JPH01201934A - ワイヤボンディング方法及びキャピラリチップ - Google Patents

ワイヤボンディング方法及びキャピラリチップ

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JPH01201934A
JPH01201934A JP63025683A JP2568388A JPH01201934A JP H01201934 A JPH01201934 A JP H01201934A JP 63025683 A JP63025683 A JP 63025683A JP 2568388 A JP2568388 A JP 2568388A JP H01201934 A JPH01201934 A JP H01201934A
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JP
Japan
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wire
metal ball
capillary
ball
copper
Prior art date
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Pending
Application number
JP63025683A
Other languages
English (en)
Inventor
Kiyoaki Tsumura
清昭 津村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to US07/230,376 priority patent/US4886200A/en
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ワイヤホンテインク方法及びキャピラリチ
ップに係り、特に半導体装置のアルミ電極等の被ボンデ
ィング体上にワイヤ先端の金属ボールを接合さぜる方法
及びその装置に関するものである。
〔従来の技術〕
一般に、この種のボンデインク方法は、第８図（ａ）〜
（ｅ）に示されるような工程に従って行われる。
ます、キャピラリチップ（１）内を挿通する銅ワイヤ（
２）の先端部にトーチ（３）により加熱して銅ボール（
４）を形成しな後（第８図（ａ））、キャピラリチップ
（１）を降下させて銅ボール（４）を銅系リードフレー
ム（５）のタイスパッＦ（６）上に配置されている半導
体素子（７）のアルミニウム電極（８）上に圧接し塑性
変形させる　（第８図（ｂ））。このとき、タイスパッ
ド（６）はヒートフロック（９）上に配置されており、
半導体素子（７）はこのヒートフロック（９）によって
温度３００〜４００°Ｃに加熱されると共にキャピラリ
チップ（１）には振動装置（図示せず）により超音波振
動か印加される。これにより、鋼ワイヤ（２）とアルミ
ニウム電極（８）の百合属元素か相互拡散し、銅ワイヤ
（２）はアルミニラム電極（８）に固着される。
次に、キャピラリチップ（１）を上昇させつつその先端
部から銅ワイヤ（２）を繰り出しな後（第８図（Ｃ））
、リードフレーム（５）のインナーリート（１０）上に
キャピラリチップ（１）を降下させて銅ワイヤ（２）を
インナーリード（１０）のワイヤ接続面（１１）上に圧
接しく第８図（ｄ））、銅ワイヤ（２）のルーピンクを
行う。このとき３．インナーリード（１０）はピー１〜
フロツク（９）上に配置されて温度３００〜４００℃に
加熱されると共にキャピラリチップ（１）には振動装置
（図示せず）により超音波振動か印加される。これによ
り、銅ワイヤ（２）とインナーリー１〜（１０）のワイ
ヤ接続面（１１）の百合属元素か相互拡散し、銅ワイヤ
（２）はワイヤ接続面（１１）に固着される。
その後、クランパ（１２）により多聞ワイヤ（２）を固
定しながらキャピラリチップ（１）を−上昇させて銅ワ
イヤ（２）を切断する　（第８図（ｅ））。
〔発明か解決しようとする課題〕
このようにしてワイヤホンデイ〉・りか行なわれるか、
従来のキャピラリチップ（１）の先端部は第９図（ａ）
及び（１〕）に示すように角度４５°の円すい状の面取
り部（１３）を有していた。
従って、このようなキャピラリチップ（１）により銅ボ
ール（４）を塑性変形して形成される銅ワイヤ（２）と
アルミニウム電極（８）の接合部は第１０図のような構
造となっていた。すなわち、キャピラリチップ（１）の
円すい状の面取り部（１３）と平坦な荷重面（１４）と
によりそれぞれ荷重が加えられて塑性変形した銅ボール
（４）は円すい状の被荷重面（１５）と平坦な被荷重面
（１６）とを有し、この銅ボール（４）の下部に銅　ア
ルミニウム合金層（１７）が形成される。なお、アルミ
ニウム電極（８）の下部にはＳｉや絶縁膜などの電極下
地層（１８）か形成されている。
ところで、銅ボール（４）圧接時に銅ボール（４）に加
