JPH088308A - ボンディング方法及び半導体装置 - Google Patents

ボンディング方法及び半導体装置

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JPH088308A
JPH088308A JP6139967A JP13996794A JPH088308A JP H088308 A JPH088308 A JP H088308A JP 6139967 A JP6139967 A JP 6139967A JP 13996794 A JP13996794 A JP 13996794A JP H088308 A JPH088308 A JP H088308A
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ball
diameter
bonding
semiconductor device
chamfer
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Kazumitsu Itabashi
一光 板橋
Toshitaka Mimura
利孝 三村
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体素子電極上の圧着ボールを、所定の圧着
径に対して単位面積当りの剪断力である剪断強度を高め
ることで、圧着ボール径を従来より小さくしながら所定
の剪断力を得て、半導体装置の多ピン化への対応に有用
なボンディング方法及び半導体装置を提供する。 【構成】キャピラリー３のチャンファー径６がボール２
の径の１．０倍を超え３．０倍以下であり、且つ超音波
出力を０．１５〜０．７９Ｗに設定する。金属ワイヤー
１の導出部に形成されたボール２を、チャンファー面５
で押圧すると同時に超音波を印加して電極部９にボンデ
ィングする。この時、圧着ボール11は上端ネック部11a
付近から下端接着面11b までにわたって円錐形となるよ
う変形し、よってその下方部は底面立上がり部に鼓型は
み出し部の無い円錐形状になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造に用い
る金属ワイヤーのボンディング方法及び半導体装置に関
し、さらに詳しくは、半導体装置の高密度化に伴う多ピ
ン化に適した超音波ボールボンディング方法及び半導体
装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体装置の組立てにおいて、半
導体素子上の電極部とリードフレームのＡｕめっき端子
部を金属ワイヤーでボンディングする方法として、超音
波ボールボンディング法又は超音波ウェッジボンディン
グ法等が採用されている。先ず、超音波ボールボンディ
ング法を図６（ａ）、（ｂ）で説明する。金属ワイヤー
１はキャピラリー３’先端から導出され、その導出部が
トーチ７により加熱溶融されてボール２を形成する。次
にトーチ７を後退させた後キャピラリー３’を下方に移
動させ、そのフェイス４でボール２を押圧すると同時に
超音波を印加して、半導体素子８上に形成された電極部
９に金属ワイヤー１をボンディングする。この時、図６
（ｂ）に示すように、圧着ボール10は鼓型に変形して電
極部９に金属ワイヤー１をボンディングする。またウエ
ッジボンディング法は、金属ワイヤーの先端をウエッジ
を用いて所定部に押圧して超音波を印加する方法であ
る。
【０００３】一方、半導体装置は近年ますます高密度
化、高機能化され、ピン数が増大している。この状況の
中で、半導体チップサイズを大きくすることなく多ピン
化に対応するために、ボンディング部一ケ所当りの接着
面積を小さくすることが要求されている。この要求に対
して、従来の超音波ボールボンディング法では接着面積
がボール径の１．５倍程度にまで大きくなるという欠点
を有している。これに対してボール径を小さくすること
が試みられているが、単にボール径を小さくするだけで
はボール径の減少に対応して剪断力で測定した接着力が
低下するという問題を有する。
【０００４】この他、特開昭６３−２３２４４０号公報
では、超音波ボールボンディング法のボンディング条件
を種々検討しボンディング後のワイヤーを牽引してワイ
ヤーの断線又は剥離を測定した結果が提案されている。
しかし乍らこの方法は、キャピラリーのフェイスで圧着
する従来の超音波ボールボンディング法の条件を検討し
たものであり、ボンディング条件を強くするに従って圧
着ボール径が大きくなり、剪断力で測定した接着力につ
いて十分な効果が得られていない。即ち、ボール径の減
少に対応して剪断力で測定した接着力が低下するという
