JP2007035827A - ワイヤボンディング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被ボンディング材に導電体を超音波ボンディングするワイヤボンディング装置について、半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所における使用を可能とするために、導電体を含めたボンディングツール周辺の構造を横方向のサイズについて縮小化を図りつつ、ホーンのインピーダンスや共振周波数を安定させ、安定したボンダビリティを有し、超音波振動振幅の伝達が阻害されない超音波ワイヤボンダを提供する。
【解決手段】導電体６をボンディングツール７の先端付近まで導く供給経路を、ボンディングツール７と概ね平行とし、ボンディングツール７に対して共振体と相反する側のできるだけ近い位置にとるように、導電体ガイド１１，１２を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に用いる超音波方式のワイヤボンディング装置に関し、特に半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所においてボンディング可能なワイヤボンディング装置に関する。
半導体デバイスの製造において、半導体チップ上に設けられた接続電極（ボンディングパッド）と半導体パッケージに設けられた外部引出し用端子（リード）とを電気的に接続するために、アルミ等の導電性ワイヤを用いる超音波ワイヤボンディング装置が広く一般に使用されている。
一般に、ウェッジボンダのワイヤ接合部におけるワイヤが供給される方向は、ツールの振動方向と一致させる必要があり、また、ワイヤの供給には負荷がかからないような経路をとる必要がある。そこで、ワイヤが超音波振動子の下方を通ってツール先端に供給されるような構造（特許文献１参照）や、ホーン本体にボンディングツール先端へ向けたワイヤ通過穴をあけた構造（特許文献２参照）が採用されている。
また、本発明に関連する先行技術として、ホーン先端部分に取り付けられているキャピラリの交換によって生じるホーンのインピーダンスや共振周波数の変化を安定させ、規定の超音波エネルギ、振動振幅を得るために、超音波振動モードの節となる部位に、穴をあける等のホーンを形成する材料とは密度の異なる物質を存在させるという技術が知られている（特許文献３参照）。
特開平１０−０４１３３４号公報 特開平０６−１７７２１６号公報 特開２００１−１２１０８０号公報
半導体パッケージの形状は様々であり、その形状に適用できるワイヤボンディング装置を使用する必要があるが、パッケージの形状が小型化・複雑化するに伴って、ワイヤボンダのボンディングツール周辺の構造も横寸法を縮小化しなければならない。
また、自動車等に用いられるパワーデバイスにおいては、ボンディングパッドとリードとの接続に用いられる断面が円形状のワイヤを、耐電流容量を増大し、ボンド接合面積を拡大するために、断面が幅広のリボン状の導電体（以下「リボン」と呼ぶ。）を用いて接続するワイヤボンディング（以下ワイヤ及びリボンを用いるものを含めて「ワイヤボンディング」と呼ぶ。）の需要が高まってきている。
しかし、前述のようにワイヤが超音波振動子の後方を通ってツール先端に供給される構造では、ボンディングツールとワイヤとのなす角度が大きく、半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所においてはボンディングを行えないことがある。また、ホーン本体にボンディングツール先端へ向けた導電体通過穴をあけた構造では、特にリボンを用いた場合に幅広の通過穴が必要となり、ホーンの外径及びボンディングツール穴に対する影響が大きくなる。その結果、ホーンのインピーダンスや共振周波数を変化させ、ホーンの振動振幅の伝達を阻害することとなる。
そこで、本発明は、超音波を用いて被ボンディング材に導電体を接合するワイヤボンディング装置であって、半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所における使用を可能とするために、ワイヤを含めたボンディングツール周辺の構造を横方向のサイズについて縮小化を図りつつ、ホーンのインピーダンスや共振周波数を安定させ、安定したボンダビリティを有し、超音波振動振幅の伝達が阻害されないワイヤボンディング装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明によるワイヤボンディング装置では、導電体をボンディングツールの先端付近まで導く供給経路を、ボンディングツールと概ね平行とし、ボンディングツールに対して共振体と相反する側のできるだけ近い位置にとるようにする。
