JP2004536456A - 極細ピッチキャピラリー - Google Patents
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Abstract
高密度装置によって課される要求に応えるボンディングツールを提供する。細いワイヤを非常に細かいピッチを有するボンディングパッドにボンディングする、ボンディングツールが開示されている。ボンディングツールは、その終端にワーキングチップを含んでいる。ワーキングチップは以下を含む。i) 第1の筒状部分の縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された第1の環状チャンファを伴うワーキング面、および、iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ。第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接し、実質的に筒状軸経路は、第2の環状チャンファの上部部分に結合している。ボンディングツールは、重量で、少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成される。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、半導体装置へのワイヤボンディングに用いるツールに関し、特に、細いワイヤを、ボンディングパッド・セットへ、非常に細いピッチでボンディングする、ボンディングツールに関する。
【背景技術】
【0002】
近代的電子装置は、半導体チップまたは集積回路(IC)が取り付けられる、プリント回路基板を大いに利用している。チップと基板との間の機械的および電気的な接続は、チップ設計者に新たな難問を提示している。基板に1Cを相互接続する、よく知られた3つの技術は:ワイヤボンディング、テープオートメーテッドボンディング(TAB)、およびフリップチップである。
【0003】
これらの処理の中で最も一般的なものは、ワイヤボンディングである。ワイヤボンディングでは、複数のボンディングパッドが基板の上面上のパターン内に配置され、チップがそのボンディングパッドのパターンの中央に取り付けられ、チップの上面は基板の上面から距離を置いて向かい合っている。細いワイヤ(アルミニウムまたは金のワイヤでよい)は、チップの上面上の接点と基板の上面上の接点との間に接続される。特に、接続ワイヤは、キャピラリーおよび以下でより詳しく述べるボンディングツールを通して、チップおよび基板に供給され、ボンディングされる。
【0004】
キャピラリー(ボンディングツール)は、ワイヤを、電子装置、特に半導体装置のボンディングパッドにボールボンディングするために使用される。一般に、こうしたキャピラリーは、セラミック物質、主に酸化アルミニウム、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)から形成される。非常に細長いワイヤ、通常約1ミルのオーダーの金、銅、あるいはアルミニウムのワイヤは、ワイヤの終端に形成されたスモールボールを備えたキャピラリー内の軸経路を通って入れ込まれ、ボールはキャピラリーチップの外部に配列される。初期物体は、ボールを半導体装置上のパッドにボンディングし、その後、ワイヤに沿って、リードフレームなどの、より遠い部分にボンディングすることになる。ボンディング・サイクルの間、キャピラリーは1つ以上の機能を実行する。
【0005】
ボールが形成された後、ボンディングパッドがターゲティングするよう、キャピラリーは、先ずボールをキャピラリー内に部分的にセンタリングしなければならない。最初のボンディング・ステップで、ボールは半導体装置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のボールに触れると、ボールは押しつぶされ、平らにされる。ボンディングパッドは、通常アルミニウムで作られているので、ボンディングパッドの表面には薄い酸化物が形成されている。適切なボンディングを形成するには、この酸化面を壊し、アルミニウム表面を露出させるのが好ましい。酸化物を壊す効果的な方法は、ワイヤボールで酸化物の表面を「擦る」ことである。ワイヤボールは酸化アルミニウム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、ピエゾ素子の伸縮に基づいて直線方向に急速に移動する。ボンディングパッドを通して加えられる熱に加えて、急速な運動で、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り、有効なボンディングが形成される。
【0006】
その後、ルーピングの間、キャピラリーがワイヤを取り扱い、ボンディングワイヤをスムーズにキャピラリーの外へ送り出し、その後、キャピラリー内へ戻す。キャピラリーは、その後、「ステッチ(stitch)」ボンディング、および「タック(tack)」または「テール(tail)」ボンディングされる。
【0007】
現在、サーモソニックワイヤボンディングは、支持基板への半導体装置の相互接続に対する選択処理である。サーモソニックボンディング処理は、例えば、キャピラリーまたはウェッジなどのツールを通して可動ボンドヘッドに付着したトランスデューサー振動子からの、半導性装置または支持基板に溶接されたボールまたはワイヤに対する超音波エネルギーの転送に、部分的に依存している。
【0008】
その結果、従来のキャピラリー(ボンディングツール)では、ボンディングツール、および形成されているフリーエアボール(FAB)の形状は、ボンディングツールが、ワイヤを、60ミクロン(0.060mm;15.34*10−4インチ)より大きいインターバッド間隔(ピッチ)を有するボンディングパッドにボンディングする場合にのみ使用可能となるよう形成される。このため、半導体産業のより高密度の必要条件を満たして、ワイヤを装置にボンディングするには、これらは不適当なものとなる。これらの従来技術ボンディングツールはまた、直径0.4ミル(10ミクロン)の小さなワイヤを用いるワイヤボンディングをおこなう場合にも不適当である。本発明の発明者は、ボンディングツールの構造的な完全性を維持しながらも、これら高密度装置によって課される要求に応えるボンディングツールを開発した。
