JP2009540624A - 仕上げが改善されたボンディングツール - Google Patents

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Abstract

【解決手段】先端部において終端するボディー部を含むボンディングツールである。前記先端部は、特定の材料のにより形成され、前記先端部の少なくとも一部は前記材料の粒子構造に露出されているものである。
【選択図】 図６Ａ

Description

本出願は、２００６年７月３日付で出願された米国仮出願第６０／８０６，５０３号および２００７年１月１５日付で出願された米国仮出願第６０／８８４，９２０号に対し利益を主張するものであり、前記仮出願双方の内容は参照によりここに組み込まれる。
本発明は、ワイヤーループの形成に用いられるボンディングツールに関するものであり、より具体的には、仕上が改善されたボンディングツールに関するものである。
半導体装置の処理およびパッケージにおいて、ワイヤーボンディングはパッケージ内の２つの場所（例えば、半導体ダイのダイパッドとリードフレームのリード線間）の電気的相互接続を提供する主たる方法として引き続き用いられている。この相互接続を提供するワイヤーループを形成するために、ボンディングツール（例えば、キャピラリーツールやウェッジボンディングツールなど）が通常用いられる。
従来のボンディングツールは、通常、研磨仕上げされた表面を有する。この研磨仕上げされた表面は、前記ボンディングツールの先端部を含む。一部のボンディングツール製造業者は「マット（ｍａｔｔｅ）」仕上げのボンディングツールも提供する。ここでいうマット仕上げは粗面を指す。
ワイヤーボンディング産業においては、ワイヤー接合強度（例えば、第１の接合強度、第２の接合強度など）の増加、ボンディング動作のアシスト率の低下、ワイヤーループ間の変動性の低下などの改善をもたらす開発を絶え間なく求められている。
したがって、改善されたボンディングツールを提供することにより、結果として改善されたボンディング動作を提供することが望まれる。
本発明の例示的な実施形態に従い、先端部で終端するボディー部分を含むボンディングツールが提供される。前記先端部は特定の材料により形成され、少なくとも当該先端部の一部は前記材料の粒子構造に露出されているものである。
本発明の別の例示的な実施形態に従い、先端部で終端するボディー部分を含むボンディングツールが提供される。前記先端部の少なくとも一部の表面には複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記複数の凹凸を形成する前記先端部の前記部分における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
本特許出願では、例えば表面粗度、凹凸（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）、凹凸の密度など、当該技術において既知の用語を参照することがある。そのような表現は当該技術において既知のものであり、例えば、（１）Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ， Ｊ． Ａ． & Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ， Ｊ． Ｂ． Ｐ．， Ｃｏｎｔａｃｔ ｏｆ Ｎｏｍｉｎａｌｌｙ Ｆｌａｔ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ｐｒｏｃ． Ｒｏｙ． Ｓｏｃ． （Ｌｏｎｄｏｎ）， Ｓｅｒｉｅｓ Ａ２９５， ｐｐ． ３００−３１９， １９６６、（２）Ｋｏｇｕｔ， Ｌｉｏｒ & Ｅｔｓｉｏｎ， Ｉｚｈａｋ， Ａ Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｅｌａｓｔｉｃ− Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ （ＡＳＭＥ）， Ｖｏｌ． １２６， ｐｐ． ３４−４０， Ｊａｎｕａｒｙ ２００４、および（３）Ｋｏｇｕｔ， Ｌ． & Ｅｔｓｉｏｎ， Ｉ．， Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ−Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｔａｃｔ ｏｆ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， ３ｒｄ ＡＩＭＥＴＡ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｓａｌｅｒｍｏ， Ｉｔａｌｙ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １８−２０， ２００２において既知であり、前記各出版物の全文は参照により組み込まれる。
当業者に既知のように、表面（例えば、キャピラリーのようなボンディングツールの表面）は（１）Ｒａ−平均表面粗度、（２）σ−凹凸の高さの標準偏差、および（３）Ｒ−凹凸の曲率半径のような独立パラメータによって特徴付けることができる。さらに、その他の有用なパラメータとして、例えば、（４）η−凹凸の面密度および（５）β＝ηＲσが含まれる。
