JP2003258042A - ワイヤボンディング方法 - Google Patents

ワイヤボンディング方法

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JP2003258042A
JP2003258042A JP2002057597A JP2002057597A JP2003258042A JP 2003258042 A JP2003258042 A JP 2003258042A JP 2002057597 A JP2002057597 A JP 2002057597A JP 2002057597 A JP2002057597 A JP 2002057597A JP 2003258042 A JP2003258042 A JP 2003258042A
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bonding
capillary
wire
ball
electrode pad
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Takaharu Amano
貴晴 天野
Koichi Mitarai
幸一 御手洗
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波振動式の接合時に発生するスクライズア
ウトなどの異物の発生と飛散を防止し、接合点の密着度
の良好なワイヤボンディング方法を提供する。 【解決手段】ボンディング位置の接合表面にボンディン
グ用のキャピラリ1を所定の圧力で接触させて、前記キ
ャピラリ1を所定の振幅で振動させ、電極パッド５の表
面に金属ワイヤ２を押圧する第１工程と、その後に前記
キャピラリ1を前記第１の工程とは異なる振幅で振動さ
せ、及び又は前記第１の工程とは異なる圧力で前記電極
パッド５に金属ワイヤ２を押圧する第２工程とを有し、
前記第２工程において、電極パッド５に印加される圧力
を前記第１工程における圧力より大きく、その振動振幅
を前記第１工程における振動振幅より小さくして行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において半導体チップの電極パッドとリードフレー
ムのインナーリードとを金属ワイヤで接続するワイヤボ
ンディング方法に関し、特に超音波による金属の塑性変
形効果によって接合する、超音波ボンディング方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般的な半導体製造プロセスにおいて、
電極パッドとボンディングワイヤーとのボンディング表
面電極パッドのボンディング表面、あるいはインナーリ
ード部とボンディングワイヤーとのボンディング表面電
極パッドのボンディング表面には、プロセスの過程にお
いて有機物が付着したり、酸化物が形成される。一方、
最近の高集積化に対応した多層リードフレームを使用し
た半導体製造装置では、多層リードフレームの製造上、
接着剤等の有機材料からの低分子成分等の微量な有機物
の電極パッドあるいはインナーリード部への付着や、大
気などからの酸素による電極パッド表面あるいはインナ
ーリード部表面への表面酸化膜の形成が避けられない上
に、半導体チップ上のボンディングパッド面積が小さく
なっていくことが避けられない。前記有機物が付着した
り酸化物が形成されてしまうと、ワイヤーボンド接続時
に、ボンディング表面とボンディングワイヤーとの接合
面における電極パッドあるいはインナーリード部とボン
ディングワイヤーとの合金形成が阻害される結果、ボン
ディング強度が低下し、ボンディング歩留まりが低下し
てしまうという問題点があった。
【０００３】係る問題点を解決するためにボンディング
用のツールとは全く異なるボンディング表面残渣除去の
ためのツールを用いて突起部を所定の圧力で押し付け
て、接触させた状態ですり合わせるスクラブ動作を予め
行って当該接合表面上の異物を除去するボンディング表
面残渣除去工程を有する装置もあるが、装置が高価であ
ると共に、ボンディング表面残渣除去工程が必要な為
に、ボンディング時間が長くなる。
【０００４】一方、近年のボンディング方法には超音波
振動式と呼ばれる接合方法がある。該超音波を用いる接
合方法では針状に形成された細径のキャピラリを用い、
このキャピラリを超音波発振源から導出された超音波ホ
ーンの先端に保持することで、上記キャピラリに超音波
振動を伝達するようにしている。前記の超音波振動式の
接合方法では、前記スクラブ動作をボンディングの際に
行なう。係る方法では超音波振動を印加する際にボンデ
ィング位置接合表面と金属ワイヤが接触して擦れ合い、
