JP2000357705A - 電子部品の接続方法 - Google Patents
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Abstract
と配線基板のターミナルとを接続する方法において、ボ
ンディングワイヤとボンディングツールとの間の摩擦力
を大きくすることにより、初期加圧を下げても、ボンデ
ィングツールの振動時にワイヤがツールから逃げないよ
うにする。 【解決手段】 ボンディングツール10のウェッジ部に
接触して支持されたボンディングワイヤ20をワイヤ2
0よりも硬い部材よりなる溝を有する治具30の溝部に
押し当てることにより、ワイヤ20とツール10との接
触面積M1を増大させた後、ワイヤ20をパワーデバイ
ス1に押し当て、ツール10を介して加圧しながら振動
させることにより、ワイヤ20をパワーデバイス1に接
続する。続いて、ワイヤ20を配線基板2のターミナル
4まで引き回し、ウェッジボンディングによりターミナ
ル4に接続する。
Description
グ用のツールに接触して支持されたワイヤを、このツー
ルを介して加圧しながら振動させることにより、電子部
品と相手側部材とをワイヤボンディングするようにした
電子部品の接続方法、いわゆるウェッジボンディングに
よる電子部品の接続方法に関する。
続方法は、一般に、電子部品としてSiチップよりなる
パワーデバイス(IGBT素子やパワーMOS素子等)
等を用い、相手側部材として配線基板上の銅(Cu)等
よりなるターミナル等を用いる。そして、上記Siチッ
プ上のアルミニウム(Al)等よりなる電極と上記ター
ミナルとをAl等よりなるワイヤにて結線するものであ
る。
概略断面図に示す。これは、まず、図8(a)に示す様
に、ボンディングツールJ1に接触支持されたワイヤJ
2を被接合材(例えばSiチップ上の電極等)J3に接
触させる。次に、図8(b)に示す様に、このツールJ
1を介して、ワイヤJ2を被接合材J3に対し、一定圧
力で加圧して押さえた状態で超音波振動で擦りあわせて
接合する。最終的な接合状態を最終的に図8(c)に示
す。
あわせるためには、ツールJ1とワイヤJ2とがしっか
り拘束しあっていることが必要で、拘束するために加圧
力を大きくする。その加圧力により、図8(b)に示す
様に、ワイヤJ2の中心部J4がつぶれ、ワイヤJ2と
被接合材J3との接触面積が大きくなる。そして、ツー
ルJ1が振動すると、ツールJ1に拘束されたワイヤJ
2も振動し、接触域の外周部より外側に向かって接合す
る。
す。なお、図9(a)の上側部分は図8(c)と同じも
のであり、図9において(b)は(a)中のA−A断面
図である。最終的な接触域におけるワイヤJ2の中心部
J4は、上記図8(b)にて述べた様に、加圧によって
最初からつぶれているので、接合されず、超音波エネル
ギーによりつぶれていった周縁部J6のみが接合する。
そのため、図9(a)及び(b)の各下側部分に示す様
に、上記接触域界面でみた接合部領域J5はドーナツ状
となる。
イス(Siチップ)においては、大電流を流すことによ
ってSiチップが発熱するのであるが、AlとSiのよ
うに熱膨張係数の大きく異なる材料を加熱すると熱応力
が発生する。よって、冷熱環境下、ワイヤ(Al)とパ
ワーデバイス(Si)との接合部においては、両者の熱
膨張係数差によって、上記熱応力が繰り返し発生し、該
接合部にクラックが生じ破壊するという問題がある。
最終的な接合状態における上記熱応力の大きさの分布を
示すもので、接触域におけるワイヤJ2の周縁部(ボン
ディング周縁部)J6が大きく、中心部J4が小さい。
そのため、中心部J4を接合することが冷熱耐久信頼性
向上のため、重要である。
力を制御できるボンダ(加圧・出力制御ボンダ)があ
る。本発明者は、この加圧・出力制御ボンダ用いて、初
期加圧を下げることで、初期のワイヤつぶれを小さく
し、ワイヤと被接合材の接触域において中心部から周縁
部にかけて接合することを試みた。
