JP4065799B2 - 超音波接合装置および方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、超音波を用いて２つの部材間を接合する装置および方法に関する。本発明は特に、半導体デバイスを製造する工程において、超音波を用いてワイヤボンディングを行う装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数のリードと半導体チップの複数の電極間をワイヤで接続した構造を有する半導体デバイスが知られている。リードおよび半導体チップの電極（以下、被接合物ともいう。）へのワイヤ接合は、一般的に、ワイヤと被接合物とを接触させた状態で、ワイヤボンディング装置を用いてワイヤに超音波を印加することで行われる（例えば、特許文献１参照。）。この装置は、例えばワイヤを挿通させたキャピラリを備え、このキャピラリをボンディング位置に移動させてワイヤを被接合物に押し付け、この状態でキャピラリを超音波振動させることで接合を行う。超音波エネルギをボンディング位置に効率よく伝えるために、超音波印加は、リードのボンディング位置近傍をリード受け部材とリード押さえ部材で上下をクランプした状態で行われる。キャピラリ先端はリードの面方向に沿って振動するが、リードとリード受け／押さえ部材との間の滑りを防止するために、リード受け部材および／または押さえ部材に滑り止め加工や粗面化処理がされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−１１６９６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの従来構成に対し改良された構成を有する超音波接合装置および方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波接合装置の第１の態様は、
複数のリードを有するリードフレームを載置するためのヒータプレートと、
リードフレームの一つまたはそれ以上のリードをヒータプレートに対し押圧するための押さえ部材と、
リードフレーム上にマウントされた半導体チップの電極にワイヤを接触させた状態で該接触位置に超音波エネルギを印加し、これにより上記電極とワイヤを接合するとともに、リードにワイヤを接触させた状態で該接触位置に超音波エネルギを印加し、これにより上記リードとワイヤを接合するためのボンディングツールとを備えた超音波接合装置において、
上記押さえ部材のリード押さえ面の表面粗さは、ヒータプレートのリード載置面の表面粗さより大きく設定されていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施の形態を説明する。
【０００７】
実施の形態１．
図１，２は、本発明に係る超音波接合装置の実施の形態１であるワイヤボンディング装置を示す。この装置２は、超音波接合とともに熱圧着を利用して、リードフレームにマウントした半導体チップの複数の電極とリードフレームの複数のリードとをワイヤで接続するためのもので、リードフレーム３を載置するヒータプレート４と、超音波振動を発生させる超音波発振器（図示せず）を内蔵するボンディングヘッド６と、該ヘッド６から所定の方向に延伸したホーン８と、ホーン８先端に支持されホーン８と直交する方向に延伸したキャピラリ１０とを備える。ヒータプレート４は、例えばＳＵＳなどの金属材料から構成されている。図示は省略するが、ホーン８の後端には、圧電素子から構成した振動子が固着され、超音波発振器は、該振動子に対し所定の周波数の電圧を印加することで、振動子を発振させる。キャピラリ１０にはワイヤ１１（例えば金線）が挿通されている。以下の説明では、ホーン８の延伸方向をＸ方向、キャピラリ１０の延伸方向をＺ方向とする。
【０００８】
ボンディングヘッド６はＸＹテーブル１２上に設置されており、ＸＹテーブル１２を駆動することで、ホーン８先端に連結したキャピラリ１０は、リードフレーム３に相対的にＸ方向およびＹ方向に移動する。また、ホーン８は、図示しないＺ方向駆動機構により、ボンディングヘッド６に相対的にＺ方向に沿って上下動可能となっている。ボンディングヘッド６の超音波発振器を駆動させると、ホーン８はＸ方向に振動し、これによりキャピラリ１０先端がＸ方向に振動する。
