JPH0572088A - 線材引張試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実使用状態に近い形でボンディングワイヤの
引張試験を実行する。 【構成】 ＸＹ方向に移動操作し得るように構成され、
試料１の一端側を保持する試料台１４と、その他端側を
把持するクランパ１８と、試料台１４に保持された試料
１を加熱するヒータ１３と、クランパ１８に係合される
張力検出器３２と、張力検出器３２を移動させるステッ
ピングモータ３７と、張力検出器３２の移動量を検出す
る変位検出器４３と、張力検出器３２および変位検出器
４３の検出データに基づいて張力−歪量関係を演算する
演算器４３とを備えている。 【効果】 ワイヤ２の一端部を薄板３にボンディングし
て試料１を作成し、薄板３を試料台１４で保持し、ワイ
ヤ２の他端部をクランパ１８で把持して、モータ３７の
駆動によりワイヤ２に張力を加えて引張試験し、試験
中、試料１をヒータ１３で加熱することにより、実使用
状態でワイヤの引張試験を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、線材引張試験装置、特
に、半導体装置において半導体ペレットとリードとを電
気的に接続するためのボンディングワイヤの強度を測定
することを目的とした線材引張試験装置に関し、例え
ば、ボールボンディング時にボールを形成するために熱
影響を受けたワイヤの一部分（例えば、ボールから数十
μｍ〜数百μｍの部分）の引張強度および伸び率を測定
するのに利用して有効な線材引張試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な線材引張試験装置は、線材をそ
の両端部をそれぞれ把持して引っ張り、引張強度や伸び
率を測定するように構成されている。そして、半導体装
置に使用されるボンディングワイヤ自体は極細線の一例
であるため、ボンディングワイヤ自体の引張試験につい
ては、極細線用の一般的な線材引張試験装置が使用され
ている。

【０００３】しかし、半導体装置においては、ボンディ
ングワイヤ自体の引張強度よりも、半導体ペレット（以
下、ペレットという。）とリードとの間にボンディング
された後におけるボンディングワイヤの引張強度が重要
となる。そこで、ボンディングワイヤをその両端部をリ
ードフレーム等の基板にそれぞれボンディングしてアー
チ形状となし、そのアーチ形状のボンディングワイヤに
線材引張試験装置の一方の検出子を引っ掛けて引っ張る
ことにより、ボンディング後におけるボンディングワイ
ヤについての引張試験が実施されている。

【０００４】なお、ワイヤボンディング工程における問
題点を述べてある例としては、株式会社工業調査会発行
「ＩＣ化実装技術」昭和５５年１月１５日発行 Ｐ１５
１〜Ｐ１５５、がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーチ
形状に形成されたボンディングワイヤを引張る試験方法
による評価は、半導体装置の製造工程において実際にペ
レットの電極パッドにボールボンディングされたボンデ
ィングワイヤについての評価としては不充分であるとい
う問題点があることが、本発明者によって明らかにされ
た。

【０００６】なぜならば、従来の線材引張試験装置はボ
ール形成時の熱影響によって生ずるボールネック上部の
再結晶範囲である数十〜数百μｍ範囲の強度および伸び
率を直接的に測定可能な機構を有せず、また、試料を加
熱し得る構造となっていないことから、樹脂封止工程に
おける高温時の機械的特性を測定することが困難である
ためである。

【０００７】ここで、評価が異なる原因になると思われ
る理由を以下に述べる。樹脂封止型パッケージを備えて
いる半導体装置において、ペレット上の電極パッドとリ
ードとを接続するワイヤボンディング方法として、金ま
たは銅細線を用いたボールボンディング方法がある。こ
のワイヤボンディング方法において、ボールはワイヤ先
端部において加熱溶融することによって形成される。ワ
イヤ先端部の加熱方法としては、放電トーチまたは水素
トーチが用いられている。ボール形成時、ワイヤの先端
部は融点に達するため、ボール直上部のワイヤは再結晶
することになる。この再結晶を生ずる範囲は、ワイヤの
材質または組成により異なるが、一般的には、先端部か
ら５０μｍ〜３００μｍ程度である。

【０００８】このようにしてボールボンディングされた
ワイヤおよびペレットは、１８０℃〜２００℃程度の高
温で樹脂封止される際、樹脂の収縮応力により前述の再
結晶部において破断することがある。

