JPH06204298A - 超小型電子ボンド形成方法およびｉｃデバイス - Google Patents

超小型電子ボンド形成方法およびｉｃデバイス

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JPH06204298A
JPH06204298A JP4262341A JP26234192A JPH06204298A JP H06204298 A JPH06204298 A JP H06204298A JP 4262341 A JP4262341 A JP 4262341A JP 26234192 A JP26234192 A JP 26234192A JP H06204298 A JPH06204298 A JP H06204298A
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JP
Japan
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bonding
bond
transducer
ultrasonic energy
khz
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Pending
Application number
JP4262341A
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English (en)
Inventor
Thomas H Ramsey
エィチ．ラムジー トーマス
C Alphalo Raffaele
シー．アルファロ ラファエル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積回路のボンドサイトへワイヤを接合する
装置を提供する。 【構成】 金ワイヤ１２の接合端３０をアルミボンドパ
ッド２８へ接合する装置１０はおよそ１２５ＫＨｚより
も高い高周波超音波エネルギー源２０を含み、トランス
ジューサ１８およびキャピラリ１６を介して接合界面３
２へ超音波エネルギーを加える。トランスジューサの長
さが修正されツールクランプ点４０は超音波エネルギの
波長が腹点で界面３２に加えられ最適化されるようにト
ランスジューサ１８上に配置されて、接合端３０とボン
ディングパッド２８間に形成されるボンドのシア力、ボ
ンド時間および処理温度を最適化する。金属間化合物形
成および接合力の点で特に問題となるＡｌ ２％Ｃｕ等
のアルミ合金ボンドパッドについて特に有益な結果が得
られた。前記範囲の高周波超音波エネルギを使用すれ
ば、強度の優れたボンドが形成され処理パラメータのフ
レキシビリティが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路（ＩＣ）の接続
配線に関し、特に高周波超音波エネルギーを利用したＩ
Ｃの接続配線に関する。
【０００２】
【従来の技術】樹脂封止半導体デバイスの回路の接続配
線を行うための標準技術として、例えば、金ワイヤをア
ルミもしくはアルミ合金の表面（例えば、ボンドパッ
ド）へボンディングする方法が利用されている。形成さ
れるボンドやウェルドは、時間および温度により且つ拡
散挙動に従って、いずれ可能ないくつかの相の金属間構
造となる。最初に金属間被覆率を最大とすれば最大接合
強度が得られる。
【０００３】汚損表面、望ましくない低温および最適で
はないボンディングパラメータにより金とアルミ表面間
の反応は不適切なものとなる。最大接合強度最高品質接
合は最適相成長により得られる。したがって、例えば金
とアルミの、ボンディング材の反応度を最適化するボン
ディング工程が必要とされる。さらに、低温で短時間の
ボンディングにより工程のフレキシビリティを高めるよ
うな工程があれば有利である。周囲温度を許容できる工
程は極めて望ましい。
【０００４】さらに、（例えば、Ａｌ，２％Ｃｕ；もし
くはＡｌ，１％Ｓｉ，０．５％ＣＵ等の）アルミ合金に
は特別な問題点がある。反応度の高いアルミ合金であっ
ても遅延が生じ、終局的にアルミ合金の接合強度が損わ
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ボンディング工程にお
いて金とアルミ等の金属の最適反応度が容易に得られて
ボンド断面積の被覆率が大きくなる（恐らくは１００
％）ような工程が必要とされている。また、低温（周囲
温度も含む）および／もしくは短時間ボンディングおよ
び／もしくは低圧等のパラメータのフレキシビリティを
向上させる工程も必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記した問題点は本発明
による方法および装置を使用すれば大方解決される。す
