JP2002353266A - ワイヤボンディング方法および装置 - Google Patents

ワイヤボンディング方法および装置

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JP2002353266A JP2001161742A JP2001161742A JP2002353266A JP 2002353266 A JP2002353266 A JP 2002353266A JP 2001161742 A JP2001161742 A JP 2001161742A JP 2001161742 A JP2001161742 A JP 2001161742A JP 2002353266 A JP2002353266 A JP 2002353266A
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wire bonding
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千博 荒木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合部の溶着性のばらつきにかかわらず常に
最適な最小時間で金属細線を半導体チップ上に接合でき
るワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装
置を提供する。 【解決手段】 金属細線１３を保持して半導体チップ１
０のボンディングパッド１２上に押付けるためのツール
２と、該ツール２に超音波振動を付与するための振動子
３と、該振動子３を振動させるための発振器４と、該発
振器４の出力制御を行う制御部９と、前記ツール２に押
付け力を付与するための加圧手段５とを有するワイヤボ
ンディング装置１において、前記金属細線１３とボンデ
ィングパッド１２との接合検出手段（超音波発振器４、
制御部９、出力フィードバック信号Ｃ）を備え、該接合
検出手段の検出結果に応じて前記制御部９が動作するよ
うに該接合検出手段と制御部９とを連結した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ上の
電極（ボンディングパッド）とチップ外部の電極パッド
とを金属細線で接続するワイヤボンディング方法および
ワイヤボンディング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置製造プロセスにおいて、リー
ドフレームあるいは基板上に搭載された半導体チップと
チップ外部のリードあるいは基板に形成された電極パッ
ドとをアルミニウムワイヤあるいは金ワイヤ等の金属細
線で接続するワイヤボンディング工程がある。このワイ
ヤボンディング工程において、ワイヤボンダー（ワイヤ
ボンディング装置）のボンディングツール部へ金属細線
を引き出してこれを半導体チップのボンディングパッド
上に圧接して溶着させる。超音波方式のワイヤボンダー
では、ツールに超音波振動を付与しながらこれをボンデ
ィングパッドに押付けて接合する。
【０００３】従来のワイヤボンダーにおいて半導体チッ
プ上に金属細線を接合する場合、予め接合時間を設定し
て、この接合時間中ツールに超音波および加圧力を付与
して金属細線をチップのボンディングパッド上に押付け
て圧着している。この接合時間は、接合部の溶着性のば
らつきを考慮してある程度余裕を見込んでばらつきの最
大時間をカバーするように設定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
各ボンディングパッドに対しツールを圧接して金属細線
を溶着した場合、個々のパッドでの溶着性のばらつきに
応じて接合完了時間が設定時間より短くなるため、溶着
しても接合動作が終了せず、接合完了後設定時間に達す
るまでの間、半導体チップに対し超音波振動および加圧
力が付与され続ける。このため、半導体チップに不要な
振動や押圧力が作用して割れや破壊および内部機能の劣
化の原因となっていた。
【０００５】特に、例えば電動車両等のモータやその他
のモータあるいは発電機等の回転機器における電力制御
ユニット等においては、配線距離を短くして抵抗を小さ
くし半導体素子性能を充分引出すため、および製造プロ
セスの効率化や実装の高密度化のために、半導体素子を
ベアチップの状態で基板上の電極パターンや回路パター