問題は依然解決されていない。また、超音波ウエッジボ
ンディング方法はボンディング速度が遅く、生産性が悪
いという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の通り、最近の多
ピン化傾向への対応として、半導体素子上の電極部と金
属ワイヤーのボンディング部の接着面積を小さくする必
要性が生じている。ボール径を小さく制御して接着面積
を小さくすることは可能であるが、この場合、ボンディ
ング部において接着面積に対応した接着力しか得られな
いため、ボンディング信頼性の面で課題を残している。
このため、本発明においては作業性が良く、信頼性が高
い超音波ボールボンディング法を改良してボンディング
部の単位面積当りの剪断力、即ち剪断強度を大きくする
ことにより、小さなボールを用いても所定の接着力が得
られる信頼性の高い超音波ボールボンディング方法及び
半導体装置を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに本願第１発明は、キャピラリー先端に導出された金
属ワイヤーの先端部に溶融ボールを形成し、該溶融ボー
ルを半導体素子の電極部にボンディングする半導体装置
の超音波ボールボンディング方法において、キャピラリ
ーのチャンファー径がボール径の１．０倍を超え３．０
倍以下であり、且つ超音波出力が０．１５〜０．７９Ｗ
以上であることを特徴とする。また本願第２発明は、上
記第１発明におけるキャピラリーのチャンファー径が、
ボール径の１．１〜３．０倍であることを特徴とする。
さらに本願第３発明は、半導体素子電極とリードフレー
ムの端子を金属ワイヤーでボンディングした半導体装置
において、半導体素子電極部上の圧着ボールの下方部が
円錐形状であり、且つ前記圧着ボールの剪断強度が６ｍ
ｇｆ／μｍ2 以上であることを特徴とする。前記剪断強
度は半導体装置の使用において、７ｍｇｆ／μｍ2 以上
であることがより好ましい。
【０００７】
【作用】以下、本発明のさらに詳しい構成とその作用に
ついて説明する。図１（ａ）において、金属ワイヤー１
はキャピラリー３先端から導出され、その導出部がトー
チ７を用いたアーク放電により加熱溶融されてボール２
を形成する。次にトーチ７を後退させた後キャピラリー
３を下方に移動させ、チャンファー面５で該ボール２を
押圧すると同時に超音波を印加して、半導体素子８上に
形成された電極部９に金属ワイヤー１をボンディングす
る。この時、図１（ｂ）に示すように圧着ボール11はそ
の下方部が円錐形状になるよう、換言すれば、上端ネッ
ク部11a 付近から下端接着面11b までにわたって円錐形
状となるよう変形し、底面立上がり部に鼓型はみ出し部
が形成されることはない。
【０００８】（金属ワイヤー）金属ワイヤー１は、Ａ
ｕ，Ｃｕ，Ｐｄ等の純金属又はその合金が用いられる。
この中で好ましくはＡｕ合金である。線径は５〜７５μ
ｍのものが一般的であり、用途に応じて採用出来る多ピ
ン化の要求に対しては５〜４０μｍのものが好ましく用
いられる。
【０００９】（線径とボール径）金属ワイヤー１はキャ
ピラリー３先端から導出され、導出部がトーチ７を用い
たアーク放電により加熱溶融されてボール２を形成す
る。この時、ボール２の径は、従来金属ワイヤー径の
２．５倍程度になるようにトーチ７により制御されてい
るが、本発明においては２．０倍程度にすることが好ま
しい。ボール２の径は小さい程好ましいが、安定したボ
ール形成のために具体的には１．７〜２．３倍が好まし
い。
【００１０】（チャンファー径とボール径）本発明にお
いては、キャピラリー３のチャンファー径６がボール２
の径１．０倍を超え３．０倍以下であることが必要であ
る。このように設定してキャピラリー３を下方へ移動さ
せ、超音波出力を与える。この時、ボール２をチャンフ
ァー内の傾斜面であるチャンファー面５で押圧すること
になる。チャンファー径６はボール２の径の１．１〜
３．０倍であることが好ましい。更に好ましくは１．３
〜３．０倍である。
【００１１】チャンファー径６がボール２の径の１．０
倍を超え３．０倍以下であるとき、圧着ボール11は図２
（ａ）に示すように、上端ネック部11a 付近から下端接
着面11b までにわたって円錐形となり、よってその下方
部は底面立ち上がり部において鼓型はみ出し部の無い円
錐形状である。またこの時、超音波出力の増大に伴い、
接着面径である圧着径はほぼ一定であるに係わらず剪断
強度が増大し、図３、図４に示す通り６〜１２ｍｇｆ／
μｍ2 となる。
【００１２】チャンファー径６がボール２の径の１．０
倍以下の時、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、圧着ボ