なわち、本発明により大きな断面被覆率が得られるボン
ディング工程が提供され、接合強度が向上する。さら
に、本発明により有害な影響を及ぼすことなく温度、時
間および圧力等のパラメータを有利に調整できる柔軟な
工程が提供される。事実、本発明により周囲温度でボン
ディングを行える工程が提供される。したがって、本発
明により強力なボンドが提供されこれらのボンドを作成
する工程のフレキシビリティが高められる。本発明によ
り（例えば、トランスジューサや圧電結晶等の）ハード
ウェアを適切に修正して高周波超音波（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）
エネルギーを利用することによりこれらの利点が得られ
る。
【０００７】さらに、およそ１２５ＫＨｚよりも高い
Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーを利用すれば、アルミ合金を金
へ接合する際の前記した従来の被覆問題は本発明により
解決される。
【０００８】実施例では、本発明によりトランスジュー
サおよびその上に搭載された圧電結晶が提供され、およ
そ３５０ＫＨｚの交流により励起される。トランスジュ
ーサにキャピラリが搭載されていてアルミボンドパッド
上へ金ワイヤを送出し、（金ワイヤの）接合端とボンド
パッド間の界面は本発明により（およそ２７０℃の）周
囲温度とされる。
【０００９】一般的に、本発明により超小型電子ボンド
形成方法が提供され、該方法は、（ａ）導電性ボンドサ
イトを設け、（ｂ）接合端を有するワイヤを設け、
（ｃ）ワイヤの接合端をボンドサイトへ接触させて、接
合端およびボンドサイト間に界面を作り、（ｄ）１２５
ＫＨｚよりも高い超音波エネルギーを界面に加える、ス
テップからなっている。
【００１０】
【実施例】超音波熱圧着工程は半導体産業において広く
使用されている方法である。一般的にこの工程は超音波
トランスジューサに加える（６０ＫＨｚ程度の）低周波
を使用する。本発明ではおよそ１２５ＫＨｚよりも高い
周波数に対処し、このような周波数において超音波パワ
ー、ボンド時間、押潰力（圧力）および温度等のパラメ
ータが柔軟かつ有利に修正される。特に、周囲温度にお
いて有効なボンディングを行うことができる。本出願で
は、高周波超音波エネルギー（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）はおよそ
１００ＫＨｚよりも高いものと定義されるが、本発明は
特におよそ１２５ＫＨｚよりも高い周波数に関連してい
る。
【００１１】次に図面一般特に図１を参照して、ボンデ
ィング装置１０のブロック図を示しワイヤ１２および超
小型電子集積回路１４が設けられている。本発明による
ボンディング装置１０は高周波超音波（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）
エネルギーを利用して超小型電子接続配線ボンドを生成
する。超音波エネルギーの周波数範囲はおよそ１２５Ｋ
Ｈｚよりも高い。装置１０にはキャピラリ１６、修正ト
ランスジューサ１８、Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギー源２０、
熱源２２、圧力源２４が含まれ、装置１０の残部は参照
番号２６のボックスにより示す。
【００１２】ＩＣ１４は従来のものであり、例えばテキ
サス州、ダラス、のテキサスインスツルメンツ社製１６
メガビットＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメ
モリ）とすることができる。ＩＣ１４は実質的に製造等
級単結晶シリコン基板を含んでいるが、他の材料を使用
することもできる。例えば、限定するものではないが、
ＩＣ４の基板としてヒ化ガリウムやゲルマニウムを使用
することができる。スタティックランダムアクセスメモ
リ等の他種のメモリＩＣも本発明の範囲に入る。事実、
論理ダイやパワーデバイス等のリニア半導体も本発明の
対象とすることができる。さらに、ＩＣ１４は必ずしも
ＶＬＳＩチップである必要はなくＭＳＩやＳＳＩチップ
とすることができ、個別もしくは混成部品とすることが
できる。
【００１３】ＩＣ１４にはボンドサイト２８が含まれて
いる。実施例では、ボンドサイト２８は実質的にアルミ
合金（２％銅）で出来ている。１％シリコン、０．５％
銅等の他のアルミ合金を使用することもでき、ボンドサ
イト２８には他の金属や合金を単独もしくはアルミニウ
ムと一緒に使用することができる。
【００１４】ワイヤ１２は実施例では純金であり接合端
３０を含んでいる。また、ワイヤ１２は金合金製とする
ことができ、他の金属や合金を使用することもできる。
参照番号３２で示す界面は図３Ａ〜３Ｃに示す断面領域
と同じ位置にあることをお判り願いたい。