ン上に搭載している。このようなベアチップに対しボン
ディングする場合には、振動や加圧力の影響が大きくな
り、割れや劣化の問題がさらに大きくなる。
【０００６】本発明は上記従来技術を考慮したものであ
って、接合部の溶着性のばらつきにかかわらず常に最適
な最小時間で金属細線を半導体チップ上に接合できるワ
イヤボンディング方法および装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、超音波振動を付与しながら半導体チッ
プのボンディングパッド上に金属細線を加圧して溶着さ
せるワイヤボンディング方法において、前記金属細線の
接合状態を検出し、接合完了状態の検出に応じて超音波
振動および加圧を停止することを特徴とするワイヤボン
ディング方法を提供する。
【０００８】この構成によれば、金属細線の圧接開始時
点またはその付近から接合状態を検出し、その検出デー
タから接合部における接合前と接合後の状態変化を検出
し、接合が完了したことが判別されたら、金属細線に対
する超音波振動および加圧力の付与が停止される。これ
により、接合部の溶着性のばらつきにかかわらず、各接
合部ごとに、その接合部に応じた最適な最短時間で接合
動作を終了し、接合完了後の不必要な超音波や加圧力の
付与が停止される。このため、特に半導体チップに対す
る振動や加圧力の影響が大きくなる接合完了後の状態で
半導体チップに対する振動や押圧力が軽減され、半導体
チップの割れや破壊および内部機能の劣化が抑制され
る。
【０００９】好ましい構成例では、前記超音波振動を付
与する発振器からのフィードバック信号により前記接合
状態を検出することを特徴としている。
【００１０】この構成によれば、発振器からのフィード
バック信号をモニターすることにより、その信号波形か
ら接合完了状態が判別できるため、これに応じて超音波
および加圧力の付与を停止できる。
【００１１】さらに好ましい構成例では、前記フィード
バック信号の波形の急激な変化点を判別して前記接合完
了状態を検出することを特徴としている。
【００１２】この構成によれば、発振器からのフィード
バック信号の波形が、接合部の溶着により急激な立上り
等の波形変化が生じるようにツールをセットしておくこ
とにより、フィードバック信号から接合部の接合完了状
態を確実に検出できる。
【００１３】さらに本発明では、上記ワイヤボンディン
グ方法を実施するためのワイヤボンディング装置とし
て、金属細線を保持して半導体チップのボンディングパ
ッド上に押付けるためのツールと、該ツールに超音波振
動を付与するための振動子と、該振動子を振動させるた
めの発振器と、該発振器の出力制御を行う制御部と、前
記ツールに押付け力を付与するための加圧手段とを有す
るワイヤボンディング装置において、前記金属細線とボ
ンディングパッドとの接合検出手段を備え、該接合検出
手段の検出結果に応じて前記制御部が動作するように該
接合検出手段と制御部とを連結したことを特徴とするワ
イヤボンディング装置を提供する。
【００１４】この構成によれば、ツールを介して金属細
線をボンディングパッド上に押付けて溶着させる場合
に、接合完了により接合部が溶着したことを検出する接
合検出手段が備わるため、その検出結果により接合完了
を判別してこれに応じて制御部を介して発振器の動作を
停止させることができる。これにより前述のように、半
導体チップの割れや破壊および機能劣化が抑制される。
【００１５】好ましい構成例では、前記接合検出手段
は、前記発振器出力のフィードバック回路からなること
を特徴としている。
【００１６】この構成によれば、発振器の出力信号を制
御部にフィードバックする回路を構成し、このフィード
バック回路により、接合部の振動に要する負荷に応じた
接合状態を検出することができ、ここから接合完了を判
別することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係
るワイヤボンディング装置のブロック構成図である。
【００１８】このワイヤボンディング装置１は、ツール
２と、このツール２が一体的に固定された振動子３と、
この振動子３に超音波振動を付与する超音波発振器４
と、振動子３と一体のツール２に加圧力を付与する荷重
リニアモータ５と、ツール２をＺ軸方向（上下方向）に
駆動するＺ軸モータ６と、Ｚ軸モータ６によるツール２
