特許 6180736 ワイヤーボンディング用の超音波トランスデューサ、ならびに超音波トランスデューサを使ってワイヤーボンドを形成する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6180736

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】ワイヤーボンディング用の超音波トランスデューサ、ならびに超音波トランスデューサを使ってワイヤーボンドを形成する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20170814BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 301G

【請求項の数】41

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2012-524781(P2012-524781)

(86)(22)【出願日】2010年8月10日

(65)【公表番号】特表2013-506271(P2013-506271A)

(43)【公表日】2013年2月21日

(86)【国際出願番号】US2010044976

(87)【国際公開番号】WO2011019692

(87)【国際公開日】20110217

【審査請求日】2013年8月6日

【審判番号】不服2015-10351(P2015-10351/J1)

【審判請求日】2015年6月3日

(31)【優先権主張番号】61/233,237

(32)【優先日】2009年8月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】506395943

【氏名又は名称】クリック アンド ソッファ インダストリーズ、インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100104411

【弁理士】

【氏名又は名称】矢口 太郎

(72)【発明者】

【氏名】デアンジェリス、ドミニク、エー．

(72)【発明者】

【氏名】シュルツェ、ゲリー、ダブリュー．

【合議体】

【審判長】 飯田 清司

【審判官】 小田 浩

【審判官】 加藤 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００８／１２２４９９（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開昭５９−２３０４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２４２４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−２３０４７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワイヤーボンディング機械のトランスデューサに連結されたボンディングツールを使ってワイヤーボンドを形成する方法であって、
前記トランスデューサは単一のドライバを含むものであり、この方法は、
（１）前記ドライバに第１の周波数で電気エネルギーを印加する工程と、
（２）前記第１の周波数で電気エネルギーを印加すると同時に、前記ドライバに第２の周波数で電気エネルギーを印加する工程であって、前記第１の周波数および前記第２の周波数は互いに異なるものである、前記印加する工程と
を有し、
前記ドライバは積層された複数の圧電素子を含み、当該複数の圧電素子の各々は、積層方向と直交する第１の電極面と、この第１の電極面と反対側の面に設けられた第２の電極面とを有し、各電極面には、一体の圧電素子にノッチ/溝が設けられ、このノッチ/溝により前記各電極面と平行な方向に分離された少なくとも２つの領域が形成されているものであり、
前記（１）及び（２）の工程は、前記少なくとも２つの領域を通して前記複数の圧電素子の各々に少なくとも２つの電気通路で電気エネルギーを印可することで、前記トランスデューサに連結されたボンディングツールの先端部にスクラブ運動を生じさせるものである
方法。

【請求項2】

請求項１記載の方法において、工程（１）は、約１１５ｋＨｚである前記第１の周波数で前記ドライバに電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項3】

請求項１記載の方法において、工程（２）は、約１２０ｋＨｚである前記第２の周波数で前記ドライバに電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項4】

請求項１記載の方法において、工程（１）は、約１１５ｋＨｚである前記第１の周波数で電気エネルギーを前記ドライバに印加する工程を含み、工程（２）は、約１２０ｋＨｚである前記第２の周波数で電気エネルギーを前記ドライバに印加する工程を含むものである方法。

【請求項5】

請求項１記載の方法において、工程（１）は、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第１の領域に前記第１の周波数で電気エネルギーを印加する工程を含み、工程（２）は、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第２の領域に前記第２の周波数で電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項6】

請求項１記載の方法において、前記第１の周波数および前記第２の周波数で前記ドライバに前記電気エネルギーが印加されることにより、前記ボンディングツールの先端部による非直線的スクラブが生じるものである方法。

【請求項7】

ワイヤーボンディング機械のトランスデューサに連結されたボンディングツールを使ってワイヤーボンドを形成する方法であって、
前記トランスデューサはドライバを含むものであり、
前記ドライバは、前記トランスデューサを駆動して、上記ボンディングツールの先端部にボンディング面と平行なＸＹ面内のスクラブ運動を生じさせるものであり、
この方法は、
（１）前記ドライバに第１の周波数で電気エネルギーを印加して前記ボンディングツールの先端部を上記ＸＹ面内の第１の方向に駆動する工程と、
（２）前記ドライバに第２の周波数で電気エネルギーを印加して前記ボンディングツールの先端部を上記ＸＹ面内の第２の方向に駆動する工程であって、前記第１の方向は前記第２の方向とは異なるものである、前記駆動する工程と
を有し、
前記ドライバは、複数の圧電素子からなる単一の積層のみを含むものである
方法。

【請求項8】

請求項７記載の方法において、前記ドライバへの前記第１の周波数での電気エネルギー印加は、前記ドライバへの前記第２の周波数での電気エネルギー印加と同時に行われるものである方法。

【請求項9】

請求項７記載の方法において、前記ドライバへの前記第１の周波数での電気エネルギー印加は、前記ドライバへの前記第２の周波数での電気エネルギー印加と同時に行われないものである方法。

【請求項10】

請求項７記載の方法において、工程（１）は、約１１５ｋＨｚである前記第１の周波数で前記ドライバに電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項11】

請求項７記載の方法において、工程（２）は、約１２０ｋＨｚである前記第２の周波数で前記ドライバに電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項12】

請求項７記載の方法において、工程（１）は、約１１５ｋＨｚである前記第１の周波数で電気エネルギーを前記ドライバに印加する工程を含み、工程（２）は、約１２０ｋＨｚである前記第２の周波数で電気エネルギーを前記ドライバに印加する工程を含むものである方法。

【請求項13】

請求項７記載の方法において、工程（１）で前記電気エネルギーが印加されることにより、前記ワイヤーボンディング機械のＸ軸に実質的に沿った前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じ、工程（２）で前記電気エネルギーが印加されることにより、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に実質的に沿った前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じるものである方法。

【請求項14】

請求項７記載の方法において、前記複数の圧電素子の各々は、第１の電極面と、この第１の電極面と反対側の面に設けられた第２の電極面とを有し、各電極面には、一体の圧電素子にノッチ/溝が設けられ、このノッチ/溝により前記各電極面と平行な方向に分離された少なくとも２つの領域が形成されているものであり、
前記（１）及び（２）の工程は、前記少なくとも２つの領域を通して前記複数の圧電素子の各々に少なくとも２つの電気通路で電気エネルギーを印可するものである方法。

【請求項15】

請求項１４記載の方法において、工程（１）は、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第１の領域に前記第１の周波数で電気エネルギーを印加する工程を含み、工程（２）は、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第２の領域に前記第２の周波数で電気エネルギーを印加する工程を含むものである方法。

【請求項16】

請求項７記載の方法において、前記第１の周波数および前記第２の周波数で前記ドライバに前記電気エネルギーが印加されると、前記ボンディングツールの先端部による非直線的スクラブが生じるものである方法。

【請求項17】

請求項１５記載の方法において、前記ドライバは、前記第１の周波数で電気エネルギーが印加されると前記第１の方向に変形するように構成された少なくとも１つの圧電素子と、前記第２の周波数で電気エネルギーが印加されると前記第２の方向に変形するように構成された前記少なくとも１つの圧電素子とを含み、前記第１の方向および前記第２の方向は互いに異なるものである方法。

【請求項18】

請求項１７記載の方法において、前記第１の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ったものである方法。

【請求項19】

請求項１７記載の方法において、前記第１の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、ＸＹ剪断方向に沿ったものである方法。

【請求項20】

請求項１７記載の方法において、前記第１の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、ＸＹ剪断方向に沿ったものである方法。

【請求項21】

ワイヤーボンディング操作に使用するトランスデューサであって、
（ａ）ボンディングツールを支持するように構成された細長い本体部分と、
（ｂ）前記細長い本体部分に振動をもたらす単一のドライバであって、当該ドライバは積層された複数の圧電素子を含み、当該複数の圧電素子の各々は、第１の電極面と、この第１の電極面と反対側の面に設けられた第２の電極面とを有し、各電極面には、一体の圧電素子にノッチ/溝が設けられ、このノッチ/溝により前記各電極面と平行な方向に分離された少なくとも２つの領域が形成されているものであり、
前記（ａ）及び（ｂ）の工程は、前記少なくとも２つの領域を通して前記複数の圧電素子の各々に少なくとも２つの電気通路で電気エネルギーを印可するものである
トランスデューサ。