【００１５】キャピラリ１６はワイヤ１２の管路として
機能し、公知のように、ボンディング工程中に界面３２
へ超音波エネルギーおよび圧力を加える。キャピラリ１
６は従来のものであり、実施例では酸化ベリリウム製で
ある。
【００１６】図２において、金属トランスジューサ（も
しくはホーン）１８はおよそ１０ｃｍ長であり終端３４
に４個の圧電結晶３２を含んでいる。ホーン１８は本体
部３６およびキャピラリ１６が搭載されるツールクラン
プ点４０を有するテーパー先端３８を含んでいる。ホー
ン１８は長さが修正されており、圧電結晶の数およびツ
ールクランプ点４０の位置決めが従来のホーンに較べて
修正されている。破線および参照番号４２はおよそ６
２．５ＫＨｚの従来の処理周波数に対する幾分長いトラ
ンスジューサ内のどこにツールクランプ点が代表的に位
置するかを示している。トランスジューサ１８はツール
クランプ点４０が高周波超音波エネルギーを与えるため
の最適点となるように短縮されている。有効トランスジ
ューサ長に関する以下の検討については、関連出願ＴＩ
−１４５７０の図６、図７および添付テキストを参照さ
れたい。
【００１７】比較例として、従来のトランスジューサの
有効長はおよそ８．００ｃｍ（３．１５インチ）であ
り、およそ６２．５ＫＨｚでＵＳエネルギーを伝達して
トランスジューサの有効長に沿って１．２５波長を配置
するように設計されている。
【００１８】トランスジューサ１８の有効長は応用によ
って変化する。実施例のトランスジューサ１８は３５０
ＫＨｚ Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーを送信して有効長に沿
って２．２５波長が配置されるように設計されている。
所望により、周波数およびトランスジューサの長さは
３．２５波長、４．２５波長等に適合するように調整す
ることができる。したがって、トランスジューサ１８の
有効長は６２．５ＫＨｚトランスジューサの有効長に較
べて短くなる。長さの低減は使用するＨ．Ｆ．ＵＳおよ
びトランスジューサの設計によって特定され、これらの
パラメータはさまざまな応用に対して変化する。
【００１９】次に図１を参照して、Ｈ．Ｆ．ＵＳ源２０
はおよそ１２５ＫＨｚの範囲の交流信号を圧電結晶３２
へ供給するように設計されている。超音波源２０は従来
どおり結晶に接続されている。検討する周波数は圧電結
晶へ加える周波数である。したがって、公知のように、
界面の超音波周波数は幾分異なる。超音波源２０は従来
のように結晶に接続されている。
【００２０】熱源２２は従来のものであり界面３２に熱
エネルギーを与えてボンディング工程を容易にする。圧
力源２４は従来のものでありキャピラリ１６を介して界
面３２へ圧力（押潰力）を加える。
【００２１】参照番号２６のボックスで示す装置１０の
残部として制御回路、機械的アーマチュア等が含まれ
る。実施例では、ボンディング装置１０は本発明の改良
点の一部もしくは全部を盛り込んだＡｂａｃｕｓ ＩＩ
ボンダーである。加熱トランスジューサおよびＺ方向
のボンドストロークが実質的に直線状である軸方向に一
致されたキャピラリおよびトランスジューサを利用した
Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーボンディングについてさらに検
討するために、ここに組み入れられている関連特許出願
を参照されたい。本発明の背景において、各技術は特定
の技術応用におい利点を有するものと思われる。Ａｂａ
ｃｕｓ ＩＩＩ ボンダーはテキサス州、ダラスのテキ
サスインスツルメンツ社製である。他の構成要素につい
ては直接関連性が低いため詳細な検討を行わないが、同
業者ならばこのような構成要素を装置１０に組み込める
ことが容易にお判りと思う。
【００２２】次に、本発明の工程について説明を行う。
一般的に、ボンドサイト２８を有するＩＣ１４がチャッ
ク、リードフレーム、その他（図示せず）へ適切に固定
され、次に公知のように（ステッチボンディングではな
くボールボンディングの場合）ボール３０を形成するた
めにワイヤ１２が加熱される。次に接合端３０をボンド
サイト２８に接触させて溶着すなわち接合を行う界面３
２を作り出す。
【００２３】実施例のように超音波熱圧着ボンディング
を利用する場合には、キャピラリ１６がボール３０をボ
ンドサイト２８に位置決め固定しトランスジューサ１８
が超音波エネルギーを加え圧力源２４がキャピラリ１６
を介して押潰力を加える間に熱源２２を使用して界面３
２に熱が与えられる。公知のように、前記した全ボンデ
ィングステップが代表的にボンダー２６内の制御回路に
より制御される。
【００２４】本出願において、高周波超音波エネルギー
（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）とはおよそ１００ＫＨｚよりも高い周
