JP2007305997A - 絶縁線のためのワイヤボンディング工程 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁ワイヤを接合するための工程を提供される。
【解決手段】絶縁ワイヤを接合するための工程が提供される。基準に適合したフリーエアボールが、ボールボンドを生成するために、絶縁ワイヤから形成されている。絶縁ワイヤのチップは、最初にフレイムオフ装置の近傍に配置され、第１の放電が、絶縁ワイヤのチップを溶かしてパイロットボールを生成するために、電子フレイムオフ装置から行われる。その放電は、その後終了する。次に、第２の放電が、基準に適合したフリーエアボールを生成するために発生し、その後基準に適合したフリーエアボールがボールボンドを生成するために、接合面に付着される。
【選択図】図５

Description

本発明は、極細ワイヤの電子部品への接合に関するものであり、特に表面に絶縁体または不導体を具備したワイヤの接合に関する。

ワイヤボンディングは、チップを実装したリードフレームキャリア上の、半導体チップとリードとの間で電気的な接続を形成するために一般的に使用される手段であり、且つ効果的な手段である。ワイヤボンディング方は、熱圧縮超音波とパルス接合とを含んでいる。ワイヤは、一般的に金、アルミニウムまたは銅のような、導電性材料を使用している。

半導体産業は、電子部品実装(electronic packaging)の構成およびモジュールを、それらの機能を増加させることと同様に、より小型化する方向へと連続的に進んでいる。そのため、より高密度実装半導体にともなって、非常に極細なワイヤが、ワイヤボンディングによって、チップのパッドを回路基板の導電体に接合する電気的接続のために利用されている。
米国特許出願公開第２００５／００４５６９２号明細書

従って、作動するためのより小さな領域のために、これらの極細ワイヤを電気接点に接合することは、ますます手腕を問われるものとなっている。その上、高密度実装半導体チップは、隣接しているワイヤ間の間隔が減少する方向になっており、言い換えると、隣接しているワイヤが互いに接触した場合に、回路の短絡が発生する危険性が増加している。回路の短絡を回避するための１つの方法は、ワイヤ間の間隔を増加させるようにすることであるが、構成が高密度である場合には、その方法は必ずしも実行できる、または効果的なアプローチではない。

ワイヤボンディング工程のサイクルは、一般的には、球形状をなす接合ワイヤのチップにフリーエアボール（free-air-ball：ＦＡＢ）を形成することで開始される。図１は、非絶縁体の金ワイヤ１００から形成されたＦＡＢ１０８の側面図であり、従来技術である電子フレイムオフ（electronic flame-off：ＥＦＯ）スパーク工程を利用している。金ワイヤ１００の終端部１０２は、毛細管（図示略）のチップから伸びており、ＥＦＯ電極の近傍に配置されている。ＦＡＢの形成は、ＥＦＯ電極１０６からの電気放電すなわちスパーク１０４によって開始し、このスパーク１０４は、毛細管の下で伸びている接合ワイヤ１００の終端部１０２を温度上昇させ、かつ溶解させる。表面張力は、接合ワイヤ１００の溶かされた終端部１０２が、球形状を形成する要因となり、ワイヤ端部のさらなる材料の溶解を進行させる。このことが、ＦＡＢ１０８を形成している。スパーク１０４が終了するとすぐに、ＦＡＢ１０８は、ほとんど瞬時に固まる。その後ＦＡＢ１０８は、適切な量の圧力、熱および超音波の動きを適切な時間だけ適用することによって、第１の接合位置において第１のボールボンド(ball bond)を形成するために、毛細管によって接合パッドの方へ押される。

ボールボンドが形成された後、毛細管は上昇し、接合ワイヤ１００が毛細管の終端を通じて送り出される間に、第２の接合位置へ移動する。第１の接合位置と第２の接合位置との間にループが形成されるとすぐに、毛細管は第２（または縫い合わせ）のボンドを形成するために、適切な量の圧力、熱および超音波の動きを適切な時間だけ再度適用することによって、ワイヤ１００を接合パッドに向かって押す。第２（または縫い合わせ）のボンドが形成された後、送り出されているワイヤが別の終端部を形成する間に、毛細管は所定の高さまで上昇する。その後、接合ワイヤ１０は、第２のボンドから引き離され、次のＦＡＢ１０８を形成するために、十分な量のワイヤ終端部１０２が残る。