グ時のツールの振幅により、ワイヤがツールから逃げる
ため、ツールによる安定したワイヤの拘束が困難であ
り、接合を開始させるための凝着核ができない。これ
は、初期加圧を下げることでワイヤの変形が小さく、ワ
イヤとツールが接する部分(上記図8中の太線J7に図
示)の面積が小さくなるため、ワイヤ/ツール間の摩擦
力が不十分となることによる。それにより、ワイヤとツ
ールとの接触部が滑ってワイヤがツールのウェッジ部か
ら外れたり、ワイヤとツールの接触部が滑ってツールの
振幅(振動)が十分にワイヤに伝達しない。
ても、制御無しのボンダ(加圧一定ボンダ)に比べ、初
期出力を下げることで、上記図9に示したようなドーナ
ツ状の接合部領域J5に比べて、やや内側から接合する
ものの、中心部まで接合ができず信頼性の大幅な向上は
難しい。特に、φ400μm、φ500μmなどの極太
ワイヤでは耐久信頼性が劣っている。
ジボンディングによる電子部品の接続方法において、ワ
イヤとツールとの間の摩擦力を大きくすることにより、
初期加圧を下げても、ボンディングツールの振動時にワ
イヤがツールから逃げないようにすることを目的とす
る。
め、請求項1記載の発明では、ウェッジボンディングに
よる電子部品の接続方法において、ワイヤ(20)より
も硬い部材よりなる治具(30)を用意し、ツール(1
0)に接触して支持された該ワイヤを該治具に押し当て
ることにより、該ワイヤと該ツールとの接触面積を増大
させた後、該ワイヤを電子部品(1)に押し当て、該ツ
ールを介して加圧しながら振動させることにより、該ワ
イヤを該電子部品に接続し、続いて、該ワイヤを相手側
部材(4)まで引き回し、該ツールを介して加圧しなが
ら振動させることにより、該ワイヤを該相手側部材に接
続するようにしたことを特徴としている。
ヤとのボンディング前に、ワイヤとツールとの接触面積
を増大させることで、ワイヤとツールとの摩擦力を大き
くすることができ、初期加圧を下げても、ボンディング
ツールの振動時にワイヤがツールから逃げないようにす
ることができる。
ディングにおいて、初期加圧を下げて初期のワイヤつぶ
れを小さくできるため、ワイヤと電子部品との接触域に
おいて中心部から周縁部にかけて接合することが出来
る。そして、次工程にて、電子部品と接続されたワイヤ
を相手側部材にウェッジボンディングすることにより、
電子部品と相手側部材とが結線される。
(パワーデバイス等)とワイヤとの熱膨張係数差の大き
い場合でも、両者は接触域において中心部から周縁部に
かけて接合されているので、ワイヤ接合部を耐久信頼性
の優れたものとできる。
項1記載の接続方法に用いる治具(30)として、ワイ
ヤ(20)が押し当てられる部位に、押し当てられたワ
イヤを支持する溝部(31)が形成されたものを用い、
ワイヤの固定を行うようにすることができる。
載の発明のように、底部(32)には押し当てられたワ
イヤ(20)が接することなく、側壁面(33)にて該
押し当てられたワイヤを支持する形状を有するものとで
きる。それによって、ワイヤを治具に押し当てたとき
に、ワイヤにおける電子部品との接触部分のつぶれを抑
えることができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
について説明する。図1は本実施形態に係る電子部品の
接続方法による最終的な接続形態を示す概略断面図であ
る。まず、図1において、1は電子部品としてのSiチ
ップよりなるパワーデバイス(IGBT素子やパワーM
OS素子等)であり、2はセラミック基板等の配線基板
である。
にCuやNi等よりなる金属導体3を介して搭載されて
いる。この金属導体3は配線基板2の配線部を構成する
ものである。また、配線基板2の一面上には、相手側部
材としてのCuやNi等よりなるターミナル4が金属導
体3と絶縁して形成されている。
た図示しないアルミニウム(Al)等よりなる電極パッ
ドとターミナル4とは、ウェッジボンディングにより形
成されたワイヤ5にて結線されている。このワイヤ5は
