JP2000040716A - ボンディング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波振動方向に対してどのような方向に向い
たリードに対しても低チップダメージ接合できるボンデ
ィング装置を提供することにある。 【解決手段】超音波振動系ヘッド部２を、ボンディング
ツール５と圧電素子１が装着された柱状として、超音波
振動系をワーク設置面に対して回転させて、ボンディン
グツールの主超音波振動方向とインナーリードの長手方
向とを平行にさせる。 【効果】インナーリードの方向に関わらず接合性を一様
にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上に形
成した複数の電極とリードとを、ボンディングツールに
より押圧し超音波加振して接続するボンディング装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＡＢ(Tape Automated Bonding)テープ
キャリアのインナーリードと半導体素子上に形成したＡ
ｌ電極とを直接接続するバンプレス接合技術、すなわち
ダイレクトシングルボンディング法に関しては、特開平
3−85895号公報に開示されたものがある。これによれ
ば、図１３に示すように、１１はシリコン（Ｓｉ）で構
成された半導体素子、１２はアルミニウム（Ａｌ）で構
成された電極、１３は保護膜、１４はインナーリード、
１５はボンディングツールである。なお、ボンディング
時、被ボンディング物となる１１，１２，１３，１４等
で構成されたＢＧＡ（Boll Grid Array），ＣＳＰ（Chi
p Size Package）等は、一般にワークと呼ばれる。

【０００３】半導体素子１１上に形成したＡｌ電極１２
の中心部上方にインナーリード１４，ボンディングツー
ル１５を配置した後、ボンディングツール１５に荷重を
加えてインナーリード１４上に押し付け、そのままＡｌ
電極１２上に押し付ける。このとき、インナーリード１
４のボンディングツール１５との接触部は、ボンディン
グツール１５に加えられた荷重によるボンディングツー
ル１５からの押圧力により塑性変形し、ボンディングツ
ール先端形状に依存した形状になる。この状態で超音波
振動が加えられ、インナーリード１４とＡｌ電極１２と
を冶金学的に接合させることができる。加えられる超音
波周波数は、現在、６０ｋＨｚが主流である。

【０００４】なお、前記ボンディングが良好に行えるた
め、半導体素子は加熱ステージ上で２００〜２５０℃程
度に加熱されている。

【０００５】上記ダイレクトシングルボンディング法は
ワイヤボンディング法に比べ、ボンディングピッチをよ
り狭くできる利点がある。現在、文献レベルではワイヤ
ボンディングのほぼ２／３程度のピッチである１００μ
ｍピッチの試作例があり、各企業とも８０〜６０μｍピ
ッチを狙っている。

【０００６】図１４は、従来のボンディング装置を示す
もので、２１は、一方の先端にボンディングツール２２
が支持された、長い棒状の超音波ホーンである。超音波
ホーン２１の他端部には振動手段としての圧電素子２３
が装着されている。ホーン２１は、ホルダ２４に支持さ
れている。図１２中の波形は、ホーン２１の振動特性を
示す概略定常波形である。超音波ホーン２１を設けるこ
とにより、圧電素子２３で発生した超音波振動は増幅さ
れ、ホーン先端部、すなわちボンディングツールは、圧
電素子部の振動振幅よりも大きく振れるようになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したリード狭ピッ
チ化は、チップの性能や容量等の向上に伴うものであ
る。換言すれば、それを最大限に引き出すためのリード
数が増大するため、狭ピッチにする必要がある。このと
きリードは、チップ周辺に対し垂直方向、すなわち主超
音波振動方向と垂直方向、及び主超音波振動方向と平行
方向に長手方向が向く状態に配置される。このため、ボ
ンディング装置としては、いずれの方向のリードに対し
ても安定かつ高い接合強度を得ることができるフレキシ
ビリティが求められる。

