JP3972518B2 - ボールボンディング方法および電子部品の接続方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品をワイヤボンディングで形成された導線によって電気的に接続する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ICチップおよび回路基板(配線基板)とをAuワイヤを用いたワイヤボンディングにて電気的に接続する場合に、一般に、回路基板上の配線材料がCu等のようなAuワイヤとの接合性の悪い材料であると、配線(ランド)上に直接ボンディングを行うことができないとされている。
【0003】
このような回路基板でICチップのパッド(第1導体)と回路基板のランド(第2導体)とをワイヤボンディングによって接合する手順を図9に基づいて説明する。
【0004】
まず、回路基板J1のランドJ4上にAuワイヤJ5にて予め接合性のよいボールボンディングを行ってバンプJ6を形成する。具体的には、AuワイヤJ5の先端を放電によって溶解させて球状ボールを形成し、キャピラリJ7をランドJ4表面に対して垂直方向に移動させてボールをランドJ4に押し付ける(図9(a))。さらにキャピラリJ7をランドJ4上に押し付けてAuワイヤJ5を切断する(図9(b))。
【0005】
次に、ランド上に形成したバンプJ6とICチップJ3のパッドJ3aとをワイヤボンディングによって接合する。具体的には、ICチップのパッドJ3a上にボールボンディングによって1次ボンディングを行い(図9(c))、続いてバンプJ6にウェッジボンディングによって2次ボンディングを行う(図9(d))。以上の図9(a)〜(d)に示す工程によって、Auワイヤボンディングの接合性を確保している。
【0006】
この方法によれば、回路基板のCu等のランドとAuワイヤは接合性のよいボールボンディングで接合し、さらに配線上のバンプとAuワイヤは通常のウェッジボンディングで同質同材のAu同士の接合を行うことによって良好な接合を得ることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の接続方法では、Auワイヤと被ボンディング材料とを超音波振動によって固着させるだけでなく、熱を加えながらボンディングを行うことにより両金属間の拡散による合金層形成を促して接合性を得るという方法を用いている。従って、回路基板およびICチップはボンディング時において加熱されている。このため、回路基板の配線(ランド)としてCu等の卑金属を用いる場合には、室温放置でもランドの酸化が進行してしまうのに加え、熱によりボンディングが進むに従ってさらに酸化が進行してしまい、ボールボンディングが接合できなくなってしまうという問題がある。
【0008】
また、ランドはめっきによって形成されていることから、ランド表面は下地材料の表面粗度の影響を受けやすい。このため、Cuめっき配線上の表面粗度が大きくなるとボンディング性が低下してしまうという問題があった。
【0009】
本発明は、上記点に鑑み、電子部品をワイヤボンディングで形成された導線によって電気的に接続する方法において、ボンディングの接合性を確保することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1記載の発明では、キャピラリ(7)によって線材(5)を導体(4)に接続するボールボンディング方法であって、キャピラリ(7)の先端に線材(5)によってボール(5a)を形成し、キャピラリ(7)を移動させてボール(5a)を導体(4)に接触させた後、前記キャピラリ(7)を導体(4)の表面に対して垂直方向に移動させると同時に水平方向に移動させて、ボール(5a)を導体(4)に圧着させることを特徴としている。
【0011】
これにより、キャピラリ(7)の先端部によってボール(5a)を導体(4)の粒塊(4a)の凹凸に食い込ませることができるので、導体(4)とボール(5a)との接合面積が増大させることができるとともに、導体(4)の表面の粗さによるアンカー効果によって導体(4)とボール(5a)との間の高い接合性を得ることができる。
【0012】
