專利名稱：超小間距毛細管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于將絲線焊接在半導體器件上的工具，特別是，涉及一種用于將細絲線焊接在以非常小的間距設定的焊接區(qū)上的焊接工具(焊接工具)。
背景技術：
現(xiàn)代電子設備很大程度上依賴于需要其上安裝有半導體芯片或集成電路(IC)的印刷電路板。芯片和基板之間的機械和電連接對芯片設計者提出了挑戰(zhàn)。用于使IC與基板相互連接的三種已知技術有絲焊法(或稱引線接合法)、帶式自動焊接法(TAB)和倒裝法。
這些方法中最常見的是絲焊法。在絲焊法中，將多個焊接區(qū)設在位于基板頂面上的圖案中，并且將芯片安裝在焊接區(qū)圖案的中心，芯片的頂面背對著基板頂面。細絲(可以為鋁或金絲)連接在位于芯片頂面上的觸點和位于基板頂面上的觸點之間。特別是，通過一毛細管(即下面所述的焊接工具或焊接工具)供給這些連接絲，并將它們焊接在芯片以及基板上。
毛細管(焊接工具)用于將絲線球焊在電子器件上，尤其是焊接在半導體器件的焊接區(qū)上。這些毛細管通常由陶瓷材料例如主要有氧化鋁、碳化鎢、紅寶石、氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)、氧化鋁增韌氧化鋯(ATZ)形成。通常在大約1密耳數(shù)量級上的極細絲線例如金、銅或鋁絲線螺旋通過毛細管中的軸向通道，并且在該絲線的端部處形成一小球，該球位于毛細管頂端的外面。開始時將該球焊接在位于半導體器件的焊接區(qū)上，然后進一步沿著該絲線將其一部分焊接在引線框等上。在周期性焊接操作期間，這些毛細管執(zhí)行多個功能。
在形成球之后，毛細管必須首先使該球部分地在毛細管內居中，以便焊接區(qū)對準。通過一第一焊接步驟，該球被焊接在位于半導體器件上的一焊接區(qū)上。當毛細管使該球向下觸壓焊接區(qū)時，該球將被擠壓并變平。由于焊接區(qū)通常由鋁制成，所以在焊接區(qū)表面上形成有一層薄氧化物。為了形成正確的焊接，最好將氧化物表面破壞，以露出鋁表面。破壞氧化物的一種有效方式在于用絲球“刮擦”氧化物表面。將該絲球放置在氧化鋁表面上，并且毛細管根據(jù)設置在與該毛細管連接的超聲波電極臂內的壓電元件的膨脹和收縮沿著線性方向迅速移動。除了通過焊接區(qū)施加的熱量之外，該迅速運動通過使分子在該絲線和焊接區(qū)之間轉移來形成有效焊接。
然后，毛細管在做環(huán)形循環(huán)運動期間操縱該絲線，從而平穩(wěn)地將焊絲輸送出毛細管然后回到該毛細管中。然后，該毛細管形成“針腳式”焊接(自動點焊)和“粗縫”焊接或“針尾”焊接。
當前，熱聲波絲焊法是將半導體器件與它們的支撐基底互連的一種可選工藝。該熱聲波焊接法部分依賴于通過工具例如毛細管或楔形件將來自連接在一可動焊頭上的換能器的超聲波熱量傳送給半導體器件或支撐基底。
在傳統(tǒng)的毛細管(焊接工具)中，焊接工具的幾何形狀以及由此形成的自由空氣球(FAB)是這樣的，從而該焊接工具只可以用來將絲線焊接在其區(qū)間間隔(間距)大于60微米(0.060mm；15.34×10-4英寸)的焊接區(qū)上。因此，使得它們不適用于將絲線焊接在生產(chǎn)用于滿足半導體工業(yè)的更高密度要求的器件上。這些現(xiàn)有技術中的焊接工具還不適用于采用直徑小至0.4密耳(10微米)的焊絲進行絲焊。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出一種焊接工具，它可滿足由這些高密度器件所提出的要求，同時保持該焊接工具的結構完整性。


圖1A顯示出公知的現(xiàn)有技術中的細小間距焊接工具。焊接工具100具有圓柱形部分101以及連接在圓柱形部分101和工作頂端104之間的錐形部分102。工作頂端104(在焊接工具100的一個端部處)相對于焊接工具100的縱向軸線具有15度的頂錐角。換句話說，工作頂端104具有30度的總角106。工作頂端104相對于圓柱形部分101具有減小的寬度，從而允許在間距大約為0.0032英寸的焊接區(qū)上進行球壓，而不需要如US5,558,270中所述那樣接觸相鄰的焊絲環(huán)圈。
圖1B顯示出工作頂端104的放大剖視圖。如圖1B所示，工作面111具有4度的面角108，并且錐形部分104具有10度的總角118。另外，靠近工作面111的為第一內斜面110，其反過來與第二內斜面112相鄰。第一內斜面110具有90度的斜面角114，并且與第二內斜面112連接或接續(xù)，該第二內斜面112具有大于60度的夾角。這些斜面設計成將細絲(未示出)引導進具有直徑106的絲孔116，以容納直徑大約為1密耳的絲線。
