DE69003333T2

DE69003333T2 - Thermokompressionsverbindung für I.C.-Verpackung.

Info

Publication number: DE69003333T2
Application number: DE90113031T
Authority: DE
Inventors: Sung Kwon Kang; Micheal Jon Palmer; Timothy Clark Reiley; Robert David Topa
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-07-07
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2010-07-08
Also published as: EP0413937A3; DE69003333D1; CA2024012A1; CA2024012C; US5006917A; EP0413937A2; JPH03237737A; EP0413937B1; JP2533227B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich elektronischer Packungen und umfaßt die Bereitstellung von Anschlußleitern von dicht gepackten Schaltkreisanschlußstellen in einem IC- Chip für die Verbindung mit externen Schaltungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Thermokompressionsverbindung entsprechend der Eingangsformel gemäß Patentanspruch 1.
Auf diesem Fachgebiet wird allgemein eine als Leiterrahmen bekannte Struktur verwendet, die von einer Gruppe von Leitern umgeben ist, welche in geringem Abstand voneinander um eine Öffnung herum angeordnet sind, in die der integrierte Schaltkreischip eingesetzt werden soll, und in einen aufgeweiteten Zwischenraum der Anordnung mit besseren Anschlußmöglichkeiten an der Peripherie des Leiterrahmenbereichs hineinragen. Eine Darstellung einer solchen Leiterrahmenstruktur ist in der Patentschrift US-A-4 572 924 enthalten.
In solchen Anordnungen ist es vorteilhaft, wenn alle Kontakte gleichzeitig in einem einzelnen Arbeitsgang verbunden werden können. Um dies zu erreichen, müssen alle Anschlußkontakte gleichmäßig unter den gleichen Verbindungsbedingungen kontaktiert werden können.
Das Verfahren des Thermokompressionskontaktierens, bei dem die Wärme in der Kontaktieroperation von einem für die plastische Verformung der zu verbindenden Teile ausreichenden Druck begleitet wird, ermöglicht die Herstellung von Verbindungen bei niedrigeren Temperaturen.
Es gibt jedoch eine Reihe von Faktoren, die den Toleranzspielraum für die Verbindungsbedingungen weiter herabsetzen. Zu solchen Faktoren zählen äußerst geringe Abweichungen in der Lagegenauigkeit zwischen den zu verbindenden Teilen und geringere Wärmetoleranzen aufgrund von Strukturen mit höherer Diffusions- und Oxidationsempfindlichkeit. Dies gilt insbesondere für aufgewachsenes Aluminiumoxid auf den gemeinhin verwendeten Aluminiumlegierungen. Weiterhin wird die Neigung zur Delaminierung von organischen Passivierungsschichten innerhalb des Bauelements durch ein höheres Temperaturniveau verstärkt.
Durch Verwendung einer etwas größeren Materialmenge oder einer Anschlußkugel an einer bestimmten Stelle wird die Ausrichtung und Spannungskonzentration bei der Verbindung unterstützt. Die Verwendung solcher Anschlußkugeln ist in der Patentschrift US-A-4 188 438 veranschaulicht.
Im Zuge weiterer Entwicklungen auf diesem Fachgebiet wurde eine Variante der Leiterrahmen-Technologie hervorgebracht, in der ein Leitermuster auf einem filmähnlichen, die automatisierte Ausrichtung erleichternden Filament angeordnet wird. Diese Technologie ist unter der Bezeichnung "Automatisches Filmbonden" (Tape Automated Bonding, TAB) bekannt geworden. An den Enden der Anschlußleiter befinden sich Anschlußkugeln, deren Enden als Leiterzüge in die Öffnung für den IC-Chip hineinragen.
Die TAB-Technologie wird in der von R.R. Tummala und E.J. Rymaszewski bearbeiteten Schrift "Microelectronics Packaging Handbook" auf den Seiten 409-431 beschrieben, die 1989 bei Van Nostrand erschienen ist. Bei Kontaktierungen unter Einsatz der TAB-Technologie ist bei niedrigeren Temperaturen eine geringere Verbindungsstärke festzustellen.
In IBMs Technical Disclosure Bulletin, Vol. 30, Nr. 7, erschienen im Dezember 1987, wird auf Seite 208, auf der die Eingangsformel von Anspruch 1 basiert, eine Verbesserung für Thermokompressionskontaktierungen mit geringerer Kompression und mit einer kürzeren Verweilzeit auf dem Kontaktiertemperaturniveau vorgestellt, wobei mindestens eine der Verbindungsoberflächen aufgerauht wird.
