JPH06204299A - 超小型電子ボンド形成方法および組立体 - Google Patents

超小型電子ボンド形成方法および組立体

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シー．アルファロ ラファエル
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ワイヤをボンドサイトへ接合する装置を提供
する。 【構成】 金線１２がアルミボンドパッド２８へ接合さ
れる。ボンディング装置１０は１００ＫＨｚよりも高周
波数の超音波エネルギを与えて適切な接合を行うための
界面温度を著しく低下させるように設計されている。発
熱体１９がキャピラリ１６およびトランスジューサ１８
を介して界面３２へ熱エネルギーを加えるため、ＩＣ１
４およびリードフレーム１５を介して界面３２を加熱す
るヒーターブロック２２からの熱エネルギーが少くな
り、リードフレーム１５は従来よりも低温に維持され錫
やはんだ等の低融点材ではんだづけを行うことができ
る。実施例では、リードフレーム１５は錫（融点１８５
℃）めっきされおよそ１６５℃に維持される。（ボンデ
ィング工程中に）界面３２は発熱体１９からの熱エネル
ギーによりおよそ１８０℃に維持され、キャピラリ１６
は酸化ベリリウム製として適切な熱伝導率を得ている。

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、特に加熱超音波トランスジューサを利用し
たＩＣの接続配線に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＣ接続配線の従来のボンディング温度
は代表的に２５０℃〜３８０℃である。この温度範囲に
よりリードフレームの製造に使用できるめっき材の種類
が制限される。錫やはんだ等の低融点材を使用すればめ
っき原料のコストを低減できるだけでなく集積回路工程
のフレキシビリティが非常に高くなる（すなわち、ＩＣ
のボンディングに２５０℃〜３８０℃の温度を使用する
必要がない場合）。
【０００３】したがって、従来のＩＣボンディング工程
温度では銀、ニッケル、銅、合金４２等の現在広く使用
されている材料以外の材料の使用は制限される。
【０００４】超音波熱圧着法もしくは熱圧着法等の従来
の工程では、良好なボールボンドおよびステッチボンド
を行うのに必要な熱を与えるヒーターブロックにより集
積回路およびリードフレームを実質的に加熱することに
よりＩＣの接続配線に必要な高温を得ている。したがっ
て、チップおよびリードフレームはヒーターブロック表
面上に搭載されるため、ＩＣチップとリードフレームの
温度はＩＣの接続配線ボンディングに必要な温度と本質
的に同じとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】リードフレームおよび
ＩＣチップを低温に維持してより経済的な材料を使用で
きるような工程が必要とされている。前記したように、
低温とすることによるもう一つの望ましい特徴は工程上
のフレキシビリティが高くなることである。
【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、本発明によりチップおよびリードフレームが従
来技術よりも低温に維持される低温ボンディング工程が
提供される。リードフレーム上に搭載されたＩＣはリー
ドフレームのめっき材（例えば、錫もしくははんだ）の
融点よりも低温で加熱され、加熱されて界面にさらに熱
エネルギーを与える超音波トランスジューサによりボン
ドサイトとワイヤ間の接合界面にさらに熱が加えられ
る。
【０００７】実施例では、リードフレームに錫を使用し
それはヒーターブロック上に保持されておよそ１６５℃
に加熱され、加熱された超音波トランスジューサにより
さらに熱エネルギーが加えられておよそ１８０℃の接合
界面温度とされる。このようにして、リードフレームの
錫めっきは融点よりも低温に維持されしかも界面ではボ
ンディング工程のための高温が得られる。
【０００８】加熱トランスジューサに（およそ１００Ｋ
Ｈｚよりも高い）高周波超音波エネルギーを利用するの
は、それによりいかなるＩＣパッドの金属化およびいか
なる種類のリードフレーム（合金４２、錫もしくははん
だめっき、Ｐｄめっき等）に対しても最適接合が行える
ためである。トランスジューサからさらに熱を加えるこ
とによりワイヤとリードフレームの接続配線を行う条件
が得られる。
【０００９】本発明により超小型電子ボンドを形成する
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、接合端および
ボンドサイト間に界面を作り、（ｄ）熱伝導性超音波ト
ランスジューサを設け、（ｅ）トランスジューサを加熱
して界面に熱エネルギーを加える、ステップからなって
いる。
【００１０】
【実施例】次の図面、特に図１を参照して、ボンディン
グ装置１０をブロック図で示し、ワイヤ１２および超小
型集積回路１４がリードフレーム１５上に搭載されてい
る。本発明によるボンディング装置１０は（好ましくは
およそ１８０℃の）低温超音波熱圧着工程を使用してボ
ールボンドおよびステッチボンドを生成する。装置１０
にはボンディングツールすなわちキャピラリー１６、ト
ランスジューサ１８、発熱体１９、高周波超音波エネル
ギー源２０、ヒーターブロック２２、圧力源２４が含ま
れ、装置１０の残部は参照番号２６のボックスで示され
ている。
【００１１】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。
【００１２】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。
【００１３】ワイヤ１２は実施例では純金であるが、金
合金製とすることもでき、他の金属や合金製のワイヤも
使用できる。ワイヤ終端１２にはボンド端３０が含まれ
ボールとして図示されているが、リードフレーム１５に
おいてステッチボンディングを行う場合にはそれはステ
ッチ部とされる。
【００１４】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。
