KR19990082491A - 절연 와이어의 본딩 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에나멜 와이어 단부를 콘택면에 전기 전도 접속하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 에나멜 와이어가 탈피된 다음, 콘택면상으로 가압된다. 와이어 단부에 전자 및/또는 음향 에너지가 제공된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
Description
식별 시스템, 특히 트랜스폰더의 제조를 위해, 송수신기-유닛이 집적 회로(칩)내의 논리 회로와 결합된다. 이 시스템은 무선 주파수 범위로 동작하고 폴리우레탄 코팅에 의해 절연된 얇은 구리 와이어로 감겨진 코일에 의해 외부 세계에 접속된다. 전형적인 와이어 직경은 대략 10-50 ㎛이다. 이러한 전자 소자를 반도체 칩에 접속하기 위해, 구리 와이어 단부를 증착된 칩 콘택면에 접속시키는 예컨대 열압축 용접 방법과 같은 방법이 사용된다. 그러나, 이 방법에서는 와이어가 심하게 변형되기 때문에, 끊어질 위험이 있다. 에나멜 와이어는 전기 접속 전에 먼저 특히 마이크로 커터 또는 과열된 납땜욕에 의해 탈피된 다음, 아연 도금되고 칩-콘택면상에 본딩된다. 통상의 칩 콘택면은 종종 알루미늄 박막으로 이루어지고, 상기 알루미늄 박막은 부가의 단계에서 구리 와이어의 접촉을 위해 소위 금-범프 처리됨으로써, 알루미늄 표면이 납땜될 수 있고 상이한 재료 사이의 접착이 가능하게 된다.
이러한 트랜스폰더는 예컨대 WO-A-93 09551호에 공지되어 있다. 상기 간행물에는 에나멜 와이어 및 칩 콘택면을 레이저 용접 방법에 의해 접속시키는 것이 공지되어 있다. 이것을 위해, 와이어 단부가 접속 전에 레이저 빔에 의해 가열되고, 에나멜이 용융되어 증발된다. 확실한 접촉을 위해, 칩 콘택면을 금 및/또는 아연으로 도금할 필요가 있다. 와이어 단부를 아연 도금하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 와이어가 적게 변형되거나 변형되지 않기 때문에, 와이어가 끊어지지 않으나, 이로 인해 콘택면이 최상으로 이용될 수 없다. 게다가, 소수의 복잡한 단계가 필요하다. 부가로 전기 접속이 와이어 단부에 남아 용융된 또는 와이어 단부를 오염시키는 에나멜 잔류물에 의해 양호하게 이루어질 수 없다.
일본 특허 공개 제 JP-A-112249호에는 에나멜 와이어를 초음파 본딩에 의해 접속시키는 것이 공지되어 있다. 먼저 와이어 단부를 탈피한 다음, 초음파 및 열의 동시 작용 하에 접속면상에 본딩시킨다. 탈피는 빨래판형 표면 구조를 가진, 접속면에 인접한 표면상에서 이루어진다. 거기서, 와이어 단부는 초음파 작용 하에 마찰 철에서와 마찬가지로 금속 와이어가 나타날 때까지 연마된 다음 고유의 접속면상에 놓인다. 유사한 방법이 동일한 출원인의 일본 특허 공개 제 JP-A-2-54947호에도 공지되어 있다. 탄화된 에나멜 잔류물에 의한 접속면의 오염 단점이 피해지기는 하지만, 각각의 접속면에서 마찰면의 제조가 기술적으로 매우 복잡하다. 게다가, 공정에 필요한, 영구 전기 접속을 만들기 위한 열 작용이 소자에 대한 바람직하지 못한 부하가 된다.
통상의 방법은 기술적으로 복잡하고 많은 시간을 필요로 하며 많은 비용을 요구하는 일련의 단계로 이루어지며, 이러한 단계는 제조 원가를 높인다.
일본 특허 공개 제 JP-A-6-61313호에는 특히 초음파 본딩에 적합한 본딩 공구가 공지되어 있다. 그러나, 이러한 공구에 의해 본딩된 와이어는 종종 부분적으로만 콘택면에 대한 접속을 갖는다.