Darüber hinaus wurde in der konventionellen Aufschmelzmetallurgie festgestellt, daß zuverlässigere und gleichmäßigere Kontaktierungen hergestellt werden können, bei denen das zu kontaktierende Leiterende zuerst mit einer dünnen, voll abdeckenden Schicht und darüber mit einer dickeren, verbindenden Schicht versehen wird. Die Abdeckschicht besteht gewöhnlich aus einem nicht oxidierenden Metall, vorzugsweise aus Edelmetall.
Eine Veranschaulichung dieser Technik kann der Patentschrift US-A-3 873 428 entnommen werden, in der Gold als Kontaktmaterial verwendet wird und die verschiedenen Schichten durch Aufgalvanisieren entstehen, wobei die vergoldete Schicht stärker als andere Schichten ist.
Eine weitere Darstellung des Kontaktierverfahrens mit Zweischichtenaufschmelzung ist in der Schrift FR-B-2 460 347 aufgeführt, bei der die als für die Schichten verwendbar betrachteten Werkstoffe aus Gold, Silber und Nickel sind und die Schichten durch Aufgalvanisierung entstehen, jedoch die unterschiedliche Stärke der aufgalvanisierten Schichten durch eine unterschiedliche Stromdichte und Galvanisierdauer erreicht wird.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit, das den zuverlässigen Einsatz der Thermokompressionsverfahren in dicht gepackten, mehrlagigen IC-Packungen ermöglicht. Das als Zwischenprodukt entstehende Kontaktbauteil verfügt am inneren Ende eines Anschlußbauteils, z.B. einem Leiterzug aus gut leitendem Material, über eine verformbare Metallschicht aus der Gruppe Gold (Au), Palladium (Pd), Platin (Pt), Silber (Ag), Iridium (Ir) und Nickel (Ni) mit gleichmäßiger Oberflächenstruktur, die frei von dendritischen Spitzen ist, einen ähnlichen Härtewert wie Weichgold (etwa 90 auf der Knoop-Skala) aufweist und über eine rauhe Oberflächenmorphologie infolge von Riefen mit einer Modulationsfrequenz von etwa 1 Mikrometer (Spitze-zu-Spitze) und einer Tiefe zwischen den Riefen im Bereich von 1/4 bis 1/2 der mittleren Tiefe der IC-Anschlußfläche verfügt.
Das als Zwischenprodukt entstehende Kontaktbauteil mit der gleichmäßigen, eine rauhe Oberflächenmorphologie aufweisenden, verformbaren Verbindungsschicht stellt eine Thermokompressionsverbindung mit einer externen, etwa 1 Mikrometer starken Anschlußfläche auf einer integrierten Schaltung bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius oder weniger her, und der Kontakt von dem leitenden Bauteil zu der Anschlußfläche weist eine Stärke von etwa 2 Mikrometer auf. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine Reduzierung der Temperatur und/oder der Verbindungskraft, bei der zuverlässige Kontaktierungen entstehen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie der weiteren Gegenstände und Vorteile wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Mikroaufnahme des unter Einsatz des Thermokompressionsverfahrens gemäß dieser Erfindung verbundenen Kontaktbauteils zeigt;
Fig. 2 eine stark vergrößerte Mikroaufnahme der Oberflächenmorphologie des unter Einsatz des Thermokompressionsverfahrens gemäß dieser Erfindung verbundenen Kontaktbauteils zeigt;
Fig. 3 eine schematische Ansicht des unter Einsatz des Thermokompressionsverfahrens verbundenen Kontaktbauteils gemäß der Erfindung zeigt, aus der die Wechselbeziehung zwischen Periodizität und Riefentiefe zur Stärke der Anschlußfläche hervorgeht;
Fig. 4 eine Draufsicht des Leiterrahmen-Packungstyps zeigt, mit dem die Erfindung bestimmte Herstellungsvorteile bietet;
Fig. 5 bis 9 Querschnittsansichten des unter Einsatz des Thermokompressionsverfahrens der Erfindung kontaktierten Leiters und IC-Kontaktstrukturen zeigen;
Fig. 10 eine Mikroaufnahme eines gemäß dem Stand der Technik beschichteten Goldkontakts zeigt;
Fig. 11 eine stark vergrößerte Mikroaufnahme eines gemäß dem Stand der Technik beschichteten Goldkontakts mit der entsprechenden Oberflächenmorphologie zeigt;
Fig. 12 und 13 Mikroaufnahmen des Kontakts gemäß der Erfindung mit unterschiedlichen Vergrößerungen zeigen, dessen Morphologie auf eine geringere Oberflächenrauhigkeit hinweist;
Fig. 14 und 15 Mikroaufnahmen eines Kontakts zeigen, bei dem die Kontaktierungsschicht dendritähnliche harte Einschlüsse enthält, die zu qualitativ minderwertigen Verbindungen führen; und
Fig. 16 und 17 Mikroaufnahmen vom Querschnitt des unter Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellten Kontakts an der Schnittstelle eines integrierten Siliziumchips mit einer Anschlußfläche aus Aluminium bei Verbindungstemperaturen von 500 bzw. 350 Grad Celsius zeigen.
