JP5899907B2 - ワイヤボンディング用のウェッジツール、ボンディング装置、ワイヤボンディング方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

ワイヤボンディング用のウェッジツール、ボンディング装置、ワイヤボンディング方法、および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、被接合物との間で超音波振動を加えて凝着核層を形成することによってボンディングワイヤを接合するワイヤボンディング用のボンディング装置、ボンディングワイヤをウェッジツールの先端部から繰り出して行われるワイヤボンディング方法、およびボンディング装置を使用して半導体装置の電極を外部端子等に電気的に接続する半導体装置の製造方法に関し、とくにウェッジツールの先端部分に傾斜角を設けたボンディング装置に関する。
図１０は、ボンディング装置によるワイヤボンディングを説明するための図である。
ウェッジツール１０は、ボンディングワイヤ１を保持するワイヤガイド１０ａと、ボンディング後にワイヤをカットするカッター１０ｂと、ワイヤのクランプ機構１０ｃ等を有し、超音波ホーンを介してボンディング装置に取付けられている。半導体装置２の製造工程では、電子部品を構成する半導体チップ３が絶縁回路基板４上に形成された回路パターン４ａに固着される。回路パターン４ａとその相手側の回路パターン４ｂが形成された絶縁回路基板４は、その裏面に形成された回路パターン４ｃを介して放熱用金属ベース５に配置される。そして、半導体装置２上でウェッジツール１０を移動しながら、ボンディングワイヤ１の両端を半導体チップ３の電極および絶縁回路基板４の回路パターン４ｂに超音波ボンディングしている。これにより、半導体装置２等の電子部品に対して、ウェッジボンディングされた配線用ワイヤ６によって所定の接続が行われる。
図１１は、従来のウェッジツールの先端部形状を示す図である。
ウェッジツール１０は、ツール本体１１の先端部のツールガイド溝１２により接触支持されたボンディングワイヤ１を被接合材（例えばシリコンチップ上の電極等）に接触させる。次に、このウェッジツール１０を介して、ボンディングワイヤ１を被接合材に対して一定圧力で加圧して押さえた状態で、超音波振動を与えて擦りあわせて接合する。
図１２は、従来のワイヤボンディング方法を示す図であって、（Ａ）はウェッジツールによる加圧振動の様子を示す図、（Ｂ）はワイヤと被接合材との接合状態を示す図である。
ボンディング時には、ツール本体１１の先端部のツールガイド溝１２からボンディングワイヤ１として繰り出されたループ状のアルミワイヤ線（Φ１００〜５００μｍ）が、被接合物としての例えば半導体チップ３の電極７等に所定の荷重Ｐ１により押し付けられ、ウェッジツール１０から超音波振動をアルミワイヤ線に与えて接合させる。このとき、ボンディングワイヤ１はループ状に保持されているループワイヤの剛性によって、斜め横方向からの拘束力（ｆｉｘｅｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）Ｐ２を受けている。
こうした超音波ワイヤボンディング工程では、放熱用の金属ベース５を下にしてボンディング装置のワークホルダ（図示せず）にモジュール組立体を載せた状態で、ウェッジツール１０からパワー半導体素子の電極接合面に供給したボンディングワイヤ１をウェッジツール１０により押さえつけ、超音波振動を加えながらボンディング荷重（ウェッジ圧力）を掛ける。これにより、ボンディングワイヤ１の接合面からは、超音波振動の摩擦によって不純物（酸化物）が除去され、同時に生じる接合面での発熱によりその抗張力が急減して塑性変形し、電極部に固相接合される。
すなわち、ツール本体１１の先端部から荷重Ｐ１を加えながらアルミニウム（Ａｌ）からなるボンディングワイヤ１に超音波振動を与えると、半導体チップ３のアルミ蒸着によるＡｌ−Ｓｉ電極膜等の電極７に表面酸化膜等として形成された不純物膜が破壊されて清浄な金属膜の表面が露出される。このとき、ウェッジツール１０からの超音波エネルギーにより、ボンディングワイヤ１の接合面は塑性変形を起こし、そこに接合の基点となる合金化された凝着核層８が形成される。
ここで、ボンディングワイヤ１を被接合材である半導体チップ３と確実に擦りあわせるには、ツール本体１１の先端部とボンディングワイヤ１とがしっかり拘束しあっていて、その拘束するために加圧力を大きくすることが必要となる。そのときの加圧力により、ボンディングワイヤ１の中心部がつぶれて凝着核層８が楕円形状に広がり、電極７との接触面積が大きくなる。そして、ウェッジツール１０が振動すると、その先端部に拘束されたボンディングワイヤ１も振動し、初期の凝着核層８がその外周部から外側に向かって拡大し、接合領域が大きくなる。
一般に、最終的な接合領域９の中心部では、ボンディングワイヤ１が加圧によって最初からつぶれているために非接合領域となりやすく、超音波振動のエネルギーによりつぶれていく周縁部のみで接合が生じる。そのため、上記接合領域９の界面を観察すると、その接合領域がドーナツ状となっている場合がある。