【0009】
図1Aは、周知の従来技術微細ピッチボンディングツール100を図示している。ボンディングツール100は、筒状部分101、および筒状部分101とワーキングチップ104との間に結合された、テーパー部分102を有している。(ボンディングツール100の終端の)ワーキングチップ104は、ボンディングツール100の縦軸に対して15度のチップ角を有している。言い換えれば、ワーキングチップ104は、30度の総角度106を有している。特許文献1において説明されているように、ワーキングチップ104の幅が筒状部分101より小さいことにより、ワーキングチップ104は、ボンディングされたワイヤの隣接ループに接触することなく、約0.0032インチのピッチを有するパッド上にボールボンディングを作成可能となる。
【0010】
図1Bは、ワーキングチップ104の拡大断面図を示している。図1Bに示されるように、ワーキング面111は、4度の表面角度108を有し、さらにテーパー部分104は、10度の総角度118を有している。さらに、作業面111に隣接している第1の内部チャンファ110、さらに順番に隣接する、第2の内部チャンファ112が備えられている。第1の内部チャンファ110は90度のチャンファ角度114を有し、60度より大きい角度を有する第2の内部チャンファ112に接続し、または連続している。これらのチャンファは、細いワイヤ(図示せず)を、直径約1ミルのワイヤを収容する直径106を有するワイヤ穴116内に導くよう設計されている。
【特許文献1】
米国特許第5,558,270号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、これらの従来技術のボンディングツールは、その設計が、半導体メーカーにより生産されている極細ピッチ(30ミクロン以下)ボンディングパッド必要条件に適応出来ないものであるため、不完全である。さらに、これらのボンディングツールは、力に対する耐性がなく、ボンディングツールに半導体産業の需要を満たすのに十分なサイズのワーキングチップを提供ために必要な、弾性必要条件を満たし得ない材料から形成されている。
【0012】
本発明は、従来のボンディングツールの前述の不都合を解決するために、39ミクロン未満の直径のワーキングチップを有することに関する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本ボンディングツールは、ボンディングツールの終端にワーキングチップを含んでいる。ワーキングチップは以下を含む。i) 第1の筒状部分の縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分、ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された第1の環状チャンファを伴うワーキング面、および、iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ、第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接している;および、第2の環状チャンファの上部部分に結合した実質的に筒状の軸経路。
【0014】
本発明の他の態様によると、第2の環状チャンファは90°未満の総角度を有している。
【0015】
本発明のさらなる態様によると、第1の環状チャンファは、8°より以上の表面角度を有している。
【0016】
本発明の他の態様によると、ボンディングツールは、重量で、少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成されている。
【0017】
本発明のさらに他の態様によると、ボンディングツールは、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料から形成されている。
【0018】
本発明の、これらの、および他の態様は、本発明の典型的実施例の図面および説明を参照して、以下に説明されている。
【0019】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を読むことにより、特に良く理解される。一般的な習慣に従い、図面の様々な特徴は、同一尺度となっていないことを明記しておく。逆に、様々な特徴の寸法は、明瞭さのために任意に拡大されたり、縮小されたりしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
本発明は、ワーキングチップを有するボンディングツールを提供することにより、従来のキャピラリーボンディングツールの難点を克服するものである。ワーキングチップは以下を含む。i)第1の筒状部分の縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分、ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された第1の環状チャンファを伴うワーキング面、および、iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ、第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接している;および、第2の環状チャンファの上部部分に結合している実質的に筒状の軸経路。結果として得られるボンディングツールは、10ミクロン程度に小さいワイヤの、30ミクロン以下のピッチのボンディングパットへのボンディングを適用可能である。
【0021】
図2Aは、本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツール200の側面図である。図2Aに示されるように、ボンディングツール200は、筒状ボディー部分201、筒状ボディー部分201の終端に結合したテーパー部分202、および、テーパー部分202の終端に結合したワーキングチップ204を有する。好ましい実施例では、ボンディングツール200は単一材料から形成されている。ボンディングツールの形成に使用される材料の詳細については、以下で詳しく議論する。