본 발명은 에나멜 와이어의 전기 전도 접속 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1a는 웨지-웨지 본딩 장치용 본딩 공구의 개략도이고,
도 1b는 본딩 공구의 하부면을 나타낸 사시도이며,
도 1c는 2가지 접속의 단면도이고,
도 2는 특히 볼-웨지 본딩 장치용 본딩 모세관의 단면도이며,
도3은 특히 볼-웨지 본딩 장치용 삽입 보조수단을 갖춘 본딩 모세관의 단면도이다.
본 발명의 목적은 콘택면의 부가 증착을 필요로 하지 않는, 저렴하고 확실한 에나멜 와이어용 본딩 방법, 및 상기 방법을 실시하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위 독립항의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 청구범위 종속항 및 상세한 설명에 제시된다.
본 발명에서는 에나멜 와이어가 2 단계 본딩 방법에 의해 칩의 전기 콘택면상에 직접 본딩된다. 제 1 단계에서 와이어의 에나멜 층이 파괴된 다음, 후속하는 제 2 단계에서 접속면에 접속된다. 바람직하게는 와이어 상부면에 있는 에나멜 층이 손상되지 않으면서, 접속면에 접촉되어야 하는 와이어의 하부면에 있는 에나멜 층이 파괴된다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서는 두 단계가 초음파에 의해 실시된다.
본 발명에 따른 방법의 장점은 와이어 단부의 별도의 탈피 및 아연 도금 또는 칩의 콘택면에 대한 복잡한 금 도금 또는 금-범프 처리의 선행 단계 없이 확실한 콘택팅이 이루어진다는 것이다. 에나멜 층이 둥글게 제거되는 방법과는 달리, 하부면에 있는 에나멜 층만이 제거된다. 남아있는 에나멜 층은 전기 접속 자체의 열화 없이 접속을 부식으로부터 영구히 보호할 수 있다.
또한, 와이어와 콘택면 사이의 접속 영역에서 부하가 현저히 감소되는 것이바람직한데, 그 이유는 한편으로는 초음파 본딩시 열 작용이 더 이상 필요없고, 다른 한편으로는 와이어의 변형이 최상의 콘택 저항에 대해 충분히 크면서, 와이어의 끊어짐을 방지할 정도로 충분히 작기 때문이다.
본 발명의 방법은 동일한 와이어 단부에서 2 단계로 실시되고 접속면의 동일한 장소에서 실시된다. 접속 과정 동안 와이어 단부를 이동시키기 위한 초음파 공구의 복잡한 이동 유닛이 더 이상 필요없다.
본 발명의 방법은 작은 범위로 개조된 종래의 본딩 머신에 의해 실시될 수 있다. 간단하게 구성되고 통상의 본딩 머신에 사용될 수 있는 특별한 본딩 공구를 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 종래의 본딩 공구가 소자의 느슨한 와이어 단부를 안내하는데 적합하지 않기 때문이다.
바람직한 실시예에서, 본딩 공구는 와이어의 상부면에 있는 에나멜 표면을 손상시키기 않으면서 전기 접촉을 형성해야 하는 와이어 하부면에 있는 에나멜의 탈피를 지지하며, 동시에 바람직하게는 최상의 와이어면이 전기 콘택면과 접촉되도록 와이어가 변형되게 형성된다.
또다른 바람직한 실시예에서는 제 1단계에서 와이어의 에나멜에도 불구하고 와이어 단부에 연소 입자가 생김으로써 소위 "볼-웨지(ball-wedge)"-콘택이 이루어질 수 있다. 제 2 단계에서 영구 접속이 이루어진다.
본 발명에 중요한 특징을 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
소자, 예컨대 코일 및 다른 와인딩 재료, 와 반도체 칩 사이의 전기 콘택을 만들기 위해, 먼저 소자내에서 코일의 단락을 방지하는 에나멜 절연층이 제거되어야 한다.
이것은 열, 마이크로파 -특히 물을 함유하는 에나멜의 경우- 와 같은 전자(electromagnetic) 에너지, 또는 50kHz 이상의 주파수를 가진 초음파와 같은 음향 에너지에 의해 이루어질 수 있다. 에너지의 적어도 일부가 에나멜 층에 흡수되어 거기서 에나멜을 파괴시키거나, 또는 열의 작용시 에나멜을 국부적으로 연소시킨다.
하기에서, 소위 웨지-웨지 본딩 방법을 설명한다. 바람직한 실시예에서 상기 방법은 초음파 작용에 의해 수행된다.
선행 기술에 따른 초음파 본딩시 통상의 초음파 출력은 약 2와트이고, 통상의 압착력은 약 0.2-0.3N이다.