波数を意味する。逆に低周波超音波エネルギーは本発明
の背景においておよそ１００ＫＨｚよりも低周波の超音
波エネルギーを意味する。
【００２５】次に図３Ａ〜図３Ｃを参照して、超小型電
子ボンディングもしくは溶着に関連する金属間形成のさ
まざまな段階を示す。図３Ａに参照番号４４に示すスポ
ット領域により幾分限定された金属間形成を示す。従来
技術ではこのような部分被覆が一般的である。従来のお
よそ１７５〜３００℃の温度範囲で６０ＫＨｚ程度のＵ
Ｓエネルギーによる金属間すなわちボンド形成はこのよ
うなものである。通常の樹脂封止工程（例えば、１７５
℃で５時間）では図３Ｂに示すように金に接合された純
アルミの界面は１００％金属間被覆へ変換される。しか
しながら、特にＡｌ、２％Ｃｕのドープト金属化による
１７５℃５時間の工程では図３Ｃに示すようにおよそ５
０％の被覆率しか得られない。
【００２６】これとは対照的に、本発明によりおよそ１
７５〜３００℃の温度範囲でおよそ１００〜１２５ＫＨ
ｚの範囲の超音波エネルギーを使用すれば、図３Ｂに示
すような完全被覆率（すなわち、およそ１００％）が得
られる。図３Ａに示す金属間遅延を生じる他の合金とし
て１）Ａｌ，Ｃｕ ０〜４％、２）シリコンドープトア
ルミ、３）パラジウムドープトアルミ、もしくはそれら
の組合せが含まれる。これらの広く使用される合金では
相すなわち接合金属間形成遅延効果が生じ（すなわち、
相成長が非常に遅く）したがって接合の実際の溶着領域
が最少限に抑えられる。領域のある％以上は接合が成長
しないこともある。したがって、Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギ
ーを利用して接合の溶着領域、強度および信頼性を向上
させることが有用となる。
【００２７】金属間成長および領域被覆率の増大は直接
本発明の高周波超音波エネルギーによるものである。前
記したような合金に対して低周波（６０ＫＨｚ）では高
レベルの溶着接合構造は形成されないが、高周波を使用
すればある程度の化学反応が得られて１００％溶着領域
すなわち完全な金属間領域被覆および沈み込み浸透が得
られる。それにより相成長遅延機構が効果的に無効とさ
れる。
【００２８】さらに、高周波ホーン１８（すなわち、１
２５ＫＨｚよりも高い）を圧力等の特定ボンディングパ
ラメータと組合せることにより、１７５℃等の低温にお
いてほぼ１００％の接合領域被覆率が得られる。事実、
Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーを使用して周囲温度において適
切なボンディングを行うことができた。特に、およそ３
５０ＫＨｚおよびおよそ２７０℃において適切なボンデ
ィングが観察された。Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーを使用す
れば３００℃等の高温において実質的に１００％の被覆
率が得られる。したがって、適切なパラメータセットと
組合せてＨ．Ｆ．ＵＳエネルギーを使用すれば、ある種
の回路の接続配線に必要な遙かに信頼度の高い合金金属
化接合を行うことができる。
【００２９】D) 時間 時間パラメータはどれだけ長くボンディングエネルギー
を加えるかを制御し、通常ｍＳで表わされる。低温Ｈ．
Ｆ．ボンディングに対しては、時間範囲は高温低周波工
程に使用するものと変らない。しかしながら、高温およ
び高周波数を一緒に使用すると、範囲はより短い時間へ
向って変化し、完全な金属間形成を行いながら１．０ｍ
Ｓよりも短いボンディングの可能性が生じることもあ
る。最適ボンドは３００℃において僅か０．５ｍＳのボ
ンド時間で形成された。
【００３０】実施例および代替例について本発明を詳細
に説明してきたが、本説明は例にすぎずそれに限定され
るものではない。さらに、同業者ならば、本説明を参照
すれば実施例の詳細をさまざまに変更したり別の実施例
を考えることができるものと思われる。このような変更
や実施例は全て特許請求の範囲内に入るものとする。
【００３１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 超小型電子ボンド形成方法において、該方法
は、（ａ） 導電性ボンドサイトを設け、（ｂ） 接合
端を有するワイヤを設け、（ｃ） ワイヤの接合端をボ
ンドサイトに接触させて、接合端とボンドサイト間に界
面を作り出し、（ｄ） およそ１２５ＫＨｚよりも高い
周波数の超音波エネルギーを界面に加える、ステップか
らなる超小型電子ボンド形成方法。
【００３２】（２） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）は実質的に周囲温度で行われる、超小型
電子ボンド形成方法。
