JPS63293933A - ワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置 - Google Patents

ワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置

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JPS63293933A
JPS63293933A JP62128246A JP12824687A JPS63293933A JP S63293933 A JPS63293933 A JP S63293933A JP 62128246 A JP62128246 A JP 62128246A JP 12824687 A JP12824687 A JP 12824687A JP S63293933 A JPS63293933 A JP S63293933A
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wire
bonding
ball
wire bonding
reducing gas
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Makoto Nakajima
誠 中嶋
Yoshio Ohashi
芳雄 大橋
Toshio Chuma
中馬　俊夫
Kazuo Hatori
羽鳥　和夫
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はワイヤボンディング技術、特に、ボンダビリテ
ィの改善技術に関し、たとえば、半導体装置の製造工程
において、ペレットの電極とリードとを電気的に接続す
るのに利用して有効な技術に関する。
〔従来の技術〕
半導体装置の製造工程において、ベレットの電極とリー
ドとを電気的に接続するワイヤボンディング工程がある
。この工程で使用されるワイヤボンディング装置の一つ
として、放電電極とキャピラリ−に保持されたワイヤの
先端との間に高電圧を印加して、放電現象を生しさせ、
ワイヤの先端を球状（ボール）化し、その後、キャピラ
リーを降下させてキャピラリーでボールを押し潰して熱
圧着し、被ボンディング体にワイヤの接続を行うように
したワイヤポンディング装置が知られている。また、こ
のようなワイヤポンディングＩｇにあっては、前記ワイ
ヤの先端と、これに対向配置される放電用の電極との間
の雰囲気を還元性ガス雰囲気に保持できるように構成し
たものがある。
なお、このようなワイヤポンディング装置を述べである
例として、特開昭５８−１６９９１８号公報がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、このようなワイヤポンディング装置にあっては
、球状化によって形成された球状部（ボール）の硬度が
高くなり、ボンダビリティが低下するということが本発
明者によって明らかにされた。
すなわち、放電は銅ワイヤが酸化しないように還元性ガ
ス中で行なわれる。この際、供給されるガスは特に加熱
等がなされていないことから、ガスの温度は常温あるい
は周辺の熱影響で常温よりわずかに高い温度としかなっ
ていない。したがって、放電によってワイヤの先端が加
熱されて溶けても、吹き付けられるガスは常温に近い温
度であることから、溶けたワイヤを冷却するように作用
するため、不純物が内部に巻き込まれ易くなり、結晶性
が悪くなる。また、溶けて球状塊となった球状部（ボー
ル）は、放電後は前記ガスの吹き付けによって急激に冷
却される。
このようなことからボールの硬度は高く、ボンディング
時充分圧着されず必要な接着面積が得られなくなったり
、ボールが硬いことから、ワイヤポンディングパソドの
下のシリコンまたは酸化膜等にクラックが入ったりして
ボンダビリティが低下しかつ信鎖度も低下する。
本発明の目的はボンダビリティが良好なワイヤポンディ
ング技術を提供することにある。
本発明の他の目的はクラックを生じさせ難いワイヤボン
ディング技術を提供することにある。
本発明の他の目的はポンディングの信頼性が高いワイヤ
ボンディング技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。
〔問題点を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、本発明のワイヤポンディング装置は、放電電
極を有していて、キャピラリーの下端に突出するワイヤ
先端に対峙してワイヤとの間に放電を生じさせるように
なっている。また、前記放電電極に対峙したワイヤ先端
部分に高温の還元性ガスを供給するガス供給手段を有し