特許文献１によれば、太線化されたボンディングワイヤを有し、半導体チップに機械的損傷がなく、ボンディングワイヤと半導体チップの接合状態が安定した半導体装置とその製造方法が提供される。この発明では、半導体チップの電極膜の厚みを３．５μｍから１０μｍにすることで、ボンディングワイヤ（アルミワイヤ）の直径を３００μｍ以上に太線化しても、層間絶縁膜やｎ型半導体基板にクラックを発生させることなく、超音波ボンディングできる。
また、特許文献２には、ボンディングワイヤの太線化によるワイヤ接合部の強化策を見直し、従来より一般に使われている線径３００μｍ、４００μｍ、５００μｍのボンディングワイヤについて、そのワイヤ接合部の形状を適切に規定することにより、接合面積を必要以上に増加させることなしに、パワーサイクルに対する高い寿命耐量を効率よく確保して信頼性の向上が図れるようにしたパワー半導体装置のワイヤボンディング方法が開示されている。
特開２００２−２２２８２６号公報 特開２００４−１４００７２号公報
上述したように、アルミワイヤ等のワイヤボンディングに際しては、半導体チップ３の電極７表面への適正な荷重コントロールが必要である。また、従来のウェッジツール１０による接合にあっては、初期段階でボンディング面の中心部から接合が始まる。しかし、ボンディングワイヤ１は、それが供給される側（図１２の左側。以下、ヒール側という。）で最初に接合が進み、その後、徐々にボンディングワイヤ１の先端側（以下、トゥ側という。）にも接合が及ぶ。
このときボンディングワイヤ１へ加えられる超音波振動は、ボンディング面に伝達されるエネルギーが未接合部だけに片寄って集中することになり、最終的な接合動作においてはトゥ側での加圧の安定性を弱めるように作用する。すなわち、ウェッジツール１０の振動方向におけるボンディングワイヤ１の長さＬに対して、初期段階で楕円形状をなす凝着核層８の広がりは小さい。その結果、図１２（Ｂ）に示すように、その長径Ｌ１は最終的な接合領域９に比較して短くなるため、電極７の非接合領域を中心にして、クラック（亀裂）７ａが発生しやすくなる。
図１３は、半導体装置に生じるクラックの一例を示す図である。
半導体装置は、ｎ-基板３１からなる半導体チップ３の裏面側にｎ+層３２、ｐ+層３３が順次に拡散形成され、ｐ+層３３からコレクタ端子Ｃが引き出される。半導体チップ３の表面構造は、その主面から拡散形成されたｐ+領域３４内にエミッタ領域を構成するｎ+領域３５がｎ-基板３１内に形成されている。このｎ+領域３５からは、Ａｌ−Ｓｉ電極膜７０によってエミッタ端子Ｅが引き出される。
また、半導体チップ３の主面には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）７１、ポリシリコン膜７２、層間絶縁膜（ＢＰＳＧ）７３がＡｌ−Ｓｉ電極膜７０に覆われて積層されており、ここからゲート電極Ｇが引き出される。
このようにＡｌ−Ｓｉ電極膜７０の表面は平坦構造ではなく、ゲート電極Ｇが引き出されるポリシリコン膜７２に規定された段差構造となる。そのため、ウェッジツール１０から荷重される超音波振動がボンディングワイヤ１のトゥ側に片寄ったものであれば、層間絶縁膜（ＢＰＳＧ）７３には図１３に示すクラック７ａが、斜め方向の点線矢印に沿って進展し易くなる。
なお、初期加圧を下げると、ボンディング時のウェッジツール１０の振幅によっては、ボンディングワイヤ１が先端部のツールガイド溝１２から逃げるため、ウェッジツール１０により安定したボンディングワイヤ１の拘束が困難であり、接合を開始させるための凝着核層８が形成されない。これは、初期加圧を下げることでボンディングワイヤ１の変形が小さく、ボンディングワイヤ１とウェッジツール１０の先端部とが接する面積が小さくなって、そこでの摩擦力が不十分となるからである。それにより、ボンディングワイヤ１とウェッジツール１０の接触部分が滑って、ボンディングワイヤ１がツールガイド溝１２から外れ、あるいは超音波振幅（振動）が十分にボンディングワイヤ１に伝達されなくなるという不都合が生じる。
反対に初期加圧を上げると、ボンディングウェッジツールからボンディングワイヤ１を介して加わる超音波振動は、半導体チップの電極膜の未接合部分に局所的に集中することになり、半導体チップの破壊が誘発される恐れがあった。
