(57)【要約】【課題】超音波接合用のボンディングツール及びボンディングプロセスにおいて、従来技術の欠点を補い得る改良をする。【解決手段】超音波接合は、格子状の薄い突起７０８と突起間の間隙７１２とを有する接合ツール端部７００を使用して形成される。ツールはリボン７０２と接触し、その下方の接合表面７０６からおよそ１５０μｍ若しくはそれ未満の深さの凹部をリボン内に創り出すために所定深さへと移動される。次に、ツールはリボンの凹部間部分に接触するために、例えば更に２５〜５０μｍだけリボン内下方へ更に移動される。その結果、弱く接合された領域が溝部の底面に形成され、強く接合された領域が突起の底面及び接合の周縁に形成される。他の態様では、超音波接合はリボンの幅の一部に沿って形成される。【選択図】図７Ｂ
2008529303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体をその下方の表面に超音波接合するボンディングツールであって、
超音波出力及び接合荷重を前記導電体に与えるように構成された基体と、
前記基体から延出し、その長さが前記導電体の厚さよりおよそ１５０μｍ若しくはそれ未満だけ短い複数の突起と、
前記突起の間の複数の溝と
を含むことを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】
前記突起の長さは、前記導電体の厚さよりおよそ１００μｍ短いことを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項３】
前記導電体はリボンであることを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項４】
前記突起の断面がおよそ０．０１ｍｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項５】
前記突起は概ね円形を呈することを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項６】
前記突起は概ね矩形を呈することを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項７】
前記突起は先細り形状を呈することを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項８】
前記基体と前記突起との間の境界線が曲線であることを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項９】
前記基体と前記突起との間の境界線が角をなすことを特徴とする、請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項１０】
導電体をその下方の表面に超音波接合する方法であって、
（ａ）その底と前記下方の表面との距離がおよそ１５０μｍ若しくはそれ未満となる複数のくぼみを前記導電体に形成するステップと、
（ｂ）前記導電体の前記くぼみ間部分を５０μｍ若しくはそれ未満だけ落ち込ませるステップと、
（ｃ）前記くぼみの底が前記下方の表面からおよそ１００μｍ若しくはそれ未満にある第１の接合を形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記導電体はリボンであることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記形成するステップ及び前記落ち込ませるステップは、超音波出力及び接合荷重によることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の接合に直接隣接する位置において前記（ａ）から前記（ｃ）のステップを反復し、前記第１の接合に隣接する第２の接合を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のくぼみは格子状をなすことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の接合を形成するステップは、前記くぼみの間の弱く接合された領域と、前記くぼみの下方の強く接合された領域とを形成することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記くぼみは概ね円形を呈することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記くぼみは概ね矩形を呈することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の接合を形成するステップは、前記第１の接合の周縁に沿う強く接合された領域を形成するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の接合は、前記リボンの内部にのみ形成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の接合は、概ね円形を呈することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の接合は、概ね正方形を呈することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
格子状の接合端部を有するボンディングツールを用いて導電体をその下方の表面に接合する方法であって、
