(57)【要約】基板に対して細いワイヤをボンディングするための制御式の減衰ボンディングツール。１つの実施形態では、ボンディングツールが、実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、該第１の円筒形部分の一端部に連結される第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、上記第１の直径よりも小さい実質的に均一な第２の直径を有する第２の円筒形部分と、所定のテーパを有し、その第１の端部が第２の円筒形部分の一端部に連結される第３の部分と、を有している。他の実施形態では、ボンディングツールが、円筒形部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域を有している。
2004525511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、
上記第１の円筒形部分の一端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、上記第１の直径より小さい実質的に均一な第２の直径を有する第２の円筒形部分と、
第１のテーパを有し、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結される第３の部分と、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】
上記第１のテーパが、約１７°〜３１°の間の角度を有していることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項３】
上記テーパが付けられた部分が、更に、第２のテーパを備えた更なるテーパが付けられた部分を有し、該更なるテーパが付けられた部分が、その第２の端部で上記第３の部分に連結されていることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項４】
上記第１のテーパが、約２０°の角度を有し、また、上記第２のテーパが、約１０°の角度を有していることを特徴とする請求項３記載のボンディングツール。
【請求項５】
更に、ボンディングツールの第１の端部から第２の端部まで、ボンディングツールの長手軸に沿って延びる軸方向における通路を有していることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項６】
上記軸方向における通路が、上記第１の円筒形部分の第１の端部における第１の直径と、上記第１のテーパが付けられた部分の先端部における第２の直径とを有しており、該第１の直径が第２の直径よりも大きいことを特徴とする請求項５記載のボンディングツール。
【請求項７】
更に、上記第１の円筒形部分と第２の円筒形部分との間に連結される移行部分を有していることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項８】
上記移行部分は、テーパが付けられた部分及び湾曲した部分のいずれかであることを特徴とする請求項７記載のボンディングツール。
【請求項９】
上記ボンディングツールは、酸化アルミニウム，窒化シリコン，炭化シリコン，炭化タングステン，ルビー，セラミック及び酸化ジルコニウムからなるグループのうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項１０】
上記第２の円筒形部分の第１の端部は、ボンディングツールの先端部から所定の距離にあることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項１１】
上記距離は、約０．２００〜０．２７９インチ（５．０８〜７．０８６６ミリメートル）の間にあることを特徴とする請求項１０記載のボンディングツール。
【請求項１２】
上記ボンディングツールが、材料の単体部品から成ることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項１３】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、
上記第１の円筒形部分の一端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、ｉ）上記第１の円筒形部分の第１の直径に実質的に等しい直径と、ｉｉ）上記第１２の円筒形部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域と、を有する第２の円筒形部分と、
第１のテーパを有し、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結される第３の部分と、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項１４】
上記平面領域が、上記第２の円筒形部分の反対側にある実質的に互いに平行な２つの平面領域であることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項１５】
上記平面領域間の距離は、約０．３４５〜０．０６２５インチ（０．８７６３〜１．５８７５ミリメートル）の間にあることを特徴とする請求項１４記載のボンディングツール。
【請求項１６】
上記平面領域は、上記第３の部分の一部上に延びていることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項１７】
上記第１のテーパが、約１７°〜３１°の間の角度を有していることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項１８】
上記テーパが付けられた部分が、更に、第２のテーパを備えた更なるテーパが付けられた部分を有し、該更なるテーパが付けられた部分が、その第２の端部で上記第３の部分に連結されていることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項１９】
