JP2002093864A - ウェッジ接合部信頼性評価装置および評価方法 - Google Patents

ウェッジ接合部信頼性評価装置および評価方法

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bonding
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Tomohiro Uno
智裕 宇野
Shinichi Terajima
晋一 寺嶋
Kohei Tatsumi
宏平 巽
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、半導体用ボンディングワイ
ヤのウェッジ接合部の特性評価を実施するための試験装
置および試験方法を提供するものである。 【解決手段】 半導体用ボンディングワイヤのウェッジ
接合部に引張荷重を加える試験において、引張り方向と
接合試料面との角度を一定に維持しながら、ボンディン
グワイヤを引張ることにより、ボンディングワイヤの変
化特性を測定することを特徴とするウェッジ接合部の強
度評価法および評価装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ボンディングワイ
ヤを用いて、半導体素子上の電極あるいは外部端子とを
接続する半導体装置に関する。更に詳しくは、ボンディ
ングワイヤのウェッジ接合部の特性評価に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在半導体素子上の電極と外部端子との
間を接合するボンディングワイヤとしては、線径20−50
μｍ程度で、材質は高純度４N系（純度>99.99wt%）の金
であるボンディングワイヤが主として使用されている。
金ボンディングワイヤの接合技術としては超音波併用熱
圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置、ワイ
ヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具など
が必要である。ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、
表面張力によりボールを形成させた後に、150〜300℃の
範囲内で加熱した半導体素子の電極上にこのボール部を
圧着接合（以下、ボール接合と呼ぶ）せしめ、その後
で、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着により接合
（以下、ウェッジ接合と呼ぶ）させる。図１には、ワイ
ヤボンディングされたＩＣの外観例を示す。ボンディン
グワイヤ３は、ボール接合部２によって電極膜１に接続
し、ウェッジ接合部４によってリード端子５と接続して
いる。トランジスタやＩＣなどの半導体素子として使用
するためには、前記の金ワイヤによるボンディングの後
に、Ｓｉチップ８、ボンディングワイヤ３、およびＳｉ
チップが取り付けられた部分のリードフレーム５を、こ
れらを保護する目的で樹脂封止する。
【０００３】半導体素子を固定する材料として、従来の
金属製リードフレームに加え、BGA（Ball Grid Arra
y）、CSP（chip Scale Packaging）などの新しい実装形
態ではガラエポ樹脂基板、ポリイミドテープなどが新た
に用いられ始めている。ボンディングワイヤとの接合性
を確保するために、リードフレーム上にはAgメッキ、Pd
メッキなどが施されており、また樹脂基板、テープなど
の上には、Cu配線が施され、その上に金などの貴金属元
素およびその合金の膜が施されている場合が多い。こう
したリードフレーム、樹脂基板、テープなどの上にワイ
ヤを接続したウェッジ接合部を比較すると、材質・構造
などの違いにより適正な接合条件は異なり、ウェッジ接
合部の好適な形状、厚みなども材質・構造毎に異なる場
合が多い。
【０００４】半導体の内部接続は多様化しており、金属
突起物（バンプ）で接続する方式、そのバンプ上にボン
ディングワイヤをウェッジ接合する方式などが開発され
ている。最近では、ワイヤを接続する形態にも様々なも
のが現れており、これまでの半導体素子上の電極とリー
ド・基板などの端子とを接続する形態以外にも、２個以
上の半導体素子を接続したり、２個以上のリード・基板
などの端子同士を接続する形態も実用化されている。ワ
イヤ接続する両端の少なくともいずれか一方はウェッジ
接合であるため、ウェッジ接合にも多様な接続形態への
対応が求められている。
【０００５】従来、直接ワイヤを接合するウェッジ接合
