JPH1140598A - 密封型ボールボンディング装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確且つ一貫性を持ってボールボンディング
を形成することの可能なボールボンディング装置及び方
法を提供する。 【解決手段】 本発明によれば、キャピラリーが、ボー
ルボンディング操作期間中に少なくとも部分的にボール
ボンドを成形するのに適した空洞を有しており、且つこ
のようなキャピラリーを使用したワイヤーボンディング
方法が提供される。キャピラリーを介して通過するボン
ディングワイヤーの先端が、空洞がボールボンディング
動作期間中にボールボンドのかなりの部分を成形するよ
うな態様で、ボンディング表面へ超音波溶接される。本
発明によれば、キャピラリーを駆動するボンディング装
置によって印加されるボンディング力を著しく減少させ
るか又は除去することが可能である。ある実施例におい
ては、該キャピラリーをボンディング表面と相対的に所
定のスタンドオフ（離隔）高さに位置決めさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等のパッ
ケージングにおいて使用されるワイヤボンディング技術
に関するものである。更に詳細には、本発明は、改良し
たキャピラリー構成及びそのようなキャピラリーを使用
するボールボンディング技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタの密度が一層高くなり且つ
入力／出力接続部の数が増加すると共により小型の半導
体装置に向かう傾向が半導体業界において継続して存在
している。この傾向はチップ入力／出力接続部の密度を
増加させ且つボンドパッド寸法を減少させた半導体装置
を生み出している。ボンドパッドの中心間距離が小さな
半導体装置はファインピッチ即ち微細ピッチの半導体装
置と呼ばれる。ワイヤボンディング技術は、現在のとこ
ろ、ボンディングパッドの中心間距離が１００μｍ未満
である半導体装置の条件に直面している。

【０００３】半導体製造においては、ワイヤボンディン
グが微細ピッチ半導体装置に対する支配的なチップ相互
接続技術となっている。金又はアルミニウムワイヤは、
半導体ダイのボンディングパッドを半導体装置のリード
へ接続するために一般的に使用される。典型的に、ワイ
ヤをボンドパッドへ接続するためにボールボンディング
が使用され、一方、スティッチ（ｓｔｉｔｃｈ）ボンデ
ィングとも呼ばれるウエッジボンディングがワイヤーを
リードへ接続するために使用される。一般的にキャピラ
リーを有するワイヤボンディング装置は、ボールボンデ
ィングとウエッジボンディングの両方に使用される。

【０００４】図１Ａは従来のキャピラリー１００の縦断
面図を示している。キャピラリー１００はそれを貫通し
て長手方向に延在するワイヤ供給ボア１０２が形成され
ている。ボア１０２は、典型的に、キャピラリー１００
の先端部に向かって僅かに外側へ拡大する面取り部１０
５を有している。動作について説明すると、ワイヤはワ
イヤ供給ボア１０２を介して下方向へ供給され且つキャ
ピラリー１００の底部アパーチャ１０４から外へ出され
る。

【０００５】図１Ｂは、電子的フレームオフ機構（ＥＦ
Ｏ）１１２がワイヤー１１０の先端へエネルギを付与す
る場合にワイヤー１１０を水平方向に拘束するキャピラ
リー１００の縦断面を示している。ＥＦＯ１１２による
エネルギの付与は、ワイヤー１１０の先端においてフリ
ーエア即ち自由大気中においてボール１１４を形成す
る。ワイヤー１１０は、この自由大気中でのボール形成
処理期間中に、クランプ（不図示）によって保持され
る。キャピラリー１００を使用するワイヤーボンディン
グ装置の場合には、自由大気中のボール１１４の寸法
は、ワイヤーボンディング装置のハードウエア及びソフ
トウエアパラメータを変化させることによって制御する
ことが可能である。自由大気中のボール１１４を形成し
た後に、該クランプはワイヤー１１０を開放し且つキャ
ピラリー１００は自由大気中のボール１１４へ力を付与
してワイヤー１１０の先端を以下に説明するようなボン
ドパッド表面へボンディングさせるために使用される。

【０００６】図１Ｃはワイヤー１１０の先端とボンドパ
ッド１１６の表面との間にボールボンド１１５を形成す
るために使用されているキャピラリー１００の縦断面を
示している。ボンドパッド１１６は、ボンドパッドの中
心間距離１１８（半導体装置のボンドパッドピッチとも
呼ばれる）を有する半導体ダイ上に位置されている。上
述した如く自由大気中のボール１１４を形成した後に、
該自由大気中のボール１１４（図１Ｂ）をキャピラリー
１００によって強制的にボンドパッド１１６に対して下
方向に押し付ける。キャピラリー１００の力は超音波エ
ネルギに関連して使用され、ワイヤー１１０の先端とボ
ンドパッド１１６との間にボールボンド１１５を形成す
る。ボールボンド１１５に関連する寸法パラメータとし
ては、ボールボンド高さ１２０及びボールボンド直径１
２２を包含している。