上記第１のテーパが、約２０°の角度を有し、また、上記第２のテーパが、約１０°の角度を有していることを特徴とする請求項１８記載のボンディングツール。
【請求項２０】
更に、ボンディングツールの第１の端部から第２の端部まで、ボンディングツールの長手軸に沿って延びる軸方向における通路を有していることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項２１】
上記軸方向における通路が、上記第１の円筒形部分の第１の端部における第１の直径と、上記第１のテーパが付けられた部分の先端部における第２の直径とを有しており、該第１の直径が第２の直径よりも大きいことを特徴とする請求項２０記載のボンディングツール。
【請求項２２】
上記第２の円筒形部分の第１の端部は、ボンディングツールの一端部から所定の距離にあることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項２３】
上記距離は、約０．２００〜０．２７９インチ（５．０８〜７．０８６６ミリメートル）の間にあることを特徴とする請求項２２記載のボンディングツール。
【請求項２４】
上記ボンディングツールが、材料の単体部品から成ることを特徴とする請求項１３記載のボンディングツール。
【請求項２５】
トランスデューサと使用するためのボンディングツールであって、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、
上記第１の円筒形部分の第２の端部に連結される第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、ｉ）上記第１の円筒形部分の第１の直径に実質的に等しい直径と、ｉｉ）上記第２の円筒形部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域とを有する第２の円筒形部分と、
所定のテーパを有し、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結されている第３の部分と、
第１の円筒形部分の第１の端部に配置されるガイドであって、上記トランスデューサ内にボンディングツールを位置決めするガイドと、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２６】
上記ガイドが、上記第１の円筒形部分の上側部分に沿って形成された平面部及び孔部のいずれかであることを特徴とする請求項２５記載のボンディングツール。
【請求項２７】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、
その第１の端部にて上記第１の円筒形部分に連結される移行部分と、
上記移行部分の第２の端部に連結される第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、上記第１の円筒形部分の第１の直径より小さい断面を有する第２の円筒形部分と、
所定のテーパを有し、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結される第３の部分と、を有しており、
上記ボンディングツールが、材料の単体部品から成ることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２８】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の部分であって、該第１の部分の長さの少なくとも一部に沿って形成される平面部を有する第１の部分と、
上記第１の部分の一端部に連結される第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、上記第１の直径にほぼ等しい実質的に均一な第２の直径を有する第２の円筒形部分と、
所定のテーパを有し、その第１の端部が、上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結される第３の部分と、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２９】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の部分であって、該第１の部分の長さの一部に沿って形成される平面部を有する第１の部分と、
所定のテーパを有し、その一端部が、第２の円筒形部分の一端部に連結される円錐形部分と、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項３０】
上記円錐形部分の第１の端部が、上記第１の直径に実質的に等しい直径を有していることを特徴とする請求項２９記載のボンディングツール。
【請求項３１】
基板に対して細いワイヤをボンディングするためのボンディングツールにおいて、
実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、
上記第１の円筒形部分の一端部に連結される第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、ｉ）上記第１の直径より小さい実質的に均一な第２の直径と、ｉｉ）上記第２の円筒形部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域とを有する第２の円筒形部分と、を有していることを特徴とするボンディングツール。
【請求項３２】
上記平面領域が、上記第２の円筒形部分の反対側にて実質的に互いに平行な２つの平面領域であることを特徴とする請求項３１記載のボンディングツール。
【請求項３３】
更に、第１のテーパを有し、その第１の端部が、上記第２の円筒形部分の第２の端部に連結される第３の部分を有していることを特徴とする請求項３１記載のボンディングツール。
