JP4941268B2 - ワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体チップと配線基板との電気的接続等に用いられるワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置に関する。

ワイヤボンディング方法は、半導体チップと配線基板とを電気的に接続する方法等として広く用いられている。
図６に、ボンディングヘッド１０を用いて半導体チップ２０を配線基板２２にワイヤボンディングする例を示す。ボンディングヘッド１０は超音波振動を利用してワイヤボンディングするもので、超音波振動を伝達するトランスデューサ１２と、トランスデューサ１２の基部に取り付けられた超音波発生源１４と、トランスデューサ１２の先端に取り付けられたキャピラリ１６とを備える。キャピラリ１６は細い円筒状に形成され、ボンディングワイヤはキャピラリ１６の上部から先端へキャピラリ１６の内部を通過して供給される。

ワイヤボンディングは、ファーストボンディングで半導体チップ２０の電極にボンディングワイヤを接合し、セカンドボンディングで配線基板のパッドにボンディングワイヤを接合してワイヤを切断する操作を１回の操作として、次々と電極とパッド間を接続することによってなされる。ボンディングヘッド１０では、半導体チップ２０の電極と配線基板２２のパッドにボンディングワイヤを接合するごとに、トランスデューサ１２を介してキャピラリ１６に超音波振動を作用させ、接合時にボンディングワイヤと被接合部との接触部に超音波を作用させて接合する。

ボンディングワイヤの接合性を良好にするため、半導体チップ２０が搭載された配線基板２２を加熱用のステージ３０にセットし、配線基板２２と半導体チップ２０とを加熱しながらワイヤボンディングする方法が行われている。ファーストボンディングではボンディングワイヤを溶融してボンディングワイヤを電極に超音波接合し、セカンドボンディングではボンディングワイヤに超音波振動を作用させボンディングワイヤとパッドとの摩擦力（摩擦熱）を利用して接合するから、配線基板２２や半導体チップ２０を加熱しておくことが有効である。
特開平６−２０４３０１号公報 特開昭６０−２０２９４８号公報 特開２００４−９５８１０号公報 特開２００４−１６５５４８号公報 特開２００５−３４７５０６号公報

しかしながら、半導体チップが高集積化し半導体チップの電極の配置間隔が狭くなってきたため（ピッチ３５μｍ程度）、従来よりも細いボンディングワイヤが使用されるようになってきた。この結果、ボンディングワイヤと被接合部（電極あるいはパッド等）との接合面積が従来よりも縮小し、接合部の接合強度が低下するという問題が生じてきた。
接合強度が低下する問題は、ボンディングワイヤと被接合部との接合強度を向上させることによって補うことができる。上述した加熱用のステージ３０を用いてワイヤボンディングする方法は、被接合部を加熱することにより接合部分の合金化率を高め、これによって接合強度を高める作用を有する。

従来のワイヤボンディング装置では、ボンディングワイヤの接合性を向上させる方法としてボンディングヘッド側に加熱手段を設ける方法も提案されている。本発明は、超音波を利用するボンディングヘッドを用いてワイヤボンディングする際に、一層確実に、ボンディングワイヤを被接合部に接合することを可能にするワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに取り付けられたキャピラリとを備えるボンディングヘッドを用いるワイヤボンディング方法において、トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられたキャピラリを備えたボンディングヘッドを使用し、前記ヒータにより前記キャピラリを加熱してワイヤボンディングすることを特徴とする。
前記トランスデューサとして、超音波振動が印加された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられたトランスデューサを使用し、前記ヒータにより前記トランスデューサを加熱しながらワイヤボンディングすることによって、さらにボンディングワイヤの接合強度を向上させることができる。

また、ワイヤボンディング装置として、超音波発生源と、超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに取り付けられたキャピラリとを備え、前記キャピラリには、前記トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられているボンディングヘッドを備えているものが有効である。
また、前記ヒータは、前記キャピラリに生じる複数の振動の節のうち、キャピラリのより先端側の節の位置に取り付けられていることにより、ボンディング部により近い位置でボンディングワイヤを加熱することができ、ボンディングワイヤの接合部の接続信頼性を高めることができる。

