JPH07335688A - 改良されたキャピラリおよび細かいピッチのボールボンディング法 - Google Patents

改良されたキャピラリおよび細かいピッチのボールボンディング法

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JPH07335688A
JPH07335688A JP7140669A JP14066995A JPH07335688A JP H07335688 A JPH07335688 A JP H07335688A JP 7140669 A JP7140669 A JP 7140669A JP 14066995 A JP14066995 A JP 14066995A JP H07335688 A JPH07335688 A JP H07335688A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボア３、および該ボアに直交する方向に長い
寸法を有し且つ長い寸法に直交する方向に短い寸法を有
する横断面を備える、ワイヤ５をボンディングするキャ
ピラリ１を提供する。 【構成】 キャピラリが第一方向において長い寸法（２
５から２７または３５から３７）により配向される一方
でワイヤを一つのボンドパッドにボンディングし、長い
寸法により同一方向もしくは要求されるならば第一方向
に直角な方向に配向されうるキャピラリを伴って、前記
一つのボンドパッドにすぐに隣接するダイにワイヤをボ
ンディングするキャピラリを用いて、ボンドをボンドパ
ッド９に生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、キャピラリ(capillar
y) に関し、半導体装置のボンドパッドのワイヤボンデ
ィングおよびボンド(bond)の形成法に関連する設計に関
する。
【０００２】
【従来の技術】ボールボンディングは、内部半導体ダイ
を外部リード線に連結する半導体製造技術において、幅
広く用いられている。この処理においては、通常およそ
２５μｍ（0.0010インチ）から３０μｍ（0.0013イン
チ）の細い金線が、頂部に入口を有し且つボアの反対端
に出口を有するセラミックキャピラリ、一般的にはアル
ミナを通じてフィードされる。ボールは、出口の外部
で、以前ボンディングされた後の残存するワイヤの微小
な部分を溶解する電子的なフレームオフ（ＥＦＯ）機構
により形成される。本質的に、ボールは、電子的放電ス
パークにより、ワイヤの終端部で形成される。この時
に、キャピラリはボールから比較的（数ミリメートル）
離れている。ボールが、キャピラリの面の径の中央に位
置され、キャピラリがダイ上のボンドパッドに連続して
移動することにより下方に力を加えられるまで、ワイヤ
はテンショナにより移動を制限される。ボールは、組み
立てられた半導体装置のボンドパッド上に配置され、キ
ャピラリの終端は、パッドに対して、サーモソニックエ
ネルギーによりボンドを提供する。上述のボールボンデ
ィングステップは、キャピラリの径のためにおよそ１０
０μｍ(0.0039 インチ) より近くなるボンドパッドを伴
う集積回路において、金のワイヤのボールボンディング
に対して大きな困難性を示す。半導体装置のパッド間の
ピッチが減少すると、ボールを作り、ボールおよびワイ
ヤが隣接するパッド上で干渉せずに、ボールおよびパッ
ドに取り付けられるワイヤをボンディングするキャピラ
リの余地がなくなる。現在の細かいピッチの金線による
ボールボンディングは、細かいピッチすなわちボトルノ
ーズキャピラリを用い、標準のキャピラリで可能なピッ
チよりも細かいピッチを許容する。しかしながら、ボン
ディングのピッチをおよそ９０μｍ(0.0035 インチ) 以
下にするために、ステッチボンド(stitch bond) の強度
を劣化させないで、キャピラリの径を十分に縮小させる
ことは不可能である。このステッチボンドの強度劣化の
理由は、キャピラリの径が縮小すると共に、ステッチボ
ンドを形成するキャピラリの面の径が縮小し、それによ
ってステッチが形成される領域が減少することである。
また、ステッチボンディング中に、大きなストレスがキ
ャピラリのボンド面上にかかる。キャピラリのボンドチ
ップが実際にリードフレームに加圧され、キャピラリの
チップのインプリントをリードフィンガ内に残し、それ
によってボールボンディングに関する上述と同じ問題が
生じる。更に、キャピラリの製造コストは、歩留りが減
