(57)【要約】超微細ピッチをもつ接合用パッドに細いワイヤーを結線するためのボンディング工具が開示されている。上記ボンディング工具はその端に作業先端部を備える。上記作業先端部は環状斜角面を含み、その環状斜角面は上記作業先端部の上記端の内部に形成され、その内部の上記環状斜角面は約６０°未満の角度をもつ。上記内部の上記環状斜角面は、ボンディング工具内に形成された円筒管の下部に結合されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤーを回路基板へ結線するボンディング工具であって、
上記ボンディング工具の端にある作業先端部であって、上記作業先端部の端の内部に形成される内部環状斜角面を備え、上記内部環状斜角面が６０度以下の角度をもつ作業先端部；および
上記内部環状斜角面の上端に結合された実質的に円筒状の管
を備えたボンディング工具。
【請求項２】
上記内部環状斜角面が約３０°および６０°の間の角度をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項３】
上記内部環状斜角面が約４０°の角度をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項４】
上記作業先端部が上記ワイヤーおよび上記回路基板上の接合用パッドの間に、少なくとも８２％の金属間結線被覆率をもつ結線を形成する請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項５】
上記作業先端部が上記ワイヤーおよび上記回路基板上の接合用パッドに間に、少なくとも９０％の金属間結線被覆率をもつ結線を形成する請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項６】
上記ワイヤーおよび接合用パッドの間の上記結線が少なくとも約５．５ｇｒａｍｓ／ｍｉｌｓ2の剪断強度をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項７】
上記作業先端部が上記ワイヤーを接合用パッドへ結線するように構成され、隣接する接合用パッドの間のピッチが３５μｍであり、上記ワイヤーが約１５μｍから１６．５μｍの範囲の直径をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項８】
上記作業先端部が上記ワイヤーを接合用パッドへ結線するように構成され、隣接する接合用パッドの間のピッチが４０μｍであり、上記ワイヤーが約１７．５μｍから１９μｍの範囲の直径をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項９】
上記作業先端部が上記ワイヤーを接合用パッドへ結線するように構成され、隣接する接合用パッドの間のピッチが４５μｍであり、上記ワイヤーが約１９μｍから２０μｍの範囲の直径をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項１０】
上記作業先端部が上記ワイヤーを接合用パッドへ結線するように構成され、隣接する接合用パッドの間のピッチが５０μｍであり、上記ワイヤーが約２０μｍから２３μｍの範囲の直径をもつ請求項１に記載のボンディング工具。
【請求項１１】
ワイヤーを回路基板へ結線するボンディング工具であって、
上記ボンディング工具の端にある作業先端部であって、上記作業先端部の端の内部に形成されて、所定の角度をもつ内部環状斜角面を備える作業先端部；および
上記内部環状斜角面の上端に結合された実質的に円筒状の管
を備え、
上記内部環状斜角面が
ＦＬ＝（ＣＤ−Ｈ）／２＊ＴＡＮ（ＩＣＡ／２）
の長さをもち、ここでＣＤは上記内部環状斜角面の下部の直径、Ｈは上記管の直径、ＩＣＡは上記内部環状斜角面の上記角度である
ボンディング工具。
【請求項１２】
上記ワイヤーが、上記作業先端部により形成されて、製造体積ＶFABをもち、上記製造体積ＶFABは首部の体積ＶN、内部斜角面の体積ＶICおよび押しつぶし部の体積ＶSを含み、
ＶICはＶFABの約４０％から５０％の間であり、
ＶFAB＝ＶN＋ＶIC＋ＶS
である
請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１３】
上記内部環状斜角面が６０°未満の角度をもつ請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１４】
上記内部環状斜角面が約３０°および６０°の間の角度をもつ請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１５】
外部環状斜角面が約１０°および１２°の間のフェイス角をもつ請求項１４に記載のボンディング工具。
【請求項１６】
上記内部環状斜角面が約４０°の角度をもつ請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１７】
上記管の直径が約１０ミクロンおよび３０ミクロンの間である請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１８】
上記作業先端部がさらにテーパー部を備え、そのテーパー部が約２３０ミクロン未満の長さをもつ請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項１９】
上記テーパー部が約８０ミクロン未満の外径をもつ請求項１８に記載のボンディング工具。
【請求項２０】
上記テーパー部の角度が１０°未満である請求項１８に記載のボンディング工具。
【請求項２１】
