JPH0620090B2 - ボンデイング装置 - Google Patents

ボンデイング装置

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JPH0620090B2
JPH0620090B2 JP1263136A JP26313689A JPH0620090B2 JP H0620090 B2 JPH0620090 B2 JP H0620090B2 JP 1263136 A JP1263136 A JP 1263136A JP 26313689 A JP26313689 A JP 26313689A JP H0620090 B2 JPH0620090 B2 JP H0620090B2
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laser
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ブライアン・ワシユバーン・ハースイ
マリオ・ジヨン・インターランテ
サデイプタ・カマー・レイ
クリスナ・セシヤーン
フアハド・シヤプール
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Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は、表面のボンディングに関するものであり、特
に、レーザ及び超音波エネルギーを使用したボディング
に関するものである。
Ｂ．従来の技術 レーザ・エネルギーと超音波エネルギーは、組み合わせ
て、各種の用途に使用されてきた。たとえば、米国特許
第４５７６１７７号明細書には、歯石を除去するための
装置が開始されている。歯石を超音波エコーで識別し、
レーザ照射により破壊して除去する。レーザ光線は、光
ファイバにより正確な位置に送られる。
さらに適切な例として、レーザ光及び超音波エネルギー
を使って表面をボンディングする各種の方法及び装置が
提案されている。たとえば、米国特許第４３３０６６９
号明細書には、レーザ光線を超音波変調しながら、ボン
ディングする表面に直接照射する方法が開示されてい
る。多くの用途では、このようなレーザ溶接は、ボンデ
ィングした表面の溶融が生じるために望ましくない。
米国特許第４５３４８１１号明細書には、装置のボンデ
ィング・ティップを内部に照射したレーザ光線で加熱す
る表面ボンディング装置が開示されている。次に、必要
があれば超音波エネルギーを表面に与えて、超音波ボン
ディングを行なう。このような装置では、ティップを調
節しながら、レーザ光線を確実にティップに焦点合せす
ることが困難である。ティップに入らなかったレーザの
部分は無駄になり、おそらくさらに重要なことは、装置
の操作員に危険を及ぼす恐れがある。
最近では、リサーチ・ディスクロージャ（Research Dis
closure）、ＮＯ．２６７（１９８６年７月）に所載の
エーレンバーグ（Ehrenberg）等の論文、及びセミコン
ダクタ・インターナショナル（Semiconductor Internat
ional）、ｐｐ．１３０〜１３１、１９８８年５月号に
所載のチャルコ（Chalco）等の論文は、光ファイバ・ケ
ーブルによりレーザ光線をボンディング・ティップに伝
達するレーザ・ボンディング装置を開示している。ボン
ディング・ティップの先端は開いているので、レーザ光
線からのエネルギーの一部が、ボンディング・ティップ
を加熱するのに用いられ、一部はボンディングする表面
を直接加熱して溶融するのに用いられる。この操作には
超音波エネルギーは使用しない。ボンディング表面の溶
融は、レーザ光線が表面に直接衝突するとによって起こ
る。
上記の米国特許第４５３４８１１号明細書の超音波加熱
ボンディング及び上記のチャルコ等のレーザ・ボンディ
ングの重要な適用分野のひとつは、多層セラミック（Ｍ
ＬＣ）パッケージングの表面相互接続用の細いワイヤの
個別ワイヤ・ボンディングである。本発明の説明は、個
別ワイヤ・ボンディングを中心に行なうが、本発明は個
別ワイヤ・ボンディングに限定されていると解すべきで
はない。本発明は、他の多くのボンディング及び用途に