当業者に既知のように、表面粗度の平均値（Ｒａ）は、粗さ形状とその平均線との間の面積、若しくは評価長に対する粗さ形状の高さの絶対値の積分である。ここでＬは前記評価長、ｒは前記高さ、ｘは測定に沿った距離であり、Ｒａは以下の式で表すことができる。
Figure 2009540624
本発明の例示的な実施形態に従い、以下の特徴を有するボンディングツール先端表面が提供された。
Figure 2009540624
上記ボンディングツールは（例えば第２の接合での）優れたプル強度、長い寿命のツール、および比較的高いＭＴＢＡのツールを提供した。
本発明の例示的な実施形態に従い、少なくとも０．０３μのＲａ値と少なくとも１５μ＾−２（すなわち１平方μ当たり１５）のηの組み合わせで優れた結果が提供された。別の例において、少なくとも０．０３μのＲａ値と少なくとも２０μ＾−２のηの組み合わせでも優れた結果が提供された。さらに、少なくとも０．０４μのＲａ値と少なくとも２０μ＾−２のηの組み合わせで極めて優れた結果が提供された。ボンディングツールの表面形状測定は、例えば原子間力顕微鏡法（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）を用いるなど、多くの手法を用いて可能である。
図１Ａは、本発明の例示的な実施形態による改善された表面が提供されるボンディングツール１００の側断面図である。ボンディングツール１００はシャフト部１０２と円錐部１０４とを含み、シャフト部１０２および円錐部を総じてボンディングツール１００のボディー部と呼ぶことができる。当業者に既知のように、シャフト部１０２の終端（すなわち図１Ａの図の上部のシャフト部１０２の末端）はワイヤーボンディング装置のトランスデューサー（例えば超音波トランスデューサー）に連結するように構成される。円錐部１０４の終端（すなわち図１Ａの図の底部の円錐部１０４の末端）は、接合位置（例えば半導体ダイのダイパッドやリードフレーム／基材のリード線など）でワイヤー接合を形成するように構成される。図１Ｂは円錐部１０４の終端の詳細な図である。より具体的には、図１Ｂはボンディングツール１００の先端部１００ａを示す。先端部１００ａは穴１００ｂ、内側面取り部１００ｃ、および上面部１００ｄなどの特徴を画成する。より詳細に以下に説明するように、ボンディングツール１００は本発明による改善された表面を提供することが可能なボンディングツールの一例である。
図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による改善された表面を提供可能なボンディングツール２００の側断面図である。ボンディングツール２００はシャフト部２０２と円錐部２０４とを含む（これらの集合がボディー部である）。図２Ｂは、円錐部２０４の終端の詳細な図である。より具体的には、図２Ｂはボンディングツール２００の先端部２００ａを示す。先端部２００ａは穴２００ｂ、内側面取り部２００ｃ、および上面部２００ｄなどの特徴を画成する。図２Ｃは内側面取り部２００ｃと上面部２００ｄとを含むボンディングツール２００の先端部２００ａの透視図である。より詳細に以下に説明するように、ボンディングツール２００は、本発明による改善された表面を提供することが可能なボンディングツールの一例である。
当然、ボンディングツール１００および２００は本発明による改善された表面を提供可能なボンディングツールの型式の例に過ぎない。任意の数のその他の型式のボンディングツールが本発明の利益を活用できる。
当業者に既知のように、通常、ボンディングツールを研磨することが望ましい。一部のボンディングツールでは、ボンディングツールの表面に「マット」仕上げが提供される。従来の研磨仕上げまたはマット仕上げボンディングツールと異なり、本発明によるボンディングツールでは、前記ボンディングツールの材料（例えばセラミック材料など）の粒子構造は前記ボンディングツールの少なくとも一部（例えば前記ボンディングツールの先端部の一部）で露出される。さらに、本発明の一部の例示的な実施形態では、前記ボンディングツールの少なくとも一部（例えば前記ボンディングツールの先端部）の表面は複数の凹凸を画成するものであり、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記複数の凹凸を画成する先端部の一部における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
図３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先端部３００ａ（図１Ｂ、２Ｂ、および２Ｃの先端部１００ａおよび２００ａに類似である）の透視図である。先端部３００ａは穴３００ｂ、内側面取り部３００ｃ、および上面部３００ｂを画成する。図４Ａ〜４Ｃは図３に示す先端部３００ａに類似したボンディングツールの先端部の一部の詳細な図であるが、図４Ａ〜４Ｃの各々は、各々の先端部の異なる表面形態を図示する。
より具体的には、図４Ａはボンディングツールの先端部（図３に示す先端部３００ａに類似している）の一部の拡大図である。従って、図４Ａは、（１）穴４００ｂ（図３の穴３００ｂに類似）、（２）内側面取り部４００ｃ（図３の内側面取り部３００ｃに類似）、および（３）上面部４００ｄ（図３の上面部３００ｄに類似）を図示する。図４Ａから明らかなように、作業面４００ｄの表面の材料は露出された粒子構造を有する（図の例では、この露出された粒子は凹凸４００ｅである）。これに対し、穴４００ｂの表面（すなわち穴４００ｂを画成するボンディングツールの壁部分）および内側面取り部４００ｃの材料は露出された粒子を含まない。例えば、穴４００ｂおよび内側面取り部４００ｃの表面は従来の研磨仕上げまたはマット仕上げ表面でよい。
