JP2809198B2

JP2809198B2 - ボンディングツール

Info

Publication number: JP2809198B2
Application number: JP8137911A
Authority: JP
Inventors: 伸彦小林
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JPH09321091A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はボンディングツール
に係り、特に半導体素子のアルミニウム（Ａｌ）パッド
上に形成されたバンプに、それに対応するようにＴＡＢ
テープ上に設けられた多数のインナーリードを接続する
ボンディングツールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られているＴＡＢ（Ｔａｐｅ
ＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）テープを用い
た実装方式は、ポリイミドなどの絶縁テープ上に、１単
位（１ＩＣ分）ごとに複数本のリードを形成してなるＴ
ＡＢテープを作製しておき、リードのインナーリード部
を半導体素子のバンプにインナーリードボンディング
（ＩｎｎｅｒＬｅａｄＢｏｎｄｉｎｇ：以下ＩＬＢ
と記す）し、そのアウターリード部を実装基板やリード
フレーム上にボンディングする方式である。ＴＡＢテー
プ上に半導体素子をＩＬＢによって搭載し、必要に応じ
て樹脂封止したものは通常ＴＣＰ（ＴａｐｅＣａｒｒ
ｉｅｒＰａｃｋａｇｅ）と呼ばれている。

【０００３】ＴＡＢテープのインナーリードはフォトリ
ソグラフィ法およびウェットエッチングにより形成され
るため、ワイヤボンディング方式に比べ狭ピッチ化が容
易で、ワイヤボンディングでは今のところ８０μｍピッ
チが限界といわれているが、ＴＡＢ方式の場合すでに６
０μｍピッチ品が量産化されている。同じパッケージサ
イズでも、ワイヤボンディングされたモールドＩＣに比
べ多ピン化が可能で、最近では８００ピンを超えるＴＣ
Ｐが製品化されている。

【０００４】半導体素子（ＩＣ）の電極にインナーリー
ドをボンディングするＩＬＢには、従来よりリードを１
本ずつ接続していくシングルポイントＩＬＢと、１ＩＣ
について全インナーリードを一括して接続するギャング
ＩＬＢとがある。これから説明するレーザＩＬＢは、シ
ングルポイントＩＬＢの一種である。

【０００５】図４は、レーザＩＬＢ用のインナーリード
ボンダーの主要部分を示す斜視図、図５はＩＬＢされる
ＴＡＢテープと半導体素子の状態を示す正面図である。
図４と図５に示すように、ＴＡＢテープ１は、等間隔で
デバイスホール２ａが開孔されたポリイミド等の耐熱性
絶縁フィルムからなる長尺のベースフィルム２と、この
ベースフィルム２に支持された複数のリードから構成さ
れる。インナーリード３と呼ばれるリード先端部は、デ
バイスホール２ａ内に突き出ており、接続される半導体
素子４のＡｌパッド５に対応して形成されている。

【０００６】また、Ａｌパッド５の上には、メッキ法
やボールボンディング法で金（Ａｕ）などのバンプ６が
形成されている。インナーリードボンダーでは図４に示
すように、インナーリード３とバンプ６を接続するため
のボンディングツール７が、ボンディングアーム８に取
付けられている。ボンディングアーム８は、接続部に荷
重を印加できるように、図示しない支点を中心に微小な
回転運動をして、ボンディングツール７を上下動させる
ようになっている。

【０００７】長尺のベースフィルム２の両側には、スプ
ロケットホールと呼ばれる搬送用の角穴（図示せず）が
等ピッチで形成されており、ＴＡＢテープ１はこのスプ
ロケットホールと同じピッチで搬送用突起（スプロケッ
ト）が形成された２つのスプロケットホイール９の回転
によって搬送される。ＴＡＢテープ１は、１単位ごとに
形成されたデバイスホール２がボンディング部に搬送さ
れてくると、テープクランパー１０により必要部分が狭
持され固定され、半導体素子４はボンディングステージ
１１上に、下から真空吸着され固定されている。

