KR100855548B1 - 감쇠 제어식 캐필러리 - Google Patents

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KR100855548B1
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cylindrical section
bonding
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밀러아미르
펄버그길
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쿨리케 앤드 소파 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

미세 와이어를 기판에 본딩하기 위한 감쇠 제어식 본딩 공구. 한 실시예에 있어서, 본딩 공구는 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖고 있는 제 1 원통형 섹션; 상기 제 1 원통형 섹션의 단부에 인접한 제 1 단부를 갖고 있고, 이 제 1 직경보다 더 작은 실질적으로 일정한 제 2 직경을 갖고 있는 제 2 원통형 섹션; 그리고 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 제 1 단부를 갖고 있고, 소정의 테이퍼를 갖고 있는 제 3 섹션;을 포함한다. 또다른 실시예에서, 본딩 공구는 원통형부의 길이의 적어도 한 부분을 따른 평면 영역을 포함한다.
Figure 112003031542068-pct00004
본딩 공구, 감쇠, 캐필러리, 미세 와이어, 트랜스듀서, 초음파

Description

감쇠 제어식 캐필러리{CONTROLLED ATTENUATION CAPILLARY}
본 발명은 반도체 장비에 와이어를 본딩하는데 사용하는 공구에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 감쇠 제어 특성을 가진 본딩 공구에 관한 것이다.
요즈음의 전자 장비는 반도체 칩 또는 집적회로(IC)가 설치되는 인쇄회로 기판에 상당히 의존한다. 칩과 기판사이의 기계적 및 전기적 연결에 대해서 칩 설계자의 연구가 있었다. IC를 기판에 연결하기 위한 공지된 3개의 기술은 와이어 본딩, 테이프 자동 본딩(TAB) 및 플립 칩이다.
이들 공정들 중 가장 일반적인 것이 와이어 본딩이다. 와이어 본딩에서, 다수의 본딩 패드는 기판의 상부 표면상의 패턴에 위치하며, 칩은 본딩 패드의 패턴 중심에 설치되고, 그리고 칩의 상부 표면은 기판의 상부표면으로부터 떨어져 면하고 있다. 세밀한 와이어(알루미늄 또는 금 와이어일 수 있음)는 칩의 상부 표면 위의 컨택트와 기판의 상부 표면의 컨택트 사이에 연결된다. 특히, 커넥팅 와이어는 이하 보다 자세히 설명될 본딩 공구인 캐필러리에 의해서 칩 및 기판에 제공되고 본딩된다.
캐필러리는 와이어를 전자 장치 특히, 반도체 장치의 본드 패드에 볼 본딩하기 위해서 사용된다. 이러한 캐필러리는 세라믹 물질, 주로 알루미나, 텅스텐 카 바이드, 루비, 지르콘 강화 알루미나(ZTA), 알루미나 강화 지르콘(ATZ) 및 다른 물질로 대체로 형성된다. 대체로 약 1 밀(mil)정도의 치수를 가지는 금, 구리 또는 알루미늄 와이어인 매우 얇은 와이어는 와이어의 단부에 형성된 작은 볼, 캐필러리 팁의 외부에 위치된 볼을 가진 캐필러리의 축방향 통로를 통해서 관통된다. 최초 목적은 볼을 반도체 장치 상의 패드에 본딩하는 것이며, 그리고 나서 와이어를 따라 더 먼 부분을 리드 프레임 등에 본딩하는 것이다. 본딩 사이클 동안, 캐필러리는 하나 이상의 기능을 수행한다.
볼이 형성된 후, 캐필러리는 본드 패드 목적화를 위해서 캐필러리 내부에 부분적으로 볼을 먼저 중심 지워지도록 해야한다. 제 1 본딩 단계에서, 볼은 반도체 장치 상의 패드에 본딩된다. 캐필러리가 본드 패드 상에서 볼을 아래로 접촉시킬 경우, 볼은 눌려져 평평하게 될 것이다. 본드 패드가 일반적으로 알루미늄으로 만들어짐에 따라, 얇은 산화물은 본드 패드의 표면상에 형성된다. 적절한 본드를 형성하기 위해서, 산화물 표면을 깨고 알루미늄 표면을 노출시키는 것이 바람직하다. 산화물을 깨는 효과적인 방법은 와이어 볼로서 산화물의 표면을 '문지르는' 것이다. 와이어 볼은 알루미늄 산화물의 표면에 놓이고 캐필러리는 캐필러리가 부착된 초음파 혼(horn) 내부에 위치된 압전 요소(piezo-electric element)의 팽창 및 수축에 기초한 선형 방향으로 빠르게 이동한다. 빠른 운동은 본드 패드를 통해 가해진 열과 함께 와이어와 본드 패드 사이에 효과적인 본드를 형성한다.
캐필러리는 그리고 나서 루핑하는 동안 본드 와이어를 캐필러리의 바깥으로 그리고 나서 다시 안쪽으로 원활하게 공급하면서 와이어를 조절한다. 캐필러리는 '스티치(stitch)' 본드 및 '택(tack)' 또는 '테일(tail)' 본드를 형성한다.
