JPH06209032A - ワイヤボンディング装置及びワイヤの接合方法 - Google Patents

ワイヤボンディング装置及びワイヤの接合方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 連続接合性及び接合強度の優れたワイヤボン
ディング装置及びワイヤの接合方法を提供する。 【構成】 絶縁被覆ボンディングワイヤを用いて半導体
装置の電極間結線を行う際に、リード側での接合におい
て、ボンディング荷重と超音波振動の出力とを２段階に
切り替える。その第一段階では、第二段階に比較して、
低いボンディング荷重及び高い超音波出力に設定し、接
合部被膜の破壊・除去を行い、第二段階では、第一段階
に比較して、高いボンディング荷重及び低い超音波出力
に設定し、露出した金属面の接合を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップと外部設
備をつなぐリードとをボンディングワイヤで結線するた
めのワイヤボンディング装置及びワイヤの接合方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップ上の電極パッドと外部出力
端子であるリードとは、ボンディングワイヤで連結され
る。ボンディングワイヤは、通常Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ等の
金属細線が用いられ、あるループ高さを形成するよう電
極パッドとリードとを連結する。
【０００３】このボンディングワイヤの接合は、通常、
ボールボンディング法と呼ばれる方法で行われるが、電
極パッドに熱圧着された部分から引き出されるため、し
ばしばループにたわみを生じ、半導体チップと接触して
ショートが起こることがある。
【０００４】特に近年、集積回路の大規模化に伴って、
多ピン構造になると、電極パッドとリード接合部との距
離が大きくなる傾向にあり、これに伴いワイヤスパンが
長尺となり、ループが横方向に流れるカール現象が起き
易く、隣接するワイヤ同士のショートの確率も高くなっ
てくる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のようなボンディ
ングワイヤと半導体チップまたはボンディングワイヤ同
士の接触によるショートの発生は、ワイヤ表面に絶縁被
膜を設けることにより防止することが可能である。
【０００６】ボールボンディング法においては、チップ
側での接合は、アーク放電によってワイヤの先端部を溶
融して形成したボールを熱圧着することによって行い、
ついで、キャピラリの先端よりワイヤを導出しながら、
リード上の接合部位に着地させ、キャピラリにボンディ
ング荷重と超音波振動とを同時に印加し、リード側での
接合を行う。
【０００７】しかし、この方法による絶縁被覆ボンディ
ングワイヤの接合では、通常の裸金線の場合と比較し
て、リード側の接合性が悪く、連続ボンディングが中断
したり、接合強度が低いため十分な信頼性が得られない
ということが問題となっていた。
【０００８】そのため、特開昭６３−１８２８２号に開
示されているように、接合部の被膜を予め除去して接合
することにより、接合性の改善を図る方法が提案されて
いる。しかしながら、このような方法は装置が複雑とな
る上、十分な生産性を確保するための高速ボンディング
が困難であった。
【０００９】そこで本発明は、前記従来技術の問題点を
解決し、ボンディング装置を大幅に変更、改良すること
なく、絶縁被覆ボンディングワイヤを用いても裸金線同
様の接合性を得ることができるワイヤボンディング装置
及びワイヤの接合方法を提供することを目的とするもの
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明によるワイヤボンディング装置は、キャピ
ラリの先端より金属細線を導出し、接合部においてキャ
ピラリに対しボンディング荷重と超音波振動とを印加
し、金属間接合を図ることにより、半導体チップと外部
出力端子であるリードとの結線を行うワイヤボンディン
グ装置であって、上記リード側での接合の際に、ボンデ
ィング荷重及び超音波振動の出力を２段階に切り替える
制御手段を備えたものである。
