JP3105477B2 - ワイヤボンディング装置 - Google Patents

ワイヤボンディング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はワイヤボンディング
装置に関し、特にダイボンディング(die bonding）され
たＩＣチップ等の半導体チップの電極薄膜であるボンデ
ィングパッド(bonding pad）とリードフレームやガラス
ケースなどに配設された外部接続端子としてのリードと
を、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニュウム）などの金属細
線で自動的に接続する熱圧着（thermo-compression）形
式のワイヤボンディング装置に属する。
【０００２】
【従来の技術】ボンディングパッドとリードとをＡｕや
Ａｌなどの金属細線で自動的に接続する熱圧着形式のワ
イヤボンディング装置は、半導体製造における主要装置
の１つとして近時よく知られつつある。この熱圧着形式
のワイヤボンディング装置は、現在最も多用されている
ボンディング装置であり、その主要工程は次のとおりで
ある。図４は、従来の熱圧着形式のワイヤボンディング
装置の主要ボンディング工程の説明図である。図４には
側面図として示す被加工体のボンディングパッド１０１
と、リード１０２のほか、ボンディングツールとしての
断面図で示すキャピラリー(capillary) １０３と、ワイ
ヤクランパとしてのクランプ１０４と、キャピラリー１
０３及びクランプ１０４を貫入するＡｕ利用のワイヤ１
０５を示し、尚図４の（ａ）には、ワイヤ１０５の下端
にスパーク放電で形成したＡｕ小球としてのボール１０
６を、また図４の（ｄ）には、ツールとしてのトーチロ
ッド(torch lod）１０７をそれぞれ併記して示す。
【０００３】図４の（ａ）では、キャピラリー１０３が
下降して、ワイヤ１０５の先頭にあるボール１０６がボ
ンディングパッド１０１に圧着されてワイヤ１０５を接
続する第１のボンディングが行われている状態を示す。
この場合、ボンディングパッド１０１を配設した半導体
チップは、図示しない下方の加熱機構で３００〜３５０
°程度に加熱されている。また、ワイヤ１０５は２０〜
４０μｍφ程度、ボール１０６の径は、例えば、ワイヤ
径２５μｍφのとき約６０μｍφ程度のものが形成され
る。ボール径は、いつも同程度の大きさのものとして形
成される再現性のあることがボンディング品質確保のた
めに望まれる。
【０００４】図４の（ｂ）は、キャピラリー１０３を移
動し、リード１０２に対する第２のボンディングを行っ
た状態であり、この後、図４の（ｃ）に示すようにキャ
ピラリー１０３が上昇してワイヤ１０５が圧着面から切
断される。図４の（ｄ）は、次のボンディングに供する
ために、トーチロッド１０７と、切断されたワイヤ１０
５の先端との間の放電ギャップでスパーク放電を行って
新たにボール１０６を形成する状態を示す。
【０００５】キャピラリー１０３の上昇によるワイヤ１
０５の切断時の状況、すなわちキャピラリー１０３から
の突出長や切断形状等は厳密には切断ごとに異なる可能
性があり、従って放電ギャップの呈する放電内部抵抗も
種々異なる可能性を有し、このため、定電流源によって
放電ギャップ両端に発生するスパーク放電電圧も放電内
部抵抗の変動に対応して変動する。
【０００６】図３は、従来のワイヤボンディング装置に
おけるボール形成装置の構成を示すブロック図である。
ワイヤボンディング装置全体としては、ボンディング加
工系のほかに、ＩＣチップ並びにリードフレームを下方
から加熱する加熱系、キャピラリーの上下動並びに加圧
を行う移動・加圧系、ワイヤの供給系やボンディングに
おける加工体と被加工体との位置整合を行う位置整合系
等を含むが、これらの系は本発明と直接のかかわりを持
たないので、記載を省略している。図３に示す従来のボ
ンディングにおけるボール形成装置は、直流高電圧電源
１と、直流高電圧電源１の印加のオン／オフを行う開閉
器２と、放電電源の定電流化を行う定電流器３と、スパ
ーク放電の安定化を行う安定器５と、開閉器２のオン／
オフを制御するタイマ７と、ボール形成のためのスパー
ク放電を行うトーチロッド８と、ワイヤをクランプする
クランプ９と、キャピラリー１０のほかワイヤ１１を備
える。
【０００７】従来のボンディング加工系の動作は、外部
からトリガ７０１を供給されたタイマ７がオン／オフ制
御信号７０２を開閉器２に供給して直流高電圧電源１の
定電流器３に対する出力をオン／オフ制御し、オン状態
では定電流器３の出力定電流のレベルを設定値３０１に
基づいて設定する。この定電流は安定器５でスパーク放
電に対する安定化が施され、トーチロッド８とワイヤ１
１の切断端との間の放電ギャップに印加されて、ワイヤ
先端に前述した次回ボンディングのためのボールを形成
する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱圧着
型のワイヤボンディング装置は、ワイヤボンディング加
工に必要なボールを形成する場合、形成すべきボールの