【請求項22】

請求項２１記載のトランスデューサにおいて、第１の周波数の電気エネルギーは、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第１の領域に印加されるように構成され、第２の周波数の電気エネルギーは、前記複数の圧電素子の各々の前記少なくとも２つの領域のうち第２の領域に印加されるように構成されるものであるトランスデューサ。

【請求項23】

請求項２２記載のトランスデューサにおいて、前記第１の周波数および前記第２の周波数で前記ドライバに前記電気エネルギーが印加されることにより、前記ボンディングツールの先端部による非直線的スクラブが生じるものであるトランスデューサ。

【請求項24】

請求項２２記載のトランスデューサにおいて、前記第１の周波数は約１１５ｋＨｚであり、前記第２の周波数は約１２０ｋＨｚであるトランスデューサ。

【請求項25】

請求項２２記載のトランスデューサにおいて、前記第１の領域に前記第１の周波数で電気エネルギーが印加されることにより、前記第１の方向に前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じ、前記第２の領域に前記第２の周波数で電気エネルギーが印加されることにより、前記第２の方向に前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じ、前記第１の方向は前記第２の方向とは異なるものであるトランスデューサ。

【請求項26】

請求項２５記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿って延長し、前記第２の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿って延長するものであるトランスデューサ。

【請求項27】

請求項２５記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、当該トランスデューサの長手方向の軸と実質的に平行に延長し、前記第２の方向は、当該トランスデューサの長手方向の軸と実質的に垂直に延長するものであるトランスデューサ。

【請求項28】

請求項２５記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、前記第２の方向に実質的に直交するものあるトランスデューサ。

【請求項29】

請求項２１記載のトランスデューサにおいて、前記本体部分にはドライバ開口部が形成され、前記複数の圧電素子は前記ドライバ開口部内に配置されるものであるトランスデューサ。

【請求項30】

ワイヤーボンディング操作に使用するトランスデューサであって、
（ａ）ボンディングツールを支持するように構成された細長い本体部分と、
（ｂ）前記細長い本体部分に振動をもたらすドライバであって、このトランスデューサを駆動して、上記ボンディングツールの先端にボンディング面と平行なＸＹ面内のスクラブ動作を生じさせるものであり、
当該ドライバは、複数の圧電素子からなる単一の積層のみを含むものであり、電気エネルギーが印加されると上記ＸＹ面内の第１の方向に変形するように構成された少なくとも１つの圧電素子と、電気エネルギーが印加されると上記ＸＹ面内の第２の方向に変形するように構成された少なくとも１つの圧電素子とを含み、前記第１の方向および前記第２の方向は互いに異なるものである、前記ドライバと
を有するトランスデューサ。

【請求項31】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向に変形するように構成された前記少なくとも１つの圧電素子は、第１の周波数で電気エネルギーが印加されると前記第１の方向に変形し、前記第２の方向に変形するように構成された前記少なくとも１つの圧電素子は、第２の周波数で電気エネルギーが印加されると前記第２の方向に変形し、前記第１の周波数は前記第２の周波数とは異なるものであるトランスデューサ。

【請求項32】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ったものであるトランスデューサ。

【請求項33】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、ＸＹ剪断方向に沿ったものであるトランスデューサ。

【請求項34】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向は、ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ったものであり、前記第２の方向は、ＸＹ剪断方向に沿ったものであるトランスデューサ。

【請求項35】

請求項３１記載のトランスデューサにおいて、前記第１の周波数は約１１５ｋＨｚであり、前記第２の周波数は約１２０ｋＨｚであるトランスデューサ。

【請求項36】

請求項３１記載のトランスデューサにおいて、
（１）前記第２の周波数で電気エネルギーが印加されることなく、前記第１の周波数で電気エネルギーが印加されることにより、前記第１の方向に前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じ、
（２）前記第１の周波数で電気エネルギーが印加されることなく、前記第２の周波数で電気エネルギーが印加されることにより、前記第２の方向に前記ボンディングツール先端部のスクラブが生じ、前記第１の方向は前記第２の方向とは異なるものであり、
（３）前記第１の周波数および前記第２の周波数で電気エネルギーが印加されることにより、前記ボンディングツール先端部の非直線的スクラブが生じるものである
トランスデューサ。

【請求項37】

請求項３６記載のトランスデューサにおいて、前記スクラブの前記第１の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿って延長し、前記スクラブの前記第２の方向は、前記ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿って延長するものであるトランスデューサ。

【請求項38】

請求項３６記載のトランスデューサにおいて、前記スクラブの前記第１の方向は、当該トランスデューサの長手方向の軸と実質的に平行に延長し、前記スクラブの前記第２の方向は、当該トランスデューサの長手方向の軸と実質的に垂直に延長するものであるトランスデューサ。

【請求項39】

請求項３６記載のトランスデューサにおいて、前記スクラブの前記第１の方向は、前記スクラブの前記第２の方向に実質的に直交するものであるトランスデューサ。

【請求項40】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記第１の方向および前記第２の方向は、互いに実質的に直交するものであるトランスデューサ。

【請求項41】

請求項３０記載のトランスデューサにおいて、前記本体部分にはドライバ開口部が形成され、前記複数の圧電素子は前記ドライバ開口部内に配置されるものであるトランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は２００９年８月１２日付けで提出された米国仮特許出願第６１／２３３，２３７号（この参照によりその内容が本明細書に組み込まれる）に対する利益を主張するものである。

【0002】

本発明は、ワイヤーボンディング機械の動作に関し、より具体的には、ワイヤーボンドの形成に関連する改善された超音波トランスデューサおよび超音波トランスデューサを操作する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

半導体装置の処理およびパッケージングでは、ワイヤーボンディングが、パッケージ内の２つの位置間（半導体ダイのダイパッドとリードフレームのリードとの間など）の電気的相互接続を提供する主な方法であり続けている。より具体的にいうと、ワイヤーボンダー（ワイヤーボンディング機械とも呼ばれる）を使って、電気的に相互接続すべき各位置間にワイヤーループが形成される。ワイヤーボンディング機械は、導電性バンプの形成にも使用できる（それらのバンプは、ワイヤーループに関連して使用しても、しなくてもよい）。

【0004】

例示的な従来のワイヤーボンディングシーケンスとしては、次のものがある。（１）ボンディングツールから延出したワイヤーの端部にイニシャルボール（ｆｒｅｅ ａｉｒ ｂａｌｌ）を形成する。（２）前記ボールを使って、半導体ダイのダイパッド上に第１のボンドを形成する。（３）前記ダイパッドとリードフレームのリードとの間で望ましい形状にワイヤーを延長する。（４）前記リードフレームの前記リードに前記ワイヤーをステッチボンディングする。（５）前記ワイヤーを切断する。（ａ）ワイヤーループの端部および（ｂ）ボンディング位置（例えば、ダイパッド、リード）を接合する際は、超音波エネルギー、熱音響（サーモソニック）エネルギー、熱圧縮エネルギーを含む種々の接合エネルギーを使用できる。
米国特許第５，５９５，３２８号（「ＳＥＬＦ ＩＳＯＬＡＴＩＮＧ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」（自己絶縁型超音波トランスデューサ））、第５，６９９，９５３号（「ＭＵＬＴＩ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ ＵＮＩＢＯＤＹ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」（複合共振ユニボディ超音波トランスデューサ））、第５，８８４，８３４号（「ＭＵＬＴＩ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＷＩＲＥ ＢＯＮＤＥＲ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」（多周波超音波ワイヤーボンダーとその方法））、および第７，１３７，５４３号（「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＦＬＥＸＵＲＥ ＭＯＵＮＴ ＳＣＨＥＭＥ ＦＯＲ ＤＹＮＡＭＩＣ ＩＳＯＬＡＴＩＯＮ ＯＦ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ」（超音波トランスデューサ動的絶縁用の一体型屈曲マウント方式））は超音波トランスデューサに関するもので、この参照によりこれら全体が本明細書に組み込まれる。超音波ボンディングエネルギーは、通常、超音波トランスデューサを使って付与され、そのトランスデューサにボンディングツールが取り付けられる。そのトランスデューサには、通常、圧電素子（例えば、圧電性結晶、圧電セラミック）のスタックなどのドライバが含まれる。ドライバに与えられた電気エネルギーは、機械的なエネルギーに変換され、ボンディングツールの先端部にこするようなスクラブ運動（ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）をもたらす。このボンディングツール先端部のスクラブ運動は、通常、トランスデューサの長手方向の軸に沿った直線的な動きである。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
【先行技術文献】
【特許文献】