【０００７】ボンドパッドの中心間距離１１８（即ちボ
ンドパッドピッチ）が半導体装置において減少される
と、ボンドパッド１１６の寸法は、典型的に、減少され
る。例えば、７０μｍのボンドパッドピッチを有する半
導体装置は６０μｍ×６０μｍのボンドパッド１１６を
有することが可能である。キャピラリー１００を使用し
てこの寸法のボンドパッド１１６上に丁度適合すべく小
さなボールボンド１１５を一貫性を持って得ることは非
常に困難である。ボールボンド直径１２２は、ワイヤの
金属のバリが隣接するボンドパッド１１６と接触し、そ
の際に隣接するボンドパッド１１６間に短絡を形成する
ことを防止するために制限されねばならない。隣接する
ボンドパッド１１６の間の短絡は半導体装置の動作障害
を発生する場合がある。

【０００８】図１Ｃを参照して説明すると、キャピラリ
ー１００を使用する場合の１つの問題は、ボールボンド
１１５の寸法を精密に制御することが困難であるという
ことである。キャピラリー１００を使用するワイヤボン
ディング装置の場合には、ボールボンド１１５の寸法
（ボールボンド高さ１２０及びボールボンド直径１２２
を包含する）は自由大気中のボール１１４（図１Ｂ）の
寸法に依存する。ボンディング装置のハードウエア及び
ソフトウエアパラメータは、自由大気中のボール１１４
（図１Ｂ）の寸法を変化させるために調節されねばなら
ない。キャピラリー１００を使用するワイヤボンディン
グ装置の場合には、ボールボンド１１５の寸法は、更
に、例えばボンディングパワー、ボンディング力及びボ
ールボンド１１５を形成する期間中に送給される超音波
エネルギの時間等のパラメータに依存する。微細ピッチ
半導体装置のボールボンディングの場合には、キャピラ
リー１００が小さなボンドパッド１１６上に適合するの
に十分小さくボールボンド１１５を形成することが可能
であるように、キャピラリー１００の先端寸法１０８を
減少させることが可能である。然しながら、外形先端寸
法１０８を減少させることは、特に以下に説明するよう
に、ウエッジボンディング期間中に大きな応力に露呈さ
れるキャピラリー１００を弱体化させる。ボールボンド
１１５の形状及び強度を決定する最も重要な要因はキャ
ピラリー１００の先端寸法１０８及び面取り部直径１０
６である。

【０００９】ボールボンドを形成するためにキャピラリ
ー１００を使用する場合の別の問題は、所望の金属間ボ
ンディング形成が主にボールボンド１１５の周辺部に沿
って発生する傾向があるということである。キャピラリ
ー１００を使用して形成したボールボンド１１５は、ボ
ールボンド１１５の中央表面領域において金属間ボンデ
ィング形成は殆ど有するものではないか又は全く有する
ものではない。その結果弱いボールボンド１１５とな
る。この金属間ボンディング形成問題は、キャピラリー
１００はボールボンド１１５の形成期間中に、最適に超
音波エネルギを送給するものではないという事実に起因
している。

【００１０】図１Ｄはキャピラリー１００によって形成
したウエッジボンド１２４の縦断面図である。ウエッジ
ボンド１２４はワイヤ１１０の繰り出した長さ部とリー
ドフレームのインナーリード１２６の表面との間に形成
されている。上述した如くボールボンド１１５の寸法を
減少させるためにキャピラリー１００の先端寸法１０８
を減少させることは、ウエッジボンド１２４の強度を劣
化させる。何故ならば、ウエッジボンド１２４が形成さ
れる区域はキャピラリー１００の外形先端寸法１０８に
依存するからである。従って、キャピラリー１００を使
用する場合の困難な問題は、小さなボールボンドとする
ための小さな外形先端寸法１０８と、強力なウエッジボ
ンドとするためのより大きな外形の先端寸法１０８との
間のトレードオフ即ち利益衡量に関連している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠
点を解消し、改良したボールボンディング技術を提供す
ることを目的とする。本発明の別の目的とするところ
は、空洞を具備するキャピラリーを使用するボールボン
ディング装置及び方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ボール
ボンディング操作期間中に少なくとも部分的にボールボ
ンドを成形するのに適したキャビティ即ち空洞を具備す
る改良したキャピラリー構成及びこのようなキャピラリ
ーを使用したワイヤーボンディング方法が提供される。
より詳細には、キャピラリーを介して通過するボンディ
ングワイヤーの先端をボンディング表面へ超音波溶接さ
せ、その場合に、該空洞がボールボンディング操作期間
中にボールボンドのかなりの部分を成形する。

【００１３】１つの好適実施例においては、キャピラリ
ーを駆動するボンディング装置によって印加されるボン
ディング力は著しく減少されているか又は取り除かれて
いる。幾つかの実施例においては、キャピラリーをボン
ディング表面に対して所定のスタンドオフ高さに位置決
めさせる。一例として、該スタンドオフ距離は５乃至１
０μｍの程度とすることが可能である。

【００１４】本明細書に記載する構成は多数の利点を有
しており且つ超音波溶接ステップ期間中に約１５０℃以
下の温度へ加熱されるボンディング表面へボンディング
させることを可能とする。約１３０℃以下の予熱温度及
び１００℃より低い予熱温度とすることも可能である。
その結果得られるボンドはボールボンドとボンディング
表面との間の接触面の大部分にわたり顕著な金属間結合
を有する傾向となる。本明細書に記載する発明は、７０
μｍ以下のピッチを有する装置を含む微細ピッチ装置の
場合にも良好に動作する。

