JP2000515690A - 拘束ボンディングのためのファインピッチボンディング工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 エアボールの直径が変化することがあっても不変のボンデッドボール大きさを有するボールボンドを作るファインピッチ毛細管ボンディング工具が提供される。従来の形に作られたボンディング工具が作業チップ内に新規なボール拘束凹部を設けられている。エアボールが接合されるとき、エアボールは下向き力を加える肩部分を備える拘束凹部に押込められる。ボンドされているボールは可変直径のつぶれたボールを作り出すであろう横押出しなしに拘束凹部の中に垂直に押し出る。

Description

【発明の詳細な説明】 拘束ボンディングのためのファインピッチボンディング工具発明の背景 １．発明の分野 本発明は、ファインワイヤボンディングに用いられるボンディング工具に関 する。さらに詳しくいえば、本発明は、仕上がりボールボンドの大きさを限定し 、制御しながら従来の強さのボールボンドを作るのに用いられる毛細管ボンディ ング工具に関する。 ２．従来の技術の説明 毛細管ワイヤボンディング工具は、従来の技術において周知であり、国際ク ラスＨＯＩ２１／６０３及び米国クラス２２８、サブクラス１．４、４．５、１ ８０及びその他のサブクラスに分類されている。 自動ボールサーモソニックワイヤボンダにおいて用いられる毛細管ワイヤボン ディング工具が特定の用途又は問題に対して設計された族又は群に標準化されて いた。ファィンピッチボンディング工具が隣との間隔が密になっているパッドの ボンディングを可能にするように特に設計されている。コンピュータチップなど の半導体チップの小形化のために、チップ上の引出しパッド及びチップ上のパッ ドのピッチ又は間隔は、絶えず小さくなる。０．０８ｍｍ中心に置かれた０．０ ０１９ｍｍ²のパッド寸法が、現在は第１ポンドを形成するように溶融又はフレ ームオフ（炎で落す）される０．０２５ｍｍのファイン金ワイヤを用いて接合さ れている。接合を行った後の直径は、結果として生ずる接合されたボールが０． ０４６ｍｍないし０．０４８ｍｍの平均直径を持つように少なくとも１０％増加 する。つぶされたボールボンドは、対称でなく、最大直径は、ボンディングパッ ドの大きさを容易に超える可能性がある。ボンディング工具には、ボンディング パッドの中心からずれたいくらかの配置誤差があるので、従来のボールボンディ ングは、ボンディングパッドの縁にあふれるボンドを作り、接合された素子は、 受入れできなくなる。 従来技術において、拘束ボンド及び拘束ボンディングという用語は、一般にボ ールボンディング中のボールのつぶれ出し又は横突出の量を制御することをいっ た。従来は、この広義の術語は、また、つぶれて広がったボールが従来のつぶれ たボールより小さい寸法のものになるように、エアボールの直径を小さくするこ とを含んでいた。ボールの寸法比（ＢＳＲ）をワイヤの２．４倍から約１．７倍 に小さくできると知られたが、ボンドのボンドされた面積を剪断強さもまた小さ くされた。さらに、エアボールが小さすぎれば、それは、ボンディング操作の間 毛細管内の穴を詰らせる。 本発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許第５，５５８，２７０号は、非対称 なつぶれボールを作るために開発されたボンディング工具を示して説明しており 、本明細書に参照して組入れられている。この工具は二つの面取り直径ＣＤ１及 びＣＤ２によって定められた細長い面取り凹部を備える非対称作業面を採用して いる。細長い面取り凹部は、長さより狭い幅であり、従って、現在の半導体チッ プをボンディングするのによく適したつぶれたボールボンドを作る。 剪断強さを高めたより小さな対称的な接合されたボンドを作ることができるフ ァインピッチボンディング工具を提供することが望ましいであろう。