JP2541753B2 - ボンディング方法及び装置 - Google Patents

ボンディング方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には熱強化超音
波振動ボンディング装置とボンディング方法に関し、特
に形成された接合部が大きさ、形状、及び強度の点でほ
ぼ均一になるように、ボンディング時にボンディング・
チップの温度が制御される装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波によるボンディングまたは溶接
は、高周波振動を利用して表面の膜と酸化物を破砕する
ことによって、接触した面間の原子間拡散とフローを促
進するメタラジカルな接合方式である。超音波によるボ
ンディングまたは溶接のプロセスは、簡単にいえば選択
されたワーク（加工品）をボンディング・チップまたは
溶接端部と支持材との間で適当な圧力により一括固定
し、次に高周波振動エネルギを比較的短時間（数分の１
秒乃至数秒）チップに加えるステップから成る。ワーク
表面にほぼ平行に超音波振動エネルギを加えることによ
って接合部が作られる。第２ワーク表面上の第１ワーク
の表面の横方向の運動によって第２ワーク上の膜が破
れ、初期接合面が得られる。圧力、時間、温度及び超音
波エネルギの各パラメータにより、ワーク表面の界面で
熱が発生し、表面が連結して初期面が形成され、本来の
意味でのメタラジカルな接合部が得られる。このプロセ
スの成否を決めるのは、超音波エネルギと熱をワークに
効率よく繰返し伝達することを目的に設計された特殊な
ボンディング装置を用いるかどうかである。
【０００３】２つ以上の類似物質または異種物質を密
閉、接合、或いは溶接するために熱と超音波振動を組合
わせる方法は、当初は熱可塑性樹脂や不織布のほか、溶
接の強度や均一性はあまり重視されない金属に限られて
いた。
【０００４】超音波ボンディングには特別な問題が伴
う。たとえば選択されたワークへの超音波エネルギの伝
達効率がよくないボンディング・チップの最適温度の設
定、制御、維持が難しく、満足のいく完成接合部を繰返
し形成しにくい、などである。この点に関し、超音波エ
ネルギが最大限に伝達されるようボンディング装置を改
良した例として、米国特許第４７７６５０９号明細書及
び同４７７８０９７号明細書がある。加熱超音波装置と
しては電気抵抗加熱素子（米国特許第４５２９１１５号
明細書）や、レーザ光源（米国特許第４５３４８１１号
明細書）を用いたものが開発されている。
【０００５】米国特許第４７７６５０９号明細書による
と、ボンディング・チップの改良点として、チップの端
から伸びた複数の非平行面により、導電体またはワーク
に伝えられる超音波エネルギの量を最大にするものがあ
る。これらの面はチップの中に窪ませたり、チップ端か
ら外に突き出すことで、超音波エネルギを導体に対して
平行、垂直いずれの方向にも伝えることができる。米国
特許第４７７８０９７号明細書ではパッドに対してワイ
ヤを保持する溝がボンディング・チップに設けられる。
チップ中央は凹面であり、その断面形状は形態と寸法の
いずれについてもワイヤの断面形状の小部分に似せてい
る。
【０００６】米国特許第４５２９１１５号明細書を代表
例とすると、通常、従来の加熱超音波ボンディング装置
はボンディング・チップまたは溶接端部のまわりに電気
抵抗コイルが巻かれる。抵抗コイルは溶接端部の最適温
度の設定と維持を熱によって補助する役割を持つ。抵抗
コイルと溶接端部との間の伝熱性を最大にするために、
抵抗コイルを被覆／絶縁するカプトン・テープが用いら
れる。この特許の難点は加熱された熱質量が、所望の接
合部または溶接部の比面積に比べて極めて大きいことで
ある。抵抗コイルと溶接端部との間の伝熱効率は、部分
的には絶縁テープの均一性に限定される。また熱質量の
昇温後の平衡温度は、安全性を損なう恐れがあるか、或
いは隣接した感熱部品や一体成形された感熱部品の動作
能力を損なう可能性がある。こうした制限が積み重なる
結果、この種の加熱超音波溶接では細線や極細線、光学
装置の部品、感熱回路素子を持つ装置などに望ましい接
合部を得ることはできない。
【０００７】代表例として米国特許第４５３４８１１号
明細書を参照すると、従来のレーザ併用超音波ボンディ
ング装置（レーザ・ソニック・ボンディング装置ともい
う）は、レーザと中空の超音波ボンディング・チップを
用いて実現される。レーザと超音波ボンディング・チッ
プを組合わせることで、短いパルスにより限定された接
合面において、局所熱を動的に発生させることができ
る。超音波ボンディングを動的なレーザ熱と組合わせる
ことで、米国特許第４５２９１１５号明細書の加熱装置
の欠点をいくつか回避することができる。すなわち、加