【０００９】
図示は省略するが、ワイヤボンディング装置２は、トーチ電極を備える。このトーチ電極は、図示しない駆動機構により、キャピラリ１０の直下に移動可能となっている。後述するように、第１のボンディング（電極とワイヤの接合）時に、キャピラリ１０から突出したワイヤ１１の先端とトーチ電極との間に高電圧を印加することで放電を発生させることで、ワイヤ１１の先端を溶融して、該先端にボール（図示せず）を形成する。
【００１０】
図の例では、リードフレーム３は、半導体チップ１４がダイボンドされたダイパッド１６が周囲のリード１８部分より一段低く凹まされた形状を有しており、この形状に対応させて、ヒータプレート４のリードフレーム載置面２０が形成されている。すなわち、載置面２０は、ダイパッド１６を支持する第１の載置面２０ａとリード１８を支持する第２の載置面２０ｂとからなる。第１および第２の載置面２０ａ，２０ｂはそれぞれ、略ＸＹ平面上に延在する。本実施形態では、後述するように、第２の載置面２０ｂが表面加工され、その表面粗さが所定の範囲に設定されている。
【００１１】
図１に示すように、リード１８は、ダイパッド１６を四方から囲むように複数形成されている。リード１８の上面は、ワイヤボンディング時に、矩形枠状のリード押さえ面２２ａを有するリード押さえ部材２２で押さえられる（図の見やすさのため、図１では、リード押さえ部材２２は、押さえ面２２ａについてのみ図示する。）。このとき、リード押さえ部材２２は、図示しない加圧手段により、ヒータプレート４側に押し付けられる。本実施形態では、リード押さえ面２２ａは、その表面粗さがヒータプレート４の第２の載置面２０ｂの表面粗さよりも大きくなるように表面加工されている。リード押さえ部材２２は、少なくともリード押さえ面２２ａおよびその近傍が、ＳＵＳなどの金属材料から構成されている。
【００１２】
なお、半導体チップやボンディングワイヤ等の部品は、ワイヤボンディング工程後に、樹脂封止されるが、リードフレームのリード１８間に形成されたタイバー２４は、樹脂封止時に樹脂がリードフレーム３の周囲に流出するのを食い止めるためのものである。
【００１３】
リード押さえ面２２ａおよび第２の載置面２０ｂの表面加工方法は、本発明を限定するものではなく、例えば、ショットブラスト、サンドブラスト、エアーブラストなどが例示できる。代わりに、超音波の振動方向（キャピラリ１０の振動方向）と略直交する方向に沿って多数の溝を形成するように、リード押さえ面２２ａおよび／または第２の載置面２０ｂを加工してもよい。例えば、図３は、押さえ２２ａにそのような加工を施した例を示すものであり、図３（ｂ）は、押さえ面２２ａが、振動方向に直交する方向（紙面表裏方向）に延伸した断面三角形状の突起２６を複数有する場合であり、図３（ｃ）は、押さえ面２２ａが、振動方向に直交する方向（紙面表裏方向）に延伸した断面矩形状の突起２８を複数有する場合である。なお、リード押さえ面２２ａおよび／または第２の載置面２０ｂに上記のような表面加工を施した後に、窒化処理を行って加工面の硬度を上げることで、加工面の磨耗を抑制し、リード押さえ部材２２および／またはヒータプレート４の寿命を延ばすようにしてもよい。
【００１４】
次に、図１，２とともに図４を参照して、かかる構成を備えたワイヤボンディング装置２のワイヤボンディング動作を説明する。まず、ヒータプレート４上にリードフレーム３を載置し、リード押さえ部材２２を、リード１８の所定位置に押さえ面２２ａがくるようにリードフレーム３上に配置する。次に、リード押さえ部材２２を所定の荷重でヒータプレート４側に押し付けて、リード１８を押さえ部材２２とヒータプレート４でクランプさせる。続いて、ヒータプレート４の表面を所定の温度に加熱する。
【００１５】
他方、不図示のトーチ電極と、キャピラリ１０の先端から突出したワイヤ１１との間で放電を発生させ、ワイヤ先端にボール１１ａを形成する［図４（ａ）参照］。その後、ＸＹテーブル１２を駆動して、ホーン８の先端に保持したキャピラリ１０を第１ボンディング位置である半導体チップ１４の電極１４ａの上方まで移動させる［図４（ａ）］。そして、不図示のＺ方向駆動機構を駆動して、キャピラリ１０を下降させ、ボール１１ａを電極に所定の荷重で押し付ける［図４（ｂ）］。同時に、超音波発振器を駆動してキャピラリ１０の先端を超音波振動させる。ワイヤ１１のボール１１ａは、ヒータプレート４の加熱とキャピラリ１０からの負荷荷重による熱圧着により、半導体チップ１４の電極に溶着する。ワイヤの溶着は、印加される超音波エネルギにより促進される。このようにして、ワイヤ１１は、半導体チップ１４ａの電極に接続される。
