(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤをボンディングするキャピラリであって、
（ａ）壁部及び中央に貫通するボアを有する剛性管状部材と、
（ｂ）二対の対向するセクタを有する前記壁部と、
を有し、
（ｃ）前記ボアの中心を通り、前記二対の対向するセクタの一方の壁部間の前記ボアに直交する最小寸法が、前記ボアの中心を通り、前記二対の対向するセクタの他方の対の壁部間の前記ボアに直交する最小寸法より実質的に大きく、且つ、前記二対の対向するセクタの他方の壁部は、前記ボアに直交する方向に凹面状であり、前記二対の対向するセクタの一方の壁部は、前記ボアに直交する方向に凸面状であることを特徴とするキャピラリ。
【請求項２】
ボンドパッドにボンドを形成する方法であって、
（ａ）ボアを有し、前記ボアに直交する方向に長い寸法を有し、且つ前記長い寸法に直交する方向に短い寸法を有する横断面を有する少なくとも一つのキャピラリを設けるステップと、
（ｂ）第一の方向に前記長い寸法で配向された前記キャピラリで、前記ボンドパッドの一つにワイヤをボンディングするステップと、
（ｃ）前記ボンドパッドの一つに直ぐ隣接するボンドパッドにワイヤをボンディングするステップと、
を含み、
前記キャピラリは、壁部とキャピラリを通過する前記ボアを有する剛性の管状部材であり、前記壁部は、二対の対向するセクタを有し、前記二対の対向するセクタの一方は、それらの間で前記ボアの中心を通り、前記ボアに直交するラインにおいて前記最も短い寸法を有し、前記二対の対向するセクタの他方は、それらの間で前記ボアの中心を通り、前記ボアに直交するラインにおいて前記最も長い寸法を有し、且つ、前記二対の対向するセクタの一方の壁部は、前記ボアに直交する方向に凹面状であり、前記二対の対向するセクタの他方の壁部は、前記ボアに直交する方向に凸面状であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、キャピラリ(capillary) に関し、半導体装置のボンドパッドのワイヤボンディングおよびボンド(bond)の形成法に関連する設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールボンディングは、内部半導体ダイを外部リード線に連結する半導体製造技術において、幅広く用いられている。この処理においては、通常およそ２５μｍ（0.0010インチ）から３０μｍ（0.0013インチ）の細い金線が、頂部に入口を有し且つボアの反対端に出口を有するセラミックキャピラリ、一般的にはアルミナを通じてフィードされる。ボールは、出口の外部で、以前ボンディングされた後の残存するワイヤの微小な部分を溶解する電子的なフレームオフ（ＥＦＯ）機構により形成される。本質的に、ボールは、電子的放電スパークにより、ワイヤの終端部で形成される。この時に、キャピラリはボールから比較的（数ミリメートル）離れている。ボールが、キャピラリの面の径の中央に位置され、キャピラリがダイ上のボンドパッドに連続して移動することにより下方に力を加えられるまで、ワイヤはテンショナにより移動を制限される。ボールは、組み立てられた半導体装置のボンドパッド上に配置され、キャピラリの終端は、パッドに対して、サーモソニックエネルギーによりボンドを提供する。
上述のボールボンディングステップは、キャピラリの径のためにおよそ１００μｍ(0.0039 インチ) より近くなるボンドパッドを伴う集積回路において、金のワイヤのボールボンディングに対して大きな困難性を示す。半導体装置のパッド間のピッチが減少すると、ボールを作り、ボールおよびワイヤが隣接するパッド上で干渉せずに、ボールおよびパッドに取り付けられるワイヤをボンディングするキャピラリの余地がなくなる。現在の細かいピッチの金線によるボールボンディングは、細かいピッチすなわちボトルノーズキャピラリを用い、標準のキャピラリで可能なピッチよりも細かいピッチを許容する。