JP2006245495A - ワイヤボンディング用キャピラリ及びワイヤボンディング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 第２ボンディング点にワイヤを接続した後に第２ボンディング点からワイヤが剥がれるのを抑制したワイヤボンディング用キャピラリ及びそれを用いたワイヤボンディング装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、先端に設けられ、該先端からワイヤを送り出す先端孔２４を有するワイヤボンディング用キャピラリ２ａであって、前記先端孔２４の内部は、先端に向かうほど径が大きく形成されており、前記先端孔２４の内側面に段差部１７が形成されているものである。また、前記段差部１７の先端と前記先端孔２４の最先端との間隔Ｓがワイヤの直径の０．０５倍以上０．９５倍以下であることが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ワイヤボンディング用キャピラリ及びワイヤボンディング装置に係わり、特に、第２ボンディング点にワイヤを接続した後に第２ボンディング点からワイヤが剥がれるのを抑制したワイヤボンディング用キャピラリ及びそれを用いたワイヤボンディング装置に関する。
ワイヤボンディング装置は、金線、アルミニウムなどからなるワイヤを用いて第１ボンディング点となる半導体チップ上の電極と、第２ボンディング点となるリードとを接続するものである。
図５（Ａ）は、前記キャピラリを示す側面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。
キャピラリ１０２ａの先端１０６は、図５（Ｂ）に示す中心線を回転軸として回転させることによって得られる形状となっている。キャピラリ１０２ａは、その先端１０６からワイヤを送り出す貫通孔１１９を備えている。この貫通孔１１９は先端側から第１孔１１３、第２孔１２２及び第３孔１２３を有している。第１孔１１３の内部は円錐の上部を除去した形状となっている。
図６（Ａ）乃至（Ｅ）は、上記ワイヤボンディング装置によるワイヤボンディングを行う工程を説明する図である。
図６（Ａ）に示すように、キャピラリ１０２ａの先端に送り出されたワイヤ１１８の先端と放電電極１０５との間で放電を一定の時間起こさせ、ワイヤ１１８の先端を溶融してボール１０１を形成する。
次に、キャピラリ１０２ａの先端で保持してキャピラリ１０２ａを第１ボンディング点１０３なる半導体チップの電極の直上に位置させた後、図６（Ｂ）に示すように、キャピラリ１０２ａを下降させてボール１０１を第１ボンディング点１０３に押し付けて加圧すると同時にキャピラリ１０２ａの先端に対して前記ボンディングアームの超音波ホーンを介して超音波振動を印加する。これにより、第１ボンディング点１０３にワイヤ１１８を接続する（１ｓｔボンディング）。
次いで、図６（Ｃ）に示すように、キャピラリ１０２ａを所定のループコントロールに従って上昇させ、第２ボンディング点１０４となるリード方向に移動させる。そして、キャピラリ１０２ａを下降させワイヤ１１８を第２ボンディング点１０４に押し付けて加圧すると同時にキャピラリ１０２ａの先端に対して超音波ホーンを介して超音波振動を印加して第２ボンディング点１０４に対しワイヤ１１８を接続する（２ｎｄボンディング）。
この後、図６（Ｄ）に示すように、キャピラリ１０２ａを上昇させる。次いで、図６（Ｅ）に示すように、あらかじめ設定されたキャピラリ１０２ａの上昇位置でワイヤカットクランプ（図示せず）を閉じ、第２ボンディング点１０４上のワイヤをカットして一回のボンディング作業が完了する（例えば特許文献１参照）。
図７は、図６（Ｃ）に示す段階において第２ボンディング点となるリードに対してワイヤを接続する際のキャピラリ先端の様子を示す断面図である。
２ｎｄボンディングでは、図７に示すように、キャピラリ１０２ａの貫通孔１１９を通って第１孔１１３から送り出されたワイヤ１１８を第２ボンディング点となるリード１１５の被ボンディング面１１５ａに押し付けて加圧及び加熱すると同時にキャピラリ１０２ａの先端に対して超音波振動を印加する。これにより、リード１１５に対しワイヤ１１８を接続している。
特開平１１−２４３１１３号公報（第２段落〜第１３段落、図１１）
従来のワイヤボンディング装置では、上述したように図７に示す２ｎｄボンディングの際に加圧、加熱及び超音波振動の印加を行う必要があり、リード１１５とワイヤ１１８の接合性を向上させ、接続不良を起こさないようにするためには、加圧及び超音波振動の印加それぞれを大きくすることが好ましい。
