專利名稱：具有多個外部臺階的焊絲接合毛細(xì)管工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將細(xì)焊絲接合到基板上的焊絲接合毛細(xì)管工具領(lǐng)域，更具體地，
本發(fā)明涉及具有高阻抗值并且超聲能量傳遞依從性被優(yōu)化的焊絲接合毛細(xì)管工具。
背景技術(shù)：
印刷電路板(PCB)通常用于數(shù)字裝置、自動測試設(shè)備(ATE)以及許多通用電子設(shè) 備的制造中。每個PCB上面安裝許多電子元件。這樣的電子元件的實例包括半導(dǎo)體芯片、 集成電路(IC)、電阻、晶體管和電容器。在每個所安裝的元件與PCB(也可以稱為基板)之 間的電連接通常是半導(dǎo)體封裝技術(shù)的一部分并且是非常重要的。在電子元件與PCB之間不 合適的或錯誤的電連接可能導(dǎo)致發(fā)生錯誤連接的裝置或設(shè)備的功能失效。
在通常安裝在PCB上的上述元件中，IC可能被認(rèn)為是最重要的元件之一。在將IC 安裝在PCB上的過程中，制造者通常依賴三種技術(shù)，即焊絲接合、自動帶載焊接(TAB)和倒 焊芯片貼裝技術(shù)(flip-chip mounting technology)。在安裝IC的三種技術(shù)中，焊絲接合 是最常用的方法。在焊絲接合中，在PCB(或基板)上以預(yù)定的圖案存在多個焊盤。具有電 引線的所述IC通常安裝在焊盤的預(yù)定圖案的中心并且然后將其電引線連接到焊盤上。在 IC與PCB之間的電連接通過利用銅焊絲、金焊絲或鋁焊絲來建立，取決于電路的要求和焊 盤尺寸，所述銅焊絲、金焊絲或鋁焊絲的直徑通常為約10-約200微米。這些焊絲通常與所 安裝的IC的電引線的一端相連，然后拉向各個焊盤，并且最終連接到合適的焊盤，從而建 立基板與其上安裝的IC之間的電連接。 如上所述，在所安裝的IC與其對應(yīng)的基板之間的電連接的建立通過接合工具來 進(jìn)行。接合工具提供細(xì)焊絲并使用稱為球焊的方法將IC的電引線電連接到基板的焊盤。接 合工具包括毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過該毛細(xì)管引出。這些毛細(xì)管通常用例如陶瓷材料來制造，所 述陶瓷材料如氧化鋁、碳化鴇和鋁增韌的鋯石(aluminum toughened zircon)。這種傳統(tǒng)的 焊絲接合工具的實例描述于美國專利6，910，612中。該美國專利描述了一種接合工具，其 具有連接到工作尖端的圓筒形軸向通道，所述工作尖端具有內(nèi)部的環(huán)形斜面。所述環(huán)形斜 面具有預(yù)定的角度和面長度，其在焊接過程中必須使球焊接頭成形。 焊絲接合的方法涉及使焊絲通過毛細(xì)管引出并且使焊絲的自由端留在毛細(xì)管的 工作尖端處。在毛細(xì)管工作尖端處的焊絲自由端是形成球焊接頭的球的端部，這是一種形 式的焊絲接合。作為舉例說明，當(dāng)使用細(xì)金焊絲時，該方法稱為金球焊。在金球焊過程中， 首先通過電子火焰熄滅(EF0)熔化毛細(xì)管處的焊絲端部形成金球。該金球一般稱為無空氣 球，其直徑通常為焊絲直徑的1.5-2.5倍。無空氣球尺寸一致性由EF0控制。然后無空氣 球與基板的焊盤或所安裝的IC的電引線接觸。當(dāng)無空氣球接觸焊盤時，例如，然后對所述 的球焊接頭施加特定時間的適量的壓力、熱量和超聲波力，從而在所述球與焊盤之間形成 初始冶金焊接，并使球焊接頭本身變形成其最后的形狀。然后焊絲運(yùn)行到與所述焊盤對應(yīng) 的電引線處，在焊盤與電引線之間產(chǎn)生梯度電弧或"回路"。將壓力和超聲波力施加到焊絲 上，從而與電引線形成第二接合(稱為楔形接合，或針腳式鍵合)，以便完成一個焊接循環(huán)。
關(guān)于超聲波能量的應(yīng)用，這樣的能量的施加導(dǎo)致接合工具振動，特別是導(dǎo)致毛細(xì) 管的尖端振動。因此，在球焊接頭形成之后將超聲波能量施加到接合工具上時，接合工具實 際上對著焊盤摩擦球焊接頭。這種摩擦作用從通常為鋁的焊盤上清潔掉碎屑和氧化物，例 如氧化鋁。這種摩擦作用在所述過程中暴露焊盤的新鮮表面。在球焊接頭和焊盤之間的冶 金接合或焊接進(jìn)一步用連續(xù)施加的超聲波能量增強(qiáng)，導(dǎo)致球焊接頭和焊盤相互之間產(chǎn)生塑 性變形。除了金屬彼此之間的物理接觸和變形之外，還發(fā)生球焊接頭和焊盤金屬原子的互 擴(kuò)散，這進(jìn)一步增強(qiáng)冶金接合。 一般來說，接合可靠性隨著發(fā)生的互擴(kuò)散程度增大而增大。 不充分互擴(kuò)散的最常見原因是在焊盤表面上存在外來雜質(zhì)或污染物，例如氧化物、未蝕刻 的玻璃、硅鋸屑、和工藝殘渣。為了獲得可靠的接合而施加足夠的超聲波能量的重要性也被 保證焊盤無污染物的需要加強(qiáng)了。 目前，在半導(dǎo)體工業(yè)中使用具有敏感性金屬化的材料例如低介電常數(shù)(低K值) 的材料的趨勢不斷增大。具有敏感性金屬化的材料還包括超薄焊盤。 