また、前記ヒータは、前記キャピラリに生じる節の位置から(2L/N)×0.032（Ｌはキャピラリの長さ、Ｎは０以外の整数）の範囲内に取り付けることによって、キャピラリの接合作用を阻害することなくボンディングワイヤを接合することができる。
また、前記トランスデューサには、前記超音波発生源により超音波振動が印加された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられることにより、キャピラリを加熱する作用がさらに促進され、ボンディング部の接続信頼性を高めることができる。

また、超音波接合用ボンディングヘッドのトランスデューサに取り付けて用いられるキャピラリであって、前記トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられていることにより、キャピラリの振動作用が阻害されず、キャピラリが効果的に加熱され、ワイヤボンディング性に優れたキャピラリとして提供される。
また、前記ヒータは、前記キャピラリに生じる複数の振動の節のうち、キャピラリのより先端側の節の位置に取り付けられていることが有効であり、前記ヒータは、前記キャピラリに生じる節の位置から(2L/N)×0.032（Ｌはキャピラリの長さ、Ｎは０以外の整数）の範囲内に取り付けて用いることができる。

本発明によれば、キャピラリに作用する超音波振動の作用を阻害することなく、キャピラリを加熱することができ、ワイヤボンディングの際にボンディングワイヤを加熱することによってボンディングワイヤと被接合部との接合強度を高めることができ、ボンディング部における接続信頼性を高めることができる。

以下、本発明に係るワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置の実施の形態について説明する。
図１は、ワイヤボンディング装置のボンディングヘッド１１の構成を示す。ボンディングヘッド１１は、トランスデューサ１２と、トランスデューサ１２の基端部に設けられた超音波発生源１４とトランスデューサ１２の先端部に固定されたキャピラリ１６とを備える。

トランスデューサ１２は超音波発生源１４において発生した超音波振動をキャピラリ１６に伝達する作用をなす。超音波発生源１４において発生した超音波振動は、疎密波としてトランスデューサ１２の長手方向に縦波として伝達される。超音波発生源１４にはたとえば圧電素子が使用でき、圧電素子に印加させる電圧の周波数を制御することによって、トランスデューサ１２に作用させる超音波振動の周波数を制御することができる。

図１に示すトランスデューサ１２、超音波発生源１４およびキャピラリ１６についての構成は従来のワイヤボンディング装置におけるボンディングヘッドの構成と同様である。本実施形態のボンディングヘッド１１において特徴的な構成は、キャピラリ１６を加熱するヒータ１８をキャピラリ１６に取り付け、キャピラリ１６をヒータ１８によって加熱してボンディングワイヤと被接合部との接合性を向上させるようにしたことにある。
また、本発明においては、このヒータ１８をトランスデューサ１２に取り付ける位置を、キャピラリ１６がトランスデューサ１２よって強制的に振動された際に生じる節（ノード）の位置に取り付けることを特徴とする。

図２は、キャピラリ１６に超音波振動を作用させキャピラリ１６が振動している状態でのキャピラリ１６の長手方向の各々の位置における変位を示している。
キャピラリ１６のトランスデューサ１２に固定されている基端部Ａは、トランスデューサ１２によって図の左右方向に強制的に振動され、キャピラリ１６の基端部Ａは振動の腹となる。一方、キャピラリ１６の先端部Ｂは、ボンディングワイヤに振動を作用させる点であり、先端部Ｂも腹となる。

