JP2012038869A - ワイヤボンディング装置及びワイヤボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を容易に供給できるワイヤボンディング装置を提供する。
【解決手段】ホーン３は振動素子部２が発生した超音波振動を端部３ｂに取り付けられたキャピラリ６に伝播する。ホーン３は、キャピラリ６の近傍付近の端部３ｂの内部にヒータ制御部４の制御に基づいて内部からホーン３を過熱するヒータ３ａを備える。ヒータ３ａは、棒状のホーン３の幅方向の断面に対して、その断面を覆うように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造工程におけるワイヤボンディング装置、及びワイヤボンディング方法に関する。

ワイヤボンディング装置は、半導体装置の製造工程において半導体チップとリードフレームとを金属の細線ワイヤで接続するワイヤボンディング工程で使用される。ワイヤボンディング工程では、まず、キャピラリを通されたワイヤの先端がトーチなどで溶融され、ワイヤの先端に金属ボール（フリーエアボール）が形成される。形成された金属ボールは、熱圧着により半導体チップに接合される。次に、キャピラリから繰り出されたワイヤは熱圧着によりインナーリードに接合され、その後ワイヤはカットされる。この工程の中で、金属ボールを形成するために熱せられたワイヤが直ちに室温付近まで冷却されると、冷却時間の短さによる熱影響によって、ワイヤ靭性が低下するネックダメージが発生することがある。更に、金属ボールの温度が低いと、熱エネルギー不足によってボール接続不良が発生することもある。従って、金属ボールを形成してから半導体チップ（又はリードフレーム）に接合させるまでは、ワイヤの温度を高温に維持できることが好ましい。

ワイヤボンディング装置に関する技術が特許文献１〜３に開示されている。特許文献１には、加熱されたボンディングツールからの熱をリードや電極へ有効に伝達するボンディング装置が開示されている。このボンディング装置は、一部の領域の径が他の領域の径よりも大きい棒状のボンディングツール有し、その径の大きい領域を非接触で加熱することを特徴としている。このようなボンディング装置は、ボンディングツールの熱容量を増大させることができるため、ボンディング圧接面の温度低下を抑えることができるというものである。

特許文献２には、ボンディングツールを外面から加熱して、半導体チップのパッドに圧着されるワイヤの接合面温度を高温にするワイヤボンダが開示されている。このワイヤボンダは、ワイヤボンディングツールの先端部に形成され、ワイヤを加熱するワイヤ加熱部と、熱源と、熱源から加熱部に熱を供給する熱供給路とを有することを特徴としている。

特許文献３には、２０μｍを下回るような極細線の金線を用いても、安定したワイヤボンディングを行えるワイヤボンディング装置が開示されている。このワイヤボンディング装置は、スプールからキャピラリの間で金線が接触する部品の一部、又は全部を加熱する加熱装置を有することを特徴としている。

特開平５−１０９８２８号公報 特開２００７−３３５７０８号公報 特開２００５−１９１０５５号公報

特許文献１のボンディングツールは、熱容量を増加させるように、他の径より大きい径の領域を有している。しかし、他の径より大きい径の領域は、超音波振動を伝播させるときに複雑な反射波が生じるため、安定な超音波振動を供給できない問題がある。しかも、特許文献１のボンディングツールには加熱装置（ニクロムヒータ）が巻き付けられているため、超音波振動の伝播状態を一層複雑にすると考えられる。

特許文献２のワイヤボンディングツールは、２層構造（セラミック／ダイヤモンド）であるためコストが高くなる問題がある。しかも、蒸着によってヒータを形成するとあるが、これもコストを高くする要因となる。また、蒸着ではなく電気抵抗線を巻きつけて形成してもよいともあるが、これでは安定な超音波振動を供給することはできない。

即ち、これらの技術では、ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を容易に供給できない問題があった。