部においては、接合性は良好であり、長期信頼性も十分
確保されており、Auボール部／Al電極の接合界面での不
良発生が懸念されるボール接合の場合と比較しても、ウ
ェッジ接合部における不良の発生はほとんど報告されて
いなかった。
【０００６】近年、半導体素子の高集積化、高密度化の
要求に伴ない、金ボンディングワイヤの狭ピッチ接合が
必要となり、ボンディングワイヤの高強度細線化、キャ
ピラリ冶具の先端加工の微細化などが進んでいる。しか
し、狭ピッチ化が進むに従い、ウェッジ接合部における
接合信頼性を確保することが困難となっている。例え
ば、キャピラリ冶具の先端形状が微細化することによ
り、ウェッジ接合部近傍のワイヤ破断が起こることが問
題となる。さらに、樹脂基板、テープでは金属製リード
フレームよりも耐熱温度の上限が低いため、接合時の加
熱温度を低くする必要があり、ウェッジ接合部の接合強
度が低下することが問題となり始めている。
【０００７】こうした狭ピッチ接合、低温基板接合など
に伴ない、これまで比較的良好であったウェッジ接合部
における接合性の低下が問題となるケースが増えてい
る。さらに、下述するように、樹脂封止されたＩＣで
は、その製造工程および実使用時における、ウェッジ接
合部での熱疲労、応力集中などに関連する信頼性の低下
が懸念されている。
【０００８】また、ICの高周波化による発熱の増加、自
動車エンジン周辺で使用されるICなどのように使用環境
の高温化が進むことにより、ICの温度履歴がより厳しく
なっており、ウェッジ接合部での熱疲労に起因する破断
などが懸念される。図３(a)には、樹脂封止されたＩＣ
に温度変化が生じることによって、ボンディングワイヤ
３に熱による膨張・圧縮の外力15が加わり、ウェッジ接
合近傍のワイヤ部に損傷13が生じることを示している。
【０００９】ＩＣの外部端子を回路基板に接続するのに
用いられる半田は、現行ではPb-Sn系共晶半田が一般的
であるが、環境問題によりPbフリー化が求められる。Pb
フリー半田の材料として、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu系など多く
の成分系が検討されているが、いずれもPb-Sn系共晶半
田よりも融点が高い。従って、半田を溶融させるときの
リフロー温度が上昇することにより、樹脂封止されたＩ
Ｃ内部の不良発生が懸念されており、そのなかでも、ボ
ンディングワイヤのウェッジ接合部での信頼性が低下す
ることが問題視されている。
【００１０】従来のボール接合よりも狭ピッチに好適な
接合として、ワイヤで接続する２箇所とも、ボール部を
作製しないで直接ワイヤを接合する、ウェッジ／ウェッ
ジ接合がある。この接合では、ボールを形成しないため
熱影響部がなくループ曲がりが低く抑えられるなど、狭
ピッチ接合の点で有利となる。これまで、金ワイヤを用
いた接続ではボール／ウェッジ接合が主流であったが、
今後は狭ピッチ化に適したウェッジ／ウェッジ接合の実
用化も期待されている。前述した、ウェッジ接合部にお
ける接合性および信頼性の低下に関連する不良発生は、
ウェッジ／ウェッジ接合においても同様に懸念される。
【００１１】ウェッジ接合部において、キャピラリでの
変形によりワイヤ部は強加工を受けており、その変形部
位は複雑な形状を有していることから、ウェッジ接合部
近傍での強度は、ワイヤの材料強度とは異なっている。
前述した技術動向である狭ピッチ化、低温接合、過酷な
温度使用環境などに適応した材料を提供するため、不良
原因となるウェッジ接合部近傍でのワイヤ強度および疲
労特性を評価し、その接合性および信頼性を向上するこ
とが所望されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ウェッジ接合時には、
複雑な先端形状をもつキャピラリにより変形され、さら
にワイヤには荷重、超音波振動が加えられることによ
り、ウェッジ接合部近傍でのワイヤ強度は弱くなってい
る。また、前述した樹脂封止されたICでは、ループ形状
のワイヤ全体に熱ひずみなどの外力が加わり、それがウ
ェッジ接合部での破断に影響しているため、ループ形状
もウェッジ接合部での不良に密接に関与する。従って、
ループ形状を維持しながらウェッジ接合部での機械的特
性を正確に評価することが重要である。
【００１３】ウェッジ接合部近傍でのワイヤは複雑に湾
曲しているため、その変形形状の観察では、ウェッジ接
合部の機械的特性を推定することも困難である。
【００１４】これまで、ループ接続されたワイヤの強度
を測定する手法として、プル強度試験が一般的であっ
た。この方法では、棒状フックをループ接続されたワイ
ヤの中央部に引っ掛け、上方に引張り、その破断強度を
