JP3609530B2 - ボンディング方法およびボンディング装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極パッドとパッケージのリードを金属細線で接続するボンディング方法およびボンディング装置に関するもので、特に、電極パッドの間隔が狭く、金属細線の長さが長い半導体装置に対して使用されるボンディング方法およびボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子上の電極パッドとパッケージのリードを金属細線で接続するワイヤーボンディング方法は、一般にボールボンディング法とウェッジボンディング法の２つに大別される。ボールボンディング法は、例えばＡｌ等の金属細線の先端を溶融してボールを形成し、このボールを半導体素子上の電極パッドに加熱圧着して接続する方法である。また、ウェッジボンディング法は、一般にウェッジと呼ばれる圧着ツールを用いて、金属細線を電極パッドまたはリードに超音波を加えながら圧着する方法である。一般に、金属細線を電極パッドに接続するためには、ボールボンディング法またはウェッジボンディング法のいずれかが用いられ、リードに接続する場合にはウェッジボンディング法が用いられている。
【０００３】
図６に、ボンディング装置の構造を、図７に従来のボンディング方法を示す。図６に示すように、ボンディング装置は、半導体素子が搭載されている基板を供給するローダ部１１と、ローダ部１１で供給された基板を搬送するフィーダ部１２と、ボンディングの終了した基板を収納するアンローダ部１３と、フィーダ部１２により搬送された基板のボンディングを行うボンディングヘッド部１４と、このボンディングヘッド部１４が搭載されたＸＹテーブル１５とから構成される。また、ボンディングヘッド部は、金属細線を電極パッド上に圧着する圧着ツール１７を保持するためのツールホルダ１６と、金属細線を切断するクランバ１８とを具備している。ツールホルダ１６は上下に移動する。さらに、ボンディングヘッド部１４にはカメラ１９が搭載され、半導体素子の位置等を確認する。また、ボールボンディング装置では、図示されていないが、金属細線の先端にボールを形成するためのトーチと呼ばれる溶融装置を具備している。ボールは、例えばアーク放電、ガス炎、レーザ光等を使用して形成することができる。
【０００４】
また、図７に示すように、例えば従来のボンディング方法では、まず、例えばキャピラリまたはウェッジと呼ばれる圧着ツール１７に金属細線１を通し、その先端に形成されたボールまたは金属細線１の先端部分を、圧着ツール１７を用いて、例えば半導体素子２上の電極パッド３に圧着する（図７の（ａ））。
【０００５】
次に、圧着ツール１７から金属細線１を引き出し（図７の（ｂ））、例えばリード４に向かって最終的な接続状態における形状（以降ループ形状と呼ぶ）となるように、圧着ツール１７を移動する（図７の（ｃ）および（ｄ））。
【０００６】
さらに、圧着ツール１７の先端でリード４上に金属細線１を圧着し（図７の（ｅ））、クランバ１８により金属細線をはさんで引っ張り、金属細線を切断する。
【０００７】
また、図８および図９は、それぞれ（ａ）に圧着ツール１７の拡大断面図を、（ｂ）にループ形状を、（ｃ）に金属細線の圧着部の上面拡大図を、（ｄ）に金属細線の圧着部の断面拡大図を示している。また、図８は、ボールボンディング法に用いられるキャピラリ２１を使用した場合、図９はウェッジボンディング法に用いられるウェッジツール２３を使用した場合を示している。
【０００８】
図８に示すように、キャピラリ２１を使用する場合には、キャピラリ２１の中央の開口部２２に金属細線１を通し、キャピラリ２０の先端部で金属細線１をリード４上に押し付けることにより、金属細線１がリード４上に圧着される。このようにして形成された圧着部の形状は、図８の（ｃ）および（ｄ）に示すようになる。
【０００９】
また、図９に示すように、ウェッジツール２３を使用する場合には、ウェッジツール２３の開口部２４に金属細線１を通し、ウェッジツール２３の先端部で金属細線１をリード上に押し付けることにより、金属細線１がリード４上に圧着される。このようにして形成された圧着部の形状は、図９の（ｃ）および（ｄ）に示すようになる。
【００１０】
このようにして、半導体素子２上の電極パッド３とリード４とを金属細線１を用いて接続することができる。
