JPH0547825A - キヤピラリチツプおよび半導体装置 - Google Patents

キヤピラリチツプおよび半導体装置

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JPH0547825A
JPH0547825A JP20795991A JP20795991A JPH0547825A JP H0547825 A JPH0547825 A JP H0547825A JP 20795991 A JP20795991 A JP 20795991A JP 20795991 A JP20795991 A JP 20795991A JP H0547825 A JPH0547825 A JP H0547825A
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JP
Japan
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metal wire
bonding
inner lead
curved surface
tip
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JP20795991A
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English (en)
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Kiyoaki Tsumura
清昭 津村
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、金属ワイヤとリードフレームの
インナーリードとを十分強固な接合強度でステッチボン
ドできるキャピラリチップおよび十分強固な接合強度で
ステッチボンドされた半導体装置を得ることを目的とす
る。 【構成】 キャピラリチップ９の軸心には、金属ワイヤ
を通す挿通穴９ａが形成されている。このキャピラリチ
ップ９の先端内周端面には、曲率半径ＩＲのインナー凸
曲面９１が形成されている。また、キャピラリチップ９
の先端外周端面には、金属ワイヤの直径の２倍以上の曲
率半径ＯＲのアウター凸曲面９２が形成されている。さ
らに、キャピラリチップ９の先端端面には、軸心と直交
する平面に対して０〜４°の角度で荷重面９３が形成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子基板上の
電極層に金属ワイヤの一端に形成した金属ボールをボン
ディングし、金属ワイヤの他端をリードフレームのイン
ナーリードにボンディングした半導体装置およびこの半
導体装置の接合を実現するキャピラリチップチップに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は例えば特開平１ー２０１９３４号
公報および特開平２ー４３７４７号公報に記載された従
来の半導体装置における半導体素子基板の電極と金属ワ
イヤとの接合状態を示す断面図である。図において、１
は半導体素子基板であるシリコン基板、２はシリコン基
板１上に形成された酸化膜（ＳｉＯ2）、３は酸化膜２
上に形成されたＡｌからなる電極、４はＣｕからなる直
径Ｄの金属ワイヤ、４ａは金属ワイヤ４の先端部に形成
されたＣｕからなる金属ボールが電極３上で塑性変形し
て電極３に接合された圧着ボールであり、この圧着ボー
ル４ａは圧着ボール４ａと金属ワイヤ４との接続部から
曲率半径ＩＲの凹曲面形状で滑らかに連続的に変化する
ように形成されている。５は電極３と圧着ボール４ａと
の接合層であり、この接合層５にはＣｕーＡｌの金属間
化合物が生成されている。
【０００３】図４および図５はそれぞれ従来の半導体装
置におけるリードフレームのインナーリードと金属ワイ
ヤとの接合状態の一例を示す断面図および正面図であ
る。図において、６はリードフレーム（図示せず）上に
設けられたＣｕ合金あるいはＦｅ−Ｎｉ合金からなるイ
ンナーリード、７はインナーリード６上に被覆されたＡ
ｇメッキ層、８は金属ワイヤ４をインナーリード６上で
塑性変形してＡｇメッキ層７に接合された接合層であ
り、この接合層８には、例えばＣｕ−Ａｇの金属間化合
物が生成されている。接合層８上の金属ワイヤ４の端部
には曲率半径ＯＲ2の塑性変形面４２が形成されてい
る。
【０００４】また、図６および図７はそれぞれ従来の半
導体装置におけるリードフレームのインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の他の例を示す断面図および正面
図であり、この例では、Ａｇメッキ層７と角度βの角度
をなし、曲率半径ＯＲ3の塑性変形面４３が接合層８上
に形成されるように、金属ワイヤ４とＡｇメッキ層７と
が接合されている。
【０００５】図８は従来の半導体装置製造用キャピラリ
チップの一例を示す先端断面図であり、図において９は