ール10，12の形状はいずれも底面立ち上がり部において
鼓型はみ出し部10a ，12a が出来る。またこの時、図５
に示す通り、超音波出力の増大に伴い圧着径は増大する
が、剪断強度は６ｍｇｆ／μｍ2 を超えることはない。
ボール２の径に対するチャンファー径６の比率が０．８
倍の時、図２（ｃ）に示す通り圧着ボール10は鼓型形状
であり、はみ出し部10a が出来る。また前記比率が１．
０の時、図２（ｂ）に示すように圧着ボール12の底面立
ち上がり部において鼓型はみ出し部12a が出来、その下
方部形状は円錐形ではない。この比率が１．０倍を超え
て３．０倍以下の時、図２（ａ）に示すように圧着ボー
ル11は底面立ち上がり部において鼓型はみ出し部が出来
ず、下方部形状が円錐形となる。
【００１３】チャンファー径６がボール２の径の３．０
倍を超えるとボールが極度に小さくなるため作業性が悪
くなる。
【００１４】（超音波出力）超音波出力は０．１５〜
０．７９Ｗであることが必要である。超音波出力が０．
１５Ｗ未満では剪断強度が６ｍｇｆ／μｍ2 を超えるこ
とはない。超音波出力が０．７９Ｗを超えると電極部割
れが生じるため好ましくない。
【００１５】（半導体装置の組立て）図１（ｂ）に示す
ように半導体素子８上の電極部９に金属ワイヤー１をボ
ンディングした後、更にキャピラリー３を移動して金属
ワイヤー１の他端をリードフレームの接続端子に接続
し、半導体素子とリードフレームのボンディングを終了
する。その後、用途に応じて樹脂等を用いて封止して半
導体装置とする。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）新川社製自動ボンダー／ＵＴＣ−１００を
用いてボンディングを行った。図１（ａ）において、金
属ワイヤー１として５ｐｐｍＢｅを含有した金合金ワイ
ヤー（線径２０μｍ）を用いてチャンファー径４４μｍ
のキャピラリー３に挿入し、キャピラリー３先端から導
出された金合金ワイヤー導出部をトーチ７を用いてアー
ク放電により加熱溶融して、ボール２を形成する。トー
チ７の出力を調整して初期ボール径を４０μｍとし、ボ
ール径に対するチャンファー径を１．１倍とした。次に
トーチ７を後退させた後キャピラリー３を下方に移動さ
せ３０ｇｆの荷重を付加し、チャンファー面５でボール
２を押圧すると同時に超音波を印加して、半導体素子８
上に形成された電極部９に金属ワイヤー１をボンディン
グした。超音波出力を０．０７８Ｗ、０．１５６Ｗ、
０．２３４Ｗ、０．３１２Ｗ、０．３９１Ｗ、０．７９
Ｗに変化させて同様のボンディングを行った。超音波出
力０．３１２Ｗにおけるボール圧着径、剪断強度、圧着
ボール形状、電極割れの測定結果を表２に示す。圧着ボ
ール11形状の結果を図２（ａ）に示す。いずれもその形
状は、上端ネック部11a 付近から下端接着面11b までに
わたって円錐形となり、よってその下方部は底面立ち上
がり部において鼓型はみ出し部の無い円錐形状であっ
た。超音波出力を変化させた時の圧着径と剪断強度結果
を図３に示す。超音波出力を増加させると、圧着径は一
定であるに係わらず剪断強度が大きくなっていき、超音
波出力が０．１５Ｗ以上になると剪断強度が６ｍｇｆ／
μｍ2 以上に大きくなっていった。
【００１７】（実施例２）チャンファー径５３μｍのキ
ャピラリーを用いて、初期ボール径に対するチャンファ
ー径を１．３倍としたこと以外は実施例１と同様にしボ
ンディングした。超音波出力０．３１２Ｗにおけるボー
ル圧着径、剪断強度、圧着ボール形状、電極割れの測定
結果を表２に示す。圧着ボールの形状は図２（ａ）に示
す通りであり、いずれもその形状は、上端ネック部11a
付近から下端接着面11b までにわたって円錐形となり、
よってその下方部は底面立ち上がり部において鼓型はみ
出し部の無い円錐形状であった。超音波出力を変化させ
た時の圧着径と剪断強度結果を図４に示す。超音波出力
を増加させると、圧着径は一定であるに係わらず剪断強
度は実施例１より更に大きくなっていった。
【００１８】（実施例３，４／比較例２）金属ワイヤー
の種類及び線径、初期ボール径、チャンファー径を表１
のようにしたこと以外は実施例１と同様にしてボンディ
ングを行った。超音波出力０．３１２Ｗにおける測定結
果を表２に示す。
【００１９】（比較例１）チャンファー径４０μｍのキ
ャピラリーを用いて、ボール径に対するチャンファー径
を１．０倍としたこと以外は実施例１と同様にしてボン
ディングを行った。圧着ボール形状の結果を図２（ｂ）
に示す。いずれもその下方部に鼓型立ち上がり部12a が
生じており、下方部が円錐形の形状ではなかった。超音
波出力を変化させた時の圧着径と剪断強度結果を図５に