図２は、時間ごとの放電電流の変化によって示された、従来からの一般的なＥＦＯスパークプロファイルを示したグラフである。標準的な発火放電は、一般的に電流値Ｉ１で構成されており、その電流値は、ｔ０〜ｔ１の間持続する。このことは、ワイヤ１００を溶かして良好な（conforming）ＦＡＢ１０８を形成するために、十分な熱と時間とを見越している。従って、非絶縁またはむき出しの接合ワイヤのための従来の方法は、ＥＦＯ電極が、接合ボールを形成するために、単一の放電または高圧放電を行うことを利用している。スパークの間の一般的なＥＦＯのメカニズムの入力は、電流、時間および放電ギャップである。万が一、入力／出力の読み取りに何らかの混乱があった場合、システムは、通常はそれ自身を修正できないエラーがあることを検出する機能を備えており、接合工程を中止する。

絶縁ワイヤは、通常はその内部に金のような金属材料の導体コアを有しており、ポリイミドのような絶縁層が非導体ワイヤの表面に被覆されている。絶縁接合ワイヤ技術の導入は、接合ワイヤが短絡回路を形成することなく接触または交差することを可能にしていることで、高密度実装および高入力／出力機能性を可能にしている。しかしながら、絶縁接合ワイヤを利用している電子実装の小型化は、接合ワイヤと接合パッドとの間の接点において、絶縁材料が導電率を低下させる傾向にあるという、新しい問題を持ち込んでいる。確実な相互接続を形成することにおいて、絶縁材料の存在が、異物が混入しているように振舞うために、形成されているおのおののワイヤボンドが、導電性に障害が起きていないことを確実にする場合に、その絶縁材料を除去し、内部の導体を暴露する必要がある。このことは、高容量の生産設備の限界および工程、特にワイヤボンディング装置の性能を打ち破る。従って、ワイヤと接合パッドとの間の接合店において、ワイヤ表面から効果的に絶縁材料を移動する手段を考案する必要がある。

接合工程中における絶縁ワイヤから絶縁材料を除去する手段の一例は、“ワイヤボンディングとそのための毛細管”との名称の特許文献１に開示されている。絶縁ワイヤの接合手段は、第1の接合パッドの第２の接合パッドへの電気的接続に関してそこに記載されている。そこでは、接合ワイヤを保持している毛細管ホルダのチップが、接合ワイヤが毛細管チップと第２の接合パッドとの間でこすられるように、第２の接合パッドの表面上を移動する。このことが、ワイヤの少なくとも一部の金属コアが第２の接合パッドに接触できるように、接合ワイヤの絶縁材料をはがしている。その後、ワイヤは熱圧着接合を利用して、第２の接合パッドに接合される。摩擦力を介して絶縁材料を機械的に除去するこのアプローチの欠点は、毛細管チップをこすることで接合するよりも前のサイクルタイムを増加させることである。言い換えると、導電性の増加に関しての利点との対応は、重要ではない。更にいうと、第２の接合が行われるよりも前に、絶縁材料を除去することは適用可能であるが、接合ワイヤの終端部のみが、毛細管チップから突き出し、ＦＡＢが終端部から形成される第１のボールボンドに適用することは不可能である。終端部を機械的にこすること自体は、応用できない。

図３は、図２中に示されているスパークプロファイルを適用した従来技術のＥＦＯスパーク工程を利用して、絶縁金ワイヤ１０から形成されたＦＡＢ１８の側面図である。終端部１２を伴った絶縁金ワイヤ１０は、ＥＦＯ電極１６の近傍に配置され、スパーク１４は、ワイヤ１０の終端部１２を溶かしてＦＡＢ１８を形成するために発生される。特定の絶縁材料は、結果としてＦＡＢ１８となる傾向を備えており、その球形状の表面の周りが絶縁層２０で依然として実質的に覆われている。いくつかの清浄なコア材料２２は、ＦＡＢの底部において観察され、または絶縁層２０の表面のまわりの所々に分散している。この現象は、ボールボンドと接合パッドとの間の接点において高電導性を備えたボールボンドを形成するためには望ましくないものである。

