JPH0831493B2 - 絶縁被覆ボンディング細線を用いるボンディング装置、キャピラリーおよびそれを用いた接合方法 - Google Patents

絶縁被覆ボンディング細線を用いるボンディング装置、キャピラリーおよびそれを用いた接合方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積回路のような半導
体装置の電極部とリードとを、絶縁樹脂を被覆したボン
ディング細線で、安定して接合するためのボンディング
装置、治具および接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の電極部上へのボンディング
細線の接合は、キャピラリーの先端の小孔よりわずかに
引き出された細線の先端を加熱して溶融状態のボール電
極部を形成し、このボールを半導体装置上のパッド電極
部にのせ、キャピラリー先端で圧着して行われる。この
電極と細線を接合（第１ボンディング）した後キャピラ
リーは、細線を引出しながら高速で上昇移動し、ループ
を形成しながら第２ボンディング部であるリードの表面
へと移行する。第２ボンド後、キャピラリーをわずかに
垂直上方に移動させ、ボール作成用のワイヤーを引き出
した後、キャピラリー上方に設置され、キャピラリーと
連動しているクランパーを閉じ、その状態で上方へさら
に移動させることにより、ワイヤーがキャピラリーより
わずかに引き出された状態で、第２接合部からワイヤー
を切り離す。ボンディング細線は、ほぼ１８〜５０μｍ
前後の径を有する金や銅などの金属裸細線が用いられ、
前記したように、第１ボンドと第２ボンドの間には、一
定のループを形成して接合されるが、ときどき、細線ル
ープがたるんで素子と接触してショートを起こすことが
ある。特に、最近では、ＬＳＩ、超ＬＳＩのように集積
回路が大規模化、高密度化になるとともに、素子自体も
小型化されることにともない、多ピン接合となってい
る。すなわち接合スパンを長尺にしたり、より細径（１
０μｍオーダー）の細線を用いるようになっている。こ
のような傾向は、前述したループのたるみや、更に、高
密度化によるカール現象が起こりやすく、すなわち隣接
する細線同士も接触しやすい構造となり、ショートによ
る半導体装置の電気的不良を起こす機会を多くしてい
る。
【０００３】このような細線の接触によるショートを防
ぐために、細線表面に絶縁樹脂被覆をしたボンディング
細線が提案されており、たとえば絶縁性の高分子樹脂材
料で被覆されたボンディング細線が提案されている。と
ころが、従来一般に使用されているボンディング装置、
接合治具では、被覆されたボンディング細線は十分な信
頼性を有する接合が行えず、実用化に至っていないのが
現状である。
【０００４】絶縁被覆細線の接合においては、特にリー
ド側の接合（第２ボンド）が困難で、超音波を併用した
熱圧着では、接合界面の被覆材を完全に除去することが
困難であるため、接合不良や、接合強度の低下や、テイ
ル切れに起因するボンディングの中断をもたらしてい
る。そのため、接合する部分の被覆を予め除去すること
により、接合性の改善を図ることが提案されている。と
ころがこの様な方法は、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る。
なお第１ボンドは適切な被覆樹脂および被覆厚みを選定
することにより、通常の金線同等の接合性を得ることが
可能である。これはボール形成時の熱で樹脂が分解し、
ボール表面にはほとんど残らないからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したようにボンデ
ィング細線に絶縁樹脂を被覆することは、接触によるシ
ョート不良を防ぐ一つの方法であるが、従来一般に使用
されている接合方法では、被覆されたボンディング細線
を安定して接合することが困難で、特に第２ボンド接合
時に接合不良が多発する。
【０００６】本発明者らの接合部の観察によると、接合