上記テーパー部の角度が約７°から１０°である請求項１８に記載のボンディング工具。
【請求項２２】
（ｉ）約０．１５重量％から０．３５重量％の間のアルミナ、（ii）約４．９５重量％から５．３５重量％の間のイットリア、（iii）約９４．３重量％から９４．９重量％の間のジルコニア、を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２３】
（ｉ）約１８重量％から２２重量％の間のアルミナ、（ii）約３．６重量％から４．２重量％の間のイットリア、（iii）約７３．８重量％から７８．４重量％の間のジルコニア、を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２４】
（ｉ）約７５重量％のアルミナ、（ii）約１．３６重量％のイットリア、（iii）約２３．６４重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２５】
（ｉ）約９１．６４重量％のアルミナ、（ii）約０．４５重量％のイットリア、（iii）約７．９１重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２６】
（ｉ）約８３．５重量％のアルミナ、（ii）約０．８１重量％のイットリア、（iii）約１５．６重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２７】
約９５重量％のＺｒＯ2および約５重量％のＹ2Ｏ3を含む材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項２８】
上記材料が少なくとも１３５０℃の温度で焼結される請求項２２から請求項２７のいずれか１つに記載のボンディング工具。
【請求項２９】
一体化された材料から形成される請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項３０】
作業先端部が上記回路基板上で上記ワイヤーおよび接合用パッドの間の結線を形成し、上記結線は少なくとも８２％の金属間結線被覆率をもつ請求項１１に記載のボンディング工具。
【請求項３１】
ワイヤーを回路基板へ結線するボンディング工具であって、
直径をもった円筒部；
上記円筒部の端に結合され、上記円筒部の長手方向の軸に対し第１の所定の角度をもつ第１のテーパー部；および
上記第１のテーパー部の端に結合された第２のテーパー部
を備え、
ここで上記第２のテーパー部が
（ｉ）約７０ミクロンおよび２３０ミクロンの間の長さ、
（ii）上記円筒部の長手方向の軸に対して約７°から１０°の間の角度、
（iii）上記第２のテーパー部の内部に、上記内部のテーパー部の端に隣接して形成され、約６０°未満の角度をもつ内部環状斜角面
をもつ
ボンディング工具。
【請求項３２】
上記ワイヤーが、上記作業先端部により形成されて、製造体積ＶFABをもち、上記製造体積ＶFABは首部の体積ＶN、内部斜角面の体積ＶICおよび押しつぶし部の体積ＶSを含み、
ＶICはＶFABの約４０％から５０％の間であり、
ＶFAB＝ＶN＋ＶIC＋ＶS
である
請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３３】
上記作業先端部が上記回路基板上で上記ワイヤーおよび接合用パッドの間の結線を形成し、上記結線は少なくとも８２％の金属間結線被覆率をもつ請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３４】
（ｉ）約０．１５重量％から０．３５重量％の間のアルミナ、（ii）約４．９５重量％から５．３５重量％の間のイットリア、（iii）約９４．３重量％から９４．９重量％の間のジルコニア、を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３５】
（ｉ）約１８重量％から２２重量％の間のアルミナ、（ii）約３．６重量％から４．２重量％の間のイットリア、（iii）約７３．８重量％から７８．４重量％の間のジルコニア、を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３６】
（ｉ）約７５重量％のアルミナ、（ii）約１．３６重量％のイットリア、（iii）約２３．６４重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３７】
（ｉ）約９１．６４重量％のアルミナ、（ii）約０．４５重量％のイットリア、（iii）約７．９１重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３８】
（ｉ）約８３．５重量％のアルミナ、（ii）約０．８１重量％のイットリア、（iii）約１５．６重量％のジルコニア、を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項３９】
約９５重量％のＺｒＯ2および約５重量％のＹ2Ｏ3を含む材料から形成される請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項４０】
上記内部環状斜角面が約３０°および６０°の間の角度をもつ請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項４１】
上記内部環状斜角面が約４０°の角度をもつ請求項３１に記載のボンディング工具。
【請求項４２】
ワイヤーを接合用パッドに結線するためのボンディング工具を製造する方法であって、
上記ボンディング工具の端に作業先端部を形成し；