【００１１】また、本発明によるワイヤの接合方法は、
金属細線の表面を絶縁性の樹脂で被覆した絶縁被覆ボン
ディングワイヤを用いて半導体装置の電極間結線を行う
際に、リード側での接合において、キャピラリに対し第
一のボンディング荷重及び第一の超音波振動を印加し、
絶縁被覆ボンディングワイヤの接合面の被膜を破壊、除
去した後、第二のボンディング荷重及び第二の超音波振
動を印加し、露出された金属面の接合を図るものであ
る。
【００１２】なお、上記第二のボンディング荷重が第一
のボンディング荷重より大であり、かつ、上記第二の超
音波振動の出力が第一の超音波振動の出力より小である
とよい。
【００１３】
【作用】本発明者らは、絶縁被覆ボンディングワイヤの
リード側の接合部を詳細に解析した結果、接合強度が弱
いのは、接合界面に樹脂が残留し、これが十分な金属間
接合を妨げているためであることを見いだした。さら
に、接合条件の内、ボンディング荷重と超音波振動の出
力とに着目したところ、比較的低いボンディング荷重で
高い超音波出力の条件において接合界面の被膜除去率が
良好であることを見いだした。
【００１４】以上の観点から、絶縁被覆ボンディングワ
イヤのリード側での接合は、従来の裸ワイヤの場合と異
なり、ボンディング荷重及び超音波振動の出力を２段階
に切り替える、即ち、第１段階では、比較的低いボンデ
ィング荷重、高い超音波出力で被膜除去を行い、第２段
階では、第１段階に比べ高いボンディング荷重、低い超
音波出力で露出した金属部の接合を図ることにより完遂
できるとの見地から本発明に至ったものである。
【００１５】本発明においては、キャピラリの先端より
絶縁被覆ボンディングワイヤを導出しながら所定のワイ
ヤループを形成した後、ワイヤをリード側の接合部に着
地させるが、このとき、ワイヤ接合面は被覆されたまま
の状態にある。ここで、予め設定された第一のボンディ
ング荷重及び第一の超音波振動が印加され、ワイヤはリ
ード面と適度の接触状態で摺動されることにより、接合
面の被膜が破壊、除去され金属面が露出する。続いて、
第二のボンディング荷重及び第二の超音波振動が印加さ
れ、露出したワイヤ金属面とリード面との金属間接合が
完成する。
【００１６】このリード側の接合における第一のボンデ
ィング荷重は、金属間接合に適した第二のボンディング
荷重に比較して、低く設定することが好ましい。これ
は、過度に接合面を押さえつけた場合、超音波振動によ
るリード面に対するワイヤ面の摺動が効果的に行われな
くなるからである。
【００１７】また、第一の超音波振動の出力は、第二の
超音波振動の出力に比較して、高く設定することが好ま
しい。これは、被膜の破壊除去のためには、金属間接合
に好適な超音波振動よりも大きな振幅の超音波振動がよ
り効果的に作用するためであると考えられる。
【００１８】一般に、ボンディングワイヤによる結線工
程は、高速自動ボンディング装置により高能率で行われ
るが、そのためには安定した連続接合性が必要不可欠で
ある。従って、接合不良やワイヤ断線によって中断する
頻度は極力低くあるべきで、多数回の連続接合試験が実
用の可否の指針とされる。また結線後の樹脂封止工程等
における接合部破断不良を避けるために十分な接合強度
を確保しなければならないが、通常、プルテストにより
接合強度が一定の基準を満たしているか否かの判断が行
われる。
【００１９】本発明によれば、上記した連続接合性及び
接合強度の両者を満たし、接合信頼性に優れたワイヤボ
ンディング装置及びワイヤの接合方法を提供することが
できる。
【００２０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１はリード側接合の際の超音波振動及びボン
ディング荷重の印加状態を示すグラフであり、図２はワ
イヤボンディング装置の全体の概略図である。
【００２１】本発明に用いられるボンディング装置は、
図２に概略的に示すように、主に、ＸＹステージ７に搭
載されたボンディングヘッド１１と、リードフレームが
載置されるボンディングステージ５と、制御部８とから
構成される。
【００２２】ボンディングアーム６の先端部にはキャピ
ラリ３が取り付けられており、ＸＹステージ７の動作及
びサーボモーター１０による上下動ブロック１２の案内
軸９に沿った動作により、ワイヤ供給スプール１から供