【０００８】従来では、ボンディングツールの主超音波
振動方向と直交方向に位置したインナーリードに対する
接合強度は、ボンディングツールの主超音波振動方向と
平行方向に位置したインナーリードに対する接合強度に
比べ、ツールの振動振幅が同一であると劣っていた。つ
まり、超音波加振したときのボンディングツールの主超
音波振動方向と平行方向に位置したインナーリードとボ
ンディングツール間の摩擦力より、ボンディングツール
の主超音波振動方向と垂直方向に位置した前記インナー
リードとボンディングツール間の摩擦力が小さく、リー
ドとＡｌ電極間に超音波振動が伝わりにくいため、良好
な接合が得られないのである。このためボンディングツ
ールの主超音波振動方向と垂直方向に位置したインナー
リードに対するボンディング時に限り、超音波出力をア
ップ、すなわちツールの振動振幅を増大させていた。ツ
ール振動振幅を増大させたため、素子がダメージを受
け、歩留りを下げることがあった。

【０００９】また従来法では、前述したように、長い棒
状の超音波ホーンと支持部を設けている。このため、イ
ンナーリードの方向にあわせて超音波振動方向を変更す
るには、ホーン，ボンディングツール，圧電素子等を含
む超音波振動系を０°から９０°の範囲で回転させなけ
ればならず、装置の構造上、困難であった。

【００１０】本発明の目的は、超音波振動方向に対して
どのような方向に向いたリードに対しても高接合強度が
実現でき、かつ低チップダメージであるボンディング装
置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ボンディン
グツールの振動方向を半導体素子に接続するリードの長
手方向と平行にすることにより達成される。そのための
本発明によるボンディング装置は、棒状のヘッド部の先
端部の固定部にボンディングツールを固定し、ボンディ
ングツールを振動子により超音波振動させるとともに、
ヘッド部が、棒状の中心軸を中心にして回転する。

【００１２】本発明によるボンディング装置によれば、
ヘッド部が回転するので、ボンディングツールの振動方
向を半導体素子に接続するリードの長手方向と平行にす
ることが可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるボンディン
グ装置の実施例の１つの構成を示す図である。１は積層
圧電素子であり、棒状のヘッド２の先端部に、ボルト３
により締め付けて固定されている。４は棒状のヘッド２
の先端部に設けられた、ボンディングツール５の固定部
である。ボンディングツール５は、ボンディングツール
固定部４に設けられたボルト６により締め付けて固定さ
れている。棒状のヘッド２は、その中心軸を中心にして
回転することができる。ボンディングツール５は、ヘッ
ド部２の中心軸に垂直な方向が主たる振動方向となる。

【００１４】なお、棒状ヘッド２とボンディングツール
固定部４は、溶接，接着、或いはネジ止め等で固定され
たものであっても良いが、付加する超音波周波数が高く
なる程、前記溶接，接着、或いはネジ止め等で固定され
た部分での減衰が大きくなり、超音波エネルギが効率良
く接合部に伝わらず、接合不良を起こす危険性があるの
で、本実施例のように一体構造であることが望ましい。

【００１５】図２は、図１のボンディングヘッド部を装
着したボンディング装置の実施例の１つである。図２に
示すように、ボンディングツールの主振動方向は、イン
ナーリードの長手方向に対して常に平行方向である。本
発明のボンディング装置は、従来設けられていた、長い
棒状のホーンを設けていないため、図に示すようにヘッ
ド部を容易に回転させることができる。

【００１６】図３は、長い棒状のホーンを設けている従
来構造のボンディング装置の、荷重無負荷時と荷重５０
グラム負荷時の超音波振動特性を示したものである。図
の横軸は電力、縦軸はボンディングツール先端部の振動
振幅である。超音波周波数は約６０ｋＨｚとした。な
お、図４に示すように、ボンディングツール先端部の振
動振幅測定には、レーザドップラー振動計を用いた。

【００１７】図３において、従来構造のボンディング装
置では、５０グラム負荷時のボンディングツール先端部
の振動振幅は、荷重無負荷時よりも小さく、荷重無負荷
時の２分の１程度になっていることが判る。ホーンを設
け、振動振幅を増幅させたが、振らせるための力が弱い
ため、荷重を負荷すると振幅が大幅に小さくなってしま
う。