のＺ軸方向の位置を検出するＺ軸エンコーダ７と、接合
時に加圧力が付与されたツール２の沈み込み量を検出す
る沈み込みセンサ８と、接合動作を制御する制御部９と
により構成される。ツール２の下方に半導体チップ１０
が実装された半導体基板１１がセットされる。半導体チ
ップ１０上に形成されたボンディングパッド１２にアル
ミニウムあるいは金等からなる金属細線（ワイヤ）１３
が接合される。
【００１９】金属細線１３は、ツール先端部により半導
体チップ１０のボンディングパッド１２上に押付けられ
て溶着する。ツール２は、ボンディングパッド１２上に
金属細線１３を接合した後、金属細線１３を引出しなが
ら基板１１に形成した電極（不図示）上に移動して金属
細線１３を接合し、その後金属細線１３を切断する。こ
れを繰返して半導体チップ１０の各電極（ボンディング
パッド１２）と基板側の電極が金属細線１３により接続
される。
【００２０】ボンディングパッド１２上にツール２を押
付けて金属細線１３を溶着させる場合、ＸＹ方向に位置
決めされたツール２をＺ軸モータ６の駆動で所定位置ま
で下降させ、荷重リニアモータ５により所定の加圧力を
付与する。加圧力はロードセル（不図示）によりモニタ
ーされ、制御部９のマイコンのメモリに格納されたプロ
グラムにしたがって制御される。
【００２１】制御部９は、予め設定されたプログラムに
したがって、超音波発振器４に駆動信号Ａを印加して駆
動し、この超音波発振器４の出力信号Ｂにより振動子３
を介してツール２に超音波振動が付与される。この振動
に要する負荷は接合部の溶着状態により変わる。超音波
発振器４の出力信号Ｂは、ツール２の先端の金属細線
（ワイヤ）１３の溶着状態に応じて変化するように制御
部９が超音波発振器４に対し駆動信号Ａを発信する。こ
の出力信号Ｂと同じ信号が出力監視用の出力モニター信
号Ｃとして制御部９に帰還される。この出力モニター信
号Ｃに基づいて超音波発振器４が駆動制御される。
【００２２】この出力モニター信号Ｃは、ボンディング
パッド１２上の接合部での金属細線１３の溶着状態に対
応しているため、この出力モニター信号Ｃをモニターす
ることにより、溶着が完了したことを検出することがで
きる。
【００２３】図２は、上記図１のワイヤボンディング装
置による半導体チップへのボンディング動作時の波形信
号の図である。（Ａ）（Ｂ）各図において、グラフａは
図１の沈み込みセンサ８によるツール２の沈み込み量を
示し、グラフｂは制御部９からのフィードバック信号に
よって出力される駆動信号（超音波出力信号）Ａを示
す。時間ｔ０で荷重リニアモータ５による加圧力が付与
され、沈み込み量ａの検出電圧が増加する。時間ｔ１で
超音波発振器４が駆動開始され超音波出力信号Ａが立上
る。この超音波出力信号Ａは、ワイヤ接合部の接合状態
に応じて徐々に増加する。時間ｔ２でワイヤ接合部が完
全に溶着した接合完了状態になる。この状態で（Ａ）の
グラフの場合には、超音波出力信号Ａが急激に変化して
立上り、その後ほぼ一定の出力電圧となる。このような
超音波出力信号波形の変化は、例えばツール２のセット
状態によって、大きく現れたりあるいは殆ど現れない場
合もある。
【００２４】（Ａ）に示すように、超音波出力の信号波
形に急激な変化点が現れるように、予めツールや振動子
等の取り付け状態その他の接合処理条件を調整しておく
ことができる。（Ｂ）のグラフの場合には、ワイヤ接合
部が溶着完了しても超音波出力波形には立上り変化は現
れていない。（Ａ）（Ｂ）いずれの場合にも、ワイヤ接
合部が溶着完了した時間ｔ２以降は超音波出力信号ｂは
ほぼ一定となって平坦な波形となる。ワイヤが溶着して
接合完了した後、時間ｔ３で超音波発振器４の駆動を停
止してツールへの超音波振動の付与を停止するとともに
荷重リニアモータの駆動を停止して加圧力の付与を停止
する。これにより、半導体チップのボンディングパッド
上でのボンディング動作が終了する。
【００２５】本発明では、時間ｔ２での溶着完了が検出
された時点で超音波振動および加圧力の付与を停止して
そのボンディングパッド上でのボンディング動作を終了
する。この場合、（Ａ）に示すように、超音波出力信号
波形に急激な変化点が現れるので、この変化点を検出し
たら直ちに、あるいは変化点後の平坦状態を確認する僅
かな時間後に、ボンディング動作を停止するように構成
することが望ましい。ただし、（Ｂ）に示すように、時
間ｔ２で立上り変化点が現れない場合であっても、時間
