JP2013171964A - 超音波ワイヤボンディング装置および超音波ワイヤボンディング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子へダメージを与えずに、実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保できる大電流用の高融点ワイヤ（例えば銅ワイヤ）の接合を可能にする。
【解決手段】半導体チップ４１上の第１電極４６と半導体チップの外部に配置された外部引出し電極４５との双方に直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤ２８をウェッジ接合により接合して両電極を電気的に接続する超音波ワイヤボンディング装置であって、ワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱する加熱機構５４を備える構成とする。加熱機構５４は、例えば、ボンディングツール２０を、絶縁体５１によって互いに接触しない導電性の前側本体部５２および後側本体部５３に分離し、これらを一対の電極として機能させることで構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子上の電極と半導体素子外部の電極との双方にワイヤをウェッジ接合により接合する超音波ワイヤボンディング装置および超音波ワイヤボンディング方法に関し、特に、大電流の通電や高温下での使用に対しても信頼性の得られるパワーデバイスの製造に好適な技術である。
半導体モジュールとして、従前から、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタなどのパワー半導体スイッチング素子が絶縁容器内にパッケージングされたものが知られている。これらの素子はその耐圧性や電流容量に応じて各種インバータ装置などに応用されている。半導体モジュールを大容量化するためには、複数個の半導体素子を１つのモジュール内に並列に配置することが多い。それらの各半導体素子上にはアルミニウム（以下、Ａｌと記す。）などの金属からなる電極が形成され、これらのＡｌ電極は、超音波を利用して接合される通常数百μｍ径のＡｌなどからなる金属ワイヤを用いて外部電極に接続される。
半導体モジュールを大容量化してパワーモジュール化すると、半導体素子に大電流が流れることになるため、大電流の繰り返し通電によって半導体素子およびワイヤの温度が頻繁に上下する。これにともなってＡｌワイヤに熱応力が発生するため、ワイヤと電極との界面や界面近傍ではクラックが生じやすい。そこでＡｌワイヤを５５０μｍの太線とし、ワイヤの接合長さの接合幅に対する比を０．９以上にすることで、接合面積をできるだけ大きくしてワイヤ破断までの時間を長くする技術が知られている（特許文献１参照）。
特開平６−３０２６３９号公報
また近年では、結晶のバンドギャップがケイ素（以下、Ｓｉと記す。）に比べてはるかに大きい炭化ケイ素（以下、ＳｉＣと記す。）からなるパワーデバイスが注目されている。ＳｉＣパワーデバイスは２５０℃以上の高温下での動作が可能であるため、モジュールの耐熱性がますます重要となっている。
Ａｌワイヤは常温での硬度が低いため、超音波振動による半導体素子側Ａｌ電極への接合を比較的容易に行えるという利点を持つが、融点が６６０度程度といった比較的低温であるため、高温下で使用すると再結晶を生じ、内部あるいは界面にクラックやボイドなどの欠陥を生じやすいという問題がある。そのためＳｉＣパワーモジュールの大電流化、高温耐熱化の要求に対しては、融点の低いＡｌワイヤは耐熱性が十分でない。また、Ａｌワイヤは電気抵抗が比較的高く発熱量が大きいことからも、ＳｉＣパワーモジュールに適しているとは言いがたい。具体的には、ボンディングワイヤとして使用されている金属には、Ａｌのほかに金や銅、銀などがあるが、これらの電気抵抗はＡｌが２．７μΩｃｍ、金が２．３μΩｃｍ、銅が１．７μΩｃｍ、銀が１．６μΩｃｍであり、これら良導体の中で比較するとＡｌの電気抵抗が最も高い。
一方、銅ワイヤは電気抵抗が低いことからＬＳＩの一部で使用されている。また、銅ワイヤは融点が１０００℃以上であり、高温用の実装にも好適である。しかし銅ワイヤは硬度および加工硬度指数が大きく、超音波による接合の際に半導体素子を損傷する虞が高いため、特に太線径での実用化は進んでいない。他方、金ワイヤはＬＳＩのボールボンディングに多用されているが、パワーデバイスで利用する太線径では、材料費が非常に高くなるため実用化はほとんどされていない。
特開昭６２−９７３６０号公報や特開２００４−６７４０号公報には、貴金属で被覆された銅ワイヤを使用する技術が開示されている。しかし、これらの銅ワイヤはＬＳＩといったＩＣ用途でボールを形成して接続を行うボール・ウェッジ接合用、すなわちファーストボンディングをボールボンディングで行い、セカンドボンディングをウェッジボンディングで行う接合用である。また、ワイヤの線径も５０μｍ未満である。このような銅ワイヤは、通常のＬＳＩのＡｌ電極には接合できるが、金ワイヤに比べてボール部の硬度や加工硬度指数が大きいため、ボールボンディング時に半導体素子にダメージを与えやすく、一部ではこの問題が懸念されている。
