JP2637430B2 - ボンディング装置及びボンディング方法 - Google Patents

ボンディング装置及びボンディング方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体技術に関し、特に、金属線表面が絶
縁体で被覆された被覆ワイヤを使用する半導体技術に適
用して有効な技術に関するものである。
〔従来の技術〕
樹脂封止型半導体装置の半導体チップとリードとの接
続には、ワイヤが使用されている。各ボンディング部へ
のワイヤの接続は、ボンディング装置により行われてい
る。
前記ワイヤは、ボンディング装置に取り付けられたス
プールに巻き回されており、このスプールからテンショ
ナ、ワイヤクランパ、ボンディングツール等を通して、
ボンディング部に供給される。ボンディング装置は、供
給側先端部にボールを形成したワイヤを半導体チップの
外部端子（ボンディングパッド）に接続した後、所定長
さの後端側のワイヤをリードに接続するように構成され
ている。この種のボンディング方法は所謂ボールボンデ
ィング法と称されている。前記ボールは、ワイヤの供給
側の先端部に電気トーチ（アーク電極）を近接させてア
ークを発生させ、この熱エネルギによって形成してい
る。
前記ワイヤとしては、被覆ワイヤが使用される傾向に
ある。被覆ワイヤは、金（Au），銅（Cu）等の金属線表
面をポリウレタン樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料で
形成した絶縁体で被覆したものである。この被覆ワイヤ
は、樹脂封止した際に、ワイヤ間ショートやワイヤと半
導体チップとのショート等を防止することができるとい
う特徴がある。
前記被覆ワイヤは、ボンディング部分すなわち半導体
チップの外部端子又はリードに接続する際、接続される
部分の絶縁体を除去する必要がある。この絶縁体の除去
は、当然のことながら、被覆ワイヤと外部端子又はリー
トとを確実に接続するために行われている。
この被覆ワイヤの絶縁体を除去する技術としては、先
に本願出願人により出願された特願昭62−14035号明細
書に記載される技術が有効である。この技術は、被覆ワ
イヤのボンディング部分に、絶縁体除去トーチからの燃
焼炎を吹き付け、その部分の絶縁体を除去する技術であ
る。前記燃焼炎は、燃焼用の水素ガスと水素ガスの燃焼
温度を低下させる温度制御用の窒素ガスとの混合ガスで
形成される。絶縁体除去トーチは、リードに接続される
被覆ワイヤの後端側の絶縁体及び次段階の外部端子に接
続される被覆ワイヤの先端側の絶縁体（ボンディング部
分）を一度に除去するように構成されている。この絶縁
体除去トーチの被覆ワイヤのボンディング部分（絶縁体
を除去する部分）への移動は、移動装置及び制御装置に
よって行われている。この技術を用いた被覆ワイヤの絶
縁体の除去は、被覆ワイヤの金属線に損傷を与えること
がなく、ボンディング部分の全域に燃焼炎を回り込ませ
て絶縁体を完全に除去することができるので、絶縁体の
残存に起因するボンディング不良（導通不良）を防止す
ることができる特徴がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、本発明者は、前述の技術において、次
の問題点が生じることを見出した。
前述のように、被覆ワイヤの絶縁体の除去は、絶縁体
除去トーチで行われている。絶縁体除去トーチは、ボン
ディング毎に、半導体チップの外部端子とリードとの距
離の変化に対応させた被覆ワイヤのボンディング部分の
近傍に移動させている。このため、絶縁体除去トーチの
構成だけでなく、その移動装置及びその移動装置を複雑
に制御する制御装置が必要となるので、ボンディング装
置が複雑になる。
また、前記被覆ワイヤの供給側の先端部のボールは、
電気トーチを近接させ、金属線と電気トーチとの間にア
ークを発生させて形成している。被覆ワイヤの先端側の
ボールは、その形成後に、半導体チップの外部端子に接
続される。ところが、前記被覆ワイヤの先端側にボール
を形成する際に、アークの発生に伴う熱によって、被覆
ワイヤの先端側から後端側に向って絶縁体が溶け上る現
象を生じることが本発明者によって確認された。この絶
縁体の溶け上りは、被覆ワイヤに絶縁体球（絶縁体の塊
り）を形成する。絶縁体球は、ボンディングツールの被
覆ワイヤのガイド穴径よりも大きく成長する。つまり、
被覆ワイヤの先端側にボールを形成した後、前記ボール
をボンディングツールの加圧面に引き寄せる際に、被覆
ワイヤとボンディングツールのガイド穴とに引かかりを
生じる。このため、この後のボンディングツールの加圧
面でボールを半導体チップの外部端子に接続することが
できなくなるので、ボンディング不良を生じる。
本発明の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体技術に
おいて、半導体装置の多端子化を図ることが可能な技術
を提供することにある。
本発明の他の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体製
造技術において、前記目的を達成すると共に、半導体装
置の半導体チップの外部端子と被覆ワイヤとのボンダビ
リティを向上することが可能な技術を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体製
造技術において、ボンディング装置の構造を簡単にする
ことが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体製
造技術において、被覆ワイヤの絶縁体球の発生に起因す
るボンディング不良を防止することが可能な技術を提供
することにある。
本発明の他の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体製
造技術において、被覆ワイヤの絶縁体の溶け上り及びそ
の絶縁体の飛散に起因するボンディング不良を防止する
ことが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、被覆ワイヤを使用する半導体製
造技術において、被覆ワイヤの溶け上りを低減すると共