【0022】
図2Bは、ボンディングツール200の縦断側面図である。図2Bに示されるように、ボンディングツール200は、約1.5〜1.6mmの間の、好ましくは約1.588mmの直径227を有している。さらに、ボンディングツール200は、約9.5〜11.1mmの間の長さを有している。テーパー部分202は、筒状部分201と接する点から始まる、約18°〜22°の間の、実質的に一定のテーパー218を有している。ある典型的実施例では、このテーパーは、約19°から21°の間、好ましくは20°である。軸経路220は、ボンディングツール200の上部終端222からワーキングチップ204まで延びている。典型的実施例では、軸経路220は、その長さの一部分にわたって、約13°±1°の所定の角度を有する、実質的に連続するテーパー形状を有している。軸経路220は、ワーキングチップ204に近づき、このテーパーは、約6°±1°に遷移する。しかしながら、本発明はこのように限定されるものではなく、軸経路220が実質的に一定の直径を有するか、あるいはボンディングツール200の長さの一部分のみにわたってテーパー化してもよいと企図される。後者は、ボンディングツール200の上部終端222でのワイヤ挿入を容易にするために、望ましいであろう。こうした代替的軸経路の例は、図2Dおよび図2Eに示されている。
【0023】
図2Dに示されるように、軸経路220は、ボンディングツール200の長さに沿い、実質的に一定の直径230を有している。図2Eでは、軸経路220は、ボンディングツール200の長さ部分に沿い、実質的に一定の直径240を有しており、ボンディングツール200の上部終端222に隣接したテーパー242を有している。
【0024】
図2Cは、ボンディングツール200のワーキングチップ204の詳細な断面図である。図2Cに示されるように、ワーキングチップ204は、8〜15度の面角度208を有する環状ワーキング面211を備えている。ある典型的実施例では、面角度208は、ボンディングツールにより、強力な第2のボンディング(ウェジ・ボンディング)を提供するために、少なくとも11度、好ましくは11〜12度の間、最も好ましくは11度である。隣接作業面211は、90度未満の総角度214を有する環状チャンファ213である。好ましい実施例では、チャンファ角度214は、剪断および引張りのテスト要件を満たす第1のボンディング(ボール・ボンディング)を提供するために、60〜90度の間、最も好ましくは約60度である。さらに、環状チャンファ213は、1〜4ミクロンの間の幅を有している。筒状経路224は、チャンファ213の上部と軸経路220との間に結合される。ある典型的実施例では、筒状経路224は、ボンディング・ワイヤ(図示せず)を収容するために、約14ミクロンの直径206を有し、チャンファ213は約18ミクロンの外径212を有し、さらにワーキングチップ204は約33ミクロンの直径216を有している。筒状経路224の直径206は、ボンディングワイヤの直径に4ミクロンを加えることに基づき決定されてもよい。さらに、図2Cに示されるように、ワーキングチップ204は、ボンディングツール200による、隣接ボンディングワイヤへの接触を回避するために、約0〜10度の間の、好ましくは約7度の実質的に一定なテーパー219を有しており、さらに、約60〜90ミクロンの間の長さ210を有している。好ましい実施例では、長さ210は約76.2ミクロンである。
【0025】
テーパー部分202およびワーキングチップ204のテーパー角度218、219はそれぞれ異なっているので、テーパー部分202とワーキングチップ204との間に遷移領域225を配置してもよい。好ましい実施例では、遷移領域225は、約3.8ミクロンの半径を有している。さらに、ボンディングツール200が欠けるのを防ぐために、約4〜6ミクロンの間の半径を有する遷移領域315は、ワーキングチップ204の下側部分とワーキング面211との間に配列されてもよい。
【0026】
図3は、本発明の他の典型的実施例に従う、ワーキングチップ304の詳細な断面図である。この典型的実施例におけるボンディングツールの筒状ボディー部分、テーパー部分、および軸経路は、第1の典型的実施例のものと本質的に同一であるため、それに関係する記述は繰り返さないこととする。
【0027】
図3に示されるように、ワーキングチップ304は、8〜15度の間の面角度308を有する作業面311を有している。ある典型的実施例では、面角度308は、約10〜12度の間、好ましくは11度である。隣接作業面311は、90度未満の総角度314を有する環状チャンファ313である。好ましい実施例では、チャンファ角度314は、60〜90度の間、最も好ましくは約60度である。さらに、環状チャンファ313は、1〜3ミクロンの幅を有している。筒状経路324は、チャンファ313の上部と軸経路220との間に結合される。ある典型的実施例では、筒状経路324は、ボンディング・ワイヤ(図示せず)を収容するために、約14〜16ミクロンの間、好ましくは15ミクロンの直径306を有し、チャンファ313は約17〜19ミクロンの間、好ましくは約18ミクロンの外径312を有し、さらにワーキングチップ304は約37〜39ミクロンの間、好ましくは約38ミクロンの直径316を有している。筒状経路324の直径306は、ボンディングワイヤの直径に2ミクロンを加えることに基づき決定されてもよい。さらに、図3に示されるように、ワーキングチップ304は、ボンディングツール200による、隣接ボンディングワイヤへの接触を回避するために、約0〜10度の間、好ましくは約7度の実質的に一定なテーパー319を有しており、さらに、約117〜137ミクロンの間の長さ310を有している。好ましい実施例では、長さ310は、約127ミクロンである。
【0028】
