JP3727615B2 - ワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤボンディング技術は、例えば、ＬＳＩ等の半導体チップの入出力端子等（ボンディングパッド）と、半導体チップが搭載されるパッケージあるいは回路基板の端子（ボンディングリード）との間を細い金属ワイヤで接続する技術である。
【０００３】
また、ボンディングパッドとボンディングリードとの間を接続するワイヤには例えば金線が用いられ、金ワイヤをボンディングパッド上に最初にボンディングするにあたっては、キャピラリと呼ばれる筒に挿通された金ワイヤの先端がボール状に形成される。この金ワイヤの先端に形成されたボール状のものは一般的にイニシャルボールと呼ばれる。この一般的なイニシャルボールは、ワイヤの先端に対向して設けられたトーチ電極とワイヤとの間に高電圧を印加することで、その間で空中放電を起こし、そのエネルギでワイヤ先端を溶融させてボール状に形成することで得られる。この場合、トーチ電極の材質はワイヤ材に比して高融点のものが用いられるのが一般的である。
【０００４】
ボンディングパッドとボンディングリード間とをワイヤで接続する工程は、２段階に分けて行われる。まず、半導体チップのアルミボンディングパッド上に、先ほどの一般的なイニシャルボールを押し付け、加熱しつつ超音波エネルギを加えて第１段階の接合が行われる。そしてアルミボンディングパッドに接合された一端からワイヤを伸ばし、その他端を接続すべき回路基板の金ボンディングリード上に移動する。そこで移動したワイヤの他端をそのボンディングリードに押し付け加熱しつつ超音波エネルギを加えて第２段階の接合を行う。
【０００５】
ボンディングパッドと金ワイヤの接合は、押し付け圧と加熱温度と加える超音波エネルギを適正条件にすることで、所定のワイヤボンディング強度、例えば剥離強度を得ることができる。加熱による熱エネルギは、接合に必要な超音波エネルギを少なくできる機能を持ち、例えば加熱が十分高温にできるときは、超音波エネルギを与えなくても接合することが可能となる。アルミボンディングパッドと金ワイヤの接合のメカニズムは諸説あるが、例えば、加えられたエネルギにより、アルミの表面酸化膜が破られ、その下のアルミの新生面と金とが一種の共晶により接合する、と考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のワイヤボンディングは、アルミのボンディングパッドに金ワイヤをボンディングすることが一般的であった。ところで、近年、ＬＳＩの超微細化の進展に伴い、半導体チップ内の配線抵抗を低下できる銅配線技術が注目されている。この場合、工程的にも材料的にもボンディングパッドは銅材料を使用するのが好ましい。
【０００７】
しかし、銅のボンディングパッドに金ワイヤを接合するには以下の問題がある。すなわち、銅のボンディングパッドの表面には、銅の酸化膜が形成されていて、この銅表面の酸化膜は、アルミのボンディングパッドの表面の酸化膜に比して、ボンディング性がきわめて悪い。例えば、金ワイヤの一般的なイニシャルボールを銅のボンディングパッドの表面に押し付け、超音波エネルギを相当強く加えても、一般的なイニシャルボールには数条の破断が生ずるのみで、銅と金との間での接合は起こらない。また、銅表面を加熱すると表面の金属色が著しく変化するほど酸化が激しく起こる。したがって、加熱による熱エネルギを利用することが困難となる。
【０００８】
この問題は、銅の酸化の様子と、アルミの酸化の様子が異なることに起因する。すなわち、アルミの表面は周知のように酸化しやすいが、その酸化膜は緻密で、一定の膜厚まで成長するとそれ以上はほとんど酸化が進行しない。また、アルミの表面酸化膜は化学的にも安定で、さらにどの酸化膜もほぼ一定の物質的特性を有する。したがって、アルミのボンディングパッドの表面酸化膜を破るための押し付け圧、加熱温度、超音波エネルギ等のワイヤボンディング条件を再現性よく設定することが可能なのである。
【０００９】
これに対し、銅の表面の酸化膜は密度が疎であり、酸化は銅の内部にむけてどんどん進行し続ける。また、銅の酸化膜は、その酸化の程度により膜厚も物質的性質もばらつきが大きい。したがって、銅のボンディングパッドの表面には、アルミのボンディングパッドの表面酸化膜と比較にならないほどの、分厚く、物質的性質等のばらつきの大きい銅酸化膜が存在する。そして、この銅ボンディングパッドの表面酸化膜の存在が、ワイヤボンディングにとり、大きな妨げになっているのである。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題を解決し、銅をワイヤボンディングの対象とできるワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
１．本発明の基礎となる知見
本発明は、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールを用いると、銅のボンディングパッドに金ワイヤを容易に接合できるとの知見を得たことに基づく。以下に、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールと、銅のボンディングパッドとの間の接合実験の内容を説明する。