接合荷重及び超音波出力をもって前記ボンディングツールを前記導電体の内部へ、前記下方の表面からの距離がおよそ１５０μｍ若しくはそれ未満の位置まで移動させ、前記導電体に複数のくぼみを形成するステップと、
接合荷重及び超音波出力をもって前記ボンディングツールを前記導電体の更に内部へ、前記下方の表面からの距離がおよそ５０μｍ若しくはそれ未満の位置まで移動させ、前記導電体の前記くぼみの間部分を落ち込ませるステップと、
前記くぼみ間領域の底面の弱く接合された領域と、前記くぼみ底面の強く接合された領域及び前記導電体の周縁に沿った強く接合された領域とを形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記導電体はリボンであることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
導電体をその下方の表面に電気的に接続する接合であって、
前記導電体の上面が複数のくぼみを含み、該くぼみの底面領域が前記下方の表面と第１の強度の第１の接合を形成し、前記くぼみの間部分の底面領域が前記下方の表面と前記第１の強度よりも小さな第２の強度の第２の接合を形成し、
前記導電体の下面が前記下方の表面と接触し、前記くぼみは前記下方の表面からおよそ１００μｍ若しくはそれ未満にあることを特徴とする接合。
【請求項２５】
前記第２の強度よりも大きな第３の強度で前記下方の表面と第３の接合を形成する周縁を更に含むことを特徴とする、請求項２４に記載の接合。
【請求項２６】
前記接合は前記導電体の全幅に至らないことを特徴とする、請求項２４に記載の接合。
【請求項２７】
前記導電体はリボンであることを特徴とする、請求項２４に記載の接合。
【請求項２８】
前記接合は概ね円形を呈することを特徴とする、請求項２４に記載の接合。
【請求項２９】
前記接合は概ね正方形を呈することを特徴とする、請求項２４に記載の接合。
【請求項３０】
ボンディングツールを使用して導電体に接合を形成する方法であって、
接合荷重及び超音波出力をもって前記ボンディングツールを前記導電体の内部領域に移動させるステップと、
前記導電体の前記内部領域においてのみ接合を形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記接合は概ね円形を呈することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記接合は概ね正方形を呈することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記導電体は少なくとも２ｍｍ幅のリボンであることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
導電体をその下方の表面に電気的に接続した接合構造であって、
前記導電体の内部における接合部と、
前記導電体の外部に沿った非接合部と
を含むことを特徴とする接合構造。
【請求項３５】
前記接合部は概ね正方形を呈することを特徴とする、請求項３４に記載の接合構造。
【請求項３６】
前記接合部は概ね円形を呈することを特徴とする、請求項３４に記載の接合構造。
【請求項３７】
前記導電体はリボンであることを特徴とする、請求項３４に記載の接合構造。
【請求項３８】
前記リボンは少なくとも２ｍｍ幅を有することを特徴とする、請求項３７に記載の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスのボンディングに関し、特に超音波リボンボンディング用のボンディングツール及びボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造において、半導体ダイにおけるドレイン及び／又はソース領域などの半導体デバイスの能動素子は、プリント基板などの他のデバイス又は電子部品に電気的に接続される。一般に、接続は２箇所間を導線でボンディングすることによって行われる。導線は、金、アルミニウム又は銅からなり、一般的な直径は１２μｍ〜５００μｍである。ワイヤボンディング技術を用いてなされる電気的接続の例には、分離した或いは統合したチップの接触面とパッケージのコンタクトリードとの間の接続が含まれ、ハイブリッド回路の場合、モノリシック要素とこれらを包含するフィルム回路との間の接続が含まれる。
【０００３】
多くのワイヤボンディング技術が開発されており、特に功を奏しているものは超音波を使用する微細溶接技術である。接合されるべき表面に接触したアルミ線は、接合されるべき表面の方向に高速に動かされ、その結果、酸化被膜が破れる。次に、ワイヤに圧力がかけられ、恒久的な接合が２つの材料間でなされる。ワイヤの動きは、高周波機械振動を発生させる超音波発生装置により励起された超音波振動子によって発生される。
【０００４】
ある種の超音波ワイヤボンディングでは、ウェッジボンディングツールが使用される。超音波エネルギはウェッジツールによってアルミ線に与えられる。ワイヤはウェッジ下部においてガイドを通してフィードされる。次にワイヤは、ワイヤをわずかに変形させる規定された小さな力で押し下げられる。次に、超音波エネルギがスイッチオンされ、ボンディングプロセスが開始される。この間に、接合ツール下部分のワイヤが変形する。当該部分は、ワイヤの寸法及び物理的性質、接合ツールの形状、及びプロセス・パラメータの設定に依存する実際の変形を伴って主として広く変形する。
【０００５】