【００１５】別の実施例においては、非常に微細なピッ
チの装置の場合であっても比較的大きな直径のボンディ
ングワイヤーを使用することが可能であり、そのことは
このような装置においての比較的長いワイヤーのスパン
とすることを容易なものとさせる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下の発明の詳細な説明において
は、本発明の充分なる理解を与えるために多数の特定の
実施例を記載している。然しながら、当業者にとって明
らかなように、本発明はこれらの特定の詳細なしで又は
別の要素又は処理を使用することによって実施すること
も可能である。その他の場合においては、公知のプロセ
ス、手順、構成要素及び回路は本発明の特徴を不必要に
ぼかすことがないように、それらの詳細なる説明は割愛
している。

【００１７】最初に図２を参照すると、本発明において
使用するのに適したキャピラリー２００の模式的縦断面
図が示されている。キャピラリー２００はボールボンデ
ィング及びウエッジボンディングの両方に使用すること
が可能である。本発明の１実施例においては、キャピラ
リー２００は実質的に標準的な外部形態を有することが
可能であり、それはキャピラリー２００の上端（不図
示）からキャピラリー２００の底端へ僅かにテーパーす
る形状とすることが可能である。キャピラリー２００の
底端はキャピラリー端部２０２を形成している。キャピ
ラリー端部２０２は外径先端寸法２０４を有している。
この外径先端寸法２０４は特定の適用例の必要性に依存
して変化させることが可能である。外径先端寸法２０４
は１５０乃至２００μｍの範囲内のものが殆どの適用例
に対して良好に操作する。１例として、約７０μｍ
（２．８ミル）の外径先端寸法２０４がボンドパッドの
中心間距離が６０μｍである半導体装置のワイヤボンデ
ィングにおいて使用するのに適切に動作するものである
ことが判明した。約８４μｍ（３．３ミル）の外径先端
寸法２０４が、ボンドパッドの中心間距離が７０μｍで
ある半導体装置のワイヤーボンディングにおいて使用す
るのに良好なものであることが判明した。

【００１８】最小ボア直径２０８を有するワイヤー供給
ボア２０６がキャピラリー２００の上端からキャピラリ
ー先端２０２へ向かって延在している。当該技術分野に
おいて公知の如く、最小ボア直径２０８はボンディング
適用例に対して必要とされるワイヤーの直径に依存して
変化させることが可能である。例えば、約２５．４μｍ
（１ミル）のワイヤー直径を必要とするワイヤーボンデ
ィング適用例に対して約３３μｍ（１．３ミル）の最小
ボア直径２０８が良好に動作する。同様に、約４１μｍ
（１．６ミル）の最小ボア直径は、約３３μｍ（１．３
ミル）のワイヤー直径を必要とする適用例の場合に良好
に動作する。

【００１９】ワイヤー供給ボア２０６は、壁で画定され
たキャビティ即ち空洞２１４内へ開口する面取り部２１
０を包含することが可能である。本発明の１実施例にお
いては、面取り部２１０はキャピラリー２００の上端か
ら空洞２１４へ向かった方向において、特定の適用例の
必要性に依存して変化することの可能な角度で拡開する
ことが可能である。１例として面取り部の角度として約
０°と約１０°との間の角度が良好なものであることが
判明した。面取り部２１０は最大面取り部直径２１２を
有している。最大面取り部直径２１２は、特定のワイヤ
ーボンディング適用例の必要性に依存して変化させるこ
とが可能である。約２５．４μｍの直径を有するワイヤ
ーを必要とするワイヤーボンディング適用例の場合に
は、約３６μｍ乃至約３８μｍの最大面取り部直径２１
２が良好なものであることが判明した。約３３μｍの直
径を有するワイヤーを必要とするワイヤーボンディング
適用例においては、約４５μｍ（１．８ミル）の最大面
取り部直径２１２が良好なものであることが判明した。

【００２０】キャピラリー先端部２０２における壁で囲
まれた空洞２１４はワイヤー供給ボア２０６における面
取り部２１０と隣接している。空洞２１４は空洞壁２１
５及び凹設させた先端部表面２１７を画定している。本
発明の１実施例においては、空洞２１４は実質的に円筒
形状であり且つ面取り部２１０の最大面取り部直径２１
２よりもより大きな空洞直径２１６を有している。凹設
させた先端部表面２１７は水平軸に対してテーパーさせ
ることが可能である。本発明の別の実施例においては、
空洞２１４が実質的に切頭円錐形状であるように垂直軸
に対してテーパーが付けられている。１例として、約０
°乃至１０°の範囲内、例えば、約５°乃至１０°の範
囲内のテーパーが良好である。空洞直径２１６は、特定
のワイヤーボンディング適用例の必要性に依存して変化
させることが可能である。例えば、ボンドパッドの中心
間距離が約６０μｍである半導体装置のワイヤーボンデ
ィングにおいて使用する場合に、約４０μｍ乃至４６μ
ｍの空洞直径２１６が良好であることが判明した。約５
０μｍ（２ミル）の空洞直径は、ボンドパッドの中心間
距離が約７０μｍである装置のワイヤーボンディングに
おいて使用するのに良好である。勿論、より大きなキャ
ピラリーはそれと対応してより大きな空洞直径を有する
ことも可能である。空洞２１４は空洞高さ２１８を有し
ている。空洞高さ２１８も、特定のワイヤボンディング
適用例の必要性に依存して変化させることが可能であ
る。１例として、約１０乃至１５μｍの範囲内の空洞高
さが良好である。例えば、ボンドパッドの中心間距離が
約６０μｍ乃至７０μｍである半導体装置のワイヤーボ
ンディングにおいて使用するのに約１５μｍの空洞高さ
２１８が良好なものであることが判明した。本発明の１
実施例においては、空洞２１４の全てのエッジ即ち端部
は丸められている。空洞２１４外側のキャピラリー先端
部２０２の部分はウエッジ表面２１９を画定している。