ている。前記高温の還元性ガスは１００℃〜２００℃、
好ましくは１５０℃〜２００℃の高温となり、ワイヤ先
端を被う。さらに、放電はこの高温還元性ガス雰囲気下
で行なわれ、かつ少なくとも放電によって形成されたボ
ールが硬化するまでは前記高温度に維持され、その後ワ
イヤポンディングされるように構成されている。
〔作用〕
上記した手段によれば、本発明のワイヤポンディングに
あっては、ポンディングに先立つ銅ワイヤ先端の球状化
は、高温の還元性ガス雰囲気で行われるため、高温故に
還元作用が高くなり、ボールは不純物の巻き込みが少な
く真球度の高い均質な結晶構造となる。また、放電停止
によってボールの温度は低下するが、この際、放電空間
雰囲気温度は１００℃〜２００℃となっているため、徐
冷されることになる。このような不純物の巻き込みの少
なさおよび徐冷によって、ピュアーでかつ硬度の低いボ
ールとなる。したがって、ワイヤボンディング時ボール
の押し潰しは充分となり、所定量の接合面積が得られる
結果、ボンダビリティが向上する。また、ボールがより
軟らかくなることにより、ボール押し潰し時にボールは
適当に潰れて応力を吸収するため、ワイヤボンディング
バラド下の半導体母材にクランクが発生し難くなる。
さらに、ボール形成雰囲気温度は最高でも２００℃程度
とすることにより、ボールが軟かくなりすぎてキャピラ
リーと接着し、キャピラリーのつまりゃ汚れが増大する
という問題もなく、良好にワイヤボンディングが行なえ
る。
〔実施例〕
以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。
第１図は本発明の一実施例によるワイヤボンディング装
置の要部を示す正面図、第２図は同じくボール形成状態
を示す模式図、第３図〜第６図は同じくボール形成段階
を示す図であって、第３図は放電開始前のワイヤ先端部
分を示す模式図、第４図は放電によってワイヤ先端か球
状化した状態を示す模式図、第５図はワイヤ先端を第１
ボンディング点に固定した状態を示す模式図、第６図は
ワイヤを第２ボンディング点に固定した状態を示す模式
図、第７図はボール形成雰囲気温度とボール硬度の相関
を示すグラフである。
この実施例におけるワイヤボンディング装置は第１図に
示されるように、未完成半導体装置１におけるペレット
２の電極（ワイヤポンディングパッド）と、リードフレ
ーム３のリード４とにワイヤ５をそれぞれボンディング
することにより、ペレット２と各リード４とを電気的に
接続するように構成されている。このワイヤボンディン
グ装置はフィーダ６を備えており、フィーダ６にはヒー
トブロック７がリードフレーム３を加熱し得るように設
備されている。フィーダ６のボンディングステージの外
部には、ＸＹテーブル８がＸＹ方向に移動し得るように
設備されており、ＸＹテーブル８上にはボンディングヘ
ッド９が搭載されている。ボンディングヘッド９にはボ
ンディングアーム１０が基端を回転自在に軸支されてお
り、このボンディングアーム１０はその先端に固設され
たキャピラリー１１が上下動されるように、カム機構（
図示せず）により駆動されるように構成されている。ボ
ンディングアーム１０の上側には一対のクランプアーム
１２．１３が電磁プランジャ機構のような適当な手段（
図示せず）により作動されるように設備されており、両
クランプアーム１２．１３の各先端はキャピラリー１１
の真上位置に配されてクランパ１４を形成している。ク
ランパ１４にはリール（図示せず）から繰り出される銅
ワイヤ５が、ガイド１５を介して挿通されており、ワイ
ヤ５はさらにキャピラリー１１に挿通されている。
キャピラリー１１の近傍には放電電極１６が独立して設
備されており、この放電電極１６は、その上端部が回転
自在に軸支されることにより、その先端部がキャピラリ
ー１１の下方位置、すなわち、ワイヤ５の先端の真下位
置と、キャピラリー１１の側方位置（退避位置）との間
を移動するように構成されている。また、この放電電極
１６と前記クランパ１４との間には電源回路１７が接続
されており、これによりクランパ１４、すなわち、これ
に挿通されるワイヤ５と放電電極１６の間に電圧が印加
（電圧１０００Ｖ前後、電流数十ｍＡ〜数Ａ）される。
この結果、ワイヤ５と放電電極１６との間に放電アーク
が発生し、ワイヤ５の先端は溶け、表面張力により球状
化する。
一方、このワイヤボンディング装置は、ワイヤ５の先端
部分にガスを供給するガス供給手段としてのチューブ１
８が複数設けられている。チューブ１８は複数本が互い
にその開口をキャピラリー１１の下方位置に向けて対向
するよう放射状に配されている。また、一部のチューブ
１８は放電電極１６の上面側に沿って配設され、放電電
極１６の上面側領域に還元性ガスを供給できるようにな