少することにより増加し、小さい径を有するキャピラリ
が標準のキャピラリよりももろいために、キャピラリの
寿命は短くなる。改良されたキャピラリすなわち半導体
装置のパッドにワイヤボンディングを行う技術は、ボン
ドパッドの寸法および間隔が縮小すると、ますます好ま
しいことが明白である。
【０００３】
【発明の概要】本発明によると、従来技術のキャピラリ
における固有の上述の問題が、ダイの縁に対してボンデ
ィング角度を４５°から９０°の間に保ちながら、ダイ
の縁に沿ってパッド上にボールボンディングするという
代表的なボンディングの形態を利用することによって最
小化される。用語“ボンディング角度”は、ワイヤがパ
ッドにボンディングされ、ワイヤがキャピラリを通して
引かれ、リードフィンガにボンディングされた後に、ワ
イヤがチップの縁となす角度である。要約すると、標準
のキャピラリに関する四つのセクタの対向する二つのセ
クタにおける幅を減少したキャピラリが提供される。四
つのセクタは、対向するセクタの一対が対向するセクタ
の他の対より大きくなることができる四分円であってよ
いが、そうである必要はない。このことは、好適には、
対向するセクタの各々における十分に厚い壁を、それら
の壁に適用される圧力に耐えられるように保ちながら、
対向する一対のセクタの外部の一部を除去することによ
り達成される。キャピラリのチップ部の好ましい形状
は、蝶型の形状である。キャピラリのチップの形状の所
望の特性として、キャピラリのチップの厚いセクタが、
隣接するボンドパッド上に前に形成されたボールボンド
の周りであって且つそこから離された位置に少なくとも
部分的に適合するように形成されるべきである。
【０００４】製造中、互いに直角に方向づけられた二つ
のそのようなキャピラリの各々、すなわち９０°だけ回
転可能な単一のキャピラリが、四つのセクタによるピッ
チを減少する性能を実現するために要求される。キャピ
ラリのボンディング領域の長さではなく幅を減少するこ
とによって、隣接するボールの距離が、ステッチボンド
の質を劣化させることなく、減少可能となる。二つのキ
ャピラリが用いられ、一つは（リードフレームに関して
Ｙ方向で）超音波エネルギーに対して並行（縦方向）な
主軸を有しており、他方は（リードフレームに関してＸ
方向で）超音波エネルギーに対して垂直（横方向）な主
軸を有する。例えば、TI ABACUS AIIISRのような二重ヘ
ッドボンダーが、一つのボンドヘッドにおいて縦に方向
づけられたキャピラリと他方のボンドヘッドにおいて横
に方向づけられたキャピラリに設置されるために、単一
のヘッドボンダーより優れた利点がある。そのために、
二重ヘッドボンダーを伴って、各装置は、ボンダーを通
して単一のパスにおいてボンディングされることができ
る。単一のヘッドボンダーは、一つの方向に設定される
キャピラリのパスを生成し、第二のパスを生成する前に
ボンダー上のキャピラリの方向を変化し、また代わりに
別のボンダーを用いて他の方向に設定されるキャピラリ
の第二パスを生成することによって、このアプローチを
使用することが可能となる。二つの単一ヘッドボンダー
は、第一ボンダーから第二ボンダーへボンディングされ
たリードフレームを自動的に運ぶために物理的に結合さ
れることができ、ボンダー間のリードフレームストリッ
プの手動操作を除去し、高品質で信頼性の高い生産物を
生産する。
【０００５】本発明の第一の実施例の場合には、ダイの
縁に対して９０°に近いボンディング角度を有するワイ
ヤが、標準のキャピラリで生成されるボンドと実質的に
同一であるステッチボンドを生成する。しかしながら、
ボンディング角度が４５°の方向に動く時、ステッチボ
ンディング中にワイヤに示される面が明らかに修正され
る。主要なボンディング特性の劣化は、最小となり、良
質で信頼性のあるボンディングが多くの用途において許
容できるものとなる。本発明の実施例は、ボンディング
角度が９０°近くである矩形の細かいピッチボンディン
グに特に適する。薄くされたセクタにおける平らにされ
た対向する側部を有するキャピラリを蝶型の形状に修正
することは、標準のキャピラリにより製造されたものと
実質的に同一のステッチボンドを生成する均一な幅のボ
ンド面および大きい外径を示すことによる影響を最小化
し、可能な限り除去する。蝶型の形状は、可能な限り最
小のボールボンドピッチを達成することができる。
【０００６】
【実施例】図１を参照すると、水平横断面においてほぼ
環状である従来のキャピラリであって、中央ボア３を有
