JP2001156100A - アルミニウム線用超音波接合治具 - Google Patents

アルミニウム線用超音波接合治具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】厳しい環境下でも高い接合信頼性を有するアル
ミニウム線による結線構造を形成することのできるアル
ミニウム線超音波接合治具を提供する。 【解決手段】アルミニウム線２を押圧平面部３によって
押圧しながら超音波を付与して、アルミニウム線２の先
端を電極パッドに接合するためのアルミニウム線用超音
波接合治具１において、押圧平面部３のアルミニウム線
２供給側の後端角部３ｂに、４０μｍ以上且つ前記押圧
平面部３の長さ以上の曲率半径を有するＲ面を形成す
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、基板表面に接合さ
れた半導体素子の電極と基板の電極とをアルミニウム線
によって超音波接合するのに用いられる超音波接合治具
に関するもので、特に、自動車のエンジンルーム等の熱
的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境
で使用される場合に好適なものである。
【０００２】
【従来技術】従来より、混成集積回路においては、半導
体素子と回路基板のそれぞれの電極パッドとを接続する
のに金属線が用いられ、特に線材そのもののコスト低減
と予熱が不要であり実装のコスト低減が図られることか
ら、アルミニウム線が一般に用いられている。
【０００３】アルミニウム線を電極パッドに接合する方
法として、通常、超音波接合が用いられる。具体的に
は、超音波発振器の共鳴ホーンの先端に取り付けられた
アルミニウム線用超音波接合治具を通じてアルミニウム
線に伝達され、接合治具と共に振動するアルミニウム線
の表面に存在する酸化物や汚れが、振動に伴う電極パッ
ド表面との摩擦によって排除され、アルミニウム線内部
の清浄度の高い金属部分が電極パッドの金属と金属結合
により、または金属間の拡散、合金化乃至はアンカー効
果によって接合される。
【０００４】従来から用いられる一般的なアルミニウム
線用超音波接合治具の構造としては、図２に示すように
タングステンカーバイド等の超硬合金からなる接合治具
１１の先端には、アルミニウム線１２を電極パッドに押
圧するための押圧平面部１３とアルミニウム線供給装置
（不図示）から供給されるアルミニウム線を押圧平面部
１３に送るためのガイド部１４とを具備する。
【０００５】また、接合治具の押圧平面部１３の前端角
部１３ａおよび後端角部１３ｂには、通常、Ｒ面取りが
施されている（特開昭５４−１４２０６６号）。
【０００６】この押圧平面部１３の長さは、従来最小値
が０．００１インチ（２５．４μｍ）であり、カタログ
値として一般的には０．００１５（３８．１μｍ）から
０．０４０インチ（１０１．６μｍ）まであり、アルミ
ニウム線径や保証すべき接合強度により選択されてい
る。
【０００７】また、上記の前端角部１３ａ、後端角部１
３ｂのＲ面の曲率半径は通常、２５．４μｍに固定され
ている。また、この接合治具を用いて形成されたアルミ
ニウム線による接合構造の接合信頼性を向上するため
に、角部後面Ｒ部に２０°のカットしてＣ面を追加して
ワイヤ形状に工夫がなされることも提案されている（特
開平１１−１６９３４号）。
【０００８】また、上記の超音波接合治具を用いて２つ
の電極をアルミニウム線によって接続するには、図３に
示すように、第１の電極パッド１５に、押圧平面部１３
によってアルミニウム線１２を押圧しながら超音波を付
与して第１の電極パッド１５にアルミニウム線１２の先
端を接合した後、治具をアルミニウム線１２とともに第
２の電極パッド１６に移動し、アルミニウム線１２を第
２の電極パッド１６に対して超音波によって接合した
後、アルミニウム線１２は、接合治具が第２の電極パッ
ド１６から離れることによって自然に切断されて、第１
の電極パッド１５と第２の接続端子１６は、折れ曲がり
部１７を有するアルミニウム線２によって接続される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
