JP2003531729A - 効率的なエネルギー移動キャピラリー - Google Patents
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Abstract
Description
に関し、より詳細には、効率的な超音波エネルギー移動特性を有するボンディン
グツールに関する。
るプリント回路基板に大きく依存している。チップと基板との間の機械的および
電気的接続が、チップ設計者にとって問題となっている。ICを基板に相互接続
するための3つの周知の技術は、ワイヤボンディング、テープ自動化ボンディン
グ(TAB)およびフリップチップである。
ボンディングでは、複数のボンディングパッドが、基板の上部表面にある1つの
パターンに配置される。そのボンディングパッドのパターンの中央にチップが設
置され、チップの上部表面は、基板の上部表面から離れて面している。(アルミ
ニウムワイヤまたは金ワイヤであり得る)微細なワイヤが、チップの上部表面上
のコンタクトと基板の上部表面上のコンタクトとの間で接続される。特に、接続
ワイヤは供給されて、チップに、そしてキャピラリー(以下でさらに説明される
ボンディングツール)を通って基板にボンディングされる。
グパッド)にボールボンディングするために使用される。このようなキャピラリ
ーは、一般に、セラミック材料から形成され、主には、酸化アルミニウム、タン
グステンカーバイド、ルビー、ジルコン強化アルミナ(ZTA)、アルミナ強化
ジルコン(ATZ)および他の材料から形成される。極めて細いワイヤ(一般に
は、約1ミルのオーダの金、銅またはアルミニウムワイヤ)が、キャピラリーの
軸方向の管を通り抜ける。このキャピラリーは、ワイヤの端部に形成された小さ
なボールを有しており、このボールはキャピラリーの先端の外部に配置されてい
る。第1の目的は、このボールを半導体デバイス上のパッドにボンディングし、
次いで、ワイヤに沿ってさらに遠くの部分をリードフレーム等にボンディングす
ることである。ボンディングサイクル中、キャピラリーは1より多くの機能を実
行する。
ボールをセンタリングして、ボンディングパッドの目標を定める。第1のボンデ
ィング工程によって、ボールは、半導体デバイス上のパッドにボンディングされ
る。キャピラリーがボンディングパッド上にボールを接触させると、ボールは、
つぶれて平坦になる。ボンディングパッドは一般にアルミニウムから作製される
ので、薄い酸化物がボンディングパッドの表面上に形成される。適切なボンディ
ングを形成するために、酸化物の表面を破って、アルミニウムの表面を露出させ
ることが好ましい。酸化物を破る有効な方法は、ワイヤボールを用いて酸化物の
表面を「研磨する」ことである。ワイヤボールは、アルミニウム酸化物の表面上
に配置され、キャピラリーは、キャピラリーが取り付けられる超音波ホーン内に
配置された圧電素子の伸張および収縮に基づいて、直ちに線形方向に運動する。
ボンディングパッドに加えられる熱に加えて、急速な運動は、ワイヤとボンディ
ングパッドとの間で分子を移動させることによって有効なボンディングを形成す
る。
方にボンディングワイヤを巻きつけ、なめらかに供給している間、ワイヤを処理
する。次いで、キャピラリーは、「スティッチ」ボンディングおよび「タック」
ボンディングまたは「テール」ボンディングを形成する。
るための他の手段のプロセスである。熱音波ボンディングプロセスは、可動ボン
ディングヘッドに取り付けられたトランスデューサからツール(例えばキャピラ
リーまたはウェッジ)を介して、半導体デバイスまたは支持基板に溶接されたボ
ールまたはワイヤへと超音波エネルギーが移動することに部分的に依存している
。
学的形状は、ボール/ワイヤ相互接続パッドの接続領域までエネルギーの移動を
改善するように設計されていない。本発明の発明者は、超音波トランスデューサ
に起因するツールにかかる応力/ひずみ波形の超音波減衰の制御が、ボンディン
グプロセスの制御ひいてはそのパフォーマンスに重要であることを見出した。
ヤボンディングループの高さに基づいており、超音波減衰の制御を考慮していな