【０００８】それぞれ固定されたＴＡＢテープ１と半導
体素子４は、図示しない認識用カメラでそれぞれの位置
検出用マークで位置検出され、ボンディングステージ１
１をＸＹ平面内で駆動するためのＸＹテーブル（図示せ
ず）と、上下駆動するためのエアシリンダ（図示せず）
で、半導体素子４が前記ＴＡＢテープ１のデバイスホー
ル２の下に移動し、半導体素子４のＡｌパッド５とそれ
に対応するインナーリード３が位置合わせされる。

【０００９】図５に示すように、インナーリード３の上
からボンディングツール７で加圧し、インナーリード３
とバンプ６とを接触させる。次に図４のようにボンディ
ングアーム８と干渉しない位置に取付けられたレーザヘ
ッド１２から、図５のようにボンディングツール７の先
端にレーザ光１３を照射して、ツール先端部を温度上昇
させ、その熱エネルギーでインナーリード３とバンプ６
とを接続する。レーザ光１３は図示しないガルバノミラ
ーでボンディングエリア内なら任意の位置に照射でき
る。

【００１０】以下、複数のインナーリード３とそれに対
応するバンプ６が順次接合され、ＴＣＰ１個分のＩＬＢ
が実行される。ＴＣＰ１個分のＩＬＢが完了すると、ボ
ンディングステージ１１は真空吸着を解除して下降し、
次の半導体素子４を受けとる位置へ移動する。ＴＡＢテ
ープ１は、テープクランパー１０が開き、スプロケット
ホイール９が回転することにより、次にＩＬＢされるデ
バイスホール２ａがボンディング部へ位置付けされるよ
うに、１単位分搬送される。

【００１１】以下、上記の動作を繰り返して、長尺のＴ
ＡＢテープ１に対して連続してＩＬＢが実行されてい
く。

【００１２】レーザＩＬＢ用ボンディングツール７を含
め、シングルポイントＩＬＢ用ツールには、図５に示す
ようにツール先端が隣のリードに干渉しないように、ツ
ール先端を細くしたボトルネックツールが使用されてい
る。また、上記説明したボンディングツール７の下降位
置は、ボンディング座標データとして品種ごとにプログ
ラムされ、普通はインナーリードボンダー内のメモリ
や、フロッピーディスクに保存されている。これらのデ
ータは、品種切換えごとにインナーリードボンダーへ読
み込んで使用される。以上がレーザＩＬＢの概要であ
る。

【００１３】次に、レーザＩＬＢ用のボンディングツー
ル７について詳細に説明する。本発明に関するレーザＩ
ＬＢ用のボンディングツール７は、ツールに直接レーザ
を照射するため、レーザを吸収しやすく、また、前記ボ
トルネック形状に加工でき、ボンディング時の衝撃荷重
に耐えうる機械的強度を持つ材料で製作される。例えば
レーザＩＬＢ用のボンディングツール７には、工業用レ
ーザとして一般的なＹＡＧレーザを７０％以上を吸収
し、機械的強度の高い窒化けい素（以下ＳｉＮと記す）
などが用いられる。

【００１４】次に、レーザＩＬＢ用ボンディングツール
７の従来技術について説明する。図６と図７は特開平４
−３４９６４１号公報に記載されている従来のボンディ
ングツールの各例の斜視図を示す。図６のボンディング
ツール７は、ツール上端から下端へ貫通孔７ａが設けら
れており、ツール上端の真上に設置されたレーザヘッド
１２から出射したレーザ光１３を、貫通孔７ａを通して
ツール下端（ツール先端部）に射出させ、接続部にレー
ザエネルギーを発生させてボンディングを行う構成であ
る。