その結果スクイズアウトと呼ばれる鉋屑状のチリが発生
する。その結果、前記スクイズアウトなどの異物が飛散
して半導体に付着した場合、半導体の動作不良などが発
生し、信頼性を著しく低減させるいう問題点があった。
【０００５】又、ボンディング位置にこの異物が不純物
として混入した場合、このような不純物が混入した状態
でワイヤーボンド接続を行ってしまうと、ボンディング
表面とボンディングワイヤーとの接合面における電極パ
ッドあるいはインナーリード部とボンディングワイヤー
との合金形成が阻害される結果、ボンディング強度が低
下し、ボンディング歩留まりが低下してしまうという問
題点もあった。
【０００６】又、上記キャピラリは、上述したように超
音波ホーンを介して支持されいるので、この超音波ホー
ンに撓み等が生じることにより面検出に時間的な遅れが
生じるということがある。また、接合を高速で行おうと
すると、第１のボンディング点と第２のボンディング点
との間に形成されるワイヤが最適なループ形状にならな
いということがある。すなわち、ループ形状の成形は、
上記キャピラリからワイヤを繰り出しつつ行うので、こ
のキャピラリ内における上記ワイヤの挿通抵抗が問題と
なる。
【０００７】更に又、上述した接合を繰り返すと、上記
スクイズアウトやワイヤの「かす」等によってキャピラ
リの内部が汚れ、これが挿通抵抗の増大につながるとい
うことがある。すなわち、このような「かす」がキャピ
ラリ内に付着している状態で、上記キャピラリを高速駆
動しようとすると、上記ワイヤがキャピラリ内でひっか
かり、適当なループ形状が得られなかったりワイヤが切
れたりするということがある。このため、ループ形状を
良好にするために第１のボンディング点から第２のボン
ディング点までのキャピラリの移動を高速で行うことに
は限界があり、その分ワイヤボンディングに時間がかか
っているということがある。
【０００８】前記問題点を解決する前記超音波振動式の
ボンディング方法として、特開平８−１８１１７５号公
報に開示されている「ワイヤボンディング方法」があ
る。係る発明は、キャピラリ内にワイヤを挿通し、該キ
ャピラリの押圧面で上記ワイヤを第１のボンディング点
と第２のボンディング点とに順に押し付け接合する際、
上記第１のボンディング点に対するワイヤの押し付け前
から上記キャピラリに超音波振動を与え、少なくとも第
２のボンディング点に対するワイヤの接合が終了するま
で上記ワイヤに超音波振動を印加し続けるボンディング
方法である。即ち、前記発明は、挿通抵抗の増大を防止
してボンディング速度の向上と、第１のボンディング点
と第２のボンディング点とのワイヤのループ形状を良好
にすることを目的としてなされた発明である。発明の問
題点の理解を容易にするために、その動作を図５、図６
及び図７を用いて以下に説明する。
【０００９】図５は、従来のボンディング装置の説明図
である。半導体チップ４の表面に形成されている電極パ
ッド５及びインナーリード部６の各々にキャピラリ１を
接触させワイヤボンディングを行なう装置である。キャ
ピラリ１の先端からクランパ７を介して金属ワイヤ２を
突出させ、該金属ワイヤ２の先端部に球状のボールを形
成し、第１ボンディングである電極パッド５への接続と
第２ボンディングであるインナーリード部６への接続を
行なう。
【００１０】図６はキャピラリ１の動作を説明する図で
あって、図６（ａ）は、前記キャピラリ１の上下方向の
動作を時間との関係で示すものである。キャピラリ１
は、図６（ａ）に示すように、上記電極パッド５の直上
約０．２〜０．３ｍｍの高さ（点Ａで示す）まで高速で
下降駆動され、それ以後は速度を落として等速で下降駆
動される。一方、図６（ｂ）は、キャピラリ１に振動を
与える、図示していない超音波振動子に対する電圧印加
のゲイン切替により発生する超音波振動の振幅を示す図
であり、図６（ｃ）は、前記ゲイン切替を示す図であ
る。この超音波振動の振幅は、前記超音波振動子に設け
られた図示しないセンサあるいはこの超音波振動子に接
続された図示しない超音波発振器に設けられた図示しな
いセンサにより検出するようにする。
【００１１】前記図６（ｂ）および（ｃ）に示すよう
に、上記キャピラリ１が点Ａに達したならば、第１のゲ
インＧ１（超音波振動がない状態）が第２のゲインＧ２
に切替えられ、ボール８は、半導体チップ４の電極パッ
ド５に押し付けられる前から超音波域で振幅ＡＶ９で振
動することとなる。図６（ａ）に示す点Ｂの高さでボー
ル８と半導体チップ４の電極パッド５とが当接される。
この点Ｂ以後、上記ボール８は電極パッド５への押し付
けを開始され、当接した部位から接合されていく。ボー
ル８が電極パッド５に押し付けられ、接合が開始される