先端が円錐形状を有するキャピラリチップであり、９ａ
はこのキャピラリチップ９の軸心に金属ワイヤ４を通す
ために設けられた穴径Ｈの挿通穴９ａである。このキャ
ピラリチップ９の先端内周端面には、曲率半径ＩＲのイ
ンナー凸曲面９１が形成され、先端外周端面には、金属
ワイヤ４の直径Ｄの２倍未満の曲率半径ＯＲのアウター
凸曲面９２が形成され、さらに先端端面には、水平面
（軸心と直交する平面）に対して角度βの傾きをもつ荷
重面９３が形成されている。ここで、インナー凸曲面９
１は金属ボールを塑性変形させる機能を有し、アウター
凸曲面９２は金属ワイヤ４を塑性変形させる機能を有
し、荷重面９３は金属ボールおよび金属ワイヤ４に負荷
を印加する機能を有する。
【０００６】つぎに、従来の半導体装置の製造方法につ
いて説明する。まず、金属ワイヤ４をキャピラリチップ
９の挿通穴９ａに通し、金属ワイヤ４の先端を溶融して
金属ボールを形成する。その後、金属ボールをシリコン
基板１の所望の電極３上に位置させ、キャピラリチップ
９に所定の荷重および振動（例えば、６０ｋＨｚ）を加
えるとともに、シリコン基板１に熱を加える。金属ワイ
ヤ４の先端の金属ボールは、キャピラリチップ９のイン
ナー凸曲面９１と荷重面９３とで加圧されて圧着ボール
４ａに塑性変形する。また、圧着ボール４ａと電極３と
の境界面には、シリコン基板１に加えられている熱エネ
ルギとキャピラリチップ９を介して印加されている振動
エネルギとにより、Ｃｕ−Ａｌの金属間化合物が生成さ
れ、図３に示すように、金属ワイヤ４と電極３とが接合
される。ここで、インナー凸曲面９１は、金属ボール内
部のＣｕ原子を電極３の電極面に効率よく押し出して接
合を容易にするように働いている。
【０００７】ついで、キャピラリチップ９をその先端か
ら金属ワイヤ４を繰り出しながら、リードフレーム上の
所望のインナーリード６まで移動させ、再度キャピラリ
チップ９に所定の荷重および振動（例えば、６０ｋＨ
ｚ）を加えるとともに、インナーリード６に熱を加え
る。インナーリード６上の金属ワイヤ４は、アウター凸
曲面９２と荷重面９３とで加圧されて塑性変形され、金
属ワイヤ４とＡｇメッキ層７との境界面には、インナー
リード６に加えられている熱エネルギとキャピラリチッ
プ９を介して印加されている振動エネルギとにより、Ｃ
ｕ−Ａｇの金属間化合物が生成され、図４乃至図７に示
すように、金属ワイヤ４とＡｇメッキ層７とが接合され
る。ここで、キャピラリチップ９のアウター凸曲面９２
は、金属リード４内部のＣｕ原子をＡｇメッキ層７面に
効率よく押し出して接合を容易にするように働いてい
る。
【０００８】このようにして、シリコン基板１上の電極
３に金属ワイヤ４の一端がボールボンドされ、リードフ
レーム上のインナーリード６に金属ワイヤ４の他端がス
テッチボンドされ、半導体装置が製造される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は以
上のように、アウター凸曲面９２の曲率半径ＯＲが金属
ワイヤ４の半径Ｄの２倍未満のキャピラリチップ９を用
いてボンディングされているので、金属ワイヤ４が十分
に塑性変形しきれず、過度の荷重や振動エネルギを印加
してしまい、安定してステッチボンドができないという
課題があった。
【００１０】この発明の第１の発明は、上記のような問
題点を解決するためになされたもので、十分強固な接合
強度でステッチボンドされた半導体装置を安定して製造
できるキャピラリチップを得ることを目的とする。
【００１１】また、この発明の第２の発明は、十分強固
な接合強度でステッチボンドされた半導体装置を得るこ
とを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係るキャピラリチップは、軸心と直交する平面に対して
０〜４°の角度を有する荷重面を先端端面に形成すると
ともに、金属ワイヤの直径の２倍以上の曲率半径を有す
るアウター凸曲面を先端外周端面に形成するものであ
る。
【００１３】また、この発明の第２の発明に係る半導体
装置は、リードフレームのインナーリードと金属ワイヤ
との接合部の形状を、金属ワイヤの直径の２倍以上の曲
率半径を有する凹曲面とするものである。
【００１４】
【作用】この発明においては、軸心と直交する平面に対
して０〜４°の角度を有する荷重面と金属ワイヤの直径
の２倍以上の曲率半径を有するアウター凸曲面とが、イ
ンナーリードとの接合部の金属ワイヤを広い面積で塑性
変形させ、キャピラリチップを介してインナーリードと
金属ワイヤとの接合面に印加される振動エネルギの伝達
効率を高めるように作用し、インナーリードと金属ワイ
ヤとの接合を強固にする。
【００１５】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：９０μｍ、β：０°
のキャピラリチップ９を作製し、超音波電源の出力エネ
ルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、荷重：１５０
