JP2003031606A - 金線ボンディング方法、装置、及びシステム - Google Patents

金線ボンディング方法、装置、及びシステム

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wire
bonding pad
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キム・エイチ・チェン
Soojin Choi
スジン・チェ
Chun Yee Chan
チュン・イェー・チャン
Johnny Monis Nigos
ジョニー・モニス・ニゴス
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Agilent Technologies Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金線をより低温、特には２５℃と定義される
室温においてボンディングする金線ボンディング方法，
装置，及びシステムを提供する。 【解決手段】 金線３０３を金製ボンディングパッド３
０７にボンディングするための金線ボンディング装置に
おいて、金線３０３を支持するホルダ３０１と、ホルダ
３０１を周波数２００ｋＨｚ以下の周波数及び１Ｗ以下
の電力で振動させるための振動源３０９と、ホルダ３０
１を金製ボンディングパッド３０７に押し当てるための
圧力源３９０とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、ワイヤの
相互配線（相互接続）に関するものであり、より詳細に
は、室温での金線ボンディング方法，装置，及びシステ
ムに関する。
【０００２】
【従来の技術】ワイヤボンディング技術は、２素子間の
電気接続を得るために用いられる。集積回路（ＩＣ）産
業においては、ワイヤボンディング技術は、ＩＣチップ
をパッケージのリードフレーム或いはプリント回路基板
（ＰＣＢ）に接続するために利用されている。ワイヤボ
ンディングに最もよく使用されるワイヤ材料としては、
アルミニウム及び金が挙げられる。金は、導電性，可鍛
性，及び耐腐食性がアルミニウムよりも高く、従ってこ
れらの特性を重要視する場合にはより好ましい相互配線
用金属である。
【０００３】金線をボンディングするための一般的な方
法として、熱圧着方式（熱圧縮方式）、及び、熱超音波
方式の２つがあげられる。熱圧着方式では、ワイヤとボ
ンディングパッドの界面に圧力（圧縮力）及び熱を印加
することにより、金属接合（metallic bond ）が作られ
る。界面に熱が加えられると、その温度は約２５０℃と
なる。一方、熱超音波ボンディング方式では、ワイヤと
ボンディングパッドの界面に熱及び超音波エネルギを印
加することにより、金属接合が作られる。熱超音波ボン
ディング方式における代表的な温度は、約１２５℃であ
る。これらの何れの方法においても、結合（接合）を作
るために熱が必要とされる。残念なことに、アジレント
社のＡｌｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈのような、
高温における耐性が無いデバイスは、多数存在する。熱
圧着方式及び熱超音波方式の両方における高い温度の下
で処理されると、これらのデバイスは破損してしまう。
その上、これら２つの方法によりボンディングされるデ
バイスの組立工程においては、加熱期間並びに冷却期間
が必要となる。このように長い時間を消費する工程が実
施されるため、製造工程全体に要する時間も長くなって
いるのである。
【０００４】米国特許第５，９８４，１６２号（以下
「‘１６２号特許」と記載する）においては、超音波エ
ネルギ及び圧力により、室温で金線をアルミニウム製ボ
ンディングパッドにボンディングする方法が記載されて
いる。しかしながら、’１６２号特許に記載される方法
において必要とされる超音波エネルギの高い周波数（２
００ｋＨｚを超える周波数、特に２３５〜２４５ｋＨｚ
の範囲の周波数）は、現在市販されるワイヤボンダでは
提供されていない。‘１６２号特許で必要とされる周波
数を提供するためには、ワイヤボンダを改良しなければ
ならない。更に、’１６２号特許では、ワイヤを支持す
るキャピラリ装置の改良も必要とする。これらの改良を
要するため、‘１６２号特許の方法の実用化は容易とは
言えない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、より低い温