【００１２】
ボンディング装置のボンディングテーブルに、銅のボンディングパッドを有するＬＳＩチップを搭載した回路基板をセットした。ボンディング装置のキャピラリには直径が２０ミクロン（μｍ）の金ワイヤが挿通されている。ワイヤに比較して低融点のコーティング材料（錫）からなるトーチ電極との間に放電電圧を印加し、ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し、このボール状の表面に放電のエネルギを用いて錫イオンを付着させる。そして、表面に錫を付着させたイニシャルボールを保持したキャピラリを移動させ、銅のボンディングパッドに押し付け、超音波エネルギ供給手段により、このイニシャルボールと銅のボンディングパッドとに超音波エネルギを与えた。なお、ＬＳＩチップを搭載した回路基板等に対し加熱は行わず、常温下での接合を試みた。
【００１３】
押し付け力は４００ｍＮ（およそ４０グラム重）で、この押し付け力によりイニシャルボールが変形した後の平面寸法である圧着径は、およそ５０ミクロン（μｍ）の直径であった。超音波エネルギの大きさは、通常のアルミパッドへの金ワイヤのワイヤボンディングに用いる大きさと同じとした。その結果、金ワイヤと銅ボンディングパッドとの間が接合され、その剥離強度は実用上十分であった。
【００１４】
このように、表面に錫を付着させたイニシャルボールを銅のボンディングパッドに押し付け、超音波エネルギを加えることで、銅のボンディングパッドと金ワイヤとの間で、常温下で、十分な剥離強度（およそ２００ｍＮ、２０グラム重）を有する接合を得ることができた。
【００１５】
接合のメカニズムとしては、例えば、超音波エネルギによって低融点の錫が溶融し、溶融した錫に超音波が作用してキャビテーション現象、すなわち真空状態の泡を生じさせるモデルを考えることができる。すなわち、このモデルによれば、真空状態の泡が破裂するときに衝撃波が発生し、その衝撃波により、厚い銅の酸化膜が破壊され、その下の銅の新生面とイニシャルボールとの間で接合が行われることになる。なお、超音波エネルギにより、金属固体中に熱を生ずることはよく知られており、また、超音波エネルギにより、液体中にキャビテーションが発生することがあることも周知である。
【００１６】
このように、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールを形成し、このイニシャルボールを用いることで、厚い銅の酸化膜があっても、回路基板を加熱することなく、金ワイヤと銅のボンディングパッドとを接合することができることがわかった。
【００１７】
２．課題解決手段
本発明に係るワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法は、ワイヤと、前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなるトーチ電極との間に放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し前記ボール状の表面に前記コーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成することを特徴とする。
【００１８】
このことで、放電エネルギを用いて、ボール状の表面に低融点のコーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成できる。そしてこのイニシャルボールを用いることで、厚い銅の酸化膜があっても、金ワイヤと銅のボンディングパッドとを接合することができる。
【００１９】
また、前記放電電圧は、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しマイナス電位とする直流高電圧であることが好ましい。このことで、放電によりトーチ電極の低融点材料がイオン化してプラスの金属イオンとなり、トーチ電極に対しマイナス電位のワイヤに効率よく付着することができる。
【００２０】
前記ワイヤは金を主成分とするワイヤのほか、銅を主成分とするワイヤでもよい。前記低融点のコーティング材料は、錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係るワイヤボンディング装置は、ワイヤを挿通し、先端から前記ワイヤを突出させて位置決めするキャピラリと、前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなるトーチ電極と、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しマイナス電位として放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し前記ボール状の表面に前記コーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成する放電電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態に付き詳細に説明する。図１は、ワイヤボンディング装置１０において、ワイヤボンディングに用いられるワイヤ１２の先端にイニシャルボール２８が形成される様子を示す図である。