上記作業先端部の端に作業フェイスを形成し；
上記作業先端部の上記端の内部に６０°未満の角度をもつ内部環状斜角面を形成し；
第２の環状斜角面の上端に実質的に円筒状の管を形成する方法。
【請求項４３】
ワイヤーを接合用パッドに結線するためのボンディング工具を製造する方法であって、
上記ボンディング工具の端に作業先端部を形成し；
上記作業先端部の端に作業フェイスを形成し；
上記作業先端部の上記端の内部に約４０°の角度をもつ内部環状斜角面を形成し；
第２の環状斜角面の上端に実質的に円筒状の管を形成する方法。
【請求項４４】
作業先端部をもつボンディング工具を使用して、結線用ワイヤーで接合用パッドに対しワイヤーボンドを形成する方法であって、
上記結線用ワイヤーを溶融して、上記作業先端部の端に隣接するボンディング球を生成し；
上記接合用パッドに対して、上記作業先端部でボンディング球を押し；
製造体積ＶFABをもつボンディング球を形成し、
ここに、上記製造体積ＶFABは首部の体積ＶN、内部斜角面の体積ＶICおよび押しつぶし部の体積ＶSを含み、
ＶICはＶFABの約４０％から５０％の間であり、
ＶFAB＝ＶN＋ＶIC＋ＶS
である方法。
【請求項４５】
上記作業先端部が上記ワイヤーおよび接合用パッドの間に、少なくとも８２％の金属間結線被覆率をもつ結線を形成し請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に半導体デバイスへのワイヤーの結線の際に使用するための工具に、さらに特定すると、細いワイヤーを非常に微細なピッチで配置される接合用パッドに結線するためのボンディング工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の電子装置はプリント基板に非常に依存していて、そのプリント基板上には半導体チップ、または集積回路（ＩＣ）が取り付けられている。チップと回路基板の間の機械的および電気的接続はチップの設計者に課題を課してきた。上記ＩＣを上記回路基板へ相互接続する３つの既知の技術はワイヤー・ボンディング、テープによる自動ボンディング（ＴＡＢ）およびフリップ・チップである。
【０００３】
これらの処理の中で最も一般的なのはワイヤー・ボンディングである。ワイヤー・ボンディングでは、複数の接合用パッドが上記回路基板の上面のパターンに位置され、複数の接合用パッドの上記パターンの中央にチップが取り付けられ、上記チップの上面は上記回路基板の上記上面に面しない。細いワイヤー（アルミまたは金のワイヤー）は上記チップの上記上面の接点および上記回路基板の上記上面の接点の間で接続されている。特に、上記接続用ワイヤーは、キャピラリを通して上記チップおよび上記回路基板へ供給されて、結線される。キャピラリとはボンディング工具であって以下でさらに説明する。
【０００４】
キャピラリ（ボンディング工具）は上記ワイヤーを電子デバイスへ、特に半導体デバイスの接合用パッドへのボール・ボンディングのために使用される。そのようなキャピラリは一般的にセラミック材料、主に酸化アルミニウム、炭化タングステン、ルビー、ジルコン強化アルミ（ＺＴＡ）、アルミ強化ジルコン（ＡＴＺ）から形成される。とても細いワイヤー、一般的に約１ミルのオーダーの金、銅またはアルミのワイヤーは、上記キャピラリ内の管を通り、上記ワイヤーの端に小さな球を形成し、その球は上記キャピラリの先端部の外部に配置される。初期の目的は、上記半導体デバイス上のパッドに球を結線することであり、次にさらに上記ワイヤーに沿ってその先で１つの部分をリードフレーム等へ結線することである。結線のサイクルの間、上記キャピラリは２以上の機能を実行する。
【０００５】
上記球が形成された後、上記キャピラリはまず上記球を、部分的に上記キャピラリの中で、目的の接合用パッドに向けて中央に位置させねばならない。第１の結線ステップにおいて、上記球は半導体デバイス上のパッドへ結線される。上記キャピラリが上記球を上記接合用パッド上へ接触させた時、上記球は押しつぶされ、押し延ばされる。上記接合用パッドは一般的にアルミからできているので、薄い酸化物が上記接合用パッドの表面上で生ずる。適切な結線を形成するため、上記酸化物の表面を破り、上記アルミの表面を露出させることが好ましい。酸化物を破る効果的な方法はワイヤー球で上記酸化物の表面を磨き上げることである。上記ワイヤー球は上記酸化アルミニウムの表面上に置かれ、上記キャピラリが取り付けられた超音波ホーン内に位置された圧電性素子の膨張収縮に基づいて、上記キャピラリが直線方向に急速に動く。上記接合用パッドを通して加えられた熱に加えて、この急速の動きは、上記ワイヤーと上記接合用パッドとの間の分子を移動させることにより、効果的な結線を形成する。
【０００６】
次に上記キャピラリは、ルーピングの間に上記ワイヤーを扱い、上記キャピラリから外へおよび上記キャピラリの中へ滑らかにボンド・ワイヤーを供給する。次に上記キャピラリは「ステッチ」ボンドおよび「タック」または「テイル」ボンドを形成する。
【０００７】
現在のところ、熱と超音波によるワイヤー・ボンディングは、半導体デバイスのそれらを支える回路基板への相互接続のための選択の工程である。上記熱と超音波によるワイヤー・ボンディング工程は、振動子から工具を経由して、半導体デバイスまたはそれを支える回路基板に溶接される上記球または上記ワイヤーへの超音波エネルギーの伝達に部分的に依存する。ここで、上記振動子は移動可能なボンドヘッドへ取り付けられ、また、上記工具は例えばキャピラリまたはウェッジである。
【０００８】