一般來說，具有這種 敏感性金屬化的材料具有較差的力學(xué)性能、低熱導(dǎo)率并且在焊絲接合過程中容易產(chǎn)生金屬 剝離、成坑和氧化物開裂。 在該工業(yè)中的另一個不斷增大的趨勢是進(jìn)行"越過有源電路接合(BondingOver Active Circuitry)"。這需要穩(wěn)定的焊絲接合過程，特別是由于"越過有源電路接合"主要 涉及越過半導(dǎo)體芯片中的電路用其上的金屬層形成金屬焊盤。 當(dāng)組合機(jī)械應(yīng)力來自所施加的超聲波能量、在焊盤上的所述接合工具的阻抗和沖 擊力時，接合工具可能導(dǎo)致使用敏感性金屬化的焊盤的嚴(yán)重?fù)p壞。此外，這樣的傳統(tǒng)接合工 具可能不能形成足夠可靠的接合以進(jìn)行"越過有源電路的接合"。 典型地，當(dāng)傳統(tǒng)的接合工具，諸如在上述美國專利6， 910， 612中所述的，用于與低 K值的基板結(jié)合時，在傳統(tǒng)的接合工具的工作尖端施加的超聲波能量通常不足以通過金屬 化接合低K焊盤。傳統(tǒng)毛細(xì)管的工作尖端要求更高功率的超聲波設(shè)置以便與低K值的焊盤 充分結(jié)合。然而，如果施加更高的超聲波能量，則往往進(jìn)一步使金屬剝離、成坑和氧化物開 裂的上述問題惡化。 關(guān)于涉及具有低K值的材料的上述問題，美國專利6，321，969公開了一種焊絲接 合工具，它能夠更有效地將超聲波能量從超聲波源傳遞到該工具的工作尖端。如上所述，除 了摩擦焊盤的氧化物以外，在對其施加超聲波能量時，工作尖端的振動作用還有助于球焊 接頭與焊盤金屬原子的互擴(kuò)散，從而進(jìn)一步增強(qiáng)冶金接合。因此，美國專利6， 321， 969公開 了如果發(fā)生超聲波能量到工作尖端的更有效傳遞，則可以施加更低量的所述超聲波能量來 使工作尖端振動，從而避免與低K值的接合材料相關(guān)的上述困難。 然而，仍然需要一種焊絲接合工具，它能夠與具有敏感性金屬化的基板形成可靠 的焊絲接合，并且用于進(jìn)行"越過有源電路的接合"。同時還需要該接合工具容易地集成到 現(xiàn)有的焊絲接合裝置中，并且還是成本低的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在一個方面，本發(fā)明提供一種用于將細(xì)焊絲接合到基板上的接合工具。該接 合工具包括至少基本為圓筒形的部分，該圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過該毛 細(xì)管；工作尖端部分，該工作尖端部分形成在所述圓筒形部分的端部并朝著其尖端逐漸變細(xì)。所述工作尖端部分在其尖端處具有環(huán)形斜面；同心毛細(xì)管通向所述工作尖端的環(huán)形斜 面；并且圓筒形部分的直徑沿著該圓筒形部分的長度朝向工作尖端部分在多個不連續(xù)間隔 處連續(xù)減小。 在另一個方面，本發(fā)明提供一種用于將細(xì)焊絲接合到基板上的接合工具。該接合 工具包括至少基本為圓筒形的部分，該圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，所述細(xì)焊絲通過該 毛細(xì)管；工作尖端部分，該工作尖端部分形成在圓筒形部分的端部并朝著其尖端逐漸變細(xì)。 所述工作尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中同心毛細(xì)管通向工作尖端的環(huán)形斜面；并 且其中圓筒形部分的直徑沿所述圓筒形部分的長度朝向工作尖端部分在第一不連續(xù)間隔 和第二不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。每個不連續(xù)間隔包括朝向圓筒形部分的縱向中心旋轉(zhuǎn)軸的 臺階、錐體及其任意一種組合。 在又一個方面，本發(fā)明提供一種用于在細(xì)焊絲與接合基板之間形成冶金接合的接 合裝置。所述接合裝置包括用于將細(xì)焊絲接合到基板的接合工具。該接合工具包括至少 基本為圓筒形的部分，該圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，所述細(xì)焊絲通過該同心毛細(xì)管；工 作尖端部分，該工作尖端部分形成在圓筒形部分的端部并朝著其尖端逐漸變細(xì)。所述工作 尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中圓筒形部分的直徑沿著所述圓筒形部分的長度朝向 工作尖端部分在多個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。所述接合裝置還包含納米級超聲波能量源， 該超聲波能量源連接到所述接合工具使得所述源能夠向該接合工具傳輸超聲波能。
根據(jù)以下附圖和詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明的這些特征和其他特征。


