JP3981177B2 - 半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は集積回路（ＩＣ）の相互接続部の分野に関する。更に具体的に言えば、この発明は高周波超音波エネルギを利用したＩＣの相互接続部、特に、高周波超音波エネルギを利用した室温でのＩＣの相互接続部に関する。
【０００２】
【従来の技術及び課題】
半導体装置に対する回路の相互接続部を作る標準的な方法は、ワイヤ、典型的には金又はアルミニウム合金のワイヤを、半導体ダイの上にあるアルミニウム合金のボンド・パッドにボンディングする事である。金のワイヤの場合、ボンドは最終的には、時間及び温度に応じて、そして拡散の挙動によって定められる通りに幾つかの相をとり得る金属間化合物構造になる。ボンドの最大の強度は、ボール・ボンドの下を覆う金属間化合物を最大にする事によって達成される。
【０００３】
きれいな表面、高い温度、及び適正な量の圧力並びに機械的なスクラッビングが、ワイヤ及びボンド・パッドにある金及びアルミニウム金属の間に最適の反応を行なわせるのに寄与する。非常に短いボンディング時間を使って、これらの表面の間に金属間結合部を作る事が理想的である。典型的な多くの半導体装置に対する満足し得る方法が開発されているが、熱音響形（サーモソニック）ボンド方法の名前で知られるこの全ての方法は、ボンディング過程の間、半導体装置の温度を高くする事に頼っている。
都合の悪い事に、ディジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）のような微小機械式装置では、従来のＩＣワイヤ・ボンディング方法によって必要とされる高い温度を許す事が出来ない。その為、ＤＭＤのような温度の影響を受け易い装置を、この温度の受け易い構造を損なわずに製造する事が出来るようにする室温でのワイヤ・ボンディング方法が必要になっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】
上に述べた問題が、この発明の方法と装置により、大部分解決される。即ち、この発明は、周囲温度で十分丈夫なボンドが形成されるようなワイヤ・ボンディング方法を提供する。この発明は、最適にしたキャピラリ管と共に高周波超音波エネルギを利用して、こういう利点を提供する。
一実施例では、ここに開示する装置は、２００ｋＨｚより高い周波数、好ましくは２３５−２４５ｋＨｚ、更に好ましくは２３７ｋＨｚでキャピラリ管を振動させる超音波源を提供し、この間、キャピラリ管の中に保持されたワイヤはボンディング箇所に圧接しておく。
【０００５】
全体的に言うと、この発明はワイヤ・ボンドを形成する方法を提供する。この方法は、キャピラリ管を用いて半導体装置にワイヤ相互接続部を圧接し、２００ｋＨｚより高い周波数でキャピラリ管を振動させて、ワイヤ相互接続部及び半導体装置のパッドの間に金属間結合部を形成する工程を含む。
この発明並びにその利点が更に完全に理解されるように、次に図面について説明する。
【０００６】
【実施例】
熱音響形ボンド方法は、金のワイヤのようなワイヤ相互接続部と、半導体装置のボンド・パッドの間に良好なボンドを達成する広く用いられている方法である。一般的に、この方法は６０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの低い周波数及び約１７５℃乃至３００℃の温度を用いる。この発明は、高いボンディング周波数（２００ｋＨｚより高い）及び低い温度（１００℃未満）を用いて、ワイヤ相互接続部と半導体のボンド・パッドの間に十分なボンドを得る方法を提供する。ここで説明する装置は、ボンディング温度を最低にしながら、形成される金属間結合部を最大にするように最適にされている。この方法と装置を使うと、室温又は周囲温度（１０℃乃至５０℃）で丈夫なボンドが形成される。更に、ここで説明する低温ボンディング方法は、ボンディング過程の間に加わる粒子の数を最小限に押える。これは、ＤＭＤのように可動部分を持つ微小機械式装置を処理する時、特に重要である。
【０００７】