従来のキャピラリ（ボンディング工具）では、上記ボンディング工具およびそこに形成されるフリー・エアー・ボール(FAB)の外形は、上記ボンディング工具がワイヤーを６０ミクロン（０．０６０ｍｍ；１５．３４＊１０-4インチ）より広いパッド間隔（ピッチ）をもつ接合用パッドに結線するためだけに使用可能なようになっている。それ故、キャピラリは、半導体産業のより高密度への要求を満たすために製造されたデバイスへの結線用ワイヤーに適さなくしている。これらの従来技術のボンディング工具は、直径０．４ミル（１０ミクロン）の細さのワイヤーを使用してワイヤーボンドを扱うのにも適していない。本発明の発明者は、ボンディング工具の構造的完全性を維持しながら、これらの高密度デバイスに課された要件を満たすボンディング工具を開発した。
【０００９】
図１Ａは既知の従来技術の微細ピッチ・ボンディング工具１００を示す。ボンディング工具１００は円筒部１０１、および円筒部１０１と作業先端部１０４との間に連結されたテーパー部１０２をもつ。作業先端部１０４（ボンディング工具１００の端において）はボンディング工具１００の長軸に対し１５°の先端部角度をもつ。すなわち作業先端部１０４は３０°の角度１０６をもつ。円筒部１０１に対する作業先端部１０４の減少させた幅は、約０．００３２インチのピッチをもつ複数のパッド上に、複数のボール・ボンドを形成することを可能にする。これは特許文献１に記載のように、作業先端部１０４が結線されたワイヤーの隣接するループに接触せずに行われる。
【００１０】
図１Ｂは作業先端部１０４の拡大された断面図である。図１Ｂに示されているように、作業フェイス１１１は４°のフェイス角１０８をもち、テーパー部１０４は１０°の角度１１８をもつ。加えて作業フェイス１１１に隣接するのは第１の内部斜角面１１０であり、その第１の内部斜角面１１０は同様に第２の内部斜角面１１２に隣接する。第１の内部斜角面１１０は９０°の角度１１４をもち、第２の内部斜角面１１２と連結して連続し、その第２の内部斜角面１１２は６０°より大きい角度をもつ。これらの面は細いワイヤー（図には示されていない）をワイヤー・ホール１１６に案内するように設計されていて、そのワイヤー・ホール１１６は直径１０６をもち、約１ミルの直径をもつワイヤーを通すことができる。
【特許文献１】米国特許第５，５５８，２７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来技術のボンディング工具は、半導体製造業者によりこの産業に課題として出された超微細ピッチ（３０ミクロン以下）の接合用パッド要件を満たすことができないという点で、これらの従来技術のボンディング工具は不十分である。加えて、従来のボンディング工具は、超微細ピッチ用途では上記ボンディング工具により適切に送ることがあまりできない結線用ワイヤーの使用を必要とする。さらに、従来のボンディング工具は、上記ボンディング工具により形成されるボンディング球と上記接合用パッドとの間の高レベルの金属間被覆率を提供できない。またさらに、これらのボンディング工具は複数の材料からできているが、それらの材料は、半導体産業のニーズを満たすのに十分な作業先端部寸法をボンディング工具に提供するのに必要な力に耐えることができず、上記ボンディング工具に提供するのに必要な順応性要件を満たすことができない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従来のボンディング工具の上記の欠点を解決するために、本発明は上記ボンディング工具の端の作業先端部を備えるボンディング工具に関する。作業先端部は内部環状斜角面を含み、その内部環状斜角面は作業先端部の端の内部に形成され、上記内部環状斜角面は約６０°未満の角度をもち、実質的に円筒状の管が上記内部環状斜角面の上端に連結されている。
【００１３】
本発明のもう１つの面によれば、上記内部環状斜角面が約４０°および６０°の間の角度をもつ。
【００１４】
本発明の別の面によれば、上記内部環状斜角面は上記回路基板上で上記ワイヤーと接合用パッドの間に結線を形成し、上記回路基板は８２％より高い金属間結線被覆率をもつ。
【００１５】
本発明のもう１つの面によれば、上記ボンディング工具は約９５重量％のＺｒＯ2および約５重量％のＹ2Ｏ3を含む材料から形成される。
【００１６】
本発明の更にもう１つの面によれば、上記ワイヤーおよび接合用パッドの間の上記結線は少なくとも約５．５ｇｒａｍｓ／ｍｉｌｓ2の剪断強度をもつ。
【００１７】
本発明のまた別の面によれば。細いワイヤーは作業先端部により形成されて製造体積ＶFABをもち、上記製造体積は首部の体積ＶN、内部斜角面の体積ＶICおよび押しつぶし部の体積ＶSを含み、ＶICはＶFABの約４０％から５０％の間であり、ＶFAB＝ＶN＋ＶIC＋ＶSである。
【００１８】
本発明のこれらのおよび他の面は、本発明の図を参照し、本発明の典型的な実施の形態を記述して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図を参照して発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明において、ボンディング工具は第１の円筒部の長手方向の軸に対し所定の角度をもったテーパー部を含む作業先端部、ii）作業先端部の端の外部に形成された第１の環状斜角面を含む作業フェイス、iii）作業先端部の端の内部に形成された第２の環状斜角面をもつ。斜角面は面取り部である。上記第１の環状斜角面および上記第２の環状斜角面は互いに隣接し、実質的に円筒状の管が上記第２の環状斜角面の上部に結合する。このボンディング工具を設けることにより、従来のキャピラリ・ボンディング工具の欠点を克服している。得られたボンディング工具は、１０ミクロンの細いワイヤーを、３０ミクロン以下のピッチをもつ接合用パッドへ取り付け可能である。