に、絶縁体球の発生に起因するボンディング不良を防止
することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであ
ろう。
〔問題点を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
被覆ワイヤを使用するボンディング技術において、被
覆ワイヤの先端側に金属ボールを形成し、この金属ボー
ルを半導体チップの外部端子に接続し、前記被覆ワイヤ
の後端側を前記リードに接触させ、この接触部分の絶縁
体を破壊し、被覆ワイヤの他端側の金属線をリードに接
続する。
被覆ワイヤの先端部に金属ボールを形成するボンディ
ング技術において、被覆ワイヤの先端部の近傍に、この
被覆ワイヤの先端部分に流体を吹き付ける流体吹付装置
を設ける。
被覆ワイヤの先端部に金属ボールを形成するボンディ
ング技術であって、前記流体吹付装置を設け、被覆ワイ
ヤの先端部の近傍に、前記流体吹付装置からの流体の吹
き付けで吹き飛ばされる被覆ワイヤの絶縁体を吸引する
吸引装置を設ける。
被覆ワイヤの先端部に金属ボールを形成するボンディ
ング技術であって、前記流体吹付装置を設け、この流体
吹付装置の流体を冷却する冷却装置を設ける。
〔作 用〕
上述した手段によれば、半導体チップの外部端子と被
覆ワイヤの金属線との接触面積が増加するので、両者間
のボンダビリティを向上することができると共に、リー
ドと接続する部分以外の被覆ワイヤを絶縁体で覆い、隣
接する他の被覆ワイヤとのショートを低減することがで
きるので、リード間隔を縮小し、半導体装置の多端子化
を図ることができる。
また、前記被覆ワイヤの後端側の絶縁体を除去する絶
縁体除去トーチ、その移動装置及び制御装置等を削減す
ることができるので、ボンディング装置の構造を簡単に
することができる。
また、前記被覆ワイヤの溶け上る絶縁体を吹き飛し、
被覆ワイヤに絶縁体球が形成されることを防止すること
ができるので、ボンディング不良を防止することができ
る。
また、前記被覆ワイヤの溶け上る絶縁体を吹き飛し、
被覆ワイヤに絶縁体球が形成されることを防止すること
ができるので、ボンディング不良を防止することができ
ると共に、吹き飛ばされた絶縁体をボンディング部分に
飛散させないので、飛散された絶縁体に起因するボンデ
ィング不良を防止することができる。
また、前記被覆ワイヤの絶縁体の溶け上りを著しく低
減し、溶け上った場合でも絶縁体を吹き飛ばすことがで
きるので、被覆ワイヤに絶縁体球が形成されることを防
止し、ボンディング不良を防止することができる。
以下、本発明の構成について、樹脂封止型半導体装置
に使用される半導体製造技術に、本発明を適用した一実
施例とともに説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機
能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明
は省略する。
〔実施例Ｉ〕
本発明の実施例Ｉであるボールボンディング（ワイヤ
ボンディング）装置を第１図（概略構成図）及び第２図
（要部斜視図）で示す。
ボールディング装置は、第１図に示すように、スプー
ル１に巻き回された被覆ワイヤ２をボンディング部３に
供給するように構成されている。被覆ワイヤ２の供給
は、テンショナ４、ワイヤ案内部材５、ワイヤクランパ
６及びボンディングツール（キャピラリ）７を通してボ
ンディング部３に供給されている。
前記ボンディング部３には、第３図（断面図）及び第
４図（要部拡大断面図）で示すように構成される、樹脂
封止前の樹脂封止型半導体装置20が配置されている。樹
脂封止型半導体装置20は、接続金属膜20Bを介してタブ
部20C上に搭載された半導体チップ20Aと、リード20Dの
インナーリード部とを樹脂封止部材20Eで樹脂封止して
構成されている。半導体チップ20Aとリード20Dとは、前
記被覆ワイヤ２で接続されている。被覆ワイヤ２の一端
部は、第４図に示すように、半導体チップ20Aのパッシ
ベーション膜20Abの開口部から露出する外部端子（ボン
ディングパッド）20Aaに接続されている。被覆ワイヤ２
の他端部は、リード20Dのインナーリード部に接続され
ている。リード20Dのアウターリード部は、樹脂封止部
材20Eの外部に突出するように構成されている。樹脂封
止前の樹脂封止型半導体装置20は、第１図に示すよう
に、ボンディング装置の半導体装置支持台（半導体装置
の装着用テーブル）13に支持されている。
前記被覆ワイヤ２は、第４図にその構造を詳細に示す
ように、金属線2Aの表面に絶縁体2Bを被覆して構成され
ている。金属線2Aは、本実施例においては金（Au）で形
成する。また、金属線2Aとしては、それ以外に銅（C
u）、アルミニウム（Al）等で形成する。絶縁体2Bは、
本実施例においてはポリウレタン樹脂膜又はポリイミド
樹脂膜で形成する。また、絶縁体2Bは、それ以外にエス
テルイミド樹脂膜，エステルアミド樹脂膜等の樹脂膜や
金属酸化膜（CuO,Cu2O,Al2O2）で形成する。
前記半導体チップ20Aの外部端子20Aaには、被覆ワイ
ヤ２の一端側の絶縁体2Bが除去され露出された金属線2A
で形成された金属ボール2Aaを接続している。金属ボー
ル2Aaは、金属線2Aの直径に比べて例えば２〜３倍程度
大きな直径で構成されるようになっている。リード20D
のインナーリード部には、接続部分の被覆ワイヤ２の他
端側の絶縁体2Bを破壊して露出させた、被覆ワイヤ２の
他端側の金属線2Aを接続している。つまり、被覆ワイヤ
２の他端側は、実質的にリード20Dとの接続部分の絶縁
体2Bだけが除去されており、それ以外の絶縁体2Bは残存
するように構成されている。この被覆ワイヤ２の他端側
の絶縁体2Bの破壊は、後述するが、ボンディングツール
７によって与えられる超音波振動、適度な加圧及び適度
な加熱（エネルギ）によって行うことができる。
このように、被覆ワイヤ２を使用する樹脂封止型半導
体装置20において、半導体チップ20Aの外部端子20Aa
に、被覆ワイヤ２の一端側の金属線2Aで形成される金属
ボール2Aaを接続し、リード20Dに、接触部分の絶縁体2B