ｇのボンディング条件で、シリコン基板１上の電極３お
よびリードフレーム上のインナーリード６に直径２５μ
ｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金属ワイヤ４と
電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ４とインナー
リード６とのステッチボンドのボンディング特性を評価
し、その結果を表１に示す。
【００１６】実施例２．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：５０μ
ｍ、β：０°のキャピラリチップ９を作製し、超音波電
源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、
荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基板１
上の電極３およびリードフレーム上のインナーリード６
に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金
属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ
４とインナーリード６とのステッチボンドのボンディン
グ特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００１７】実施例３．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：２００
μｍ、β：０°のキャピラリチップ９を作製し、超音波
電源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨ
ｚ、荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基
板１上の電極３およびリードフレーム上のインナーリー
ド６に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングし
た。金属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属
ワイヤ４とインナーリード６とのステッチボンドのボン
ディング特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００１８】比較例１．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：４０μ
ｍ、β：０°のキャピラリチップ９を作製し、超音波電
源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、
荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基板１
上の電極３およびリードフレーム上のインナーリード６
に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金
属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ
４とインナーリード６とのステッチボンドのボンディン
グ特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００１９】比較例２．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：９０μ
ｍ、β：４°のキャピラリチップ９を作製し、超音波電
源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、
荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基板１
上の電極３およびリードフレーム上のインナーリード６
に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金
属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ
４とインナーリード６とのステッチボンドのボンディン
グ特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００２０】比較例３．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：４０μ
ｍ、β：４°のキャピラリチップ９を作製し、超音波電
源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、
荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基板１
上の電極３およびリードフレーム上のインナーリード６
