JP2008047680A - ワイヤボンディング方法及びワイヤボンディングシステム - Google Patents

ワイヤボンディング方法及びワイヤボンディングシステム Download PDF

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Abstract

【課題】表面にアルミ酸化膜が形成された電極パッドに確実にワイヤボンディングを行うことができるワイヤボンディングシステムを提供する。
【解決手段】ワイヤボンディングシステム２を、膜厚測定装置３と、ワイヤボンディング装置４とから構成する。膜厚測定装置３は、電極パッド８ａ〜８ｆ毎にアルミ酸化膜の厚みを測定する。ワイヤボンディング装置４は、電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報に基づいて、電極パッド８ａ〜８ｆ毎にボンディング条件を設定し、この設定に基づいてワイヤボンディングを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面にアルミ酸化膜が形成された電極パッドを有する半導体デバイスにワイヤボンディングを行うワイヤボンディング方法、及びこの半導体デバイスにワイヤボンディングを行うワイヤボンディングシステムに関する。
ＣＣＤイメージセンサなどの撮像デバイスは、イメージングチップと、このイメージングチップが固着されるパッケージと、イメージングチップの撮像面を覆うようにしてパッケージに固着されるガラス板とから構成される。
撮像デバイスの製造工程においては、ガラス板の接着前に、イメージングチップの電極パッドとパッケージのリード端子とを、導電性を有するワイヤで接続するワイヤボンディングが行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。ここで、イメージングチップの電極パッドには一般にアルミを含む材料（例えば、Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣｕなど）が用いられるが、この電極パッドは大気中の酸素と反応し、その表面にアルミ酸化膜が形成されるため、このアルミ酸化膜を除去して電極パッドにワイヤを接続する必要があった。
電極パッドのアルミ酸化膜を除去する方法としてアルゴンプラズマ処理が知られているが、このアルゴンプラズマ処理を撮像デバイスに適用すると、アルミ酸化膜だけでなくイメージングチップの撮像面に配された有機材料で形成されたマイクロレンズもダメージを受けてしまうという問題があった。このため、撮像デバイスにはアルゴンプラズマ処理を適用することができなかった。
従来では、撮像デバイスの電極パッドのアルミ酸化膜を除去する技術として、ワイヤが挿通されたキャピラリを超音波で振動させながら、ワイヤの先端を溶融して形成したボールを電極パッドに押し当てて、超音波エネルギー及び加圧エネルギーでアルミ酸化膜を破砕する技術が一般的に用いられてきた。アルミ酸化膜の膜厚はイメージングチップの電極パッド毎に異なるが、膜厚が最も厚いアルミ酸化膜に対応させて超音波エネルギー及び加圧エネルギーを設定し、この設定で全ての電極パッドに対してワイヤボンディングを行っていた。なお、膜厚が最も厚いアルミ酸化膜に対応した超音波エネルギー及び加圧エネルギーは、テストボンディングの結果に基づいて設定されていた。
特開平１１−６７７０２号公報 特開２０００−７７４５３号公報
上記のように、膜厚が最も厚いアルミ酸化膜に対応した超音波エネルギー及び加圧エネルギーに設定してワイヤボンディングを行うことにより、全ての電極パッドのアルミ酸化膜を確実に除去することができる。しかしながら、上記の設定では、膜厚が薄いアルミ酸化膜の電極パッドにワイヤボンディングを行ったときに、アルミ酸化膜が短時間で破砕され、残りの大きな超音波エネルギー及び加圧エネルギーがワイヤ先端のボールの変形エネルギーとして用いられ、ボールが電極パッド上で適切な形状にならないという問題があった。すなわち、ボールの変形エネルギーが過大であると、ボールが電極パッド上で平らに広がって厚みが非常に薄くなり、これにより、隣り合う電極パッドとショートしやすくなったり、ボールにクラックが生じてボールが電極パッドから剥がれ易くなったりするなどの問題が生じる。
本発明は、表面にアルミ酸化膜が形成された電極パッドに確実にワイヤボンディングを行うことができるワイヤボンディング方法及びワイヤボンディングシステムを提供することを目的とする。
本発明は、半導体チップの電極パッドと、前記半導体チップが固着されたパッケージ基板のリード端子とを金属線でワイヤボンディングするワイヤボンディング方法に関し、前記電極パッドの表面に形成された酸化被膜の厚みを測定し、測定した酸化被膜の厚みに応じてボンディング条件を設定して、ワイヤボンディングを行うことを特徴とする。