示す。超音波出力を増加させると圧着径も増大し、剪断
強度は逆に低下していき剪断強度が６ｍｇｆ／μｍ2 未
満であった。
【００２０】（比較例３）超音波出力を、０．８５９Ｗ
としたこと以外は実施例２と同様にしてボンディングを
行った。測定結果を表２に示す。
【００２１】表２中の各項目における測定方法について
説明する。圧着ボール形状は、走査型電子顕微鏡を用い
て圧着ボールの形状を観察した。ボール圧着径は、測定
顕微鏡を用いて圧着ボールと電極部との接触面径を測定
し圧着径とした。剪断強度は、ボンディング強度試験装
置（シェアーテスター）を用いてボール圧着部と半導体
素子の電極部との剪断荷重を測定し、接触面積当りの剪
断強度を求めた。電極割れは、ボンディングしたワイヤ
ー部を化学的に除去し接合部を顕微鏡にて観察して電極
割れのないものを○、あるものを×で表示した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、超音波ボンディン
グ方法において本発明の構成とすることによって、半導
体素子電極上の圧着ボールが、その下方部が鼓型はみ出
し部の無い円錐形状になるよう変形し、これにより、所
定の圧着径に対して単位面積当りの剪断力である剪断強
度を高く取ることが出来る。即ち、本発明は剪断強度が
向上した分、従来の圧着ボール径を小さくして所定の剪
断力を得ることが出来るため、半導体装置の多ピン化へ
の対応として極めて有用である。また本発明の半導体装
置によれば、半導体素子電極上の圧着ボールの下方部が
円錐形状であることから、所定の圧着径に対して単位面
積当りの剪断力である剪断強度が高まり、圧着ボール径
を従来より小さくしながら６ｍｇｆ／μｍ2 以上の剪断
強度を得て、高密度化、高機能化に適した半導体装置が
提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）：本発明の超音波ボンディング方法の実
施の一例を示す縦断面図。 （ｂ）：（ａ）に示す方法によりボンディングされた半
導体素子電極上の圧着ボール形状を示す縦断面図。
【図２】（ａ）：チャンファー径がボール径の１．０倍
を越え３．０倍以下である場合の圧着ボール形状を示す
縦断面図。 （ｂ）：チャンファー径がボール径の１．０倍である場
合の圧着ボール形状を示す縦断面図。 （ｃ）：チャンファー径がボール径の０．８倍である場
合の圧着ボール形状を示す縦断面図。
【図３】チャンファー径がボール径の１．１倍である本
発明実施例において、超音波出力を変化させた時の圧着
径と剪断強度結果を示すグラフ。
【図４】チャンファー径がボール径の１．３倍である本
発明実施例において、超音波出力を変化させた時の圧着
径と剪断強度結果を示すグラフ。
【図５】チャンファー径がボール径の１．０倍である比
較例において、超音波出力を変化させた時の圧着径と剪
断強度結果を示すグラフ。
【図６】（ａ）：従来の超音波ボンディング方法を示す
縦断面図。 （ｂ）：（ａ）に示す方法によりボンディングされた半
導体素子電極上の圧着ボール形状を示す縦断面図。
【符号の説明】
１：金属ワイヤー ２：ボール ３：キャピラリー ４：フェイス ５：チャンファー面 ６：チャンファー径 ７：トーチ ８：半導体素子 ９：電極部 10，11，12：圧着ボール 10a,12a:鼓型はみ出し部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 キャピラリー先端に導出された金属ワイ
    ヤーの先端部に溶融ボールを形成し、該溶融ボールを半
    導体素子の電極部にボンディングする半導体装置の超音
    波ボールボンディング方法において、キャピラリーのチ
    ャンファー径がボール径の１．０倍を超え３．０倍以下
    であり、且つ超音波出力が０．１５〜０．７９Ｗである
    ことを特徴とする超音波ボールボンディング方法。
  2. 【請求項２】 キャピラリーのチャンファー径がボール
    径の１．１〜３．０倍であることを特徴とする請求項１
    記載の超音波ボールボンディング方法。
  3. 【請求項３】 半導体素子電極とリードフレームの端子
    を金属ワイヤーでボンディングした半導体装置におい
    て、半導体素子電極上の圧着ボールの下方部が円錐形状
    であり、且つ前記圧着ボールの剪断強度が６ｍｇｆ／μ
    ｍ2 以上であることを特徴とする半導体装置。
JP6139967A 1994-06-22 1994-06-22 ボンディング方法及び半導体装置 Pending JPH088308A (ja)

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