Bei den Verfahren zur Herstellung von Thermokompressionsverbindungen wirkt eine Kombination aus Wärme und Druck auf eine Kontaktschnittstelle, bei der ein Teil aus einer verformbaren Schicht besteht, so daß unter dem einwirkenden Druck die plastische Verformung dieser Schicht dazu führt, daß die Schnittstelle schneller auf die geforderte Verbindungstemperatur gebracht und die Diffusion verbessert wird. Als Ergebnis entstehen starke und zuverlässige Kontaktierungen bei niedrigeren Temperaturen.
Wenn jedoch die Größen soweit reduziert werden, daß der Kontakt nur noch einer Breite von 100 Mikrometer entspricht und der Abstand zwischen den Kontakten in der Größenordnung von 100 Mikrometern liegt, sind eine Reihe wechselseitig voneinander abhängiger Aspekte zu beachten. Die verformbare Schicht muß die geforderten elektrischen Eigenschaften aufweisen, sie muß sich bei einem im wesentlichen gleichmäßigen Druck von Kontakt zu Kontakt verformen, es muß ausreichend Material in der verformbaren Schicht sowie eine geeignete Oberfläche auf der verformbaren Schicht vorhanden sein, damit eine vollständige Kontaktschnittstelle gebildet werden kann.
Im Rahmen dieser Erfindung wurde festgestellt, daß das Verfahren für Thermokompressionsverbindungen in dicht gepackten integrierten Schaltungen zum Einsatz kommen kann, die folgende Voraussetzungen erfüllen: die Verbindungskomponente, z.B. ein Leiterzug, muß mit einer gleichmäßigen Schicht des verformbaren Metalls im Kontaktbereich bedeckt sein; die verformbare Metallschicht muß einen ähnlichen Härtewert wie Weichgold besitzen, der auf der Knoop-Skala etwa 90 entspricht; ferner eine Stärke im Bereich zwischen 0,3 bis 1,3 Mikrometer und eine durch Riefen aufgerauhte Oberflächenmorphologie mit einer Modulationsfrequenz von etwa 1 Mikrometer von Spitze zu Spitze und einer Tiefe von etwa 1/4 bis 1/2 der mittleren Stärke einer IC-Anschlußfläche. Die Rauhigkeitsstärke von 1 Mikrometer entspricht etwa der Hälfte der Gesamtstärke des Kontakts nach der Verbindung, d.h. etwa 2 Mikrometer.
In der Mikroaufnahme von Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des unter Einsatz des Verfahrens dieser Erfindung hergestellten Kontaktbauteils dargestellt, in der auf einer Kupferunterlage oder auf einem Leiterende 1 eine Kontaktoberfläche 2 mit einer verformbaren Schicht 3 aus Weichgold mit einer Knoop-Härte von etwa 90 und einer Stärke von 0,3 bis 1,3 Mikrometer und mit einer rauhen Oberflächenmorphologie in Form von Riefen 4 mit einer Modulationsfrequenz von etwa 1 Mikrometer (d.h. von Spitze zu Spitze der Riefe) bedeckt wird, wobei die Tiefe zwischen den Spitzen etwa 1/4 bis 1/2 der Stärke der Anschlußfläche entspricht, mit der das Ende 1 durch Thermokompression verbunden wird.
Der Kontakt gemäß Fig. 1 ist etwa 100 Mikrometer breit. Das kugelförmige Ende oder die Anschlußkugel am Leiterende oder des Leiters 1 wird gewöhnlich durch Lasermikroschmelzen an der Spitze des Leiters 1 erzeugt. Die Schicht aus verformbarem Metall wird dann darüber, vorzugsweise in zwei Lagen, gebildet. Eine erste dünne Deckschicht aus einem nicht oxidierenden Metall oder einem Edelmetall wie z.B. Gold, Silber, Platin oder Nickel wird aufgebracht, und danach wird die weiche, verformbare, gleichmäßig strukturierte Schicht mit der rauhen Oberflächenmorphologie, z.B. wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus reinem Gold, aufgebracht. Die verformbare Schicht ist die einzige in der Figur sichtbare Schicht und ist als Element 3 gekennzeichnet.
