwendung mit einem Material ausgelegt, das die bestimmte Wellenlänge des verwendeten Lasers absorbiert. Beispielsweise kann die Vorrichtung zum Bonden nichtleitender Bänder, d.h. von Kunststoffverbindern, verwendet werden, welche bei Kapselungs- oder anderen Anwendungen eingesetzt werden können. Vorzugsweise wird bei einer Bondvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Automatisierung, wie sie für das traditionelle Draht- und Bandbonden entwickelt wurde, beispielsweise eine Mustervergleichsautomatisierung, verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schweißt ein automatisierter Mustervergleichs-Bonder ein Ende eines Verbindungsbands, das von einer Spule mit einem geeigneten Verbindungsband zugeführt wird. Anschließend wird der Bondkopf der Vorrichtung zur zweiten Bondstelle bewegt, während abgespult wird, und er formt das Band zu einer gewünschten Schleife und schweißt dann die zweite Verbindung und schließt das Band ab. Alternativ kann nach der Bildung einer zweiten Bondstelle zusätzliches Band abgespult werden, um einen oder mehrere zusätzliche Schleifenverbinder zu bilden, wobei jede Schleife an einer neuen Schweißverbindung abgeschlossen wird. Alternativ zur Bewegung des Bondkopfs kann ein Maschinentisch, auf dem das Werkstück montiert ist, bewegt werden, während der Bondkopf stationär bleibt. Die vorliegende Erfindung hat potentielle Anwendungen für interne Vorrichtungsverbindungen, d.h. Verbindungen innerhalb eines IC-Gehäuses, sowie für die Endmontage auf einer Platine und andere mikroelektronische Verbindungen. Wenn das Bonden gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, nehmen die Wahlmöglichkeiten sowohl für das Band als auch für die Substratmaterialien zu, und die Abhängigkeit von der strukturellen Steifigkeit und der Stabilität der Anschlüsse, die für das Ultraschall bonden erforderlich sind, nimmt ab oder wird beseitigt.
Das mikroelektronische Bonden hat besonders nützliche Anwendungen auf dem Gebiet implantierbarer medizinischer Vorrichtungen gefunden, wie beispielsweise im Ruben u.a. erteilten US-Patent US-A-5 535 097 und im Sikorski u.a. erteilten US-Patent US-A-5 522 861, die beide auf den Erwerber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden, dargelegt ist.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um elektrische Verbinder zwischen und innerhalb der Hybridschaltung, der Batterie, Kondensatoren, Durchführungen und anderen Komponenten implantierbarer medizinischer Vorrichtungen herzustellen. Zusätzlich werden Fachleute jedoch verstehen, daß die vorliegende Erfindung auch bei verschiedenen mikroelektronischen Anwendungen verwendet werden kann. Diese können beispielsweise die Halbleiterherstellung und die Chipverwendung, das Kapseln integrierter Schaltungen und das Montieren von ihnen und andere elektrische Verbindungen in der Computerhardware- und der Elektronikindustrie einschließen, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Bevorzugte Ausführungsformen werden nun nur als Beispiel anhand der Zeichnung beschrieben.
