JP2006013512A - ワイヤボンディング用キャピラリ - Google Patents

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Abstract

【課題】ワイヤボンディング用のキャピラリであって、前述した従来技術に比し、ボンディングの引張り強さ及び通電容量を向上させたワイヤボンディング用キャピラリの提供。
【解決手段】ボンディングワイヤ１４を変形させるためのキャピラリ先端部１２であってボンディング面に対してボンディングワイヤ１４を押圧するために、キャピラリ先端部１２の内側の周囲に沿って形成された底面１８と、キャピラリ先端部１２の外側の周囲に沿って形成された外側曲率部２４と、前記底面１８に隣接して該底面１８に向けて傾斜して延在する第１の傾斜面２０と、該第１の傾斜面２０に隣接して該第１の傾斜面２０に向けて傾斜して延在する第２の傾斜面２２とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ボンディングワイヤを供給するキャピラリ、特に一例として超音波エネルギーを与えてボンディングすることにより、ワイヤを半導体素子に接続するために用いられるキャピラリに関する。
半導体素子をパッケージングする際、通常は半導体チップまたはＩＣ型を、リードフレームのような基板上に載置させる必要があり、そして型と基板とを導電性のボンディングワイヤで電気的に接続する。
高出力のＩＣパッケージにおいては、型と基板との間を接続して通電させるために、重いアルミニウム線が広く用いられている。
このようなアルミニウム線は、典型的には１２７μｍ（5 mils）以上の線径を有しており、５０８μｍ（20 mils）程度までの線径とすることもできる。
アルミニウム線は、好ましくはウェッジ・ボンディングにより、型と基板とのそれぞれのボンディングパッドにボンディングされる。
重いアルミニウム線用の既存のウェッジ・ボンディングにはいくつかの欠点を伴っていた。
第１に、重いワイヤのためのボンディング機のコストは非常に高価であり、同等のボール・ボンディング機のコストの３倍にもなっていた。
第２に、ウェッジ・ボンディング機の処理能力は非常に低く、ウェッジ・ボンディングにより単線をボンディングするのに要する時間は、同等のボール・ボンディング機に比べて３倍にもなっていた。
このためＩＣアッセンブリーメーカーがアルミニウム線に代えて銅線を使用するようになるのは経済的には当然のことであって、なぜなら、銅線はアルミニウム線よりも安価でボール・ボンディングに適しているからである。
ウェッジ・ボンディングにおいては、第１ボンディングと第２ボンディングとが同一の手順で行われるのでワイヤ全体で断面積はほぼ一定であり、従って、ワイヤ全長に亘って通電容量は実質的に変化しない。
その結果、第１のボンディングパッドでの第１ウェッジ・ボンディングと第２のボンディングパッドでの第２ウェッジ・ボンディングとの間で、引張り強さに大きな違いは無い。
しかしながら、ボール・ボンディングにおいては、第１ボンディングはボールから形成される一方、第２ボンディングはキャピラリとボンディング面との間でワイヤを押圧し、結果的に断面積が減少した平坦化領域を生じる（以後これをスティッチ・ボンディングと言う。）。
従って、第１ボンディングのボール・ボンディングされた領域でのワイヤの通電容量は、ワイヤ断面積が最小となる第２ボンディングのスティッチ・ボンディングされた領域での通電容量よりも高くなっている。
このため、スティッチ・ボンディング箇所で通電容量のボトルネックが生じていた。
更には、断面積が他の箇所より小さくなることにより、スティッチ・ボンディング箇所では引張り強さが最も低くなっていた。
現在、銅のボール・ボンディングで扱える線径は、約５０μｍ（around 2 mils）以下に限定されている。
銅のボール・ボンディングで線径を５０μｍ（2 mils）より大きくすると、スティッチ箇所での引張り強さの不足及びワイヤの不均一性に起因する電気抵抗の著しい増加よって、作業上の大きな問題を引き起こす。
スティッチ・ボンディング位置でのワイヤの断面積を増大させ、これによりボトルネック問題を低減すると共にティッチ・ボンディング位置での引張り強さを向上させることが望まれている。
図１は、従来技術のキャピラリ１００の側断面図を示すものである。
