JP4382281B2 - 電気的な接続部を形成するための方法およびコンタクト部 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、電気的な接続部を形成するための方法および請求項１１の上位概念部に記載の形式のコンタクト部に関する。
【０００２】
背景技術
少なくとも２つのコンタクト面の間に電気的な接続を形成するためには、個別ワイヤコンタクティング、つまり「ボンディング」が知られている。この場合、個別ワイヤ、特に金ワイヤまたはアルミニウムワイヤが、ワイヤボンディング装置によって、コンタクティングしたいコンタクト面の間に配置される。ボンディング時に、コンタクトワイヤは圧力超音波と熱の作用を受けてコンタクト面とコンタクティング（接触接続）される。接続ワイヤはまずその自由端部で、熱エネルギによる負荷によって溶融されて、ボールを形成し、次いで細管状のキャピラリツールとも呼ばれるボンディングキャピラリを用いて第１のコンタクト面に圧着される。このときに、コンタクトワイヤはコンタクト面とコンタクトワイヤとの間の境界面に発生する原子結合力（材料接続）に基づき、コンタクト面と結合する。第１のコンタクト面とのコンタクティング時に、予め溶融されていたボールは変形して、「ネイルヘッド」を形成する。引き続き、コンタクトワイヤはワイヤボンディング装置によって第２のコンタクト面へ案内される。第１のコンタクト部（第１の接合点）におけるコンタクトワイヤの剥離を阻止するために、コンタクトワイヤはこのとき円弧を描くように、つまり「ループ」を描くように、案内される。引き続き、コンタクトワイヤは再び圧力超音波と熱の作用を受けながら、ワイヤボンディング装置によって第２のコンタクト面に圧着される。このとき、コンタクトワイヤのネッキング（狭窄）が行われるので、コンタクトワイヤは目標破断個所を形成する。ワイヤボンディング装置の除去後にコンタクトワイヤは、この目標破断個所において第２のコンタクト面から裂断される。コンタクトワイヤは第１のコンタクト面に、いわゆる「ステッチ（Ｓｔｉｔｃｈ）を介して結合されており、この場合、コンタクトワイヤと第２のコンタクト面の間では、境界面に原子結合力が生じる。
【０００３】
このような公知の「ボール・ウエッジボンディング（Ｂａｌｌ−Ｗｅｄｇｅ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）」（第１のコンタクト面とのボールコンタクティング［ボール］、第２のコンタクト面とのステッチコンタクティング［ウエッジ］）では、境界面における相応して大きな原子結合力が発生するようにするために、コンタクトワイヤとコンタクト面との間に著しい材料依存性が存在している。特に第２のコンタクト面のコンタクティング時では、ステッチとコンタクト面との間に比較的小さな面結合しか提供されておらず、このような小さな面結合は、特にボンディング性の悪い材料から成るコンタクト面では、欠陥コンタクティングを招く恐れがある。
【０００４】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明による方法は、従来のものに比べて次のような利点を有している。すなわち、コンタクトワイヤと第２のコンタクト面との間の接続部のコンタクト確実性が著しく改善されている。第２のコンタクト面のコンタクティング（接触接続）後に、ワイヤボンディング装置によってコンタクト部に付加的なコンタクト確保部が装備されることにより、第２のコンタクト部（ステッチまたはウエッジ）のコンタクト確実性は、コンタクトワイヤと第２のコンタクト面との間の原子結合力の形成とは別個に高められる。
【０００５】
本発明の有利な実施態様では、付加的なコンタクト確保が、第２のコンタクト面のコンタクティング後に自由となったコンタクトワイヤ端部のボール形の形成により行われ、この場合、このボールは第２のコンタクト部に被着されかつ引き続きワイヤボンディング装置によって変形させられる。これにより、コンタクトワイヤと第２のコンタクト面との間の電気的な接続の形成に続いて、その直後にコンタクトワイヤの自由になった端部にボールを形成し、このボールを付加的なコンタクト確保部としてコンタクト部に被さるように配置することが可能となる。特に、ワイヤボンディング装置を用いた前記ボールの変形は、コンタクト部のオーバラップが行われるように、しかも付加的なコンタクト確保部と第２のコンタクト面との間に少なくとも１つの、有利には２つの付加的な結合範囲が得られるように行われると有利である。付加的な結合範囲は、形成された原子結合力に基づきコンタクト面に付着して、いわば第２のコンタクト面にボンディングされたコンタクトワイヤのための引張負荷軽減部を形成する。これにより、第２のコンタクト面からのコンタクトワイヤの剥離は確実に阻止される。いまや、剥離はコンタクトワイヤ自体の引裂強度により与えられているに過ぎず、もはやコンタクトワイヤと第２のコンタクト面との間の付着によって影響を与えられることはない。すなわち、コンタクト部が剥離する前に、コンタクトワイヤ自体が裂断するわけである。