そのような望ましくないＦＡＢ１８の形成は、非絶縁またはむき出しのワイヤを使用する場合よりも、ＥＦＯがより一般的である間に、絶縁接合ワイヤを使用する場合に観察される。絶縁接合ワイヤに関しては、ＥＦＯ工程の電流が、幾分変形した小さなボールを生産する傾向もあるかもしれないということも、観察されている。従って、問題は、従来のスパーク工程が、（図３に示しているような）絶縁層で汚染された、または非球状に変形したＦＡＢを生産する機会を増加させているということであり、それらはすべて、標準に適応しないＦＡＢとして一般的に言及される。変形したＦＡＢは、結果として成型不良ボンドとなるかもしれず、隣接したボールボンドと短絡回路を形成する要因となり、潜在的に瞬間接合の失敗または弱いボールボンドの要因となるであろう。そのために、それらはミクロ電子光学装置を故障させる要因となるであろう。さらに、絶縁材料からの汚染は、標準に適応しないＦＡＢの要因となるだけでなく、毛細管およびＥＦＯメカニズムさえも汚染する可能性がある。接合ワイヤを受けるための毛細管オリフィスおよび時間ごとのＥＦＯ上の被覆の残余物の累積的な蓄積は、一貫性の無いＦＡＢ形成を助長する可能性もある。

それにもかかわらず、多くの場合、強固なボールボンドを形成することが可能ないくらかの残余絶縁材料を伴って、受容可能なＦＡＢを形成することは、依然として可能であるということが観察される。絶縁接合ワイヤの終端部が、放電またはスパークによる熱にさらされる場合、解けた部分はボールを形成する。ボールが形成されているとき、時々、被覆が上半球において均等な縞模様に分割し、スイカパターンと呼ばれるパターンを形成する。この場合、同様に被覆または絶縁材料は、下半球の強固なボールボンドが形成される可能性を妨げない。しかしながら、そのようなスイカパターンの発生は予測不可能なことであり、内部の導電性材料から接合パッドへの間で、そのような被覆の分割による強固な接合を形成するために、十分な接触が存在していることを頼りにすることは、賢明なことではない。

絶縁接合ワイヤの従来のＥＦＯ工程のアプリケーションに見受けられる問題点を解決するために、ＥＦＯメカニズムの適切な改良または増強が、清浄なＦＡＢを生産するために望ましいことであり、再現可能に信頼性のあるボールボンドを得て、ＦＡＢを要求量だけもたらす。

従って、本発明の目的は、接合のために暴露されたコアの洗浄剤を伴ったボールを生産する絶縁ワイヤ接合の、速くかつ効果的な手段を実行することである。

従って、本発明はボールボンドを製作するために、絶縁線から適合するフリーエアボールを形成する手段であって、絶縁線のチップを電子フレイムオフ装置に近づけて配置するステップと、絶縁線のチップを溶解するための、前記電子フレイムオフ装置からの第１の放電を引き起こし、およびパイロットボール(pilot ball)生成するとその時点で前記放電を終了させるステップと、前記適合するフリーエアボールを生成するための第２の放電を引き起こすステップと、その後、ボールボンドを生成するために、前記適合するフリーエアボールを接合面に付着させるステップとを含んでいることを特徴とする、形成手段を提供する。

好適な実施形態を示した添付図を参照している以下の本発明についてのより詳細な記載は、有用となるであろう。図の特殊性および関連した記載は、請求項によって定義された、本発明の広範囲な同一の大多数のものに代わるものとして理解されるべきではない。

本発明に従うワイヤボンディング工程の好適な実施形態の例が、添付図を参照してここに記載されている。

好適な実施形態は、絶縁ワイヤのチップにおいて、ＦＡＢを形成するために２つの分離したスパークを利用する。図４は、本発明の好適な実施形態によるＥＦＯスパーク工程を利用した第1のスパーク後に形成された、パイロットボールの側面図である。