適用することが可能で、これらも本発明の範囲内に含ま
れる。
ＭＬＣパッケージングでは、各チップは設計変更（Ｅ
Ｃ）パッドで囲まれている。設計変更が必要な場合は、
所定のＥＣパッド間に細いワイヤをボンディングするこ
とにより、新しい相互接続を形成する。代表的なＭＬＣ
パッケージでは、チップは金の薄層で被覆し、ＥＣパッ
ドは現在のボンディング法を適用するのに必要な、はる
かに厚い金の層で被覆する。
チップとＥＣパッドが２つの異なる厚みの金で被覆され
ているため、ＥＣパッドに余分な金を付着させる際に、
チップをマスクしなければならず、製造が複雑になる。
これにはさらに製造工程を追加することが必要となり、
複雑さと同時に製品の最終コストも増加する。したがっ
て、チップとＥＣパッドの金の厚みを同じにすることが
望ましいのは明らかである。残念ながら、いわゆる“薄
い金”（約２５００Å）にボンディングする試みは不成
功に終わっている。したがって、薄い金の表面にボンデ
ィング、特にワイヤ・ボンディングを可能にすることが
求められている。
Ｃ．発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、従来困難であった表面のボンディング
を可能にすることである。
本発明の他の目的は、製造の複雑さを減少させる装置及
び方法により、表面をボンディングすることにある。
本発明の他の目的は、使用が安全な装置及び方法によ
り、表面をボンディングすることにある。
本発明の他の目的は、薄い金の表面に個別ワイヤ・ボン
ディングを行なうことにある。
Ｄ．課題を解決するための手段 本発明の目的は、本発明の１態様によれば、下記のボン
ディング装置によって達成される。この装置は、 少なくとも一部が開放端と閉鎖端を有する円錐形で、上
記開放端から上記閉鎖端に向かって先細になったボンデ
ィング・ティップと、 上記ボンディング・ティップと協働する超音波エネルギ
ー源と、 レーザ・エネルギー源と 上記レーザ・エネルギー源から上記ボンディング・ティ
ップの閉鎖端へレーザ光線を伝達して、上記閉鎖端を局
部的に加熱できるように、上記レーザ・エネルギー源か
ら上記ボンディング・ティップの内部に延びる光ファイ
バから構成される。
本発明の第２の態様によれば、個別ワイヤ・ボンディン
グ用の下記のボンディング装置が提供される。この装置
は、 少なくとも一部が開放端と閉鎖端を有する円錐形で、上
記開放端から上記閉鎖端に向かって先細になったボンデ
ィング・ティップと、 上記ボンディング・ティップと協働して、超音波エネル
ギーを上記ボンディング・ティップに伝達する超音波エ
ネルギー源と、 レーザ・エネルギー源と、 上記レーザ・エネルギー源から上記ボンディング・ティ
ップの閉鎖端へレーザ光線を伝達して、上記閉鎖端を局
部的に加熱できるように、上記レーザ・エネルギー源か
ら上記ボンディング・ティップの内部に延びる光ファイ
バから構成され、 上記超音波エネルギーと、加熱されたボンディング・テ
ィップによりワイヤ・ボンディングを行なうものであ
る。
本発明の最後の態様によれば、下記のボンディング装置
が提供される。この装置は、 少なくとも一部が開放端と閉鎖端を有する円錐形で、上
記開放端から上記閉鎖端に向かって先細になったボンデ
ィング・ティップと、 レーザ・エネルギー源と、 上記レーザ・エネルギー源から上記ボンディング・ティ
ップの閉鎖端へレーザ光線を伝達して、上記閉鎖端を局
部的に加熱できるように、上記レーザ・エネルギー源か
ら上記ボンディング・ティップの内部に延びる光ファイ
バ から構成される。
Ｅ．実施例 図面を詳細に、特に第１図及び第２図を参照して、本発
明によるボンディング装置１０について説明する。この
ボンディング装置は、ボンディング・ティップ１２、ボ
ンディング・ティップ１２と協働する超音波エネルギー
源１４、レーザ・エネルギー源１６、及びレーザ・エネ
ルギー源１６からボンディング・ティップ１２まで延び
る光ファイバ１８から構成される。
ボンディング・ティップ１２を、ボンディングする対象
物、この説明ではワイヤ３２の上に置く。ボンディング
装置１０の操作（後で詳細に説明する）により、ワイヤ