以下に、発明を実施するための形態で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明のワイヤボンディング装置（１）は、超音波振動を伝播するホーン（３）と、ホーン（３）の端部（３ｂ）に取り付けられたキャピラリ（６）とを具備する。ホーン（３）は、ホーン（３）の内部に設けられ、ホーン（３）の内部から加熱するヒータ（３ａ）を備える。

本発明のワイヤボンディング方法は、ヒータ（３ａ）が、端部（３ｂ）にキャピラリ（６）が取り付けられたホーン（３）を内部から加熱するステップと、キャピラリ（６）を通されたワイヤ（７）の先端を溶融して金属ボール（７ａ）を形成するステップと、金属ボール（７ａ）を導体部（１１）に押し付けるステップと、ホーン（３）とキャピラリ（６）とを介して、接触している金属ボール（７ａ）と導体部（１１）とに超音波振動を伝播するステップとを具備する。金属ボール（７ａ）と導体部（１１）とは、超音波振動とヒータ（３ａ）の熱とに基づいて接合する。

本発明のワイヤボンディング装置は、ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を供給してワイヤボンディングを行うことができる。

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１を示した模式図である。 図２は、金属ボール７ａが形成されたワイヤ７の先端と、キャピラリ６の断面とを示す図である。 図３は、金属ボール７ａとパッド１１とが接合する工程を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を説明する。

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１を示した模式図である。図１を参照すると、ワイヤボンディング装置１は、振動素子部２と、ホーン３と、ヒータ制御部４と、駆動部５と、キャピラリ６と、ワイヤ７と、ボンダーヒータ８とを具備する。本発明のワイヤボンディング装置１は、ワイヤ７を用いて半導体チップ１０とリードフレーム（図示略）とを電気的に接続する。詳細には、半導体チップ１０のパッド１１と、リードフレームのインナーリード（図示略）とを接続する。本明細書では、ワイヤ７が接合するパッド１１とインナーリードとを総称する場合、導体部と称する。

振動素子部２は、ワイヤ７と導体部とを接合するための超音波振動を発生する。

ホーン３は、振動素子部２が発生した超音波振動を、端部３ｂに取り付けられたキャピラリ６に伝播する。ホーン３は、キャピラリ６の近傍の端部３ｂの内部にヒータ３ａを備える。

ヒータ３ａはホーン３の内部に設けられ、ヒータ制御部４の制御に基づいて内部からホーン３を加熱する。ヒータ３ａの温度は、後述するボンダーヒータ８の表面温度と同等の１５０〜２４０℃程度が例示される。ヒータ３ａは、棒状のホーン３の幅方向（ＹＺ方向）の断面に対して、その断面を覆うように形成される。言い換えると、ヒータ３ａは、ホーン３の端部３ｂと同程度の断面の形状及び大きさを有する。ヒータ３ａが発生する熱は、端部３ｂからキャピラリ６に伝わり、更にワイヤ７に伝わる。ヒータ３ａは、ホーン３の端部３ｂと同程度の断面の形状及び大きさを有するため、キャピラリ６とワイヤ７とを効率良く加熱することができる。尚、ヒータ３ａは均一な熱容量を制御する最適な方法が選択される。例えば、ヒータ３ａは、一枚の導電体の板でホーン３の断面と同じ大きさに形成される、又は、線状の導電体を張り巡らせてホーン３ａの断面と同じ大きさになるように形成される。特に、面内の温度分布バラツキが大きい場合には、線材の張り巡らせる密度を変えたり、複数の線材を張り巡らせたりして、ヒータ３ａは形成される。また、バラつきが少ない（許容範囲内）であれば、全面に薄膜を使用して、ヒータ３ａは形成される。

ヒータ制御部４は、ヒータ３ａとケーブルで接続され、ヒータ３ａの温度を制御する。尚、ヒータ制御部４は、温度センサ（例えばホーン３の温度を測定する温度センサ）に基づいてヒータ３ａを制御することができる。尚、ヒータ制御部４とヒータ３ａとを接続するケーブルは、ホーン３内部を挿通していなくてもよい。