パイロットボールを形成するために、絶縁ワイヤ１０の終端部１２は、毛細管のチップ（図示略）から伸ばされ、ＥＦＯ電極１６を具備したＥＦＯ装置の近傍に配置される。スパーク工程は、ＥＦＯ電極１６からの放電またはスパーク２４によって開始し、毛細管の下に伸びているボンディングワイヤ１０の温度上昇および溶解が行われる。この第１のスパークは、ボールボンドを形成するために最終的に要求されるＦＡＢよりも小さい体積を持ったプレメルト(pre-melt)２６または小さいボール２８の形成において、好ましくはパイロットボールを形成するように制御されているのがよい。

図５は、本発明の好適な実施形態によるＥＦＯスパーク工程を利用した第２のスパーク後に形成された、ＦＡＢ３４の側面図を示している。第１のスパーク２４の終了後、プレメルト２６または小さいボール２８は、好ましくは同じ位置に保持されているのがよく、第２のスパーク３０がＥＦＯ電極１６から発生する。第１のスパーク２４の後に形成されたプレメルト２６または小さいボール２８は、第２のスパーク３０によって、所望の大きさのＦＡＢ３４に適合するまでさらに溶解され、形状が形成される。実験では、ＦＡＢ３４は、清浄なコアメタル(core metal)３６を実質的に具備しているように見られ、絶縁被覆３８は、ＦＡＢ３４の頂点部のみを覆うように減少していた。このＦＡＢ３４は、基準に適合しており、ワイヤボンドの導電性がその表面に含まれた、広がったコアメタルの広範囲に形成されることを促進している。

図６は、本発明の実施形態による、時間ごとの放電電流変化によって示された、ＥＦＯスパークプロファイルを示したグラフである。そのプロファイルは、ＥＦＯ放電時間（ｔ）に対するＥＦＯ電流（Ｉ）によって示されている。第1のスパーク２４は、ｔ０〜ｔ２の期間中、電流Ｉ３で発生している。ｔ２〜ｔ３において、遅れが発生しており、放電が終了している。その後、第２のスパーク３０が、ｔ３〜ｔ４の期間中、別の電流Ｉ２で発生している。

図の唯一の目的に関しては、第1の電流Ｉ３が、第２の電流Ｉ２よりも大きく示されていることであり、そのことは、第２の電流Ｉ２が第1の電流Ｉ３よりも大きい、または同じであってもよい。形成された溶けたボールの大きさは、スパークの電流および継続時間の量に依存しているため、プレメルト２６または小さいボール２８が最終的に基準に適合する（conforming）所望のＦＡＢ３４よりも小さくなり、最終的な清浄な生成されたＦＡＢ３４が、ボールボンドを形成するために必要な、要求された大きさとなるように、変数は変化し、制御されることが可能である。

第1のスパークに使用された電流が、１６００ｍＡ〜３０００ｍＡの間であり、継続時間が１００μｓ〜１０００μｓであることは、好適な条件である。第１のスパークと第２のスパークとの間の遅れは、好ましくは３０ｍｓ未満であるのがよい。第２のスパークを発生するために使用される電流は、１８００ｍＡ〜３２００ｍＡの間であり、それは２００μｓ〜１０００μｓの遅れで発生されるのが好ましい。的確な電流の大きさとスパークの遅れとは、使用されるワイヤの直径と目標とされるボールの大きさとに依存している。上記の変数は、ワイヤ直径が０．８ミル〜１．０ミル、かつ形成されるＦＡＢのボールの大きさが、直径で４０μｍ〜５５μｍであるものに最適であろう。

ＥＦＯ電極によるパイロットボールに発火された第２の連続的な放電またはスパークの目的は、第１のボールボンドで準備された清浄なボールの再形成である。ＦＡＢ３４の上半球上に依然として残っている絶縁層３８は、強固な合金接合を作り出すことから、接合工程を妨げないであろう。基準に適合しないボールが、下半球上において汚染される、またはボールが、第１のスパーク２４の後で、被覆の妨害によってまったく形成されない場合でさえも、第２のスパーク３０は、基準に適合したＦＡＢ３４の形成を促進する助けになる。