を破壊した被覆ワイヤ２の他端側の金属線2Aを接続する
ことにより、金属ボール2Aaのサイズが大きいので、半
導体チップ20Aの外部端子Aaと被覆ワイヤ２の金属線2A
との接触面積を増加し、両者間のボンダビリティを向上
することができると共に、リード20Dと接続する部分以
外の被覆ワイヤ２の他端側を絶縁体2Bで覆い、この被覆
ワイヤ２の他端側と隣接する他の被覆ワイヤ２の他端側
とのショートを低減することができるので、リード20D
間隔を縮小し、樹脂封止型半導体装置20の多端子化（所
謂、多ピン化）を図ることができる。
前記ボンディングツール７及び被覆ワイヤ２の供給方
向の先端部分（金属ボール2Aa形成部分）は、前記第１
図及び第２図に示すように、金属ボール2Aaの形成時
に、被覆部材10Aに被覆されるように構成されている。
被覆部材10Aは、第２図に示す矢印Ａ方向に回転移動す
るように構成されている。つまり、被覆部材10Aは、金
属ボール2Aaの形成時に、矢印Ａ方向の回転動作によっ
てツール挿入口10Bからボンディングツール７を挿入
し、それを被覆するように構成されている。この被覆部
材10Aは、第５図（具体的な構成を示す部分断面図，第
６図のＶ−Ｖ切断線で切った断面に相当する）、第６図
（第５図の矢印VI方向から見た平面図）及び第７図（第
６図のVII−VII切断線で切った断面図）で示すように構
成されている。被覆部材10Aは、後述するが、金属ボー
ル2Aaの形成時に、溶け上る絶縁体2Bの吹き飛ばしでボ
ンディング部３に絶縁体2Bが飛散しないように構成され
ている。また、被覆部材10Aは、被覆ワイヤ２の金属線2
AがCu,Al等の酸化し易い材料で形成される場合、酸化防
止用被覆ガス雰囲気（シールドガス雰囲気）を保持し易
いように構成されている。また、被覆部材10Aは、例え
ばステンレス鋼で形成する。また、被覆部材10Aは、被
覆ワイヤ２の金属ボール2Aaの形成状態等を作業者が確
認できるように、透明性を有するガラス材料で形成して
もよい。
前記被覆部材10Aの底部分には、第１図、第２図、第
５図及び第７図に示すように、電気トーチ（アーク電
極）10Dが設けられている。電気トーチ10Dは、第８図
（金属ボールの形成原理を説明する模写構成図）に示す
ように、被覆ワイヤ２の供給側の先端部の金属線2Aに近
接させ、両者間にアークarcを発生させて金属ボール2Aa
を形成するように構成されている。電気トーチ10Dは、
例えば高温度に耐えるタングステンで形成されている。
電気トーチ10Dは、導電性材料で形成された吸引装置1
1の吸引管10Eを介在させて、アーク発生装置12に接続さ
れている。吸引管10Eは、例えばステンレス鋼で形成さ
れており、Ag−Cuろう材等の接着金属層を介在させて電
気トーチ10Dを固着している。この吸引管10Eは、挟持部
材10Fを介在させて被覆部材10Aに固着されている。つま
り、電気トーチ10D及び吸引管10Eと被覆部材10Aとは、
一体に構成されている。
前記電気トーチ10Dは、前述のように金属ボール2Aaを
形成する時に被覆ワイヤ２の供給側の先端部に近接し、
ボンディング工程中に被覆ワイヤ２の供給経路から離隔
できるように、第２図に示す矢印Ａ方向に移動できるよ
うに構成されている。この電気トーチ10Dを移動させる
移動装置は、主に、吸引管10E及び絶縁体部材10Hを介在
させて電気トーチ10Dを支持する支持部材10G、この支持
部材10Gを矢印Ａ方向に回転させるクランク軸10I、この
クランク軸10Iを回転させる駆動源10Kで構成されてい
る。クランク軸10Iの回転は、そのクランク部に連結さ
れた駆動源10Kのシャフト10Jの矢印Ｂ方向の移動によっ
て行われる。駆動源10Kは、例えば電磁ソレノイドで構
成されている。クランク軸10Iは、図示していないが、
ボンディング装置本体に回転自在に支持されている。な
お、電気トーチ10Dの移動と被覆部材10Aの移動とは、両
者が一体に構成されているので実質的に同一である。
前記アーク発生装置12は、第２図に示すように、主
に、コンデンサC1、蓄積用コンデンサC2、トリガーで作
動するアーク発生用サイリスタＤ、抵抗Ｒで構成されて
いる。直流電源D.Cは、例えば、−1000〜−3000［Ｖ］
程度の負の極性の電圧を供給するように構成されてい
る。直流電源D.Cは、サイリスタD,抵抗Ｒ等を介して電
気トーチ10Dに接続されている。基準電位GNDは、例え
ば、接地電位（＝０［Ｖ］）である。Ｖは電圧計、Ａは
電流計である。後に詳述するが、被覆ワイヤ２の金属線
2Aは、スプール１に巻き回された端部が基準電位GNDに
接続されている。この結果、電気トーチ10Dで被覆ワイ
ヤ２の先端部に金属ボール2Aaを形成する場合、第１
図、第２図及び第８図に示すように、電気トーチ10Dを
負電位（−）、被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の金属
線2Aを正電位（＋）に設定することができる。
このように、被覆ワイヤ２の先端部の金属線2Aとアー
ク電極10Dとの間にアークarcを発生させ、被覆ワイヤ２
の先端部に金属ボール2Aaを形成するボンディング装置
において、被覆ワイヤ２の金属線2Aを正電位（＋）に接
続し、電気トーチ10Dを負電位（−）に接続することに
より、前記被覆ワイヤ２の金属線2Aと電気トーチ10Dと
の間に発生するアークarcの発生位置をその逆の極性の
場合に比べて安定化することができるので、アークarc
が被覆ワイヤ２の金属線2Aの後端側に向ってはい上るこ
とを低減とすることができる。アークarcのはい上りの
低減は、被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上りを低減し、
絶縁体球の発生を防止することができる。
なお、本発明は、被覆ワイヤ２の金属線2Aが電気トー
チ10Dに対して正の電位を有するように、基準電位GNDよ
りも高い電圧又は低い電圧に前記被覆ワイヤ２の金属線
2Aを接続してもよい。
前記被覆ワイヤ２が巻き回された前記スプール１は、
第２図及び第９図（要部分解斜視図）で示すように構成
されている。スプール１は、例えば、円筒形状のアルミ
