JPH0574874A - 金属細線の超音波接合方法および装置 - Google Patents

金属細線の超音波接合方法および装置

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JPH0574874A
JPH0574874A JP3231663A JP23166391A JPH0574874A JP H0574874 A JPH0574874 A JP H0574874A JP 3231663 A JP3231663 A JP 3231663A JP 23166391 A JP23166391 A JP 23166391A JP H0574874 A JPH0574874 A JP H0574874A
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ultrasonic
amplitude
frequency
bonding
vibration
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Ryoichi Kajiwara
良一 梶原
Mitsuo Kato
光雄 加藤
Kazuya Takahashi
和弥 高橋
Setsuo Sekine
節夫 関根
Kunihiro Tsubosaki
邦宏 坪崎
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 金属細線と接続端子の超音波接合において、
金属細線の被膜、接続端子なる電極パッドやリ−ド表面
にある酸化膜を、接続端子を設けたデバイスに過熱によ
る損傷を与えずに除去して、信頼性の高い圧接を行う。 【構成】 接合の初期に、金属細線６と接続細線が接す
る接合界面に第１の振動子により低エネルギーレベルで
低周波大振幅の超音波振動を加えて、金属細線６の被覆
７又は酸化膜を除去すると共に除去した被覆７又は酸化
膜を接合界面から排出し、圧接の後期には第２の振動子
により高エネルギーレベルで高周波小振幅の超音波振動
を加えて接合界面を圧接する。その圧接の際に、接合界
面の接合進行状況をモニタリングし、所定の接合進行状
況に達した時点を金属細線の変形量、超音波振動の振幅
の変化又は振動速度の変化を基に判定して、低周波大振
幅から高周波小振幅の超音波振動に切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基板上に設けられた電
極端子あるいは金属リ−ドと金属細線とを超音波を利用
して固相接合する方法及び装置に係り、特に半導体パッ
ケ−ジや薄膜磁気ヘッドの実装におけるマイクロ接合、
さらには金属に絶縁被覆を施した細線を用いる実装にお
けるマイクロ接合に好適な金属細線の超音波接合方法お
よび装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体の分野においては、Ｓｉチ
ップとリ−ドフレ−ムを金属細線を用いて接続するた
め、Ｓｉチップ上のＡｌ電極パッド側では金属細線の先
端にボ−ルを形成してそのボールに熱と超音波を加える
ボ−ルボンディングを行い、リ−ドフレ−ム側では金属
細線に接合ツ−ルを押しつけ熱と超音波を加えるウェッ
ジボンディングを行っている。金属細線には金の裸線を
用い、加熱温度は２００〜３５０℃、超音波出力は０．
５〜１Ｗ、周波数は４０または６０ｋＨｚが一般に採用
されている。
【０００３】しかし最近は、素子の高集積化に伴い端子
数が増大し、端子ピッチを詰めるため被覆線の採用が検
討されているが、被覆付き細線の直接接合あるいは被覆
除去後の被覆残渣がある状態での直接接合には品質上問
題がある。
【０００４】現在までに、接合性を向上する手段として
は、特開昭６１−１９６５４７号公報に記載の振動子を
複数用いて超音波を２軸方向にかける方法が知られてい
る。図１４にその装置構成を示す。図１４において、第
１の振動子７１はＸ方向の振動を発生し、第２の振動子
７３はＹ方向の振動を発生する。図１５に示すように、
この時の周波数は同一で位相を９０°ずらすと接合ツ−
ルは円運動をする。かくして、振動に方向性が無くなり
接合品質が安定するという効果が得られる。しかし、周
波数が６０ｋＨｚで出力が１Ｗ以下では、ツ−ル先端の
振動振幅を数μｍ程度にしかできず、金属細線とリ−ド
あるいは電極パッドとの接合界面に被覆材残渣や酸化皮
膜などの接合を阻害する介在物があった場合には、界面
からの除去が効率的には行えない。界面の介在物を除去
するには大きな振幅を加えることが有効であるが、周波
数一定で振幅を大きくすると投入パワ−が大きくなりす