본 발명에 따른 방법의 제 1 단계에서, 통상의 초음파 본딩에 사용되는 출력 보다 높은 제 1 초음파 출력에 의해 에나멜 층이 파괴된다. 또한, 와이어가 제 1 압착력으로 전기 콘택면상으로 가압된다. 바람직하게는 제 1 압착력은 0 내지 통상의 값 보다 높은 값 사이로 변동될 수 있다. 바람직하게는 제 1 초음파 출력이 약 2 와트의 통상의 출력을 20% 이상 초과한다. 특히 바람직하게는 제 1 초음파 출력은 4 내지 5 와트이다.
제 1 압착력은 바람직하게는 본딩시 0.2-0.3 N의 통상의 압착력 보다 약 1차수 정도 더 높다. 바람직하게는 제 1 압착력은 1N 이상이다. 와이어 하부면의 에나멜 층이 많이 손상되므로, 금속 와이어가 나타난다. 파괴된 에나멜 층의 잔류물은 본딩될 와이어 부분의 측면으로 확실하게 밀려진다. 경우에 따라 에나멜 잔류물이 제거될 수 있다. 특히 흡입될 수 있다.
바로 후속하는 제 2 단계에서, 와이어 단부가 제 2 압착력, 바람직하게는 제 1 단계 보다 낮은 압착력으로 콘택면으로 가압된다. 그러나, 상기 압착력은 와이어 부분의 측면에 있는 에나멜 잔류물에 의해 기계적 저항이 극복될 정도로 충분히 작아야 한다. 약 50㎛의 통상의 와이어 두께에서 제 2 압착력은 바람직하게는 0.1 내지 5 N, 특히 바람직하게는 0.5 내지 1.5 N의 범위에 놓인다. 제 2 압착력이 다른 와이어 두께에 대해 최적화되는 것이 바람직하다. 제 1 및 제 2 단계에서 초음파 출력 및 압착력은 와이어 단부의 동일한 영역 및 콘택면의 동일한 영역에 작용한다.
초음파 출력 및 압착력은 전체적으로 통상의 초음파 본딩 방법에서 보다 크지만, 두 단계에서 칩 콘택면을 손상시키지 않을 정도로 충분히 낮다. 콘택면을 향한 에나멜 층의 하부면이 확실하게 파괴되어 제거되는 반면, 에나멜 층의 상부면은 완전하게 유지되고 부식으로부터 접속을 보호한다.
상기 두 단계 후에, 소자, 특히 코일과 칩 콘택면 사이의 영구적인 전기 접속이 이루어진다. 와이어와 콘택면 사이의 고정력은 통상의 용접 접속에 필적한다. 그러나, 와이어 단부와 콘택면 사이의 접속 영역의 부하 및 와이어 단부의 변형은 열압축 방법에서 보다 현저히 낮다.
본 방법은 본딩 머신의 간단한 변경에 의해 실시될 수 있고, 바람직하게는 약 10W 및 5N의 소정 크기까지의 초음파 출력 및 압착력을 이용할 수 있는 본딩 머신에 의해 바람직하게 실시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본딩 공구가 간소화될 수 있는 것이 특히 바람직하다. 전형적으로 30°내지 60°의 각으로 대략 원통형 공구의 경사진 홀, 및 공구의 하부면에서 홀 내로 삽입된 본딩 와이어를 콘택면에 대해 평행하게 안내하는 와이어 전향부를 가진 통상의 복잡한 구성 대신에, 와이어 직경에 알맞는( 도 1a) 길고 오목한 홈(2)을 하부면(1')에 가진 간단한 본딩 공구(1)가 사용된다. 바람직하게는 홈(2)이 절단된 실린더와 같이 형성되고, 와이어(3)가 상기 실린더의 중심축에 대해 평행하게 뻗는다. 홈의 깊이는 와이어 직경 보다 작다.
따라서, 본딩 공구가 수평선에서 작동하고 안내되지 않은 예컨대 코일의 와이어 단부(3)의 복잡한 삽입 절차가 생략됨에도 불구하고 와이어 단부(3)가 본딩시 확실하게 안내되어 콘택면(4)상으로 가압되는 것이 특히 바람직하다.