このキャピラリ１００は、キャピラリ先端部１０２を備えており、ボンディングワイヤ１０４は、このキャピラリ先端部１０２の中心でキャピラリ穴１０６を通じて供給される。
キャピラリ先端部１０２の底には底面１０８が形成されており、この底面１０８によりボンディングワイヤ１０４をボンディング面に押し付ける構成とされている。
底面１０８に隣接して傾斜するキャピラリ先端面１１０が形成されており、このキャピラリ先端面１１０はキャピラリ先端部１０２のＲ部１１２に連設されている。
傾斜する前記キャピラリ先端面１１０は、水平なボンディング面に対し面角度Ａ０を形成している。
スティッチ・ボンディングは、キャピラリ先端部１０２がボンディングされる表面、典型的には「リード」または「第２ボンディング面」に対してワイヤ１０４を変形させることにより行われ、これにより楔状のボンディングが生じる。
スティッチ・ボンディング箇所の上部は、傾斜する前記キャピラリ先端面１１０の形状及びキャピラリ先端部１０２のＲ部１１２に倣っている。
スティッチで溶接若しくはボンディングされる実際の領域はキャピラリ先端面の設計、ボンディングのパラメータ（超音波出力、ボンディング時間、ボンディング力及びボンディングステージの温度）及びボンディングされる材料のボンディング性に依存する。
キャピラリ先端面１１０の面角度Ａ０が小さい程、大きな面角度を有するキャピラリ先端面１１０の場合よりもスティッチ部が薄くなる傾向にある。
しかしながら、スティッチ部を厚くするために単純に面角度Ａ０を増大させると、ボンディング力が低下すると共にボンディングの信頼性も低下する。
図２は、図１のキャピラリにより形成したスティッチ・ボンディングされた領域の側断面図である。
ワイヤが最初にボンディング面に接触している箇所でのスティッチ・ボンディングの選択された点におけるワイヤ厚さＸ−Ｘは、３９μｍであった。
重いワイヤの場合、このワイヤ厚さでは、上述した引張り強さ及び通電容量の問題が生じる場合がある。
スティッチ・ボンディングがされた箇所でのワイヤの引張り強さを向上させる従来方法として、特許文献１（発明の名称：「ワイヤボンディング用キャピラリ」）が挙げられる。
この特許文献１は、下向きの円錐形状を備えたキャピラリを開示している。
キャピラリの先端形状は２段形状に形成されている。
この先端は、細線を導出するための底面を備えていると共に、この底面のエッジは細線を切断するために使用される。
また、キャピラリには、該エッジに連設されてステップ状の周辺領域が形成されている。
超音波ボンディングによって細線が切断されると、細線の切り先近傍部分は同時に前記ステップ状の周辺領域に押圧される。
しかしながら、この特許文献１に記載されている発明も、重いワイヤ用ではなく、薄い金ワイヤ、特に線径が１０μｍ〜２０μｍの金ワイヤに好適である旨が言及されている。
直交方向に形成されたステップ状の周辺領域は、ウェッジ・ボンディングでワイヤを押圧すると共に、ワイヤ終端に向かってボンディングの接着力の改善に寄与するようにワイヤを変形させるけれども、キャピラリ底面で相対的に平坦とされた面は、ワイヤをむしろ急激に切断してしまう。
スティッチ・ボンディング箇所とボンディング面との接触面積は、スティッチ箇所の引張り強さを決定付ける一つの要素であるので、キャピラリの平坦な底面を形成することによって、スティッチ・ボンディング箇所と型あるいは基板のボンディング面との接触面積が制約されてしまう。
また、スティッチ・ボンディング箇所のスティッチ輪郭の終端は依然としてかなり薄くなっている。
更には、周囲面は底面に対してそれぞれ平行且つ垂直とされているので、形成されたスティッチ・ボンディング箇所は、ステップ形状を備えており、ワイヤの均一性を損なっている。
当該ステップ形状に存在する鋭利な直交端は、スティッチ・ボンディング箇所に微小なクラックを生じさせ、これにより、以後の工程サイクル中に破壊を引き起こすため、ボンディングの際に機械的に脆弱な部分が形成される場合がある。
キャピラリに鋭利なエッジが存在すると、ワイヤ材が急速にビルドアップし（build up）、その結果、ボンディングのスティッチ部の引張り強さは弱く且つ安定しないものとなってしまう。
また、スティッチ部の通電容量の均一性も損なわれてしまう。
特開２００１−２９１７３６号公報
本発明は、ワイヤボンディング用のキャピラリであって、前述した従来技術に比し、ボンディングの引張り強さ及び通電容量を向上させることを目的とするものである。