ぎて下地のデバイスに損傷を与えてしまうという問題が
ある。
【０００５】また、下地のデバイスに損傷を与えないで
接合品質を向上させる手段として、特開昭６１−２１０
６４４号公報に記載の超音波出力を接合中に小さく切り
替える方法が知られている。図１３に、その接合シ−ケ
ンスを示す。接合工程において、ツ−ルを降下させて細
線に荷重を加えた後、まず高出力の超音波を印加し、所
定時間後に小出力の超音波に切り替えて、さらに所定時
間後に超音波の印加を終了し、加圧を解除するプロセス
である。この方法では、前段の工程で界面の介在物の除
去および部分的な界面接着を行い、後段の工程でデバイ
スに与える損傷の可能性を小さくして残された部分の界
面接着を達成している。従って、最適条件が適用された
場合には、デバイスに損傷を与えることなく接合品質を
向上することができる。しかし、実際には、超音波出力
を切り替える最適なタイミングがワ−クの状態、即ち金
属細線及びリードあるいは電極パッドの状態によって接
合毎に変わるため、最適条件の設定ができないという問
題がある。また同時に、周波数一定で前段と後段の工程
を行うには適性条件が非常に狭く、品質の安定性の点で
問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
細線の表面あるいは電極パッドやリ−ド表面に酸化皮膜
や被覆材残渣などの接合を阻害する介在物があった場合
でも、接合初期にデバイスに損傷を与えない振動条件で
接合界面から効率的に介在物を外部に排除し、その後接
合界面を接合することにより、接合品質の安定した良好
な超音波接合を達成できる金属細線の超音波接合方法お
よび装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の金属細線の超音波接合方法は、金属細線
と、デバイス上に設けられた接続端子との接合界面を加
圧しながら接合界面に沿って超音波振動を印加して圧接
する金属細線の超音波接合方法において、圧接の初期に
第１の周波数及び第１の振幅を有する低周波大振幅の超
音波を印加し、後期には第１の周波数より高い第２の周
波数及び第１の振幅より小さい第２の振幅を有する高周
波小振幅の超音波振動を印加することを特徴としてお
り、圧接の初期の段階で低周波大振幅の超音波振動によ
り金属細線の被覆又は酸化膜を除去し、かつ除去した被
覆又は酸化膜を接合界面から排出し、後期の段階で高周
波小振幅の超音波振動により接合界面を圧接する。な
お、前記接続端子は、具体的には電極パッド又は金属リ
ードである。
【０００８】また上記目的を達成するために、本発明の
金属細線の超音波接合装置は、超音波を発生する振動子
と、該振動子の振動条件を制御する制御装置と、振動子
が発生する超音波を伝達するホーンと、該ホーンに取り
付けられた接合ツールと、該接合ツールの先端に置かれ
た金属細線に当接する接続端子を設けた基板を支持する
支持台と、金属細線と接触端子との接合界面に圧力を与
える加圧装置とを備え、金属細線と接触端子との接合界
面に沿って超音波振動を印加する金属細線の超音波接合
装置において、制御装置は第１の周波数と第１の振幅を
有する低周波大振幅の超音波振動と、第１の周波数より
高い第２の周波数及び第１の振幅より小さい第２の振幅
を有する高周波小振幅の超音波振動とを切り換えるよう
に制御することを特徴としている。
【０００９】また、本発明の別の金属細線の超音波接合
装置は、超音波を発生する振動子と、該振動子の振動条
件を制御する制御装置と、振動子が発生する超音波を伝
達するホーンと、該ホーンに取り付けられた接合ツール
と、該接合ツールの先端に配置された金属細線に当接す
る接続端子を設けた基板を支持する支持台と、金属細線
と接触端子との接合界面に圧力を与える加圧装置とを備
え、金属細線と接触端子との接合界面に沿って超音波振
動を印加する金属細線の超音波接合装置において、振動
子は第１の周波数と第１の振幅を有する低周波大振幅の
超音波振動を発生する第１の振動子と、第１の周波数よ
り高い第２の周波数及び第１の振幅より小さい第２の振
幅を有する高周波小振幅の超音波振動を低周波大振幅の
超音波振動の方向と交差する方向に発生する第２の振動
子とから構成したことを特徴としている。そして本発明
のそれぞれの金属細線の超音波接合装置において、装置
の制御面から第２の周波数は第１の周波数の整数倍とす
るのがよい。
【００１０】さらに、本発明のそれぞれの金属細線の超
音波接合装置に加えて、接合界面の接合進行状況を監視
し、所定の進行状況に達した時点を判定して低周波大振
幅の超音波振動から高周波小振幅の超音波振動に切り換