度、好ましくは室温において、２００ｋＨｚより低い周
波数、特には現行の未改良の市販のワイヤボンダが提供
し得る周波数により金線のボンディングを実施する方法
に対する要求は、未だに応えられていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、金線をより低
温、特には２５℃と定義される室温においてボンディン
グする方法に係るものである。圧力及び超音波エネルギ
を印加することにより、熱を加えることなく室温で金線
と金製ボンディングパッドとの金属接合を実現すること
ができる。更に、本発明は、市販されるワイヤボンダの
周波数範囲に充分に入る低い周波数の超音波エネルギを
使用するものである。
【０００７】一実施形態においては、金線を金製ボンデ
ィングパッドに対して周波数１００〜１３８ｋＨｚ，電
力７５〜２２０ｍＷ，圧力４０〜１５０ｇ，及びボンデ
ィング時間２０〜７０ミリセカンドで振動させる。これ
らのパラメータは、例えばＡｄｖａｎｃｅｄ Ｓｅｍｉ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＭ）社
のＡＢ３３９のような市販のワイヤボンダでも容易に実
現することができる。なお、金製ボンディングパッドへ
の金線のボンディングを室温で実施するためにこのＡＢ
３３９ボンダに改変を加える必要は無い。
【０００８】本発明の更なる特徴は、その実施形態の構
造及び作用と共に添付図面を参照しながら以下に詳細に
わたって説明する。図面においては、同一の要素或いは
機能的に同様の要素には同様の符号を付した。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は、市販のワイヤボンダを
使用して金製ボンディングパッドへの金線のボンディン
グを室温にて実施する方法である。本発明は、超音波エ
ネルギ及び圧力を金線と金製ボンディングパッドとの間
の界面に印加することにより、熱を加えることなく金属
接合を形成するようにしたものである。
【００１０】図１は、従来方法に基づいて金線を金製ボ
ンディングパッドへボンディングする手順を説明するフ
ローチャートである。ステップ１０１においては、プラ
ズマ洗浄（プラズマ・クリーニング）と呼ばれる処理に
より金製ボンディングパッドの表面が完全に清浄化され
る。プラズマク洗浄とは、アルゴンのようなイオン化ガ
スを被洗浄物の表面へ衝突させることにより分子レベル
における清浄化を実施する処理である。ステップ１０３
においては、金線のボンディングされる側の端部に電気
スパークを発生させることにより、そこに金ボールが形
成される。ステップ１０５においては、金ボールが第１
の金製ボンディングパッドの表面（一般的にはＩＣ上に
位置する）へ押し当てられる。この後のステップは、熱
圧着方式及び熱超音波方式の何れを採用しているかによ
り異なる。ステップ１０７Ａは、熱圧着方式を採用する
場合のステップであり、金ボール及び第１の金製ボンデ
ィングパッドに対して熱及び圧力が同時に印加され、こ
れによってボールボンディングが形成される。ステップ
１０７Ｂは、熱超音波ボンディングを採用する場合のス
テップであり、金ボール及び第１の金製ボンディングパ
ッドに対して熱及び超音波エネルギが同時に印加され、
これによってボールボンディングが形成される。
【００１１】ボールボンディングが形成されると、金線
は、一般的にはパッケージリードフレーム又はＰＣＢ上
にある第２の金製ボンディングパッドへと運ばれ、ワイ
ヤループが形成される（ステップ１０９参照）。ステッ
プ１１１において、金線は、第２の金製ボンディングパ
ッドへと押し当てられる。その後、熱圧着方式のステッ
プ１１３Ａ又は熱超音波方式のステップ１１３Ｂの何れ
かが選択され、金属接合が形成される。この時点で形成
された接合は、ウエッジボンディングと呼ばれる。ウエ
ッジボンディングが形成された後に、ステップ１１５に
おいて、金線は、切断されて除去される。
【００１２】図２は、本発明の教示内容に基づいて構成
された実施形態を説明するフローチャートである。ステ
ップ１０１，１０３，１０５，１０９，１１１，及び１
１５は、図１の従来方法と変わらない。しかしながら、
ステップ２０１においては、加熱することなく、圧力
（圧縮力）及び超音波エネルギが同時に印加され、金ボ
ールと金製ボンディングパッドとの間に金属接合が形成
される。同様に、ステップ２０３においても、加熱する
ことなく、圧力及び超音波エネルギが同時に印加され、