【００１６】
その後、ワイヤ１１をキャピラリ１０から導出させながら、キャピラリ１０を所定の高さまで上昇させた後、第２ボンディング位置であるリード１８側に移動させつつキャピラリ１０を下降させて、所定形状のワイヤループを形成する。そして、ワイヤ１１をリード１８に所定の荷重で押し付ける［図４（ｃ）］。同時に、超音波発振器を駆動して、キャピラリ１０の先端を超音波振動させる。ワイヤ１１は、超音波印加および熱圧着により、リード１８に溶着し接続される。
【００１７】
本実施形態では、フレーム押さえ部材２２のフレーム押さえ面２２ａおよびヒータプレート４の第２の載置面２０ｂを粗くしてあるので、その結果、フレーム押さえ部材２２／ヒータプレート４とリード１８との間の最大静止摩擦力を向上させることができ、これにより、第２のボンディング（ワイヤとリードの接合）時に、リード１８がリード押さえ部材２２／ヒータプレート４に対し滑るのを防止・抑制できる。これは、あるリードにワイヤを接合するための超音波エネルギを印加することにより、タイバー２４等を介して既にワイヤの張られているリードが共振し、その結果ワイヤが断線する不具合を防止できる。本実施形態ではまた、ヒータプレート４の第２の載置面２０ｂの表面粗さを、フレーム押さえ部材２２のフレーム押さえ面２２ａの表面粗さよりも小さくしてある。このため、ヒータプレート４からリードフレーム３に熱圧着のための熱が十分に伝達することができる。このように、本実施形態によれば、ヒータプレート４からリードフレーム３への熱伝導性を確保しつつ、リード押さえ部材２２によるリード押さえ効果を向上させることができる。
【００１８】
（実験）
本発明者らは、以下に示す条件で、本実施形態に係るワイヤボンディング装置に第２のボンディングを行わせた。
【００１９】
リード押さえ面２２ａの表面粗さ：十点平均粗さＲｚ＝１．５μｍ、１０μｍ、３０μｍ
第２の載置面２０ｂの表面粗さ：十点平均粗さＲｚ＝１．５μｍ
リード押さえ部材２２の各リード１８に接触する幅：１．０ｍｍ
リード押さえ部材２２のヒータプレート４への押圧力：（半導体チップ１４当たり）２０Ｎ程度
リード１８：幅が０．１〜０．２ｍｍで、（半導体チップ１４当たり）５０本
ヒータプレート４の表面温度：１００〜３００℃
超音波発振器の発振周波数：約６０ｋＨｚ
キャピラリ１０のリード１８への押圧力：１００〜２０００ｍＮ
キャピラリ１０先端の振幅：０．１〜２μｍ
【００２０】
（実験結果）
リード押さえ面２２ａ、第２の載置面２０ｂのＲｚがともに１．５μｍの場合、第２のボンディング中に、ボンディング中のリードが振動し、この振動が他のワイヤボンディング済みのリードに伝達し、ワイヤ断線が生じる場合があった。リード押さえ面２２ａのＲｚが１０μｍ、第２の載置面２０ｂのＲｚが１．５μｍの場合、振動の伝達の度合いは低下したが、振動を完全に抑えることはできなかった。リード押さえ面２２ａのＲｚが３０μｍ、第２の載置面２０ｂのＲｚが１．５μｍの場合、振動の伝達を実質的に抑えることができ、ワイヤ断線の発生率を大幅に低下させることができた。
【００２１】
このように、リード押さえ面２２ａの十点表面粗さＲｚを１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上に設定することで、第２のボンディングでのリードの振動を抑制・防止（言い換えれば、超音波エネルギを効率的に接合エネルギに変換）することができる。但し、リード押さえ面２２ａのＲｚは、５０μｍより大きくなると、リード押さえ面２２ａの凹凸が大きくリード押さえ面積が十分確保できなくなるため、５０μｍ以下が好ましい。なお、リード本数、幅に応じて必要なＲｚは変化する。例えば、リード本数が少なければ、リード押さえ部材２２のヒータプレート４への押圧力が同じであっても、リード１本当たりの押圧力は大きくなるので、Ｒｚは３０μｍより小さくても、第２のボンディングでのリードの振動を十分抑制・防止できる。