圖1表示傳統(tǒng)的焊絲接合工具； 圖2表示接合工具的第一實施方案； 圖3表示接合工具的第二實施方案； 圖4表示接合工具的第三實施方案； 圖5表示接合工具的第四實施方案； 圖6A-6F表示直徑以不連續(xù)的間隔減小的各種實施方案； 圖7示出說明到換能器的輸入功率與由其產(chǎn)生的阻抗之間關(guān)系的圖表； 圖8表示各種接合工具之間的比較柱形圖； 圖9表示比較圖1的傳統(tǒng)接合工具的位移與具有多個不連續(xù)間隔的接合工具的柱 形圖； 圖10表示傳統(tǒng)接合工具與具有多個不連續(xù)間隔的接合工具(圖2、3和4)的振幅 位移比的比較表； 圖11A表示由傳統(tǒng)接合工具產(chǎn)生的焊球的橫截面圖； 圖11B表示由具有兩個不連續(xù)間隔的接合工具產(chǎn)生的焊球的橫截面圖。
具體實施例方式
—方面，接合工具包括至少基本為圓筒形的部分，圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管， 細(xì)焊絲通過該毛細(xì)管。工作尖端部分形成在圓筒形部分的端部，并且朝著其尖端逐漸變細(xì)。 該工作尖端部分還包括在其尖端的環(huán)形斜面，該斜面的一端朝著外界伸展并且其另一端連接到所述同心毛細(xì)管，使得所述毛細(xì)管通向工作尖端內(nèi)部的環(huán)形斜面的另一端。圓筒形部
分的直徑沿著圓筒形部分的長度朝向工作尖端部分在多個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。 —般來說，可以沿著接合工具的長度方向存在的不連續(xù)間隔的數(shù)量沒有固定的上
限。在一個示例性實施方案中，圓筒形部分的直徑在兩個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。在替代
的實施方案中，圓筒形部分的直徑可以在3、4或5個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。由于沒有上
限，也可以根據(jù)需要具有任意多個不連續(xù)間隔。因此，可以存在10、25、50或者甚至100個
不連續(xù)間隔，假定所述接合工具的長度支持這樣多的不連續(xù)間隔。 典型地，通過臺階、錐形或其任何組合來進(jìn)行在多個不連續(xù)間隔的每一個處的連 續(xù)直徑減小。所述臺階、錐形或其它形式一般指向圓筒形部分的縱向旋轉(zhuǎn)中心軸。這導(dǎo)致基 本為圓筒形的部分在接合工具的長度上沿工作尖端的方向在每個不連續(xù)間隔處直徑減小。
在本發(fā)明的一個實施方案中，臺階可以基本是90度的臺階。在一個替代實施方案 中，臺階由多個錐形形成。多個錐形的每一個通常朝著中心軸。另一個替代實施方案是以 從不連續(xù)間隔之前(較大的直徑)的點到不連續(xù)間隔(較小的直徑)上或其后的點延伸 (subtending)的弧的形式形成。該弧可以是凹的或者凸的。當(dāng)直徑減小是錐形時，關(guān)于圓 筒形部分的縱向中心旋轉(zhuǎn)軸的錐角可以是但不限于最大約IO度。參考附圖6A-6F在本申 請下文中更詳細(xì)地描述直徑減小的各種變化。 —般來說，在多個不連續(xù)間隔的每一個處的每個連續(xù)的直徑減小彼此是基本絕對 同心的。多個不連續(xù)間隔可以在基本為圓筒形的部分的長度上按比例分布或者均等地分 布，假定接合工具的總長度足以容納要包括得不連續(xù)間隔的數(shù)量。接合工具的典型長度是 但不限于約11. 10mm并且在某些情況下，可以在約9. Omm至20. Omm之間任意變化。其中的 同心毛細(xì)管和環(huán)性斜面的長度也在約9. Omm至20. Omm之間。典型地，同心毛細(xì)管可以具有 小于或等于約5. Omm但是大于或等于80. 0 ii m的直徑。 在具有兩個不連續(xù)間隔的本發(fā)明的第一個示例性實施方案中，沿著圓筒形部分長 度的第一不連續(xù)間隔和第二不連續(xù)間隔從工作尖端的距離分別為約7. 10mm和約2. 65mm。 在本文中，描述各個不連續(xù)間隔的約定，在本說明書的其他部分保持一致，假定第一不連續(xù) 間隔距離工作尖端最遠(yuǎn)，最后一個不連續(xù)間隔距離工作尖端最近。 因此，在第一實施方案中，在約7. 10mm和約2. 65mm的距離上發(fā)生直徑減小。由于 直徑減小在工作尖端的方向上連續(xù)發(fā)生，在第一不連續(xù)間隔之前的直徑D1(約1. 587mm)大 于后面的直徑D2(1. 20mm)。因此，接下來在第二不連續(xù)間隔之間的直徑D2為約1. 20mm，其 后的直徑D3為約0. 82mm。所以，在該實施方案中，直徑減小在每個不連續(xù)間隔處是固定量。 也就是說，在第一不連續(xù)間隔處，直徑從約1. 587mm減小到約1. 20mm，并且隨后在第二不連 續(xù)間隔處從約1. 20mm減小到約0. 82mm。兩個不連續(xù)間隔在第一示例性實施方案的接合工 具的長度上產(chǎn)生三個不同的直徑。 在接合工具具有三個不連續(xù)間隔的第二示例性實施方案中，所述三個不連續(xù)間隔 在距離工作尖端約2. 65mm、約5. 375mm和約8. 10mm處。