【００１５】また、図７のボンディングツールは図６と
同様に貫通孔７ａを有すると共に、貫通孔７ａ内にレー
ザ光源１５に接続された光ファイバ１６が収納され、更
にツール先端にルビー、ダイヤモンド、サファイアとい
ったレーザ透過材からなる圧接片１４が取付けられた構
成である。この従来のボンディングツールでは、レーザ
光源１５から出射されたレーザ光１３を、光ファイバ１
６および圧接片１４を通して接続部に照射し、レーザエ
ネルギーを発生させてボンディングを行う構成である。

【００１６】また、従来の他のボンディングツールの例
として図８に断面図と正面図を示すものが知られている
（特開平４−７４４４５号公報）。この従来のボンディ
ングツール７は、図８（ｂ）に示すように、接続部を加
熱する先端部の上部に穴１７を設け、熱抵抗を増加させ
て熱の逃げを防ぐ構成である。

【００１７】さらに、レーザＩＬＢ用ボンディングツー
ルに関するものでないが、図９の断面図に示す従来のボ
ンディングツールも知られている（特開平３−１９８３
６０号公報）。この従来のボンディングツール７は、図
９に示すように、シャンク部１８の先端部分に断熱部１
９とＳｉＣ伝熱体２０をろう付け等によって取付け、ボ
ンディング面にダイヤモンド皮膜２１を形成した構成で
ある。この従来のボンディングツール７は、ダイヤモン
ド皮膜２１の熱膨張率とほぼ同一であり、密着性が高い
という特性を有するＳｉＣ伝熱体２０を使用することに
より、ダイヤモンド皮膜２１により確実に接合固定させ
るものである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述した従
来の各種のレーザＩＬＢ用ボンディングツール７は、以
下に述べるような問題点がある。まず、図５に示したレ
ーザＩＬＢ用ボンディングツール７は、前述のように一
般的にＳｉＮによる一体物で形成されているため、レー
ザ光１３をツール先端に照射しても、ツール先端部が温
度上昇する一方でツール上方に熱が逃げ、レーザ光１３
による熱エネルギーがＩＬＢに有効に使われていない。

【００１９】また、図６や図７のように貫通孔７ａやツ
ール先端面にレーザを透過する圧接片１４を設け、ツー
ルの真上からレーザ光を導入する構成の従来のボンディ
ングツールでは、レーザ光は直接インナーリードの接合
部上面に照射されるが、一般的にインナーリードにはＹ
ＡＧレーザの吸収率がそれぞれ約２％と５０％であるＡ
ｕメッキやＳｎメッキが施されているため、レーザ光に
よる熱エネルギーがＩＬＢに有効に使われてとはいえな
い。

【００２０】また、光ファイバ１６等でレーザ光をツー
ル真上から導入するには、ボンディングツール７がボン
ディング座標に従って移動すると同時に、光ファイバ１
６等も追従して移動しなければならない。この場合、光
ファイバ１６等のレーザ出射口もボンディングヘッド上
に取付ける必要がある。よって、ボンディングヘッド上
の機構部重量が増えるため、ガルバノミラーでレーザ光
を振ってツール先端に照射する方式に比べ、ボンディン
グスピードが低下するという問題がある。

【００２１】次に、図８に示したようにボンディングツ
ール先端部上部に穴１７を設け、熱の逃げを防ぐ従来の
ボンディングツールは、図５に示したようなボトルネッ
ク形状のボンディングツールに適用しにくい。つまりシ
ングルポイントＩＬＢに使用されるボトルネックツール
は、近年の狭ピッチに対応するため、ツール先端は□６
０μｍやφ６０μｍといった微細なボトルネック形状に
する必要があり、ツール端上部に図８のような穴を加工
するのは実際上難しい。