主として、φ250μm〜φ500μm、あるいはφ5
00μm以上の太線が適用され、その材質は99.99
%以上のAlを用いるが、Al以外の微量の添加元素が
含まれていることもある。
に係る接続方法を、工程順に述べていく。図2は本接続
方法の工程図を示す概略断面図、図3は本製造方法にお
ける加圧・超音波振幅の様子を示す説明図、図4はボン
ディング時における加圧・超音波出力のプロフィールを
示す図である。
制御ボンダにおけるボンディングツールであり、タング
ステンカーバイド(WC)等よりなる。また、20は上
記ワイヤ5を形成するためのボンディングワイヤであ
る。ツール10の先端部のウェッジで、ボンディングワ
イヤ20を拘束するが、ツール10の先端部形状はV
溝、U溝どちらでも構わない(図ではV溝形状としてい
る)。ツール10は、圧電セラミックス等の振動子によ
り超音波振動するトランスジューサ(図示せず)に取り
付けられており、該トランスジューサの動きにより、ツ
ール10の加圧制御や振動制御を行うようになってい
る。
でいう治具、以下、単に治具という)である。治具30
の表面には、溝(本発明でいう溝部)31が切ってあ
り、その溝31にボンディングワイヤ20を入れ、該ワ
イヤ20を押さえつけて変形できるようになっている。
ここで、図5は治具30の斜視図であり、対応するツー
ル10及びボンディングワイヤ20も示してある。
V溝で示してある)、溝31の幅Wは、ワイヤ20の径
よりも小さく、溝の深さDは、ワイヤ20がツール10
により押しつけられたときにワイヤ20が溝31の底部
32に接しない深さがあり、溝31の長さLは、ツール
10のワイヤ押さえ長さよりも長いことが必要である。
このような溝31の形状とすることで、ワイヤ20が押
しつけられたときに、溝31の底部32にはワイヤ20
が接することなく、溝31の側壁面33にてワイヤ20
を支持するようになっている。
ル10のフラット部が治具30に接しないことも必要で
ある。これは、上記のようにツール10がWC等の固い
けれど脆い材料よりなるため、ツール10が治具30に
接することでツール10が破損する恐れがあるためであ
る。よって、使用するワイヤ径、ボンディングツール形
状によって、治具30の形状は異なる。また治具30の
材質は、この治具30がワイヤ20を変形させるための
ものであるため、ワイヤ20よりも固く、靱性が高くな
くてはならない。一例として工具鋼がある。
イス1と結線されるターミナル4、及び、治具30は、
ボンディングツール10が動く範囲にあることが必要で
ある。このとき、ツール10が動いて上記部材1、4、
30の上に来ても良いし、上記部材1、4、30が例え
ばX−Yテーブル等により動かされて、ツール10の下
に来るようにしても良い。
2(a)に示す様に、治具30はパワーデバイス1の近
傍に配置するとともに、ボンディングワイヤ20を接触
支持して拘束したツール10を治具30の溝部31の上
に位置させる。次に、図2(b)及び図3(a)に示す
工程を行う。なお、図3(a)は図2(b)を横方向か
らみたものに相当する。この工程は、ツール10に接触
して支持されたボンディングワイヤ20を治具30の溝
部31に押し当てることにより、該ワイヤ20とツール
10との接触面積を増大させる工程である。
を加圧して溝部31に押し当てると、溝部31におい
て、ワイヤ20が変形し、ワイヤ20とツール10間の
接触面積M1が広がる。また、ワイヤ20は溝31の底
部32と接しないため、ワイヤ20の下部(ツール10
との接触部とは反対側の部位)は変形しない。また、こ
のとき、ワイヤ20には超音波出力を加えない。そのた
め、ワイヤ20と治具30間で接合することはない。こ
の工程における加圧力は、ボンディングするワイヤ径に
応じて決まるが、例えば上記接触面積M1を大きくする
ためボンディングで使用する加圧力以上とできる。
に示す工程を行う。ここで図3(b)は図2(c)を横
方向からみたものに相当する。この工程は、ボンディン
