JPH06204300A - 超小型電子ボンド形成方法および超小型電子デバイス - Google Patents

超小型電子ボンド形成方法および超小型電子デバイス

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JPH06204300A
JPH06204300A JP4262340A JP26234092A JPH06204300A JP H06204300 A JPH06204300 A JP H06204300A JP 4262340 A JP4262340 A JP 4262340A JP 26234092 A JP26234092 A JP 26234092A JP H06204300 A JPH06204300 A JP H06204300A
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bonding
ultrasonic energy
transducer
interface
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C Alphalo Raffaele
シー．アルファロ ラファエル
Lau B Howe
ブーン ホーウェ ラウ
Thomas H Ramsey
エィチ．ラムジー トーマス
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積回路のボンドサイトへワイヤを接合する
装置を提供する。 【構成】 金ワイヤ１２の接合端３０をアルミボンドパ
ッド２８へ接合する装置１０は１００〜１２５ＫＨｚの
高周波超音波エネルギ源２０を含み、トランスジューサ
１８およびキャピラリ１６を介して接合界面３２へ超音
波エネルギを加える。トランスジューサ１８の長さが修
正されツールクランプ点４０は超音波エネルギの腹点が
界面に加えられ最適化されるようにトランスジューサ１
８上に配置されて、接合端３０とボンディングパッド２
８間に形成されるボンドのシア力、ボンド時間および処
理温度を最適化する。金属間化合物形成および接合力の
点で特に問題となるＡｌ ２％Ｃｕ等のアルミ合金ボン
ドパッドについて特に有益な結果が得られた。前記範囲
の高周波超音波エネルギを使用すれば、強度の優れたボ
ンドが形成され処理パラメータのフレキシビリティが向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路（ＩＣ）の接続
配線に関し、特に高周波超音波エネルギーを利用したＩ
Ｃの接続配線に関する。
【０００２】
【従来の技術】樹脂封止半導体デバイスの回路の接続配
線を行うための標準技術として、例えば、金ワイヤをア
ルミもしくはアルミ合金の表面（例えば、ボンドパッ
ド）へボンディングする方法が利用されている。形成さ
れるボンドやウェルドは、時間および温度により且つ拡
散挙動に従って、いずれ可能ないくつかの相の金属間構
造となる。最初に金属間被覆率を最大とすれば最大接合
強度が得られる。
【０００３】汚損表面、望ましくない低温および最適で
はないボンディングパラメータにより金とアルミ表面間
の反応は不適切なものとなる。最大接合強度最高品質接
合は最適相成長により得られる。したがって、例えば金
とアルミの、ボンディング材の反応度を最適化するボン
ディング工程が必要とされる。さらに、低温で短時間の
ボンディングにより工程のフレキシビリティを高めるよ
うな工程があれば有利である。
【０００４】さらに、（例えば、Ａｌ，２％Ｃｕ；もし
くはＡｌ，１％Ｓｉ，０．５％Ｃｕ等の）アルミ合金に
は特別な問題点がある。反応度の高いアルミ合金であっ
ても遅延が生じ、終局的にアルミ合金の接合強度が損わ
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ボンディング工程にお
いて金とアルミ等の金属の最適反応度が容易に得られて
ボンド断面積の被覆率が大きくなる（恐らくは１００
％）ような工程が必要とされている。また、低温および
／もしくは短時間ボンディングおよび／もしくは低圧等
のパラメータのフレキシビリティを向上させる工程も必
要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記した問題点は本発明
による方法および装置を使用すれば大方解決される。す
なわち、本発明により大きな断面被覆率が得られるボン
