JPS62291041A - ボ−ルボンデイング方法 - Google Patents

ボ−ルボンデイング方法

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JPS62291041A
JPS62291041A JP62075753A JP7575387A JPS62291041A JP S62291041 A JPS62291041 A JP S62291041A JP 62075753 A JP62075753 A JP 62075753A JP 7575387 A JP7575387 A JP 7575387A JP S62291041 A JPS62291041 A JP S62291041A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wire
aluminum
ball
oxide
micrometers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP62075753A
Other languages
English (en)
Inventor
アレクサンダー・ジョセフ・オットー
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.)
Rio Tinto Alcan International Ltd
Original Assignee
Alcan International Ltd Canada
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcan International Ltd Canada filed Critical Alcan International Ltd Canada
Publication of JPS62291041A publication Critical patent/JPS62291041A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特にミクロ電子二「学分野において使用する
アルミニウムボンディングワイヤーのポールボンディン
グに関する。
［従来の技術１ 非常に細いアルミニウムまたは金糸ワイヤーか、集猪回
路をリードフレームパッケージに接続するために一般に
使用される。代表的なシステムでは、集積回路をパッケ
ージ中央に配置し、ボンデインクワイヤーセグメントに
より集積回路の回りにあるパッドをパッケージに埋月さ
れたリードに接続する。
ボンデインクワイヤーセグメントは、典型的には、ウェ
ッジ−ウェッジボンディング法またはポール−ウェッジ
法ににす、集積回路およびリードフレームに接続される
。ポール−ウェッジ法では、ホンディンクワイヤーをボ
ンディングヘッドにあるキャピラリーポールを通して供
給して、ワイヤーの先端を短く突出させる。次に、電気
アークにより突出先端を溶融させてホール状にする。ア
ーク停＋を後、溶融ポールは、熱がワイヤー先端ムおよ
び周囲の気体に移動するため、急速に同化する。
固体ポールは、ボンディングヘッドによりコンタクトパ
ッドに押し付けられて平坦化され、ポール−パッド界面
に超音波振動を加えてポールとパットとの間で結合（ポ
ールボンド）を形成する。次に、ボンディングヘッドは
、ループパスによりワイヤーをリード１こつなぎ、ボン
ディングヘッドの下のワイヤーは、超音波振動によりワ
イヤーとリードとの間で結合（ウェッジボンド）が形成
される間、リードに押しく＝ｌニー）られている。ボン
ディングヘットをつＪツジ−ボンドから離す時、ワイヤ
ーか引っ張られて離れ、次のポール−ウニランボンディ
ングサイクルのためにワイヤー先端が突出する。
アルミニウムワイヤーは金ワイヤーより強度およびコス
トにおいて有利であるが、金ワイヤーはどうまくポール
を形成しないので、ポール−ウェッジボンディングに使
用されない。特にアルミニウムワイヤーは、ポールボン
ドかうまくできない非３一 対称で多孔質の刻み面のあるポールを形成し、一方、金