ニウム金属の表面にアルマイト処理を施して構成する。
アルマイト処理は、機械的強度の向上やキズの発生を防
止するために施す。このスプール１は、前述のように、
アルマイト処理が施されているので絶縁性を有する。
前記スプール１は、スプールホルダ８に取り付けら
れ、このスプールホルダ８の回転軸8Aによってボンディ
ング装置本体９に取り付けられている。
スプールホルダ８は、少なくともその一部に導電性を
有するように、例えば、ステンレス鋼で構成されてい
る。
前記スプール１には、第９図及び第10図（要部拡大斜
視図）で示すように、接続端子1Aが設けられている。接
続端子1Aは、スプールホルダ８の導電性を有する部分と
接触する、スプール１の側面部分（鍔部）に、点形状で
設けられている。
接続端子1Aは、第10図に示すように、絶縁体1Aaの上
部に導電体1Abを設け、この導電体1Abの上部に接続用金
属部1Acを設けて構成している。絶縁体1Aaは、導電体1A
bとスプール１と確実に電気的に分離し、しかも、スプ
ールホルダ８の接続用金属部1Acを確実に当接できる。
適度な弾力性を有するように、例えばポリイミド樹脂で
形成する。導電体1Abは、被覆ワイヤ２の金属線2Aを接
続する接続用金属部1Acと、スプールホルダ８に接触す
る接続用金属部1Acとを確実に接続できるように、例え
ば、Cu箔で形成する。接続用金属部1Acは、導電性ペー
スト，半田等で形成する。
この接続端子1Aには、スプール１の側面（鍔部）に形
成された切り欠き部を通して、ボンディング部３に供給
される側と反対側の被覆ワイヤ２の端部の金属線2A、す
なわち被覆ワイヤ２の巻き始め端部の金属線2Aを接続す
るように構成されている。この金属線2Aは、接続用金属
部1Acによって接続端子1Aに接続される。被覆ワイヤ２
の巻き始めの金属線2Aの表面の絶縁体2Bは、加熱或は化
学的に除去する。接続端子1Aつまり被覆ワイヤ２の金属
線2Aは、スプールホルダ８、その回転軸8A及び装置本体
９を通して基準電位GNDに接続されている。基準電位GND
は、前記アーク発生装置12の基準電位GNDと同様の電位
である。
このように、前記スプール１に基準電位GNDに接続す
るための接続端子1Aを設け、この接続端子に被覆ワイヤ
２の巻き始め端部の金属線2Aを接続することにより、ス
プールホルダ８等を通して基準電位GNDに接続すること
ができるので、被覆ワイヤ２の金属線2Aを確実に基準電
位GNDに接続することができる。
また、前記被覆ワイヤ２の金属線2Aが基準電位GNDに
接続されることにより、金属ボール2Aa形成時に、電気
トーチ10Dと供給側の被覆ワイヤ２の金属線2Aとの間の
電位差を充分に確保し、アークarcの発生を良好にする
ことができるので、金属ボール2Aaを確実に形成するこ
とができる。
前記第１図及び第２図に示すように、前記ボンディン
グツール７は、ボンディングアーム7Aを介在させて、ボ
ンディングヘッド（デジタルボンディングヘッド）14に
支持されている。ボンディングアーム7Aには、図示して
いないが、超音波振動装置が内蔵されており、ボンディ
ングツール７を超音波振動させるように構成されてい
る。ボンディングヘッド14は、XYテーブル17を介在させ
て基台18に支持されている。ボンディングヘッド14は、
ボンディング部３にボンディングツール７を近接及び離
反できるように、ボンディングアーム7Aを上下方向（矢
印Ｃ方向）に移動できる移動装置が設けられている。移
動装置は、主に、ガイド部材14A、アーム移動部材14B、
雌ねじ部材14C、雄ねじ部材14D、モータ14Eで構成され
ている。ガイド部材14Aは、矢印Ｃ方向にアーム移動部
材14Bを移動させるように構成されている。前記モータ1
4Eは、雄ねじ部材14Dを回転させ、この回転により雄ね
じ部材14Dと嵌合する雌ねじ部材14Cを矢印Ｃ方向に移動
させ、この移動によりアーム移動部材14Bを矢印Ｃ方向
に移動させるように構成されている。
アーム移動部材14Bに支持されたボンディングアーム7
Aは、回転軸14Fを中心に回転するように構成されてい
る。ボンディングアーム7Aの回転軸14Fを中心とする回
転は、弾性部材14Gにより制御される。この弾性部材14G
の回転の制御は、ボンディングツール７がボンディング
部３に当接した時に、ボンディング部３が必要以上に加
圧されることを防止し、ボンディング部３の損傷や破壊
を防止するように構成されている。
前記ワイヤクランパ６は、被覆ワイヤ２を挟持するこ
とができ、被覆ワイヤ２の供給を制御するように構成さ
れている。ワイヤクランパ６は、クランパアーム6Aを介
在させてボンディングアーム7Aに設けられている。
ワイヤ案内部材５は、スプール１から供給される被覆
ワイヤ２をボンディング部３にガイドするように構成さ
れている。ワイヤ案内部材５は、クランパアーム6Aに設
けられている。
前記被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の近傍であっ
て、ボンディングツール７とボンディング部３との間の
被覆ワイヤ２の供給経路の近傍には、第１図、第２図、
第５図乃至第８図に示すように、流体吹付装置19の流体
吹付ノズル10Cが設けられている。流体吹付ノズル10C
は、被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の金属線2Aで金属
ボール2Aaを形成する時に、その形成部分（金属線2A及
び絶縁体2B）に流体吹付装置19からの流体gasを吹き付
けるように構成されている。流体吹付ノズル10Cから吹
き出される流体gasは、第８図に示すように、被覆ワイ
ヤ２の先端部の金属線2Aで金属ボール2Aaを形成する際
に、アークarcの発生する熱で溶け上がる絶縁体2Bを吹
き飛ばす（2Ba）ように構成されている。
流体吹付ノズル10Cは、基本的には、ボンディングツ
ール７の先端部分つまり前述のように被覆ワイヤ２の先
端部分に流体gasを吹き付ければよく、本実施例におい
ては、前記被覆部材10Aに設けられている。流体吹付ノ
ズル10Cは、第２図、第５図乃至第７図に具体的な構造
を示すように、絶縁体2Bの溶け上がりを小さくするため