【請求項３４】
更に、上記ボンディングツールの第１の端部から第２の端部まで、該ボンディングツールの長手軸に沿って延びる軸方向における通路を有していることを特徴とする請求項３１記載のボンディングツール。
【請求項３５】
更に、上記第１の円筒形部分と第２の円筒形部分との間に連結される移行部分を有していることを特徴とする請求項３１記載のボンディングツール。
【請求項３６】
上記移行部分が、テーパが付けられた部分及び湾曲した部分の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項３５記載のボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、概して、半導体デバイスへのワイヤボンディングに用いられるツールに、より詳しくは、制御される減衰の特性を有するボンディングツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子装置は、その上に半導体チップ又は集積回路（ＩＣ）が搭載されるプリント回路基板に大きく依存している。チップ設計者は、チップと基板との間の機械的また電気的な接続に関して苦労を強いられている。ＩＣを基板に配線接続する良く知られた３つの技術が、ワイヤボンディング，テープ自動化ボンディング（ＴＡＢ）及びフリップチップである。
【０００３】
これらのうち、最も一般的な処理は、ワイヤボンディングである。ワイヤボンディングでは、複数のボンディングパッドが、基板上面に所定のパターンで配置されている。チップは、ボンディングパッドのパターンの中央に搭載され、その上面は基板の上面から離れる。（アルミニウム又は金のワイヤからなる）良好なワイヤは、チップの上面における接触部と、基板の上面における接触部との間で接続される。詳細には、接続ワイヤが、詳しく後述するキャピラリ（capillary：毛管）のボンディングツールを介して、チップ及び基板に対し供給され、接着させらされる。
【０００４】
キャピラリは、特に半導体デバイスのパッドを接合するために、電子デバイスに対してワイヤをボールボンディングするために用いられる。かかるキャピラリは、一般的には、主として酸化アルミニウム，タングステンカーバイド（tungsten carbide），ルビー，ジルコニア添加アルミナ（ＺＴＡ：zircon toughened alumina），アルミナ添加ジルコン（ＡＴＺ：alumina toughened zircon）及び他の材料等のセラミック材料から形成される。非常に細いワイヤ（一般的には約１ミル（mil）（１／１０００インチ＝０．０２５４ミリメートルの金，銅又はアルミニウムのワイヤ）が、キャピラリ内の軸方向における通路を挿通させられる。ここで、小さなボールがワイヤの先端に形成され、そのボールが、キャピラリ先端部の外部に位置させられる。初めに、ボールを半導体デバイス上のパッドに対して接着させ、その後、ワイヤに沿って一層進んだ部分を、リードフレーム等に対して接着させる。ボンディングサイクルの間に、キャピラリは、１機能以上を実行する。
【０００５】
ボールが形成された後、キャピラリは、まず、接合パッドを目標とするために、キャピラリ内である程度ボールを中央に位置させる。キャピラリが下降して接合パッド上にボールを押し付ける場合に、ボールは押し潰され、平らになる。接合パッドは一般的にアルミニウムから作られるので、薄い酸化物が、接合パッドの表面に形成される。適切な接合をなすには、酸化物の表面を壊し、アルミニウムの表面を露出させることが好ましい。酸化物を壊す有効な方法は、ワイヤボールで、酸化物の表面を「磨く」ことである。ワイヤボールが酸化アルミニウムの表面に配置され、キャピラリが、それが取り付けられた超音波のホーン内に置かれた圧電素子の膨張及び収縮に基づき、直線方向に迅速に移動する。迅速な動作は、接合パッドを介して与えられる熱に加え、ワイヤと接合パッドとの間の効果的な接合をもたらすものである。
【０００６】
その後、キャピラリは、ル−ピング（looping）の間にワイヤを操作し、キャピラリ外に及びキャピラリ内に戻るように接合ワイヤを円滑に送る。その結果、キャピラリは、「スティック（stick：棒）」状の接合、及び、「タック（tack：鋲）」状の又は「テール（tail：尾）」状の接合を形成する。
【０００７】
現在、サーモソニックワイヤボンディングが、半導体デバイスのそれらの支持基板に対する配線接続のための選択肢となる処理である。サーモソニックボンディングプロセスは、例えばキャピラリ又はウェッジ等のツールを介して、可動である接合ヘッドに取り付けられたトランスデューサから、半導体デバイス又は支持基板へ溶接されるボール又はワイヤへの超音波エネルギーの移動に部分的に依存するものである。
【０００８】
従来のキャピラリ（ボンディングツール）では、ボンディングツールの幾何学的性質が、ボール／ワイヤの配線接続パッドの界面領域へのエネルギー移動を変更するために、設計されている。本発明の発明者は、ツールの超音波減衰の制御が、ボンディングプロセス及びその性能にとって非常に重要であると判定した。
【０００９】
しかしながら、従来のボンディングツールの設計は、配線ピッチ及びワイヤ接合ループの高さに基づくものであり、また、超音波減衰を制御することを考慮しないため、それは不完全である。
【００１０】