次に図４Ｂを参照すると、（１）穴４１０ｂ（図３の穴３００ｂに類似）、（２）内側面取り部４１０ｃ（図３の内側面取り部３００ｃに類似）、および（３）上面部４１０ｄ（図３の上面部３００ｄに類似）が図示されている。図４Ｂから明らかなように、作業面４１０ｄおよび内側面取り部４１０ｃの材料は露出された粒子を有する（図の例では、前記露出された粒子は凹凸４１０ｅ）。これに対し、図４Ｂで、穴４１０ｂの表面の材料（すなわち穴４１０ｂを画成するボンディングツールの壁部分）は露出された粒子を含まない。例えば、穴４１０ｂの表面は従来の研磨仕上げまたはマット仕上げ表面でよい。
次に図４Ｃを参照すると、（１）穴４２０ｂ（図３の穴３００ｂに類似）、（２）内側面取り部４２０ｃ（図３の内側面取り部３００ｃに類似）、および（３）上面部４２０ｄ（図３の上面部３００ｄに類似）が図示されている。図４Ｃから明らかなように、作業面４２０ｄ、内側面取り部４２０ｃ、および穴４２０ｂの作業面の表面の材料は露出された粒子を有する。図の例では、この露出された粒子は凹凸４２０ｅである。
図４Ａ〜４Ｃから明らかなように、ボンディングツールの先端部の部分の任意の組み合わせ（および前記ボンディングツールの任意の部分）は本発明による表面仕上げを有することができ、その他の表面は異なる（例えば従来の）仕上げを有することができる。
図５は本発明による例示的な実施形態のボンディングツール表面を理解するために有用な粗表面の接触モデルの図である。事実、本特許出願の図５は、Ｌｉｏｒ ＫｏｇｕｔおよびＩｚｈａｋ Ｅｔｓｉｏｎ共著の、２００４年１月のＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ（ＡＳＭＥ）、Ｖｏｌ． １２６、ｐｐ３４〜４０に出版された「Ａ Ｓｔａｔｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｅｌａｓｔｉｃ−Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ」と題する上記文献に提供されている図２に非常に類似している。この図および前記文献のその他の部分は、粗表面に関して本特許出願に用いられている特定の用語を理解する上で有用である。
図６Ａは、本発明による、粗表面形態を持つボンディングツールの先端部６００ａの透視図写真である。例えば、この表面形態はワイヤーボンディング性能を向上するために提供される。先端部６００ａは穴６００ｂ（すなわち穴６００ｂを画成する前記ボンディングツールの壁部分）、内側面取り部６００ｃ、および上面部６００ｄを含む。図６Ｂは図６Ａの部分詳細図であり、先端部６００ａの表面の粒子凹凸を明確に図示している。図６Ａ〜６Ｂが図示するように、穴６００ｂ、内側面取り部６００ｃ、および上面部６００ｄ（および先端部の外半径範囲を含む前記先端部６００ａの他の領域）は、前記先端部の材料の露出粒子構造によって画定される（且つ又凹凸の高密度によって特徴付けられる）表面形態を含む。この（従来の研磨仕上げおよび従来のマット仕上げ表面形態と比べて）革新的なボンディングツール表面形態を用い、例えばステッチプル変動性（例えば標準偏差）およびプロセスのロバスト性において改善されたワイヤー・ボンディング・プロセスを提供することが可能である。
図７Ａは、本発明による粗表面形態を持つ別のボンディングツールの先端部７００ａの透視図写真である。先端部７００ａは穴７００ｂ（すなわち穴７００ｂを画成する前記ボンディングツールの壁部分）、内側面取り部７００ｃ、および上面部７００ｄを含む。図７Ｂ〜７Ｃは図７Ａの部分詳細図であり、先端部７００ａの表面の一部の粒子凹凸を明確に図示している。図７Ａ〜７Ｃが図示するように、上面部７００ｄ（および先端部の外半径範囲を含む前記先端部７００ａの外側領域）は前記先端部の材料の露出粒子構造によって定められる（且つ又、凹凸の高密度によって特徴づけられる）が、穴７００ｂおよび内側面取り部７００ｃはこの表面形態を含まない。例えば、穴７００ｂおよび内側面取り部７００ｃの表面は従来の表面（例えば研磨仕上げまたはマット仕上げ表面など）を含むことができる。
図８Ａ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を用いて形成されたワイヤーループの第２の接合８００の写真である。図８Ａから明らかなように、第２の接合８００の領域「Ａ」は、前記ボンディングツールの上面部にある、本発明による表面仕上げを有するボンディングツールの凹凸形状によって特徴付けられている。図８Ｂ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を用いて形成されたワイヤーループの第１の接合８０２の写真である。図８Ｂから明らかなように、第１の接合８０２の領域「Ｂ」は、本発明による表面仕上げを内側面取り部上に有するボンディングツールの凹凸形状によって特徴付けられている。
