JP2000357705A - 電子部品の接続方法 - Google Patents

電子部品の接続方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェッジボンディングによりパワーデバイス
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

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワイヤボンディン
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。
【０００２】
【従来の技術】この種のウェッジボンディングによる接
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。
【０００３】従来のウェッジボンディング方法を図８の
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。
【０００４】ここで、ワイヤＪ２と被接合材Ｊ３を擦り
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。
【０００５】より詳細な最終的な接合状態を、図９に示
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、パワーデバ
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。
【０００７】図１０は上記図８（ｃ）及び図９に示した
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。
【０００８】現在、ボンディング中に超音波出力と加圧
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。
【０００９】しかし、初期加圧を下げると、ボンディン
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。
【００１０】そのため、加圧・出力制御ボンダを使用し
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。
【００１１】そこで、本発明は上記問題に鑑み、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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
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。
【００１３】本接続方法によれば、予め電子部品とワイ
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。
【００１４】そして、電子部品とワイヤとのワイヤボン
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。
【００１５】このように、本発明によれば、電子部品
（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。
【００１６】また、請求項２記載の発明のように、請求
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。
【００１７】さらに、上記溝部（３１）は、請求項３記
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。
【００１８】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
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。
【００２０】パワーデバイス１は、配線基板２の一面上
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。
【００２１】そして、上記パワーデバイス１に形成され
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。
【００２２】次に、図２〜図４を参照して、本実施形態
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。
【００２３】図２及び図３において、１０は加圧・出力
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。
【００２４】３０はボンディング前処理用治具（本発明
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。
【００２５】溝３１の形状は特に限定しないが（図では
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。
【００２６】また、ワイヤ２０を押しつけたとき、ツー
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。
【００２７】なお、パワーデバイス１、このパワーデバ
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。
【００２８】そして、本接続方法においては、まず、図
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。
【００２９】ツール１０を介しボンディングワイヤ２０
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。
【００３０】次に、図２（ｃ）及び図３（ｂ）、（ｃ）
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。
【００３１】また、この工程における加圧・超音波出力
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。
【００３２】このとき、ツール１０とボンディングワイ
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。
【００３３】そして、図４に示す様に、超音波出力を一
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。
【００３４】なお、図３（ｂ）は、接合初期の状態にお
ける加圧・超音波振幅の様子を示すものであるが、加圧
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。
【００３５】次に、ツール１０を移動させて、ボンディ
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。
【００３６】しかし、ＣｕやＮｉ等よりなるターミナル
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。
【００３７】上記した本実施形態の接続方法をまとめる
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。
【００３８】このように、本実施形態の接続方法によれ
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。
【００３９】そして、パワーデバイス１とワイヤ２０と
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。
【００４０】また、本実施形態の接続方法によれば、治
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。
【００４１】そのため、ワイヤ２０がパワーデバイス１
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。
【００４２】また、治具３０においては溝３１の代わり
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。
【００４３】以上述べてきたように、本発明は、電子部
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電子部品の接続形態を
示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電子部品の接続方法を
示す工程図である。
【図３】上記接続方法における加圧・超音波振幅の様子
を示す説明図である。
【図４】上記実施形態における加圧・超音波出力のプロ
フィールの一例を示す図である。
【図５】上記接続方法に用いる治具の斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態における加圧・超音波出
力のプロフィールの一例を示す図である。
【図７】加圧・出力一定ボンダにおける加圧・超音波出
力のプロフィールの例を示す図である。
【図８】従来のウェッジボンディング方法を示す概略断
面図である。
【図９】図８のウェッジボンディング方法による最終的
な接合状態を示す図である。
【図１０】図９に示した最終的な接合状態における熱応
力の大きさの分布を示す図である。
【符号の説明】 １…パワーデバイス、４…配線基板のターミナル、１０
…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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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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