すなわち本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、振動子から発生された超音波振動を伝達する共振体と、共振体の先端部付近に、共振体の中心軸に略直交する向きに延出されたボンディングツールと、ボンディングツール先端に導かれる導電体を供給する導電体供給体とを有し、被ボンディング材に導電体を接合するワイヤボンディング装置であって、ボンディングツールの先端付近にあって共振体と相反する側に配設された導電体ガイドを有し、導電体供給体を導電体ガイドの上方に配設することにより、導電体をボンディングツールと概ね平行にボンディングツールの先端付近まで導くワイヤボンディング装置を提供する。
これによると、導電体をボンディングツールに近接させることにより、導電体からボンディングツール中心までの横方向のサイズが縮小され、障壁があるような狭い場所においてもボンディングを行うことができ、共振体に導電体の通過穴をあける必要がないため、通過穴によって生じる共振体の超音波振動伝達への影響を受けることなく、ボンディングを行うことができる。
また本発明は、上記課題を解決するための第２の手段として、振動子から発生された超音波振動を伝達する共振体と、共振体の先端部付近に、共振体の中心軸に略直交する向きに延出されたボンディングツールと、ボンディングツール先端に導かれる導電体を供給する導電体供給体とを有し、被ボンディング材に導電体を接合するワイヤボンディング装置であって、ボンディングツールの先端付近にあって共振体と相反する側に配設された第１の導電体ガイドと、第１の導電体ガイドの上方に配設された第２の導電体ガイドとを有することにより、導電体をボンディングツールと概ね平行にボンディングツールの先端付近まで導くことを特徴とするワイヤボンディング装置を提供する。
これによると、第１の手段による作用・効果に加えて、導電体供給体を配設する位置が限定されないため、導電体供給経路及び装置の設計に自由度が与えられる。
さらに本発明は、上記課題を解決するための第３の手段として、第１及び第２の手段である前記ワイヤボンディング装置において、導電体がリボンであるワイヤボンディング装置を提供する。
これによると、共振体に導電体の通過穴をあけた構造のワイヤボンディング装置においては、通過穴が幅広であるほど共振体のインピーダンスや共振周波数を変化させ、振動振幅の伝達を阻害することとなるが、通過穴によるこれらの影響を生じないために特に幅広のリボンを用いたときに本手段による効果は大きい。
上記手段を用いることにより、ボンディングツールの長さ方向と直交するどの断面においても、従来技術の超音波ワイヤボンダよりも導電体とボンディングツール中心との横寸法を小さくすることができる。したがって、半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所において、ワイヤボンディングを行うことができるようになり、しいては半導体パッケージの小型化を可能とする。また、通過穴を大きくしたときに生ずる共振体のインピーダンスや共振周波数の変化の影響を受けないため、安定したワイヤボンディングを行うことが可能となり、超音波振動振幅の伝達が阻害されることもない。したがてって、超音波振動系設計の自由度も広がる。
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置のボンディング動作を行う様子を示した側面図である。ワイヤボンディング装置は、超音波発振器１と、超音波発振器１から発振された電気信号から超音波振動を発生するＢＬＴ振動子２と、ＢＬＴ振動子２から発生された超音波振動を伝達する共振体としてのコーン３と、同じく超音波振動を伝達する共振体としてのホーン４と、ホーン４の先端部付近に取り付けられたボンディングツール７とを有している。
ＢＬＴ振動子２、コーン３及びホーン４の中心軸は全て一致するように連結されており、ボンディングツール７は、ホーン４の中心軸と概ね直行する向きに伸びるようにボンディングツールセットねじ８により固定されている。ボンディングツール７の先端は、導電体６へ効率よく超音波を印加でき、さらに導電体を正確な位置に接合できるような形状、例えば凹部を有する形状又は複数の凹部若しくは大きさの異なる複数の凹部を有する形状であってよい。
ＢＬＴ振動子２、コーン３及びホーン４の上方にはブロック１４が配置されている。ブロック１４から懸装されたホルダ１５によってコーン３の振動振幅の節となる位置を保持している。
ボンディングツール７の先端付近であってホーン４の先端部側には、ブロック１４から懸装された導電体ガイドホルダ１０により固定された、導電体ガイド手段としての第１の導電体ガイド１１が配設されている。第１の導電体ガイド１１は、導電体６が導かれる方向を変え、ボンディングツール７の先端下方で一定方向に供給されるような構造をしていればよい。ボンディングツール７に対して導電体ガイドホルダ１０の反対側には、導電体ガイドホルダ１０と同様にブロック１４から懸装された、導電体を切断する導電体カッタ９が取り付けてある。