わる荷重のベクトル（１９）（第９図参照〉はキャピラ
リチップ（１）の面取り部（１３）と荷重面（１４）に
よって決まり、面取り部（１３）ては接合部の中心付近
に向かい、荷重面（１４）ではアルミニウム電極（８）
の面に垂直となる。従って、銅ボール（４）を形成する
銅元素の滑り方向か一意的に固定され、第１１図に示す
ように銅ボール（４）の裏面には接合部の中心付近に滑
り線の少ない核（２０）が大きく生じていた。
その結果、アルミニウム電極（８）の加熱エネルキーと
銅ボール（４）に加えられる超音波振動エネルキーとに
より相互拡散して形成される合金層（１７）は不均一な
ものとなり、ホンデインクの信頼性の低下を招くという
問題点を有していた。
また、近年の半導体装置の高密度化に伴い、ボンディン
グのための電極部は必然的に小さくなっているので、よ
り小さな金属ボールを用いたボンディングか要求されて
いる。ところが、従来のキャピラリチップ（１）の面取
り部（１３）と荷重面（１４）との境界部（２１）では
荷重ベクトル（１９）の方向が急激に変化するため、銅
ボール（４）の大きさが小さい場合には、境界部（２１
）が銅ボール（４）を突き破ってアルミニウム電極（８
）に衝突してしまう恐れがあった。
この発明はこのような課題を解消するためになされたも
ので、接合部全体にわたって均一な合金層を形成し、信
頼性の高いボンディング構造を形成することのできるワ
イヤボンディング方法及びキャピラリチップを得ること
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係るワイヤボンディング方法は、ワイヤの先
端部に形成された金属ボールを被ボンディング体上に位
置さぜな後、連続的に滑らかに変化する荷重方向を有す
る荷重をこの金属ボールに加えてこれを被ボンディング
体に圧接し塑性変形させ、さらにこの金属ボールに超音
波振動を印加して金属ボールと被ボンディング体の双方
の構成元素を相互拡散させる方法である。
また、このような方法は、金属ボールを圧接するための
平坦な荷重面と、この荷重面に開口しワイヤを挿通させ
る挿通孔と、この挿通孔の開口部に形成されると共に連
続的に滑らかに変化する凸曲面を有する面取り部とを備
えたキャピラリチップを用いることにより実施すること
がてきる。
〔作用〕
この発明においては、金属ボールに連続的に滑らかに変
化する荷重方向を有する荷重が加えられるので、金属ボ
ールの金属組織の滑りは接合部全体にわたって発生する
。従って、金属ボールと被ボンディング体との間に均一
な合金層が形成される。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。
第１図（、）及び（ｂ）はそれぞれこの発明のワイヤボ
ンディング装置の一実施例に係るキャピラリチップの要
部を示す断面図及び端面図である。このキャピラリチッ
プ（１）の先端部には平坦な荷重面（１４）か形成され
ており、また中心部には銅ワイヤを挿通するためのボー
ル径り、の挿通孔（２２）が設けられている。この挿通
孔（２２）は荷重面（１４）に開口しており、その開口
周縁部には面取り部（１３）か形成されている。この面
取り部（１３）は挿通孔（２２）内に挿通される銅ワイ
ヤの径Ｄ２より小さな曲率半径Ｒて挿通孔（２２）の内
壁面から荷重面（１４）に向かって連続的に滑らかに変
化する凸曲面を有している。
このようなキャピラリチップ（１）を用いると共に上述
した第８図（ａ）〜（ｅ）に示される工程と同様にして
ワイヤボンディングを行った。
すなわち、ます、キャピラリチップ（１）の挿通孔（２
２）内に銅ワイヤ（２）を挿通し、その銅ワイヤ（２）
の先端部をトーチ（３）により加熱してここに銅ワイヤ
（２）の径Ｄ２の１５〜２５倍の直径を有する銅ボール
（４）を形成する。次に、キャピラリチップ（１）を降
下させて銅ボール（４）を銅系リードフレーム（５）の
タイスパッド（６）上に配置されている半導体素子（７
）のアルミニウム電極（８）（被ボンディング体）上に
位置させ、さらにキャピラリチップ（１）を降下させて
銅ボール（４）を塑性変形させる。
このとき、キャピラリチップ（１）の面取り部（１３）
は曲率半径Ｒて連続的に滑らかに変化する凸曲面を有し
ているので、銅ボール（４）に加えられる荷重（１９）
は連続的に滑らかに変化した方向を有することになる。
また、ダイスバット（６）はヒー１へフロック（９）上
に配置されており、半導体素子（７）はこのヒートフロ
ック（９）によって温度３００〜４００　’Ｃに加熱さ
れている。この状態て、キャピラリチップ（１）に振動
装置（図示せず）により超音波振動が印加される。これ
により、銅ワイヤ（２）とアルミニウム電極（８）の両
金属元素か相互拡散し、銅ワイヤ（２）はアルミニウム
電極（８）に固着される。
次に、キャピラリチップ（１）を上昇させつつその先端