基本為圓筒形的部分的直徑在距離 工作尖端約8. lOmm處最大，并且朝著工作尖端在每個后續(xù)的不連續(xù)間隔處減小。在該實施 方案中，直徑開始時也是約1. 587mm(即在距離工作尖端約8. 10mm處的第一不連續(xù)間隔之 前)。在第一不連續(xù)間隔之后、第二不連續(xù)間隔之后和第三不連續(xù)間隔之后，相應(yīng)的直徑分 別為約1. 331mm、約1. 076mm和約0. 82mm。在該實施方案中，3個不連續(xù)間隔在第二示例性實施方案的接合工具的長度上產(chǎn)生4個不同的直徑。 在具有四個不連續(xù)間隔的接合工具的第三示例性實施方案中，四個不連續(xù)間隔在 距離工作尖端約2. 65mm、約4. 466mm、約6. 282mm和約8. 098mm處。基本圓筒形部分的直徑 在距離工作尖端約8. 098mm處最大并且在朝著工作尖端的每個后續(xù)不連續(xù)間隔處減小。在 該實施方案中，直徑開始時也是約1. 587mm(即在距離工作尖端約8. 098mm處的第一個不連 續(xù)間隔之前)。在第一不連續(xù)間隔之后、第二不連續(xù)間隔之后、第三不連續(xù)間隔之后和第四 不連續(xù)間隔之后，相應(yīng)的直徑分別為約1. 395mm、約1. 2035mm、約1. 0118mm和約0. 82mm。在 該實施方案中，4個不連續(xù)間隔在第三示例性實施方案的接合工具的長度上產(chǎn)生5個不同 的直徑。 如前所述，在基本圓筒形部分的長度上的不連續(xù)間隔的數(shù)量可以大于4，即5、6和 7個，甚至更高數(shù)量的不連續(xù)間隔，在這些不連續(xù)間隔處發(fā)生直徑減小。作為一般性的指導(dǎo)， 不連續(xù)間隔越多，接合工具(或基本圓筒形部分)的長度必須更長。另一個一般性的指導(dǎo) 是如果存在'n'個不連續(xù)間隔，則在接合工具的長度上朝著工作尖端方向該接合工具有 (n+l)個不同的直徑。因此，可以預(yù)定直徑減小的數(shù)量最多約O. 82mm(根據(jù)已經(jīng)約定的工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)，這是在基本圓筒形部分內(nèi)的毛細(xì)管直徑的下限，但是這不是接合工具的任何技術(shù)要 求這樣限制的)，并且基于上述關(guān)系計算要求的不連續(xù)間隔的數(shù)量。 隨著直徑減小，接合工具的橫截面積也減小。接合工具的橫截面形狀可以是多邊 形、圓形或橢圓形。當(dāng)接合工具的橫截面形狀是多邊形時，例如，截面形狀可以是但不限于 五邊形、六邊形或八邊形。 在操作時，接合工具通常連接到(或者夾緊到)納米級超聲波能量換能器。換能 器通常夾緊到接合工具的約3. Omm的長度。在啟動時，換能器向接合工具發(fā)送超聲波能量。 在這方面，當(dāng)超聲波能量傳送到接合工具時至少基本圓筒形的部分和工作尖端能夠產(chǎn)生超 聲位移。 在操作過程中，工作尖端部分的位移與換能器的位移的比例稱為位移放大比。根 據(jù)本發(fā)明的接合工具的工作尖端通常在產(chǎn)生超聲位移時具有至少約3的位移放大比。包括 至少基本圓筒形的部分和工作尖端在內(nèi)的整個接合工具的超聲波位移至少基本是正弦曲 線形狀的。正弦形狀有其"大致為零"位移的點，通常在不連續(xù)間隔所處的相同點處。發(fā)生 大致為零位移的點也稱為節(jié)點。 在實際接合過程中證明了上述基本為正弦曲線的位移的作用。在所述接合過程 中，接合工具和焊盤相互接觸，且接合工具向焊盤施加靜壓力，引起焊盤的靜態(tài)預(yù)變形。然 后超聲波發(fā)生器向壓電元件引入信號。該元件以諧振頻率驅(qū)動換能器，使位移運(yùn)動最大化。 這些振動被放大并傳送到接合工具，接合工具垂直連接到換能器的軸上。振動的接合工具 施加平行于焊盤表面的振動力。這導(dǎo)致在毛細(xì)管尖端和焊盤之間的摩擦運(yùn)動，并且引起焊 盤的超聲波變形。 同時，毛細(xì)管內(nèi)的細(xì)焊絲在吸收超聲波能量時軟化，并且在負(fù)荷的作用下流動，破 壞焊盤上的表面氧化物并暴露焊盤的新鮮表面。超聲波能量還提供接合形成過程中焊盤金 屬與焊球金屬之間的互擴(kuò)散所需要的活化能。所以，在接合形成過程中使用超聲波能量增 強(qiáng)了擴(kuò)散現(xiàn)象。 本發(fā)明的接合工具例如可以但不限于由金屬、陶瓷或陶瓷-金屬(CerMet)復(fù)合材
8料制備。CerMet是由陶瓷(cer)和金屬(met)組成的復(fù)合材料。金屬用作氧化物、硼化物、 碳化物或氧化鋁的結(jié)合劑。 一般來說，所用的金屬元素是鎳、鈦、鉬和鈷。陶瓷的實例包括 但不限于氧化物如氧化鋁、氧化鋯或二者的混合物。陶瓷的其他實例包括但不限于非氧化 物如碳化物、氮化物和硼化物。非氧化物陶瓷的一些具體實例包括但不限于碳化硅、氮化硅 和碳化硅。CerMet復(fù)合材料包括但不限于鈷結(jié)合碳化物、碳氮化鈦和氮化鈦。
