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Title:
A CONNECTION BETWEEN TWO CONTACTS AND A PROCESS FOR PRODUCING SUCH A CONNECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/021780
Kind Code:
A2
Abstract:
This invention concerns a process for producing a bonded wire connection between two contact surfaces (2) wherein the connecting wire (5) in each case is connected by means of two auxiliary connections (41, 42) applied to the contact surfaces (2).

More Like This:
Inventors:
Hagen, Robert (Am H�lzl 5, Barbing, D-93092, DE)
Goller, Bernd (Alte Amberger Strasse 2, Kemnath, D-95478, DE)
Application Number:
PCT/DE1997/002642
Publication Date:
May 22, 1998
Filing Date:
November 11, 1997
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, M�nchen, D-80506, DE)
Hagen, Robert (Am H�lzl 5, Barbing, D-93092, DE)
Goller, Bernd (Alte Amberger Strasse 2, Kemnath, D-95478, DE)
International Classes:
B23K20/00; H01L21/603; H01L21/607; (IPC1-7): H01R4/00; H01L21/603; H01L21/607
Domestic Patent References:
WO1994022166A11994-09-29
WO1997012394A11997-04-03
Foreign References:
EP0397426A21990-11-14
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 082 (E-0889), 15.Februar 1990 -& JP 01 293626 A (RICOH CO LTD), 27.November 1989,
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 110 (E-1329), 8.März 1993 & JP 04 294552 A (MATSUSHITA ELECTRON CORP), 19.Oktober 1992,
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 009, no. 165 (E-327), 10.Juli 1985 -& JP 60 041236 A (NIPPON DENKI KK), 4.März 1985,
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Claims:
Patentansprüche
1. Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen (2), wobei zumin dest eine jeweils auf einem Halbleiterchip (1) und die andere auf einem Halbleiterchip (1) oder einer einen Halbleiterchip tragenden Trageplatte angeordnet sind, wobei eine erste Hilfsverbindung (41) aus einem leitenden Material auf einer der Kontaktflächen (2) aufgetragen wird, die eine leitende Verbindung mit der Kontaktfläche (2) eingeht, eine zweite Hilfsverbindung (42), die ebenfalls aus einem leitenden Material besteht, auf der anderen Kontaktfläche (2) aufgetragen und mit dieser ebenfalls eine leitende Verbindung eingeht und wobei einstückig aus der zweiten Hilfsverbindung (42) eine drahtförmige Verbindung (5) zu der ersten Hilfsverbindung (41) gebildet ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, da die drahtförmige Verbindung (5) auf einer zur Kontakt fläche (2) schrägstehenden Fläche (F) der ersten Hilfsver bindung (41) eine elektrische Verbindung bildend aufgesetzt ist.
2. Verbindung gemä Patentanspruch 1, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t, da die schrägstehende Fläche derart ausgebildet ist, da ein Winkel zwischen dem Endabschnitt der Verbindung und einer ge dachten Ebene, die parallel zur Kontaktfläche (2) durch das Ende der Verbindung (5) geht, eine geringere Neigung als 90 Grad aufweist.
3. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, da zwischen der ersten Kontaktfläche (2) und der zweiten Kontaktfläche (2) zumindest eine Bondverbindung ausgebildet ist, wobei die Bondverbindung auf der schrägstehenden Fläche (F) mit einem "WedgeKontakt" endet.
4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t, da die Verbindung (5) aus Gold hergestellt ist.
5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da du r c h g e k e n n z e i c h ne t, da die Kontaktflächen (2) aus Aluminium hergestellt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung gemä einer der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: Auftragen einer ersten Hilfsverbindung (41) auf einer Kontaktfläche (2), Ausbilden einer schrägstehenden Fläche auf der Hilfsverbindung (41) in Richtung einer zweiten Kontaktfläche (2), Ausbilden einer zweiten Hilfsverbindung (42) auf der zweiten Kontaktfläche (2), Ausbilden einer mit der zweiten Hilfsverbindung (42) einstückigen drahtförmigen Verbindung (5), die auf die schrägstehende Fläche der ersten Hilfsverbindung (41) geführt ist und elektrisch leitendes Verbinden der Verbindung (5) mit der Hilfsverbindung (41).
7. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Hilfsverbindungen als "BondBump" ausgebildet sind und die schrägstehende Fläche durch dezentrales Ausbilden eines "WedgeKontaktes" auf dem "BondBump" ausgebildet ist.
Description:
Beschreibung Verbindung zwischen zwei Kontaktflächen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindung Die Erfindung betrifft eine Verbindung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindung zwischen einer ersten und zweiten Kontaktfläche.