部から銅ワイヤ（２）を繰り出した後、ソートフレーム
（５）のインナーリーＦ（１０）上にキャピラリチップ
（１）を降下させて銅ワイヤ（２）をインナーリーＦ（
１０）のワイヤ接続面（１１）上に圧接し、銅ワイヤ（
２）のルーピングを行う。このとき、インナーリート（
１０）はヒートフロック（９）上に配置されて温度３０
０〜４００℃に加熱されると共にキャピラリデツプ（１
）には振動装置（図示セす）により超音波振動か印加さ
れる。これにより、銅ワイヤ（２）とインナーリート（
１０）のワイヤ接続面（１１）の両金属元素か相互拡散
し、銅ワイヤ（２）はワイヤ接続面（１１）に固着され
る。
その後、クランパ（１２）により銅ワイヤ（２）を固定
しなからキャピラリチップ（１）を上昇させて銅ワイヤ
（２）を切断する。
このようにして形成された銅ワイヤ（２）とアルミニウ
ム電極（８）との接合部の構造を第２図に示す。すなわ
ち、キャピラリチップ（１）の凸曲面状の面取り部（１
３）と平坦な荷重面（１４）とによりそれぞれ荷重か加
えられて塑性変形した銅ボール（４）は凹曲面状の被荷
重面（１５）と平坦な被荷重面（１６）とを有し、この
銅ボール（４）の下部に銅アルミニウム合金層（１７）
か形成される。なお、アルミニウム電極（８）の下部に
はＳｉや絶縁膜なとの電極下地層（１８）か形成されて
いる。
ところで、上述したように、銅ボール（４）圧接時に銅
ボール（４）に加わる荷重のヘクトル（１つ）はキャピ
ラリチップ（１）の凸曲面状の面取り部（１３）により
方向が徐々に且つ滑らかに連続的に変化する（第１図参
照）。この分散した荷重は、銅ボール（４）のキャピラ
リチップ（１）との接合面付近の金属元素のみならす、
銅ボール（４）内部の金属元素にも作用し、銅ボール（
４）の裏面には第３図に示すように広範囲に滑り線が現
れて滑り線の少ない核（２０）は小さいものとなる。そ
の結果、銅ボール（４）とアルミニウム電極（８）との
接合部全体にわたって銅　アルミニウム合金層（１７）
がほぼ均一に形成される。
尚、キャピラリチップ（１）の挿通孔（２２）のボール
径Ｄ１と銅ワイヤの径Ｄ２との比り、／Ｄ２を変化させ
てワイヤポンチインクを行い、それぞれの銅アルミニウ
ム合金層（１７）の均一度を調へたところ、第４図のよ
うな結果が得られた。すなわち、比り、／Ｄ２か１３未
満の場合には銅ワイヤは挿通孔（２２）内を滑らかに動
くことができすにルーピンク不可の状態となり、ＩＳよ
り大きい場合には合金層（１７）の均一度か低下してし
まう。従って、ボール径ＤＩと銅ワイヤの径Ｄ２との比
Ｄ１／Ｄ２は、１３〜１５が最適範囲である。
また、ボンデインク後の銅ボール（４）の高さＨと銅　
アルミニウム合金層（１７）の厚みＴとの関係を第５図
の曲線（２３）に示す。たたし、ボンティングは荷重１
３０　Ｈｕ＋、超音波振動の振動数６０ＫＨｚ及び印加
時間３０ｍ５ｅｃで行った。この第５図かられかるよう
に、キャピラリチップ（１）の凸曲面状の面取り部（１
３）と平坦な荷重面（１４）とが滑らかに接続している
ので、銅ボール（４）の大きさが小さくても荷重が集中
して銅ボール（４）を突き破ることはなく、ボンティン
グ後の銅ボール（４）の高さＨを６μｍ程度まで小さく
しても正常なボンティングを行うことかできる。従って
、超音波振動エネルキーの効果を最大限に発揮すること
か可能となる。この第５図には、比較参照するために、
従来の方法てポンチインクした銅ボール（４）の高さＨ
と銅　アルミニウム合金層（１７）の厚みＴとの関係が
曲線（２４）で示されている。
尚、上記実施例では、キャピラリチップ（１）の面取り
部（１３）か連続的に滑らかに変化する１つの凸曲面か
ら構成されていたが、第６図に示すように互いに曲率中
心の異なる複数の凸曲面（２５）及び（２６）て構成す
ることもできる。また、第７図（ａ）及び（ｂ）に示す
ように、平坦な荷重面（１４）に向かって拡径された円
すい面（２７）上に部分的に複数の凸曲面部（２８）が
配置されていても同様の効果か得られる。
上記実施例では、銅ワイヤ（２）の先端部に形成された
銅ボール（４）とアルミニウム電極（８）とのボンディ
ンクについて述へたが、これに限るものではなく、この
発明は銅以外の金属からなる金属ワイヤ及び金属ボール
にも適用でき、また被ボンディング体としてアルミニウ
ム以外の金属を用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれは、金属ボールに連
続的に滑らかに変化する荷重方向を有する荷重か加えら
れるのて、金属ボールの金属元素の滑りは接合部全体に
わたって発生し、金属ボールと被ポンチインク体との間
にほぼ均一な合金層か形成される。
また、ホンデインク後の金属ボールの高さを広範囲に設
定することかできるので、被ボンデインク体に衝撃を与
えることなく超音波振動エネルギーを最大効率て印加し
て信頼性の高いワイヤボンディングを行うことが可能と
