JP2007324603A - リボンとして形成されたボンディングワイヤ - Google Patents

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Manfred Reinold
マンフレート　ライノルト
Kaden Thomas
カーデン トーマス
Immanuel Mueller
ミュラー インマヌエル
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

【課題】特に高い電流の伝送のために設計されていて、信頼性良く溶着され得るようになっており、しかもできるだけ高い寿命およびできるだけ小さな面延在サイズもしくは二次元延在サイズを有するようなボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】ボンディングワイヤ４が、互いに異なる電流容量を有する少なくとも２つの層５，６，７を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロエレクトロニック構成部分および／またはコンタクト面をボンディングするための、リボンとして形成されたボンディングワイヤに関する。
ボンディングワイヤは、マイクロエレクトロニクス構成部分、たとえば集積回路またはＬＥＤに用いられる接続ワイヤである。しばしばボンディングワイヤは、特にマイクロエレクトロニクス構築・結合技術において金または金合金から成っている。しかし、アルミニウムから成るボンディングワイヤも、たいてい少量のシリコン含量と共に使用される。主用途は、チップにおいて外部から見える接続部（ピン）と、チップ内部に配置された接続部（パッド）との接続である。このような用途のためには、たいてい約２５〜５０μｍの直径を有する円形の横断面を有するボンディングワイヤが使用される。円形の横断面を有するボンディングワイヤの他に、方形の横断面を有するいわゆる「リボン（Baendchen）」も使用される。リボンとして形成されたボンディングワイヤのフレキシブル性、ひいては寿命は、一般に、円形の横断面を有するボンディングワイヤの場合よりも高い。また、リボンとして形成されたボンディングワイヤはたいてい、円形の横断面を有する比較可能なボンディングワイヤの場合よりも高い電流容量（Stromtragfaehigkeit）を有している。すなわち、リボンとして形成されたボンディングワイヤのブレークダウン電流もしくは絶縁破壊電流は円形の横断面を有する比較可能なボンディングワイヤよりも高い。パワーエレクトロニクスでは、しばしばほぼ純粋なアルミニウムボンディングワイヤが使用される。この場合にも、円形の横断面を有するボンディングワイヤが使用される。この場合、ボンディングワイヤの直径はパワーエレクトロニクス用途のためには一般に１２５〜５００μｍである。円形の横断面を有するボンディングワイヤの他に、パワーエレクトロニクスでは、リボンとして形成されたボンディングワイヤがますます多く使用されるようになっている。ボンディングワイヤの材料選択時には、良好なボンディング可能性と、十分な電流容量との間でしばしば妥協が見いだされなければならない。
ドイツ連邦共和国特許第４２３２７４２号明細書に基づき、金または銅から成るコアを有する円形の横断面を有するボンディングワイヤが公知である。このコアは５ｎｍ〜１００ｎｍの層厚さを有するアルミニウムまたは酸化アルミニウムから成る被覆体を備えている。銅から成るコアにより、高い電流容量が生ぜしめられ、この場合、前記被覆体はコンタクト面との信頼性の良いコンタクティングもしくは溶着を可能にする。被覆されたボンディングワイヤは、被覆されていない相応するボンディングワイヤよりも高い破断荷重（Reisskraft）を有している。
特に高い電流を伝送し得るようにするためには、しばしば、最大５００μｍの直径を有する円形の横断面を有する、相並んで配置された多数のボンディングワイヤが使用される。多数の個別ワイヤのボンディングには時間やコストがかかる。さらに、このために提供されているスペースもしばしば不十分となる。円形の横断面を有する、使用された太いボンディングワイヤは振動負荷および熱交番負荷に対して極めて敏感である。
ドイツ連邦共和国特許第４２３２７４２号明細書