【0005】

【特許文献１】 米国特許第５６９９９５３号明細書
【特許文献２】 米国特許第５５９５３２８号明細書
【特許文献３】 米国特許第５８８４８３４号明細書
【特許文献４】 米国特許第７１３７５４３号明細書
【特許文献５】 米国特許第５８９０６４３号明細書
【特許文献６】 米国特許第５８１６４７６号明細書
【特許文献７】 米国特許第６２８６７４７号明細書
【特許文献８】 米国特許第５５７８８８８号明細書
【特許文献９】 米国特許第６９９５４９８号明細書
【特許文献１０】 米国特許第６６７２５０３号明細書
【特許文献１１】 米国特許第５４６９０１１号明細書
【特許文献１２】 米国特許第７００２２８３号明細書
【特許文献１３】 米国特許第７４４１６８９号明細書
【特許文献１４】 米国特許第６２９９０５１号明細書
【特許文献１５】 米国特許第６２４４４９８号明細書
【特許文献１６】 米国特許第６１１６４９０号明細書
【特許文献１７】 米国特許第５８９０６４３号明細書
【特許文献１８】 米国特許第５８３２４１２号明細書
【特許文献１９】 米国特許第５７９５４１９号明細書
【特許文献２０】 米国特許第５６９９９５０号明細書
【特許文献２１】 米国特許第５８８４８３５号明細書
【特許文献２２】 米国特許第５６０３４４５号明細書
【特許文献２３】 米国特許第５４９４２０７号明細書
【特許文献２４】 米国特許第７６１１０３９号明細書
【特許文献２５】 米国特許第６６４８２０５号明細書
【特許文献２６】 米国特許第６１９０４９７号明細書
【特許文献２７】 米国特許出願公開第２０１０／０１２７５９９号明細書
【特許文献２８】 米国特許出願公開第２００９／０２４８３６４号明細書
【特許文献２９】 米国特許出願公開第２００７／０２８３９８５号明細書
【特許文献３０】 米国特許出願公開第２００６／００２２０１６号明細書
【特許文献３１】 米国特許出願公開第２００６／００００８７０号明細書
【特許文献３２】 米国特許出願公開第２００５／０１２２００３号明細書
【特許文献３３】 米国特許出願公開第２００４／０２５１７８０号明細書
【特許文献３４】 米国特許出願公開第２００４／０２５０６２１号明細書
【特許文献３５】 米国特許出願公開第２００４／０００７０６５号明細書
【特許文献３６】 米国特許出願公開第２００３／０１３４２２３号明細書
【特許文献３７】 国際公開第２００８／１２２４９９号
【特許文献３８】 特開平０６−０４５４１１号公報
【特許文献３９】 特開平０６−００５６６６号公報
【特許文献４０】 特開平１０−１５４７２２号公報
【特許文献４１】 特開２００５−２５２９７８号公報
【特許文献４２】 特開平０６−２０４３０２号公報
【特許文献４３】 特開平０６−２０４３０２号公報
【特許文献４４】 特開昭６３−１１８７１５号公報
【特許文献４５】 特開昭６３−２３９８３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ワイヤーボンディング機械に関連して使用するためのトランスデューサを改善し、またトランスデューサを使ってワイヤーボンドを形成する方法を改善することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の例示的な一実施形態によれば、トランスデューサに連結されたボンディングツールを使ってワイヤーボンドを形成する方法が提供される。この方法は、（１）前記トランスデューサのドライバに第１の周波数で電気エネルギーを印加する工程と、（２）前記第１の周波数で電気エネルギーを印加すると同時に、前記ドライバに第２の周波数で電気エネルギーを印加する工程であって、前記第１の周波数および前記第２の周波数は互いに異なるものである、前記印加する工程とを含む。

【0008】

本発明の別の例示的一実施形態によれば、トランスデューサに連結されたボンディングツールを使ってワイヤーボンドを形成する別の方法が提供される。この方法は、（１）前記トランスデューサのドライバに第１の周波数で電気エネルギーを印加して前記ボンディングツールの先端部を第１の方向に駆動する工程と、（２）前記ドライバに第２の周波数で電気エネルギーを印加して前記ボンディングツールの先端部を第２の方向に駆動する工程であって、前記第１の方向は前記第２の方向とは異なるものである、前記駆動する工程工程とを含む。

【0009】

本発明の別の例示的一実施形態によれば、ワイヤーボンディング操作に使用するトランスデューサが提供される。前記トランスデューサは、ボンディングツールを支持するように構成された細長い本体部分を含む。前記トランスデューサは、前記細長い本体部分に振動をもたらすドライバも含んでおり、当該ドライバは複数の圧電素子を含み、当該複数の圧電素子の各々は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの領域に分離される。

【0010】

本発明の別の例示的一実施形態によれば、ワイヤーボンディング操作に使用するトランスデューサが提供される。前記トランスデューサは、ボンディングツールを支持するように構成された細長い本体部分を含む。このトランスデューサは、前記細長い本体部分に振動をもたらすドライバも含み、当該ドライバは、電気エネルギーを受け取って前記ボンディングツール先端部に非直線的スクラブをもたらすように構成される。

【0011】

本発明の別の例示的一実施形態によれば、ワイヤーボンディング操作に使用するトランスデューサが提供される。前記トランスデューサは、ボンディングツールを支持するように構成された細長い本体部分を含む。このトランスデューサは、前記細長い本体部分に振動をもたらすドライバも含み、当該ドライバは、電気エネルギーが印加されると第１の方向に変形するように構成された少なくとも１つの圧電素子と、電気エネルギーが印加されると第２の方向に変形するように構成された少なくとも１つの圧電素子とを含み、前記第１の方向および前記第２の方向は互いに異なる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

本発明は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより最もよく理解される。一般的な慣行に従い、図面の種々の特徴は縮尺どおりでないことに留意されたい。むしろ種々の特徴の寸法は、明瞭性のため適宜変更または縮小されている。図面に含まれる図は以下のとおりである。

【図1】図１は、本発明の種々の例示的な実施形態を説明する上で有用な、ワイヤーボンディング機械のトランスデューサとその関連構成要素との斜視図である。

【図2A】図２Ａ〜２Ｂは、本発明の例示的な一実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子の正面および背面斜視図である。

【図2B】図２Ａ〜２Ｂは、本発明の例示的な一実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子の正面および背面斜視図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ａ〜２Ｂの圧電素子の正面図である。

【図2D】図２Ｄは、本発明の例示的な一実施形態に係るトランスデューサに関連付けて使用するためのシム電極の正面図である。

【図3A】図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図3B】図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図3C】図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4A】図３Ａ〜３Ｃおよび図４Ａは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4B】図４Ｂは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサを使ってワイヤーボンディングされる装置の一部のブロック図である。

【図4C】図４Ｃは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに有用な圧電素子の複数のブロック図を含む。

【図4D】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4E】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4F】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4G】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4H】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4I】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図4J】図４Ｄ〜４Ｊは、本発明の例示的な諸実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックのブロック図である。

【図5A】図５Ａ〜５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態に係るトランスデューサに使用するための別の圧電素子スタックの図である。

【図5B】図５Ａ〜５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態に係るトランスデューサに使用するための別の圧電素子スタックの図である。

【図6A】図６Ａ〜６Ｂは、本発明の付加的な例示的実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックの付加的な構成を示す２つの図である。