ワイヤの変形はワイヤ表面を拡張させる。表面の拡張はワイヤの接合ツール下部分の周縁に沿って最も大きい。その結果、ワイヤの接合ツール下部分の周縁から接合生成が始まる。接合領域はそこから内側に進捗するが、通常、内部の数箇所の部分が非接合となるか、又は軽く接合される。すなわち、ワイヤは完全に或いは全面的に表面に接合されるわけではない。したがって、ワイヤが十分に変形しなければならないだけでなく、ワイヤが接合される基材表面も十分に変形しなければならない。なぜなら、超音波で創り出された結合は原子レベルの接合の形成に基づいており、密着した物質的な接触が強い接合を形成するための要件であって、それ自体が信頼性ある接合の要件だからである。
【０００６】
２つの接合領域を電気的に接続するために、ワイヤに加え、柔軟な導電性リボンを使用することができる。円形のワイヤに比べ、広くて薄いリボンはより大きなボンディング断面を可能とし、より大きな接触領域を創り出すことを可能とする。また、リボンを接合面に接続するのに超音波接合を使用することができる。しかしながら、円形のワイヤ形状にとって表面を拡張することは、制限された接合パラメタ（例えば、荷重及び出力）により、矩形のリボンを接合するよりもはるかに大規模となる。これは円形のワイヤを用いて高い信頼性の接合を創り出すことをより容易にする。
【０００７】
図１Ａ〜図１Ｄは、超音波接合を用いるリボン接合において異なる段階の平面図を示している。矩形のリボンの超音波接合はワイヤと同様のプロセス及び反応をたどる。図１Ａは、例えば、リボンを切り取った後に見られる、リボン接合１０の一部の平面図を示している。ツールはリボンを変形させて表面に接合させ始め、接合は、図１Ｂ及び図１Ｃに示すように内側へ広がっていく。通常、リボン接合１０の周縁１２は強く接合され、一方、接合の中央領域１４は軽く接合されるだけである。これは、表面の拡張が制限され、リボン及び基材のクリーンな露出の可能性が低いからである。図１Ｄは、端部が内部よりはるかに強く接合された完成状態の接合の典型例を示している。図２は（接合）時間に応じたせん断強度２０と残存するリボン厚さ２２とを示すグラフである。ここで、残存厚さは初期厚さマイナス変形量と定義する。４つの時間点は、図１Ａ〜図１Dにそれぞれ示した段階における接合を表している。
【０００８】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、上述した超音波リボン接合の特性は、熱サイクルの間に受けた熱機械的応力下における接合の損傷挙動によって裏付けられる。図３Ａは図１Ｄと同様の完成した接合の平面図を示している。ここで、ＬＢは接合長さであり、ＬＳは周縁の強く接合された領域の幅である。図３Ｂは、接合されたリボンがまだ適所にある状態における、図３Ａ中のＡ−Ａ断面に沿った接合の側面図を示している。亀裂３０は、リボン３４と基板素材３６との間の熱膨張係数の不一致によってもたらされる応力が最も高い接合の周縁で始まっている。周縁における結合は強固であるため、亀裂は（接合）インタフェースからリボン内に方向を変える。そこでは、亀裂成長は連続するが遅い。亀裂はこの強固な領域を通り過ぎた後に接合インタフェースに戻る。そこでは亀裂は接合の中心で交わるまで速く進捗し、リボンの完全なはがれを引き起こす。接合の矩形領域（広いが短い）のため、その長さは制限され、亀裂が接合領域の中心で交わるまで移動できる距離は短い。
【０００９】
図４は熱サイクル数に応じた引張力の測定値を示すグラフである。第１局面４０の間、接合の最も弱い要素（接合した後）であるヒール部の強度は、特にリボンの（垂直）変形のためにわずかに破損すると、ゆっくり退行し始める。第２局面４２の間、引張試験の損傷がヒール部破損から圧着はがれに変化するに従い、接合の退行は増加する。熱又は出力サイクルの下では、接合インタフェースがヒール部よりも急速に退行するので、この損傷モードの移行が起こり得る。亀裂が周縁領域を過ぎ、インタフェースに戻ったとき、第３の局面４４の間、この領域の接合強度は低いために退行率は再び増加する。
【００１０】
超音波（ワイヤ及びリボン）接合に関し、通常、接合部の変形が増大するに従って亀裂生長率が減少することが認められ、亀裂生長率は一般的に、「接合強度」（主に超音波出力、接合荷重）を増大することで達成される。接合部の変形の増大は、接合の耐用年限、すなわち信頼性の点で有利であるが、これは一般に、ヒール部に発生する損傷のため、接合の引張強度を弱めることによって得られる。
【００１１】
熱サイクル下におけるワイヤ又はリボン接合の耐用年限は、亀裂生長率と、亀裂が圧着はがれまで成長する距離、すなわち亀裂が接合領域の中間部のどこかで交わるのに必要な距離とに依存する。その結果、接合の耐用年限、したがってその信頼性は、亀裂が広がるのに必要な距離を増大させることによって、又は接合長さを増大することによって、及び／又は、亀裂生長率を減少させることによって高めることができる。すなわち、接合の内部に向かって強く接合された領域を増大させること、及び／又は、その接合強度を増加させることによって高めることができる。後者２つの改良要素は、表面を撹乱させるために十分／大きな変形をもってより大きな面積を生み出すことを必要とし、そしておそらくプロセス・パラメータ（荷重及び出力）を大幅に増大させる必要はなく、また、リボンの形状（すなわち、リボン断面のアスペクト比）を大幅に変更する必要はなく、すなわちリボンを大幅に変形する必要はない。
【００１２】