っている。また、チューブ１８の後端には還元作用のあ
るガス、例えば、窒素ガスと水素ガス等のガス源１９が
接続されており、その途中には、加熱手段としての電気
ヒータ２０がガスを所定温度に加熱し得るように設備さ
れている。この電気ヒータ２０は後述するように還元性
ガス２１を１００℃〜２００℃に加熱して供給するよう
になって。
いる、この結果、前記チューブ１８の先端からガスが噴
出されると、ワイヤの先端部分は高温の還元性ガスで被
われる。
次に、このようなワイヤボンディング装置によるワイヤ
ボンディング方法について説明する。
ベレット２がボンディングされているリードフレーム３
が、フィーダ６におけるボンディングステージに供給さ
れると、ＸＹテーブル８が適宜移動し、第３図に示され
るように、キャピラリー１１に保持されたワイヤ５の下
端を前記放電電極１６上に対面させるようになっている
。この状態で、第２図および第４閏に示されるように、
ワイヤ５の下端は前記チューブ１８からそれぞれ吹き出
されるガスによって形成される還元性ガス雰囲気中に入
る。また、この還元性ガス雰囲気は、前記のように、電
気ヒータ２０によって加熱された還元性ガス２１によっ
て形成されるため、前記還元性ガス雰囲気の温度は、１
００℃〜２００℃の範囲、好ましくは１５０℃〜２００
℃の範囲に維持される。これは、ワイヤ先端の球状化時
還元性ガス温度が高いと、不純物を巻き込まず、かつ硬
度も低くなり、ボンディング性が向上すると判明したこ
とによる。しかし、逆に温度が高すぎると、ワイヤがキ
ャピラリに付着し、ワイヤボンディングが行なえなくな
ることも判明した。ボールの硬度はボール形成雰囲気温
度Ｔによって変化し、その変化状況は、第７図のグラフ
のようになることも本発明者等による実験から判明した
。すなわち、第７図は横軸がポール形成雰囲気温度Ｔ　
（’Ｃ）　、縦軸がボールのビッカース硬さくＨｍＶ）
とした際のグラフである。同グラフからもわかるように
、還元性ガスの温度が１００℃をこえると徐々にボール
のビッカース硬さが低下し、その温度が２００℃以トと
なると飽和状態になる。雰囲気温度が２００℃より高く
なると、ボンディングワイヤとキャピラリ　（ボンディ
ングツール）とが接着し、キャピラリが目詰りを起した
り、汚れたりして、ボンディングが続行でき難くなる。
したがって、ポール形成雰囲気温度は、１００℃〜２０
０℃の範囲が良い。特に、不純物の巻き込みを少なくし
てよリピュアーなボールを形成でき、かつボールの圧着
による潰れ量を所定量とし、ボンディング強度を高くで
きるものとしてポール形成雰囲気温度が１５０℃〜２０
０℃の範囲に設定するのが良い。
つぎに、前記放電電極１６が銅ワイヤ５の下端に接近す
ると、電源回路１７が閉じられ、ワイヤ５の下端と放電
電極１６とに電圧が印加される。
この結果、放電が生じ、第４図に示されるように、銅ワ
イヤ５の先端にボール２２が溶融形成される。
形成されたボール２２は、高温還元性ガス雰囲気下で行
なわれるため、酸化物の巻き込みが少なくピュアーなボ
ールとなる。また、表面に酸化膜もないことから、表面
張力が球表面全域に作用するためボールは真珠化する。
また、ボールの硬度もＨｍＶで５０よりも低くなる。
つぎに、ボンディングヘッド９が移動する結果、キャピ
ラリー１１は放電電極１６から離れて第１ボンディング
点に移動する。第１ボンディング点ではキャピラリー１
１が下降するため、ワイヤ５の先端のボール２２は、キ
ャピラリー１１に押し潰されてペレット２の電極（ワイ
ヤボンディングバノト：パノド）に圧着される。この際
、ペレ。
ト２がヒートブロック７によって加熱されているため、
また、キャピラリー１１が超音波振動するため、第５図
に示されるように、ボール２２はベレット２のパッド上
に熱圧着される。
第１ポンデイングが終了した後、キャピラリー１１はＸ
Ｙテーブル８およびボンディングヘッド９により３次元
的に相対移動し、第２ボンディング点である所定のリー
ド４上に運ばれ、かつ降下する。このキャピラリー１１
の降下および降下位置での超音波振動によって、リード
４がヒートブロック７によって加熱されていることもあ
って、ワイヤ５はリード４上に熱圧着される。
第２ボンディングが終了すると、クランパ１４がワイヤ
５を把持する。また、゛クランパ１４はキャピラリー１
１とともに上昇するため、ワイヤ５は第２ボンディング
部から引き千切られる。その後、クランパ１４がワイヤ
５の把持を解除するとともに、キャピラリー１１が若干
上昇する。このテール出し動作によって、第６図に示さ
れるように、ワイヤ５の先端部がボール２２の成形に必
要な長さだけ突き出される。
ワイヤボンディングは、このような手順を繰り返すこと