【図6B】図６Ａ〜６Ｂは、本発明の付加的な例示的実施形態に係るトランスデューサに使用するための圧電素子スタックの付加的な構成を示す２つの図である。

【図7A】図７Ａ〜７Ｃは、本発明の例示的な諸実施形態に係るボンディングツール先端部のスクラブパターンを示す図である。

【図7B】図７Ａ〜７Ｃは、本発明の例示的な諸実施形態に係るボンディングツール先端部のスクラブパターンを示す図である。

【図7C】図７Ａ〜７Ｃは、本発明の例示的な諸実施形態に係るボンディングツール先端部のスクラブパターンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明は、ワイヤーボンディングの操作に関連して使用するトランスデューサの動作および／または設計の各種改善に関する。本発明の特定の例示的実施形態によれば、ワイヤーボンディング機械の超音波トランスデューサは、２若しくはそれ以上のモードで同時に動作する（２若しくはそれ以上の電気エネルギー周波数がトランスデューサのドライバに同時に印加される）。複数の周波数を同時に適用すると、ボンディングツールの先端部に非直線的なスクラブ運動がもたらされる。この非直線的な振動パターンは、例えば円形パターン、楕円形パターン、またはメッシュ形状パターンといったリサジュータイプのパターンなどである。前記スクラブパターンは平面状（ボンディングの高さで実質的に平面状）または３次元状（ボンディングの高さで非平面状）にできる。

【0014】

上記のようなトランスデューサ用の例示的技術としては、圧電素子（例えば、結晶）の個々の電極を分割して、各素子に少なくとも２つ電気的に絶縁された領域を形成するものがある。例えば、圧電素子スタックは、前記分割により、特定の動作周波数における独立した振動モード形状に非常に近似した効率的な励起を提供することができる。例えば、ヨー曲げ（ｙａｗ ｂｅｎｄｉｎｇ）モードは、ボンディングツールの先端部でワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ったスクラブをもたらし、長手方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）モードは、ボンディングツールの先端部でワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ったスクラブをもたらす。前記トランスデューサは、これらの動作モード・周波数のうち任意の１つだけで動作することにより、１次元の独立した運動またはシーケンスに基づく運動を提供することもできる。

【0015】

本明細書で開示する本発明の特定の例示的実施形態により、多方向（すなわち非直線的な）振動のスクラブエネルギーがボンディングツールの先端部に印加され、溶接面に隣接した接合領域の変形または副次的損傷が結果的に軽減される。従来の技術と比べ、前記多方向スクラブ運動は、接合面のＸ方向とＹ方向双方におけるボール接合の均一性と、所与のボールサイズに関する単位面積あたりの剪断強度とを高める。また、この多方向スクラブ運動は、特にスクラブ方向へのパッドスプラッシュ損傷が起こりやすいワイヤーボンディング（例えば、アルミニウムパッドへの銅ワイヤーボンディング）への応用でも有益である。すなわち、多方向スクラブを使うと、ワイヤーボンド（例えば、ボールボンド）周囲のパッドスプラッシュをより均等に分布させることができる。

【0016】

また、本発明の特定の例示的な実施形態は、例えばワイヤーまたはリードフィンガーなど装置の幾何学的構造を位置合わせするため、複数の方向から選択される１方向へ、独立した１次元振動エネルギーを提供する。上記のような１次元振動エネルギーをボンディング位置に応じて望ましい方向へ提供し（例えば、ボンディング位置の形状に応じて方向を選択し）、ワイヤーまたはリードフィンガーなど装置の幾何学的構造との位置合わせを行うと、傾向としてより一貫したエネルギー送達が行え、また傾向として所与の装置により生じる共振振動の影響を軽減できる。

【0017】

ここで図１を参照すると、超音波トランスデューサ１００の斜視図が示されている（図中、トランスデューサ１００は軸「Ａ」に沿って延在する細長い本体部分を有する）。トランスデューサ１００は、ワイヤーボンディング機械のボンドヘッドにトランスデューサ１００を取り付けるため使用される取り付けフランジ１０２ａおよび１０２ｂを含む。圧電素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄ（例えば、圧電性結晶、圧電セラミック）は、トランスデューサ１００の前記本体部分に形成された開口部内でスタック状に構成される。圧電素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄのスタックは、トランスデューサ１００のドライバである。これらの素子は、導電性のシム電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、および１０６ｄにより分離される。所与の周波数で端子１０８ａおよび１０８ｂに電気エネルギーが印加されると（例えば、１０８ａが正の端子で１０８ｂが負の端子）、シム電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、および１０６ｄに電気エネルギーが印加される。所与の周波数で電気エネルギーを与えると前記素子が伸縮することにより、ボンディングツール１１０の先端部１１０ａが軸「Ａ」（例えば、ワイヤーボンディング機械のＹ軸）に沿ってスクラブ運動する。ただし、一定の用途では、前記トランスデューサについて、従来の単一方向（Ｙ軸）スクラブとは対照的に、多方向スクラブをより柔軟に選択できることが望ましい。他の用途では、ボンディング位置の形状または構成（例えば、ボンドパッド、リード）に応じ、スクラブ方向を変更することが望ましい。図１は、前記ドライバ（前記結晶のスタック）を収容する開口部を伴った「ユニボディ」スタイルのトランスデューサを例示しているが、本発明の開示は、「ホーン」スタイルのトランスデューサ（その場合、例えばドライバは、トランスデューサ本体の端部でボンディングツールの先端部から離して設けられる）など他のトランスデューサ設計に適用することもできる。

【0018】

図２Ａは素子２０４ａの正面斜視図であり、図２Ｂは素子２０４ａの背面斜視図である。素子２０４ａの正面は正の電極（例えば、銀、ニッケルなどの材料で形成された導電性の電極）で、素子２０４ａの背面は負の電極である。図１に示した素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄと対照的に、素子２０４ａの正の電極はノッチまたは溝２０４ａ３により分割され、素子２０４ａの負の電極はノッチまたは溝２０４ｂ３により分割される。これにより、前記正の電極は、電気的に絶縁された２つの領域２０４ａ１および２０４ａ２に分割され、前記負の電極は、電気的に絶縁された２つの領域２０４ｂ１および２０４ｂ２に分割される。そのため、電気エネルギーは、電気的に絶縁された２つの経路（第１の経路は領域２０４ａ１および２０４ｂ１の間、第２の経路は領域２０４ａ２および２０４ｂ２の間）を通じて前記素子に付与される。以下説明するように、電気的に絶縁された領域へと前記圧電素子を分割することにより、電気エネルギーを複数の周波数で前記ドライバに随時印加できるようになるため、ボンディングツールの先端部に望ましいスクラブ運動が得られる。

【0019】

図２Ｃは、素子２０４ａの正面図である。図２Ｄは、トランスデューサ開口部内のスタック中で隣接しあう圧電素子間に配置できる電極２０６ａの正面図である。素子２０４ａと同様、シム電極２０６ａも、電気的に絶縁された２つの領域に分割される。図２Ｄでは、絶縁領域２０６ａ３により、導電領域２０６ａ１および導電領域２０６ａ２が分割されている。