に、被覆ワイヤ２の後端側から先端側に向って流体gas
を吹き付けるように構成されている。なお、流体吹付ノ
ズル10Cは、ボンディングツール７に取り付けない方が
好ましい。流体吹付ノズル10Cをボンディングツール７
に取り付けた場合には、ボンディングツール７の重量が
増加し、その超音波振動の負荷が増大するために、接続
部分のボンダビリティが低下する。
前記流体gasは、N2,H2,He,Ar,空気等の気体を使用
し、第８図に示すように、流体吹付装置（流体源）19か
ら冷却装置19A、流量計19B、流体搬送管19Cを介在させ
て流体吹付ノズル10Cに供給される。
冷却装置19Aは、流体gasを積極的に常温よりも低く冷
却するように構成されている。冷却装置19Aは、例えば
ペルチェ効果を利用した電子冷却装置で構成する。前記
流体搬送管19Cは、第８図に簡略化して示しているが、
少なくとも、冷却装置19Aと流体吹付ノズル10Cの供給口
との間を断熱材19Dで被覆するように構成されている。
つまり、断熱材19Dは、冷却装置19Aで冷却された流体ga
sの温度を流体搬送管19Cの移動中に変化させない（冷却
効率を高める）ように構成されている。
また、前記被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の近傍で
あって、被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上り部分を中心
として前記流体吹付ノズル10Cに対向する位置には、前
記吸引装置11に連結された吸引管10Eが設けられてい
る。この吸引管10Eは、前述のように、電気トーチ10Dと
アーク発生装置12とを接続する導電体としても使用され
るが、主に、流体吹付ノズル10Cで吹き飛ばされた、被
覆ワイヤ２の溶け上がった絶縁体2Baを吸引するように
構成されている。吸引管10Eで吸引された絶縁体2Baは、
吸引装置11に吸引される。
次に、本実施例のボールボンディング方法について簡
単に説明する。
まず、第１図、第２図、第５図、第８図に示すよう
に、ボンディングツール７及びその加圧面側に突出され
た被覆ワイヤ２の供給方向の先端部分を被覆部材10Aで
被覆する。この被覆は、前記駆動源10Kで動作する移動
装置によって、被覆部材10Aを矢印Ａ方向に移動するこ
とによって行われる。また、この被覆部材10Aによる被
覆は、電気トーチ10D、流体吹付ノズル10Cの夫々を被覆
ワイヤ２の先端部の近傍に配置することができる。
次に、第８図に示すように、被覆ワイヤ２の供給方向
の先端部の金属線2Aと電気トーチ10Dとの間にアークarc
を発生させ、前記金属線2Aで金属ボール2Aaを形成す
る。この金属ボール2Aaを形成するアークarcの熱によっ
て、被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の絶縁体2Bが溶け
上がる。すなわち、被覆ワイヤ２の供給方向の先端部の
絶縁体2Bが除去され、金属線2Aが露出される。
金属ボール2Aaは、第11図（アークのエネルギ量と絶
縁体の溶け上り量との関係図）で示すように短時間で行
う。第11図は、横軸にアークarcの放電時間［ms］、縦
軸に電流量［mA］及び被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上
り量Ｌ［mm］を示している。第11図に示すデータは、常
温25［℃］、被覆ワイヤ２の金属線（Au）2Aの直径φｗ
を25［μｍ］、電圧［Ｖ］が1400［Ｖ］か2200［Ｖ］の
場合において、被覆ワイヤ２の金属ボール2Aaの直径φ
ｂを60［μｍ］に形成するために必要な絶縁体（ポリウ
レタン樹脂）2Bの溶け上り量Ｌ［mm］を示している。同
図に示すように、短時間でしかも高エネルギ（電流、電
圧の夫々が高い領域）で金属ボール2Aaを形成すると、
被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上り量が小さくなる（太
い実線で示す）。本発明者の基礎実験の結果、リード2D
数つまりピン数が100本程度の高集積の樹脂封止型半導
体20において、金属ボール2Aaを100〜1000［μｓ］の短
時間で形成することができ、しかも被覆ワイヤ２の絶縁
体2Bの溶け上り量Ｌを0.2〜0.4［mm］の小さい範囲内に
形成することができた。このように、金属ボール2Aaの
形成を短時間、高エネルギで行うことは、前述のよう
に、アークarcの発生を安定にする。つまり電気トーチ1
0Dを負電圧（−）に被覆ワイヤ２の金属線2Aを正電位
（＋）に設定することで実現できる。
そして、この金属ボール2Aaを形成する際に、被覆部
材10Aと共に位置が設定された流体吹付ノズル10Cで流体
吹付装置19から流体gasを被覆ワイヤ２の溶け上る絶縁
体2Bに吹き付け、第８図に示すように、絶縁体2Bを吹き
飛ばす。この吹き飛ばされた絶縁体2Baは、吸引管10Eを
通して吸引装置11に吸引される。
この流体吹付ノズル10Cからの流体gasは、第８図に示
す冷却装置19Aによって、約０〜−10［℃］程度に冷却
されている。第12図は、流体gasの温度［℃］（横軸）
と被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上り量Ｌ［mm］（縦
軸）との関係を示している。流体吹付ノズル10Cからの
流体gasの流量Ｑは、0.5〜2.5［/min］である。同図
に示すように、流体吹付ノズル10Cからの流体gasの温度
が低い程、被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上り量が小さ
い。つまり、冷却装置19Aで冷却された流体gasは、被覆
ワイヤ２の金属線2A、絶縁体2B、ボンディングツール７
等を積極的に冷却することができるので、アークarc発
生部分だけの絶縁体2Bを溶融し、絶縁体2Bの溶け上り量
を低減することができる。
次に、前記被覆部材10A及びそれと共に電気トーチ10
D、流体吹付ノズル10Cの夫々を矢印Ａ方向（前述と逆方
向）に移動させる。
次に、ボンディングツール７の加圧面に、被覆ワイヤ
２の供給方向の先端部に形成された金属ボール2Aaを引