1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Bondkopfs zur Verwendung in einer Band-Bondvorrichtung gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine Draufsicht eines Aspekts der Band-Bondvorrichtung aus 1,
3 ist eine alternative Draufsicht eines Aspekts der Vorrichtung aus 2,
4 ist eine alternative Draufsicht eines Aspekts der Vorrichtung aus 2,
die 5 – 8 veranschaulichen ein Verfahren zum Bonden eines Bands gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
9 ist eine Schnittansicht einer Band-Bondvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts einer Band-Bondvorrichtung gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der Erfindung, wobei der Abschnitt ein Bondkopf 100 ist. Ein Band 102 in der Art eines leitenden Metallbands wird auf einer Standardspule zugeführt, die in einer späteren Figur dargestellt ist. Der Bondkopf 100 ist dafür ausgelegt, das Band 102 durch einen Fädelungsschlitz 104 entgegenzunehmen. Der Fädelungsschlitz 104 hat einen Bandeingang 104a und einen Bandausgang 104b. Der Schlitz 1C4 ist vorzugsweise dafür ausgelegt, Bänder unterschiedlicher Dicken, beispielsweise mit 0,025 mm (1 Millizoll) aufzunehmen. Vom Fädelungsschlitz 104 wird das Band 102 unter einem Bondfuß 106 angeordnet und kann durch einen Laserstrahl an ein Bondsubstrat 108 geschweißt werden. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen der Laser nicht durch eine optische Faser über den Bondkopf 100 zur Bondstelle geleitet wird, hat der Bondkopf 100 eine Laseröffnung 110, um Laserlicht in den Abschnitt des Bands 102 einfallen zu lassen, der über der Bondstelle 112 angeordnet ist. Das Band kann zunächst durch den Fädelungsschlitz 104 im Bondkopf 100 gefädelt werden, um die richtige Anordnung des Bands 102 in bezug auf den Bondkopf 100 zu gewährleisten. Wie hier beschrieben wird, wird der Bondkopf zur Bondfläche abgesenkt und zwingt das Band, das Substrat oder die zu bondende Komponente, beispielsweise eine IC-Bondkontaktstelle, zu kontaktieren. Sobald die vorgegebene Last angewendet wurde, kann ein Laser ausgelöst werden, um das Band 102 an das Substrat 108 oder eine andere Komponente zu schweißen.
Der Bondfuß 106 ist, wie in 1 dargestellt ist, am Unterteil des Bondkopfs 100 angeordnet, der in 2 in einer Draufsicht dargestellt ist. Wie in 2 dargestellt ist, ist die Laseröffnung 110 in etwa in der Mitte des Bondfußes 106 angeordnet, der aus einem langgestreckten Bondkopfkörper 114 vorsteht. Diese Merkmale des Bondkopfs 100 sind in einer Draufsicht in 3 in größeren Einzelheiten dargestellt. Die Unterseite des Bondkopfs 100 und des Bondfußes 106 ist in 4 dargestellt. Wie in 4 ersichtlich ist, ist die Laseröffnung 110 vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig, wenngleich auch andere Formen, die für das Durchlassen von Laserenergie geeignet sind, möglich sind. Der Bandfädelungsschlitz 104 hat einen Fädelungsschlitzeingang 104a, in den das Band von der Rückseite des Bondkopfs 100 eintreten kann. Der Fädelungsschlitz 104 hat auch einen Fädelungsschlitzausgang 104b, aus dem das Band austreten kann, während das Band in Verbindung mit einer Schleifenbildung abgespult wird, wie nachstehend beschrieben wird.