ワイヤ（Ａｌ）とパワーデバイス（Ｓｉ）のように熱膨張係数の大きく異なる材料を加熱すると、大きな熱応力が発生する。すると、冷熱環境下でのＡｌとＳｉとの接合部においては、両者の熱膨張係数差によって上記熱応力が繰り返し発生し、該接合部にクラックが生じ破壊するという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ウェッジツールによる接合領域の片寄り形成を抑制して、超音波振動の加圧力がトゥ側に集中しないようにしたワイヤボンディング用のボンディング装置を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、ボンディングワイヤを超音波振動によって接続する際に、被接合物の接合面に安定した状態でワイヤ接続が可能なワイヤボンディング方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、未接合部への局所的な振幅の集中によるチップ破壊をなくし、製品品質の向上を可能にする半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明では、上記問題を解決するために、超音波振動によりボンディングワイヤを接合するワイヤボンディング用のウェッジツールにおいて、前記超音波振動をさせる超音波振動手段に取り付けられるツール本体を備え、前記ツール本体は、先端部分に溝部が形成され、前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って前記溝部に傾斜面を設けるとともに前記溝部から前記ボンディングワイヤを突出させ、前記超音波振動手段により前記ボンディングワイヤを前記長手方向に沿って前記超音波振動をさせて、前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側がヒール側より近接するように押圧する、ことを特徴とするワイヤボンディング用のウェッジツールが提供される。
また、本発明によれば、超音波振動によってボンディングワイヤを接合するボンディング装置において、上述したウェッジツールと、前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させる超音波振動手段とを備え、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤがトゥ側でヒール側より近接して押圧されることを特徴とするボンディング装置が提供される。
また、本発明によれば、ボンディングワイヤをウェッジツールの先端部分から繰り出すとともに超音波振動によってボンディングを行うワイヤボンディング方法において、前記ウェッジツールで前記ボンディングワイヤを把持した状態で、前記ボンディングワイヤを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して所定の時間だけ前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させ、前記接合面に押圧して接合する際に、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側をヒール側より近接させることを特徴とするワイヤボンディング方法が提供される。
さらに、本発明によれば、上述したボンディング装置を使用して半導体チップの電極を導電性部材等に電気的に接続する半導体装置の製造方法において、前記ウェッジツールで前記ボンディングワイヤを把持した状態で、前記ボンディングワイヤを前記半導体チップの電極面に対して所定の時間だけ前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させて前記電極に押圧して塑性変形せしめる際に、前記ウェッジツールを前記半導体チップの電極面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側でヒール側より近接して押圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、超音波振動によりボンディングワイヤを接合するワイヤボンディング用のウェッジツールにおいて、前記超音波振動をさせる超音波振動手段に取り付けられるツール本体を備え、前記ツール本体は、先端部分に、前記ウェッジツールの垂直面との間が前記ボンディングワイヤのトゥ側とヒール側でそれぞれ曲面により接続されている溝部が形成され、前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って前記溝部に傾斜面を設けるとともに前記溝部から前記ボンディングワイヤを突出させ、前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側がヒール側より近接するように押圧する、ことを特徴とするワイヤボンディング用のウェッジツールが提供される。
さらに、本発明によれば、超音波振動によってボンディングワイヤを接合するボンディング装置において、上述したウェッジツールと、前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して並行に超音波振動させる超音波振動手段と、を備え、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤがトゥ側でヒール側より近接して押圧されることを特徴とするボンディング装置が提供される。
本発明のワイヤボンディング用のウェッジツール、ボンディング装置、ワイヤボンディング方法、および半導体装置の製造方法によれば、ボンディングワイヤの接合面における接合領域の片寄り形成が抑制でき、安定した状態のワイヤ接続が可能であって、したがってチップ破壊をなくし、製品品質の向上を可能にする半導体装置が製造できる。
