JPH068792B2 - ボンディングワイヤーのネック部粗粒域再現方法及び装置 - Google Patents

ボンディングワイヤーのネック部粗粒域再現方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子と外部端子を金あるいはアルミニ
ウム等の良導体からなるボンディングワイヤーを用いて
ボールボンディングによって接続する場合において、ボ
ンディングワイヤーにおける微小（μｍ）な範囲に生ず
る結晶粒粗大化現象を、同種のボンディングワイヤーに
おいて機械試験に必要な所定の長さにわたって再現する
方法及び装置に関するものである。
（従来の技術） ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体製品のアンセンブリー工程で
は、半導体素子と外部端子との接続にワイヤーボンディ
ング法が広く用いられている。ワイヤーボンディング法
にはボールボンディング法及びウエッジボンディング法
があるが、現在は生産性の点からボールボンディング法
が多く用いられている。ボールボンディング法は、水素
炎、あるいは電気放電によってワイヤー端部にボールを
形成させ、熱圧着によってワイヤーと半導体素子上の電
極との接合を行う方法であるが、大きな問題点はボール
形成時の熱サイクルによって熱影響を受け、特にボール
近傍部においてワイヤーの結晶粒の粗大化が顕著であ
り、強度低下等の材質劣化が生じることである。（以
下、このボール近傍部等ボール形成時熱影響を受けて結
晶粒が粗大化する領域をネック部粗粒域と称することと
する。）このような材質劣化は、ボンディング時、ある
いは搬送時、さらには高温使用時における断線の大きな
要因となる。従って、これ等の問題が生じないようにワ
イヤーの選択を適切に行う必要があるが、このためには
ネック部粗粒域の機械的性質を事前に正確に把握するこ
とが重要である。更に、ボール形成時の熱サイクルによ
る劣化の少ないワイヤーの開発が今後望まれるが、これ
を行っていく上でもネック部粗粒域の特性を正確に把握
することは重要である。
従来、この種のボールボンディングにおけるボンディン
グワイヤーのボンディング性の評価手段として、ＡＳＴ
Ｍ規格、Ｆ４５９等に代表されるフックテストが広く用
いられている。第６図にこのテスト方法を示す。この方
法ではボンディングワイヤー１の一端をリードフレーム
１５に、半導体チップ１３、電極パッド１４を介して固
定すると共に他端も固定した状態で、このボンディング
ワイヤー１をフック１６で上方に引張り、その時の破断
荷重Ｆを測定する方法である。しかしながら、この方法
では接合されたワイヤーループ全体の引張強度を調べる
には有効であるが、圧着後のボール形状、ループ高さ等
によって強度の値が影響されるため、ネック部粗粒域の
機械的特性を正確に把握するには不十分である。
（発明が解決しようとする問題点） このように、ネック部粗粒域の機械的特性を直接的に正
確に把握する手段はまだ確立されていないのが現状であ
る。これは、材質の劣化する領域の長さが１０μｍ〜５
０μｍと極めて短く、従来知られている標準的な機械試
験では対応が困難であることが一因である。
本発明はボンディングワイヤーについて各種機械試験に
よって適切で有効なデータを得るために、十分な長さの
ネック部粗粒域に相当する組織を容易に得るための、ボ
ンディングワイヤーのネック部粗粒域再現方法と装置を
提供することを目的としている。
（問題点を解決するための手段） 本発明の第１の発明は直径１０μｍ以上、１００μｍ迄
のボンディングワイヤーにおいて機械試験が容易にでき
る範囲の長さを選択し、この長さに亘って直接パルス電
流を流すことによって通電加熱し、この際にパルス電
流、及びパルス幅を制御して実際のボンディング時のボ
ール形成によってこのボール近傍部に結晶粒粗大化をも
たらす熱サイクルに相当する熱サイクルを付与すること
を特徴とするボンディングワイヤーのネック部粗粒域再
現方法であり、また第２の発明はボンディングワイヤー
を保持する電極と、ワイヤーに熱サイクルを付与する安
定したパルス電流を供給するための定電流電源、及びこ
のパルス電流のパルス幅制御回路と、熱サイクルを測定
するための放射型温度計、及び加熱中のワイヤーの熱膨
張による温測スポットからのずれを防ぐための熱膨張吸
収用スプリングとを具備することを特徴とする、ボンデ