従って、超音波接合のためにボンディングツール及びボンディングプロセスの改良が必要であり、これらが上述したような従来技術の欠陥を克服する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によると、超音波接合する方法は、リボン（又はワイヤ）の特定の領域だけへ第１の接合荷重及び超音波震動を適用し、素早く変形させこれら押し下げられた領域に接合点を創り出すことを含んでいる。そして接合は、リボン内に更にツールを押し込み又は駆動することによって継続され、凹部間の領域を含むリボン全域が変形し、リボン接合領域の全体に渡る接合を形成する。結果として、凹部領域における高強度で接合された領域、及び前記凹部間の可能な限り軽い強度で接合された領域を有する接合がなされる。更に、より強い接合領域が接合全体に均等に分配される。
【００１４】
一実施形態では、本発明のプロセスにおいて使用するボンディングツールは、格子状パターンを有しており、ツールの端部は長い突起（又は、歯）のパターンを含み、歯の間の領域（すなわち溝）は比較的広い。例えば、歯幅の溝幅に対する比率は１．０未満である。
【００１５】
一実施形態では、ツール端部の構造は、歯の下にあるリボンをおよそ１００μｍ若しくはそれ以下の厚さに変形させる（超音波震動を適用した後に）ために、歯がリボン材の内部に素早く入り込むことができるように設計する。これは、従来の接合ケースであるツール端部全体に広がるより弱い接合領域の代わりに、歯の下の高強度の接合点を創り出す。歯がツールの溝の深さより大きな距離だけ入り込んだ後、すなわち、リボンがツールの全表面積に接触した後、超音波出力及び荷重はツール端部の全面積に及ぶ。これは、接合領域を、初めに接合された点の間の空間へと広げる。しかし、より低い出力及び力密度のために、材料のより低いせん断流動が引き起こされ、これら領域における接合強度はより弱くあり得る。しかしながら、特に歯の間の領域にあるリボンが基板に直接接触しているならば、これは問題を引き起こさない。これら領域における局部的接合強度が非常に弱くても、それらが無傷の強く接合された凹部領域によって囲まれている限り、ジョイントはこれら領域において薄い層に裂けることはない。
【００１６】
したがって、本発明の効果は、従来のツール（特定のボンダシステムの荷重／出力の制約下にある）で可能なよりも更に強く、したがって熱サイクル下においてより信頼性のある接合を形成すること、等しい長さ及び幅であるが、超音波出力及び接合荷重に関して実際に同じパラメタ、すなわちリボン厚さに比例するよりもはるかに小さく増大するパラメタで、異なる（リボン）厚さの接合を形成すること、より大きな接合を形成すること、特により長い接合を形成することを含んでいる。換言すれば、本発明は、（１）より高い信頼性（熱及び出力サイクル下における）の接合、（２）リボン厚さに対する接合パラメタの依存性の大幅な減少、したがってより厚いリボンへの規模拡大、（３）より広いプロセスウィンドウ、（４）より大きいツール端部寸法からより大きい接触領域、（５）複数の隣接する接合（「連続した接合」）からより大きい接触領域、を達成することを可能とする。
【００１７】
他の実施形態によると、超音波接合はリボンに形成され、接合はリボンの全幅に及ばない。一実施形態では、接合の形状は円形であり、他の実施形態では、接合の形状は正方形である。３ｍｍなどのより幅の広いリボンを用い、有効な接合を内部部分に１．５ｍｍや２ｍｍなど作ることができる。制限された接合荷重及び出力要件下において、リボンの全幅を接合しないことは有利である。一次的には、リボンに沿う、そしてリボンに垂線な接合内の亀裂の成長率は同じである。したがって、矩形の接合の代わりに正方形又は円形の接合を行うことが、接合長さが空間的制限によって影響されない適用場面においてより最適化されたものであろう。リボンの全幅を接合しないことは、性能又は信頼性のいずれの観点からも不都合又は問題を引き起こすものではない。その結果、より大きなリボン断面に渡って大電流を流すのを可能とするのに十分大きな接触領域である限り、更に幅広のリボンを部分的に接合することも可能である。また、この方法は、全幅に渡って接合されると平面性に関する問題を引き起こすような幅広のリボンを使用し、接合することも可能にする。
【００１８】
本発明は添付した図面を参照して説明する以下の詳細な説明によってより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
異なる図面において使用される同一又は類似の符号番号は、同一又は同様の要素を示している。本発明の一態様によると、超音波接合用のボンディングツールは、従来の格子状のツールと比べ、より深い溝と、より狭い又はより薄い歯又は突起を有する接合端部を含んでいる。図５は一実施形態によるボンディングツール５００の底面図である。ボンディングツール５００は複数の歯又は突起５０２と、歯５０２の間の複数の溝５０４とを含んでいる。一実施形態では、溝５０４の深さ（又は、歯５０２の長さ）はおよそ１００μｍ強であり、歯５０２の幅はおよそ１００μｍである。以下により詳細に説明するように、これは、接合ツールがリボンの残存部分に接触する前に接合インタフェースのより近くに歯を運ぶことによって、より効果的なリボンボンディングを可能とする。図６に示すような従来の格子状ボンディングツールは、より浅い溝（又は、より短い歯）（例えば、４５μｍ）と、より大きい歯（例えば、１３０μｍ）を有している。したがって、本発明の典型的なボンディングツールは、従来の格子パターンの２倍以上の長さの歯を有し、ツールとリボンとの間の初期接触領域はより小さい。