測定する。プル試験による破断部位は、通常は、熱影響
により脆弱化されているボール接合部近傍のネック部で
あり、ウェッジ接合部位で破断することはほとんどな
い。
【００１５】ウェッジ接合部での破断を促進するため
に、上記のプル強度試験を利用して、フック位置をでき
る限りウェッジ接合部の近傍に変更し、そのフックを上
方に引張り破断強度を測定する評価法（2nd接合プル強
度試験）が行われる場合がある。図２(a)には2nd接合プ
ル強度試験を示している。この試験法は、ウェッジ接合
部4の近傍にプル試験フック９を掛けてワイヤを上方向
１１に引張るものである。この2nd接合プル強度試験で
は、ワイヤ破断をウェッジ接合部で生じさせることが可
能である。しかし、この2nd接合プル強度試験では、ワ
イヤを変形させながら上方に引き上げるため、試験中
に、最初のループ形状とは異なる形状に変化しており、
さらにウェッジ接合部も上方に変形させてダメージを加
えながら破断させることになる。従って、2nd接合プル
強度試験では、実用時のウェッジ接合部の特性を正確に
測定することは困難である。
【００１６】また、別の評価法として、ピール試験が行
われる場合がある。図２(b)にピール試験の概要を示し
ている。これは、ワイヤ摘み冶具１０でワイヤ３を固定
し、ウェッジ接合部4の直上方向に引き上げながら、破
断荷重を測定する手法である。2nd接合プル強度試験で
はループ形状、ワイヤ長さが破断強度に影響を及ぼすた
め、正確なウェッジ接合部の特性を測定することは困難
であるが、ピール試験ではワイヤ他端を切り離している
ため、そうした問題は解消される。しかしピール試験で
は、ループ形状を変化させながら引張るため、試験中に
ウェッジ接合部にダメージを与えてしまうので、2nd接
合プル強度試験と同様に、ウェッジ接合部の特性を正確
に測定することは困難である。また、実使用時のループ
形状などの影響も大きい疲労特性においては、ピール試
験で評価することは困難である。
【００１７】図３(b)には、ピール試験における破断部
位を模式的に示しており、図３(a)の実ICでの不良発生
挙動と比較すると異なる点が多い。すなわち、図３(a)
の実際のICに熱膨張・圧縮に関連する力１５が加わるこ
とにより、最も変形されたワイヤ部で破断が生じている
のに対し、図３(b)のピール試験では、ワイヤとメッキ
部の接合界面での剥離もある程度進行することから、破
断部位１３は、(a)の場合に比較してワイヤ端部に移動
していることが特徴である。つまり、ピール試験では実
ICの不良モードを再現するのは困難である。
【００１８】従って、これまでは使用中におけるウェッ
ジ接合部の機械的特性および信頼性を正確に評価する手
法はなかった。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明者等は前述した観
点から、ウェッジ接合部での強度、伸び、疲労特性など
を正確に評価することを検討した結果、不要な損傷を与
えないで、ループ形状を維持しながらウェッジ接合部で
の機械的特性を評価する手法を見出した。
【００２０】すなわち、本発明は以下の構成を要旨とす
る。 （１）半導体用ボンディングワイヤのウェッジ接合部に
引張荷重を加える試験において、ボンディングワイヤの
一端を固定し、引張り方向と接合試料面との角度を１０
〜８０度の範囲で一定角度に維持しながら、ボンディン
グワイヤを引張ることにより、ボンディングワイヤの特
性変化を測定することを特徴とするウェッジ接合部の強
度評価法。 （２）半導体用ボンディングワイヤのウェッジ接合部に
引張荷重を加える試験において、ボンディングワイヤの
一端を固定し、引張り方向と接合試料面との角度を１０
〜８０度の範囲で一定角度に維持しながら、引張りと除
荷を繰り返して、ボンディングワイヤの特性変化を測定
することを特徴とするウェッジ接合部の疲労特性評価
法。 （３）ウェッジ接合されたボンディングワイヤを有する
被測定試料を固定するための試料台および、前記試料台
の角度を調整できる角度調節器と、前記試料台および角
度調節器を備えた試料搭載部、該試料搭載部を移動する
ための駆動部を有し、前記荷重計測部はボンディングワ
イヤを固定できるワイヤ固定部および、該ワイヤ固定部
に接続された荷重計、さらにデータ表示部からなること
を特徴とするウェッジ接合部特性評価装置。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係わるウェッジ
接合部評価方法および評価装置の構成についてさらに説
明する。
【００２２】ウェッジ接合部の信頼性評価において重要