しかしながら、２ｎｄボンディングの際に加圧及び超音波振動の印加を過大に行うと、キャピラリ１０２ａから送り出されたワイヤ１１８がキャピラリ１０２ａの先端と被ボンディング面１１５ａとの間の位置１１６で破断することがある。この位置１１６でワイヤ１１８が破断した場合、被ボンディング面１１５ａからワイヤが剥がれてしまい、キャピラリの上昇と共に上昇したワイヤがエアーテンションによって上方へ吸い上げられ、次のボンディングに必要なボール形成のための十分なワイヤテールが確保できなくなる。従って、連続ボンディングの妨げとなり、ボンディング作業の連続性が維持できなくなる。
詳細に説明すると、ワイヤが破断しない正常な場合、図６（Ｄ）に示すようにカットクランプが閉じるまではワイヤ１１８の先端が第２ボンディング点１０４に接しており、カットクランプが閉じた後は図６（Ｅ）に示すようにキャピラリがその先端から多少ワイヤが出ている状態（即ち十分なワイヤテールが確保された状態）で上昇する。これに対して前記位置１１６でワイヤ１１８が破断する異常な場合、図６（Ｄ）に示す段階で第２ボンディング点１０４からワイヤ１１８が剥がれてしまい、破断したワイヤ１１８がキャピラリ内に吸い上げられ、図６（Ｅ）に示す段階でキャピラリの先端にワイヤが無くなってしまう。このため、次の第１ボンディング点にワイヤを接続する際、図６（Ａ）に示す段階でスパークによるボール形成が不可能となり、その結果、ワイヤボンディング装置を停止することになる。従って、ワイヤボンディング装置を連続して稼動することができる。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリは、先端に設けられ、該先端からワイヤを送り出す先端孔を有するワイヤボンディング用キャピラリであって、
前記先端孔の内部は、先端に向かうほど径が大きく形成されており、
前記先端孔の内側面に段差部が形成されていることを特徴とする。
上記ワイヤボンディング用キャピラリによれば、２ｎｄボンディングの際に、先端孔の内側面に形成された段差部によってキャピラリの内側でもワイヤが第２ボンディング点に確実に接合されると共に、前記段差部の下でワイヤが破断することを抑制できる。このため、第２ボンディング点にワイヤを接続した後に第２ボンディング点からワイヤが剥がれるのを抑制できる。
また、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリにおいて、前記段差部の先端と前記先端孔の最先端との間隔が前記ワイヤの直径の０．０５倍以上０．９５倍以下であることが好ましい。
また、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリにおいて、前記先端孔の内側面は、基端側に位置する第１内側面と、該第１内側面に接続された第２内側面と、先端側に位置し且つ前記第２内側面に接続された第３内側面とを有しており、前記段差部は、前記第１内側面と前記第２内側面との接続部及び前記第２内側面と前記第３内側面との接続部によって形成されることも可能である。
また、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリにおいて、前記段差部の先端は、前記第１内側面と前記第２内側面との接続部に位置することが好ましい。
また、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリにおいて、前記第１内側面は第１頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状を有し、前記第２内側面は第２頂角を有する円錐の下部側の側面、円柱の側面及びドーナツ状平面のいずれか一つと略同じ形状を有し、前記第３内側面は第３頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状を有することも可能である。
また、本発明に係るワイヤボンディング用キャピラリにおいて、前記第１頂角は３０°以上１５０°以下であり、前記第２頂角は０°超１８０°未満であり、前記第３頂角は３０°以上１５０°以下であることも可能である。
本発明に係るワイヤボンディング装置は、半導体チップの電極とリードフレームのリードをワイヤによって接続するワイヤボンディング装置において、前述したワイヤボンディング用キャピラリを具備することを特徴とする。
以上説明したように本発明によれば、第２ボンディング点にワイヤを接続した後に第２ボンディング点からワイヤが剥がれるのを抑制したワイヤボンディング用キャピラリ及びそれを用いたワイヤボンディング装置を提供することができる。
発明を実施するための形態
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、本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を示す構成図である。このワイヤボンディング装置は、正方形若しくは長方形状からなる複数のＩＣチップ１２それぞれの上に形成された複数のパッドとリードフレームの複数のリード１５との間でワイヤを用いてボンディング接続を行うものである。尚、このワイヤボンディング装置は単なる一例であり、適宜変更して実施することも可能である。