【００２０】
図７Ａ及び７Ｂは、図５に示すような接合ツール７００を使用する本発明のボンディングプロセスにおける２つの段階を示している。２００３年５月２日に出願され、共有となった米国特許出願番号１０／４２９，１２８号、発明の名称：「リボンボンディング」（参照することにより全体が取り込まれる）に開示されるように、第１の段階では、図７Ａに示すように、ボンディングツール７００は、導電性リボン７０２に接触すべく移動される。リボン７０２は接合インタフェース７０６においてその下方のコンタクト７０４に接合される。歯７０８は最初にリボン７０２に接触し、そこで超音波震動及び接合荷重の両方が適用される。ボンディングツール７００は、リボンの歯７０８の下方部分が変形するように、リボン７０２内へ押し下げ続ける。歯７０８は従来の歯より薄いため、リボンはより小さなエネルギ及び荷重でもって急速に変形され得る。第２段階では図７Ｂに示すように、接合ツール７００がリボン７０２内へと押し下げ続けるので、溝７１２の底部７１０はリボン７０２と接触し、ツールが更にリボン内へと降ろされるのに従い、これら部分を変形させる。第２段階の終わりには、リボンの歯及び溝底部双方の下方の変形した部分が接合され、歯と歯の外周縁に沿った領域との下方部分は、溝底部の下方部分よりもより高強度に接合される。
【００２１】
したがって、第一段階では、リボン７０２への貫入深さｄinは、溝７１２の深さｄgrooveよりも小さく、リボン７０２の厚さｄribbonよりも小さい。この段階では、接合荷重及び超音波震動は「歯」領域に集結され、大きな変形及び接合圧を引き起こし、接合点における高強度で迅速な構成をもたらす。歯によって引き起こされた変形は歯の領域に制限されず、溝の領域に波及することに注意されたい。したがって、歯の領域と歯の領域から外側へ広がる領域との下の領域は、より高い強度をもった接合を内部に形成する。図７Ｂに示す第２段階の間、貫入深さｄinは、溝の深さｄgrooveよりも大きく、しかし、リボンの厚さｄribbonよりも小さい。接合荷重は今や、ツール端部領域全体に分配され、高い接合強度をもつ地点間の空間も接合される。しかしながら、変形又はリボンへの溝底部の貫入が小さいので、これら接合領域は歯の下方の接合領域よりも低い強度を有しているかもしれない。
【００２２】
その結果、歯７０８の長さ（又は、ツール端部における溝７１２の深さ）は完全な接合用に選択されており、歯７０８の底部は、リボンの初期の厚さにかかわらず、図７中にｄfinalで示すように接合インタフェース７０６に非常に近くにある。一実施形態では、ｄfinalは１００μｍ以下（例えば、５０μｍ）である。これは、ツールと接合面との間のリボン材の局部的な厚さを最小化している。更に、溝７１２の底部がリボン内に入り込む距離は小さく、例えば、２５〜５０μｍである。リボン（又は、ワイヤ）が薄ければ薄いほど、規定強度（例えば、面積当たりのせん断力として表される）の接合を形成するのに必要な超音波出力及び接合荷重は低い。より薄いアルミニウム層を柔軟にするのに必要な超音波エネルギ（振動振幅）はより少なく、リボンを所望の度合いに変形させるのに必要な荷重は小さい。
【００２３】
変形はｄin、すなわちツールがリボン内へ沈み込む深さ又は距離に等しい。新しいツールデザインにとって、これは主に局部的で、垂直な変形であり、その変形はリボンの全断面を大きく変形させるものではない。これは「良好」な変形であり、これが、リボンに損傷を与えることなく、局部的ながら強い接合を創り出す。我々はこの変形を局部変形と称呼する。プロセスの観点から、図２及び図１０に示すような（接合）時間に応じたツールの高さの変化を記録するセンサを備えた装置で通常測定されるのがこの変形である。ツールがリボン内に距離ｄ＞ｄgrooveだけ沈んだとき、リボンの全断面は垂直に大きく変形するだけでなく、水平にも大きく変形し、断面のアスペクトレシオが変化する。この変形は（ｄin−ｄgroove）と等しい（図７Ｂ参照）。これは全体的な変形を引き起こし、リボン接合部分の全厚を減少させる。垂直変形は、接合のヒール部分へ損傷を与えるため、不利である。またこれは水平な変形を引き起こす。水平な変形とはリボンに沿ったもの、及び接合側面への潰れの形である。この全体的な変形は、「不良」な変形であり、最小量に抑えるべきである。したがって、ここに使用し定義するように、局部変形は凹部にあり、全体的な変形はリボンの接合部全体での変形である。
【００２４】
図８Ａ及び図８Ｂは、接合位置に応じ、力と材料のせん断流動とをそれぞれ示すグラフである。図８Ａは、曲線８０２において、第一段階、すなわちｄin＜ｄgrooveであるときの荷重の分布を示している。溝部分がまだリボンを変形させ始めていないため、予想されるように、力は歯７０８に対応する部分で最も大きく、溝７１２に対応する部分で最も低い。曲線８０４は、第２段階、すなわちｄin＞ｄgrooveでの荷重の分布を示している。ここで、荷重はリボン全体で概ね同じくらいであり、歯部分及び溝部分の双方がリボンに接触し、リボンを変形させている。図８Ｂは、曲線８０６においてｄin＜ｄgrooveである第一段階における材料のせん断流動を、曲線８０８においてｄ＞ｄgrooveであるときの第２段階間における材料のせん断流動を示している。
【００２５】