현재, 써머소닉 와이어 본딩은 반도체 장치들을 그것이 지지하는 기판에 연결하기 위한 선택 공정이다. 써머소닉 본딩 공정은 이동 가능한 본드헤드에 부착된 트랜스듀서로부터 캐필러리 또는 쐐기 등의 공구를 통해서 반도체 장치 또는 지지기판에 용접되는 볼 또는 와이어로의 초음파 에너지 전달에 부분적으로 영향을 받는다.
종래의 캐필러리(본딩 공구)에 있어서, 본딩 공구의 기하학적 형상은 볼/와이어 연결패드 접촉 면적에 에너지 전달을 수정하도록 설계되지 않았다. 본 발명의 발명자는 공구의 초음파 감쇠 제어가 본딩 공정 및 본딩 성능을 제어하는데 매우 중요하다는 것을 알았다.
그러나, 종래 본딩 공구 설계는 연결 피치 및 와이어 본드 루프 높이에 근거하기 때문에, 그리고 초음파 감쇠를 제어한다는 것을 고려하지 않았기 때문에 결함을 가지고 있었다.
도 1은 종래의 본딩 공구를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본딩 공구(100)는 실린더형 몸체부(102) 및 테이퍼형부(104)를 구비한다. 축방향 통로(108)는 본딩 공구(100)의 단부(110)에서 팁(106)까지 연장한다. 본딩 와이어(도시 생략)는 기판(도시 생략)상에 궁극적으로 본딩하기 위해서 축방향 통로(108) 및 팁(106)을 통과한다.
종래 본딩 공구의 상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 공구의 감쇠 게인 및 제어 방향을 만들기 위한 본딩 공구에 관한 것이다.
본딩 공구는 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션; 상기 제 1 원통형 섹션의 일단부에 인접한 제 1 단부를 갖는 제 2 원통형 섹션, 이 제 2 원통형 섹션은 제 1 직경보다 작은 실질적으로 일정한 제 2 직경을 갖고; 그리고 상기 제 2 원통형 섹션의 제 1 단부에 인접한 제 1 섹션에, 소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 본딩 공구는 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션; 상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에 인접한 제 1 단부를 갖는 제 2 섹션, 이 원통형 제 2 섹션은 i) 상기 제 1 원통형 섹션의 상기 제 1 직경과 대체로 동일한 직경 그리고 ii) 상기 제 2 섹션의 적어도 한 부분의 길이를 따라 평면 영역을 갖고; 그리고 상기 제 2 원통형 섹션의 제 1 단부에 인접한 제 1 단부에, 소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 본딩 공구는 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 섹션, 이 제 1 섹션은 제 1 섹션의 적어도 한 부분의 길이를 따라서 형성된 평면 부분을 갖고; 이 제 1 섹션의 단부에 인접한 제 1 단부를 갖는 제 2 원통형 섹션, 이 제 2 원통형 섹션은 이 제 1 직경과 대략 동일한 실질적으로 일정한 제 2 직경을 갖고; 상기 제 2 원통형 섹션의 단부에 인접한 제 1 단부에, 소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 본딩 공구는 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션; 그리고 이 제 1 원통형 섹션의 단부에 인접한 제 1 단부를 갖는 제 2 원통형 섹션을 포함하고 있고, 이 제 2 원통형 섹션은 i) 제 1 직경보다 더 작은 실질적으로 일정한 제 2 직경 그리고 ii) 제 2 섹션의 적어도 한 부분의 길이를 따라 평면 부분을 갖는다.
본 발명의 한 측면에 따라, 본딩 공구는 단일재로 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 트랜지션 섹션은 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이에 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 테이퍼진 섹션은 단부에서 더욱 테이퍼진 섹션을 갖추고 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 위치결정 가이드는 본딩 공구의 제 1 섹션의 제 2 단부에 배치된다.
본원의 이러한 측면 및 다른 측면들은 본 발명의 실시예의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 하기에 설명된다.
본 발명은 첨부한 도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명으로 보다 잘 이해된다. 일반적인 실시에 따라 도면은 축적화하지 않았다. 오히려, 여러 형태의 크기를 명확하게 나타내기 위해서 임의로 확대 또는 축소되었다.
도 1은 종래의 본딩 공구의 측면도;
도 2는 트랜스듀서 이동에 대한 본딩 공구의 응답을 나타내는 도면;
도 3A-3H는 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 본딩 공구의 여러 도면;
도 4A-4E는 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 본딩 공구의 여러 도면;
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 본딩 공구에 대한 초음파 에너지의 영향을 도시한 그래프;
도 6은 본 발명의 실시예에 따르는 본딩 공구에 대한 초음파 에너지와 공진 주파수와의 관계를 도시한 그래프;
도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 본딩 공구에 대한 캐필러리 변위를 도시한 그래프;
도 8은 초음파 트랜스듀서를 구비한 실시중인 본딩 공구의 상호관계를 도시한 도면;
도 9A-9D는 초음파 트랜스듀서 내로 실시중인 본딩 공구를 향하게 하는 접근 실시예를 도시하는 도면;
도 10A-10D 및 도 11A-11C는 도 9A-9D의 본딩 공구와 결합하기 위한 초음파 트랜스듀서를 상세하게 도시한 도면; 및
도 12A-12C는 본 발명의 제 3 실시예에 따르는 본딩 공구의 여러 도면.