また、ブロック１４には、導電体供給体としての導電体スプール１３が装備され、第１の導電体ガイド１１の上方には導電体ガイド手段として、第２の導電体ガイド１２が配設されている。導電体スプール１３から引き出される導電体６は、第２の導電体ガイド１２を経由して、ホーン４の中心軸線上であってホーンの先端部に近接する点を通過し、ボンディングツール７とほぼ平行にツール先端方向に導かれ、第１の導電体ガイド１１を経由してツール先端下方に供給される。
ボンディングツール７は、ツール先端がホーン４の中心軸と同じ方向に振動し、ツールの長さ方向に加圧を行いつつ超音波振動を印加して導電体６を被ボンディング材に超音波接合する。ワイヤボンディング装置は、半導体素子２２に設けられた接続電極（ボンディングパッド）にファーストボンディングを行う。続いてボンディングツール７を含むボンディングヘッドがケーシング２０の方向（図面右方向）へ移動しながら、若しくはケーシング２０がボンディングツール７の方向（図面左方向）へ移動しながら、導電体６が引き出され、ケーシング２０に設けられた回路主端子２１と接続した外部引出し端子（リード）にセカンドボンディングを行う。その後、導電体カッタ９によって導電体６は切断されて、ボンディング１工程が終了する。
第１の導電体ガイド１１及びボンディングツールセットねじ８の横寸法を小さくするほど、ボンディングツール７の先端をさらにケーシング２０に近づけることができる。すなわち、より狭い場所におけるボンディングが可能となり、ケーシング形状の小型化・複雑化が可能であるといえる。
図２は、本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示した概念図である。（Ａ）は本発明によるワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示しており、（Ｂ）はＢＬＴ振動子２の後端からホーン４の先端までの縦振動振幅モードを示しており、（Ｃ）はボンディングツール７の後端から先端までの撓み振動振幅モードを示している。
超音波発振器１から発振された電気信号は、ＢＬＴ振動子２により縦振動の超音波振動に変換され、コーン３及びホーン４を共振して伝達され、ホーン４の先端部付近に取り付けられたボンディングツール７で撓み振動に変換される。ホーンには導電体の通過穴が設けられていないため、振動振幅は損失なくホーン先端まで伝わる。ホーン４の先端は固定されておらず、振動振幅が最大（振動振幅の腹）となるようにされている。ボンディングツール７は、ホーン４の先端部付近の振動振幅が大きな位置に取り付けられることにより、縦振動から撓み振動へ変換する際の超音波振動振幅の減衰を抑える。ボンディングツール７の撓み振動は、ボンディングツールセットねじ８により固定された部位が振幅の腹となり、ツール先端の振動振幅が最大となって伝達されるように調整される。そしてボンディングツール７の先端において、導電体に超音波振動を印加し、ツールによる加圧を併用して導電材をボンディングパッド及びリードなどの被ボンディング材に超音波接合する。
図３は、本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置のホーン先端部付近を示す上面図である。リボン６は、ホーン４の先端部にできるだけ近い位置を供給経路とされている。
このように図１〜図３は、本発明によるワイヤボンディング装置の一実施例を示すが、本発明がここに示された実施例に限定されるものではない。例えば、コーン３を介さずに、ＢＬＴ振動子２に直接ホーン４を連結してもよい。この場合、ブロック１４から懸装されたホルダ１５が保持する位置は、コーン３を固定する場合と同様に、ＢＬＴ振動子２又はホーン４の振動振幅の節となる位置であればよい。また、第２の導電体ガイド１２の配設位置は、第１の導電体ガイド１１の上方であればよく、第１の導電体ガイド１１からの距離を大きくするほどより高い障壁を有するケーシングに適用することができる。
また、導電体スプール１３から引き出される導電体の経路の始点が、ブロック１４に設けられる第２の導電体ガイド１２の上方すなわちホーン４の先端部の上方となるように、導電体スプール１３を配置してもよい。さらに、導電体スプール１３をこのように配置した場合に、第２の導電体ガイド１２を設けずに、導電体６が、共振体の中心軸線上であって共振体の先端部に近接する点を通過し、ボンディングツール７と概ね平行にボンディングツール先端付近まで直接導かれるようにしてもよい。