図９Ａ−９Ｄは、本発明の一実施形態による超音波接合を用いたリボン接合の異なる段階を示している。図９Ａでは、接合領域９００の部分の平面図が示されている。第一段階における時間ｔ１のときに、格子状ツールは接合荷重及び超音波エネルギの両方をもってリボンとの接触へ至る。接合ツールの歯は、最初にリボンに接触して変形させ、分離した接合点９０２を接合領域９００に創り出す。接合ツールが更に時間ｔ２においてリボン内に押し下げられるとき（図９Ｂ参照）、リボンは更に変形され、ツールの歯の下の分離した接合点９０４は大きく（直径が大きく）なる。図９Ｃの時間ｔ３では、溝底部がリボンに接触し始め、歯の下の分離した接合点９０６は最大寸法に達する。したがって、時間ｔ３では、ボンディングツールの溝はリボンで「満たされる」。図９Ｄに示す時間ｔ４は、溝底部の一部がリボン内に短い距離だけ進入し、溝の下方の領域を軽く接合する第２段階を表している。そして、時間ｔ４では、強い接合９０８が歯と周縁に対応して形成され、より弱い接合９１０が溝に対応して形成される。
【００２６】
図１０は、時間に応じたせん断強度１０００と残存厚さ１００２とを示すグラフである。ここで残存厚さは、初期厚さマイナス変形と定義する。４つの時間点は、図９Ａ〜図９Ｄに示す段階における接合をそれぞれ表している。図１０を図２と比べると、本発明が歯の下で大きな変形と接合圧を促進するのが見て取れ、その結果、従来の接合（図２参照）と比べて高い強度をもつ接合点が迅速に形成されている。
【００２７】
図９Ｄに戻って参照すると、亀裂が、両方向に強く接合された領域９０８を通ってより長い距離を横切る必要があるため、このような接合の信頼性又は強度はより良くなる。これは、より長い端部を備え、及び／又は、いく列もの歯を有しているツールに特に顕著である。より低い接合強度をもつ領域、すなわち部分９１０は、軽く接合された領域の周りにある強い接合点が無傷である限り、破損しないであろう。したがって、このような接合の全体的な耐用年限は延長される。
【００２８】
その上、本発明の接合の退行率は従来の接合より小さい。図１１Ａ及び図１１Ｂはそれぞれ、図９Ｄと同様の完成した接合の平面図及び、Ａ−Ａ断面線に沿った側面図である。ＬＢは接合長さであり、ＬＳは強く接合された部分１１０２の直径である。軽く接合された部分１１０４は強く接合された部分１１０２の間に現れている。亀裂１１０６は図１１Ｂに示されている。従来の接合については上述したように、強く接合された部分は接合周縁のみであるため、亀裂はすばやく成長し、リボンの完全な剥がれを引き起こす。しかしながら、本発明では、図１１Ａに示すように周縁に沿って多数の内部部分が強く接合されている。これはより信頼できる接合をもたらす。
【００２９】
図１２は、本発明の接合における熱サイクル数に応じた引張力の測定値を示すグラフである。従来の接合を示す図４のグラフと図１２とを比較することができる。第１局面１２０２の間、ヒール部における接合強度はゆっくり退行し始める。これは従来の接合性能（図４）と同様である。第２の局面１２０４の間、退行は増加し、接合インタフェースがヒール部より迅速に退行するため、引張試験の損傷はヒール部破損から圧着はがれに変化する。ここで、強い接合が周縁と内部部分の両方にあるため、退行率１２０４の持続時間は従来の接合（図４の退行率４２と比較）より長い。亀裂が接合の中心に近くなればなるほど、アルミニウムリボンと基板との間の熱差によってもたらされる局部応力はより低くなる。中央領域でも強い接合の高強度と共に、これは亀裂の成長を減速させ、退行率１２０６を減少させる。したがって、周縁及び歯の部分の両方に対応するインタフェースにおける強い接合は、全体的な退行率を減少させると共に、接合の耐用年限（すなわち接合の信頼性）を増大させる。
【００３０】
一実施形態では、幅１．５ｍｍ及び２ｍｍのリボンを接合するのに、ボンディングツール端部の長さはおよそ５００〜８７５μｍである。より細いリボンに対しては、ツール端部の長さはより短くてもよい。しかしながら、与えられた超音波システムによっては、より大きい接触領域と、より長い耐用年限の接合とを創り出すために、より長い端部長さを選択してもよい。歯の断面は、貫入深さに依存し、一実施形態ではおよそ０．０１ｍｍ２である。ある実施形態では、歯は先細りする断面を有し、他の実施形態では、歯は一定の断面を有している。歯の長さはリボンの厚さに依存し、リボンが厚ければ厚いほど、歯は長くなる。一実施形態では、歯の長さはリボンの厚さより短くおよそ７５〜１５０μｍである。これは、接合インタフェースからおよそ５０〜１００μｍ内までへの迅速な変形を可能とし、「間隙を満たす」ために溝の貫入が２５〜５０μｍである。
【００３１】
特定のリボン厚さに調整された歯の長さでもって、高い結合強度をもつ接合点をリボン厚さからいくらか独立して創り出することもできる。これは、より厚いリボンに対し、リボン厚さに比例するプロセス・パラメータ（例えば、荷重及び超音波出力）を増加させる必要がなく、また、厚さの増加と共にリボンの全体的な変形を増加させる必要がなく、強い信頼性のある接合を創り出し、特定の接合強度と信頼性を得ることを可能にする。歯の領域は全接合端部領域のわずかな部分にすぎないため、本発明のツールデザインは、より低いプロセス・パラメータで強い信頼性のある接合を創り出すか、又は、与えられた超音波システムの（荷重及び出力）制限下において、標準的なツールでは不可能な、より大きく、特に長い接合領域を創り出すことを可能とする。
【００３２】