給される絶縁被覆ボンディングワイヤ２を所定のワイヤ
ループを画くように誘導するとともに、接合部でのボン
ディング荷重や超音波の印加を行う。
【００２３】ボンディングアーム６は、回転軸１３を中
心に回転可能であり、加圧用ソレノイド１４に制御され
た電圧をかけることにより、所定のボンディング荷重が
キャピラリ３に印加される。また、ボンディングアーム
６の上下動ブロック１２側の端部にある図示していない
超音波振動子に制御された電圧をかけることにより、所
定の出力の超音波がキャピラリ３を通して印加される。
【００２４】制御部８は、マイクロプロセッサーやメモ
リー等から構成され、メモリーに格納されたプログラム
に基づき、設定された条件で上記ボンディン動作を制御
するものであるが、本発明に用いられるボンディング装
置では、リード側の接合時にボンディング荷重と超音波
振動の出力とを２段階に可変（図１）となるように改良
したプログラムを用いた。
【００２５】キャピラリ３の先端部より所定の長さだけ
突出した絶縁被覆ボンディングワイヤ２の端部とトーチ
４との間に高電圧を印加し電気スパークを発生させるこ
とにより、ワイヤ２を溶融しボールを形成する。このと
き、ボール上の被覆樹脂は、熱により分解除去されるた
め通常の裸ワイヤ同様に接合が可能である。即ち、キャ
ピラリ３の先端部にこのボールを保持しながら、ＩＣチ
ップ上のアルミ電極パッド上に着地させ、ボンディング
荷重と超音波振動とを印加して、金属間接合が行われ
る。
【００２６】次に、キャピラリ３の先端よりワイヤ２を
導出しながら所定のワイヤループを形成した後、ワイヤ
２をリード側の接合部に着地させるが、このとき、ワイ
ヤ接合面は被覆されたままの状態にある。ここで、予め
設定された第一のボンディング荷重と超音波出力が印加
され、ワイヤ２はリード面と適度の接触状態で摺動され
ることにより、接合面の被膜が破壊、除去され金属面が
露出するのである。
【００２７】続いて、制御部８は、制御信号を第二のボ
ンディング荷重及び超音波出力に切り替えて、露出した
ワイヤ金属面とリード面との金属間接合を完成させる。
【００２８】図１に示すように、このリード側の接合に
おける第一のボンディング荷重は、金属間接合に適した
第二のボンディング荷重に比較して、低く設定すること
が好ましい。これは、過度に接合面を押さえつけた場
合、超音波振動によるリード面に対するワイヤ面の摺動
が効果的に行われなくなるからである。
【００２９】また、図１に示すように、第一の超音波出
力は、第二の超音波出力に比較して、高く設定すること
が好ましい。これは、被膜の破壊除去のためには、金属
間接合に好適な超音波振動よりも大きな振幅の超音波振
動がより効果的に作用するためであると思われる。
【００３０】次に、上述したワイヤボンディング装置を
用いて絶縁被覆ボンディングワイヤを接合する場合のリ
ード側接合条件の好適な範囲について説明する。
【００３１】図２に概略を示したボンディング装置に、
超音波出力やボンディング荷重等の接合条件をリード側
接合時に２段階に切り替え可能な制御用プログラムを装
備し、線径３０μｍ、純度９９．９９％の金線にポリア
リレート樹脂を浸漬塗工法により厚み０．８μｍにコー
ティングした絶縁被覆ボンディングワイヤを先端径２３
０μｍのキャピラリを用いてボンディングした。
【００３２】連続接合性については、連続してボンディ
ングできたピン数が６０００以上のものを合格、６００
０未満のものを不合格とした。また、接合強度の評価
は、ワイヤループの中央部にフックをかけて垂直上方に
引き上げ、ＩＣチップ側接合部、ＩＣチップ側接合部の
直上、ワイヤ部及びリード側接合部のいずれかで破断す
る際の強度及び破断部位を測定するプルテストにおい
て、リード側接合部で破断した割合が１０％未満であ
り、かつ、破断強度の最低値がワイヤ自体の破断強度の
６０％以上のものを合格、これ以外のものを不合格とし
た。
【００３３】リード側接合における第一、第二のボンデ
ィング荷重と超音波出力を種々に変化させた結果を表１
に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】この表において、リード側接合条件のう
ち、Ｆ１、Ｆ２は各々第一、第二のボンディング荷重