本発明の根底を成す課題は、特に高い電流の伝送のために設計されていて、信頼性良く溶着され得るようになっており、しかもできるだけ高い寿命およびできるだけ小さな面延在サイズもしくは二次元延在サイズを有するようなボンディングワイヤを提供することである。
この課題を解決するために本発明の構成では、ボンディングワイヤが、互いに異なる材料から成る少なくとも２つの層を有しているようにした。
本発明の根底を成す思想は、リボンとして形成されたボンディングワイヤを多層状に形成することにある。この場合、これらの層は互いに異なる材料から形成されている。電流容量の高い方の層が銅および／または金から成っていて、それに対してコンタクトを形成する方の層、つまりマイクロエレクトロニクス構成素子またはコンタクトのコンタクト面と溶着したい方の層が、銀、および／またはスズ、および／またはアルミニウム、および／または銅、および／または銅合金、および／またはニッケル、および／または金から成っていると有利である。ボンディングは少なくとも１つの超音波パルスおよび／または熱の供給下に行われると有利である。択一的または付加的に、押圧を用いて作業することができる。リボンとして形成された本発明によるボンディングワイヤは、たとえばウエッジ−ウエッジボンディング法、ボール／ウエッジボンディング法またはボール／ボールボンディング法でボンディングされ得る。特に、リボンとして形成されたボンディングワイヤの互いに異なる層は、専ら互いに平行に位置調整されている。方形の横断面を有するボンディングワイヤにおけるこのような配置形式では、コンタクト面とのコンタクトを形成する層が大きな載置面を有している。リボンとして形成されたボンディングワイヤの本発明による構成に基づき、前記少なくとも２つの層は、コンタクトを形成する層ができるだけ信頼性良く溶着可能でかつ良好にコンタクティング可能となるように、そして少なくとも１つの別の層が高い電流容量を有するように選択され得る。この別の層の高められた電流容量に基づき、リボンとして形成されたボンディングワイヤは、ボンディングワイヤが唯一つの層からのみ成る場合よりも全体的に薄く形成され得るようになる。これにより、リボンのフレキシブル性、ひいては寿命が向上する。これによって、振動負荷および／または熱交番負荷に対する敏感性は、唯一つの中実材料から成る慣用のリボンに比べて著しく低下する。たとえば、コンタクトを形成する層を薄いアルミニウム層または金層またはニッケル層または白金層として形成し、電流容量の高い方の層を金および／または銅から形成することが考えられる。このようなボンディングワイヤの厚さは、ボンディングワイヤが完全にアルミニウムから成る場合よりも著しく小さく形成されている。
本発明の有利な改良形では、互いに異なる層材料の融点が互いに異なっている。マイクロエレクトロニクス構成素子とのコンタクトを形成する層の融点は、高められた電流容量を有する層の融点よりも低く設定されている。
本発明のさらに別の有利な構成では、少なくとも２つの互いに異なる層の導電率が互いに異なっている。高められた電流容量を有する層の導電率の方が高く設定されていると有利である。
本発明の別の有利な構成では、前記層もしくは層材料の曲げ剛性および／または破断荷重（Reisskraft）、つまり個別層を引き裂くために必要とされる引張力、および／または延性が互いに異なっている。したがって、各使用事例に合わせて最適なリボン状ボンディングワイヤを製造することができる。
本発明のさらに別の改良形では、前記少なくとも２つの層の厚さが互いに異なっている。電流容量の高い方の層が、コンタクトを形成する層よりも厚く形成されていると有利である。層の厚さを変えることにより、層の電流容量ならびに層のフレキシブル性をも変えることができる。ボンディングワイヤの全厚さは特に電流容量の高い材料、たとえば銅または金の使用によって著しく減じられる。