In Fig. 2 ist das in Fig. 1 gezeigte, bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung stärker vergrößert dargestellt, um die Rauhigkeit der verformbaren Schicht in der Oberflächenmorphologie detaillierter hervorzuheben. Die Riefen 4 auf der Oberfläche sind von Spitze zu Spitze durch etwa 1 Mikrometer getrennt, wodurch eine Periodizität von etwa 1 Mikrometer entsteht, und die Tiefe zwischen den Riefen 4 beträgt etwa 1/4 bis 1/2 der Stärke der IC-Anschlußfläche, mit der sie verbunden werden soll. Bei den gegenwärtigen Dichten beträgt die mittlere Stärke einer IC-Anschlußfläche etwa 1 Mikrometer. Die verformbare Schicht 3 über der Kontaktoberfläche 2 weist in etwa eine gleichmäßige Stärke auf.
Die durch die Riefen 4 erzeugte Rauhigkeit weist etwa die Hälfte der Kontaktierungsstärke zu dem Zeitpunkt auf, zu dem der Kontakt entsteht.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des durch Thermokompression verbindbaren Kontaktbauteils, das mit der Anschlußfläche auf dem Chip vor Beginn des Thermokompressionsverbindens in Kontakt steht. In Fig. 3 auf einem Chip 6, einer Anschlußfläche oder einer Anschlußkugel 7 und in passivierter Umgebung 8 erstreckt sich in vertikaler Richtung zur Oberfläche des Chips 6 ein Abstand oder eine Stärke A von nur etwa 1 Mikrometer bei HD-Technologien. Die eine Periodizität aufweisenden, als Maß B dargestellten Riefen 4 stehen mit der Oberfläche 9 der Anschlußfläche 7 in Kontakt. Die Tiefe der Riefen 4 ist als Maß C dargestellt und beträgt etwa 1/4 bis 1/2 der Mindeststärke des Maßes A, d.h. der Anschlußfläche.
Gemäß der Erfindung wird die rauhe Oberflächenmorphologie der Schicht 3, die frei von dendritischen Spitzen ist, auf der Kontaktoberfläche 2 gebildet, indem ein Metall aus der Gruppe Au, Pd, Pt, Ag, Ir und Ni unter speziellen Bedingungen aufgalvanisiert wird. Im allgemeinen wird die Galvanisierung unter verschärften statt normalen elektronegativen Bedingungen vorgenommen. Die elektronegativen Bedingungen in einem galvanischen Bad können durch die Zusammensetzung des Bads und durch die elektrischen Operationsbedingungen beeinflußt werden.
Wenn das Bad ein Reinmetall-Standardbad ist, das ein Salz des bei einem pH-Wert von etwa 6 aufgebrachten Metalls enthält und das Bad bei einer leicht erhöhten Temperatur eingesetzt wird, werden bei einem Spannungsbereich zwischen 2,0 und 3,0 Volt von der Kathode zur Anode bei einem Stromdichtebereich von 0,2 bis 0,6 Milliampere pro Quadratzentimeter zufriedenstellende elektronegative Bedingungen erzielt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung treten jenseits einer Stromdichte mit einem Faktor von etwa drei dendritische und für den Kontakt schädliche Spitzen auf.
In Tabelle 1 sind typische Galvanisierelektrolyte für weitere Metalle neben Gold aufgeführt, die für die verformbare Schicht geeignet sind. TABELLE 1 Metall Lösung Palladium(II) -Chlorid oder Palladium(II) -Phosphat Alkali-Platinat oder Chlorplatinsäure Silberzyanit Hydriertes Iridiumdioxid Nickelsulfat oder Nickelchlorid
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines typischen, dem Stand der Technik entsprechenden Leiterrahmen-Packungsbauteils, mit welchem die Erfindung zusammen bestimmte Vorteile bietet. In Fig. 4 ist der Leiterrahmen Ausgangspunkt für eine Gruppe von Leiterzügen, die in geringem Abstand voneinander strahlenförmig um eine Öffnung 10 herum angeordnet sind, unter welcher der gestrichelt dargestellte IC-Chip eingesetzt werden soll, und in einen aufgeweiteten Zwischenraum der Gruppe mit einfacheren Verbindungsmöglichkeiten an der Peripherie 11 hineinragen. In der Leiterrahmen-Technologie werden, sofern zweckmäßig, vertikale Abstandselemente 15 eingesetzt.