但是，這些現(xiàn)有技術的缺陷在于，它們的設計不能滿足半導體制造商在本領域中提出的超細間距(30微米或更小)的焊接區(qū)的要求。另外，這些焊接工具由這樣的材料形成，其不能受力，且不能達到為提供具有足以滿足半導體工業(yè)需要的工作端部尺寸的焊接工具所必需的彈性要求。
發(fā)明概述為了解決傳統(tǒng)焊接工具的上述缺陷，本發(fā)明涉及一種具有直徑小于39微米的工作頂端的焊接工具。
該焊接工具包括位于其一個端部處的工作頂端。該工作頂端包括i)相對于第一圓柱形部分的縱向軸線具有一預定角度的錐形部分；ii)具有形成于工作頂端的一端部的外側部分處的第一環(huán)形斜面的工作面；以及iii)形成于工作頂端的該端部的內側部分處的第二環(huán)形斜面，所述第一和第二環(huán)形斜面彼此相鄰；以及一與所述第二環(huán)形斜面的上部相連的基本上為圓柱形的軸向通道。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第二環(huán)形斜面具有小于90°的總角。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第一環(huán)形斜面具有大于8°的面角。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，以重量百分比計，該焊接工具由包含至少80％的氧化鋯(ZrO2)的材料形成。
根據(jù)本發(fā)明再一個方面，該焊接工具由選自i)氧化鋯+氧化釔(ZrO2+Y2O3)和ii)氧化鋁+氧化鋯+氧化釔(Al2O3+ZrO2+Y2O3)中的材料形成。
本發(fā)明的這些和其它方面在下面參照本發(fā)明的附圖和示例性實施例的說明中給出。
附圖的簡要說明結合附圖閱讀下面詳細說明可以最清楚地理解本發(fā)明。要強調的是，根據(jù)一般慣例，該附圖的各個部件不是按照比例繪制的。相反，為清楚起見，各個部件的尺寸可以隨意擴大或縮小。在這些附圖中圖1A和1B為傳統(tǒng)焊接工具的不同側視圖；圖2A-2E為根據(jù)本發(fā)明的示例性第一實施例的焊接工具的不同視圖；以及圖3為根據(jù)本發(fā)明的示例性第二實施例的焊接工具的工作頂端的詳細剖視圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明本發(fā)明通過提供一種焊接工具克服了傳統(tǒng)毛細管焊接工具中的缺陷，該焊接工具具有一工作頂端，該頂端包括i)相對于第一圓柱形部分的縱向軸線具有一預定角度的錐形部分；ii)具有形成于工作頂端的一端部的外側部分處的第一環(huán)形斜面的工作面；以及iii)形成于工作頂端的該端部的內側部分處的第二環(huán)形斜面，所述第一和第二環(huán)形斜面彼此相鄰；以及一與所述第二環(huán)形斜面的上部相連的基本上為圓柱形的軸向通道。所得到的焊接工具能夠將小至10微米的焊絲施加在間距為30微米或更小的焊接區(qū)上。
圖2A為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的焊接工具200的側視圖。如圖2A所示，焊接工具200具有一圓柱形主體部分201、一與圓柱形主體部分201相連的錐形部分202以及一與錐形部分202的端部相連的工作頂端204。在優(yōu)選實施例中，焊接工具200由單塊材料形成。下面將對用來形成該焊接工具的材料進行詳細說明。
圖2B為焊接工具200的側面剖視圖。如圖2B所示，焊接工具200的直徑227在大約1.5和1.6mm之間，并且優(yōu)選為1.588mm。另外，焊接工具200的長度在大約9.5和11.1mm之間。從與圓柱形部分201相交的位置處開始，錐形部分202具有在大約18°和22°之間的基本恒定的錐度218。在一個示例性實施例中，該錐度在大約19°和21°之間，并且優(yōu)選為20°。軸向通道220從上端222延伸至焊接工具200的工作頂端204。在一個示例性實施例中，軸向通道220具有基本連續(xù)的錐形形狀，其在一部分長度上具有大約13°±1°的預定角度226。當軸向通道220靠近工作頂端204時，該錐度過渡成大約6°±1°。但是，本發(fā)明并不限于此，可以想到，軸向通道220可以具有基本恒定的直徑或者只在焊接工具200的一部分長度上呈錐形。后者對于方便在焊接工具200的上端222處的絲線插入是所希望。在圖2D和2E中示出了這些可選軸向通道的例子。