本発明のさらに別の有利な構成では、ボンディングワイヤがサンドイッチ状に形成されていて、少なくとも３つの層、つまり２つの外側の層と、両外側の層の間に位置する少なくとも１つの内側の層とを有している。１つの真ん中の層または複数の真ん中の層のうちの１つの層が、外側の層よりも高い電流容量を有していると有利である。このように形成されたボンディングのワイヤでは、マイクロエレクトロニクス構成部分とのコンタクトが、一方の扁平面によって形成されるのか、または反対の側の他方の扁平面によって形成されるのかは重要ではない。このようなサンドイッチワイヤは極端に高い電流容量を有していて、振動負荷および熱交番負荷に対して安定性もしくは耐性を有している。これらの層が互いに対して平行に向けられていると有利である。この場合、本発明の改良形では、外側の層の厚さが該外側の層の幅よりも小さく形成されている。リボンとして形成された多層のボンディングワイヤは、たとえば熱間圧延法（Heisswalzverfahren）で製造され得る。本発明のさらに別の有利な構成では、互いに異なる層が、専ら互いに平行に配置されていて、したがってワイヤを側方から見るとこれらの層が見える。つまりこれらの層はワイヤの外面にまで案内されている。また、真ん中の層を、たとえば電気メッキにより被覆することも考えられる。この場合には、横断面が近似的にしか方形に形成されていない。互いに反対の側に位置する両外側の層が同じ材料から成っていると有利である。
本発明のさらに別の有利な構成では、前記外側の層が、前記少なくとも１つの内側の層よりも低い融点を有している。このようなボンディングワイヤは信頼性良くコンタクト面と溶着され得る。
外側の層と内側の層とにおいて、導電率および／または曲げ剛性および／または破断荷重および／または延性が互いに異なっていると有利である。重要となるのは、ボンディングワイヤが信頼性良く溶着されかつコンタクティングされ得るように、かつ真ん中の層が高い電流容量を有するようにパラメータが設定されることである。この場合、ボンディングワイヤは材料組合せにより、ボンディングワイヤが唯一つの中実材料からのみ成る場合よりも全体的に可撓性もしくはフレキシブルに形成されている。
すなわち、本発明のさらに別の有利な構成では、前記少なくとも１つの内側の層が、前記外側の層よりも高い導電率および／または前記外側の層よりも低い曲げ剛性および／または前記外側の層よりも低い破断荷重および／または前記外側の層よりも低い延性を有しているか、または前記外側の層が、前記少なくとも１つの内側の層よりも高い導電率および／または前記少なくとも１つの内側の層よりも低い曲げ剛性および／または前記少なくとも１つの内側の層よりも低い破断荷重および／または前記少なくとも１つの内側の層よりも低い延性を有している。
外側の層が内側の層を全周にわたって取り囲んで被覆していると有利である。
本発明のさらに別の有利な構成では、前記外側の層の平均層厚さが約１ｎｍ〜２００ｎｍ、特に約１５ｎｍ〜３０ｎｍ、有利には約２０ｎｍ〜２５ｎｍである。
この場合、前記外側の層の平均層厚さが、当該ボンディングワイヤの平均厚さの１／１０よりも小さく形成されていると有利である。
本発明のさらに別の有利な構成では、当該ボンディングワイヤの平均厚さが、約２５μｍ〜３００μｍである。
本発明のさらに別の有利な構成では、当該ボンディングワイヤの平均幅が、約５０μｍ〜１ｍｍである。
さらに本発明は、上で説明した少なくとも１つのボンディングワイヤを有するボンディング結合部に関する。この場合、ボンディングワイヤの広幅面がコンタクト範囲において、コンタクティングしたいコンタクト面に対して平行に向けられていると有利である。
この場合、本発明の構成では、両コンタクト面が、上で説明した本発明による少なくとも１つのボンディングワイヤによって、有利には超音波溶着により互いに結合されている。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。
図１には、２つのコンタクト面２，３の間の接続部１が図示されている。コンタクト面２は、たとえばチップのパッドであり、コンタクト面３は所属のピンである。コンタクト面２，３は、リボンとして形成されたボンディングワイヤ４を介して互いに導電接続されている。
ボンディングワイヤ４は３つの層５，６，７から成っており、この場合、これらの層５，６，７は全面にわたって互いに結合されている。両外側の層５，７はこの実施例ではアルミニウムから成っており、それに対して両外側の層５，７の間にサンドイッチ状に収容された内側の層６は銅から成っている。内側もしくは真ん中の層６は両外側の層５，７よりも高い電流容量もしくは電流耐性を有している。このことは、真ん中の層６の絶縁破壊電流が、両外側の層５，７の、絶縁破壊のために必要とされる最大電流よりも高いことを意味している。
