JP5003304B2 - ワイヤボンディング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ボールボンディングによるワイヤボンディング方法に関する。
従来、ワイヤボンディングを行う被接合部材が、接合性の悪い部材である場合、ボールボンディング手法によりボンディング性を確保してきた。
このボールボンディングは、ワイヤボンディング装置によって駆動されるキャピラリの内部にワイヤを挿入し、キャピラリの先端部から導出されたワイヤの部分に放電によってボールを形成し、このボールを被接合部材に押し当てた状態で、キャピラリを振動させることにより、ワイヤを被接合部材に接合するようにした方法である（たとえば特許文献１参照）。
ここで、上記特許文献１では、ボンディングパッドのボンディングワイヤが接続される接続領域に凹部を形成することにより、ボンディングパッドとボンディングワイヤとの密着性を良好にするようにしている。
特開２００３−２４３４４３号公報
しかしながら、ワイヤボンディングを行う被接合部材が、たとえば下地金属の拡散や環境からの汚染等により、ボンディング性が阻害されている場合、上記特許文献１のようなボンディングパッドのボンディングワイヤが接続される接続領域に凹部を形成する方法であっても、ボンディングができないという不具合が発生する。
汚染状態にある被接合部材を清浄化するには、プラズマクリーニングなどのドライ方式、溶剤等の洗浄液によるウェット方式があるが、これらの方法には、以下のような問題点がある。
プラズマクリーニングを行う際、ＩＣチップが搭載される前に行う場合、ＩＣチップの搭載およびその他の部品の搭載のために、はんだ接続を用いると、プラズマクリーニングにより清浄化したボンディングランド上に下地金属であるＣｕなどの金属が拡散により表面に析出し、ボンディング性が阻害される。
また、ＩＣチップが搭載された後に行う場合、ＩＣ素子がプラズマ状態にさらされることになり、素子の特性が変動または、破壊される可能性がある。さらに、溶剤等のウェット方式の場合、洗浄液中に含まれる残留物がボンディングランド上に付着し、ボンディング性を阻害する場合がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ボールボンディング方法において、プラズマクリーニングや溶剤による洗浄を行うことなく、ワイヤ接合の直前に被接合部材の清浄な面を露出させることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、ボールボンディングを用いたワイヤボンディング方法において、キャピラリ（１００）の先端部から導出されたワイヤ（４０）に、放電によってボール（４１ａ）を形成し、被接合部材（１１、２１）とボール（４１ａ）とが接合しないように、被接合部材（１１、２１）の表面をボール（４１ａ）で擦った後、再びボール（４１ａ）を放電させて、清浄化されたボール（４１）を形成し、この清浄化されたボール（４１）を介してワイヤ（４０）の被接合部材（１１、２１）への接合を行うことを特徴とする。
それによれば、ボール（４１ａ）の被接合部材（１１、２１）上での摺動により被接合部材（１１、２１）の表面に付着している汚れが機械的に除去されるため、プラズマクリーニングや溶剤による洗浄を行うことなく、ワイヤ接合の直前に被接合部材（１１、２１）の清浄な面を露出させることができる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子装置Ｓ１の概略断面図である。この電子装置Ｓ１において、基板１０は、セラミック基板、プリント基板、リードフレーム、ヒートシンクなどであり、この基板１０の一面（図１中の上面）には、ＩＣチップ２０が搭載されている。
そして、ＩＣチップ２０は、ダイボンド材３０により基板１０に接合されている。このＩＣチップ２０は、シリコン半導体などにトランジスタ素子などによりＩＣ回路を形成してなる一般的なものであり、表面にＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などよりなる電極２１を有する。また、ダイボンド材３０は、Ａｇペースト、はんだ、導電性接着剤などである。