一方、高電流を流すパワーデバイスには、直径５０μｍあるいは１００μｍ以上かつ２ｍｍ以下のワイヤが用いられる。しかし、このような太線径のワイヤにボール部を形成することは困難であるため、接合にはウェッジ・ウェッジ接合（ファーストおよびセカンドボンディングともにウェッジ接合）が採用されている。このようなパワーデバイスには通常Ａｌワイヤが使用されているが、近年では高温下での動作ニーズから銅ワイヤの使用が検討されている。ところが超音波接合の出力はＬＳＩ用のボール・ウェッジ接合に比べて大きくなるため、ウェッジ・ウェッジ接合では半導体素子へのダメージがより顕著になる。
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、半導体素子へのダメージを抑制し、かつ実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保できる大電流用の高融点ワイヤ（例えば銅ワイヤ）を接合するためのワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法を提供することを主な目的とする。
これまで、半導体上の電極と外部電極とを直径５０μｍ以下の銅ワイヤでボール・ウェッジボンディングにより接続する時に、ステージを加熱して接合することが実用されているが、銅ワイヤを加熱することは検討されてこなかった。これは、銅ワイヤの熱容量が小さいために細径の銅ワイヤを安定的に加熱することが困難であることによるものと考えられる。しかし、太線径の銅ワイヤを接合する際に、銅ワイヤを加熱することで接合性を顕著に改善できることを発明者らは見出した。そして鋭意研究の結果、ワイヤの接合部位のみを加熱することが最も有効である知見を得て本発明をするに至った。
上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子（４１）上の第１電極（４６）と前記半導体素子の外部に配置された第２電極（４５）との双方に直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤ（２８）をウェッジ接合により接合して前記両電極を電気的に接続する超音波ワイヤボンディング装置（１）であって、前記ワイヤに先端を係合させる接合ツール（２０）と、前記ワイヤを前記接合ツールに供給するワイヤフィード機構（３２）と、前記接合ツールに超音波振動を加える振動伝達機構（２１）と、前記接合ツールに荷重を加え、前記電極に接合される前記ワイヤの接合部位（２８ａ）を加圧する加圧機構（１９）とを有し、前記ワイヤの前記接合部位を加熱する加熱機構（５４）を更に有する構成とする。
上記構成によれば、加熱機構がワイヤの接合部位を加熱することで、当該部位の硬度および加工硬度指数を小さくした状態で第１電極に接合することができる。したがって、接合ツールに加える超音波振動あるいは荷重を小さくでき、半導体素子のダメージを抑制できる。また、常温での硬度が高いとしても融点の高いワイヤ（例えば銅ワイヤ）を用いることができるため、実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保することができる。
また、本発明の一側面によれば、前記加熱機構が、前記ワイヤの前記接合部位を前記接合ツールの熱伝導によらず直接加熱する構成とすることができる。この構成によれば、接合ツールの熱伝導率にかかわりなくワイヤの接合部位を所望に（速度や温度について）加熱することができるため、接合速度の向上や接合の安定性を実現できる。また、接合ツールを高温にする必要がないため、接合ツールの超音波振動特性の変化を防止できる。
また、本発明の一側面によれば、前記加熱機構が、前記ワイヤに接触して前記接合部位に電流を流す一対の電極（５２・５３、６１・６２）を含む構成や、前記加熱機構が、前記ワイヤの前記接合部位にレーザを照射するレーザ発振器（７１）を含む構成とすることができる。このような構成によれば、簡単な装置構成でワイヤの接合部位を直接加熱することができる。
また、本発明の一側面によれば、前記加熱機構が、前記接合ツールを誘導加熱し、前記接合ツールの熱伝導により前記ワイヤの前記接合部位を間接的に加熱する電磁誘導コイル（８１）を含む構成とすることができる。この構成によれば、電磁誘導コイルを接合ツールに接触しないように配置できるため、接合ツールの超音波伝達性能の低下を抑制できる。
また、本発明の一側面によれば、前記ワイヤの前記接合部位に不活性ガスもしくは還元性ガスまたはこれらの混合ガスを吹付けるガス吹付手段（３６）を更に有する構成とすることができる。この構成によれば、加熱時にワイヤの接合部位が酸化することを防止できるため、接合強度を向上させることができる。
また、本発明の一側面によれば、前記半導体素子および前記第２電極を含むワーク（２ｃ）を加熱する加熱ステージ（７）を更に有する構成とすることができる。この構成によれば、ワイヤだけでなく第１および第２電極をも加熱してその硬度を低下させることができるため、ワイヤをより確実に接合することができる。