なことは、ウェッジ接合部にダメージを与えぬように測
定試料を作製すること、さらにウェッジ接合部での強
度、伸び、疲労特性などの機械的特性を正確に評価する
ことである。
【００２３】すなわち、損傷を与えないように、ウェッ
ジ接合部近傍におけるワイヤの強度、伸びなどを測定す
るために、最初のループ形状を保持しながら、試験を行
う必要がある。そこで、本発明者らは、ウェッジ接合部
の信頼性をできる限り定量的かつ再現よく評価する手法
を検討した結果、ウェッジ接合部近傍でのワイヤとリー
ド部の角度（挿入角度）を保持した測定試料を作製し、
その挿入角度をできる限り維持しながらワイヤを引張る
ことが重要であることを見出した。
【００２４】測定試料作製について、図４に手順を示し
ており、概要を下述する。まずは評価試料として実際の
ＩＣを用いており、一例として図４(a)には、ボール／
ウェッジ接合されたＩＣ試料を示す。試料の前処理とし
て、まず測定したいウェッジ接合部とは異なる他端のワ
イヤ接合部を電極材から分離させる。これは、ウェッジ
接合部に損傷を与えないように試料取扱いを容易にし、
またフリーになったワイヤ他端は引張試験時の固定端と
して用いるためである。図４(b)には、半導体基板上の
電極材を除去して、接合部を分離させた試料を示す。分
離法として、例えば、ワイヤが接合されている電極膜１
を酸・アルカリなどの溶液で化学的溶解を行って除去す
ることが有効であり、この手法ではループ形状などを変
化させること無く、電極部からワイヤの他端を分離して
フリーな状態にすることができる。
【００２５】特に、ワイヤの一端をボール接合している
場合には、ボール部近傍の熱影響領域が最弱であるた
め、このまま試料を引っ張ると、ボール部近傍で破断が
生じて、ウェッジ接合部の信頼性を評価することは困難
であり、測定接合部位とは異なる他端のワイヤ接合部は
分離しておくことが望ましい。
【００２６】また、測定試料は、IC内に多数のワイヤ全
てが接続されているよりも、少数のワイヤが接続されて
いる試料に分割してから、試験を行うことが好ましい。
この分割する理由は、図１に示したような通常のICで
は、数ピンから数百ピンの多数のワイヤがICの外周部に
接続されており、その隣接するワイヤ間隔は50〜200μ
ｍ程度と狭いため、試料全体を装置の試料台に固定して
試験すると、隣接するワイヤに接触して、損傷を与える
危険性が高いためである。さらに、ワイヤ数は少ない方
が試験操作が容易であるため、単数のワイヤのみ接続さ
れた試料に分離することがより望ましい。図４(ｃ)に
は、図４(ｂ)の試料を分割した単数ワイヤのみが接続さ
れた試料を示す。
【００２７】こうした分割の際に、リードフレームで切
断すべき部位は、隣接リード部を固定しているタイバ部
および、テープ部などであり、これらを切断する際にワ
イヤに損傷を与えないことが重要である。また、ワイヤ
に与える損傷をできる限り軽減するには、まずはワイヤ
他端を分離してフリーな状態にした後で、タイバ部、テ
ープ部6などを切断することが望ましい。
【００２８】ウェッジ接合部信頼性評価装置は、試料固
定部と荷重計測部に大別され、その装置概観を図４(d)
に示す。試料固定側は、試料搭載する試料台16と、その
試料台に角度をつける角度調節器17および、ワイヤに荷
重をかけるため、それら試料固定側を上下に一定速度で
駆動させる駆動部18により構成されている。一方の荷重
計測部では、前述したフリーのワイヤ他端を固定するワ
イヤ固定部19と、それにつながるように荷重計測計22が
配置され、その荷重値を記録するためのデータ表示部23
により構成されている。
【００２９】測定試料を信頼性評価装置にセットする操
作として、ワイヤのウェッジ接合部を有する試料を試料
台16に搭載固定し、角度調節器により試料台16を傾けた
後、フリーとなったワイヤ他端近傍をワイヤ支持部に固
定する。ここで、ワイヤ他端をワイヤ支持部に固定する
部位20には、硬化接着材、熱硬化樹脂、紫外硬化樹脂な
どを用い、ウェッジ接合部にダメージを与えぬようにワ
イヤ他端を取り付ける必要がある。
【００３０】こうして試料をセット完了した後、試料台
に連結しているモータなどの駆動部を稼動させて、試料
台を一定速度で下降させながら、そのときにワイヤに加
わる引張荷重を荷重計測計により測定し、その荷重値を
記録計により記録する。ウェッジ接合部は試料の最弱部
であるため、こうした試験法によりウェッジ接合部で常
に破断させることが可能となる。
【００３１】ウェッジ接合部近傍におけるワイヤの強
度、伸びなどを測定するためには、ワイヤ引張り方向と
接合試料面との角度を１０〜８０度の範囲で、試料状
態、測定目的に応じて角度を選択し、その一定角度を維