するもののチップ部１の垂直方向の横断面が示される。
金ワイヤ５は、ボア内に位置し、ボア３の底部で斜角面
に配置されるボール７に形成されてきた。ボンディング
は、図２に示されるように、ダイ１１のパッド９に対し
て図１のボール７を近づけ、ボールに影響を及ぼすキャ
ピラリのチップから超音波パルスおよび圧力を適用する
ことによって生成され、ダイパッドに対して平らにさ
れ、ボンディングさせる。キャピラリは、ダイパッドか
ら離れる方に引き上げられ、次のワイヤボンディング位
置に移動する。示されるように、ボンドパッド９の寸法
が小さくなり、ボンドパッド間の間隔が小さくなると、
キャピラリ１の水平横断面を小さくする必要が生じる。
上述のように、横断寸法を連続して減じることは、結
局、キャピラリの壁が、図１および２に示されるように
ボール７に所望の力を加え、処理中の破壊を回避するた
めには薄すぎる。また、ダイパッド間の間隔を減少する
と、キャピラリの寸法が、隣接するボンドパッド上のボ
ンドとキャピラリを干渉させる。
【０００７】上述の問題は、図３に示される第一の実施
例に従って軽減され、その実施例において、四つのセク
タを仮定した場合に、従来のキャピラリにおいて提供さ
れる同一の寸法では平らでない形状に制限されたが、キ
ャピラリのチップの水平方向の横断面が変更され、対向
する一対のセクタ２１および２３が平らにされる。従っ
て、壁２１および２３の間の寸法は、環状部２５および
２７の間の径の寸法よりも小さくなる。図４を参照する
と、取り除かれてきたセクタの対向する壁３１および３
３の対が、事実上いくらか環状となる蝶型の形状が示さ
れる。しかしながら、壁３１および３３の形態はいかな
る形状をもとることができ、壁３５および３７が隣接す
るボンドパッド上に予めボンディングされたボールに対
して少なくとも部分的にはその周囲であって、またそこ
から離間して適合できることが、単に必要なだけであ
る。所望のそのような適合の程度は、キャピラリの寸法
およびボンドパッド間の間隔に左右される。本発明の第
二の実施例は、図５における代表的なボンディング位置
において示される。位置Ａ，ＢおよびＣは縦向きのキャ
ピラリを示し、位置ＤおよびＥは横向きのキャピラリを
示す。キャピラリはシリコンダイ４９の表面上に位置す
るボンドパッド４６および４７上にボールボンドを位置
する。ボンドワイヤ５０は、ボンドパッド４８およびパ
ッケージリード（図示せず）の間を延びている。
【０００８】ボールボンドはキャピラリ位置Ａのボンド
パッド上に位置される。ボールボンドが完了すると、キ
ャピラリはボンダーのボンドヘッドにより、ステッチボ
ンドがパッケージリードに生成されるキャピラリ位置Ｂ
の近くで隣接する位置に移動される。キャピラリ位置Ｂ
は、ボンディング角度がダイ４９の縁に関して９０°近
い場合を表す。この場合において、本発明の両方の実施
例は良質のボールおよびステッチボンドを生成する。キ
ャピラリ位置Ｃは、ボンディング角度が４５°に近い場
合を表す。この場合において、本発明の第二の実施例で
ある蝶型の形状が、本発明の第一の実施例に関して優れ
たステッチボンドを生成する。キャピラリ位置Ｄは、ボ
ールボンドが、位置Ａのキャピラリにより位置されるボ
ールボンドに垂直なダイ４９の側部に生成される場合を
表す。キャピラリ位置Ｅは、キャピラリ位置ＢおよびＣ
で生成されたステッチボンドに垂直なダイ４９の側部に
沿ったステッチボンドを表す。このボンディング工程
は、全てのボンディングが完了するまで、ダイ４９の各
縁に沿って連続することが意図される。キャピラリ位置
Ａにより表される側部およびこの側部に対向する側部に
沿った全てのボンディングが、位置Ａにおける方向づけ
られたキャピラリにより達成される。同様に、キャピラ
リ位置Ｄにより表される側部およびこの側部に対向する
側部に沿った全てのボンディングが、位置Ｄにおける方
向づけられたキャピラリにより達成される。
【０００９】図６を参照すると、キャピラリ５１がパッ
ドの下方でボンディングしながら、どのようにキャピラ
リ５１が前に形成されたボールボンド５３と接触するの
を防ぐかが示される。本発明は特別で好適な実施例に関
して説明されてきたが、多くの変更および修正が当業者
にとって容易である。従って、本発明の特許請求の範囲
は、従来技術の観点から、そのような多くの変更および
修正を可能な限り含むように解釈される必要がある。
【００１０】以上の記載に関連して、以下の各項を開示