【００２１】更に図２を参照して説明すると、キャピラ
リー２００はボールボンディング及びウエッジボンディ
ングの両方に対するワイヤーボンディング装置（不図
示）と共に使用することが可能である。動作について説
明すると、ワイヤーがワイヤー供給ボア２０６を介して
供給される。ボールボンディングの場合には、電子的フ
レームオフ（ＥＦＯ）機構を使用して該ワイヤーの先端
において自由大気中のボールを形成する。次いで、キャ
ピラリー２００の先端２０２における空洞２１４を使用
して、ワイヤーボンディング装置によって供給される超
音波エネルギと関連して、該自由大気中のボールを適宜
のボンディング表面（例えば、半導体装置のボンドパッ
ド）に対して超音波溶接させてボールボンドを形成す
る。キャピラリー２００の空洞２１４は以下に説明する
ように強力な精密な小さなボールボンドを提供する。キ
ャピラリー２００は非常に小さなボンドパッド中心間距
離（微細ボンドパッドピッチ）及び非常に小さなボンド
パッド表面区域を有する半導体装置のボールボンディン
グにおいて使用するのに非常に適している。キャピラリ
ー２００は、更に、非常に小さなリード、トレース又は
コンタクト中心間距離（例えば、微細ピッチリードフレ
ーム）を有する半導体装置のウエッジボンディングにお
いて使用するのに非常に適している。本発明のこれら及
びその他の利点について以下において説明する。

【００２２】図３はキャピラリー２００によって水平方
向が拘束されているワイヤー３０４の先端における自由
大気中に形成したボール３０２の縦断面を示している。
該ボンディングワイヤーは、任意の適宜の物質から形成
することが可能であるが、当業者にとって公知の如く、
金が最も典型的である。一方、アルミニウム及びその他
の物質を使用することも可能である。自由大気中に形成
したボール３０２はボール直径３０６を有している。前
述した如く、ワイヤーボンディングハードウエア及びソ
フトウエアと関連してＥＦＯ機構を使用して自由空間内
にボール３０２を形成する。キャピラリー２００の空洞
２１４はボンディングハードウエア及びソフトウエアを
向上させる必要性なしに、一貫性を持って自由大気中に
ボールを形成することを可能としている。本発明の１実
施例においては、ＥＦＯ機構及びその他のパラメータを
制御して、自由大気中に形成されるボール３０２がキャ
ピラリー２００の空洞２１４の体積よりも僅かに大きな
体積を有するように制御させることが可能である。

【００２３】詳細なキャピラリーの構造の１つの特徴
は、従来技術のキャピラリーと異なり、自由大気中に形
成されるボール寸法を適切に選択することによって、ボ
ールボンドの寸法はボンディングワイヤーの直径と幾分
独立的なものである。ボールボンドの寸法は、主に、空
洞２１４自身によって画定させることが可能である。理
解すべきことであるが、このことは多くの適用例におい
て顕著な利点となる場合がある。何故ならば、微細ピッ
チ装置の場合であってもより大きなワイヤーを使用する
場合があるからである。１例として、例えば７０−８０
μｍインライン微細ピッチ装置において約１２５μｍよ
り小さいピッチを有する装置において１．３ミルのワイ
ヤーを使用することが可能である。より大きな直径のボ
ンディングワイヤーを使用することは、プラスチックパ
ッケージを使用する場合にそうでない場合に可能である
よりもより大きなワイヤースパンとすることを可能とす
る。何故ならば、より大きな直径のボンディングワイヤ
ーはワイヤースイープ（ｗｉｒｅ ｓｗｅｅｐ）が発生
する可能性がより低いからである。１例として、１．３
ミルのボンディングワイヤーを使用する場合には、例え
ば２２０ミル及び２５０ミル等の２００ミルより大きな
ワイヤースパンが、プラスチック成形した７０μｍピッ
チのインライン装置において良好なものであることが分
かった。対照的に、本発明者の経験においては、１ミル
のボンディングワイヤーを使用する７０μｍピッチ装置
は、通常、１６０ミルの程度の最大スパンに制限されて
いる。