Ein Verfahren zur Verbindungsschleifenbildung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 5 – 8 dargestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Bondkopf mehrere Achsen oder Bewegungsmodi, beispielsweise entlang der x-Achse, y-Achse, z-Achse (vertikal) sowie Theta (Drehung). Durch diese verschiedenen in 5 dargestellten Bewegungsmodi kann der Bondkopf 106 an einer ersten Bondstelle 112 auf der Bondfläche 116 positioniert werden. Der Bondkopf wird zuerst entlang der z-Achse abgesenkt, um das Band 102 mit der Bondfläche 116 zu kontaktieren. Das Band 102 wird daher zwischen dem Bondfuß 106 und der Bondfläche 116 angeordnet und dadurch an seinem Ort gehalten. Das Band 102 wird durch den Bondwerkzeug-Bandfädelungsschlitz 104 geführt, der das Band 102 während des Bondens an seinem Ort hält. Das Band 102 kann frei durch den Bandfädelungsschlitz 104 hindurchtreten, während der Bondkopf 100 zwischen der ersten und der zweiten oder zwischen nachfolgenden Bondstellen oder Schweißstellen bewegt wird. Beim Anordnen des Bondkopfs 110 an einer ersten Bondstelle 112 wird eine vorgegebene Kraft durch den Bondkopf 110 auf die Bondstelle 112 ausgeübt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Bondkopf dafür eingerichtet, eine optische Faser durch seine Länge hindurch aufzunehmen, welche es ermöglicht, den Laser direkt auf den Schweißpunkt zu lenken, wie in späteren Figuren dargestellt ist. Ein geeigneter Laserstrahl wird dann, beispielsweise durch die Öffnung 110 am Bondfuß 106, geleitet und heizt einen Abschnitt des Bands 102 sowie die Bondfläche 116 über ihre jeweiligen Solidustemperaturen auf. Ein nicht dargestellter Schweißklumpen wird auf diese Weise an der Bondstelle 112 gebildet, wobei der Klumpen aus zuvor geschmolzenem Material sowohl des Bands 102 als auch der Bondfläche 116 besteht. Es kann erwartet werden, daß der durch das Auslösen des Lasers erzeugte Schweißklumpen eine Bindung bildet, die eine höhere Stärke und Zuverlässigkeit aufweist als Löt- oder Hartlötbindungen.
Wie in 6 dargestellt ist, kann sich der Bondkopf 100 nach dem anfänglichen Bonden, wie vorstehend beschrieben wurde, oder während der Schweißklumpen der anfänglichen Bindung abkühlt, über eine automatisierte oder auf andere Weise vorgegebene Bahn, die dafür eingerichtet ist, vom Bondkopf 100 eine gewünschte Länge des Bands 102 zur Bildung einer Schleife 118 abzuspulen, zu einer zweiten Bondstelle 120 in der Art. einer programmierten Stelle bewegen. Wie in 7 dargestellt ist, wird das Band 102 nach dem Kontakt mit einer zweiten Bondstelle 120 wieder zwischen dem Bondfuß 106 und der Bondfläche 122 angeordnet, wobei ein Laser wie zuvor durch die Laseröffnung 110 ausstrahlt, um einen Schweißklumpen an der Bondstelle zu bilden. Danach kann weiteres Band 102 von der Bandspule abgespult werden, um eine verbundene zweite Schleife aus einer zusammenhängenden Bandlänge zu bilden. Alternativ kann, wie in 8 dargestellt ist, das Band 102 durch Klemmen oberhalb des Bondkopfs 100 oder durch Festsperren der nicht dargestellten Bardspule abgeschlossen werden. Nach dem Klemmen des Bands 102 wird der Bondkopf 100 vorzugsweise in einer Weise bewegt, die zum Brechen des Bands 102 in der Nähe der zweiten Bondstelle 120 führt. Im wesentlichen wird das Band 102 durch die Bewegungen des Kopfs, des Tisches oder der Klemme abgeschlossen, wie es bei bestehenden Verfahren zum Ultraschall-Bandbonden typisch ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzliches Band 102 von der Bandspule abgespult, um es unter dem Bondfuß 106 anzuordnen, um den Bondprozeß wieder einzuleiten, wie vorstehend beschrieben wurde.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können an jeder Bondstelle "Sicherheitsschweißungen", d.h. Doppelschweißungen oder andere Mehrfachschweißungen, ausgeführt werden. Diese Sicherheitsschweißungen dienen dazu, die Kontaktfläche zum Erzielen eines verbesserten Stromflusses, einer verbesserten mechanischen Festigkeit und einer verbesserten Zuverlässigkeit zu vergrößern. Die Bondeinrichtung bildet die Schweißung, bewegt sich leicht und schweißt das Band wieder an denselben Anschluß. Die Schweißstellen können einander überlappen, können zur Bildung eines einzigen gleichmäßigen Schweißklumpens bzw. -naht kombiniert werden oder können vollkommen getrennt sein, wodurch diskrete Schweißklumpen bewirkt werden.