【０００９】この原因として考えられる主なものは、次
の通りである。 樹脂と半導体素子表面の間にきわめてわずかな隙間
が発生し、ボールネック直上部に形成された再結晶部に
張力が発生する。 高温時にワイヤの張力および伸び率が低下する。

【００１０】したがって、高温時におけるワイヤ再結晶
部の物理的性質を明らかにすることは、不良発生防止の
観点から各種ワイヤを選定または比較評価する上できわ
めて重要である。

【００１１】しかしながら、次のような理由により、ボ
ールボンディング後のボンディングワイヤの引張試験を
高い精度で実施することは困難である。 再結晶範囲はきわめて微小な範囲である。 ワイヤの両端部を基板にワイヤボンディングした
後、強度を測定する従来の試験方法では、測定がワイヤ
のアーチ形状に影響されるため、真に再結晶部の強度お
よび伸び率を測定することができない。 また、近似的にはワイヤ全体を熱処理して、ボール
ネック直上部と同様な再結晶組織として、物理的性質を
求める方法があるが、実際の再結晶状態を再現すること
はきわめて困難である。

【００１２】本発明の目的は、実使用状態に近い形でボ
ンディングワイヤの引張試験を実施することができる線
材引張試験装置を提供することにある。

【００１３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通り
である。

【００１５】すなわち、ＸＹ方向に移動操作し得るよう
に構成されており、試料の一端側を保持する試料台と、
試料台に保持された試料の他端側を把持するクランパ
と、試料台に保持された試料を加熱する加熱手段と、ク
ランパに係合される張力検出器と、張力検出器を移動さ
せるためのモータと、張力検出器の移動量を検出する変
位検出器と、張力検出器の検出データおよび変位検出器
の検出データに基づいて張力−歪量関係を演算する演算
器とを備えていることを特徴とする。

【００１６】

【作用】前記手段において、まず、試料の一端側が試料
台に保持され、他端側がクランパに把持される。この
際、試料台がＸＹ方向に移動操作されることにより、試
料にストレスを加えることなく、保持および把持が実行
される。続いて、モータにより張力検出器が移動される
と、張力検出器およびクランパを介して張力が試料に加
わる。この張力の作用に伴って試料が伸びると、変位検
出器により、その伸び量が検出される。この間、加熱手
段により、試料は所定の温度になるように加熱される。
そして、演算器により、張力検出器および変位検出器か
らの検出データに基づいて、当該加熱温度下における張
力−歪量関係曲線が演算される。

【００１７】前記した手段によれば、ボールボンディン
グにおけるボール直上部の再結晶範囲において、実際の
樹脂封止と同様の拘束状態と、温度環境下で物理的特性
を簡便に比較評価が可能となる。したがって、ワイヤ径
の変更および材質の変更に際して必要としていた大量の
実装評価データの収集作業を、省略化することができ
る。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例であるボンディング
ワイヤの引張試験装置を示す斜視図、図２はそのワイヤ
クランプ部を示す拡大斜視図である。

【００１９】本実施例において、本発明に係る線材引張
試験装置は、半導体装置に使用されるボンディングワイ
ヤがボールボンディングされた後の引張試験を実行する
ものとして構成されている。

【００２０】このボンディングワイヤの引張試験装置１
０に使用される試料１は、次のようにして得られる。す
なわち、直径２０μｍ〜５０μｍ程度のボンディングワ
イヤ２が、表面に銀めっき被膜（図示せず）が被着され
た薄板３にボールボンディング方法によりボンディング
される。このように一端がボールボンディングされたボ
ンディングワイヤ２の他端は第２ボンディングされず
に、ワイヤ２にストレスを与えないように１０ｍｍ程度
上部で、切断されて直線形状のままとされている。ま
た、銀めっきされた薄板３は、厚さ０．２ｍｍ〜０．３
ｍｍの薄板であり、充分に熱容量の小さな大きさとす
る。

【００２１】次に、ボンディングワイヤ引張試験装置１
０の構成を説明する。このボンディングワイヤ引張試験
装置１０は長方形の平板形状に形成されたベース１１を
備えており、ベース１１の略中央部にはＸＹテーブル１
２が設備されている。ＸＹテーブル１２上には試料台と
してのヒートブロック１４が固定されており、このヒー
トブロック１４はＸＹテーブル１２によりＸＹ方向に移
動されるようになっている。ヒートブロック１４はヒー
タ電源１３Ａにより制御される電気ヒータ１３により発
熱されて、後述するように試料１を加熱し得るようにな
っている。