また、請求項2に記載の発明では、第1導体(3a)および第2導体(4)とをワイヤボンディングで形成された導線(10)によって電気的に接続する方法であって、ワイヤボンディングの2次側となる第2導体(4)に、線材(5)によってバンプ(6)を形成するバンプ形成工程と、バンプ形成工程の後、第1導体(3a)を1次側とするとともにバンプ(6)を2次側としてワイヤボンディングを行うことにより導線(10)を形成し、第1導体(3a)および第2導体(4)とを電気的に接続するボンディング工程とを備え、バンプ形成工程では、キャピラリ(7)の先端に線材(5)によってボール(5a)を形成し、キャピラリ(7)を移動させてボール(5a)を第2導体(4)に接触させた後、キャピラリ(7)を第2導体(4)の表面に対して垂直方向に移動させると同時に水平方向に移動させて、ボール(5a)を第2導体(4)に圧着させることを特徴としている。
【0013】
これにより、第1導体(3a)および第2導体(4)とをワイヤボンディングで形成された導線(10)によって電気的に接続する方法において、予め第2導体(4)にバンプ(6)を形成する際に、第2導体(4)とバンプ(6)との間の高い接合性を得ることができる。
【0014】
また、請求項3に記載の発明では、バンプ形成工程における水平方向は、キャピラリ(7)が第1導体(3a)から遠ざかる方向であることを特徴としている。このように、キャピラリ(7)が第1導体(3a)から遠ざかる方向に移動することで、請求項4に記載の発明のように、第2導体(4)の表面における前記第1導体(3a)側に平坦部(6a)を形成することができる。
【0015】
これにより、バンプ(6)における第1導体側に形成される平坦部(6a)の面積が大きくすることができ、導線(10)とバンプ(6)との接合部分の面積が大きくなって、導線(10)とバンプ(6)との接合強度を向上させることができる。
【0016】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したICチップと回路基板との接続方法について図に基づいて説明する。図1および図2は、本発明の第1実施形態に係るICチップ3と回路基板1との接続方法を示す工程図であり、図3は回路基板上のランドと、ランド上に形成されたバンプとの接続状態を示す拡大断面図である。
【0018】
以下、接続工程順に説明する。
【0019】
まず、回路基板(セラミック基板やプリント基板などの基板)1を用意する。この回路基板1の一面上には、ワイヤボンディングすべきICチップ3が複数設置されている。このICチップ3は、ダイマウントペースト2(例えばはんだやAgペースト)により回路基板1上にダイマウントされており、ICチップ3上には、ICチップ3の内部回路と電気的に接続されたパッド3aが設けられている。一方、回路基板1の一面上のうちICチップ3の設置領域と異なる部分には、Cu、Ni、フラッシュAuめっき等のようにAuワイヤと接合性の悪い配線材料を用いたランド4が形成されている。本実施形態においては、ランド4はCuめっきによって形成されている。
【0020】
なお、本実施形態では第1導体はICチップ上のパッド3aにより構成され、第2導体は回路基板上のランド4により構成される。
【0021】
そして、図1(a)〜(d)に示すように、このランド4上に、Auよりなる凸状のAuバンプ6を、Auワイヤ(線材)5を用いてボールボンディングにより形成する。これは、ICチップ3のパッド3aとランド4との間をAuワイヤ5を用いてワイヤボンディングして後述の導線10を形成する場合に、Auバンプ6と導線10とを同質材質のAuにより構成することにより、導線10の接合性を良くするためである。
【0022】
具体的には、図1(a)に示すように、キャピラリ7の貫通孔7aにAuワイヤ5を挿通した状態で、トーチ電極8からの放電によりキャピラリ7から突出したAuワイヤ5の先端にボール5aを形成する。
【0023】
次に、図1(b)に示すように、キャピラリ7をランド4上に位置させてボールボンディングを行うことによってAuバンプ6を形成する。
【0024】
このボールボンディング工程について図3、図4に基づいて説明する。図3は、図1(b)に示すボール5aをランド4に圧着させる工程の詳細を示しており、図4はAuバンプ6とランド4との境界における接触状態を示している。
【0025】
まず、図3(a)に示すようにキャピラリ7をランド4上に移動させてボール5aをランド4に接触させる。このとき、キャピラリ7には超音波振動が加えられており、回路基板は加熱されているので、図3(b)に示すようにボール5aがランド4に接触した瞬間から、超音波振動による凝着と熱による拡散が始まる。
【0026】