しかしながら、ボンディングのピッチをおよそ９０μｍ(0.0035 インチ) 以下にするために、ステッチボンド(stitch bond) の強度を劣化させないで、キャピラリの径を十分に縮小させることは不可能である。このステッチボンドの強度劣化の理由は、キャピラリの径が縮小すると共に、ステッチボンドを形成するキャピラリの面の径が縮小し、それによってステッチが形成される領域が減少することである。また、ステッチボンディング中に、大きなストレスがキャピラリのボンド面上にかかる。キャピラリのボンドチップが実際にリードフレームに加圧され、キャピラリのチップのインプリントをリードフィンガ内に残し、それによってボールボンディングに関する上述と同じ問題が生じる。更に、キャピラリの製造コストは、歩留りが減少することにより増加し、小さい径を有するキャピラリが標準のキャピラリよりももろいために、キャピラリの寿命は短くなる。改良されたキャピラリすなわち半導体装置のパッドにワイヤボンディングを行う技術は、ボンドパッドの寸法および間隔が縮小すると、ますます好ましいことが明白である。
【０００３】
【発明の概要】
本発明によると、従来技術のキャピラリにおける固有の上述の問題が、ダイの縁に対してボンディング角度を４５°から９０°の間に保ちながら、ダイの縁に沿ってパッド上にボールボンディングするという代表的なボンディングの形態を利用することによって最小化される。用語“ボンディング角度”は、ワイヤがパッドにボンディングされ、ワイヤがキャピラリを通して引かれ、リードフィンガにボンディングされた後に、ワイヤがチップの縁となす角度である。
要約すると、標準のキャピラリに関する四つのセクタの対向する二つのセクタにおける幅を減少したキャピラリが提供される。四つのセクタは、対向するセクタの一対が対向するセクタの他の対より大きくなることができる四分円であってよいが、そうである必要はない。このことは、好適には、対向するセクタの各々における十分に厚い壁を、それらの壁に適用される圧力に耐えられるように保ちながら、対向する一対のセクタの外部の一部を除去することにより達成される。キャピラリのチップ部の好ましい形状は、蝶型の形状である。キャピラリのチップの形状の所望の特性として、キャピラリのチップの厚いセクタが、隣接するボンドパッド上に前に形成されたボールボンドの周りであって且つそこから離された位置に少なくとも部分的に適合するように形成されるべきである。
【０００４】
製造中、互いに直角に方向づけられた二つのそのようなキャピラリの各々、すなわち９０°だけ回転可能な単一のキャピラリが、四つのセクタによるピッチを減少する性能を実現するために要求される。キャピラリのボンディング領域の長さではなく幅を減少することによって、隣接するボールの距離が、ステッチボンドの質を劣化させることなく、減少可能となる。
二つのキャピラリが用いられ、一つは（リードフレームに関してＹ方向で）超音波エネルギーに対して並行（縦方向）な主軸を有しており、他方は（リードフレームに関してＸ方向で）超音波エネルギーに対して垂直（横方向）な主軸を有する。例えば、TI ABACUS AIIISRのような二重ヘッドボンダーが、一つのボンドヘッドにおいて縦に方向づけられたキャピラリと他方のボンドヘッドにおいて横に方向づけられたキャピラリに設置されるために、単一のヘッドボンダーより優れた利点がある。そのために、二重ヘッドボンダーを伴って、各装置は、ボンダーを通して単一のパスにおいてボンディングされることができる。単一のヘッドボンダーは、一つの方向に設定されるキャピラリのパスを生成し、第二のパスを生成する前にボンダー上のキャピラリの方向を変化し、また代わりに別のボンダーを用いて他の方向に設定されるキャピラリの第二パスを生成することによって、このアプローチを使用することが可能となる。二つの単一ヘッドボンダーは、第一ボンダーから第二ボンダーへボンディングされたリードフレームを自動的に運ぶために物理的に結合されることができ、ボンダー間のリードフレームストリップの手動操作を除去し、高品質で信頼性の高い生産物を生産する。
【０００５】