図２は、キャピラリ１６の基端部Ａと先端部Ｂとが腹となるように振動させる条件で、キャピラリ１６の長さが振動波長の１波長分に相当した場合である。この場合には、振動の節（ノード）がキャピラリ１６の長手方向の２箇所Ｎ１、Ｎ２に生じる。
本発明においては、キャピラリ１６が強制振動されて生じる節の位置にヒータ１８を取り付ける。ヒータ１８は、図のように、キャピラリ１６が固定支持されるトランスデューサ１２に近い側の節の位置Ｎ２に取付けてもよいし、キャピラリ１６の先端に近い側の節の位置Ｎ１にヒータ１８を取り付けてもよい。また、２つの節の位置Ｎ１、Ｎ２の双方にヒータ１８を取り付けてもよい。

キャピラリ１６が強制振動された際に生じる節の位置にヒータ１８を取り付けるのは、キャピラリ１６に作用する超音波振動を阻害することなく超音波接合ができるようにするためである。キャピラリ１６が振動した際に生じる節の位置は、キャピラリ１６の状態で固定点となっているから、この位置にヒータ１８を取り付けても超音波振動を作用させてボンディングワイヤを接合する作用を損なうことはない。

図３は、キャピラリにトランスデューサを取り付けた状態でトランスデューサを振動させた場合に、キャピラリが振動する様子を解析した結果を示す。図３の解析結果は、トランスデューサに連結されるキャピラリの位置と、キャピラリの先端がともに振動の腹となり、キャピラリの長手方向の中央に一つの節（ノード）が生じることを示す。
なお、図３では、キャピラリの変位量については強調して表している。ボンディングヘッドのトランスデューサ１２によってキャピラリ１６を振動させる際の振幅は１μｍ程度である。キャピラリ１６の長さは５〜１０ｍｍ程度であるから、キャピラリ１６の長さに対する振幅の比率は、実際には図３に示す状態よりもはるかに小さい。

図４は、ボンディングヘッド１０のトランスデューサ１２によってキャピラリ１６に作用させる超音波振動の周波数を変えたときに、キャピラリ１６に生じる振動の節（ノード）がどの位置にあらわれるかを図示したものである。図では、キャピラリ１６の長さを８ｍｍとし、キャピラリ１６に作用させる周波数、いいかえればボンディングヘッド１０の周波数を120kHz、240kHz、360kHz、480kHz、600kHzとした場合について示している。

ボンディングヘッド１０に印加する超音波振動の周波数120kHzは一般的な超音波ヘッドで用いられている周波数である。この場合に、キャピラリ１６は、キャピラリ１６の長手方向の中央（先端から4mmの位置）に１つの振動の節が生じる状態になる（図３に示す状態）。図中の小円は、振動の節（ノード）の位置を示す。これに対してボンディングヘッド１０の周波数を240kHzとした場合は振動の節が２か所に生じ、ボンディングヘッド１０の周波数を360kHzとした場合は、振動の節が３か所に生じる。

このように、ボンディングヘッド１０の周波数が120kHz（基本周波数）のＮ倍になると、キャピラリ１６に生じる振動の節の数がＮ個となり、周波数を増大させるとともに振動の節の数が増大していく。
キャピラリ１８に生じる振動の節は、ボンディングヘッド１０の発振周波数を120×Ｎ（kHz）[Ｎは自然数]とした場合、キャピラリ１６の先端から、（n/2N)×Ｌ[nは2N以下の奇数、Ｌはキャピラリの長さ]の位置に生じる。

ボンディングヘッド１０の周波数が120kHzの場合には、振動の節が１か所のみであり、ヒータ１８の取り付け位置はこの振動の節の位置に限定される。これに対して、ボンディングヘッド１０の周波数が120×Ｎ（kHz）[Ｎは２以上の自然数]となると、振動の節は複数個所に生じるから、ヒータ１８は適宜節の位置を選択して取り付けることができる。
ヒータ１８はキャピラリ１６の先端に近い側に取り付ける方が、被接合部に対する加熱効率が向上する点で効率的である。しかしながら、キャピラリ１６の先端は、ボンディングワイヤを押圧するために細径となっているから、キャピラリ１６の強度やヒータ１８の取り付けの容易さを考慮してヒータ１８の取り付け位置を選択するのがよい。