と、図６（ｂ）に示すように上記超音波振動の振幅（波
形）が振幅ＡＶ９から振幅ＡＶ１０に減少する。そし
て、図示しない制御部は、この信号に基づいて、図６
（ｃ）に示すように第２のゲイン切替を行い、第２のゲ
インＧ２は第３のゲインＧ３に切替えられ超音波振動の
出力を上げる。
【００１２】超音波による接合を開始した後、上記キャ
ピラリ１は若干量ではあるが、下降を続け（図６（ａ）
Ｂ〜Ｃ間で示す部位）上記ボール８が押し潰されて行
く。なお、ボール８は、押し潰されることによって、上
記電極パッド５との接触面積を次第に広げていく。前記
図６（ａ）Ｂ〜Ｃ間で示す間、キャピラリ１の圧力とボ
ール８からの反発力によりボール８には圧力Ｐ１が加わ
り、またこの間では図６（ｂ）に示すように点Ｂでゲイ
ンを第３のゲインＧ３に切替えてもその振幅ＡＶ１０は
小さい。ボール８が押し潰されたならば（図６（ａ）に
示す点Ｃに相当）上記キャピラリ１の下降は停止し、図
にＣ〜Ｄ間に示すように高さ一定の状態で保持される。
この間も、上記キャピラリ１は上記ボール８に超音波振
動を印加しつづけ、このボール８と電極パッド５との接
合を行う。
【００１３】点Ｂでゲインを第３のゲインＧ３に切替え
た効果が点Ｃになると現れて、振幅ＡＶ１０が増加して
振幅ＡＶ１１になる。そしてボール８に圧力Ｐ１を加え
てから一定時間が経過し、上記ボール８と電極パッド５
とが完全に接合されたならば、上記キャピラリ１は上昇
駆動される（点Ｄに相当）。キャピラリ１が上昇駆動さ
れたならば、ボール８に印加される圧力が低下して上記
超音波振動子を駆動する図示しない超音波発振器の負荷
が軽減し、超音波振動の振幅（波形）は更に増加して振
幅ＡＶ１２になるから、これに基づいて上記超音波振動
子に印加する第３のゲイン切替がなされ、第２のゲイン
Ｇ２の大きさに戻される。以上の如く、ボール８が電極
パッド５に押し付けられ、接合が開始されると、図６
（ａ）Ｂ〜Ｃ間で示す間、キャピラリ１の振動振幅は振
幅ＡＶ１０に減少する。また、キャピラリ１の下降が停
止している図６（ａ）Ｃ〜Ｄ間ではキャピラリ１の振動
振幅はＡＶ１１に増加する。
【００１４】図７は、前述のワイヤボンディング方法に
おける接合部の接合状態を説明する図であって、図７
（ａ）は前記ボール８が電極パッド５に圧着された時の
圧着方向の断面図、図７（ｂ）と図７（ｃ）は、ボール
８と電極パッド５の接合点における、ボール８への圧力
方向と接合面方向の圧力分布を、それぞれ説明する図で
ある。
【００１５】半導体素子４には電極パッド５が形成され
ていて、該電極パッド５にはその先端がボール状になっ
ている金属ワイヤ２がキャピラリ１により前記ボール８
が所定の圧力で図７（ａ）の如く圧着される。その結
果、キャピラリ１の形状により、前記ボール８に印加さ
れる圧力が異なる箇所が図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す
ように発生する。即ち、キャピラリ１の先端の形状によ
りボール８と電極パッド５の接合点における圧力は、キ
ャピラリ１の先端により圧着される中心から外れた部分
８ｂが最も圧力が高く、その周辺部分８ａと中心部分８
ｃは圧力が低くなる。その結果、中心から外れた部分８
ｂと、周辺部分８ａ及び中心部分８ｃとの密着力は異な
り、周辺部分８ａ及び中心部分８ｃは、密着力が中心か
ら外れた部分８ｂよりも低くなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】前述の特開平８−１８
１１７５号公報に開示されている「ワイヤボンディング
方法」では、図７に示したように、ボール８と電極パッ
ド５の接合点では、キャピラリ１の真下になる箇所での
接合状態がよく、ボール８と電極パッド５との密着力が
強い。しかし、それ以外の周辺８ａと中心８ｃではキャ
ピラリ１からの圧力が小さく接合状態が悪い。この結
果、ボール８の外周部８ａと中心部８ｃとでは、ボール
８と電極パッド５との密着力が弱い。
【００１７】一方、前記ボール８と電極パッド５の接合
点においては、半導体素子４や電極パッド５の温度変化
などにより応力が発生する。その応力は前記ボール８の
外周部８ａに集中する。かかる応力の発生によりボール
８と電極パッド５との密着力が強いキャピラリ１の真下
になる箇所８ｂにクラックが発生すると、ボール８全体
の密着力は急激に減少して、半導体素子４の動作の信頼
性が著しく低下する問題点がある。また、ボール８が電
極パッド５に押し付けられ、接合が開始されると、図６
（ａ）Ｂ〜Ｃ間で示す間、振幅ＡＶ１０に減少する。そ
して、キャピラリ１の下降が停止している図６（ａ）Ｃ
〜Ｄ間では振幅はＡＶ１１に増加する。その結果、ボン
ディング速度の向上と、第１のボンディング点と第２の