本発明の第一の実施例の場合には、ダイの縁に対して９０°に近いボンディング角度を有するワイヤが、標準のキャピラリで生成されるボンドと実質的に同一であるステッチボンドを生成する。しかしながら、ボンディング角度が４５°の方向に動く時、ステッチボンディング中にワイヤに示される面が明らかに修正される。主要なボンディング特性の劣化は、最小となり、良質で信頼性のあるボンディングが多くの用途において許容できるものとなる。本発明の実施例は、ボンディング角度が９０°近くである矩形の細かいピッチボンディングに特に適する。薄くされたセクタにおける平らにされた対向する側部を有するキャピラリを蝶型の形状に修正することは、標準のキャピラリにより製造されたものと実質的に同一のステッチボンドを生成する均一な幅のボンド面および大きい外径を示すことによる影響を最小化し、可能な限り除去する。蝶型の形状は、可能な限り最小のボールボンドピッチを達成することができる。
【０００６】
【実施例】
図１を参照すると、水平横断面においてほぼ環状である従来のキャピラリであって、中央ボア３を有するもののチップ部１の垂直方向の横断面が示される。金ワイヤ５は、ボア内に位置し、ボア３の底部で斜角面に配置されるボール７に形成されてきた。ボンディングは、図２に示されるように、ダイ１１のパッド９に対して図１のボール７を近づけ、ボールに影響を及ぼすキャピラリのチップから超音波パルスおよび圧力を適用することによって生成され、ダイパッドに対して平らにされ、ボンディングさせる。キャピラリは、ダイパッドから離れる方に引き上げられ、次のワイヤボンディング位置に移動する。示されるように、ボンドパッド９の寸法が小さくなり、ボンドパッド間の間隔が小さくなると、キャピラリ１の水平横断面を小さくする必要が生じる。上述のように、横断寸法を連続して減じることは、結局、キャピラリの壁が、図１および２に示されるようにボール７に所望の力を加え、処理中の破壊を回避するためには薄すぎる。また、ダイパッド間の間隔を減少すると、キャピラリの寸法が、隣接するボンドパッド上のボンドとキャピラリを干渉させる。
【０００７】
上述の問題は、図３に示される第一の実施例に従って軽減され、その実施例において、四つのセクタを仮定した場合に、従来のキャピラリにおいて提供される同一の寸法では平らでない形状に制限されたが、キャピラリのチップの水平方向の横断面が変更され、対向する一対のセクタ２１および２３が平らにされる。従って、壁２１および２３の間の寸法は、環状部２５および２７の間の径の寸法よりも小さくなる。
図４を参照すると、取り除かれてきたセクタの対向する壁３１および３３の対が、事実上いくらか環状となる蝶型の形状が示される。しかしながら、壁３１および３３の形態はいかなる形状をもとることができ、壁３５および３７が隣接するボンドパッド上に予めボンディングされたボールに対して少なくとも部分的にはその周囲であって、またそこから離間して適合できることが、単に必要なだけである。所望のそのような適合の程度は、キャピラリの寸法およびボンドパッド間の間隔に左右される。
本発明の第二の実施例は、図５における代表的なボンディング位置において示される。位置Ａ，ＢおよびＣは縦向きのキャピラリを示し、位置ＤおよびＥは横向きのキャピラリを示す。キャピラリはシリコンダイ４９の表面上に位置するボンドパッド４６および４７上にボールボンドを位置する。ボンドワイヤ５０は、ボンドパッド４８およびパッケージリード（図示せず）の間を延びている。
【０００８】
ボールボンドはキャピラリ位置Ａのボンドパッド上に位置される。ボールボンドが完了すると、キャピラリはボンダーのボンドヘッドにより、ステッチボンドがパッケージリードに生成されるキャピラリ位置Ｂの近くで隣接する位置に移動される。キャピラリ位置Ｂは、ボンディング角度がダイ４９の縁に関して９０°近い場合を表す。この場合において、本発明の両方の実施例は良質のボールおよびステッチボンドを生成する。キャピラリ位置Ｃは、ボンディング角度が４５°に近い場合を表す。この場合において、本発明の第二の実施例である蝶型の形状が、本発明の第一の実施例に関して優れたステッチボンドを生成する。