【００３３】（３） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）はおよそ２７０℃で行われる、超小型電
子ボンド形成方法。
【００３４】（４） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）は２００℃よりも低温で行われる、超小
型電子ボンド形成方法。
【００３５】（５） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）はおよそ１２５ＫＨｚ〜およそ２ＭＨｚ
の周波数範囲で行われる、超小型電子ボンド形成方法。
【００３６】（６） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）はおよそ３５０ＫＨｚの周波数およびお
よそ２７０℃で行われる、超小型電子ボンド形成方法。
【００３７】（７） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）はおよそ０．５ｍＳ行われる、超小型電
子ボンド形成方法。
【００３８】（８） 第（１）項記載の工程により製造
される超小型電子ボンドを有するＩＣデバイス。
【００３９】（９） ボンディングワイヤ１２を集積回
路１４のボンドサイト２８へ接合する装置１０および方
法が提供される。実施例では、金ワイヤ１２がアルミボ
ンドパッド２８へ接合される。装置１０にはおよそ１２
５ＫＨｚよりも高周波数の超音波エネルギーを加える高
周波超音波エネルギー源２０が含まれている。超音波エ
ネルギーはトランスジューサ１８およびキャピラリ１６
を介して接合界面３２へ加えられる。トランスジューサ
は長さが修正されツールクランプ点４０は高周波超音波
エネルギーの波長が腹点で界面３２に加えられ最適化さ
れるようにトランスジューサ１８上に配置される。実施
例の工程では、超音波エネルギーは周囲温度においてお
よそ３５０ＫＨｚで加えられる。このようにして、接合
端３０とボンドパッド２８間に形成されるボンドはシア
力、ボンディング時間および処理温度が最適化される。
第（１）項記載の方法において、ボンドサイトはおよそ
２％銅を有するアルミ合金を含む、超小型電子ボンド形
成方法。
【００４０】関連出願 同一譲受人による下記の特許出願が参照としてここに組
み入れられている。 ＴＩ−１４４２７、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７４１号 ＴＩ−１５６４５、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７３１号 ＴＩ−１４５７０、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６８，５０１号
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超小型電子集積回路へワイヤを接
合するのに使用するボンディング装置の部分ブロック図
および部分略図である。
【図２】ボンディング装置に使用するトランスジューサ
の断面図である。
【図３】接合が行われる界面におけるさまざまな金属間
化合物形成段階を示す図であって、Ａは部分被覆を示す
図、Ｂは完全被覆を示す図、Ｃは５０％被覆を示す図で
ある。
【図４】金ワイヤを純アルミへ接合する場合の３００℃
における超音波エネルギーと接合時間との関係を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
１０ ボンディング装置 １２ ボンディングワイヤ １４ 集積回路 １６ キャピラリ １８ トランスジューサ ２０ 高周波超音波エネルギー源 ２８ ボンドパッド ３０ 接合端 ３２ 接合界面 ４０ ツールクランプ点

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超小型電子ボンドの形成方法において、
    該方法は、（ａ）導電性ボンドサイトを設け、（ｂ）接
    合端を有するワイヤを設け、（ｃ）ワイヤの接合端をボ
    ンドサイトへ接触させて、接合端とボンドサイト間に界
    面を作り、（ｄ）およそ１２５ＫＨｚよりも高い周波数
    の超音波エネルギーを界面へ加える、ステップからなる
    超小型電子ボンド形成方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の工程により製造される超
    小型電子ボンドを有するＩＣデバイス。
JP4262341A 1991-09-30 1992-09-30 超小型電子ボンド形成方法およびｉｃデバイス Pending JPH06204298A (ja)

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