특히 바람직한 실시예에서, 본딩 공구(1)는 와이어 상부면의 에나멜 표면이 손상되지 않으면서, 전기 접촉이 이루어져야 하는 와이어 하부면에서 본딩 공구가 에나멜 층의 파괴 및 밀어냄을 지지하도록 형성된다. 동시에, 와이어가 너무 심하게 변형되어 끊어질 위험이 없이, 가급적 큰 와이어 표면이 전기 콘택면과 접촉될 수 있도록 와이어가 변형되는 것이 바람직하다. 이것은 도 1b에 도시된다. 오목하게 형성된 홈(2)의 정점선을 따라 와이어 단부를 향한 돌출부(2.1)가 형성된다. 돌출부(2.1)의 높이는 홈(2) 보다 낮다. 돌출부는 길게 형성되며 홈(2)의 정점선을 따라 뻗는다. 바람직하게는 돌출부가 뾰족한 단부로 뻗는다.
도 1c에서 공지된 공구 및 본 발명에 따른 공구에 의해 본딩된 와이어 단부의 단면이 비교된다. 공지된 공구에 의해 본딩된 와이어 단부(3)는 가장자리 영역에서 콘택면(4)에 접속된다. 와이어 단부(3)의 내부 영역은 콘택면(4)과 접촉되지 않는다. 이와는 달리, 본 발명에 따른 공구에 의해 본딩된 와이어 단부(3)는 가장자리 영역에서 뿐만 아니라 내부 영역에서도 콘택면(4)에 접촉된다. 와이어 단부의 표면에는 돌출부(2.1)에 의해 통이 형성된다. 본딩 과정시 와이어 정점에 대한 돌출부의 부가 압력은 와이어 하부면에 있는 에나멜 층의 파괴 및 와이어 가장자리로 에나멜 잔류물을 밀어냄을 지지한다. 통 측면의 근처에서 작은 표면 영역만이 콘택면(4)과 접촉되지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 다른 변형예는 볼-웨지 본딩 방법에 관한 것이다. 통상의 볼-웨지 방법에서 본딩 모세관내로 삽입되는 와이어 단부는 불꽃 방전에 의해 용융된다. 이렇게 해서 생긴 연소 입자는 초음파에 의해 소정 콘택면상에 본딩된다. 그러나, 이 방법은 와이어에 대한 전도성 접속을 조건으로 하기 때문에 에나멜 와이어로 실시될 수 없다.
본 발명에 따라 제 1 단계에서 와이어 단부의 절연체가 열 에너지의 작용에 의해 파괴된다. 이것을 위해, 제 1 단계에서 제 1 압착력이 가해진다. 와이어는 내경(5') 및 측면 슬릿을 가진(도 2) 특별한 본딩 모세관(5)내로 삽입된다. 슬릿 폭은 와이어 직경 보다 약간 더 넓다. 와이어의 삽입 후에, 슬릿(6)이 폐쇄됨으로써, 와이어가 확실하게 고정된다. 이것은 예컨대 모세관(5) 위로 밀려진 슬리브에 의해 또는 와이어의 삽입시 모세관(5)상으로 삽입된, 슬릿을 가진 링에 의해 이루어진다. 링내의 슬릿은 적어도 모세관(5)내의 슬릿 만큼의 폭을 갖는다. 와이어의 삽입 후, 링이 회전됨으로써, 모세관(5)내의 슬릿(6)이 링에 의해 폐쇄된다. 링 및 슬리브는 도 2에 도시되지 않는다.
본딩 모세관(5)내에 안내된 와이어는 불꽃에 의해 콘택면을 향한 하부 측면에서 용융된다. 동시에 절연 에나멜이 상기 와이어 영역에서 완전히 연소된다. 그리고 나서, 제 1 실시예에서와 같은 제 2 단계가 후속된다. 용융된 와이어 단부에 에나멜 잔류물이 존재하지 않기 때문에, 압착력 및 초음파 에너지가 경우에 따라 제 1 실시예에서 보다 약간 더 작게 선택될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본딩 모세관(7)이 콘택면(4) 반대편 단부에 깔대기형 확대부(7')를 갖는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 그것이 얇은 와이어의 삽입을 용이하게 하기 때문이다. 예컨대 코일의 와이어 단부가 차례로 또는 동시에 삽입되어 용융될 수 있다. 그리고 나서, 전술한 방식으로 예컨대 초음파에 의한 칩-콘택면과의 결합이 이루어진다.