持しながら引張ることが必要である。これは、この範囲
の角度を維持しながら試験を行うことにより、実用時に
おけるウェッジ接合部の強度を正確に評価することがで
きるためであり、前述した2nd接合プル強度試験および
ピール試験において、リード部に対して垂直方向の荷重
を加えながら試験を行うのとは異なり、実際のＩCで発
生する不良モードを再現することができる。
【００３２】このようなボンディングワイヤの線方向と
引張り試験方向の角度を一定角度にするには、試料固定
台を傾斜させる必要があり、そのために角度調整器を用
いることが望ましい。すなわち、角度調整器により、引
張り方向に対して接合試料面が１０〜８０度の範囲にな
るように調整してから試験を行うことができる。
【００３３】ワイヤ引張り方向と接合試料面との角度を
前記範囲で一定に維持しながら試験を行う理由は、実際
に使用されるICは封止樹脂により固定されており、リー
ド部とウェッジ接合部の角度はほぼ一定に保たれた状態
で外力が加わること、また、測定中に角度変化が生じる
と応力集中の部位が変化するため、実際の不良形態を再
現することが困難であることなどの理由に基づく。破断
箇所を比較すると、図３(a)に示した実際のＩＣの不良
では、応力が集中する領域で損傷13が生じており、本発
明法でも、ワイヤ引張り方向と接合試料面との角度を前
記範囲の一定角度で試験することより同様の箇所で破断
していることを確認している。一方、従来の2nd接合プ
ル強度試験およびピール試験ではリード／ワイヤの接合
界面の近傍で破断が生じており、破断箇所も実ＩＣの不
良形態とは少し差が認められた。
【００３４】引張り方向と接合試料面との角度を上記の
１０〜８０度の範囲に設定した理由は、１０度未満で
は、接合部と反対のワイヤ表面に引張応力が加わり、ま
た８０度を超える角度では、図３(b)に見られるような
接合界面での剥離が顕著となることになり、いずれの場
合も、図３(a)に示すような実ＩＣで発生する不良とは
異なる破断形態となるためであり、さらに得られた破断
強度、疲労特性などのバラツキが大きくなるためであ
る。
【００３５】さらに、引張り方向と接合試料面との角度
は１５〜４０度であることが、より好ましい。これは前
記角度を上記範囲に保つことにより、ボンディング直後
のワイヤとリード部（または基板）との挿入角を初期と
近い状態に維持しながら、引張り試験中にもダメージを
与えることなく、ウェッジ接合部信頼性を評価すること
ができるという、発明者らの知見に基づく。この測定角
度は常に固定されているわけでなく、試料、目的に応じ
て一定角度を選択すれば良い。その理由として、ワイヤ
長さ、ループ形状（三角形、台形ループ）、ワイヤ強
度、ウェッジ接合部におけるワイヤ入射角度などの違い
により、適正な測定角度が前記範囲内で変化すること、
また、測定角度を変化させることにより、IC内部でワイ
ヤに加わる種々の外力方向を想定して、実際のＩＣ使用
時を再現した接合信頼性を評価できることなどが挙げら
れる。
【００３６】本発明のウェッジ接合部信頼性評価方法に
より得られる測定結果は、破断強度、破断伸び、弾性変
形挙動、降伏力、荷重と変位の関係などである。なかで
も、破断強度および破断伸びは比較的測定が容易であ
り、実際のＩＣにおけるウェッジ接合部信頼性を判定す
る基準として重要である。
【００３７】こうした測定結果を表示させるために、デ
ータ表示部が必要であり、また、場合によっては該デー
タ表示部が、測定結果を記録、保存させる機能、または
データ処理機能などを兼ね備えることも十分可能であ
る。
【００３８】樹脂封止されたＩＣでは、その製造工程お
よび実使用時に、ループ形状のワイヤ全体に熱ひずみな
どの外力が加わり、ウェッジ接合部において熱疲労、応
力集中により信頼性が低下する現象を評価するには、引
張破断試験よりも、疲労試験が望ましい。これまでの2n
d接合プル強度試験、ピール試験では、ウェッジ接合部
での疲労特性を評価することは困難であるが、本願のウ
ェッジ接合部信頼性評価装置を用い、前述した試料作製
手順で測定試料を準備することにより、ウェッジ接合部
の疲労特性を評価することが可能となる。
【００３９】ウェッジ接合部の疲労特性を評価する場合
は、引張り方向と接合試料面との角度が１０〜８０度の
範囲で、一定の角度を維持しながら、試料搭載部を一定
速度で昇降させることにより、荷重の負荷と除荷を繰返
すサイクル試験を行うことが必要である。これは、引張
り方向と接合試料面との角度を上記の１０〜８０度の範
囲に保つことにより、引張り試験中にダメージを与える
ことなく、目的とするウェッジ接合部での疲労特性を評
