专利名称：导线键合毛细管设备及方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及半导体装置及工艺，且更特定来说，涉及与半导体装置制 造相关的用于将导线(例如，尤其是带状或大尺寸导线)键合到键合垫的设备及方法。
背景技术：
在半导体工业中，通常实施导线键合以将集成电路(IC)(例如，半导体晶片或
芯片)电互连到各种结构(例如，金属引线架)。举例而言，楔形键合是用于将细导线 (例如，细铝或金导线)键合到半导体晶片的键合点与另一点(例如，引线架的引线
指状物)之间的常规方法。通常，为开始键合而通过键合工具的尖端将导线压于ic及 /或引线架上。所述键合工具被超声波振动数十毫秒的周期，其中所述键合工具的尖端 的移动平面通常平行于形成键合的半导体芯片的表面。所述键合工具垂直于芯片表面 压于所述导线及所耦合到芯片上的静负载与所述工具尖端处的振动的组合导致所述导 线塑性变形，因而同时将所述键合导线与组成芯片或引线架表面的材料的原子结合， 且相应地，提供所述导线与所述芯片或引线架之间的冷焊接。
与导线键合相关联的一个问题是在整个键合工艺中的导线操纵及在已进行键合 之后的导线折断或切割。为实施这些功能，多数常规精细导线楔形键合工具通过将所
述导线夹钳或拉离经键合衬底而折断所述导线。对于小直径导线(具有小于0.025英 寸直径的圆形横截面导线)来说，这种拉曳动作是足够的，且不会导致对所述衬垫的 显著破坏。然而，随着不断增加的对IC的速度及性能的要求，已引入更大尺寸的导线， 例如，金、铝、铜金属或金属合金带状导线，其中所述导线的横截面面积(例如，带 状导线的扁平矩形横截面)显著地大于以前使用的圆形横截面导线，因而为所述导线 提供更大的电流载通能力。相应地，当对所述更粗带状导线使用常规键合工具时，折 断所述带状导线所需的拉力趋向于有害地变形所述芯片及/或引线架。因而，已规划键 合工具的各种配置，例如在一个配置中将刀片压于所述芯片及/或引线架上以在将所述 键合工具拉离衬底之前变形或切割所述带状导线。
图1A-C图解在各个操作期间的一个此种常规键合装置10，其中通过超声波键合 工具25将带状导线15键合到衬底20 (例如，引线架指状物或半导体芯片)。如图1A 中所图解，键合工具25压于带状导线15上，因而将所述带状导线压于所述键合工具 与衬底20之间。在这一点上，键合工具25超声波振动，因而将带状导线15冷焊接到 衬底20。图1B图解压于带状导线15上的切割器30，其中所述切割器通过有所述切
割器施加的力F使所述带状导线显著变薄或切穿所述带状导线。图1C图解正在从衬 垫20拉离的键合工具25，其中夹持35进一步从所述衬底拉离带状导线15，因而大致 在切割器30的尖端40处将所述带状导线完全地切断。
然而，与带状导线的常规键合相关的问题是图1B中所图解的切割器30压于带状 导线15上的力F通常转化为压于衬底20上的力，其中所述衬底因所述切割操作而可 能地永久地变形及/或受到损坏。举例而言，如在将带状导线15键合到细引线架指状 物的情况中，力F显著的变形所述引线架指状物(如箭头45所图解)，其中在将所述 切割器拉离衬底20之后所述变形继续存在。此外，如果带状导线15未被完全地切断， 则当夹持35拉开所述带状导线时所述拉力可进一步在与箭头45相反的方向上弯曲所 述引线架指状物。或者，如在将带状导线15键合到芯片的情况中，切割力F可有害地 影响所述芯片，例如可能损坏所述IC的金属化层或其它层。
因此，目前需要一种用于将带状导线键合到衬底的可靠的工艺及设备，其中大致 最小化对所述衬底的损坏。
发明内容
本发明通过提供用于将导线(尤其更大尺寸的或带状导线)键合到各种衬底的改 进型的设备及方法而克服现有技术的局限性。
根据本发明的一个说明性方面，所述设备包括具有本体区域及键合区域的超声波 键合毛细管，其中所述本体区域包含界定于其中的通道。导线(例如，带状导线)通 常延伸穿过所述通道并沿与所述键合区域相关联的键合表面延伸，且夹爪在所述通道 的邻近可操作地耦合到所述超声波键合毛细管。因此，所夹爪可操作以选择性地将所 述导线夹握于所述通道的啮合表面与所述夹爪的夹持表面之间。