従って、本発明は、ボンディングワイヤを変形させるためのキャピラリ先端部を提供するものであって、このキャピラリ先端部は、ボンディング面に対してボンディングワイヤを押圧するために、キャピラリ先端部の内側の周囲に沿って形成された底面と、キャピラリ先端部の外側の周囲に沿って形成された外側曲率部と、前記底面に隣接して該底面に向けて傾斜して延在する第１の傾斜面と、該第１の傾斜面に隣接して該第１の傾斜面に向けて傾斜して延在する第２の傾斜面とを備えていることを特徴とするものである。
以下においては便宜のため、本発明の一実施例を例示する添付図面を参照しつつ本発明を更に詳細に説明する。
但し、添付図面及び関連する記載が、本発明の特許請求の範囲により定義される広義の認定の一般性を排除するものと解してはならない。
図３は、本発明の第１の好適な実施例のキャピラリ１０の側断面図を示すものである。
キャピラリ１０は、面取りされたキャピラリ穴１６を通じてボンディングワイヤ１４をボンディング位置へ供給するキャピラリ先端部１２を備えている。
キャピラリ先端部１２の底面１８は、スティッチ・ボンディング部が前記ボンディング位置で形成された後に、ボンディングワイヤを押圧して変形させる機能を果たすものである。
ボンディングワイヤは好適には、少なくとも７６．２μｍ（3 mils）の線径を有する銅線とされる。
従来技術に示される単一の傾斜するキャピラリ先端部１１０（図１参照）に代えて、キャピラリ先端部１２は、底面１８に隣接して該底面１８に向けて傾斜して延在する第１の傾斜面２０と、この第１の傾斜面２０に隣接して該第１の傾斜面２０に向けて傾斜して延在する第２の傾斜面２２とを備えている。
本実施例においては、第２の傾斜面２２は、実質的に平坦な面を備えている。
キャピラリ先端部１２の外周に沿って形成される外側曲率部２４は、この第２の傾斜面２２に隣接している。
底面１８を含む平面から第１の傾斜面２０と第２の傾斜面２２とが交差する点までの高さＤ１は、ボンディングワイヤ１４の線径ＷＤの０．１倍から０．５倍の間、すなわち、０．１ＷＤ≦Ｄ１≦０．５ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、高さＤ１は、０．３ＷＤ≦Ｄ１≦０．４ＷＤとなるように形成される。
底面１８の外周径Ｄ３は、径ＷＤの１．５倍から３倍の間、すなわち、１．５ＷＤ≦Ｄ３≦３ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、Ｄ３は、２ＷＤ≦Ｄ３≦２．５ＷＤとなるように形成される。
外側曲率部２４は、半径Ｒの曲面を備えており、この半径Ｒは、０．４ＷＤ≦Ｒ≦１ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、半径Ｒは、０．５ＷＤ≦Ｒ≦０．８ＷＤとなるように形成される。
典型的には水平であるボンディング表面に関する第２の傾斜面２２の傾斜角Ａ１は、４°から１１°の間とされることが好ましい。
より好ましくは、Ａ１は、６°から１０°の間とされる。
前記第１の傾斜面２０の相対する二つの面が為す面角度Ａ２は、７０°から１２０°の間とされることが好ましい。
より好ましくは、角度Ａ２は、８０°から１００°の間とされる。
図４は、図３のキャピラリにより形成されたスティッチ・ボンディング領域の側断面である。
ボンディングワイヤ１４が最初にボンディング面に接触している箇所でのスティッチ・ボンディングの選択された点（比較のため、図２と同じ点が選択されている。）におけるワイヤ厚さＸ'−Ｘ'は、６１μｍであった。
従って、本発明の好適な実施例によるキャピラリ１０を用いることにより、当該選択された点でのワイヤ厚さは、従来の３９μｍから６１μｍへと増大させることができた。
このようにワイヤ厚さを増大できたことにより、引張り強さ及び通電容量に関する問題の発生を著しく低減することができた。
図５は、本発明の第２の好適な実施例のキャピラリ３０の側断面図を示すものである。
このキャピラリ３０も、面取りされたキャピラリ穴１６を通じてボンディングワイヤ１４をボンディング位置へ供給するキャピラリ先端部１２を備えている。
底面１８は、面取りされたキャピラリ穴１６に隣接して形成されている。
第１の傾斜面２０は、底面１８に隣接して該底面１８に向けて傾斜して延在して形成されている。
第２の傾斜面は本実施例においては溝２６とされており、この第２の傾斜面は隣接する第１の傾斜面２０に向けて傾斜角をもって延在している。