図９Ａは、対照のキャピラリーツールと本発明の例示的な実施形態によるキャピラリーツールとを使ったステッチプル試験の結果を比較した図９Ｂの表のデータをグラフにしたものである（すなわち、前記グラフは対照のキャピラリーツールと本発明のキャピラリーツールの１つとを用いて形成されたワイヤーループのステッチ接合について行ったステッチプル試験の結果を比較している）。図９Ａの菱形は前記ステッチプルの標準偏差を表す。図９Ａの長方形は前記ステッチプルの中央値を表す。前記長方形を分割している水平線は平均ステッチプル値を表す（すなわち、図９Ｂが示すように、前記対照キャピラリーの水平線は６．０２３２５であり、本発明のキャピラリーの水平線は６．６３１６３である）。図９Ａ〜９Ｂが示すように、本発明によるキャピラリーは、第２の接合において、より高く且つより一貫したステッチプル値を有する。例えば、図９Ｂは、採取された８０のサンプルのうち参照キャピラリーではステッチプル値の９５％が５．８７８７〜６．１６７８グラムであったのに対し、本発明の例示的な実施形態によるキャピラリーではステッチプル値の９５％が６．４８７１〜６．７７６２であったことを示している。
図１０Ａは、本発明の例示的な実施形態により形成されたワイヤーループの第２の接合１０００（すなわちステッチ接合）の写真である。図１０Ｂは第２の接合１０００の詳細図であり、図の領域「Ｃ」は第２の接合１０００が本発明による上面部を有するボンディングツールを用いて形成されたものであることを明らかに示している。本発明の発明者らは、（１）本発明によるボンディングツールの上面部と（２）ワイヤーループのステッチ接合間のグリップがステッチプル値の増加を提供していると決定した。
当業者には既知のように、定義上、Ｃｐｋは次のように表される。
Figure 2009540624
ここでＣｐｋはプロセス能力、Ｕは許容限度上限、Ｌは許容限度下限、
Figure 2009540624
は平均プロセス反応（例えば平均ステッチプル値）、Ｓはプロセス反応標準偏差（例えばステッチプル標準偏差ｓｔｄｅｖ）である。
Ｃｐｋは様々なプロセス変数と共に用いられる無次元測定値であり、その変数の標準偏差に関係する。例えば、Ｃｐｋをステッチプル変数値と共に用いることができる。上記等式（１）の分析から、高いＣｐｋ値が低いＣｐｋ値に比べて高いステッチ接合値の反復性を示すことは明らかである。
図１１Ａ〜１１Ｂは、２つのボンディングツールの２つの先端部の写真である。図１１Ａは形態Ａを図示し、図１１Ｂは形態Ｂを図示する。形態Ａおよび形態Ｂは各々、（１）少なくとも１５μ＾−２の凹凸および（２）少なくとも０．０３μの平均表面粗度を有する。形態ＡおよびＢの両方は従来のボンディングツールに比べて（１）高い平均表面粗度、および（２）高い凹凸密度を有するが、形態Ｂは形態Ａよりも高い平均表面粗度および高い凹凸密度を有する。両方のボンディングツール群（すなわち形態Ａおよび形態Ｂ）が、対照群（すなわち研磨仕上げ表面のキャピラリー）に比べて有意に改善されたステッチプルＣｐｋ値を提供した。例えば、前記改善されたステッチプル値は、ＣｕおよびＡｕ両方のワイヤーを含む任意のタイプのワイヤーを使う様々な用途で有益であり、前記用途としては例えばファインピッチ、超ファインピッチ、およびＱＦＰが含まれる。
図１２Ａ〜１２Ｂはグラフ（図１２Ａ）およびそれを裏付けるデータ（図１２Ｂ）を図示するものであり、形態ＡおよびＢのＣｐｋ値、および研磨仕上げされた対照ボンディングツールのＣｐｋ値を示している。図１２Ａ〜１２Ｂから明らかなように、本発明によるボンディングツールは従来の研磨仕上げされたボンディングツールより高く且つ一貫したステッチプルＣｐｋ値を有する。図１２Ａの菱形はステッチプルＣｐｋの標準偏差を表す。図１２Ａの長方形は前記ステッチプルＣｐｋの中央値を表す。前記長方形を分割している水平線は平均ステッチプルＣｐｋ値を表す（すなわち、図１２Ｂが示すように、前記形態Ａの水平線は２．４９２２８であり、前記従来の研磨仕上げされたキャピラリーの水平線は１．３４３６２であり、前記形態Ｂの水平線は２．４５０４８である。図１２Ａ〜１２Ｂの結果の比較が示すように、本発明によるボンディングツールがより高くより一貫したステッチプルＣｐｋ値を有することは明らかである。
図１３Ａ〜１３Ｂは、形態Ａ（図１３Ａ）および形態Ｂ（図１３Ｂ）を有するボンディングツールの先端部の一部の写真である。図１３Ｃは、形態Ａ（グラフ左側）、形態Ｂ（グラフ中央）、および従来の研磨仕上げのキャピラリー（グラフ右側）のステッチプル値の比較である。図７Ｃから明らかなように、表面粗度および凹凸密度が高いほどステッチプル値は高い。
本発明の発明者らが行った実験は、従来のマットまたは研磨仕上げツールに比べ、本発明による表面を有する先端部を有するボンディングツールが（１）長い寿命および（２）長いＭＴＢＡ（Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ａｓｓｉｓｔｓ：アシスト間平均時間）を有することを示した。より具体的には、本発明のボンディングツールの仕上げは、前記ツールの寿命の低下および／またはアシストの必要を招く望ましくない物質の形成および／または付着に抵抗する傾向を有する。実験データは、本発明によるツールでは０．２７アシスト／時を示し、これに対し従来のマット仕上げツールでは０．６２アシスト／時、従来の研磨仕上げツールでは２アシスト／時であった。さらに、全体的なアシスト率の改善は従来のマット仕上げツールに比べ７７．３％、従来の研磨仕上げツールに比べ４７．６％であった。