本発明の実施の形態のワイヤボンディング方法を示す図であって、（Ａ）はウェッジツールによる加圧・振動の様子を示す図、（Ｂ）はワイヤと被接合材との接合状態を示す図である。 本発明の実施の形態のウェッジツールの先端部を拡大して示す図である。 ワイヤ径とウェッジツールの先端部分に設けた傾斜角との関係を示す図である。 従来装置による接合領域の進展度合いを示す図である。 本発明のボンディング装置による接合領域の進展度合いを示す図である。 接合初期段階での接合部の楕円率を示す図である。 接合初期段階での接合部の接合面積を示す図である。 接合終了時における接合部の楕円率を示す図である。 接合終了時における接合部の接合面積を示す図である。 ボンディング装置によるワイヤボンディングを説明するための図である。 従来のウェッジツールの先端部形状を示す図である。 従来のワイヤボンディング方法を示す図であって、（Ａ）はウェッジツールによる加圧振動の様子を示す図、（Ｂ）はワイヤと被接合材との接合状態を示す図である。 半導体装置に生じるクラックの一例を示す図である。
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態のワイヤボンディング方法を示す図であって、（Ａ）はウェッジツールによる加圧・振動の様子を示す図、（Ｂ）はワイヤと被接合材との接合状態を示す図である。
ボンディング装置では、ウェッジツール１０の先端ヒール側後方のワイヤガイドに挿通されたボンディングワイヤ１の先端部がツール本体１１の溝部２０（ツールガイド溝）の図左下端面から繰り出し保持される。この溝部２０に保持されたボンディングワイヤ１を、ボンディング装置ワークホルダに載置固定された半導体装置２の半導体チップ３の電極７に押し付け、超音波ホーンに保持されたウェッジツール１０に超音波振動を与えることによって接合する。その後、一旦ウェッジツール１０を上昇させ、半導体装置２の絶縁回路基板４に形成された回路パターンのリード電極上まで平行移動させ、さらにウェッジツール１０を下降させて絶縁回路基板４の回路パターンに押し付け、そこにボンディングワイヤ１の他端を接合する。こうしてボンディングワイヤ１が半導体チップ３の電極７と絶縁回路基板４の回路パターンとに接合されたのちに、クランプにて保持されたボンディングワイヤ１にカッターを押し付けて、絶縁回路基板４の回路パターンに接合された部分からボンディングワイヤ１を切断することで、１行程のボンディング作業が完了する。
ウェッジツール１０は、ツール本体１１の先端部分には、ボンディングワイヤ１を保持する溝部２０を備えている。ワイヤ保持部の溝部２０にアルミのボンディングワイヤ１を繰り出すとともに、半導体チップ３上の電極７との間で超音波振動を加えて凝着核層８を形成することによってボンディングワイヤ１が接合される。溝部２０からボンディングワイヤ１の下半分程度を突出して把持した状態で電極７にウェッジツール１０を押圧することで、接合部分は楕円形状に塑性変形される。ここでは、図１２の従来方法を説明したものと対応する部材を同一の符号で示して、それらの詳細な説明を省略する。
超音波振動が加えられる初期段階で形成される凝着核層８は、ウェッジツール１０の振動方向におけるボンディングワイヤ１の長さＬにできるだけ近づく大きさの楕円形状に形成される。このとき、従来の場合とは異なり、図１（Ｂ）に示すように、その長径Ｌ２が最終的な接合領域９に近似した長さとなるように、ツール本体１１の先端部分は、ヒールＨ側からトゥＴ側にかけて、ボンディングワイヤ１の長手方向に沿って一定の大きさで傾斜角αが設けられている。なお、ヒール側はボンディングワイヤ１が供給される側、すなわち図１に向かって左側である。トゥ側はボンディングワイヤ１の先端が位置する側、すなわちヒールの反対側で図１に向かって右側である。
図２は、本発明の実施の形態のウェッジツールの先端部分を拡大して示す図である。
ウェッジツール１０の溝部２０は、図２（Ｂ）に示す正面断面図および図２（Ａ）、（Ｃ）から明らかなように、その断面がＶ字形状をなしている。ここで、ウェッジツール１０のワイヤ保持部２１には、ヒール側からトゥ側にかけて、１度乃至５度の範囲の傾斜角αが、使用されるボンディングワイヤ１のワイヤ径に対応する大きさ、例えば比例する大きさで形成されている。
また、ボンディングワイヤ１と接触する溝部２０の最深部分は、ウェッジツール１０の先端部分と同じ傾斜角αを有している。すなわち、溝部２０の断面のＶ字形状自体がワイヤ径に応じた一様な大きさに設定されている。しかも、そこに保持されるボンディングワイヤ１のそれぞれヒール側およびトゥ側では、図２（Ａ）に示す垂直面Ｈ、および図２（Ｃ）に示す垂直面Ｔとの間が、溝部２０の曲面２２，２３によって滑らかに接続されている。
こうして、接合動作時のウェッジツール１０は、ボンディングワイヤ１のトゥ側をヒール側より電極７の接合面に近接した状態で押圧されることになる。したがって、ヒール側のみで加圧力が大きくなってしまうといった超音波振動の片寄りが防止され、クラックの発生が防止される。