ディング工程が提供され、接合強度が向上する。さら
に、本発明により有害な影響を及ぼすことなく温度、時
間および圧力等のパラメータを有利に調整できる柔軟な
工程が提供される。したがって、本発明により強力なボ
ンドが提供されこれらのボンドを作成する工程のフレキ
シビリティが高められる。本発明により（例えば、トラ
ンスジューサや圧電結晶等の）ハードウェアを適切に修
正して高周波超音波エネルギーを利用することによりこ
れらの利点が得られる。
【０００７】さらに、およそ１００〜１２５ＫＨｚの範
囲の高周波超音波エネルギーを利用すれば、本発明によ
り従来アルミ合金を金へ接合する際に生じる前記被覆率
の問題が解決される。
【０００８】実施例では、本発明によりトランスジュー
サおよびその上に搭載された圧電結晶が提供され、およ
そ１１４ＫＨｚの交流により励起される。本発明によ
り、トランスジューサ上にキャピラリが搭載されていて
アルミボンドパッドへ金ワイヤを供給し（金ワイヤ上
の）ボールとボンドパッド間の界面はおよそ１７５℃と
される。
【０００９】一般的に、本発明により超小型電子ボンド
形成方法が提供され、該方法は、（ａ）導電性ボンドサ
イトを設け、（ｂ）ボールを有するワイヤを設け、
（ｃ）ワイヤの接合端をボンドサイトへ接触させて、接
合端およびボンドサイト間に界面を作り、（ｄ）およそ
１００ＫＨｚ〜１２５ＫＨｚの範囲の超音波エネルギー
を界面へ加える、ステップからなっている。
【００１０】
【実施例】超音波熱圧着接合工程は半導体産業において
広く使用されている方法である。一般的にこの工程はト
ランスジューサをおよそ６０ＫＨｚで発振させる低周波
を使用する。本発明ではおよそ１００〜１２５ＫＨｚの
周波数が使用され、超音波パワー、接合時間、押潰力
（圧力）および温度等のパラメータが柔軟且つ有利に修
正されるのはこれらの周波数である。
【００１１】次に図面一般特に図１を参照して、ボンデ
ィング装置１０のブロック図を示しワイヤ１２および超
小型電子集積回路１４が設けられている。本発明による
ボンディング装置１０は高周波超音波（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）
エネルギーを利用して超小型電子接続配線ボンドを生成
する。超音波エネルギーの周波数範囲はおよそ１００〜
１２５ＫＨｚである。装置１０にはキャピラリ１６、修
正トランスジューサ１８、Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギー源２
０、熱源２２、圧力源２４が含まれ、装置１０の残部は
参照番号２６のボックスにより示す。
【００１２】ＩＣ１４は従来のものであり、例えばテキ
サス州、ダラス、のテキサスインスツルメンツ社製１６
メガビットＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメ
モリ）とすることができる。ＩＣ１４は実質的に製造等
級単結晶シリコン基板を含んでいるが、他の材料を使用
することもできる。例えば、限定するものではないが、
ＩＣ４の基板としてヒ化ガリウムやゲルマニウムを使用
することができる。スタティックランダムアクセスメモ
リ等の他種のメモリＩＣも本発明の範囲に入る。事実、
論理ダイやパワーデバイス等のリニア半導体も本発明の
対象とすることができる。さらに、ＩＣ１４は必ずしも
ＶＬＳＩチップである必要はなくＭＳＩやＳＳＩチップ
とすることができ、個別もしくは混成部品とすることが
できる。
【００１３】ＩＣ１４にはボンドサイト２８が含まれて
いる。実施例では、ボンドサイト２８は実質的にアルミ
合金（２％銅）で出来ている。１％シリコン、０．５％
銅等の他のアルミ合金を使用することもでき、ボンドサ
イト２８には他の金属や合金を単独もしくはアルミニウ
ムと一緒に使用することができる。
【００１４】ワイヤ１２は実施例では純金でありボール
３０を含んでいる。また、ワイヤ１２は金合金製とする
ことができ、他の金属や合金を使用することもできる。
参照番号３２で示す界面は図３Ａ〜３Ｃに示す断面領域
と同じ位置にあることをお判り願いたい。
【００１５】キャピラリ１６はワイヤ１２の管路として
機能し、公知のように、ボンディング工程中に界面３２
へ超音波エネルギーおよび圧力を加える。キャピラリ１
６は従来のものであり、実施例では酸化ベリリウム製で
ある。
【００１６】図２において、金属トランスジューサ（も
しくはホーン）１８はおよそ１０ｃｍ長であり終端３４