する。 （１）ワイヤをボンディングするキャピラリであって、
（ａ）壁部および貫通する中央ボアを有する剛性管状部
材と、（ｂ）二対の対向するセクタを有する前記壁部と
を含み、（ｃ）前記ボアの中心を通り、対向するセクタ
の前記二対の一つの外部壁の間の前記ボアに直交する最
小寸法が、前記ボアの中心を通り、対向するセクタの前
記二対の他方の外部壁の間の前記ボアに直交する最小寸
法より実質的に大きいことを特徴とするキャピラリ。 （２）対向するセクタの前記二対の一方の壁の一つが、
前記ボアに向かって内方に入り込み、対向するセクタの
前記二対の他方の壁の一つが、前記ボアから離れる方向
に外方に出っ張ることを特徴とする（１）に記載のキャ
ピラリ。 （３）内方に入り込んでいる対向するセクタの前記二対
の一方の壁の一つが前記ボアに向かって凹面状であり、
外方に出っ張っている対向するセクタの前記二対の他方
の壁の一つが前記ボアに向かって凸面状であることを特
徴とする（２）に記載のキャピラリ。 （４）対向するセクタの前記二対の一方の各壁が平坦で
あって、各壁が並行であり、前記一方の対の壁間の距離
が、セクタの前記他方の対の壁間の距離よりも小さいこ
とを特徴とする（１）に記載のキャピラリ。 （５）前記他方の対の各壁が環状であることを特徴とす
る（４）に記載のキャピラリ。 （６）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同
一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有すること
を特徴とする（１）に記載のキャピラリ。 （７）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同
一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有すること
を特徴とする（２）に記載のキャピラリ。 （８）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同
一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有すること
を特徴とする（３）に記載のキャピラリ。 （９）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同
一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有すること
を特徴とする（４）に記載のキャピラリ。 （１０）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの
同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有するこ
とを特徴とする（５）に記載のキャピラリ。 （１１）ワイヤをボンディングするキャピラリであっ
て、（ａ）壁部および中央ボアを有する剛性管状部材を
有し、（ｂ）前記壁部が横断面においてほぼ蝶型形状を
有することを特徴とするキャピラリ。 （１２）ワイヤをボンディングするキャピラリであっ
て、（ａ）ボアを有するキャピラリチューブを有し、
（ｂ）前記キャピラリチューブが、前記ボアに直交する
方向に長い寸法を有し、前記長い寸法に直交する方向に
短い寸法を有する横断面を有することを特徴とするキャ
ピラリ。 （１３）ボンドパッドにボンドを形成する方法であっ
て、（ａ）ボアを有し、前記ボアに直交する方向に長い
寸法を有し、前記長い寸法に直交する方向に短い寸法を
有する横断面を有する少なくとも一つのキャピラリを提
供し、（ｂ）前記キャピラリを第一方向に前記長い寸法
で配向され、前記ボンドパッドの一つにワイヤをボンデ
ィングし、（ｃ）前記ボンドパッドの前記一つに隣接す
るボンドパッドにワイヤをボンディングするステップを
含む方法。 （１４）前記ボンドパッドの前記一つに隣接するボンド
パッドにワイヤをボンディングする前記ステップが、前
記第一方向に直交する方向において前記長い寸法で配向
された前記キャピラリをもって行われることを特徴とす
る（１３）に記載の方法。 （１５）前記キャピラリがほぼ蝶型の外部形状を有する
ことを特徴とする（１３）に記載の方法。 （１６）前記キャピラリがほぼ蝶型の外部形状を有する
ことを特徴とする（１４）に記載の方法。 （１７）前記キャピラリが、壁部および貫通する前記ボ
アを有する剛性管状部材であって、前記壁部が、対向す