ワイヤーは、ポールホントが堅実にうまくいく丸い軸対
称ポールを形成する。
ケーマン、ビー・エル（Ｇ　ｅｈｍａｎ、　Ｅ　、　Ｌ
　、）、リターラ、ケイ・イー（Ｒ１ｔａｌａ、　Ｋ　
　Ｅ、）およびエル・シー・エリックソン（Ｌ　、　Ｃ
、Ｅ　ｒｉｃｋｓｏｎ）のような研究者は、［アルミニ
ウム・ワイヤー・フォー・ザーモソニック・ポール・ボ
ンディング・イン・セミコンダクター・デバインイーズ
（Ａｌｕｍｉｎｕｍ　　Ｗｉｒｅ　　Ｆｏｒ　　Ｔｈｅ
ｒｍｏｓｏｎｉｃ　　ＢａｌｌＲｏｎｄｉｎｇ　　ｉｎ
　　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　ＤｅｖｉｃｅＳ）
Ｊ（ソリッド・ステート・テクノロジー（Ｓｏｌｉｄ　
５ｔａｔｅＴ　ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、１９８３年、１
０月、＋５１−１５８頁）において、アルミニウムワイ
ヤーの不充分なポール−ホンディング挙動は、ワイヤー
に存在する酸化物フィルムのせいであるとしている。
例えば、室温の空気中で、厚さ約０００５マイクロメー
ターの酸化物フィルムが形成される。ゲーマンらは、ア
ルミニウムワイヤー先端の溶融の後しばらくは、酸化物
フィルムが表面張力によつでホールが形成されるのを阻
害する程充分に強いことを示した。更にアークにより加
熱すると、部分的溶融のために、または円筒状溶融ワイ
ヤーの沸騰成分により酸化物の殻が破壊されることが示
唆された。この場合、溶融ワイヤーは、溶融金属表面上
に残っている酸化物フラグメントと共に可能な限りコン
パクトな幾何学形状に収縮する。
他の研究によると、ワイヤーへのアークエントリー位置
が、アルミニウムワイヤー表面トの抵抗が減少した新し
い位置付近に移動して、そのためにこれらの局部が溶融
されて酸化されることが示されている。アークエントリ
ー領域にお（Ｊるアルミニウムの酸化および溶融は、両
者とも最初のエントリー領域の電気抵抗を増加させて、
アークを低抵抗の領域までワイヤーに沿って押しやるの
で、アークエントリー位置を変えるのに寄与する。また
、アークを移動させることが、変化する電磁力および表
面力に応じて部分的に溶融したワイヤー先端を曲げ、動
かず。
従って、アルミニウムワイヤー−にの不均一なボ−ルは
、（１）アルミニラ１、ワイヤーへのアークエントり一
位置の変動、（２）局在した溶融酸化物および／または
酸化物の破壊に必要な金属沸騰、ならびに（３）固化時
の破壊溶融ワイヤー先端１−の酸化物フラグメントの残
存の結果によるものであると考えられる。
［発明の目的］ アルミニウムボンディングワイヤーのボール形成挙動を
改善する方法を提供することが本発明のＩ］的である。
［発明の構成］ アルミニウムワイヤーをボールボンディングする場合、
アルミニウムの溶融温度以上の温度で溶融し、電気アー
クがワイヤーを上昇して先端から離れるのを防ＩＩ−す
る十分な電気抵抗を有する電気絶縁フィルムで被覆した
アルミニウムワイヤーを使用することに、Ｌす、うまく
結合しない非対称で多孔質の刻み面のあるボールの問題
を克服できろことが本発明により見出された。結果とし
て、丸い軸対称のボールが形成される。
絶縁フィルｌ、は、機械的に強いのが好ましく、アルミ
ニラ１８酸化物の溶融温度において、またはその付近に
おいて融点を有するのが好ましい。−・般に、７００°
Ｃの最低溶融温度が必要であり、２５００℃程度に高く
てもよい。
絶縁フィルムは、典型的に（Ｊワイヤーを延伸１゜て洗
浄１刀こ後に、ワイヤーに供給される被覆である。アル
ミニウムワイヤーに適当な絶縁被覆を形成するために、
例えば、ガラス状酸化物被覆、気相酸化、化学的酸化、
ゾル−ゲル付着、スパッタ被覆なとのような種々の方法
が使用できる。しかしながら、陽極酸化による被覆の形
成が特に好都合であることが判明した。陽極酸化の間、
正に帯電したワイヤーを負に帯電した電界質を通して引
っ張る。電界質および電位によって、アルミニウノ５、
金属−酸化物界面においてアルミニウノ、が酸化され、