キャピラリ位置Ｄは、ボールボンドが、位置Ａのキャピラリにより位置されるボールボンドに垂直なダイ４９の側部に生成される場合を表す。キャピラリ位置Ｅは、キャピラリ位置ＢおよびＣで生成されたステッチボンドに垂直なダイ４９の側部に沿ったステッチボンドを表す。このボンディング工程は、全てのボンディングが完了するまで、ダイ４９の各縁に沿って連続することが意図される。キャピラリ位置Ａにより表される側部およびこの側部に対向する側部に沿った全てのボンディングが、位置Ａにおける方向づけられたキャピラリにより達成される。同様に、キャピラリ位置Ｄにより表される側部およびこの側部に対向する側部に沿った全てのボンディングが、位置Ｄにおける方向づけられたキャピラリにより達成される。
【０００９】
図６を参照すると、キャピラリ５１がパッドの下方でボンディングしながら、どのようにキャピラリ５１が前に形成されたボールボンド５３と接触するのを防ぐかが示される。
本発明は特別で好適な実施例に関して説明されてきたが、多くの変更および修正が当業者にとって容易である。従って、本発明の特許請求の範囲は、従来技術の観点から、そのような多くの変更および修正を可能な限り含むように解釈される必要がある。
【００１０】
以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。
（１）ワイヤをボンディングするキャピラリであって、
（ａ）壁部および貫通する中央ボアを有する剛性管状部材と、
（ｂ）二対の対向するセクタを有する前記壁部とを含み、
（ｃ）前記ボアの中心を通り、対向するセクタの前記二対の一方の外部壁の間の前記ボアに直交する最小寸法が、前記ボアの中心を通り、対向するセクタの前記二対の他方の外部壁の間の前記ボアに直交する最小寸法より実質的に大きいことを特徴とするキャピラリ。
（２）対向するセクタの前記二対の他方の壁の一つが、前記ボアに向かって内方に入り込み、対向するセクタの前記二対の一方の壁の一つが、前記ボアから離れる方向に外方に出っ張ることを特徴とする（１）に記載のキャピラリ。
（３）内方に入り込んでいる対向するセクタの前記二対の他方の壁の一つが前記ボアに向かって凹面状であり、外方に出っ張っている対向するセクタの前記二対の一方の壁の一つが前記ボアに向かって凸面状であることを特徴とする（２）に記載のキャピラリ。
（４）対向するセクタの前記二対の他方の各壁が平坦であって、各壁が平行であり、前記他方の対の壁間の距離が、セクタの前記一方の対の壁間の距離よりも小さいことを特徴とする（１）に記載のキャピラリ。
（５）前記一方の対の各壁が環状であることを特徴とする（４）に記載のキャピラリ。
（６）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有することを特徴とする（１）に記載のキャピラリ。
（７）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有することを特徴とする（２）に記載のキャピラリ。
（８）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有することを特徴とする（３）に記載のキャピラリ。
（９）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有することを特徴とする（４）に記載のキャピラリ。
（１０）セクタの各前記対の各々のセクタが、セクタの同一の対の他方のセクタと実質的に同一形状を有することを特徴とする（５）に記載のキャピラリ。
（１１）ワイヤをボンディングするキャピラリであって、
（ａ）壁部および中央ボアを有する剛性管状部材を有し、
（ｂ）前記壁部が横断面においてほぼ蝶型形状を有することを特徴とするキャピラリ。
（１２）ワイヤをボンディングするキャピラリであって、
（ａ）ボアを有するキャピラリチューブを有し、
（ｂ）前記キャピラリチューブが、前記ボアに直交する方向に長い寸法を有し、前記長い寸法に直交する方向に短い寸法を有する横断面を有することを特徴とするキャピラリ。
（１３）ボンドパッドにボンドを形成する方法であって、