ワイヤボンディング装置は、ボンディング手段としてのボンディングアーム２と、ボンディングヘッドと、ＸＹテーブル４と、ボンディングステージ５とを備えている。
前記ボンディングアーム２は、超音波振動子及び超音波ホーンを有している。ボンディングアーム２の先端にはキャピラリ２ａが装着されている。前記ボンディングヘッドは駆動手段３を有し、この駆動手段３は、前記ボンディングアーム２を支軸を中心として上下にリニアモータ若しくはカムにより駆動を行うものである。
前記ＸＹテーブル４は、ボンディングヘッドを搭載してＸ方向及びＹ方向に二次元的に移動してボンディング位置を決める位置決め手段として機能するものである。前記ボンディングステージ５は、リードフレーム及びＩＣチップ１２を載置するものであり、ボンディングアーム２の下方に配設されており、ボンディングアーム２を揺動してキャピラリ２ａによりボンディング作業を行うものである。また、ボンディングステージ５は、該ボンディングステージを加熱するヒータ５ａを備えている。
図２（Ａ）は、図１に示すキャピラリ２ａの側面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。図３（Ａ）は、２ｎｄボンディングにおいて第２ボンディング点となるリードに対してワイヤを接続する際のキャピラリ先端の様子を示す断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す段差部１７を拡大した断面図である。
キャピラリ２ａの先端６は、図２（Ｂ）に示す中心線を回転軸として回転させることによって得られる形状と略等しいものとなっている。キャピラリ２ａは、その先端６からワイヤを送り出す貫通孔１９を備えている。この貫通孔１９は先端側から第１孔（先端孔又はチャンファーともいう）２４、第２孔２２及び第３孔２３を有している。第１孔２４は、基端側に位置する第１内側面１３と、この第１内側面１３に繋がる第２内側面１４と、先端側に位置し且つ前記第２内側面１４に繋がる第３内側面７とを有している。第１内側面１３は、角度ＣＡ２の頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状となっている。また、第２内側面１４は、角度ＣＡ３の頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状となっている。また、第３内側面７は、角度ＣＡ１の頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状となっている。
尚、本実施の形態では、第２内側面１４を角度ＣＡ３の頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状としているが、これに限定されるものではなく、第２内側面を円柱の側面又はドーナツ状平面と略同じ形状とすることも可能である。
また、角度ＣＡ１は、３０°以上１５０°以下であることが好ましく、より好ましくは６０°以上１２０°以下である。また、角度ＣＡ２は、３０°以上１５０°以下であることが好ましく、より好ましくは、６０°以上１２０°以下である。また、角度ＣＡ３は、０°超１８０°未満であることが好ましく、より好ましくは３０°以上１５０°以下であり、さらに好ましくは６０°以上１２０°以下である。
図３（Ａ）に示すように、第１孔２４は、その内部が略円錐の上部を除去した形状を有し、第１内側面１３の底部（キャピラリ先端側）に段差部１７が設けられた形状となっている。この段差部１７は、第１内側面１３、第２内側面１４及び第３内側面７によって形成されており、図３（Ｂ）に示すように、第１内側面１３と第２内側面１４によって形成される角度Ｄ１は（ＣＡ２＋ＣＡ３）／２と略等しく、第２内側面１４と第３内側面７によって形成される角度Ｄ２は（ＣＡ１＋ＣＡ３）／２と略等しくなっている。
尚、段差部１７の角部、即ち第１内側面１３と第２内側面１４によって形成される角部及び第２内側面１４と第３内側面７によって形成される角部それぞれは、面取り加工が施されていても良いし、面取り加工が施されていなくても良い。
段差部１７の先端（即ちリード１５にワイヤ１８をボンディング接続した際に段差部１７においてリードに最も近づく部分）とキャピラリの先端（即ちリード１５にワイヤ１８をボンディング接続した際にリードに接触するキャピラリ先端部分（先端孔の最先端））との間には、図３（Ａ）に示すように距離Ｓが設けられている。この距離Ｓは、ワイヤ１８の直径の０．０５倍以上０．９５倍以下であることが好ましい。
また、第１孔２４の底部の端部（即ちリード１５にワイヤ１８をボンディング接続した際にキャピラリ２ａがリード１５に最も近づく部分）１６は従来の形状を維持している。つまり、第１孔２４の底部の端部１６は、図２（Ｂ）に示す角度ＣＡ１の頂角を有する二等辺三角形を中心線を回転軸として回転させた円錐の底面近傍の側面と同じ形状となっている。また、第１孔の底部の端部１６から第１孔とは逆側のキャピラリ２ａの先端形状は、その断面が第１孔の底面（キャピラリ先端側の面）に対して角度ＦＡだけ尖った形状となっている。尚、角度ＦＡは、０°以上１３°以下であることが好ましい。