【００２２】更に、図９に示したようにＳｉＣ伝熱体２
０にダイヤモンド皮膜２１を形成する構成の従来のボン
ディングツールも、前記ボトルネックツールへ加工する
場合、その加工性に問題がある。従来のレーザＩＬＢ用
ボンディングツールに用いられるＳｉＮは、曲げ強度が
１５０ｋｇ／ｍｍ²と高く、ボトルネック形状に加工で
きるが、ＳｉＣは曲げ強度４５ｋｇ／ｍｍ²と低いた
め、ボトルネック形状への加工が困難である。また、加
工できても歩留が悪く、またツール先端面のダイヤモン
ド皮膜２１を形成するなど非常に高価なツールになって
しまう。

【００２３】本発明は、以上の点に鑑みてなされたもの
であり、レーザ光による熱エネルギーがボンディングツ
ールの先端部の温度上昇に有効に使われ、ツール上方へ
の熱の逃げを少なくすることで、レーザ照射時間を短縮
し、ボンディングスピードをアップし得るボンディング
ツールを提供することを目的とする。

【００２４】また、本発明の他の目的は、安価に製作し
得るボンディングツールを提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、半導体素子のパッド上に形成されたバン
プに、インナーリードが接するように加圧するツールの
先端部にレーザを照射して、ツール先端部を温度上昇さ
せ、その熱エネルギーにより接合部を加熱してバンプと
インナーリードを接合するボンディングツールにおい
て、少なくともツール先端部の表面をレーザを吸収し易
い第１の材料で形成し、かつ、少なくともツール先端部
を除くツール全体部を第１の材料に比し熱伝導率の低い
第２の材料で構成したことを特徴とする。

【００２６】本発明では、ツール先端部を除く部分をツ
ール先端部よりも熱伝導率の低い第２の材料で構成して
いるため、レーザ光をツール先端部に照射しても、従来
のツール全体を第１の材料で作製したツールに比べ、ツ
ール上方への熱の逃げを少なくすることができる。

【００２７】また、本発明では、ツール全体部は第２の
材料により形成され、ツール先端部は表面が第１の材料
でコーティングされているようにしたため、複数本を一
括して処理できる。

【００２８】また、本発明では、第１及び第２の材料を
曲げ強度が高い材料としたため、近年の狭ピッチに対応
するため、ツール先端を微細なボトルネック形状に容易
に加工することができる。

【００２９】更に、本発明では、第１の材料は窒化珪素
であり、第２の材料はジルコニアとしたため、ダイヤモ
ンド皮膜などの高価な材料を使用しないで、ボンディン
グツールを構成することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して詳細に説明する。

【００３１】図１は本発明ボンディングツールの第１の
実施の形態を用いてＩＬＢしている状態を示す斜視図、
図２は本発明ボンディングツールの第１の実施の形態の
断面図を示す。この第１の実施の形態のボンディングツ
ール２５は、図４及び図５に示したボンディングツール
７と同様にしてＩＬＢのために使用されるボンディング
ツールであって、ツール先端部２６を除くツール全体
を、低熱伝導材２７（例えばジルコニア）で形成し、レ
ーザ光の吸収率の高いＳｉＮで形成したツール先端部２
６をろう付け等で取付けた構成である。ボンディングツ
ール２５の先端部と反対側の端部付近はボンディングア
ーム２８により固定されている。

【００３２】ツール先端部２６と低熱伝導材２７のろう
付けは、非金属のろう付けに用いられるＡｇろう付けが
一般的である。ここで、シングルポイントＩＬＢに使用
するボトルネックツールに加工できる材料として、表１
に示す様なものがある。

【００３３】

【表１】上記の表から分かるように、これらの材料の中で、熱伝
導率が最も低く、しかも曲げ強度が最も高く、ツールの
製作歩留が良いのがジルコニア（ＺｒＯ₂）である。Ｓ
ｉＮとジルコニアの熱伝導率はそれぞれ０．０５ｃａｌ
／ｍ・ｓｅｃ・℃と０．００５ｃａｌ／ｍ・ｓｅｃ・℃
でジルコニアはＳｉＮに比べ非常に断熱性に優れてい
る。