（ａ）ボアを有し、前記ボアに直交する方向に長い寸法を有し、前記長い寸法に直交する方向に短い寸法を有する横断面を有する少なくとも一つのキャピラリを提供し、
（ｂ）前記キャピラリを第一方向に前記長い寸法で配向され、前記ボンドパッドの一つにワイヤをボンディングし、
（ｃ）前記ボンドパッドの前記一つに隣接するボンドパッドにワイヤをボンディングするステップを含む方法。
（１４）前記ボンドパッドの前記一つに隣接するボンドパッドにワイヤをボンディングする前記ステップが、前記第一方向に直交する方向において前記長い寸法で配向された前記キャピラリをもって行われることを特徴とする（１３）に記載の方法。
（１５）前記キャピラリがほぼ蝶型の外部形状を有することを特徴とする（１３）に記載の方法。
（１６）前記キャピラリがほぼ蝶型の外部形状を有することを特徴とする（１４）に記載の方法。
（１７）前記キャピラリが、壁部および貫通する前記ボアを有する剛性管状部材であって、前記壁部が、対向する二対のセクタを有し、対向するセクタの前記二対の他方が、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直交するラインにおいて前記短い寸法を有し、対向するセクタの前記二対の一方が、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直交するラインにおいて前記長い寸法を有することを特徴とする（１３）に記載の方法。
（１８）前記キャピラリが、壁部および貫通する前記ボアを有する剛性管状部材であって、前記壁部が、対向する二対のセクタを有し、対向するセクタの前記二対の他方が、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直交するラインにおいて前記短い寸法を有し、対向するセクタの前記二対の一方が、それらの間であって前記ボアを通り前記ボアに直交するラインにおいて前記長い寸法を有することを特徴とする（１６）に記載の方法。
（１９）対向するセクタの前記二対の他方の前記壁部が、ほぼ環状であって、前記ボアに向かって内方に凹面状であり、対向するセクタの前記二対の一方の前記壁部が、ほぼ環状であって、前記ボアから離れる方向に外方に凸面状であることを特徴とする（１７）に記載の方法。
（２０）対向するセクタの前記二対の他方の前記壁部が、ほぼ環状であって、前記ボアに向かって内方に凹面状であり、対向するセクタの前記二対の一方の前記壁部が、ほぼ環状であって、前記ボアから離れる方向に外方に凸面状であることを特徴とする（１８）に記載の方法。
（２１）ボア３、および該ボアに直交する方向に長い寸法を有し且つ長い寸法に直交する方向に短い寸法を有する横断面を備える、ワイヤ５をボンディングするキャピラリ１を提供する。キャピラリが第一方向において長い寸法（２５から２７または３５から３７）により配向される一方でワイヤを一つのボンドパッドにボンディングし、長い寸法により同一方向もしくは要求されるならば第一方向に直角な方向に配向されうるキャピラリを伴って、前記一つのボンドパッドにすぐに隣接するダイにワイヤをボンディングするキャピラリを用いて、ボンドをボンドパッド９に生成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤおよびボールを伴う従来の標準キャピラリのチップ部１の垂直横断面図。
【図２】ボールがボンドパッドにボンディングされた後の垂直横断面図。
【図３】本発明の第一の実施例によるキャピラリのチップ部の横断面図。
【図４】本発明の第二の実施例によるキャピラリのチップ部の横断面図。
【図５】キャピラリ設計およびボンディング工程の可能性を実現するのに要求される重要なキャピラリ位置を示した図。
【図６】キャピラリがパッドの下方でボンディングしながら、前に形成されたボールボンドと接触するのを防ぐキャピラリを示した図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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