【００２２】
ヒータプレート４の第２の載置面２０ｂの表面粗さは、ヒータプレート４からリードフレーム３への熱伝達率を大きくする点で、できるだけ小さく、十点平均粗さＲｚで１．５μｍ以下が好ましい。但し、第２の載置面２０ｂのＲｚは、０．５μｍより大きくなると、リードが第２の載置面２０ｂ上で滑り易くなるために、０．５μｍ以上が好ましい。
【００２３】
なお、リード押さえ部材２２とリード１８との最大静止摩擦力を上げるためには、リード押さえ部材２２に対する加圧力を大きくすることも考えられるが、加圧力を大きくすると、フレーム押さえ部材２２が撓み変形し、リードの押さえが十分でなくなる（すなわち、各リードを均一に押さえることができなくなる。）可能性がある。また、リード押さえ部材２２の剛性を上げるため、リード押さえ部材２２の厚みを大きくすることも考えられるが、リード押さえ部材２２上方に進出するホーン８との干渉を避けるために、上記厚みは通常２〜４ｍｍ程度が限度である。
【００２４】
本実施形態では、キャピラリを用いたボールボンディングで超音波接合を行ったが（言い換えれば、本実施形態では、超音波エネルギを印加することで電極１４ａとワイヤ１０およびワイヤ１１とリード１８を接合するボンディングツールは、少なくともヘッド６、ホーン８およびキャピラリ１０を備えたものである。）、代わりに、ウェッジツールを用いてウェッジボンディングを行ってもよい。
【００２５】
実施の形態２．
図５は、本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２を示す。以下の説明では、実施の形態１と同一の構成部材は、同一の符号で表す。本実施形態では、超音波接合装置であるワイヤボンディング装置は、ＡＥ（acoustic emission)センサ３０を備えている。このＡＥセンサ３０は、あるリード１８に対する第２のボンディング時に、超音波振動が他のワイヤボンディング済みのリードに伝達して振動（共振）する場合に、この振動を検出することができるようになっている。ワイヤボンディング装置は、ＡＥセンサ３０からの検出信号に基づいてワイヤボンディング済みのリードの共振をモニタし、共振が発生すると振動異常が発生したとしてボンディング動作を停止する。
【００２６】
本実施形態では、振動異常が発生したときにそれを即座に検出して、ボンディング動作を停止するので、ワイヤの断線を防止できる。
【００２７】
実施の形態３．
図６は、図１に示す超音波接合装置２において、リード押さえ部材２２の押さえ面２２ａやヒータプレート４の第２の載置面２０ｂといった加工面の磨耗の度合いを検出する機構をさらに備えたものである。この検出機構はレーザセンサ６０を備え、レーザセンサ６０は、加工面６２に対し略直交する方向にレーザ６４を出射する出射部（図示せず）と、受光部（図示せず）とを有する。図６（ａ）に示すように、加工面６２が所定の表面粗さを有していれば、加工面６２に入射したレーザ６４は、拡散反射するが、図６（ｂ）に示すように、加工面６２が磨耗により平滑に近づくと、受光部で受光される反射光の強度が増加するため、センサ６０からの検出信号に基づいて、磨耗の度合いを検出することができる。磨耗の度合いが大きくなれば、リード押さえ部材２２および／またはヒータプレート４を新たな部品と交換したり、押さえ面２２ａおよび／または載置面２０ｂに対し所定の表面粗さとなるように研磨を施す。
【００２８】
本実施形態によれば、加工面の磨耗の度合いをモニタすることで、所定の表面粗さを有さない加工面を使用するために発生する接合不良を抑制できる。
【００２９】
レーザセンサ６０の代わりに、出射部の光源として発光ダイオードを用いた光電センサを用い、反射光の強度の変化に基づいて加工面の磨耗の度合いを検出してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る超音波接合装置および方法によれば、ヒータプレートからリードフレームへの熱伝導性を確保しつつ、リード押さえ部材によるリード押さえ効果を向上させてワイヤの断線を防止し、したがって高信頼性の超音波接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る超音波接合装置の実施の形態１を示す斜視図。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】 （ａ）リード押さえ部材とリードの接触領域を示す断面図。（ｂ）リード押さえ部材の押さえ面の形状を示す拡大断面図。（ｃ）リード押さえ部材の別の押さえ面の形状を示す拡大断面図。