前記酸化被膜に照射した検査光の反射光を検出し、この検出した反射光に基づいて前記酸化被膜の厚みを算出することが好ましい。この測定方式により、酸化被膜を簡単且つ正確に測定することができる。
前記半導体チップがイメージングチップである場合には、アルゴンプラズマ処理を適用することができないため、本発明が有効である。前記電極パッドはアルミニウムを含む材料で形成されており、前記酸化被膜はアルミ酸化被膜である場合に本発明が有効である。
本発明のワイヤボンディングシステムは、パッケージ基板に固着された半導体チップの電極パッドの表面に形成された酸化被膜の厚みを測定する膜厚測定装置と、前記膜厚測定装置が測定した前記酸化被膜の厚み情報を受信して、この受信した厚み情報に応じてボンディング条件を設定するボンディング条件設定手段、及び前記ボンディング条件設定手段により設定したボンディング条件で、前記電極パッドと前記パッケージ基板のリード端子とをワイヤボンディングするキャピラリとを備えたワイヤボンディング装置と、から構成されることを特徴とする。
本発明によれば、電極パッド毎に酸化被膜の厚みを測定し、この測定に基づいて電極パッド毎にキャピラリのボンディング条件を設定するので、全ての電極パッドに確実にワイヤボンディングを行うことができる。電極パッドのアルミ酸化膜は確実に除去され、また、電極パッド上のボールは適切な形状に変形する。
図１に示すように、ワイヤボンディングシステム２は、膜厚測定装置３と、ワイヤボンディング装置４とから構成され、撮像デバイス５にワイヤボンディングを行うものである。撮像デバイス５は、図示しない搬送機構によって図中矢印で示す方向に搬送され、その搬送の途中で、膜厚測定装置３によって測定が行われる測定位置と、ワイヤボンディング装置４によってワイヤボンディングが行われるボンディング位置とに停止する。
撮像デバイス５は、パッケージ７の上面に、イメージングチップ６がマウントされたものである。イメージングチップ６の上面には撮像面１０が形成されており、この撮像面１０の周囲には複数の電極パッド８ａ〜８ｆが設けられている。電極パッド８ａ〜８ｆはアルミニウムを含む材料（例えば、Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣｕなど）で形成されている。各電極パッド８ａ〜８ｆの表面は大気中の酸素と反応し、その表面にはアルミ酸化膜が形成されている。アルミ酸化膜は透明性を有している。
パッケージ７には複数のリード端子９ａ〜９ｆが設けられている。ワイヤボンディングによって、電極パッド８ａ〜８ｆとリード端子９ａ〜９ｆとが１対１に対応してワイヤを介して接続される。
膜厚測定装置３は、検査光を照射する照射部１１と、検査光の反射光を受光する受光器１２とを有する。照射部１１は、検査光を発する光源部１３と、この光源部１３の検査光を被測定部位に導くための光ファイバ１４とからなる。光源部１３が検査光を発するタイミングは、光源制御部１５を介してコントローラ１６によって制御される。被測定部位は、撮像デバイス５の各電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜である。
受光器１２は、検査光の反射光を受光し、反射光の光情報を膜厚算出部１７へ送る。膜厚算出部１７では、反射光の光情報に基づいてＬ＊ａ＊ｂ＊表色系の変数ａ＊，ｂ＊のうちいずれか一方を演算し、この演算された変数の値に基づいてアルミ酸化膜の厚みを算出し、この算出した厚み情報をコントローラ１６に送る。膜厚算出部１７は、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系の変数とアルミ酸化膜の厚みとを対応させたデータテーブルを記憶しており、このデータテーブルを参照してアルミ酸化膜の厚みを算出する。なお、反射光の光情報からアルミ酸化膜の厚みを算出する方法については、特開平２−１０２０６号公報に詳細に記載されている。
照射部１１及び受光器１２は移動機構１８によって移動可能である。移動機構１８は、照射部１１及び受光器１２の相互間隔を一定に保ちつつ、照射部１１及び受光器１２を撮像デバイス５の各電極パッド８ａ〜８ｆ上に順に位置させる。移動機構１８はコントローラ１６によって制御される。
コントローラ１６には通信部１９が接続されている。この通信部１９は、図示しない通信ケーブルを介してワイヤボンディング装置４の通信部３９と接続されている。通信部１９及び通信部３９を介して、膜厚測定装置３からワイヤボンディング装置４へ、電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報が送られる。なお、膜厚測定装置３とワイヤボンディング装置４との間は、無線通信回線により接続してもよい。