ボンディング点とのワイヤのループ形状を良好にするこ
とはできるが、図６（ａ）Ｂ〜Ｃ間で示す間、ボンディ
ング位置接合表面と金属ワイヤが接触して擦れ合って発
生する、スクイズアウトと呼ばれる鉋屑状のチリの発生
防止はできない。
【００１８】更にまた、図６（ａ）Ｃ〜Ｄ間での振幅は
ＡＶ１１に増加し、前記スクイズアウトなどの異物がキ
ャピラリの振動振幅の増加により飛散して半導体に付着
して、半導体の動作不良などが発生し、信頼性を著しく
低減させるいう問題点があった。更に、図６（ａ）Ｂ〜
Ｃ間で示す間はキャピラリの振動振幅は振幅ＡＶ１０に
減少しているので、接合表面と金属ワイヤとの密着力が
強い接合面が小さく、その小さい接合面の周辺に前記ス
クイズアウトなどの異物が発生してい、図６（ａ）Ｃ〜
Ｄ間では、前記接合表面と金属ワイヤとの密着力の強い
接合面が小さいまま、金属ワイヤを接合してしまう問題
点があった。
【００１９】前記問題点が残されているのは、ボンディ
ング工程において、挿通抵抗の増大を防止してボンディ
ング速度の向上と、第１のボンディング点と第２のボン
ディング点とのワイヤのループ形状を良好にするため
に、ワイヤに超音波振動を印加し続け、その振動振幅の
出力のみを調整し、ボンディング時の圧力を考慮してい
ないボンディング方法に起因するものである。
【００２０】本発明は、係る問題を解決して超音波振動
式の接合時に発生するスクイズアウトなどの異物の発生
を抑制すると共に、発生した前記異物の飛散を防止し、
接合点の密着度の良好なワイヤボンディング方法を提供
し、合わせてこの方法により製造された半導体の信頼性
を向上することを目的としてなされたものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本願発明は、上記目的を
達成するために、ボンディング工程に金属ワイヤの圧力
と振動振幅とをそれぞれ制御する工程を設けたワイヤボ
ンディング方法である。更に詳しくは、請求項１に記載
されたワイヤボンディング方法では、半導体チップの電
極パッドと前記半導体チップを載置するリードフレーム
のインナーリード部とを金属ワイヤを用いて接続するワ
イヤボンディング方法において、ボンディング位置の接
合表面にボンディング用のツールを所定の圧力で接触さ
せて金属ワイヤを所定の振幅で振動させて金属ワイヤを
押圧する第１工程と、該第１工程の後に前記第１の工程
より大きい圧力で前記金属ワイヤを押圧する第２工程と
を有することを特徴とする。
【００２２】又、請求項２に記載された発明は、請求項
１に記載のワイヤボンディング方法において、前記第２
工程における金属ワイヤの振動振幅を、前記第１工程に
おける金属ワイヤの振動振幅より小さくすることを特徴
とする。
【００２３】さらに、請求項３に記載された発明は、請
求項１に記載のワイヤボンディング方法において、前記
金属ワイヤの振動振幅の変化は、超音波振動子駆動装置
により前記超音波振動子に印加する印加電圧を切り替え
てボンディング用のツールを振動することを特徴とす
る。
【００２４】本発明のワイヤボンディング方法によれ
ば、ボンディング用のツール（キャピラリ）の圧力と振
動振幅とを変更する第１工程と第２工程とを設けたこと
により、従来問題であったボール８と電極パッド５との
密着力が強い箇所を、前記キャピラリ１の真下になる箇
所８ｂからボール８の中心部８ｃにすることができる。
また、前記キャピラリ１の振動、又は所定の圧力で押圧
されたボール８の振動によって発生するスクイズアウト
の抑制ができる。そして、前記第２工程において、接合
表面に印加される圧力は前記第１工程における圧力より
大きく、好ましくは更にその振動振幅は前記第１工程に
おける振動振幅より小さくする。これにより、前記第１
工程で発生したスクイズアウトを第２工程によりボール
８の外周部８ａで押さえ込む。その結果、従来問題であ
ったスクイズアウトなどの異物が飛散して半導体に付着
した場合、半導体の動作不良などが発生し、信頼性を著
しく低減させるいう問題点をなくすことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明のワイヤボンディン
グ方法の一実施例について図面を参照して説明する。図
１は、ワイヤボンディング方法の工程を示す概略工程図
であって、その工程は、図１の符号乃至に示す順序
である。図２は、図１の工程及びにおけるボンディ
ング点における接合状態を拡大して示す図であって、図
２（ａ）、図２（ｂ）は、それぞれ図１の工程及び工
程に対応した図である。図３は接合部の接合状態を説
明する図であって、図３（ａ）は前記ボール８が電極パ
ッド５に圧着された時の圧着方向の断面図、図３（ｂ）