グワイヤ20をパワーデバイス1に押し当て、ツール1
0を介して加圧しながら振動させることにより、ワイヤ
20をパワーデバイス1に接続する工程である。具体的
には、ツール10を移動して(あるいは、パワーデバイ
ス1及び治具30が移動して)、パワーデバイス1にお
ける上記電極パッドにボンディングワイヤ20を加圧し
つつ押し当てる。
のプロフィールは、図4のように行う。つまり、まず、
超音波出力を加えない状態で、ボンディングワイヤ20
を加圧しながらパワーデバイス1に押し当てるのである
が、その加圧力は小さく、ワイヤ20とパワーデバイス
1との接触面積M2は非常に小さくなる。この状態で、
図4に示す様に、超音波出力を一定値まで上げる。
ヤ20との接触面積M1は大きいため、超音波出力を加
えても、ツール/ワイヤ間の摩擦力によりワイヤ20が
拘束されることにより、ワイヤ20が不安定になること
がない。この超音波エネルギーにより、上記したワイヤ
20とパワーデバイス1との小さな接触部(接触面積M
2で示した部分)に凝着核ができ、小さな接合部(初期
接合部)となる。
定としたまま、加圧力を上げていくと、振動するワイヤ
20が徐々に押しつぶされてパワーデバイス1の上記電
極パッドと接触していくため、ワイヤ20と上記電極パ
ッドとが溶け合うことにより、初期接合部を起点として
その周囲に接合部が広がっていく。こうして、最終的に
は、ワイヤ20とパワーデバイス1との接触域において
中心部から周縁部にかけて接合された状態となり、ワイ
ヤ20のパワーデバイス1への接続が完了する。
ける加圧・超音波振幅の様子を示すものであるが、加圧
及び接合部が小さく、パワーデバイス1へのワイヤ20
の固定が十分でないため、超音波振幅は大きい。一方、
図3(c)は、接合後期の状態における加圧・超音波振
幅の様子を示すものであるが、加圧が大きく、接合部も
広がっており、パワーデバイス1へのワイヤ20の固定
が十分なため、超音波振幅は小さい。
ングワイヤ20を相手側部材であるターミナル4まで引
き回し、ツール10を介して加圧しながら振動させるこ
とにより、ワイヤ20をターミナル4に接続する工程を
行う。このボンディングでは、ツール/ワイヤ間の接触
面積が小さく、摩擦力を期待できないため、加圧力を下
げることはできず、上記図8に示したような従来のウェ
ッジボンディング方法を行う。
4とAl等よりなるワイヤ20との熱膨張係数差が、パ
ワーデバイス(Si)1とワイヤ20ほど大きく違わな
いため、中心部の接合性が悪くとも、冷熱耐久信頼性が
下がることはない。つまり、図1に示す接続構造の耐久
信頼性は、ワイヤ5におけるパワーデバイス1側の接続
部で決まる。
と、まず、前処理用治具30にワイヤ20を当ててワイ
ヤ/ツール間の接触面積M1を大きくし、パワーデバイ
ス1と1stボンディングを行い、2ndボンディング
にてターミナル4と接続することで、パワーデバイス1
とターミナル4との間の結線ができる。
ば、予めパワーデバイス(電子部品)1とワイヤ20と
のボンディング前に、ワイヤ20とツール10との接触
面積M1を増大させることで、ワイヤ20とツール10
との摩擦力を大きくすることができ、初期加圧を下げて
も、ボンディングツール10の振動時にワイヤ20がツ
ール10から逃げないようにすることができる。
のワイヤボンディングにおいて、初期加圧を下げること
ができ、初期のワイヤつぶれを小さくしてワイヤ20と
パワーデバイス1との接触域において中心部から周縁部
にかけて接合することが出来る。そのため、熱膨張係数
差の大きいパワーデバイス1とワイヤ20との接続にお
いて、ワイヤ接合部を耐久信頼性の優れたものとでき
る。そして、上記した従来の接合状態(周縁部のみが接
合したもの)に比べて、ワイヤが剥離するまでの寿命を
長くすることが出来る。
具30の溝部31の形状を、底部32には押し当てられ
たワイヤ20が接することなく、側壁面33にて押し当
てられたワイヤ20を支持するものとしている。そのた
め、ワイヤ20をパワーデバイス1に押し当てたとき