次に、上記ワイヤボンディング装置によってワイヤボンディングを行う方法について説明する。
まず、図１に示す二次元方向に移動可能なＸＹテーブル４上に搭載されたボンディングヘッドのリニアモータ若しくはモータ軸に連結したカムなどによりボンディングアーム２が上下に揺動され、このボンディングアーム２の超音波ホーンの先端に取り付けられたキャピラリ２ａからワイヤが送り出され、このワイヤの先端と放電電極との間に高電圧を印加することにより放電を起こさせる。その放電エネルギーによってワイヤの先端を溶融させてワイヤの先端にボールを形成する。
次に、キャピラリ２ａの先端でボールを保持してキャピラリ２ａを第１ボンディング点なるＩＣチップ１２のパッドの直上に位置させる。その後、キャピラリ２ａを下降させてボールをボンディングアーム２の揺動による機械的な加圧力により前記パッドに押し付けて加圧すると同時に、ヒータ５ａによって加熱しながらキャピラリ２ａの先端に対してボンディングアーム２の超音波ホーンを介して超音波振動を印加する。これにより、ＩＣチップ１２のパッドにワイヤ１８を熱圧着によって接続する（１ｓｔボンディング）。
次いで、キャピラリ２ａを所定のループコントロールに従って上昇させ、第２ボンディング点となるリード方向に移動させる。そして、キャピラリ２ａを下降させワイヤ１８をリード１５に押し付けて加圧すると同時にキャピラリ２ａの先端に対して超音波ホーンを介して超音波振動を印加してリード１５に対しワイヤ１８を接続する（２ｎｄボンディング）。
２ｎｄボンディングの際、図３（Ａ）に示すように、キャピラリ２ａの先端のチャンファー２４に設けられた段差部１７によって押し付けられたワイヤ１８がリード１５に確実に接合される。これと共に、段差部１７の先端とキャピラリの先端との間に間隔Ｓを設けることにより段差部１７の下でワイヤ１８が破断することを抑制できる。このため、過大な加圧及び超音波によってチャンファー２４の底部の端部１６でワイヤ１８がたとえ破断したとしても、リード１５からワイヤ１８が剥がれることを抑制できる。
２ｎｄボンディングの際に段差部１７によってワイヤ１８に加えられる接合力について図４を参照しつつ詳細に説明する。図４（Ａ）は、図３（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図であり、図４（Ｂ）は、図７に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。２ｎｄボンディングの際、図４（Ａ）に示すように、ワイヤ１８には、キャピラリ２ａの先端の第１孔の底部の端部１６によってリード側に押し付けられる第１の接合力２５が加えられ、第２内側面１４によってリード側に押し付けられる第２の接合力２６が加えられ、第１内側面１３によってリード側に押し付けられる第３の接合力２７が加えられる。これに対し、従来のキャピラリでは、２ｎｄボンディングの際、図４（Ｂ）に示すように、ワイヤには、キャピラリ１０２ａの先端の底部の端部によってリード側に押し付けられる第１の接合力２５が加えられ、第１孔１１３の内側面によってリード側に押し付けられる第３の接合力２７が加えられる。つまり、本実施の形態では、チャンファー２４に設けられた段差部１７によって、従来のキャピラリにはない第２の接合力２６がリード側に加えられる。換言すれば、段差部１７を設けることによって、従来のキャピラリに比べて接合面積を増大して接合力を高くすることができる。従って、キャピラリ２ａの内側でもワイヤ１８をリード１５に確実に接合することができる。尚、第２の接合力２６を発生させるためには、前述したように角度ＣＡ３は、０°超１８０°未満であることが好ましい。換言すれば、角度ＣＡが０°又は１８０°以上であると、第２の接合力２６を効果的に発生させることができない。
この後、キャピラリ２ａを上昇させ、あらかじめ設定されたキャピラリ２ａの上昇位置でワイヤカットクランプ（図示せず）を閉じ、リード１５上のワイヤをカットして一回のボンディング作業が完了する。