なると共に、ボンデインク可能なテハイスの範囲か拡大
される。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれこの発明の一実施例
に係るキャピラリチップの要部を示す断面図及び端面図
、第２図は実施例により形成されたポンチインク部の断
面図、第３図は第２図の銅ボールの裏面における金属元
素の滑り線を示す図、第４図は実施例におけるキャピラ
リチップの挿通孔のボール径Ｄ１と銅ワイヤの径Ｄ２と
の比り、／Ｄ２に対する銅　アルミニウム合金層の均一
度を示すグラフ、第５図はホンティング後の銅ボールの
高さＨと銅アルミニウム合金層の厚みＴとの関係を示す
グラフ、第６図及び第７図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ他
の実施例を示す図、第８図は一般的なワイヤボンディン
グ方法を示す工程図、第９図（ａ）及び（ｂ）はそれそ
れ従来のキャピラリチップの要部を示す断面図及び端面
図、第１０図は従来のポンチインク部の断面図、第１１
図は第１０図の銅ボールの裏面における金属元素の滑り
線を示す図である。 図において、（１）はキャピラリチップ、（２）は銅ワ
イヤ、（４）は銅ボール、（８）はアルミニウム電極、
（９）はヒートフロック、（１３）は面取り部、（１７
）は銅・アルミニウム合金層、（２２）は挿通孔、（２
５）及び（２６）は凸曲面、（２７）は円すい面、（２
８）は凸曲面部である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 ｒｃＯ トリ （’Ｊ（Ｑ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）ワイヤの先端部に形成された金属ボールを被ボン
    ディング体上に位置させる工程と、 連続的に滑らかに変化する荷重方向を有する荷重を前記
    金属ボールに加えてこれを前記被ボンディング体に圧接
    し塑性変形させる工程と、 塑性変形された前記金属ボールに超音波振動を印加して
    前記金属ボールと前記被ボンディング体の双方の構成元
    素を相互拡散させることにより前記金属ボールを前記被
    ボンディング体に固着させる工程と を有することを特徴とするワイヤボンディング方法。
  2. （２）前記被ボンディング体は温度３００〜４００℃に
    加熱されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載のワイヤボンディング方法。
  3. （３）前記ワイヤ及び前記金属ボールは銅からなること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のワイヤボンデ
    ィング方法。
  4. （４）前記金属ボールは塑性変形される前に前記ワイヤ
    の径の１．５〜２．５倍の直径を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載のワイヤボンディング方法
    。
  5. （５）ワイヤの先端部に形成された金属ボールを被ボン
    ディング体に圧接して塑性変形させた後、前記金属ボー
    ルに超音波振動を印加して前記金属ボールと前記被ボン
    ディング体とを接合させるためのキャピラリチップであ
    って、 前記金属ボールを圧接するための平坦な荷重面と、 該荷重面に開口し前記ワイヤを挿通させる挿通孔と、 該挿通孔の開口部に形成されると共に連続的に滑らかに
    変化する凸曲面を有する面取り部とを備えたことを特徴
    とするキャピラリチップ。
  6. （６）前記凸曲面は前記挿通孔の内壁面から前記荷重面
    に向かって連続的に滑らかに変化することを特徴とする
    特許請求の範囲第５項記載のキャピラリチップ。
  7. （７）前記面取り部はそれぞれ曲率中心の異なる複数の
    凸曲面を有することを特徴とする特許請求の範囲第５項
    記載のキャピラリチップ。
  8. （８）前記面取り部は前記挿通孔の内壁面から前記荷重
    面に向かって拡径される円すい面と該円すい面上に形成
    された複数の凸曲面部とを有することを特徴とする特許
    請求の範囲第５項記載のキャピラリチップ。
  9. （９）前記凸曲面は前記ワイヤの径より小さい曲率半径
    を有することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の
    キャピラリチップ。
  10. （１０）前記挿通孔の開口部付近の径は前記ワイヤの径
    の１．３〜１．５倍であることを特徴とする特許請求の
    範囲第５項記載のキャピラリチップ。
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