【００２２】図２に示されているように、ヒートブロッ
ク１４の上面には一対の押さえ金具１５、１５が左右対
称に配されて、一端をビス１６によりそれぞれ締め付け
られるように取り付けられており、両押さえ金具１５、
１５は前記試料１の薄板３の周辺部を押さえて、試料台
としてのヒートブロック１４上に試料１を固定的に保持
するようになっている。

【００２３】ベース１１のＸＹテーブル１２の片脇には
支柱１７が立設されており、図２に示されているよう
に、支柱１７の上端部にはクランパ１８がその一端部を
ピン１９により回転自在に軸支されて、垂直方向に回動
し得るように取り付けられている。クランパ１８は矩形
のブロック形状に形成された本体２０と、板ばね材が用
いられて矩形の平板形状に形成された押さえプレート２
１とを備えており、本体２０と押さえプレート２１とは
互いに当接された状態に組み合わせされているととも
に、その合わせ面が垂直面を構成するようにピン１９に
より支持されている。本体２０と押さえプレート２１と
の中間部にはボルト２２が挿通されてそれぞれ螺合され
ており、このボルト２２により本体２０と押さえプレー
ト２１との隙間が加減されるようになっている。

【００２４】また、本体２０の自由端部の上面には下側
フック２３が垂直方向上向きに突設されており、このフ
ック２３は後記する張力検出器の上側フックと係合し得
るように構成されている。

【００２５】図１に示されているように、ベース１１上
には架台３０が立設されており、架台３０にはＺ方向ガ
イド３１が垂直方向に配設されている。このガイド３１
には歪ゲージ式微小荷重ロードセルが使用されている張
力検出器３２が後記する移動ブロック３４と共に支持さ
れており、この張力検出器３２は移動ブロック３４と共
にガイド３１により案内されて垂直方向に移動し得るよ
うになっている。張力検出器３２の下面には上側フック
３３が垂直方向下向きに突設されており、このフック３
３は前記下側フック２３に係合し得るようになってい
る。

【００２６】また、架台３０上にはベース３６を支持し
た支柱３５が垂直方向上向きに立設されており、水平に
張り出されたベース３６にはステッピングモータ３７が
据え付けられている。ステッピングモータ３７の回転軸
３８は垂直方向下向きに突出されており、この回転軸３
８には駆動側ギヤ３９が固定的に外装されている。この
ステッピングモータ３７はコントローラ４０により、
０．９度／ステップ、の分解能をもって回転を制御され
るようになっている。

【００２７】ベース３６と架台３０の天板との間には送
りねじ軸４１が垂直に配されて回転自在に支承されてお
り、この送りねじ軸４１の中間部には前記駆動側ギヤ３
９に噛合された従動側ギヤ４２が固定的に外装されてい
る。そして、送りねじ軸４１の雄ねじ部４１ａは移動ブ
ロック３４に螺合されており、これにより、移動ブロッ
ク４１は送りねじ軸４１の正逆回転に伴って垂直方向上
下に適宜移動されるようになっている。

【００２８】架台３０上には歪ゲージ式変位変換器が使
用されている変位検出器４３が垂直方向上向きに据え付
けられており、この検出器４３の検出子４４は移動ブロ
ック３４の下面に突き当てられるようになっている。

【００２９】この変位検出器４３には演算器４５が接続
されており、この演算器４５の他の入力端には前記張力
検出器３２が接続されている。また、演算器４５の出力
端にはデータ記録装置４６が接続されている。演算器４
５は張力検出器３２および変位検出器４３からそれぞれ
送信されて来る各測定データに基づいて、張力と歪量と
の関係を示す特性曲線を算出し、データ記録装置４６に
記録するようになっている。

【００３０】次に作用を説明する。銀めっき処理された
薄板３にボンディングワイヤ２がボールボンディング方
法によりボール部を接着されて成る試料１は、ヒータ１
３を有するブロック１４に押さえ金具１５、１５により
保持される。このとき、試料台としてのヒートブロック
１４がＸＹテーブル１２によりＸＹ方向に対して微小移
動調節されることにより、クランパ本体２０と押さえプ
レート２１との間に試料１のワイヤ２が挿入された後、
クランパ１８のボルト２２が緩められることによってワ
イヤ２の直線形状のままの上端部がクランプされる。