径と、利用するワイヤの径との何れもが小さい条件の下
でボールを安定して再現性良く形成するには、スパーク
放電時に印加するエネルギーをボール径及びワイヤ径に
対応して小さくすることが必要となる。ボール形成時に
ワイヤに印加するエネルギーは、スパーク放電電圧×放
電電流×放電時間として表現される。スパーク放電電圧
は放電ギャップ、即ちトーチロッドとワイヤの切断端と
の距離のみに依存して一般的には変化はあまり大きくな
い。
【０００９】従って、ボール径とワイヤ径とが小さい場
合でも、毎回略同じ大きさの再現性のある良質のボール
を形成するためには、放電電流と放電時間のいずれか一
方もしくは双方を小さくすればよいこととなる。ところ
で、ボール形成のメカニズムは、スパーク放電によって
ワイヤが溶融し、その粘性よりも表面張力が大となって
所要の時間経過後にボールが形成されることにあり、従
って放電時間をあまり小さくすることはできず、一方、
放電電流もあまり小さくすると放電それ自体が不安定と
なって、形成されるボールの径の再現性が劣化するとい
う問題点がある。
【００１０】本発明の目的は、上述した問題点を解決
し、平均値としては小さい、交番する放電電流を利用し
て安定したスパーク放電を維持し、再現性のあるボール
を形成可能とするワイヤボンディング装置を提供するこ
とにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するために次の手段構成を有する。即ち、ワイヤ
ボンディング装置に関する本発明の第１の構成は、ダイ
ボンディングされた半導体チップの電極薄膜としてのボ
ンディングパッドと、リードフレーム等のリード配設体
上に形成されたリードとをＡｕ等の金属細線による接続
用ワイヤで接続する熱圧着形式のワイヤボンディング装
置において、前記ボンディングパッドに熱圧着すべきボ
ールを前記接続用ワイヤの一端にスパーク放電によって
形成するボール形成手段と、前記接続用ワイヤの径と前
記ボールの径とが何れも小さいものとした条件下にあっ
ても、前記スパーク放電によって形成すべきボールの径
の再現性を、平均電流は所定の低レベルに保持した極大
電流と極小電流の放電電流の交番印加に基づいて制御す
る放電電流制御手段とを備えた構成を有する。こうする
ことにより、放電電流の極大値として、放電が不安定に
ならない大きい値を採っても、また、ワイヤの溶融部分
が表面張力によりボールが形成されるのに必要な放電時
間を設定しても、極小値があるため電流平均値を小さく
することができるので印加エネルギーを小さくできるの
である。
【００１２】また、本発明の第２の構成は、前記第１の
構成において、前記放電電流制御手段が、前記所定の低
レベルの平均電流に対して矩形波による変調を施して得
られる、交番する極大電流と極小電流とをそれぞれ放電
電流として交番印加する構成を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態は、熱圧着形
式のワイヤボンディング装置にあっては、ボンディング
に必要なボールを、前回ボンディング加工終了後に切断
したワイヤの先端部と、ツールとしてのトーチロッドと
の間の放電ギャップで発生させるスパーク放電に基づい
て形成していた。しかしながら、所望のボールの径と、
ボール形成に供するワイヤの径とのいずれもが小さい条
件の下で、繰り返し再現性の高い良質のボールを形成す
るには、ボール径とワイヤ径とに対応して放電エネルギ
ーを適宜小さくすることが必要となる。放電エネルギー
は、スパーク放電電圧×放電電流×放電時間として表現
されるが、これらファクターのうちスパーク放電電圧は
放電ギャップのみに依存してさほど大きな放電ごとの差
はなく、従って放電電流と放電時間のいずれか一方もし
くは双方の減少が必要となる。
【００１４】ボールの形成は、スパーク放電によりワイ
ヤの先端部が溶解し、粘性よりも表面張力が大となって
行われるので、ボール形成には、このような背景からも
放電時間をあまり小さくできない。一方、放電電流の過
大の抑圧は放電自体の不安定性を招き、ボール径の再現
性を劣化するという問題点がある。
【００１５】本発明では、図１に示す如く、定電流器３
で定電流化した放電電流に対して、矩形波発生器６で発
生した矩形波による変調を変調器４で施し、放電電流を
大電流の極大値と小電流の極小値との繰り返しによる交
番電流として印加し、平均電流自体は所定の低レベルと
したスパーク放電を行うことによって、安定なスパーク
放電により良質なボール形成を確保することを基本的な
発明の実施の形態としている。
【００１６】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して詳細に
説明する。図１は、本発明の一実施例のワイヤボンディ
ング装置のボンディング加工系の構成を示すブロック図
である。図１に示す実施例の構成は、ボール形成手段を
構成する直流高電圧電源１と、開閉器２と、定電流器３
と、安定器５ａと、タイマ７と、トーチロッド８と、ク
ランプ９と、キャピラリー１０と、ワイヤ１１のほか、
放電電流制御手段を構成する変調器４と矩形波発生器６