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본 발명은 본딩 공구의 길이방향을 따라서 질량 분포를 변경시킴으로써 종래의 캐필러리 본딩 공구들의 결점을 극복하기 위한 것이다. 결과적으로 본딩 공구는 종래의 본딩 공구와 비교할 경우 기판 상에 본드를 형성하는데 보다 적은 초음파 에너지를 필요로 한다. 초음파 감쇠 방향은 여기서 보다 논의되는 적절한 설계에 의하여 제어되고 수정될 수 있다.
초음파 본딩 공구의 설계는 초음파 트랜스듀서에 의해 구동되는 공구의 작동을 수학적으로 설명함으로써 달성될 수 있다. 이러한 시스템은 식(1)로 나타낸 바와 같이 캔틸레버 빔으로 나타난다.
식(1)
Figure 112003031542068-pct00001
여기서 E는 탄성 계수, I는 관성 모멘트, m은 질량 분포, z는 운동 지지대로부터의 거리, x는 빔에 수직한 변위이며 그리고 x0는 운동 지지대의 운동을 나타낸다.
식 1의 경계 조건은 다음과 같다:
(1) x(0,t) = x0·ei·w·t
(2)
Figure 112003031542068-pct00002
(3) m(l,t) = 0
(4)
Figure 112003031542068-pct00003
여기서,
l - 캔틸레버 길이
V - 전단력
도 2는 식(1)에 따르는 본딩 공구의 응답을 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본딩 공구의 설계를 위해서, 캔틸레버 빔(200)은 본딩 공구를 나타내며, 204는 트랜스듀서(202)의 운동(x0)을 나타내며, 그리고 206은 본딩 공구 응답 운동(x(z,t))을 나타낸다. 질량 및 관성 모멘트가 빔을 따라 가변적이기 때문에, 이들 변수들은 바람직한 본딩 초음파 운동을 만들기 위해서 본딩 공구의 구조 및 '형상'을 설계하는데 사용될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 종래 설계에 있어서, 관성 모멘트(I) 및 질량 분포(m)는 초음파 감쇠를 목적으로 제어되는 것이 아니라, 엄밀하게는 필요한 상호 연결 피치 및 와이어 본드 루프 높이를 허용하기 위해서 제어되었다. 본 발명의 실시예에 있어서, 횡단면 형상 및 질량 분포는 초음파 감쇠 방향 및/또는 게인을 제어하도록 특정된다.
관성 면적 모멘트(I) 및 질량 분포(m)를 조작하는 효과의 여러 예가 주어진다. 표 1은 이러한 개념의 근거와 관련하여 실험한 작업의 요약이다.
캐필러리 직경314 (10-3inch) 폭 (10-3inch) 높이 (10-3inch)
A1 16.0(0.406mm) 17.2(0.437mm) 165.6(4.206mm)
A2 14.7(0.373mm) 17.0(0.431mm) 174.3(4.427mm)
A3 13.7(0.348mm) 17.8(0.452mm) 183.3(4.656mm)
H1 16.0(0.406mm) 17.2(0.437mm) 184.4(4.683mm)
H2 16.5(0.419mm) 17.4(0.442mm) 151.4(3.845mm)
H3 16.6(0.422mm) 16.4(0.417mm) 140.7(3.573mm)
W1 15.9(0.404mm) 13.6(0.345mm) 161.8(4.110mm)
W2 15.9(0.404mm) 19.3(0.490mm) 164.6(4.181mm)
D1 11.4(0.289mm) 17.4(0.442mm) 165.4(4.201mm)
D2 8.2(0.208mm) 16.9(0.429mm) 165.7(4.209mm)
H1D2 11.5(0.292mm) 17.1(0.434mm) 181.9(4.620mm)
H2D2 8.2(0.208mm) 15.6(0.419mm) 149.8(3.805mm)
도 3A-3G는 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 캐필러리 본딩 공구의 여러 도면이다. 도 3A 및 3D는 각각, 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 본딩 공구(300)의 측면도 및 사시도이다. 도 3A에 도시한 바와 같이, 본딩 공구(300)는 상부 원통체부(302), 하부 원통체부(304), 및 원추형 몸체부(306)를 갖추고 있다. 상부 원통체부(302)와 하부 원통체부(304) 사이에 트랜지션 영역(312)이 배치된다. 이러한 실시예에 있어서, 트랜지션 영역(312)은 베벨 형상을 취한다. 그러나 본 발명은 도 3E에 도시한 바와 같이 트랜지션 영역(312)이 만곡 형상(312A)과 같은 다른 형상을 취하는 것에 제한되지 않는다. 그러나, 트랜지션 영역(312)을 통과하는 에너지의 원활한 트랜지션을 유지하기 위하여, 트랜지션 영역(312)이 상부 원통체부(302)와 하부 원통체부(304) 사이에 "줄어들음(Step down)"으로 이루어진다면, 알 수 있는 바와 같이 가파른 에지를 갖추지 않는 것이 바람직하다.