【００３４】次に、この実施の形態の動作について図１
と共に説明する。図１に示すように、インナーリード３
の上からボンディングツール２５で加圧し、インナーリ
ード３とバンプ６とを接触させる。次にボンディングア
ーム２８と干渉しない位置に取付けられたレーザヘッド
（図示せず）から、図１のようにボンディングツール２
５の先端にレーザ光１３を照射して、ツール先端部を温
度上昇させ、その熱エネルギーでインナーリード３とバ
ンプ６とを接続する。レーザ光１３は図示しないガルバ
ノミラーでボンディングエリア内なら任意の位置に照射
できる。

【００３５】この実施の形態では、ツール先端部２６と
してＳｉＮを使用した場合、これよりもはるかに断熱性
に優れたジルコニア製の低熱伝導材２７で図１及び図２
に示すように、ツール先端部２６を除くツール全体を構
成しているため、レーザ光１３をツール先端部２６に照
射しても、従来のツール全体をＳｉＮで作製したツール
に比べ、ツール上方への熱の逃げが低熱伝導材２７によ
り大幅に少なくされ、ツール先端部２６の温度上昇が速
くなる。よって、この実施の形態のボンディングツール
によれば、図４乃至図７に示した従来のボンディングツ
ールよりレーザ照射時間を短くでき、ボンディングスピ
ードをアップすることができる。

【００３６】例えば、ＹＡＧレーザのビーム径をφ８０
μｍに集光してボンディングツールに照射する場合、Ｙ
ＡＧレーザの出力としては２〜１０Ｗが適用領域であ
る。ＹＡＧレーザの出力４．２Ｗ、ビーム径φ８０μｍ
でツール先端に照射した場合、ＩＬＢ接合に必要なレー
ザ照射時間は、図５に示すＳｉＮ一体の例では１００ｍ
ｓｅｃ必要であるのに対し、本実施の形態では３０ｍｓ
ｅｃにスピードアップできる。

【００３７】また、この実施の形態では、ツール先端部
２６に使用されるＳｉＮと低熱伝導材２７に使用される
ジルコニアは表１に示したように曲げ強度が高いため、
図８や図９に示した従来のボンディングツールに比し、
近年の狭ピッチに対応するため、ツール先端を□６０μ
ｍやφ６０μｍといった微細なボトルネック形状に容易
に加工することができる。

【００３８】更に、この実施の形態では、ダイヤモンド
皮膜などの高価な材料を使用していないため、図９に示
した従来のボンディングツールに比し、安価に構成する
ことができる。

【００３９】次に、本発明のボンディングツールの第２
の実施の形態について説明する。図３は本発明ボンディ
ングツールの第２の実施の形態の断面図を示す。この第
２の実施の形態のボンディングツール３１はツール全体
を低熱伝導材２２であるジルコニアで形成し、少なくと
もレーザ光が照射されるツール先端部にレーザ光の吸収
率の高いＳｉＮコーティング膜３２を形成した構成であ
る。

【００４０】この実施の形態のボンディングツール３１
も、第１の実施の形態のボンディングツール２５と同
様、従来のツール全体をＳｉＮで製作したツールに比
べ、ツール上方への熱の逃げが少なく、ボンディングス
ピードをアップできる。この実施の形態でも、ＹＡＧレ
ーザの出力４．２Ｗ、ビーム径φ８０μｍでツール先端
に照射した場合、ＩＬＢ接合に必要なレーザ照射時間は
３０ｍｓｅｃと短時間にできる。