熱された熱質量はレーザ・パルスによる動的手段を通し
て最適温度が得られる限りは、かなり小さくすることが
できる。テープなど、他の補助的な絶縁手段または接合
手段は不要である。また、溶接または接合に最適な熱が
動的に伝達されるので、隣接する感熱素子または一体成
形の感熱素子を破損する可能性が少なくなる。ただし、
レーザはコストが高く、複雑であり、チップはさらに高
コストであって、一部のボンディング・プロセスでは使
用できず、レーザ源の伝送に用いられる光ファイバは、
およそ接合部が１０００個に達するたびに再研磨しなけ
ればならない。
【０００８】そのためこれまでは、隣接する感熱部品を
破損し得るボンディング・チップの熱質量の加熱状態が
継続しないように、必要なボンディング・エネルギをボ
ンディング・チップによって与える必要があった。必要
なボンディング・チップは好適には、これまでのボンデ
ィングの方法や装置と併用できるものである。必要なボ
ンディング・チップはさらに、製造コストが比較的低い
ものが望ましい。以下、こうしたニーズに応える本発明
のさまざまな態様の実施例について説明する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は細線、
極細線または回路素子を接合して、導電率が高く機械的
強度があり、メタラジカルな適合性に優れた接続部が形
成できる超音波ボンディング装置を提供することであ
る。
【００１０】本発明の目的は、接合部の特性のばらつき
をなくすボンディング方法を提供することである。
【００１１】本発明の目的は、加熱超音波ボンディング
装置を比較的低いコストで製造するプロセスを提供する
ことである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明のボンディング・
チップは極細なワイヤ、テープなど、回路素子やワーク
に接合される物質に対して、ボンディングに備えて移動
するようにされる。ボンディング・チップの表面には、
ボンディング・チップ側で局所熱を発生させるために抵
抗加熱手段（抵抗層など）が用いられる。あるボンディ
ング・サイクルでボンディング・チップの温度をモニタ
するために制御手段が用いられる。これにより上記素子
の温度が所定範囲内にとどまる。
【００１３】
【実施例】素子１２、１３を接合可能な超音波ボンディ
ング装置１０を図１に示す。ボンディング・チップ１５
の第１端部はほぼ円筒型で先が細くなっている。ボンデ
ィング・チップの形状は図１に限られない。本体は先細
型やくさび型でもよく、超音波エネルギとボンディング
・チップ１５の接続を改良するために変更を加えること
もできる。
【００１４】ボンディング・チップ１５はまた薄膜抵抗
器２０を含む。薄膜抵抗器２０は電流の経路になる導電
パス２１と、導電パスよりも幅のある少なくとも２つの
接点２２を含む。薄膜抵抗器２０はその接点２２で外部
の電源４０に接続される。実施例の場合、接点２２の幅
と表面積は導電パス２１よりも大きく、これによって外
部電源４０との接続が容易になる。
【００１５】接合される素子１２、１３はボンディング
・チップの下に位置づけられる。チップ１５の端部は接
合されるジョイント１４の上に位置する。ジョイントの
１素子１２は、集積回路１１上のコンタクト・パッドや
光カプラである。他方の素子１３は極細のワイヤ、テー
プ、光ファイバなど、素子１２に接合される物質であ
る。チップ１５はジョイント１４で接合される素子１
２、１３のいずれか１つまたは両方に接触するまで垂直
方向に移動する。素子１２、１３はクランプなどにより
適当な圧力で固定される。
【００１６】図２は第２実施例である。ボンディング・
チップ１５は１本のワイヤ１３を収容できる開口３０を
含む。ワイヤ素子１３の位置決めは図２のボンディング
・チップ１５の開口３０によって容易になる。
【００１７】再び図１を参照する。超音波発生器５０は
超音波エネルギをボンディング・チップ１５に伝え、電
源４０は同時に電流パルスを薄膜抵抗器２０に印加す
る。この超音波振動エネルギは実質的に水平方向であ
る。パルス化などのように電流を変化させることによっ
て、ボンディング・チップ１５の端部が薄膜抵抗器２０
によって生じた熱を吸収し、ボンディング・チップ１５
の温度が上がる。素子１２、１３をジョイント１４で接
合するのに必要なエネルギは、超音波振動エネルギと薄
膜抵抗器２０によって生じた熱の組合わせによって発生
する。得られたエネルギにより素子１２、１３の各々の
膜が破られ、ジョイント１４に初期接合面が得られる。
これにより本来の意味でのメタラジカルな接合部が得ら
れる。これに代えてジョイント１４に、はんだを使用す
ることもできる。その場合、はんだの溶解に必要な超音