しかし、近年、半導体装置のピン数が増加する傾向にあり、その一方で半導体素子２の面積を縮小するために、電極パッド３の間隔を短縮する傾向にある。このため、金属細線１の直径を細くすることにより、間隔の細い電極パッド３とリード４とを接続することが考えられる。
【００１１】
しかし、パッケージを実装する実装基板の設計上の都合から、半導体装置２の縮小化に伴い、これに対応してパッケージを縮小することは困難である。このため、接続すべき電極パッド３とパッケージのリード４との間隔が拡大する。また、電極パッド３の間隔の短縮に伴い、隣接する金属細線１の間の距離が短くなる。さらに、金属細線１の直径を細くした場合には、金属細線１が曲りやすくなり、隣接する金属細線１どうしが接触する可能性が増大する。
【００１２】
このため、直径が細い場合にも従来以上の機械的な強度を持つ高強度の金属細線が開発、使用されつつある。
ここで、このような高強度の金属細線は、母材となる金属に他の金属元素を微少量添加し、熱処理を行うことにより結晶粒を微細化して製造される。このように結晶粒を微細化することにより、加熱時の引っ張り強度を向上させることができる。
【００１３】
表１は、代表的な金属細線の特性を示したものである。この表に示すように、熱時引っ張り破断強度の高い金属細線Ａは、金属細線Ｂに比較して結晶粒径が小さく、硬度が高い。
【００１４】
しかし、熱時引っ張り破断強度の高い金属細線Ａは、硬いために塑性変形しにくい。このため、例えば荷重または超音波振動出力等の圧着条件を同一にした場合には、圧着部の幅および長さが小さくなり、接合面積が縮小することにより、接合強度が低くなるという問題がある。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
また、例えば荷重を増大したり超音波振動出力を増加させる等、圧着条件を強化することにより、圧着部の幅を大きくすることが可能であるが、この場合には、例えば電極パッド３に圧着する場合、電極パッド３の下の層に亀裂が生じるという問題が発生する可能性がある。また、圧着条件を強化した場合にも、圧着部の長さを長くすることはできないため、接合面積を大幅に増大させることは不可能である。
【００１７】
さらに、圧着部の長さが短いため、圧着部が電極パッド３から離れ始める点ｘにおける断面積が小さい。このため、この境界部分に応力が集中しやすく、金属細線がこの境界部分で破断する可能性がある。特に、プラスチックパッケージを用いた半導体装置では、封止樹脂とリードとの間の線膨脹係数の差に起因して、熱サイクル試験を行った場合の繰り返し応力により、境界部分において破断が生じる可能性が高い。
【００１８】
このように、高強度の金属細線を用いた場合には、特に、ウェッジボンディング部分の接合強度の低下と、例えば熱サイクル試験等を行った場合等の接合の信頼性の低下という問題がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のボンディング方法およびボンディング装置では、電極パッドの間隔の狭い半導体装置に対して、金属細線間の短絡を防止することのできる高強度金属細線を使用した場合に、接合強度と接合の信頼性を確保することが困難であった。
【００２０】
本発明の目的は、接合強度と接合の信頼性を確保することがことができる高強度金属細線を使用したボンディング方法およびボンディング装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明によるボンディング方法は、半導体素子上の電極パッドとパッケージのリードとを金属細線を用いて接続するボンディング方法において、前記金属細線の一方の先端を前記電極パッドまたは前記リードの一方に圧着する工程と、前記電極パッドと前記リードとを接続するために必要な長さの前記金属細線を引き出す工程と、引き出された前記金属細線の端部分を加熱して溶融することなく再結晶化する工程と、この再結晶化された端部分を前記リードまたは前記電極パッドの他方に接続する工程と、を具備することを特徴とする。
【００２２】
また、上記のボンディング方法において、前記再結晶化工程における加熱温度は、前記金属細線を構成する材料が再結晶する温度以上であり、前記材料の融点以下であるようすることが可能である。
【００２３】
さらに、上記のボンディング方法において、前記再結晶化工程における加熱温度は、前記金属細線を構成する材料の結晶粒径が４μｍ以上となるように設定されることも可能である。
【００２４】
また、前述のボンディング方法において、前記再結晶化工程において、アーク放電により前記端部分の加熱を行うことも可能である。