本発明の他の効果は、強い信頼できる接合を得るために必要な接合の全体的変形（すなわち、大きな水平変形（すなわち、耳又はスカッシュ横への変形）を引き起こすことなく、歯の下及び周囲の局部領域における、より垂直な変形）が制限されていることである。これはヒール部への損傷を減少させ、相互接続するこの部分を初期により強くする。したがって、特に熱サイクル又は出力サイクルよりもヒール部にとって厳しい負荷条件のもとで、より長い耐久性が得られる。
【００３３】
接合の水平変形の制限はまた、互いに近い複数の接合を行い、図１３に示すような「連続接合」を創り出すことを可能にする。図１３は、３つの接合１３０４，１３０６及び１３０８を用いて下方の表面１３０２に接合されたリボン１３００の側面図である。各接合は、本発明を一連の３つの連続した接合ステップに使用することで形成される。換言すれば、接合ツールは、３つの接合を形成するために、接合荷重と超音波出力とをもって独立して３回、リボン１３００にボンディングされる。これは、接合ツール端部の長さの制限にかかわらず、大きく、明らかに長い接合領域を創り出すのに有効である。大きな接触領域は、ＭＯＳＦＥＴのメタライゼーションにおける広がり抵抗を抑えるために重要であり、これらのオン状態抵抗を最小にする。ツール端部の長さは例えば、個別のパワーパッケージのt-postにおける可能な空間、及び／又は、使用するシステムの出力及び荷重性能によって、通常制限されるので、これは大きな接合領域を創り出すために非常にフレキシブルな代替手段を提供する。したがって、矩形をした接合領域が要求される多くの適用において、側部、前部、及び後部からの亀裂を等しい移動距離とするためには、正方形の（理想的には円形の）接合領域が信頼性の点で最適である。したがって、本発明は、大きな接合を創り出すために複数（２又はそれ以上）の接合が連続して形成されることを許容する。従来のツールによる従来のボンディングは、前に接合された隣接する接合に損傷を与えるか、又は当該接合に干渉する大きな水平方向の崩壊／変形を引き起こすため、従来のツールではこれは不可能である。
【００３４】
強い接合点の他の効果は、強く接合された領域における亀裂位置に関連する。このような亀裂がリボン内部で成長すると、ダイメタライゼーション上の残留物がメタライゼーション厚さの増大のように働く。（シリコンの）ダイメタライゼーションにおいては、残留物の厚さが初期のダイメタライゼーション層（例えば、３〜５μｍ）よりも通常数倍厚いので、これは電気的なシート／広がり抵抗を低く保っている。そのため、接合の外側領域の亀裂が存在して追加した断面は縮小されるが、このような接合の電気機能性は耐用年限の後局面では著しく退行することはなく、このような部分的に亀裂の入った状態において接合の耐用年限を延長することは有益である。このように、強く接合された内部部分は電気機能性を維持し、したがって、従来のように形成された接合よりも長い期間、接合の有用性を維持する。
【００３５】
その結果、要約すれば、ここに詳説した超音波接合のツール及びプロセスは、多くの効果を提供する。形成された接合は全体的な接合の変形を減少させ（プロセスの最終局面の間）、平坦又はほとんど平坦なツール端部を備えたツールでのボンディングと比べて、ヒール部への損傷を減少させる。その結果、主として接合のヒール領域に応力を加える条件（第１及び第２の接合の機械的な相対運動、例えば、２つの接合が異なる基板上にあるとき、又は２つの接合に関連してループを動かす振動にあるとき）のもとで、より高い引張強度及び改良された信頼性が得られる。他の効果は接合の延長した耐用年限である。周縁の強度は、標準のツールで創り出された接合と比べて（あまり）減少しない。しかしながら、内面領域ははるかに強く、接合の強度の低下と接合領域の減少を接合の耐用年限の後期段階において著しく減少させる。
【００３６】
更に、重要なボンディングは常に似たような条件下（より強力なシステムを必要とせずにより厚いリボンへ拡大する状況）において行われるので、接合プロセスはリボンの厚さに対しより耐性がある。そのため、（特定のボンダシステムの荷重／出力規制の下で）より大きい又はより長い接合端部を備えたツールを使用してもよく、これにより（より強力なシステムを必要とせずにより大きな接合へ拡大する）相互接続の耐用年限／信頼性が増大される。リボンに沿う方向の接合内の亀裂（すなわち接合のより小さな寸法）が、より長い成長経路を有するので、より長い接合（すなわちより小さなアスペクト比（幅／長さ）をもつ接合）は、より長い耐用年限を有することになる。
【００３７】
本発明はまた、より広いプロセスウィンドウを可能とする。信頼できる固着をもった全体的な強い接合は、より低い接合パラメタで創り出される。これは特にリードフレームベースの適用において、デバイスの固定に対する耐性を高めることができる。複数の接合を十分近くに行うことにより、大きな連続した接合領域を形成することが可能となる。