【００１８】しかし図５に示すように、長い棒状のホー
ンを設けない本実施例構造のボンディング装置では、荷
重無負荷時の振幅は、従来構造のボンディング装置に比
べて非常に小さく、また、荷重負荷前後の振幅値は、ほ
とんど変化していない。その振動振幅値は、従来構造の
ボンディング装置における荷重５０グラム負荷時の値と
ほぼ同等である。

【００１９】図６は、従来構造のボンディング装置及び
本実施例構造のボンディング装置を用いて、インナーリ
ードをＩＣチップ上のアルミニウム電極パッドに接合し
た時の、ボンディングツール先端の振動振幅に対する接
合強度の変化を示したものである。超音波発振時間と負
荷荷重は一定として、接合強度はピール試験により評価
している。縦軸の強度は、接合状態が非常に良好である
とされるリード部で破断した時の値を１とする。ツール
振幅に対して強度が上昇する段階は、接合初期段階であ
ることを示し、下降する段階は、ツールの振幅が大きく
なるためリードの潰れが大きくなり、この潰れ部分でリ
ードが破断してしまうためである。従来構造のボンディ
ング装置及び本発明構造のボンディング装置共、ほぼ同
様の傾向と値を示す。このことは、本発明構造のボンデ
ィング装置で、接合に必要な振動振幅が得られているこ
とを示唆するものである。

【００２０】ところで、前述したように従来構造のボン
ディング装置では、ボンディングツールの主超音波振動
方向と垂直方向に位置したインナーリードに対する接合
強度は、ボンディングツールの主超音波振動方向と平行
方向に位置したインナーリードに対する接合強度に比
べ、ツールの振動振幅が同一であると劣っている問題点
があった。このためボンディングツールの主超音波振動
方向と垂直方向に位置したインナーリードに対するボン
ディング時に限り、超音波出力をアップ、すなわちツー
ルの振動振幅を増大させていた。この結果、ツール振動
振幅を増大させたため、素子がダメージを受け、歩留り
を下げる問題点もあった。

【００２１】図７は、従来構造のボンディング装置を用
いて接合した時の、ツール先端の振動振幅に対する接合
強度の変化を示したものである。簡単のため、超音波加
振したときのボンディングツールの主超音波振動方向と
平行方向のリードに対する接合強度変化を平行方向，ボ
ンディングツールの主超音波振動方向と垂直方向のリー
ドに対する接合強度変化を垂直方向と記す。図７より、
平行方向に対して垂直方向は、高い接合強度を得るため
には平行方向の約２倍の振動振幅が必要になっており、
大きな振動振幅を加えることによるダメージ発生の危険
性がある。低ダメージ高信頼性接合を実現させるには、
垂直方向も平行方向と同レベルな振幅で接合できなけれ
ばならない。このための手段の一つとして、本実施例構
造のように、ヘッド部が回転でき、インナーリードの長
手方向とボンディングツールの主振動方向とが常に平行
にすることができる装置が挙げられる。

【００２２】図８は、本実施例構造のボンディング装置
を用いて同様の試験を行った結果である。垂直方向の接
合強度特性が、平行方向と同等のツール振幅で、平行方
向と同等になり、素子ダメージは低減される。

【００２３】図９は、棒状ヘッド２とボンディングツー
ル固定部４が、分離している構造である。このような構
造でも図１の実施例と同様の効果が得られる。なお、ボ
ンディングツール固定部は、圧電素子の平面部と平行な
部分を有し、この圧電素子の平面部と平行な部分が、圧
電素子の平面部に接触して、ボルト締め、溶接等でしっ
かり固定されている構造が望ましい。