次に、図3(c)に示すようにキャピラリ7をランド4の表面に対して垂直方向に移動させると同時に水平方向にも移動させる。即ち、ボール5aはランド4に対して斜め方向に押し付けられて荷重をかけられることになる。これにより、ボール5aはキャピラリ7の先端部によってランド4にこすりつけられ、図4に示すようにボール5aはランド4の粒塊4aの凹凸に食い込むように圧着される。
【0027】
このとき、キャピラリ7は、回路基板1上におけるICチップ3搭載位置から遠ざかる方向(図3中右側)に移動させる。これにより、図3(c)に示すようにキャピラリ7の先端部によってAuバンプ6のICチップ3搭載位置側(図3中左側)に平坦部6aが形成される。
【0028】
次に、図1(c)に示すように、キャピラリ7を後方(Auバンプ6に対しICチップ3と反対側の方向)に移動させてウェッジボンディングを行う。このとき、キャピラリ7をランド4上に押しつけてAuバンプ6から延びるAuワイヤ5を切断する。
【0029】
次に、再度、キャピラリ7を上方に移動させ、図1(d)に示すように、トーチ電極8からの放電により、Auワイヤ5の先端に第1のボール5aを形成する。
【0030】
以上の図1(a)〜(d)の工程を順次繰り返し、ワイヤボンディングの2次側となるランド4上にAuバンプ6を形成していく。
【0031】
次に、図2(a)に示すように、キャピラリ7の貫通孔7aにAuワイヤ5を挿通した状態で、トーチ電極8からの放電によりキャピラリ7から突出したAuワイヤ5の先端にボール5aを形成する。次に、図2(b)に示すように、ICチップ3に形成されたパッド3a上にボールボンディング(1次ボンディング)を行うとともに、図2(c)に示すように、上記工程で形成したランド4上のバンプ6にウェッジボンディング(2次ボンディング)を行う。これにより、ICチップ3のパッド3aとランド4上のバンプ6との間にAuよりなる上記導線10が形成され、ICチップ3と回路基板1とが電気的に接続される。
【0032】
以上の図2(a)〜(c)の工程を順次繰り返して、複数のICチップ3におけるすべてのパッド3aについてボンディングを行う。
【0033】
以上のように、本実施形態によれば、ランド4にボールボンディングによってバンプ6を形成する際に、キャピラリ7をランド4表面に対して垂直方向に移動させるだけなく、キャピラリ7を回路基板1上におけるICチップ搭載方向の反対側にも移動させることによって、キャピラリ7の先端部によってボール5aをランド4の粒塊4aの凹凸に食い込ませることができる。これにより、図4に示すようにランド4とバンプ6との接合面積が増大させることができ、さらに、ランド4の表面の粗さによるアンカー効果によってランド4とバンプ6との間の高い接合性を得ることができる。
【0034】
また、このときキャピラリ7をICチップ3搭載位置から遠ざかる方向に移動させることによって、バンプ6におけるICチップ搭載側に形成される平坦部6aの面積が大きくなる。これにより、図5に示すように導線10とバンプ6との接合長kが長くなり、導線10とバンプ6との接合強度を向上させることができる。
【0035】
次に、本発明者らが本実施形態におけるICチップと回路基板との接合方法について試作検討した結果を図6から図8に基づいて説明する。本検討では、比較的表面粗度の大きな(Rz=4〜6μm)ランドに対してボールボンディングを行っている。
【0036】
図6はランド上に形成したAuバンプのせん断強度(N)を示しており、図7はAuバンプのせん断後におけるAu残り率(%)を示しており、図8は導線の引っ張り強度(mN)を示している。なお、図7のAu残り率とは、せん断後においてランド上に残っているAuの面積の割合をいう。また、図6から図8における横軸のボンディング条件とは、キャピラリに加える超音波振動、キャピラリによる荷重のかけ方等のボールボンディングを行う際の条件を示しており、ボールボンディングにより適した条件の場合にボンディング条件が高くなる。
【0037】
まず、ランド上にボールボンディングによって形成したAuバンプのせん断強度とせん断後のAu残り率について説明する。図6に示すように本実施形態によれば従来の接合方法と比較してAuバンプのせん断強度が向上しており、さらに、図7に示すように、本実施形態ではAu残り率が大幅に向上している。これは、ランドを構成するCu粒塊同士の接する凹部にAuボールが入り込んだことにより、ランドとAuバンプとの接合面積が増大するとともに、アンカー効果によってランドとAuバンプとの密着力が向上したためにAu残り率が向上したものと考えられる。