【００３１】クランパ１８のフック２３は、歪ゲージ式
微小荷重ロードセルを用いた張力検出器３２取り付けた
フック３３に吊り下げられる。

【００３２】なお、ボンディングワイヤ２のクランパ１
８は、ヒートブロック１４または試料１の薄板３にクラ
ンパ１８が接触した所を原点として所望のクランプ高さ
まで、クランパ１８をステッピングモータ３７により移
動させることにより、ワイヤ２のクランプ位置すなわち
試験長さを精度良く設定することが可能である。本実施
例において、この試験長さは、５０μｍ〜３００μｍに
設定される。また、説明図では省略したが、クランプ部
位を拡大してセットし易くするために、顕微鏡を設置す
ることが望ましい。

【００３３】ステッピングモータコントローラ４０によ
り指示された回転速度で、ステッピングモータ３７が正
方向に回転駆動されると、モータ軸３８の回転が駆動側
ギヤ３９および従動側ギヤ４２によって減速されて送り
ねじ軸４１に伝達される。送りねじ軸４１には移動ブロ
ック３４が進退可能に螺合されているため、Ｚ方向ガイ
ド３１に支持された移動ブロック３４および張力検出器
３２は同時に、送りねじ軸４１の回転量とねじピッチと
に応じてＺ方向ガイド３１にガイドされて垂直方向上向
きに移動する。

【００３４】ここで、ステッピングモータ３７の分解能
を０．９度／ｓｔｅｐ、減速ギヤのギヤ比を１／６、ね
じピッチを５００μｍとして、５ｐｐｓ（１秒間に５パ
ルス）与えたとすると、５００×（０．９°／３６０）
×（１／６）×５＝１．０４μｍ／ｓｅｃ、の速度で張
力が与えられることになる。

【００３５】また、このとき、ヒータ電源１３Ａによる
制御によりヒータ１３が加熱され、試料１が加熱され
る。この試料１は熱容量が極めて小さいため、ヒートブ
ロック１４と略同じ温度に設定される。

【００３６】そして、移動ブロック３４の移動量、すな
わち、ボンディングワイヤ２の伸び量は移動ブロック３
４の下面に接触している変位検出器４３により測定さ
れ、変位検出器４３から演算器４５に送信される。同時
に、張力検出器３２により歪量が測定され、張力検出器
３２から歪量が演算器４５に入力される。これら変位検
出器４３および張力検出器３２からの各入力データに基
づいて、演算器４５は張力と歪量との関係を示す特性線
図を算出し、その演算結果をデータ記録装置４６に出力
する。

【００３７】前記実施例によれば次の効果が得られる。 ボンディングワイヤの一端部を薄板にボールボンデ
ィングし、薄板を試料台で保持し、ボンディングワイヤ
の直線形状端部をクランパで把持して引張試験を実施す
るとともに、この試験中、加熱手段により試料を加熱す
ることにより、ボールボンディングのボール形成時に生
ずるボンディングワイヤの再結晶範囲における物理的強
度および伸び率を、常温〜高温まで所望の温度で測定す
ることができるため、実使用時に近い状態で引張試験を
実施することができる。

【００３８】 前記によって、ペレットとリードと
をボールボンディング方法により接続した後、樹脂封止
する際の応力によって発生するボンディングワイヤ再結
晶部における破断強度を定量的に評価することができ
る。

【００３９】 例えば、ワイヤの仕様が変更されるに
際してワイヤ径または材質等は、従来は大量の実装試験
により経験則から決められていたが、前記ボンディング
ワイヤ引張試験装置を用いることにより、半導体装置の
信頼性を確保するのに適当なボンディングワイヤを簡便
に選択可能となり、実装試験期間を大幅に短縮すること
ができる。

【００４０】 ボンディングワイヤがボールボンディ
ングされた薄板を試料台で保持し、ボンディングワイヤ
の他端部をクランパで把持するように構成されているた
め、実際の拘束条件に近い状態で、ボンディングワイヤ
を固定し、わずかな張力変動および伸び率を精度良く測
定することができる。