ワイヤボンディング装置４は、キャピラリ３１と、このキャピラリ３１を保持するボンディングアーム３２とを有する。キャピラリ３１は円柱形状であり、下部は先すぼまりの形状になっている。キャピラリ３１には上下に延びる貫通孔３１ａが形成されており、この貫通孔３１ａにはワイヤ３３が挿通される。ワイヤ３３は図示しないスプールから供給される。ワイヤ３３の材料には金が用いられている。なお、ワイヤ３３の材料には金の替わりにアルミニウムなどの導電性の金属を用いてもよい。
キャピラリ３１の近傍には、図示しないトーチ電極が設けられている。このトーチ電極は、ワイヤ先端部に高電圧を付与して、ワイヤ先端部を溶融させてボール状にする。
ボンディングアーム３２は、超音波発振器３４とホーン３５とからなる。超音波発振器３４は超音波振動を発生する。超音波発振器３４は、駆動制御部３６を介してコントローラ３７によって、超音波振動の振幅、すなわち超音波振動の強さが制御される。ホーン３５の先端部にはキャピラリ３１が保持されており、超音波発振器３４で発生した超音波振動はホーン３５を介してキャピラリ３１に伝達され、キャピラリ３１が振動する。
ボンディングアーム３２は、移動機構３８によって３次元で移動可能である。移動機構３８は、ボンディングアーム３２に保持されたキャピラリ３１を、搬送されてボンディング位置に位置した撮像デバイス５の各電極パッド８ａ〜８ｆ上に順に移動させる。そして、キャピラリ３１を対応する電極パッドに押し当てる接触位置と、対応する電極パッドから上方に離れる退避位置との間で移動させる。撮像デバイス５がボンディング位置に搬送されると、この撮像デバイス５が図示しないヒータにより温められるよう構成されている。
ワイヤボンディング装置４のコントローラ３７には、通信部３９及びボンディング条件設定部４０が接続されている。通信部３９は、膜厚測定装置３によって測定された、電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報を受信する。この厚み情報は、コントローラ３７を介してボンディング条件設定部４０に送られる。
ボンディング条件設定部４０では、電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報に基づいて、電極パッド８ａ〜８ｆ毎にボンディング条件を設定する。ボンディング条件を設定するとは、キャピラリ３１及びワイヤ先端部を介して電極パッドに与える超音波エネルギー及び加圧エネルギーを設定することを意味しており、すなわち、ボンディング時に超音波発振器３４が発する超音波振動の強さ及び時間並びにボンディング時にキャピラリ３１が電極パッドを押す加圧力を設定することを意味している。ボンディング条件は、対応する電極パッドのアルミ酸化膜を確実に破るとともに、対応する電極パッド上でワイヤ先端のボールが適切に変形する条件で設定される。電極パッド上でワイヤ先端のボールが適切に変形するとは、ボールが電極パッド上で広がりすぎず、また厚みが薄くなりすぎないように変形することを意味する。
以下、上記構成による作用について図１及び図２を用いて説明する。撮像デバイス５が、図示しない搬送機構により搬送され、測定位置で停止する。
移動機構１８が駆動し、照射部１１及び受光器１２が電極パッド８ａ上に移動する。照射部１１からの検査光が電極パッド８ａのアルミ酸化膜に照射される。検査光の反射光は受光器１２に受光され、受光器１２は反射光の光情報を膜厚算出部１７へ送る。次いで、照射部１１及び受光器１２が他の電極パッド８ｂ〜８ｆ上に順に移動して、上記と同様の動作が繰り返される。
膜厚算出部１７では、反射光の光情報に基づいて、各電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚みを算出する。算出された電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報は、コントローラ１６及び通信部１９を介して、ワイヤボンディング装置４へと送られる。
電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報は、通信部３９及びコントローラ３７を介して、ボンディング条件設定部４０へ送られる。ボンディング条件設定部４０では、電極パッド８ａ〜８ｆのアルミ酸化膜の厚み情報に基づいて、電極パッド８ａ〜８ｆ毎にボンディング条件を設定する。
膜厚測定装置３による測定を終えた撮像デバイス５は、図示しない搬送機構により、測定位置からボンディング位置へと搬送される。移動機構３８が駆動してキャピラリ３１が電極パッド８ａ上に移動し、図示しないトーチ電極によりワイヤ先端が溶融されてワイヤ先端がボール状とされる。