【００４１】また、第１の実施の形態のようにろう付け
する工程が無い分、製作が容易である。更に、この実施
の形態では、コーティングは複数本を一括して処理でき
るので、ろう付けに比べコストを低く抑えることがで
き、例えばプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法でＳｉ₃
Ｎ₄膜を１〜２μｍ程度コーティングすればよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ツール先端部を除く部分をツール先端部よりも熱伝導率
の低い第２の材料で構成することにより、レーザ光をツ
ール先端部に照射しても、従来のツール全体を第１の材
料で作製したツールに比べ、ツール上方への熱の逃げを
少なくすることができ、よって、従来にくらべてレーザ
光がツール先端部を温度上昇させるのに有効に使われ、
ツール先端部の温度上昇が速くなり、レーザ照射時間を
短縮でき、これによりボンディングスピードがアップ
し、つまりインナーリードボンダーの生産能力をアップ
させることができる。

【００４３】また、本発明によれば、ツール全体部は第
２の材料により形成され、ツール先端部は表面が第１の
材料でコーティングされることにより、複数本を一括し
て処理できるため、ろう付けするよりも容易に、かつ、
低コストでボンディングツールを作成することができ
る。

【００４４】また、本発明によれば、第１及び第２の材
料を曲げ強度が高い材料とすることにより、ツール先端
を微細なボトルネック形状に容易に加工することができ
るため、近年の狭ピッチに対応することができる。

【００４５】更に、本発明によれば、第１の材料は窒化
珪素であり、第２の材料はジルコニアとしたため、ダイ
ヤモンド皮膜などの高価な材料を使用しないため、ダイ
ヤモンド皮膜を使用した従来のボンディングツールに比
し、安価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボンディングツールの第１の実施の形
態を用いてＩＬＢしている状態を示す斜視図である。

【図２】本発明のボンディングツールの第１の実施の形
態の断面図である。

【図３】本発明のボンディングツールの第２の実施の形
態の断面図である。

【図４】レーザＩＬＢ用のインナーリードボンダーの主
要部分を示す斜視図である。

【図５】レーザＩＬＢされるＴＡＢテープと半導体素子
の状態を示す正面図である。

【図６】従来のレーザＩＬＢ用ボンディングツールの第
１の例を示す斜視図である。

【図７】従来のレーザＩＬＢ用ボンディングツールの第
２の例を示す斜視図である。

【図８】従来のレーザＩＬＢ用ボンディングツールの第
３の例を示す断面図である。

【図９】従来のシングルポイント用ボンディングツール
の一例の断面図である。

【符号の説明】

１ＴＡＢテープ２ベースフィルム２ａデバイスホール３インナーリード４半導体素子５Ａｌパッド６バンプ７ボンディングツール８、２８ボンディングアーム１３レーザ光２５第１の実施の形態のボンディングツール２６ツール先端部２７低熱伝導材３１第２の実施の形態のボンディングツール３２ＳｉＮコーティング膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/60 311

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子のパッド上に形成されたバン
プに、インナーリードが接するように加圧するツールの
先端部にレーザを照射して、ツール先端部を温度上昇さ
せ、その熱エネルギーにより接合部を加熱して前記バン
プとインナーリードを接合するボンディングツールにお
いて、少なくともツール先端部の表面を前記レーザを吸収し易
い第１の材料で形成し、かつ、少なくとも該ツール先端
部を除くツール全体部を該第１の材料に比し熱伝導率の
低い第２の材料で構成したことを特徴とするボンディン
グツール。
【請求項２】前記ツール先端部は全体が前記第１の材
料により形成され、該ツール先端部を除くツール全体部
は前記第２の材料により形成されたことを特徴とする請
求項１記載のボンディングツール。
【請求項３】ツール全体部は前記第２の材料により形
成され、前記ツール先端部は表面が前記第１の材料でコ
ーティングされていることを特徴とする請求項１記載の
ボンディングツール。
【請求項４】前記第１及び第２の材料は、ボトルネッ
ク形状加工が可能な大なる曲げ強度を有することを特徴
とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のボンデ
ィングツール。
【請求項５】前記第１の材料は窒化珪素であり、前記
第２の材料はジルコニアであることを特徴とする請求項
１乃至４のうちいずれか一項記載のボンディングツー
ル。