실시예에 있어서, 본딩 공구(300)의 총 길이(301)는 대략 0.300in.와 0.600in.(7.62mm와 15.748mm) 사이이고 바람직하게는 대략 0.437in.(11.0mm)이다. 상부 원통부(302)는 대략 0.0625in.와 0.0866in.(1.5875mm와 2.20mm) 사이, 바람직하게는 대략 0.0625in.(1.59mm)의 직경(308)을 갖는다. 하부 원통형 몸체부(304)는 대략 0.0342in.와 0.0625in.(0.86868mm와 1.5875mm) 사이의 직경(314)을 갖추고 있고 그리고 본딩 공구(300)의 말단부(332)에서 대략 0.020in.와 0.279in.(5.08mm와 7.0866mm) 사이의 지점(328)에서 시작한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 직경(314)은 대략 0.0342in.(0.868mm)이다. 트랜지션 영역(312)의 각도(313)는 대략 90°이다.
도 3B는 본딩 공구(300)의 측단면도이다. 도 3B에 도시한 바와 같이, 축방향 통로(320)는 본딩 공구(300)의 단부(322)에서 단부(332)로 뻗어있다. 실시예에 있어서, 축방향 통로(320)는 대략 2°와 5°사이 바람직하게는 대략 2°와 3° 사이의 소정 각도(326)를 갖는 대체로 연속으로 테이퍼진 형상을 갖는다. 본 발명은 이것에 제한되는 것은 아니며, 축방향 통로(320)가 본딩 공구(300)의 한 부분의 길이부에만 테이퍼 지거나 또는 대체로 일정한 직경을 갖게 함을 고려할 수 있다. 본딩 공구의 테이퍼진 길이부는 본딩 공구(300)의 상단부(322)에서 와이어 삽입을 용이하게 하기 위하여 요구될 수도 있다. 이러한 선택적인 축방향 통로의 실시예는 도 3F 및 도 3G에 도시되었다. 도 3F에 도시한 바와 같이, 축방향 통로(320)는 본딩 공구(300)의 상당한 부분의 길이를 따라서 대체로 일정한 직경(330)을 갖는다. 도 3G에서는, 축방향 통로(320)는 본딩 공구(300)의 상당한 부분의 길이를 따라서 대체로 일정한 직경(340)을 갖고, 본딩 공구(300)의 단부(322)에 인접한 테이퍼(342)를 갖는다.
본딩 공구(300)의 구조적 완전성을 유지하기 위하여, 축방향 통로(320)와 외벽(327) 사이의 거리는 본딩 공구(300)의 설계시에 고려될 필요가 있다. 발명자는 상기 거리를 "최소 벽 두께(MWT)"(324)로 언급하였다. 지금 도 3H를 참조하면, 본딩 공구(300)의 확대 단면도는 MWT(324)로 상세히 도시되었다. 바람직한 실시예에 있어서, 본딩 공구(300)의 MWT(324)는 대략 0.0004in.-0.01625in.(0.01mm-0.40mm) 사이이다.
도 3C를 참조하면, 원추형 몸체부(306)의 상세한 단면도가 도시되었다. 도 3C에 있어서, 팁(310)은 원추형 몸체부(306)의 하단부로부터 뻗어있다. 실시예에 있어서, 팁(310)의 외각(318)은 원추형 몸체부(306)의 외각(316)이 대략 17°와 31°사이에 있는 경우, 대략 5°와 20°사이 바람직하게는 대략 10°이다. 이와 같이, 트랜지션 부분(334)은 원추형 몸체부(306)와 팁(310) 사이의 트랜지션에 사용된다. 도 3C에 도시한 바와 같이, 축방향 통로(320)의 각도는 원추형 몸체부(306)의 길이 및 팁(310)의 대부분의 길이 내내 대체로 일정하게 유지된다. 그러나, 팁(310)의 하부에서, 길이방향 축선에 대하여 축방향 통로(320)의 각도는 대략 0°로 줄어들어, 팁(310)의 리마인더를 통하여 대체로 일정한 직경의 통로(336)를 야기한다.
상기한 바와 같이, 캐필러리 본딩 공구를 형성하도록 사용된 재료는 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 질화 규소, 탄화 규소, 텅스텐 카바이드, 루비, ZTA 및 ATZ를 포함한다. 실시중인 본딩 공구는 상기 재료를 몰딩 및/또는 기계가공 중의 하나에 의하여 단일편으로 형성될 것이다.
도 4A-4E를 참조하면 본 발명의 제 2 실시예가 도시되었다. 도 4A 및 4E는 각각 본 발명의 제 2 실시예를 따르는 본딩 공구(400)의 측면도 및 사시도이다. 도 4A에 도시한 바와 같이, 본딩 공구(400)는 상부 원통형 몸체부(402), 하부 원통형 몸체(404), 및 원추형 몸체부(406)를 갖추고 있다.