ｔ２以降は平坦波形となるため、この平坦状態を検出す
ることにより、接合部での溶着完了を判別してボンディ
ング動作を停止することも可能である。
【００２６】このように、接合部での溶着状態を検出し
て溶着完了が判別された時点で速やかに超音波振動およ
び加圧力の付与を停止することにより、個々のボンディ
ングパッド上での溶着性のばらつきにかかわらず、常に
各ワイヤ接合部に対応して溶着完了後に不必要な超音波
振動や加圧力を付与することなく最短時間でボンディン
グを終了することができる。
【００２７】上記実施形態では、接合部での溶着完了を
検出する手段として、超音波発振器からの出力電圧フィ
ードバック回路を用いてその信号波形検出に基づいて判
別したが、これに限らず、例えばレーザ光を接合部に照
射してその反射光を検出することにより接合状態変化を
判別することもできる。
【００２８】図３は本発明に係るワイヤボンディング方
法により製造される電動車両駆動用のモータ制御ユニッ
トを構成する回路基板の平面図である。本発明のワイヤ
ボンディング装置を用いたボンディングプロセスは、こ
の制御ユニットのダイオード及びＦＥＴをボンディング
するときに用いられる。
【００２９】アルミニウム基板４９上に銅による導体パ
ターン（不図示）が形成されその上にレジスト５０がコ
ーティングされる。このレジスト５０をパターニングす
ることによりモータ制御回路を構成するダイオード用の
ランドパターン５１およびＦＥＴ用のランドパターン５
２が形成される。アルミニウム基板４９上の３ヵ所に制
御回路の出力取出端子部５３ａ．５３ｂ，５３ｃが形成
され、それぞれ２本の出力端子取付け用の孔１４が形成
される。アルミニウム基板４９の４隅には後述のケース
本体に固定するための取付け孔１５が設けられる。基板
上にはさらに、駆動回路を構成するゲート抵抗１６が備
わる。
【００３０】図４（Ａ）（Ｂ）は、図３のアルミニウム
基板４９のチップ実装状態の平面図および正面図であ
る。ダイオード用の各ランドパターン５１にダイオード
１７が半田接合され、ＦＥＴ用の各ランドパターン５２
にＦＥＴ１８が半田接合される。各ダイオード１７は樹
脂１９でそれぞれ封止される。各ＦＥＴ１８は、コネク
タ２１とともに樹脂２０で封止される。このようなダイ
オード１７およびＦＥＴ１８を封止する樹脂材料として
は、一般に市販されている線膨張係数１５〜３０×10-6
／℃の液状封止材料を選択して用いることができる（例
えば銅に近似する線膨張係数１５×10 -6／℃やアルミニ
ウムに近似する線膨張係数２２×10-6／℃等の封止材料
が市販され容易に入手可能である）
【００３１】図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ図４
のアルミニウム基板４９を組込んだモータ制御ユニット
の平面透視図、正面透視図および側面図である。
【００３２】このモータ制御ユニット２２は、アルミニ
ウム基板４９等により構成された駆動制御回路をケース
本体２３内に収容したものである。このケース本体２３
は、アルミニウムまたはその合金からなる金属材料を押
出し成形により形成したものである。ケース本体２３
は、両端が開放した筒状体であり、外周面に複数の並列
するリブ２４が突出して形成される。このリブ２４によ
り、ケース本体２３の表面積が大きくなって放熱性が高
まるとともに、ケース本体２３の剛性や強度が高まる。
アルミニウム基板９上には、電解コンデンサ２５等の駆
動制御回路（図７参照）を構成する素子が搭載される。
２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、前述の出力端子取出し部５
３ａ，５３ｂ，５３ｃ（図３、図４参照）に接続する端
子取出板である。制御回路の各信号線は電気ケーブル３
０およびカプラ２７を介して車両側のスイッチその他の
駆動または制御部品に接続される。アルミニウム基板４
９の下面側には、前述の出力端子用の孔１４（図３、図
４参照）を挿通して設けた出力端子２８が突出する。こ
のようなアルミニウム基板４９およびこれに搭載された
電子部品はケース本体２３内に収容され樹脂（不図示）
により封止される。
【００３３】図６は、上記モータ制御ユニット２２の外
観構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、