【0020】

図３Ａは、（図１に示したトランスデューサ１００の開口部内の素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、および１０４ｄの構成と同様、）トランスデューサの開口部内に構成可能な圧電素子のスタックを例示した上面ブロック図である。このスタックには、図２Ａ〜２Ｃの素子２０４ａと、同様な３つの素子２０４ｂ、２０４ｃ、および２０４ｄが含まれる。素子２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、および２０４ｄは、それぞれ図示したように各素子の中央領域で分割された電極を有する。このスタックには、図２Ｄのシム電極２０６ａのほか、シム電極２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、および２０６ｅも含まれる。この特定の構成では、正のシム電極のみが分割され（２０６ａおよび２０６ｃ）、負のシム電極は、すべて電気的に結合されている（例えばアースに）。図３Ｂおよび３Ｃは、図３Ａのスタックをいかに電気信号に接続できるか示した２つの例である。特に図３Ｂを参照すると、第１の周波数ｆ１が当該スタックの右側部分に電気的に連結され、第２の周波数ｆ２が当該スタックの左側部分に電気的に連結されている。言うまでもなく、ｆ１およびｆ２は、所与の用途、トランスデューサ、および望ましいスクラブに所望される任意の周波数であってよい。ｆ１およびｆ２の例示的周波数は、１１５ｋＨｚおよび１２０ｋＨｚである。図３Ｂに示すように、周波数ｆ１用の正の接続部（＋ｆ１）は、シム電極２０６ａおよび２０６ｂの右側部分に電気的に連結される。同様に、周波数ｆ１用の負の接続部（−ｆ１）は、シム電極２０６ｂ、２０６ｄ、および２０６ｅに電気的に連結される。周波数ｆ２用の正の接続部（＋ｆ２）は、シム電極２０６ａおよび２０６ｂの左側部分に電気的に連結される。同様に、周波数ｆ２用の負の接続部（−ｆ２）は、シム電極２０６ｂ、２０６ｄ、および２０６ｅに電気的に連結される。これら２つの周波数ｆ１、ｆ２をそれぞれの圧電素子領域に同時に印加することにより、前記トランスデューサに連結されたボンディングツールの先端部に非直線的スクラブが適用される。

【0021】

図３Ｃは、図３Ａの結晶スタックの別の例示的構成である。図３Ｂと対照的に、周波数ｆ１およびｆ２（＋ｆ１／ｆ２、−ｆ１／ｆ２）のどちらも、電極を通じて前記結晶の左側領域および右側領域の双方に適用される。これら電気信号は周波数ｆ１およびｆ２で同時に印加されるが、望ましい結果を実現するため、当該信号の位相構成が変更される。例えば、望ましい結果を実現するため、前記圧電素子の双方の領域（左側および右側の領域）における周波数ｆ１の信号は、互いに同位相にし、前記素子の双方の領域（左側および右側の領域）における周波数ｆ２の信号は、互いに位相差を設ける（互いに１８０度位相をずらす）ことができる。図３Ｂと同様、この構成では、ボンディングツールの先端部で、リサジュータイプのスクラブ運動などの非直線的スクラブが得られる。

【0022】

図４Ａは、トランスデューサに含まれる圧電素子の別の例示的構成を例示したものである。この例において、素子は、異なる方向に変形する（例えば、膨張し、ゆがみ、ねじれる）よう設けられる。この例において、素子４０４ａおよび４０４ｂ（図４Ａ中、上方の２つの圧電素子）は、集合的に、ボンディングツールの先端部で第１の方向（例えば、Ｙ方向（Ｙ運動））にスクラブをもたらすよう変形し、素子４０４ｃおよび４０４ｄ（図４Ａ中、下方の２つの圧電素子）は、ボンディングツールの先端部で、前記第１の方向と異なる第２の方向（例えば、Ｘ方向（Ｘ運動））にスクラブをもたらすように構成されている。この圧電素子群に適用される周波数（周波数ｆ１およびｆ２）は、異なるものであっても、同じものであってもよい。

【0023】

図４Ａ〜４Ｊに関する（他の図面にも適用される）以下の説明では、所与の方向への圧電素子変形（例えば、膨張、ゆがみ）が必ずしもその方向のボンディングツール先端部のスクラブと等価ではないことを理解すべきである。むしろ、異なる方向に変形する圧電素子を使うと（例えば、分割された圧電素子、分割された圧電電極など他の特徴と組み合わせて）、望ましいトランスデューサ動作モードを効率的に実現できる。例えば、トランスデューサに（そのトランスデューサの単一ドライバに）固有の２つの共振周波数で電気エネルギーが印加されると、ボンディングツールの先端部に望ましい非直線的スクラブ運動がもたらされる。本明細書で図示および説明するように、前記２つの共振周波数の電気エネルギーは、前記ドライバの異なる部分（例えば、異なる方向に変形する素子）に印加できることを理解しなければならない。

【0024】

図示した例において、前記上方の２つの圧電素子は、集合的に、ボンディングツールの先端部で（図１に示した軸「Ａ」に沿って）Ｙスクラブをもたらし、前記下方の２つの圧電素子は、集合的に、ボンディングツールの先端部で（図１に示した軸「Ａ」に垂直に）Ｘスクラブをもたらす。この例では、素子４０４ａがそれ自体で前記Ｙスクラブをもたらさず、素子４０４ａおよび４０４ｂが集合的にトランスデューサの前記Ｙスクラブ振動モードを効率的に励起してもよいことを理解すべきである。また、スクラブ方向はＸおよびＹ（この場合、ＸおよびＹ方向は互いに垂直）に限定されず、互いに異なるいかなる２方向であってもよいことを理解すべきである。言うまでもなく、従来のワイヤーボンディング用途の多くでは、ダイ上のボンドパッドとそれに対応するリードフレーム上のリードがＸ軸およびＹ軸の一方に沿って位置合わせされる傾向があるため、そのような構成が特に望ましい場合もある。

【0025】

図４Ｂは、例示的な半導体装置４１０（例えば、半導体ダイ４１０、リードフレーム４１０）の一部を例示したものである。装置４１０には、行に構成された第１の複数のボンディング位置４１０ａ（例えば、ボンドパッド４１０ａ、リード４１０ａ）と、全体としてボンディング位置４１０ａの行に垂直な列に構成された第２の複数のボンディング位置４１０ｂ（例えば、ボンドパッド４１０ｂ、リード４１０ｂ）とが含まれる。図４Ｂから明らかなように、ボンディング位置４１０ａ、４１０ｂの形状は正方形ではなく、長方形である。このような場合は、所与のボンディング位置の形状に応じて異なるスクラブ運動を使って、前記ボンディング位置４１０ａ、４１０ｂ上にワイヤーボンドを形成することが望ましい。すなわち、ボンディング位置４１０ａでワイヤーの一部を接合（することにより、例えば、ワイヤーループの第１のボンドまたは第２のボンドなどワイヤーループのワイヤーボンドを形成）する場合、ボンディングツールの先端部でＹ軸に沿ったスクラブ（図中の凡例を参照）をもたらすようトランスデューサを構成することが望ましい。同様に、ボンディング位置４１０ｂでワイヤーの一部を接合する場合、ボンディングツールの先端部でＸ軸に沿ったスクラブをもたらすようトランスデューサを構成することが望ましい。

【0026】

言うまでもなく、スクラブ方向を変更する理由は、前記ボンディング位置の形状だけにあるのではない。もう１つの例示的な理由は、ダイパッドのスプラッシュまたはその関連問題に関する。当業者であれば、半導体装置の製造元が装置小型化、ひいてはボンディング位置（例えば、隣接しあうダイパッド）同士の間隔縮小に努め続けることが理解されるであろう。ただし、ボンディング位置の間隔を縮小させると、パッドのスプラッシュで電気的短絡が起こる可能性を高めてしまう。そのようなパッドスプラッシュによる短絡のおそれは、例えば銅ワイヤーでワイヤーボンドを形成する場合、銅の加工硬化でさらに増大する。再び図４Ｂを参照すると、ボンディング位置４１０ａにワイヤーの一部を接合する場合は、（ボンディング位置４１０ａはＸ軸上で一行に構成されていることから）隣接するボンディング位置４１０ａの方向にスクラブが生じないようにして、隣接するボンディング位置４１０ａとのパッドスプラッシュのおそれを軽減するため、ボンディングツール先端部にＹ軸に沿ったスクラブをもたらすようトランスデューサを構成することが望ましい。同様に、ボンディング位置４１０ｂにワイヤーの一部を接合する場合は、（ボンディング位置４１０ｂはＹ軸上で一列に構成されていることから）隣接するボンディング位置４１０ｂの方向にスクラブが生じないよう、ボンディングツール先端部にＸ軸に沿ったスクラブをもたらすようトランスデューサを構成すると、隣接するボンディング位置４１０ｂとのパッドスプラッシュのおそれが軽減される。