제 1 실시예와 제 2 실시예와의 사이의 현저한 차이는 하부 몸체부(404)가 하부 몸체부(404)의 반대쪽에 서로 평행한 평면부(403,405)를 갖추고 있는데 있다. 실시예에 있어서, 평면부(403)와 평면부(405) 사이의 거리(414)는 대략 0.0345in.와 0.0625in.(0.8763mm 와 1.5875mm) 사이이다. 또다른 차이는 하부 몸체부(404)가 상부 몸체부(402)의 직경(408)과 대체로 동일한 직경을 갖추고 있는데 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 하부 몸체부(404)의 직경은 상부 몸체부(402)의 직경과 동일하다. 도 4C는 하부 몸체부(404)의 평면부(403,405) 와 직경(408) 사이의 관계를 도시하는 도 4A에서의 C-C단면을 따라 취해진 평면도이다.
도 4B는 본딩 공구(400)의 측단면도이다. 도 4B에 도시한 바와 같이, 축방향 통로(420)는 본딩 공구(400)의 단부(422)에서 단부(432)로 뻗어있다. 실시예에 있어서, 축방향 통로(420)는 대략 2° 와 5°사이 바람직하게는 대략 2°와 3°사이의 소정 각도(426)(도 4D에 상세하게 도시함)를 갖추고 있는 대체로 연속인 테이퍼진 형상을 갖는다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 축방향 통로(420)가 제 1 실시예와 유사한 본딩 공구(400)의 길이부의 일부에 걸쳐 테이퍼지거나 또는 대체로 일정한 직경을 갖는다. 제 1 실시예와 유사하게, 트랜지션 부분(412,413)은 평면부(403,405)의 영역에서 각각 상부 원통형 몸체부(402)에서 하부 몸체부(404)까지 트랜지션하는데 사용된다. 트랜지션 부분(412,413)이 베벨 형상(평평한 평면)을 갖추도록 도 4B에 도시되어 있어도, 발명자는 도 3D에 도시한 것과 유사한 만곡된 면과 같은 평평하지 않은 면을 사용하는 것을 고려할 수 있다.
발명자는 비대칭 형상을 취함으로써, 제 2 실시예에 따르는 본딩 공구가 y축선에 있는 강성을 x축선에 있는 강성과 비교할 경우 차이를 갖고 있음을 알 수 있다. 이러한 차이는 평면부(403,405)의 폭 및/또는 길이를 변경시킴으로써 제어될 수 있다. 당업자에 의하여 알 수 있는 바와 같이, 평면부(403,405)의 폭은 평면부(403)와 평면부(405) 사이의 거리(414)에 직접적으로 관련된다. 즉, 평면부(403,405)의 폭이 더 크면 클수록, 이들 사이의 거리(414)는 더 작아진다.
다른 모든 측면에 있어서, 제 2 실시예는 유사하다.
도 5를 참조하면, 그래프(500)가 도시된다. 도 5에 있어서, 그래프(500)는 트랜스듀서 마운트(도시 생략)에서 자유 본딩 단부(팁(310,410))까지의 본딩 공구(300,400)의 길이를 따라서 초음파의 부가에 기인한 본딩 공구(300,400)의 변위(206)(도 2에 도시됨)에 하부 몸체부(304,404)의 감소된 질량 감소 효과를 도시한다. 도 5에 있어서, 세로축은 인치 단위로서 트랜스듀서의 바닥으로부터의 위치이고 그리고 가로축은 ㎛ 단위로서 본딩 공구의 변위이다. 그래프(500)는 하부 몸체부(304,404)의 위치와 기하학적 형상이 변화하는 다양한 형태의 본딩 공구에 대해서 도시된다. 도 5에 있어서, 고정된 주파수에서 초음파 에너지로 인한 공구 운동의 제로 변위 위치는 노드(502)로 도시되었다. 본 발명에 있어서, 하부 몸체부(304,404)의 질량은 노드(502)에서 본딩 공구(300,400)의 노드를 위치시키도록 조정된다. 발명자는 하부 몸체부(304,404)의 질량을 노드(502)에 위치하도록 조정하는 것이 본딩 공구의 효율을 최대화한다는 것을 알았다. 도 5에 있어서, 곡선(504)은 종래(기준)의 본딩 공구의 응답을 나타내며, 그리고 곡선(506-518)은 본 발명의 실시예에 따르는 본딩 공구의 응답을 나타낸다.
도 6에 있어서, 그래프(600)는 고정된 공구 팁의 변위에 대한 공진 주파수에 대한 초음파 에너지를 도시한 것이다. 도 6에 있어서, 공진 포인트가(602-624) 도시되었고 그리고 곡선(626)으로 도시된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 포인트(624) 는 종래의 참고 공구를 나타내며, 그리고 본 발명에 따르는 공구(포인트(602-622)로 나타냄)와 비교하면 상당히 더 큰 에너지를 필요로 한다는 것을 나타낸다. 그래프(600)는 하부 몸체부(304,404)에서 본딩 공구(300,400)의 질량 조정이 에너지 요구도를 감소시킨다는 것을 나타낸다.