はボール８と電極パッド５の接合点に置ける断面図、図
３（ｃ）は図３（ａ）でのボール８の圧力分布を説明す
る図である。
【００２６】図４はキャピラリ１の加圧制御および超音
波振動の振幅制御を示す図であって、図４（ａ）、図４
（ｂ）、図４（ｃ）は、それぞれ加圧制御と振幅制御及
びキャピラリ１の位置を示す図であって、図４（ａ）
は、超音波振動子駆動装置内に設けられた図示しない超
音波振動子に印加する加圧制御における圧力の切替を示
す図である。また、図４（ｂ）は、振幅制御における超
音波振動の振幅を示すグラフであり、図４（ｃ）は、こ
のキャピラリ１の上下方向の動作ｔ時間との関係で示す
図である。上記キャピラリ１は、この図４（ｃ）に示す
ように、上記半導体チップ４の電極パッドの直上点Ａま
で下降駆動され、それ以後は速度を落として下降駆動さ
れる。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、
それぞれ時間軸上で同一時刻には同一符号を付してあ
り、また図４（ｂ）の超音波振動周波数は、通常のワイ
ヤボンディング装置に用いられる超音波周波数である。
【００２７】前記各図において、図５と同一部分につい
ては同一符号を付して説明する。まず、工程の図（図
１）を参照し、ワイヤボンディング装置の構成について
簡単に説明する。工程の図（図１）において、ワイヤ
ボンディング動作を行うキャピラリ１は、先端が細径に
形成されてなる針状をなし、内部には金属ワイヤ（例え
ば金ワイヤ）２が挿通される挿通孔１ａが上下方向全長
に亘って形成されている。前記キャピラリ１は、図示し
ていない周知の超音波ホーンの先端に軸線を略垂直にし
た状態で保持されている。そして、前記超音波ホーンの
他端側は、図示していない周知の超音波振動子駆動装置
に接続されており、超音波振動子に印加する印加電圧が
切り替えられることによりその振動振幅が変化される。
したがって、前記超音波振動子に電圧を印加し、超音波
振動を発振させることで、上記超音波ホーンを介して、
上記キャピラリ１に超音波振動が伝達され、その内部に
挿通されている金属ワイヤ２が振動されるようになって
いる。また、前記超音波振動子駆動装置は図示していな
い回動軸（水平軸）によって揺動自在に設けられてお
り、該回胴軸が揺動することで、上記キャピラリ１を上
下させることができるように構成されている。
【００２８】なお、前記回動軸は図示しないモータに連
結され、前記モータが作動することで、上記キャピラリ
１は所定の速度、加速度、圧力で上下駆動されるように
なっている。さらに、上記キャピラリ１は図示していな
いＸＹテーブルが作動することにより水平方向にも駆動
位置決めができるようになっている。前記キャピラリ１
の横には電気トーチ９が設けられていて、該電気トーチ
９は放電により上記金属ワイヤ２を加熱し、後述するよ
うにして上記金属ワイヤ２の先端部を溶融させて、そこ
にボール状のボール８が形成される。一方、プリント基
板１０は、図示していない上面は略平坦に形成されてい
る周知のボンディングステージに保持固定されている。
なお、前記ボンディングステージ内には、図示しないヒ
ータが埋設されており、ボンディングを行う際には、所
定の温度に昇温制御されるようになっている。前記プリ
ント基板１０上には半導体チップ４が周知のダイボンデ
ィングにより搭載されている。また、上記プリント基板
１０の上面と上記半導体チップ４の上面には、それぞれ
電極パッド１１、電極パッド５が形成されている。
【００２９】このワイヤボンディング装置は、上記キャ
ピラリ１を、順次上記半導体チップ４の電極パッド５
（第１のボンディング点）とプリント基板１０の電極パ
ッド１１（第２のボンディング点）とに対向させ、これ
らの間を、上記金属ワイヤ２を用いて接続するものであ
る。なお、接続に用いられる金属ワイヤ２は、上記キャ
ピラリ１の上方に設けられた図示しないワイヤスプール
から導出され、上記キャピラリ１の挿通孔１ａに上下方
向に挿通された後、先端部が上記キャピラリ１の下端面
から所定寸法だけ露出されていて、前述のように電気ト
ーチ９により、金属ワイヤ２の先端部に球状のボール８
が形成されている。また、上記キャピラリ１の上方に
は、該キャピラリ１と共に上下するワイヤクランパ７が
設けられている。該ワイヤクランパ７は、必要に応じて
作動し、前記金属ワイヤ２を保持または開放するように
なっている。
【００３０】次に、このキャピラリ１および金属ワイヤ
２を用いたワイヤボンディングの工程について、図１、
図２、図３及び図４を参照して説明する。まず、前記キ
ャピラリ１は、図示していないＸＹテーブルが作動する
ことで半導体チップ４における所定の電極パッド５（第
１のボンディング点）の上方に対向位置決めされる。つ