【0027】

ここで図４Ａの電気接続部を参照すると、第１の周波数ｆ１用の正の接続は、素子４０４ａおよび４０４ｂの正電極（図４Ａ中、４０６ａと示された電極）へと行われ、第１の周波数ｆ１用の負の接続は、素子４０４ａおよび４０４ｂの負電極へと行われている（前記負電極をアースに接合することにより）。同様に、第２の周波数ｆ２用の正の接続は、素子４０４ｃおよび４０４ｄの正電極（図４Ａ中、４０６ｃと示された電極）へと行われ、第２の周波数ｆ２用の負の接続は、素子４０４ｃおよび４０４ｄの負電極へと行われている（前記負電極をアースに接合することにより）。言うまでもなく、図示したように双方の周波数用の負の接続部をまとめて接合し、接地してもよい（すなわち、必要に応じて、電極４０６ｂ、４０６ｄ、および４０６ｅへの接続部を１つに接合し、接地してもよい）。

【0028】

図４Ａでは、周波数信号ｆ１をｆ１_Ｔ１、周波数信号ｆ２をｆ２_Ｔ２と示しており、ここで「Ｔ」は時間である。これは、周波数ｆ１およびｆ２の電気信号を同時に印加できないためである。言うまでもなく、これらの信号は同時に印加可能であるが、本明細書で説明する例においては、後述するように以下の動作シーケンスで順次印加される。

【0029】

ここで、例示的かつ非限定的な動作シーケンスを図４Ａについて説明する。この例示的応用では、従来のダイ（ボンドパッドがダイ外周で正方形構成）とそのダイを支持するリードフレーム（リードが正方形構成）との間でワイヤーループを接合するものと仮定する。このような例では、２方向のうち１つ、すなわちＸ軸またはＹ軸に沿ってワイヤーループを延長させることができる。Ｘ軸に沿ったワイヤーループのワイヤーボンド（例えば、前記第１のボンドおよび／または第２のボンド）はＸ軸に沿ったスクラブ（Ｘ運動）で形成され、Ｙ軸に沿ったワイヤーループのワイヤーボンドはＹ軸に沿ったスクラブ（Ｙ運動）で形成されることが望ましい。ここで図４Ａを参照すると、Ｙ軸に沿った第１のワイヤーループ群を形成する際、周波数ｆ１の電気エネルギーは時間Ｔ１に印加される（ｆ１_Ｔ１）。上述のように、この電気エネルギーを印加することにより、ボンディングツール先端部にＹ軸スクラブが生じるという望ましい結果が得られる。前記第１のワイヤーループ群が形成された後、第２のワイヤーループ群がＸ軸に沿って形成される。この第２のワイヤーループ群を形成する際には、周波数ｆ２の電気エネルギーが時間Ｔ２に印加される（ｆ２_Ｔ２）。上述のように、この電気エネルギーを印加することにより、ボンディングツール先端部にＸ軸スクラブが生じるという望ましい結果が得られる。この例についてはＸ軸およびＹ軸にそれぞれ沿った２つのワイヤーループ群に関連付けて説明したが、他の代替態様も考えられる。例えば、ワイヤーループ群を２つより多く形成してもよい（例えば、第１のワイヤーループ群はｆ１を使いＹ軸に沿って、次いでｆ２を使いＸ軸に沿って、さらに再びｆ１を使いＹ軸に沿って）。さらに、ツール先端部のスクラブ方向を単なるＸ軸またはＹ軸スクラブと異なるものにしてもよい。例えば、付加的な若しくは異なるスクラブが可能である（例えば、異なる方向に、同じまたは異なる周波数で変形して、付加的な若しくは異なるツール先端部スクラブ方向を生じる結晶を設けることにより）。

【0030】

さらに、単一ワイヤーボンド（例えば、ボールボンド、ステッチボンド）の形成中、１を超える方向に沿ったスクラブを採用することもできる。例えば、同じワイヤーボンドの形成中、Ｘ軸に沿ったスクラブに続けてＹ軸に沿ったスクラブを行ってもよい。言うまでもなく、他のスクラブ方向も考えられる。

【0031】

当然ながら、前記第１のスクラブおよび前記第２のスクラブの生成に使用する圧電素子の順序は、図４Ａの例示と異なるものであってもよい。より具体的にいうと、図４Ａでは、前記上方の２つの素子（４０４Ａ、４０４Ｂ）が集合的にＹ軸スクラブを生じ、前記下方の２つの素子（４０４Ｃ、４０４Ｄ）が集合的にＸ軸スクラブを生じる。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。圧電素子のいかなる組み合わせを使って、望ましいスクラブを生成してもよい（例えば、前記第１および第３の素子で第１のスクラブを生成するとともに、前記第２および第４の素子で第２の異なるスクラブを生成することもできる）。同様に、前記トランスデューサにも種々の数の圧電素子を内設できる。

【0032】

また図４Ａには示していないが、特定の結果が望まれる場合は、図４Ａの構成の前記圧電素子電極を図３Ａの素子２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、および２０４ｄのように分割できる。さらに、複数の周波数の電気エネルギーを（順次ではなく）同時に印加することもでき、その場合はＴ１＝Ｔ２となる。さらに、複数の周波数の電気エネルギーを、特定の周波数間の位相シフトとともに、または位相シフトなしで、各結晶群に印加することもできる。

【0033】

上記の図４Ａについて説明したように、所与の圧電素子スタック中の圧電素子（ここで、前記スタックは図１のトランスデューサ１００などのトランスデューサの単一ドライバである）は、異なる方向に変形するよう設けられる。図４Ｃは、４つの素子４２０、４２２、４２４、および４２６を例示したものである。素子４２０は、参照目的でのみ例示した非通電状態の圧電素子である。素子４２２は、Ｙ方向に変形する（例えば、ワイヤーボンディング機械のＹ軸に沿ってＹ方向に膨張する）圧電素子であり、電気エネルギーの印加中はＹ方向に変形して変形領域４２２ａおよび４２２ｂを含む。素子４２４は、Ｘ方向に変形する（例えば、ワイヤーボンディング機械のＸ軸に沿ってＸ方向に膨張する）圧電素子であり、電気エネルギーの印加中はＸ方向に変形して変形領域４２４ａおよび４２４ｂを含む。素子４２６は、ＸＹ剪断方向に変形する（例えば、ワイヤーボンディング機械のＸＹ剪断方向にゆがむ）圧電素子であり、電気エネルギーの印加中はＸＹ剪断方向に変形して変形領域４２６ａおよび４２６ｂを含む。また、素子４２６については例示的な極性と、それに対応するＸＹ剪断変形方向（素子４２６内の矢印）も例示している。当業者であれば理解されるように、トランスデューサの単一ドライバ（例えば、単一の圧電素子スタック）内では、異なる方向に変形する圧電素子を組み合わせることができる。望ましい作用（例えば、ボンディングツール先端部の所与の非直線的スクラブ、特定のワイヤーボンドを形成する第１の方向および他のワイヤーボンドを形成する第２の方向の選択的な直線的スクラブ）をもたらすには、種々の特徴、例えばトランスデューサの設計、異なる方向に変形する圧電素子を含むドライバ、ドライバ圧電素子への多周波数の同時印加、多周波数の同時印加、分割された圧電素子電極などを変更することができる。

【0034】

図４Ｄ〜４Ｊは、異なる方向に変形する圧電素子を組み合わせた例示的な構成をいくつか例示したものである。図４Ｄ〜４Ｊ中、「Ｙ」と示した圧電素子は、Ｙ方向に変形するように構成された素子であり、「ＸＹ剪断」と示した圧電素子は、ＸＹ剪断方向に変形するように構成された素子である。別段の断りがない限り、図４Ｄ〜４Ｊに示した例のいずれでも周波数ｆ１およびｆ２の電気エネルギーは、ボンディングツール先端部で望ましいスクラブを実現するため、必要に応じて同時に、別個に、および／または順次提供できる。図４Ｄ〜４Ｊに例示した圧電素子スタック構成を使用すると、例えば、ツール先端部の望ましい非直線的スクラブ、ツール先端部の選択的な直線的スクラブ（特定のボンディング位置用のＸ軸に沿ったスクラブおよび他のボンディング位置用のＹ軸に沿ったスクラブ、同じワイヤーボンドにおけるＸＹ方向の一方、次いで他方に沿った順次スクラブ）などを実現することができる。