Wenn auch der Leiterrahmen im Beispiel von Fig. 4 mit einem zweidimensionalen Grundriß dargestellt ist, kommen im Zuge weiterer Entwicklungen auf diesem Fachgebiet dritte und weitere Maße beim Einsatz von Leiterrahmen in gestapelten Anordnungen im Packungsbereich zum Einsatz. Die Kommunikation zwischen vertikal gestapelten Leiterelementen erfolgte bisher mittels Typverbindungen, die durch die Isolierung hindurchgehen, welche die Leiter voneinander trennt, doch das Anordnen von Leitern erfordert einen gewissen Spielraum für laterale Toleranzen, die wiederum Abweichungen in der Anordnungsgenauigkeit verursachen können. Wie aus der Darstellung für diesen Leiterrahmen ersichtlich ist, wurden weitere Fortschritte in dieser Technologie durch die Bereitstellung freitragender Leiterzugteile 13 erzielt, die in die Öffnung 10 so hineinragen, daß Verbindungen zwischen den Leitern im gleichen Arbeitsgang wie Verbindungen mit den Anschlußflächen auf einem unter der Öffnung 10 angeordneten Chip hergestellt werden können. Ferner wurde im Zuge weiterer Entwicklungen auf diesem Fachgebiet festgestellt, daß die Anordnung des Leiterrahmens auf einer isolierenden Verstärkung mit Transportlöchern 14 an den Kanten es ermöglicht, die Leiterrahmen-Packung ähnlich wie einen normalen Film zu handhaben und lagegenau auf den Chip auszurichten, wodurch die automatische Filmbond- Technologie dieses Fachgebiets zum Einsatz kommt.
Dem Fachmann dürfte aus den vorstehenden Ausführungen deutlich geworden sein, daß mit immer geringer werdenden vertikalen Abständen und Zwischenräumen zwischen den Leitern den mit der Erfindung im Zusammenhang stehenden Kriterien, nämlich, daß alle gleichzeitig durch Thermokompression hergestellten Kontakte im wesentlichen gleichmäßig und bei möglichst niedrigen Temperaturen ansprechen, immer größere Bedeutung zukommt.
Bei zunehmend geringeren Abständen kann die Anzahl der Kontakte auch erhöht werden, um eine Einschränkung der Signalübertragung aufgrund von Reaktanzwirkungen zu vermeiden. Diese Erhöhung ist dann erforderlich, wenn mehr Masseleiter und stromführende Leiter und Masseflächen in der Packung untergebracht werden, wodurch die Anzahl und Dichte der Verbindungen erhöht wird.
Fig. 5 bis 9 zeigen strukturelle Darstellungen der Anschlußkapazität, die durch den Einsatz der Thermokompressionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird. Bei immer kleiner werdenden Zwischenräumen ist es von Vorteil, die Verbindung genau zwischen zwei Leitern auf beiden Seiten einer isolierenden Verstärkung anordnen zu können.
In Fig. 5, 6 und 7 dient das Element 15 mit den Leitern 16 und 17 in Fig. 5, 20 und 21 in Fig. 6, sowie 24 und 25 in Fig. 7 als Isolator, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten des Isolators befinden; in Fig. 5 sind die Leiter 16 und 17 über Anschluß 18 und einen ähnlichen Anschluß 19 in der gleichen Ebene oder auf der gleichen Oberfläche des Isolators 15 wie Leiter 16 verbunden.
In Fig. 6 sind die Anschlüsse 22 und 23 intermediär in der Isolatorschicht 15 angeordnet, so daß beide Leiter 20 und 21 leicht nach unten zu dem Anschluß hin gebogen sind, und in Fig. 7 sind die Anschlüsse 26 und 27 auf der gleichen Ebene wie der Leiter 25 vorhanden. Da die Erfindung das Thermokompressionsverfahren zum Gegenstand hat, werden die Leiter während des Einwirkens der Kompressionskraft in Position gehalten, und folglich kann das Werkzeug, das die Kontaktbauteile während der Kontaktierung eingespannt hält, so in Relation zum Isolator 15 angeordnet werden, daß die Verbindung überall in dem vertikalen Zwischenraum zwischen den Leitern sein kann. Im Anbetracht dessen, daß die Mindeststärke des Isolators generell dem Leiterabstand entspricht, gewinnt bei zunehmender Packungsdichte die Fähigkeit zur Herstellung dieser Strukturen an Bedeutung.