駆動部５は、ワイヤ７と導体部とを接合するために、ホーン３及びキャピラリ６を水平方向（ＸＹ方向）及び垂直方向（Ｚ方向）に自在に移動させる。また、駆動部５は、ワイヤ７と導体部との接合に必要な荷重を与えるために、キャピラリ６を下方向（−Ｚ方向）に押し付ける。

キャピラリ６は、ホーン３の端部３ｂに取り付けられ、内部をワイヤ７が挿通する。キャピラリ６は、駆動部５の制御に基づいて、ワイヤ７を導体部に押し付ける。また、キャピラリ６は、ホーン３を介して伝播される振動素子部２が発生する超音波振動をワイヤ７に与える。更に、キャピラリ６は、ホーン３を介して伝わるヒータ３ａが発生する熱をワイヤ７に与える。

ワイヤ７はキャピラリ６を挿通する。ワイヤ７は、導体部である半導体装置１０のパッド１１及びリードフレームのインナーリードに接合され、半導体チップ１０とリードフレームとを電気的に接続する。

ボンダーヒータ８は、ワイヤ７と導体部とを接合するために、半導体チップ１０及びリードフレームを下面から加熱する。ボンダーヒータ８の表面の温度は、１５０〜２４０℃程度が例示される。ボンディングワイヤ装置１は、これらの構成によって、ワイヤ７と導体部とを、荷重、超音波振動、及び熱に基づいて接合する。

次に、本発明の実施の形態によるボンディング方法を説明する。

ヒータ３ａ及びボンダーヒータ８の加熱：
ヒータ３ａはヒータ制御部４の制御に基づいて、ホーン３を内部から加熱する。ヒータ３ａが発生する熱はホーン３の端部３ｂからキャピラリ６に伝わり、更にワイヤ７に伝わる。つまり、ヒータ３ａはキャピラリ６とワイヤ７とを加熱する。ボンダーヒータ８は、半導体チップ１０及びリードフレームを下面から加熱する。

金属ボール７ａの形成：
キャピラリ６を通されたワイヤ７の先端はトーチなどで溶融され、金属ボール７ａが形成される。図２は、金属ボール７ａが形成されたワイヤ７の先端と、キャピラリ６の断面とを示す図である。図２を参照すると、キャピラリ６から露出したワイヤ７は、金属ボール７ａと、金属ボール７ａ近傍のネック部７ｂとを含む。ワイヤ７は溶融する温度まで熱せられた後、周囲の温度（室温）によって冷却される。冷却速度が速い場合、ネック部７ｂは熱影響を受けて靭性が低下する。しかし、本発明のワイヤボンディング装置１は、キャピラリ６がヒータ３ａによって加熱されているため、ワイヤ７が周囲の温度によって冷却される速度を緩和することができる。即ち、ヒータ３ａは、ネック部７ｂの靭性低下を防ぐことができる。

金属ボール７ａとパッド１１との位置合わせ：
駆動部５は、キャピラリ６を半導体チップ１０のパッド１１上へ移動させる。キャピラリ６の移動に伴って、形成された金属ボール７ａはパッド上に位置する。

金属ボール７ａとパッド１１との接合：
図３は、金属ボール７ａとパッド１１とが接合する工程を示す図である。図３を参照しながら金属ボール７ａとパッド１１とが接合する工程を説明する。駆動部５は、ワイヤ７とパッド１１との接合に必要な荷重を与えるために、キャピラリ６を下方向に押し付ける。金属ボール７ａは、キャピラリ６から荷重を受けてパッド１１に押し付けられる。振動素子部２は超音波振動を発生し、ホーン３は振動素子部２が発生した超音波振動をキャピラリ６に伝播する。ホーン３とキャピラリ６とを介して、接触している金属ボール７ａとパッド１１とに超音波振動が伝播される。ワイヤ７（金属ボール７ａ）とパッド１１とは、キャピラリ６から受ける荷重と、ホーン３とキャピラリ６とを介して伝播される振動素子部２が発生した超音波振動と、ホーン３とキャピラリ６とを介して伝わるヒータ３ａが発生した熱と、ボンダーヒータ８の熱とに基づいて接合する。このとき、ヒータ３ａはホーン３に巻きついていないため、超音波振動の伝播を妨害することがない。しかも、ヒータ３ａがホーン３よりも格段に軽いキャピラリ６に取り付けられると超音波振動の伝播に影響があるが、ヒータ３ａはキャピラリ６よりも重量が重いホーン３に含まれるため、ホーン３に対するヒータ３ａの相対重量は小さく、超音波振動の伝播を妨げることがない。即ち、ヒータ３ａは、ワイヤ７を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。