に、ワイヤ20におけるパワーデバイス1との接触部分
のつぶれを抑え、初期接合部の接触面積M2(図2
(c)参照)を小さくでき、結果的に、ワイヤ20とパ
ワーデバイス1との接触域において中心部から周縁部ま
でが接合された状態を効果的に実現できる。 (他の実施形態)なお、上記実施形態では加圧・出力制
御ボンダを使用して、図4に示すプロフィール、即ち加
圧力のみ制御して超音波出力の制御をしないものとした
が、図6に示す様に、加圧力及び超音波出力共に制御す
るものでもよい。図6では、加圧力の上昇とともに、超
音波出力も伴って上昇させている。これにより、低加圧
時に、大きな超音波出力を加えてしまうことがないた
め、図3(b)に示したように、超音波振幅の大きな状
態となることを抑制できる。
上を擦ることで、パワーデバイス1に加わるダメージ
(例えばボンディング部分の下のトランジスタが破壊す
ること等)を抑制でき、不良率が低減できる。また、加
圧力に応じて適性な超音波出力を付与しているため、よ
り広い接合部領域(ボンディング面積)を実現でき、冷
熱耐久性をより向上させることができる。ちなみに、図
7に、加圧・出力一定一定ボンダを使用した加圧力及び
超音波出力のプロフィールの例を示す。
に、治具30の表面に突出部を設け、この突出部にて、
押し当てられたワイヤ20を支持し、ワイヤ20の下部
(ツール10との接触部とは反対側の部位)の変形防止
を行うようにしても良い。この場合でも、ワイヤ20と
ツール10との接触面積M1は大きくなるため、従来の
ウェッジボンディングに比べて信頼性の高いワイヤと電
子部品との接合が得られる。
品と相手側部材とをウェッジボンディングで結線する電
子部品の接続方法において、使用環境の過酷化(大電流
化等)に伴う電子部品とボンディングワイヤとの接合部
の信頼性向上を目的としたものであり、上記治具を用い
てボンディング用のツールとワイヤとの接触面積を増大
させることで、結果的に、この目的を達成するものであ
る。
示す概略断面図である。
示す工程図である。
を示す説明図である。
フィールの一例を示す図である。
力のプロフィールの一例を示す図である。
力のプロフィールの例を示す図である。
面図である。
な接合状態を示す図である。
力の大きさの分布を示す図である。
…ボンディングツール、20…ボンディングワイヤ、3
0…ボンディング前処理用治具、31…溝、32…溝の
底部、33…溝の側壁面。
Claims (3)
- 【請求項1】 ワイヤボンディング用のツール(10)
に接触して支持されたワイヤ(20)を、このツールを
介して加圧しながら振動させることにより、電子部品
(1)と相手側部材(4)とをワイヤボンディングする
ようにした電子部品の接続方法において、 前記ワイヤよりも硬い部材よりなる治具(30)を用意
し、 前記ツールに接触して支持された前記ワイヤを前記治具
に押し当てることにより、前記ワイヤと前記ツールとの
接触面積を増大させる工程と、 しかる後、前記ワイヤを前記電子部品に押し当て、前記
ツールを介して加圧しながら振動させることにより、前
記ワイヤを前記電子部品に接続する工程と、 続いて、前記ワイヤを前記相手側部材まで引き回し、前
記ツールを介して加圧しながら振動させることにより、
前記ワイヤを前記相手側部材に接続する工程と、を備え
ることを特徴とする電子部品の接続方法。 - 【請求項2】 前記治具(30)として、前記ワイヤ
(20)が押し当てられる部位に、前記押し当てられた
ワイヤを支持する溝部(31)が形成されたものを用い
ることを特徴とする請求項1に記載の電子部品の接続方
法。 - 【請求項3】 前記溝部(31)は、底部(32)には
前記押し当てられたワイヤ(20)が接することなく、
側壁面(33)にて前記押し当てられたワイヤを支持す
る形状を有するものであることを特徴とする請求項2に
記載の電子部品の接続方法。
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