いで、電気トーチ９が作動し、放電による加熱により上
記金属ワイヤ２の先端部を溶融させ、この金属ワイヤ２
の先端部に球状のボール８を形成する。ボール８が形成
されたならば、上記キャピラリ１は所定量だけ下降駆動
され、図１の工程に示すように、上記ボール８を上記
キャピラリ１の下端に保持する。上記キャピラリ１は、
これ以後、以下に説明するように駆動されワイヤボンデ
ィング動作を行う。
【００３１】前記図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すよ
うに、キャピラリ１が点Ｂ（時刻ｔｂ）に達したなら
ば、キャピラリ１は超音波振動を開始する。このこと
で、上記キャピラリ１の下端に保持されたボール８は、
上記半導体チップ４の電極パッド５の押し付けられる前
から超音波域で振動することとなる。なお、前記キャピ
ラリ１の超音波振動の開始は、前記以外に、点Ａ（時刻
ｔａ）に達した時から予め開始してもよい。このキャピ
ラリ１は、点Ａ以後、緩やかに下降し、図４（ｃ）に示
す点Ｂで上記ボール８を上記半導体チップ４の電極パッ
ド５に当接させる。図１の工程に示すのが、このとき
の状態である。
【００３２】上記キャピラリ１は、この点Ｂ以後、ボー
ル８が図４（ａ）に示す圧力Ｐ１、及び図４（ｂ）に示
すキャピラリ１の振動振幅ＡＶ１で電極パッド５への押
し付けを開始する。その結果、図４（ｃ）時刻ｔｂ〜時
刻ｔ１で示す間ボール８が押し潰され、超音波による接
合を開始した後、上記キャピラリ１は若干量ではある
が、点Ｂから点Ｃまで下降する。そして、キャピラリ１
は、点Ｃの時刻ｔ１から時刻ｔ２まで圧力Ｐ１、振動振
幅ＡＶ１でボール８を電極パッド５に押圧する。この結
果、上記超音波振動により、ボール８は電極パッド５に
当接した中心の部位から接合されていく。
【００３３】図２（ａ）は、前記図１の工程（第１の
工程）におけるボンディング点における接合状態を拡大
して示す図である。図示するように、図４（ｃ）の時刻
ｔｂからｔ１で示す間、ボンディング位置接合表面と金
属ワイヤ２が接触して擦れ合ってスクイズアウト１２が
前記ボール８の周辺に発生する場合がある。上記ボール
８が電極パッド５に押し付けられ、接合が開始され、所
定時間の間（時刻ｔｂからｔ１で示す間、）小さい圧力
Ｐ１と大きな振動振幅ＡＶ１でボール８を電極パッド５
に押圧する。圧力Ｐ１が小さい結果、ボンディング位置
の接合面の接触面積が小さく、従ってボンディング位置
接合表面の傷が少なく、スクイズアウト１２の発生が少
ない。また、振動振幅ＡＶ１が大きい結果、ボンディン
グ位置接合表面と金属ワイヤ２が超音波振動により広範
囲のスクラブ動作が行なわれ、ボンディング表面とボン
ディングワイヤーとの接合面の異物を広範囲に除去でき
る。
【００３４】上記キャピラリ１は、点Ｄの時刻ｔ２から
時刻ｔ３まで圧力Ｐ２、振動振幅ＡＶ２でボール８を電
極パッド５に押圧する。前記図１の工程（第２の工
程）に示すのが、このときの状態である。なお、前記図
１の工程で示した圧力Ｐ２と振動振幅ＡＶ２と、前記
図１の工程で示した圧力Ｐ１と振動振幅ＡＶ１とは、
それぞれＰ２＞Ｐ１、ＡＶ２＜ＡＶ１の関係がある。圧
力Ｐ２が圧力Ｐ１に比べて大きい結果、図４（ｃ）時刻
ｔ２〜時刻ｔｃで示すボール８が押し潰される間、上記
キャピラリ１は若干量ではあるが、点Ｄから点Ｅまで下
降する。そして、キャピラリ１は、点Ｄの時刻ｔ２から
時刻ｔ３まで圧力Ｐ２、振動振幅ＡＶ２でボール８を電
極パッド５に押圧する。この結果、上記超音波振動によ
り、ボール８は電極パッド５に当接した周辺の部位まで
接合されていく。
【００３５】図４（ｃ）の時刻ｔ２からｔ３で示す間、
ボンディング位置接合表面と金属ワイヤ２が接触して、
圧力Ｐ２により上記電極パッド５との接触面積を次第に
広げていく。このように圧力が前記図１の工程で示し
た圧力Ｐ１より増加することにより、ボール８、電極パ
ッド５に接触した部位（中央部）から周辺部に向かって
順に上記超音波エネルギによってこの電極パッド５に接
合されていく。
【００３６】図３は、前記図１の工程（第２の工程）
での接合部の接合状態を説明する図である。図３（ａ）
は前記ボール８が電極パッド５に最終的に圧力Ｐ２で圧
着された時の圧着方向の断面図である。図３（ｂ）は、
図３（ａ）のボール８と電極パッド５の接合点における
断面における圧力分布を、図３（ｃ）は圧着方向のボー
ル８の圧力分布を、それぞれ説明する図である。
【００３７】図３に示すように、ボール８と電極パッド
５の接合面において、ボール８は中心点部分８ｃの密着
力は第１の工程で大きな振動振幅ＡＶ１により表面に付
着した有機物、酸化物が取り除かれ、第２の工程での大