上述されたボンディングツールの提供は、半導体産業の要求を満たすことにおける難関の半分に過ぎない。ボンディング処理の間にツールに加えられる力に耐える程強く、さらに、必要に応じて壊れることなく屈曲可能な程弾力のある材料からボンディングツールを形成し得ることが重要である。発明者は、重量で、少なくとも80%の酸化ジルコニウム(ZrO2)から、ボンディングツールを形成することにより、これらの需要が満たされると判断している。
【0029】
本発明のある実施例では、ボンディングツールを形成するのに、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムが使用されている。この実施例では、重量で約95%の酸化ジルコニウムが、重量で約5%のY2O3に結合される。発明者は、純粋な酸化ジルコニウムが、熱処理の間、相転移処理を受けると判断している。純粋な酸化ジルコニウムは、室温では単斜晶であり、約1000℃で、より高密度な正方晶の形状に変化する。これは、約1350〜1500℃の間の温度での焼結の処理の間、大きな体積変化を伴い、その構造内にクラックを起こす。
【0030】
追加した量のY2O3は、900℃未満といった低温で、立方晶相と単斜晶相との混合物を生成する。立方晶相が存在することにより起こり、さらに遥かに小さな体積変化を伴う、この転移処理は、順番に、熱応力を低減し、さらに亀裂の生成を最低限に抑える。この材料は、従来のアルミナ・ベースの材料より、遥かに大きな曲げ強さを有し、結果として、ボンディングツールの生産能力を改善する。
【0031】
他の典型的実施例では、重量で最大20%のAl2O3が、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムに加えられる。この材料は、従来のアルミナ・ベースの材料のものと同様の音響ビヘイビアを有する。
【0032】
本発明は、典型的実施例に関して説明されて来たが、これは本発明に制限を加えるものではない。むしろ、添付の請求項は、当業者により、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなくなされ得る、本発明の他の変形および実施例を含んでいると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1A】従来のボンディングツールの側面図である。
【図1B】従来のボンディングツールの側面図である。
【図2A】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの側面図である。
【図2B】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図2C】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの詳細な断面図である。
【図2D】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図2E】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図3】本発明の第2の典型的実施例に従うボンディングツールのワーキングチップの詳細な断面図である。
【符号の説明】
【0034】
200 ボンディングツール、 201 筒状ボディー部分、 202 テーパー部分、 204 ワーキングチップ、 213 環状チャンファ、 218 テーパー、 220 軸経路、 222 上部終端、 230 直径、 240 直径。
【0001】
本発明は、概して、半導体装置へのワイヤボンディングに用いるツールに関し、特に、細いワイヤを、ボンディングパッド・セットへ、非常に細いピッチでボンディングする、ボンディングツールに関する。
【背景技術】
【0002】
近代的電子装置は、半導体チップまたは集積回路(IC)が取り付けられる、プリント回路基板を大いに利用している。チップと基板との間の機械的および電気的な接続は、チップ設計者に新たな難問を提示している。基板に1Cを相互接続する、よく知られた3つの技術は:ワイヤボンディング、テープオートメーテッドボンディング(TAB)、およびフリップチップである。
【0003】
これらの処理の中で最も一般的なものは、ワイヤボンディングである。ワイヤボンディングでは、複数のボンディングパッドが基板の上面上のパターン内に配置され、チップがそのボンディングパッドのパターンの中央に取り付けられ、チップの上面は基板の上面から距離を置いて向かい合っている。細いワイヤ(アルミニウムまたは金のワイヤでよい)は、チップの上面上の接点と基板の上面上の接点との間に接続される。特に、接続ワイヤは、キャピラリーおよび以下でより詳しく述べるボンディングツールを通して、チップおよび基板に供給され、ボンディングされる。
【0004】
キャピラリー(ボンディングツール)は、ワイヤを、電子装置、特に半導体装置のボンディングパッドにボールボンディングするために使用される。一般に、こうしたキャピラリーは、セラミック物質、主に酸化アルミニウム、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)から形成される。非常に細長いワイヤ、通常約1ミルのオーダーの金、銅、あるいはアルミニウムのワイヤは、ワイヤの終端に形成されたスモールボールを備えたキャピラリー内の軸経路を通って入れ込まれ、ボールはキャピラリーチップの外部に配列される。初期物体は、ボールを半導体装置上のパッドにボンディングし、その後、ワイヤに沿って、リードフレームなどの、より遠い部分にボンディングすることになる。ボンディング・サイクルの間、キャピラリーは1つ以上の機能を実行する。
【0005】
ボールが形成された後、ボンディングパッドがターゲティングするよう、キャピラリーは、先ずボールをキャピラリー内に部分的にセンタリングしなければならない。最初のボンディング・ステップで、ボールは半導体装置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のボールに触れると、ボールは押しつぶされ、平らにされる。ボンディングパッドは、通常アルミニウムで作られているので、ボンディングパッドの表面には薄い酸化物が形成されている。適切なボンディングを形成するには、この酸化面を壊し、アルミニウム表面を露出させるのが好ましい。酸化物を壊す効果的な方法は、ワイヤボールで酸化物の表面を「擦る」ことである。ワイヤボールは酸化アルミニウム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、ピエゾ素子の伸縮に基づいて直線方向に急速に移動する。ボンディングパッドを通して加えられる熱に加えて、急速な運動で、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り、有効なボンディングが形成される。