도 7에 있어서, 그래프(700)는 본 발명과 종래의 본딩 공구에 따르는 본딩 공구들의 변위를 도시한 것이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 실시예에서 도시된 특징부의 기계가공에 의해서 관성 면적 모멘트(I)의 제어에 의해 최적화되는 기하학적 형상을 가지는 본딩 공구의 변위는 표준 생크 본딩 공구의 변위보다 더 크다. 도 7을 살펴보면 와이어 본딩에 대해서, 팁 변위의 곡선은 본 발명에 따라 제어된 기하학적 형상의 캐필러리를 사용하기 전(곡선 702) 및 사용한 후(곡선 704) 모두 표준 본딩 공구의 곡선(706)의 변위보다 크다.
발명자는 또한 실시예의 본딩 공구의 제어된 감쇠가 더 높은 질의 본드를 초래한다는 것을 알았다. 표 2는 다양한 본딩 공구들을 나타내는 캐필레이션 데이터, 본딩(초음파) 에너지, 본딩력, 본드를 끊기 위해 필요한 전단력을 나타낸다. 명확하게 도시한 바와 같이, 실시예의 본딩 공구는 종래의 본딩 공구의 에너지의 50%이하를 사용하지만, 우수한 전단 저항을 가지는 본드를 제공한다.
캐필러리 전단력/UA (gr/mil2) 볼 직경 (㎛) USG (mA) 시간 (ms) 힘 (gr)
기준 (종래설계) 6.37 43.7 80 6 11
160W3 7.10 41.8 30 6 12
160W3-1 6.79 40.0 30 6 12
160W3-2 7.41 41.1 30 6 12
160W3-3 7.71 41.7 30 6 12
160W3-4 6.51 41.2 30 6 12
160W3-5 6.88 40.5 30 6 12
표 3은 본 발명에 따르는 본딩 공구에 의해 형성된 본드의 우수한 인장 저항을 종래의 본딩 공구와 비교하여 간략히 나타낸 데이터 편집이다.
캐필러리 인장력 X (gr) 인장력 Y (gr) 평균인장력 (gr) USG (mA) 시간 (ms) 힘 (gr)
기준 (종래설계) 7.15 7.08 7.11 65 5 120
160W3 7.24 7.04 7.14 35 6 100
160W3-1 7.00 7.12 7.06 35 6 100
160W3-2 7.33 7.23 7.28 35 6 100
160W3-3 7.81 7.36 7.58 35 6 100
160W3-4 7.15 7.25 7.20 35 6 100
160W3-5 7.28 7.16 7.22 35 6 100
도 8은 초음파 트랜스듀서(800)를 구비한 실시예의 본딩 공구(300,400)와의 상호관계를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본딩 공구(300,400)는 초음파 트랜스듀서(800)의 오리피스(804)내로 삽입된다.
제 2 실시예에 대하여 상기 설명한 바와 같이 본딩 공구(400)는 하부 몸체부(404)에서 평면 영역(403,405)의 배치에 따른 방향 특성을 갖추고 있다. 이 결과, 효율적인 방식으로, 수직 축선에 대한 한 축선을 따라서 더 많은 초음파 에너지를 향하게 하기 위하여 초음파 트랜스듀서(800)내에 본딩 공구(400)를 향하게 하는 것이 바람직하다. 적당한 방위를 보장하기 위한 하나의 방법은 초음파 트랜스듀서에 유사한 로케이터를 결합시켜는 본딩 공구(400)에 로케이터를 위치시키는 것이다. 이러한 실시예는 도 9A-9F를 참조하여 설명된다.
도 9A-도 9D를 참조하면, 초음파 트랜스듀서(800)(도 8에 도시됨)내에 본딩 공구(400)를 향하게 하기 위한 해결방법의 실시예가 도시되었다. 도 9A에 있어서, 본딩 공구(400)의 상부를 따라 위치된 위치결정 평면부(900)가 도시된다. 도 9B에 있어서, 본딩 공구(400)의 상부를 따라서 위치되는 베벨 위치결정 평면부(902)가 도시되었다. 베벨 평면부는 본딩 공구(400)의 길이방향 축선에 대하여 각도(г)로 형성된다.
도 9C에 있어서, 본딩 공구(400)의 상부를 따라서 위치되는 위치결정 키홈(904)이 도시되었다. 실시예에 있어서, 키홈(904)은 길이방향 축선에 수직으로 일정한 깊이를 갖추고 있다. 그러나, 도 9D에 도시한 바와 같이, 키홈은 키홈(906)과 같은 베벨 형상, 만곡 또는 타원 형상(도시생략), 또는 노치형성된 형상(도시생략)을 갖는데 본원은 이것에 제한을 받지 않는다. 상기 위치결정 수단에 대하여, 로케이터(900,902,904,906, 등)는 특정 본딩 필수품에 따라 평면부(403,405)와 같은 동일 평면을 따라서 또는 거기에 수직한 평면에 놓여질 수 있다. 이와 같은 방법으로, 에너지 효율은 소정의 방향에서 최대로 될 수 있다.