波振動エネルギと薄膜抵抗器２０による熱が組合わせら
れ、ジョイント１４に、はんだリフロー接合部が形成さ
れる。
【００１８】接合部の強度はボンディング時に生じるボ
ンディング・チップの振動の振幅に関係する。振動周波
数はまた、ある共鳴特性をボンディング・チップに与え
る。共鳴特性は、とりわけ使用されるボンディング・チ
ップの性質（ボンディング・チップ自体の長さなど）に
依存する。
【００１９】接点２２は製造プロセスにおいて、ボンデ
ィング・チップ１５上に生じる節点または逆節点の位置
に形成することができる。節点は最大応力と最小歪みに
対応するため、接点２２をここに設けるのが望ましい。
逆節点すなわち最大歪みと最小応力の位置に接点２２を
形成するのは、この点では振動振幅が大きく、接続の均
一性に関して問題が生じ、接点２２がボンディング・チ
ップから切り離されたり、接点自体に疲れ応力が生じる
可能性があるため比較的不利である。
【００２０】ボンディング・チップの端部に置かれた抵
抗器を通して、パルス化などのように電流を変化させる
ことにより、ボンディング・チップ１５をエンハンスす
る熱が、時間的、空間的に局所化される。すなわち、熱
パルスの持続時間がジョイント１４の、初期接合面から
集積回路１１上の隣接する感熱素子（図示なし）への熱
拡散の時間よりも短いのであれば、隣接する感熱素子の
破損を防ぐことができる。
【００２１】代表的な回路基板の熱拡散時間は数十ミリ
秒の範囲であるから、ボンディングが最適化されるよう
に電流パルスの波形と時間を超音波プロセスに合わせて
決定することができる。また温度は抵抗器自体、装置付
近に配置された別の磁気抵抗センサ、ボンディング・チ
ップ１５または回路素子１２側の熱電対などの抵抗変化
により検出することができる。検出された温度は次に制
御手段の一部として、加熱器への電力、電圧、または電
流を制限或いは整形し、接合部の特性を均一にするため
に用いることができる。
【００２２】図３はアルミナ・チタニウム炭化物のウエ
ハ上に形成され、０．２５ｍｍ平方乃至０．５ｍｍ平方
を占める抵抗器について取られたデータをまとめたもの
である。ラン１、２では、ガラス接合剤（融点３２０
℃）の溶解に０．５ｍｍ平方の抵抗器が用いられ、ラン
３、４、５では各々ガラス接合剤、はんだ、ワックス接
合剤の溶解に０．２５ｍｍ平方の抵抗器が用いられる。
図４は実際のボンディング・チップ上に形成された抵抗
器について２回のランから取られたデータを示す。物
質、形状、抵抗器の設計などによるが、所望の温度に加
熱するのに必要な平均電流は１乃至３ワットである。こ
の電流はチップによって、ボンディングに必要な体積の
物質だけが加熱されるように、隣接する感熱回路素子の
熱拡散時間よりも短い時間間隔でパルス化される。ボン
ディング・エネルギを制御する手段は、ボンディング・
プロセスのとき加熱器である抵抗器２０の抵抗変化をモ
ニタするものである。抵抗変化は所与の抵抗器物質につ
いて、温度変化に直接関係づけられる。また、ある種の
ボンディング方式、たとえばボンディング・プロセスで
プラスチックまたは、はんだが局所的に溶解される場
合、その抵抗値は固体界面に対して液体界面への伝熱性
が良好なために急激に変化し得る。
【００２３】薄膜抵抗器２０は後述するように、これま
でのフォトリソグラフィ方式に従って従来のボンディン
グ・チップ上に形成することができる。
【００２４】ボンディング・チップ１５の表面は最初に
アルミナ、２酸化シリコンなどの絶縁物質で覆われる。
絶縁物質はスパッタリングによって被着でき、薄膜抵抗
器２０をボンディング・チップ自体から絶縁する役割を
持つ。実施例の場合、絶縁層は厚みが約０．５ミクロン
である。これに代わる絶縁物質としてポリイミドがあ
る。ポリイミドはフロート・オン・プロセス、スピン・
キャスティング・プロセスなどでチップに被着できる。
【００２５】ボンディング・チップ１５は次に導電金属
薄膜で覆われる。絶縁物質と同様にこの導電薄膜もスパ
ッタリングや蒸発によって被着できる。実施例の導電膜
は厚み約０．０５乃至１ミクロンであり、組成は金（Ａ
ｕ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）などである。
【００２６】ボンディング・チップ１５は次に従来の方
式により、フォトレジストで覆われる。ボンディング・
チップ１５の形状からいえば、フォトレジスト上のスピ
ンは困難であるがフロート・オン・プロセスは可能であ
る。フォトレジストはマスクを用いてボンディング・チ
ップの平坦部まで露光され、所望の抵抗器２０の像また
はパターンがフォトレジストに転写される。露光された
フォトレジストは後に現像／除去され、露光されなかっ
たフォトレジストだけが残る。実施例の場合、現像プロ