第２の傾斜面すなわち溝２６は、キャピラリ先端部１２の外側曲率部２４に隣接して形成されている。
第１の実施例のキャピラリ１０と第２の実施例のキャピラリ３０との間の主たる相違は、前者では第２の傾斜面は実質的に平坦な傾斜面２２とされているのに対し、後者では第２の傾斜面が溝２６として形成されている点にある。
溝２６は半径Ｒ１を有しており、このＲ１は０．２５ＷＤ≦Ｒ１≦０．７５ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、溝２６の半径Ｒ１は、０．３５ＷＤ≦Ｒ１≦０．５５ＷＤとなるように形成される。
また、外側曲率部２４は半径Ｒ２を有しており、このＲ２は０．２５ＷＤ≦Ｒ２≦０．７５ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、第２の傾斜面の半径Ｒ２は、０．３５ＷＤ≦Ｒ２≦０．５５ＷＤとなるように形成される。
もしＲ２があまりに小さいと、スティッチ・ボンディング箇所の強度が低下する場合がある。
底面１８を含む平面から外側曲率部２４の最下点までの高さＤ２は、ボンディングワイヤ１４の線径ＷＤの０．２倍から０．４倍の間、すなわち、０．２ＷＤ≦Ｄ２≦０．４ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、深さＤ２は、０．２ＷＤ≦Ｄ２≦０．３ＷＤとなるように形成される。
底面１８の外周径Ｄ４は、径ＷＤの１．５倍から３倍の間、すなわち、１．５ＷＤ≦Ｄ４≦３ＷＤとされることが好ましい。
より好ましくは、Ｄ４は、２ＷＤ≦Ｄ４≦３ＷＤとなるように形成される。
線径が１５２．４μｍ（6 mils）で断面積が１８２３２．２２μｍ２のボンディングワイヤの電気抵抗についての比較を、本発明の第１の好適な実施例のキャピラリ１０を用いて行った。
そのワイヤ長は５ｍｍであり、平均抵抗は０．９２６９μオームであった。
下記の［表１］で説明されるように、キャピラリ１０により形成されたスティッチ・ボンディング箇所の電気抵抗は、図１に示される従来のキャピラリ１００により形成されたスティッチ・ボンディング箇所の電気抵抗よりも２７％低い値を示した。
Figure 2006013512
更に下記の［表２］で説明されるように、キャピラリ１０により形成されたスティッチ・ボンディング箇所の通電容量は、従来のキャピラリ１００により形成されたスティッチ・ボンディング箇所の通電容量よりも３７％高い値を示した。
Figure 2006013512
また、従来設計のワイヤと本発明の好適な実施例の設計によるワイヤの各々を３６本ずつスティッチ・ボンディング部の引張り試験に供したところ、従来技術のキャピラリ１００を用いると平均引張り強さは２６０．４２７ｇまでしか得られなかったのに対し、本発明のキャピラリ１０を用いると３６０．０７７ｇの平均引張り強さを達成できた。
従って、本発明の好適な実施例のキャピラリ１０を使用することによるスティッチ・ボンディング箇所の引張り強さの平均的な増加は約１００ｇであった。
ここに記載されている本発明は、具体的に記載されている実施例だけではなく、変形、改良及び／又は追加が可能なものであり、本発明は、その精神と技術的範囲に、かかる変形、改良及び／又は追加も含むことは理解されるべきである。
従来技術のキャピラリの側断面図を示すものである。 図１の従来技術のキャピラリにより形成されたスティッチ・ボンディング領域の側断面である。 本発明の第１の好適な実施例のキャピラリの側断面図を示すものである。 図３のキャピラリにより形成されたスティッチ・ボンディング領域の側断面である。 本発明の第２の好適な実施例のキャピラリの側断面図を示すものである。
符号の説明
１０，３０，１００ キャピラリ
１２，１０２ キャピラリ先端部
１４，１０４ ボンディングワイヤ
１６，１０６ キャピラリ穴
１８，１０８ 底面
２０ 第１の傾斜面
２２ 第２の傾斜面
２４ 外側曲率部
２６ 溝
１１０ キャピラリ先端面
１１２ Ｒ部
Ａ０，Ａ２ 面角度
Ａ１ 第２の傾斜面２２の傾斜角

Claims (21)

  1. ボンディングワイヤを変形させるためのキャピラリ先端部であって、
    ボンディング面に対してボンディングワイヤを押圧するために、キャピラリ先端部の内側の周囲に沿って形成された底面と、
    キャピラリ先端部の外側の周囲に沿って形成された外側曲率部と、