また、前述のボンディング方法において、前記再結晶化工程において、ガス炎を用いて前記端部分の加熱を行うことも可能である。
【００２５】
また、前述のボンディング方法において、前記再結晶化工程において、レーザ光を用いて前記端部分の加熱を行うことも可能である。
また、前述のボンディング方法において、前記再結晶化工程において、再結晶化される端部分の長さが０．４ｍｍ以下となるように、加熱条件を設定することも可能である。
【００２６】
また、本発明によるボンディング装置は、半導体素子上の電極パッドまたはパッケージのリードの第１の圧着点に金属細線の先端を圧着すると共に、前記電極パッドまたは前記リードの第２の圧着点に前記金属細線を圧着する圧着ユニットと、前記圧着ユニットを前記第１の圧着点上から前記第２の圧着点上へ移動させる移動手段と、前記圧着ユニットが前記第１の圧着点に前記金属細線を圧着した後で、かつ前記圧着ユニットが前記第２の圧着点に前記金属細線を圧着する前に、前記金属細線の前記第２の圧着点に圧着される部分を溶融することなく再結晶化するための加熱手段と、を具備することを特徴とする。
【００２７】
また、上記のボンディング装置において、前記加熱手段は前記圧着ツールと連動して移動されることも可能である。
また、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、前記金属細線を構成する材料が再結晶する温度以上で前記材料の融点以下となるように加熱温度を制御する温度制御手段を具備することも可能である。
【００２８】
さらに、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、前記金属細線を構成する材料の結晶粒径が加熱により４μｍ以上となるように加熱温度を制御する温度制御手段を具備することも可能である。
【００２９】
また、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、アーク放電装置により構成されることも可能である。
また、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、ガス炎発生装置により構成されることも可能である。
【００３０】
また、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、レーザ装置により構成されることも可能である。
さらに、前述のボンディング装置において、前記加熱手段は、この加熱手段を用いた加熱により再結晶化される前記金属細線の端部分の長さが０．４ｍｍ以下となるように、加熱条件を制御する加熱制御手段を具備することも可能である。
【００３１】
このように、本発明によるボンディング方法では、金属細線の一方の先端を電極パッドまたはリードの一方に圧着した後に、電極パッドとリードとを接続するために必要な長さの金属細線を引き出し、引き出された金属細線の端部分を加熱して再結晶化するため、この端部分の結晶粒径を増大させて容易に塑性変形をさせることが可能となる。このため、この再結晶化された端部分をリードまたは電極パッドに接続する時に、金属細線と電極パッドまたはリードとの接合面積を拡大することができる。これにより、接合強度を向上することができる。また、接合部分の長さを長くすることができるため、接合部分と金属細線の母材との間の境界部分における断面積を拡大することができ、例えば熱応力によりこの境界部分において破断が生じることを防止することができる。このようにして、金属細線と電極パッドまたはリードとの間の接合部分の信頼性を向上することができる。
【００３２】
また、再結晶化による結晶粒径は、一般に加熱温度が高いほど大きくなるため、再結晶化工程における加熱温度を、金属細線を構成する材料が再結晶する温度以上とすることにより、結晶粒径を十分に大きくして、塑性変形を容易にすることができる。また、再結晶化工程における加熱温度を、材料の融点以下とすることにより、金属細線が融解することを防止し、金属細線を電極パッドまたはリードに圧着する前に切断されることを防止することができる。
【００３３】
さらに、再結晶化工程における加熱温度が、金属細線を構成する材料の結晶粒径が４μｍ以上となるように設定される本発明のボンディング方法では、金属細線の結晶粒径を４μｍ以上とすることにより、塑性変形が十分に容易になり、接合強度を向上することができる。
【００３４】