接合治具を用いると、結線したアルミニウム線の折れ曲
がり部１７で大規模な塑性変形を生じ、また超音波の繰
り返し振動による疲労が重畳されるため浅い裂け目が生
じることが多い。一般民生部品においてはこの裂け目は
信頼性に影響を与えないが、自動車のエンジンルーム等
の熱的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい
環境で使用される場合、この浅い裂け目を起点としてき
裂が発生して断線に至り、電子デバイスの機能が満足さ
れない場合があった。
【００１０】従って、本発明は、厳しい環境下でも高い
接合信頼性を有するアルミニウム線による結線構造を形
成することのできるアルミニウム線超音波接合治具を提
供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するために鋭意検討した結果、前記アルミニウム線
による折れ曲がり部の浅い裂け目の発生が、接合治具の
押圧平面部に後端角部の曲率半径に関係していることを
突き止め、特にこの曲率半径を特定の範囲に制御するこ
とによって、上記の目的が達成できることを見いだし
た。
【００１２】即ち、本発明は、アルミニウム線を押圧平
面部によって押圧しながら超音波を付与して、前記アル
ミニウム線の先端を電極パッドに接合するためのアルミ
ニウム線用超音波接合治具において、前記押圧平面部の
アルミニウム線供給側の後端角部に、４０μｍ以上且つ
前記押圧平面部の長さ以上の曲率半径を有するＲ面を形
成したことを特徴とするものである。なお、このアルミ
ニウム線用超音波接合治具は、特に線径が２５〜５０μ
ｍのアルミニウム線を接合するのに好適に用いられる。
【００１３】本発明の接合治具を用いて２つの電極パッ
ド間をアルミニウム線で接続すると、アルミニウム線の
折れ曲がり部で塑性変形が生じ、また超音波の繰り返し
振動による疲労が重畳されるものの、従来のような浅い
裂け目（クラック）の発生を効果的に抑制することがで
きる結果、自動車のエンジンルームのように熱的、振動
等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境で使用さ
れる場合であっても、き裂が進展せず、高い接合信頼性
を付与することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明のアルミニウム線用
超音波接合治具の１例の概略側面図を示す図１を参照し
ながら詳細に説明する。図１のアルミニウム線超音波接
合治具１は、タングステンカーバイド等の超硬合金、セ
ラミックスなどの材料からなるものであって、その先端
構造としては、接合時にアルミニウム線２を押圧するた
めの押圧平面部３が形成されている。また、この押圧平
面部３の後部には、この押圧平面部３にアルミニウム線
供給装置（不図示）から供給されるアルミニウム線２を
供給するためのガイド部４が形成されている。
【００１５】そして、この接合治具１は、超音波発振装
置の先端に取付けられており、アルミニウム線２への接
合エネルギーは、接合治具１の本体からアルミニウム線
２を押圧する押圧平面部３から伝達される。
【００１６】この押圧平面部３の前端角部３ａおよび後
端角部３ｂはいずれもＲ面取りが施されている。
【００１７】従来の接合治具では、記述の通り、後端角
部３ｂの曲率半径ｒｂは、通常２５．４μｍに固定され
ているが、本発明によれば、この後端角部３ｂにおける
Ｒ面の曲率半径ｒｂが４０μｍ以上且つ前記押圧平面部
３の長さ以上の大きさで加工されていることであること
が重要である。例えば、押圧平面部３の長さが０．０２
０インチ（５０．８μｍ）以上であれば、それと同等以
上の長さのＲ面取りを施することが必要である。
【００１８】但し、押圧平面部３の長さが０．０２０イ
ンチ（５０．５μｍ）以下の場合は、後端角部３ｂのＲ
面の曲率半径ｒｂは４０μｍ以上であることが後述する
実施例からも明らかである。
【００１９】なお、本発明における押圧平面部３の前端
角部３ａのＲ面の曲率半径ｒａは、アルミニウム線の負
担を与えない範囲で２０乃至３０μｍであることが適当
である。
【００２０】
【実施例】タングステンカーバイドから成る直径３ｍ