に４個の圧電結晶３２を含んでいる。ホーン１８は本体
部３６およびキャピラリ１６が搭載されるツールクラン
プ点４０を有するテーパー先端３８を含んでいる。ホー
ン１８は長さが修正されており、圧電結晶の数およびツ
ールクランプ点４０の位置決めが従来のホーンに較べて
修正されている。破線および参照番号４２はおよそ６
２．５ＫＨｚの従来の処理周波数に対する幾分長いトラ
ンスジューサ内のどこにツールクランプ点が代表的に位
置するかを示している。トランスジューサ１８はツール
クランプ点４０が高周波超音波エネルギーを与えるため
の最適点となるように短縮されている。
【００１７】図６および図７を参照して、従来のトラン
スジューサ４６を図７の本発明のトランスジューサ１８
と比較する。従来のトランスジューサ４６は参照番号４
８で示すようにおよそ８．００ｃｍ（３．１５インチ）
であり、およそ６２．５ＫＨｚでＵＳエネルギーを送信
してトランスジューサ４６の有効長４８に沿って１．２
５波長を配置するように設計されている。
【００１８】トランスジューサ１８の有効長５０はおよ
そ７．５７ｃｍ（２．９８インチ）である。図７に示す
ように、トランスジューサ１８はＨ．Ｆ．ＵＳエネルギ
ーを送信して有効長５０に沿って２．２５波長を配置す
るように設計されている。
【００１９】したがって、有効長５０は有効長４８に較
べておよそ１．３２ｍｍ（５２ミル）だけ低減される。
長さの低減は使用するＨ．Ｆ．ＵＳおよびトランスジュ
ーサの設計によって特定され、これらのパラメータはさ
まざまな応用に対して変化する。
【００２０】再び図１を参照して、Ｈ．Ｆ．ＵＳ源２０
はおよそ１００〜１２５ＫＨｚの範囲の交流信号を圧電
結晶３２へ供給するように設計されている。検討する周
波数は圧電結晶へ加える周波数である。したがって、公
知のように、界面の超音波周波数は幾分異なる。超音波
源２０は従来のように結晶に接続されている。
【００２１】熱源２２は従来のものであり界面３２に熱
エネルギーを与えてボンディング工程を容易にする。圧
力源２４は従来のものでありキャピラリ１６を介して界
面３２へ圧力（押潰力）を加える。
【００２２】参照番号２６のボックスで示す装置１０の
残部として制御回路、機械的アーマチュア等が含まれ
る。実施例では、ボンディング装置１０は本発明の改良
点の一部もしくは全部を盛り込んだＡｂａｃｕｓ ＩＩ
ボンダーである。加熱トランスジューサおよびＺ方向
のボンドストロークが実質的に直線状である軸方向に一
致されたキャピラリおよびトランスジューサを利用した
Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーボンディングについてさらに検
討するために、ここに組み入れられている関連特許出願
を参照されたい。本発明の背景において、各技術は特定
の技術応用において利点を有するものと思われる。Ａｂ
ａｃｕｓ ＩＩＩ ボンダーはテキサス州、ダラスのテ
キサスインスツルメンツ社製である。他の構成要素につ
いては直接関連性が低いため詳細な検討を行わないが、
同業者ならばこのような構成要素を装置１０に組み込め
ることが容易にお判りと思う。
【００２３】次に、本発明の工程について検討を行う。
一般的に、ボンドサイト２８を有するＩＣ１４がチャッ
ク、リードフレーム、その他（図示せず）に適切に固定
され、次に公知のようにワイヤ１２を加熱してボールす
なわち接合端３０が形成される。次に接合端３０をボン
ドサイト２８に接触させて溶着すなわち接合を行う界面
３２を作り出す。
【００２４】実施例のように超音波熱圧着ボンディング
を利用する場合には、キャピラリ１６が接合端３０をボ
ンドサイト２８に位置決め固定しトランスジューサ１８
が超音波エネルギーを加え圧力源２４がキャピラリ１６
を介して押潰力を加える間に熱源２２を使用して界面３
２に熱が与えられる。公知のように、前記した全ボンデ
ィングステップが代表的にボンダー２６内の制御回路に
より制御される。
【００２５】本出願において、高周波超音波エネルギー
（Ｈ．Ｆ．ＵＳ）とはおよそ１００ＫＨｚよりも高い周
波数を意味する。逆に低周波超音波エネルギーは本発明
の背景においておよそ１００ＫＨｚよりも低周波の超音
波エネルギーを意味する。
【００２６】次に図３Ａ〜図３Ｃを参照して、超小型電
子ボンディングもしくは溶着に関連する金属間形成のさ
まざまな段階を示す。図３Ａに参照番号４４に示すスポ
ット領域により幾分限定された金属間形成を示す。従来