金線と金製ボンディングパッドとの間に金属接合が形成
される。ステップ２０１及び２０３の目的は、室温にて
良好な接合を作ることであって、熱圧着方式又は熱超音
波方式のような高温手法により作られる接合と同じ強度
を持つ接合を作ることである。０．００１３インチ径の
金線の場合、良好な接合の最低引張強度は８グラム、最
低せん断強度は４５グラムである。
【００１３】ボンディング強度に影響を及ぼす温度以外
の重要なパラメータとしては、超音波周波数，超音波電
力，印加力（圧力若しくは圧縮力），及びボンディング
時間が挙げられる。これらのパラメータに異なる値を用
いて実験を行った結果、最適なパラメータ値セットが明
らかになった。これらの実験においては、ＡＳＭ社のＡ
Ｂ３３９熱超音波式ワイヤボンダを使用した。ＡＢ３３
９は、ヒーターを含むが、しかしこのヒーターは本発明
において使用されることはなく、その電源は入れずに実
施した。ボンディングを実施する全てのデバイスには、
そのために特別に製作したワークホルダが必要である
が、ＡＢ３３９ワイヤボンダ自体に変更を加える必要は
無い。表１は、良好な接合が得られたパラメータ範囲と
して経験的に得られた値を示している。
【００１４】
【表１】
【００１５】図３は、金線を金製ボンディングパッドへ
ボンディングするための金線ボンディング装置の一例を
描いたものである。ホルダ３０１は、金線３０３を支持
している。金線３０３の一端には、図２のステップ１０
３に説明する方法で作られた金ボール３０５がある。金
ボール３０５は、厚さＴを持つ金製ボンディングパッド
３０７と接触している。圧力源３１１がホルダ３０１，
金線３０３，及び金ボール３０５へ圧力を印加し、表１
に示す範囲の印加力（圧力）で金ボール３０５を金製ボ
ンディングパッド３０７に押し付けている。ホルダ３０
１は、トランスデューサー等の振動源３０９に接続され
ており、金線３０３を表１に示した所望の周波数及び電
力で振動させている。金製ボンディングパッドの厚さ
Ｔ、並びに、金製ボンディングパッド中の金の純度は、
金線３０３と金製ボンディングパッド３０７との間の接
合品質に影響を与えるものである。金製ボンディングパ
ッド３０７は、理想的には、０．７５〜１．３μの厚さ
とすべきである。更に、金製ボンディングパッド３０７
は、金の純度及び均一性を保証するために、電解めっき
処理されたものを使用するべきである。
【００１６】金線３０３は、振動源３０９によって２０
０ｋＨｚ以下の周波数及び１Ｗ以下の電力で振動され、
これにより金線３０３と金製ボンディングパッド３０７
との間に金属接合が形成される。なお、振動源３０９に
よる振動の印加は、１４０ｋＨｚ以下の周波数にて実施
されるのが好ましく、１００ｋＨｚ〜１３８ｋＨｚの範
囲の周波数にて実施されるのがさらに好ましい。また、
振動源３０９による振動の印加は、２２０ｍＷ以下の電
力で実施されるのが好ましく、７５ｍＷ〜２２０ｍＷの
範囲の電力で実施されるのがさらに好ましい。また、振
動源３０９による振動の印加は、７０ミリセカンド以下
の期間中に実施されるのが好ましく、２０〜７０ミリセ
カンドの範囲の期間中に実施されるのがさらに好まし
い。また、圧力源３１１による圧力の印加は、１５０グ
ラム以下の静的力により実施されるのが好ましく、４０
〜１５０グラムの範囲の静的力により実施されるのがさ
らに好ましい。また、圧力源３１１及び振動源３０９に
よる圧力及び振動の印加は、２０〜３０℃の範囲の温度
（２５℃で定義される室温を含む）の下で実施されるの
が好ましい。
【００１７】以上を要約すると、次の通りである。すな
わち、本発明は、１２５℃以下の温度、特に２５℃で定
義される室温で金線を金製ボンディングパッドにボンデ
ィング（結合）する方法に関するものである。圧力（圧
縮力）及び超音波エネルギを印加することによって（ス
テップ２０１，２０３参照）、温度を上げることなく金
属間結( intermetallic bond )が金線（３０３）と金製
ボンディングパッド（３０７）との間に形成され得る。
さらに、本発明では、市販のワイヤボンダが提供し得る
範囲の周波数である十分に低い周波数の超音波エネルギ
を使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来方法に基づいて金線を金製ボンディングパ
ッドへボンディングするステップを説明するためのフロ
ーチャートである。
【図２】本発明の方法に基づいて金線を金製ボンディン
グパッドへボンディングするステップを説明するための