如圖2D中所示，軸向通道220沿著焊接工具200的長度具有基本上恒定的直徑230。在圖2E中，軸向通道220沿著焊接工具200的一部分長度具有基本上恒定的直徑240，并且在焊接工具200的上端22附近具有一錐形242。
圖2C為焊接工具200的工作頂端204的詳細剖視圖。如圖2C所示，工作頂端204具有一環(huán)形工作面211，它具有在8-15度之間的面角208。在一個示例性實施例中，該面角至少為11度，并優(yōu)選在11-12度之間，最優(yōu)選為11度，以通過焊接工具提供堅固的第二焊接(楔形結合)。與工作面211相鄰的為具有小于90度的總角214的環(huán)形斜面213。在一優(yōu)選實施例中，斜面角214在60度和90度之間，并且最優(yōu)選大約為60度，以便提供滿足剪切和拉伸測試要求的第一焊接(球焊)。另外，環(huán)形斜面213的寬度為1-4微米。圓柱形通道224連接在斜面213的上部和軸向通道220之間。在一個示例性實施例中，圓柱形通道224具有大約為14微米的直徑206，以容納焊絲(未示出)，斜面213具有大約為18微米的外徑212，并且工作頂端204具有大約為33微米的直徑216?？梢愿鶕?jù)焊絲的直徑加上4微米來確定圓柱形通道224的直徑206。另外，如圖2C所示，工作頂端204具有在大約0和10度之間并優(yōu)選為大約7度的基本恒定的錐度219，以避免相鄰焊絲在焊接工具200的作用下接觸，并且具有在大約60和90微米之間的長度210。在一優(yōu)選實施例中，長度210大約為76.2微米。
由于錐形部分202和工作頂端204的錐角218和219分別不同，所以可以將一過渡區(qū)域225設置在錐形部分202和工作頂端204之間。在一優(yōu)選實施例中，過渡區(qū)域225具有大約為3.8微米的半徑。另外，為了防止焊接工具200碎裂或豁開，可以將一半徑在大約4和6微米之間的過渡區(qū)域315設置在工作頂端204的下部和工作面211之間。
圖3為根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實施例的工作頂端304的詳細剖視圖。作為圓柱形主體部分，由于在該實施例中的焊接工具的錐形部分和軸向通道與第一實施例基本相同，所以與之相關的說明沒有重復。
如圖3所示，工作頂端304具有一工作面311，它具有在8和15度之間的面角308。在一示例性實施例中，該面角308在大約10和12度之間，并且優(yōu)選為11度。靠近工作面311的為一環(huán)形斜面313，它具有小于90度的總角314。在一優(yōu)選實施例中，斜面角314在60和90度之間，并且最優(yōu)選大約為60度。另外，環(huán)形斜面313的寬度在1和3微米之間。圓柱形通道324連接在斜面313的上部和軸向通道220之間。在一示例性實施例中，圓柱形通道324具有在大約14和16微米之間并優(yōu)選為15微米的直徑306，以容納焊絲(未示出)，斜面313具有在大約17和19微米之間并優(yōu)選為18微米的外徑312，并且工作頂端304具有在大約37和39微米之間的外徑316，并且優(yōu)選大約為38微米?？梢愿鶕?jù)焊絲直徑加上2微米來確定圓柱形通道324的直徑306。另外，如圖3所示，工作頂端304具有在大約0和10度之間并且優(yōu)選大約為7度的基本上恒定的錐度319，從而避免相鄰焊絲在焊接工具200的作用下接觸，并具有在大約117和137微米之間的長度310。在一優(yōu)選實施例中，長度310大約為127微米。
提供如上所述的焊接工具在滿足半導體工業(yè)需要方面僅僅成功了一半。重要的是，能夠用足以承受在焊接過程中施加在該工具上的力的材料形成該焊接工具，但是該材料仍然具有足夠的彈性，以便在必要時可彎曲而不斷裂。本發(fā)明人已經(jīng)確定，通過利用以重量百分比計至少含有80％氧化鋯(ZrO2)的材料來形成焊接工具可以滿足這些需要。
在本發(fā)明的一個實施例中，使用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯來形成該焊接工具。在該實施例中，將大約95t％(重量百分比)的氧化鋯與大約5％(重量百分比)的氧化釔(Y2O3)結合。本發(fā)明人已經(jīng)確定，純氧化鋯在熱處理期間將出現(xiàn)相變過程。純氧化鋯在室溫下為單斜晶并且在大約1000℃下轉變?yōu)楦旅艿恼骄螒B(tài)。這涉及較大的體積變化，并且在大約1350和1500℃之間的溫度的燒結過程中在其結構內將產(chǎn)生裂紋。