技術ではこのような部分被覆が一般的である。従来のお
よそ１７５〜３００℃の温度範囲で６０ＫＨｚ程度のＵ
Ｓエネルギーによる金属間すなわちボンド形成はこのよ
うなものである。通常の樹脂封止工程（例えば、１７５
℃で５時間）では図３Ｂに示すように金に接合された純
アルミの界面は１００％金属間被覆へ変換される。しか
しながら、特にＡｌ，２％Ｃｕのドープト金属化による
１７５℃５時間の工程では図３Ｃに示すようにおよそ５
０％の被覆率しか得られない。
【００２７】これとは対照的に、本発明によりおよそ１
７５〜３００℃の温度範囲でおよそ１００〜１２５ＫＨ
ｚの範囲の超音波エネルギーを使用すれば、図３Ｂに示
すような完全被覆率（すなわち、およそ１００％）が得
られる。図３Ａに示す金属間遅延を生じる他の合金とし
て１）Ａｌ，Ｃｕ ０〜４％、２）シリコンドープトア
ルミ、３）パラジウムドープトアルミ、もしくはそれら
の組合せが含まれる。これらの広く使用される合金では
相すなわち接合金属間形成遅延効果が生じ（すなわち、
相成長が非常に遅く）したがって接合の実際の溶着領域
が最少限に抑えられる。領域のある％以上は接合が成長
しないこともある。したがって、Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギ
ーを利用して接合の溶着領域、強度および信頼性を向上
させることが有用となる。
【００２８】金属間成長および領域被覆率の増大は直接
本発明の高周波超音波エネルギーによるものである。前
記したような合金に対して低周波（６０ＫＨｚ）では高
レベルの溶着接合構造は形成されないが、高周波を使用
すればある程度の化学反応が得られて１００％溶着領域
すなわち完全な金属間領域被覆および沈み込み浸透が得
られる。それにより相成長遅延機構が効果的に無効とさ
れる。
【００２９】さらに、高周波ホーン１８（すなわち、１
００〜１２５ＫＨｚ）を圧力等の特定ボンディングパラ
メータと組合せることにより、１７５℃等の低温におい
てほぼ１００％の接合領域被覆率が得られる。Ｈ．Ｆ．
ＵＳエネルギーを使用すれば３００℃等の高温において
実質的に１００％の被覆率が得られる。したがって、適
切なパラメータセットと組合せてＨ．Ｆ．ＵＳエネルギ
ーを使用すれば、ある種の回路の接続配線に必要な遙か
に信頼度の高い合金金属化接合を行うことができる。
【００３０】Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーを導入すれば金ボ
ールボンディング工程にとって他の利点も得られる。こ
れらの利点は機械的なものと冶金学的なものへ分類でき
る。機械的な利点はワイヤプルテスト中に見られるボー
ルネッキングだけでなく、Ｙ軸が狭くＸ軸が広いＹ軸お
よびステッチ幅が顕著なボール形状とすることである。
冶金学的利点は接合の完全性および信頼性を規定する金
属間反応度に影響を及ぼすものである。温度が低下する
と正規の化学反応によりボンディング中に形成される金
属間化合物の量が影響を受けることが調査され文書化さ
れている。金属間化合物の低減によりテスト時に比較的
シア強度の低い接合となる。Ａｌ−Ｃｕが最も困難であ
る、今日のＩＣに使用される多数のアルミ合金に対処す
るためには温度の低下によりボンド工程におけるパラメ
ータを一層広範にする必要が生じる。
【００３１】また、Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーにより２５
０℃付近もしくはそれよりも高温においてより確実で、
信頼度が高く頑丈なボンド工程が得られる。
【００３２】Ｈ．Ｆ．ボンディングの初期の開発により
通常の６０〜７０ＫＨｚ周波数の場合よりもある種の利
点が得られた。例えば、従来技術に較べて同じかもしく
は向上された金属間反応度で温度を低下させることがで
きる。この現象は金およびアルミで観察される。相成長
および金属間被覆率が改善されて高品質溶着が行われ、
強度の高いボンドが得られる。事実、１５０℃もの低温
で銀スポット、金ワイヤボンドを行うことができる。
【００３３】高周波の使用は２つの特徴を示す。第１に
ボンドの非円形変形が少くなる。最初にこの挙動を観察
した後、詳細実験を行って得た統計データから、図５Ａ
および図５Ｃに示すように、接合されたボールサイズが
低減しサイズが均一になることが判った。図５Ｂは低周
波ボンディング（６０〜７０ＫＨｚ）により生じるボー
ルサイズ範囲の例を示す。図５Ｃは高周波および低周波
ボンディング間のボールサイズ比の比較を示す。