【０００６】
さらに、本発明の別の有利な実施態様では、付加的なコンタクト確保部の形成が、ワイヤボンディング装置の調節、特にワイヤボンディング装置の相応する制御装置のプログラミングによって、正確に再現可能となる。これにより、多数のコンタクティングが行われる場合でも、同一のコンタクト確保部を得ることができる。このようなコンタクト確保部は予想可能な再現可能な結果に基づき、簡単に検査することができる。特に、コンタクト部の光学的な目視検査、有利には自動的な光学的な目視検査が行われると有利である。この場合、正確に達成されなかったコンタクト確保部、つまり規定された再現可能性に相応して達成されなかったコンタクト確保部は確実に検知されなければならない。これにより、コンタクティング形成時に、高められた生産収率につながる、いわばゼロ欠陥率（Ｎｕｌｌ−Ｆｅｈｌｅｒ−Ｒａｔｅ）を達成することができる。
【０００７】
請求項１１の特徴部に記載の特徴を有する本発明によるコンタクト部によれば、コンタクトワイヤとコンタクト面との間の高いコンタクト確実性が与えられることが達成されるので有利である。コンタクト部が付加的なコンタクト確保部を有していて、このコンタクト確保部が当該コンタクト部の範囲でコンタクトワイヤに少なくとも部分的に被さっていて、コンタクト面との少なくとも１つの付加的な結合面を形成することに基づき、コンタクトワイヤとコンタクト面とをコンタクティングするために提供されている面全体が増大されることが達成されるので有利である。これにより、当該コンタクト部は、より大きな機械的負荷に耐えることができるようになる。特に安全性の点で重要となる構成部分における使用時では、このようなコンタクト部により、高い冗長性を有する電気的な接続部を得ることができる。
【０００８】
本発明のさらに別の有利な実施態様は、請求項２以下に記載されている。
【０００９】
実施例の説明
図１ａには、第１のコンタクト面１２と第２のコンタクト面１４との間の電気的な接続部１０が示されている。第１のコンタクト面１２は基板１６に配置されており、第２のコンタクト面１４は基板１８に配置されている。電気的な接続部１０は公知の形式でボンディング（ボールウエッジボンディング）により形成される。このためには、ワイヤボンディング装置（図示しない）を用いてコンタクトワイヤ２０の自由端部がまず加熱され、これによりボール２１が形成される。このボール２１はワイヤボンディング装置のキャピラリマウスピース（キャピラリツールとも呼ばれる）によって第１のコンタクト面１２に圧着されるので、このときに塑性変形させられたボール２１と、第１のコンタクト面１２との間の境界面には、原子結合力が発生する。その後に、ワイヤボンディング装置は第２のコンタクト面１４の方向に運動させられ、この場合、コンタクトワイヤ２０のループ２２が形成される。コンタクトワイヤ２０はキャピラリマウスピースによって第２のコンタクト面１４に圧着されて、塑性変形させられるので、コンタクトワイヤ２０と第２のコンタクト面１４との間には原子結合力が発生する（拡散接合）。それと同時に、キャピラリマウスピースを介してコンタクトワイヤ２０を塑性変形させること（ステッチ）によって目標破断個所が形成される。キャピラリマウスピースの除去後に、コンタクトワイヤ２０はこの目標破断個所で破断する。第２のコンタクト部２４（ウエッジ）の構成は、コンタクトワイヤ２０と第２のコンタクト面１４との間の比較的小さな接触面しか有していない。これにより、第２のコンタクト部２４では、コンタクトワイヤ２０が第２のコンタクト面１４から剥がれ易くなっている。特に第２のコンタクト面１４が、難ボンディング性の材料、つまりボンディング性の悪い材料から成っている場合には、大きなコンタクト問題が生じる。
【００１０】
図１ａに示した電気的な接続部１０は公知のボンディング法（ボールウエッジ法）によって形成されている。このような電気的な接続部１０の形成は、たとえばマイクロチップをマイクロハイブリッド構成素子とコンタクティングする（接触接続する）際に使用される。
【００１１】
以下に、図１ｂ〜図１ｈにつき、電気的な接続部１０を形成するための本発明による方法について説明する。この場合、本発明による方法は図１ａに示した、既に形成された電気的な接続部から出発する。後続の図面中、図１ａにおける構成部分と同一の構成部分は、図１ａの場合と同じ符号で示されており、これらの構成部分については再度の説明を省略する。
【００１２】