また、本発明の一側面によれば、前記加熱ステージに並設され、前記加熱ステージに載置される前に前記ワークを予備加熱する予備加熱ステージ（８）を更に有する構成とすることができる。この構成によれば、ワークが加熱ステージ上に配置された直後にボンディングを開始することができ、製造効率を高くすることができる。
また、本発明の一側面によれば、前記加熱されるワークの周囲（１１）を不活性ガスもしくは還元性ガスまたはこれらの混合ガスによる非酸化性雰囲気にする非酸化性雰囲気形成機構（１４）を更に有する構成とすることができる。この構成によれば、加熱時に第１および第２電極が酸化することを防止できるため、接合強度を向上させることができる。
また、本発明の一側面によれば、半導体素子（４１）上の第１電極（４６）と前記半導体素子の外部に配置された第２電極（４５）とを直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤ（２８）により電気的に接続する超音波ワイヤボンディング方法であって、供給される前記ワイヤを接合ツール（２０）の先端に配置するステップと、前記接合ツールに超音波振動を加えるとともに荷重を加え、前記接合ツールの先端に配置された前記ワイヤの接合部位（２８ａ）を前記接合ツールの先端に係合させて前記第１電極および前記第２電極のどちらか一方にウェッジ接合により接合する第１接合ステップと、前記接合されたワイヤを前記第１電極および前記第２電極のどちらか他方に架け渡すとともに前記接合ツールの先端に配置するステップと、前記接合ツールに超音波振動を加えるとともに荷重を加え、前記接合ツールの先端に配置された前記ワイヤの接合部位を前記ツールの先端に係合させて前記第１電極および前記第２電極のどちらか他方にウェッジ接合により接合する第２接合ステップとを有し、前記ワイヤを前記第１電極に接合するステップの前に、前記ワイヤの前記接合部位を加熱するステップを更に有する構成とすることができる。
この方法によれば、ワイヤが第１電極に接合される前に接合部位が加熱されることで、当該部位の硬度および加工硬度指数を小さくした状態で第１電極に接合することができる。したがって、接合ツールに加える超音波振動あるいは荷重を小さくでき、半導体素子のダメージを抑制できる。また、常温での硬度が高いとしても融点の高いワイヤを用いることができるため、実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保することができる。
このように本発明によれば、半導体素子へのダメージを抑制し、かつ実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保できる大電流用の高融点ワイヤを接合するためのワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法を提供することができる。
第１実施形態に係るワイヤボンディング装置の側面図 図１に示すボンディング機構の側面図 図１に示すワークの断面図 図２に示すボンディング機構の要部拡大断面図 図２に示すボンディングツールの要部拡大斜視図 銅ワイヤの温度と変形量との関係を示すグラフ 変形実施形態に係るボンディング機構の要部拡大断面図 図７の変形例に係るボンディング機構の要部拡大断面図 第２実施形態に係るボンディング機構の要部拡大断面図 第３実施形態に係るボンディング機構の要部拡大断面図
以下、本発明に係るワイヤボンディング装置１のいくつかの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
≪第１実施形態≫
＜超音波ワイヤボンディング装置の構成＞
図１〜図５を参照して、まず第１実施形態に係るワイヤボンディング装置１の一例について説明する。図１に示すように、ワイヤボンディング装置１の背面側には、ボンディング前のワーク２ａを搬送するワーク供給ライン３が形成され、正面側には、ボンディング後のワーク２ｄを搬送するワーク排出ライン４が設けられている。ワーク供給ライン３およびワーク排出ライン４はそれぞれベルトコンベア５・６によって構成される。
ワーク供給ライン３とワーク排出ライン４との間には、ワイヤボンディングするワーク２ｃを載置するための第１ステージ７が設けられている。第１ステージ７は内部にヒータ７ａを備えており、載置されたワーク２ｃを加熱することのできる加熱ステージとして構成される。また、第１ステージ７とワーク供給ライン３との間には、第１ステージ７へ送るボンディング前のワーク２ｂを載置するための第２ステージ８が設けられている。第２ステージ８は、第１ステージ７と同様に内部にヒータ８ａを備えており、載置されたボンディング前のワーク２ｂを加熱することのできる予備加熱ステージとして構成される。
ワーク供給ライン３から供給されるボンディング前のワーク２ａ、第２ステージ８に載置されたボンディング前のワーク２ｂ、および第１ステージ７に載置されたボンディング後のワーク２ｃは、ワイヤボンディング装置１に装備された図示しない搬送機構によってそれぞれ第２ステージ８、第１ステージ７、およびワーク排出ライン４に搬送される。