【００３４】図５ＡのＸ−Ｙ直径範囲の分布はＨ．Ｆ．
ＵＳにより形成されるボールがほぼ丸いことを示してい
る。図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、従来の周波数で
形成されるボールはサイズが変動するだけでなく遙かに
偏心しており、これは図５Ｃにおいて特に著しい。
【００３５】第２の特徴は一つの特定金属系、Ａｌ、１
％Ｓｉに関連している。Ｈ．Ｆ．効果は低振幅変位によ
り機械的破壊開始電位が低下することがあることを示し
ている。Ｈ．Ｆ．ＵＳエネルギーによりＡｕボールおよ
びＡｌ、１％Ｓｉパッドの機械的作用が低下するため、
Ｓｉ粒子浸透が低下する電位となる。
【００３６】ボンドパラメータ前記したように、従来の
周波数（６０〜７０ＫＨｚ）では今日のＩＣに使用され
るさまざまな金属系に対してカストマイズされたボンド
パラメータセットを必要とする。
【００３７】代表的に、純Ａｌパッド金属化に必要なＵ
Ｓエネルギーは少く、ボンド時間は少く、押潰力は少
く、場合によっては温度も低い。Ａｌ、２％Ｃｕを接合
する場合にはそうではなく、必要な超音波エネルギーは
高く、ボンディング時間は長く、押潰力は高く且つ通常
は温度も高い。この挙動は硬度および形態と共に合金金
属の反応度の差による。
【００３８】これに対して、Ｈ．Ｆ．ＵＳボンディング
ではパラメータの範囲は自由であり、ボンド工程の制約
は少くより頑丈なものとなる。表１に高周波ボンディン
グ工程に使用される純ＡｌおよびＡｌ，２％Ｃｕパラメ
ータ間の比較を示す（表１〜表５は詳細説明の終りに載
っている）。
【００３９】（２００℃よりも低い）低温Ｈ．Ｆ．ボン
ディングにより従来の低周波超音波熱圧着ボンド工程で
確立されたパターンを変える超音波熱圧着ボンド工程の
新分野が開かれる。
【００４０】定義により、４つのパラメータは超音波熱
圧着ボンド工程、超音波パワー、押潰力、温度および時
間を制御する。
【００４１】Ａ） 超音波パワー 超音波パワーは大概の低周波トランスジューサ（６０〜
１００ＫＨｚ）に対して一般的に８０ｍＷ〜２５０ｍＷ
の範囲である。しかしながら、高周波低温トランスジュ
ーサは最適ボンドを行うのに高い出力電力を必要とす
る。電力が増大する一つの理由はトランスジューサモー
タを形成する結晶（ＰＺＴ）の数が低減することであ
る。これは選定周波数範囲を達成するのに必要である。
【００４２】高周波低温トランスジューサの代表的な範
囲は１５０ｍＷ〜３００ｍＷである。ここに、
【数１】
【００４３】低温においてＨ．Ｆ．トランスジューサ１
８に対して確立される範囲は半導体のボンドパッドに使
用される大概の金属系に対処するものである。前記範囲
を使用して行われるテストには純Ａｌ；Ａｌ，２％Ｃ
ｕ；Ａｌ，１％Ｓｉ，０．５％Ｃｕ；およびＰｄがボン
ドパッド金属化として含まれる（表参照）。
【００４４】ＵＳ出力パワーを制御するもう一つの重要
な要因はトランスジューサ１８のインピーダンスであ
り、Ｈ．Ｆ．ＵＳトランスジューサで作動する時に重要
な要因となる。好ましくは、Ｈ．Ｆ．ＵＳトランスジュ
ーサはボンドヘッド組立体に取り付けた時に１８Ω±５
Ωで作動する。
【００４５】Ｂ） 押潰力 クランプ力とも言われる押潰力により一緒に接合される
材料の界面へ適切にエネルギーを転送する状態が提供さ
れる。このエネルギーは熱（超音波熱圧着工程）、超音
波振動および圧力の形状である。
【００４６】押潰力を越えると、超音波振動はもはや機
能を果さないところまで減衰する現象が良く知られてい
る。このパラメータを決定して最適化するために、実験
は慎重に設計して監視しなければならない。
【００４７】高周波ボンディングは低周波ボンディング
よりも押潰力の影響を受け易い。したがって、このパラ
メータには特別な注意が必要である。また、さまざまな
金属化システムがさまざまな値の押潰力を必要とするこ
とも重要な点である。
【００４８】Ｃ） 温度 温度はボンディング中に行われる合金化の程度を決定す
る支配的要因となっている。低周波ＵＳで温度が２５０
℃よりも降下すると、金属間化合物の形成は劇的に低減
し、温度が２００℃よりも降下すると金属間化合物の形
成はほぼ停止することが実証されている。その時はボン
ド構造を維持する分子の機械的連結しか生じない。
【００４９】Ｈ．Ｆ．ＵＳボンディングの利点は広範な
温度範囲内で金属間化合物を形成する能力、およびある
金属系特に（歴史的に最も作用するのが困難な金属系の