【００２１】
図２Ａは本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具２００の側面図である。図２Ａに示されているように、ボンディング工具２００は円筒状の胴体部２０１、円筒状の胴体部２０１の端に結合したテーパー部２０２、およびテーパー部２０２の端に結合された作業先端部２０４をもつ。好ましい実施の形態では、ボンディング工具は一体化された材料から形成される。ボンディング工具を形成するために使用される上記材料の特性は以下で詳細に記述する。
【００２２】
図２Ｂはボンディング工具２００の側断面図である。図２Ｂに示されているように、ボンディング工具２００は約１．５ｍｍから１．６ｍｍの間、好ましくは約１．５８８ｍｍの直径２２７をもつ。さらに、ボンディング工具２００は約９．５ｍｍから１１．１ｍｍの間の長さをもつ。テーパー部２０２は円筒状の本体部２０１と接する点から始まる約１８°および２２°の間の実質的に一定のテーパー２１８をもつ。１つの典型的な実施の形態では、上記テーパーは約１９°および２１°の間、好ましくは２０°である。管２２０はボンディング工具２００の上端２２２から作業先端部２０４まで存在する。典型的な実施の形態では、管２２０は、その長さの部分にわたって、約３°±１°の所定の角度２２６をもつ実質的に連続したテーパー形状をもつ。管２２０が作業先端部２０４に近づくにつれて、このテーパーは約６°±１°に変化する。しかし、本発明はこれに限定されず、管２２０がボンディング工具２００の実質的に一定のまたは長さの一部のみテーパーである直径をもっていてもよい。一部のみのテーパーは、ボンディング工具２００の上端２２２にワイヤーを挿入するために所望される。このような別の管の例は図２Ｄおよび図２Ｅに示されている。
【００２３】
図２Ｄに示されているように、管２２０はボンディング工具２００の長さに沿って実質的に一定の直径２３０をもつ。図２Ｅでは管２２０はボンディング工具２００の長さの一部に沿って実質的に一定の直径２４０をもち、ボンディング工具２００の上端２２２に隣接したテーパー２４２をもつ。
【００２４】
図２Ｃおよび図２Ｆはボンディング工具２００の作業先端部２０４の詳細断面図である。図２Ｃおよび図２Ｆに示されているように、作業先端部２０４は、形成するための環状の作業フェイス２１１、すなわち、８°から１５°のフェイス角２０８をもつ外部環状斜角面をもつ。１つの典型的な実施の形態では、フェイス角２０８は少なくとも１１°、好ましくは１１°および１２°の間であり、最も好ましくは１１°であって、上記ボンディング工具により強固な第２の結線（ウェッジボンド）を提供する。外部環状斜角面２１１に隣接するのは内部環状斜角面２１３であって、９０°未満の角度２１４をもつ。好ましい実施の形態では、剪断および引っ張り試験の要求を満たす第１の結線（ボール・ボンド）を提供するために、角度２１４は６０°および９０°の間、最も好ましくは約６０°である。加えて、内部の環状斜角面２１３は１ミクロンから４ミクロンの間の厚みをもつ。円筒管２２４は面２１３の上部および管２２０の間に結合される。１つの典型的な実施の形態では、円筒管２２４は結線用ワイヤー（図に示されていない）を通す約１４ミクロンの直径２０６をもち、面２１３は約１８ミクロンの外径２１２をもち、作業先端部２０４は約３３ミクロンの直径２１６をもつ。円筒管２２４の直径２０６は結線用ワイヤーの直径プラス４ミクロンに基づいて決定可能である。更に、図２Ｃに示されているように、作業先端部２０４は、ボンディング工具２００による隣接する結線用ワイヤーの接触を避けるために、約０°および１０°の間、好ましくは約７°の実質的に一定のテーパー２１９および約６０ミクロンから９０ミクロンの間の長さ２１０をもつ。好ましい実施の形態では、長さ２１０は約７６．２ミクロンである。
【００２５】
テーパー部２０２のテーパー角度２１８および作業先端部２０４のテーパー角度２１９は異なり、遷移領域２２５がテーパー部２０２および作業先端部２０４の間に位置されてもよい。好ましい実施の形態では、遷移領域２２５は約２００−３５０ミクロンの間の半径をもつ。さらに、ボンディング工具２００のチッピングを防止するため、遷移領域２１５は約４ミクロンから６ミクロンの間の半径をもち作業先端部２０４の下部および外部環状斜角面２１１の間に配置可能である。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂは本発明のもう１つの典型的な実施の形態による作業先端部３０４の詳細断面図である。この典型的な実施の形態における上記ボンディング工具の上記円筒胴体部、テーパー部および管は第１の実施の形態におけるものと本質的に同じであり、これらに関する記述は繰り返さない。
【００２７】