図１は、従来のボンディングツールをあらわすものである。図１に示されるように、ボンディングツール１００は、円筒形の本体部１０２と、テーパ状に形成された部分１０４を有している。軸方向における通路１０８は、ボンディングツール１００の末端部１１０から先端部１０６まで延びている。ボンディングワイヤ（不図示）は、軸方向における通路１０８を、また、基板（不図示）上の最終的なボンディングのためのチップ１０６を通過する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した従来のボンディングツールの短所を解消するために、本発明は、ツール減衰の方向及びゲインを制御可能とするボンディングツールに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ボンディングツールは、実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、第１の円筒形部分の端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であり、上記第１の直径より小さい実質的に均一な第２の直径を有する第２の円筒形部分と、所定のテーパを有する第３の部分であって、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の一端部に連結される第３の部分とを有している。
【００１３】
本発明の他の様相によれば、ボンディングツールは、実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、第１の円筒形部分の第１の端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、ｉ）上記第１の円筒形部分の第１の直径に実質的に等しい直径と、ｉｉ）第２の部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域とを有する第２の円筒形部分と、所定のテーパを有する第３の部分であって、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の一端に連結される第３の部分とを有している。
【００１４】
本発明のまた別の様相によれば、ボンディングツールは、実質的に均一な第１の直径を有する第１の部分であって、第１の部分の長さの少なくとも一部に沿って形成される平面部分を有する第１の部分と、第１の部分の一端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、上記第１の直径にほぼ等しい実質的に均一な直径を有する第２の円筒形部分と、所定のテーパを有する第３の部分であって、その第１の端部が上記第２の円筒形部分の一端に連結される第３の部分とを有している。
【００１５】
本発明の更に別の様相によれば、ボンディングツールは、実質的に均一な第１の直径を有する第１の円筒形部分と、第１の円筒形部分の一端部に連結された第１の端部を有する第２の円筒形部分であって、ｉ）第１の直径より小さい実質的に均一な第２の直径と、ｉｉ）第２の円筒形部分の長さの少なくとも一部に沿った平面領域とを有する第２の円筒形部分とを有している。
【００１６】
本発明の１つの様相によれば、ボンディングツールは、単体の材料部品から形成される。
【００１７】
本発明の他の様相によれば、移行部分が、上記第１の部分と第２の部分との間で連結される。
【００１８】
本発明のまた別の様相によれば、テーパ部分が、その端部で更にテーパ状になった部分を有する。
【００１９】
本発明の更に別の様相によれば、位置決めガイドが、ボンディングツールの第１の部分の第２の端部に配置される。
【００２０】
これらのまた他の本発明の様相は、図面及び本発明の実施形態を参照しながら、以下に後述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、ボンディングツールの長さに沿った質量分布を変化させることにより、従来のキャピラリボンディングツールの短所を克服する。結果としてのボンディングツールでは、従来のボンディングツールと比べて、基板上に接合を形成するための超音波エネルギーが少なくて済む。超音波減衰の方向は、ここに記載される適切な設計により制御され変更される。
【００２２】
超音波ボンディングツールの設計は、超音波トランスデューサにより駆動されるツールの動作を数学的に説明することにより、実現され得る。かかるシステムは、数式１に示されるような片持ち梁によりあらわされる。
【数１】
2004525511.tif 000003
ここで、Ｅは弾性率であり、Ｉは慣性モーメントであり、ｍは質量分布であり、ｚは可動支持体からの距離であり、ｘは梁に垂直な変位であり、Ｘ０は可動支持体の動作をあらわしている。
数式１に関する境界条件は、
2004525511.tif 000004
ここで、ｌは片持ち梁の長さであり、Ｖは剪断力（shear）である。
【００２３】
図２は、数１によるボンディングツールのレスポンスをあらわすものである。図２に示されるように、ボンディングツールの設計に関して、片持ち梁２００は、トランスデューサ２０２の動作ｘ０（符号２０４）及びボンディングツールのレスポンス動作ｘ（ｚ，ｔ）（符号２０６）をあらわしている。質量及び慣性モーメントは、梁に沿って変更させられることから、これらのパラメータは、所望のボンディング超音波動作をもたらすべく、ボンディングツールの構成及び「形状」を設計するために用いられる。
【００２４】
前述したように、従来の設計では、慣性モーメントＩ及び質量分布が、超音波減衰の目的のために制御されず、必要とされる配線ピッチ及びワイヤ接合ループ高さを許容するために制御されるものである。本発明の一実施形態では、断面形状及び質量分布が、超音波減衰の方向及び／又はゲインを制御するために特定される。
【００２５】
領域慣性モーメントＩ及び質量分布ｍを操作する効果の幾つかの例を示す。表１は、この概念の立証に関した実験上の作業の要約（summation）である。
【表１】
2004525511.tif 000005
【００２６】
図３Ａ−３Ｇは、本発明の第１の実施形態に係るキャピラリボンディングツールの種々の図である。図３Ａ及び３Ｄは、それぞれ、本発明の第１の実施形態に係るボンディングツール３００の側面図及び斜視図である。図３Ａに示されるように、ボンディングツール３００は、上側の円筒形本体部３０２と、下側の円筒形本体部３０４と、円錐形本体部３０６とを有している。上側の円筒形本体部３０２と下側の円筒形本体部３０４との間には、移行領域部分３１２が配置されている。この実施形態では、移行領域部分３１２が、べベル形状（beveled shape：斜めに切られた形状）を有している。なお、本発明はこれに限定されることなく、移行領域部分３１２は、図３Ｅに示される湾曲形状３１２Ａなどの他の形状を有してもよい。しかしながら、移行領域部分３１２を通過するエネルギーの円滑な移動を維持するには、移行領域部分３１２が、単に上側の円筒形本体部３０２と下側の円筒形本体部３０４との間における「ステップダウン（step down）」からなる場合にもたらされるような鋭い縁部を有していないことが好ましい。