キャピラリ１６にヒータ１８を取り付ける際には、キャピラリ１８の振動を阻害しないように振動の節の位置に正確にヒータ１８を取り付ける必要がある。しかしながら、キャピラリ１６は小型部品であり、キャピラリ１６にヒータ１８を取り付ける際に正規位置から位置ずれすることが起こり得るし、ヒータ１８はある程度の大きさがあるから、振動の節の位置からの位置ずれを考慮する必要がある。
ヒータ１８を取り付ける際の位置ずれは、キャピラリ１６の最大振幅の±１０％以内の変位範囲内であれば、キャピラリ１６の振動を大きく阻害しないと考えられる。この条件は、キャピラリ１６に生じる節の位置から(2L/N)×0.032の範囲内にヒータ１８を取り付けることによって満足される。

図４では、ヒータ１８をキャピラリ１６に取り付ける際に、振動の節の位置からの位置ずれが上記条件下で許容される範囲を細線範囲によって示した。ボンディングヘッドの周波数が増大するとともに、位置ずれが許容される範囲が狭まる。すなわち、周波数が高くなった場合には、より高精度に位置合わせしてヒータ１８をキャピラリ１６に取り付ける必要がある。

なお、上記実施形態ではボンディングヘッド１０に作用させる超音波振動の周波数を、従来のワイヤボンディング装置において用いられている周波数である120(kHz）を基本周波数として説明した。ワイヤボンディング装置によっては、ボンディングヘッド１０に加える周波数を120(kHz）以外に設定する場合があり得る。その場合には、その周波数を基本周波数として、キャピラリ１６における振動の節（ノード）の位置を求めてヒータ１８の取り付け位置を設定すればよい。すなわち、ボンディングヘッド１０に作用させる超音波振動の周波数は上記実施形態の場合に限られるものではない。

キャピラリ１６に挿通するボンディングワイヤは数十μｍ径の細線であり、キャピラリ１６も外径が１ｍｍ程度である。したがって、キャピラリ１６に取り付けるヒータ１８も小型部品となる。キャピラリ１６にヒータ１８を取り付ける方法としては、ヒータをキャピラリ１６の外面に貼着する方法、ヒータ線をキャピラリ１６の外周面に巻きつけて固定する方法、キャピラリ１６に穴加工して穴にヒータを挿通させるといった方法による。

キャピラリ１６には一般にセラミック材が用いられている。ヒータ１８には常時通電して、キャピラリ１６が加熱された状態でボンディングワイヤが供給されるようにする。加熱用ステージの加熱温度は１７０〜１８０℃程度である。キャピラリ１６については、配線基板を過熱させて損傷するといったことがないから、加熱用のステージよりも高温（２００℃程度）に設定することができる。

キャピラリ１６にヒータ１８を取り付けてキャピラリ１６を加熱しながらワイヤボンディングすれば、図６に示すように、加熱用のステージ３０にワークをセットして電極やパッド等の被接合部を加熱することに加えて、ボンディングワイヤについても加熱してワイヤボンディングできるから、ボンディングワイヤと被接合部との接触部をさらに効果的に加熱することができ、ボンディングワイヤの接合強度を高めることができる。
これにより、半導体チップの電極配置が微細化して細線のボンディングワイヤを使用しなければならないような場合でも、ボンディングワイヤと被接合部との接合性を向上させ、ワイヤボンディングによる電気的接続の信頼性を向上させることができる。

上述した実施形態では、ボンディングヘッド１０のキャピラリ１６にヒータ１８を取り付ける方法について説明した。上記のようにキャピラリ１６にヒータ１８を取り付けて、キャピラリ１６を加熱することと併せて、ボンディングヘッド１０のトランスデューサ１２にヒータを取り付け、トランスデューサ１２についても加熱することによって、さらにボンディングワイヤに対する加熱効率を向上させ、ボンディングワイヤの接合性を向上させることができる。