えるように制御装置を作動させるモニタリング装置を設
けることが好ましい。そして所定の進行状況に達した時
点は金属細線が所定の厚さまで変形したことにより、ま
たは接合界面の状態変化に応じて接合ツール先端の振動
振幅が所定の振幅まで低下したことにより、あるいは接
合界面の状態変化に応じて接合ツール先端の振動速度が
所定の速度まで低下したことにより判定するとよい。
【００１１】
【作用】一般の超音波接合において、接合界面の介在物
が除去される現象には、１）界面の擦りあわせによって
介在物が削り出される現象と、２）接合圧力によって生
じる３軸応力の内、界面の外側方向に働く力により介在
物が押出される現象の２つがある。前者では、除去に対
して振幅が最も大きく影響し、接合幅以上の振幅を与え
ると介在物の除去率は著しく大きくなる。一方、後者は
圧力による押出し現象であるから、介在物の除去率を高
めるためには加圧力を高くするか、または、高いパワ−
による発熱効果で押出し物を加熱軟化させ、介在物ある
いは界面近傍の素材の塑性流動性を高めることが必要で
ある。両者を比較した場合、メカニズムから判断して、
介在物の除去率は介在物を削りだす前者の方が大きく、
またデバイスの損傷は介在物を押し出す後者の方が大き
いと考えられ、従って前者１）の方が望ましい。
【００１２】しかし、１）を達成するため従来の周波数
で振幅を大きくすると、接合界面への投入エネルギ−が
大きくなり過ぎてデバイスに熱的な損傷を与え易くなる
こと、接合ツ−ルと接続端子を設けたデバイス間の相対
速度が大きくなり、デバイスへ衝撃的な力が働くことに
よってクラックなどの破損を与え易くなることなどの問
題が発生する。そこで本発明では、超音波の振動数を小
さくすることによって接合界面に投入されるエネルギ−
を小さくし、同時に振幅を従来とは変えずに接合ツ−ル
とデバイス間の相対速度を小さくする方式を採用してい
る。このことによって、デバイスに熱的あるいは機械的
損傷を与えることなく、接合界面に存在する被覆残渣や
皮膜、汚れなどの介在物を効率的に除去できる。
【００１３】一方、清浄な金属面同志が接触した状態で
の接着の進行を考えると、接合界面に投入されるエネル
ギ−は、界面を熱的に活性化するために高い方が望まし
い。振幅については、既に接着している部分の破壊を防
ぐ目的のためできるだけ小さい方が望ましい。従って、
振幅が数μｍ以下で周波数をできるだけ高くした超音波
振動が接合のために適する。そこで本発明では、接合の
後期に振幅が小さく、周波数が数十ｋＨｚ以上の高い超
音波を印加する方式を採用している。
【００１４】このように本発明では、接合界面から介在
物を除去するまでの超音波条件と金属間の接着を進行さ
せる過程での超音波条件を切り替える方式を採用するこ
とで、金属細線の絶縁被覆材が付いている場合や酸化皮
膜や汚れが付着している場合でも、常に接合品質が良好
で安定した超音波接合を達成できる。
【００１５】また、本発明の超音波接合装置は、一台の
接合装置で超音波の周波数、振幅を切り替えるために、
低周波大振幅の超音波を発生する第１の振動子と、高周
波小振幅の超音波を発生する第２の振動子とを備えたも
のとし、適用する振動条件の選択を容易にしている。
【００１６】さらに、接合中において接合の進行状況を
モニタリングする手法を取り込み、金属面の接合が開始
される時期を判定し、その時期に同期して超音波振動条
件を低周波大振幅から高周波小振幅に切り替えることに
より、デバイスの損傷の確率を小さくできると共に、接
合に要する時間を短縮でき、効率的な接合作業を実現で
きる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。
【００１８】図１は、本発明の金属細線の超音波接合方
法を実施するための接合装置の第１の実施例であり、装
置の基本構成とホ−ンの振動モ−ドを示す。図１におい
て、アーム状のホ−ン１の長手方向中央付近にはホ−ン
を支持治具（図示なし）に固定して取り付けるためのフ
ランジ２が設けられている。ホ−ンの直径が太くなる側
の元端部近傍には、周波数２０ｋＨｚで発振する第１の
振動子４と周波数４０ｋＨｚで発振する第２の振動子５
がそれぞれ取り付けられており、反対側のホ−ンの直径
が細くなった先端部付近には接合ツ−ル３が取り付けら
れている。第１及び第２の振動子４，５の振動方向はい
ずれもホ−ン１の長手方向なるＸ軸方向で縦波振動であ
る。
【００１９】この装置構成における共振振動モ−ドは、
ホ−ン１の両端が開放端で、フランジ２の位置が振動の
無い節になる。図１の下の部分にホ−ン１の各位置の振
動振幅を示す。実線は２０ｋＨｚ、点線は６０ｋＨｚの