不良は樹脂がリードとボンディング細線の金属部との間
に残存し、十分な接合強度が得られないか、あるいは、
第２ボンドがまったくできない場合であることが判明し
た。その場合、接合強度を上げる目的でキャピラリーの
加圧力および超音波出力を増加させると、金属線の圧縮
変形がすすみすぎ、接合時に金属線が完全に破断し（テ
イル切れ）、次のループのボール形成のための細線をキ
ャピラリー先端から引き出すことができず、連続して接
合できない結果となる。
【０００７】本発明は、上記問題点を解消すべく、十分
な接合性を可能とする絶縁被覆ボンディング細線のボン
ディング装置、接合治具および接合方法を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するために、特許請求の範囲の各請求項に記述され
た構成要件を要旨とするものである。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。図１は、本発明の実施例に係るボ
ンディング装置の概略構成を示す図である。同図に示す
ように、ボンディング装置１は、導電線に絶縁被覆が施
されたボンディング細線２を巻回したスプール３と、ス
プール３から供給されたボンディング細線２を保持し、
かつボンディング領域４へ供給するクランプ部材５と、
ボンディング細線２を半導体装置６の電極部又はリード
７に接合するためのキャピラリー８と、キャピラリー８
の先端にボンディングボールを形成させるための電極ト
ーチ９と、スプール３とクランプ部材５間に張力を与え
るテンショナー１０と、クランプ部材５、キャピラリー
８、電極トーチ９の各部の動作を制御する制御装置１１
とから構成されている。
【００１０】次に、図１及び図２を参照してボンディン
グ動作を説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、制
御装置１１の制御下において、キャピラリー８の先端の
孔８ａから引き出されたボンディング細線２が電極トー
チ９によって溶融加熱され、ボール２ａが形成される。
ボール２ａは、キャピラリー８の下降にともないキャピ
ラリー８の先端で半導体装置６のボンディングパッド６
ａに熱圧着される（図２（ｂ））。この第１ボンディン
グが終了したら、次に、キャピラリー８は上昇移動さ
れ、同時にクランプ部材５を開くことによりボンディン
グ細線２がキャピラリー８から引き出され、キャピラリ
ー８はワイヤループ２ｂを形成するようにリード７の第
２ボンディング位置へ移行される。ここで、ボンディン
グ細線２は、キャピラリー８の先端によりリード表面に
一定の加圧力で超音波振動を与えられるため、絶縁被覆
が除去され導電線とリード７との第２ボンディングが行
われることになる（図２（ｃ））。第２ボンディングが
終了したら、図２（ｄ）に示すように、キャピラリー８
をわずかに上昇させてボール形成用の細線２を引き出
し、以後同様の動作が繰り返される。
【００１１】図３（ａ）はキャピラリー先端の形状を説
明した図であり、（ｂ）は絶縁被覆ボンディング細線が
キャピラリー８により押し付けられリード７と接合する
状態を模式的に示したものである。リード側との接合は
キャピラリー８の加圧と超音波振動により樹脂１２がお
しのけられ、ボンディング細線の金属部１３とリード表
面金属とが接合されることが必要である。電気的にも金
属同士の接合により電気的な導通を得ることが必要であ
る。
【００１２】キャピラリー寸法の定義は、図３（ａ）に
示すとおりで、押し付け面外径寸法はＴとし、外形テー
パーの延長線と押し付け面の延長線の交線を押し付け面
外径とする。また押し付け面内径はＣＤとし、先端開き
角と押し付け面の交線を押し付け面内径とする。またキ
ャピラリー穴径はＨとし、キャピラリー穴の最小径とす
る。外径曲率はＯＲとし押し付け面とキャピラリー外形
面からの等距離の位置を曲率中心とする。
【００１３】本発明者らの接合部の観察によると、接合
不良はリード７とボンディング細線２の金属部１３との