それにより酸化物の厚さが相当増加する。この方法によ
り作られた陽極酸化物は、空気形成酸化物より厚ざが相
当オーダー大きく、一般には約０．０１−１．０マイク
ロメーター、好ましくは約００５〜０．１５マイクロメ
ーターである。１．０マイクロメーター以−ヒのアルミ
ナ絶縁層は、ボールの表面に酸化物くずを残す。このく
ずは、結合を阻害する。４■以下の破壊電圧の絶縁層は
、アーク処理の間に破壊する。破壊電圧が４Ｖ以−１−
アルミナ絶縁層にするには、少なくとも０．Ｏｌマイク
ロメーター以」二の厚さが必要である。
この実質的な厚ざを持つ絶縁被覆が存在する場合、アー
キングの間、ワイヤ一端における空気形成酸化物は、ワ
イヤーステムの絶縁被覆より低い有効抵抗および破壊電
圧を有するので、アークの電流は、ワイヤ一端を介して
入ることになる。従って、アークは、被覆の下のリムも
溶融を始めるまで、ワイヤ一端を加熱して溶融させる。
この温度において、ワイヤ一端の酸化物も溶融して、ワ
イヤー先端の溶融アルミニウム表面は、その表面張力に
より丸くなる。溶融絶縁被覆り１１の表面張力により、
リムが引かれ、アークにより加熱を継続する間、ワイヤ
ーに沿って後退するリングの形部になる。このアークは
、被覆リムが後退するに従い、新たに露出した溶融アル
ミニウム上を移動ずろ。露出アルミニウム−・表面１−
に残っている酸化物が溶融し、および／よ）こけその量
が無視てきること、また、絶縁被覆は、アークがワイヤ
ーステムＩ−で局所的に」二昇することを防ぐことから
、溶融アルミニウムの表面張力により均一軸対称ボール
が形成される。
多孔質および障壁層陽極酸化物は、両者とも電気抵抗性
であり、必要な高い溶融温度を有するので、アルミニウ
ムワイヤーのボール形成挙動を向上させる。障壁層陽極
酸化物は、部分的に水和したアルミナの相当純粋で連続
した１−分に密な相であり、０．０１〜１０マイクロメ
ーターの厚さの範囲で狭い許容誤差で形成できるので、
障壁層陽極酸化物が通常好ましい。
障壁層を形成する一般的な電界質は、通常酒石酸また（
よホウ酸アンモニウムのような弱酸を含む。
電場と組み合わされた電解質が、多孔質層が連続して成
長できるに十分な陽極酸化物を溶解且ずにアルミニウム
を酸化するならば、障壁層か形成される。多孔質層型の
陽極酸化の間、陽極酸化物の部分的な局所溶解が孔を形
成する。孔の底におＩＪる酸化物の溶解が続くことによ
り、孔の底から酸化物−アルミニウム界面までの距離は
、電場が孔の底から酸化物−アルミニウム界面までイオ
ンを移行させることができる厚さの範囲に保持される。
このようにして、主に陽極酸化時間により、多孔質酸化
物層の厚さが決定される。しかしながら、障壁層陽極酸
化物の成長速度は、障壁層が厚くなるに従って連続的に
減少して、電場によってイオンが得られた酸化物の厚さ
を横切ることかできなくなると成長が止まる。このよう
にして、主に陽極酸化電圧により障壁陽極酸化物層の厚
さが決定される。
本発明で使用するアルミニウムワイヤーは、典型的には
約１０〜５００マイクロメーターの直径を有する。しか
しながら、最も一般的な用途では、ワイヤーは、１７〜
６０マイクロメーターの直径を有するのが好ましい。
ワイヤーは、純アルミニウムまたはアルミニラ１、合金
から作られてよい。使用できる典型的な合金には、Ａｆ
２／Ｓｉ合金およびＡｔ！／Ｍｇ合金が包含される。
［発明の好ましい態様］ ワイヤー１．１が通過するキャピラリーホール１２を有
するボンディングヘッドＩＯを使用した典型的なボール
−ウニツノボンディングシステムを第１図に示す。ワイ
ヤー先端１３は、キャピラリーポール１２の下から突出
している。
電極１４をワイヤー先端１３から短い距離に配置して、
電極とワイヤー先端１３との間で電気アーク２２を発生
させる。このアークは、ワイヤー先端を溶融させてボー
ルを形成し、そのボールを、第１図（ｂ）に示すように
集積回路要素１５のコンタクｉ・パッド１６に押し付け
て平坦化して、平坦化ボール１９を形成する。この押し
付けおよび平坦化を行っている間、典型的には周波数的