Wenngleich dies hier typisch und mit Bezug auf die 5 – 8 beschrieben wird, kann als eine Bewegung des Bondkopfs von einer ersten zu einer zweiten Bondstelle, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bereitgestellt wird, diese Bewegung des Bondkopfs alternativ nur eine Relativbewegung in bezug auf das die Bondstellen enthaltende Werkstück, einen Arbeitstisch oder dergleichen sein. Mit anderen Worten kann das, was im allgemeinen als die Bondkopfbewegung bezeichnet wird, eine oder eine Kombination von Kopf-, Tisch- oder Werkstückbewegungen zueinander sein.
Gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und wie in 9 dargestellt ist, kann ein Laserstrahl auf die Bondstelle gerichtet werden, ohne die gesamte Länge des Bondkopfs 110 zu durchlaufen, wodurch eine größere Flexibilität der Bewegung des Bondkopfs, insbesondere in bezug auf 2 (vertikale) und Theta-Modus-Bewegungen (Drehung) ermöglicht wird. 9 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts einer Laserbondvorrichtung 130 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 dargestellt ist, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Laser verwendet, dessen Strahl 140 durch eine optische Glasfaser 132 und einen getrennten Fokussierungskopf, der Linsen und Optik enthält, die geeignet sind, um den Laser auf die Bondstelle 112 zu fokussieren, auf diese Bondstelle 112 übertragen wird, wodurch dem Bondkopf 100 eine vollständige Bewegung im x-, y-, z- und Theta-Modus verliehen wird, ohne daß auf die optische Glasfaser 132 Spannungen ausgeübt werden, die andernfalls auf den Bondfuß 106 oder das Bondwerkzeug 100 übergehen würden.
Es wird angenommen, daß andere Verfahren zur Laserübertragung als durch eine optische Faser, die bis zum Bondkopf läuft, die Möglichkeit des Auftretens bestimmter Ereignisse, wie eines Brechens, Kräuselns oder Splitterns der optischen Faser 132, reduzieren können. Wie beispielsweise in 9 dargestellt ist, kann eine optische Faser 132 zur Bondstelle 124 geleitet werden, wobei sich die optische Faser 132 innerhalb eines getrennten Arms oder eines getrennten Mantels 136 befindet. Weil sich die optische Faser 132 nicht ganz bis zum Bondkopf 110, sondern nur bis zum Verbinder 134 zwischen der optischen Faser und dem Lasergehäuse erstreckt, kann der Bondkopf 110 entsprechend dem z-Modus (vertikalen Modus) oder dem Theta-Modus (Drehungsmodus) bewegt werden, ohne daß übermäßige Spannungen auf die optische Faser 132 ausgeübt werden. Der Verbinder 134 verbindet den Mantel 136 der optischen Faser mit dem Laserweggehäuse 138. Der Laserlichtstrahl 140 kann auf eine Weise, in der der Laserstrahl nicht fokussiert ist und im wesentlichen aus Lichtstrahlen besteht, die parallel zueinander laufen, auf die Bondstelle 124 gerichtet werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Laser beispielsweise durch die Verwendung einer Linse fokussiert werden. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Brennpunkt 142 des Laserstrahls 140 direkt an oder neben der Bondstelle 112, beispielsweise an der oberen Fläche des Bands, an der Bondfläche 116 oder etwas unterhalb der Bondfläche 116, angeordnet werden.
Die optische Faser 132 kann den Laserstrahl 140 in eine Sammellinse 142 einfallen lassen, die bewirkt, daß der Laserstrahl verbreitert wird. Der kollimierte Strahl 144 läuft dann zu einem dichroitischen Spiegel 146, wo der Strahl um 90 Grad nach unten zur Bondstelle 124 gerichtet wird. Der breite Strahl 144 kann durch die Fokussierungslinse 148 fokussiert werden, um an der Oberfläche der Bondstelle 124 oder in einer gewissen Tiefe von dieser, entsprechend der gewünschten Heizwirkung, einen Laserbrennpunkt 142 bereitzustellen.