また、基板１０の一面においてＩＣチップ２０の近傍には、ランド１１が設けられている。このランド１１は、Ａｕ（金）やＣｕなどの箔や導体ペーストなどよりなるものである。そして、この基板１０のランド１１とＩＣチップ２０の電極２１とが、ボンディングワイヤ４０を介して結線されている。
このように、本実施形態では、これら基板１０のランド１１およびＩＣチップ２０の電極２１が、ボンディングワイヤ４０が接続される被接合部材として構成されており、上記のようにランド１１と電極２１とのボンディングワイヤ４０による結線により、基板１０とＩＣチップ２０とが、電気的に接続されている。
ここで、ボンディングワイヤ４０は、後述するようにボールボンディング法を用いたワイヤボンディングにより形成されたものであり、たとえばＡｕやＣｕなどよりなる。また、基板１０の一面には、コンデンサや抵抗素子などよりなる電子部品５０が、接着剤６０を介して搭載されている。
そして、基板１０の他面（図１中の下面）には、接着剤７０を介して、リードフレーム８０が接続されている。ここで、この接着剤７０および上記電子部品５０における接着剤６０は、上記ダイボンド材３０と同様のものである。
また、リードフレーム８０は、Ｃｕや４２アロイなどの導電性材料よりなる一般的なリードフレームである。こうして、本実施形態の電子装置Ｓ１においては、ＩＣチップ２０、電子部品５０および基板１０は、リードフレーム８０を介して外部と電気的に接続されている。
なお、図１では、ボンディングワイヤ４０による接続は、基板１０とＩＣチップ２０との間で行われているが、それ以外にも、たとえば基板１０とリードフレーム８０との間でワイヤボンディングが行われていてもよい。この場合には、リードフレーム８０も被接合部材となる。
かかる本実施形態の電子装置Ｓ１は、基板１０とＩＣチップ２０、および基板１０と電子部品５０を、それぞれダイボンド材３０および接着剤６０を介して接続し、さらに、リードフレーム８０と基板１０とを、接着剤７０を介して接続した後、ボンディングワイヤを行って、ＩＣチップ２０と基板１０とを接続することにより形成される。
次に、本実施形態の電子装置Ｓ１におけるボンディングワイヤ４０の形成方法すなわちワイヤボンディング方法について、図２を参照して述べる。図２は、本実施形態に係るワイヤボンディング方法におけるボンディングワイヤ４０を被接合部材１１、２１に接合する工程（ワイヤ接合工程）を示す工程図である。
ここでは、ＩＣチップ２０の電極２１を１次ボンディング側、基板１０のランド２１を２次ボンディング側として、これら両被接合部材１１、２１がボールボンディング法によりワイヤボンドされる。
なお、本実施形態におけるワイヤボンディング装置は、一般的なボールボンディングを行うことのできるボールボンディング装置であり、超音波などにより振動する図示しないホーンに対して図２に示されるキャピラリ１００を取り付けたものである。
そして、キャピラリ１００は当該ホーンによって移動・振動させられる。また、キャピラリ１００は、その内孔１０１にボンディングワイヤ４０を挿入して当該ワイヤ４０を保持するとともに、先端部１０２にワイヤ４０を繰り出すものである。
まず、図２（ａ）に示されるように、キャピラリ１００の内孔１０１に挿入されたワイヤ４０において、キャピラリ１００の先端部１０２から導出されたワイヤ４０の部分の先端に、トーチＴを用いた放電加工によって、球形状をなすイニシャルボール４１を形成する。
次に、このイニシャルボール４１をＩＣチップ２０の電極２１に押し当てて、図２（ｂ）中の矢印Ｙに示されるように、超音波振動を加えながら接合し、１次ボンディングを行う。その後、ワイヤ４０を、キャピラリ１００の先端部１０２から繰り出して基板１０のランド１１まで引き回す（図２（ｃ）参照）。
次に、ランド１１まで引き回されたワイヤ４０を、キャピラリ１００の先端部１０２にて当該ランド１１に押しつけて、図２（ｄ）中の矢印Ｙに示されるように、超音波振動を加えながら接合し、２次ボンディングを行う。
そして、図２（ｅ）の矢印に示す順に、キャピラリ１００を上方へ移動させ、２次ボンディング側である基板１０のランド１１からボンディングワイヤ４０を切り離す。こうして、本ワイヤボンディング方法におけるワイヤ接合工程が完了する。