いので不十分である。そういったことから、従来のボンディングツールはエネル
ギー効率が悪い。
ディングツール100は、円柱体部102とテーパー部104とを有する。軸方
向の管108は、ボンディングツール100の端部110から先端106まで延
びている。ボンディングワイヤ(図示せず)は、軸方向の管108を通って先端
106へと通り抜け、最終的には基板(図示せず)上にボンディングする。
ワイヤを基板へボンディングするためのエネルギー効率のよいボンディングツー
ルに関する。
も小さな第2の直径を有し、第1の円柱部の端部で結合される第2の円柱部と、
第2の円柱部の端部に結合されるテーパー部とを含む。
ている。
実施形態の説明を参照して以下に示される。
る。一般的な手法に従って、図面の種々の特徴部は一定の比率ではないことを強
調しておく。逆に、種々の特徴部の大きさは、分かり易くするために任意に拡大
していたり、または縮小していたりする。
って、従来のキャピラリーボンディングツールの欠点を克服する。得られるボン
ディングツールは、従来のボンディングツールと比較すると、基板上にボンディ
ングを形成するためにあまり超音波エネルギーを必要としない。
れツールの運動を数学的に説明することによって達成され得る。このようなシス
テムは、式(1)に示されるようにカンチレバービームによって表される。
らの距離、xはビームに垂直な変位量であり、x0は移動支持体の運動とする。
うに、ボンディングツールの設計に際して、カンチレバービーム200は、ボン
ディングツール、204はトランスデューサ202の運動x0および206はボ
ンディングツールの応答運動x(z,t)を表す。質量および慣性モーメントは
、ビームに沿って変化し得るので、これらのパラメータを用いて、ボンディング
ツールの構成および「形状」を設計し、所望のボンディング超音波運動を生じる
。
波減衰を目的として制御されるのではなくて、必要な相互接続幅およびワイヤボ
ンディングループの高さを可能にするために厳密に制御されている。本発明の例
示的な実施形態において、断面形状および質量分布を特定して、超音波減衰を制
御する。
t of Inertia)Iおよび質量分布m)を示す。表1は、図3A〜3
Bを参照して溝状の幾何学的形状のこのコンセプトの確認に関連する実験結果を
まとめたものである。しかしながら、本発明はこの形状に限定されず、他の幾何
学的形状を用いることも企図している。
の側面図である。図3Aに示されるように、ボンディングツール300は、円柱
状の上体部302と下体部304とを有する。下体部304は円柱部308と円
錐部306とを有しており、この下体部304は、円柱部306からボンディン
グツール300の先端310まで延びている。上体部302と下体部304との
間に溝312が配置される。溝312は、先端310上の約0.1490インチ
〜0.1833インチ(3.785〜4.656mm)の間の距離314に位置
される。溝312は、その溝312が約0.0083インチ〜0.0155イン
チ(0.211〜0.394mm)の間の直径318を有するように、上体部お
よび下体部から嵌め込まれている。溝312の高さ316は、約0.0136イ
ンチ〜0.0200インチ(0.345〜0.508mm)の間である。
るように、軸方向の管320は、ボンディングツール300の端部322から先
端310へと延びている。例示的な実施形態において、軸方向の管320は、約
14°の所定の角度326を有する実質的に連続したテーパー状の形状を有する
。しかしながら、本発明はこの形状に限定されず、軸方向の管320が、実質的
に一定の直径またはボンディングツール300の長さの一部分のみにわたってテ
ーパー状であり得ることも企図している。後者の場合が望まれると、ボンディン
グツール300の上端322におけるワイヤの挿入を容易にすることができる。
このような別の軸方向の管の例を図3Cおよび3Dに示す。図3Cに示されるよ
うに、軸方向の管320は、ボンディングツール300の長さに沿って実質的に
一定の直径330を有する。図3Dでは、穴320は、ボンディングツール30