本発明により形成されたボンディングツールの寿命の延長に関し、図１４Ａ〜１４Ｂを提供する。図８Ａは様々なキャピラリー・ボンディング・ツールの寿命試験結果を示す表である。左列は本発明による３つのキャピラリーの結果であり、中央列（従来のマット仕上げ）は従来の４つのマット仕上げキャピラリーの結果であり、右列（従来の研磨仕上げ）は従来の３つの研磨仕上げキャピラリーの結果である。前記実験結果の最大数は１，０００，０００であり、前記ツールが１，０００，０００接合に到達した場合、前記実験を終了した。前記左列で寿命は１，０００、１，０００、６００であった（１，０００動作または１，０００接合単位であるので、これは１，０００，０００、１，０００，０００、６００，０００動作に等しい）。中央列で寿命は６００、３００、３００、１００であった。右列で寿命は９００、５００、４００であった。従って、左列は本発明によるキャピラリーの寿命が長いことを示している。図８Ｂは図８Ａの結果を棒グラフにしたものである。
図１５Ａ〜１５Ｆは、ワイヤーループの第２の接合を、各第２の接合を形成するために用いられたボンディングツールの仕上げと共に示す一連の写真である。より具体的には、図１５Ａは本発明の例示的な実施形態によるツールを用いて形成された第２の接合を図示するものであり、図１５Ｂは図１５Ａが図示する前記第２の接合を形成するために用いられた接合ツールの先端表面の一部の写真である。同様に、図１５Ｃは従来のマット仕上げを用いて形成された第２の接合を図示するものであり、図１５Ｄは図１５Ｃが図示する第２の接合を形成するために用いられた接合ツールの先端表面の一部の写真である。同様に、図１５Ｅは従来の研磨仕上げを用いて形成された第２の接合を図示するものであり、図１５Ｆは図１Ｅが図示する第２の接合を形成するために用いられた接合ツールの先端表面の一部の写真である。
銅ボンディングでは、（１）本発明による先端表面仕上げおよび（２）従来の研磨仕上げを有する結合ツールに対して同一の幾何学的設計を試す実験が行われた。本発明による先端表面仕上げを有するツールでのみ、前記研磨仕上げのツールに比べてはるかにアシストが削減され、銅との有効なワイヤー・ボンディング・プロセスが可能であった。前記試験は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両方で接合が形成されたときに、銅線ボンディングに対して行ったものである（当業者であれば理解するように、ワイヤーボンディングが行われる装置およびワイヤーボンディング装置に依存し、ワイヤーボンディングはしばしば多くの方向に形成される）。
図１６Ａ〜１６Ｂは、銅線ボンディングにおける第２の接合に関する本発明の利益を図示する表である。より具体的には、図１６Ａは本発明の例示的な実施形態による先端表面を有するボンディングツールのデータを図示する。図１６Ａが示す結果からわかるように、本発明によるボンディングツールは任意の方向（すなわちｘ右方向、ｙ下方向、ｘ左方向、およびｙ下方向）で形成された接合に関し、高く且つ一貫したプル強度を示す。これに対し、図１６Ｂは前記接合に関し低く且つ非一貫性のプル強度を示す。事実、図１６Ｂで示すプル試験を行った接合の多くは、測定不可能なプル強度を提供した（例えばショートテール（ＳＨＴＬ）、＃ＤＩＶ／０！など）。
従って、本発明のボンディングツールはより高く且つより一貫した値のテール強度（すなわち第２の接合のプル強度）を与え、従来の研磨仕上げのキャピラリーは、前記キャピラリーをテールの高さに上げたときのショートテール（早期ワイヤー破壊）のような貧しく且つ一貫性のない結果を与えた。さらに、前記研磨仕上げキャピラリーのプロセス変数範囲（ウィンドウ）は、この難しいＣｕボンディング用途において無中断の自動ワイヤー・ボンディング・プロセスを可能にする変数ウィンドウを見つけることの難しさを表す。
本発明は、本特許出願が請求する表面を形成するいずれの具体的な方法にも限定されない。当業者には理解されるように、ボンディングツール（例えばキャピラリーツール、ウェッジツールなど）は広範な材料から形成されるものであり、本発明による表面を形成するために用いられる方法は用いられる材料および望まれる仕上げに依存して大きく異なる。
前記ボンディングツールの望ましい部分における材料の粒子構造を露出する方法の一例は、エッチングを施す材料と一致した熱エッチングである。前記望ましい表面を形成する他の方法の例として、例えば、（１）前記望ましい材料（例えばセラミック材料）から素地を形成する工程と、（後に生じる縮小を考慮して）前記素地を研いで望ましい外形にする工程と、望ましい先端表面（例えば粒状表面）を得るために前記ツールを焼結する工程と、穴および内側面取り部の望ましいサイズを形成／研磨する工程とを含む方法、（２）前記望ましい先端表面（例えば粒状表面）が前記穴および前記内側面取り部上に維持される場合があることを除き（１）と同じ方法、（３）粒子のサイズと形を制御するために前記素地の形成に際し前記材料に焼結剤を添加することを除き（１）または（２）と同じ方法、および（４）素地を焼結する工程と、前記焼結された素地を望ましい最終外形サイズに研ぐ工程と、高温での熱エッチングによって前記粒状先端表面を得る工程と、穴および内側面取り部の望ましいサイズを形成／研磨する工程とを含む方法、（５）前記望ましい先端表面（例えば粒状表面）が前記穴および前記内側面取り部上に維持される場合があることを除き（４）と同じ方法、（６）前記望ましい材料（例えばセラミック材料）を形成する工程と、前記素地を焼成する工程と、（焼成後に生じる縮小を考慮して）望ましいサイズに研ぐ工程とを含む方法、および（７）選択される材料に依存し、前記ツール（例えば、望ましい形に研がれたツール）を制御された環境で高温に曝す工程とを含む方法が含まれる。