【００２４】従来のワイヤーボンディング装置は、典型
的に、ボールボンディング期間中に多数のパラメータの
制御を行なうことを可能とする。これらは、ボンドへ印
加される超音波エネルギの強度（即ち、ボンドパワ
ー）、ボンディングの期間（即ち、ボンディング時
間）、ボンディング期間中に印加される力（即ち、ボン
ド力）及びボンディング期間中に使用される温度等であ
る。１例として、１ミルのワイヤーを使用し且つ３６μ
ｍの自由大気中におけるボールを形成する７０μｍピッ
チダイ上にボールボンドを形成する場合に使用するスイ
ス国、チャムのスイザー（Ｓｕｉｚｅｒ）から入手可能
なＥＳＥＣ３００６Ｆ／Ｘボンダーの典型的な従来のパ
ラメータは、２２０℃程度の温度で約２５ミリ秒の期間
の間３００ｍＮの力を使用して、１９％のボンドパワー
の程度である。勿論、これらの数値は相互に依存してお
り且つ特定のシステムの必要性に基づいて幾分変化させ
ることが可能である。ボンディング期間中に温度を低下
させることが望ましい場合の適用例が多数存在してい
る。１つの例はグリッドアレイ型のパッケージ（例え
ば、ＢＧＡ、ＰＧＡ等）であり、その場合には、例えば
ＢＴ，ＦＲ４又は高温エポキシ等の温度に敏感な基板物
質が使用される。然しながら、今日の業界では、１５０
℃程度の温度で信頼性のあるボンドを形成すべく研究を
行なっている。

【００２５】本発明においては、空洞２１４のモールデ
ィング即ち成形効果が、ボールボンディング期間中に非
常に異なったボンディングパラメータ及び装置設定を使
用することを可能とする多数の利点を提供している。顕
著なことであるが、主要な変数はボンドパワーとなり且
つ実験によれば、ボンディング期間中に印加される力は
著しく減少されるか又は完全に除去することが可能であ
る。更に、ボンディング温度も著しく減少させることが
可能である。１例として、１００−１４０℃の程度のボ
ンディング温度を容易に得ることが可能である。

【００２６】次に、図４Ａを参照して説明すると、キャ
ピラリー２００は小さな精密なボールボンド４００を形
成することを可能としている。キャピラリー２００の空
洞２１４はボールボンド４００をモールド即ち成形す
る。凹設した先端表面２１８及び空洞壁２１５が共同し
てボールボンド４００の上側部分を空洞２１４の形状と
実質的に同様の形状へ成形する。ボールボンド４００の
下側部分の寸法、形状及び足跡は、ボンディング表面４
０１とキャピラリー先端２０２との間のスタンドオフ即
ち隔離と共に、自由大気中のボール３０２（図３に図
示）の寸法を制御することによって、注意深く制御する
ことが可能である。このことは、自由大気中にボールを
形成する液化されたボンディングワイヤー物質の表面張
力と結合された空洞２１４の成形効果に起因するものと
考えられる。上に指摘したように、多くの場合において
ワイヤボンディング装置によって印加されるボンディン
グ力の影響は実質的に除去することが可能である。この
ような状態において、キャピラリー先端をボンディング
表面４０１（図示した実施例においては、ダイ上のボン
ドパッド）上方の固定した高さに位置決めさせることが
可能である。自由大気中に形成したボール３０２は空洞
２１１よりも一層大きいので、それはボンディング表面
と接触し且つそれに対して超音波溶接させることが可能
である。

【００２７】図４Ａは、本発明のキャピラリー２００を
使用してワイヤーボンディング装置によって形成したボ
ールボンド４００の縦断面図を示している。ボールボン
ド４００は、ワイヤー３０４の先端とボンドパッド４０
１との間に形成されている。ボールボンド４００を形成
するために、キャピラリー２００、加熱ステージからの
超音波エネルギ及び熱エネルギと関連してワイヤーボン
ディング装置（不図示）が使用される。ボールボンド４
００の寸法パラメータは、足跡４０２及びボールボンド
高さ４０４を包含している。ボール寸法及びスタンドオ
フ（隔離）が注意深く計算される場合には、「バリ」
（即ち、空洞を超えて延在する物質）を実質的に除去す
ることが可能であり且つ足跡４０２を精密に制御するこ
とが可能である。

【００２８】１つの興味のある観察は、実験によれば、
足跡４０２を空洞２１４自身の最大直径よりも実際によ
り小さなものとすることが可能であるということであ
る。勿論、１実施例においては、キャピラリー先端２０
２の表面下側のボールボンドの部分は反転した切頭円錐
形状を取る傾向となり、ボンディング表面４０１とボー
ルボンドとの間に形成される接触面は空洞２１４の開口
直径よりも一層小さいものとなる。この実施例において
は、ボンディング装置上において何等見掛けのボンディ
ング力が使用されておらず且つキャピラリー先端２０２
とボンドパッド４０１との間のスタンドオフ即ち隔離は
固定した距離に設定される。適宜の自由大気中のボール
の寸法は空洞寸法及び所望のスタンドオフ距離に基づい
て計算される。スタンドオフ高さは特定の適用例の必要
性に従って幾分変化させることが可能である。１例とし
て、約５乃至１５μｍ程度のスタンドオフ距離が適切で
あると思われ、且つ約５−１０μｍの範囲内のスタンド
オフ距離がテストの結果良好なものであることが分かっ
た。この構成の場合には、ボールボンドの足跡は、スタ
ンドオフ高さを増加させることによって（合理的な範囲
内において）減少させることが可能であり、そのことは
ボンドパッドピッチが更に減少される場合に特に有用な
ものとなる場合がある。