また、再結晶化工程において、アーク放電により金属細線の端部分の加熱を行うボンディング方法では、加熱された部分から金属細線の両側に熱が発散するため、金属細線の温度が高くなることを抑制する。このため、金属細線が融点以上の温度に加熱されることを容易に防止することができる。
【００３５】
特に、アーク放電による加熱はボールボンディング方法において金属細線の先端にボールを形成する時に一般に用いられているため、容易に実施することが可能である。
【００３６】
また、ボールを形成するための加熱装置と本発明のボンディング方法のための加熱装置とを兼用することができ、装置を簡略化することができる。
また、再結晶化工程において、ガス炎を用いて金属細線の端部分の加熱を行うボンディング方法では、金属細線を容易に高温にすることができるため、所望の結晶粒径を得るまでの加熱時間を短縮することができる。
【００３７】
さらに、再結晶化工程において、レーザ光を用いて金属細線の端部分の加熱を行うボンディング方法では、加熱エネルギを局所的に加えることができるため、所望の領域のみを局所的に再結晶化することができる。
【００３８】
また、再結晶化工程において、再結晶化される端部分の長さが０．４ｍｍ以下となるように、加熱条件を設定するボンディング方法では、再結晶化により硬度が低減される領域の長さを抑制することができるため、金属細線の強度を確保することができる。ここで、一般に金属細線と電極パッドまたはリードとの接合部分の長さが約０．１〜０．１５μｍであるため、これらを接合する時の合わせ精度を考慮した場合にも、この接合部分は常に再結晶化されているようにすることができる。
【００３９】
また、本発明のボンディング装置は、圧着ユニットが第１の圧着点に金属細線を圧着した後で、かつ圧着ユニットが第２の圧着点に金属細線を圧着する前に、金属細線の第２の圧着点に圧着される部分を溶融することなく再結晶化するための加熱手段を具備するため、この加熱手段により加熱され再結晶化された金属細線の一部分を第２の圧着点に圧着することができる。ここで、再結晶化された金属細線の一部分は、結晶粒径が拡大されることにより、塑性変形が容易になる。このようにして、圧着部分において金属細線を容易に変形することができ、接合面積を増大させて接合強度を向上することができる。
【００４０】
また、加熱手段が圧着ユニットと連動して移動させる本発明のボンディング装置では、圧着ユニットが第１の圧着点に金属細線を圧着した後に、第１の圧着点と第２の圧着点とを接続するために必要な長さだけ金属細線を引き出すように圧着ユニットを駆動装置により移動し、これと同時に加熱手段も移動して、引き出された金属細線の先端、すなわち、第２の圧着点に対応する金属細線の一部分を加熱することができる。このため、第１の圧着点と第２の圧着点との間の距離が変化する場合にも、圧着ユニットおよび加熱手段の移動量を変化させることにより常に第２の圧着点に対応する金属細線の一部分を加熱して再結晶化させることができる。このようにして、様々な品種の半導体素子に対して用いることのできる汎用性の広いボンディング装置を構成することができる。
【００４１】
また、加熱手段が、金属細線を構成する材料が再結晶する温度以上でこの材料の融点以下となるように加熱温度を制御する温度制御手段を具備する本発明によるボンディング装置では、金属細線の一部分を安定して再結晶化させることができる。
【００４２】
さらに、加熱手段が、前記金属細線を構成する材料の結晶粒径が加熱により４μｍ以上となるように加熱温度を制御する温度制御手段を具備する本発明によるボンディング装置では、金属細線の一部分の結晶粒径が常に４μｍ以上となるように、安定して再結晶化することができる。このため、圧着領域の塑性変形を容易にし、接合面積を安定して確保することができ、接合強度を安定して向上することができる。
【００４３】
また、加熱手段がアーク放電装置により構成される本発明によるボンディング装置では、一般に、ボールボンディング装置に用いられているボールを形成するための加熱装置を用いることができるため、ボンディング装置を容易に実現することができる。また、本発明を特にボールボンディング装置に適用することにより、ボールを形成するための加熱装置と本発明の加熱手段とを兼用することができ、ボンディング装置を簡略化することができる。
【００４４】
また、加熱手段がガス炎発生装置により構成される本発明によるボンディング装置では、加熱温度を容易に高くすることができるため、十分な結晶粒径を得るための加熱時間を短縮することができる。