また、このようなウェッジツール１０を使用すれば、半導体チップ３の電極７を外部端子等に電気的に接続する際に、ボンディングワイヤ１の接合開始直後の初期段階に、電極７の電極面との間に形成されるトゥ側における接合層がヒール側に比べて促進される。その結果、ヒール側における接合層だけが大きく形成されるという凝着核層８の「片寄り形成」が抑制される。
ここで、ウェッジツール１０の先端の溝部２０およびワイヤ保持部２１に形成される傾斜角と、ボンディングワイヤ１のワイヤ径との関係について説明する。
図３は、ワイヤ径とウェッジツールの先端部分に設けた傾斜角との関係を示す図である。ここでは、ボンディングワイヤ１にはアルミワイヤを用い、被接合物としてチップ電極の接合面もアルミニウム合金であるものとする。
アルミワイヤは、一般に１００〜５００μｍの太さのものが使用されるが、ここでは１２５，３００，４００および５００μｍの場合で最適な傾斜角αについて示している。例えば、１２５μｍの太さのアルミワイヤを片寄りなしに被接合物に押圧するには、ウェッジツールの先端部分の傾斜が１．０°のものが最適である。実際には、加工精度によって±０．５°程度の公差が生じることから、ウェッジツールの傾斜角は０．５°〜１．５°の範囲となる。
また、１２５μｍの太さのアルミワイヤでは、超音波振動を加えて接合するために要する時間（接合時間）は、６０ｍｓ以上であることが望ましい。短時間で接合を完了するには、高い振動周波数でかつ大きなパワーで接合すればよいが、半導体装置のチップ電極を構成するＡｌ−Ｓｉ電極膜や半導体素子の内部にクラックが形成される可能性が高くなるからである。
なお、３００，４００および５００μｍのアルミワイヤを被接合物に押圧するウェッジツールには、１．５°±０．５°、２．０°±０．５°、２．５°±０．５°程度の傾斜角が形成されていることが望ましい。ウェッジツールの振動時間（接合時間）は、ウェッジツールから繰り出されるアルミワイヤのワイヤ径に比例する長さに設定されている。
つぎに、本実施の形態のウェッジツールと従来装置とで超音波振動による接合動作を行うとき、それぞれ接合面積の広がる様子を比較する。
図４は、従来装置による接合領域の進展度合いを示す図である。図５は、本発明のボンディング装置による接合領域の進展度合いを示す図である。
図４、図５では、いずれも接合動作の時間経過（ｔ＝２０，４０，７０，１００ｍｓ）に対応する４通りのワイヤ接合領域を示している。いずれも同じ３００μｍのアルミワイヤを接合する過程で、接合領域の進展度合いを調べたものである。横軸には、楕円形状に広がる接合領域の長手方向、すなわち長径Ｌを示し、縦軸には接合領域の接合幅方向の長さ、すなわち短径Ｄを示している。また、最外周に実線により示す領域９は、アルミワイヤの最終的な接合領域である。
図５のワイヤボンディングには、その先端部分に傾斜角１．５°を設けたウェッジツールが使用され、図４の従来装置は先端部分が平坦に形成されている。両者について比較することで、図５の場合に、短時間に接合領域が長径Ｌ方向に長さを増大させていることがわかる。すなわち、傾斜角を有するウェッジツールの接合動作では、加圧の安定性が高いために、動作開始直後の接合初期段階から迅速に接合領域が広がって、接合終期段階における未接合部における局所的な振幅集中という現象を効果的に抑制できる。したがって、ワイヤボンディング工程におけるチップ破壊の確率が低減される。
さらに、上述した傾斜角を有するウェッジツールの接合動作における利点について説明する。
図６は、接合初期段階での接合部の楕円率を示す図である。
同図には、ウェッジツールで４００μｍのアルミワイヤをボンディングする場合であって、○印は従来ツールによる接合領域の楕円率を示し、□印は傾斜ツール（本発明の実施の形態のウェッジツール）による接合領域の楕円率を示している。なお、ここで楕円率とは、接合領域として形成される凝着核層の広がりを楕円形状とみなして、その長径Ｌと短径Ｄの大きさの比率（Ｌ／Ｄ）を指す。
図６に示す楕円率は、各サンプルそれぞれに１０点の分布として示しているが、それぞれの分布する範囲を、前者については点線で囲む円によって、後者は破線で囲む円によって明示した。これらの楕円率は、いずれも接合初期段階（ｔ＝２０ｍｓ）でウェッジツールの振動を停止して、アルミワイヤをはがし取ることにより測定されたものである。ここで、従来ツール（○）と傾斜ツール（□）の楕円の短径Ｄについては、いずれも２２０〜２７０μｍの範囲に分布している。しかし、それらの長径Ｌについては、従来ツール（○）が４２０〜５２０μｍの範囲にあるのに対して、傾斜ツール（□）では５３０〜６００μｍの範囲に分布している。
ここから、傾斜ツールによる接合動作が、接合初期段階（ｔ＝２０ｍｓ）でアルミワイヤのトゥ側に向かって迅速に延びていることが理解される。したがって、傾斜ツールを用いたボンディング装置によるワイヤボンディングでは、接合領域の片寄り形成を抑制することができ、安定した状態にワイヤを接続できる。