当然、例に挙げたこれらの方法は変えることが可能であり、工程を削除または追加することが可能であり、且つ前記工程を変えることが可能である。例えば、前記望ましい表面を前記ボンディングツールの望ましい部分に形成してから、前記ボンディングツールの一部を研磨し、前記形成された表面を前記部分から除去することができる。繰り返すが、本発明の表面を形成する方法は多く、本発明は任意の具体的なプロセスに依存するものではない。
本発明によるボンディングツールを提供することによって、ワイヤー・ボンディング・プロセスの性能および信頼性に数々の改善を達成することが可能であり、例えば、（１）ステッチプル変動性（標準偏差）の低減、（２）プロセスのロバスト性の向上（例えば、ＮＳＯＰ、ＳＨＴＬ、ＮＳＯＬ、ＥＦＯの克服によるＭＴＢＡの増加）、（３）第２の接合プロセスの平均ステッチプル値の上昇、（４）ルーピング性能（標準偏差）の向上、（５）第１の接合の直径の変動性および形の低減（標準偏差）、および（６）全体的なワイヤーボンディング耐久性の向上などである。
本発明によるボンディングツールは、特定のタイプの接点（例えばＮｉＰｄのような材料でメッキされた接点）にワイヤーを接合するために用いた場合に付加的な利益を提供する場合がある。そのような接点（比較的高い硬度値を有する材料を用いた接点）は、（例えば、ボンディングツール先端の磨耗や先端の汚染などの問題によって）前記ボンディングツールの寿命を、特にワイヤーループの第２の接合でのボンディング動作（例えば超音波振動）によって短縮する場合がある。本発明によると、キャピラリーの寿命を有意に向上することができる。事実、Ｋｕｌｉｃｋｅ ａｎｄ Ｓｏｆｆａ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．が市販するワイヤーボンディング装置（Ｋ&Ｓ１．０ミルＡＷ１４を用いる、６０μのＢｏｎｄ Ｐａｄ Ｐｉｔｃｈ ＮｉＰｄ装置を用いたボールボンダーであるＫ&Ｓ ８０２８ ＰＰＳ）を用いて行った試験では、寿命は従来のボンディングツールの約２倍であった。本発明によるボンディングツールを用い、且つ同じタイプのワイヤーボンディング装置を用いることにより（Ｋ&Ｓ０．８ミルＡＷ−６６ワイヤーを用いて５０μのＢＰＰＮｉＰｄ装置を接合する場合）、有意に向上した第２の接合のステッチプルおよびＣｐｋ値が提供された。本発明によるボンディングツールを用いて前記第２の接合のステッチ値が向上する１つの理由は、その粗い先端表面に関係する。前記粗い先端表面は、（１）前記ボンディングツールの先端と前記ワイヤー間のグリップ、（２）前記ボンディングツールから前記ワイヤーへのエネルギーの移動（例えば超音波エネルギーの移動）、および（３）前記ボンディングツールを介した前記第２の接合接点（例えばリードフレームのリード線）へのエネルギー移動を改善する傾向がある。
本発明について、望ましい形態を有するボンディングツールの先端部分について主に説明してきたが、本発明は前記先端部分に限定されるものではない。例えば、前記ボンディングツール全体（内側および外側の両方）は望ましい形態を有することが可能であり（例えば、前記望ましい形態を持つために、そのボディー部の一部をワイヤーボンディング装置のトランスデューサーに連結し、それらの間の接触／結合を改善するように構成することが望ましい場合がある）。あるいは、前記ボンディングツールの選択された一部（例えば、前記ボンディングツール内のワイヤー経路を除く、前記ボンディングツールの外側）のみが前記望ましい形態を有するようにすることができる。ここで説明しているように、前記ボンディングツールの先端部分に関してでさえ、前記先端部分の全てまたは選択された一部は前記望ましい形態を有することができる。
本発明について、ボールボンディング動作に用いられるキャピラリーツールに関して主に例証および説明してきたが、本発明はそれらに限定されない。その他のタイプのボンディングツール（例えばウェッジツール、ボール・シューター・ツールなど）も本発明の範囲に含まれる。さらに、本発明を、ピック・アップ・ツール、ＳＭＴ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：表面実装技術）ツールやリボンツールのような、半導体処理に用いられる他のタイプのツールに適用することも可能である。且つ又、本発明を、（１）セラミック材料のような単一の材料から形成されたツール、または（２）複数の片から形成されたツールに適用することもできる。
本発明について、特定の実施形態を参照してここに例証および説明してきたが、本発明はここに示された詳細に限定されるべきではない。むしろ、本発明の請求項と同等の範囲内で本発明から逸脱せずに前記詳細に様々な変更を加えることができる。
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図とともに読むことによって最もよく理解される。一般的慣習に従い、前記図の様々な特徴は正確な縮尺によるものではないことを強調しておく。むしろ、前記様々な特徴のサイズは、明確に示すために任意に拡張または縮小されている。前記図には以下の図が含まれる。