次に図面全般について、特に図１について説明すると、従来の典型的なワイヤ・ボンダ１００が略図で示されている。ボンダが、ボンド・ワイヤ１０４を保持するキャピラリ管１０２を含む。ボンド・ワイヤは金が典型的である。ボール・ボンドを形成する為、典型的には、ワイヤの端を火花に露出する事により、ワイヤの端を溶融させてボール１０６を形成する。その後、ボールを圧力源１１２により、半導体装置又はＩＣ １１０のボンド・パッド又はボンド箇所１０８に圧接する。ボール１０６をボンド・パッド１０８に圧接する間、キャピラリ管１０２、ワイヤ１０４及びキャピラリ管１０２に保持されたワイヤ・ボール１０６を超音波変換器１１４によって低い周波数で振動させる。この変換器は、超音波源１１６によって駆動される。ワイヤ・ボール１０６がボンド・パッド１０８に圧接されるのと同時に、パッケージ又はリードフレーム１１９に取付けられたＩＣ１１０及びボンダ１００が加熱ブロック１２０によって加熱される。別の熱源である加熱素子１２２が変換器１１４を介してキャピラリ管１０２を加熱する。圧力、超音波振動及び熱の組合せにより、ワイヤ・ボールは、界面１２４でボンド・パッドに結合される。ボンダの残りの部分がブロック１２６で表わされている。
【０００８】
ＩＣ １１０は、その上にボンド・パッド１０８が作られている任意の種類の半導体装置である。任意の種類のＩＣ １１０が適しているが、ここに開示した方法は、ＤＭＤ又はその他の微小機械式装置のように、１８０℃の典型的なボンディング温度に耐える事が出来ないＩＣ １１０をボンディングする為に最適にしてある。典型的なＩＣ １１０は何れも、その上に種々のメタライズ層をデポジットした単結晶基板を有する。ボンド・パッド１０８又はボンディング箇所は、典型的には、ＩＣの周辺にあって、ＩＣ １１０上に作られた回路と電気的に接触している小さな金属領域であるのが典型的である。典型的には、ボンド・パッド１０８は実質的にアルミニウム合金、特に、約２％の銅を含むアルミニウム合金で作られるが、事実上この他の任意の金属でも働く。
【０００９】
ワイヤ１０４は９９．９９％金であるのが典型的である。金のワイヤが好ましいのは、この他の室温方法のアルミニウム・ワイヤの超音波ウェッジ・ボンディングは、ワイヤ・ボンディング過程の間、一層多くの粒子の汚染を生ずる傾向があるからである。試験によると、室温に於けるアルミニウムのウェッジ・ボンディングに比べて、室温に於ける金のボールのボンディングを使うと、粒子の汚染が１０ｘ減少する事が分った。更に、一層柔らかい金のワイヤは、金属間化合物の形成が進む為に、一層丈夫なボンドを形成する。しかし、一層硬い金のワイヤにすると、ワイヤ・ループの輪郭の制御が一層良くなる。従って、最適の金のワイヤの種類は、柔らかい種類及び硬い種類の間の兼ね合いである。実際に選ばれるワイヤは、特定のパッケージ及び使われる集積回路の関数である事がある。これは、こういう因子が必要なワイヤ・ループの長さを決定する為である。典型的には、ワイヤ・ループの輪郭の適切な制御が出来るような範囲内で、最も柔らかい金のワイヤを使う。
【００１０】
図２はワイヤ１０４を除いたワイヤ・ボンディング用キャピラリ管１０２の断面図を示す。キャピラリ管の本体２０２は、酸化ベリリウム又はセラミック材料であるのが典型的であるが、その縦軸線２０３に沿って内側導管又は中孔２０４を取囲んでおり、ボンディング・ワイヤ１０４（図２には示してない）がその中を通り抜ける。キャピラリ管の本体２０２は、円錐角２１０と呼ばれる角度で端面２０６迄テーパがついている。図２に示すキャピラリ管は真直ぐなテーパを持ち又は円錐であるが、ボトルネックと呼ばれる複雑なテーパを持つキャピラリ管も利用し得る。円錐形のキャピラリ管が好ましいが、ボトルネック形キャピラリ管も使う事が出来る。キャピラリ管の端面２０６は、軸線２０３に対して垂直な平面に対して角度を持っているのが典型的である。実験によると、室温ボンディング方法にとって最適の面の角度２０７は４度乃至１１度である。更に具体的に言うと、８度の面の角度２０７が望ましい。
【００１１】
キャピラリ管は端面２０６及び中孔２０４の間の交差部に面取り２０８を有する。面取り２０８及び端面２０６の表面が交差すると、ＩＣ １１０上のボンディング・パッド１０８とリードフレーム又はセラミック・パッケージ上の同様なボンディング・パッドの間にワイヤ１０４を張った時のワイヤの抗力が減少する。更に、面取り２０８及び端面２０６の交差によって形成された縁は、リードフレーム上にステッチ又はウェッジ・ボンドが形成された後、ワイヤ１０４を切断するのに役立つ。
【００１２】