そのような 対称的工具は、回転ヘッドボンディング機より高速度で動作する従来の非回転ヘ ッド自動金ワイヤボンディング機に用いられるであろう。発明の概要 本発明の主な目的は、寸法を変更できるエアボールから一貫して均一な寸法の ボールボンドを作る毛細管ボンディング工具を提供することである。 本発明の主な目的は、従来のボールボンドより小さいボンド面積を有するファ インピッチボールボンドを作るボンディング工具を提供することである。 同じ直径のファインワイヤから今まで可能であったより小さくてその上強い接 合されたボールを作る方法とボンディング工具を提供することである。 本発明の主な目的は、従来のボールボンドより小さいボンドされた面積でなお 高い剪断強度を有するボールボンドを作るボンディング工具を提供することであ る。 本発明のもう一つの目的は、自動ワイヤボンディング機に採用できる作業チッ プに形成された新規なボール拘束凹部を有する新規なボンディング工具を提供す ることである。 本発明のもう一つの目的は、第１ボンドで作られた接合されたボールの直径を 制御できる新規なボンディング工具を提供することである。 本発明のこれら及びその他の目的によれば、標準のファインピッチ毛細管ボン ディング工具がボール案内部分、ボール拘束・成形部分及びボンディング力肩部 分を備える新規な拘束凹部を備えている。ボール拘束凹部は、接合されているエ アボールの表面が制御された横突出を備えるように、拘束ボンドされているボー ルを凹部の中に垂直に押し出されて、凹部によって成形させるように段を付けら れるかテーパを付けられるのが好ましい。図面の簡単な説明 図１は、従来のボトルネック・ファインピッチボンディング工具の側面図であ る。 図２は、ボトルネック・ホンディング工具に用いられる形式のボンディング工 具の従来の二重面取り作業チップの拡大断面正面図である。 図３は、標準毛細管ボンディング工具に用いられる形式のもう一つの従来の二 重面取り作業チップの拡大正面図である。 図４は、面取り直径を超える接合直径を有するつぶれたボールボンドを示す図 ３の作業チップの極拡大断面正面図である。 図５は、横ボール膨張を拘束する形式の好ましい実施例のボール拘束凹部を示 す作業チップの拡大断面正面図である。 図６は、横ボール膨張を拘束する形式の異なるボール拘束凹部を示すもう一つ の好ましい実施例の拡大断面正面図である。 図７は、横ボール膨張を拘束する形式の異なるボール拘束凹部を示すなおもう 一つの好ましい実施例の拡大断面正面図である。 図８は、面取り直径より小さく本発明のボンディング工具とともに用いられた 拘束面取りより直径の大きいエアボールの拡大側面又は正面図である。 図９〜１１は、本発明のボンディング工具で作られた三つの異なる形をした第 １ボンドの側面図であり、横膨張又はつぶれがエアボールを拘束面取り内に押し 出すことによって制御されることを示している。好ましい実施例の詳細な説明 周知の従来のボトルネック・ファインピッチボンディング毛細管１０を示す図 １を参照する。チップ１２のくび１１は、チップが通常は、標準工具と同様の約 ３０度であるが、１０〜１５度のチップ角を備えている。くび１１の縮小幅は、 米国特許第５，５５８，２７０号に説明されている接合ワイヤの隣接ループに触 れるくび１１なしに密なピッチパッドで作ることをできるようにする。 次に、図２を参照すると、０．０８ｍｍほどに小さいピッチ間隔を有する半導 体上に小形パッドを接合するのに現在用いられている形式の最新技術のファイン ピッチボンディング工具のくび１１と作業面１４の拡大断面正面図を示している 。この最新技術のファインピッチボンディング工具において、内部面取り１３は 、９０度であるのが好ましく、ファインワイヤを直径Ｈのワイヤ孔Ｈの中へ案内 するように設計された小さい度数の内部面取り角ＩＣＡと接続又は続く面取り角 ＣＡを備えている。 ０．０８１ｍｍピッチで間隔をあけた０．０７６ｍｍパッド上に０．０５３ｍ ｍの接合ボールを作るためにエアボールの寸法を約０．０５１ｍｍに制御するこ とが望ましい。この非常に微細なピッチの結果を達成するために、面取り直径Ｃ Ｄより小さい極めて正確なボール寸法を保つことが必要である。過大ボールが外 側面取り１３によってつぶされる場合、横押出しが生じて、つぶされたボールは 受入れできないボンドを作るパッドの側面を越えて延びることがある。エアボー ルが小さ過ぎれば、工具の下向き運動に行き過ぎが生じ、ボンディング工具のチ ップ縁がボンディング操作の間隣接パッドの縁まで伸びるチップ直径Ｔを備える ので、ボンディング工具は、隣接ボールボンドに係合することができるであろう 。 次に、作業面１４まで３０度でずっと伸びるくびとチップを備える従来の二重 面取りボンディング工具の拡大断面正面図を示す図３を参照する。この工具のく びは、図２に示されたボトルネック１１より大きくて厚いが、作業面１４及びそ の中にある凹部の寸法は、図２に示されたファインピッチ工具と同じ寸法であっ てよい。以後に説明するように、本発明は、ボンデッドボールの寸法を制御し、 剪断強度を高めるために図２及び図３に示された工具に等しく適用できる。 次に、面取り直径ＣＤ及びエアボール直径をほんのわずか超えるつぶれた直径 ＭＤを有する最新技術のボンデッドボール１５を作るのに用いられる好ましい二 重面取り形を備える従来の毛細管ボンディング工具１２の拡大断面正面図を示す 図４を参照する。 従来技術に現在存在しているようなボールボンド１５に伴う第１の問題が、つ ぶれた直径ＭＤに影響を与えるエアボールの寸法を一貫して制御する既知の方法 がないことである。第２の問題がエアボールの寸法の非制御性から生ずる。ボー ルが予め定めた力でつぶされたとき、面取り直径（ＣＤ）の外側で起る横はみ出 しの量を制御できず、結果として接合された面積を確実に予測できないものにす る。エアボールの寸法をワイヤテールの長さ及びにボールを作るために用いられ る電流の大きさと時間を制御することによって制御できると一般に仮定されてい るが、数１０年の経験によってこの仮定が誤っていて世界中のメーカに損害を与 えていることが分った。本発明の考え方は、次世代の小形半導体パッドにファイ ンピッチボンドを行って、ボンディング操作の間に変化する寸法のエアボールの 形を直して均一な接合直径の均一な再成形されたボンデッドボールを作るという 考え方てスタートするのに十分に正確にエアボールの寸法を制御できないことを 認めている。形を直されたボンドが剪断強度を高められることは完全に予測され なかった。データを調べることによって発明者は、従来の工具チップより大きな 表面接触をエアボールとする凹んだ室の形が工具からのエアボールへのエネルギ ーをパッドへより一様な下向き力でよりよい超音波結合を行うので、よりよいボ ンドを作ると信じるに至った。大量製産操業において集められたデータがこれら の理由を変えるかもしれないが、相助作用結果が既に確認されている。本発明の 主な目的を行いながら、剪断強度を１０〜２０％だけ大きくすることができる。 次に、作業面１８にあるボール拘束凹部を有する作業チップ１６の拡大断面正 面図を示す図５を参照する。この好ましい実施例は、３ステップ付部分を示して いる。外側環状円錐１９は、約４０度の外側円錐角（ＯＣＡ）を備え、この角は 、５ないし９０度の間で変ってなおエアボールを凹部内に案内するのと横押出し を抑制するのとの二重の機能を行うことができる。 ボール拘束部分２１は、形がほぼ円筒形で接合されるべきエアボールより直径 が小さい。この部分は、この実施例では、比較的浅く示されているが、それは、 環状円錐１９と組合されて次にエアボールを受けるために約１５度までのほんの わずかテーパを付けることができる。