【0006】
その後、ルーピングの間、キャピラリーがワイヤを取り扱い、ボンディングワイヤをスムーズにキャピラリーの外へ送り出し、その後、キャピラリー内へ戻す。キャピラリーは、その後、「ステッチ(stitch)」ボンディング、および「タック(tack)」または「テール(tail)」ボンディングされる。
【0007】
現在、サーモソニックワイヤボンディングは、支持基板への半導体装置の相互接続に対する選択処理である。サーモソニックボンディング処理は、例えば、キャピラリーまたはウェッジなどのツールを通して可動ボンドヘッドに付着したトランスデューサー振動子からの、半導性装置または支持基板に溶接されたボールまたはワイヤに対する超音波エネルギーの転送に、部分的に依存している。
【0008】
その結果、従来のキャピラリー(ボンディングツール)では、ボンディングツール、および形成されているフリーエアボール(FAB)の形状は、ボンディングツールが、ワイヤを、60ミクロン(0.060mm;15.34*10−4インチ)より大きいインターバッド間隔(ピッチ)を有するボンディングパッドにボンディングする場合にのみ使用可能となるよう形成される。このため、半導体産業のより高密度の必要条件を満たして、ワイヤを装置にボンディングするには、これらは不適当なものとなる。これらの従来技術ボンディングツールはまた、直径0.4ミル(10ミクロン)の小さなワイヤを用いるワイヤボンディングをおこなう場合にも不適当である。本発明の発明者は、ボンディングツールの構造的な完全性を維持しながらも、これら高密度装置によって課される要求に応えるボンディングツールを開発した。
【0009】
図1Aは、周知の従来技術微細ピッチボンディングツール100を図示している。ボンディングツール100は、筒状部分101、および筒状部分101とワーキングチップ104との間に結合された、テーパー部分102を有している。(ボンディングツール100の終端の)ワーキングチップ104は、ボンディングツール100の縦軸に対して15度のチップ角を有している。言い換えれば、ワーキングチップ104は、30度の総角度106を有している。特許文献1において説明されているように、ワーキングチップ104の幅が筒状部分101より小さいことにより、ワーキングチップ104は、ボンディングされたワイヤの隣接ループに接触することなく、約0.0032インチのピッチを有するパッド上にボールボンディングを作成可能となる。
【0010】
図1Bは、ワーキングチップ104の拡大断面図を示している。図1Bに示されるように、ワーキング面111は、4度の表面角度108を有し、さらにテーパー部分104は、10度の総角度118を有している。さらに、作業面111に隣接している第1の内部チャンファ110、さらに順番に隣接する、第2の内部チャンファ112が備えられている。第1の内部チャンファ110は90度のチャンファ角度114を有し、60度より大きい角度を有する第2の内部チャンファ112に接続し、または連続している。これらのチャンファは、細いワイヤ(図示せず)を、直径約1ミルのワイヤを収容する直径106を有するワイヤ穴116内に導くよう設計されている。
【特許文献1】
米国特許第5,558,270号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、これらの従来技術のボンディングツールは、その設計が、半導体メーカーにより生産されている極細ピッチ(30ミクロン以下)ボンディングパッド必要条件に適応出来ないものであるため、不完全である。さらに、これらのボンディングツールは、力に対する耐性がなく、ボンディングツールに半導体産業の需要を満たすのに十分なサイズのワーキングチップを提供ために必要な、弾性必要条件を満たし得ない材料から形成されている。
【0012】
本発明は、従来のボンディングツールの前述の不都合を解決するために、39ミクロン未満の直径のワーキングチップを有することに関する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本ボンディングツールは、ボンディングツールの終端にワーキングチップを含んでいる。ワーキングチップは以下を含む。i) 第1の筒状部分の縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分、ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された第1の環状チャンファを伴うワーキング面、および、iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ、第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接している;および、第2の環状チャンファの上部部分に結合した実質的に筒状の軸経路。
【0014】
本発明の他の態様によると、第2の環状チャンファは90°未満の総角度を有している。
【0015】
本発明のさらなる態様によると、第1の環状チャンファは、8°より以上の表面角度を有している。
【0016】
本発明の他の態様によると、ボンディングツールは、重量で、少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成されている。
【0017】
本発明のさらに他の態様によると、ボンディングツールは、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料から形成されている。
【0018】
本発明の、これらの、および他の態様は、本発明の典型的実施例の図面および説明を参照して、以下に説明されている。