0の長さの一部分に沿って実質的に一定の直径340を有し、かつボンディング
ツール300の端部322に隣接するテーパー342を有する。
320との間の距離をボンディングツール300の設計時に考慮しておく必要が
ある。本発明者は、この距離を「最小壁厚」(MWT)324と呼ぶ。次に図4
を参照して、ボンディングツール300の拡大した断面図を示す。この図はNW
T324を詳細に示す。図4に示されるように、溝312は、スロット312の
内部に半径402を有し得る。これは、主には、溝312を形成するために用い
られるデバイスの形状に起因している。溝312は例えば鋸歯のようなブレード
を用いて形成され得ることを企図している。溝312の形成はこれに限定されず
、木摺打ちまたは成形のような他の従来の方法を用いて形成されてもよい。
.140〜0.143インチ(3.556〜3.632mm)の間であり得、高
さ316は約0.0160〜0.0190インチ(0.406〜0.483mm
)の間であり得、直径318は約0.0154〜0.0160インチ(0.39
1〜0.406mm)の間であり得、MWT324は0.098インチよりも大
きい。本発明の最も好適な実施形態において、距離314は約0.142インチ
(3.61mm)であり、高さ316は約0.0170インチ(0.432mm
)であり、直径318は約0.0157インチ(0.399mm)であり、MW
T324は約0.0100インチ(0.254mm)である。
波波形の印加に起因するボンディングツール300の(図2に示される)変位2
06に基づく溝312の効果をプロットする。グラフ500は、トランスデュー
サの台(図示せず)から自由なボンディング端部(先端310)までボンディン
グツール300の長さに沿ってプロットされている。図5において、横軸はトラ
ンスデューサの下部からの位置(インチ)であり、縦軸はボンディングツールの
変位(μm)である。グラフ500は、溝312の位置および幾何学的形状が異
なる種々のボンディングツールについてプロットされている。図5において、固
定周波数での超音波エネルギーに起因するゼロ変位ツール運動の位置をノード5
02として示す。本発明において、ボンディングツール300の溝312はノー
ド502に配置される。本発明者は、ノード502に溝312を配置することに
よってボンディングツールの効率が最大になることを見出した。図5において、
プロット504は、従来(基準)のボンディングツールの応答を示し、プロット
506〜518は、本発明の例示的な実施形態によるボンディングツールの応答
を示す。
音波エネルギー対共鳴周波数をプロットする。図6において、共鳴点602〜6
24を示し、曲線626としてプロットされている。図6に示されるように、点
624は従来の基準ツールを示し、(点602〜622として示される)本発明
によるツールと比較すると、さらに大きなエネルギー要求量を示す。グラフ60
0は、ボンディングツール300における溝312の位置によってエネルギー要
求量の顕著な減少を示す。
ンディングツールの変位をプロットする。図7に示されるように、幾何学的慣性
モーメントIの制御によって溝を機械加工して最適化された幾何学的形状のボン
ディングツールの変位量は、標準のシャンク(溝がない)ボンディングツールの
変位よりも大きい。図7を考察すると、ワイヤボンディングする場合、先端の変
位のプロットは、本発明による制御された幾何学的形状のキャピラリーの使用前
(曲線702)および使用後(曲線704)の両方で標準ボンディングツール(
曲線706)の変位よりも大きい。
なればなるほどより高い品質のボンディングとなることを見出した。表2は、種
々のボンディングツール、結合(超音波)エネルギー、結合力および結合を壊す
ために必要なせん断力を示すデータをまとめたものである。明らかに示されるよ
うに、従来のボンディングツールのエネルギーの50%未満のエネルギーを用い
ているが、例示的なボンディングツールは従来よりも優れたせん断抵抗を示すボ
ンディングを提供する。
ルによって形成されるボンディングの優れた引張り抵抗を示すデータをまとめた
ものである。