    前記底面に隣接して該底面に向けて傾斜して延在する第１の傾斜面と、
    該第１の傾斜面に隣接して該第１の傾斜面に向けて傾斜して延在する第２の傾斜面と、
    を備えていることを特徴とするキャピラリ先端部。
  2. 前記第２の傾斜面が実質的に平坦な面を備えていることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  3. 前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面とが交差する点から、前記底面を含む平面までの高さが、前記ボンディングワイヤの線径の０．１倍から０．５倍の間であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  4. 前記高さが、前記ボンディングワイヤの線径の０．３倍から０．４倍の間であることを特徴とする請求項３に記載のキャピラリ先端部。
  5. 前記底面の外周径は、前記ボンディングワイヤの線径の１．５倍から３倍の間であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  6. 前記外周径が、前記ボンディングワイヤの線径の２倍から２．５倍の間であることを特徴とする請求項５に記載のキャピラリ先端部。
  7. 前記外側曲率部は曲面を備えており、該曲面の半径は、前記ボンディングワイヤの線径の０．４倍から１倍の間であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  8. 前記外側曲率部の前記曲面の半径が、前記ボンディングワイヤの線径の０．５倍から０．８倍の間であることを特徴とする請求項７に記載のキャピラリ先端部。
  9. ボンディング表面に関する前記第２の傾斜面の傾斜角は、４°から１１°の間であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  10. ボンディング表面に関する前記第２の傾斜面の傾斜角は、６°から１０°の間であることを特徴とする請求項９に記載のキャピラリ先端部。
  11. 前記第１の傾斜面の相対する二つの面が為す面角度は、７０°から１２０°の間であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  12. 前記面角度は、８０°から１００°の間であることを特徴とする請求項１１に記載のキャピラリ先端部。
  13. 前記第２の傾斜面が溝を備えていることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  14. 前記溝が、前記ボンディングワイヤの線径の０．２５倍から０．７５倍の間の寸法の半径を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のキャピラリ先端部。
  15. 前記溝が、前記ボンディングワイヤの線径の０．３５倍から０．５５倍の間の寸法の半径を備えていることを特徴とする請求項１４に記載のキャピラリ先端部。
  16. 前記外側曲率部は、前記ボンディングワイヤの線径の０．２５倍から０．７５倍の間の寸法の半径を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のキャピラリ先端部。
  17. 前記外側曲率部は、前記ボンディングワイヤの線径の０．３５倍から０．５５倍の間の寸法の半径を備えていることを特徴とする請求項１６に記載のキャピラリ先端部。
  18. 前記底面を含む平面から前記外側曲率部の最下点までの高さは、前記ボンディングワイヤの線径の０．２倍から０．４倍の間であることを特徴とする請求項１３に記載のキャピラリ先端部。
  19. 前記底面を含む平面から前記外側曲率部の最下点までの高さは、前記ボンディングワイヤの線径の０．２倍から０．３倍の間であることを特徴とする請求項１８に記載のキャピラリ先端部。
  20. 前記ボンディングワイヤは、少なくとも７６．２μｍ（3 mils）の線径を有していることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ先端部。
  21. 前記ボンディングワイヤが銅線であることを特徴とする請求項２０に記載のキャピラリ先端部。
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