最初の二つのステップを組合せるとき、約 ４０〜６０度の内側円錐角（ＩＣＡ）を有する截頭円錐として示された上側環状 部分２２は、約１８０度まで大きくされるのが好ましい。この上側環状円錐又は 肩２２は、束縛凹部内でボンデッドボールを同時に形作りながら下向きボンディ ング力をエアボールに加えるという主な目的に役立つ。この肩は、製作を簡単に することにある利点を有する曲がったアール又は截頭円錐によって形成されても よい。この形は、湾曲しているか又は直線状であってもよいし、なお光細になっ ていてもよく、意図されたモードの動作を行うことができる。 次に、作業面１８内にボール拘束凹部２３を有する作業チップ１６の拡大断面 正面図を示す図６を参照する。この変更実施例は、エアボールを案内し形作る截 頭円錐形の凹部であるべきボール拘束部分２１’を示している。外側環状凹部１ ９’は、非常に浅く、円錐形てあるか又は、外側アールとして形成されてよい。 内側環状凹部２２’もまた非常に浅く、また円錐形として又は内側アールとして 形成されてもよい。 次に、作業面１８内にボール拘束凹部２４を有する作業チップ１６の拡大断面 正面図を示す図７を参照するこの変更実施例は、凹部２４内の二つの異なるステ ップを示している。円筒形拘束部分２７及び内側環状部分２６は、エヤボールを 凹部の中へ案内すること及びボンディング中ボールに加える下向きの力を発生す るというそれぞれに意図された機能を最もよく達成するように設計された円錐を 有する截頭円錐として形成されている。わずかにテーパを付けられた円筒形部分 ２７はなお、ボンディング中エアボールの横膨張を抑制するという機能を形成す る。外側環状部分２５は円錐又はアール付きであってもよい。 三つの好ましい実施例のボンディング工具及び凹部１７、２３及び２４の異な る部分によって行われる機能を説明したが、もっとほかの変更が一つ以上の工具 からのステップ部分を用いて可能であり、なお横方向に押出されない対称形ボン ドを作ることができることを理解すべきである。さらに、接合ボールは、エアボ ールの大きさが変動しても均一なボンドの大きさになっている。従来のボンドよ り高い剪断強度が達成される。 次に、毛細管ボンディング工具から伸びながら、ワイヤテール２８の一部分を 溶かすことによって作られたエアボール２７の拡大側面又は正面図を示す図８を 参照する。ワイヤテール２８に作られたボール２７は、従来用いられた水素炎の 使用に代った電子フレームオフ又は（ＥＦＯ）と呼ばれる高圧電子スパークによ って作られるのが好ましい。 エアボールの大きさを（１）第２ワイヤボンドを作ってワイヤを破断した後毛 細管から伸びるワイヤテールの長さを制御すること、（２）ＥＦＯギャップ内の 電流を制御すること及び（３）ＥＰＯ電流が持続する時間を制御することによっ て制御できることが知られている。これらのパラメータは、注意深く制御されて いても、同じ大きさのエアボールを一貫して作ることは不可能であった。この問 題を克服して高いボンド強さを達成するために少なくとも二つの代りの方法が現 在用いられている。 第１の代替の方法は、大きいほど良いということができる。エアボールが大き なボール寸法比（ＢＳＲ）で作られてボールと同じ大きさの面取り直径を有する 工具で接合された場合、ボンディング操作の間横に押し出されて、接合された面 積がそれが第１、ボンドにおけるワイヤの引張強さを超えるほと大きいので、ボ ンドの剪断強度を７．８ｋｇ／ｍｍ²より小さくすることができる。存在する問 題は、これらのボンドを小ピッチボンディングパッド上に作れないことである。 本発明が発見された時点でのファインピッチボンドを作る技術の状態は、０． ０５１ｍｍより小さいエアボールのＢＳＲを作り、次にボールをボンディング操 作中約５．１ｍｍの所定の大きさまて横に押出すことであった。試験がそれぞれ ０．０７６ｍｍ及び０．