ィングワイヤーのネック部粗粒域再現装置、である。
（作用） 本発明では、実際のボンディング時のボール形成時のよ
うに極めて短時間、例えば１秒以下の熱サイクルをボン
ディングワイヤーに与える場合に、制御性の良好なパル
ス電流による直接通電加熱方法を用いている。熱サイク
ルを与える方法としては(1)レーザー光を瞬間的に与え
る方法、(2)高周波誘導電流によって加熱する方法等も
あるが、(1)ではワイヤーで表面と内部とで温度差が生
じ易いこと、(2)では、コイルのインダクタンスのため
短時間加熱ができない。このため(1)、(2)とも微小径の
ボンディングワイヤーに対して短時間に正確な熱サイク
ルを与えることは困難であり、制御性が悪く、本発明で
用いる加熱方法としては適性に乏しい。
また、短時間の熱サイクルの制御性が良く、正確な熱サ
イクルを与えるためには通常の商用周波数の電源等によ
る電流では精度良く熱サイクルを制御することは困難で
あり適性に乏しい。
次に、本発明の詳細を図面を用いて説明する。
第１図は本発明の装置を示す模式図である。ボンディン
グワイヤー１を電極２ａ，２ｂにてクランプし、定電流
電源ａにて一定のパルス電流をワイヤーに供給し、直接
通電加熱を行う。この際の通電時間はパルス幅制御回路
ｂによって調製する。ボンディングワイヤーの加熱長さ
はスライド板３、送りネジ４によって調製する。通電
時のボンディングワイヤーにおける熱サイクルの測定は
熱電対等の接触式のものでは不可能であるため、微小領
域（１０−２０μｍ）の放射型温度計５にて行う。ま
た、加熱時にはボンディングワイヤーは熱膨張し、放射
型温度計のスポットからのずれが生ずる。スライドベア
リング６、スプリング７はこの熱膨張によるずれ（曲が
り）が生じないように、ボンディングワイヤーに張力を
与えて加熱時においても直線が保たれるようにするため
のものである。ロードセル８はこの張力が過度にならな
いようにモニターするためのものである。また、ボンデ
ィングワイヤーは熱容量が小さいため、僅かの大気の対
流等によって温度にゆらぎが生ずる。これを防ぐために
遮へい用のチャンバー１２を用いる。９はボンディング
ワイヤーを固定するためのクランプ、１０，１１は電極
保持台である。
第２図は本装置による熱サイクルの再現性について大気
遮へいをした場合としない場合について調べたものであ
る。供試のボンディングワイヤーは２５μｍ金ワイヤ
ー、加熱長さは５０mm、電流密度は９４０Ａ／mm2、
通電時間は0.6秒である。図のように、遮へい無しでは
温度にゆらぎが認められるが、チャンバー１２で遮へい
することによって熱サイクルは極めて安定し、再現性が
得られることが判る。同様の条件で２回実施した結果を
２本の実線で示す。また、図よりワイヤー温度は通電開
始から0.2〜0.3秒付近で定常状態（目標温度）となって
いる。実際のボール形成時の熱サイクルは0.01〜0.1秒
程度と考えられるが、通電時間を温度が安定し始める時
間、例えば0.2〜0.3秒以上にし、最高温度を実際のボー
ル形成時のそれよりやや低めになる熱サイクルにするこ
とによって、熱サイクルが安定し、ボール形成時のボー
ルネック部粗粒域と等価的な粗粒域を再現することがで
きる。
また、本発明では適用するボンディングワイヤーを１０
〜１００μｍとしたが、これは、１０μｍ以下ではワイ
ヤーの熱容量が小さすぎて熱サイクルの安定性が悪く、
また１００μｍ以上では電極との接触面積のばらつきが
大きく精度が不安定となる要因が増加する。
以下に本発明の実施例を示す。用いたワイヤーはすべて
直径２５μｍの金ワイヤーである。
（実施例１） 第３図は第１図のように構成された装置を用いて、直径
２５μｍの金ワイヤーの加熱長さを５０mm、パルス電
流密度を９６０Ａ／mm2、通電時間を0.6秒として、通電
加熱実験を行った後の、ワイヤーの加熱された領域のミ
クロ組織を調べたものである。ワイヤー中央部と中央よ
り１５mmとの組織はほゞ同等であり、長さ方向で均一な
熱サイクルとなっていることがわかる。
（実施例２） 第４図は、本発明で通電加熱して得られた粗粒域組織と
実際のボンディングにおけるボールネック部の粗粒域の
組織との対応を、化学成分の異なる８種類（NO.１〜
８）の２５μｍ径の金ワイヤーを用いて調べた結果を示
すものである。ここで、実際のボンディングにおけるボ
ール形成は電気トーチによる標準的条件で行った。また