【００２９】注意すべきことであるが、図４Ａに示した
実施例が良好なものであるためにはスタンドオフ高さの
正確な制御が重要である。多くの従来のワイヤーボンデ
ィング装置はスタンダードでボンディング表面上方のキ
ャピラリーの高さを制御するソフトウエアが付いてくる
ものではない。然しながら、殆どワイヤボンディング装
置の場合には、このことは比較的簡単な修正であるもの
と考えられる。１例として、スイス国チャムのスイザー
から入手可能なモデルＥＳＥＣ３００６Ｆ／Ｘワイヤボ
ンディング装置を使用して多数の実験を行なったところ
良好なものであった。このような装置及び１．３ミルの
ボンディングワイヤー及び約２ミルの空洞直径を有する
キャピラリーを使用して、１０−１２％パワーにおいて
１０ミリ秒程度のボンディング時間は良好なものであっ
た。対照的に、従来のボールボンディングに使用された
同一の装置に対する典型的な設定は３００ｍＮのボンデ
ィング力で１９％パワーにおいて２５ミリ秒の程度のボ
ンディング時間を使用するものである。勿論、種々の適
用例に対して使用される設定は著しく異なるものである
場合がある。

【００３０】次に、図４Ｂを参照すると、別の実施例が
示されている。この実施例においては、キャピラリーの
外側においてキャピラリーの下側にある大きなフラッシ
ュ即ちバリ４０８が形成されている。このタイプのボー
ルボンド構造は、典型的に、自由大気中のボールが与え
られたスタンドオフ距離に対して図４Ａのボールボンド
を形成するために必要な体積よりも僅かに大きい場合に
形成される。このようなボールボンド構造は、又、ボン
ディング表面に関してキャピラリーを位置決めするため
に小さなボンディング力が使用される場合に典型的に発
生するものである。勿論、ボールボンド４５０の上側部
分は空洞２１４に適合している。

【００３１】空洞寸法に対して自由大気内のボールの寸
法を制御することによって、「フラッシュ（バリ）」の
大きさを制御することが可能である。自由大気中のボー
ルが空洞寸法及び適宜のオフセット体積よりも僅かに大
きい場合には、空洞２１４の周辺部からはみ出たワイヤ
ー金属のある程度のフラッシュ即ちバリが存在し（図４
Ｂにおいて誇張した形態で示してある）、ボールボンド
直径４０２が空洞直径２１６よりもより大きいものであ
ることを意味している。このような構成は良好なもので
あるが、最適に形成されるボールよりも幾分一貫性が劣
っている。

【００３２】キャピラリー２００を使用して形成される
ボールボンド４００の寸法は、主に、スタンドオフ距離
と関連した自由大気中のボール３０２の寸法に依存して
いる。空洞２１４の成形効果のために、キャピラリー２
００を使用して形成したボールボンド４００の寸法は、
ボールボンド４００の形成期間中に送給される超音波エ
ネルギの時間期間、力、パワーに過度に依存するもので
はない。

【００３３】空洞２１４の成形特性は、ボンディング表
面上にボンディングの均一な分布を可能とさせることに
より強力なボールボンド４００を提供する。より詳細に
説明すると、ボールとボンディング表面との間に形成さ
れる接触面全体にわたって比較的均一に分布されている
顕著な金属間結合が存在している。この均一なボンディ
ング表面の分布は、キャピラリー２００の空洞２１４が
ボールボンド４００を形成する期間中に超音波エネルギ
をより効果的に作用することを可能とする結果であるも
のと考えられる。特に、ボールボンディングプロセス期
間中に、空洞壁２１５が空洞２１４内のワイヤー金属に
対して内側方向の力を付与するものと考えられる。この
空洞壁２１５によって付与される内側方向の力は、ワイ
ヤー金属とボンドパッド金属との界面において均一に分
布された金属間結合を形成することに貢献する。対照的
に、従来のボールボンドにおける顕著な金属間結合はボ
ンドの周辺部周りの環状リング状に主に形成される傾向
となる。１例として、７０μｍピッチ装置におけるアル
ミニウムボンドパッド上に金１ミルの直径のボンディン
グワイヤを使用したボールボンドの典型的な剪断強度は
１８グラムの程度である。対照的に、実験によれば、上
述した構成を使用して、２２−２５グラムの程度の剪断
強度が容易に得られる。

【００３４】図５はキャピラリー２００を使用したワイ
ヤーボンディング装置によって形成されたウエッジボン
ド５００の縦断面を示している。ウエッジボンディング
期間中に、キャピラリー２００のウエッジ表面２１９は
ワイヤー３０４の一部に力を付与する。ウエッジボンド
５００はワイイヤー３０４の一部と半導体装置のリード
５０２の表面との間に形成させることが可能である。キ
ャピラリー２００を使用したワイヤーボンディング装置
は、ウエッジボンド５００を形成するために比較的に小
さな接触面積を必要とするに過ぎない。ウエッジボンド
５００はウエッジボンド長さ５０４を有している。本発
明のキャピラリー２００を使用したワイヤーボンディン
グ装置はウエッジボンド５００を形成するために小さな
接触面積を必要とするに過ぎないので、キャピラリー２
００は、特に、非常に微細なインナーリードピッチフレ
ーム上にウエッジボンド５００を形成するのに有用であ
る。