いて、溝312は曲線外形802を含む。全ての他の局面において、第2の例示
的な実施形態は、第1の例示的な実施形態と同様である。
いて、ボンディングツール300の溝312は2つの溝902、904を含む。
2つの溝を図9に示すが、本発明はこれに限定されず、所望ならば2つより多く
の溝を含んでもよい。例示的な実施形態において、各溝は曲線部910を有する
。第1の例示的な実施形態に関して上述したように、溝902、904の外形は
、溝を形成するために用いられるプロセスに依存しており、曲線部を含む必要は
ない。図9において、エッジ906、908は、溝902、904の形成から得
られる尖ったエッジを取り除くために、所望ならば面取りを行うか、または角を
削ってもよい。全ての他の局面において、第3の例示的な実施形態は、第1の例
示的な実施形態と同様である。
的側面図およ部分的平面図である。図10A〜Cにおいて、スロット1000が
、ボンディングツール300の溝312の代わりに適用される。スロット100
0の幅1002、長さ1004、深さ1006および数は、ボンディングツール
300の所望の応答に基づいている。スロットは、ボンディングツールの長手軸
に対して実質的に平行であってもよいし、または図10Cに示されるように、所
定の角度でボンディングツール300の本体に配置されてもよい。全ての他の局
面において、第4の例示的な実施形態は、第1の例示的な実施形態と同様である
。
、テーパー部308は溝312に直接隣接する。全ての他の局面において、第5
の例示的な実施形態は、第1の例示的な実施形態と同様である。
。むしろ、上掲の特許請求の範囲は、本発明の真の意図および範囲から逸脱する
ことなく、当業者によって為し得る本発明の種々の変形例および実施形態を含む
ように意図されるべきである。
である。
ギーの効果をプロットしたグラフである。
ギー対共鳴周波数をプロットしたグラフである。
の変位をプロットしたグラフである。
な側面図である。
な側面図である。
である。
である。
である。
的な側面図である。
Claims (30)
- 【請求項1】 微細なワイヤを基板にボンディングするためのボンディング
ツールであって、 第1の直径を有する第1の円柱部と、 該第1の直径よりも小さい第2の直径を有し、該第1の円柱部の端部に結合さ
れる第2の円柱部と、 該第2の円柱部の端部に結合されるテーパー部と を備える、ボンディングツール。 - 【請求項2】 前記テーパー部は、該テーパー部の第1の端部において、前
記第1の円柱部の前記第1の直径に実質的に等しい第3の直径を有する、請求項
1に記載のボンディングツール。 - 【請求項3】 前記ボンディングツールの第1の端部から該ボンディングツ
ールの第2の端部へと該ボンディングツールの長手軸方向に沿って伸びる軸方向
の管をさらに備える、請求項1に記載のボンディングツール。 - 【請求項4】 前記軸方向の管は、前記第1の円柱部の第1の端部における
第1の直径と、前記テーパー部の先端における第2の直径とを有し、該第1の直
径が該第2の直径よりも大きい、請求項3に記載のボンディングツール。 - 【請求項5】 前記ボンディングツールは、酸化アルミニウム、タングステ
ンカーバイド、ルビー、セラミックおよびジルコンからなる群のうち少なくとも
1つから形成される、請求項1に記載のボンディングツール。 - 【請求項6】 微細なワイヤを基板にボンディングするためのボンディング
ツールであって、 第1の直径を有する第1の円柱部と、 該第1の円柱部の端部に結合されるテーパー部と、 該第1の円柱部と該テーパー部との間に配置される溝と を備える、ボンディングツール。 - 【請求項7】 前記溝は、前記ボンディングツールのノードに配置される、
請求項6に記載のボンディングツール。 - 【請求項8】 前記溝は、前記テーパー部の端部から所定の距離に配置され
る、請求項6に記載のボンディングツール。 - 【請求項9】 前記距離は、約0.1400〜0.1833インチ(3.5
56〜4.656mm)の間である、請求項8に記載のボンディングツール。 - 【請求項10】 前記距離は、約0.1400〜0.1430インチ(3.