図７は、接合初期段階での接合部の接合面積を示す図である。
同図における接合面積とは、ウェッジツールで４００μｍのアルミワイヤをボンディングしたとき、接合初期段階（ｔ＝２０ｍｓ）に形成された凝着核層の広がりをいう。横軸には、この凝着核層の長径Ｌと短径Ｄの大きさの比率（楕円率Ｌ／Ｄ）を示している。ここでも、前述した図６のものと同様に、○印は従来ツールによる接合面積、□印は傾斜ツール（本発明の実施の形態のウェッジツール）による接合面積を示している。
図７に示す接合面積は、各サンプルそれぞれに１０点の分布として示しているが、それぞれの分布する範囲を、前者については点線で囲む円によって、後者は破線で囲む円によって明示にした。これらの接合面積は、いずれも接合初期段階（ｔ＝２０ｍｓ）でウェッジツールの振動を停止して、アルミワイヤをはぎ取ることにより測定されたものである。
超音波振動によって形成される接合領域の楕円率については、図７の□印の分布に示されているように、振動開始後の初期段階で、すでに２より大きくなっている。また、傾斜ツール（□）の楕円率は、従来ツール（○）の場合に比較して、より大きな値となっている。そのため、それぞれの接合面積を比較すると、従来ツール（○）が０．１０〜０．１４ｍｍ2の範囲にあるのに対して、傾斜ツール（□）では０．１３〜０．１６ｍｍ2の範囲に分布している。
すなわち、傾斜ツールを用いたボンディング装置によるワイヤボンディングであれば、接合初期段階（ｔ＝２０ｍｓ）におけるアルミワイヤとチップ電極との接合面積が広く形成できるという傾向がみられる。したがって、ワイヤボンディングの初期段階から接合領域の片寄り形成が抑制されるから、その後も安定した状態でワイヤ接続が可能となって、チップ電極の破壊を防ぐことができる。
なお、ここで接合面積Ｓについては、楕円の接合領域内に未接合部があった場合に、その面積をｓとして、以下の式で定義している。
Ｓ＝（Ｌ×Ｄ）−ｓ
つぎに、傾斜角を有するウェッジツールの利点について、その接合動作終了の時点で従来ツールの場合と比較して説明する。
図８は、接合終了時における接合部の楕円率を示す図である。
同図に示す楕円率は、各サンプルそれぞれに１０点の分布として示しているが、図６の場合と同様にそれぞれの分布する範囲を、前者については点線によって、後者は破線によって明示している。これらの楕円率は、いずれも接合終了段階（ｔ＝２００ｍｓ）でアルミワイヤをはぎ取ることにより測定されたものである。ここで、従来ツール（○）と傾斜ツール（□）の楕円の長径Ｌについては、いずれも８６０〜９２０μｍの範囲に分布している。しかし、それらの短径Ｄについては、従来ツール（○）が４３０μｍ以下の範囲に分布しているのに対して、傾斜ツール（□）で接合したものでは４１０〜４７０μｍの広い範囲に分布している。
接合の最終段階における傾斜ツールによる接合領域の広がりについては、図８に示すＬＤ比の分布状態によれば、長径Ｌの長さ（接合長）は従来ツールの場合とほぼ同じであるが、接合幅である短径Ｄが従来ツール以上に長く形成される傾向にあることが分かる。すなわち、傾斜ツールを用いたボンディング装置によるワイヤボンディングでは、接合領域の片寄り形成が抑制できるだけでなく、接合領域の楕円率（Ｌ／Ｄ）を従来ツールによる場合以上に大きく形成できる。したがって、ボンディング装置を使用して半導体装置の電極を外部端子等に電気的に接続する場合などに、チップ破壊の恐れを低減するとともに、強固なワイヤ接続が可能になる。
図９は、接合終了時における接合部の接合面積を示す図である。
ここでも、図７と同様、○印は従来ツールによる接合面積、□印は傾斜ツール（本発明の実施の形態のウェッジツール）による接合面積を示している。また、各サンプルそれぞれに１０点の分布として示しているが、それぞれの分布する範囲を、前者については点線で囲む円によって、後者は破線で囲む円によって明示した。
なお、一般に接合領域の楕円率については、以下のように考えられている。
すなわち、断続通電（パワーサイクル）に伴う熱応力によって接合領域の周縁に初期クラックが発生すると、クラックは引き続いて繰り返し加わる熱応力により接合領域の外周全方位から、その中心に向けて成長する。そして、クラックが接合領域の中心まで達することで、ワイヤとの接合が破断してワイヤがチップ電極面から剥がれる。この場合に、接合領域でのクラック進展状況をワイヤ接合長（長径Ｌ）方向と、ワイヤが潰れて広がる接合幅（短径Ｄ）方向とに分けて考察すると、接合長方向ではワイヤの線径が大であるほど、そのワイヤループの剛性の影響を大きく受けて、ワイヤ接合長でのクラック進展速度が接合幅方向よりも早くなる。
このために、太線ワイヤを採用して接合面積を拡大しても、接合面積の拡大が寿命耐量の向上に十分に生かされずにワイヤ接合部が早期に破断してしまうようになる。そこで、振動終了段階での目標値１．４〜２．２に収まることが望ましいとされている。