【００３５】上述した如く、ボールボンドの寸法はキャ
ピラリー先端の全体的な直径２０２とは実質的に独立的
である。従って、多くの適用例において、全体的な先端
部直径、従ってウエッジ表面２１９の寸法は最適なステ
ィッチ（ｓｔｉｔｃｈ）ボンディングのために最適化さ
せることが可能である。

【００３６】次に、図６を参照して、本発明の１実施例
に基づくワイヤーボンディング方法について説明する。
典型的に、ボンディング表面（それは、ダイ、リードフ
レーム、基板、又はその他の適宜の装置とすることが可
能である）を、ステップ６０１において、従来技術を使
用して適宜の温度へ予熱させる。ボンディング表面が予
熱される実際の温度は、特定の状態の必要性に従って広
範に変化させることが可能であるが、１００℃乃至１５
０℃の範囲内の温度は容易に得ることが可能であり且つ
１００℃以下の温度も本明細書に記載したキャピラリー
を使用して得ることが可能であると考えられる。ボンデ
ィング表面を予熱した状態で、キャピラリーを従来の技
術を使用してステップ６０３において所望のボンディン
グ表面の上方に位置決めさせる。ボンディングワイヤー
を、ステップ６０６において、所定の距離前進させ、且
つステップ６０９において、ＥＦＯ又はその他の適宜の
機構を使用して、自由大気中にボールを形成する。次い
で、該キャピラリー先端を、ステップ６１２において、
ボンディング表面上方の所定のスタンダオフ高さへ下降
させる。

【００３７】前述した如く、このスタンドオフ高さは特
定の適用例の必要性に従って変化させることが可能であ
る。１例として、４乃至１５μｍ、より好適には１０乃
至１５μｍの範囲内のスタンドオフ高さが、微細ビット
リードフレーム装置の場合に良好なものである。別の実
施例においては、指定した（比較的小さな）抵抗力に遭
遇するまでキャピラリーを下降させることが可能であ
る。キャピラリーを所定位置に下降させた後に、ボンデ
ィングワイヤーを、ステップ６１５において、ボンディ
ング表面へ超音波溶接させる。

【００３８】単にボンディング表面上にバンプを形成す
るのではなく、ボンディングワイヤーを形成することが
目標であると仮定すると、次いで、キャピラリーをステ
ップ６１８において所望のスティッチボンディング位置
へ移動させ、従来の態様でそれが移動する場合にボンデ
ィングワイヤーを押し出させることが可能である。次い
で、ボンディングワイヤーを超音波溶接させて所望の位
置にスティッチボンドを形成する。注意すべきことであ
るが、このスティッチボンディングステップ期間中にウ
エッジ表面２１９を使用する。更なる相互接続が所望さ
れる場合には、全ての所望の相互接続が完了するまで、
各相互接続に対しステップ６０３で開始してこのプロセ
スを繰り返し行なう。その点において、ワイヤーボンデ
ィング操作を完了する。当業者によって理解されるよう
に、上述したステップの幾つかは悪影響を与えることな
しに多少異なった順番に配列させることが可能である。

【００３９】１例として、位置決め、ワイヤー前進、自
由大気中のボール形成の各ステップの相対的なタイミン
グを幾分変化させることが可能であり且つ加熱は他のス
テップと同時的に発生させるか又は継続させることが可
能である。

【００４０】次に、図７を参照すると、７０μｍピッチ
の装置において従来技術において形成したボールボンド
のアレイの写真を示してある。注意すべき１つの点は、
ボールボンドの足跡において比較的顕著な変動が存在し
ているということである。図示した写真においては、平
均直径は約５１μｍであり全体的に最大で７μｍの変動
を有しており且つ標準偏差は２μｍの程度である。対照
的に、図８は本発明の１実施例を使用した場合の７０μ
ｍのピッチの装置におけるボールボンドのアレイの写真
である。注意すべき１つの点は、ボールボンドの直径が
著しく小さく、平均直径が４６μｍであり、且つボンド
間の変動も小さいものである。図示した写真において
は、変動は高々３μｍであり且つ標準偏差は０．４μｍ
である。

【００４１】本発明の２，３の実施例について詳細に説
明したに過ぎないものであるが、本発明は、その技術的
範囲を逸脱することなしにその他の特定の多くの形態に
おいて実現させることが可能であることを理解すべきで
ある。特に、本発明を、主に、小さなピッチの装置に対
するワイヤーボンディングに関連して説明したが、ボー
ルボンドの一体性即ち信頼性が改善される等の利点はよ
り大きなピッチの装置に対しても同様に適用可能であ
る。上述した如く、空洞２１４の直径はボンディングワ
イヤーのボア直径よりも著しく大きなものであることは
必要ではなく且つ本発明の利点の１つは、ボンドの品質
が、空洞直径、ボア直径、キャピラリー先端直径の夫々
の比における比較的大きな変化の場合にも極めて良好な
ものであると思われることである。更に、例示した実質
的に円筒形状及び実質的に切頭円錐形状に加えて、広範
囲の空洞幾何学的形状を使用することが可能であると考
えられる。