【００１５】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。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−１４
５７０および添付テキストを参照されたい。
【００１６】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。
【００１７】トランスジューサ１８の有効長はおよそ
７．５７ｃｍ（２．９８インチ）である。実施例では、
トランスジューサ１８は１１４ＫＨｚ Ｈ．Ｆ．ＵＳエ
ネルギーを伝達して有効長に沿って２．２５波長を配置
するように設計されている。
【００１８】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
低減される。この比較では、およそ１．３２ｍｍ（５２
ミル）の低減となる。長さの低減は使用するＨ．Ｆ．Ｕ
Ｓ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】実施例では、発熱体１９はニューヨークの
ワトロー社製５Ｗ２８Ｖユニットであり、図２に示すよ
うにトランスジューサ１８に搭載される。また、発熱体
１９はトランスジューサ１８の外部に搭載することもで
きる。発熱体１９は電線４４を介して給電される。発熱
体１９はトランスジューサ１８を加熱しキャピラリ１６
を介して界面の導電加熱を行う。
【００２０】再び図１を参照して、高周波超音波源２０
はおよそ１００ＫＨｚよりも高い範囲の交流信号を圧電
結晶３２へ与えるように設計されている。好ましくは、
周波数はおよそ１１４ＫＨｚとされる。超音波源２０は
従来のように結晶３２へ接続される。
【００２１】ヒーターブロック２２によりリードフレー
ム１５およびＩＣ１４を介して界面３２へ熱エネルギー
が加えられる。
【００２２】ボンディング工程を容易にするのに必要で
あれば、（図示せぬ）付加熱源を組み込んで界面３２に
付加熱エネルギーを加えることができる。しかしなが
ら、装置１０を２００℃よりも低温で使用する場合に
は、このような熱源は通常不要である。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
力を加える（押潰し）。
【００２３】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。Ａｂａｃｕｓ ＩＩ 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。
【００２４】次に、本発明の工程について検討を行う。
一般的に、ボンドサイト２８を有するＩＣ１４がリード
フレーム１５等に搭載され、次に公知のように、（ボー
ルボンディングを行う場合）ワイヤ１２を加熱してボー
ル３０が形成される。次に、ボンド端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３２を
作り出す。
【００２５】本発明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、代表的にキャピラリ１６が接合端
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が超音エネルギーを与え且つ圧力源２４がキ
ャピラリ１６を介して押潰力を加える間に界面３２へ熱
が加えられる。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。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。さらに、発熱体１９はキャピラリ１６
およびトランスジューサ１８を介して界面３２へ熱エネ
ルギーを導電的に加える。導電性を強化した実施例にお
いて、キャピラリ１６は実質的に酸化ベリリウム製であ
る。
【００２６】ボンディング工程中に、界面３２はヒータ
ーブロック２２および発熱体１９により加熱される。超
音波エネルギー源２０から送出される超音波エネルギー
のある量は界面３２において熱エネルギーへ変換される
が、それは本発明のこの背景に対する検討の範囲外であ
る。もちろん、超音波エネルギー２０により供給される
熱エネルギーは界面３２へ送出される総熱エネルギーの
第３の熱力学エネルギー成分であるが、ここではこの成
分を無視してヒーターブロック２２から発生されたもの
でない熱エネルギーは全て発熱体１９から発生されたも
のと仮定する。
【００２７】もちろん、ヒーターブロック２２はリード
フレーム１５、ＩＣ１４およびボンドサイト２８を介し
て熱伝導により界面３２を間接的に加熱する。同様に、
発熱体１９はトランスジューサ１８に対する導電性によ
り界面３２を加熱し、トランスジューサ１８はキャピラ
リ１６と熱伝導を行って界面３２へ熱を送る。ヒーター
ブロック２２は２００℃よりも低温（例えば、１６５
℃）に維持される。したがって、発熱体１９からは熱が
送られず、界面３２はおよそ１６５℃のままとされる。
したがって、発熱体１９から送出される熱エネルギーは
ボールボンディング工程中に界面３２をおよそ１８０℃
に維持するように予め定められる。
【００２８】ヒーターブロック２２はこれよりも低温
（例えば、２００℃）に維持されるため、ＩＣ１４やリ
ードフレーム１５の構造に他の低融点材を使用すること
ができる。例えば、リードフレーム１５に錫もしくはは
んだめっきを施すことができる（融点はそれぞれ１６５
℃および１８５℃）。したがって、ヒーターブロック２
２を低温で使用することにより製造材料および工程条件
を選択する際のフレキシビリティが向上する。錫および
はんだのもう一つの利点はリードフレームのはんだづけ
に使用される他の材料に較べて比較的低廉であることで
ある。
【００２９】高周波超音波エネルギー（すなわち、およ
そ１００ＫＨｚ以上）を使用すれば接合性が強化される
ため、およそ１８０℃近くのボンディング温度で金線１
２を有効にボンドサイト２８へ接合することができる。
関連出願ＴＩ−１４５７０およびＴＩ−１５０６７を参
照されたい。