図１Ａは、本発明の例示的な実施形態に従い改善された表面で提供され得るボンディングツールの側断面図である。 図１Ｂは、図１Ａのボンディングツールの一部を詳細に図示する。 図２Ａは、本発明の例示的な実施形態に従い改善された表面で提供され得る別のボンディングツールの側断面図である。 図２Ｂは、図２Ａのボンディングツールの一部を詳細に図示する。 図２Ｃは、図２Ａのボンディングツールの一部の透視図である。 図３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先端部の透視図である。 図４Ａ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先端部の一部を詳細に図示する。 図４Ｂは、本発明の例示的な実施形態による別のボンディングツールの先端部の一部を詳細に図示する。 図４Ｃは、本発明のさらに別の例示的な実施形態によるボンディングツールの先端部の一部を詳細に図示する。 図５は、本発明による例示的な実施形態のボンディングツール表面を理解するために有用な粗表面の接触モデルの図である。 図６Ａ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先端部の透視図写真である。 図６Ｂは、図６Ａの一部の詳細な図である。 図７Ａは、本発明の別の例示的な実施形態によるボンディングツールの先端部の透視図写真である。 図７Ｂは、図７Ａの一部の詳細な図である。 図７Ｃは、図７Ａの一部の別の詳細な図である。 図８Ａ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を用いて形成されたワイヤーループの第２の結合の写真である。 図８Ｂ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を用いて形成されたワイヤーループの第１の結合の写真である。 図９Ａは、従来のボンディングツールと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ステッチプル試験結果を比較するグラフである。 図９Ｂは、図９Ａのグラフのデータを示す表である。 図１０Ａは、本発明の例示的な実施形態にしたがって形成されたワイヤーループの第２の結合の写真である。 図１０Ｂは、図１０Ａの一部の詳細な図である。 図１１Ａ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先端部の透視図写真である。 図１１Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態による別のボンディングツールの先端部の透視図写真である。 図１２Ａは、従来のボンディングツールと本発明の例示的な実施形態による２つのボンディングツールのステッチプル試験結果のＣｐｋを比較するグラフである。 図１２Ｂは、図１２Ａのグラフのデータを示す表である。 図１３Ａ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先端部の一部の写真である。 図１３Ｂは、本発明の別の実施形態による別のボンディングツールの先端部の一部の写真である。 図１３Ｃは、従来の磨き仕上げボンディングツールと本発明の例示的な実施形態による２つのボンディングツールのステッチプル試験結果を比較するグラフである。 図１４Ａ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と従来のボンディングツールとの寿命を比較するデータを含む表である。 図１４Ｂは、図１４Ａのデータの棒グラフである。 図１５Ａ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を用いて形成されたワイヤーループの第２の結合の写真である。 図１５Ｂは、図１５Ａの第２の結合を形成するために用いられたボンディングツールの表面の一部の写真である。 図１５Ｃは、従来のツヤなし仕上げボンディングツールを用いて形成されたワイヤーループの第２の結合の写真である。 図１５Ｄは、図１５Ｃの第２の結合を形成するために用いられたボンディングツールの表面の一部の写真である。 図１５Ｅは、従来の磨き仕上げされたボンディングツールを用いて形成されたワイヤーループの第２の結合の写真である。 図１５Ｆは、図１５Ｅの第２の結合を形成するために用いられたボンディングツールの表面の一部の写真である。 図１６Ａ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を用いて形成されたワイヤーループの第２の結合のプル強度に関係するデータを含む表である。 図１６Ｂは、従来のボンディングツールを用いて形成されたワイヤーループの第２の結合のプル強度に関係するデータを含む表である。

Claims (22)

  1. ボンディングツールであって、
    先端部において終端するボディー部を有し、
    前記先端部は特定の材料により形成され、少なくとも当該先端部の一部は前記材料の粒子構造に露出されているものである
    ボンディングツール。
  2. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、前記先端部の上面部における粒子構造は露出しているものである。
  3. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、前記先端部の内側面取り部における粒子構造は露出しているものである。
  4. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、前記ボディー部はワイヤーボンディング装置のトランスデューサーと連結するように構成された連結部を含み、前記連結部における粒子構造は露出しているものである。