【0019】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を読むことにより、特に良く理解される。一般的な習慣に従い、図面の様々な特徴は、同一尺度となっていないことを明記しておく。逆に、様々な特徴の寸法は、明瞭さのために任意に拡大されたり、縮小されたりしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
本発明は、ワーキングチップを有するボンディングツールを提供することにより、従来のキャピラリーボンディングツールの難点を克服するものである。ワーキングチップは以下を含む。i)第1の筒状部分の縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分、ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された第1の環状チャンファを伴うワーキング面、および、iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ、第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接している;および、第2の環状チャンファの上部部分に結合している実質的に筒状の軸経路。結果として得られるボンディングツールは、10ミクロン程度に小さいワイヤの、30ミクロン以下のピッチのボンディングパットへのボンディングを適用可能である。
【0021】
図2Aは、本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツール200の側面図である。図2Aに示されるように、ボンディングツール200は、筒状ボディー部分201、筒状ボディー部分201の終端に結合したテーパー部分202、および、テーパー部分202の終端に結合したワーキングチップ204を有する。好ましい実施例では、ボンディングツール200は単一材料から形成されている。ボンディングツールの形成に使用される材料の詳細については、以下で詳しく議論する。
【0022】
図2Bは、ボンディングツール200の縦断側面図である。図2Bに示されるように、ボンディングツール200は、約1.5〜1.6mmの間の、好ましくは約1.588mmの直径227を有している。さらに、ボンディングツール200は、約9.5〜11.1mmの間の長さを有している。テーパー部分202は、筒状部分201と接する点から始まる、約18°〜22°の間の、実質的に一定のテーパー218を有している。ある典型的実施例では、このテーパーは、約19°から21°の間、好ましくは20°である。軸経路220は、ボンディングツール200の上部終端222からワーキングチップ204まで延びている。典型的実施例では、軸経路220は、その長さの一部分にわたって、約13°±1°の所定の角度を有する、実質的に連続するテーパー形状を有している。軸経路220は、ワーキングチップ204に近づき、このテーパーは、約6°±1°に遷移する。しかしながら、本発明はこのように限定されるものではなく、軸経路220が実質的に一定の直径を有するか、あるいはボンディングツール200の長さの一部分のみにわたってテーパー化してもよいと企図される。後者は、ボンディングツール200の上部終端222でのワイヤ挿入を容易にするために、望ましいであろう。こうした代替的軸経路の例は、図2Dおよび図2Eに示されている。
【0023】
図2Dに示されるように、軸経路220は、ボンディングツール200の長さに沿い、実質的に一定の直径230を有している。図2Eでは、軸経路220は、ボンディングツール200の長さ部分に沿い、実質的に一定の直径240を有しており、ボンディングツール200の上部終端222に隣接したテーパー242を有している。
【0024】
図2Cは、ボンディングツール200のワーキングチップ204の詳細な断面図である。図2Cに示されるように、ワーキングチップ204は、8〜15度の面角度208を有する環状ワーキング面211を備えている。ある典型的実施例では、面角度208は、ボンディングツールにより、強力な第2のボンディング(ウェジ・ボンディング)を提供するために、少なくとも11度、好ましくは11〜12度の間、最も好ましくは11度である。隣接作業面211は、90度未満の総角度214を有する環状チャンファ213である。好ましい実施例では、チャンファ角度214は、剪断および引張りのテスト要件を満たす第1のボンディング(ボール・ボンディング)を提供するために、60〜90度の間、最も好ましくは約60度である。さらに、環状チャンファ213は、1〜4ミクロンの間の幅を有している。筒状経路224は、チャンファ213の上部と軸経路220との間に結合される。ある典型的実施例では、筒状経路224は、ボンディング・ワイヤ(図示せず)を収容するために、約14ミクロンの直径206を有し、チャンファ213は約18ミクロンの外径212を有し、さらにワーキングチップ204は約33ミクロンの直径216を有している。筒状経路224の直径206は、ボンディングワイヤの直径に4ミクロンを加えることに基づき決定されてもよい。さらに、図2Cに示されるように、ワーキングチップ204は、ボンディングツール200による、隣接ボンディングワイヤへの接触を回避するために、約0〜10度の間の、好ましくは約7度の実質的に一定なテーパー219を有しており、さらに、約60〜90ミクロンの間の長さ210を有している。好ましい実施例では、長さ210は約76.2ミクロンである。
【0025】
テーパー部分202およびワーキングチップ204のテーパー角度218、219はそれぞれ異なっているので、テーパー部分202とワーキングチップ204との間に遷移領域225を配置してもよい。好ましい実施例では、遷移領域225は、約3.8ミクロンの半径を有している。さらに、ボンディングツール200が欠けるのを防ぐために、約4〜6ミクロンの間の半径を有する遷移領域315は、ワーキングチップ204の下側部分とワーキング面211との間に配列されてもよい。
【0026】