【００４５】
また、加熱手段が、レーザ装置により構成される本発明によるボンディング装置では、金属細線の一部分を局所的に加熱することができるため、金属細線の所望の領域のみを局所的に再結晶化させることが可能である。
【００４６】
さらに、加熱手段が、この加熱手段を用いた加熱により再結晶化される金属細線の端部分の長さが０．４ｍｍ以下となるように、加熱条件を制御する加熱制御手段を具備する本発明によるボンディング装置では、再結晶化領域の長さが長いために硬度が低下して金属細線の強度を低減することを防止することができる。ここで、金属細線と電極パッドまたはリードとの接合部分の長さは、一般に０．１〜０．１５μｍ程度であるため、合わせ精度を考慮した場合にも、接合部分は常に再結晶化されて塑性変形を容易に行うことができる。このため、接合面積を安定して確保することができ、接合強度を向上することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるボンディング方法およびボンディング装置を示す図である。ここでは、電極パッド３上にボールボンディング法を用いて金属細線１を圧着し、リード４上に本実施の形態のボンディング法により、金属細線１を圧着する場合について説明する。
【００４８】
従来と同様に、例えばキャピラリ等の圧着ツール１７に金属細線１を通し、その先端に形成されたボール５を、圧着ツール１７を用いて、例えば半導体素子２上の電極パッド３に圧着する。ここで、この金属細線１は、例えばＡｕに例えば０．０１％以下程度の微量のＣａ、Ｂｅ、Ｙ、Ｇｅ、Ｃｕ等の元素を添加、または例えばＡｌに例えば１％程度のＳｉを添加し、熱処理を行うことにより結晶粒が微細化された、例えば前記表１のＡに示されたような引っ張り強度の高いものが使用される。また、Ｃｕは一般にＡｕに比べて硬いため、Ａｕの代替として使用することが可能である。
【００４９】
この後、圧着ツール１７は金属細線１を繰り出すと同時に上昇する。ここで、例えば電極パッド３とリード４との間のループ形状に沿った距離を、例えばそれぞれの座標よりあらかじめ算出しておく。さらに、この計算された距離に相当する長さの金属細線１を繰り出すまで、圧着ツール１７は上昇する。すなわち、圧着ツールの先端のキャピラリ２１の最高点の高さは、ループ形状に沿った金属細線１の長さと等しくなる。図中Ｐはこの最高点に圧着ツール１７が到達している状態を示している。
【００５０】
ここで、従来と異なり、本実施の形態では、圧着ツール１７が最高点に到達した状態Ｐにおいて、圧着ツール１７の先端部分の金属細線１を例えばアーク放電、ガス炎、レーザ光等により加熱して、金属細線１の先端部分を再結晶化する。図１では、一例としてアーク放電を発生させる電源８およびトーチ電極７により構成される加熱装置６が示されている。
【００５１】
この後、圧着ツール１７は、従来と同様にして、リード４上の位置Ｒに移動する。ここで、再結晶化された部分を確実にリード４上に圧着させるために、金属細線１がこの圧着ツール１７より出入りしないように移動させることが望ましい。例えば、圧着ツール１７を、図中に一点鎖線で示すような円弧形状を描くように移動させることができる。図中Ｑは、圧着ツール１７が円弧形状に軌道の途中にある状態を示し、この時の金属細線１の状態を破線で示している。
【００５２】
さらに、圧着ツール１７がリード４上の位置Ｒに到達した後に、Ｐ点において加熱された金属細線１の端部分をリード４に圧着する。
この後は、従来と同様にして、金属細線１を切断する。
【００５３】
このように、本実施の形態によるボンディング方法は、金属細線１の圧着部分をあらかじめ加熱して再結晶化しておくことが特徴である。
このように加熱することにより、圧着部分における金属細線１を再結晶化させて結晶粒径を大きくすることができる。このため、塑性変形が容易になり、圧着部分の長さおよび圧着部分の幅を増大することができる。これにより、金属細線１と例えばリード４との接合面積を増大させることができ、接着強度を向上させることができる。
【００５４】
このため、加熱温度は金属細線を構成する例えばＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等の材料が再結晶化を開始する温度以上とする必要がある。例えばＡｕおよびＣｕでは約７００℃以上の温度で、Ａｌでは約４００℃程度の温度以上に加熱する必要がある。また、加熱温度が融点以上である場合には、Ｐ点で加熱した時に金属細線１が融解して切断されてしまうため、加熱温度は融点以下とする必要がある。