ワイヤ７とインナーリードとの接合：
駆動部５はキャピラリ６をインナーリードへ移動させ、繰り出されるワイヤ７をインナーリードに押し付ける。ワイヤ７とインナーリードとは、ワイヤ７とパッド１１との接合と同様に、荷重と、超音波振動と、熱とに基づいて接合する。このときも、ヒータ３ａは、ワイヤ７を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。その後、ワイヤ７はカットされ、ボンディング装置１は次のワイヤボンディングを実行する。

本発明のワイヤボンディング装置１は、ヒータ３ａがキャピラリ６及びワイヤ７を加熱することができるため、金属ボール７ａを形成した後のネック部７ｂの靭性低下を抑えることができる。ニクロム線などをホーン３に巻きつけてキャピラリ６を加熱すると、伝播される超音波振動を妨害してしまうが、本発明のワイヤボンディング装置１は、ホーン３内部のヒータ３ａがキャピラリ６を加熱するため、ホーン３を伝播する超音波振動を妨害することがない。しかも、ヒータ３ａがホーン３よりも格段に軽いキャピラリ６に取り付けられると超音波振動の伝播に影響があるが、ヒータ３ａはキャピラリ６よりも重量が重いホーン３に含まれるため、ホーン３に対するヒータ３ａの相対重量は小さく、超音波振動の伝播を妨げることがない。即ち、本発明のワイヤボンディング装置１は、ワイヤ７を高温に維持してワイヤ７の靭性低下を防ぎつつ、安定な超音波振動を供給することができる。このようにして、本発明のワイヤボンディング装置１は、ボールボンディングの接合性を向上させることができ、半導体装置の信頼性を高める効果を奏している。

１ ワイヤボンディング装置
２ 振動素子部
３ ホーン
３ａ ヒータ
３ｂ 端部
４ ヒータ制御部
５ 駆動部
６ キャピラリ
７ ワイヤ
７ａ 金属ボール
７ｂ ネック部
８ ボンダーヒータ
１０ 半導体チップ
１１ パッド

Claims (4)

1. 超音波振動を伝播するホーンと、
   前記ホーンの端部に取り付けられたキャピラリと
   を具備し、
   前記ホーンは、
   前記ホーンの内部に設けられ、前記ホーンの内部から加熱するヒータ
   を備える
   ワイヤボンディング装置。
2. 請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
   前記ヒータは、前記キャピラリの近傍に設けられ、棒状の前記ホーンの幅方向の断面を覆うように形成される
   ワイヤボンディング装置。
3. ヒータが、端部にキャピラリが取り付けられたホーンを内部から加熱するステップと、
   前記キャピラリを通されたワイヤの先端を溶融して金属ボールを形成するステップと、
   前記金属ボールを導体部に押し付けるステップと、
   前記ホーンと前記キャピラリとを介して、接触している前記金属ボールと導体部とに超音波振動を伝播するステップと
   を具備し、
   前記金属ボールと前記導体部とは、前記超音波振動と前記ヒータの熱とに基づいて接合する
   ワイヤボンディング方法。
4. 請求項３に記載のワイヤボンディング方法であって、
   前記ヒータは、前記キャピラリの近傍に設けられ、棒状の前記ホーンの幅方向の断面を覆うように形成される
   ワイヤボンディング方法。

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