図１ｂには、ワイヤボンディング装置２８のキャピラリマウスピース２６が概略的に示されている。このキャピラリマウスピース２６は貫通開口３０を有しており、この貫通開口３０を通ってコンタクトワイヤ２０が案内されている。適当な送り装置を用いて、コンタクトワイヤ２０はキャピラリマウスピース２６を通じて運動可能となる。図１ａに示した電気的な接続部１０を形成した後に、コンタクトワイヤ２０は第２のコンタクト面１４の方向に運動させられ、コンタクトワイヤ２０の自由端部３２が、熱エネルギ源によってワイヤの融点を超えて加熱される。表面張力に基づき、コンタクトワイヤ２０の溶融体は１つにまとまってボール３４を形成する。自由端部３２を溶融させてボール３４を形成することは、図１ａに示した、コンタクトワイヤ２０と第２のコンタクト面１４との間の接続部の形成の直後に行われる。これにより、キャピラリマウスピース２６を第２のコンタクト部２４に対して新たに位置決めすることは、必要でなくなる。
【００１３】
図１ｃに示した次の方法ステップでは、キャピラリマウスピース２６が力と超音波とで負荷される。ボール３４はこれによって押しつぶされて、塑性変形を受ける。キャピラリマウスピース２６の形状付与に相応して、ボール３４の塑性変形に影響を与えることができる。図示の実施例では、キャピラリマウスピース２６の、第２のコンタクト面１４に面した端面が、全周にわたって延びる環状隆起部３６を有しており、この環状隆起部３６は内側円錐体３８を取り囲んでいる。
【００１４】
この内側円錐体３８の形状付与に相応して、ボール３４の塑性変形が行われる。超音波エネルギと共にコンタクト力Ｆを加えられることにより、ボール３４と、第２の結合部である第２のコンタクト部２４の中心４０から出発してウエッジにまでの間で、十分に原子結合力が発生するので、変形されたボール３４は、図１ｄに示したようにキャピラリマウスピース２６が第２のコンタクト面１４から引き離される際に、第２のコンタクト部２４に付着したままとなる。
【００１５】
図１ｅに示した次の方法ステップでは、キャピラリマウスピース２６が側方で第２のコンタクト部２４から離れる方向に運動させられる。この運動は矢印４０で示されている。場合によっては、第２のコンタクト部２４からのキャピラリマウスピース２６の引き離し（図１ｄ）が側方の運動４０と重畳されていてもよい。側方の運動４０は、その方向ベクトルが、ループ２２を描いて敷設されたコンタクトワイヤ２０の延在部分とはほぼ逆の方向に向けられるように方向付けられている。運動方向４０は、キャピラリマウスピース２６の環状隆起部３６の頂点４４が、変形されたボール３４を通って延びる仮想鉛直線（キャピラリマウスピース２６に対して軸平行に延びる鉛直線）を通過するまで維持される。引き続き、キャピラリマウスピース２６は図１ｆに示したように、第２のコンタクト面１４の方向に運動させられるので、環状隆起部３６は塑性変形されたボール３４に衝突する。付与されたコンタクト力Ｆ′に相応して、かつ超音波の作用を受けて、ボール３４は環状隆起部３６の外周面によって引き続きさらに塑性変形させられる。ボール３４はこの場合、一種の切片（Ｓｃｈｎｉｔｚ）のような変形を受ける。ボール３４の変形は、この切片３４′が側方で、既に第２のコンタクト面１４とコンタクティングされたコンタクトワイヤ２０を越えて突出し、そして付加的な結合範囲４８で第２のコンタクト面１４と接触するまで行われる。このような変形により、成形された切片３４′と第２のコンタクト面１４との間の原子結合力が形成されるので、切片３４′は第２のコンタクト面１４に強固に付着する。図１ｇに示したように、切片３４′はキャピラリマウスピース２６の引き離し後に第２のコンタクト部２４の範囲でコンタクトワイヤ２０に被さって、このコンタクトワイヤ２０を舌片状に固持する。切片３４′はいわば、コンタクトワイヤ２０のための第２のコンタクト部２４を確保するための、つまり第２のコンタクト部を位置固定するための引張負荷軽減部を形成している。第２のコンタクト部２４の中心４０では、キャピラリマウスピース２６の離れ運動により破断された残りのワイヤが、尖った凸設部５０として認められる。この凸設部５０は、第２のコンタクト部２４の範囲におけるコンタクトワイヤ２０との付加的な形状接続部（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｓｓ）を形成する。
【００１６】
図１ｈには、切片３４′による付加的なコンタクト確保部を有する電気的な接続部１０の形成が終了した後の第２のコンタクト部２４の拡大図が示されている。図１ｈから判るように、切片３４′は、主としてボール３４（図１ｂ）の大きさと、ボンディングパラメータ（図１ｆ）の大きさおよび種類と、キャピラリマウスピース２６の環状隆起部３６の形状設計とから生ぜしめられる、特定の形状特徴を有している。キャピラリマウスピース２６の形状設計も、ボンディング力の大きさも、ボール３４の大きさも、既知であるか、もしくは調節可能であるので、切片３４′を再現可能な形状で得ることができる。第２のコンタクト部２４の形成の終了後に、切片３４′を光学的な監視ユニット（図示しない）によって測定することができる。切片３４′の、測定された形状を、予め記憶させておいた形状と比較することにより、第２のコンタクト部２４の品質を推量することができる。切片３４′の形状が、期待された形状と一致した場合には、コンタクト部２４は申し分なく形成されている、つまり確実にコンタクティングされかつ付加的にコンタクト確保もしくは位置固定されているものと推量することができるので、コンタクト部２４の「ゼロ欠陥形成（Ｎｕｌｌ−Ｆｅｈｌｅｒ−Ｈｅｒｓｔｅｌｌｕｎｇ）」が可能となる。特に、この電気的な接続部が安全技術的な設備におけるマイクロチップに使用される場合には、欠陥なしの使用価値を予想することができる。