【００５５】
また、通常用いられている金属細線の結晶粒の粒径は４〜５μｍ程度であり、結晶粒が小さく強度の強い金属細線の結晶粒の粒径は２〜３μｍである。このため、高強度の金属細線１を用いて、本実施の形態の方法により、金属細線の一部を再結晶化する場合には、最低限従来の金属細線と同程度の結晶粒径、すなわち４μｍ以上の結晶粒径が達成されるように、金属細線１を加熱する必要がある。また、金属細線の塑性変形をさらに容易にするために、結晶粒径は例えば１０μｍ程度とすることが望ましい。ここで、加熱温度が高いほど、また、加熱時間が長いほど、結晶粒径は拡大する傾向がある。例えばＡｕまたはＣｕ等の金属細線１を、例えば数ｍ秒程度加熱する場合には、７００℃程度の温度で加熱することにより４μｍ程度の結晶粒径を達成することができ、また、１０００℃程度の温度で加熱することにより１０μｍ程度の結晶粒径を達成することができる。
【００５６】
また、１つの電極パッドと１つのリードとを１本の金属細線により接続する一連のボンディング工程は、一般に約０．１５〜０．２５秒で行われている。このため、この加熱処理は、約数ｍ秒で行うことが望ましい。
【００５７】
また、再結晶化により塑性変形を容易にし、接合面積を拡大するために、圧着部分は完全に再結晶化される必要がある。このため、圧着部分の長さにさらに圧着の位置精度を加えた長さ領域だけ再結晶化する必要がある。一方、再結晶化領域の長さが、圧着部分の長さに比べて非常に長い場合には、圧着部分だけでなく金属細線の母材も塑性変形が容易になり、例えば樹脂封止工程において、隣合う金属細線同志が短絡するという問題が生じる。このため、再結晶化領域の長さは、圧着部分の長さにさらに圧着の位置精度を加えた長さ程度とすることが望ましい。例えば圧着部分の長さが０．１〜０．１５μｍ程度の半導体装置では、再結晶化領域の長さを０．４μｍ程度とすることが望ましい。
【００５８】
また、本実施の形態によるボンディング装置は、図６に示す従来のボンディング装置と同様に、半導体素子が搭載されている基板を供給するローダ部１１と、基板を搬送するフィーダ部１２と、基板を収納するアンローダ部１３と、ボンディングヘッド部１４と、このボンディングヘッド部１４が搭載されたＸＹテーブル１５とから構成される。また、ボンディングヘッド部１４は、金属細線を電極パッド上に圧着する例えばキャピラリ等の圧着ツール１７を保持するためのツールホルダ１６と、金属細線を切断するクランバ１８とを具備している。ツールホルダ１６は上下に移動する。さらに、ボンディングヘッド部１４にはカメラ１９が搭載され、半導体素子の位置等を確認する。
【００５９】
さらに、本実施の形態によるボンディング装置では、従来と異なり、例えばキャピラリ等の圧着ツール１７の近傍に、金属細線１を加熱するための加熱装置６を具備している。また、この加熱装置６は、例えば圧着ツール１７の移動に連動して移動されるような構造であることが望ましい。例えば、圧着ツール１７を保持するツールホルダ１６に設置することが可能である。
【００６０】
この加熱装置６は、例えば図１に示すように、アーク放電装置により構成することができる。このアーク放電装置は、従来のボールボンディング法を用いたボンディング装置に具備されている金属細線の先端にボールを形成するためのものと同様のものを用いることが可能である。
【００６１】
図２の（ａ）に、このようなアーク放電装置の拡大図を示す。この図２の（ａ）に示すように、アーク放電装置は、電源８と、電源８の一方の出力電極に接続されるトーチ電極７により構成される。電源８の他方の出力電極は、金属細線１に接続され、金属細線１とトーチ電極７との間に高電圧を印加することにより放電が発生する。
【００６２】
前述のように、本実施の形態によるボンディング方法では、加熱温度を金属細線の融点以下とする必要がある。この図に示すように、アーク放電により加熱を行う場合、金属細線の途中を加熱するため、熱が加熱点より両側に発散される。このため、金属細線が必要以上に加熱されることを防止することができる。例えば、ボールボンディング法に用いられる放電装置を用いた場合、ボールを形成する時には、金属細線の先端部分を加熱するため、熱の発散がなく、金属細線は融点以上の温度に加熱されて溶解する。一方、本実施の形態のように、金属細線の途中を加熱する場合には、放熱されるため、金属細線が融点以上に加熱されることを防止することができる。