Ein Trend der Bauteilentwicklung geht dahin, da in zunehmen- dem Ma e mehrere Halbleiter-Chips zusammen in einem Gehäuse montiert werden, oder da mehrere Chips auf einer Leiter- platte direkt nebeneinander angeordnet werden. Bei derartigen Anordnungen ist es nunmehr häufig notwendig, Verbindungen zu Kontaktflächen dieser Halbleiter-Chips herzustellen.

Hierzu besteht nunmehr die Möglichkeit, innerhalb des Gehäu- ses einen Zwischenkontakt vorzusehen, zu dem übliche Draht- Bondverbindungen hergestellt werden. In gleichem Ma e kann bei direkter Anordnung des Chips auf einer Leiterplatte eben- falls von einer Kontaktfläche des Chips zu einem Leiterplat- tenkontakt hin eine Draht-Bondverbindung ausgebildet werden.

Für derartige Bondverbindungen wird üblicherweise das soge- nannte Thermosonic-Bonden bzw. Ball/Wedge-Bonden angewandt.

Für ein derartiges Bonden wird üblicherweise als Drahtmate- rial ein Golddraht verwendet. Die Kontaktflächen auf den Chips, auch Bondpads genannt, sind mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung metallisiert. An das Ende des Golddrahtes wird eine Kugel angeschmolzen. Diese wird dann unter Druck- und Temperatureinwirkung auf dieser Kontaktfläche des Chips aufgetragen. Durch ein Ultraschallzuführen über das Bondwerkzeug kann zusätzliche Energie in die Verbindung eingebracht werden.

Die Verbindung Gold/Aluminium entsteht durch eine sogenannte intermetallische Diffusion". Zwischen den beiden Materialien

entstehen dadurch Gold/Aluminium-Phasen. Durch eine zu- sätzliche Temperatureinwirkung, beispielsweise während der Montageprozesse oder später durch Erwärmung während des Ein- satzes, werden diese Diffusionsvorgänge weiter angeregt und die Phasen wachsen weiter. Diese Diffusionsvorgänge werden weiterhin durch das Material-Volumen-Verhältnis zwischen Gold und Aluminium bestimmt. Üblicherweise ist der auf der Alumi- niummetallisierung des Chips aufgetragene Goldtropfen, auch Goldnailhead genannt, gegenüber der Aluminiummetallisierung volumenmä ig dominierend.

Nach dem Herstellen dieser zuvor beschriebenen Kontaktierung des Golddrahtes mit der Aluminiummetallisierung auf der Chip- Kontakt fläche wird der Golddraht zur Leiterplattenkontaktflä- che bzw. zum Zwischenkontakt im Gehäuse geführt. Diese Kon- taktfläche weist üblicherweise eine Gold-, Silber- oder Pal- ladiummetallisierung auf. An diesen Anschlüssen erfolgt ein sogenannter Wedge-Kontakt, d.h. das zweite Golddrahtende wird unter Einwirkung von Wärme und Druck direkt auf diese Zwi- schenkontakte gesetzt. Hierbei führt die Kombination des Golddrahtes mit den genannten Materialien nicht zu interme- tallischen Phasen sondern zu Mischkristallen. Diese verändern sich durch zusätzliche Temperatureinwirkung nur wenig.

Nunmehr ist es jedoch zunehmend wünschenswert, ohne diese Zwischenkontakte direkt von einer Kontaktfläche von einem Chip zu einer zweiten Kontaktfläche auf einem zweiten Chip bzw. zwischen zwei Kontaktflächen auf einem Chip eine Draht- Bondverbindung herzustellen.

