JP6331633B2 - ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを半導体素子上の電極へワイヤボンディングできる半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法に関する。
ワイヤボンディングする際に、超音波処理、加圧処理および加熱処理を伴ってワイヤボンディングする装置に関する文献として、次の特許文献１〜３が知られている。
特許文献１には、半導体チップ上に形成されたアルミニウム合金製の電極パッド上に、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｓｎのいずれか１つを主要元素とする半田バンプを接着し、該半田バンプをその液相線温度以下に加熱した状態で基板の配線上に熱圧着して接合させる半導体チップの接続方法が記載されている。そして、その熱圧着手段が超音波併用の熱圧着であることが記載されている。
特許文献２には、プリント基板に配設されたパッドにワイヤを拡散接合するよう超音波による加振、および、所定温度の加熱が行われるボンディングチップを備え、該ボンディングチップを垂直方向に昇降させ、該ワイヤを挟むように形成された先端部の凹部によって該ワイヤを押圧した時、必要に応じて、該ボンディングチップの中心を回転軸として該ボンディングチップが所定方向に回転されるように構成されたボンディング装置が記載されている。
特許文献３の００２１段落から００２２段落には、銅製で幅０．３５ｍｍのリードに、スタッドバンプを形成した半導体チップを、超音波接合する半導体装置の製造方法が記載されている。そして、この超音波接合の条件は、加熱温度１００℃、加圧０．５Ｎ、超音波出力７０ｍＷであることが記載されている。
また、特許文献４には、超音波ワイヤボンダが、超音波振動ユニットから発生した超音波振動を、超音波ホーンを介してボンディングツールに印加することが記載されている。そして、超音波ワイヤボンダは、さらに、ワイヤ供給ユニットと、予熱ユニットと、加熱ヒータを備えることが記載されている。アルミワイヤを予熱ユニットで２５０℃から４００℃程度に加熱して、ワイヤの薄肉部を形成することが記載されている。
特開平３−２８３５４２号公報 特開平５−１９８９３０号公報 特開２００３−２０９２１３号公報 特開２００３−３０３８４５号公報 特開２０１３−１７１９６４号公報
特許文献１は、ワイヤと半導体チップ上の電極パッドとを接合するために半田を用いているため、電極パッドに半田を配置させる工程が必要であるという問題があった。また、熱圧着時の温度が１７０℃であり、加熱に要するエネルギーが大きいという問題があった。
特許文献２には、所定の温度でボンディングチップが加熱されることが記載されているが、具体的な加熱温度の値は記載されていない。
特許文献３の００２１段落から００２２段落には、銅製のリードの幅が０．３５ｍｍであることが記載されている。特許文献３の方法では、本発明とは素材やリードの幅が異なり、本発明が対象としている直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを接合できないという問題があった。
特許文献４は、加熱されて加圧成形して形成された薄肉部は、電極と接合されるワイヤの接合部ではなく、ワイヤのループ部分であり、本発明の超音波振動を加える部位の温度は記載されていない。従って、本発明のようにワイヤボンディング時のワイヤボンディングされる部位の温度が、５０℃以上１００℃以下であることは記載されていない。
特許文献５は、半導体素子上の第１電極と前記半導体素子の外部に配置された第２電極との双方に直径５０μｍ超２ｍｍ以下のワイヤをウェッジ接合により接合して前記両電極を電気的に接続する超音波ワイヤボンディング装置であって、前記ワイヤに先端を係合させる接合ツールと、前記ワイヤを前記接合ツールに供給するワイヤフィード機構と、前記接合ツールに超音波振動を加える振動伝達機構と、前記接合ツールに荷重を加え、前記電極に接合される前記ワイヤの接合部位を加圧する加圧機構とを有し、前記ワイヤの前記接合部位を加熱する加熱機構を更に有することを特徴とする超音波ワイヤボンディング装置を開示している。特許文献５は銅ワイヤを対象としており、その加熱する温度範囲も広い。しかし、本発明は、アルミニウム合金製ワイヤを対象としており、アルミニウム合金製ワイヤ特有の課題があるため、本発明の課題を解決することができない。