フローチャートである。
【図３】室温での金線ボンディングを実現するために用
いられる金線ボンディング装置を示す図である。
【符号の説明】
３０１ ホルダ ３０３ 金線 ３０５ 金ボール ３０７ 金製ボンディングパッド ３０９ 振動源 ３１１ 圧力源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キム・エイチ・チェン アメリカ合衆国カリフォルニア州94539, フリモント，ビーヴァー・コート 852 (72)発明者 スジン・チェ アメリカ合衆国カリフォルニア州95051, サンタ・クララ，マウリシア・アベニュー 2890 (72)発明者 チュン・イェー・チャン シンガポール国シンガポール596380，ユ ク・トン・アベニュー 79 (72)発明者 ジョニー・モニス・ニゴス シンガポール国シンガポール470616，ベド ック・リザーバー・ロード，ブロック 616，＃07−1120 Ｆターム(参考） 5F044 BB00 CC00 JJ00

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金線を金製ボンディングパッドにボンデ
    ィングするための金銭ボンディング方法であって、前記
    金線を金製ボンディングパッドに押し当てるステップ
    と、前記金線を２００ｋＨｚ以下の周波数及び１Ｗ以下
    の電力で振動させ、これにより前記金線と前記金製ボン
    ディングパッドとの間に金属接合を形成するステップ
    と、を含むことを特徴とする金線ボンディング方法。
  2. 【請求項２】 金線を金製ボンディングパッドにボンデ
    ィングするための金線ボンディング装置であって、前記
    金線を支持するホルダと、前記ホルダを周波数２００ｋ
    Ｈｚ以下の周波数及び１Ｗ以下の電力で振動させるため
    の振動源と、前記ホルダを前記金製ボンディングパッド
    に押し当てるための圧力源と、を具備することを特徴と
    する金線ボンディング装置。
  3. 【請求項３】 前記振動の印加が、１４０ｋＨｚ以下の
    周波数にて実施されることを特徴とする請求項１又は２
    に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記振動の印加が、１００ｋＨｚ〜１３
    ８ｋＨｚの範囲の周波数にて実施されることを特徴とす
    る請求項３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記振動の印加が、２２０ｍＷ以下の電
    力で実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載
    のシステム。
  6. 【請求項６】 前記振動の印加が、７５ｍＷ〜２２０ｍ
    Ｗの範囲の電力で実施されることを特徴とする請求項５
    に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記圧力の印加が、１５０グラム以下の
    静的力により実施されることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記圧力の印加が、４０〜１５０グラム
    の範囲の静的力により実施されることを特徴とする請求
    項７に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 前記振動の印加が、７０ミリセカンド以
    下の期間中に実施されることを特徴とする請求項１又は
    ２に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記振動の印加が、２０〜７０ミリセ
    カンドの範囲の期間中に実施されることを特徴とする請
    求項９に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記圧力源及び振動源による圧力及び
    振動の印加が、２０〜３０℃の範囲の温度下で実施され
    ることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記金製ボンディングパッドが、電解
    めっき処理されたものであることを特徴とする請求項１
    又は２に記載のシステム。
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