【００２７】
上記実施形態では、ボンディングツール３００の全体の長さ３０１が、０．３００〜０．６００インチ（７．６２〜１５．７４８ミリメートル）の間であり、好ましくは約０．４３７インチ（１１．０ミリメートル）である。上側の円筒形部分３０２は、約０．０６２５〜０．０８６６インチ（１．５８７５〜２．２０ミリメートル）の間であり、好ましくは約０．０６２５インチ（１．５９ミリメートル）の直径３０８を有している。下側の円筒形本体部３０４は、約０．０３４２〜０．０６２５インチ（０．８６８６８〜１．５８７５ミリメートル）の間の直径３１４を有し、ボンディングツール３００の末端部３３２から約０．０２０〜０．２７９インチ（５．０８〜７．０８６６ミリメートル）の間の位置３２８にある。本発明の好適な実施形態では、直径３１４は、約０．０３４２インチ（０．８６８ミリメートル）である。移行領域部分３１２の角度３１３は、約９０度である。
【００２８】
図３Ｂは、ボンディングツール３００の縦断面説明図である。図３Ｂに示されるように、軸方向における通路３２０は、ボンディングツール３００の端部３２２から端部３３２まで延びる。上記実施形態では、軸方向における通路３２０が、約２°と５°との間の、好ましくは約２°と３°との間の所定の角度３２６を備えた、実質的に連続したテーパ付きの形状を有している。なお、本発明は、これに限定されることなく、軸方向における通路３２０が、実質的に一定の直径を有する若しくはボンディングツール３００の長さの一部のみにわたりテーパをつけられることが考えられてもよい。後者は、ボンディングツール３００の上端部３２２におけるワイヤの挿通を容易化するのに望ましい。このように代用となる軸方向における通路の例が、図３Ｆ及び３Ｇに示される。図３Ｆに示されるように、軸方向における通路３２０は、ボンディングツール３００の長さの相当の部分に沿って実質的に一定の直径３３０を有している。図３Ｇには、軸方向における通路３２０が、ボンディングツール３００の長さの相当の部分に沿って実質的に一定の直径３４０を有しており、また、ボンディングツール３００の端部３２２の近傍でテーパ３４２を有している。
【００２９】
ボンディングツール３００の構造上の完全性を維持するために、ボンディングツール３００の設計に際して、軸方向における通路３２０と外壁３２７との間の距離が考慮される必要がある。発明者は、この距離を、「最小の壁厚」（ＭＷＴ）３２４と呼ぶ。図３Ｈを参照すれば、ＭＷＴ３２４を詳細に示す、ボンディングツール３００の拡大された断面が示される。好適な実施形態では、ボンディングツール３００のＭＷＴ３２４が、約０．０００４〜０．０１６２５インチ（０．０１〜０．４０ミリメートル）の間にある。
【００３０】
図３Ｃを参照すれば、円錐形の本体部３０６の詳細な断面が示される。図３Ｃでは、先端部３１０が、円錐形本体部３０６の下側端部から延びている。この実施形態では、先端部３１０の外側角３１８が、約５°〜２０℃の間にあり、好ましくは１０°であり、また、一方、円錐形の本体部３０６の外側角が、約１７°〜３１°の間にある。従って、移行部分３３４が、円錐形本体部３０６と先端部３１０との間の移行のために用いられる。図３Ｃに示されるように、軸方向における通路３２０の角度は、円錐形の本体部３０６の長さ及び先端部３１０の大半の長さを通じて実質的に一定のままである。しかし、先端部３１０の下側部分においては、軸方向における通路３２０は、長手方向の軸に関して、約０°に減少し、それにより、先端部３１０の残りを通じて、実質的に均一な直径の通路３３６がもたらされる。
【００３１】
前述したように、キャピラリボンディングツールを形成するのに用いられる材料は、酸化アルミニウム，酸化ジルコニウム，窒化シリコン，炭化シリコン，炭化タングステン，ルビー，ＺＴＡ及びＡＴＺを含む。例となるボンディングツールは、前述した材料を結合させる、また／若しくは、成形することにより、単体部品として形成されることが考えられるであろう。
【００３２】
図４Ａ−４Ｅを参照すれば、本発明の第２の実施形態が示される。図４Ａ及び４Ｅは、それぞれ、本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールの側面図及び斜視図である。図４Ａに示されるように、ボンディングツール４００は、上側の円筒形本体部４０２と、下側の円筒形本体部４０４と、円錐形本体部４０６とを有している。
【００３３】
第１の実施形態と第２の実施形態との間の顕著な差異は、下側の本体部４０４が、下側の本体部４０４の反対側で、互いに平行な平面部分４０３，４０５を有する点である。この実施形態では、平面部分４０３及び４０５間の距離４１４が、約０．０３４５〜０．０６２５インチ（０．８７６３〜１．５８７５ミリメートル）の間にある。他の差異は、下側の本体部４０４が、上側の本体部４０２の直径４０８とほぼ同じ直径を有している点である。好適な実施形態では、下側の本体部４０４の直径は、上側の本体部４０２のそれと同じである。図４Ｃは、平面部分４０３，４０５の関係及び下側の本体部４０４の直径４０８を示す、図４ＡのＣ−Ｃ線に沿った断面をあらわす図である。
【００３４】