なお、このボンディングワイヤ４０を切り離したとき、キャピラリ１００の先端部１０２からは、ワイヤ４０が突出してテール４２として残るが、このテール４２に再び上記同様に放電加工を行い、上記ボール４１を形成する。こうして、ボールボンディングの１サイクルが完了し、次のサイクルを行う。
このような一連のサイクルを有するボールボンディングにおいて、本実施形態では、１回目のボールボンディングのサイクルを行う前、もしくは、各ボールボンディングのサイクルの間に、被接合部材であるＩＣチップ２０の電極２１および基板１０のランド２１の表面を清浄化するクリーニング工程を実行するものである。
このクリーニング工程について、図３を参照して述べる。図３は、本実施形態のワイヤボンディング法におけるクリーニング工程を示す工程図である。
図３（ａ）に示されるように、１回目のサイクルを行う前、もしくは、１つのサイクルが終わって次のサイクルに移る前に、キャピラリ１００の先端部１０２から導出されたワイヤ４０の部分の先端に、トーチＴを用いた放電加工によって球形状をなすボール４１ａを形成する。このボール４１ａは、本実施形態のクリーニング工程に用いるものであり、上記イニシャルボール４１とは違うものであるため、クリーニングボール４１ａと言うこととする。
次に、図３（ｂ）に示されるように、被接合部材であるＩＣチップ２０の電極２１および基板１０のランド２１とクリーニングボール４１ａとが接合しないような条件にて、これら被接合部材１１、２１の表面をクリーニングボール４１ａで擦る。それにより、図３（ｃ）に示されるように、被接合部材１１、２１の表面に付着している汚れＫを機械的に除去する。
ここで、クリーニングボール４１ａで擦るのは、ＩＣチップ２０の電極２１および基板１０のランド２１の両方でもよいし、ＩＣチップ２０の電極２１のみでもよいし、基板１０のランド２１のみでもよい。基本的には、クリーニング工程の直後に行う被接合部材１１、２１に対して、当該クリーニングを行う。
被接合部材１１、２１とクリーニングボール４１ａとが接合しないような条件とは、被接合部材１１、２１とクリーニングボール４１ａとが接合する条件よりもエネルギーを小さくした条件である。
具体的には、接合時のワイヤボンディング装置のパワー（たとえば、超音波振動の振幅や荷重）を１００としたとき、このクリーニングボール４１ａによるクリーニング時のパワーは、５０〜７０と小さくする。このように、当該パワーを小さくすることにより接合を防止しつつクリーニングボール４１ａによって擦ることを行うことは、当業者であれば問題なく行えるものである。
また、このとき、超音波を加える前の荷重であるサーチ荷重を、接合時において形成されるイニシャルボール４１のつぶれ幅と同等の大きさになるようにすれば、クリーニングボール４１ａのつぶれ幅を、ワイヤ接合領域の面積と同程度にできるため、当該接合領域の全体にわたって汚れ除去が適切に行える。
こうして、クリーニングボール４１ａによる擦りによって、図３（ｃ）に示されるように、被接合部材１１、２１の表面の汚れＫは削られて除去され、被接合部材１１、２１の清浄な面が露出する。そして、この汚れＫはクリーニングボール４１ａの表面に付着することとなる。
次に、図３（ｄ）に示されるように、クリーニングボール４１ａによる擦りを行った後、再びクリーニングボール４１ａをトーチＴによって放電させて、清浄化されたボール４１を形成する。
ここで、クリーニングボール４１ａを放電させれば、クリーニングボール４１ａの表面の汚れＫは焼失したり、溶融したボールの中に取り込まれてしまい、ボールの表面からは取り除かれる。そして、この清浄化されたボール４１は、上記したイニシャルボール４１となる。
そして、図３（ｅ）、（ｆ）に示されるように、この清浄化されたイニシャルボール４１を介して、上記図２に示したのと同様に、ＩＣチップ２０の電極２１に対して、ワイヤ４０を押し当てて接合し、１次ボンディングを行う。
そして、後は、上記図２と同様に、２次ボンディングを行い、ボールボンディングの１サイクルを終了する。その後は、再び、上記同様のクリーニング工程、ボールボンディング工程の１サイクル、クリーニング工程、ボールボンディング工程の１サイクル、クリーニング工程、……といった動作をくり返す。