【００３８】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の他の実施形態による完成した接合の平面図である。図９Ｄ及び図１１Ａの接合と対照的に、図１４Ａ及び図１４Ｂの接合は、リボンの幅に沿って完全に接合されるわけではない。上記実施形態では、接合は１に近いアスペクト比をもった長いものであり、これにより亀裂は接合に沿ってより長い距離の移動をしなければならなくなる。その結果、接合はより信頼性が高い。しかしながら、接合荷重及び出力が制限されている状況があり、これは全幅に沿って接合されたより長い接合を形成することを容易に排除する。したがって、短く幅広の接合を形成するために、制限された接合荷重と出力とを用いる代わりに、長くより細い接合を形成すればよい。接合が破損する前に亀裂がより長い距離を進む必要があるため、長く細い接合は短く広い接合よりも信頼性が高い。したがって、より広いリボンに、幅に沿った部分的な接合が望ましい。図１４Ａでは、接合１４００は概ね円形であるが、図１４Ｂでは、接合１４０２は概ね正方形である。接合荷重及び出力がリボンの全幅に沿う接合に使用されない限り、他の形も適当である。一実施形態では、接合１４００及び１４０２は、幅が２ｍｍ以上、例えば３ｍｍのリボン１４０４に形成される。そこで、例として、幅３ｍｍのリボンに関し、３ｍｍ完全に接合するものの代わりに内側の１．５ｍｍだけを接合する。このような接合の長さは１．５ｍｍなどの１ｍｍ以上であればよく、長さは利用可能なボンディング出力及び荷重に依存する。この実施形態の部分的な接合、すなわちリボン幅より小さな幅を有する接合は、本発明のツール又は他の従来の接合ツールで作成されてもよい。
【００３９】
上述した本発明の実施形態は単に実例を意図するものであって、いかなる制限をなすものではない。そのため、より広い態様において本発明から逸脱することなく、様々な変更及び改良がなされることは当業者に明らかであろう。例えば、導電性リボンの超音波接合は上に詳細に説明されている。しかしながら、大きなワイヤなど、他の種類のボンディング材が使用されてもよい。したがって、添付された特許請求の範囲は本発明の真の精神及び思想の範囲に含まれるすべての変更及び改良を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】従来の超音波接合を使用するリボン接合の一段階おける平面図である。
【図１Ｂ】従来の超音波接合を使用するリボン接合の一段階おける平面図である。
【図１Ｃ】従来の超音波接合を使用するリボン接合の一段階おける平面図である。
【図１Ｄ】従来の超音波接合を使用するリボン接合の一段階おける平面図である。
【図２】図１の接合時間に応じたせん断強度とリボン部分の残存厚さとを示すグラフである。
【図３Ａ】完成した従来のリボン接合の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａ中のＡ−Ａ断面に沿った接合の側面図である。
【図４】熱サイクル数に応じた引張力の測定値を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるボンディングツールの底面図である。
【図６】従来のボンディングツールの底面図である。
【図７Ａ】図５に示すようなボンディングツールと導電性リボンとを使用する一実施形態による本発明のボンディングプロセスにおける一段階の側面図である。
【図７Ｂ】図５に示すようなボンディングツールと導電性リボンとを使用する一実施形態による本発明のボンディングプロセスにおける一段階の側面図である。
【図８Ａ】図７の接合における接合位置に応じた力を示すグラフである。
【図８Ｂ】図７の接合における接合位置に応じた素材のせん断流動を示すグラフである。
【図９Ａ】本発明の一実施形態による超音波接合を用いたリボン接合の一段階における（例えば、リボンの接合部分をせん断させた後に見られる）平面図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態による超音波接合を用いたリボン接合（の一段階における例えば、リボンの接合部分をせん断させた後に見られる）平面図である。
【図９Ｃ】本発明の一実施形態による超音波接合を用いたリボン接合の一段階における（例えば、リボンの接合部分をせん断させた後に見られる）平面図である。
【図９Ｄ】本発明の一実施形態による超音波接合を用いたリボン接合の一段階における（例えば、リボンの接合部分をせん断させた後に見られる）平面図である。
【図１０】時間に応じたせん断強度と残存厚さとを示すグラフである。
【図１１Ａ】一実施形態による完成した接合を示す平面図である。
【図１１Ｂ】一実施形態による完成した接合について、Ａ−Ａ断面に沿って示す側面図である。
【図１２】本発明の接合において熱サイクル数に応じた引張力の測定値を示すグラフである。
【図１３】３つの隣接する接合を用いて接合されたリボンの側面である。
【図１４Ａ】本発明の他の実施形態による接合の平面図である。
【図１４Ｂ】本発明の他の実施形態による接合の平面図である。
【図１Ａ】
2008529303.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2008529303.tif 000017
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
2008529303.tif 000019
【図９Ｄ】
2008529303.tif 000020
【図１０】
2008529303.tif 000021
【図１１Ａ】
2008529303.tif 000022
【図１１Ｂ】
2008529303.tif 000023
【図１２】
2008529303.tif 000024
【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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2008529303.tif 000029
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