額外量的Y2O3在低溫(例如小于900℃)下產(chǎn)生立方相和單斜晶相的混合物。該相變過程將在存在有立方相的情況下進行，并涉及到小得多的體積變化，其反過來將降低熱應力，并使微裂紋的形成降至最小程度。該材料具有比傳統(tǒng)氧化鋁基材料大得多的彎曲強度，并且因此改善了該焊接工具的制造能力。
在另一個示例性實施例中，將高達20％(重量百分比)的Al2O3添加到氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯中。該材料具有類似于傳統(tǒng)氧化鋁基材料的聲學性能。
雖然已經(jīng)參照示例性實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明并不限于此。相反，所附權利要求應該被解釋為包括由本領域的普通技術人員在不脫離本發(fā)明的真實精神和范圍的情況下所能夠作出的其它變型和實施例。
權利要求
1.一種用于將細絲焊接在基底上的焊接工具，該焊接工具包括位于該焊接工具的一個端部處的一工作頂端，該工作頂端包括i)相對于該焊接工具的縱向軸線具有一預定角度的錐形部分；ii)具有形成于該工作頂端的一端部的外側部分處的第一環(huán)形斜面的工作面；以及iii)形成于該工作頂端的該端部的內側部分處的第二環(huán)形斜面，所述第一和第二環(huán)形斜面彼此相鄰；以及與所述第二環(huán)形斜面的上部相連的一基本上呈圓柱形的軸向通道。
2.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述第二環(huán)形斜面具有小于90°的總角。
3.如權利要求2所述的焊接工具，其特征在于，所述第一環(huán)形斜面具有大于8°的面角。
4.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述第二環(huán)形斜面具有小于60°的總角。
5.如權利要求4所述的焊接工具，其特征在于，所述第一環(huán)形斜面具有在10°和12°之間的面角。
6.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述軸向通道具有小于大約16微米的直徑。
7.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述錐形部分具有小于大約137微米的長度。
8.如權利要求7所述的焊接工具，其特征在于，所述錐形部分具有小于大約39微米的外徑。
9.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述焊接工具由以重量百分比計包含至少80％的ZrO2的材料形成。
10.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述焊接工具由選自i)ZrO2+Y2O3和ii)Al2O3+ZrO2+Y2O3中的材料形成。
11.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，以重量百分比計，所述焊接工具由包含大約95％的ZrO2和大約5％的Y2O3的材料形成。
12.如權利要求11所述的焊接工具，其特征在于，以重量百分比計，該材料添加有高達約20％的Al2O3。
13.如權利要求9-12中任何一項所述的焊接工具，其特征在于，所述材料在至少為1350℃的溫度下進行燒結。
14.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述焊接工具由整塊材料形成。
15.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述錐形部分的總角小于10°。
16.如權利要求1所述的焊接工具，其特征在于，所述錐形部分的總角大約為7°。
17.一種用于將細絲焊接在基底上的焊接工具，該焊接工具包括具有一直徑的圓柱形部分；第一錐形部分，它與所述圓柱形部分的一端相連，并且相對于該圓柱形部分的縱向軸線具有一第一預定角度；第二錐形部分，它具有i)相對于該第一圓柱形部分的縱向軸線具有一第二預定角度；ii)形成于其一個端部的外側部分處的第一斜面；以及iii)形成于其一個端部的內側部分處的第二斜面，所述第二錐形部分與所述第一錐形部分的一端相連；以及從圓柱形部分的一個第一端延伸至所述第二斜面的軸向通道。
18.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，還包括設置在所述第一錐形部分和所述第二錐形部分之間的第三錐形部分。