図３Ａおよび図３Ｂに示されているように、作業先端部３０４は形成するための作業フェイス３１１、すなわち、０°および１５°の間のフェイス角３０８をもつ外部環状斜角面をもつ。１つの典型的な実施の形態では、フェイス角３０８は約１０°および１２°の間であり、好ましくは１１°である。外部環状斜角面３１１に隣接するのは、内部環状斜角面３１３であって、９０°未満の角度３１４をもつ。好ましい実施の形態では角度３１４は６０°および９０°の間、最も好ましくは約６０°である。加えて、環状斜角面３１３は１ミクロンおよび３ミクロンの間の厚みをもつ。円筒管３２４は面３１３の上部および管２２０の間に結合されている。１つの典型的な実施の形態では、円筒管３２４は、結線用ワイヤー（図には示されていない）を通すために、約１４ミクロンおよび１６ミクロンの間、好ましくは約１５ミクロンの直径３０６をもち、面３１３は約１７ミクロンおよび１９ミクロンの間、好ましくは約１８ミクロンの外径３１２をもち、作業先端部３０４は約３７ミクロンおよび３９ミクロンの間、好ましくは約３８ミクロンの外径３１６をもつ。円筒管３２４の直径３０６は上記結線用ワイヤーの直径プラス２ミクロンに基づいて決定可能である。さらに、図３Ａに示されているように、作業先端部３０４は、ボンディング工具２００による隣接する結線用ワイヤーの接触を避けるために、約０°および１０°の間、好ましくは約７°の実質的に一定のテーパー３１９と、約１１７ミクロンおよび１３７ミクロンの間の長さ３１０をもつ。好ましい実施の形態では長さ３１０は約１２７ミクロンである。
【００２８】
次に図４を参照すると、本発明の第３の実施の形態が作業先端部のみに関して示されている。他の全ての面において、本実施の形態は前記の実施の形態と同様である。図４に示されているように、作業先端部４０４は、形成するために作業フェイス４１１、すなわち、０°および１５°の間のフェイス角４０８をもつ外部環状斜角面をもつ。１つの典型的な実施の形態では、フェイス角４０８は約１０°および１２°の間、好ましくは１１°であって、外部環状斜角面４１１に隣接するのは６０°以下の角度４１４をもつ内部環状斜角面４１３である。１つの実施の形態では、角度４１４は３０°および６０°の間であって、もう１つの実施の形態では角度４１４は約４０°である。内部斜角面４１３の上記面の長さ（ＦＬ）４２６は、
ＦＬ＝（ＣＤ−Ｈ）／２＊ＴＡＮ（ＩＣＡ／２）
であって、この式において、ＣＤは作業フェイス４１１に隣接した下端における上記内部環状斜角面の直径４１２であり、Ｈは管４２４の直径４０６であり、ＩＣＡは内部環状斜角面４１３の角度４１４である。
【００２９】
円筒管４２４は面４１３の上部および管４２０の間に結合される。１つの典型的な実施の形態では、円筒管４２４は結線用ワイヤー５１４（図６Ａには示されていない）を通すために約１０ミクロンおよび３０ミクロンの間の直径４０６をもつ。環状斜角面４１３は約１５ミクロンおよび４０ミクロンの間の外径４１２をもち、作業先端部４０４は約２５ミクロンおよび８０ミクロンの間の外径４１６をもつ。円筒管４２４の直径４０６は結線用ワイヤー５１４の直径プラス２ミクロンに基づいて決定可能である。さらに、第２の典型的な実施の形態に関して前に図３Ａで示されたように、作業先端部４０４は、ボンディング工具による隣接する結線用ワイヤーの接触を避けるために、約０°および１０°の間、好ましくは約７°の実質的に一定のテーパー３１９と、約１１７ミクロンおよび１３７ミクロンの間の長さ３１０をもつ。好ましい実施の形態では長さ３１０は約１２７ミクロンである。
【００３０】
次に図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、各々、従来のボンディング工具により形成された結線の断面図および第３の典型的な実施の形態によるボンディング工具により形成された結線の断面図が示されている。図５Ａに示されているように、従来のボンディング工具は結線用ワイヤー５０４から結線５０２を形成し、首部の体積ＶN５０６、内部斜角面の体積ＶIC５０８および押しつぶし部の体積ＶS５１０をもつ。全体の製造体積ＶFABはＶN、ＶICおよびＶSの合計である。図５Ａに明確に示されているようにＶN５０６はＶIC５０８よりかなり大きい。さらに、従来のボンディング工具ではＶICはＶFABの約５％および２５％の間の体積である。
【００３１】
対照的に、および図５Ｂに示されているように、第３の典型的な実施の形態にしたがって製造された上記ボンディング工具は結線用ワイヤー５１４から結線５２２を形成し、首部の体積ＶN５１６、内部斜角面の体積ＶIC５１８および押しつぶし部の体積ＶS５２０をもつ。また、全体の製造体積ＶFABはＶN、ＶICおよびＶSの合計である。図５Ｂに明確に示されているように、ＶN５０６は明らかにＶIC５１８より小さい。さらに、ＶICはＶFABの約４０％から５０％である。従来のボンディング工具により形成された結線５０２および第３の典型的な実施の形態によるボンディング工具により形成された結線５２２の間の違いを示すために、内部斜角面４１３内に含まれる追加の結線材料５１２の体積は図５Ａに示されている。
【００３２】
次に図６Ａと図６Ｂを参照すると、作業先端部４０４により形成され、接合用パッド６００と接触した結線５２２が示されている。図６Ａに示されているように、また図６Ｂに示されている拡大部のように、ボンド・ワイヤー５１４は円筒管４２４、内部斜角面４１３および作業フェイス４１１により形成される管４２０を通る。図６Ｂに示されているように、上記ボンディング球の重要な部分（ＶIC５１８）は内部斜角面４１３内にとどまっている。得られたボンディング球は球直径ＢＤをもつ。
【００３３】
第３の実施の形態は、従来のボンディング工具で使用された結線用ワイヤー直径よりも太い結線用ワイヤー直径を取り扱い可能である点でさらなる効果がある。例えば、３５ミクロンのボンディング・パッド・ピッチ（ＢＰＰ）をもつ接合用パッド上へのワイヤー・ボンディング用途において、従来のボンディング工具は直径１５ミクロンの結線用ワイヤーを使用していた。対照的に本発明は１６．５ミクロンの結線用ワイヤーも使用可能である。もう１つの例では、ＢＰＰが５０ミクロンの場合、従来のボンディング工具は直径２０ミクロンの結線用ワイヤーまでに制限されていたが、本発明は２３ミクロンの結線用ワイヤーの使用が可能である。より太い直径の結線用ワイヤーの使用は、第１および第２の結線の間のよりしっかりとしてより良い形成されるワイヤー・ループに必要なより高いワイヤー剛性の恩恵を提供する。例えば、また図９に示されているように、２０ミクロンの結線用ワイヤーおよび２３ミクロンの結線用ワイヤーの間のワイヤー剛性を比較すると約７５％増加する。