Fig. 8 und 9 zeigen Darstellungen einer einzelnen und doppelten Chipbefestigung in der Öffnung 10. In Fig. 8 ragen die Leiter 26 und 28 auf der einen Seite des Isolators 15 in die Öffnung 10 hinein, und die Leiter 27 und 29 ragen auf der anderen Seite des Isolators 15 in die Öffnung 10 hinein. Der Chip mit seinen zwei schematisch dargestellten Anschlüssen 30 und 31, die jeweils eine Anschlußfläche auf dem Chip 32 darstellen, wird in einem eigens zur Aufbringung der Kompressionskraft und für den thermischen Wärmezyklus konzipierten Werkzeug angeordnet, das schematisch 33 mit einem gegenüberliegenden Werkzeug 34 dargestellt ist, so daß beim Aufbringen der Kraft und dem Einwirken der Temperatur zwischen den Elementen 33 und 34 die Leiter 26 und 29 so gebogen werden, daß ein Kontakt mit den Anschlußflächen hergestellt wird und sie durch den Druck mit dem Chip verbunden werden.
In Fig. 9 wurden die Funktionsprinzipien aus Fig. 8 auf den zweiseitigen Chip übertragen, in dem im wesentlichen zwei Chips parallel angeordnet und gebondet werden. Der Aufbau in Fig. 9 stellt den Zustand nach Abschluß der Kontaktierung dar. In Fig. 9 befinden sich die Leiter 36 und 37 auf gegenüberliegenden Flächen des Isolators 15 auf einer Seite der Öffnung 10, während die Leiter 35 und 38 auf gegenüberliegenden Flächen des Isolators 15 auf der anderen Seite der Öffnung 10 angeordnet sind. Der Chip weist die in der Figur veranschaulichten Anschlußflächen 41 und 42 und der Chip 43 die in der Figur veranschaulichten Anschlußflächen 39 und 40 auf. Unter Einsatz der Werkzeuge des in Fig. 8 verwendeten Typs, mit dem sowohl Wärme und Druck aufgebracht werden, werden die Verbindungen 45 und 46 durch Thermokompression gebildet, wobei zwischen den Anschlußflächen und dem Leiter 37 eine Verbindung bei Punkt 45 sowie zwischen den Anschlußflächen 40 und 42 und dem Leiter 35 eine Verbindung bei Punkt 46 entsteht. Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung zahlreicher Schaltkreisverbindungen durch eine einzelne Thermokompressionsoperation.
Das unter Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung entstehende Kontaktbauteil ist in der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform mit dem Kontakttyp gemäß dem Stand der Technik vergleichbar, der in Fig. 1O und 11 veranschaulicht ist.
Aus Fig. 10 geht hervor, daß bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik das Ende eines Kupferleiters durch Laserschmelzen ballförmig ausgebildet wird, über das eine galvanische Goldschicht mit einer Dicke von annähernd 0,5 bis 0,8 Mikrometer aufgebracht wird. Die Morphologie der dem Stand der Technik entsprechenden Kontaktoberfläche ist relativ glatt. Dies geht aus dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 11 hervor. Gemäß der Erfindung unterscheidet sich der Kontakt der vorliegenden Erfindung von dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsformen in Fig. 10 und 11 zunächst durch den Umstand, daß die Galvanisierungsstärke der verformbaren Schicht mit 0,3 bis 3,0 Mikrometer größer ist, wodurch eine ausreichende Menge an verformbarem Material verfügbar ist, das für die jeweils unterschiedlichen Verbindungsbedingungen bei gleichzeitig durchgeführten Mehrfachbondungen geeignet ist. Zweitens wird die galvanische Beschichtung so gesteuert, daß eine weiche Schicht mit einer Härtebegrenzung entsteht, da der Härtegrad von Weichgold nicht wesentlich überschritten werden sollte, der auf der Knoop-Skala etwa bei 90 liegt. Drittens ist die Oberflächenmorphologie nicht wie in Fig. 10 und 11 glatt, sondern rauh, mit einer Periodizität von etwa einem Mikrometer zwischen Riefen und einer Tiefe von etwa 1/4 oder 1/2 der mittleren Stärke der IC-Anschlußfläche. Viertens ist die Struktur der verformbaren Schicht durchweg gleichförmig, d.h. frei von dendritischen Spitzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die verformbare Verbindungsschicht aus reinem Gold mit rauher Oberfläche in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt werden, indem eine Galvanisierung unter reinen Standardbedingungen bei 2,5 Volt zwischen Kathode und Anode und mit einer Stromdichte von 0,03 Milliampere pro Quadratzentimeter bis 0,05 Milliampere pro Quadratzentimeter vorgenommen wird. Standardbeschichtungsbäder unter Verwendung von reinem Gold kommen auf diesem Fachgebiet häufig zum Einsatz. Allgemein enthalten sie ein Salz des Goldes in einer Lösung mit einem pH-Wert von etwa 6 und werden bei einer Temperatur von etwa 65 Grad Celsius verwendet. Ein allgemeiner Überblick über normale Beschichtungsbäder unter Einsatz von reinem Gold in Bädern des Typs "C", "D", "E" und "F" wird in einem Artikel mit dem Titel "The Strength and Ductility of Some Gold Electrodeposits", von J.M. Deuber und G.R. Lurie auf den Seiten 715 bis 719, gegeben, erschienen im Juli 1973 im "Plating Magazine", sowie im "Metal Finishing Handbook", veröffentlicht von Metals & Plastics Publications, Hackensack, N.J., 1985, in einem Artikel von A.M. Weisberg auf den Seiten 232-234, in dem die von der Halbleiterindustrie verwendeten neutralen Lösungsbäder auf Zyanidbasis beschrieben werden.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung die gleichmäßige, verformbare Weichgoldschicht des Kontakts durch Galvanisierung innerhalb eines hohen, jedoch definierten Stromdichtebereichs erzeugt werden.