図４Ｂは、ボンディングツール４００の縦断面説明図である。図４Ｂに示されるように、軸方向における通路４２０は、ボンディングツール４００の端部４２２から端部４３２まで延びている。この実施形態では、軸方向における通路４２０が、約２°〜５°の間にある、好ましくは約２°〜３°の間にある所定の角度４２６（図４Ｄに詳細に示される）を有する実質的に連続したテーパ形状を有している。しかしながら、本発明は、これに限定されることなく、軸方向における通路４２０が、実質的に一定の直径を有しても、若しくは、第１の実施形態と同様に、ボンディングツール４００の長さの一部のみにわたってテーパが付けられていてもよいことが考えられる。第１の実施形態と同様に、移行領域部分４１２，４１３が、それぞれ、平面部分４０３，４０５の領域において、上側の円筒形本体部４０２から下側の本体部４０４まで移行するのに用いられる。移行領域部分４１２，４１３は、それらがベベル形状（平面）を有するように図４Ｂに示されるが、発明者は、図３Ｄに示されるものに類似した湾曲面などの平面以外の面が用いられ得ると考える。
【００３５】
発明者は、非対称的な形状を有することにより、第２の実施形態に係るボンディングツールが、ｙ軸に沿った剛性に比べて、ｘ軸に沿った異なる剛性を有することを見出した。この差は、平面部分４０３、４０５の長さ及び／又は幅を変えることにより制御されてもよい。当業者に理解されるように、平面部分４０３，４０５の幅は、それら平面部分４００３，４０５間の距離に直接関連する。つまり、平面部分４０３，４０５の幅が大きくなるにつれ、それらの間隔は小さくなる。
【００３６】
他の全ての点で、第２の実施形態は、第２の実施形態と同様である。
【００３７】
図５には、グラフ５００が示される。図５では、グラフ５００が、トランスデューサ取付け部（不図示）から自由ボンディング端部（先端部３１０，４１０）までのボンディングツール３００，４００の長さに沿った超音波の付加によって、ボンディングツール３００，４００の変位２０６（図２に示される）に基づき、下側の本体部３０４，４０４の減じた質量の影響を点であらわす。図５では、縦軸が、トランスデューサの底面からの位置をインチであらわしたもので、また、横軸が、ボンディングツールの変位をマイクロメートル（μｍ）であらわしたものである。グラフ５００は、下側の本体部３０４，４０４の位置及び幾何学的特性が変わる種々のボンディングツールに関してプロットされたものである。図５では、一定の周波数における超音波エネルギーによって、ゼロの変位のツール動作の位置が、節点（node）５０２として示される。本発明では、下側の本体部３０４，４０４の質量が、ボンディングツール３００，４００の節点を、５０２に位置させるように調整される。図５では、プロット５０４が、従来の（基準の）ボンディングツールのレスポンスを示し、また、プロット５０６〜５１８が、本発明の一実施形態に係るボンディングツールのレスポンスを示している。
【００３８】
図６では、グラフ６００が、一定のツール先端部の変位に関して、共鳴周波数に対する超音波エネルギーを点であらわしている。図６では、共鳴点６０２−６２４が、曲線６２６として示され、プロットされている。図６に示されるように、点６２４は、従来の基準ツールをあらわし、（点６０２−６２２として示される）本発明に係るツールと比べて相当に高いエネルギーを必要とすることを示している。グラフ６００は、下側の本体部３０４，４０４におけるボンディングツール３００，４００の質量を調整することで、エネルギーの必要を相当に減少させることをあらわしている。
【００３９】
図７では、グラフ７００が、本発明に係るボンディングツール及び従来のボンディングツールの変位を点であらわしたものである。図７に示されるように、この実施形態であらわされる特徴の釣合いによる、その幾何学的特性が領域慣性モーメントＩの制御により最善化される、ボンディングツールの変位は、標準的なシャンクボンディングツール（shank bonding tool）のそれよりも大きい。図７を見れば、ワイヤボンディングに関して、先端部の変位の点が、本発明による制御された幾何学キャピラリの使用前（曲線７０２）及び使用後（曲線７０４）の両方に、標準的なボンディングツールのそれ（曲線７０６）のそれよりも大きくなることが分かる。
【００４０】
発明者は、また、ボンディングツールの減衰の制御によって、より高品質の接合がもたらされることを見出した。表２は、種々のボンディングツール，ボンディング（超音波）エネルギー，ボンディング力及び接合を破壊するのに要する剪断力を示すデータを編集したものである。明示されるように、用いるエネルギーは従来のボンディングツールの５０％である一方で、この実施形態のボンディングツールは、優れた耐剪断性を示す接合をもたらした。
【表２】
2004525511.tif 000006
【００４１】
表３は、従来のボンディングツールと比べて、本発明に係るボンディングツールによりなされた接合の優れた耐引張り性を示すデータを編集したものである。
【表３】
2004525511.tif 000007
【００４２】
図８は、超音波トランスデューサ８００と、本実施形態のボンディングツール３００，４００の相互関係を示す図である。図８に示されるように、ボンディングツール３００，４００は、超音波トランスデューサ８００の孔部８０４内に差し込まれる。
【００４３】
第２の実施形態に関して前述したボンディングツール４００は、下側の本体部４０４における平面領域４０３，４０５の配置による方向に関した特性を有している。その結果、直交軸に対して、より多くの超音波エネルギーを１本の軸に沿って指向させるように、超音波トランスデューサ８００内でボンディングツール４００を効率的な方法で方向付けることが望ましい。適切な方向付けを保証する１つの方法は、ボンディングツール４００上に位置決め素子を配置することである。この位置決め素子は、超音波トランスデューサ上の類似した位置決め素子と連結するものである。図９Ａ−９Ｆを参照しながら、解決方法の一例について説明する。
【００４４】
図９Ａ−９Ｆには、超音波トランスデューサ８００（図８に示される）内でボンディングツール４００を方向付けるための解決方法の例が示されている。図９Ａには、ボンディングツール４００の上側部分に沿って配置された位置決め用平面９００が示される。図９Ｂには、ボンディングツール４００の上側部分に沿って配置された斜めになった位置決め用平面９０２が示される。斜めになった平面は、ボンディングツール４００の長手軸に対し角度γをなして形成される。