３２は基板３４にボンディングされる。
次に、第２図を参照すると、ボンディング・ティップ１
２の拡大図は、ボンディング・ティップ１２をさらに詳
細に示している。ボンディング・ティップ１２は、少な
くとも円錐形の部分２０を有する。必要があれば、ティ
ップ全体を円錐形にしてもよいが、そうすると材料が無
駄になる。そうではなく、円錐形の部分２０を、たとえ
ば断面が円形または長方形のシャンク２２の延長とす
る。ボンディング・ティップ１２は、開放端２４と閉鎖
端２６を有する中空とする。ボンディング・ティップ１
２の内部は、開放端２４から閉鎖端２６に向かって先細
になっている。ボンディング・ティップ１２の内部に
は、絶縁スリーブ、好ましくはボンディング・ティップ
の空洞内にぴったり嵌合するセラミックのスリーブ２８
がある。光ファイバ１８はセラミック・スリーブ２８の
内部に置かれ、セラミック・スリーブ２８は光ファイバ
１８をボンディング・ティップ１２の閉鎖端２６と同軸
に整合させる。セラミック・スリーブ２８は超音波振動
の間、光ファイバ１８とボンディング・ティップ１２の
相対移動を防止する。セラミック・スリーブ２８は、ア
ルミナ等、任意のセラミック材料製のものでもよい。
ボンディング・ティップ１２は、ボンディング・ティッ
プの閉鎖端２６の内部に光学的コーディング３０を有す
るものでよい。光コーティング３０は、使用する特定の
レーザの波長を吸収する。光コーティング３０は、レー
ザ・エネルギーの吸収率を高め、光から熱への全体的変
換効率を上げる。光コーティング３０は、たとえば化学
蒸着した炭素または酸化クロムのものでよい。
光コーティングの代りに、ボンディング・ティップ１２
の閉鎖端２６の内部を放電加工（ＥＤＭ）で形成すれ
ば、粗い表面によって、光コーティングを使用せずに、
レーザ・エネルギーの吸収を最大にする望ましい効果が
得られれることが判明している。もちろん、この場合
も、必要なら光コーティングを設けてもよい。
さらにボンディング・ティップ１２には、ボンディング
・ティップ１２とワイヤ３２との熱的及び機械的結合を
強化するための溝３６を、ボンディング・ティップ１２
の底部に設けてもよい。
超音波エネルギー源１４は、当業者が周知のように、超
音波発生装置とすることができる。超音波発生装置は、
超音波エネルギーを超音波発生装置１４からボンディン
グ・ティップ１２へ伝達することができるように、直接
または間接に、ボンディング・ティップ１２に協働する
ように係合または結合することが必要である。
本発明の目的に好ましい特定のレーザ・エネルギー源
は、波長１．０６μｍの連続波Ｎｄ：ＹＡＧレーザであ
る。レーザ・パルスを発生させるため、レーザ装置中に
シャッタ３８を設ける。パルスの持続時間は、通常約３
００ミリ秒で、出力レベルは３ないし１０Ｗの範囲であ
る。レーザ光線は光学レンズ４０により光ファイバ１８
に結合される。
使用する特定の種類の光ファイバは、通常高純度の石英
製で、しばしば送電用に使用されるものである。遠隔通
信用の同じ光ファイバは、プラスチック・コーティング
が設けてあり、それがボンディング・ティップ１２内で
溶融するため、適当でない。
光ファイバ１８は、レーザ・エネルギー源からボンディ
ング・ティップ１２の内部に延びている。この光ファイ
バは、レーザ光線をレーザ・エネルギー源１６から、ボ
ンディング・ティップの閉鎖端２６まで、最少の損失で
伝達することができる。光ファイバ１８により、レーザ
・エネルギーを、実際に必要な閉鎖端２６の局部的加熱
のため、ボンディング・ティップ１２の閉鎖端２６に正
確に当てることができる。レーザによってボンディング
・ティップの他の部分に伝達される熱は、加熱されたテ
ィップからの伝導による熱以外はわずかである。
レーザがパルス式であるため、ボンディング・ティップ
１２の加熱は断続的である。断続的加熱は、時間と共に
増大する熱損傷を避けながらワイヤ３２と基板３４を急
速加熱する点で柔軟性をもたらすので好ましいことが判
明している。供給される超音波エネルギーも、通常約３
００ミリ秒のパルスとする。超音波パルスは、レーザ・
パルスの前、後または同時に供給することができる。し