Fig. 12 und Fig. 13 zeigen Mikroaufnahmen des unter Einsatz des Verfahrens der Erfindung hergestellten Kontakts, bei dem die untere oder minimale Stromdichte 0,02 Milliampere pro Quadratzentimeter betrug. Wie aus Fig. 12 und Fig. 13 mit größerer Auflösung ersichtlich ist, geht aus der Oberflächenmorphologie in diesem Stadium deutlich die Periodizität und Tiefe der Riefen hervor, wobei diese Riefen jedoch nicht so deutlich ausgeprägt sind wie in Fig. 1 und 2. Sie sind jedoch ausreichend für fast alle Kontaktierungen, die strengen Spezifikationen unterliegen. Das andere Extrem in dem hohen, jedoch definierten Stromdichtebereich ist in Fig. 14 sowie in Fig. 15 dargestellt, in denen die Beschichtung bei einer etwa mehr als dreimal so hohen Stromdichte wie in Fig. 12 und 13, oder mit 0,075 Milliampere pro Quadratzentimeter, erfolgte. In Fig. 14 und in dem vergrößerten Ausschnitt von Fig. 15 ist der Anfang von dendritischen Spitzen durch Punkte auf der Oberfläche gekennzeichnet. Die dendritischen Spitzen bewirken, daß die verformbare Schicht uneinheitlich wird, wodurch der plastische Fluß der verformbaren Schicht gestört wird und unzureichende und unzuverlässige Verbindungen entstehen. Somit ist ein enger Bereich von stromdichten oberhalb eines Faktors von etwa drei vorhanden, in dem der thermokompressive verbindungskontakt gemäß der Erfindung beschichtet werden kann.
Der unter Einsatz des Verfahrens der Erfindung hergestellte Kontakt bietet besondere Vorteile bei der Herstellung einer Thermokompressionsverbindung mit einem Chip auf Siliziumbasis mit zahlreichen Kontaktmetallurgien einschließlich Aluminium und seiner Legierungen.
Fig. 16 und 17 zeigen Querschnittsaufnahmen des unter Einsatz des Verfahrens dieser Erfindung hergestellten Kontakts von Kontaktanschlußflächen eines Aluminiumchips bei unterschiedlichen Temperaturen. Aus dem Maßstab geht hervor, daß die Dicke der intermetallischen Bereiche dieses Kontakts etwa dem doppelten Betrag des Rauhigkeitsmaßes von 1 Mikrometer auf der Kontaktbauteiloberfläche vor der Kontaktierung entspricht.
Fig. 16 zeigt eine Thermokompressionsverbindung bei 500 Grad Celsius, und Fig. 17 eine solche Verbindung bei 350 Grad Celsius. Bei zunehmender Reduzierung der Temperatur und Annäherung an die 350 Grad Celsius-Marke wird die Verbindungsstärke reduziert, doch sie liegt nach wie vor in einem zufriedenstellenden Bereich. Dies ist ein Hauptvorteil der Erfindung, die eine Reduzierung der Kontaktiertemperaturen zum Gegenstand hat. Beim Vergleich zwischen Fig. 16 und 17 ist anzumerken, daß die Stärke der Schicht aus Gold und intermetallischem Gold-Aluminium bei der bei höherer Temperatur durchgeführten Kontaktierung größer ist, was verdeutlicht, daß das durch diese Erfindung bereitgestellte Thermokompressionsverfahren mit ihren niedrigeren Temperaturen für Verbindungen mit Siliziumchips besonders geeignet ist.