【００４２】更に、使用した相対的なボンドパワータイ
ミング及び力は、特定のシステムの必要性に従って広範
囲に変化させることが可能である。

【００４３】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】 半導体装置におけるワイヤーボンディング
に適した従来のキャピラリーの概略縦断面図。

【図１Ｂ】 ボンディングワイヤーの先端において自由
大気中のボールを形成する状態を示した図１Ａに示した
従来のキャピラリーの概略縦断面図。

【図１Ｃ】 ボンディング装置によって形成されたボー
ルボンドを例示した図１Ａに示した従来のキャピラリー
の概略縦断面図。

【図１Ｄ】 ボンディング装置によって形成したウエッ
ジボンドを例示した図１Ａに示した従来のキャピラリー
の概略縦断面図。

【図２】 本発明の１実施例に基づいて形成したキャピ
ラリーの概略縦断面図。

【図３】 ボンディングワイヤーの先端において自由大
気中のボールを形成した状態を示した図２に示したキャ
ピラリーの概略縦断面図。

【図４Ａ】 ボンディング装置によって形成することの
可能な１つのボールボンドを例示した図２に示したキャ
ピラリーの概略縦断面図。

【図４Ｂ】 ボンディング装置によって形成することの
可能な別のボールボンドを例示した図２に示したキャピ
ラリーの概略縦断面図。

【図５】 ボンディング装置によって形成されたウエッ
ジボンドを例示した図２に示したキャピラリーの縦断面
図。

【図６】 本発明の１実施例に基づくボールボンディン
グ方法を示したフローチャート。

【図７】 ７０μｍのピッチの装置における従来技術に
よって形成したボールボンドのアレイの平面図を示した
写真の複製図。

【図８】 ７０μｍのピッチの装置において本発明の１
実施例に基づいて形成したボールボンドのアレイの平面
図を示した写真の複製図。

【符号の説明】

２００ キャピラリー ２０２ キャピラリー先端 ２０４ 外径先端寸法 ２０６ ワイヤー供給ボア ２０８ 最小ボア直径 ２１０ 面取り部 ２１２ 最大面取り部直径 ２１４ 空洞 ２１５ 空洞壁 ２１７ 凹設先端表面 ２１８ 空洞高さ ２１９ ウエッジ表面 ３０２ 自由大気中のボール ３０４ ワイヤ

【手続補正書】

【提出日】平成１０年７月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワイヤーボンディング装置によって駆動
   されるキャピラリーを使用するワイヤーボンディング方
   法において、前記キャピラリーがボールボンディング操
   作期間中に少なくとも部分的にボールボンドを成形する
   のに適した空洞を具備しており、前記キャピラリーを通
   過するボンディングワイヤーの先端部をボンディング表
   面へ超音波溶接させ、その場合に前記空洞がボールボン
   ディング動作期間中に前記ボールボンドのかなりの部分
   を成形させることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記超音波溶接ステ
   ップ期間中に前記ボンディング装置によって付与される
   ボンディング力は実質的に０であることを特徴とする方
   法。
3. 【請求項３】 ワイヤーボンディング装置によって駆動
   されるキャピラリーを使用するワイヤーボンディング方
   法において、前記キャピラリーは空洞を具備しており、
   前記キャピラリーを通過する金ボンディングワイヤーの
   先端をアルミニウムボンディング表面に対して超音波溶
   接させて少なくとも部分的に前記空洞内に受納されるボ
   ールボンドを形成し、前記ボールボンドが前記ボールボ
   ンドと前記ボンディング表面との間に接触面を有してお
   り、顕著な金／アルミニウム金属間ボンディングが前記
   接触面の大部分にわたって発生するように前記超音波溶
   接が調整されることを特徴とする方法。
4. 【請求項４】 ワイヤーボンディング装置によって駆動
   されるキャピラリーを使用するワイヤボンディング方法
   において、前記キャピラリーはボールボンディング操作
   期間中に少なくとも部分的にボールボンドを成形するの
   に適した空洞を具備しており、 前記キャピラリーを通過するボンディングワイヤの先端
   にボールを形成し、 前記キャピラリーをボンディング表面上方の指定した高
   さに位置決めし、 前記ボンディング装置が前記ボンディング表面に対して
   ボンディング力を付与させることなしに前記ボンディン
   グワイヤーの先端を前記ボンディング表面に対して超音
   波溶接させ、その場合に前記空洞がボールボンディング
   操作期間中に前記ボールボンドのかなりの部分を成形す
   る、ことを特徴とする方法。
5. 【請求項５】 ワイヤーボンディング装置によって駆動
   されるキャピラリーを使用するワイヤボンディング方法
   において、前記キャピラリーが空洞を具備しており、前
   記キャピラリーを通過する少なくとも１．２ミルの直径
   を持ったボンディングワイヤーの先端を約７５ミクロン
   未満のボンドパッドピッチを具備するダイの表面上のボ
   ンディングパッドへ超音波溶接し、少なくとも部分的に
   前記キャビティ内に受納されるボールボンドを形成する
   ことを特徴とする方法。