切割工具进一步可操作地耦合到所述超声波键合毛细管且大体定位于所述键合 表面与所述键合毛细管的所述啮合表面之间。所述切割工具(例如)可操作以选择性 地相对于所述超声波键合毛细管延伸及縮回，其中所述切割工具可至少部分地穿透定 位于所述键合表面与所述超声波键合毛细管的啮合表面之间的带状导线。当相对于所 述键合毛细管大致夹持所述带状导线时如此穿透所述键合表面与所述啮合表面之间的 带状导线远比现有技术有利，这是因为所述切割工具的切割动作不压于工件上，而是 切割两个大体固定的及/或夹持区域之间的带状导线。
根据本发明的另一个说明性方面，所述夹爪或切割工具中的一者或多者可通过一 个或多个致动器(例如，电磁致动器)可操作地耦合到所述键合毛细管。所述机电致 动器可包含可操作以相对于所述超声波键合毛细管选择性地延伸及縮回各个夹爪及切 割工具的伺服马达、线性马达、弹簧致动器、气动及液压致动器中的一者或多者。例 如，所述切割致动器可包含可操作以相对于所述超声波键合毛细管延伸所述切割工具 的弹簧，而磁或机电致动器縮回所述切割工具，或反之亦然。根据另一实施例，所述切割工具包含大体界定于其远端的切割器刀片的细长元 件。所述切割工具可进一步包含环形切割器，其具有界定于所述细长元件远端的内部 区域，其中所述带状导线通常通过所述环的内部区域，且其中所述切割刀片通常由围 绕所述环的内径的切割表面界定。然后，所述环形切割器可操作以当向所述键合毛细 管缩回所述切割器时选择性地穿透或切断所述带状导线。
图1A-1C (现有技术)图解在键合工艺期间处于各个位置的常规导线键合装置。
图2是根据本发明一个方面的示例键合设备的横截面图。
图3图解根据本发明另一个说明性方面的环形切割器的俯视图。
图4是根据本发明的用于将导线键合到半导体装置的示例方法的流程图。
图5A-5F是根据本发明的在键合工艺期间处于各个位置的示例键合设备的横截面图。
具体实施例方式
本发明旨在一种用于将导线键合到衬底或工件(例如，集成电路(IC)及/或引线 架组合件)的设备及方法。更特定来说，本发明提供一种稳固可靠的装置及工艺以将 矩形横截面带状导线键合到衬底，其中大致上减轻在常规键合设备及工艺中会看到的 对衬底的损坏或衬底变形。因而，现在将参照附图来描述本发明，其中自始至终使用 相同的参考编号来指代相同的元件。
图2是根据本发明各个方面的示例键合装置100的横截面图。键合装置100包含 用于将带状导线104超声波键合到衬底或工件106 (例如，IC芯片或引线架中的一者 或多者)的超声波键合毛细管102。超声波键合毛细管102 (例如)可操作地耦合到如 此项技术中已知的用于向所述键合毛细管提供超声波振动的超声波振荡器(未显示)。 超声波键合毛细管102包含本体区域108及键合区域110，其中所述超声波键合毛细 管可操作以将带状导线104夹于所述超声波键合毛细管的键合表面112与工件106的 表面114之间。键合毛细管102的本体区域108包含(例如)界定于其中的通道116， 其中带状导线104进一步大体延伸穿过所述通道且沿与键合区域110相关联的键合表 面114延伸。通道116可由通孔、沟道或界定于本体区域108内或沿本体区域108界 定的各种其它表面(未显示)构成，其中带状导线104可操作以沿所述通道延伸。在 一个示例中，带状导线104在横截面上大体呈矩形，其中所述通道在横截面上也大体 呈矩形。
图2进一步图解在键合毛细管102的本体区域110中可操作地耦合到键合毛细管 102的夹爪118，其中夹爪进一步与通道116相关联。夹爪118可操作以选择性地将带 状导线104夹握于键合毛细管102的通道116的啮合表面120与夹爪118的夹持表面
122之间。在当前示例中，通道116的啮合表面120通常是平面，其中所述通道通常 界定于键合毛细管102的本体区域110与夹爪118的夹持表面122之间。或者，可通 过与键合毛细管102的本体区域110相关联的沟道(未显示)或其它结构来界定通道 116，其中夹爪118可操作以大致夹握或防止带状导线104在所述通道中的移动。