図3は、本発明の他の典型的実施例に従う、ワーキングチップ304の詳細な断面図である。この典型的実施例におけるボンディングツールの筒状ボディー部分、テーパー部分、および軸経路は、第1の典型的実施例のものと本質的に同一であるため、それに関係する記述は繰り返さないこととする。
【0027】
図3に示されるように、ワーキングチップ304は、8〜15度の間の面角度308を有する作業面311を有している。ある典型的実施例では、面角度308は、約10〜12度の間、好ましくは11度である。隣接作業面311は、90度未満の総角度314を有する環状チャンファ313である。好ましい実施例では、チャンファ角度314は、60〜90度の間、最も好ましくは約60度である。さらに、環状チャンファ313は、1〜3ミクロンの幅を有している。筒状経路324は、チャンファ313の上部と軸経路220との間に結合される。ある典型的実施例では、筒状経路324は、ボンディング・ワイヤ(図示せず)を収容するために、約14〜16ミクロンの間、好ましくは15ミクロンの直径306を有し、チャンファ313は約17〜19ミクロンの間、好ましくは約18ミクロンの外径312を有し、さらにワーキングチップ304は約37〜39ミクロンの間、好ましくは約38ミクロンの直径316を有している。筒状経路324の直径306は、ボンディングワイヤの直径に2ミクロンを加えることに基づき決定されてもよい。さらに、図3に示されるように、ワーキングチップ304は、ボンディングツール200による、隣接ボンディングワイヤへの接触を回避するために、約0〜10度の間、好ましくは約7度の実質的に一定なテーパー319を有しており、さらに、約117〜137ミクロンの間の長さ310を有している。好ましい実施例では、長さ310は、約127ミクロンである。
【0028】
上述されたボンディングツールの提供は、半導体産業の要求を満たすことにおける難関の半分に過ぎない。ボンディング処理の間にツールに加えられる力に耐える程強く、さらに、必要に応じて壊れることなく屈曲可能な程弾力のある材料からボンディングツールを形成し得ることが重要である。発明者は、重量で、少なくとも80%の酸化ジルコニウム(ZrO2)から、ボンディングツールを形成することにより、これらの需要が満たされると判断している。
【0029】
本発明のある実施例では、ボンディングツールを形成するのに、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムが使用されている。この実施例では、重量で約95%の酸化ジルコニウムが、重量で約5%のY2O3に結合される。発明者は、純粋な酸化ジルコニウムが、熱処理の間、相転移処理を受けると判断している。純粋な酸化ジルコニウムは、室温では単斜晶であり、約1000℃で、より高密度な正方晶の形状に変化する。これは、約1350〜1500℃の間の温度での焼結の処理の間、大きな体積変化を伴い、その構造内にクラックを起こす。
【0030】
追加した量のY2O3は、900℃未満といった低温で、立方晶相と単斜晶相との混合物を生成する。立方晶相が存在することにより起こり、さらに遥かに小さな体積変化を伴う、この転移処理は、順番に、熱応力を低減し、さらに亀裂の生成を最低限に抑える。この材料は、従来のアルミナ・ベースの材料より、遥かに大きな曲げ強さを有し、結果として、ボンディングツールの生産能力を改善する。
【0031】
他の典型的実施例では、重量で最大20%のAl2O3が、酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムに加えられる。この材料は、従来のアルミナ・ベースの材料のものと同様の音響ビヘイビアを有する。
【0032】
本発明は、典型的実施例に関して説明されて来たが、これは本発明に制限を加えるものではない。むしろ、添付の請求項は、当業者により、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなくなされ得る、本発明の他の変形および実施例を含んでいると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1A】従来のボンディングツールの側面図である。
【図1B】従来のボンディングツールの側面図である。
【図2A】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの側面図である。
【図2B】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図2C】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの詳細な断面図である。
【図2D】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図2E】本発明の第1の典型的実施例に従うボンディングツールの縦断側面図である。
【図3】本発明の第2の典型的実施例に従うボンディングツールのワーキングチップの詳細な断面図である。
【符号の説明】
【0034】
200 ボンディングツール、 201 筒状ボディー部分、 202 テーパー部分、 204 ワーキングチップ、 213 環状チャンファ、 218 テーパー、 220 軸経路、 222 上部終端、 230 直径、 240 直径。
Claims (33)
- 細い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、以下を含むもの:
作業ボンディングツールの終端のワーキングチップであって、以下を含むもの、
i) ボンディングツールの縦軸に対して所定の角度を有するテーパー部分、
ii) ワーキングチップの終端の外側部分に形成された、第1の環状チャンファ、および、
iii) ワーキングチップの終端の内側部分に形成された、第2の環状チャンファ、第1および第2の環状チャンファは、互いに隣接している;および、
第2の環状チャンファの上部終端に結合した実質的に筒状の軸経路。 - 第2の環状チャンファが、90°未満の総角度を有する、請求項1に従うボンディングツール。
- 第1の環状チャンファが、8°より大きい面角度を有する、請求項2に従うボンディングツール。