ワイヤボンディング装置１には、ワーク供給ライン３と第２ステージ８との間、およびワーク排出ライン４と第１ステージ７との間に隔壁９・１０が設けられており、隔壁９・１０間の両ステージ７・８の周囲（以下、加熱領域１１と称する。）が外部から区画されている。隔壁９・１０は、ここではワーク２ａ〜２ｃの搬送に支障とならないように弾性を有する樹脂製の透明シートから構成される。またワイヤボンディング装置１には、窒素、水素、一酸化炭素のような還元性ガス、もしくは、窒素、ヘリウム、アルゴンのような不活性ガス、またはこれらの１種または２種以上を含有する混合ガスをガスタンク１２からガス供給管１３を通して加熱領域１１に供給する非酸化性雰囲気形成機構１４が設けられており、両ステージ７・８がワーク２ｂ・２ｃを加熱する際に加熱領域１１が非酸化性雰囲気となるようになっている。
第１ステージ７の上方には、門型に形成された支持台１５により支持されるかたちで、ワーク２にワイヤボンディングを行うためのボンディング機構１６が配置されている。支持台１５には、図示しない移動ステージを水平面上の互いに直交するＸ方向およびＹ方向に移動させる公知のＸＹステージ１７が設置される。水平面に沿って自在に移動可能とされた移動ステージには、その下方に取付けられた水平回転可能なロータリ機構１８を介して上下動ブロック１９が取付けられる。上下動ブロック１９は、ボンディングツール２０が取付けられる振動子ブロック２１を公知のリンク機構によって鉛直方向（Ｚ方向）に移動自在に支持しており、リニアモータの推力などを利用して振動子ブロック２１に所望の鉛直方向荷重を加える加圧機構である。このようにして構成されたボンディング機構１６により、振動子ブロック２１が第１ステージ７の上方にて３次元に移動自在かつ水平面に沿って回転自在とされている。
図２に示すように、振動子ブロック２１は、超音波発振器２２、ＢＬＴ振動子２３、コーン２４およびホーン２５を備えており、ホーン２５の先端付近にボンディングツール２０がねじ２６によって固定されている。超音波発振器２２から発振された電気信号は、ＢＬＴ振動子２３によって縦振動の超音波振動に変換され、変換された縦振動の超音波振動は、コーン２４およびホーン２５を伝播し、ボンディングツール２０において撓み振動に変換されて、ボンディングツール２０の先端をＢＬＴ振動子２３の軸線方向に超音波振動させる。すなわち、振動子ブロック２１は、ボンディングツール２０に超音波振動を加える振動伝達機構である。以下、図２に矢印で示すように、超音波振動方向におけるホーン２５の先端側を前、基端側を後として説明する。
ボンディングツール２０の上方には上下に移動可能なブロック２７が配置されており、ブロック２７には、ワイヤ２８が巻き回されたワイヤスプール２９と、第１ワイヤガイド３０とが取付けられている。ワイヤスプール２９から供給されるワイヤ２８は、第１ワイヤガイド３０を通過し、ボンディングツール２０と平行な経路を辿って、ボンディングツール２０の先端近傍に配置された第２ワイヤガイド３１を通過し、第２ワイヤガイド３１によってボンディングツール２０の先端下方に平面視で超音波振動方向と同一方向に導かれる。ワイヤスプール２９、第１ワイヤガイド３０および第２ワイヤガイド３１により、ワイヤ２８をボンディングツール２０に供給するワイヤフィード機構３２が構成される。
ボンディングツール２０は、ワイヤ２８に先端を係合さるとともに上下動ブロック１９（図１参照）から受ける荷重および振動子ブロック２１から受ける超音波振動を加えることで、ワイヤ２８をワーク２ｃに超音波接合する。
第２ワイヤガイド３１は、ボンディングツール２０の前方に配置されたガイドホルダ３３によってボンディングツール２０に接触しないように保持されている。ガイドホルダ３３にはまた、ワイヤ２８の切断時などにワイヤ２８を把持するワイヤクランプ３４が第２ワイヤガイド３１の上方に取付けられている。ボンディングツール２０の後方にはワイヤ２８切断用のカッタ３５が配設されている。さらにボンディングツール２０の先端付近には、ガスタンク１２から供給されるガスをワイヤ２８の接合部位２８ａに吹付ける吹付ノズル３６が配設されている。
図３に示すように、本実施形態のワーク２は、複数の半導体チップ４１を例えばセラミックからなる絶縁基板４２上に分散配置し、緩衝板を挟んで絶縁基板４２にはんだ付けにより接合したパワー半導体モジュール用である。絶縁基板４２は、ケーシングを構成する放熱基板４３にはんだ付けにより接合される。絶縁基板４２の周縁部には、ケーシングの外部に設けられる回路主端子４４と接続した外部引出し電極４５（リード）が設けられている。半導体チップ４１の表面に形成された電極４６（ボンディングパッド）と外部引出し電極４５とが、それぞれに超音波ウェッジ接合されるワイヤ２８によって電気的に接続される。ワイヤ２８には、Ａｌに比べて融点の高い金属（ここでは銅）を素材とする直径５０μｍ超２ｍｍ以下（ここでは５５０μｍ）の金属ワイヤが用いられる。
ワーク２は、ワイヤボンディング装置１によってワイヤ２８を超音波接合された後、各半導体チップ４１やワイヤ２８などがレジン４８によって封止されて半導体モジュール５０とされる。