図９において、ボンディングワイヤは、そのワイヤ径が４００μｍのアルミワイヤを用いており、傾斜ツール（□）の楕円率が接合終了時には２．２以下まで低下している。これは、従来ツール（○）の楕円率の分布が２．０以上であることと比較すると、より小さな楕円率となっていることを示している。
また、接合終了時におけるそれぞれの接合面積を比較すると、従来ツール（○）が０．３２〜０．３７ｍｍ2の範囲にあるのに対して、傾斜ツール（□）では０．３７〜０．４４ｍｍ2の範囲に分布している。
したがって、ボンディングワイヤを超音波振動によって接続する際に、接合領域の片寄り形成が抑制されるから、被接合物の接合面に安定した状態でワイヤ接続が可能なワイヤボンディング方法を実現できる。また、製品品質の向上を可能にする半導体装置が製造できる。
１ ボンディングワイヤ
２ 半導体装置
３ 半導体チップ
４ 絶縁回路基板
５ 放熱用金属ベース
６ 配線用ワイヤ
７ 電極
７ａ クラック（亀裂）
８ 凝着核層
９ 最終的な接合領域
１０ ウェッジツール
１１ ツール本体
１２ ツールガイド溝
２０ 溝部
２１ ワイヤ保持部
２２，２３ 曲面
７０ Ａｌ−Ｓｉ電極膜

Claims (24)

  1. 超音波振動によりボンディングワイヤを接合するワイヤボンディング用のウェッジツールにおいて、
    前記超音波振動をさせる超音波振動手段に取り付けられるツール本体を備え、
    前記ツール本体は、先端部分に溝部が形成され、前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って前記溝部に傾斜面を設けるとともに前記溝部から前記ボンディングワイヤを突出させ、前記超音波振動手段により前記ボンディングワイヤを前記長手方向に沿って前記超音波振動をさせて、前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側がヒール側より近接するように押圧する、
    ことを特徴とするワイヤボンディング用のウェッジツール。
  2. 前記ツール本体の先端部分に傾斜面を設けて、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側でヒール側より近接して前記ボンディングワイヤを押圧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用のウェッジツール。
  3. 前記溝部は、前記ボンディングワイヤのワイヤ径に応じた大きさに設定されてい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用のウェッジツール。
  4. 前記傾斜面は、ヒール側からトゥ側にかけて１度乃至５度の範囲の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１または２記載のワイヤボンディング用のウェッジツール。
  5. 前記ボンディングワイヤとその接合面は、それぞれアルミニウムであ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用のウェッジツール。
  6. 前記溝部は、前記ウェッジツールの垂直面との間が前記ボンディングワイヤのトゥ側とヒール側でそれぞれ曲面により接続されてい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用のウェッジツール。
  7. 前記溝部は、その断面がＶ字形状をなしてい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用のウェッジツール。
  8. 超音波振動によってボンディングワイヤを接合するボンディング装置において、
    請求項１乃至７のいずれかに記載のウェッジツールと、
    前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させる超音波振動手段と、
    を備え、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤがトゥ側でヒール側より近接して押圧されることを特徴とするボンディング装置。
  9. ボンディングワイヤをウェッジツールの先端部分から繰り出すとともに超音波振動によってボンディングを行うワイヤボンディング方法において、
    前記ウェッジツールで前記ボンディングワイヤを把持した状態で、前記ボンディングワイヤを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して所定の時間だけ前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させ、前記接合面に押圧して接合する際に、
    前記接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側をヒール側より近接させることを特徴とするワイヤボンディング方法。
  10. 前記ウェッジツールは、前記ボンディングワイヤを前記接合面に対してヒール側からトゥ側にかけて１度乃至５度の傾斜角をもって前記ボンディングワイヤを把持しつつ押圧するようにしたことを特徴とする請求項９記載のワイヤボンディング方法。