Durch die Verwendung des dichroitischen Spiegels 146 kann ein breiter kollimierter Laserstrahl 140 zur Bondstelle 124 reflektiert werden. Eine Kamera 150 oder ein anderes Sichtgerät in der Art eines Okulars zur Direktbetrachtung kann am oberen Teil des Gehäuserohrs 152 angepaßt werden, um eine Betrachtung zur Prozeßüberwachung und, falls gewünscht, von anderen Benutzeroperationen, wie einer manuellen Ausrichtung des fokussierten Laserstrahls 142 durch die Laseröffnung 110 und/oder einer manuellen Anordnung des Bondkopfs 100 an der gewünschten Bondstelle, beispielsweise der Bondstelle 112, bereitzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Bondkopf 100 und der Bondkopfarm 154 innerhalb bestimmter Bewegungsmodi, beispielsweise im x-, y-, z- und Theta-(Drehungs)-Modus, bewegt werden, ohne daß eine entsprechende oder damit einhergehende Bewegung des Lasergehäuses 138 auftritt. In erster Linie kann der Benutzer beispielsweise eine Bewegung des Bondkopfs 100 und des Bondarms 154 innerhalb des z-Modus (eine horizontale Bewegung oder "Auf- und Abbewegung" des Bondkopfs) oder des Theta-Modus (eine Drehung des Bondkopfs 100 in bezug auf die Bondstelle 112 oder das Werkstück 156) ausführen wollen, ohne das Lasergehäuse 138 zu bewegen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht die Bewegung des Bondkopfs 100 entsprechend dem x- und y-Modus (d.h. eine ebene Bewegung des Bondkopfs entlang der Ebene des Werkstücks) einer gleichen Bewegung entlang dem jeweiligen x- und y-Modus des Lasergehäuses 138, während die Bewegung des Bondkopfs im z-Modus und im Theta-Modus unabhängig von der Bewegung des Lasergehäuses 138 ist. Mit anderen Worten bewegt sich gemäß einer Ausführungsform das Lasergehäuse 138 zusammen mit dem Bondkopf 100 und dem Bondarm 154, um die vertikale Ausrichtung des Laserbrennpunkts 142 mit der Laseröffnung 110 des Bondkopfs 100 aufrechtzuerhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Lasergehäuse 138 unabhängig vom Bondarm 154 bewegt werden kann, wird eine vertikale Bewegung des Bondkopfs 100 im z-Modus von der Bondstelle 112 fort im allgemeinen nur dann ausgeführt, wenn der Laserstrahl 140 nicht strahlt. Diese Zeiten treten im allgemeinen während der Schleifenbildung, d.h. während des Zeitraums, in dem die Bandklemme 158 offen ist, auf, wodurch ermöglicht wird, daß das Band 102 von der Spule 160 vorbewegt wird, während das Band 102 an einer ersten Bondstelle in der Art der Bondstelle 112 aus 6 verankert ist und so verankert infolge der Bewegung des Bondkopfs 100 von der ersten Bondstelle 124 fort von der Spule 160 abgezogen wird, ohne daß die Bondschleife 118 anschließend beim Bonden der zweiten Bondstelle 120 abgeschlossen wird, wie in 7 dargestellt ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein inertes Schutzgas, beispielsweise Helium, Argon oder Stickstoff, durch eine Gasdüse 162 durch Ausstoßen über der Bondstelle angeordnet, um eine Oxidation oder Entfärbung des gebondeten Bands 102, der Bondstelle 112 oder des Schweißklumpens zu verhindern. Der Inertgasstrahl von der Gasdüse 162 dient auch dazu, die Linse 148 von Dämpfen und Rückständen frei zu halten.