在根據(jù)本發(fā)明的接合工具的一個具體實施方案中，所述接合工具包括至少基本為 圓筒形的部分，圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過該毛細(xì)管。在至少基本為圓筒形 部分的端部，形成工作尖端部分，所述工作尖端部分朝著其尖端逐漸變細(xì)。工作尖端部分在 其尖端處具有環(huán)形斜面，環(huán)形斜面的一端通向周圍環(huán)境。同心毛細(xì)管通入工作尖端的環(huán)形 斜面的另一端。在該優(yōu)選的實施方案中，圓筒形部分的直徑沿著該圓筒形部分的長度朝向 工作尖端部分在第一和第二不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。每個不連續(xù)間隔可以包括朝向圓筒形 部分的縱向中心旋轉(zhuǎn)軸的臺階、錐形及其任意一種組合。 在該具體實施方案中，第一和第二不連續(xù)間隔距工作尖端的距離分別為約7. 10mm 和約2. 65mm。在第一和第二不連續(xù)間隔處，直徑的相應(yīng)減小分別為從約1. 587mm減小到約 1. 20mm和從約1. 20mm減小到約0. 82mm。因此，如前所述，具有兩個不連續(xù)間隔在沿著接合 工具長度上產(chǎn)生三個不同的直徑。 本發(fā)明的接合工具也可以利用在焊絲接合設(shè)備中，焊絲接合設(shè)備在細(xì)焊絲和焊接 基板之間形成金屬接合。該接合設(shè)備包括用于將細(xì)焊絲接合到基板的接合工具并且納米級 超聲波能量源連接到所述接合工具，使得所述源能夠?qū)⒊暡芰總魉偷皆摻雍瞎ぞ摺１?質(zhì)上，所利用的接合工具可以是根據(jù)上述實施方案的任一種工具。在接合設(shè)備的該實施方 案中，例如，所述接合可以是焊盤或引線框。 圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)接合工具毛細(xì)管10。接合工具10具有圓筒形部分11和 連接到圓筒形部分11的錐形工作尖端部分12。在工作尖端部分12的端部，形成工作尖端 13。工作尖端13通常具有斜面(未示出)，該斜面一端連接到毛細(xì)管15，另一端通向周圍 環(huán)境。 在用于具有低K值的接合材料時，接合工具100是有缺點的，因為所述材料容易產(chǎn) 生金屬起皺(lifting)、縮孔和金屬剝離。在傳統(tǒng)接合工具的工作尖端13處施加的超聲波 能量不足且未優(yōu)化，不能進(jìn)行低K焊盤的接合及其金屬化。傳統(tǒng)毛細(xì)管100的工作尖端13 要求比通常需要的更高功率的超聲波能量。但是，使用比通常水平更高的超聲波能量進(jìn)一 步惡化金屬起皺、縮孔和金屬剝離問題。此外，傳統(tǒng)毛細(xì)管接合工具ioo在這樣的超聲波能 量水平不能提供在變形的焊球和焊盤之間的高水平的可靠金屬間覆蓋。這種金屬間覆蓋的 缺少導(dǎo)致在焊盤金屬化時形成的焊球之間的過量鋁擠出。 圖2是具有兩個不連續(xù)間隔的本發(fā)明的第一實施方案200的側(cè)視圖，在兩個 不連續(xù)間隔處發(fā)生直徑減小。如圖2所示，接合工具200具有由豎直縮窄部(vertical relief) 206和209限定的兩個臺階。豎直縮窄部206和豎直縮窄部209距工作尖端的距 離分別為7. 10mm和2. 65mm。在201、207和210處限定的相應(yīng)外徑分別為1. 587mm、 1. 20mm 和0.82mm。 毛細(xì)管的整個長度202為約11. 10mm。但是，由于該接合工具夾到超聲波源中，只 有長度202能夠在其上具有不連續(xù)間隔。毛細(xì)管204朝著工作尖端部分209以角度205逐漸變細(xì)。在一個實施方案中，接合工具200用單塊材料形成。 圖3表示根據(jù)本發(fā)明的接合工具300的第二實施方案，具有沿毛細(xì)管302的整個 長度的三個不連續(xù)間隔303、306、309。接合工具300的直徑開始時在301處為1. 587mm。在 303處的第一個不連續(xù)間隔之后，接合工具300的直徑減小到304處的1. 331mm。隨后，在 306處的第二個不連續(xù)間隔之后，接合工具300的直徑減小到305處的1. 076mm。最后，在 第三個不連續(xù)間隔309之后，直徑再次減小到307處的0. 82mm。 圖4表示根據(jù)本發(fā)明的接合工具的第三實施方案400。接合工具400沿毛細(xì)管 402的整個長度具有四個不連續(xù)間隔403、406、408和409。接合工具400的直徑開始時在 401處為1. 587mm。在403處的第一個不連續(xù)間隔之后，接合工具400的直徑減小到404處 的1. 395mm。隨后，在406處的第二個不連續(xù)間隔之后，接合工具400的直徑減小到405處 的1. 2035mm。在第三個不連續(xù)間隔409之后，接合工具400的直徑再次減小到407處的 1. 0118mm。最后，在第四個不連續(xù)間隔408之后，直徑最后一次減小到410處的0. 82mm。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的接合工具的第四實施方案500。在該實施方案中，接合工具 的長度標(biāo)記為502。該長度502由若干連續(xù)布置的不連續(xù)間隔501和工作尖端部分503構(gòu) 成。不連續(xù)間隔501的每一個通過朝著接合工具的縱向中心旋轉(zhuǎn)軸的錐形實現(xiàn)其各自的直 徑減小。錐化沿工作尖端部分503的方向進(jìn)行并且錐角可以最大為關(guān)于中心軸10度。