上記の課題を解決するべく、鋭意研究を行った結果、直径の太いワイヤを加熱と加圧を伴って超音波で接合させる際に、加熱温度が高すぎると接合領域内に未接合の領域が生じることを発見した。そこで、本発明は、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを半導体素子上の電極へワイヤボンディングできる半導体装置の製造装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のワイヤボンディング装置の実施例は、ワイヤボンディングによって電極とアルミニウム合金製のワイヤとを電気的に接続するものであって、直径５００μｍ以上６００μｍ以下の前記ワイヤを供給するワイヤ供給装置と、前記ワイヤを５０℃以上７５℃以下に加熱する加熱装置と、前記電極に前記ワイヤを加圧する加圧装置と、前記加圧装置で加圧された前記ワイヤに超音波振動を加える超音波発生装置とを備える。この構成によれば、ワイヤボンディング時のワイヤ温度が、５０℃以上７５℃以下に加熱されているため、ワイヤと電極の接合面積を増加でき、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを電極へワイヤボンディングできる。ワイヤ温度が５０℃未満では、接合面積が不足するという問題がある。ワイヤ温度が１００℃を超えると、ワイヤと電極との未接合面積が増加するという問題がある。
上記のワイヤボンディング装置において、前記加熱装置は、前記ワイヤを通す貫通孔の内壁に設けられたヒータで前記ワイヤを加熱するワイヤヒータ、および、前記電極を介して前記ワイヤを加熱する平板ヒータであり、前記ワイヤの温度を計測する温度センサと、前記温度センサの計測値と設定温度とを比較して前記加熱装置の出力を制御する制御装置とを備え、前記加圧装置は、前記超音波発生装置の超音波振動を伝達するホーンと、前記ホーンの端部に着脱可能に固定されたボンディングチップとを備え、かつ前記ホーンと接する部材をばねで付勢でき、ばねの長さを調節することで前記ボンディングチップが前記ワイヤを押さえる荷重を調節する機構を備えることが望ましい。
この構成によれば、加熱装置の温度センサでワイヤ温度を５０℃以上７５℃以下に自動で制御できる。そして、ワイヤを加熱する場合、ワイヤボンディングするワイヤボンディング装置全体を温度制御する場合に比べて、加熱する範囲が限定されるため、加熱に要する消費エネルギーを低減できる。電極を介してワイヤを加熱する場合、加熱装置と電極との伝熱面積を増やすことが容易になり、ワイヤボンディング装置の構造を単純化できる。
また、本発明のワイヤボンディング方法の実施例は、加熱処理、加圧処理および超音波処理を伴ったワイヤボンディングによって電極とアルミニウム合金製のワイヤとを電気的に接続するワイヤボンディング方法において、前記ワイヤの温度を５０℃以上７５℃以下にする加熱工程と、前記電極上に直径５００μｍ以上６００μｍ以下の前記ワイヤを載せ加圧する加圧工程と、５０℃以上７５℃以下になった前記ワイヤを前記加圧工程中に、前記ワイヤへ超音波振動を加える超音波処理工程とを備える。
この構成によれば、ワイヤボンディング時のワイヤ温度が、５０℃以上７５℃以下に加熱されているため、ワイヤと電極の接合面積を増加でき、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを半導体素子上の電極へワイヤボンディングできる。ワイヤ温度が５０℃未満では、接合面積が不足するという問題がある。７５℃を超えると、加熱処理によるワイヤボンディングの接合強度のばらつきが生じやすく、さらに、ワイヤボンディングに要する加熱エネルギーが多くなるため、不経済であるという問題がある。ワイヤ温度が１００℃を超えると、ワイヤと電極との未接合面積が増加するという問題がある。
本発明によれば、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを電極へワイヤボンディングできるワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法を提供できる。