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Nd:YRG355-Laser bei 1064 nm verwendet werden. Im allgemeinen kann die Laserquelle zum Bewirken des Bondens jedoch ein gepulster Hochleistungslaser oder ein Hochleistungs-Dauerstrichlaser (CW-Laser), beispielsweise ein NdYAG-, Ar-Ionen-, Kohlendioxid- oder Cu-Dampf-Laser, sein. Ein geeigneter Laser kann beispielsweise ein gepulster NdYAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von 1 Joule/Impuls bei einer Impulsbreite von 1 – 5 ms und einer Impulsstärke von 1000 – 2000 Watt sein. Es wird davon ausgegangen, daß die zum Erzeugen der erforderlichen Wärme notwendige durchschnittliche Leistung typischerweise 1 – 10 Watt oder mehr beträgt. (Ein 1000-Watt-Impuls mit 1 ms in jeder Sekunde würde einem Dauerstrichbetrieb mit 1 Watt entsprechen.) Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß 9, die mit einem Kohlendioxidlaser konfiguriert sind, kann ein Laserstrahl dem Lasergehäuse 138 direkt von einem (nicht dargestellten) Laserstrahlgenerator ohne die Verwendung einer optischen Faser zugeführt werden.
Zusätzlich zu Bandbondschleifen zwischen Bondkontaktstellen, wie vorstehend beschrieben wurde, kann dieses Bondsystem auch verwendet werden, um Löt- oder Hartlötverbindungen zwischen Bändern und Substraten herzustellen. Das Löt- oder Hartlötmaterial kann bereits auf dem Band oder dem Substrat vorhanden sein, oder es kann eine während des Verbindungsvorgangs gebildete Legierung sein. Hoch- oder Niedertemperatur-Lötmittel oder Hartlötmittel können selbst auf temperaturempfindlichen Substraten verwendet werden. Wegen der vom Laserstrahl 140 eingebrachten stark lokalisierten Wärme wird eine Beschädigung darunterliegender und benachbarter Materialien vermieden.
Die Bondeinrichtung könnte als eine vollautomatische, halbautomatische oder eine manuelle Maschine hergestellt werden. Der Unterschied zwischen diesen Anwendungen liegt in erster Linie in der Verwendung von Programmierbarkeits- und Mustererkennungsmerkmalen, wie sie gegenwärtig bei Ultraschall-Bondmaschinen aus dem Stand der Technik verfügbar sind. Das Tisch-, Bandzufuhr- und Mustererkennungssystem einer automatischen Ultraschall-Band-Bondeinrichtung kann zum Implementieren einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung gemäß bestimmten Ausführungsformen durch Modifizieren bestehender Bondtische und anderer Bondeinrichtungen, bei denen Automationstechniken zur Schaltungsherstellung, wie Mustervergleichs- und Maschinensichttechnologien, verwendet werden, implementiert werden. Beispielsweise sind Bondkopfteile und -baugruppen von verschiedenen Herstellern, wie Orthodyne Electronics aus Irvine, Kalifornien, MicroJoin, Inc. (früher Hughes/Palomar Technologies) aus Poway, Kalifornien, Verity Instruments, Inc. aus Carrollton, Texas, Kulicke & Soffa Industries, Inc. aus Willow Grove, Pennsylvania und F&K Delvotec aus Foothill Ranch, Kalifornien, erhältlich. Beispielsweise wird angenommen, daß der "Small Wire Bonder" vom Modell 3605 von Orthodyne oder die Bondeinrichtung 6400 von Delvotec geeignete Basiseinheiten bereitstellt, welche grundlegende Bondautomatisierungsfunktionen wie jene, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, bereitstellen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der beschriebene Laserbondprozeß automatisiert. Beispielsweise kann eine Vorrichtung der Bondeinrichtung durch manuelles Anordnen auf einem Werkstückhalter oder automatisch durch ein Fördersystem präsentiert werden. Die Position der Vorrichtung kann durch Mustererkennung bestimmt werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Vorzugsweise kompensieren Mustererkennungssysteme und