【００２４】また図１０に示すように、棒状ヘッドは円
柱形状、或いは楕円柱形状、または他の断面形状の棒で
あっても良い。

【００２５】本実施例構造は、ホーンを介さずに圧電素
子にボンディングツールが装着された構造であるため、
作製が極めて容易である。

【００２６】また実施例構造は、半導体素子上の電極
と、外部配線電極とを電気的に結線するワイヤボンディ
ング法にも適用できる。

【００２７】図１１は、本発明によるボンディング装置
の実施例の一つを示したものである。回転機構はモータ
による。このモータはボンディングヘッドに直接装着さ
れており、モータの回転軸が、ボンディングヘッドの回
転軸と一致している構成である。回転角は、対象となる
製品毎に任意に設定することができる。

【００２８】図１２は、本発明のボンディング装置の構
造の一つを示したものである。ボンディングヘッドは、
図１１と同様にモータによって回転させられる。しか
し、ボンディングヘッドの回転軸とモータの回転軸は、
同一ではない構造である。モータの回転部には歯車が装
備されており、また、ボンディングヘッドの前記モータ
回転部との接触部には、前記モータの回転部の歯車と対
応する溝が形成されているため、モータの回転力が前記
溝に伝えられ、ボンディングヘッドが回転する。

【００２９】

【発明の効果】ボンディングツールの超音波振動方向と
リードの長手方向とを平行にさせたため、リードの方向
に関わらず低ダメージの接合が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるボンディング装置の実施例の１つ
の構成を示す図である。

【図２】図１のボンディングヘッド部を装着した、ボン
ディング装置の実施例の１つである。

【図３】従来構造のボンディング装置の超音波振動特性
を示したものである。

【図４】ボンディングツール先端部の振動振幅測定方法
を示す図である。

【図５】本実施例構造のボンディング装置の超音波振動
特性を示したものである。

【図６】従来構造のボンディング装置及び本実施例構造
のボンディング装置におけるボンディングツール先端の
振動振幅に対する接合強度の変化を示したものである。

【図７】従来構造のボンディング装置を用いて接合した
時の接合強度変化を、ツール先端の振動振幅に対してプ
ロットしたものである。

【図８】本実施例構造のボンディング装置を用いたとき
の、ツール先端の振動振幅に対する接合強度の変化を示
したものである。

【図９】本発明によるボンディングツールの実施例の１
つの構成を示す図である。

【図１０】本発明によるボンディングツールの実施例の
１つの構成を示す図である。

【図１１】本発明によるボンディング装置の一実施例を
示すものである。

【図１２】本発明によるボンディング装置の他の実施例
を示すものである。

【図１３】従来のボンディング方法を示す。

【図１４】従来のボンディング方法を示す。

【符号の説明】

１…積層圧電素子、２…棒状ヘッド、３，６…ボルト、
４…ボンディングツール固定部、５…ボンディングツー
ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶原 良一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小泉 正博 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 和弥 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 坪崎 邦宏 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 西村 朝雄 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 秋山 雪治 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 下石 智明 東京都小平市上水本町五丁目22番１号 株 式会社日立超エル・エス・アイ・システム ズ内 Ｆターム(参考） 4M105 CC03 DD10 EE01 5D107 AA11 AA15 BB01 CC04 FF02 FF08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】棒状のヘッド部と、 前記ヘッド部の先端部の固定部に固定されるボンディン
   グツールと、 前記ボンディングツールを超音波振動させる振動子と、
   を備え、 前記ヘッド部が、前記棒状の中心軸を中心にして回転す
   ることを特徴とするボンディング装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記振動子が前記ヘッ
   ド部の先端部に設けられることを特徴とするボンディン
   グ装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ヘッド部と前記固
   定部が一体構造であることを特徴とするボンディング装
   置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記ボンディングツー
   ルの振動方向が前記中心軸に垂直な方向であることを特
   徴とするボンディング装置。
5. 【請求項５】請求項１において、半導体素子にリードを
   接続する際に、前記ボンディングツールの振動方向が前
   記リードの長手方向に平行となるように、前記ヘッド部
   が回転することを特徴とするボンディング装置。