本発明の実施例に係るワイヤボンディング装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係るワイヤボンディング装置の加熱装置の温度調節に関する関連図である。 本発明の実施例に係るワイヤボンディング方法の工程図である。 加熱工程における加熱温度とワイヤと電極との接合面積の関係を示した図である。 加熱工程における加熱温度とワイヤと電極との接合面内部における未接合面積の関係を示した図である。
以下、図面を参照しながら本発明に係るワイヤボンディング装置の実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
（実施例）
図１は、本発明の実施例に係るワイヤボンディング装置の概略構成図である。図１では、ワイヤボンディング装置１００が、絶縁基板１と、絶縁基板１のおもて面に形成された第一電極２と、絶縁基板１の裏面に形成された裏面金属板３と、第一電極２上にはんだ４を介して接続された半導体素子５と、半導体素子５の上面に形成された第二電極７とを備えた構造体を被処理物とした事例を図示した。
図１のワイヤボンディング装置１００は、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤ６を供給するワイヤ供給装置１０と、ワイヤ６を５０℃以上１００℃以下に加熱する加熱装置１１と、電極２，７にワイヤ６を加圧する加圧装置１２と、加圧装置１２で加圧されたワイヤ６に超音波振動を加える超音波発生装置１３とを備える。
ワイヤ供給装置１０は、内部にリールに巻かれたワイヤ６を備えている。ワイヤ６は、図示しないローラーに挟まれ、このローラーが回転機で回転されることで、ワイヤ６がワイヤヒータ１１ｂへ供給される。
加熱装置１１は、ワイヤ６を加熱するワイヤヒータ１１ｂと、電極２，７を介してワイヤ６を加熱する平板ヒータ１１ａを備えている。なお、加熱装置は、ワイヤヒータ１１ｂまたは平板ヒータ１１ａのどちらか一方だけ備える構成にしてもよい。ワイヤヒータ１１ｂは、ワイヤ６を通る貫通孔を備えており、その貫通孔にワイヤ６が通されている。貫通孔の内壁にヒータが内蔵されている。平板ヒータ１１ａは、裏面金属板３の裏面を直接加熱している。ワイヤ６が第一電極２に接続される場合は、平板ヒータ１１ａの熱は、裏面金属板３、絶縁基板１、および第一電極２を介してワイヤ６を加熱する。ワイヤ６が第二電極７に接続される場合は、平板ヒータ１１ａの熱は、裏面金属板３、絶縁基板１、第一電極２、はんだ４、半導体素子５、および第二電極７を介してワイヤ６を加熱する。
図２は、本発明の実施例に係るワイヤボンディング装置の加熱装置の温度調節に関する関連図である。図２に示すように、ワイヤボンディング装置１００は、さらに、ワイヤ６の温度を計測する温度センサ１１ｃと、温度センサ１１ｃの計測値と設定温度とを比較して加熱装置１１の出力を制御する制御装置１１ｄとを備えている。図１および図２に図示されていないが、ワイヤボンディング装置１００は、設定温度が入力される入力装置を備えている。
図１に示すように、加圧装置１２は、超音波発生装置１３の超音波振動を伝達するホーン１２ａと、ホーン１２ａの端部に着脱可能に固定されたボンディングチップ１２ｂとを備えている。ボンディングチップ１２ｂの先端には、窪みが形成されており、この窪みにワイヤ６が配置される。ボンディングチップ１２ｂは、ワイヤ６を上から押さえ、超音波発生装置からホーンを経由して伝達された超音波振動をワイヤ６に伝える。加圧装置１２は、ホーン１２ａの一部を押圧する機構を備えており、ボンディングチップ１２ｂがワイヤ６を上から押さえる荷重を調節できるように構成されている。押圧する機構は、特に限定されないが、例えば、ホーン１２ａと接する部材をばねで付勢して、ホーン１２ａを下に押し下げる構成にしてもよい。ばねの長さを調節することで、ボンディングチップ１２ｂがワイヤ６を上から押さえる荷重を調節できる。
次に、本発明のワイヤボンディング方法に関して説明する。図３は、本発明の実施例に係るワイヤボンディング方法の工程図である。本発明のワイヤボンディング方法は、ワイヤの温度を５０℃以上１００℃以下にする加熱工程Ｓ１と、前記電極上に直径５００μｍ以上６００μｍ以下の前記ワイヤを載せ加圧する加圧工程Ｓ２と、５０℃以上１００℃以下になった前記ワイヤを前記加圧工程中に、前記ワイヤへ超音波振動を加える超音波処理工程Ｓ３とを備える。