Einer der einzigartigen Aspekte der Leiterrahmen-Technologie, bei der Anschlüsse in der Öffnung für den Chip verbunden werden und damit die Verwendung beider Seiten des Dielektrikums für Leiter ermöglichen, besteht darin, daß die Galvanisierung wie in Fig. 5 bis 9 gezeigt auf Seiten mit verschiedenen Bereichen vorgenommen werden kann, so daß zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung auf der gesamten Oberfläche eine größere Kontrolle wünschenswert ist. In Fig. 5 bis 9, in denen eine Seite eine horizontale Ebene ist, kann ein durchgehendes Blech verwendet werden, wodurch beträchtliche Unterschiede für die zu galvanisierenden Bereiche entstehen. Die Vorrichtung für das Beschichtungsbad wird so modifiziert, daß jede unterschiedliche Bereichsseite mit einer unabhängigen Anode ausgestattet wird, die wiederum von einer unabhängigen Stromquelle versorgt wird, so daß unterschiedliche elektronegative Bedingungen während der Galvanisierung geschaffen werden und eine galvanisierte, bereichsunabhängige Schicht entsteht.
Der durch Thermokompression zu verbindende Kontakt entsprechend der Darstellung in Fig. 1 wird unter Verwendung einer Kupferleiterkomponente gefertigt, auf dem eine erste galvanische Beschichtung aus reinem Gold mit 0,01 Milliampere pro Quadratzentimeter während 5 Minuten erfolgt, auf welche eine zweite galvanische Beschichtung bei 2,5 Volt mit einer höheren Stromdichte von 0,03 bis 0,05 Milliampere pro Quadratzentimeter während fünf Minuten folgt. Die Härte der zweiten reinen Goldschicht beträgt etwa 90 auf der Knoop-Skala, und die Stärke beträgt etwa einen Mikrometer und wird durch Galvanisierung bei 0,03 Milliampere pro Quadratzentimeter in einem Standardbeschichtungsbad unter Verwendung von reinem Gold und mit separaten Anoden für jede Bereichsseite erzeugt, wobei jede durch einen Spannungsbereich zwischen 2,0 und 3,0 Volt von einem bestimmten Leiterbereich getrennt ist.
Es wurde ein Verfahren zur Thermokompressionskontaktierung für integrierte Schaltkreispackungen beschrieben, das sich durch eine niedrigere Mikroschweißtemperatur und zuverlässigere Kontakte auszeichnet.

Claims

1. Ein Verfahren zur Thermokompressionskontaktierung eines leitenden Bauteils mit einer Anschlußfläche (7) auf einem Substrat, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

- Aufgalvanisierung einer Metallschicht (3), vorzugsweise auf das Ende des leitenden Bauteils, und

- Erzeugung einer rauhen Oberfläche auf der Beschichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Metallschicht (3) eine verformbare Schicht aus der Gruppe Au, Pd, Pt, Ag, Ir, Ni ist,

- die galvanische Schicht weich ist, mit einer Härtezahl im Bereich von etwa 90 auf der Knoop-Skala, mit gleichmäßiger Struktur und frei von dendritischen Spitzen, und

- die rauhe Oberfläche der Beschichtung Riefen (4) mit einem Abstand von etwa 1/4 bis etwa mehr als die Hälfte der kombinierten Stärke dieser Anschlußfläche (7) und des Endes des leitenden Bauteils nach der Kontaktierung enthält, wobei die Höhe der Riefen etwa 1/4 bis 1/2 der Dicke der Anschlußfläche entspricht.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Schicht (3) eine Stärke von 0,3 bis 3,0 Mikrometer aufweist.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das leitende Bauteil ein Leiterzug und das Substrat ein elektronisches Bauelement ist.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das Leiterzugende eine Oberflächenschicht mit einer Stärke von etwa 0,3 bis 1,3 Mikrometer besitzt und die Anschlußfläche eine Stärke von etwa 1 Mikrometer aufweist.

5. Das Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Zwischenraum der Riefen (4) mindestens 100 Mikrometer und die Dicke der Anschlußfläche (7) etwa 100 Mikrometer beträgt.

6. Das Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zur Thermokompressionsverbindung verwendete Temperatur in einem Bereich bis zu 500 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 350 bis etwa 500 Grad Celsius, liegt.