かしレーザ・パルスと超音波パルスはオーバーラップ
（非同期動作）させ、最初にレーザ・パルスを供給し、
約１００ミリ秒後に超音波パルスを重ね合わせることが
好ましい。
操作に際しては、ボンディング・ティップ１２をワイヤ
３２の上に置く。レーザ及び超音波発生装置の（好まし
くは）非同期操作を開始する。ボンディング・ティップ
１２は、約３００℃の最高温度に達するが、この温度は
ワイヤ３２を溶融させるには不十分である。熱及び超音
波エネルギーにより、ワイヤ３２は基板３４にボンディ
ングされる。
本発明の好ましい実施例では、個別ＥＣワイヤを１つの
ＥＣパッドにボンディングする。このＥＣパッドは、た
とえばチタン・銅・ニッケル／金などからなる多層メタ
ラジ構造を有する。ＥＣパッド上の金の厚みは、製造工
程を簡単にするため、チップの金の厚みと同じにするこ
とが望ましい。現在のチップ上の金の厚みは通常１００
０ないし２５００Å程度である。従来技術による超音波
ボンディングはこの厚みの金を有するＥＣパッドにワイ
ヤ・ボンディングを行なうのに使用するには信頼性がな
い。本発明によれば、以下に示すように、このように薄
い金を有するＥＣパッドへのワイヤ・ボンディングを容
易に行なうことができる。
本発明の好ましい動作態様は、ボンディング・ティップ
のレーザ加熱と、供給する超音波エネルギーがあいまっ
て、望ましいボンディングをもたらすことである。しか
し、超音波エネルギーを使用せずにある種のボンディン
グ工程を行なうことも本発明の範囲内に含まれる。たと
えば、本発明によるボンディング装置は、ボンディング
・ティップの効率的な加熱が望ましい場合に、はんだ付
けに使用することができる。本発明の他の用途も考えら
れる。このような他の用途も本発明の範囲内に含まれ
る。
レーザ援用超音波ボンディング中、ボンディング・ティ
ップの温度を監視できることが望ましいことが判明して
いる。したがって、本発明ではさらに、ボンディング・
ティップ１２の閉鎖端２６の温度を測定する手段を設け
る。簡単な熱電対を使用してもよいが、これはボンディ
ング中の温度ではなくボンディング前またはボンディン
グ後の温度を測定するため、最も有効な手段ではない。
好ましい温度測定手段４２は、ボンディング・ティップ
１２とレーザ・エネルギー源１６との間に二色性ミラー
４４を挿入したものである。通常、二色性ミラー４４は
第１図に示すように、レーザ装置中に設けることが好ま
しい。二色性ミラーは当業者には周知である。このよう
な二色性ミラーは、所定の波長より短い光は透過する
が、所定の波長より長い光は反射するので、選択性波長
フィルタである。本発明では、二色性ミラー４４によ
り、レーザ・エネルギー源の波長（たとえば、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザでは１．０６μｍ）と同じ波長の光は二色性
ミラー４４を通過することができるが、レーザ・エネル
ギー源と異なる長い波長の光は反射される。
操作に際して、二色性ミラー４４はレーザ１６からの光
をすべて光ファイバ１８に、次いでボンディング・ティ
ップ１２の閉鎖端２６に伝達する。レーザ光線によって
ボンディング・ティップ１２が加熱されると、高温のテ
ィップは赤外線の効率のよい放熱体になる。この放射さ
れた赤外線の一部が光ファイバで捕捉され、反射された
レーザ光線と共にレーザの方へ戻される。反射したレー
ザ光線と放射された赤外線はファイバから出ると、レン
ズ４０で平行にされる。波長が１．０６μｍの反射した
レーザ光線（Ｎｄ：ＹＡＧレーザと仮定する）は、二色
性ミラー４４を通過する。放射された波長が１．０６μ
ｍより長い赤外線は、二色性ミラー４４によってわずか
な損失で反射されて、赤外線を感知する検出手段４６に
向かう。検出器４６は、ボンディング・ティップ１２の
瞬間温度を与えるように較正することができる。検出器
４６からのデータは、ボンディング・ティップ１２の温
度が一定に保たれるようにレーザ１６の出力を調整す
る、プロセス制御装置４８に供給される。
温度測定手段はさらに、二色性ミラー４４と検出器４６
の間に挿入されたブロッキング・フィルタ５０を有する
ことが好ましい。ブロッキング・フィルタ５０は、レー