き寄せる。
次に、この状態で、ボンディングツール７をボンディ
ング部３に近接させて行き、第４図に点線でボンディン
グツール７を示すように、被覆ワイヤ２の供給方向の先
端部に形成された金属ボール2Aaを半導体チップ20Aの外
部端子20Aaに接続する（ファーストボンディング:1s
t）。この金属ボール2Aaの接続は、ボンディングツール
７の超音波振動及び熱圧着（いずれか一方でもよい）で
行う。
次に、第４図に示すように、被覆ワイヤ２の後端部の
金属線2Aをボンディングツール７によってリード2Dに接
続する（セカンドボンディング:2nd）。被覆ワイヤ２の
後端側の接続は、ボンディングツール７の超音波振動及
び熱圧着（前者だけでもよい）で行う。この被覆ワイヤ
２の後端側の接続は、接続部分の被覆ワイヤ２は予じめ
絶縁体2Bで被覆されているが、ボンディングツール７を
超音波振動させることによって接続部分のみの絶縁体2B
が破壊され、金属線2Aが露出するようなっている。ボン
ディングツール７の超音波振動のエネルギや熱圧着力に
よって若干変化があるが、被覆ワイヤ２の絶縁体（ポリ
ウレタン樹脂の場合）2Bは、0.2〜３［μｍ］程度の膜
厚が好ましい。特に、絶縁体2Bは、0.2〜1.0［μｍ］程
度の膜厚が最適である。被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの膜厚
が0.2［μｍ］以下の場合には、絶縁体2Bとしての絶縁
耐圧が小さい。また、被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの膜厚が
1.0［μｍ］を超えた場合には、ボンディングツール７
の超音波振動によって絶縁体2Bが破壊されにくくなり、
絶縁体2Bの膜厚が3.0［μｍ］を超えた場合には、絶縁
体2Bが破壊されない。このため、被覆ワイヤ２の金属線
2Aとリード2Dとの接続不良を生じる。
次に、前記ボンディングツール７を離隔させる（この
時、被覆ワイヤ２が切断される）ことにより、前記第４
図に示すように、ボンディング工程が完了する。
このように、被覆ワイヤ２の先端部に金属ボール2Aa
を形成するボンディング技術において、被覆ワイヤ２の
先端部の近傍に、この被覆ワイヤ２の先端部分に流体ga
sを吹き付ける流体吹付ノズル10C（流体吹付装置19の一
部）を設けることにより、前記被覆ワイヤ２の溶け上る
絶縁体2Bを吹き飛ばすことができるので、被覆ワイヤ２
に絶縁体球が形成されることを防止することができる。
この結果、絶縁体球に起因するボンディングツール７に
被覆ワイヤ２が引っかかることを防止し、被覆ワイヤ２
をボンディングツール７の加圧面に引き寄せることがで
きるので、ボールボンディングを行うことができ、ボン
ディング不良を防止することができる。
また、被覆ワイヤ２の先端部に金属ボール2Aaを形成
するボンディング技術であって、前記流体吹付ノズル10
C（流体吹付装置19）を設け、被覆ワイヤ２の先端部の
近傍に、前記流体吹付ノズル10Cからの流体gasの吹き付
けで吹き飛ばされる被覆ワイヤ２の絶縁体2Bを吸引する
吸引管10E（吸引装置11）を設けることにより、前記被
覆ワイヤ２の溶け上る絶縁体2Bを吹き飛し、被覆ワイヤ
２に絶縁体球が形成されることを防止して前述のように
ボンディング不良を防止することができると共に、吹き
飛ばされた絶縁体2Baをボンディング部３に飛散させな
いので、飛散された絶縁体2Baに起因するボンディング
不良を防止することができる。飛散された絶縁体2Baに
起因するボンディング不良とは、例えば、半導体チップ
20Aの外部端子20Aa又はリード20Dと被覆ワイヤ２の金属
線2Aとの間に前記絶縁体2Baが飛散し、両者間が導通不
良となる場合である。
また、被覆ワイヤ２の先端部に金属ボール2Aaを形成
するボンディング技術であって、前記流体吹付ノズル10
C（流体吹付装置19）を設け、この流体吹付ノズル10Cの
流体gasを冷却する冷却装置19を設けることにより、前
記被覆ワイヤ２の絶縁体2Bの溶け上りを著しく低減し、
溶け上った場合でも絶縁体2Bを吹き飛すことができるの
で、被覆ワイヤ２に絶縁体球が形成されることを防止
し、前述のようにボンディング不良を防止することがで
きる。
また、被覆ワイヤ２を使用するボンディング技術にお
いて、被覆ワイヤ２の供給方向の先端側に金属ボール2A
aを形成し、この金属ボール2Aaを半導体チップ20Aの外
部端子20Aaに接続し、前記被覆ワイヤ２の供給方向の後
端側を前記リード20Dに接触させ、この接触部分の絶縁
体2Bを破壊し、被覆ワイヤ２の他端側の金属線2Aをリー
ド20Dに接続することにより、前記被覆ワイヤ２の後端
側の絶縁体2Bを除去する絶縁体除去トーチを使用するこ
となく絶縁体2Bの除去を行うことができるので、絶縁体
除去トーチ、その移動装置及び制御装置等を削減するこ
とができる。この結果、ボンディング装置の構造を簡単
にすることができる。
〔実施例II〕
本実施例IIは、ボールボンディング装置の流体吹付装
置の構成を代えた、本発明の他の実施例である。
本発明の実施例IIであるボールボンディング装置の要
部を第13図（部分断面図）及び第14図（第13図の矢印Ｘ
IV方向から見た平面図）で示す。
第13図及び第14図に示すように、本実施例IIの流体吹
付装置19（図示していない）の流体吹付ノズル10Cは、
Ｕ字形状の流体搬送管に流体gasを吹き出す細孔を設け
て構成されている。このＵ字形状の流体吹付ノズル10C
は、ボンディング装置本体、例えばXYテーブル17に固着
されている。
吸引装置11（図示していない）の吸引管10Eは、Ｕ字
形状の流体吹付ノズル10Cからの流体gasが吹き付けられ
る方向に設けられている。この吸引管10Eは、流体吹付
ノズル10Cと同様に、ボンディング装置本体、例えばXY
テーブル17に固着されている。
電気トーチ10Dは、前記実施例Ｉと実質的に同様に、
矢印Ａ方向に回転移動するように構成されている。つま
り、電気トーチ10Dは、被覆ワイヤ２の供給方向の先端
部に金属ボール2Aaを形成する時に、流体吹付ノズル10C
から流体gasが吹き付けられる位置に移動し、その後、