図４および図５に示すように、ボンディングツール２０は、本体部の断面形状が略円形を呈しており、先端に近づくにつれて左右方向（超音波振動方向に直角方向）の幅が次第に小さくなる形状となっている。ウェッジボンディングツールは通常、タングステンカーバイト（ＷＣ）やチタニウムカーバイト（ＴｉＣ）など、導電性の１種の金属によって形成されるが、本実施形態のボンディングツール２０は、導電性金属からなる本体部が超音波振動方向における中央部に設けられた絶縁体５１によって互いに接触しない前側本体部５２および後側本体部５３に分離されている。両本体部５２・５３には、図示しない電源に接続された一対の電線が電気的に接続しており、両本体部５２・５３の先端面が一対の電極からなる加熱機構５４を構成する。なお、ボンディングツール２０の先端面は、ワイヤ２８に係合すべく適宜な凹凸形状とされている。本実施形態では、ボンディングツール２０の先端面に、前後方向に延在するＶ字断面形状の溝５５が形成されている。
このように構成されたボンディングツール２０によれば、その先端面にワイヤ２８が接触した状態で通電されると、両本体部５２・５３の先端に接するワイヤ２８の接合部位２８ａを電流が流れ、これによってワイヤ２８の接合部位２８ａが発熱する。なお、ボンディングツール２０の先端が細くなり、両本体部５２・５３の断面積が狭くなることから、ボンディングツール２０自体も特に先端部で発熱するため、ワイヤ２８は非通電時であってもボンディングツール２０の余熱によって加熱される。
ワイヤ２８は、その直径の５倍以上の長さにわたって加熱するようにするのが好ましい。本実施形態では、ボンディングツール２０自体がワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱する加熱機構を構成するため、ワイヤ２８に接触するボンディングツール２０の先端面の前後方向の長さをワイヤ２８の直径の５倍以上とする。
＜ワイヤボンディングの手順＞
次に、このように構成されたワイヤボンディング装置１を用いたワイヤボンディング方法について説明する。
まず、図１に示すようにワーク供給ライン３から供給されるワーク２を、第２ステージ８上に載置し、非酸化性雰囲気内でヒータ８ａの熱で予備加熱する。その後、ワーク２を第１ステージ７上に移動させ、ヒータ７ａの熱で引き続き加熱する。ワーク２を第１ステージ７上に移動させるタイミングは、ワイヤボンディング時に所望な温度にワーク２を加熱した後であることが好ましい。このようにすることにより、ワーク２を第１ステージ７上に載置した直後にワイヤボンディングを開始することができる。なお、この場合には、第１ステージ７においては、ワーク２を所望の温度（例えば、２００℃）に維持できる程度に加熱すればよい。
図２に示すように、第１ステージ７上では、ボンディング機構１６によってワイヤ２８をウェッジボンディングにより半導体チップ４１上の電極４６と外部引出し電極４５とを順次ワイヤ２８で接続してゆく。
具体的には、まず、ワイヤフィード機構３２から供給されるワイヤ２８をボンディングツール２０の先端面に接触させ且つ吹付ノズル３６からワイヤ２８の先端（接合部位２８ａ）にガスを吹付けている状態で、ワイヤ２８の素材や径に応じて加熱するのに最適な電力として予め算出した所定電力で、ワイヤ２８の接合部位２８ａを所望の温度にするのに最適な通電時間として予め算出した所定時間にわたって、ボンディングツール２０に通電して（ワイヤ２８に通電して）ワイヤ２８の接合部位２８ａを直接加熱する。直接加熱するとは、ボンディングツール２０の熱伝導によらずに加熱することを意味する。また、ワイヤ２８の加熱温度（所望の温度）は、その素材の融点（ここでは銅の融点：１０８３℃）よりも低い温度である。
所定時間の経過後、超音波振動が印加されたボンディングツール２０に所定の荷重を加えて半導体チップ４１上の電極４６上でワイヤ２８を加圧し、ウェッジボンディングにより接合部位２８ａを電極４６に接合する（ファーストボンディング）。なお、この際にも吹付ノズル３６からワイヤ２８の接合部位２８ａにガスを吹付ける。
続いて、ブロック２７を移動させ、ワイヤ２８に所定形状のループを形成しつつ、ボンディングツール２０の先端を外部引出し電極４５の上方に位置させてワイヤ２８を外部引出し電極４５に架け渡す。ファーストボンディングと同様に、ワイヤ２８をボンディングツール２０の先端面に接触させ且つガスを吹付けた状態で、所定電力で所定時間にわたってボンディングツール２０に通電し、ワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱する。所定時間の経過後、超音波振動が印加されているボンディングツール２０に所定の荷重を加え、外部引出し電極４５上でワイヤ２８を加圧し、ウェッジボンディングにより接合部位２８ａを電極４６に接合する（セカンドボンディング）。
セカンドボンディングの後、ブロック２７を移動させてワイヤ２８が引き出されないようにワイヤクランプ３４によりワイヤ２８を把持し、カッタ３５を使用してワイヤ２８を切断し、上記手順でワイヤボンディングを繰り返す。なお、ステッチボンドを行う場合には、セカンドボンディングの後にサードあるいはフォースボンディング等を行ってからワイヤ２８を切断する。
＜作用・効果＞