19.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第二斜面具有小于90°的角度。
20.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第二斜面具有大約為60°的角度。
21.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第一斜面具有在大約10°和12°之間的面角。
22.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述軸向通道具有位于所述第一圓柱形部分的第一端部處的第一直徑和位于所述第二錐形部分的頂端處的第二直徑，所述第一直徑大于所述第二直徑。
23.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，以重量百分比計，所述焊接工具由包含至少80％的ZrO2的材料形成。
24.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述焊接工具由選自i)ZrO2+Y2O3和ii)Al2O3+ZrO2+Y2O3中的材料形成。
25.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第一錐形部分的第一預定角度在大約19°和21°之間。
26.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第一預定角度為大約20°。
27.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第二錐形部分的第二預定角度為大約7°。
28.如權利要求17所述的焊接工具，其特征在于，所述第二錐形部分的第二預定角度小于10°。
29.一種用于將細絲焊接在基底上的焊接工具，該焊接工具包括具有一直徑的圓柱形部分；第一錐形部分，它與所述圓柱形部分的一端相連，并相對于所述圓柱形部分的縱向軸線具有一第一預定夾角；與所述第一錐形部分的一端相連的第二錐形部分，該第二錐形部分具有i)在大約117微米和137微米之間的長度；ii)相對于所述圓柱形部分的縱向軸線成大約7°的夾角；以及iii)形成于所述第二錐形部分的內側部分處并靠近其端部的大約為60°的環(huán)形斜面。
30.如權利要求29所述的焊接工具，其特征在于，所述焊接工具由選自i)ZrO2+Y2O3和ii)Al2O3+ZrO2+Y2O3中的材料形成。
31.如權利要求29所述的焊接工具，其特征在于，以重量百分比計，所述焊接工具由包含至少80％的ZrO2的材料形成。
32.一種用于將細絲焊接在基底上的焊接工具，所述焊接工具由選自i)ZrO2+Y2O3和ii)Al2O3+ZrO2+Y2O3中的材料形成。
33.一種制造用于將絲線焊接在一焊接區(qū)上的焊接工具的方法，該方法包括以下步驟在焊接工具的一端部形成一工作頂端；在該工作頂端上形成一個相對于焊接工具的縱向軸線成一預定夾角的錐形部分；在該工作頂端的一端部形成一工作面；在該工作頂端的一端部的外側部分處形成具有至少8°的面角的第一環(huán)形斜面；在該工作頂端的該端部的內部部分處并靠近所述第一環(huán)形斜面形成一個具有小于90°的總角的第二環(huán)形斜面；以及在所述第二環(huán)形斜面的上端處形成一基本上為圓柱形的軸向通道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于將細絲焊接在具有非常小的間距的焊接區(qū)上的焊接工具。該焊接工具包括一位于其一個端部處的工作頂端。該工作頂端包括i)相對于第一圓柱形部分的縱向軸線具有一預定角度的錐形部分；ii)具有形成于該工作頂端的一端部的外側部分處的第一環(huán)形斜面的工作面；以及iii)形成于該工作頂端的該端部的內側部分處的第二環(huán)形斜面。所述第一和第二環(huán)形斜面彼此相鄰，并且一基本上為圓柱形的軸向通道與所述第二環(huán)形斜面的上部相連。以重量百分比計，該焊接工具由包含至少80％的ZrO
文檔編號B23K31/02GK1528008SQ02814080
公開日2004年9月8日 申請日期2002年5月29日 優(yōu)先權日2001年7月17日
發(fā)明者伊爾·佩爾貝格, 伊爾 佩爾貝格, 阿措恩, 齊夫·阿措恩, 索南賴克, 本杰明·索南賴克, 巴哈盧爾, 奧里耶·巴哈盧爾 申請人:庫利克-索法投資公司