場合を示す。いずれの振動数の場合でもホ−ン１の両端
は振動の腹で、フランジ２部は振動の節となる振動モ−
ドである。
【００２０】図２は、図１に示す接合装置を用いて絶縁
被覆された被覆細線８の接合を行う場合の接合プロセス
を示す。被覆細線８は予め前処理でレ−ザ照射１２ある
いは放電１４により被覆７が除去される。次に、細線の
被覆を除去した部分なる金属細線６を、半導体デバイス
の基板１０上に設けられた接合端子９に位置決めし、上
から接合ツ−ル３を押しつける。この場合、被覆７の除
去は絶対条件ではなく、被覆細線８のままであっても、
接合条件を変更することで超音波接合することが可能で
ある。接合ツ−ル３で金属細線６を基板１０に対して荷
重１１を加えて押しつけた後に、接合ツ−ル３を介して
金属細線６に超音波を印加する。この時、超音波印加中
に接合の進行状況を、後述するようにモニタリングし、
接合界面の介在物が除去されて界面での接着が進行し始
める時期を判定して、超音波の周波数および振幅を切り
替える。
【００２１】この超音波の印加の状態を図３に示す。超
音波の印加開始時にはまず第１の振動子４が動作し、低
周波大振幅の振動を金属細線６に起こさせる。金属細線
６と接続端子９の相対変位は、初期の段階では界面に有
機物や酸化膜、油脂などの介在物があることによって滑
り易い状態にあるため、大きな値を示す。その後、介在
物が徐々に界面から除去されて真の金属面が接触する状
態になると、摩擦抵抗が大きくなって接合体間の相対変
位量は小さくなっていく。この時期を判定し、第１の振
動子４の発振を止め、第２の振動子５を動作させて高周
波小振幅の振動を金属細線６に起こさせる。超音波出力
としては、周波数の切り替えによって大きくなっても小
さくなってもよい。その後、接合が進行するにつれて、
接合体間の相対変位は徐々に小さくなり、完全に接合が
完了すると相対変位は弾性変位程度の小さな値になる。
この時期を判定して接合を終了する。
【００２２】本実施例によれば、被覆細線８を用いた場
合でも、また金属細線６の表面あるいは接続端子８なる
電極パッドやリ−ドの表面に酸化皮膜や被覆材残渣など
の接合を阻害する介在物があった場合でも、接合初期の
段階で基板１０に損傷を与えない条件で接合界面から効
率的にそれら介在物を外部に排除し、接合後期に低歪高
エネルギ−の超音波振動を接合界面に与えることによ
り、接合強度が高く品質の一定した良好な超音波接合を
達成することができる。また、接合状態をモニタリング
しているため、最適な接合時間を常に選択でき、過大な
超音波を基板１０に印加することがないため、基板１０
に生じるクラックなどの損傷確率を著しく低減でき、金
属細線６の潰れ変形を必要強度が得られる範囲で最小に
できるため金属細線６のネック切れによる継ぎ手強度の
低下を防ぐことができる。また、接合時間を必要最小限
に設定できるため、量産品の生産タクトを短くすること
ができ、生産効率を高めることができる。
【００２３】なお、図１においては振動子を２つ用いた
が、１つの振動子であっても同様の動作をさせることが
でき、効果も同様のものが得られる。
【００２４】図４は、本発明の超音波接合方法を実施す
るため２つの振動系を切り換えるように振動子を配置し
た接合装置構成を示す第２の実施例である。図４におい
て、ホ−ン１は位置を制御された支持治具１７に固定さ
れている。ホ−ン１の元端部にはその長手方向なるＸ軸
方向に数十ｋＨｚ以上で発振する第２の振動子１６が取
り付けられており、その反対側の先端部には被覆細線８
に振動を加える接合ツ−ル３が取付けられている。ま
た、支持治具１７とホ−ン１の全体を１つの振動系とし
て、全体を、接続端子２１面内でＸ方向と直交するＹ方
向に数〜数十ｋＨｚで振動させる第１の振動子１５が支
持治具１７に取り付けられている。ここで低周波の超音
波を発生する第１の振動子１５は大きい体積の振動系を
共振させるように、また高周波を発生する第２の振動子
は小さい体積の振動系を共振させるようにそれぞれ設置
した装置構成としている。
【００２５】２つの振動子は別々の超音波電源１８，１
９で駆動されて、それらは制御装置２０からの信号で制
御される。図４では、被覆細線８を直接に接続端子２１
に超音波接合する形態で示している。この場合の被覆材
７はポリウレタン製で、金属細線６は銅の芯線に金をメ
ッキした線を用いている。また、接続端子２１の最表面
には金蒸着あるいは金メッキを施している。
【００２６】図５は、図４に示す接合ツ−ル３先端の形
状を拡大して模式的に示した側面図、図６は図５のVI−
VI矢視図である。接合ツ−ル３はセラミックで作られて
おり、その先端には被覆細線８の外形寸法に合わせた溝