【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、本発明は単なる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
を読めば実施例の詳細にさまざまな変更を加えたり、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
うな変更や別の実施例は全て特許請求の範囲に入るもの
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
イトへ接触させ、接合端とボンドサイト間に界面を作
り、（ｄ）熱伝導性超音波トランスジューサを設け、
（ｅ）トランスジューサを加熱して界面に熱エネルギー
を加える、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、
ボンドサイトは集積回路と一体的に形成され、集積回路
に隣接してリードフレームが固着され、集積回路にも熱
エネルギーが加えられる、超小型電子ボンド形成方法。
【００３３】（３） 第（２）項記載の方法において、
リードフレームは導電材によりめっきされ、ワイヤおよ
び導電材はそれぞれの融点を有し、集積回路に加えられ
る熱量は集積回路の温度が導電材の融点よりも低く、し
かもトランスジューサを介して加えられる熱エネルギー
により界面温度がワイヤの融点よりも高くなるように予
め定められる、超小型電子ボンド形成方法。
【００３４】（４） 第（３）項記載の方法において、
ワイヤは相当量の純粋金属を含んでいる、超小型電子ボ
ンド形成方法。
【００３５】（５） 第（３）項記載の方法において、
ワイヤは相当量の合金を含んでいる、超小型電子ボンド
形成方法。
【００３６】（６） 第（３）項記載の方法において、
集積回路の温度はおよそ１６５℃である、超小型電子ボ
ンド形成方法。
【００３７】（７） 第（６）項記載の方法において、
界面温度はおよそ２００℃よりも低い、超小型電子ボン
ド形成方法。
【００３８】（８） 第（６）項記載の方法において、
界面温度はおよそ１８０℃である、超小型電子ボンド形
成方法。
【００３９】（９） 第（１）項記載の工程により製造
される超小型電子装置。
【００４０】（１０） 第（９）項記載の超小型電子装
置において、導電材は相当量の錫を含む、超小型電子装
置。
【００４１】（１１） 第（９）項記載の超小型電子装
置において、導電材は相当量のはんだを含む、超小型電
子装置。
【００４２】（１２） （ａ）熱伝導性超音波トランス
ジューサと、（ｂ）動作上トランスジューサに接続され
トランスジューサに充分な熱エネルギーを与えて加熱す
る発熱体、からなる組立体。
【００４３】（１３） 第（１２）項記載の組立体にお
いて、トランスジューサはその上にツールクランプ点を
含み、ボンディングツールがツールクランプ点に固定さ
れる、組立体。
【００４４】（１４） 第（１３）項記載の組立体にお
いて、ボンディングツールはキャピラリである、組立
体。
【００４５】（１５） 第（１４）項記載の組立体にお
いて、キャピラリは相当量の酸化ベリリウムを含む、組
立体。
【００４６】（１６） ワイヤ１２を集積回路のボンド
サイト２８へ接合する装置１０が提供される。実施例で
は、金線１２がアルミボンドパッド２８へ接合される。
装置１０はおよそ１００ＫＨｚよりも高い周波数の超音
波エネルギーを与えて適切なボンディングを行うのに必
要な界面温度を著しく低下させるように設計されてい
る。発熱体１９がキャピラリ１６およびトランスジュー
サ１８を介して界面３２へ熱エネルギーを加える。した
がって、本発明によればＩＣ１４およびリードフレーム
１５を介して界面３２を加熱しているヒーターブロック
２２からの熱エネルギーは少くなる。このようにして、
リードフレーム１５は従来よりも低温に維持される。リ
ードフレーム１５は低温であるため、（例えば、錫やは
んだ等の）低融点材ではんだづけすることができる。実
施例では、リードフレーム１５は実質的に錫（融点１８
５℃）によりめっきされおよそ１６５℃に維持される。
（ボンディング工程中に）界面３２は発熱体１９からの
熱エネルギーによりおよそ１８０℃に維持される。実施
例では、キャピラリ１６は酸化ベリリウム製として適切
な熱伝導率を得ている。
【００４７】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−１５０６７、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７４０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】本発明によりワイヤを超小型電子集積回路へ接
合するのに使用するボンディング装置の部分ブロック、
部分略図である。
【図２】発熱体に電気的に接続された超音波トランスジ
ューサの断面図である。
【符号の説明】
１０ ボンディング装置 １２ ワイヤ １４ ＩＣ １５ リードフレーム １６ キャピラリ １８ トランスジューサ １９ 発熱体 ２２ ヒーターブロック ２８ ボンドサイト ３２ 界面

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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儲け、（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、接合端とボンドサイト間に界面を
    作り、（ｄ）熱伝導性超音波トランスジューサを設け、
    （ｅ）トランスジューサを加熱して界面に熱エネルギー
    を加える、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】 （ａ）熱伝導性超音波トランスジューサ
    と、（ｂ）動作上トランスジューサに接続されトランス
    ジューサに充分な熱エネルギーを与えて加熱する発熱
    体、からなる組立体。
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