556〜3.632mm)の間である、請求項8に記載のボンディングツール。 - 【請求項11】 前記溝は所定の幅を有する、請求項6に記載のボンディン
グツール。 - 【請求項12】 前記幅は、約0.0136〜0.0200インチ(0.3
45〜0.508mm)の間である、請求項11に記載のボンディングツール。 - 【請求項13】 前記幅は、約0.0160〜0.0190インチ(0.4
06〜0.483mm)の間である、請求項11に記載のボンディングツール。 - 【請求項14】 前記溝は、前記円柱部の前記第1の直径よりも小さな所定
の直径を有する、請求項6に記載のボンディングツール。 - 【請求項15】 前記直径は、約0.0082〜0.0156インチ(0.
208〜0.396mm)の間である、請求項14に記載のボンディングツール
。 - 【請求項16】 前記直径は、約0.0154〜0.0160インチ(0.
39〜0.406mm)の間である、請求項14に記載のボンディングツール。 - 【請求項17】 第1の直径と、第1の端部と、第2の端部とを有する第1
の円柱部と、 該第1の直径よりも小さい第2の直径を有し、該第1の円柱部の該第2の端部
に結合される第2の円柱部と、 該第2の円柱部の端部に結合された第1の端部と第2の端部とを有するテーパ
ー部であって、該テーパー部の該第1の端部は、該第1の円柱部の該第1の直径
と実質的に等しい第3の直径を有し、該第2の端部は該第3の直径よりも小さい
第4の直径を有する、テーパー部と、 該第1の円柱部の該第1の端部から該テーパー部の該第2の端部まで伸びる軸
方向の管と を備える、キャピラリーボンディングツール。 - 【請求項18】 前記軸方向の管は円錐の形状を有する、請求項17に記載
のキャピラリーボンディングツール。 - 【請求項19】 前記軸方向の管は実質的に一定の直径を有する、請求項1
7に記載のキャピラリーボンディングツール。 - 【請求項20】 前記軸方向の管は、前記第1の円柱部の前記第1の端部に
配置されるテーパーを有する、請求項19に記載のキャピラリーボンディングツ
ール。 - 【請求項21】 微細なワイヤを基板にボンディングするためのボンディン
グツールであって、 第1の直径を有する第1の円柱部と、 該第1の円柱部の端部に結合されるテーパー部と、 該第1の円柱部と該テーパー部との間に配置される穴と を備える、ボンディングツール。 - 【請求項22】 前記穴は少なくとも1つの溝である、請求項21に記載の
ボンディングツール。 - 【請求項23】 前記溝は実質的に矩形の断面を有する、請求項22に記載
のボンディングツール。 - 【請求項24】 前記溝は前記断面の少なくとも一部に沿って半径を有する
、請求項23に記載のボンディングツール。 - 【請求項25】 前記穴は複数の溝である、請求項21に記載のボンディン
グツール。 - 【請求項26】 前記穴はスロットである、請求項21に記載のボンディン
グツール。 - 【請求項27】 前記スロットは、前記ボンディングツールの外周に沿って
配置される複数のスロットである、請求項26に記載のボンディングツール。 - 【請求項28】 前記スロットは、前記ボンディングツールの長手軸に対し
て実質的に平行な長手軸を有する、請求項26に記載のボンディングツール。 - 【請求項29】 前記スロットは、前記ボンディングツールの長手軸から所
定の角度だけオフセットした長手軸を有する、請求項26に記載のボンディング
ツール。 - 【請求項30】 微細なワイヤを基板にボンディングするためのボンディン
グツールであって、 第1の直径を有する第1の円柱部と、 該第1の直径よりも小さい第2の直径を有し、該第1の円柱部の端部に結合さ
れる第2の円柱部と、 該第1の直径を有する第3の円柱部と、 該第3の円柱部の端部に結合されるテーパー部と を備える、ボンディングツール。
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