２４が形成されている。その溝２４の面には、被覆材７
の厚みより深い鋭角な凹凸が形成されている。被覆７を
除去する時の第１の振動子１５による超音波振動は、被
覆細線８の径方向（図６で紙面の左右方向）であり、接
合を進行させる時の第２の振動子１６による超音波振動
は、被覆細線８の長手方向（図５で紙面の左右方向）で
ある。
【００２７】本実施例によれば、図１と同様に、被覆細
線８を用いた場合でも、また金属細線６の表面あるいは
接続端子２１なる電極パッドやリ−ドの表面に酸化皮膜
や被覆材残渣などの接合を阻害する介在物があった場合
でも、接合初期の段階でデバイスに損傷を与えない条件
で接合界面から効率的にそれら介在物を外部に排除し、
接合後期に低歪高エネルギ−の超音波振動を接合界面に
与えることにより、被覆細線８と接続端子２１との接合
強度が高く品質の一定した良好な超音波接合を達成する
ことができる。また、第１の振動子１５と第２の振動子
１６の振動系を別々にしているため、それぞれの振動系
の材質や形状、寸法を選択調整することにより前半と後
半の振動周波数を任意に選択することができ、そのため
それぞれの工程の目的に最も適した振動条件に設定する
ことができる。このことにより、接合強度の不足や過大
な超音波を基板１０に印加することによる基板１０上で
のクラック発生などの組立て不良発生確率を著しく低減
でき、歩留まりの向上や製品の信頼性を高めることがで
きる。
【００２８】また、接合ツ−ル３の先端形状を被覆細線
８の形状に合わせて窪ませ、かつそこに鋭角な凹凸を設
けたため、被覆細線８に対して径方向の振動を与えた場
合でも、接合ツ−ル３と被覆細線８間の滑りや転がりに
よる被覆細線８への振動伝達のロスが無くなり、超音波
振動エネルギ−を効率的に接合界面に伝えることができ
る。また、厚めの絶縁樹脂を被覆７としてコ−トした被
覆細線８に対して長手方向の振動を与えた場合でも、鋭
角的な凸部が被覆材に食い込んで被覆細線８とツ−ル３
の間の滑りを防止し、超音波振動エネルギ−を効率的に
接合界面に伝えることができる。これらのことにより、
超音波伝達経路の振動のロスによる超音波接合不良の発
生を防止でき、歩留まりの向上や製品の信頼性を高める
ことができる。
【００２９】図７は、本発明の第３の実施例の超音波接
合装置であり、図４の超音波接合装置に対して、接合ツ
−ル２６先端の振動を計測する方式の接合状態モニタリ
ングを組合せ、接合条件適応制御を行う装置のシステム
構成を示す。ここでは、振動計測にレ−ザのドップラ−
効果を利用した方式を採用している。図７において、接
合位置は半導体デバイス３４上に設けられた電極パッド
３５と、金属細線３６の先端に形成された金属ボ−ル３
７との界面である。接合ツ−ル２６の先端の振動は、レ
−ザ発生装置３８とドップラ−干渉測定装置３９と光フ
ァイバ−４０と集光ヘッド４１によって測定する。接合
状態は、干渉縞の強度変化から振動速度あるいは振動振
幅の情報に変換し、それらの時間的変化から接合状態判
定装置３２により判定する。そして、実時間でその結果
を超音波接合制御装置３１に送信し、接合条件の最適化
を図っている。
【００３０】図８は、図７に示すシステムで接合した場
合の接合状態判定方法および各振動子の動作状態を示す
シ−ケンス図である。ここでは、接合ツ−ル２６先端の
振動速度の変化を接合状態判定の情報因子に利用してい
る。接合初期には、低周波大振幅の超音波を第１の振動
子２８により加え、振動速度が初期のｖ0から所定比率
（ｖ1／ｖ0）下がった時点で第１の振動子２８を止め
て、第２の振動子２９を動作させる。そして、第２の振
動子２９が動作を始めた時の振動速度ｖ2から所定比率
（ｖ3／ｖ2）下がった時点で、接合を終了する。
【００３１】本実施例によれば、接合ツ−ル２６先端の
振動状態を高精度でかつオンラインで計測可能なため、
接合状態を精度よく判定でき、接合に最適でかつ必要最
小限の超音波投入エネルギ−で良好な接合を達成でき
る。このため、シリコンチップのデバイスに銅の細線を
接合する場合やガリウム砒素のデバイスに金の細線を接
合する場合のように、デバイスに機械的損傷を与え易い
部品の組合せであっても、デバイスの損傷確率を小さく
して、歩留まりを量産可能な水準まで向上させることが
できる。
【００３２】なお、図７においては、接合状態のモニタ
リングに接合ツ−ル２６先端の振動計測を利用したが、
裸線の場合には振動計測の替わりに裸の金属細線の変形
量を計測しても同様の効果が得られる。
【００３３】図９は、薄膜磁気ヘッド端子の接合構造を
示す。図９において、セラミック製スライダ−４９の上