間に樹脂１４が残存し、十分な接合強度が得られない
か、あるいは、第２ボンドがまったく出来ない場合であ
ることが判明した。その場合、接合強度をあげる目的で
キャピラリーの加圧力および超音波出力を増加させる
と、金属線の圧縮変形がすすみすぎ、接合時に金属線が
完全に破断し（テイル切れ）、次のループのボール形成
のためのワイヤーをキャピラリー先端から引き出すこと
ができず、連続して接合できない結果となる。本発明者
らは、絶縁被覆されたボンディング細線の接合性を改善
することを目的として、様々の実験をくりかえし、図３
（ａ）に示すキャピラリーの押し付け面の外径（Ｔ）と
内径（ＣＤ）の差（２ｓ）を増大させることにより、金
属接合部分の面積が相対的に増大し、連続接合性および
接合強度を大幅に改善できることをみいだした。その場
合、ｓの増大にともない、ボンディングする際の加圧
力、超音波出力を特定の範囲に限定することで、従来の
被覆されていない裸線と同等の、接合強度、連続接合性
がえられることが、明らかとなった。すなわち接合界面
の解析から、樹脂が界面に残存することによる金属接合
部の面積の減少が、接合不良の最大の要因であり、キャ
ピラリー押し付け面の拡大により、問題を解決できるこ
とが判明した。
【００１４】すなわちキャピラリーの押し付け面の外径
と内径の差の１／２の値（ｓ）を、使用するボンディン
グ細線の直径の２．４倍以上とする。好ましくは２．６
倍以上である。通常の裸金線の場合、ｓがボンディング
細線の直径の２．２〜２．３倍程度以下が一般に使用さ
れている。裸金線の場合は２．２〜２．３倍程度でも十
分な接合性がえられるが、絶縁被覆された細線の場合
２．４倍未満では、しばしば連続ボンディングに支障を
きたすばかりでなく、接合強度も十分でない。ｓがボン
ディング細線の直径の２．４倍以上で顕著な改善がみら
れ、２．６倍以上では、裸線とほぼ同等の接合強度がえ
られる。３．５倍以上の場合は接合強度はほぼ一定な
り、４．１倍超ではｓの増大による効果は見られず実用
的でない。
【００１５】キャピラリー外径は、ｓを増大させる観点
から大きい方が好ましいがボンディング細線を接合する
電極間隔、もしくはリード間隔が多ピンになるほど狭く
なりキャピラリー外形部が隣接するボンディング細線や
電極に接触する場合がある。また外径が小さいと、ｓを
満足させ、且つ適切な内径、穴径を設定することが困難
となる。したがって実際的にはキャピラリーの押し付け
面外径はボンディング細線の直径の７倍以上１４倍以下
が好ましい。
【００１６】また、キャピラリー穴径はボンディング細
線直径の１．４倍未満では、ボンディング細線とキャピ
ラリー内面との滑りが悪く、被覆材表面が損傷されるこ
とがあり、また安定したボンディングが困難となる。ま
た２．０倍超ではボール側の接合時にボールがキャピラ
リー内に引き込まれ、安定したボンディングが困難とな
る。したがってキャピラリー穴径は、ボンディング細線
の直径の１．４倍以上２．０倍以下が好ましい。またリ
ード側のＰとＦ／ｓの接合条件については、図４に示す
範囲（斜線部）であり、この範囲外では接合不良がしば
しば起こる。図の上側の曲線は各Ｐの値に対するＦ／ｓ
の最大値すなわち、 ３．１１Ｐ−４．０３Ｐ1/2 ＋２．８２＝Ｆ／ｓ をあらわし、また、下側の曲線は各Ｐの値に対するＦ／
ｓの最小値すなわち Ｆ／ｓ＝１．５５Ｐ−２．０Ｐ1/2 ＋１．４０ をあらわす。図の縦軸に平行な直線は左側がＰ＝０．０
１２、右側がＰ＝０．３１を示す。すなわち、超音波出
力Ｐ、加圧力Ｆがこの範囲より大きいときは、主として
テイル切れの問題が顕著となり、Ｐ，Ｆがこの範囲より
小さいときは、主として、接合強度が著しく低下する
か、まったく接合しない結果となりやすい。超音波印加
時間ｔは１０msecより短いと超音波印加の効果が安定せ
ず、また４０msecより長い場合は時間の効果はほぼ一定
となるので、生産性を考慮し、実際にはｔは１０msec以
上４０msec以下の範囲とする。
【００１７】ボンディングがより高密度になりキャピラ