きな圧力Ｐ２で押圧される結果、密着力が高く、その周
辺８ａ、８ｂでの密着力は前記スクイズアウト１２を押
さえ込むために前記中心点部分８ｃの密着力より低くな
る。前述のように、第１の工程での圧力Ｐ１より大きい
第２の工程での圧力Ｐ２によりボール８が押し潰される
ことによって、前記第１の工程で発生した僅かなスクイ
ズアウト１２が図２（ｂ）に示すようにボール８の下部
周辺に押さえ込まれ、発生したスクイズアウト１２の周
囲への飛散が防止される。その結果、異物の除去工程及
び除去ツールを必要としない。
【００３８】また、前記図１の工程における振動振幅
ＡＶ２は工程における振動振幅ＡＶ１よりも小さいこ
とから、たまたまボール８の下部周辺に押さえ込まれな
かったスクイズアウト１２の飛散も少なくて済む。更
に、振幅が減少することによって工程で圧着された接
合面が過大な振幅で振動されることがなくなり、既に密
着された中心部における密着度を低下することもない。
また、前記図１の工程における圧力Ｐ２は工程にお
ける圧力Ｐ１よりも大きいことから、中心における接合
面の密着度は、より強固になる。そして一定時間が経過
し、上記ボール８完全に接合されたならば、第２の工程
を終了し、上記キャピラリ１は超音波振動が停止され時
刻ｔ３から上昇駆動される。なお、前記キャピラリ１の
超音波振動の停止は、キャピラリ１が上昇駆動された後
に停止するようにしてもよい。
【００３９】上記キャピラリ１は図１の工程から図１
の工程に示すように、上記金属ワイヤ２を繰り出しつ
つ上昇駆動されると共に水平方向に駆動され、第２のボ
ンディング点であるプリント基板１０の電極パッド１１
上に対向位置決めされる。そして、上記キャピラリ１は
再び下降駆動され、上述した第１のボンディング点に対
する動作と同様の動作により、上記金属ワイヤ２を上記
プリント基板１０の電極パッド１１に押し付け、超音波
振動を印加することで接合を行っていく。この場合は、
上記第１のボンディング点の場合と異なり、金属ワイヤ
２自体を押し潰すことで、この金属ワイヤ２を接合す
る。この場合も、上記ワイヤ２の一部が上記電極パッド
１０に接触した時点から接合が開始され、図４（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示すように圧力と振動振幅とを切り替
える第１工程、第２工程を有するようにしても良く、ま
たは、前記第１工程、又は第２工程のみであってもよ
い。
【００４０】図１の工程の後に、工程において、上
記ワイヤクランパ７を作動させ上記金属ワイヤ２を保持
した後、キャピラリ１およびワイヤクランパ７を上昇さ
せることで前記金属ワイヤ２を上方に引上げる。このこ
とで図１の工程に示すように、金属ワイヤ２は、接合
された部位の直上で切断される。金属ワイヤ２が最初に
キャピリ１に通された時以降、図１の工程の後に、工
程で述べたのと同様にして、工程では、電気トーチ
９が作動し、放電による加熱により上記金属ワイヤ２の
先端部を溶融させ、この金属ワイヤ２の先端部に球状の
ボール８を形成する。そして、新たなボール８が形成さ
れたならば図１の工程に戻り、他の接合部の接合が同
様にしてなされる。なお、かかる場合、図１の工程で
のボールの形成工程は省略する。
【００４１】
【発明の効果】以上述べたように、この発明は、ボンデ
ィング工程に金属ワイヤの圧力と振動振幅をそれぞれ制
御する工程を設けたワイヤボンディング方法である。即
ち、半導体チップの電極パッドと前記半導体チップを載
置するリードフレームのインナーリード部とを金属ワイ
ヤを用いて接続するワイヤボンディング方法において、
ボンディング位置の接合表面にボンディング用のツール
を所定の圧力で接触させて金属ワイヤを所定の振幅で振
動させて金属ワイヤを押圧する第１工程と、該第１工程
の後に前記第１の工程より大きい圧力で前記金属ワイヤ
を押圧する第２工程とを有することを特徴とする。
【００４２】このように圧力を変化する２つの工程を設
けて、圧力Ｐ１より大きい圧力Ｐ２によりボール８が押
し潰されることによって、第１の工程で発生した僅かな
スクイズアウト１２がボール８の下部周辺に押さえ込ま
れ、発生したスクイズアウト１２の周囲への飛散が防止
され、半導体素子の信頼性を向上する効果がある。ま
た、その結果、異物の除去工程及び除去ツールを必要と
せず、装置の低価格化に寄与する効果もある。
【００４３】また、前記第２の工程における振動振幅Ａ
Ｖ２は、前記第１の工程における振動振幅ＡＶ１よりも
小さいことから、たまたまボール８の下部周辺に押さえ
込まれなかったスクイズアウト１２の飛散も少なくて済
み、半導体素子の信頼性を向上する効果がある。
【００４４】更に、前記第１の工程における振動振幅Ａ