ところで、本実施形態によれば、ボールボンディングによるワイヤボンディング方法において、キャピラリ１００の先端部から導出されたワイヤ４０に、放電によってクリーニングボール４１ａを形成し、被接合部材１１、２１とクリーニングボール４１ａとが接合しないように、被接合部材１１、２１の表面にてクリーニングボール４１ａを摺動させた後、ワイヤ４０の被接合部材１１、２１への接合を行うようにしている。
それによれば、クリーニングボール４１ａの被接合部材１１、２１上での摺動により被接合部材１１、２１の表面に付着している汚れＫが機械的に除去されるため、プラズマクリーニングや溶剤による洗浄を行うことなく、ワイヤ接合の直前に被接合部材１１、２１の清浄な面を露出させることができる。
ここで、クリーニングボール４１ａの大きさとイニシャルボール４１の大きさは、同等であることが望ましい。しかし、クリーニング工程において、クリーニングボール４１ａに付着する汚れＫが多いときには、放電を多めに行って、クリーニングボール４１ａを放電させてできるイニシャルボール４１の方が、その前のクリーニングボール４１ａよりも大きくなるようにしてもよい。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る電子装置Ｓ２の概略断面図である。この電子装置Ｓ２は上記第１実施形態の電子装置を一部変更したものであり、この変更点を中心に述べることとする。
本実施形態の電子装置Ｓ２においては、基板１０の一面に、当該電子装置Ｓ２の回路構成とは無関係のランド、つまり電気的に独立したランドであるダミーランド１１ａが形成されている。
このダミーランド１１ａはダミー部として構成されたものであり、上記ランド１１と同様に、ＡｕやＣｕなどの箔や導体ペーストなどよりなるものであるが、ボールボンディングによってワイヤ４０が接続できるものならば、材質は問わない。
そして、このダミーランド１１ａには、上記図３にて述べたクリーニングボール４１ａが接続されている。なお、本例では、ダミーランド１１ａは基板１０に形成されているが、被接合部材である基板１０およびＩＣチップ２０とは電気的に独立したものであり、被接合部材ではない。
つまり、ダミーランドは、基板１０やＩＣチップ２０以外の別部材に形成されていてもよい。そして、この別部材は、電子装置の構成要素であってもよいし、電子装置とは無関係の部材でもよい。ただし、ダミーランドは、後述するボールボンディングにおいて、キャピラリ１００の可動領域、つまりキャピラリ１００が届く範囲に配置されたものであることが必要である。
かかる本実施形態の電子装置Ｓ２は、上記第１実施形態の電子装置と同様にして製造できるが、上記ワイヤボンディング方法のうちクリーニング工程が相違するものである。本実施形態では、ダミーランド１１ａを用いてクリーニングを行う。図５は、本実施形態のワイヤボンディング法におけるクリーニング工程を示す工程図である。
本実施形態のクリーニング工程も、１回目のボールボンディングのサイクルを行う前、もしくは、各ボールボンディングのサイクルの間に、被接合部材であるＩＣチップ２０の電極２１および基板１０のランド２１の表面を清浄化するものである。
図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、キャピラリ１００の先端部１０２から導出されたワイヤ４０の先端部分に、トーチＴを用いた放電加工によってクリーニングボール４１ａを形成し、被接合部材１１、２１の表面をクリーニングボール４１ａで擦って汚れＫを機械的に除去する。
ここまでは、本実施形態のクリーニング工程も上記第１実施形態と同様である。なお、本実施形態においても、クリーニングボール４１ａで擦るのは、ＩＣチップ２０の電極２１および基板１０のランド２１の両方でもよいし、ＩＣチップ２０の電極２１のみでもよいし、基板１０のランド２１のみでもよい。
次に、本実施形態では、クリーニングボール４１ａを再放電して清浄化するのではなく、図５（ｄ）に示されるように、擦り終わった後のクリーニングボール４１ａを、被接合部材１１、２１以外の部位であるダミーランド１１ａに接合して、ワイヤ４０からクリーニングボール４１ａを切り離す。