一つである）Ａｌ，２％Ｃｕとの高度の反応度である。
【００５０】（好ましくは１１４ＫＨｚの）低温Ｈ．
Ｆ．工程により１００℃近くの温度でＡｕ−Ａｌ化合物
の完全な金属間形成を行うことができる。この工程によ
り感熱デバイスの製造歩止りが向上する。
【００５１】高周波で高温（＞２００℃）を使用するこ
とにより高速金属間反応が行われる。この性質を使用し
て既存の工程を最適化し品質を損うことなく生産性を高
めることができる。
【００５２】Ｄ） 時間 このパラメータはどれだけ長くボンディングエネルギー
を加えるかを制御し、通常ｍＳで表わされる。図４にＵ
Ｓ周波数とボンディング時間との関係を量的に示す。低
温Ｈ．Ｆ．ボンディングに対しては、時間範囲は高温低
周波工程に使用するものと変らない。しかしながら、高
温および高周波数を一緒に使用すると、範囲はより短い
時間へ向って変化し、完全な金属間形成を行いながら
１．０ｍＳよりも短いボンディングの可能性が生じるこ
ともある。最適ボンドは３００℃において僅か０．５ｍ
Ｓのボンド時間で形成された。
【００５３】分析概要 さまざまな実験により収集したデータを表１〜５に示
す。これらのデータにはボンドパラメータ、シア力およ
び金属間反応および被覆率が含まれる。
【００５４】ボンドパラメータは汎用用語（グラム、
Ｖ、ｍＳ）を使用して表わされる。Ａｂａｃｕｓ ＩＩ
Ｉ で利用可能なボンディングモード（Ｉ−モード、サ
ーボモード）はボンド品質に相当な衝撃を与え、そのた
め結果表に一列を加える。
【００５５】表１〜表３のデータは１７５℃ボンディン
グ実験の概要を表わし、同じ材料に対して３００℃のボ
ンディング温度でも実験を行った。これらの実験結果は
従来の低周波高温ボンディングと変らない。主な変化は
時間および金属間反応に生じる。時間要因が少くとも２
５％以上低減すると、金属間化合物の形成が高速となり
しかも完全である。
【００５６】従来の（高温）工程にはＨ．Ｆ．を適用す
る場合、表４により最適化されたパラメータに対する開
始点が得られる。
【００５７】ボンディングモード分析 Ａｂａｃｕｓ ＩＩＩ に利用できる２つのボンディン
グモードはＨ．Ｆ．低温ボンディングに及ぼす衝撃によ
り特別に注意を要する。
【００５８】Ｉ−モードとサーボモードを較べると違い
が見られ、これらの評価によるデータを表５に示す。
【００５９】表１〜表５に関する結論 結論として３００℃ボンド温度において高速ボンドサイ
クルが得られ品質は同等以上であり、既存の生産速度を
損うことなくＨ．Ｆ．低温ボンディングが可能なことを
示唆している。
【００６０】交互にボンドモード（Ｉ，サーボ）を使用
して行った実験から、ボンド構造の完全性はいずれのモ
ードにも影響されないがボンドされたボールの形態に影
響を及ぼすということが云える。利用可能な２つのモー
ドのうち、Ｉ−モードの方が最適結果が得られる。
【００６１】実施例および代替例について本発明を詳細
に説明してきたが、本説明は例にすぎずそれに限定され
るものではない。さらに、同業者ならば、本説明を参照
すれば実施例の詳細をさまざまに変更したり別の実施例
を考えることができるものと思われる。このような変更
や実施例は全て特許請求の範囲内に入るものとする。
【００６２】
【表１】 ボールボンドパラメータ １７５℃接合温度 押潰力 PUPS 設定 時 間 早期点火 (g) TP-6(VP -P) (MSEC) TP-6(VP -P) 範 囲 範 囲 範 囲 範 囲 純Al 35-45 11.0-13.0 6-8 3.0-4.0 Al 2% Cu 70-100 14.0-15.0 8-10 4.0-6.5 *** Al 1% Si 0.5% Cu 60-80 14.0-16.0 10-14 2.0-4.0 Pd キャッフ゜ハーメチック 60-100 22.0-26.0 8-10 5.0-7.0 *** ＝EPIC II 金属系
【００６３】
【表２】 ポストボンドシアデータ １７５℃接合温度 平 均 標準偏差 最 小 最 大 純Al 75.4ｇ 6.5ｇ 63.5ｇ 87.4ｇ Al 2% Cu 73.3ｇ 4.5ｇ 61.7ｇ 81.3ｇ** Al 1% Si 0.5% Cu 73.1ｇ 8.5ｇ 46.5ｇ 85.4ｇ Pd キャッフ゜ハーメチック 58.7ｇ 9.5ｇ 37.3ｇ 79.2ｇ〜* ＝Pdは最適ボンディングを行うのに３００℃程度の温
度を要する硬い材料** ＝ボンドパッドの剥離を生じた使用材料
【００６４】