Ｖ１よりも第２の工程における振動振幅ＡＶ２が減少す
ることによって前記第１の工程で圧着された接合面が過
大な振幅で振動されることがなくなり、既に密着された
中心部における密着度を低下することもなく、同様にし
て半導体素子の信頼性を向上する効果を有する。更にま
た、前記第２の工程における圧力Ｐ２は前記第１の工程
における圧力Ｐ１よりも大きいことから、中心における
接合面の密着度は、より強固になる効果がある。
【００４５】又、振動振幅の変化は、超音波振動子駆動
装置により該超音波振動子に印加する印加電圧を切り替
えて行なうことにより簡単にボンディング工程の制御が
できる。以上述べたように、本発明では、従来の超音波
振動式のボンディング方法では得られなかった、超音波
振動式の接合時に発生するスクイズアウトなどの異物の
発生を抑制、発生した前記異物の飛散を防止、接合点の
密着度の向上が可能になり、この方法により製造された
半導体の信頼性を向上できると共に、合わせて装置の低
減化を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤボンディング方法の工程を示す概略工程
図であって、その工程は、符号乃至に示す順序であ
る。
【図２】図１の工程及びにおけるボンディング点に
おける接合状態を拡大して示す図であって、図２
（ａ）、図２（ｂ）は、それぞれ図１の工程工程及び
に対応した図である。
【図３】接合部の接合状態を説明する図であって、図３
（ａ）は前記ボールが電極パッドに圧着された時の圧着
方向の断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のボー
ルと電極パッドの接合点における断面における圧力分布
を、図３（ｃ）は圧着方向のボールの圧力分布を、それ
ぞれ説明する図である。
【図４】キャピラリの加圧制御および超音波振動の振幅
制御を示す図であって、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４
（ｃ）は、それぞれ加圧制御と振幅制御及びキャピラリ
の位置を示す図である。
【図５】従来のワイヤボンディング装置の説明図であ
る。
【図６】図６はキャピラリの動作を説明する図であっ
て、図６（ａ）は、キャピラリの上下方向の動作を時間
との関係で示す図、図６（ｂ）は、ゲイン切替により発
生する超音波振動の振幅を示す図、図６（ｃ）は、キャ
ピラリに振動を与える、超音波振動子に対する電圧印加
のゲイン切替を示す図である。
【図７】各種のボンディング方法における接合部の接合
状態を説明する図であって、図７（ａ）はボールが電極
パッドに圧着された時の圧着方向の断面図、図７（ｂ）
と図７（ｃ）は、それぞれボールと電極パッドの接合点
における、ボールへの圧力分布を説明する図である。
【符号の説明】
１ キャピラリ ２ 金属ワイヤ ４ 半導体チップ ５ 電極パッド ６ インナーリード部 ７ クランパ ８ ボール ９ 電気トーチ １０ プリント基板 １１ 電極パッド１１ １２ スクイズアウト

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チップの電極パッドと前記半導体チ
    ップを載置するリードフレームのインナーリード部とを
    金属ワイヤを用いて接続するワイヤボンディング方法に
    おいて、ボンディング位置の接合表面にボンディング用
    のツールを所定の圧力で接触させて金属ワイヤを所定の
    振幅で振動させて金属ワイヤを押圧する第１工程と、該
    第１工程の後に前記第１の工程より大きい圧力で前記金
    属ワイヤを押圧する第２工程とを有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】前記第２工程における金属ワイヤの振動振
    幅を、前記第１工程における金属ワイヤの振動振幅より
    小さく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】前記金属ワイヤの振動振幅の変化は、超音
    波振動子駆動装置により前記超音波振動子に印加する印
    加電圧を切り替えてボンディング用のツールを振動する
    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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006156795A (ja) * 2004-11-30 2006-06-15 Toyota Motor Corp 半導体素子の接合方法
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