に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金
属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ
４とインナーリード６とのステッチボンドのボンディン
グ特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００２１】比較例４．ＩＲ：１０μｍ、ＯＲ：４０μ
ｍ、β：８°のキャピラリチップ９を作製し、超音波電
源の出力エネルギ：１００、振動周波数：６０ｋＨｚ、
荷重：１５０ｇのボンディング条件で、シリコン基板１
上の電極３およびリードフレーム上のインナーリード６
に直径２５μｍの金属ワイヤ４をボンディングした。金
属ワイヤ４と電極３とのボールボンドおよび金属ワイヤ
４とインナーリード６とのステッチボンドのボンディン
グ特性を評価し、その結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】表１の結果から、金属ワイヤ４と電極３と
のボールボンドは各実施例および各比較例ともに良好な
ボンディング特性を示しているので、金属ワイヤ４とイ
ンナーリード６とのステッチボンドのボンディング特性
について説明する。
【００２４】実施例１では、金属ワイヤ４とインナーリ
ード６との接合部は、図１および図２に示すように、曲
率半径ＯＲ1がほぼ９０μｍの塑性変形面４１を形成し
ており、ステッチボンドの初期ハガレの発生もなく、良
好なボンディング特性が得られた。このことは、金属ワ
イヤ４が広い面積で塑性変形して、荷重面９３とＡｇメ
ッキ層７との間に薄く押し広げられ、振動エネルギが効
率よく伝達され、Ｃｕ−Ａｇの金属間化合物からなる接
合層８の厚みが厚く形成されることに起因すると考えら
れる。また、図９中Ａで示すように、荷重１４０〜１８
０ｇ、超音波電源の出力エネルギ２０〜１５０の条件で
ボンディングすることにより、安定して強固な接合が実
現できた。
【００２５】実施例２では、金属ワイヤ４とインナーリ
ード６との接合部は、曲率半径ＯＲ1がほぼ５０μｍの
塑性変形面４１を形成しており、ステッチボンドの初期
ハガレの発生もなく、良好なボンディング特性が得られ
た。
【００２６】実施例３では、金属ワイヤ４とインナーリ
ード６との接合部は、曲率半径ＯＲ1がほぼ２００μｍ
の塑性変形面４１を形成しており、ステッチボンドの初
期ハガレの発生もなく、良好なボンディング特性が得ら
れた。
【００２７】比較例１では、金属ワイヤ４とインナーリ
ード６との接合部は、図４および図５に示すように曲率
半径ＯＲ2がほぼ４０μｍの塑性変形面４２を形成して
おり、ステッチボンドの初期ハガレが発生し、良好なボ
ンディング特性が得られなかった。このことは、金属ワ
イヤ４が広い面積で塑性変形しておらず、キャピラリチ
ップ９の荷重面９３とＡｇメッキ層７との間に押し広げ
られた金属ワイヤ４は厚く、振動エネルギが効率よく伝
達できず、Ｃｕ−Ａｇの金属間化合物からなる接合層８
の厚みが薄く形成されることに起因するものと考えられ
る。この場合、振動エネルギの印加方向は常に一定であ
るのに対し、金属ワイヤ４のボンディング方向が３６０
°に変化するために、振動エネルギの伝達がうまくいか
ず、特定のインナーリード６でステッチハガレが発生し
ており、安定して接合するためには、図９中Ｂで示すよ
うに、荷重１５０〜１８０ｇ、超音波電源の出力エネル
ギ１００〜１３０の条件でボンディングする必要があっ
た。
【００２８】比較例２では、金属ワイヤ４とインナーリ
ード６との接合部は、図６および図７に示すように曲率
半径ＯＲ3がほぼ９０μｍの塑性変形面４２を形成して
おり、ステッチボンドの初期ハガレが発生し、良好なボ
ンディング特性が得られなかった。このことは、金属ワ
イヤ４が広い面積で塑性変形せず、比較例１と比べて荷
重面９３とＡｇメッキ層７との間に押し広げられた金属
ワイヤ４はさらに厚く、振動エネルギが効率よく伝達で
きず、接合層８の厚みが一層薄く形成されることに起因
するものと考えられる。
【００２９】比較例３、４についても、同様にステッチ
ボンドの初期ハガレが発生し、良好なボンディング特性
が得られなかった。
【００３０】上記実施例１と比較例２との結果から、キ
ャピラリチップ９の荷重面９３の角度βが４°未満であ
ればステッチボンドの良好なボンンディング特性が得ら
れている。
【００３１】また、実施例１乃至３および比較例１の結
果から、キャピラリチップ９のアウター凸曲面９２の曲
率半径ＯＲが金属ワイヤ４の直径の２倍を超えていれば
ステッチボンドの良好なボンディング特性が得られてい
る。
【００３２】さらに、図９の結果から、実施例１は比較
例２に比べて、ボンディング条件の安定接合領域が広く
とれ、かつ低振動エネルギ、軽荷重でも強固な接合が実
現でき、ボンディング作業性が優れている。
【００３３】このことから、荷重面９３の角度βが０〜
４°、アウター凸曲面９２の曲率半径ＯＲが金属ワイヤ
４の２倍以上のキャピラリチップ９を用いてボンディン