圖6A-6F表示在兩個不連續(xù)間隔上直徑減小的各種實施方案。圖6A表示直徑的 臺階狀減小。在每個不連續(xù)間隔處，臺階相對于水平面成90度角。圖6B表示在每個不連 續(xù)間隔處利用兩個錐形進(jìn)行直徑減小。根據(jù)要實現(xiàn)的直徑減小，錐形的角度可以是相等的 或者是變化的。如前所述，錐化沿工作尖端部分(未示出)的方向并朝向中心軸進(jìn)行。
圖6C和6D分別表示以凸起和凹進(jìn)的弧的形式的臺階獲得的直徑減小。圖6E是 通過錐體的組合實現(xiàn)的直徑減小的實施方案，這種錐體組合通過如圖6B所示的錐形方式 并隨后是如圖6A所示的臺階狀減小而形成。圖6F的實施方案通過具有多個錐體實現(xiàn)直徑 減小。多個錐體的每一個關(guān)于接合工具的中心軸各自取不同的角度。 圖7示出說明到換能器的輸入功率和由其產(chǎn)生的阻抗之間的關(guān)系的圖表。在典型 的接合操作中，如上所述，接合工具夾到超聲波換能器上。作為起始步驟，進(jìn)行通過功率信 號分析器的校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)建立了使接合工具在預(yù)定極限間振動而提供到換能器的功率與由 接合工具因此而產(chǎn)生的阻抗之間的關(guān)系。實際的阻抗值通過所述功率信號分析器記錄。
從校正步驟，功率與阻抗之間的關(guān)系一般如下 隨著通過超聲波換能器傳送(在恒定電流下)到接合工具的功率增大，所產(chǎn)生的 阻抗也相應(yīng)增大，該阻抗取決于所用的接合工具的類型。這種關(guān)系表示在圖7的圖表中。
當(dāng)接合工具夾到超聲波換能器上時，可能影響接合工具所產(chǎn)生的阻抗的因素包括 接合工具的設(shè)計。因此，每個接合工具能夠產(chǎn)生不同水平的阻抗。這更好地表現(xiàn)在圖8的 對比柱形圖中，下面詳細(xì)描述圖8。 圖8表示由各種接合工具產(chǎn)生的阻抗之間的對比柱形圖。傳統(tǒng)的接合工具在 120kHz和138kHz的測試超聲波頻率下分別產(chǎn)生略大于10歐姆和約10歐姆的阻抗。相比 之下，根據(jù)本發(fā)明的各個實施方案的接合工具，取決于輸出功率和阻抗產(chǎn)生的上述關(guān)系，得 到明顯不同的結(jié)果。這些接合工具在所述接合工具的長度上存在不連續(xù)的間隔，與沒有這 些不連續(xù)間隔的傳統(tǒng)接合工具相比，在兩個測試頻率的任一個下都導(dǎo)致阻抗產(chǎn)生的增大。
因此，通過改變接合工具的設(shè)計，可以獲得不同的(在這種情況下為更大的)阻 抗值，例如在本發(fā)明的實施方案中通過在朝著工作尖端部分的方向上改變所述工具的直 徑。因此，與傳統(tǒng)設(shè)計的接合工具——即在接合工具的長度方向上沒有不連續(xù)間隔的接合 工具——相比，本發(fā)明的上述第一、第二、第三和第四示例性實施方案通常表現(xiàn)出更高的阻 抗值。 圖9表示將圖1的傳統(tǒng)接合工具與圖2、3和4的實施方案的多個不連續(xù)間隔接合 工具以及具有4個不連續(xù)間隔的實施方案(未示出)比較的柱形圖。使用激光干涉儀測量
尖端的位移。圖io的表格示出上述各種接合工具之間的位移實際值的比較，這在下面將進(jìn)
一步討論。根據(jù)本發(fā)明的接合工具(圖2、3和4)的尖端的位移明顯高于傳統(tǒng)接合工具的 尖端的位移。應(yīng)當(dāng)注意到，在提供與傳統(tǒng)接合工具所收到的類似的輸入時，獲得了尖端的更 高位移。 圖10表示如圖9中所測試的接合工具的振幅位移讀數(shù)的表。該表是在圖9中所 作的激光干涉儀測試得到的詳細(xì)結(jié)果，清楚地表明在根據(jù)本發(fā)明的接合工具(圖2、3和4) 的尖端的振幅位移為約600nm的讀數(shù)水平，而來自換能器的輸入與傳統(tǒng)接合工具的情況相 同，約為200nm的范圍。一般來說，振幅位移比為約3. 00-3. 70，而傳統(tǒng)工具的振幅位移比為 約2. 22。 該放大比用尖端的位移除以換能器處的位移來計算。根據(jù)本發(fā)明的接合工具的放 大比至少比傳統(tǒng)的接合工具的放大比大三分之一左右。尖端的高振幅位移(^ 600nm)和 接合工具的大于3的放大比值的組合表明為了獲得與目前的傳統(tǒng)接合工具的位移相等的 位移，可以降低驅(qū)動毛細(xì)管的超聲波功率。具有較低的超聲波輸入能量對于敏感性焊盤例 如低K值材料而言有助于形成可靠的接合及其金屬化。 具有高放大比的本發(fā)明的接合工具的意義主要是為了獲得與傳統(tǒng)接合工具相等 的尖端位移，需要更少的輸入能量。換言之，通過輸入比傳統(tǒng)接合工具所需的能量更少的能 量，可以獲得與傳統(tǒng)接合工具相等的位移。在這方面，當(dāng)接合具有低K值的材料時，利用較 少的能量使得焊盤不易發(fā)生金屬起皺、金屬剝離和縮孔。 圖IIA表示使用圖1的傳統(tǒng)接合工具具有多余鋁擠出的球焊的截面圖。該圖表示 使用傳統(tǒng)毛細(xì)管IOO接合的球的截面圖。觀察到在焊盤中的球焊周圍附近有多余的鋁擠 出。這導(dǎo)致內(nèi)部的孔隙，該孔隙可能導(dǎo)致金屬起皺或金屬剝離問題。在模擬Au-Al金屬間 層上的模型固化作用而經(jīng)過175攝氏度烘烤5小時時，球焊的過量鋁擠出消耗鋁材料。