０６４ｍｍの面取り直径を用いて行われた。０．０５１ ｍｍより小さいエアボールは、接合されて０．０５１ｍｍのボンド直径まで押出 された。剪断強度は、測定されて７．８ｋｇ／ｍｍ²及び９．７５ｋｇ／ｍｍ²で あると分り、このことはボンディングチップの作業面の下のより多くの金属を押 出すより小さい面取り直径工具がより高い剪断強度を作ることを例示している。 これらの実験は、選択された面取り直径の外側に押出された０．０２５ｍｍの１ ０分の２より大きい環状リングが押出し量を少なくして作られたボンドより高い 剪断強度を作ることを示した。 従来技術の教えるところと対照的に、出願人は、９．３６ｋｇ／ｍｍ²より大 きい剪断強度をもった制御された直径のボールボンドを作ってつぶれたボールの 直径を横押出しのない面取り直径の大きさに制御できることを発見した。 次に、図５に示されたボンディング工具で作られた第１ボンドの形の側面図を 示す図９を参照する。図８に示されたエアボールは、１．６と１．７の間のＢＳ Ｒで作られた。つぶれたボール３０の底部分２９は、エアボール２７の直径より 小さい領域にわたって平らにつぶされている。エアボールの下半分の一部分３１ が膨張して凹部１７の外側環状円錐１９の形に形成する。ボール２７のくびれた 部分３２には、エアボール２７の中間部が入る。つぶれたボールの頂部３３には 、エアボール２７の上部が入り、つぶれたエアボールガ凹部１７の上側環状部分 によって形成されたことを示し、面取り直径の内側に下向き力を加える。つぶれ たエアボールの最大直径は、外側円錐１９を満たさないので、それは、決して面 取り直径を超えない。エアボール２７に凹部１７の垂直に押出ることを可能にす ることによって、つぶれたボールの直径は、面取り直径を超えないように容易に 制御される。スカート３１は、環状凹部１７の形になるとともに、下向きボンデ ィング力を加えるので、ボンディング工具の下向き運動のほかにさらに横押出し を制限する。 次に、図６に示された形式のボンディング工具で作られた第１ボンドの形を側 面図で示した図１０を参照する。この実施例においては、凹部２３は、凹部２３ の外側のつぶれたボール３５の底部分３４だけを残して形成されたエアボール２ ７で満たされる。円筒形部分３６は、凹部３５を満たすように設計されるが、さ らに大きい可変大きさのボールに対しては、押出されたリング３７が、穴の直径 を縮小しなければ目に付き易くなる。底部分３４の厚さは、エアボールの大きさ に常に起こる変動に適応する。 次に、図７に示された形式のボンディング工具で作られた第１ボントの形を側 面図で示した図１１を参照する。この実施例では、凹部２４は、エアボール２７ の約半分を捕える。つぶれたボール３９の上側環状部分３８は、図５の実施例よ り大きい内側円錐角（ＩＣＡ）で図６の実施例より小さいＩＣＡを有する。外側 環状凹部２５は、案内又はアールとして働き、つぶれたボール３９を整形又は形 成するように意図されていない。円筒形部分４１は、図６の実施例と同様な円錐 角（ＣＡ）を有し、つぶれたボール３９の頂部を形成してボンディング操作中に それに下向きボンディング力を加えるように意図されている。 図５〜７に示された工具の変形を作ってなお拘束凹部内にへの形成及び押出し ステップを維持できる。 適当なボンディングパラメータが同じか又は小さい接合直径を有するつぶれた 接合ボールを作るために選択されるとき、単位剪断応力を大きくすることが分る であろう。図示のボンドを不適当なパラメータと好ましい実施例の工具を用いて つぶれ不足又はつぶれ過ぎに作ることが可能なことが図９〜１１に示された好ま しいつぶれボールボンド形状の検査から明らかである。しかし、オーバマッシン グが全剪断強さをほとんど増加させずにファインピッチ小面積ボンドを無効にし 、より小さな不足つぶれボンドがつぶれたボンドの直径を増加させることなく全 剪断強さを減少させてより小さいフットプリントを残す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．