Bewegungsalgorithmen automatisch Positionsschwankungen der Bondstellen innerhalb der verschiedenen Baugruppen, um eine Automation des Bondprozesses bereitzustellen. Es wird angenommen, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Durchsatz von wenigstens einer Bandverbindung je Sekunde erreicht werden kann, was zwei Laserbestrahlungen je Sekunde entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das vorstehende Verfahren zum Bonden eines 0,05 mm × 0,375 mm (0,002 Zoll × 0,015 Zoll (2 × 15 Millizoll)) messenden nickelbeschichteten Kupferbands verwendet werden. Gemäß alternativen Ausführungsformen des vorliegenden Ver fahrens können Bänder aus Pt, Ni 205, Ni 270 und Al 6061 unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens lasergebondet werden. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung müssen Materialien ausreichend Licht vom Laser absorbieren, damit ihre Temperatur über die Solidustemperatur ansteigt. Bestimmte hochreflektierende Materialien absorbieren möglicherweise nicht ausreichend Laserlicht, um einen ausreichenden Temperaturanstieg zu bewirken.
Es sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zum Löten, Hartlöten und Schweißen eines größeren Materialbereichs verwendet werden kann als dies mit einem Widerstandslöten, Ultraschallschweißen oder Löten allein möglich wäre. Es wird angenommen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte Bindungen und Verbindungen, insbesondere wenn sie als Sicherheitsschweißungen ausgeführt werden, sehr robust und zuverlässig sind und daß sie erheblich robuster sind als bestehende automatisierte Bondverfahren und eine geringere Fehlerrate als diese bieten.
Es wird angenommen, daß eine große Vielfalt von Verbindungsmaterialien durch die vorliegende Erfindung gemäß einer von verschiedenen Ausführungsformen geeignet gebondet werden kann. Beispielsweise könnten Kupfer-, Gold- oder andere Bandmaterialien verwendet werden. Es wird angenommen, daß sich dies als besonders nützlich für nicht starre Strukturen erweisen wird, die während Ultraschallprozessen aus dem Stand der Technik schwingungsanfällig sind. Im Gegensatz zu Bondsystemen aus dem Stand der Technik benötigt die vorliegende Erfindung keine speziellen Befestigungs- oder Halteverfahren oder Vorrichtungen zum Halten von Komponenten, um Schwingungen während des Bondens zu beseitigen, weil auf die zu verbindenden Teile keine Ultraschallenergie übertragen zu werden braucht.
In weiterem Gegensatz zu bestehenden Verfahren zum Bonden leitender Verbindungen sieht die vorliegende Erfindung ein Bondverfahren mit einer begrenzten Abnutzung und Verschlechterung von Einrichtungen vor. Beispielsweise unterliegen Ultraschall-Bondeinrichtungen, insbesondere für Ultraschallfrequenzen von mehr als 100 kHz, einer Verschlechterung des Bondkopfs, die sich aus starken Schwingungs- und Reibungskräften ergeben, denen der Bondkopf ausgesetzt ist. Ähnlich unterliegen Widerstandsschweißeinrichtungen einer Elektrodenabnutzung oder -oxidation. Überdies ermöglicht die vorliegende Erfindung, anders als das Widerstandsschweißen, das Bonden von Metallen mit einem niedrigen Widerstand, wie Kupfer und Gold. Gold- oder Kupferbänder sind im Handel erhältlich und wegen ihres niedrigen Widerstands, ihrer guten Schleifeneigenschaften und ihrer Korrosionsbeständigkeit bevorzugt. Es könnten jedoch auch andere Materialien, wie Nickel und Silber, geschweißt werden.