圖11B表示使用圖2、3和4的接合工具沒有多余鋁擠出的球焊的截面圖。圖2、3 和4的接合工具相對于傳統(tǒng)接合工具的一個優(yōu)點表示于圖11B中，圖11B表示沒有多余鋁 擠出的球焊單元的截面圖。由于改進(jìn)了焊接結(jié)合可靠性而沒有焊接剝離，在球焊周圍附近 沒有多余鋁擠出，使得球焊堅固。此外，如上所述，該球焊經(jīng)歷了在175攝氏度暴露5小時， 以模擬對Au-Al金屬間化合物層的模型固化作用。 為了說明和描述的目的，已經(jīng)給出了上述描述。這不意味著窮舉的或者限制本發(fā) 明與所公開的具體形式，明顯的是由于所公開的教導(dǎo)，許多改進(jìn)和變化都是可能的。選擇所 描述的實施方案以便更好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而能夠使本領(lǐng)與普通技術(shù) 人員更好地以各種實施方案和各種變化利用本發(fā)明，以便適合于期望的特定用途。本發(fā)明 的范圍由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
一種將細(xì)焊絲接合到基板上的接合工具，所述接合工具包含至少基本圓筒形的部分，所述圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過所述同心毛細(xì)管；工作尖端部分，所述工作尖端部分形成在所述圓筒形部分的端部并向著其尖端逐漸變細(xì)，所述工作尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中所述同心毛細(xì)管通向所述工作尖端的環(huán)形斜面；并且所述圓筒形部分的直徑沿著所述圓筒形部分的長度朝向所述工作尖端部分在多個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的接合工具，其中，所述圓筒形部分的直徑在兩個不連續(xù)間隔處連 續(xù)減小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的接合工具，其中，所述圓筒形部分的直徑在三個、四個或五個不連 續(xù)間隔處連續(xù)減小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的接合工具，其中，在多個不連續(xù)間隔的每一個處的連續(xù)直徑減小 包含朝著所述圓筒形部分的縱向中心旋轉(zhuǎn)軸的臺階、錐形、及其任何組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的接合工具，其中，所述臺階基本是90度的臺階、多個錐形或弧形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的接合工具，其中，所述錐形關(guān)于所述圓筒形部分的縱向中心旋轉(zhuǎn) 軸的角度最大為10度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的接合工具，其中，在多個不連續(xù)間隔的每一個處的連續(xù)直徑減小 彼此間是同心的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的接合工具，其中，所述多個不連續(xù)間隔在所述圓筒形部分的長度 上按比例分布或等距分布。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2的接合工具，其中，第一和第二不連續(xù)間隔沿所述圓筒形部分的長 度分別距工作尖端約7. 10mm和約2. 65mm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2的接合工具，其中，所述圓筒形部分的直徑在第一和第二不連續(xù)間 隔處分別從約1. 587mm減小到約1. 20mm和從約1. 20mm減小到約0. 82mm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的接合工具，其中，所述至少基本圓筒形部分具有多邊形、圓形或 者橢圓形的橫截面。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的接合工具，其中，多邊形的橫截面是五邊形、六邊形或八邊形。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的接合工具，其中，在超聲波能量傳輸?shù)剿鼋雍瞎ぞ邥r所述至少 基本圓筒形部分和工作尖端能夠進(jìn)行超聲波位移。