【００２７】
ワイヤボンディング装置１０は、ワイヤ１２を挿通し、先端からワイヤを突出して位置決めするキャピラリ１６と、ワイヤ１２の先端に対向して設けられたトーチ電極１８と、トーチ電極１８を支持するトーチ電極支持部２０と、ワイヤ１２とトーチ電極１８との間に放電電圧を印加する直流高圧電源２２とを備える。トーチ電極１８のワイヤに対向する側と反対側に、絶縁性材料からなる防護カバー３０が設けられる。また、ワイヤボンディング装置１０には、ボンディングテーブル３２が設けられる。ボンディングテーブルは、ボンディングパッド３４を有するＬＳＩチップ３６と、回路基板３８とを保持することができる。
【００２８】
直流高圧電源２２は、ワイヤ１２とトーチ電極１８との間に放電を起こさせる放電電圧印加手段で、ワイヤ１２がトーチ電極１８に対しマイナス電位となるように接続される。
【００２９】
トーチ電極１８の材料には、ワイヤに比較して低融点のコーティング材料、例えば融点が約２３０度（℃）の錫を主成分とする低融点材料を用いることができる。他に、融点が約１５０度（℃）のインジウムを主成分とする低融点材料を用いることもできる。また、ワイヤに比較して低融点の、それ以外の合金を用いてもよい。例えば融点が１１０度（℃）以上２４０度（℃）以下の合金を用いることができる。
【００３０】
トーチ電極１８の全体が低融点のコーティング材料であってもよく、または、その一部が低融点のコーティング材料であってもよい。例えばトーチ電極１８の先端のみが低融点のコーティング材料であってもよく、外周部分のみが低融点のコーティング材料であってもよい。また、後述のように、低融点材料が放電によりイオン化して放散する際に、その放散方向に指向性を持たせる放散指向性部材を設けることができる。例えば、低融点材料の周囲を絶縁体で覆い、一部に穴を設け、穴の方向に放散指向性を有するようにしてもよい。
【００３１】
トーチ電極支持部２０は、トーチ電極１８を交換可能に取付け支持し、直流高圧電源２２からの放電電圧をトーチ電極１８に伝える機能を有する部品で、例えば、トーチ電極１８を差し込む穴と、差し込まれたトーチ電極１８と電気的導通をとりつつ固定するボルトとを有する金属部材で構成することができる。
【００３２】
ワイヤボンディングを行うには、まず、ボンディングテーブル３２に、ＬＳＩチップ３６と回路基板３８を位置決めして保持する。いま、ＬＳＩチップ３６のボンディングパッド３４が銅であるとする。
【００３３】
次に、表面に低融点材料を付着させたイニシャルボールを、ワイヤの先端に形成する。例えば直径が２０ミクロン（μｍ）の金線をワイヤ１２に用い、ワイヤ１２をキャピラリ１６に挿通し、図示されていないクランプ機構によりワイヤの先端をキャピラリ１６から突出して位置決めする。次に、図示されていない移動機構を用いて、トーチ電極支持部２０に取付いている、錫からなるトーチ電極１８を移動し、トーチ電極１８とワイヤ１２の先端とを所定の対向関係に位置決めする。この位置決めは、移動機構を用いずに、最初から固定関係としてもよい。このときの防護カバー３０は、後述する放電が、トーチ電極１８と、ＬＳＩチップ３６あるいは回路基板３８との間に起こらないように配置がなされる。
【００３４】
そして、直流高圧電源２２のスイッチをＯＮして、放電電圧をワイヤ１２とトーチ電極１８との間に印加する。
【００３５】
このことでワイヤ１２の先端とトーチ電極１８との間で空中放電が起こり、ワイヤ１２の先端が加熱され溶融し、ボール状の形状に形成される。放電時間は数ｍｓｅｃである。
【００３６】
得られたボール状の部分は、およそ４０ミクロン（μｍ）の直径で、その表面を分析すると、元素数比で、金が７０％，錫が３０％である。つまり、上記のようにして、表面に低融点の錫が付着したイニシャルボールを得ることができる。
【００３７】
上記の構造のワイヤボンディング装置１０を用いた放電によって、表面に低融点の錫が付着したイニシャルボール２８が得られるメカニズムとしては、次のように考えることができる。
【００３８】
すなわち、直流高圧電源２２のスイッチをＯＮして、放電電圧をワイヤ１２とトーチ電極１８との間に印加することで、ワイヤ１２の先端とトーチ電極１８との間で空中放電が起こる。そしてこの放電エネルギにより、ワイヤ１２の先端が加熱され溶融し、それとともにトーチ電極１８の錫も高温に加熱され空中に放散し、高電圧の下で電離しイオン化され、プラスの錫イオン２４を含む電離ガス体２６を形成する。そして、プラスの錫イオン２４は、トーチ電極１８に対しマイナス電位である溶融したワイヤ先端に引き付けられる。これらのプロセスにより、ワイヤ１２の先端が放電により溶融してボール状に形成され、放電エネルギによりボール状の表面に錫が付着する、と考えることができる。
【００３９】
このようにして得られた、表面に錫が付着したイニシャルボール２８を用いて銅のボンディングパッド３４との接合を行うには、このイニシャルボール２８を保持したまま、キャピラリ１６を移動させ、ＬＳＩチップ３６の銅のボンディングパッド３４に押し付ける。次に図示されていない超音波エネルギ供給手段により、押し付けたイニシャルボール２８と銅のボンディングパッド３４とに超音波エネルギを与える。なお、ＬＳＩチップ３６等は加熱しなくてもよいが、加熱するときは、不活性ガス等を導入して、銅表面の過度の酸化を抑える必要がある。