本发明的夹爪118可以可操作地耦合到机电致动器(未显示)，其中所述机电致 动器可操作以縮回及/或延伸所述夹爪，因而分别地夹握及/或释放带状导线104。举例 而言，夹爪118可以可操作地耦合到马达(未显示)(例如，伺服马达)，其中所述马 达可操作以相对于啮合表面120选择性地延伸及縮回所述夹爪。夹爪118可进一步被 耦合到一个或多个弹簧(未显示)，其中所述一个或多个弹簧进一步可操作以相对于啮 合表面120大致延伸或縮回所述夹爪。或者，夹爪118可以被可操作地耦合到气动或 液压致动器(未显示)，其中所述气动或液压致动器可操作以相对于啮合表面120延伸 及縮回所述夹爪。因而，在本发明的范围内可预期可操作以相对于键合毛细管102的 啮合表面120延伸及/或缩回夹爪118的任何致动器。还应注意，如下文将论述，所述 夹爪通常与键合毛细管102整合在一起，其中键合毛细管102的啮合表面120通常靠 近键合表面114。
根据本发明的另一说明性方面，键合装置100进一步包含切割工具124，其中所 述切割工具进一步被可操作地耦合到键合毛细管102。切割工具124 (例如)通常定位 于键合表面114与键合毛细管102的啮合表面120之间，其中所述切割工具可操作以 选择性地相对于所述键合毛细管延伸及缩回。切割工具124包含(例如)细长元件126， 其中切割刀片128通常界定于其远端130处。如图2中所图解，切割刀片128可以是 (例如)扁平的，或可以会聚于所述切割工具的远端130处的一点(未显示)。根据本 发明，当以剪切状方式将切割刀片128伸过夹爪118的夹持表面122时，切割工具124 可操作以至少部分地穿透键合表面114与超声波键合毛细管102的啮合表面120之间 的带状导线104。
在另一示例中，如图3中所图解，切割工具124包含环形切割器132。环形切割 器132包含(例如)定位于图2的切割工具124的远端130处的环134，其中带状导 线104通常通过所述环的内部区域136。图3的环形切割器132可操作以类似于图2 的切割刀片128的方式选择性地延伸及縮回，然而，所述环形切割器的切割表面138 可操作以当朝键合毛细管102的本体区域110縮回时大体通过所述带状导线。因而， 图3的环形切割器可操作以被贴着所述键合毛细管的啮合表面120拉曳，因而至少部 分地穿透带状导线104。
根据本发明的另一个说明性方面，图2的切割工具124被可操作地耦合到切割致 动器(未显示)，例如，机电致动器、伺服马达或其它致动器，例如关于夹爪11S所述 的那些致动器。切割工具124 (例如)可以被耦合到磁致动器(未显示)及弹簧(未 显示)，其中所述磁致动器可操作以縮回所述切割工具(例如，朝键合毛细管102的本 体区域108拉曳所述切割工具的远端130)，且其中所述弹簧可操作以向所述切割工具
提供返回力，因而将所述切割工具的远端延伸或返回到其原始位置。
图4及5A-5F图解根据本发明的实施方案用于将带状导线键合到应用于所述示例 键合设备的衬底的方法200的各个步骤。应了解，可变化事件的所说明顺序以适于适 合特定需要。方法200始于动作205，其中将带状导线馈送穿过键合毛细管。如图5A 中所图解，当夹爪118大体被延伸，因而大体允许所述带状导线穿过所述通道前进时 带状导线104被馈送穿过键合毛细管102的通道116。在图4的动作210中，所述带 状导线被夹持于所述键合毛细管上，且图5B中图解动作210的结果。举例而言，夹 爪118大体把带状导线104夹于所述夹爪的夹持表面122与键合毛细管102的啮合表 面120之间。
在图4的动作215中，所述带状导线被键合到所述工件，例如，因键合毛细管102 的超声波振动而通过冷焊接将图5B的带状导线104键合到工件106。在一个示例中， 一旦带状导线104被大体键合到工件106，则可在图4的动作220中通过切割工具124 切割所述带状导线。图5C-5D图解从键合毛细管102的本体108延伸的切割工具124， 其中在图5D中，切割工具124完全地切断带状导线104。应注意，或者可利用图3 的环形切割器132，其中所述环形切割器朝所述键合毛细管縮回以切割图5A-5F的带 状导线104。 一旦切割工具124至少部分地穿透带状导线104 (在图5D中图解为切断 所述带状导线)，则如图5E中所图解，键合工具100可被从工件106提起，因而如图 5F中所图解，提供所述带状导线至所述工件的牢固键合140，而不损坏、弯曲或以其 它方式有害地影响所述工件。
因而，本发明提供用于将导线(例如，带状导线)键合到工件的设备及方法，其 中以不显著的使所述工件变形的方式实施所述导线的切割或切断。通过提供大致与所 述键合毛细管整合在一起的切割工具及夹爪，无需对所述带状导线或工件的额外夹持 或固持，且可在不弯曲引线架指状物或损坏IC芯片表面的情况下实施所述带状导线的 键合及切割。此外，本发明提供一种键合装置，其可以被容易地在键合位置之间旋转， 因而提供带状导线在各个键合位置之间的高效可靠键合。