ザ・エネルギー源と同じ波長の残りの光線を阻止する。
すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは、ブロッキング・フ
ィルタは、波長が１．０６μｍの光を阻止する。ブロッ
キング・フィルタ５０の目的は、放射される赤外線より
はるかに強い、痕跡量の反射されたレーザ光線をすべて
除去することである。
本発明の利点は、下記の試験結果を参照するとさらに明
らかになる。
試験結果 超音波ボンディングと、レーザ援用超音波ボンディング
を一連の実験で比較した。
金をコーティングした銅合金ワイヤをＭＬＣ基板上のＥ
Ｃパッドにボンディングして、一連のボンディング実験
を行なった。ＥＣパッドは、上面に２５００Åの薄い金
をコーティングしたチタン・銅・ニッケルからなるもの
であった。ボンディングは超音波エネルギーのみ、また
は３ワットで２８０ミリ秒のパルスで動作するＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザでボンディング・ティップを加熱しながら超
音波エネルギーを用いて行なった。超音波エネルギーと
レーザは、超音波パルスを１００ミリ秒遅延させて非同
期で動作させた。各超音波出力で６回のボンディングを
行なった。
ボンディング後、ワイヤを基板に対して３０゜の角度で
引っ張った。ワイヤが基板から外れた場合は、はく離と
みなし、不合格とした。ワイヤがボンディング面で切断
した場合はナゲット（溶接ビード）とみなし、合格とし
た。この結果を第３図に示す。
レーザ援用超音波ボンディングが、超音波ボンディング
単独の場合よりはるかに良好であることは明らかであ
る。超音波エネルギーのみを使用した場合にはナゲット
は得られなかった。レーザ援用超音波ボンディングの場
合は、ほとんどの設定値でナゲットが得られ、８．５Ｗ
の設定ではすべてナゲットが得られ、不合格はゼロであ
った。したがって、レーザ援用超音波ボンディングでは
厚みが２５００Åの薄い金にもボンディングが可能であ
るが、超音波ボンディングのみでは不可能であると結論
できる。
本発明の他の利点は、どのような条件でも、最適なレー
ザ援用超音波ボンディングは、最適な超音波ボンディン
グのみの場合より必要な超音波エネルギーが少なくてす
むことである。このことは、過剰な超音波エネルギーに
より、ＥＣパッド等のある種の基板が損傷を受ける恐れ
があるため、重要な利点である。この種の損傷は、レー
ザ援用超音波ボンディングでは起こりにくい。
当業者には自明のように、本明細書に記載した実施例以
外の本発明の変更態様も本発明の原理から逸脱すること
なく行なうことができる。したがってそうした変更態様
は、頭記の特許請求の範囲によってのみ制限される本発
明の範囲内に含まれるとみなされる。
Ｆ．発明の効果 本発明によれば、効果的にボンディングを行なうことが
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるボンディング装置の概略図であ
る。 第２図は、本発明によるボンディング・ティップの拡大
断面図である。 第３図は、超音波ボンディングと、本発明によるレーザ
を補助的に使用した超音波ボンディングの有効性を比較
したグラフである。 １０……ボンディング装置、１２……ボンディング・テ
ィップ、１４……超音波エネルギー源、１６……レーザ
・エネルギー源、１８……光ファイバ、３２……ワイ
ヤ、３４……基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロツドニイ・トレーバー・ホツジソン アメリカ合衆国ニユーヨーク州オシニン グ、パイネスブリツジ・ロード822番地 (72)発明者 デイー‐チユング・ヒユ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンガ ーズ・フオールズ、ローマー・コート23番 地 (72)発明者 ブライアン・ワシユバーン・ハースイ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ガーリソ ン、サウス・マウンテン・パス（番地な