リボンとして形成されたボンディングワイヤ４の厚さＤは、このボンディングワイヤ４の幅Ｂよりも小さく形成されている。内側の銅層６を備えたサンドイッチ状の構造に基づき、リボンとして形成されたボンディングワイヤ４の厚さＤは、ボンディングワイヤがアルミニウムからのみ成っていて、多層構造を有していない場合よりも高いか、または少なくとも同等の電流容量において、ボンディングワイヤがアルミニウムからのみ成っていて、多層構造を有していない場合よりも著しく小さく形成されている。このことは、電流容量が同じであるとすると、電流容量の高い層６を、該層６がアルミニウムから成る場合よりも薄く形成することができることに帰因し得る。
外側の層５，７のための材料としてアルミニウムを使用することにより、有利には超音波の使用下にボンディングワイヤ４を信頼性良くコンタクト面２，３とボンディングすることができる。
層５，６，７は互いに平行に位置調整されている。この場合、真ん中の層６はコンタクト面２，３に対して直接的なコンタクトを有していない。コンタクトは図平面で見て下側の外側の層７を介してしか形成されない。
図１に示したリボン状のボンディングワイヤは、完全にアルミニウムから成るボンディングワイヤよりも著しくフレキシブルに形成されている。これにより、ボンディングワイヤの破壊強さは高められている。したがって、図１に示した本発明によるボンディングワイヤは、完全にアルミニウムから成るボンディングワイヤよりも振動負荷および熱交番負荷に対して著しく高い安定性もしくは耐性を有している。
本発明によるボンディングワイヤは特に、高い電流を伝送するためのパワーエレクトロニクスにおける使用のために適している。可能となる主使用領域はハイブリッド駆動技術である。
図１に示したボンディングワイヤ４と、円形の横断面を有する相応する数の相並んで配置されたボンディングワイヤとを比べた場合、図１に示したボンディングワイヤ４は、同じ最大電流を伝送できるようにするために、円形の横断面を有する相応する数の相並んで配置されたボンディングワイヤよりも著しく少ないスペースしか必要としない。さらに、ボンディングワイヤ４はコンタクト面２，３に対して大きなコンタクト範囲を有しており、このコンタクト範囲はボンディングワイヤ４の全幅にわたって延びている。
図２には、多層型のリボン状のボンディングワイヤ４、つまりボンディングリボンの択一的な別の実施例が図示されている。ボンディングワイヤ４は横断面方形に形成されていて、コア、つまり内側の層８を有している。この内側の層８は図１に示した、専ら平行な層しか設けられていない実施例とは異なり、全周にわたって１つの外側の層９によって取り囲まれている。内側の層８はこの実施例では銅または銅合金から成っている。外側の層９はアルミニウムまたはアルミニウム合金から成っている。図１に示したボンディングワイヤとは異なり、外側の層９は極めて薄く形成されていて、内側の層８を全周にわたって、つまり４辺にわたって取り囲んで被覆している。端面は被覆されていない。なぜならば、このボンディングワイヤは１つのロールから繰り出されて、切断されているからである。外側の層９は内側の層８に比べて極薄に形成されている。ボンディングワイヤ４の厚さＤは約３０μｍである。外側の層９の平均層厚さは約２３ｎｍであるに過ぎない。外側の層９は、たとえばスパッタリング法、電気メッキまたはロールクラッド（圧延被覆）法で被着され得る。外側の層９により酸化が回避され、ボンディング可能性が改善される。極薄の外側の層９によって全周にわたり被覆されたボンディングワイヤ４には次のような利点がある。すなわち、このボンディングワイヤ４は表面に関して良好なボンディング特性を有していて、さらにリボン状のボンディングワイヤの良好な変形特性、特に小さな変形時においても良好な面状溶着可能性をもたらす。したがって、図２に示したリボン状のボンディングワイヤ４は特に、軟らかい敏感な表面、特にＩＣのボンディングのために適している。図示のリボン状のボンディングワイヤ４は標準リボンボンダによってボンディングされ得る。