Bei der Anwendung des zuvor beschriebenen Ball/Wedge-Bonden kommt es nunmehr zu einer Wedge-Verbindung zwischen dem Gold- draht und einer Aluminium-Kontaktfläche. An dieser Kontakt- fläche ergibt sich dann, wie zuvor bereits erwähnt zwischen dem Golddraht und der Aluminiummetallisierung eine interme- tallische Gold/Aluminium-Phase. Bei diesem Anschlu ist das Volumenverhältnis zwischen Gold und Aluminium hier jedoch

derart verschoben, da nicht mehr die Dominanz des Goldvolu- mens gegenüber dem Aluminiumvolumen vorliegt. Dies hat zur Folge, da der Golddraht am Kontakt vollständig in eine in- termetallische Phase umgewandelt wird. Da die intermetalli- schen Phasen spröde und das Gold duktil ist, führt dies dazu, da es vor allem bei einem Temperaturwechsel zu Spannungen kommt, die zum Bruch oder Abscheren der Drähte führen kann.

Aus der WO 94/22166 ist eine Bondverbindung bekannt, bei der zunächst auf einer ersten Kontaktfläche eines Halbleiter- Chips ein sogenannter "Bond-Bump" aufgetragen wird.

Anschlie end wird von einer zweiten Kontakt fläche eines Halbleiter-Chip her eine Bondverbindung aufgebaut, die auf dem "Bond-Bump" der ersten Kontaktfläche mit einem "Wedge- Kontakt" endet.

Bei hoher Packungsdichte und verminderten Drahtdurchmessern kommt es vermehrt zu durchhängenden Bonddrähten, was wiederum leicht zu Kurzschlüssen beispielsweise mit Leiterbahnen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen zwei Kontakt flächen vorzusehen, bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindung, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä durch die Mittel gemä Patentanspruch 1 bzw. durch die Ma nahmen gemä Patentan- spruch 6 gelöst, wobei weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in den untergeordneten Ansprüchen angegeben sind.

Dadurch, da zunächst auf einer ersten Kontakt fläche eine erste Hilfsverbindung aufgetragen ist, die eine schrägstehende Fläche aufweist und auf der zweiten Kontaktfläche ein zweites Verbindungselement, von dem die Verbindung wieder zur ersten Kontaktfläche auf die erste

Hilfsverbindung geführt wird, ist es ermöglicht, eine zuverlässige Draht-Bondverbindung herzustellen.

Insbesondere wenn die Verbindung als Bondverbindung ausgebildet, ist und auf der schrägstehenden Fläche als "Wedge-Kontakt" endet ist ein Durchhängen der Bonddrähte zuverlässig verhindert.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand von Aus- führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig.lA - schematisch den Ablauf der Erzeugung der 1D erfindungsgemä en Bondverbindung, Fig. 2 schematisch die metallurgischen Verhältnisse bei einer gemä Fig.l hergestellten Bondverbindung, un- ter der Anwendung von Gold und Aluminium, und Fig. 3 schematisch die metallurgischen Verhältnisse bei der Anwendung des bekannten Bondverfahrens auf eine Chip/Chip-Verbindung.

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemä en Hilfsverbindung, und Fig. 5 eine weitere Anwendung der Hilfsverbindung gemä Fig. 4 In Fig. 1 ist in den Einzelbildern A bis D jeweils ein erster Chip mit seinem Halbleitermaterial 1 und einer Kontaktfläche 2, sowie ein zweiter Chip mit seinem Halbleitermaterial 1 und einer Kontaktfläche 2 dargestellt. Für die Anwendung des er- findungsgemä en Verfahrens ist das Vorhandensein zweier ein- zelner Chips von keinerlei Bedeutung. Es könnte vielmehr auch ein einzelner Chip vorliegen, auf den zwei Kontaktflächen

vorgesehen sind, zwischen denen eine Bondverbindung herzu- stellen ist.

Gemä Fig. 1A befindet sich nunmehr ein Bondwerkzeug 3 über der Kontaktfläche 2 des ersten Chips. An dem Bondwerkzeug 3 ist bereits ein angeschmolzener Metalltropfen 4 vorgesehen, der nun durch Absenken des Bondwerkzeugs 3 auf die Kontakt- fläche 2 dort aufgetragen wird. Anschlie end wird dieser auch Bump genannte, angeschmolzene Tropfen vom Bondwerkzeug 3 ge- trennt, so da auf der Kontaktfläche 2 des ersten Chips die- ser Bump bzw. ein erstes Verbindungselement 41 zurückbleibt.