【表３】 ポストボンド金属間反応 １７５℃接合温度 目視％反応 ボール径 純Al 100 3.0 ミル Al 2% Cu 95 3.2 ミル Al 1% Si 0.5% Cu 100 3.2 ミル Ｐｄに接合したＰｄキャブハーメチックＡｕワイヤは固
溶体を形成し中間金属は形成されない。
【００６５】
【表４】 ボールボンドパラメータ ３００℃接合温度 押潰力 SUPS パワー PUPS 時間 早期点火 TP-6(Vp -p) TP-6(Vp -p) 40-70 ｇ 8.0-11.0 4-8 MSEC. 2.0-4.0 注：これらの実験中にＺｈ＝Ｉ９Ωを使用した。
【００６６】
【表５】 １７５℃接合温度 １１４ＫＨｚトランスジューサ Ｉ−モード サーボモード 純 Al Al 2% Cu 純 Al Al 2% Cu シア力 平均 75.4 g 73.3 g 43.8 g 78.5 g 標準偏差 6.5 g 4.5 g 4.1 g 15.4 g 最小 63.5 g 61.7 g 32.0 g 44.8 g 最大 87.4 g 81.3 g 51.0 g 97.6 g ボンド径 3.0 mils 3.2 mils 2.4 mils 3.4 mils 接合面積 7.1 mils 8.0 mils 4.5 mils 8.7 mils 中間金属 目視検査 100 % 100 % 100 % 95 % シア力 10.6 9.1 9.7 9.0 (g/mil 2)
【００６７】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 超小型電子ボンド形成方法において、該方法
は、（ａ） 導電性ボンドサイトを設け、（ｂ） 接合
端を有するワイヤを設け、（ｃ） ワイヤの接合端をボ
ンドサイトに接触させて、接合端とボンドサイト間に界
面を作り出し、（ｄ） およそ１００ＫＨｚ〜１２５Ｋ
Ｈｚの超音波エネルギーを界面へ加える、ステップから
なる超小型電子ボンド形成方法。
【００６８】（２） 第（１）項記載の方法において、
ステップ（ｄ）の超音波エネルギーはおよそ１１４ＫＨ
ｚである、超小型電子ボンド形成方法。
【００６９】（３） 第（１）項記載の方法において、
さらに、（ｅ） 界面へ熱を加えて界面温度を２００℃
よりも低くする、ステップからなる、超小型電子ボンド
形成方法。
【００７０】（４） 第（３）項記載の方法において、
界面温度はおよそ１７５℃である、超小型電子ボンド形
成方法。
【００７１】（５） 第（１）項記載の方法において、
さらに、（ｅ） 界面に熱を加えて界面温度を２００℃
よりも高くする、ステップからなる、超小型電子ボンド
形成方法。
【００７２】（６） 第（５）項記載の方法において、
界面温度はおよそ３００℃である、超小型電子ボンド形
成方法。
【００７３】（７） 第（１）項記載の方法において、
ボンドサイトは実質的に純アルミを含む、超小型電子ボ
ンド形成方法。
【００７４】（８） 第（１）項記載の方法において、
ボンドサイトはおよそ１％シリコンおよび０．５％銅を
有するアルミ合金を含む、超小型電子ボンド形成方法。
【００７５】（９） 第（１）項記載の方法において、
ボンドサイトはおよそ２％銅を有するアルミ合金を含
む、超小型電子ボンド形成方法。
【００７６】（１０） 第（１）項記載の方法におい
て、ボンドサイトはパラジウムを含む、超小型電子ボン
ド形成方法。
【００７７】（１１） 第（１）項記載の方法におい
て、ワイヤは実質的に金を含む、超小型電子ボンド形成
方法。
【００７８】（１２） 第（１）項記載の方法におい
て、ステップ（ｄ）の超音波エネルギーを加える時間は
１ｍＳよりも短い、超小型電子ボンド形成方法。
【００７９】（１３） 第（１２）項記載の方法におい
て、ステップ（ｄ）の超音波エネルギーを加える時間は
およそ０．５ｍＳである、超小型電子ボンド形成方法。
【００８０】（１４） 第（１）項記載の工程により製
造される少くとも１個のボンドを有する超小型電子デバ
イス。
【００８１】（１５） 第（１）項記載の方法におい
て、界面に加えられる押潰力はおよそ４０ｇ〜７０ｇの
範囲である、超小型電子ボンド形成方法。
【００８２】（１６） 集積回路１４のボンドサイト２
８へワイヤ１２を接合する装置１０および方法が提供さ
れる。実施例では、金ワイヤ１２の接合端３０がアルミ
ボンドパッド２８へ接合される。装置１０はおよそ１０
０ＫＨｚ〜１２５ＫＨｚの周波数で超音波エネルギーを
与えるように設計された高周波超音波エネルギー源２０