図４、図５に、各加熱温度で超音波接合させた実験結果を示した。ＡｌＳｉ膜５μｍの電極の上に、直径５００μｍのアルミニウムワイヤを接合させた。超音波接合条件は、１３０ｍＷ、荷重は、１４００ｇｆ、超音波の印加時間は、２００ｍｓで実験を行った。実験は、１０回行い、最大値と最小値をエラーバーで示した。
図４は、加熱工程における加熱温度とワイヤと電極との接合面積の関係を示した図である。加熱温度の上昇と共に接合面積も増加していることが判る。
図５は、加熱工程における加熱温度とワイヤと電極との接合面内部における未接合面積の関係を示した図である。加熱温度の上昇と共にワイヤの接合部の内部の未接合面積が増加していることが判る。
上記の結果を考慮すると、加熱工程Ｓ１におけるワイヤ温度は、５０℃未満だと接合面積が十分でない場合があり、ワイヤボンディングの接合強度が不十分になるという問題がある。また、このワイヤ温度が、１００℃を超えると、ワイヤ接合部の内部の未接合面積が増加するという問題がある。
加熱工程Ｓ１におけるワイヤ温度は、５０℃以上７５℃以下の範囲内がより望ましい。７５℃を超えると、加熱処理によるワイヤボンディングの接合強度のばらつきが生じやすく、さらに、ワイヤボンディングに要する加熱エネルギーが多くなるため、不経済であるという問題がある。
以上のように、本発明の実施例によれば、直径５００μｍ以上６００μｍ以下のワイヤを電極へワイヤボンディングできるワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法を提供できる。
１ 絶縁基板
２ 第一電極
３ 裏面金属板
４ はんだ
５ 半導体素子
６ ワイヤ
７ 第二電極
１０ ワイヤ供給装置
１１ 加熱装置
１１ａ 平板ヒータ
１１ｂ ワイヤヒータ
１１ｃ 温度センサ
１１ｄ 制御装置
１２ 加圧装置
１２ａ ホーン
１２ｂ ボンディングチップ
１３ 超音波発生装置
１００ ワイヤボンディング装置
Ｓ１ 加熱工程
Ｓ２ 加圧工程
Ｓ３ 超音波処理工程

Claims (3)

  1. ワイヤボンディングによって電極とアルミニウム合金製のワイヤとを電気的に接続するワイヤボンディング装置において、
    直径５００μｍ以上６００μｍ以下の前記ワイヤを供給するワイヤ供給装置と、
    前記ワイヤを５０℃以上７５℃以下に加熱する加熱装置と、
    前記電極に前記ワイヤを加圧する加圧装置と、
    前記加圧装置で加圧された前記ワイヤに超音波振動を加える超音波発生装置と、
    を備えることを特徴とするワイヤボンディング装置。
  2. 請求項１に記載のワイヤボンディング装置において、
    前記加熱装置は、前記ワイヤを通す貫通孔の内壁に設けられたヒータで前記ワイヤを加熱するワイヤヒータ、および、前記電極を介して前記ワイヤを加熱する平板ヒータであり、
    前記ワイヤの温度を計測する温度センサと、
    前記温度センサの計測値と設定温度とを比較して前記加熱装置の出力を制御する制御装置とを備え、
    前記加圧装置は、前記超音波発生装置の超音波振動を伝達するホーンと、前記ホーンの端部に着脱可能に固定されたボンディングチップとを備え、かつ前記ホーンと接する部材をばねで付勢でき、ばねの長さを調節することで前記ボンディングチップが前記ワイヤを押さえる荷重を調節する機構を備える
    ことを特徴とするワイヤボンディング装置。
  3. 加熱処理、加圧処理および超音波処理を伴ったワイヤボンディングによって電極とアルミニウム合金製のワイヤとを電気的に接続するワイヤボンディング方法において、
    前記ワイヤの温度を５０℃以上７５℃以下にする加熱工程と、
    前記電極上に直径５００μｍ以上６００μｍ以下の前記ワイヤを載せ加圧する加圧工程と、
    ５０℃以上７５℃以下になった前記ワイヤを前記加圧工程中に、前記ワイヤへ超音波振動を加える超音波処理工程と、
    を備えることを特徴とするワイヤボンディング方法。
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