Danach wird, wie in Fig. 1C dargestellt ist, das Bondwerkzeug 3 über die Kontaktfläche 2 des zweiten Chips geführt. Am Bondwerkzeug 3 ist wiederum ein angeschmolzener Tropfen 4 vorgesehen, der nunmehr durch Absenken des Bondwerkzeuges 3 auf die Kontaktfläche 2 des zweiten Chips dort aufgetragen wird. Dieser Tropfen ist durch Anschmelzen eines dem Bond- werkzeug 3 zugeführten Drahtes an dessen Ende erzeugt. Dieser Draht wird daraufhin als Verbindungsdraht verwendet. Es wird mit der geeigneten Länge zur Kontakt fläche 2 des ersten Chips geführt und dort unter Einwirkung von Druck und Temperatur auf dem ersten Verbindungselement 41 aufgesetzt, wodurch ein sogenannter Wedge-Kontakt auf dem ersten Verbindungselement 41 ausgebildet ist. Es liegt somit eine Draht-Bondverbindung zwischen der Kontakt fläche 2 des ersten Chips und der Kon- taktfläche 2 des zweiten Chips vor.

Wurde nunmehr sowohl für das erste Verbindungselement 41 als auch für das zweite Verbindungselement 42 und den Verbin- dungsdraht 5 das selbe Material, nämlich Gold verwendet, lie- gen die in Fig. 2 dargestellten metallurgischen Verhältnisse vor.

Um die Qualität einer solchen Bondverbindung beurteilen zu können, ist ein Vergleich zwischen der erfindungsgemä en Bondverbindung und der bisher üblichen Ball/Wedge-Bondverbin- dung, die in Fig.3 dargestellt ist, hilfreich. Wie Fig. 2 und

Fig. 3 entsprechend zu entnehmen ist, ist bei diesem Ver- gleich jeweils bei der Verwendung von Gold als Draht bzw.

Verbindungselement-Material und Aluminium als Metallisierung für die Kontakte 2, bei beiden Verfahren am zweiten Chip die- selbe Draht/Kontaktflächen-Verbindung ausgebildet. Diese weist in dem Verbindungselement 42 an der Übergangsstelle zwischen der Aluminium-Metallisierung der Kontaktfläche 2 und dem Goldmaterial des Verbindungselementes 42 eine in er- heblichem Ma e ausgebildete intermetallische Gold/Aluminium- Phase auf. Der Golddraht ist jedoch in beiden Fällen nicht von dieser intermetallischen Phase erfa t.

Demgegenüber sind die Verhältnisse auf dem ersten Chip bei den beiden verglichenen Verfahren unterschiedlich. Bei dem erfindungsgemä en Verfahren gemä Fig. 2 ist beim ersten Chip, wie beim zweiten Chip, auf der Aluminiummetallisierung der Kontakt fläche 2 ein erstes Verbindungselement 41 aufge- setzt. Dieses weist ebenfalls, da es auch ursprünglich aus Goldmaterial hergestellt ist, eine stark ausgebildete inter- metallische Gold/Aluminium-Phase auf. Das erste Verbindungse- lement 41 weist an der vom ersten Chip abgewandten Seite je- doch noch volumenmä ig soviel Ursprungsmaterial auf, das nicht von dieser intermetallischen Phase erfa t ist, da dort eine gute Wedge-Verbindung erzeugt ist. Somit ist bei dem erfindungsgemä en Verfahren gemä Fig. 2 auch am ersten Chip der Golddraht nicht von der intermetallischen Gold/Aluminium- Phase erfa t, so da am Übergang zwischen dem Golddraht und dem Goldmaterial des ersten Verbindungselement 41 eine stabile Gold/Gold-Verbindung vorliegt. Demgegenüber ist bei dem üblichen Verfahren gemä Fig. 3 der Golddraht auf der Kontaktfläche 2 des ersten Chips direkt mittels Wedge- Verfahrens aufgebracht. Es kommt hierbei zu einer weit ent- lang dem Golddraht fortgeschrittenen intermetallischen Gold/Aluminium-Phase, die wie bereits erwähnt zu keiner zu- verlässigen Befestigung des Golddrahtes an der Aluminiumme- tallisierung der Kontaktfläche 2 des ersten Chips führt.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung nunmehr deutlich ist, ist mit dem erfindungsgemä en Verfahren stets eine zuverläs- sige Draht-Bondverbindung zwischen zwei Chip-Kontaktflächen herstellbar, die sowohl auf zwei unterschiedlichen Chips bzw.

auch auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sein können. Ein Bauteil, in dem die erfindungsgemä beschriebene Bondverbin- dung, gemä Fig. 1 und Fig. 2, vorgesehen ist, weist somit ebenfalls eine gesteigerte Zuverlässigkeit und Lebensdauer gegenüber Bauteilen auf, in denen zwischen zwei Chip-Kontak- ten die übliche Ball/Wedge-Bondverbindung hergestellt ist.