【００１７】
本発明は、当然ながら図１に示した実施例に限定されるものではない。すなわち、特に切片３４′の形状は種々異なって選択されていてよい。次に、図２〜図６につき、切片３４′の種々の構成を説明する。切片３４′の形状の調節は、たとえばキャピラリマウスピース２６の形状付与を異ならせたり、ボール３４から切片３４′への変形時におけるキャピラリマウスピース２６の配置形式を異ならせることによって可能となる。さらに、一般的なボンディングパラメータ、たとえば力Ｆもしくは超音波エネルギの高さおよび強さを調節することによっても、切片３４′の構成に影響を与え、ひいては第２のコンタクト面１４と切片３４′とのコンタクティングに影響を与えることができる。
【００１８】
特に本発明のさらに別の実施例では、尖った凸設部５０と切片３４′との間の凹部をあまり目立たないようには形成することが可能である。すなわち、切片３４′は比較的浅い凹部を介して凸設部５０へ移行しており、これにより、第２のコンタクト部２４の範囲におけるコンタクトワイヤ２０と切片３４′との間の形状接続に影響を与え、特にこの形状接続を改善することができる。
【００１９】
これについては、図２に、隆起部状に形成されている切片３４′が示されている。この実施例とは異なり、図３に示した切片３４′は、より扁平に形成されていて、尖った凸設部５０へ材料的に（ｍａｔｅｒｉａｌｍａｅｓｓｉｇ）移行している。つまり、切片３４′の材料は尖った凸設部５０の材料に移行している。図４に示した実施例では、切片３４′が一層扁平に形成されているので、この切片３４′はほぼ板状に形成されていて、やはり材料的に凸設部５０へ移行している。図５に示したさらに別の実施例では、切片３４′が浅い舟形容器の形（Ｍｕｌｄｅｎｆｏｒｍ）を有しており、この場合、切片３４′はやはり材料的に凸設部５０に結合されている。つまり、切片３４′の材料は凸設部５０の材料に結合されている。最後に、図６に示した切片３４′の変化実施例では、切片３４′がほぼ扁平な板として形成されていて、この板はコンタクトワイヤ２０の方向に隆起部状の厚肉部を有している。尖った凸設部５０の材料はこの場合、ボール３４の相応する変形により、一緒に変形させられて、切片３４′を形成している。このことは、キャピラリマウスピース２６の適宜な構成および切片３４′への変形時におけるキャピラリマウスピース２６の適当な配置により実現され得る。
【００２０】
さらに、ボンディングパラメータの調節および／または切片３４′の加工成形時におけるキャピラリマウスピース２６の配置パラメータの調節により、切片３４′をｘ方向、ｙ方向ならびにｚ方向における規定された延在長さを有するほぼ直方体形の形成物として調節することが可能となる。ボール３４から「直方体形」の切片３４′への変形加工時における調節可能なパラメータにより、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向における正確に再現可能な寸法を調節することができる。こうして、引き続き行われる第２のコンタクト部２４の光学的な検査、特に自動的な光学的な検査により、第２のコンタクト部２４を欠陥の有無に関して簡単かつ有効に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 電気的な接続部を形成するための第１の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｂ】 電気的な接続部を形成するための第２の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｃ】 電気的な接続部を形成するための第３の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｄ】 電気的な接続部を形成するための第４の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｅ】 電気的な接続部を形成するための第５の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｆ】 電気的な接続部を形成するための第６の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｇ】 電気的な接続部を形成するための第７の方法ステップを示す概略図である。