直径の変化するエアボールから不変の大きさのファインピッチワイヤボ ンドを作るファインピッチ毛細管ボンディング工具であって、前記工具が 接合されるべきワイヤより大きいワイヤ孔が貫通している円筒形本体と 、 前記本体の一端に付いている作業チップと、 前記作業チップにある作業面と、 前記作業面内にあるボール拘束凹部と、 を備え、前記ボール拘束凹部が前記ワイヤ孔より大きくボンドされるべきエアボ ールより小さい直径をもったほぼ円筒形に凹んだ部分を備え、 前記ボール拘束凹部がさらに、前記凹部への入口に第１ボール案内肩を 備え、なお 前記凹部の上側部分にあって前記ボール拘束凹部に形成されるエアボー ルに下向きボンディング力加えるボール拘束ボンディング肩と を備えるファィンピッチ毛細管ボンディング工具。 ２．前記ボール案内肩が截頭円錐形凹こみ部分に接続されたアールを備えて いる請求項１に記載のボンディング工具。 ３．前記ボール強制ボンディング肩が截頭円錐形凹こみ部分に接続されたア ールを備えている請求項１に記載のボンディング工具。 ４．前記ボール拘束凹部の前記肩の各々が環状テーパ付リングを備えている 請求項１に記載のボンディング工具。 ５．前記ボール拘束凹部の前記肩の少なくとも一つが截頭円錐を備えている 請求項１に記載のボンディング工具。 ６．前記ボール拘束凹部及びそれに接続された前記肩が面取り直径からワイ ヤ孔まで収束している段付き凹部を形成している請求項１に記載のボンディング 工具。 ７．前記ボール拘束凹部が３以上の複数の段を備えている請求項６に記載の ボンディング工具。 ８．前記段が複数の截頭円錐を備えている請求項７に記載のボンディング工 具。 ９．前記段が少なくとも一つのテーパ付アールを備えている請求項７に記載 のボンディング工具。 １０．前記ボール拘束凹部への入口が接合されるべきエアボールの直径より大 きい面取り開口部によって画定され、ボンディングの後のつぶれたボールの直径 が前記面取り直径以下である請求項１に記載のボンディング工具。 １１．前記ボール拘束凹部への入口が９０度未満の円錐角を有する截頭円錐を 備えている請求項１０に記載のボンディング工具。 １２．前記ほぼ円筒形の凹んだ部分が１５度未満の円錐角を有する截頭円錐を 備えている請求項１に記載のボンディング工具。 １３．前記第１のボール案内肩が４５°未満の円錐角を有する環状円錐形状を 備えている請求項１に記載のボンディング工具。 １４．前記ボール強制ホンディング肩が約９０度超の円錐角を有する環状円錐 形状を備える請求項１に記載のボンディング工具。 １５．直径の変化するエアボールから均一なファインピッチワイヤボンドを作 る方法において、前記方法が 前記エアボールの直径より大きい開口を前記エアボールの直径より小さ い凹部室を有する毛細管ボンディング工具の作業面にボール拘束凹部を形成する 工程と、 前記エアボールをボンドし、同時に前記エアボールを前記凹部室に垂直 押出しによって押込み成形する工程と、 前記エアボールを接合し、同時に前記エアボールの直径を超えない直径 に接合されている前記エアボールの表面を横に押出す工程と を備えるエアボールから均一なファインピッチワイヤボンドを作る方法。 １６．前記エアボールを前記エアボールの押しつぶされた直径を定める予め定 めた下向き力でボンドする工程を更に含む請求項１５に記載の方法。 １７．前記エアボールを前記凹部内で押込み成形する工程が前記凹部室内に押 出されている前記エアボールの部分の直径を縮小する工程からなる請求項１５に 記載の方法。 １８．異なる直径のワイヤに作られた同じ直径のエアボールをボンドするため に異なる寸法のワイヤ孔を異なる毛細管ボンディング工具に形成する工程をさら に含む請求項１５に記載の方法。