JP2005026251A - 半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法 - Google Patents

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coaxial
bonding wire
electrode
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Toshinori Kogashiwa
俊典 小柏
Masahiro Aoyanagi
昌宏 青柳
Hiroshi Nakagawa
博 仲川
Katsuya Kikuchi
克弥 菊地
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

【解決課題】半導体装置の導電ワイヤーのボンディングにおいて、予め導電ワイヤーに絶縁層、導電体層が被覆された同軸ボンディングワイヤーをより簡便な方法で接合できる方法を提供する。
【解決手段】同軸ボンディングワイヤー１０をボンディングツール２０にセット後、電気トーチ２１を同軸ボンディングワイヤーに対向するように配置し、同軸ボンディングワイヤー１０と電気トーチ２１との間にアーク２２を生じさせる。アーク放電により、金属導体層及び絶縁１２が除去し、導電ワイヤー１１を露出させた後、同軸ボンディングワイヤー１０の導電ワイヤー１１をボンディングツール２０により半導体チップ３０上の電極３１に当接して、ウェッジボンディングすることにより接合が完了する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ上の電極に導電ワイヤーをウェッジボンディングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置においては、電磁ノイズの影響を考慮して図３のように導電ワイヤーに被覆を施す場合がある。この被覆は、金属導体からなる導電ワイヤー１１を絶縁層１２で被覆し、更に、これらを金属導体層１３で被覆するという多層構造のものである。ここで、金属導体層１３は、外部からの電磁ノイズの電磁シールドとして機能するものであり、アルミニウム合金、金合金等よりなるものが一般的である。また、絶縁層は、金属導体層１３と導電ワイヤー１１とを絶縁するためのものであるが、酸化ケイ素の他、各種樹脂等の絶縁性材料よりなる。
【０００３】
従来の導電ワイヤーの接合及びその被覆の手法としては、まず、導電ワイヤーを電極３１に接合した後に電極ごと被覆することが多い。また、導電ワイヤーの接合方法については、ろう付け法も適用できるが、より微小な接合部を形成するために、超音波振動を印加することにより摩擦圧接をおこなうウェッジボンディング法が適用されることが多い。そして、導電ワイヤーと電極とを接合後、ＣＶＤ法、スパッタ法等の薄膜形成技術により絶縁層及び金属導体層を順次形成して被覆を行っている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２０２８６号公報
【０００５】
しかしながら、かかる被覆工程を経た手法では、工程増のため製造コストの上昇の原因となる。また、影となる部分への被覆が困難となり、品質的にも安定的ではない。
【０００６】
これに対する他の方法としては、予め導電ワイヤーに絶縁層、導電体層の被覆がなされ、同軸構造を有する同軸ボンディングワイヤーを用いる方法がある。特許文献２は、同軸構造を有する半導体接続用同軸ボンディングワイヤーを開示するものである。
【０００７】
【特許文献２】特開平５−２１１１９４号公報
【０００８】
この同軸ボンディングワイヤーの適用は、ワイヤー被覆の不均一さを防止する上では有効なものである。しかしながら、この同軸ボンディングワイヤーを用いる方法についても問題がある。即ち、かかる同軸ボンディングワイヤーを適用する場合には接合前に、いわゆる「皮むき」を行う必要があるため、予め適宜の切断装置を用いて同軸ボンディングワイヤー先端の金属導体層、又は、金属導体層及び絶縁層を除去した後接合工程に供することとなるために、作業が煩雑となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、同軸ボンディングワイヤーを適用しつつ、より簡便な方法で接合が可能な方法を提供することを目的とした。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意検討を行ない、同軸ボンディングワイヤー先端部の金属導体層、又は、金属導体層及び絶縁層を溶融させて除去することによりより接合工程を簡易にできると考えた。そして、同軸ボンディングワイヤーの最外層を導電性金属で形成していることに着目し、同軸ボンディングワイヤー先端部の金属導体層、又は、金属導体層及び絶縁層を溶融させるための手法として、アーク放電による溶融除去に想到し本発明を完成させた。
【００１１】
即ち、本発明は、金属導体からなる導電ワイヤー、該導電ワイヤーを被覆する絶縁層、該絶縁層を更に被覆する金属導体層からなる同軸ボンディングワイヤーを、半導体基板上の電極上にウェッジボンディング法により接合する方法であって、同軸ボンディングワイヤー先端部に電極トーチを対向配置し、前記同軸ボンディングワイヤー先端部と電極トーチとの間にアークを発生させ、前記同軸ボンディングワイヤーの先端部の金属導体層、又は、金属導体層及び絶縁層を溶融、除去させた後、ウェッジボンディングする半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法である。
【００１２】