６０ｋＩｌｚのトランスデユーザーにより超音波振動を
ボンディングへラド１０に加える。この結果、平坦化ボ
ール１９がパッドＩ６に結合される。
次に、ボンディングヘッド１０を第１図（Ｃ）に示すよ
うに移動して、ワイヤーによりループパス２０を形成し
てリード１７のコンタクトパッド１８−１−の位置に到
達させる。この位置において、ボンディングヘッド１０
がコンタク］・パッド１８にワイヤーを押し付けた状態
で、再び超音波振動を加えて、ワイヤーとコンタクトパ
ッド１８との間でウェッジ−ボンドを形成する。
ボンディングヘッドＩＯを第１図（ｄ）に示ずようｌこ
リード１７から離ず場合、ワイヤーが引っ張られてワイ
ヤー先端が次のボール−ウェッジボンディングサイクル
のために突出する。
」一連の方法において、本発明のアルミニウムワイヤー
を使用する場合、アルミニウムワイヤーは、最初に電気
化学的練磨または電解研摩により清浄するのが好ましい
。電気化学的練磨の間、正に帯電したアルミニウムワイ
ヤーを負に帯電した電解質を通して引っ張る。電解質は
、凹凸部分から優先的にアルミニウムを酸化して、反応
生成物を溶解し、その結果、アルミニウム表面は、電解
質から出した後に空気中で形成される僅かに約０００５
マイクロメーターの酸化物を有する。引っ掻き線および
表面汚染物質は、上述の方法によりアルミニウムワイヤ
ーから除くことができ、細くかつ／または清浄なワイヤ
ーとなる。
上述の方法により清浄して準備したアルミニラ１１ワイ
ヤーを、次に、負に帯電した電解質を通して正に帯電し
たワイヤーを引っ張ることにより陽極酸化する。電解質
および電位により、アルミニウム金属−酸化物界面でア
ルミニウムが酸化されて、それにより所望の厚さの酸化
物被覆が形成される。
本発明の方法によるボール形成は、第２図に最らうまく
示されている。第２図（ａ）では、陽極酸化したワイヤ
ー２１がボンディングヘット１０から突出している。電
極Ｉ４は、電極と絶縁アルミニウムワイヤー２１の下の
先端との間で電気アーク２２を発生するように配置され
ている。第２図（ａ）では、ワイヤーの下端は、溶融を
開始しており小さい溶融前面を形成している。第２図（
ｂ）では、絶縁被覆も溶融を開始しており、溶融アルミ
ニウム表面は、その表面張力により丸くなっている。ス
カー）・２３の形成が、ボールとワイヤー２１との間で
始まっている。
第２図（ｃ）では、アルミニウムワイヤーおにび絶縁被
覆が溶融して後退するに従い、ボールが成長を続ける。
第２図（ｄ）では、アークが消され、ボール−ワイヤー
接続部に固体スカート２３がある状態で固化している均
一軸対称ボール２４ができている。
実施例１− 直径約３０マイクロメーターのＡＱ−１％Ｍｇボンディ
ングワイヤーを、表面を清浄するために電気化学的に約
１マイクロメーター細くした。電気化学的練磨に使用し
た装置は、ワイヤーアンスプーラ−１張力制御系、ワイ
ヤー帯電用電極、溶液タンク、ワイヤーウォッンヤーお
よびワイヤースプーラ−から成る。
（ａ）１８％ｒ−１２Ｓ　Ｏ，水溶液から成る多孔質酸
化物層型電解質中で、約１１Ｖで約３０秒間、ワイヤー
のザンブルを酸化して、厚さ約０．６マイクロメーター
の多孔質陽極酸化物被覆を形成した。
（ｂ）ｐＴ（６の３％酒石酸−水酸化アンモニウム水溶
液から成る障壁酸化物層型電解質中で、約９５Ｖで約３
５秒間、ワイヤーの第２ザンブルを酸化した。厚さ約０
１マイクロメーターの障壁層陽極酸化物が得られた。
第２図に示した方法で、陽極酸化ワイヤー上にボールを
形成した。第３図の写真は、上述の（ｂ）で説明した酒
石酸電界質中で約９５Ｖで陽極酸化したＡＱ−１％Ｍｇ
ワイヤー−］冒こ形成されたボールおよびスカートを示
す。第３図（Ａ）は、厚さ０．１マイクロメーターの障
壁層陽極酸化物により被覆された直径３０マイクロメー
ターのＡＱ−１％Ｍｇワイヤー−１−に形成されたボー
ルを示し、一方第３図（１３）ｔｊ、ボール−ワイヤー
接続部に形成された酸化物スカートを示し、第３図（Ｃ
）は、ボール表面を５０００倍に拡大した写真である。
ボール表面のオーガー分析によると、ボール表面は、約