には銅と金を含む多層の接続端子４８が形成されてい
る。配線用のワイヤ４７は、銅ワイヤ４５の表面にポリ
ウレタンの絶縁膜４６が被覆されたものである。銅ワイ
ヤ４５の先端は、接合のためにア−ク放電あるいはレ−
ザ照射により銅ボ−ル４４を形成している。ボ−ル４４
の直径は銅ワイヤ４５の直径の１．３〜３．０倍に調整
される。接合ツ−ル４３の先端には銅ボ−ル４４がずれ
て接合ツ−ル４３先端からはずれないように窪みが設け
られている。そして、接合ツ−ル４３によってボ−ル４
４に荷重を加え、さらに超音波５０を印加してボ−ル４
４を潰しながら接合する。ボ−ル４４は銅ワイヤ４５の
直径の高さになるまで潰されて扁平なボール５１とな
る。
【００３４】図１０は、図９に示す接合構造で配線を行
った薄膜磁気ヘッドの実装構造の一例を示す。セラミッ
ク製のスライダ−５２の側面に薄膜磁気回路５３、接続
端子５５、及びそれら回路５３と端子５５とを接続する
薄膜配線５４が形成されている。スライダ−５２をそれ
に対面する図示しない磁気ディスク上で走査するための
ロ−ドア−ム５９の先端には、柔軟なジンバル５７が溶
接されており、そのジンバル５７の上にスライダ−５２
が接着剤６１で固定されている。スライダ−５２が接着
されたジンバル５７の面の中心部には、押出し加工によ
り突起状のピボット５８が形成されている。ジンバル５
７は、磁気ディスク面とスライダ−５２の浮上面との間
隙を一定に保つようにスライダ−５２の姿勢を制御する
ことと、磁気ディスク面への高さの追従性を向上させる
ために用いられている。
【００３５】この実装構造では、磁気ディスク面に対す
るスライダ５２−の追従性を高めるため、スライダ−５
２の重量を軽くし、ジンバル５７の剛性並びに配線用ワ
イヤ５６の剛性を下げることが重要である。このため、
ワイヤ５６はできるだけ線径を小さくすることが望まれ
る。しかし、線径が３０μｍ以下になると銅ワイヤ５６
の強度が２０ｇ以下となり、従来のウェッジボンディン
グ法ではワイヤの潰れ変形によって接続端子５５との接
合部の強度が１０ｇ以下となるため、接合後の組立て工
程における取扱いで破断する可能性が高くなる。
【００３６】そこで、図９に示すように、ワイヤの先端
にボ−ルを形成し、そのボ−ルを変形させて、強度の高
い接合を達成している。このときワイヤはほとんど変形
させないため、ワイヤと接続端子との接合部の強度はワ
イヤの強度と同等のものが得られる。一方、ワイヤの先
端にボ−ルを形成する方法では、従来の銅芯線に金メッ
キを施した被覆線を用いるとボ−ルが金と銅の合金とな
り、硬さが高くなって接合性が悪くなる。このため、銅
線を使うことになるが、この場合には接合面が銅の酸化
膜で覆われることによって接合性が悪くなる。本発明の
接合方法は、接合界面にこのような接合を阻害する介在
物がある場合に有効なため、銅のボ−ルボンディングの
信頼性を高くすることができ、図９の接合構造の薄膜磁
気ヘッドへの適用を可能にしているのである。
【００３７】本実施例によれば、スライダ−５２の側面
に設けたの接続端子５５の寸法が８０μｍ角程度まで小
さくなっても、３０μｍ径の銅被覆ワイヤ５６を用い直
径約６０μｍのボ−ルを形成することにより、ワイヤ５
６部分が接続端子５５からはみ出すこと無く接合部強度
の高いボンディングを行うことができる。その結果、磁
気ヘッドのスライダ−の寸法が小さくなった場合や接続
端子数が増した構造の薄膜磁気ヘッドスライダ−になっ
た場合でも、従来の金メッキ銅被覆ワイヤから銅被覆ワ
イヤに変更し、接合装置を本発明の装置とすることによ
り、従来の組立てラインをそのまま使用して歩留まりが
高く品質の一定した薄膜磁気ヘッドの実装を行うことが
可能となる。
【００３８】図１１は、将来の半導体メモリのリ−ド・
オン・チップタイプの実装構造を示す側面図、図１２は
その半導体メモリの平面図である。図１１，１２におい
て、Ｓｉチップ６２の表面に接続端子６９が形成され、
その他の領域には保護膜としてポリイミド膜６３が形成
されている。ポリイミド膜６３の上に接着剤兼歪緩和材
としての有機フィルム６４を介してリ−ドフレ−ム６５
および電源ラインのバスバ−６８が固定されている。配
線は接続端子６９とリ−ドフレ−ム６５の間で行われる
が、途中に配置されたバスバ−６８を横切るため、配線
がこれとの短絡を防ぐ目的で絶縁被覆付き金ワイヤ６６
が用いられている。接続端子６９側ではワイヤ先端にボ
−ル６７を形成して接合するボ−ルボンディングが使わ
れるため被覆材が接合性に悪影響することは無いが、リ
−ドフレ−ム６５側では被覆の除去法が難しく、しかも
完全に清浄な金の表面を得ることが困難なため接合性が