絶縁接合ワイヤが試験的に接合することを介して、第１の放電の発火によって減少された体積のプレメルト２６または小さいボール２８を形成すること、その後清浄なＦＡＢのより首尾一貫した生産をする工程である、第２の放電が観察される。プレメルト２６または小さいボール２８が清浄である場合、そのボールは、第２のスパーク３０の結果として、清浄なままである。しかしながら、プレメルト２６または小さいボール２８が汚染されている場合、形成された最終的なＦＡＢ３４は、第２のスパーク３０の結果として、清浄化される。

従って、ワイヤボンディング工程が、第１のボールボンドに形成に関して受け入れられないような、基準に適合しないＦＡＢの形成によって停止することを防止するために、ＥＦＯのスパーク工程に替わるロジックが提案された。ロジックの改良は初歩的な強化であり、他のハードウェアの変更は、一般的に本質的な要素ではない。しかしながら、電気回路の他の変更は、ＥＦＯ電極のデザインの変更およびより良い電極材料の選択と同様に、大量生産の環境において、工程の操作を行うためにも協働されてもよい。

ここに記載された発明は、変化、改良および／または他の明確に記載されたもの以上の追加を受け入れる余地があり、本発明は、上述の思想および意図の中にそれらすべての変化、改良を含んでいることが、理解されるであろう。

従来技術のＥＦＯスパーク工程を利用して、非絶縁金ワイヤから形成されたＦＡＢの側面図である。 放電電流の時間変化で表示された、従来の標準的なＥＦＯスパークプロファイルのグラフである。 従来技術のＥＦＯスパーク工程を利用して、絶縁金ワイヤから形成されたＦＡＢの側面図である。 本発明の好適な実施形態によるＥＦＯスパーク工程を利用した、第１のスパーク後に形成されたパイロットＦＡＢの側面図である。 本発明の好適な実施形態によるＥＦＯスパーク工程を利用した、第２のスパーク後に形成されたＦＡＢの側面図である。 本発明の好適な実施形態による、放電電流の時間変化で表示されたスパークプロファイルのグラフである。

符号の説明

１０ ワイヤ
１２ 終端部
１４ スパーク
１６ ＥＦＯ電極
１８ ＦＡＢ
２０ 絶縁層
２２ コア材料
２４ 第１のスパーク
２６ プレメルト
２８ 小さいボール
３０ 第２のスパーク
３４ ＦＡＢ
３６ コアメタル
３８ 絶縁被覆
１００ 金ワイヤ
１０２ 終端部
１０４ スパーク
１０６ ＥＦＯ電極
１０８ ＦＡＢ

Claims (11)

1. ボールボンドを製作するために、絶縁線から基準に適合するフリーエアボールを形成する方法であって、
   絶縁線のチップを電子フレイムオフ装置に近づけて配置するステップと、
   前記電子フレイムオフ装置からの第１の放電を生成して絶縁線のチップを溶解し、パイロットボールを作製し、次いで前記放電を終了させるステップと、
   第２の放電を生成し、前記適合するフリーエアボールを作製するステップと、
   前記適合するフリーエアボールを接合面に付着させ、ボールボンドを作製するステップと、
   を含んでいることを特徴とする、方法。
2. 前記パイロットボールは、前記適合するフリーエアボールに比較してより小さな体積とすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記パイロットボールは、プレメルトまたは小さいボールの形態とすることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記適合するフリーエアボールは球形状であり、かつ該適合するフリーエアボールの表面に導電性コアの金属材料を実質的に具備させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の放電を、１６００ｍＡ〜３０００ｍＡの電流値で発生させ、前記第２の放電を、１８００ｍＡ〜３２００ｍＡの電流値で発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の放電を、１００μｓ〜１０００μｓの持続時間で発生させ、前記第２の放電を、２００μｓ〜１０００μｓの持続時間で発生させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の放電の終了と前記第２の放電の生成との間の時間的な遅れは、３０ｍｓ未満であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記第１の放電を、前記第２の放電よりも大きい電流値で発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の放電を、前記第１の放電よりも大きい電流値で発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記絶縁線は、該絶縁線の表面に絶縁層を具備しており、その結果として前記ワイヤの表面を不導体とすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記絶縁層は、ポリイミドを具備することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。