リー外形が本発明の範囲でも隣接する、ボンディング細
線との接触が問題となる場合は、図３（ａ）に示すキャ
ピラリー先端外形テーパー（β）を１５°から１０°程
度に減少させるか、もしくは先端のみテーパーを１０°
以下にするボトルネック状にすることにより改善が可能
である。また先端の押し付け面はフラット、あるいは１
０°以下のテーパー（θ）がついてもよい。また先端外
形曲率（ＯＲ）はボンディング細線の直径（φ）の１．
１〜１．６倍程度が好ましい。先端の内径開き角（α）
は８０〜１３０°程度が好ましい。ボンディング細線の
被覆厚は小さい程接合性が裸線に近くなり良好である
が、絶縁性の視点からは０．２μｍ以上が好ましく、も
っとも好ましくは０．４μｍ以上である。１．５μｍを
超える被覆厚では本発明の効果が十分に期待できず、接
合不良をもたらす場合がある。しかし通常のＩＣでは
１．０μｍ以上の被覆による絶縁性を要求されることは
まれである。なおボンディング細線の直径（φ）は被覆
膜厚を含むものである。
【００１８】つぎに本発明の試験例を示す。 試験例１ 使用したボンディング細線は、３０μｍおよび２５μｍ
径の純金線（９９．９９％Ａｕ）に０．４μｍおよび
０．６μｍ厚の樹脂被覆されたものである。被覆した樹
脂はポリアリレート（ＰＡ）およびポリカーボネート
（ＰＣ）である。このボンディング細線を用いて第１ボ
ンディングと第２ボンディング間を３mmとして接合し
た。０．１５mm厚でリード先端の表面が銀メッキされた
１００ピンリードフレームを使用した。接合時のリード
表面の温度は２７０℃に調節した。使用したキャピラリ
ーの素材はアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）で、形状を表１に接
合試験結果を表２に示す。比較例も表中に示した。なお
接合強度の測定は図５に示すように、接合後ボンディン
グ細線のループ２ｂの中央部をフック１５で引き上げ、
破断した時の最大の強度をプル強度ｆ（ｇ）とし、５０
回の平均とした。破断は接合部から破断する場合と、ボ
ンディング細線部で破断する場合があるが、細線部で破
断する場合は、接合強度は細線強度を上回り、接合強度
が上昇してもプル強度はほぼ一定値となる。接合部で破
断する割合をｑ（％）であらわした。また連続接合性に
ついては、連続してボンディングできたピン数が６００
０以上のものを○、１００以上６０００以下のものを
△、１００以下のものを×とした。なお１０以下のもの
については、プルテストは実施しなかった。
【００１９】リード側の接合条件を加圧力Ｆ／ｓ（ｇ／
μｍ）、超音波出力Ｐ（ｗ）、超音波印加時間ｔ（mse
c）であらわした。各キャピラリーを使用した場合の接
合条件の選定は、あらかじめ種々の条件で接合試験を行
い、その結果接合強度の最も高い結果を導いたときの条
件を表２の条件に採用した。
【００２０】
【表１】
【００２１】
【表２】
【００２２】試験例２ ボンディング細線が３０μｍ径の純金線に０．６μｍ厚
のポリアリレート樹脂を被覆した絶縁被覆細線の接合性
と接合条件の関係を調査した。使用したキャピラリーは
表１に示すNo．１とNo．５である。
【００２３】リード側の接合条件を加圧力Ｆ／ｓ（ｇ／
μｍ）、超音波出力Ｐ（ｗ）、超音波印加時間ｔ（mse
c）であらわした。接合條件Ｆ／ｓおよびＰは図６中に
表３に記入した試験番号で示した。なお図中斜線部は図
３に示したものと同様で、本発明の条件を示す。接合試
験結果を表３に示す。
【００２４】
【表３】
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、従来の絶
縁被覆ボンディング細線の接合性を改善するキャピラリ
ーとそのキャピラリーを用いたボンディング装置を提供
し、さらに接合方法を改良することにより接合強度、連
続接合性を向上させ、絶縁被覆ボンディング細線の実用
性、信頼性をより一層向上させることができる。なお本
発明は被覆細線のみならず、裸細線の１５０℃以下の低