悪くなり、図１１の実装構造の実用化が難しいという問
題がある。これに対して、本発明の接合方法を適用すれ
ば、表面に被覆材があっても良好な接合を達成できるた
め、図１１の実装構造を実現可能にできる。
【００３９】本実施例によれば、絶縁被覆ワイヤの利点
によって、ワイヤル−プをバスバ−すれすれまで低くで
きるため、非常に薄型の半導体パッケ−ジを製作可能と
なり、しかも組立て歩留まりを従来と同等にして、製品
としての信頼性を向上することができる。
【００４０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、金
属細線の超音波接合において、接合の初期に低周波大振
幅の超音波を金属細線と接続端子との接合界面に印加
し、接合の後期には高周波小振幅の超音波を接合面に印
加するよう制御するので、被覆された金属細線を用いた
場合や、金属細線の表面あるいは電極パッドやリ−ド表
面に酸化皮膜や被覆材残渣などの接合を阻害する介在物
があった場合でも、接合の初期にデバイスに損傷を与え
ない最適条件で接合界面から効率的に介在物を外部に排
除でき、接合の後期には接合界面の接合を効率的に進行
させる振動条件を与えることによって、接合品質の安定
した良好な超音波接合を達成できる。
【００４１】また、接合状況をモニタリングすることに
より、接合界面に存在する介在物の除去と接合界面の接
合のための超音波条件をタイミングよく切り換えて過大
な超音波エネルギーをデバイスに印加することを防止で
き、クラックなどのデバイスの損傷を著しく低減でき、
さらに金属細線の潰れ変形を必要強度が得られる範囲に
抑えて要求される接合部の強度を得ることができる。
【００４２】また、接合時間を必要最小限に設定できる
ため、量産品の生産タクトを短くすることができ、生産
効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例になる金属細線の超音波
接合装置で、１つのホ−ンを２種類の周波数の振動系と
する装置を示す図である。
【図２】第１の実施例の装置を用いて被覆細線の接合プ
ロセスを説明する図である。
【図３】被覆細線の接合プロセスにおける超音波の印加
のシ−ケンスを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例になる金属細線の超音波
接合装置で、振動方向の異なる２つの振動系を備えたと
装置を示す図である。
【図５】接合ツ−ル先端形状を示す側面図である。
【図６】図５のVI−VI矢視図である。
【図７】本発明の第３の実施例になる金属細線の超音波
接合装置で、接合ツ−ル先端の振動をレ−ザで計測する
振動計測モニタを備えた装置を示す図である。
【図８】第３の実施例の装置による接合のシ−ケンスを
示す図である。
【図９】薄膜磁気ヘッドの端子の接続構造を示す図であ
る。
【図１０】薄膜磁気ヘッドの実装構造の一例を示す図で
ある。
【図１１】半導体パッケ−ジの実装構造の一例を示す図
である。
【図１２】図１１の平面図である。
【図１３】超音波接合のシ−ケンスの従来例を示す図で
ある。
【図１４】方向の異なる２種類の超音波を印加する接合
装置の従来例を示す図である。
【図１５】従来の接合装置における接合ツールの円運動
を示す図である。
【符号の説明】
１、２５ ホ−ン ２ フランジ ３、２６ 接合ツ−ル ４、１５、２８ 第１の振動子 ５、１６、２９ 第２の振動子 ６ 金属細線 ７ 被覆 ８ 被覆細線 ９、２１ 接続端子 １０、２２ 基板 １７、２７ 支持治具 １８，１９ 超音波電源 ２０ 制御装置 ２３、３４ デバイス ３１ 接合制御装置 ３２ 接合状態判定装置 ３３ 保持台 ３５ 電極パッド ３６ 金属細線 ３７ 金属ボ−ル ３８ レ−ザ発生装置 ３９ 干渉縞測定装置 ４０ 光ファイバ− ４１ 集光ヘッド ４２ レ−ザ光 ４３ 接合ツ−ル ４４ 銅ボ−ル ４５ 銅ワイヤ ４６ 絶縁膜 ４７、５６ 絶縁被覆ワイヤ ４８、５５ 接続端子 ４９、５２ スライダ−
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関根 節夫 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式会 社日立製作所小田原工場内 (72)発明者 坪崎 邦宏 群馬県高崎市西横手町111番地 株式会社 日立製作所半導体設計開発センタ内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属細線と、デバイス上に設けられた接
    続端子との接合界面を加圧しながら接合界面に沿って超