銅ワイヤは、常温での硬度がＡｌワイヤに比べて高いが、加熱することで硬度を低くすることができる。常温（ここでは２５℃とした。）で銅ワイヤに所定の荷重を加えたときと、加熱した銅ワイヤに同一荷重を加えたときとの変形量の変化を表すグラフを図６に示す。同図に示すように、銅ワイヤの変形量は温度が高くなるほど大きくなる。
このような知見に基づき、発明者らは、半導体チップのみを加熱ステージによって加熱した場合と、それに加えて銅ワイヤをも加熱した場合とについて、ウェッジボンディングによって銅ワイヤを半導体チップに接合したときの接合性（連続接合時の接合強度およびチップダメージ）を判定する試験を行った。試験は、半導体チップあるいは銅ワイヤの温度を２５℃、９０℃、１２０℃および１９０℃に設定し、接合時の上面観察においてクラックが確認されない範囲に接合時の超音波出力および印加荷重を設定して行った。接合部の接合強度は、シェア破壊テストにより評価し、チップダメージは、接合後および加熱後の断面観察により評価した。結果は下表１の通りである。
Figure 2013171964
なお、「良」、「可」および「不可」の判定基準は、同一条件で行った複数の試料のうち、接合不良のものあるいは断面観察でチップにダメージが確認されたものが１／２０以下であったときに「良」とし、接合不良のものあるいは断面観察でチップにダメージが確認されたものが１／２０超かつ４／２０以下であったときに「可」とし、接合不良のもの、あるいは断面観察でチップにダメージが確認されたものが４／２０超であったとき、および超音波出力および印加荷重を高めてゆき上面観察で半導体チップにクラックが確認されても銅ワイヤが接合しなかったときに「不可」とした。
この結果から、ワイヤ２８を超音波接合する際には、第１および第２ステージ７・８によってワーク２を加熱するだけでなくワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱することで接合性を改善できることがわかる。なお、ワイヤ２８の加熱温度は、ワイヤ２８の素材や太さに応じて適宜設定すればよい。
このように、本実施形態にかかるワイヤボンディング装置１およびワイヤボンディング方法によれば、ワイヤ２８が半導体チップ４１上の電極４６に接合される前に接合部位２８ａが加熱されることで、接合部位２８ａの硬度および加工硬度指数が低下した状態で超音波接合することができるため、ボンディングツール２０に加える超音波振動あるいは荷重を小さくでき、半導体チップ４１のダメージを抑制することができる。また、ワイヤ２８として、常温での硬度が高いが融点の高い銅ワイヤを用いることができるため、実使用時の熱応力や２００℃以上の高温下での使用に対して接合部の信頼性を確保することができる。
また本実施形態では、ボンディングツール２０の両本体部５２・５３の先端面が一対の電極となってワイヤ２８を直接加熱する構成であるため、ボンディングツール２０の熱伝導率にかかわりなくワイヤ２８の接合部位２８ａを所望に（速度や温度について）加熱でき、接合速度の向上や接合の安定性を実現できる。また、先端部を除いてボンディングツール２０を高温にする必要がないため、ボンディングツール２０の超音波振動特性が変化することを防止できる。
本実施形態では、ボンディングツール２０の先端近傍に吹付ノズル３６が設けられており、ワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱する際および接合する際に、ガスタンク１２からのガスを吹付ノズル３６が接合部位２８ａに吹付ける構成となっているため、接合部位２８ａが加熱中に酸化することを防止でき、接合強度が向上する。
本実施形態では、ワイヤボンディングされるワーク２ｂ・２ｃを予備加熱および加熱する第２ステージ８および第１ステージ７が設けられているため、ワイヤ２８だけでなく半導体チップ４１上の電極４６および半導体チップ外部の外部引出し電極４５をも加熱してその硬度を低下させると同時にワイヤ２８と電極金属の拡散を加速することができるため、ワイヤ２８をより確実に接合できるとともに、予備加熱することにより、ワーク２ｃが第１ステージ７上に配置された直後にボンディングが可能となり、製造効率が向上する。
本実施形態では、両ステージ７・８により加熱されるワーク２ｂ・２ｃの周囲を非酸化性雰囲気にする非酸化性雰囲気形成機構１４が設けられているため、半導体チップ４１上の電極４６および半導体チップ外部の外部引出し電極４５の加熱中にこれらが酸化することを防止でき、ワイヤ２８の接合強度が向上する。
＜変形実施形態＞