試験によると、面取りの角度とステッチ・ボンドの尾部の間に強い相互作用がある事が分った。室温ボンディングには一層高い超音波周波数が必要である為、キャピラリ管の振動の振幅は、高い温度に於けるボンドに伴う振動よりもずっと大きい。振動の振幅が増加した事により、丈夫なステッチ・ボンドが完成する前にワイヤが時期尚早に切断される事がある。試験によると、１つの一層大きな面取りの角度は、ステッチ・ボンドの尾部を時期尚早に切断する惧れが一層小さい事が分った。表１に、５種類の試験されたキャピラリ管及び夫々の種類を使う事から生じたボンドの特性の要約が示されている。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１に纏めた試験は、１１６ｋＨｚの超音波源及び６０℃のボンディング温度を用いて実施された。ボンディング温度を周囲温度迄下げる為に、キャピラリ管の材料、キャピラリ管の形状、リード線のめっきのメタライズ組成及びパッケージ清浄化手順のボンド強度に対する影響を判断する為に、別の調査を実施した。最も重要な因子は、超音波周波数を２００ｋＨｚより高くする効果である。更に、周波数がキャピラリ管の先端に於ける機械的な振動の振幅に反比例するから、一層高い周波数のボンディングにすると、キャピラリ管の面取りの角度が一層小さくても、ステッチ・ボンディングの際に時期尚早の切断が起らないようにする余裕が大きくなる。更に、キャピラリ管の先端が小さい事は、キャピラリ管の先端に於ける超音波振動の実効的な振幅を拡大するように思われる。
【００１５】
セラミックキャピラリ管の結晶粒の寸法もボンディング過程に影響した。試験によると、セラミックのキャピラリ管の結晶粒の寸法が減少するにつれて、ボンド強度が増加する事が分った。最適のキャピラリ管は１５度の円錐角を持つが、２０度乃至１０度の円錐角を持つキャピラリ管でもうまく働く。好ましいキャピラリ管はスモール・プレシジョン・トゥールズ・インコーポレイテッド社によって製造されているが、この他のキャピラリ管も使う事が出来る。
【００１６】
テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテッド社によって製造されるアバカスIII ボンダ又はクリッケ・アンド・ソファ・インダストリーズ・インコーポレーテッド社によって製造されたＫ／Ｓ １４８４ボンダのような現存のワイヤ・ボンダは、ここで説明しているボンディング方法を実施する事が出来るように容易に変更する事が出来る。図３は変更した後のアバカスIII ボンダ３０４の略図を示す。最適の性能を得る為には、１０度乃至２０度の円錐角、５乃至８ミル、好ましくは６．０乃至６．５ミルの先端の直径、２ミル未満の孔の直径、４度乃至８度の面の角度、２．５乃至３．０ミルの面取りの直径、及び７０度乃至９０度の面取りの角度を持つセラミックのキャピラリ管３０２を使う。２００ｋＨｚより高い周波数、面に具体的に言うと、２３５乃至２４５ｋＨｚの範囲内の周波数、理想的には２３７ｋＨｚの周波数でキャピラリ管を振動させる事が出来る超音波源３０６を使う。
【００１７】
変更したボンダ３０４を使ってワイヤ・ボンドを形成する過程は、従来の方法と同様であるが、一層高い超音波周波数、ボンドの力又は圧力、超音波エネルギ及び一層長いボンド時間を用いる。図４はこれに関連する工程を示すフローチャートである。ブロック４００で、ＩＣ及びパッケージ又はリードフレーム上のボンディング箇所をプラズマ清浄化過程にかける。ブロック４０２で、電気火花を用いて、ボンド・ワイヤの端にボールを形成する。その後、ブロック４０４で、３０乃至４０グラムの静的な力で、ボールをボンド・パッドに圧接する。２９０℃のボンディング温度を用いる従来のボンド方法に比べて、圧力は３０％減少する。その後、ブロック４０６で、超音波源をターンオンし、１．０乃至１．３ワットのエネルギを用いる。２９０℃の従来のボンド方法に比べると、超音波エネルギは７５％増加する。十分なボンド時間、普通は６乃至１０ミリ秒で、これは２９０℃の温度を用いる従来のボンド方法の時間より４０％長いが、この時間の後、超音波源をターンオフし、ボール・ボンドが完成する。
【００１８】