る二対のセクタを有し、対向するセクタの前記二対の一
つが、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直
交するラインにおいて前記短い寸法を有し、対向するセ
クタの前記二対の他方が、それらの間であって前記ボア
を通り前記ボアに直交するラインにおいて前記長い寸法
を有することを特徴とする（１３）に記載の方法。 （１８）前記キャピラリが、壁部および貫通する前記ボ
アを有する剛性管状部材であって、前記壁部が、対向す
る二対のセクタを有し、対向するセクタの前記二対の一
つが、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直
交するラインにおいて前記短い寸法を有し、対向するセ
クタの前記二対の他方が、それらの間であって前記ボア
を通り前記ボアに直交するラインにおいて前記長い寸法
を有することを特徴とする（１６）に記載の方法。 （１９）対向するセクタの前記二対の一つの前記壁部
が、ほぼ環状であって、前記ボアに向かって内方に凹面
状であり、対向するセクタの前記二対の他方の前記壁部
が、ほぼ環状であって、前記ボアから離れる方向に外方
に凸面状であることを特徴とする（１７）に記載の方
法。 （２０）対向するセクタの前記二対の一つの前記壁部
が、ほぼ環状であって、前記ボアに向かって内方に凹面
状であり、対向するセクタの前記二対の他方の前記壁部
が、ほぼ環状であって、前記ボアから離れる方向に外方
に凸面状であることを特徴とする（１８）に記載の方
法。 （２１）ボア３、および該ボアに直交する方向に長い寸
法を有し且つ長い寸法に直交する方向に短い寸法を有す
る横断面を備える、ワイヤ５をボンディングするキャピ
ラリ１を提供する。キャピラリが第一方向において長い
寸法（２５から２７または３５から３７）により配向さ
れる一方でワイヤを一つのボンドパッドにボンディング
し、長い寸法により同一方向もしくは要求されるならば
第一方向に直角な方向に配向されうるキャピラリを伴っ
て、前記一つのボンドパッドにすぐに隣接するダイにワ
イヤをボンディングするキャピラリを用いて、ボンドを
ボンドパッド９に生成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤおよびボールを伴う従来の標準キャピラ
リのチップ部１の垂直横断面図。
【図２】ボールがボンドパッドにボンディングされた後
の垂直横断面図。
【図３】本発明の第一の実施例によるキャピラリのチッ
プ部の横断面図。
【図４】本発明の第二の実施例によるキャピラリのチッ
プ部の横断面図。
【図５】キャピラリ設計およびボンディング工程の可能
性を実現するのに要求される重要なキャピラリ位置を示
した図。
【図６】キャピラリがパッドの下方でボンディングしな
がら、前に形成されたボールボンドと接触するのを防ぐ
キャピラリを示した図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルバート エイチ クックハーン アメリカ合衆国 テキサス州 75034 フ リスコ ウィルフォード トレイル 9940

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ワイヤをボンディングするキャピラリで
    あって、 （ａ）壁部および貫通する中央ボアを有する剛性管状部
    材と、 （ｂ）二対の対向するセクタを有する前記壁部とを含
    み、 （ｃ）前記ボアの中心を通り、対向するセクタの前記対
    の一つの外部壁の間の前記ボアに直交する最小寸法が、
    前記ボアの中心を通り、対向するセクタの前記対の他方
    の外部壁の間の前記ボアに直交する最小寸法より実質的
    に大きいことを特徴とするキャピラリ。
  2. 【請求項２】 ボンドパッドにボンドを形成する方法で
    あって、 （ａ）ボアを有し、前記ボアに直行する方向に長い寸法
    を有し、前記長い寸法に直行する方向に短い寸法を有す
    る横断面を有する少なくとも一つのキャピラリを提供
    し、 （ｂ）前記キャピラリを第一の方向に前記長い寸法で配
    向され、前記ボンドパッドの一つにワイヤをボンディン
    グし、 （ｃ）前記ボンドパッドの前記一つに隣接するボンドパ
    ッドにワイヤをボンディングするステップを含む方法。
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