【００３４】
他の限定していない実施の形態では、作業先端部４０４は、以下のボンディング・パッド・ピッチに対して以下のワイヤー・サイズを使用できるように適応できる
【表１】
2006512788.tif 000003
【００３５】
さらに、より小さい内部斜角角度を使用すると上記ボンディング球からより多くの量の材料を接合用パッドに接触させられる。本発明者はこのボールからパッドへの接触を「金属間被覆率」すなわちＩＭＣと呼ぶ。結線工程において、上記ボンディング球が上記接合用パッドにプレスされ、超音波エネルギーが、上記ボンディング工具に結合された超音波振動子（図には示されていない）から、順に上記接合用パッドに伝わる。上記内部斜角面領域内に含まれる製造球の追加の体積のために、上記ボンディング球および上記接合用パッドの間のより高いＩＭＣが得られる。このＩＭＣは、最高でも８２％未満のＩＭＣしか達成できない従来のボンディング工具と比較して８２％以上（多くの場合９２％よりかなり高い）であることが発明者により発見された。これは図７Ａから図７Ｄに示されている。図７Ａに示されているように、５０ミクロンのＢＰＰをもった接合用パッドでは、２０ミクロン（０．８ミル）のワイヤーを使用した従来のボンディング工具は７２％のＩＭＣ７０２を提供する。対照的に、また図７Ｂに示されているように、同じＢＰＰと共に同じワイヤー・サイズを使用すると、典型的なボンディング工具は８８％のＩＭＣ７０４を提供する。４５ミクロンのＢＰＰと共に０．８ミルのワイヤーを使用したもう１つの例では、従来のＩＭＣ７０６（図７Ｃに示されている）が８２％であるのに対して、典型的なボンディング工具では９２％のＩＭＣ７０８（図７Ｄに示されている）が達成される。このように、これら２つの例において、従来のボンディング工具および第３の実施の形態によるボンディング工具の間に、各々、２２％および１２％の増加したＩＭＣが達成される。
【００３６】
上に記載したようなボンディング工具を提供することは、半導体産業のニーズを満たすことにおける戦いの半分に過ぎない。重要なのは結線工程の間に上記ボンディング工具に作用される力に耐えるのに十分強いが、十分に弾性的であって必要に応じて可撓性の材料から、上記ボンディング工具を形成可能であることである。発明者は、少なくとも８０重量％のジルコニア（ＺｒＯ2）からボンディング工具を形成することによりこれらのニーズが満たされることを確定した。
【００３７】
本発明の１つの実施の形態では、イットリア安定化ジルコニアが上記ボンディング工具を形成するために使用される。この実施の形態では、約９５重量％のジルコニアが約５重量％のＹ2Ｏ3と混合される。発明者は、純粋なジルコニアが熱処理の間の相変態工程に耐えることを確定した。純粋なジルコニアは室温で単斜晶系であり、約１０００℃でより高密度な正方晶形へ変化する。これは、約１３５０℃および１６００℃の間の温度における焼結工程の間、大きな体積の変化を伴い、その構造内に亀裂を生じさせる。
【００３８】
９００℃未満などの低温において、追加の量のＹ2Ｏ3は正方相と単斜晶系相の混合を生成する。上記正方相の出現に伴って発生し、かなり少ない体積変化を伴うこの相変態工程は、熱のストレスを減らし、微小ひび割れの形成を最大限減らす。この材料は従来のアルミナ基材料よりもかなり高い曲げに対する強さをもち、結果として、本発明によるボンディング工具の生産能力を向上させる。
【００３９】
もう１つの典型的な実施の形態では、重量で２２％までのＡｌ2Ｏ3がイットリア安定化ジルコニアに加えられる。この材料は、従来のアルミナ基材料の音響的性質と似た音響的性質をもつ。
【００４０】
別の典型的な実施の形態では、上記ボンディング工具は表２に挙げられた材料の組合せ（重量で表す）のいずれか１つから形成される。
【表２】
2006512788.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】従来のボンディング工具の種々の側面図
【図１Ｂ】従来のボンディング工具の種々の側面図
【図２Ａ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図２Ｂ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図２Ｃ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図２Ｄ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図２Ｅ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図２Ｆ】本発明の第１の典型的な実施の形態によるボンディング工具の図
【図３Ａ】本発明の第２の典型的な実施の形態によるボンディング工具の作業先端部の詳細断面図
【図３Ｂ】本発明の第２の典型的な実施の形態によるボンディング工具の作業先端部の詳細断面図
【図４】本発明の第３の典型的な実施の形態によるボンディング工具の作業先端部の詳細断面図
【図５Ａ】従来のボンディング工具により形成される結線の断面図
【図５Ｂ】図４のボンディング工具により形成される結線の断面図
【図６Ａ】図５Ｂの結線と組み合わせた図４のボンディング工具の断面図