リボンとして形成されたボンディングワイヤを使用するボンディング結合部を示す概略的な斜視図である。 外側の層によって全周にわたって取り囲まれたボンディングリボンの一部を示す概略的な斜視図である。
符号の説明
１ 結合部
２，３ コンタクト面
４ ボンディングワイヤ
５ 外側の層
６ 内側の層
７ 外側の層
８ 内側の層
９ 外側の層
Ｄ 厚さ
Ｂ 幅

Claims (15)

  1. リボンとして形成されたボンディングワイヤ（４）において、ボンディングワイヤ（４）が、互いに異なる材料から成る少なくとも２つの層（５，６，７）を有していることを特徴とするボンディングワイヤ。
  2. 前記層（５，６，７）が、互いに異なる電流容量を有している、請求項１記載のボンディングワイヤ。
  3. 前記層の融点が互いに異なっている、請求項１または２記載のボンディングワイヤ。
  4. 前記層（５，６，７）の導電率が互いに異なっている、請求項１から３までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  5. 前記層（５，６，７）の曲げ剛性および／または破断荷重および／または延性が互いに異なっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  6. 前記層（５，６，７）の厚さが互いに異なっている、請求項１から５までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  7. 当該ボンディングワイヤ（４）が少なくとも３つの層（５，６，７）、つまり２つの外側の層（５，７）と、両外側の層（５，７）の間に位置する少なくとも１つの内側の層（６）とを有しており、該内側の層（６）の電流容量が、両外側の層（５，７）の電流容量よりも高く設定されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  8. 前記外側の層（５，７）が、前記少なくとも１つの内側の層（６）よりも低い融点を有している、請求項７記載のボンディングワイヤ。
  9. 前記少なくとも１つの内側の層（６）が、前記外側の層（５，７）よりも高い導電率および／または前記外側の層（５，７）よりも低い曲げ剛性および／または前記外側の層（５，７）よりも低い破断荷重および／または前記外側の層（５，７）よりも低い延性を有しているか、または前記外側の層（５，７）が、前記少なくとも１つの内側の層（６）よりも高い導電率および／または前記少なくとも１つの内側の層（６）よりも低い曲げ剛性および／または前記少なくとも１つの内側の層（６）よりも低い破断荷重および／または前記少なくとも１つの内側の層（６）よりも低い延性を有している、請求項７または８記載のボンディングワイヤ。
  10. 外側の層（９）が内側の層（８）を全周にわたって取り囲んで被覆している、請求項１から９までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  11. 前記外側の層（９）の平均層厚さが約１ｎｍ〜２００ｎｍ、特に約１５ｎｍ〜３０ｎｍ、有利には約２０ｎｍ〜２５ｎｍである、請求項１０記載のボンディングワイヤ。
  12. 前記外側の層（９）の平均層厚さが、当該ボンディングワイヤ（４）の平均厚さ（Ｄ）の１／１０よりも小さく形成されている、請求項１０または１１記載のボンディングワイヤ。
  13. 当該ボンディングワイヤ（４）の平均厚さが、約２５μｍ〜３００μｍである、請求項１から１２までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  14. 当該ボンディングワイヤ（４）の平均幅が、約５０μｍ〜１ｍｍである、請求項１から１３までのいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
  15. ２つのコンタクト面（２，３）の間のボンディング結合部において、両コンタクト面（２，３）が、請求項１から１４までのいずれか１項記載の少なくとも１つのボンディングワイヤ（４）によって、有利には超音波溶着により互いに結合されていることを特徴とするボンディング結合部。
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