金属ボール2Aaをボンディングする時に、前記位置から
離隔するように構成されている。電気トーチ10Dの移動
は、ボンディング装置本体例えばXYテーブル17に固着さ
れた移動装置10Lで行われる。
この流体吹付ノズル10C、吸引管10E及び電気トーチ10
Dは、前記実施例Ｉで設けた被覆部材10Aを設けていない
ので、直接、ボンディング装置本体に固着される。
このように構成されるボールボンディング装置は、被
覆ワイヤ２の供給方向の先端部に金属ボール2Aaを形成
する時、その部分を作業者が観察することができるの
で、アークarcの発生状態、流体吹付ノズル10Cからの流
体gasの吹き付け状態、流体gasで吹き飛ばされた絶縁体
2Bの吸引状態等の最適化を図ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例
に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて種々変更可能であることは勿論である。
例えば、本発明は、樹脂封止型半導体装置に限らず、
セラミック封止型半導体装置の半導体技術に適用するこ
とができる。
〔発明の効果〕
本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりで
ある。
被覆ワイヤを使用する半導体技術において、多端子化
を図ることができると共に、被覆ワイヤのボンディング
に際してボンダビリティを向上することができる。
被覆ワイヤを使用する半導体技術において、ボンディ
ング装置の構造を簡単にすることができる。
被覆ワイヤを使用する半導体技術において、被覆ワイ
ヤの絶縁体球の発生に起因するボンディング不良を防止
することができる。
被覆ワイヤを使用する半導体技術において、被覆ワイ
ヤの絶縁体の溶け上り及びその絶縁体の飛散に起因する
ボンディング不良を防止することができる。
被覆ワイヤを使用する半導体技術において、被覆ワイ
ヤの絶縁体の溶け上りを低減すると共に、絶縁体球の発
生に起因するボンディング不良を防止することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例Ｉであるボールボンディング
装置の概略構成図、 第２図は、前記ボールボンディング装置の要部斜視図、 第３図は、樹脂封止型半導体装置の断面図、 第４図は、前記樹脂封止型半導体装置の要部拡大断面
図、 第５図は、前記ボールボンディング装置の要部の具体的
な構成を示す部分断面図、 第６図は、前記第５図の矢印Ｖ方向から見た平面図、 第７図は、前記第６図のVII−VII切断線で切った断面
図、 第８図は、金属ボールの形成原理を説明するための模写
構成図、 第９図は、前記ボールボンディング装置のスプールの要
部分解斜視図、 第10図は、前記スプールの要部拡大斜視図、 第11図は、アークのエネルギ量と被覆ワイヤの絶縁体の
溶け上り量との関係を示す図、 第12図は、流体の温度と被覆ワイヤの絶縁体の溶け上り
量との関係を示す図、 第13図は、本発明の実施例IIであるボールボンディング
装置の要部を示す部分断面図、 第14図は、前記第13図の矢印XIV方向から見た平面図で
ある。 図中、２……被覆ワイヤ、2A……金属線、2Aa……金属
ボール、2B,2Ba……絶縁体、３……ボンディング部、７
……ボンディングツール、10A……被覆部材、10C……流
体吹付ノズル、10D……電気トーチ、10E……吸引管、11
……吸引装置、12……アーク発生装置、19……流体吹付
装置、19A……冷却装置、20……樹脂封止型半導体装
置、20A……半導体チップ、20Aa……外部端子、20D……
リードである。

Claims (24)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属線表面を絶縁体によって被覆した被覆
    ワイヤを用いて、半導体装置を構成する半導体チップと
    リードとを接続するボンディング装置であって、 前記被覆ワイヤ先端部の金属線と電気トーチとの間にア
    ークを発生させ、この被覆ワイヤの先端部の絶縁体を除
    去すると共に先端部の金属線で金属ボールを形成する際
    に、この被覆ワイヤの先端部に流体を吹き付けて、前記
    絶縁体除去時の絶縁体の溶け上がりを防止する流体吹付
    装置を、前記被覆ワイヤの先端部近傍に設けたことを特
    徴とするボンディング装置。
  2. 【請求項２】前記流体吹付装置によって吹き付ける流体
    を冷却する冷却装置を設けたことを特徴とする特許請求
    の範囲第１項に記載のボンディング装置。
  3. 【請求項３】前記金属ボールは、熱圧着又は超音波振動
    の少なくとも何れかによって前記半導体チップの外部端
    子に接続されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    又は第２項に記載の夫々のボンディング装置。
  4. 【請求項４】前記被覆ワイヤと前記リードとは、超音波
    振動によって接続され、この超音波振動によって被覆ワ
    イヤの絶縁体が除去されることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項乃至第３項に記載の夫々のボンディング装
    置。
  5. 【請求項５】前記被覆ワイヤの金属線はAu,Cu,Al等で形
    成され、前記絶縁体はポリウレタン樹脂，エステルイミ
    ド樹脂，エステルアミド樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂
    膜やCuO,Cu2O等の酸化膜で形成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項乃至第４項に記載の夫々のボ
    ンディング装置。
  6. 【請求項６】前記半導体装置は、樹脂封止型又はセラミ
    ック封止型であることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項乃至第５項に記載の夫々のボンディング装置。
  7. 【請求項７】金属線表面を絶縁体によって被覆した被覆