【００６３】
このように、アーク放電装置を用いた場合には、ボール形成用の加熱装置と本実施の形態による加熱装置とを兼用することが可能である。また、この時、例えば電源８の出力電圧またはトーチ電極７の先端部分の形状またはトーチ電極７の先端と金属細線１との間の距離等の加熱条件を、ボールの形成時と本実施の形態による加熱時とに同一とした場合にも、上記のように、ボールの形成部分では金属細線を融解し、本実施の形態における加熱では金属細線を融解せずに再結晶化させることができる。また、上記のような加熱条件を、ボールの形成時と本実施の形態による加熱時とに、異なる条件とすることも可能である。
【００６４】
また、ボール形成用の加熱装置と本実施の形態による加熱装置とを、別個の加熱装置を用いて構成することも可能である。
さらに、前述のように、再結晶領域の長さは例えば０．４μｍ程度とすることが望ましい。このため、再結晶領域の長さがこのような長さとなるように、例えば電源８の出力電圧またはトーチ電極７の先端部分の形状またはトーチ電極７の先端と金属細線１との間の距離等の加熱条件を適宜設定する。
【００６５】
また、図２の（ｂ）に、ガス炎を用いた加熱装置の先端部分の拡大図を示す。この図に示すように、トーチノズル７´の先端の開口部から例えば水素、アセトン等のガスを噴射して炎を形成し、この炎の熱により金属細線１を加熱する。
【００６６】
このように、ガス炎を用いた場合には、金属細線１を容易に高温にすることができるため、短時間で加熱を行うことができ、作業効率を向上することができる。
【００６７】
また、金属細線１の加熱温度または再結晶領域の長さは、トーチノズル７´と金属細線１との間の距離を調整することにより制御することができる。
また、上記の方法以外にも、例えばレーザ光を用いて金属細線１を加熱することが可能である。一般にレーザ光は、非常に小さいスポット径にエネルギを集中させることができるため、金属細線を局部的に加熱することができる。このため、前述のように、再結晶領域の長さを制限範囲内に納める必要がある場合にも、容易に達成することができる。
【００６８】
このようにレーザ光を用いた場合には、金属細線１の加熱温度または再結晶領域の長さは、レーザ光の強度またはスポット径を調整することにより制御することができる。
【００６９】
前記の表１には、従来の金属細線材料ＡおよびＢに対して、本実施の形態による引っ張り強度の高い金属細線Ａの部分的に再結晶化された圧着部分Ｃの結晶粒径、硬度、圧着部分の長さおよび幅が示されている。この表に示すように、引っ張り強度の強い金属細線材料Ａの一部を再結晶化させることにより再結晶化した部分Ｃでは、粒径が増大し、硬度が軟化していることがわかる。さらに、粒径の増大により塑性変形が容易となるため、圧着部分の長さおよび幅を増大することができ、従来の金属細線Ｂと同等以上の接合面積を確保して、接合強度を向上することができる。
【００７０】
図３に、従来の金属細線ＡおよびＢと、本実施の形態による金属細線Ｃの圧着部分の幅および剥がれ強度を比較したものを示す。この図に示すように、本実施の形態による金属細線Ｃでは、圧着部分の幅が拡大することにより、剥がれ強度を向上させることができる。
【００７１】
また、図４に、本発明のボンディング方法により圧着された金属細線１の圧着部分の拡大図を示す。図４の（ａ）は、キャピラリ２１を用いた場合、図４の（ｂ）はウェッジツール２３を用いた場合である。図中、圧着部分の長さをα、圧着部分と金属細線１の母材との間の境界における断面積をβ、再結晶領域の長さをγで示す。また、図４の（ｃ）および（ｄ）には、従来のボンディング方法により圧着された金属細線１の圧着部分の拡大図を、キャピラリ２１を用いた場合（図４の（ｃ））とウェッジツール２３を用いた場合（図４の（ｄ））について示している。これらの図に示すように、本発明によれば、圧着部分近傍の結晶粒径が増大されているため、塑性変形が容易になり、圧着部分の長さαを長くすることができる。これにより、圧着部分と金属細線１の母材との間の境界の位置を母材側に移動させることができるため、境界領域による断面積βを拡大することができる。このようにして、金属細線１の圧着部分と母材との境界領域における応力の集中を緩和し、この領域での破断を防止することができる。 さらに、例えば樹脂封止後に行われる熱サイクル試験において、樹脂とリード４との間の線膨脹係数の差に起因する応力により、境界部分が破断することを防止して、接合の信頼性を向上することができる。