ボール・ボンドを形成した後、ボール・ボンドの箇所と、その上にステッチ・ボンドを形成する箇所の間にワイヤ・ループを形成する（ブロック４０８）。ブロック４１０で、キャピラリ管から引きずり出したワイヤを、今度はリードフレーム又はパッケージ上のボンディング箇所にもう一度圧接する。ステッチ・ボンドでは、ボンド圧力は、従来の２９０℃のステッチ・ボンドに必要な圧力より３３％増加して、４０乃至５０グラムにする。ワイヤをボンディング箇所に圧接しながら、ブロック４１２に示すように、超音波源をターンオンして１．２乃至１．４ワットのエネルギ・レベルを用いる。これは従来の２９０℃のステッチ・ボンドに使われるレベルより７０％高い。ステッチ・ボンド工程４１２は３０ミリ秒かかるが、これは従来のステッチ・ボンドの場合より５０％長い。その後、超音波源をターンオフし、ブロック４１４に示すように、この時ボンディング・ワイヤを切断したキャピラリ管を引っ込め、後に完成されたステッチ・ボンドを残す。ＩＣのボンディング箇所にあるボール・ボンド及びパッケージのボンディング箇所にあるステッチ・ボンドが好ましいが、相互接続部の一方又は両方の端でステッチ・ボンドを使う事が出来る。
【００１９】
これ迄、室温でワイヤ・ボンディングを行なう方法の特定の実施例並びにその為の装置を説明して来たが、このように具体的な場合について説明した事が、特許請求の範囲に定める事項以外に、この発明の範囲に対する制約と考えてはならない。更に、この発明を特定の実施例に関連して説明したが、当業者にはこの他の変更が容易に考えられる事は勿論であるから、このような全ての変更もこの発明の範囲内に含まれる事を承知されたい。
【００２０】
以上の説明に関連して、さらに次の項を開示する。
（１） 半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする方法に於いて、キャピラリ管を用いて前記ワイヤ相互接続部を前記半導体装置に圧接し、２００ｋＨｚより高い周波数で前記キャピラリ管を振動させて、前記ワイヤ相互接続部及び前記半導体装置の間に金属間結合部を形成する工程を含む方法。
（２） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が、２０度未満の円錐角を持つキャピラリ管を用いて実施される方法。
（３） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が、２０度乃至１０度の円錐角を持つキャピラリ管を用いて実施される方法。
（４） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が、１５度の円錐角を持つキャピラリ管を用いて実施される方法。
（５） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が、両極限を含めて２３５乃至２４５ｋＨｚの範囲内の周波数で実施される方法。
【００２１】
（６） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が、２３７ｋＨｚの周波数で実施される方法。
（７） 請求項１記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させる工程が６乃至１０ミリ秒の期間の間実施される方法。
（８） 請求項１記載の方法に於いて、前記半導体装置にワイヤ相互接続部を圧接する工程が、３０乃至４０グラムの静的な力を用いて実施される方法。
（９） 請求項１記載の方法に於いて、ワイヤを振動させる工程が、１．０乃至１．３ワットのエネルギを用いて実施される方法。
（１０） 請求項１記載の方法に於いて、更に、前記キャピラリ管を用いてパッケージ・リード線に前記ワイヤ相互接続部を圧接し、２００ｋＨｚより高い周波数で前記キャピラリ管を振動させて、前記ワイヤ相互接続部及び前記パッケージ・リード線の間に金属間結合部を形成する工程を含む方法。
【００２２】
（１１） 請求項１０記載の方法に於いて、ワイヤ・パッケージに前記ワイヤ相互接続部を圧接する工程が、４０乃至５０グラムの静的な力を用いて実施される方法。
（１２） 請求項１０記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させて前記ワイヤ相互接続部及び前記パッケージ・リード線の間に金属間結合部を形成する工程が、２３７ｋＨｚの周波数で実施される方法。
（１３） 請求項１０記載の方法に於いて、前記キャピラリ管を振動させて、前記ワイヤ相互接続部及び前記パッケージ・リード線の間に金属間結合部を形成する工程が、１．２乃至１．４ワットのエネルギを用いて実施される方法。
（１４） 半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする装置に於いて、その中にワイヤ相互接続部を通すことが出来る縦方向通路を持つキャピラリ管と、該キャピラリ管に２００ｋＨｚより高い振動を加える高周波変換器と、前記半導体装置に向って前記キャピラリ管を圧接する圧力源とを有する装置。