ｍ、長さ５０ｍｍの超音波接合治具を用意し、その先端
に、図１のように、アルミニウム線への押圧平面部と、
アルミニウム線供給装置から供給されるアルミニウム線
のガイド部とを加工形成した。なお、押圧平面部の長さ
が３８．１μｍと６３．５μｍの２種類の超音波接合治
具を用意し、それぞれ前端角部に曲率半径が２５μｍの
Ｒ面を、後端角部に表１に示すような種々の曲率半径の
Ｒ面を形成して超音波接合治具を得た。
【００２１】一方、アルミナ基板表面上の電極パッドと
して、タングステンメタライズ部を形成しその表面に、
無電解Ｎｉメッキを施し、さらにその上に無電解Ａｕメ
ッキを施した。クリーンルーム内において、ベアチップ
を実装するパッド部に銀ペーストを印刷し、３ｍｍ角の
大きさを持つベアチップを所定の部位に実装した後、オ
ーブン中でキュアした。
【００２２】そして、ベアチップ上の電極パッドとアル
ミナ多層基板上の電極パッド間を、直径３０μｍまたは
５０μｍのアルミニウム線を用いて超音波接合により接
合した。
【００２３】電極パッド間の接続直後のアルミニウム線
の状態を走査型電子顕微鏡写真にて観察してクラックの
発生の有無を確認した。また、アルミニウム線によるプ
ル強度を測定した。このプル強度は、プルテスターを用
いて湾曲したアルミニウム線の頂部を引っ張り、アルミ
ニウム線の少なくとも一方が電極パッドから外れた時の
引っ張り強度を測定した。
【００２４】また、ベアチップ上の電極パッドと多層基
板上の電極パッドとを接合するアルミニウム線の接合の
接続信頼性を評価するため、温度範囲−４０℃〜１２５
℃各３０分保持の気槽温度サイクル試験を１０００サイ
クル行い、試験後のアルミニウム線の状態およびプル強
度を測定した。
【００２５】
【表１】
【００２６】表１の結果から明らかなように、超音波接
合治具の押圧平面部の後端角部のＲ面取りの曲率半径が
押圧平面部の長さ以上または４０μｍのいずれか大きい
方の大きさで加工されている場合においては、初期状態
では、アルミニウム線の曲り部に裂け目は認められてお
らず、また、温度サイクル試験後においても、十分な接
合強度が保たれ、接合信頼性に優れていることが判っ
た。
【００２７】これに対して、後端角部のＲ面の曲率半径
が本発明の範囲を逸脱する試料Ｎｏ．２〜４、６、７、
９、１２〜１４、１６、１７、１９では、初期状態でア
ルミニウム線にクラックの発生が多く認められたり、初
期でクラックが発生していないものもサイクル試験後に
はクラックの発生が認められ、プル強度が低下し、接合
が保証できないことが確認された。
【００２８】
【発明の効果】本発明の構造とすることにより、アルミ
ニウム線の折れ曲がり部で塑性変形が生じ、また超音波
の繰り返し振動による疲労が重畳されるものの、浅い裂
け目の発生が抑制される。その結果、自動車のエンジン
ルームのように熱的、振動等の機械的および腐食等の化
学的に厳しい環境で使用される場合であっても、き裂が
発生せず、高信頼性をもって稼動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアルミニウム線用接合治具の概略
図である。
【図２】従来のアルミニウム線用接合治具の概略図であ
る。
【図３】アルミニウム線の超音波接合方法を説明するた
めの図である。
【符号の説明】
１ 接合治具 ２ アルミニウム線 ３ 押圧平面部 ３ａ 前端角部 ３ｂ 後端角部 ４ ガイド部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウム線を押圧平面部によって押圧
    しながら超音波を付与して、前記アルミニウム線の先端
    を電極パッドに接合するためのアルミニウム線用超音波
    接合治具において、 前記押圧平面部のアルミニウム線供給側の後端角部に、
    ４０μｍ以上且つ前記押圧平面部の長さ以上の曲率半径
    を有するＲ面を形成したことを特徴とするアルミニウム
    線用超音波接合治具。
  2. 【請求項２】線径が２５〜５０μｍのアルミニウム線を
    接合するのに用いる請求項１記載のアルミニウム線用超
    音波接合治具。
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