Claims

Verfahren zum Bonden eines leitenden Metallbands an ein auf einem Werkstück positioniertes Substrat mit den folgenden Schritten: Zuführen von leitendem Metallband (102) von einer Spule (160), Bereitstellen eines Bondkopfs (100) mit einer sich darin befindenden Öffnung (110) über einer Bondstelle (112) auf dem Substrat (108), wobei der Bondkopf (100) einen Fädelungsschlitz (104) aufweist, durch den Band (102) von der Spule (160) geführt wird, um es unter einem Bondfuß (106) anzuordnen, Bereitstellen einer Laserstrahlquelle (134) und eines Laserstrahlgehäuses (138) mit Zielmitteln (146, 148), die über dem Bondkopf (100) angeordnet sind, um einen Laserstrahl (140) zu erzeugen, der auf einen Punkt (142) fokussiert wird, welcher sich in Lageübereinstimmung mit der Öffnung (110) in dem Bondkopf (100) befindet, so daß der Laserstrahl auf die obere Fläche des Bands (102) gerichtet wird, das sich unter dem Bondfuß (106) befindet, und Ausstrahlen des Lasers über eine vorgegebene Zeit, die ausreicht, um an der Bondstelle (112) einen Schweißklumpen zu bilden, wobei der Schweißklumpen aus Material sowohl von dem Band (102) als auch dem Substrat (108) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Band nickelbeschichtetes Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laser ein Nd:YAG-Laser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit den weiteren Schritten: Bewegen der Laserstrahlquelle (134), des Laserstrahlgehäuses (138) und des Bondkopfs (100) in bezug auf das Werkstück, während Band von der Spule abgezogen wird, um den Bondkopf (100) an einer zweiten Bondstelle (112) auf dem Substrat (108) zu positionieren, Ausstrahlen des Lasers über eine vorgegebene Zeit, die ausreicht, um an der zweiten Bondstelle (112) einen Schweißklumpen zu bilden, wobei der Schweißklumpen aus Material sowohl von dem Band (102) als auch dem Substrat (108) besteht.
Verfahren nach Anspruch 4 mit dem weiteren Schritt: Abtrennen des Bands angrenzend an die zweite Bondstelle.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Band durch den Bondkopf abgetrennt wird, um eine Keil-Bondstelle zu bilden.
Vorrichtung zum Bonden eines leitenden Metallbands an ein auf einem Werkstück positioniertes Substrat unter Verwendung eines Laserstrahls mit einem Bondkopf, dadurch gekennzeichnet, daß: eine Spule (160) mit leitendem Metallband (102) Band für das Bonden zuführt, ein Bondkopf (100) eine Öffnung (110) aufweist, die oberhalb einer Bondstelle (112) auf dem Substrat (108) angeordnet ist, und der Bondkopf (100) einen Fädelungsschlitz (104) aufweist, durch den von der Spule (160) zugeführtes Band (102) hindurchgeführt wird, um es unter einem Bondfuß (106) anzuordnen, und eine Laserstrahlquelle (134) und das Laserstrahlgehäuse (138) Zielmittel (146, 148) aufweisen, die über dem Bondkopf (100) angeordnet sind, um einen Laserstrahl (140) zu erzeugen, der auf einen Punkt (142) fokussiert wird, welcher sich in Lageübereinstimmung mit der Öffnung (110) in dem Bondkopf (100) befindet, so daß der Laserstrahl auf die obere Fläche des Bands (102) gerichtet wird, das sich unter dem Bondfuß (106) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiter Sichtmittel (150) zum Beobachten der Bondstelle (112) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Zielmittel eine Linse (148) aufweisen, die neben einem Spiegel (146) angeordnet ist, welcher den Laserstrahl (140) auf die Bondstelle (112) richtet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Spiegel (146) ein dichroitischer Spiegel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Laserstrahlquelle (134) einen Nd:YAG-Laserstrahlgenerator aufweist.