を、Ｐ１、Ｐ２は各々第一、第二の超音波出力を表す。
【００３６】先端径２３０μｍのキャピラリを用いた場
合、第一のボンディング荷重は、１０ｇ以上６０ｇ以下
であり、かつ、超音波出力は、０．２Ｗ以上２．０Ｗ以
下、より好ましくは、０．２Ｗ以上１．２Ｗ以下の範囲
が好適であった。なお、上記ボンディング荷重の範囲を
キャピラリ先端における加圧力で表した場合、３０ｋｇ
／ｃｍ2 以上１８０ｋｇ／ｃｍ2 以下である。第一のボ
ンディング荷重及び超音波出力が上記範囲内にある場
合、第二のボンディング荷重と超音波出力は、裸金線の
通常のボンディング条件（加圧力４０ｋｇ／ｃｍ2 〜５
４０ｋｇ／ｃｍ2、超音波出力０．０５Ｗ〜０．１５
Ｗ）であれば、ボンディング性を満足できた。
【００３７】一方、リード側接合時の第一のボンディン
グ荷重と超音波出力が上記範囲以外の値のときは、接合
面の被膜の除去が不十分なため接合性を満足することは
できなかった。
【００３８】第一及び第二の超音波振動の印加時間は、
いずれも２０ｍｓ〜４０ｍｓであれば安定したボンディ
ングが得られ、これ以上に印加時間を長くする必要は認
められなかった。
【００３９】また、リード側接合条件を１段階のみとし
た場合、絶縁被覆ボンディングワイヤのボンディングで
は、いかなるボンディング荷重、超音波出力によって
も、連続接合性、接合強度を満足することはできなかっ
た。
【００４０】以上の結果から明らかなように、本発明に
よるボンディング装置を用い、リード側接合時のボンデ
ィング荷重と超音波振動の出力とを２段階に切り替える
ことにより、絶縁被覆ボンディングワイヤの接合を完全
に行うことができることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、リード側での接合の際
にボンディング荷重と超音波振動の出力とを２段階に可
変とすることにより、絶縁被覆ボンディングワイヤの被
膜破壊・除去と金属間接合とを確実に行うことが可能と
なり、ボンディング信頼性を著しく高めることができ、
絶縁被覆ボンディングワイヤを用いた高集積・高機能型
半導体装置に最適なワイヤボンディング装置及びワイヤ
の接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるリード側接合の際の
超音波振動及びボンディング荷重の印加状態を示すグラ
フである。
【図２】本発明の一実施例におけるワイヤボンディング
装置の全体の概略図である。
【符号の説明】
１ ワイヤ供給スプール ２ 絶縁被覆ボンディングワイヤ ３ キャピラリ ４ トーチ ５ ボンディングステージ ６ ボンディングアーム ７ ＸＹステージ ８ 制御部 ９ 案内軸 １０ サーボモーター １１ ボンディングヘッド １２ 上下動ブロック １３ 回転軸 １４ 加圧用ソレノイド

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 キャピラリの先端より金属細線を導出
    し、接合部においてキャピラリに対しボンディング荷重
    と超音波振動とを印加し、金属間接合を図ることによ
    り、半導体チップと外部出力端子であるリードとの結線
    を行うワイヤボンディング装置であって、 上記リード側での接合の際に、ボンディング荷重及び超
    音波振動の出力を２段階に切り替える制御手段を備えた
    ワイヤボンディング装置。
  2. 【請求項２】 金属細線の表面を絶縁性の樹脂で被覆し
    た絶縁被覆ボンディングワイヤを用いて半導体装置の電
    極間結線を行う際に、リード側での接合において、キャ
    ピラリに対し第一のボンディング荷重及び第一の超音波
    振動を印加し、絶縁被覆ボンディングワイヤの接合面の
    被膜を破壊、除去した後、第二のボンディング荷重及び
    第二の超音波振動を印加し、露出された金属面の接合を
    図るワイヤの接合方法。
  3. 【請求項３】 上記第二のボンディング荷重が第一のボ
    ンディング荷重より大であり、かつ、上記第二の超音波
    振動の出力が第一の超音波振動の出力より小であること
    を特徴とする請求項２記載のワイヤの接合方法。
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