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的接合工具，其中，在進(jìn)行超聲波位移時所述工作尖端部分具有 至少為約3的位移放大比。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的接合工具，其中，所述至少基本圓筒形部分和工作尖端的超聲 波位移至少基本是正弦波的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1的接合工具，其中，所述同心毛細(xì)管和環(huán)形斜面的長度為約9. OOmm 至約20. OOmm。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的接合工具，其中，所述同心毛細(xì)管的直徑為約80iim至約5.0mm，包含端值。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l的接合工具，其中，所述同心毛細(xì)管由選自金屬、陶瓷和/或陶瓷-金屬(CerMet)復(fù)合材料的材料制成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的接合工具，其中，所述金屬選自鎳、鈦、鉬和鈷。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18的接合工具，其中，所述陶瓷選自氧化物、碳化物、氮化物和硼化物。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18的接合工具，其中，所述CerMet選自鈷結(jié)合碳化鎢、碳氮化鈦和氮 化鈦。
22. —種用于將細(xì)焊絲接合到基板的接合工具，所述接合工具包含 至少為圓筒形部分，所述圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，所述細(xì)焊絲通過所述同心毛細(xì)管；工作尖端部分，所述工作尖端部分形成在所述圓筒形部分的端部并朝著其尖端逐漸變 細(xì)，所述工作尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中，所述同心毛細(xì)管通向所述工作尖端的環(huán)形斜面；并且所述圓筒形部分的直徑沿著所述圓筒形部分的長度朝向工作尖端部分在第一和第二 不連續(xù)間隔處連續(xù)減小，所述不連續(xù)間隔每一個包括朝向所述圓筒形部分的縱向中心旋轉(zhuǎn) 軸的臺階、錐形和其任一種組合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的接合工具，其中，所述第一和第二不連續(xù)間隔分別距離所述工 作尖端約7. 10mm和約2. 65mm。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22的接合工具，其中，所述圓筒形部分的直徑在第一和第二不連續(xù) 間隔處分別從約1. 587mm減小到約1. 20mm和從約1. 20mm減小到約0. 82mm。
25. —種用于在細(xì)焊絲和焊接基板之間形成冶金接合的接合裝置，所述裝置包括 將細(xì)焊絲接合到基板上的接合工具，所述接合工具包含至少基本圓筒形的部分，所述圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過所述同心毛 細(xì)管；工作尖端部分，所述工作尖端部分形成在所述圓筒形部分的端部并向著其尖端逐漸變 細(xì)，所述工作尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中所述圓筒形部分的直徑沿著所述圓筒形部分的長度朝向所述工作尖端部分在多 個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小，以及連接到所述接合工具的納米級超聲波能量源，所述能量源能夠?qū)⒊暡芰總鬏數(shù)剿?述接合工具。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述焊接基板是焊盤或引線框。
全文摘要
一種將細(xì)焊絲接合到基板上的接合工具，所述接合工具包含至少基本圓筒形的部分，該圓筒形部分中具有同心毛細(xì)管，細(xì)焊絲通過該同心毛細(xì)管；工作尖端部分，該工作尖端部分形成在所述圓筒形部分的端部并向著其尖端逐漸變細(xì)，所述工作尖端部分在其尖端具有環(huán)形斜面；其中所述同心毛細(xì)管通向所述工作尖端的環(huán)形斜面；并且其中所述圓筒形部分的直徑沿所述圓筒形部分的長度朝向所述工作尖端部分在多個不連續(xù)間隔處連續(xù)減小。
文檔編號B23K20/10GK101730605SQ200780053680
公開日2010年6月9日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者杰米·卡斯塔尼達(dá), 高凱荀 申請人:小精密工具有限公司