前述したように、トランスデューサ１２は超音波発生源１４による超音波振動を疎密波としてキャピラリ１６に伝達する作用をなす。したがって、トランスデューサ１２に超音波振動が印加されるとトランスデューサ１２自体も振動しトランスデューサ１２にも振動の腹、振動の節（ノード）が生じる。
図５はトランスデューサ１２における変位（縦波の変位）を示したものである。同図において、変位が０となる点が振動の節（ノード）となる位置である。トランスデューサ１２についてもこの振動の節の位置にヒータを取り付けることによって、超音波振動を伝達する作用を阻害することなくトランスデューサ１２を加熱することができる。

トランスデューサ１２にヒータを取り付ける場合、トランスデューサ１２に生じる振動の節の位置のうちキャピラリ１６が連結される側に近い位置の節の位置を選択して、効果的にキャピラリ１６が加熱されるようにすることもできるし、複数の節の位置にそれぞれヒータを取り付けることもできる。トランスデューサ１２にヒータを取り付けてトランスデューサ１２を加熱することによって、キャピラリ１６をさらに効率的に加熱することが可能となり、ボンディングワイヤと被接合部との接合強度をさらに向上させることが可能になる。

ボンディングヘッドの構成を示す説明図である。 キャピラリとキャピラリを振動させた際に生じる振動の腹の位置を示すグラフを対比して示した説明図である。 トランスデューサの強制振動によってキャピラリが振動する様子を解析した結果を示すグラフである。 キャピラリに作用させる超音波振動によって、キャピラリに生じる振動の節の位置を示す説明図である。 トランスデューサの変位を示すグラフである。 超音波ヘッドを用いて半導体チップと配線基板とをワイヤボンディングする例を示す説明図である。

符号の説明

１０、１１ ボンディングヘッド
１２ トランスデューサ
１４ 超音波発生源
１６ キャピラリ
１８ ヒータ
２０ 半導体チップ
２２ 配線基板
３０ ステージ

Claims (9)

1. 超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに取り付けられたキャピラリとを備えるボンディングヘッドを用いるワイヤボンディング方法において、
   トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられたキャピラリを備えたボンディングヘッドを使用し、
   前記ヒータにより前記キャピラリを加熱してワイヤボンディングすることを特徴とするワイヤボンディング方法。
2. 超音波振動が印加された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられたトランスデューサを使用し、
   前記ヒータにより前記トランスデューサを加熱しながらワイヤボンディングす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方法。
3. 超音波発生源と、超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに取り付けられたキャピラリとを備え、
   前記キャピラリには、前記トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられているボンディングヘッドを備えていることを特徴とするワイヤボンディング装置。
4. 前記ヒータは、前記キャピラリに生じる複数の振動の節のうち、キャピラリのより先端側の節の位置に取り付けられていることを特徴とする請求項３記載のワイヤボンディング装置。
5. 前記ヒータは、前記キャピラリに生じる節の位置から(2L/N)×0.032（Ｌはキャピラリの長さ、Ｎは０以外の整数）の範囲内に取り付けられていることを特徴とする請求項３または４記載のワイヤボンディング装置。
6. 前記トランスデューサには、前記超音波発生源により超音波振動が印加された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載のワイヤボンディング装置。
7. 超音波接合用ボンディングヘッドのトランスデューサに取り付けて用いられるキャピラリであって、
   前記トランスデューサにより加振された際に生じる振動の節の位置にヒータが取り付けられていることを特徴とするキャピラリ。
8. 前記ヒータは、前記キャピラリに生じる複数の振動の節のうち、キャピラリのより先端側の節の位置に取り付けられていることを特徴とする請求項７記載のキャピラリ。
9. 前記ヒータは、前記キャピラリに生じる節の位置から(2L/N)×0.032（Ｌはキャピラリの長さ、Ｎは０以外の整数）の範囲内に取り付けられていることを特徴とする請求項７または８記載のキャピラリ。