を含んでいる。超音波エネルギーはトランスジューサ１
８およびキャピラリ１６を介して接合界面３２へ加えら
れる。トランスジューサ１８は長さが修正されツールク
ランプ点４０は高周波超音波エネルギーがその腹点にお
いて界面３２に加えられ最適化されるようにトランスジ
ューサ１８上に配置される。実施例の工程では、超音波
エネルギーはおよそ１１４ＫＨｚで加えられる。このよ
うにして、接合端３０およびボンドパッド２８間に形成
されるボンドはシア力、ボンディング時間および処理温
度が最適化される。従来金属間化合物形成および接合力
の点で特に問題の多かったＡｌ ２％Ｃｕ等のアルミ合
金ボンドパッドについて特に有益な結果が得られた。し
たがって、本発明により前記した範囲の高周波超音波エ
ネルギーを使用すれば強度の優れたボンドが形成され処
理パラメータのフレキシビリティが向上する。
【００８３】関連出願 同一譲受人による下記の特許出願が参照としてここに組
み込まれている。 ＴＩ−１４４２７、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７４１号 ＴＩ−１５６４５、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７３１号 ＴＩ−１５０６７、出願日１９９１年９月３０日、第０
７／７６７，７４０号
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超小型電子集積回路へワイヤを接
合するのに使用するボンディング装置の部分ブロック図
および部分略図である。
【図２】ボンディング装置に使用するトランスジューサ
の断面図である。
【図３】接合が行われる界面におけるさまざまな金属間
化合物形成段階を示す図であって、Ａは部分被覆を示す
図、Ｂは完全被覆を示す図、Ｃは５０％被覆を示す図で
ある。
【図４】金ワイヤを純アルミへ接合する場合の３００℃
における超音波エネルギーと接合時間との関係を示すグ
ラフである。
【図５】それぞれ６０ＫＨｚおよび１１４ＫＨｚで形成
されるボールボンドの同心性を比較する図であって、Ａ
はＨ．Ｆ．ＵＳによりボールが形成される場合を示す
図、ＢおよびＣは従来の周波数でボールが形成される場
合を示す図である。
【図６】従来のトランスジューサに重畳される低周波超
音波エネルギーの波長を示す図。
【図７】本発明によるトランスジューサに重畳される高
周波超音波エネルギーの波長を示す図である。
【符号の説明】
１０ ボンディング装置 １２ ボンディングワイヤ １４ 集積回路 １６ キャピラリ １８ トランスジューサ ２０ 高周波超音波エネルギー源 ２８ ボンドパッド ３０ 接合端 ３２ 接合界面 ４０ ツールクランプ点
フロントページの続き (72)発明者 ラウ ブーン ホーウェ マレーシア国ピー．ジェイ．，スバング ジャヤ，18／４ビー ジャラン エスエス 40 (72)発明者 トーマス エィチ．ラムジー アメリカ合衆国テキサス州ガーランド，キ ャロル ドライブ 602

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超小型電子ボンドの形成方法において、
    該方法は、（ａ）導電性ボンドサイトを設け、（ｂ）接
    合端を有するワイヤを設け、（ｃ）ワイヤの接合端をボ
    ンドサイトへ接触させて、接合端とボンドサイト間に界
    面を作り、（ｄ）およそ１００ＫＨｚ〜１２５ＫＨｚの
    超音波エネルギーを界面へ加える、ステップからなる超
    小型電子ボンド形成方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の工程により作られる少く
    とも１個のボンドを有する超小型電子デバイス。
JP4262340A 1991-09-30 1992-09-30 超小型電子ボンド形成方法および超小型電子デバイス Pending JPH06204300A (ja)

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US07/768,501 US5201454A (en) 1991-09-30 1991-09-30 Process for enhanced intermetallic growth in IC interconnections
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