価することができるためである。さらに、引張り方向と
接合試料面との角度を１０〜４０度の範囲であることが
より好ましい。この理由は、ボンディング直後のワイヤ
とリード部との挿入角を初期と近い状態に維持しながら
試験を行うことができるため、樹脂封止されたＩＣの疲
労特性により近い状態を再現しており、また、バラツキ
の少ない試験結果が得られるためである。
【００４０】本発明装置を用いた疲労特性評価には種々
の方法があるが、一例として、種々の設定荷重でのサイ
クル試験における破断サイクル数を求め、その設定荷重
と破断サイクル数の関係を調べたり、または、一定荷重
の負荷・除荷におけるワイヤ変形量を測定したりするこ
とが有効である。
【００４１】測定対象となる試料は、ボール／ウェッジ
接合およびウェッジ／ウェッジ接合のいずれの試料でも
可能である。ウェッジ接合部における接合性および信頼
性の低下に関連する問題は、現行の主流であるボール／
ウェッジ接合に限られたことでなく、ボンディングワイ
ヤがウェッジ接合される場合に共通するものである。従
って、ウェッジ／ウェッジ接合においても本願の評価法
は有効である。
【００４２】本発明の試験が適用できる試料に関して、
ワイヤ材質は、Auワイヤ、Au合金ワイヤ、Cuワイヤ、Al
ワイヤ、Agワイヤ、Pdワイヤなどであり、ワイヤの接合
相手は、Agメッキ、Pdメッキなどの表面処理されたリー
ドフレーム、またCu配線、最表面に金などの貴金属元素
の膜を形成されたCu配線が施された樹脂基板、テープな
どで可能である。
【００４３】
【実施例】以下、実施例について説明する。使用したワ
イヤは、高純度金ワイヤ（純度＞99.99％）、または、C
a、Be、In、Cu、Ag、Pt、Pdなどから１種類以上の元素
を総計で0.0001-1％の範囲で含有する金合金ワイヤ、高
純度銅ワイヤ（純度＞99.99％）、Si、Mg、Ag、Pt、Pd
などから１種類以上の元素を総計で0.01-1％の範囲で含
有するAl合金ワイヤであり、その線径は20〜30μｍであ
る。
【００４４】ウェッジ接合する相手には、表面にAgメッ
キ（厚さ：1〜4μｍ）が施されたリードフレーム、また
は表面にAuメッキ／Niメッキ／Cu配線を形成されている
ガラエポ樹脂基板を使用した。
【００４５】ワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボン
ダーを使用した。金ワイヤ、金合金ワイヤ、銅ワイヤで
は、ボール／ウェッジ接合法を適用しており、アーク放
電によりワイヤ先端にボール（初期ボール径：45μｍ）
を作製し、それをアルミ電極に接合し、ワイヤ他端をウ
ェッジ接合した。ここで、銅ワイヤでは、ボール溶融時
の酸化を抑制するために、ワイヤ先端にN2ガスを吹き付
けながら、放電させた。一方、Al合金ワイヤはウェッジ
／ウェッジ接合法を適用しており、ボールは形成しない
で、ワイヤをアルミ電極に接合した。
【００４６】半導体基板上のアルミ電極を硝酸溶液によ
り溶解した後、ワイヤに損傷を与えないように注意しな
がら、タイバ部、テープ部などを切断することにより、
単数のワイヤをウェッジ接合した測定試料を作製した。
【００４７】次に、図４（ｃ）に示したようなウェッジ
接合信頼性評価装置を使用して、角度調節器により一定
角度を設定した試料台に、測定試料を搭載固定し、フリ
ーとなったワイヤ他端近傍をワイヤ支持部に接着材によ
り固定する。
【００４８】ウェッジ接合信頼性評価装置による引張試
験では、引張り方向と接合試料面との角度が１０〜８０
度の範囲で一定の角度を維持しながら、一定速度で引張
り、ウェッジ接合部で破断したときの荷重Ｆ0を測定し
た。
【００４９】ウェッジ接合部の疲労特性を評価するため
に、同様の手法で、設定荷重Ｆcまでの荷重負荷と除荷
を繰返すサイクル試験を行い、荷重Ｆcと破断サイクル
数Ｃbとの関係を調べた。ウェッジ接合部の疲労特性を
判定する目安として、上述の単純引張による破断強度Ｆ
0に対する設定荷重Ｆcの割合（Ｆc／Ｆ0）が0.8である
時の、サイクル試験回数Ｃbを求めた。このＣbの値が大きい
ほど、ウェッジ接合部の疲労特性が高いことを意味す
る。
【００５０】本試験法が、実際にＩＣが使用されるとき
のウェッジ接合部での不良発生を評価しているかを確認
するために、ワイヤ接続、樹脂封止まで施した208ピン
の半導体装置（パッケージ）を用いて、代表的な信頼性
試験法である半田リフロー加熱または熱サイクル試験を
実施した後で、不良発生を調べた。半田リフロー加熱で
は、市販のリフロー加熱炉により、230℃の均熱域に１
分間保持した。また、熱サイクル試験では、市販の熱サ