【００７２】
また、一般に金属は例えば圧着等の加工により硬化する。これは一般に加工硬化と呼ばれる。図５に、加工硬化を測定した結果を示す。この図では、横軸に加工変形の大きさを示し、横軸は加工硬化の程度を示している。この図に示すように、金属細線Ａは、金属細線Ｂに比べて硬度が高く、また、加工硬化の程度も大きい。しかし、本発明のように、金属細線Ａを再結晶化させた金属細線Ｃでは、金属細線Ａに比べて硬度が減少し、加工硬化も低減されていることがわかる。このように、圧着された金属細線の硬度が低いため、例えば半導体素子の電極パッドの下に亀裂等が発生することを防止することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によるボンディング方法およびボンディング装置では、高強度金属細線を使用し、さらに接合強度と接合の信頼性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるボンディング方法を示す図。
【図２】本発明の実施の形態によるボンディング装置の構造を示す拡大断面図。
【図３】本発明の実施の形態および従来の方法により圧着された金属細線の圧着部分の幅および剥がれ強度を比較した図。
【図４】本発明の実施の形態および従来の方法により圧着された金属細線の圧着部分の拡大断面図。
【図５】本実施の形態および従来の方法により圧着された金属細線の加工硬化特性を示す図。
【図６】ボンディング装置の構造を示す図。
【図７】従来のボンディング方法を示す図。
【図８】従来のボンディング方法により圧着された金属細線の圧着部分の拡大断面図およびボンディングされた金属細線の形状を示す断面図および圧着部分の上面図および断面図。
【図９】従来のボンディング方法により圧着された金属細線の圧着部分の拡大断面図およびボンディングされた金属細線の形状を示す断面図および圧着部分の上面図および断面図。
【符号の説明】
１…金属細線、
２…半導体装置、
３…電極パッド、
４…リード、
５…ボール、
６…加熱装置、
７、７´…トーチ、
８…電源、
１１…ローダ部、
１２…フィーダ部、
１３…アンローダ部、
１４…ボンディングヘッド部、
１５…ＸＹテーブル、
１６…ツールホルダ、
１７…圧着ツール、
１８…クランバ、
１９…カメラ、
２１…キャピラリ、
２３…ウェッジツール

Claims (8)

  1. 半導体素子上の電極パッドとパッケージのリードとを金属細線を用いて接続するボンディング方法において、
    前記金属細線の一方の先端を前記電極パッドまたは前記リードの一方に圧着する工程と、
    前記電極パッドと前記リードとを接続するために必要な長さの前記金属細線を引き出す工程と、
    引き出された前記金属細線の端部分を加熱して溶融することなく再結晶化する工程と、
    この再結晶化された端部分を前記リードまたは前記電極パッドの他方に接続する工程と、
    を具備することを特徴とするボンディング方法。
  2. 前記再結晶化工程において、アーク放電により前記端部分の加熱を行う請求項１記載のボンディング方法。
  3. 前記再結晶化工程において、ガス炎を用いて前記端部分の加熱を行う請求項１記載のボンディング方法。
  4. 前記再結晶化工程において、レーザ光を用いて前記端部分の加熱を行う請求項１記載のボンディング方法。
  5. 半導体素子上の電極パッドまたはパッケージのリードの第１の圧着点に金属細線の先端を圧着すると共に、前記電極パッドまたは前記リードの第２の圧着点に前記金属細線を圧着する圧着ユニットと、
    前記圧着ユニットを前記第１の圧着点上から前記第２の圧着点上へ移動させる移動手段と、
    前記圧着ユニットが前記第１の圧着点に前記金属細線を圧着した後で、かつ前記圧着ユニットが前記第２の圧着点に前記金属細線を圧着する前に、前記金属細線の前記第２の圧着点に圧着される部分を溶融することなく再結晶化するための加熱手段と、
    を具備することを特徴とするボンディング装置。
  6. 前記加熱手段は、アーク放電装置により構成される請求項５記載のボンディング装置。
  7. 前記加熱手段は、ガス炎発生装置により構成される請求項５記載のボンディング装置。
  8. 前記加熱手段は、レーザ装置により構成される請求項５記載のボンディング装置。
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