によって、順次ペレット２上の第１ボンディング点と、
リードフレーム３の第２ボンディング点である各リード
４の先端をワイヤ５で接続することによって終了する。
この実施例では、ワイヤボンディングのワイヤ５として
銅ワイヤが使用されている。銅は酸化され易く、かつ比
較的硬い、このため、銅ワイヤの先端を溶融させてボー
ル化する際、溶融中にワイヤの表面に酸化膜が形成され
ると、溶融が不均一になり、ボールの形状が不適性にな
る。ボール形状の不適性化は圧着面積が不均一となって
ボンディングの信幀度が悪くなり、圧着面積が少ない場
合には、圧着不良ともなる。また、ボールの表面に酸化
膜が形成されると、パッドのアルミニュームとの金属結
合性が低下する。また、ボールが硬いと、熱圧着におい
て、ボールの潰し量が少なくなるとともに、形状が悪く
なる。さらに、ボールが硬いと圧着力を吸収しなくなり
、パッド下のシリコン（半導体）に過大な力が加わり、
タラワク等が生じ、歩留りの低下を来す。
しかし、本実施例においては、ボール形成時、銅ワイヤ
５のボール２２が高温の還元性ガス雰囲気中で生成され
るため、溶融中、その表面に酸化膜が形成されることは
なくかつ内部に酸化物のような不純物が巻き込まれるよ
うなことはない、この結果、銅ワイヤ５の先端は内部お
よび表面全体が溶融されるため、均一な表面張力が発生
して真球度の高いボール２２が形成されることになる。
また、従来のように、還元性ガスを加熱しない場合、溶
融されたボール２２は周囲の雰囲気によって急速に冷却
されて硬化するため、硬度は高くなるが、この実施例で
は１００℃〜２００℃の雰囲気にあるため、ボールの冷
却速度は穏やかになりボールの硬度は低くなる。
このような実施例によれば次の硬化が得られる。
（１）本発明のワイヤボンディングにおいては、ワイヤ
の先端に放電アークによってボールを溶融形成する際、
ワイヤ先端は高温還元性ガス雰囲気に入れられ、この状
態で放電されるため、ボールの内部に不純物が巻き込ま
れずかつ表面に酸化膜が発生しないため、純度の高いボ
ールが形成できるという効果が得られる。
（２）上記（１）により、本発明のワイヤボンディング
によれば、純度の高いボールが形成できるため、ボール
の真球度も高いという効果が得られる。
（３）上記（２）により、本発明のワイヤボンディング
によれば、ボールの真球度が高いことがらボールの潰れ
は均一となり、ボール圧着部がパッドから外れるような
こともないという効果が得られる。
（４）本発明のワイヤボンディングにあっては、ワイヤ
の先端が球状化された後、この球状部は１００℃〜２０
０℃と高い温度雰囲気にあるため、硬化は徐々に行われ
、ボールの硬度が小さくなるという効果が得られる。
（５）上記（１）および（４）により、本発明のワイヤ
ボンディングによれば、硬度が低い押し潰し易いボール
が形成できることから、ボールをパッドに熱圧着した場
合、ボールは所望通りに潰れるため、所望の接着面積が
得られ接合強度の高いワイヤボンディングが達成できる
という効果が得られる。
（６）上記（５）により、本発明のワイヤボンディング
によれば、ボールの硬度は硬過ぎないことから、パッド
にボールを熱圧着した際、ボールは潰れることによって
ボンディング力を吸収し、パッド下の半導体にクランク
を生じさせるようなこともないという効果が得られる。
（７）上記（５）および（６）により、本発明のワイヤ
ボンディングによれば、パッドとのボンディング性が良
好であること、パッド下の半導体を傷付けないことによ
り、ボンディングの信頼性が向上するとともに、歩留り
が向上するという効果が得られる。
（８）本発明のワイヤボンディングにあっては、ワイヤ
の球状化時、ワイヤ先端を加熱するが、この加熱はワイ
ヤおよびボールがキャピラリーに付着したりあるいはキ
ャピラリーを汚染したりしないため、順調にワイヤボン
ディングを続行でき、生産性を高めることができるとい
う効果が得られる。
（９）上記（１）〜（８）により、本発明によれば、歩
留りが高くかつワイヤボンディングの信頼度の高いワイ
ヤボンディング技術を提供することができるという相乗
効果が得られる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない、たとえば、ワイヤ先端に
供給する高温ガスは還元性ガスに限らず、不活性ガスで
あっても前記実施例同様な効果が得られる。また、ワイ
ヤは銅ワイヤに限らず、アルミニュームワイヤ、金ワイ
ヤ、ｉ艮ワイヤ等であってもよい。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である超音波熱圧着式ワイ
ヤボンディング技術に適用した場合について説明したが
、それに限定されるものではなく、熱圧着式ワイヤボン