- 第2の環状チャンファが、約60°の総角度を有する、請求項1に従うボンディングツール。
- 第1の環状チャンファが、約10°から12°の間の面角度を有する、請求項4に従うボンディングツール。
- 軸経路が、約16ミクロン未満の直径を有する、請求項1に従うボンディングツール。
- テーパー部分が、約137ミクロン未満の長さを有する、請求項1に従うボンディングツール。
- テーパー部分が、約39ミクロン未満の外径を有する、請求項7に従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、重量で少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成されている、請求項1に従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料で形成されている、請求項1に従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、重量で約95%のZrO2と、重量で約5%のY2O3とを含む材料から形成されている、請求項1に従うボンディングツール。
- 重量で最大約20%のAl2O3が材料に加えられる、請求項11に従うボンディングツール。
- 材料が、少なくとも1350℃の温度で焼結されている、請求項9から請求項12のいずれかに従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、単一の材料から形成されている、請求項1に従うボンディングツール。
- テーパー部分の総角度が10°未満である、請求項1に従うボンディングツール。
- テーパー部分の総角度が約7°である、請求項1に従うボンディングツール。
- 細い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、以下を含むもの:
直径を有する筒状部分;
筒状部分の終端に結合され、筒状部分の縦軸に対して第1の所定角度を有する、第1のテーパー部分;
以下を有する第2のテーパー部分
i) 筒状部分の縦軸に対する第2の所定角度、
ii) その終端の外側部分に形成された第1のチャンファ、および
iii) その終端の内側部分に形成された第2のチャンファ、第1のテーパー部分の終端に結合した第2のテーパー部分;および、
筒状部分の第1の端から第2のチャンファに延びる軸経路。 - 第1のテーパー部分と第2のテーパー部分との間に配置された、第3のテーパー部分をさらに含む、請求項17に従うボンディングツール。
- 第2のチャンファが、90°未満の角度を有する、請求項17に従うボンディングツール。
- 第2のチャンファが、約60°の角度を有する、請求項17に従うボンディングツール。
- 第1のチャンファが、約10°から12°の間の面角度を有する、請求項17に従うボンディングツール。
- 軸経路が、第1の筒状部分の第1の終端に第1の直径を有し、第2のテーパー部分の先端に第2の直径を有し、第1の直径が第2の直径よりも大きい、請求項17に従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、重量で少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成されている、請求項17に従うボンディングツール。
- ボンディングツールが、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料で形成されている、請求項17に従うボンディングツール。
- 第1のテーパー部分の第1の所定角度が、約19°と21°の間である、請求項17に従うボンディングツール。
- 第1の所定角度が約20°である、請求項17に従うボンディングツール。
- 第2のテーパー部分の第2の所定角度が約7°である、請求項17に従うボンディングツール。
- 第2のテーパー部分の第2の所定角度が10°未満である、請求項17に従うボンディングツール。
- 細い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、以下を含むもの:
直径を有する筒状部分;
筒状部分の終端に結合され、筒状部分の縦軸に対して第1の所定角度を有する、第1のテーパー部分;および、
第1のテーパー部分の終端に結合した第2のテーパー部分であって、第2のテーパー部分は、以下を有する、
i) 約117ミクロンと137ミクロンとの間の長さ、
ii) 筒状部分の縦軸に対して約7°の角度、および
iii) 第2のテーパー部分の内側部分に形成され、その終端に隣接した、約60°の環状チャンファ。 - ボンディングツールが、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料で形成されている、請求項29に従うボンディングツール。
- 細いワイヤを基板にボンディングするためのものであって、重量で少なくとも80%のZrO2を含む材料から形成されているボンディングツール。
- 細いワイヤを基板にボンディングするためのものであって、i) ZrO2+Y2O3、およびii) Al2O3+ZrO2+Y2O3から成るグループのうちの1つから選択された材料で形成されているボンディングツール。
- ワイヤをボンディングパッドにボンディングするためのボンディングツールを作成する方法であって、以下のステップを含む方法:
ボンディングツールの終端にワーキングチップを形成するステップ;
ボンディングツールの縦軸に対して所定の角度を有するワーキングチップ上に、テーパー部分を形成するステップ;
ワーキングチップの終端に作業面を形成するステップ;
ワーキングチップの終端の外側部分に、少なくとも8°の面角度を有する第1の環状チャンファを形成するステップ;
ワーキングチップの終端の内側部分に、第1の環状チャンファに隣接して、90°未満の総角度を有する第2の環状チャンファを形成するステップ;および、
第2の環状チャンファの上部終端に、実質的に筒状の軸経路を形成するステップ。
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