本发明所属技术领域的技术人员应了解，在不脱离本发明的范围的情况下可对所 述的示例进行各种增加、删除、替代及其它修改。
权利要求
1、一种用于键合导线的设备，其包括超声波键合毛细管，其具有本体区域及键合区域，其中所述本体区域具有界定于其中的通道，且适于接纳大体穿过所述通道并沿着与所述键合区域相关联的键合表面延伸的所述导线；夹爪，其可操作地耦合到所述超声波键合毛细管且与所述通道相关联，其中所述夹爪可操作以选择性地将所述导线夹握在所述通道的啮合表面与所述夹爪的夹持表面之间；及切割工具，其可操作地耦合到所述超声波键合毛细管并大体定位于所述键合表面与所述啮合表面之间，其中所述切割工具可操作以选择性地相对于所述超声波键合毛细管延伸及缩回，其中至少部分地穿透于所述键合表面与所述超声波键合毛细管的啮合表面之间的所述导线。
2、 如权利要求1所述的设备，其经调适、配置及确定尺寸以键合具有大体矩形 横截面的扁平导线，且其中所述通道具有大体矩形横截面以接纳所述带状导线。
3、 如权利要求1所述的设备，其中所述夹爪可操作地耦合到夹持致动器，所述 夹持致动器可操作以相对于所述超声波键合毛细管选择性地延伸及縮回所述夹爪。
4、 如权利要求1、 2或3所述的设备，其中切割工具可操作地耦合到切割致动器，所述切割致动器可操作以相对于所述超声波键合毛细管选择性地延伸及缩回所述切割 工具。
5、 如权利要求4所述的设备，依据权利要求3，其中所述夹持致动器包含可操作 地耦合到所述夹爪的伺服马达；且其中所述切割致动器包含与其耦合的伺服马达，其 中所述伺服马达可操作以选择性地延伸及縮回所述切割刀片。
6、 如权利要求4所述的设备，其中所述切割致动器包含弹簧，所述弹簧可操作 以相对于所述超声波键合毛细管延伸或缩回所述切割工具。
7、 如权利要求l、 2或3所述的设备，其中所述切割工具包含具有远端的细长 部件，所述远端界定具有经确定尺寸以使所述导线贯穿的内部区域的环；及大体由围 绕所述环的内径的切割表面所界定的切割刀片。
8、 一种用于将导线键合到工件的方法，所述方法包括 将所述导线馈送穿过超声波键合毛细管的通道； 将所述导线夹持抵靠在所述超声波键合毛细管的啮合表面上； 沿所述超声波键合毛细管的键合表面将所述导线键合到所述工件；及 切割所述超声波键合毛细管的所述键合表面与所述啮合表面之间的所述导线。
9、 如权利要求8所述的方法，其中所述导线是具有大体矩形横截面的扁平导线。
10、 如权利要求8所述的方法，其中切割所述导线包含使切割刀片至少部分地 穿过所述超声波键合毛细管的所述键合表面与啮合表面之间的所述导线。
11、 如权利要求8、 9或10所述的方法，其进一步包括将所述导线馈送穿过环形切割器，其中所述切割刀片大体由所述环形切割器的内径界定，且其中切割所述导线 包含朝向所述超声波键合毛细管缩回所述切割刀片。
12、 如权利要求8、 9或10所述的方法，其中切割所述导线包含自所述啮合表面与所述键合表面之间的所述超声波键合毛细管背离而延伸切割刀片。
全文摘要
一种用于在半导体装置制造中将导线(例如，扁平矩形横截面带状导线(104))键合到工件(106)的设备(100)及方法。所述导线被馈送穿过超声波键合毛细管(102)的通道(116)并经由可操作地耦合到所述键合毛细管的夹爪(118)被夹持抵靠在所述键合毛细管的啮合表面(120)上。所述导线沿着所述键合毛细管的键合表面(112)被键合到所述工件且在所述键合表面与所述键合毛细管的所述啮合表面之间被切割工具(124)至少部分地穿透。所述切割工具可包含定位于所述键合表面与啮合表面之间的细长元件(126)，且可具有定位于其远端(130)处的切割刀片(128)。所述切割工具可进一步包含环形切割器，其中所述带状导线穿过一个具有围绕其内径界定的切割表面的环。
文档编号B23K37/00GK101171098SQ200680015584
公开日2008年4月30日 申请日期2006年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者伯恩哈德·P·朗格, 史蒂文·艾尔弗雷德·库默尔 申请人:德州仪器公司