温接合など接合不良の発生しやすい場合の接合性改善に
も適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボンディング装置の概略構成を示す図である。
【図２】ボンディング工程を示す説明図である。
【図３】（ａ）はキャピラリー先端形状を示す模式図、
（ｂ）は絶縁被覆ボンディング細線接合時（第２ボンデ
ィング）の模式図である。
【図４】本発明における接合条件の範囲を示す図であ
る。
【図５】プルテストの方法の説明図である。
【図６】実施例の接合試験条件を示す図である。
【符号の説明】
１；ボンディング装置 ２；ボンディング細線 ３；スプール ４；ボンディング領域 ５；クランプ部材 ６；半導体装置 ７；；電極、リード ８；キャピラリー ９；電極トーチ １０；テンショナー １１；制御装置 １２；樹脂 １３；金属部 １４；残存樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 良一 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新日 本製鐵株式会社 第１技術研究所内 (72)発明者 板東 徹 埼玉県鳩ヶ谷市南３−18−36 日本テキサ ス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 門口 壮一 埼玉県鳩ヶ谷市南３−18−36 日本テキサ ス・インスツルメンツ株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−181942（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電線に絶縁被覆を施したボンディング
    細線と、上記細線を保持しかつ供給する細線保持部と上
    記細線保持部から上記細線の供給を受け上記細線を半導
    体装置の電極部あるいはリード部に接合するためのキャ
    ピラリーと、上記キャピラリーの作動条件を制御する制
    御装置とを有し、上記キャピラリーの押し付け面の外径
    と内径の差の１／２が、上記細線の直径の２．４倍以上
    であり４．１倍以下であることを特徴とするボンディン
    グ装置。
  2. 【請求項２】 上記キャピラリーの押し付け面の外径
    が、上記ボンディング細線の直径の７倍以上１４倍以下
    であることを特徴とする請求項１記載のボンディング装
    置。
  3. 【請求項３】 上記キャピラリーの先端の穴径が上記ボ
    ンディング細線の直径の１．４倍以上２．０倍以下であ
    ることを特徴とする請求項１記載のボンディング装置。
  4. 【請求項４】 押し付け面の外径と内径の差の１／２が
    ボンディング細線の直径の２．４倍以上であり、４．１
    倍以下であることを特徴とする絶縁被覆ボンディング細
    線接合用キャピラリー。
  5. 【請求項５】 押し付け面の外径が、ボンディング細線
    の直径の７倍以上１４倍以下であることを特徴とする請
    求項４記載の絶縁被覆ボンディング細線接合用キャピラ
    リー。
  6. 【請求項６】 先端の穴径が、ボンディング細線の直径
    の１．４倍以上２．０倍以下であることを特徴とする請
    求項４記載の絶縁被覆ボンディング細線接合用キャピラ
    リー。
  7. 【請求項７】 請求項４のキャピラリーを使用し、リー
    ド側の接合時の加圧力Ｆ（ｇ）、超音波出力Ｐ（ｗ）、
    超音波印加時間ｔ（msec）および押し付け面の外径と内
    径の差の１／２ｓ（μｍ）が、 ３．１１Ｐ−４．０３Ｐ1/2 ＋２．８２≧Ｆ／ｓ≧１．５５Ｐ −２．０Ｐ1/2 ＋１．４０ ０．３１≧Ｐ≧０．０１２ １０≦ｔ≦４０ の範囲内で接合することを特徴とする絶縁被覆ボンディ
    ング細線の接合方法。
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