【図６Ｂ】図５Ｂの結線と組み合わせた図４のボンディング工具の断面図
【図７Ａ】従来の結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）を図４のボンディング工具を使用して形成された結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）と比較する図
【図７Ｂ】従来の結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）を図４のボンディング工具を使用して形成された結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）と比較する図
【図７Ｃ】従来の結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）を図４のボンディング工具を使用して形成された結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）と比較する図
【図７Ｄ】従来の結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）を図４のボンディング工具を使用して形成された結線の金属間被覆率（ＩＭＣ）と比較する図
【図８】従来の結線の剪断強度を図４のボンディング工具を使用して形成された結線の剪断強度と比較する図
【図９】結線用ワイヤーの直径に対する結線用ワイヤーの剛性を示すグラフ
【符号の説明】
【００４２】
１００  ボンディング工具
１０１  円筒部
１０２  テーパー部
１０４  作業先端部
１０６（図１Ａ）  作業先端部（１０４）の角度
１０６（図１Ｂ）  ワイヤー・ホール（１１６）の直径
１０８  フェイス角
１１０  第１の内部斜角面
１１１  作業フェイス
１１２  第２の内部斜角面
１１４  第１の内部斜角面の角度
１１６  ワイヤー・ホール
１１８  テーパー部（１０４）の角度
２００  ボンディング工具
２０１  ボンディング工具（２００）の円筒状の胴体部
２０２  ボンディング工具（２００）のテーパー部
２０４  ボンディング工具（２００）の作業先端部
２０６  円筒管（２２４）の直径
２０８  作業フェイス（２１１）のフェイス角
２１０  作業先端部（２０４）の長さ
２１１  作業フェイス（外部環状斜角面）
２１２  内部環状斜角面（２１３）の外径
２１３  内部環状斜角面
２１４  内部環状斜角面（２１３）の角度
２１５  遷移領域
２１６  作業先端部（２０４）の直径
２１８  テーパー
２１９  テーパー
２２０  管
２２２  ボンディング工具２００の上端
２２４  円筒管
２２５  遷移領域
２２６  管（２２０）のテーパーの角度
２２７  ボンディング工具（２００）の直径
２３０  管（２２０）の直径
２４０  管（２２０）の直径
２４２  管（２２０）のテーパー
３０４  作業先端部
３０６  円筒管（３２４）の直径
３０８  作業フェイス（３１１）のフェイス角
３１０  作業先端部の長さ
３１１  作業フェイス（外部環状斜角面）
３１２  内部環状斜角面（３１３）の外径
３１３  内部環状斜角面
３１４  内部環状斜角面（３１３）の角度
３１６  作業先端部（３０４）の外径
３１９  テーパー
３２４  円筒管
４０４  作業先端部
４０６  円筒管（管）（４２４）の直径
４０８  作業フェイス（４１１）のフェイス角
４１１  作業フェイス（外部環状斜角面）
４１２  内部環状斜角面（４１３）の外径
４１３  内部環状斜角面
４１４  内部環状斜角面（４１３）の角度
４１６  作業先端部（４０４）の外径
４２０  管
４２４  円筒管（管）
４２６  内部環状斜角面（４１３）の長さ
５０２  結線
５０４  結線用ワイヤー
５０６  首部の体積ＶN
５０８  内部斜角面の体積ＶIC
５１０  押しつぶし部の体積ＶS
５１２  追加の結線材料
５１４  結線用ワイヤー
５１６  首部の体積ＶN
５１８  内部斜角面の体積ＶIC
５２０  押しつぶし部の体積ＶS
５２２  結線
６００  接合用パッド
７０２  従来のＩＭＣ（７２％）
７０４  ８８％のＩＭＣ
７０６  従来のＩＭＣ（８２％）
７０８  ９２％のＩＭＣ
2006512788.tif 000005
2006512788.tif 000006
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2006512788.tif 000009
2006512788.tif 000010
【図３】
2006512788.tif 000011
2006512788.tif 000012
2006512788.tif 000013
【図４】
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2006512788.tif 000015
2006512788.tif 000016
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【図８】
2006512788.tif 000018
【図９】
2006512788.tif 000019
【国際調査報告】
2006512788.tif 000020
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2006512788.tif 000022
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