【図１ｈ】 電気的な接続部を形成するための第８の方法ステップを示す概略図である。
【図２】 コンタクト部の別の実施例を示す概略図である。
【図３】 コンタクト部のさらに別の実施例を示す概略図である。
【図４】 コンタクト部のさらに別の実施例を示す概略図である。
【図５】 コンタクト部のさらに別の実施例を示す概略図である。
【図６】 コンタクト部のさらに別の実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 電気的な接続部、１２ 第１のコンタクト面、１４ 第２のコンタクト面、１６，１８ 基板、２０ コンタクトワイヤ、２１ ボール、２２ ループ、２４ 第２のコンタクト部、２６ キャピラリマウスピース、２８ ワイヤボンディング装置、３０ 貫通開口、３２ 自由端部、３４ ボール、３４′ 切片、３６ 環状隆起部、３８ 内側円錐体、４０ 中心、４４ 頂点、４８ 結合範囲、５０ 凸設部

Claims (8)

1. ワイヤボンディング装置によって第１のコンタクト面と第２のコンタクト面との間にコンタクトワイヤを配置して、第１のコンタクト面と第２のコンタクト面との間の電気的な接続部を形成するための方法であって、コンタクトワイヤを第１のコンタクト面とコンタクティングし、引き続きコンタクトワイヤを第２のコンタクト面へ案内して、該第２のコンタクト面とコンタクティングし、引き続きコンタクトワイヤをワイヤボンディング装置によって切断する形式のものにおいて、コンタクトワイヤ（２０）を第２のコンタクト面（１４）から切断した後に、ワイヤボンディング装置（２８）を用いて、コンタクト部（２４）にコンタクトワイヤ（２０）による付加的なコンタクト確保部（３４′）を装備し、しかも該コンタクト確保部（３４′）を、コンタクトワイヤ（２０）の、第２のコンタクト面（１４）のコンタクティング後に生じた自由端部（３２）に形成されたボール（３４）によって形成し、該ボール（３４）をコンタクト部（２４）に被着させ、かつ引き続きワイヤボンディング装置（２８）によって予め塑性変形させ、前記ボール（３４）を予め塑性変形させた後に、ワイヤボンディング装置（２８）のキャピラリマウスピース（２６）を側方で、両コンタクト面（１２，１４）の間に延在するコンタクトワイヤ（２０）とは逆向きの方向ベクトル（４０）でコンタクト部（２４）から離れる方向に運動させ、そして引き続き、前記キャピラリマウスピース（２６）を、予め塑性変形された前記ボール（３４）上へ運動させて、予め塑性変形された前記ボール（３４）が、コンタクト部（２４）を越えて突出し、少なくとも１つの付加的な結合範囲（４８）で第２のコンタクト面（１４）と接触するまで最終塑性変形を行うことにより、付加的なコンタクト確保部（３４′）を形成することを特徴とする、電気的な接続部を形成するための方法。
2. 前記ボール（３４）がコンタクト部（２４）にオーバラップして、第２のコンタクト面（１４）との少なくとも１つの付加的な結合範囲（４８）を形成するように、前記ボール（３４）をワイヤボンディング装置（２８）によって変形させて、前記コンタクト確保部（３４′）を形成する、請求項１記載の方法。
3. 前記ボール（３４）を形成するために、コンタクトワイヤ（２０）の自由端部（３２）をその融点を超えて加熱する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ボール（３４）をまずコンタクト部（２４）の中心（４０）で予め塑性変形させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記キャピラリマウスピース（２６）の運動（４０）を、該キャピラリマウスピース（２６）に設けられた環状隆起部（３６）の頂点（４４）が、予め塑性変形された前記ボール（３４）を通って前記キャピラリマウスピース（２６）に対して軸平行に延びる仮想鉛直線を通過するまで維持する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. コンタクト確保部（３４′）の形状付与が、ワイヤボンディング装置（２８）のプログラミングによって再現可能に調節可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. コンタクト確保部（３４′）の形状付与が、ボンディングパラメータの調節および／またはボンディング装置（２８）の配置パラメータの調節によって選択可能に再現可能に調節可能である、請求項６記載の方法。
8. ワイヤボンディング装置（２８）を取り去った後にコンタクト確保部（３４′）を光学的に検査する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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