  5. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、前記ボンディングツールは前記材料の単一片として形成され、前記材料の粒子構造は前記ボンディングツールの外側全体において露出しているものである。
  6. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、露出した粒子構造を有する前記先端部の前記部分の表面には複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記複数の凹凸を形成する先端部の前記部分における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
  7. 請求項６記載のボンディングツールにおいて、前記凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２である。
  8. 請求項６記載のボンディングツールにおいて、前記凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２であり、表面粗度の平均値は少なくとも０．０４μである。
  9. 請求項１記載のボンディングツールにおいて、前記ボンディングツールには前記ボンディングツールの長さに沿って延びる穴が形成され、前記穴は一定長さのワイヤーを受容するように構成され且つ前記先端部の内側面取り部で終端するものであり、前記内側面取り部に隣接する前記先端部の終端部に上面部が形成されるものであり、（１）前記内側面取り部および（２）前記上面部のうちの少なくとも１つの粒子構造は露出しているものである。
  10. 請求項９記載のボンディングツールにおいて、前記内側面取り部および前記上面部の双方の粒子構造は露出しているものである。
  11. 請求項９記載のボンディングツールにおいて、前記上面部の粒子構造は露出しており、前記内側面取り部の表面の粒子構造は露出していないものである。
  12. 請求項１１記載のボンディングツールにおいて、前記内側面取り部の表面は研磨仕上げされているものである。
  13. ボンディングツールであって、
    先端部において終端するボディー部を有し、
    前記先端部の少なくとも一部の表面には複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記複数の凹凸を形成する前記先端部の前記部分における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである
    ボンディングツール。
  14. 請求項１３記載のボンディングツールにおいて、凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２である。
  15. 請求項１３記載のボンディングツールにおいて、凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２であり、前記表面粗度の平均値は少なくとも０．０４μである。
  16. 請求項１３記載のボンディングツールにおいて、前記ボンディングツールには前記ボンディングツールの長さに沿って延びる穴が形成され、前記穴は一定長さのワイヤーを受容するように構成され且つ前記先端部の内側面取り部で終端するものであり、前記内側面取り部に隣接する前記先端部の終端に上面部が形成されるものであり、（１）前記内側面取り部および（２）前記上面部のうち少なくとも１つの表面には複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、（１）前記内側面取り部および（２）前記上面部のうちの前記少なくとも１つにおける表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
  17. 請求項１６記載のボンディングツールにおいて、凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２である。
  18. 請求項１６記載のボンディングツールにおいて、凹凸の密度は少なくとも２０μ＾−２であり、表面粗度の平均値は少なくとも０．０４μである。
  19. 請求項１６記載のボンディングツールにおいて、前記内側面取り部および前記上面部の双方の表面には前記複数の凹凸が形成されているものである。
  20. 請求項１６記載のボンディングツールにおいて、前記上面部の表面には前記複数の凹凸が形成され、前記内側面取り部の表面は研磨仕上げされているものである。
  21. 請求項１３記載のボンディングツールにおいて、前記ボディー部は、ワイヤーボンディング装置のトランスデューサーと連結するように構成された連結部を含み、前記連結部の表面においても複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記連結部の表面における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
  22. 請求項１３記載のボンディングツールにおいて、前記ボンディングツールは前記材料の単一片として形成され、前記ボンディングツールの外側全体の表面には複数の凹凸が形成され、前記凹凸の密度は少なくとも１５μ＾−２であり、前記ボンディングツールの前記外側全体の表面における表面粗度の平均値は少なくとも０．０３μである。
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