【0038】
次に、ICチップ上のパッドとバンプとを接合するAuワイヤからなる導線の引っ張り強度について説明する。図8に示すように、本実施形態によれば従来の接合方法と比較して全体的に引っ張り強度が向上していることがわかる。また、従来の接合方法ではボンディング条件の低い領域において、低強度のものがばらつきとして発生する場合があったのに対し、本実施形態においては、ボンディング条件の低い領域でも強度のばらつきが減少している。
【0039】
これは、図5に示すようにバンプと導線との接合長kが長くなり、これにより低いボンディング条件でも接合力が向上したため、強度ばらつきが起きにくくなったためと考えられる。
【0040】
なお、上記実施形態ではICチップ上のパッドと回路基板上のランドとを接続するワイヤボンディングにおいて、ランド上にバンプを形成する場合について説明したが、これに限らず、本発明はワイヤを接合性の悪い導体上に接合するボールボンディングであれば適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】回路基板のランド上にバンプを形成する手順を示す工程図である。
【図2】図1の工程に続いて、パッドとバンプとワイヤボンディングによって接続する手順を示す工程図である。
【図3】図1(b)のボールをランドに押し付ける手順の詳細を示す工程図である。
【図4】回路基板のランドと、ランド上に形成されたバンプとの接合状態を示す拡大断面図である。
【図5】Auバンプと導線との接合状態を示す拡大断面図である。
【図6】ランド上に形成したAuバンプのせん断強度を示す特性図である。
【図7】Auバンプのせん断後におけるAuの残り率を示す特性図である。
【図8】ICチップと回路基板とを接合している導線の引っ張り強度を示す特性図である。
【図9】従来技術のICチップと回路基板とを接続する手順を示す工程図である。
【符号の説明】
1…回路基板、3…ICチップ、3a…パッド、4…ランド、5…Auワイヤ、5a…ボール、6…Auバンプ、7…キャピラリ、10…導線。
Claims (4)
- キャピラリ(7)によって線材(5)を導体(4)に接続するボールボンディング方法であって、
前記キャピラリ(7)の先端に前記線材(5)によってボール(5a)を形成し、前記キャピラリ(7)を移動させて前記ボール(5a)を前記導体(4)に接触させた後、前記キャピラリ(7)を前記導体(4)の表面に対して垂直方向に移動させると同時に水平方向に移動させて、前記ボール(5a)を前記導体(4)の表面に対して斜め方向に押し付け、前記ボール(5a)を前記導体(4)に圧着させることを特徴とするボールボンディング方法。 - 第1導体(3a)および第2導体(4)とをワイヤボンディングで形成された導線(10)によって電気的に接続する方法であって、
ワイヤボンディングの2次側となる前記第2導体(4)に、線材(5)によってバンプ(6)を形成するバンプ形成工程と、
前記バンプ形成工程の後、前記第1導体(3a)を1次側とするとともに前記バンプ(6)を2次側としてワイヤボンディングを行うことにより前記導線(10)を形成し、前記第1導体(3a)および前記第2導体(4)とを電気的に接続するボンディング工程とを備え、
前記バンプ形成工程では、キャピラリ(7)の先端に前記線材(5)によってボール(5a)を形成し、前記キャピラリ(7)を移動させて前記ボール(5a)を前記第2導体(4)に接触させた後、前記キャピラリ(7)を前記第2導体(4)の表面に対して垂直方向に移動させると同時に水平方向に移動させて、前記ボール(5a)を前記第2導体(4)の表面に対して斜め方向に押し付け、前記ボール(5a)を前記第2導体(4)に圧着させることを特徴とする電子部品の接続方法。 - 前記バンプ形成工程における前記水平方向は、前記キャピラリ(7)が前記第1導体(3a)から遠ざかる方向であることを特徴とする請求項2に記載の電子部品の接続方法。
- 前記キャピラリ(7)が前記第1導体(3a)から遠ざかる方向に移動することで、前記第2導体(4)の表面における前記第1導体(3a)側に、平坦部(6a)を形成することを特徴とする請求項3に記載の電子部品の接続方法。
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