とを備える。
【００１７】次に、本実施例の動作について説明する。
直流高電圧電源１の出力高電圧は、開閉器２を介して定
電流器３に供給される。開閉器２は、トリガ７０１を入
力としてタイマ７から出力するオン／オフ制御信号７０
２によってボール形成に適応した時間オン状態にされ
る。定電流器３は、開閉器２を介して受ける直流高電圧
に設定値３０１に基づくレベルの定電流化を施して変調
器４に供給する。変調器４は、定電流器３から提供され
る所定のレベルの定電流を矩形波発生器６の出力する矩
形波６０１で変調し、所定の極大値と極小値とを交番発
生する変調電流出力４０１を出力する。この場合、交番
発生する極大値と極小値との平均値としては定電流器３
の出力する定電流値に等しい低レベルとなる。
【００１８】図２は、図１の実施例における変調電流生
成の説明図である。図２の（ａ）は、変調電流出力４０
１を示し、矩形波変調された極大値Ｍ1 と極小値Ｍ2 と
を交番出力し、平均値をＭ0 とするものである。図２の
（ｂ）は、レベルＭ0 の従来の定電流出力を対比して示
し、図２の（ａ）でも、平均値としては従来と同じＭ0
となる。変調電流出力４０１は安定器５ａで負荷変動に
対する安定化を施され、トーチロッド８と、クランプ９
及びキャピラリー１０を貫通するワイヤ１１の切断端と
の間の放電ギャップに印加されてスパーク放電し、放電
内部抵抗に対応したスパーク放電電圧が発生する。
【００１９】安定器５ａで安定化された変調電流出力４
０１はトーチロッド８とワイヤ１１の切断端との間に印
加される。変調電流出力４０１は、大きい電流値と小さ
い電流値が交番的に切り替えられる電流であり、大きい
電流値の放電電流が流れた後は少しの間放電部位の気体
が活性化された状態となり、次に流れる小さい電流値の
放電電流も安定状態で流れる。以上の結果、放電電流の
極大値として、放電が不安定にならない大きい値を採っ
ても、また、ワイヤの溶融部分が表面張力によりボール
が形成されるのに必要な放電時間を設定しても、極小値
があるため電流平均値を小さくすることができるので印
加エネルギーを小さくできる。このようにして、流れる
放電電流の平均値としては低い定電流レベルであるが、
大きい放電電流の安定性を確保することができ、これに
より特に小さいワイヤ径を利用する小さいボール径の形
成が著しく効果的に行うことができる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
圧着形式のワイヤボンディング装置において、ボンディ
ングに供するボールの形成に必要な放電電流の、平均値
を低く抑えた交番する極大電流と極小電流とによって形
成することにより、小さいワイヤ径による小さいボール
径のボール形成を著しく安定化して、常時良質のボール
を形成することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のワイヤボンディング装置に
おけるボンディング加工系の構成を示すブロック図であ
る。
【図２】図１の実施例における変調電流生成の説明図で
ある。
【図３】従来のワイヤボンディング装置におけるボール
形成装置の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の熱圧着形式のワイヤボンディング装置の
主要工程の説明図である。
【符号の説明】
１ 直流高電圧電源 ２ 開閉器 ３ 定電流器 ４ 変調器 ５，５ａ 安定器 ６ 矩形波発生器 ７ タイマ ８ トーチロッド ９ クランプ １０ キャピラリー １１ ワイヤ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ダイボンディングされた半導体チップの
    電極薄膜としてのボンディングパッドと、リードフレー
    ム等のリード配設体上に形成されたリードとをＡｕ等の
    金属細線による接続用ワイヤで接続する熱圧着形式のワ
    イヤボンディング装置において、前記ボンディングパッ
    ドに熱圧着すべきボールを前記接続用ワイヤの一端にス
    パーク放電によって形成するボール形成手段と、前記接
    続用ワイヤの径と前記ボールの径とが何れも小さいもの
    とした条件下にあっても、前記スパーク放電によって形
    成すべきボールの径の再現性を、平均電流は所定の低レ
    ベルに保持した極大電流と極小電流の放電電流の交番印
    加に基づいて制御する放電電流制御手段とを備えること
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  2. 【請求項２】 前記放電電流制御手段が、前記所定の低
    レベルの平均電流に対して矩形波による変調を施して得
    られる、交番する極大電流と極小電流とをそれぞれ放電
    電流として交番印加する構成を有するものであることを
    特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装置。
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