  11. 前記ボンディングワイヤは、そのワイヤ径が１００〜５００μｍの範囲のアルミワイヤを用いることを特徴とする請求項９記載のワイヤボンディング方法。
  12. 前記ウェッジツールの振動時間は、そこから繰り出される前記ワイヤ径に比例する長さに設定されていることを特徴とする請求項９記載のワイヤボンディング方法。
  13. 前記ウェッジツールの超音波振動によって形成される接合領域は、前記ボンディングワイヤのワイヤ延長方向を長軸とする楕円形状であって、その長径（Ｌ）と短径（Ｄ）との比率が振動開始後の初期段階では２より大きいことを特徴とする請求項１０記載のワイヤボンディング方法。
  14. 前記比率が振動終了段階で１．４〜２．２であることを特徴とする請求項１３記載のワイヤボンディング方法。
  15. 前記請求項８記載のボンディング装置を使用して半導体チップの電極を導電性部材に電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
    前記ウェッジツールで前記ボンディングワイヤを把持した状態で、前記ボンディングワイヤを前記半導体チップの電極面に対して所定の時間だけ前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って超音波振動させて前記電極に押圧して塑性変形せしめる際に、
    前記ウェッジツールを前記半導体チップの電極面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側でヒール側より近接して押圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 前記ウェッジツールは、前記ボンディングワイヤを前記半導体チップの電極面に対して１度乃至５度の傾斜角をもって押圧するようにしたことを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記ボンディングワイヤは、そのワイヤ径が１００〜５００μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記ボンディングワイヤと前記半導体チップの電極との間に形成される接合領域は、前記ボンディングワイヤのワイヤ延長方向を長軸とする楕円形状であって、その長径（Ｌ）と短径（Ｄ）との比率が１．４〜２．２であることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記ボンディングワイヤは、そのワイヤ径が４００μｍであって、前記接合領域の面積が０．３５〜０．４５ｍｍ2であることを特徴とする請求項１８記載の半導体装置の製造方法。
  20. 超音波振動によりボンディングワイヤを接合するワイヤボンディング用のウェッジツールにおいて、
    前記超音波振動をさせる超音波振動手段に取り付けられるツール本体を備え、
    前記ツール本体は、先端部分に、前記ウェッジツールの垂直面との間が前記ボンディングワイヤのトゥ側とヒール側でそれぞれ曲面により接続されている溝部が形成され、前記ボンディングワイヤの長手方向に沿って前記溝部に傾斜面を設けるとともに前記溝部から前記ボンディングワイヤを突出させ、前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して前記ボンディングワイヤのトゥ側がヒール側より近接するように押圧する、
    ことを特徴とするワイヤボンディング用のウェッジツール。
  21. 超音波振動によってボンディングワイヤを接合するボンディング装置において、
    請求項２０に記載のウェッジツールと、
    前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤが接合される接合面に対して並行に超音波振動させる超音波振動手段と、
    を備え、前記接合面に対して前記ボンディングワイヤがトゥ側でヒール側より近接して押圧されることを特徴とするボンディング装置。
  22. 前記超音波振動の前記ボンディングワイヤのヒール側への片寄りが防止される、
    ことを特徴とする請求項１または２０に記載のワイヤボンディング用のウェッジツール。
  23. さらに、前記先端部分が傾斜面を備え、前記溝部の断面がＶ字形状をなしており、前記先端部分の傾斜面と前記溝部の最深部分が同じ傾斜角を有する、
    ことを特徴とする請求項１または２０に記載のワイヤボンディング用のウェッジツール。
  24. 前記ボンディングワイヤのトゥ側を前記ボンディングワイヤが供給される前記ボンディングワイヤのヒール側より近接して押圧するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１または２０に記載のワイヤボンディング用のウェッジツール。
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