本実施形態のワイヤボンディング装置１は、一対の電極からなる加熱機構５４を変形して図７に示すような形態とすることができる。すなわち、ボンディングツール２０を１種の金属または合金から構成し、ボンディングツール２０の先端を挟む位置に配置した一対の電極６１・６２により加熱機構５４を構成する。ここでは、第２ワイヤガイド３１を一方の電極６１として利用し、他方の電極６２を別途設けている。ボンディングツール２０がワイヤ２８を半導体チップ４１上の電極４６に押し付けていない状態でも一対の電極６１・６２がワイヤ２８に接触するように、他方の電極６２を、それ自体の弾性や別途設けられた付勢手段によって先端を下方に弾発付勢する構成とするとよい。加熱機構５４をこのように構成することにより、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、ボンディングツール２０の設計自由度を向上することができる。なお、この場合にも、ワイヤ２８は直径の５倍以上の長さにわたって加熱するのが好ましく、一対の電極６１・６２の配置によって加熱長さを適宜に設定する。ボンディングツール２０の先端面の前後方向長さは接合面積を確保できる程度、すなわちワイヤ径の２〜３倍程度で足りる。
さらにこの変形例として、図８（Ａ）に示すように、第２ワイヤガイド３１ではなくボンディングツール２０を一方の電極６１として利用し、他方の電極６２と協働させてワイヤ２８の接合部位２８ａに電流を流す形態や、図８（Ｂ）に示すように、他方の電極６２を別途設けずにボンディングツール２０を他方の電極６２として利用し、一方の電極６１をなす第２ワイヤガイド３１と協働させてワイヤ２８の接合部位２８ａに電流を流す形態とすることもできる。
＜第２実施形態＞
次に図９を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成や機能をもつ部材や部位には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略して異なる点を中心に説明する。第３実施形態についても同様とする。
本実施形態では、ボンディングツール２０にはその軸線にそって上面および下面に開口する直線状の貫通孔２０ａが形成されており、ボンディングツール２０の上方にはレーザ発振器７１が設けられている。レーザ発振器７１は、赤外線レーザ光７２を発振し、発振したレーザ光７２をボンディングツール２０の貫通孔２０ａに向けて照射することで、ワイヤ２８の接合部位２８ａを直接加熱する。つまり、レーザ発振器７１が加熱機構５４を構成する。ワイヤボンディングの手順は第１実施形態と同様である。
加熱機構５４をこのように構成することで、ワイヤ２８に対する電極の接触不良などによってワイヤ２８が加熱されない事態を防止し、ワイヤ２８の接合部位２８ａを確実に加熱することができるとともに、ボンディングツール２０に貫通孔２０ａを形成してレーザ発振器７１を設けるという簡単な構成により加熱機構５４を具現化できる。また、ボンディングツール２０の軸線に貫通孔２０ａを配置することで、ボンディングツール２０の超音波振動特性に与える影響を比較的小さくできる。
＜第３実施形態＞
本実施形態では、図１０に示すように、ボンディングツール２０は、従来用いられている一般的なものと同様に１種の金属からなる貫通孔のない無垢の構成とされる一方、その周囲に電磁誘導コイル８１が配置されている。電磁誘導コイル８１は、ガイドホルダ３３によって支持され、ボンディングツール２０に接触しないように配置されており、その軸心に配置されたボンディングツール２０を誘導加熱し、ボンディングツール２０の熱伝導によってワイヤ２８の接合部位２８ａを間接的に加熱する。接合部位２８ａの温度は、主にボンディングツール２０の熱伝導率と接触時間とに依存するため、熱伝導率の高い素材でボンディングツール２０を形成するとよく、接触時間を適宜設定することによって接合部位２８ａを所望の温度に加熱することができる。
加熱機構５４をこのように構成することによっても、半導体チップ上の電極４６に接合される前にワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱できるため、接合部位２８ａを硬度および加工硬度指数を低減した状態で超音波接合することができる。また、ボンディングツール２０の周囲に電磁誘導コイル８１を配置するという簡単な構成により加熱機構５４を具現化できる。
以上で具体的実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、ワイヤ２８の素材に銅を用いているが、銀や金、アルミニウムなど、他の金属またはそれらの合金を用いてもよい。また、上記実施形態では、非酸化性雰囲気形成機構１４に加えて吹付ノズル３６を設けているが、どちらか一方にする形態や、両方とも設けない形態としてもよい。このような場合には、ワイヤ２８が銅製で酸化しやすいため、接合部位２８ａの接合時の直前に加熱を開始するとともに加熱電力を高めて加熱時間を短くするとよい。接合部位２８ａの加熱は、好ましくは接合前１０秒以内、より好ましくは５秒以内、さらに好ましくは２秒以内に開始する。また、上記実施形態では、半導体チップ４１上の電極４６にボンディングする前に加えて、半導体チップ外部の外部引出し電極４５にボンディングする前にもワイヤ２８を同一加熱条件で加熱しているが、外部引出し電極４５に対してはワイヤ２８の接合部位２８ａを加熱せずにボンディングする手順や、加熱温度が低くなるように通電時間を短くするなど、条件を緩和して加熱する手順としてもよい。また、半導体チップとしては、Ｓｉのみならず、特に高温での使用が可能なＳｉＣ半導体やＧａＮ（窒化ガリウム）半導体への適用が特に有効である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るワイヤボンディング装置１の各構成要素およびワイヤボンディング方法の各工程は、必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択可能である。