【図４】 超音波接合装置の実施の形態１によるワイヤボンディング動作の各工程を示す断面図。
【図５】 本発明に係る超音波接合装置の実施の形態２を示す部分拡大斜視図。
【図６】 本発明に係る超音波接合装置の実施の形態３において、（ａ）所定の表面粗さを有する加工面を示す図、（ｂ）磨耗して所定の表面粗さを有さなくなった加工面を示す図。
【符号の説明】
２：超音波接合装置、３：リードフレーム、４：ヒータプレート、８：ホーン、１０：キャピラリ、１１：ワイヤ、１４：半導体チップ、１４ａ：電極、１８：リード、２０ａ，２０ｂ：リード載置面、２２：リード押さえ部材、２２ａ：リード押さえ面。

Claims (8)

  1. 複数のリードを有するリードフレームを載置するためのヒータプレートと、
    リードフレームの一つまたはそれ以上のリードをヒータプレートに対し押圧するための押さえ部材と、
    リードフレーム上にマウントされた半導体チップの電極にワイヤを接触させた状態で該接触位置に超音波エネルギを印加し、これにより上記電極とワイヤを接合するとともに、リードにワイヤを接触させた状態で該接触位置に超音波エネルギを印加し、これにより上記リードとワイヤを接合するためのボンディングツールとを備えた超音波接合装置において、
    上記押さえ部材のリード押さえ面の表面粗さは、ヒータプレートのリード載置面の表面粗さより大きく設定されていることを特徴とする超音波接合装置。
  2. 上記押さえ部材のリード押さえ面の表面粗さは、十点平均粗さＲｚが１０μｍ以上で５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１の超音波接合装置。
  3. 上記ヒータプレートのリード載置面の表面粗さは、十点平均粗さＲｚが０．５μｍ以上で１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項２の超音波接合装置。
  4. 第１のリードとワイヤを接合する際に、第２のリードと電極間を接続したワイヤの振動を検出する検出手段をさらに備え、
    上記検出手段が前記第２のリードの共振を検出すると、第１のリードとワイヤとの接合動作を停止することを特徴とする請求項１の超音波接合装置。
  5. 上記押さえ部材のリード押さえ面および／またはヒータプレートのリード載置面に対し、光を照射し、その反射光の強度を検出するセンサを備えることを特徴とする請求項１の超音波接合装置。
  6. 複数のリードを有するリードフレームをヒータプレートに載置する工程と、
    リードフレームの一つまたはそれ以上のリードを、押さえ部材を介してヒータプレートに押圧する工程と、
    リードフレーム上にマウントされた半導体チップの電極にワイヤを接触させた状態で、該接触位置に超音波エネルギを印加することで、上記電極とワイヤを接合する工程と、
    リードにワイヤを接触させた状態で、該接触位置に超音波エネルギを印加することで、上記リードとワイヤを接合する工程とを含み、
    上記押さえ部材のリード押さえ面の表面粗さは、ヒータプレートのリード載置面の表面粗さより大きく設定されていることを特徴とする超音波接合方法。
  7. 前記リード載置面の前記複数のリードが搭載される面全体に渡って前記押さえ部材のリード押さえ面よりも表面粗さが小さいことを特徴とする請求項６の超音波接合方法。
  8. 前記リード載置面の前記複数のリードが搭載される面全体に渡って前記押さえ部材のリード押さえ面よりも表面粗さが小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項の超音波接合装置。
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