上記実施の形態によれば、２ｎｄボンディングの際に、第１孔（チャンファー）２４に設けられた段差部１７によってキャピラリ２ａの内側でもワイヤ１８がリード１５に確実に接合されると共に、段差部１７の先端下に間隔Ｓを設けることにより段差部１７の下でワイヤ１８が破断することを抑制できる。従って、リード１５とワイヤ１８の接合性を向上させるために加圧及び超音波振動の印加それぞれを大きくした場合、それによってチャンファー２４の底部の端部１６でワイヤ１８がたとえ破断しても、段差部１７の下ではワイヤ１８が破断することなくリード１５に確実に接続することができる。その結果、リード１５からワイヤ１８が剥がれることを抑制でき、それによりキャピラリのフィードアップまで確実にワイヤ１８がリード１５に接続される。このため、ワイヤ切れやワイヤ抜けなどのエラーが発生せず、次のボンディングに必要なボール形成のためのワイヤテールを十分に確保できる。よって、ワイヤボンディング装置を連続して稼動することができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を示す構成図である。 （Ａ）は、図１に示すキャピラリの側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。 （Ａ）は、２ｎｄボンディングにおいて第２ボンディング点となるリードに対してワイヤを接続する際のキャピラリ先端の様子を示す断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す段差部を拡大した断面図である。 （Ａ）は、図３（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図であり、（Ｂ）は、図７に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。 （Ａ）は、前記キャピラリを示す側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すキャピラリの先端を拡大した断面図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、ワイヤボンディング装置によるワイヤボンディングを行う工程を説明する図である。 図６（Ｃ）に示す段階において第２ボンディング点となるリードに対してワイヤを接続する際のキャピラリ先端の様子を示す断面図である。
符号の説明
２…ボンディングアーム
２ａ，１０２ａ…キャピラリ
３…駆動手段
４…ＸＹテーブル
５…ボンディングステージ
５ａ…ヒータ
６，１０６…キャピラリの先端
７…第３内側面
１２…ＩＣチップ
１３…第１内側面
１４…第２内側面
１５，１１５…リード
１６…第１孔の底部の端部
１７…段差部
１８，１１８…ワイヤ
１９，１１９…貫通孔
２２，１２２…第２孔
２３，１２３…第３孔
２４，１１３…第１孔（チャンファー）
２５…第１の接合力
２６…第２の接合力
２７…第３の接合力
１０１…ボール
１０３…第１ボンディング点
１０４…第２ボンディング点
１０５…放電電極
１１５ａ…被ボンディング面
１１６…キャピラリの先端と被ボンディング面との間の位置

Claims (7)

  1. 先端に設けられ、該先端からワイヤを送り出す先端孔を有するワイヤボンディング用キャピラリであって、
    前記先端孔の内部は、先端に向かうほど径が大きく形成されており、
    前記先端孔の内側面に段差部が形成されていることを特徴とするワイヤボンディング用キャピラリ。
  2. 前記段差部の先端と前記先端孔の最先端との間隔が前記ワイヤの直径の０．０５倍以上０．９５倍以下であ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用キャピラリ。
  3. 前記先端孔の内側面は、基端側に位置する第１内側面と、該第１内側面に接続された第２内側面と、先端側に位置し且つ前記第２内側面に接続された第３内側面とを有しており、前記段差部は、前記第１内側面と前記第２内側面との接続部及び前記第２内側面と前記第３内側面との接続部によって形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤボンディング用キャピラリ。
  4. 前記段差部の先端は、前記第１内側面と前記第２内側面との接続部に位置することを特徴とする請求項３に記載のワイヤボンディング用キャピラリ。
  5. 前記第１内側面は第１頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状を有し、前記第２内側面は第２頂角を有する円錐の下部側の側面、円柱の側面及びドーナツ状平面のいずれか一つと略同じ形状を有し、前記第３内側面は第３頂角を有する円錐の下部側の側面と略同じ形状を有することを特徴とする請求項３又は４に記載のワイヤボンディング用キャピラリ。
  6. 前記第１頂角は３０°以上１５０°以下であり、前記第２頂角は０°超１８０°未満であり、前記第３頂角は３０°以上１５０°以下であることを特徴とする請求項５に記載のワイヤボンディング用キャピラリ。
  7. 半導体チップの電極とリードフレームのリードをワイヤによって接続するワイヤボンディング装置において、
    請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のワイヤボンディング用キャピラリを具備することを特徴とするワイヤボンディング装置。
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