【００４５】
図９Ｃでは、ボンディングツール４００の上側部分に沿って配置された位置決め用キー溝９０４が示されている。この実施形態では、キー溝９０４が、長手軸に直交する均一の深さを有する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものでなく、図９Ｄ−９Ｆに示されるように、キー溝が、キー溝９０６のような、斜めになった形状，湾曲した又は楕円形状９０８若しくは刻みのある形状９１０を有してもよい。前述した方向付けの手段に関して、位置決め素子（９００，９０２，９０４，９０６等）は、特定の接合条件にしたがって、平面部４０３，４０５と同じ平面に沿って、若しくは、それに直交して配置されてもよい。このようにして、エネルギー効率は、所望の方向に最大化され得る。
【００４６】
図１０Ａ−１０Ｄには、ボンディングツール（図９Ａ及び９Ｂに示される）との組合せに関した超音波トランスデューサ８００の詳細が示される。図１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ、超音波トランスデューサ８００の端部の平面図及び側面図である。図１０Ａ及び１０Ｂでは、孔部１０００が、位置決め用平面９００（図９Ａに示される）との組合せ用に、平面部１００２を有する超音波トランスデューサ８００内に形成されている。これにより、所望のボンディング方向に沿った優れたエネルギー効率を提供するように、超音波トランスデューサ８００内にてボンディングツール４００を適切に配置することができる。同様に、図１０Ｃは、斜めになった位置決め用平面９０２（図９Ｂに示される）との組合せ用に、斜めになった平面部１００６を有する孔部１００４を示している。図１０Ｃに示されるように、孔部１００４の平面部１１０６は、斜めになった平面９０２のそれに対して同様の角度γをなして形成されている。図１０Ｄは、孔部１０００，１００４を示す超音波トランスデューサ８００の端部の斜視図である。
【００４７】
同様に、図１１Ａ−１１Ｅは、適切な位置決め用のキー溝９０４，９０６，９０８，９１０（図９Ｃ−９Ｆに示される）との組合せ用に、突出部１１０２，１１０４，１１０６を有する超音波トランスデューサ８００における孔部１１００を示している。これらの図に示されなくとも、突出部１１０２が、斜めになったキー溝９０６（図９Ｄに示される）との組合せ用に、所定の角度をなして形成されてもよい。特に図示しないが、キー溝９０８，９１０は、また、ボンディングツールの長手方向に対して所定の角度でをなして形成されてもよい。これに伴い、突出部１１０４，１１０６が、それぞれ、これらの斜めになったキー溝との組合せ用に、適切な角度をなして形成されてもよい。
【００４８】
本発明の第３の実施形態が、図１２Ａ−１２Ｃに示される。図１２Ａは、本発明の第３の実施形態に係るボンディングツール１２００の縦断面説明図である。図１２Ａに示されるように、ボンディングツール１２００は、上側の本体部１２０２，下側の円筒形本体部１２０４及び円錐形の本体部１２０６を有している。上側本体部１２０２の長さに沿って、平面領域１２０３が設けられている。この実施形態では、平面領域１２０３が、ボンディングツール１２００の質量及び慣性モーメントの両方を変化させるように作用し、超音波トランスデューサにおいてボンディングツール１２００を位置合せする手段をもたらす。
【００４９】
本実施形態では、平面部１２０３が、約０．１７７インチ（４．５０ミリメートル）であり、下側の円筒形部分１２０４の直径が、約０．０６２５インチ（１．５９ミリメートル）であり、平面部１２０３と、上側本体部１２０２の該平面部の反対側にある外壁との間の距離が、少なくとも０．０５インチ（１．２７ミリメートル）である。前述したように、第１の実施形態では、平面部１２０３と軸方向における通路１２２０の内壁との間のＭＷＴ（例えば図３Ｈに示される）が、ツールの完全性のために確保される必要がある。他の全ての点に関しては、この実施形態は、第１及び第２の実施形態と同様である。
【００５０】
本発明の第４の実施形態が、図１３Ａ−１３Ｄに示される。図１３Ａは、本発明の実施形態にかかるボンディングツール１３００の断面図である。図１３Ａに示されるように、ボンディングツール１３００は、上側の円筒形部分１３０２，下側の本体部１３０４及び円錐形本体部１３０６を有している。下側の本体部１３０２の長さに沿って、平面領域１３０３，１３０５が設けられている。第４の実施形態は、第１及び第２の実施形態の組合せである。この実施形態では、下側の本体部及び平面領域１３０３，１３０５が、ボンディングツール１３００の質量及び慣性モーメントを変化させ、それにより、ボンディングツール１３００の減衰に作用する。
【００５１】
図１３Ｂは、孔部１３２０を示すボンディングツール１３００の断面図である。図１３Ｃは、上側の円筒形部分１３０２，下側の本体部分１３０４及び平面領域１３０３，１３０５間の関係をあらわすボンディングツール１３００の平面図であり、また、図１３Ｄは、ボンディングツール１３００の斜視図である。前述したように、第１の実施形態では、平面部１３０３と軸方向における通路１３２０の内壁との間のＭＷＴ（例えば図３Ｈに示される）が、ツールの完全性のために確保される必要がある。他の全ての点に関しては、この実施形態は、第１及び第２の実施形態と同様である。
【００５２】
本発明は、各種の実施形態に関して説明されたが、これに限定されるものでない。むしろ、添付された特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び要旨を逸脱することなく、当業者によってなされる他の変更及び形態を含むように構成されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来のボンディングツールの側面図である。