１ ワイヤボンディング装置
２ ワーク
７ 第１ステージ（加熱ステージ）
８ 第２ステージ（予備加熱ステージ）
１１ 加熱領域
１４ 非酸化性雰囲気形成機構
１９ 上下動ブロック（加圧機構）
２０ ボンディングツール（接合ツール）
２１ 振動子ブロック（振動伝達機構）
２８ ワイヤ
２８ａ 接合部位
３２ ワイヤフィード機構
３６ 吹付ノズル（ガス吹付手段）
４１ 半導体チップ
４５ 外部引出し電極（第２電極）
４６ 電極（第１電極）
５２ 前側本体部（電極）
５３ 後側本体部（電極）
５４ 加熱機構
６１ 電極
６２ 電極
７１ レーザ発振器
８１ 電磁誘導コイル

Claims (10)

  1. 半導体素子上の第１電極と前記半導体素子の外部に配置された第２電極との双方に直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤをウェッジ接合により接合して前記両電極を電気的に接続する超音波ワイヤボンディング装置であって、
    前記ワイヤに先端を係合させる接合ツールと、前記ワイヤを前記接合ツールに供給するワイヤフィード機構と、前記接合ツールに超音波振動を加える振動伝達機構と、前記接合ツールに荷重を加え、前記電極に接合される前記ワイヤの接合部位を加圧する加圧機構とを有し、
    前記ワイヤの前記接合部位を加熱する加熱機構を更に有することを特徴とする超音波ワイヤボンディング装置。
  2. 前記加熱機構が、前記ワイヤの前記接合部位を前記接合ツールの熱伝導によらず直接加熱することを特徴とする、請求項１に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  3. 前記加熱機構が、前記ワイヤに接触して前記接合部位に電流を流す一対の電極を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  4. 前記加熱機構が、前記ワイヤの前記接合部位にレーザを照射するレーザ発振器を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  5. 前記加熱機構が、前記接合ツールを誘導加熱し、前記接合ツールの熱伝導により前記ワイヤの前記接合部位を間接的に加熱する電磁誘導コイルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  6. 前記ワイヤの前記接合部位に不活性ガスもしくは還元性ガスまたはこれらの混合ガスを吹付けるガス吹付手段を更に有することを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  7. 前記半導体素子および前記第２電極を含むワークを加熱する加熱ステージを更に有することを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  8. 前記加熱ステージに並設され、前記加熱ステージに載置される前に前記ワークを予備加熱する予備加熱ステージを更に有することを特徴とする、請求項７に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  9. 前記加熱されるワークの周囲を不活性ガスもしくは還元性ガスまたはこれらの混合ガスによる非酸化性雰囲気にする非酸化性雰囲気形成機構を更に有することを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  10. 半導体素子上の第１電極と前記半導体素子の外部に配置された第２電極とを直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤにより電気的に接続する超音波ワイヤボンディング方法であって、
    供給される前記ワイヤを接合ツールの先端に配置するステップと、
    前記接合ツールに超音波振動を加えるとともに荷重を加え、前記接合ツールの先端に配置された前記ワイヤの接合部位を前記接合ツールの先端に係合させて前記第１電極および前記第２電極のどちらか一方にウェッジ接合により接合する第１接合ステップと、
    前記接合されたワイヤを前記第１電極および前記第２電極のどちらか他方に架け渡すとともに前記接合ツールの先端に配置するステップと、
    前記接合ツールに超音波振動を加えるとともに荷重を加え、前記接合ツールの先端に配置された前記ワイヤの接合部位を前記ツールの先端に係合させて前記第１電極および前記第２電極のどちらか他方にウェッジ接合により接合する第２接合ステップとを有し、
    前記ワイヤを前記第１電極に接合するステップの前に、前記ワイヤの前記接合部位を加熱するステップを更に有することを特徴とする超音波ワイヤボンディング方法。
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