【００４１】 歪ゲージを用いた張力検出器および変
位検出器をそれぞれ使用することにより、微小な荷重、
変位を精度良く測定することができる。

【００４２】 試料としてのボンディングワイヤに張
力を与える駆動源として高分解能（０・９°／ｓｔｅ
ｐ）のステッピングモータを用いているため、クランプ
位置および張力付与に必要な変位を精度良く設定するこ
とができる。さらに、減速ギヤとの組合わせにより、固
定端の距離が数十μｍ〜１００μｍ程度の試料を、１μ
ｍ／ｓｅｃ〜１００μｍ／ｓｅｃ程度の低速度の変位に
より、試験することができる。

【００４３】 ボンディングワイヤの直線形状側端部
を固定するクランプに支点を設けるとともに、板ばねか
ら成る押さえプレートにより把持するように構成するこ
とにより、試験片としてのボンディングワイヤに対して
クランプ時に加わるストレスを低減することができる。

【００４４】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４５】例えば、試料を加熱する手段としては、電
気ヒータを使用するに限らず、熱風吹き付け装置やレー
ザ光照射装置、高周波加熱装置を使用してもよい。

【００４６】試料台をＸＹ方向に移動させる手段として
は、ＸＹテーブルを使用するに限らず、リニアモータテ
ーブル等を使用してもよい。

【００４７】試料の一端側を把持するクランパは、クラ
ンパ本体と板ばねから成る押さえプレートとの組み合わ
せから構成するに限らず、他の構成を使用してもよい。

【００４８】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるボンデ
ィングワイヤの引張試験装置に適用した場合について説
明したが、それに限定されるものではなく、他の極細線
の引張試験装置等の線材引張試験装置全般に適用するこ
とができる。

【００４９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次
の通りである。

【００５０】ボンディングワイヤの一端部を薄板にボー
ルボンディングして試料１を作成し、薄板を試料台で保
持し、ボンディングワイヤの他端部をクランパで把持す
ることにより、実際の拘束条件に近い形でボンディング
ワイヤを固定することができ、また、この固定状態で引
張試験を実行するとともに、この試験中、加熱手段によ
り試料を加熱することにより、ボールボンディングのボ
ール形成時に生ずるボンディングワイヤの再結晶範囲に
おける物理的強度および伸び率を、常温〜高温まで所望
の温度で測定することができる。

【００５１】その結果、ペレットとリードとをボールボ
ンディング方法により接続した後、樹脂封止する際の応
力によって発生するボンディングワイヤ再結晶部におけ
る破断強度を定量的に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるボンディングワイヤの
引張試験装置を示す斜視図である。

【図２】その部分拡大斜視図である。

【符号の説明】

１…試料、２…ボンディングワイヤ、３…Ａｇめっき薄
板、１１…ベース、１２…ＸＹテーブル、１３…ヒー
タ、１４…ヒートブロック（試料台）、１５…押さえ金
具、１６…ビス、１７…支柱、１８…試料クランパ、１
９…ピン、２０…クランパ本体、２１…押さえプレー
ト、２２…ボルト、２３…フック、３０…架台、３１…
Ｚ方向ガイド、３２…張力検出器、３３…フック、３４
…移動ブロック、３５…支柱、３６…ベース、３７…ス
テッピングモータ、３８…回転軸、３９…駆動側ギヤ、
４０…モータコントローラ、４１…送りねじ軸、４２…
従動側ギヤ、４３…歪ゲージ式変位検出器、４４…検出
子、４５…演算器、４６…データ記録装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＸＹ方向に移動操作し得るように構成さ
   れており、試料の一端側を保持する試料台と、試料台に
   保持された試料の他端側を把持するクランパと、試料台
   に保持された試料を加熱する加熱手段と、クランパに係
   合される張力検出器と、張力検出器を移動させるための
   モータと、張力検出器の移動量を検出する変位検出器
   と、張力検出器の検出データおよび変位検出器の検出デ
   ータに基づいて張力−歪量関係を演算する演算器とを備
   えていることを特徴とする線材引張試験装置。
2. 【請求項２】 加熱手段として、試料台に組み込まれた
   電気ヒータが、モータとしてステッピングモータが、張
   力検出器として歪ゲージ式微小荷重ロードセルが、変位
   検出器として歪ゲージ式変位変換器がそれぞれ使用され
   ていることを特徴とする請求項１記載の線材引張試験装
   置。
3. 【請求項３】 試料として、銀めっきされた薄板に一端
   部がボールボンディングされたボンディングワイヤが使
   用され、この試料の薄板が試料台に保持され、この試料
   のボンディングワイヤの他端部がクランパに保持される
   ことを特徴とする請求項１記載の線材引張試験装置。