【図２】トランスデューサ動作に関したボンディングツールレスポンスを示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第１の図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第２の図である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第３の図である。
【図３Ｄ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第４の図である。
【図３Ｅ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第５の図である。
【図３Ｆ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第６の図である。
【図３Ｇ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第７の図である。
【図３Ｈ】本発明の第１の実施形態に係るボンディングツールを示す第８の図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールを示す第１の図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールを示す第２の図である。
【図４Ｃ】本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールを示す第３の図である。
【図４Ｄ】本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールを示す第４の図である。
【図４Ｅ】本発明の第２の実施形態に係るボンディングツールを示す第５の図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るボンディングツールに関した超音波エネルギーの効果を点であらわしたグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るボンディングツールに関した共鳴周波数に対する超音波エネルギーを点であらわしたグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係るボンディングツールに関したキャピラリの変位を点であらわしたグラフである。
【図８】超音波トランスデューサと一例としてのボンディングツールの相互関係を示す図である。
【図９Ａ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第１の手法をあらわす図である。
【図９Ｂ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第２の手法をあらわす図である。
【図９Ｃ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第３の手法をあらわす図である。
【図９Ｄ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第４の手法をあらわす図である。
【図９Ｅ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第５の手法をあらわす図である。
【図９Ｆ】超音波トランスデューサ内でボンディングツールを方向付ける第６の手法をあらわす図である。
【図１０Ａ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第１の例を示す第１の図である。
【図１０Ｂ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第１の例を示す第２の図である。
【図１０Ｃ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第１の例を示す第３の図である。
【図１０Ｄ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第１の例を示す第４の図である。
【図１１Ａ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第２の例を示す第１の図である。
【図１１Ｂ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第２の例を示す第２の図である。
【図１１Ｃ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第２の例を示す第３の図である。
【図１１Ｄ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第２の例を示す第４の図である。
【図１１Ｅ】図９Ａ−９Ｆのボンディングツールを結合させるための超音波トランスデューサの詳細の第２の例を示す第４の図である。
【図１２Ａ】本発明の第３の実施形態に係るボンディングツールを示す第１の図である。
【図１２Ｂ】本発明の第３の実施形態に係るボンディングツールを示す第２の図である。
【図１２Ｃ】本発明の第３の実施形態に係るボンディングツールを示す第３の図である。
【図１３Ａ】本発明の第４の実施形態に係るボンディングツールを示す第１の図である。
【図１３Ｂ】本発明の第４の実施形態に係るボンディングツールを示す第２の図である。
【図１３Ｃ】本発明の第４の実施形態に係るボンディングツールを示す第３の図である。
【図１３Ｄ】本発明の第４の実施形態に係るボンディングツールを示す第４の図である。
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004525511.tif 000052
【国際調査報告】
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