イクル試験機を使用して、-55℃から140℃の温度範囲で
昇温、降温を500回まで繰り返した。それぞれの加熱試
験を行った試料を用い、100ピンの端子で電気特性を測
定し、電気抵抗値が初期よりも１Ω上昇した場合に不良
と判定した。表中では、半田リフロー加熱の場合には不
良率を用い、熱サイクル試験の場合には不良率が5%を超
えたときのサイクル回数を用いた。
【００５１】本発明の評価法と比較するために、従来の
ワイヤ接合部強度評価として、プル試験、ピール試験を
実施した。プル試験では、市販のプル試験機を利用し
て、ウェッジ接合部の近傍のワイヤにフックを掛けて上
方に引張り、そのときの破断強度を40本測定して平均値
を求めた。ピール試験では、市販のピール試験機を利用
して、ボール接合部を切り離し、そのワイヤを冶具で摘
み、ウェッジ接合部の直上方向に引き上げながら、破断
荷重を20本測定して平均値を求めた。
【００５２】表１には、本発明のウェッジ接合信頼性評
価装置により評価した引張強度、疲労特性の結果、さら
に従来のプル試験、ピール試験の結果、さらに同一の試
料を用いて半田リフロー加熱または熱サイクル試験を実
施した後の実使用信頼性の結果などを比較して示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】試験No.１〜５では、Agメッキされたリー
ドフレームにAuワイヤを接続した試料について、ウェッ
ジ接合時の荷重、超音波振動、ステージ温度などの試験
条件を変えた４種類の試料を用いている。同様に、試験
No.６〜８はAu/Ni/Cuの配線された樹脂基板にAuワイヤ
をウェッジ接続した試料であり、試験No.９、１０はAg
メッキされたリードフレームにCuワイヤをウェッジ接続
した試料であり、試験No.１１、１２はシリコン基板上
のアルミ合金電極膜にAuワイヤをウェッジ接続した試料
であり、試験No.１３，１４はシリコン基板のAl電極上
にAuバンプを形成したその上にAuワイヤをウェッジ接続
した試料である。これらの試料作製においては、市販の
ボール/ウェッジボンディング接合装置を用いている。
一方、試験No.１５、１６では、市販のウェッジ/ウェッ
ジボンディング接合装置を用いて、シリコン基板上のア
ルミ合金電極膜にAlワイヤをウェッジ接続した試料を用
いている。
【００５５】例えば、実使用信頼性は異なる試験No.１
〜５では、ウェッジ接合信頼性評価装置により評価した
引張強度および疲労特性ははっきりとした差が認めら
れ、実使用信頼性に良く対応している。その相関を詳し
く見ると、引張強度は半田リフロー加熱の結果とより対
応しており、加重・除荷を繰返す疲労特性は熱サイクル
試験の結果をより反映していることが確認された。一
方、プル試験、ピール試験の評価ではほとんど差がない
ことからも、これら従来の試験結果のみではウェッジ接
合信頼性を評価するのは困難である。
【００５６】試験No.１〜１６をみると、引張り方向と
接合試料面との角度αが１０〜８０度の範囲であれば、
本発明のウェッジ接合信頼性評価装置により実使用信頼
性を良好に評価していることが判る。例えば、試料a-
1、a-3では、試料a-３の方が半田リフロー加熱および熱
サイクル試験とも信頼性が低下しており、角度αを30度
で試験した試験No.１、３を比較すると、引張強度およ
び疲労特性ともに試験No.３の方が明らかに低い結果が
得られている。それに対し、本発明の評価法では、角度
αを5度で試験した試験No.１７．１８では、引張強度お
よび疲労特性を比較すると、試料a-1（試験No.１７）お
よびa-3（試験No.１８）で差が認められず、また角度α
を８5度で試験した試験No.１９，２０でも同様に、信頼
性の異なるはずの試料a-1（試験No.１９）およびa-3
（試験No.２０）で引張強度および疲労特性の差が認め
られなかった。さらに、角度αが１０〜４０度の範囲で
あるときは、引張試験および疲労試験ともに実験値の偏
差が小さく抑えることができているのに対し、試験No.4
（角度α＝70度）、試験No.7（角度α＝60度）では偏差
が大きくなることが確認された。こうしたことからも、
ウェッジ接合信頼性評価には、引張り方向と接合試料面
との角度αに適正な範囲があることが判る。
【００５７】同様に、Auワイヤの接続相手が違って、樹
脂基板にウェッジ接続した試験No.６〜８、シリコン基
板上にウェッジ接続する試験No.１１、１２、Auバンプ
上にウェッジ接続する試験No.１３，１４のいずれの場
合にも、ウェッジ接合信頼性評価装置により評価した引
張強度および疲労特性は、実使用信頼性の結果と相関が
みられる。また、Cuワイヤをウェッジ接続する試験No.