    音波振動を印加して圧接する金属細線の超音波接合方法
    において、接合の初期に第１の周波数及び第１の振幅を
    有する低周波大振幅の超音波を印加し、後期には第１の
    周波数より高い第２の周波数及び第１の振幅より小さい
    第２の振幅を有する高周波小振幅の超音波振動を印加す
    ることを特徴とする金属細線の超音波接合方法。
  2. 【請求項２】 金属細線と、デバイス上に設けられた接
    続端子との接合界面に面に沿って超音波振動を印加して
    圧接を行う金属細線の超音波接合方法において、接合の
    初期に第１の周波数及び第１の振幅を有する低周波大振
    幅の超音波振動を印加してし金属細線の被覆又は酸化膜
    を除去し、かつ除去した被覆又は酸化膜を接合界面から
    排出し、後期には第１の周波数より高い第２の周波数及
    び第１の振幅より小さい第２の振幅を有する高周波小振
    幅の超音波振動を印加して接合界面を圧接することを特
    徴とする金属細線の超音波接合方法。
  3. 【請求項３】 前記接続端子は電極パッド又は金属リー
    ドなることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属細
    線の超音波接合方法。
  4. 【請求項４】 超音波を発生する振動子と、該振動子の
    振動条件を制御する制御装置と、振動子が発生する超音
    波を伝達するホーンと、該ホーンに取り付けられた接合
    ツールと、該接合ツールの先端に置かれた金属細線に当
    接する接続端子を設けた基板を支持する支持台と、金属
    細線と接触端子との接合界面に圧力を加える加圧装置と
    を備え、金属細線と接触端子との接合界面に沿って超音
    波振動を印加する金属細線の超音波接合装置において、
    制御装置は第１の周波数と第１の振幅を有する低周波大
    振幅の超音波振動と、第１の周波数より高い第２の周波
    数及び第１の振幅より小さい第２の振幅を有する高周波
    小振幅の超音波振動とを切り換えるように制御すること
    を特徴とする金属細線の超音波接合装置。
  5. 【請求項５】 超音波を発生する振動子と、該振動子の
    振動条件を制御する制御装置と、振動子が発生する超音
    波を伝達するホーンと、該ホーンに取り付けられた接合
    ツールと、該接合ツールの先端に配置された金属細線に
    当接する接続端子を設けた基板を支持する支持台と、金
    属細線と接触端子との接合界面に圧力を加える加圧装置
    とを備え、金属細線と接触端子との接合界面に沿って超
    音波振動を印加する金属細線の超音波接合装置におい
    て、振動子は第１の周波数と第１の振幅を有する低周波
    大振幅の超音波振動を発生する第１の振動子と、第１の
    周波数より高い第２の周波数及び第１の振幅より小さい
    第２の振幅を有する高周波小振幅の超音波振動を低周波
    大振幅の超音波振動の方向と交差する方向に発生する第
    ２の振動子とから構成したことを特徴とする金属細線の
    超音波接合装置。
  6. 【請求項６】 前記第２の周波数は前記第１の周波数の
    整数倍なることを特徴とする請求項４又は５に記載の金
    属細線の超音波接合装置。
  7. 【請求項７】 請求項４または５に記載の金属細線の超
    音波接合装置に加えて、前記接合界面の接合進行状況を
    監視し、所定の進行状況に達した時点を判定して低周波
    大振幅の超音波振動から高周波小振幅の超音波振動に切
    り換えるように制御装置を作動させるモニタリング装置
    を設けたことを特徴とする金属細線の超音波接合装置。
  8. 【請求項８】 前記所定の進行状況に達した時点は金属
    細線が所定の厚さまで変形したことにより判定すること
    を特徴とする請求項７記載の金属細線の超音波接合装
    置。
  9. 【請求項９】 前記所定の進行状況に達した時点は接合
    界面の状態変化に応じて接合ツール先端の振動振幅が所
    定の振幅まで低下したことにより判定することを特徴と
    する請求項７記載の金属細線の超音波接合装置。
  10. 【請求項１０】 前記所定の進行状況に達した時点は接
    合界面の状態変化に応じて接合ツール先端の振動速度が
    所定の速度まで低下したことにより判定することを特徴
    とする請求項７記載の金属細線の超音波接合装置。
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