ディング技術等に適用できる。
本発明は少なくとも酸化し易いワイヤボンディングをボ
ール化して接続する接続技術には適用できる。
〔発明の効果〕
本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。
本発明のワイヤボンディングにあっては、銅ワイヤ先端
の球状化は、高温の還元性ガス雰囲気で行われるため、
高温故に還元作用が高くなり、ボールは不純物の巻き込
みが少なくかつ表面も酸化されないことから真球度の高
い均質な結晶構造となる。また、ボールの硬化時もボー
ルは１００℃〜２００℃の雰囲気に有るため、徐冷され
る。この徐冷と不純物の巻き込みの少なさ等によってボ
ールの硬度も低くなる。したがって、ボールを熱圧着し
た際ボールの押し潰しは充分となり、ボンダビリティが
向上する。また、ボール押し潰し時にボールは軟らかい
ことから適当に潰れて応力を吸収するため、ワイヤボン
ディングバンド下の半導体母材にクランクが発生するこ
ともない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例によるワイヤボンディング装
置の要部を示す正面図、 第２図は同じくボール形成状態を示す模式図、第３図は
同じく放電開始前のワイヤ先端部分を示す模式図、 第４図は同じく放電によってワイヤ先端が球状化した状
態を示す模式図、 第５図は同じくワイヤ先端を第１ボンディング点に固定
した状態を示す模式図、 第６図は同じくワイヤを第２ボンディング点に固定した
状態を示す模式図、 第７図は同じくボール形成雰囲気温度とボール硬度の相
関を示すグラフである。 ｌ・・・未完成半導体装置、２・・・ベレット、３・・
・リードフレーム、４・・・リード、５・・・ワイヤ、
６・・・フィーダ、７・・・ヒートブロック、８・・・
ＸＹテーブル、９・・・ボンディングヘッド、１０・・
・ボンディングアーム、１１・・・キャピラリー、１２
．１３・・・クランプアーム、１４・・・クランパ、１
５・・・ガイド、１６・・・放電電極、１７・・・電源
回路、１８・・・チューブ、１９・・・ガス源、２０・
・・電気ヒータ、２１・・・還元性ガス（ガス）、２２
・・・ボール。 第　　２　　図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. １．ワイヤの先端を放電によって球状化するとともに、
    この球状部を被ボンディング体に熱圧着してワイヤを被
    ボンディング体に接続するワイヤボンディング方法であ
    って、前記ワイヤの球状化は高温の還元性ガス雰囲気中
    で行われることを特徴とするワイヤボンディング方法。
  2. ２．銅ワイヤの先端を球状化することを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載のワイヤボンディング方法。
  3. ３．前記高温ガスの温度は１００℃〜２００℃の範囲に
    設定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
    のワイヤボンディング方法。
  4. ４．ワイヤの先端を放電によって球状化するとともに、
    この球状部を被ボンディング体に熱圧着してワイヤを被
    ボンディング体に接続するように構成されたワイヤボン
    ディング装置であって、少なくとも放電時、前記ワイヤ
    先端部分に高温の還元性ガスを供給するガス供給手段を
    有することを特徴とするワイヤボンディング装置。
  5. ５．前記ガス供給手段は、吹き出すガスの温度が１００
    ℃〜２００℃に設定できるヒータを有することを特徴と
    する特許請求の範囲第４項記載のワイヤボンディング装
    置。
JP62128246A 1986-12-26 1987-05-27 ワイヤボンディング方法およびワイヤボンディング装置 Pending JPS63293933A (ja)

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DE8787311245T DE3777384D1 (de) 1986-12-26 1987-12-21 Drahtverbindung.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013008758A (ja) * 2011-06-23 2013-01-10 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置の製造方法

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