９、１０および、Alワイヤをウェッジ接続する試験No.
１５、１６の場合にも、こうした本発明に関する引張強
度および疲労特性は、実使用時のウェッジ接合信頼性を
評価できていることが確認された。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ボンディングワイヤのウェッジ接合部において、こ
れまで定量的評価が困難であった接合部信頼性および機
械的特性、疲労特性などを評価するための測定装置およ
び測定方法を提供することにより、狭ピッチ接続の向上
を図り、今後の半導体実装の高密度化、小型化を促進す
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置の概観を示す。
【図２】従来の試験法について、（ａ）2nd接合プル試
験、（ｂ）ピール試験を示している。
【図３】（ａ）樹脂封止された半導体装置の不良形態、
（ｂ）ピール試験の破断形態を示す。
【図４】本発明に係るウェッジ接合信頼性評価装置およ
び試験手順を示す。
【符号の説明】
１：電極膜 ２：ボール接合部 ３：ボンディング
ワイヤ ４：ウェッジ接合部（測定部位） ５：リ
ード端子 ６：固定テープ ７：タイバ部 ８：半導体チップ ９：プル試験フック １０：ワ
イヤ摘み冶具 １１：プル試験フックの引上げ方向
１２：メッキ部 １３：損傷 １４：封止樹脂
１５：ワイヤへの外力 １６：試料台 １７：角
度調節器 １８：駆動部 １９：ワイヤ固定部
２０：ワイヤ接着部 ２１：保持棒 ２２：荷重計測器 ２３：データ表示計 ２４：試
料移動方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 巽 宏平 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Ｆターム(参考） 2G055 AA05 AA08 AA13 BA14 CA01 CA02 CA06 FA01 2G061 AA01 AB05 CB18 EA01 EC04 5F044 JJ00

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体用ボンディングワイヤのウェッジ
    接合部に引張荷重を加える試験において、ボンディング
    ワイヤの一端を固定し、引張り方向と接合試料面との角
    度を１０〜８０度の範囲で一定角度に維持しながら、ボ
    ンディングワイヤを引張ることにより、ボンディングワ
    イヤの特性変化を測定することを特徴とするウェッジ接
    合部の強度評価法。
  2. 【請求項２】 半導体用ボンディングワイヤのウェッジ
    接合部に引張荷重を加える試験において、ボンディング
    ワイヤの一端を固定し、引張り方向と接合試料面との角
    度を１０〜８０度の範囲で一定角度に維持しながら、引
    張りと除荷を繰り返して、ボンディングワイヤの特性変
    化を測定することを特徴とするウェッジ接合部の疲労特
    性評価法。
  3. 【請求項３】 ウェッジ接合されたボンディングワイヤ
    を有する被測定試料を固定するための試料台および、前
    記試料台の角度を調整できる角度調節器と、前記試料台
    および角度調節器を備えた試料搭載部、該試料搭載部を
    移動するための駆動部、ボンディングワイヤを固定でき
    るワイヤ固定部および、該ワイヤ固定部に接続された荷
    重計、さらにデータ表示部からなることを特徴とするウ
    ェッジ接合部信頼性評価装置。
JP2000275807A 2000-09-12 2000-09-12 ウェッジ接合部信頼性評価装置および評価方法 Withdrawn JP2002093864A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4653166B2 (ja) * 2004-05-18 2011-03-16 デイジ プレシジョン インダストリーズ リミテッド 試験装置
CN111122356A (zh) * 2019-11-28 2020-05-08 浙江华电器材检测研究所有限公司 一种充电接口连接电缆拉力试验装置

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