도 10A-도 10D를 참조하면, 본딩 공구(도 9A 및 도 9B에서 도시됨)와 결합하는 초음파 트랜스듀서(800)가 상세히 도시된다. 도 10A 및 도 10B는 각각 초음파 트랜스듀서(800)의 단부의 평면도 및 단면도이다. 도 10A 및 도 10B에 있어서 오리피스(1000)는 위치결정 평면부(900)(도 9A에 도시됨)와 결합하기 위한 평면부(1002)를 갖추고 있는 초음파 트랜스 듀서(800)에 형성되어, 초음파 트랜스듀서(800)내에 본딩 공구(400)를 적절히 향하게 하여 소정의 본딩 방향을 따라서 보다 높은 에너지 효율을 제공한다. 유사하게, 도 10C는 베벨 위치결정 평면부(902)(도 9B에 도시됨)와 결합하기 위한 베벨 평면부(1006)를 갖추고 있는 오리피스(1004)를 도시하고 있다. 도 10C에 도시한 바와 같이, 오리피스(1004)의 평면부(1106)는 베벨 평면부(902)의 각도에 상당하는 각도(г)로 형성된다. 도 10D는 오리피스(1000,1004)를 도시하는 초음파 트랜스듀서(800)의 단부의 사시도이다.
유사하게, 도 11A-도 11C는 적합하게 위치결정하는 키홈(904,906)(도 9C-도 9D에 도시됨)과 결합하기 위하여 돌출부(1102)를 갖추고 있는 초음파 트랜스듀서(800)에서의 오리피스(1100)를 도시한다. 비록 이들 도면에 도시되지 않았을 지라도, 베벨 키홈(906)(도 9D에 도시됨)과 결합하기 위한 각도로 돌출부(1102)가 형성될 수 있다. 비록 상세하게 도시되지는 않았을지라도, 키홈은 본딩 공구의 길이방향에 대한 각도로 형성될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 트랜스듀서(도시 생략)의 돌출부는 또한 이들 베벨 키홈과 결합하도록 적합한 각도로 형성될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예는 도 12A-도 12C에 도시되었다. 도 12A는 본 발명의 제 3 실시예에 따르는 본딩 공구(1200)의 측단면도이다. 도 12A에 도시한 바와 같이, 본딩 공구(1200)는 상부 몸체부(1202), 하부 원통형 몸체부(1204), 및 원추형 몸체부(1206)를 갖추고 있다. 평면 부분(1203)이 상부 몸체부(1202)의 한 부분의 길이를 따라서 설치되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 평면 영역(1203)은 본딩 공구(1200)의 질량 및 관성 모우멘트 양자를 변경시키도록 소용되고, 초음파 트랜스듀서에서 본딩 공구(1200)를 정렬시키기 위한 수단을 제공한다.
실시예에 있어서, 평면부(1203)의 길이는 대략 0.177in(4.50mm)이고, 하부 원통형 섹션(1204)의 직경은 대략 0.0625in.(1.59mm)이고, 그리고 평면부에 대향한 상부 몸체부(1202)의 외벽과 평면부(1203) 사이의 거리는 적어도 0.05in(1.27 mm)이다. 상기한 바와 같이, 제 1 실시예에 있어서, 축방향 통로(1220)의 내벽과 평면부(1203) 사이의 MWT(예를 들면 도 3H에 도시됨)는 공구 합체를 위하여 유지되야 한다. 이러한 실시예의 다른 모든 관점에 있어서 이러한 실시예는 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 유사하다.
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비록 본 발명이 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 발명은 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 첨부된 청구항은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당 기술 분야의 당업자에 의해 만들어질 수 있는 다른 변화와 실시예를 포함하도록 구성되어야 한다.

Claims (36)

  1. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션;
    상기 제 1 직경보다 작은 실질적으로 일정한 제 2 직경을 갖고 있고, 상기 제 1 원통형 섹션의 일단부에 인접한 제 1 단부를 갖는 제 2 원통형 섹션; 및
    제 1 소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함하고 있고, 그리고
    상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 상기 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 소정의 테이퍼의 각도가 대략 17° 와 31° 사이인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 테이퍼진 섹션은 제 2 소정의 테이퍼를 갖는 더욱 테이퍼진 섹션을 갖고 있고, 상기 더욱 테이퍼진 섹션은 제 3 섹션의 제 2 단부에서 상기 제 3 섹션에 인접한 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 소정의 테이퍼의 각도는 대략 20°이고 제 2 소정의 테이퍼의 각도는 대략 10°인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 본딩 공구의 제 1 단부에서 상기 본딩 공구의 제 2 단부로 본딩 공구의 길이방향 축선을 따라서 뻗어있는 축방향 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 축방향 통로는 상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에서의 제 1 직경 및 상기 제 1 테이퍼진 섹션의 팁에서 제 2 직경을 갖고 있고, 이 제 1 직경은 이 제 2 직경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 원통형 섹션 및 상기 제 2 원통형 섹션 사이에 있는 트랜지션 섹션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 트랜지션 섹션은 테이퍼진 섹션과 만곡된 섹션중 하나인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 본딩 공구는 산화알루미늄, 질화 규소, 탄화 규소, 텅스텐 카바이드, 루비, 세라믹 및 산화 지르코늄으로 이루어지는 그룹 중 적어도 하나로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 원통형 섹션의 상기 제 1 단부는 상기 본딩 공구의 팁으로부터 소정의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 거리는 대략 0.200인치와 0.279인치(5.08mm와 7.0866mm) 사이인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 본딩 공구는 단일 재료 편으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  13. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션;
    상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에 인접한 제 1 단부를 갖고, i) 상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 직경과 실질적으로 동일한 직경 및 ii) 적어도 한 부분의 길이를 따라 평면 영역을 갖는 제2 원통형 섹션; 및
    제 1 소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함하고 있고, 그리고