    ワイヤを用いて、半導体装置を構成する半導体チップと
    リードとを接続するボンディング装置であって、 前記被覆ワイヤ先端部の金属線と電気トーチとの間にア
    ークを発生させ、この被覆ワイヤの先端部の絶縁体を除
    去すると共に先端部の金属線で金属ボールを形成する際
    に、前記絶縁体除去時に離散する絶縁体を吸引排気する
    吸引装置を、前記被覆ワイヤの先端部近傍に設けたこと
    を特徴とするボンディング装置。
  8. 【請求項８】前記流体吹付装置によって吹き付ける流体
    を冷却する冷却装置を設けたことを特徴とする特許請求
    の範囲第７項に記載のボンディング装置。
  9. 【請求項９】前記金属ボールは、熱圧着又は超音波振動
    の少なくとも何れかによって前記半導体チップの外部端
    子に接続されることを特徴とする特許請求の範囲第７項
    又は第８項に記載の夫々のボンディング装置。
  10. 【請求項１０】前記被覆ワイヤと前記リードとは、超音
    波振動によって接続され、この超音波振動によって被覆
    ワイヤの絶縁体が除去されることを特徴とする特許請求
    の範囲第７項乃至第９項に記載の夫々のボンディング装
    置。
  11. 【請求項１１】前記被覆ワイヤの金属線はAu,Cu,Al等で
    形成され、前記絶縁体はポリウレタン樹脂，エステルイ
    ミド樹脂，エステルアミド樹脂，ポリイミド樹脂等の樹
    脂膜やCuO,Cu2O等の酸化膜で形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第７項乃至第10項に記載の夫々の
    ボンディング装置。
  12. 【請求項１２】前記半導体装置は、樹脂封止型又はセラ
    ミック封止型であることを特徴とする特許請求の範囲第
    ７項乃至第11項に記載の夫々のボンディング装置。
  13. 【請求項１３】金属線表面を絶縁体によって被覆した被
    覆ワイヤを用いて、半導体装置を構成する半導体チップ
    とリードとを接続するボンディング方法であって、 前記被覆ワイヤ先端部の金属線と電気トーチとの間にア
    ークを発生させ、この被覆ワイヤの先端部の絶縁体を除
    去すると共に先端部の金属線で金属ボールを形成する際
    に、この被覆ワイヤの先端部に流体を吹き付けて、前記
    絶縁体除去時の絶縁体の溶け上がりを防止することを特
    徴とするボンディング方法。
  14. 【請求項１４】前記被覆ワイヤ先端部に吹き付けられる
    流体は冷却された流体であることを特徴とする特許請求
    の範囲第13項に記載のボンディング方法。
  15. 【請求項１５】前記金属ボールは、熱圧着又は超音波振
    動の少なくとも何れかによって前記半導体チップの外部
    端子に接続されることを特徴とする特許請求の範囲第13
    項又は第14項に記載の夫々のボンディング方法。
  16. 【請求項１６】前記被覆ワイヤと前記リードとは、超音
    波振動によって接続され、この超音波振動によって被覆
    ワイヤの絶縁体が除去されることを特徴とする特許請求
    の範囲第13項乃至第15項に記載の夫々のボンディング方
    法。
  17. 【請求項１７】前記被覆ワイヤの金属線はAu,Cu,Al等で
    形成され、前記絶縁体はポリウレタン樹脂，エステルイ
    ミド樹脂，エステルアミド樹脂，ポリイミド樹脂等の樹
    脂膜やCuO,Cu2O等の酸化膜で形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第13項乃至第16項に記載の夫々の
    ボンディング方法。
  18. 【請求項１８】前記半導体装置は、樹脂封止型又はセラ
    ミック封止型であることを特徴とする特許請求の範囲第
    13項乃至第17項に記載の夫々のボンディング方法。
  19. 【請求項１９】金属線表面を絶縁体によって被覆した被
    覆ワイヤを用いて、半導体装置を構成する半導体チップ
    とリードとを接続するボンディング方法であって、 前記被覆ワイヤ先端部の金属線と電気トーチとの間にア
    ークを発生させ、この被覆ワイヤの先端部の絶縁体を除
    去すると共に先端部の金属線で金属ボールを形成する際
    に、前記絶縁体除去時に離散する絶縁体を、前記被覆ワ
    イヤの先端部近傍に設けた吸引手段によって吸引排気し
    て、前記絶縁体除去時の絶縁体の溶け上がりを防止する
    ことを特徴とするボンディング方法。
  20. 【請求項２０】前記被覆ワイヤ先端部に吹き付けられる
    流体は冷却された流体であることを特徴とする特許請求
    の範囲第19項に記載のボンディング方法。
  21. 【請求項２１】前記金属ボールは、熱圧着又は超音波振
    動の少なくとも何れかによって前記半導体チップの外部
    端子に接続されることを特徴とする特許請求の範囲第19
    項又は第20項に記載の夫々のボンディング方法。
  22. 【請求項２２】前記被覆ワイヤと前記リードとは、超音
    波振動によって接続され、この超音波振動によって被覆
    ワイヤの絶縁体が除去されることを特徴とする特許請求
    の範囲第19項乃至第21項に記載の夫々のボンディング方
    法。
  23. 【請求項２３】前記被覆ワイヤの金属線はAu,Cu,Al等で
    形成され、前記絶縁体はポリウレタン樹脂，エステルイ
    ミド樹脂，エステルアミド樹脂，ポリアミド樹脂等の樹
    脂膜やCuO,Cu2O等の酸化膜で形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第19項乃至第22項に記載の夫々の
    ボンディング方法。
  24. 【請求項２４】前記半導体装置は、樹脂封止型又はセラ
    ミック封止型であることを特徴とする特許請求の範囲第
    19項乃至第23項に記載の夫々のボンディング方法。
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