【００４０】
このようにして、本発明の基礎となる知見の項で詳述したとおり、押し付け力を４００ｍＮ（およそ４０グラム重）とし、通常のアルミパッドへの金ワイヤのワイヤボンディングに用いるのと同程度の超音波エネルギを加えて、実用上十分な剥離強度の、金ワイヤと銅ボンディングパッドとの間の接合を得ることができる。
【００４１】
なお、以上の説明では、金ワイヤと銅のボンディングパッドとの間のワイヤボンディングについて述べたが、銅を主成分とするワイヤを用いることでも本発明が実施できる。この場合、相手のボンディングパッドの材料は銅以外でもよい。例えばアルミパッド、金パッドでもよい。また、銅のボンディングパッドは半導体チップのボンディングパッドとして説明したが、回路基板の銅のボンディングリードに対しても本発明が実施できる。
【００４２】
また、上記説明において、低融点のコーティング材料を付着させたイニシャルボールの形成については、放電エネルギを用いる方法について詳しく述べたが、それ以外の低融点のコーティング材料を付着させたイニシャルボールの形成方法、例えば、低融点材料を含む溶液に先端がボール状のワイヤをディップして、ボール状の表面に低融点のコーティング材料を付着させたり、インクジェット技術により低融点材料の粒子等をボール状の先端に付着させることでも本発明を実施できる。
【００４３】
このように、特別な半導体製造工程を増やすことなく銅を対象とする接続を簡単至便な方法をもって達成することができる。さらに、常温下でも十分な接合強度を得ることができ、温度上昇による銅の酸化の影響を被ることなく良好な接続品質を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係るワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置によれば、銅をワイヤボンディングの対象とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施の形態のワイヤボンディング装置において、表面に低融点のコーティング材料が付着したイニシャルボールの形成の様子を示す図である。
【符号の説明】
１０ ワイヤボンディング装置
１２ ワイヤ
１６ キャピラリ
１８ トーチ電極
２２ 直流高圧電源（放電電圧印加手段）
２４ 錫イオン
２６ 電離ガス体
２８ イニシャルボール

Claims (7)

  1. ワイヤと、前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなるトーチ電極との間に放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し前記ボール状の表面に前記コーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成することを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
  2. 請求項１に記載のイニシャルボール形成方法において、前記放電電圧は、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しマイナス電位とする直流高電圧であることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載のイニシャルボール形成方法において、前記コーティング材料は錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のイニシャルボール形成方法において、前記ワイヤは金または銅を主成分とすることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
  5. ワイヤを挿通し、先端から前記ワイヤを突出させて位置決めするキャピラリと、
    前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなるトーチ電極と、
    前記ワイヤを前記トーチ電極に対しマイナス電位として放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し前記ボール状の表面に前記コーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成する放電電圧印加手段と、
    を備えることを特徴とするワイヤボンディング装置。
  6. 請求項５に記載のワイヤボンディング装置において、前記コーティング材料は錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることを特徴とするワイヤボンディング装置。
  7. 請求項５または請求項６に記載のワイヤボンディング装置において、前記ワイヤは金または銅を主成分とすることを特徴とするワイヤボンディング装置。
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