グすることにより、金属ワイヤ４と電極３とのボールボ
ンドおよび金属ワイヤ４とインナーリード６とのステッ
チボンドのボンディング特性が良好なボンディングを得
ることができる。
【００３４】また、金属ワイヤ４とインナーリード６と
の接合部の形状は、キャピラリチップ９のアウター凸曲
面９２の曲率半径ＯＲとほぼ等しい曲率半径の凹曲面を
呈していることから、ステッチボンドの塑性変形部の曲
率半径が金属ワイヤ４の２倍以上であれば、良好なボン
ディングが得られている。
【００３５】なお、上記各実施例では、金属ワイヤ４と
してＣｕを主成分としたワイヤを用いて説明している
が、この発明はこれに限定されるものではなく、例えば
Ａｕを主成分としたワイヤを用いてもよい。
【００３６】また、上記各実施例では、電極３をＡｌを
主成分とする材料で構成して説明しているが、この発明
はこれに限定されるものではなく、例えばＣｕを主成分
とする材料で構成してもよい。
【００３７】さらに、上記各実施例では、インナーリー
ド６上にＡｇメッキ層７を被覆して説明しているが、こ
の発明はこれに限定されるものではなく、例えばＡｕメ
ッキ層を被覆してもよい。
【００３８】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００３９】この発明の第１の発明によれば、軸心と直
交する平面に対して０〜４°の角度を有する荷重面を先
端端面に形成し、金属ワイヤの直径の２倍以上の曲率半
径を有するアウター凸曲面を先端外周端面に形成してキ
ャピラリチップを作製しているので、十分強固な接合強
度でステッチボンドされた半導体装置を安定して製造す
ることができる。
【００４０】また、この発明の第２の発明によれば、イ
ンナーリードと金属ワイヤとの接合部の形状を、金属ワ
イヤの直径の２倍以上の曲率半径を有する凹曲面として
いるので、十分強固な接合強度でステッチボンドされた
半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１を示すインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の断面図である。
【図２】この発明の実施例１を示すインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の平面図である。
【図３】従来の半導体装置における半導体素子基板の電
極と金属ワイヤとの接合状態を示す断面図である。
【図４】従来の半導体装置におけるインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の一例を示す断面図である。
【図５】従来の半導体装置におけるインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の一例を示す平面図である。
【図６】従来の半導体装置におけるインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の他の例を示す断面図である。
【図７】従来の半導体装置におけるインナーリードと金
属ワイヤとの接合状態の他の例を示す平面図である。
【図８】従来の半導体装置製造用キャピラリチップの一
例を示す先端断面図である。
【図９】インナーリードと金属ワイヤとの接合部のボン
ディング特性における荷重と振動エネルギとの関係を表
すグラフである。
【符号の説明】
１ シリコン基板（半導体素子基板） ３ 電極 ４ 金属ワイヤ ６ インナーリード ９ キャピラリチップ ９ａ 挿通穴 ４１ 塑性変形面 ９１ インナー凸曲面 ９２ アウター凸曲面 ９３ 荷重面

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軸心に形成された金属ワイヤの挿通穴
    と、先端端面に形成された荷重面と、先端内周端面に形
    成されたインナー凸曲面と、先端外周端面に形成された
    アウター凸曲面とを備えたキャピラリチップにおいて、
    前記荷重面は、前記軸心と直交する平面に対して０〜４
    °の角度で形成されるとともに、前記アウター凸曲面
    は、前記金属ワイヤの直径の２倍以上の曲率半径で形成
    されていることを特徴とするキャピラリチップ。
  2. 【請求項２】 半導体素子基板と、リードフレームと、
    一端が前記半導体素子基板の電極に接合され、他端が前
    記リードフレームのインナーリードに接合された金属ワ
    イヤとを備えた半導体装置において、前記インナーリー
    ドと前記金属ワイヤとの接合部が凹曲面形状をなし、前
    記凹曲面形状の曲率半径が前記金属ワイヤの直径の２倍
    以上であることを特徴とする半導体装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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