０．００３マイクロメーターのアルミニウムお上びマグ
ネシウムの酸化物を含むことが判り、金属断面では、ス
カートは厚さ約１マイクロメーターの酸化物であること
が判った。
」−述の（ａ）で説明したＨ２ＳＯ，電界質で陽極酸化
したワイヤーも丸い軸対称ボールを形成した。
しかしながら、多孔質層陽極酸化物は相当厚くまた不均
一であるので、酸化物スカートはボール」二で遥かに大
きくまた不規則であった。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ボール−ウェッジ結合方法の模式図、第２図
は、本発明のボール形成方法の模式図、第３図は、本発
明により形成したボールの微細構造を示す写真である。 １０・・・ホンディングヘット、ＩＩ・・・ワイヤー、
１２・・・ギヤピラリ−ボール、 １３・・ワイヤー先端、Ｉ４　・電極、１５・・・集積
回路要素、１６・・・パッド、１７　・リード、１８・
・パッド、 １９・・・平坦化ボール、２０・・ループパス、２１・
・ワイヤー、２２　アーク、 ２３・・・スカート、２４・・・ボール。 特許出願人　アルキャン・インターナショナル・リミテ
ッド 代　理　人　弁理士　青　山　葆　ばか２名手続補正書
訪式） 特許庁長官殿　　　昭和６２年　７月　３１−１、発明
の名称 ポールボンデインク方法 ３　補正をする名 ＥＪｆ（／Ｉとの関係　特許出願人 住所　カナダ国エイチ３ニー・３ジー２、ケベック、モ
ン］・りオール、 ンヤーヅルック・ストリート・ウェスト　１１８８番名
称　アルギャン・インターナショナル・リミテッド４代
理人

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、アルミニウムワイヤーを、ボンディングヘッドを介
    して供給し、ボンディングヘッドにあるキャピラリーホ
    ールから突出させ、電気アークにより、突出ワイヤーを
    溶融してボール状にし、形成された固体ボールをボンデ
    ィングヘッドによりコンタクトパッドに押し付けて平坦
    化し、ボール−コンタクト界面を、超音波振動にさらし
    て平坦化ボールとコンタクトパッドとの間で結合を形成
    する、アルミニウムワイヤーをコンタクトパッドにボー
    ルボンディングする方法であって、 アルミニウムの溶融温度以上で溶融する電気絶縁フィル
    ムで被覆されたアルミニウムワイヤーを使用し、該フィ
    ルムは、電気アークが先端から離れてワイヤーに沿って
    移動するのを防止するのに十分な電気抵抗を有し、丸い
    軸対称ボールを形成することを特徴とする方法。 ２、アルミニウムワイヤーを陽極酸化して酸化物被覆を
    形成することにより被覆されている特許請求の範囲第１
    項記載の方法。 ３、酸化物被覆の厚さが約０．０１〜１．０マイクロメ
    ーターである特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、酸化物被覆の厚さが約０．０５〜０．１５マイクロ
    メーターである特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５、絶縁フィルムの溶融温度が約７００〜２５００℃で
    ある特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６、絶縁フィルムの溶融温度が酸化アルミニウムの溶融
    温度またはその付近の溶融温度である特許請求の範囲第
    ３項記載の方法。 ７、アルミニウムワイヤーの直径が約１０〜５００マイ
    クロメーターである特許請求の範囲第５項記載の方法。 ８、アルミニウムワイヤーの直径が約１７〜６０マイク
    ロメーターである特許請求の範囲第７項記載の方法。
JP62075753A 1986-03-26 1987-03-26 ボ−ルボンデイング方法 Pending JPS62291041A (ja)

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