し) (72)発明者 マリオ・ジヨン・インターランテ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ニユー・パ ルツ、ミドウ・ロード11番地 (72)発明者 サデイプタ・カマー・レイ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンガ ーズ・フオールズ、ローリング・グリー ン・レーン23番地 (72)発明者 クリスナ・セシヤーン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ビーコン、 テイルデン・アヴエニユー45番地 (72)発明者 フアハド・シヤプール アメリカ合衆国アリゾナ州スコツツダレ、 アパートメント・ビイ‐211、イースト・ パルム・レーン 7001番地 (56)参考文献 特開 昭60−148134（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも一部が解放端と閉鎖端を有する
    円錐形で、上記解放端から上記閉鎖端に向かって先細に
    なったボンディング・ティップと、 上記ボンディング・ティップと協働し、超音波エネルギ
    ーを上記ボンディング・ティップに伝達する超音波エネ
    ルギー源と、 レーザ・エネルギー源と、 上記レーザ・エネルギー源から上記ボンディング・ティ
    ップの閉鎖端へレーザ光線を伝達して、上記閉鎖端を局
    部的に加熱できるように、上記レーザ・エネルギー源か
    ら上記ボンディング・ティップの内部に延びる光ファイ
    バと、 上記ボンディング・ティップの上記閉鎖端の温度を測定
    する手段と からなることを特徴とするボンディング装置。
  2. 【請求項２】上記の温度測定手段が、 上記ボンディング・ティップと上記レーザ・エネルギー
    源との間に介在し、上記レーザ・エネルギー源と波長が
    等しい光は通過させ、上記レーザ・エネルギー源と波長
    が異なる光を反射する二色性ミラーと 上記反射光を検出し測定する検出手段とを有することを
    特徴とする、 特許請求の範囲第１項記載のボンディング装置。
  3. 【請求項３】上記二色性ミラーと上記検出手段との間に
    介在し、上記レーザ・エネルギー源と波長の等しい光を
    阻止するブロッキング・フィルタを有することを特徴と
    する、 特許請求の範囲第２項記載のボンディング装置。
  4. 【請求項４】上記ボンディング・ティップの閉鎖端に、
    上記レーザ・エネルギーを吸収する光学的コーティング
    を有することを特徴とする、 特許請求の範囲第１項記載のボンディング装置。
  5. 【請求項５】少なくとも一部が解放端と閉鎖端を有する
    円錐形で、上記解放端から上記閉鎖端に向かって先細に
    なったボンディング・ティップと、 レーザ・エネルギー源と、 上記レーザ・エネルギー源から上記ボンディング・ティ
    ップの閉鎖端へレーザ光線を伝達して、上記閉鎖端を局
    部的に加熱できるように、上記レーザ・エネルギー源か
    ら上記ボンディング・ティップの内部に延びる光ファイ
    バと、 上記ボンディング・ティップの上記閉鎖端の温度を測定
    する手段と からなることを特徴とするボンディング装置。
  6. 【請求項６】上記の温度測定手段が、 上記ボンディング・ティップと上記レーザ・エネルギー
    源との間に介在し、上記レーザ・エネルギー源と波長が
    等しい光は通過させ、上記レーザ・エネルギー源と波長
    が異なる光を反射する二色性ミラーと 上記反射光を検出し測定する検出手段とを有することを
    特徴とする、 特許請求の範囲第５項記載のボンディング装置。
  7. 【請求項７】上記二色性ミラーと上記検出手段との間に
    介在し、上記レーザ・エネルギー源と波長の等しい光を
    阻止するブロッキング・フィルタを有することを特徴と
    する、 特許請求の範囲第６項記載のボンディング装置。
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