【0035】

図４Ｄは、素子４３４ａ（ＸＹ剪断方向に変形する圧電素子）、４３４ｂ（Ｙ方向に変形する圧電素子）、４３４ｃ（Ｙ剪断方向に変形する圧電素子）、および４３４ｄ（ＸＹ剪断方向に変形する圧電素子）のスタックを含むトランスデューサに使用するドライバを例示したもので、素子４３４ａ、４３４ｂはシム電極４３６ａにより分離され、素子４３４ｂ、４３４ｃはシム電極４３６ｂにより分離され、素子４３４ｃ、４３４ｄはシム電極４３６ｃにより分離され、シム電極４３６ｄは素子４３４ｄに隣接し、シム電極４３６ｅは素子４３４ａに隣接する。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、素子４３４ａおよび４３４ｂの正電極（図４Ｄで４３６ａと示されたシム電極）と、素子４３４ｃおよび４３４ｄの正電極（図４Ｄで４３６ｃと示されたシム電極）とに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（−ｆ１／ｆ２）は、素子４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ、および４３４ｄの負電極（図４Ｄで４３６ｂ、４３６ｄ、および４３６ｅと示されたシム電極）に設けられる。周波数ｆ１およびｆ２の電気エネルギーは、ボンディングツール先端部で望ましいスクラブを実現するため、必要に応じて同時に、別個に、および／または順次提供できる。図４Ｄに例示した前記圧電素子スタック構成を使用すると、例えば、ツール先端部の望ましい非直線的スクラブ、ツール先端部の選択的な直線的スクラブ（特定のボンディング位置用のＸ軸に沿ったスクラブおよび他のボンディング位置用のＹ軸に沿ったスクラブ）などを実現することができる。

【0036】

図４Ｅは、圧電素子４４４ａ、４４４ｂ、４４４ｃ、および４４４ｄのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものであり、素子４４４ａ、４４４ｂはシム電極４４６ａで分離され、素子４４４ｂ、４４４ｃはシム電極４４６ｂで分離され、素子４４４ｃ、４４４ｄはシム電極４４６ｃで分離され、シム電極４４６ｄは素子４４４ｄに隣接し、シム電極４４６ｅは素子４４４ａに隣接する。素子４４４ｂ、４４４ｃの電極は分割され、シム電極４４６ｂの電極は分割されている。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、シム電極４４６ａ、４４６ｃに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部は、電極４４６ｄ、４４６ｅの負電極、シム電極４４６ｂの左側部分、およびシム電極４４６ｂの右側部分に設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。このような例では、別個のアース線でシム電極４４６ｂが分割されることにより、前記圧電素子の両側から独立した電流が可能になる。

【0037】

図４Ｆは、圧電素子４５４ａ、４５４ｂ、４５４ｃ、および４５４ｄのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものであり、素子４５４ａ、４５４ｂはシム電極４５６ａで分離され、素子４５４ｂ、４５４ｃはシム電極４５６ｂで分離され、素子４５４ｃ、４５４ｄはシム電極４５６ｃで分離され、シム電極４５６ｄは素子４５４ｄに隣接し、シム電極４５６ｅは素子４５４ａに隣接する。素子４５４ｂ、４５４ｃの電極は分割され、シム電極４５６ｂの電極は分割されている。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、シム電極４５６ａ、４５６ｃ、および分割された電極４５６ｂの右側部分に設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（−ｆ１／ｆ１２）は、シム電極４５６ｄ、４５６ｅ、およびシム電極４５６ｂの左側部分に設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。このような例では、素子４５４ｃの前記右側電極双方（正および負）が短絡して、ｆ１／ｆ２双方の出力を実質的に排除する。

【0038】

以上説明した実施形態は、ドライバスタックに４つの圧電素子（例えば、圧電性結晶、圧電セラミック）を含むが、本発明は、これに限定されるものではない。実際、ドライバには、所与の用途の必要に応じていかなる数の素子を含めてもよい。図４Ｇ〜４Ｊでは、各ドライバスタックに８つの圧電素子が内設されている。図４Ｇ〜４Ｊでは、電極の分割された素子はなく、分割された電極もないが、本発明の特定の実施態様では、必要に応じて素子の電極が分割される場合も、また電極が分割される場合もあることを理解すべきである。

【0039】

図４Ｇは、圧電素子４６４ａ、４６４ｂ、４６４ｃ、４６４ｄ、４６４ｅ、４６４ｆ、４６４ｇ、および４６４ｈのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものである。素子４６４ａ、４６４ｂはシム電極４６６ａで分離され、素子４６４ｂ、４６４ｃはシム電極４６６ｂで分離され、素子４６４ｃ、４６４ｄはシム電極４６６ｃで分離され、素子４６４ｄ、４６４ｅはシム電極４６６ｄで分離され、素子４６４ｅ、４６４ｆはシム電極４６６ｅで分離され、素子４６４ｆ、４６４ｇはシム電極４６６ｆで分離され、素子４６４ｇ、４６４ｈはシム電極４６６ｇで分離され、シム電極４６６ｈは素子４６４ｈに隣接し、シム電極４６６ｉは素子４６４ａに隣接する。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、シム電極４６６ａ、４６６ｃ、４６６ｅ、および４６６ｇに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（−ｆ１／ｆ２）は、シム電極４６６ｂ、４６６ｄ、４６６ｆ、４６６ｈ、および４６６ｉに設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。

【0040】

図４Ｈは、圧電素子４７４ａ、４７４ｂ、４７４ｃ、４７４ｄ、４７４ｅ、４７４ｆ、４７４ｇ、および４７４ｈのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものである。素子４７４ａ、４７４ｂはシム電極４７６ａで分離され、素子４７４ｂ、４７４ｃはシム電極４７６ｂで分離され、素子４７４ｃ、４７４ｄはシム電極４７６ｃで分離され、素子４７４ｄ、４７４ｅはシム電極４７６ｄで分離され、素子４７４ｅ、４７４ｆはシム電極４７６ｅで分離され、素子４７４ｆ、４７４ｇはシム電極４７６ｆで分離され、素子４７４ｇ、４７４ｈはシム電極４７６ｇで分離され、シム電極４７６ｈは素子４７４ｈに隣接し、シム電極４７６ｉは素子４７４ａに隣接する。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、シム電極４７６Ａａ、４７６ｃ、４７６ｅ、および４７６ｇに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（＋−ｆ１／ｆ２）は、シム電極４７６ｂ、４７６ｄ、４７６ｆ、４７６ｈ、および４７６ｉに設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。

【0041】

図４Ｉは、圧電素子４８４ａ、４８４ｂ、４８４ｃ、４８４ｄ、４８４ｅ、４８４ｆ、４８４ｇ、および４８４ｈのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものである。素子４８４ａ、４８４ｂはシム電極４８６ａで分離され、素子４８４ｂ、４８４ｃはシム電極４８６ｂで分離され、素子４８４ｃ、４８４ｄはシム電極４８６ｃで分離され、素子４８４ｄ、４８４ｅはシム電極４８６ｄで分離され、素子４８４ｅ、４８４ｆはシム電極４８６ｅで分離され、素子４８４ｆ、４８４ｇはシム電極４８６ｆで分離され、素子４８４ｇ、４８４ｈはシム電極４８６ｇで分離され、シム電極４８６ｈは素子４８４ｈに隣接し、シム電極４８６ｉは素子４８４ａに隣接する。ｆ１、ｆ２双方の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は、シム電極４８６ａ、４８６ｃ、４８６ｅ、および４８６ｇに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（−ｆ１／ｆ２）は、シム電極４８６ｂ、４８６ｄ、４８６ｆ、４８６ｈ、および４８６ｉに設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。