セスに水溶液が用いられ、これまでの方式で処理され
る。
【００２７】ボンディング・チップ１５の表面は次にエ
ッチングされ、除去されたフォトレジストの領域で導電
金属薄膜が取除かれる。実施例では化学的エッチング、
スパッタ・エッチング、イオン・ビーム・ミリングな
ど、代表的なエッチング方式が用いられる。
【００２８】最後に残りの金属薄膜を覆っていたフォト
レジストが、取除かれるか剥離される。ここでもプロセ
スは従来の方式に従う。実施例ではアセトン、イソプロ
ピル・アルコールなどの溶剤が用いられる。
【００２９】典型的なボンディング・チップ表面では、
上述のプロセスのフィーチャが約２０ミクロン以上に限
定される。フォトレジストのビードはチップから５０ミ
クロン以内に形成される。したがって、パターンはチッ
プから５０ミクロンを超える厚みにするか、ウィッキン
グなどのフォトリソグラフィ・プロセスによってビード
の形成を防ぐ必要がある。
【００３０】以上、熱圧着プロセス、超音波プロセス及
び超音波併用熱圧着プロセスに用いられるボンディング
・チップ温度を発生させる、本発明の１実施例に従った
方法及び装置について説明した。
【００３１】
【発明の効果】本発明のボンディング装置は、低抵抗で
接合強度が高く、接合部の特性のばらつきが少ない接続
を実現でき、また構造簡単で経済的であり、さらに隣接
する感熱素子に対する悪影響を最小にしつつ効果的に加
熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱超音波ボンディング・チップ装置
の図である。
【図２】接合されるワイヤ素子の案内を補助する開口を
含む図１のボンディング・チップの第２実施例を示す断
面図である。
【図３】薄膜抵抗器の温度と印加電流を表わす図であ
る。
【図４】薄膜抵抗器の温度と印加電流を表わす図であ
る。
【符号の説明】
１０ 超音波ボンディング装置 １１ 集積回路 １２、１３ 素子 １４ ジョイント １５ ボンディング・チップ ２０ 薄膜抵抗器 ２１ 導電バス ２２ 接点 ５０ 超音波発生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リンダ・エイチ・レーン アメリカ合衆国95020、カリフォルニア 州ギルロイ、ロンドン・ドライブ 475 (72)発明者 セリア・エリザベス・イエック−スクラ ントン アメリカ合衆国95120、カリフォルニア 州サンホセ、ビュークレスト・コート 20242 (56)参考文献 特開 昭54−133451（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−101754（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−208331（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−19315（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−25882（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ボンディング・チップと、 前記ボンディング・チップ上に設けられた絶縁層と、 対になった接点および前記接点の間に設けられた導電パ
    スからなる、前記絶縁層上に設けられた薄膜抵抗器とを
    有するボンディング装置。
  2. 【請求項２】前記薄膜抵抗器の前記接点に接続され、前
    記薄膜抵抗器にパルス化電流を供給して前記ボンディン
    グ・チップを加熱するための電源と、 前記ボンディング・チップの温度を測定して前記パルス
    化電流を制御する手段と、 前記ボンディング・チップに結合され、前記ボンディン
    グ・チップに超音波ボンディング・エネルギを供給する
    超音波発生器とを含む請求項１記載のボンディング装
    置。
  3. 【請求項３】２つの面をボンディングする方法であっ
    て、 ボンディング・チップ上に一体的に形成された薄膜抵抗
    器を通してパルス化電流を供給して前記ボンディング・
    チップに熱エネルギを生成すると共に、前記ボンディン
    グ・チップに超音波エネルギを印加するステップと、 前記熱エネルギと前記超音波エネルギを前記２つの面に
    伝え、２つの面を接合するステップとを含むボンディン
    グ方法。
  4. 【請求項４】前記ボンディング・チップの温度を測定し
    て前記パルス化電流を制御するステップを含む、 請求項３記載のボンディング方法。
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