このクリーニングボール４１ａのダミーランド１１ａへの接合は、通常のワイヤ接合条件にて行えばよい。そして、これにより、汚れの付着したクリーニングボール４１ａは、ワイヤ４０から除去され、このワイヤ４０は、再び接合に供される。
すなわち、図５（ｅ）、（ｆ）に示されるように、キャピラリ１００の先端部１０２から導出されたワイヤ４０の先端部分に、トーチＴによってイニシャルボール４１を形成し、これをＩＣチップ２０の電極２１に押し当てて、１次ボンディングを行う。その後は、本実施形態のワイヤボンディング方法においても、ワイヤ４０を基板１０のランド１１にて２次ボンディングさせることで、ワイヤ接合工程が完了する。
以上、本実施形態のワイヤボンディング方法によっても、被接合部材１１、２１とクリーニングボール４１ａとが接合しないように、被接合部材１、２１の表面をクリーニングボール４１ａで擦った後、ワイヤ接合を行うようにしている。そのため、プラズマクリーニングや溶剤による洗浄を行うことなく、ワイヤ接合の直前に被接合部材１０、２０の清浄な面を露出させることができる。
（他の実施形態）
以上のように、上記実施形態に示したワイヤボンディング方法では、当該ワイヤボンディング工程を行うボールボンディング装置を用いて、放電によってクリーニングボール４１ａを形成し、このボール４１ａを、同じボンディング装置で駆動させて被接合部材上の摺動を行うことによって被接合部材表面を清浄化するものである。
そのため、当該クリーニングのための特別な装置、たとえば、従来のようなプラズマクリーニング装置やウェット洗浄装置などが不要であり、しかも、同じボンディング装置でクリーニングできるため、ワイヤ接合の直前に行えるものである。
なお、被接合部材としては、上記した基板１０やＩＣチップ２０に限定されるものではなく、上記したワイヤボンディング法によりワイヤ４０が接続できるものであるならば、それ以外のものでもよい。
また、上記クリーニング工程は、１回目のボールボンディングのサイクルを行う前、および、各ボールボンディングのサイクルの間のすべての時期において実行してもよいし、これらの時期の中から任意の時期を選択して行ってもよい。
また、上記汚れＫとは、塵埃以外にも酸化膜なども含むが、特に、被接合部材において汚れがない場合であっても、装置による動作ルーチンの簡略化を図るためなどの目的から、上記クリーニング工程の動作を行ってもよい。
本発明の第１実施形態に係る電子装置の概略断面図である。 第１実施形態に係るワイヤボンディング方法におけるワイヤ接合工程を示す工程図である。 第１実施形態のワイヤボンディング法におけるクリーニング工程を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る電子装置の概略断面図である。 第２実施形態のワイヤボンディング法におけるクリーニング工程を示す工程図である。
符号の説明
１１…被接合部材としての基板のランド、１１…ダミー部としてのダミーランド、
２１…被接合部材としてのＩＣチップの電極、４０…ワイヤ、
４１…イニシャルボール、４１ａ…クリーニングボール、１００…キャピラリ、
１０１…キャピラリの内孔、１０２…キャピラリの先端部。

Claims (1)

  1. キャピラリ（１００）の内部にワイヤ（４０）を挿入し、前記キャピラリ（１００）の先端部（１０２）から導出された前記ワイヤ（４０）を、被接合部材（１１、２１）に押し当てた状態で、前記キャピラリ（１００）を振動させることにより、前記ワイヤ（４０）を前記被接合部材（１１、２１）に接合するようにしたワイヤボンディング方法において、
    前記キャピラリ（１００）の先端部（１０２）から導出された前記ワイヤ（４０）に、放電によってボール（４１ａ）を形成し、
    前記被接合部材（１１、２１）と前記ボール（４１ａ）とが接合しないように、前記被接合部材（１１、２１）の表面を前記ボール（４１ａ）で擦った後、再び前記ボール（４１ａ）を放電させて、清浄化されたボール（４１）を形成し、この清浄化されたボール（４１）を介して前記ワイヤ（４０）の前記被接合部材（１１、２１）への接合を行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
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