In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin- dung dargestellt. Auf einem Halbleiter-Chip 1 ist eine Kon- taktfläche 2 ausgebildet. Auf dieser Kontaktfläche 2 befindet sich eine Hilfsverbindung 41. Diese Hilfsverbindung 41 ist als "Bond-Bump" 41 hergestellt und weist eine schräggestellte Fläche F auf. Diese schräggestellte Fläche F wird dadurch er- zeugt, da der "Bond-Bump" nicht von dem Draht, aus dem dieser hergestellt ist sofort abgetrennt wird, sondern da auf dem Bump selber die mit dem "Bond-Bump" begonnene Bond- verbindung mit einem sogenannten "Wedge-Kontakt" beendet wird. Auf dieser schrägstehenden Fläche endet sodann eine von einer anderen Kontakt fläche herkommende Bondverbindung 5 mit einem "Wedge-Kontakt".

Eine derartige Verbindung ist nicht nur wie bisher beschrie- ben zwischen Kontakt flächen von zwei Halbleiter-Chips 1 oder als Verdrahtung zwischen zwei Kontakt flächen 2 von einem ein- zigen Halbleiter-Chip 1 vorzusehen, sondern kann auch zwi- schen einem Halbleiter-Chip und einer externen Kontaktfläche ausgebildet sein.

In Fig. 5 ist ein Beispiel einer derartigen Anwendung zu sehen. Hierbei ist als Beispiel eine Anordnung eines "Ballgrid-Array-Bauelementes" dargestellt. Bei einem der- artigen Bauelement befindet sich ein Halbleiter-Chip 1 auf einer Trägerplatte 10. Diese Trägerplatte 10 weist wiederum

Umverdrahtungen 11 auf. Diese Umverdrahtungen 11 weisen Kon- taktflächen 2 auf, die mit korrespondierenden Kontaktflächen 2 des Halbleiter-Chips 1 verbunden sind. Dabei wird zunächst auf einer Kontaktfläche 2 des Halbleiter-Chips 1 ein "Bond- Bump" 41 aufgetragen, der beispielsweise durch zusätzliches Auftragen eines "Wedge-Kontaktes" eine schräge Fläche in Richtung der korrespondierenden Kontaktfläche 12 der Umver- drahtung 11 aufweist. Die Verbindung 5 ist nunmehr dadurch erzeugt, da auf der Kontaktfläche 2 der Umverdrahtung 11 eine Bondverbindung mittels eines "Bond-Bump" 42 begonnen wird, die wie eine übliche Bondverbindung zu der korrespon- dierenden Kontaktfläche 2 geführt ist und dort als "Wedge- Kontakt" beendet ist. Wie alle üblichen Bondverbindungen weist auch eine derartige Anordnung einen elektrisch leiten- den Kontakt zwischen der Kontaktfläche 2, der Umverdrahtung 11 und der korrespondierenden Kontaktfläche 2 auf dem Halb- leiter-Chip 1 auf. Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung weist bei der Verwendung in einem Bauelement den gro en Vorteil auf, da bei enger Führung der Draht-Bondverbindung es nicht zu einem Aufliegen des Bonddrahtes 5 auf einer Kante des Halbleiter-Chips 1 kommt, da durch die Schrägstellung der Bonddraht nach oben und damit weg von einer Kante des Halb- leiter-Chips 1 gedrückt wird. Die gleiche Wirkung ist auch die Ursache dafür, da zwei Verbindungen zwischen zwei Kon- takt flächen, die beide auf einem Halbleiter-Chip 1 liegen das Durchhängen der Draht-Bondverbindung vermindert ist, da zum einen die einstreckige Drahtverbindung aus einem "Bond-Bump" heraus nach oben geführt wird und zum anderen das Aufsetzen des "Wedge-Kontaktes" durch die Schrägstellung der Auflage- fläche abgestützt wird. Dadurch erzeugt der Draht aus sich heraus eine dem Durchhängen entgegenwirkende Kraft.