（Ｃ）は側面図である。前述のように表面にリブ２４が
形成されたケース本体２３の一方の側面から端子取出板
２６ａ，２６ｂ，２６ｃおよびカプラ２７に接続する電
気ケーブル３０が取出される。ケース本体２９内は樹脂
２９で封止される。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、金属
細線の圧接開始時点またはその付近から接合状態を検出
し、その検出データから接合部における接合前と接合後
の状態変化を検出し、接合が完了したことが判別された
ら、金属細線に対する超音波振動および加圧力の付与が
停止される。これにより、接合部の溶着性のばらつきに
かかわらず、各接合部ごとに、その接合部に応じた最適
な最短時間で接合動作を終了し、接合完了後の不必要な
超音波や加圧力の付与が停止される。このため、特に半
導体チップに対する振動や加圧力の影響が大きくなる接
合完了後の状態で半導体チップに対する振動や押圧力が
軽減され、半導体チップの割れや破壊および内部機能の
劣化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係るワイヤボンディング
装置の構成図。
【図２】 図１のワイヤボンディング装置による信号波
形図。
【図３】 本発明が適用されるアルミニウム基板の平面
図。
【図４】 図３のアルミニウム基板のチップ実装状態の
平面図。
【図５】 図４のアルミニウム基板を組込んだ電動車両
のモータ制御ユニットの構成説明図。
【図６】 図５のモータ制御ユニットの外観構成説明
図。
【符号の説明】
１：ワイヤボンディング装置、２：ツール、３：振動
子、４：超音波発振器、５：荷重リニアモータ、６：Ｚ
軸モータ、７：Ｚ軸エンコーダ、８：沈み込みセンサ、
９：制御部、１０：半導体チップ、１１：基板、１２：
ボンディングパッド、１３：金属細線（ワイヤ）、１
４：出力端子取付け用の孔、１５：取付け孔、１６：ゲ
ート抵抗、１７：ダイオード、１８：ＦＥＴ、１９，２
０：樹脂、２１：コネクタ、２２：モータ制御ユニッ
ト、２３：ケース本体、２４：リブ、２５：電解コンデ
ンサ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ：端子取出板、２７：カ
プラ、２８：端子、２９：樹脂、３０：電気ケーブル、
４９：アルミニウム基板、５０：レジスト、５１：ダイ
オード用のランドパターン、５２：ＦＥＴ用のランドパ
ターン、５３ａ，５３ｂ，５３ｃ：出力取出端子部。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超音波振動を付与しながら半導体チップ上
    のボンディングパッドに金属細線を加圧して溶着させる
    ワイヤボンディング方法において、 前記金属細線の接合状態を検出し、接合完了状態の検出
    に応じて超音波振動および加圧を停止することを特徴と
    するワイヤボンディング方法。
  2. 【請求項２】前記超音波振動を付与する発振器からのフ
    ィードバック信号により前記接合状態を検出することを
    特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
  3. 【請求項３】前記フィードバック信号の波形の急激な変
    化点を判別して前記接合完了状態を検出することを特徴
    とする請求項２に記載のワイヤボンディング方法。
  4. 【請求項４】金属細線を保持して半導体チップのボンデ
    ィングパッド上に押付けるためのツールと、該ツールに
    超音波振動を付与するための振動子と、該振動子を振動
    させるための発振器と、該発振器の出力制御を行う制御
    部と、前記ツールに押付け力を付与するための加圧手段
    とを有するワイヤボンディング装置において、 前記金属細線とボンディングパッドとの接合検出手段を
    備え、該接合検出手段の検出結果に応じて前記制御部が
    動作するように該接合検出手段と制御部とを連結したこ
    とを特徴とするワイヤボンディング装置。
  5. 【請求項５】前記接合検出手段は、前記発振器出力のフ
    ィードバック回路からなることを特徴とする請求項４に
    記載のワイヤボンディング装置。
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