Claims (30)
- 에나멜 와이어 단부를 탈피한 다음 콘택면상으로 가압하고 와이어 단부에 전자 및/또는 음향 에너지를 공급하는 방식으로, 에나멜 와이어와 콘택면을 전기 전도 접속하기 위한 방법에 있어서, 와이어 단부의 한 영역이 제 1 압착력으로 콘택면상으로 가압되고 제 1 전자 및/또는 음향 에너지를 공급받음으로써, 제 1 단계에서 와이어 단부의 에나멜이 부분적으로 파괴되고, 후속하는 제 2 단계에서 와이어 단부의 동일한 영역이 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되며 제 2 전자 및/또는 음향 에너지를 공급받고 상기 콘택면과 전기 전도 접속되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 와이어 단부가 제 1 및 제 2 단계에서 콘택면의 동일한 영역으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 와이어 단부가 1 N 보다 큰 제 1 압착력으로 콘택면으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 와이어 단부가 0.1 내지 5 N의 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 와이어 단부가 0.5 내지 1.5 N의 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 단부가 먼저 큰 제 1 압착력으로 그리고 나서 작은 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 50 kHz 이상의 주파수를 가진 초음파가 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단계에서 제 1 초음파 출력이 2.4와트 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단계에서 제 1 초음파 출력이 3.9와트 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 단계에서 1 내지 5 와트의 제 2 초음파 출력이 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단계에서 열 에너지가 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 단계에서 마이크로파 에너지가 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 에나멜 와이어 단부를 탈피하여 콘택면상으로 가압하고 와이어 단부에 전자 및/또는 음향 에너지를 공급하는 방식으로 에나멜 와이어와 콘택면을 전기 전도 접속하기 위한 방법에 있어서, 제 1 전자 및/또는 음향 에너지가 와이어 단부의 한 영역에 제공됨으로써, 제 1 단계에서 와이어 단부의 에나멜 층이 적어도 부분적으로 파괴되고, 후속하는 제 2 단계에서 와이어 단부의 동일한 영역이 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되며 제 2 전자 및/또는 음향 에너지를 공급받고 상기 콘택면과 전기 전도 접속되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 제 1 단계에서 열 에너지가 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 제 1 단계에서 마이크로파 에너지가 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 제 2 단계에서 1 내지 5 와트의 제 2 초음파 출력이 와이어 단부에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 와이어 단부가 0.1 내지 5 N의 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 와이어 단부가 0.5 내지 1.5 N의 제 2 압착력으로 콘택면상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 장치가 음향 및/또는 전자 에너지를 발생시키기 위한 적어도 하나의 에너지 소오스를 포함하고, 상기 에너지 소오스는 와이어 단부의 방향으로 에너지를 방출하는 것을 특징으로 하는 제 1항 또는 13항에 따른, 에나멜 와이어와 콘택면의 전기 전도 접속 방법을 실시하기 위한 장치.
- 제 19항에 있어서, 와이어 단부가 초음파 에너지에 의한 접속을 위해 본딩 공구(1)내에 안내되고, 상기 본딩 공구는 콘택면을 향한 하부면에 오목하게 형성된, 긴 홈(2)을 포함하며, 상기 홈(2)은 정점 영역에 와이어 단부를 향한, 길게 형성된 볼록한 돌출부(2.1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 20항에 있어서, 본딩 공구(1)의 하부면에 있는 홈(2)의 깊이가 와이어 단부의 직경 보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 20항에 있어서, 돌출부(2.1)의 높이가 홈(2)의 깊이 보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 19항 내지 22항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 단부가 제 1 단계에서 열 에너지의 공급시 본딩 모세관(5, 7)내에 안내되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 23항에 있어서, 본딩 모세관(5)이 모세관의 종축을 따라 측면 슬릿(6)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 24항에 있어서, 수직 슬릿의 폭이 와이어 단부의 직경 보다 최대 50% 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 23항 또는 24항에 있어서, 본딩 모세관(7)이 콘택면의 반대편 측면에 깔대기형 확대부(7')를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 19항 내지 26항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 단부와 콘택면 사이의 압착력이 세팅가능한 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 27항에 있어서, 와이어 단부와 콘택면 사이의 압착력이 5 N 이하로 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 19항에 있어서, 장치의 에너지 소오스가 초음파 소오스인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 29항에 있어서, 초음파 소오스의 출력이 0 내지 10 와트로 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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