キャピラリ３１が移動し、ワイヤ先端のボールが電極パッド８ａに接触する。ここで、キャピラリ３１は、ボンディング条件設定部４０で設定された強さで超音波振動するとともに、設定された強さでワイヤ先端のボールを介して電極パッド８を加圧する。これにより、設定された超音波エネルギー及び加圧エネルギーが電極パッド８ａに与えられ、電極パッド８ａのアルミ酸化膜は確実に破られるとともに、電極パッド８ａ上でボールが適切に変形する。ボールが適切な形状に変形することから、電極パッド８ａが隣り合う電極パッド８ｂとショートをおこすことはなく、また、ボールが電極パッド８ａから剥がれることもない。キャピラリ３１は、電極パッド８ａにワイヤを接続した後、このワイヤをリード端子９ａに接続する。電極パッド８ａとリード端子９ａがワイヤにより接続される。
この後、キャピラリ３１が他の電極パッド８ｂ〜８ｆ上に順に移動して、電極パッド８ａ及びリード端子９ａのときと同様の動作が繰り返される。各電極パッド８ｂ〜８ｆへのボンディング時には、ボンディング条件設定部４０で設定されたそれぞれ異なる超音波エネルギー及び加圧エネルギーが各電極パッド８ｂ〜８ｆに与えられる。ワイヤボンディングが完了した撮像デバイス５は、図示しない搬送機構により搬送され、この撮像デバイス５にはイメージングチップ６の撮像面１０を保護するガラス板が取り付けられる。
なお、上記実施形態では、ボンディング条件設定部は、超音波エネルギー及び加圧エネルギーを設定したが、ボンディング条件に関係する他のエネルギー、例えばヒータにより撮像デバイスに与えられる熱エネルギーを設定してもよい。
上記実施形態では、半導体チップとしてイメージングチップを例に挙げて説明したが、他の種類の半導体チップであってもよい。特に電極パッドの酸化被膜の除去にアルゴンプラズマ処理を用いることができない半導体チップを用いる場合に本発明が有効である。
上記実施形態では、検査光の反射光の光情報に基づいてＬ＊ａ＊ｂ＊表色系の変数ａ＊，ｂ＊のうちいずれか一方を演算し、この演算された変数の値に基づいて酸化被膜の厚みを算出したが、他の方法によって酸化被膜の厚みを算出してもよい。例えば、波長の異なる検査光を酸化被膜に照射し、これらの検査光の反射率の差を測定することにより、酸化被膜の厚みを算出してもよい。
ワイヤボンディングシステムの概略構成図である。 ワイヤボンディングの流れを示すフローチャートである。
符号の説明
２ ワイヤボンディングシステム
３ 膜厚測定装置
４ ワイヤボンディング装置
５ 撮像デバイス
８ａ〜８ｆ 電極パッド
１１ 照射部
１２ 受光器
１７ 膜厚算出部
３１ キャピラリ
４０ ボンディング条件設定部

Claims (5)

  1. 半導体チップの電極パッドと、前記半導体チップが固着されたパッケージ基板のリード端子とを金属線でワイヤボンディングするワイヤボンディング方法において、
    前記電極パッドの表面に形成された酸化被膜の厚みを測定し、
    測定した酸化被膜の厚みに応じてボンディング条件を設定して、ワイヤボンディングを行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
  2. 前記電極パッドはアルミニウムを含む材料で形成されており、前記酸化被膜はアルミ酸化被膜であることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング方法。
  3. 前記酸化被膜に照射した検査光の反射光を検出し、この検出した反射光に基づいて前記酸化被膜の厚みを算出することを特徴とする請求項１または２記載のワイヤボンディング方法。
  4. 前記半導体チップはイメージングチップであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のワイヤボンディング方法。
  5. パッケージ基板に固着された半導体チップの電極パッドの表面に形成された酸化被膜の厚みを測定する膜厚測定装置と、
    前記膜厚測定装置が測定した前記酸化被膜の厚み情報を受信して、この受信した厚み情報に応じてボンディング条件を設定するボンディング条件設定手段、及び前記ボンディング条件設定手段により設定したボンディング条件で、前記電極パッドと前記パッケージ基板のリード端子とをワイヤボンディングするキャピラリとを備えたワイヤボンディング装置と、から構成されることを特徴とするワイヤボンディングシステム。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009302371A (ja) * 2008-06-16 2009-12-24 Fujitsu Microelectronics Ltd 半導体装置の製造方法
JP2014228478A (ja) * 2013-05-24 2014-12-08 株式会社ジェイテクト 光学非破壊検査方法及び光学非破壊検査装置

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