図４は、従来技術に基づいて構成されたワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示した概念図である。（Ａ）は従来技術によるワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示しており、（Ｂ）はＢＬＴ振動子２の後端からホーン４の先端までの縦振動振幅モードを示しており、（Ｃ）はボンディングツール７の後端から先端までの撓み振動振幅モードを示している。導電体をボンディングツールと概ね平行にしてツール先端付近へ導く手段を含んだものであって、半導体パッケージのケーシングなどの障壁がある狭い場所において、ワイヤボンディングを行うことができる。
図５は、従来技術に基づいて構成されたワイヤボンディング装置のホーン先端部付近を示す上面図である。
図４及び図５に示す従来技術に基づいて構成されたワイヤボンディング装置は、図１〜図３に示す本発明によるワイヤボンディング装置と異なり、ボンディングツール７に対してＢＬＴ振動子２の側であって、ホーン４の中心軸線上に導電体通過穴５があけられている。導電体６は、図１〜図３のようにホーン先端部に近接した中心軸の延長線上を通過するのではなく、ホーン４にあけられた導電体通過穴５を通過して、ボンディングツール７と概ね平行な経路をたどってツール先端付近まで導かれる。第１の導電体ガイド１１はボンディングツール７に対してＢＬＴ振動子２の側に取り付けてある。
ホーン４にあけられた導電体通過穴５が小さい場合には、超音波振動の伝達への影響は少なく、ホーンのどの部位にあけても問題とはならない。しかし、導電体通過穴５がホーン４の外径及びボンディングツール穴に対して穴径の影響を無視できなくなる大きさになると、ホーンのインピーダンスや共振周波数を変化させ、例え超音波振動モードの節となる部位に穴をあけたとしても、ホーンの振動振幅の伝達を阻害することとなる。
したがって、縦振動振幅モードに示すように、導電体通過穴をあけた場合には、導電体通過穴がない場合よりも超音波振動振幅が小さくなってボンディングツール７へ伝達される。その結果、ボンディングツールの撓み振動振幅モードに示すように、撓み振動に変換された振動振幅についても、導電体通過穴をあけた場合には、導電体通過穴がない場合よりも超音波振動振幅は小さくなり、超音波接合能力を低下させる。
本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置のボンディング動作を行う様子を一部破断して示した側面図である。 本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示した概念図である。 本発明の一実施例として、ワイヤボンディング装置のホーン先端部付近を示す上面図である。 従来技術に基づいて構成されたワイヤボンディング装置の側面を一部破断して示した概念図である。 従来技術に基づいて構成されたワイヤボンディング装置のホーン先端部付近を示す上面図である。
符号の説明
１ 超音波発振器
２ ＢＬＴ振動子
３ コーン
４ ホーン
５ 導電体通過穴
６ 導電体
７ ボンディングツール
８ ボンディングツールセットねじ
９ 導電体カッタ
１０ 導電体ガイドホルダ
１１ 第１の導電体ガイド
１２ 第２の導電体ガイド
１３ 導電体スプール
１４ ブロック
１５ ホルダ
２０ ケーシング
２１ 主回路端子
２２ 半導体素子

Claims (3)

  1. 振動子から発生された超音波振動を伝達する共振体と、
    前記共振体の先端部付近に、前記共振体の中心軸に略直交する向きに延出されたボンディングツールと、
    前記ボンディングツール先端に導かれる導電体を供給する導電体供給体とを有し、
    被ボンディング材に導電体を接合するワイヤボンディング装置であって、
    前記ボンディングツールの先端付近にあって前記共振体と相反する側に配設された導電体ガイドを有し、
    前記導電体供給体を前記導電体ガイドの上方に配設することにより、
    前記導電体を前記ボンディングツールと概ね平行に前記ボンディングツールの先端付近まで導くことを特徴とするワイヤボンディング装置。
  2. 振動子から発生された超音波振動を伝達する共振体と、
    前記共振体の先端部付近に、前記共振体の中心軸に略直交する向きに延出されたボンディングツールと、
    前記ボンディングツール先端に導かれる導電体を供給する導電体供給体とを有し、
    被ボンディング材に導電体を接合するワイヤボンディング装置であって、
    前記ボンディングツールの先端付近にあって前記共振体と相反する側に配設された第１の導電体ガイドと、
    前記第１の導電体ガイドの上方に配設された第２の導電体ガイドとを有することにより、
    前記導電体を前記ボンディングツールと概ね平行に前記ボンディングツールの先端付近まで導くことを特徴とするワイヤボンディング装置。
  3. 前記導電体が、リボンであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載のワイヤボンディング装置。
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