    상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 상기 제 2 원통형 섹션의 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 평면 영역은 상기 제 2 원통형 섹션의 대향면에 있는 서로 대체로 평행한 2개의 평면 영역인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 평면 영역 사이의 거리는 대략 0.0345인치와 0.0625인치(0.8763mm 및 1.5875mm) 사이인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 평면 영역은 상기 제 3 섹션의 한 부분에 뻗어있는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 소정의 테이퍼의 각도는 대략 17°와 31° 사이인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 테이퍼진 섹션은 제 2 소정의 테이퍼를 갖는 더욱 테이퍼진 섹션을 갖고 있고, 상기 더욱 테이퍼진 섹션은 제 3 섹션의 제 2 단부에서 상기 제 3 섹션에 인접한 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 소정의 테이퍼의 각도는 대략 20°이고 상기 제 2 소정의 테이퍼의 각도는 대략 10°인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 본딩 공구의 제 1 단부로부터 상기 본딩 공구의 제 2 단부까지 상기 본딩 공구의 길이방향 축선을 따라 뻗어있는 축방향 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 축방향 통로는 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에서 제 1 직경 및 테이퍼진 섹션의 팁에서 제 2 직경을 갖고 있고, 이 제 1 직경은 이 제 2 직경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 섹션의 제 1 단부는 본딩 공구의 일단부로부터 소정의 거리에 있는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 거리는 0.200인치와 0.279인치(5.08mm와 7.0866mm) 사이에 있는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  24. 제 13 항에 있어서, 상기 본딩 공구는 단일편의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  25. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션;
    상기 제 1 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 제 1 단부를 갖고, i) 상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 직경과 실질적으로 동일한 직경 및 ii) 적어도 한 부분의 길이를 따라 평면 영역을 갖는 제 2 원통형 섹션;
    소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션; 및
    상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에 배치되고, 트랜스듀서내에 본딩 공구를 위치시키는 가이드;를 포함하고 있고,
    상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 상기 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 구비하여 사용하기 위한 본딩 공구.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 가이드는 상기 제 1 원통형 섹션의 상부를 따라 형성된 오리피스 및 평면부중 하나인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  27. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션;
    상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 단부에서 상기 제 1 원통형 섹션에 인접한 트랜지션 섹션;
    상기 트랜지션 섹션의 제 2 단부에 인접한 제 1 단부를 갖고, 상기 제 1 원통형 섹션의 제 1 직경보다 작은 단면을 갖는 제 2 원통형 섹션; 및
    소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함하고 있고, 그리고
    단일재로서 형성되고, 상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  28. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖고, 적어도 한 부분의 길이를 따라 형성된 평면 영역을 갖는 제 1 섹션;
    상기 제 1 섹션의 일단부에 인접한 제 1 단부를 갖고, 상기 제 1 직경과 대략 동일하고 실질적으로 일정한 제 2 직경을 갖는 제 2 원통형 섹션; 및
    소정의 테이퍼를 갖는 제 3 섹션;을 포함하고 있고, 그리고
    상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 상기 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  29. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖고, 한 부분의 길이를 따라 형성된 평면부를 갖는 제 1 섹션; 및
    소정의 테이퍼를 갖고 있는 원추형 섹션;을 포함하고 있고, 그리고
    상기 원추형 섹션의 일단부가 제 2 원통형 섹션의 일단부에 인접한 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 원추형 섹션의 상기 제 1 단부의 직경은 상기 제 1 직경과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  31. 실질적으로 일정한 제 1 직경을 갖는 제 1 원통형 섹션; 및
    상기 제 1 원통형 섹션의 일단부에 인접한 제 1 단부를 갖고 있고, i) 상기 제 1 직경보다 작은 실질적으로 일정한 제 2 직경 및 ii) 적어도 한 부분의 길이를 따라 평면 영역을 갖고 있는 제 2 원통형 섹션;을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 미세 와이어를 본딩하기 위한 본딩 공구.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 평면 영역은 상기 제 2 원통형 섹션의 대향면에서 실질적으로 서로 평행인 2개의 평면 영역인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  33. 제 31 항에 있어서, 제 1 소정의 테이퍼를 갖고 있는 제 3 섹션을 더 포함하고 있고, 상기 제 3 섹션의 제 1 단부가 상기 제 2 원통형 섹션의 제 2 단부에 인접한 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  34. 제 31 항에 있어서, 상기 본딩 공구의 상기 제 1 단부에서 상기 본딩 공구의 제 2 단부로 상기 본딩 공구의 길이방향 축선을 따라 뻗어있는 축방향의 통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  35. 제 31 항에 있어서, 상기 제 1 원통형 섹션과 상기 제 2 원통형 섹션과의 사이에 있는 트랜지션 섹션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 트랜지션 섹션은 테이퍼진 섹션 및 만곡된 섹션중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
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