本発明では加熱長さを５０mmとして、パルス電流密度
を９７０Ａ／mm2として、通電時間0.6秒で通電加熱し
て、ボールネック部粗粒域相当の粗粒域組織としたもの
である。この条件で実際の粗粒域結晶粒径と本発明で得
られた粗粒域結晶径とはほぼ１：１の対応を示し、本発
明で得られた粗粒域組織が実際のボンディングにおける
ボールネック部の粗粒域組織と、ほゞ同等な組織が得ら
れていることが確認できる。
このように本発明によってネック部粗粒域相当の粗粒域
を５０mmの長さに亘って生成でき、一般的な引張試験を
容易とすることができ、種々な機械的性質を知ることが
できた。１例として第５図に、本発明で得られた前記８
例のなかの４例の粗粒域を生成したワイヤーについて引
張強さと伸びの関係を示した。このようにして各々のワ
イヤーの強度、伸び特性が明確に把握でき、粗粒域の強
度、伸び特性の優れたワイヤーの開発、選択使用が可能
となる。
（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、ボンディングワイヤー
ネック部粗粒域の金属組織を一般的な引張試験を可能と
する長さにわたって均一に再現することが可能となるた
め、粗粒域の機械的性質を容易にかつ正確に把握するこ
とができる。従って、耐ネック切れ性の評価を正確に行
うことができ、用途に応じて適切にワイヤーの選択を行
うことができる。また、ボール形成条件の変化に伴うネ
ック部の組織変化を所定の長さにわたって均一にシュミ
レートできるため、ボール形成時の入熱の粗粒域特性へ
の影響を詳細に把握できる。さらには、ワイヤー成分の
影響等、詳細に把握できるため、新ワイヤーの開発を行
う上で極めて有効な手段となる。
本実施例では粗粒域の引張特性について行ったが、疲労
特性等、他の特性についても同様に評価、解析手段とし
て本発明を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法を実施する装置の一例の構成図、
第２図はワイヤー加熱時に大気遮へいを行った場合と遮
へいのない場合についての熱サイクル測定結果を示す
図、第３図は再現試験後のワイヤー中央部と中央より１
５mmの部分の金属組織の写真、第４図は実際のボンディ
ングにおけるネック部粗粒域結晶粒径と再現試験におけ
る試験材の結晶粒径とを比較した図、第５図は粗粒域再
現条件のもとでの引張試験結果を示した図、第６図は従
来のワイヤーボンディングのフックテストの模式図であ
る。 １…ボンディングワイヤー、２ａ，２ｂ…電極、３…ス
ライド板、４…送りネジ、５…微小領域（１０−２０μ
ｍ）放射温度計、６…スライドベアリング、７…スプリ
ング、８…ロードセル、９…クランプ、１０，１１…電
極保持台、１２…遮へい用チャンバー、１３…半導体チ
ップ、１４…電極パッド、１５…リードフレーム、１６
…フック。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直径１０μｍ以上、１００μｍ迄のボンデ
    ィングワイヤーにおいて、各種機械試験が容易にできる
    範囲の長さを選定し、この長さに亘って直接パルス電流
    を流すことによって通電加熱し、この際にパルス電流、
    及びパルス幅を制御して、実際のボンディング時のボー
    ル形成によってこのボール近傍部に結晶粒粗大化をもた
    らす熱サイクルに相当する熱サイクルを付与することを
    特徴とするボンディングワイヤーのネック部粗粒域再現
    方法。
  2. 【請求項２】ボンディングワイヤーを保持する電極と、
    このワイヤーに熱サイクルを付与する安定したパルス電
    流を供給するための定電流電源、及びこのパルス電流の
    パルス幅制御回路と、この熱サイクルを測定するための
    放射型温度計、及び加熱中のワイヤーの熱膨張による測
    温スポットからのずれを防ぐための熱膨張吸収用スプリ
    ングとを具備することを特徴とするボンディングワイヤ
    ーのネック部粗粒域再現装置。
JP62307562A 1987-12-07 1987-12-07 ボンディングワイヤーのネック部粗粒域再現方法及び装置 Expired - Lifetime JPH068792B2 (ja)

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