（１５） 請求項１４記載の装置に於いて、前記キャピラリ管が２０度未満の円錐角を持つ装置。
【００２３】
（１６） 請求項１４記載の装置に於いて、前記キャピラリ管が２０度乃至１０度の円錐角を持つ装置。
（１７） 請求項１４記載の装置に於いて、前記キャピラリ管が１５度の円錐角を持つ装置。
（１８） 請求項１４記載の装置に於いて、前記変換器が、両極限を含めて、２３５乃至２４５ｋＨｚの範囲内の振動を前記キャピラリ管に加える装置。
（１９） 請求項１４記載の装置に於いて、前記変換器が、２４０ｋＨｚより高い振動を前記キャピラリ管に加える装置。
（２０） 請求項１４記載の装置に於いて、前記キャピラリ管がセラミックである装置。
【００２４】
（２１） 室温で、ワイヤ（１０４）を集積回路（１１０）、リードフレーム及びパッケージのボンド箇所（１０８）にボンディングする装置（３０４）及び方法を提供した。好ましい実施例では、金のワイヤ（１０４）のボール端（１０６）をアルミニウムのボンド・パッド（１０８）にボンディングする。装置（３０４）は、２００ｋＨｚより高い周波数の超音波エネルギを供給するように設計された高周波超音波エネルギ源（３０６）を含む。超音波エネルギがキャピラリ管（３０２）を介してボンディングの界面に伝達される。こうしてボール端（１０６）及びボンディング箇所（１０８）の間に丈夫なボンドが形成される。この装置及び方法は、周囲温度でも、十分短いボンディング時間内に十分な剪断強度を持つボンドを作る事が出来るようにし、こうして微小機械式構造のような温度の影響を受け易い装置を効率よく製造する事が出来るようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の方法でワイヤを微小電子式集積回路にボンディングする為に使われるボンディング装置の略図。
【図２】ボンディング・ワイヤに使われる従来のキャピラリ管の断面図。
【図３】この発明に従って室温でワイヤを微小電気式集積回路にボンディングする為に使われる改良されたボンディング装置の略図。
【図４】図３の改良されたボンディング装置を用いて室温でのボンドを作るのに必要な工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０４ ワイヤ
１０８ ボンド・パッド
３０２ キャピラリ管
３０６ 高周波超音波エネルギ源

Claims (2)

1. 半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする方法に於いて、
   キャピラリ管を用いて前記ワイヤ相互接続部を前記半導体装置に圧接する工程を含み、
   ここで、前記キャピラリ管はワイヤ相互接続部が通る長い通路を有し、前記キャピラリ管は、前記半導体に近接する１つの端面を有し、かつ前記キャピラリ管は該端面と前記長い通路との間に面取りを持ち、この面取りは、前記長い通路の平行軸に対する直角な面に対し７０−９０度の角度を有し、
   ２００ｋＨｚと２４５ｋＨｚの間の周波数で前記キャピラリ管を振動させて、前記ワイヤ相互接続部及び前記半導体装置の間に、１０℃と５０℃の間のボンディング温度で、金属間結合部を形成する工程を含む、
   前記半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする方法。
2. 半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする装置に於いて、
   ワイヤ相互接続部が通る長い通路を持つキャピラリ管を有し、このキャピラリ管は、前記半導体に近接する１つの端面を有し、かつ前記キャピラリ管は該端面と前記長い通路との間に面取りを有し、この面取りは、前記長い通路の平行軸に対する直角な面に対し７０−９０度の角度を有しており、
   該キャピラリ管に２００ｋＨｚと２４５ｋＨｚの間の振動を加える高周波変換器を有し、
   前記半導体装置に向って前記キャピラリ管を圧接する圧力源とを有し、ここで前記ワイヤ相互接続部のボンディング温度は１０℃と５０℃の間である、
   前記半導体装置にワイヤ相互接続部をボンディングする装置。

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