【0042】

図４Ｊは、圧電素子４９４ａ、４９４ｂ、４９４ｃ、４９４ｄ、４９４ｅ、４９４ｆ、４９４ｇ、および４９４ｈのスタックを含むトランスデューサに使用するためのドライバを例示したものである。素子４９４ａ、４９４ｂはシム電極４９６ａで分離され、素子４９４ｂ、４９４ｃはシム電極４９６ｂで分離され、素子４９４ｃ、４９４ｄはシム電極４９６ｃで分離され、素子４９４ｄ、４９４ｅはシム電極４９６ｄで分離され、素子４９４ｅ、４９４ｆはシム電極４９６ｅで分離され、素子４９４ｆ、４９４ｇはシム電極４９６ｆで分離され、素子４９４ｇ、４９４ｈはシム電極４９６ｇで分離され、シム電極４９６ｈは素子４９４ｈに隣接し、シム電極４９６ｉは素子４９４ａに隣接する。周波数ｆ１の正の接続部（＋ｆ１）は、電極４９６ａおよび４９６ｇに設けられる。周波数ｆ２の正の接続部（＋ｆ２）は、シム電極４９６ｃおよび４９６ｅに設けられる。ｆ１、ｆ２双方の負の接続部（−ｆ１／ｆ２）は、シム電極４９６ｂ、４９６ｄ、４９６ｆ、４９６ｈ、および４９６ｉに設けられ、これら負の接続部は必要に応じて接地される。

【0043】

以上、本発明の特定の態様について、分割された電極（例えば、図２Ａ〜２Ｃおよび３Ａ〜３Ｃ）を有する圧電素子に関連付けて説明したが、前記圧電素子本体は分割されない。ただし、本発明の特定の例示的な実施形態では、圧電素子本体全体が２つ（若しくはそれ以上）に分割される場合もある。例えば、図５Ａ〜５Ｂの例示では、各圧電素子が分割される（各素子中央の実線で示すように）。すなわち、素子３０４ａは、３０４ａ１および３０４ａ２へと分割されるなどである。また、各素子の左側部分は「反転」される。例えば、素子部分３０４ａ１（および素子部分３０４ｂ１、３０４ｃ１、および３０４ｄ１）は反転されている。そのため、図５Ａの極性表示（「＋」および「−」）を見ると、各圧電素子の右側部分が各圧電素子の左側部分と比べて反転されていることが明らかである。また図５Ｂは、図５Ａのスタックの例示的な電気接続部を例示したもので、ｆ１およびｆ２の正の接続部（＋ｆ１／ｆ２）は２つのシム電極（３０６ａ、３０６ｃ）に連結され、ｆ１およびｆ２の負の接続部（−ｆ１／ｆ２）は他の電極（３０６ｂ、３０６ｄ、３０６ｅ）に連結されて必要に応じ接地される。このように、この例では、どちらの周波数の電気エネルギーも同時に提供される。いずれの場合も、図５Ａ〜５Ｂに例示した構成は、ボンディングツールの先端部に非直線的スクラブをもたらす。

【0044】

図６Ａおよび６Ｂは本発明の別の例示的実施形態で、上述の概念のうち特定のものを組み合わせている。特に図６Ａを参照すると、上方２つの圧電素子は分割されている（左側部分が反転されている）。第１の周波数ｆ１（例えば、１１５ｋＨｚ）が適用されるとツール先端部で第１の方向に（例えば、Ｘ軸に沿って）スクラブが生じる。下方２つの圧電素子は標準的な素子で（分割されておらず、各々の電極も分割されていない）、第２の周波数ｆ２（例えば、１２０ｋＨｚ）が適用されると、ツール先端部で第２の方向に（例えば、Ｙ軸に沿って）スクラブが生じる。この構成は、例えばｆ１およびｆ２のモードが完全に分離される（いずれの場合も逆起電力が相殺される）という特定の利点がある。より具体的にいうと、上部が周波数ｆ１で駆動されているときも、当該結晶の左側が当該圧電素子の右側と異なる位相で変形すると電荷が相殺されるため、下方の圧電素子はｆ１の逆起電力電荷を生じない。また、前記底部が周波数ｆ２で駆動される場合は、その左側および右側が同位相で運動すると電荷が相殺されるため、上部２つの圧電素子におけるｆ２の逆起電力が相殺される。

【0045】

図６Ｂは、さらに別の例示的構成である。図６Ｂでは、上方の圧電素子が図６Ａのように分割され、下方２つの圧電素子が（図２Ａ〜２Ｃおよび３Ａ〜３Ｃのように）分割された電極を有する。また、前記第３および第４の圧電素子間の電極も分割される（電気的に絶縁された領域を２つ有する）。言うまでもなく、図６Ｂは、本発明で開示するいくつかの変形形態の単なる１つである。

【0046】

図７Ａ〜７Ｃは、本発明のトランスデューサ操作技術により生成されるボンディングツール先端部の非直線的スクラブパターンを例示したものである。上述のように、ボンディングツール先端部の非直線的スクラブを提供する本発明の種々の例示的な実施形態が描かれている。このようなスクラブパターンの一例がリサジュースクラブパターンであり、これには、円形のスクラブパターン、楕円形のスクラブパターン、またはメッシュ形状のスクラブパターンなどがある。言うまでもなく、他の非直線的スクラブパターンも考えられる。

【0047】

以上、主に４つまたは８つの圧電素子の圧電性スタックと、それに適用される２つの周波数（ｆ１およびｆ２、またはｆ１／ｆ２）とに関連付けて本発明を説明した。言うまでもなく、種々のスタック構成（より多い若しくは少ない圧電素子を伴う）と、種々の周波数（例えば、周波数ｆ３の第３の信号を含めるなど、２より多くの電気信号）とが考えられる。

【0048】

本発明の種々の態様については、「分割された」圧電素子と、分割された圧電素子「電極」とに関連付けて説明した。言うまでもなく、これらの構造（例えば、前記圧電素子、前記圧電素子電極、前記シム電極）を物理的に変更（例えば、切削）して望ましい電気的絶縁を実現できる。ただし、この分割は、前記構造の初期製造時、当該構造に望ましい電気絶縁領域が設けられるなど、他の方法で実現することもできる。さらに、当業者であれば、圧電素子の「ポーリング」（例えば、２，０００ボルトなど比較的高い電圧を印加するなどして素子に極性を与えること）は、当該素子または当該素子電極の分割前、分割中、分割後に実施できることが理解されるであろう。

【0049】

本発明については、主にボンディングツール先端部に非直線的スクラブを提供し、ボンディングツール先端部に選択的な直線的スクラブを提供するトランスデューサに関連付けて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の特定の開示内容は、（１）非平面成分を有するスクラブ運動（例えば、当該運動の少なくとも一部がＸＹ平面に含まれず、それに垂直なＺ軸に沿う場合。図１の凡例等を参照）、および（２）（スクラブ運動を伴う若しくは伴わない）ボンディングツール先端部のねじれまたは回転運動その他に関連して使用することができる。

【0050】

本発明の特定の例示的な実施形態については、２分割された圧電素子（例えば、結晶、セラミックス）、２分割された圧電素子電極、および２分割されたシム電極（例えば、シム）に関連付けて説明したが、これらのいずれも、２若しくはそれ以上の領域に分割できることは言うまでもない。すなわち、圧電素子、圧電素子電極、およびシム電極は、所与の応用の必要に応じ、２若しくはそれ以上の電気絶縁領域に分割することができる。

【0051】

以上では、主にワイヤーボンディング機械に使用するための超音波トランスデューサに関連付けて本発明を例示および説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の説明（例えば、圧電素子構成、分割された素子、分割された素子電極、スタック構成を含む）は、超音波撮像、超音波センサー、超音波溶接機、超音波モーターなど、いくつかの用途のいずれかに使用する超音波トランスデューサに適用できる。

【0052】

本発明については、本明細書において具体的な実施形態を参照して例示および説明しているが、示した詳細事項に限定されることを意図したものではない。むしろ、本発明の範囲を逸脱しない請求項の均等物（等価物）の範囲内で、細部において種々の変更（修正）形態が可能である。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図4H】

【図4I】

【図4J】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】