ここで、本発明において溶融による金属導体層等の除去を行なうこととしたのは、皮むきのように切断による物理的な除去よりも短時間で除去が可能であることによる。また、溶融をアーク放電により行なうこととしたのは、その装置としては、電気トーチ（電極）と外部電極のみであり、ボンディング装置内への組み込みが可能であり、同軸ボンディングワイヤー先端部の溶融と接合とを連続的に行なうことができ効率的な接合が可能であることに着目したことによる。更に、電流条件によりアークの状態を制御することができるため、溶融させる金属導体層等の溶融量を調整することができる点にも着目したことによる。
【００１３】
本発明に係る方法につき、その工程を詳細に説明すると図１のようになる。図１（ａ）は、接合前の同軸ボンディングワイヤーの外観図である。この同軸ボンディングワイヤーは、芯材となる導電ワイヤー１１と、最外層の金属導体層１２と、両者を絶縁する絶縁層１３とからなる。
【００１４】
接合に際しては、まず、この同軸ボンディングワイヤー１０をボンディングツール２０にセットする（図１（ｂ））。尚、図１のボンディングツール２０は、同軸ボンディングワイヤー１０を貫通させこれを固定することができるようになっているが、本発明はこのような形状のボンディングツールに特に限定するものではない。接合する電極面に当接し、超音波振動の印加面を備えるものであれば良い。但し、図１のボンディングツールのように、ボンディングツールと同軸ボンディングワイヤーとの接触を考慮すれば、ボンディングツールは絶縁材料よりなるものが好ましい。本発明でボンディングツールとして、利用可能な絶縁材料としては、例えば、アルミナ、ルビー等が挙げられる。
【００１５】
同軸ボンディングワイヤーのセットが完了したら、電気トーチ２１を同軸ボンディングワイヤーに対向するように配置する（図１（ｃ））。電気トーチ２１は図示せぬ給電装置に接続されている。また、同軸ボンディングワイヤーも給電装置と通電しており、例えば、同軸ボンディングワイヤーの供給のためのクランパーと給電装置とを通電接続することにより、同軸ボンディングワイヤーに通電できるようにする。そして、同軸ボンディングワイヤー１０と電気トーチ２１との間にアーク２２を生じさせる。この際の放電条件としては、同軸ボンディングワイヤーの金属導体層の厚さにもよるが、電圧１５００〜２５００Ｖ、電流１０〜３００ｍＡとし、時間を１．０〜３０ｍｓｅｃの範囲が好ましい。
【００１６】
アーク放電により、金属導体層が溶融するが、この際の放電条件によっては、金属導体層のみを溶融させることもできるが、金属導体層の溶融時の熱を利用して絶縁体層も同時に溶融させることも可能である。金属導体層のみを溶融させ絶縁層を残留させても、電極へウェッジボンディングする際には、印加した超音波振動により絶縁層は剥離するため接合に不都合は生じない。但し、絶縁層剥離の際に生じるスラッジが電極上に残留する場合があることを考慮すれば、絶縁層も溶融除去した方が好ましいといえる。尚、溶融した金属導体層は表面張力により同軸ボンディングワイヤーの未溶融の金属導体層部分に巻き込まれ、電極、半導体チップへの落下は生じない。
【００１７】
アーク放電により導電ワイヤー１１を露出させた後（図１（ｄ））、電気トーチ２１を退去させ、そのまま同軸ボンディングワイヤー１０の導電ワイヤー１１をボンディングツール２０により半導体チップ３０上の電極３１に当接する。そして、超音波振動を印加しつつ押圧することにより接合が完了する。このボンディングの際は室温下で行っても良いが、昇温下（１５０〜２５０℃）でボンディングした方が接合強度を向上させることができる。
【００１８】
以上の工程により、電極上に同軸ボンディングワイヤーを接合することができ、これらを繰り返すことにより複数箇所の接合が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２０】
本実施形態では、まず、同軸ボンディングワイヤーを製造した。直径１．００ｍｍの金線（４Ｎ）の表面にフッ素樹脂膜を厚さ０．２ｍｍ形成した。フッ素樹脂膜は、４００℃に加熱した炉内で金線に樹脂粉末を吹きつけることにより形成した。そして、フッ素樹脂膜で被覆した金線を内径１．４ｍｍ、外径２．０ｍｍの金−５重量％銀合金からなるパイプに挿入して素線とした。次に、この素線につき、ドローベンチによる伸線と２００℃の熱処理とを数回繰り返し、外径６０μｍとなったところでボンディング用同軸ボンディングワイヤーとした。
【００２１】
このときの同軸ボンディングワイヤーを断面観察したところ、中心の導電ワイヤーの直径は３０μｍ、絶縁層であるフッ素樹脂膜の厚さは約５μｍであった。
【００２２】
このようにして製造した同軸ボンディングワイヤーを用いて半導体チップ上の電極（アルミニウム電極）への接合を行った。このときのウエッジボンディングツールは、形状は図１のものと同じであり、材質はアルミナ製のものを用いた。接合手順は、図１に関して説明した工程と同様である。本実施形態においてアーク放電条件は、電圧２１００Ｖ、電流を１００ｍＡ、放電時間５ｍｓｅｃとした。放電の結果、最外層の金属導電層、絶縁層が溶解、除去され導電ワイヤーが露出したところで、導電ワイヤーを電極上にボンディングツールで押圧し、同時に超音波を印加して接合を完了した。接合面に欠陥はなく、また、接合強度も十分なものであった。
【００２３】
本実施形態では、図２のように、同軸ボンディングワイヤー１０と電極３１とを接合後、更に、電極３１及び露出した導電ワイヤー１１を絶縁樹脂４０で被覆し、絶縁樹脂４０を更に金属ペースト４１で被覆し、金属導体層１３と半導体基板上のグランド３２とを電気的に接続した。これにより、同軸ボンディングワイヤー１０の受けるノイズによる電気信号をグラウンド３２へアースし、電極３１へのノイズ浸入をより確実に抑制している。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導電ワイヤーに絶縁層、金属導体層を被覆した同軸ボンディングワイヤーを電極に接合する際に、皮むき工程を経ることなく直接的に接合することができ、効率的なボンディングが可能となる。また、本発明によれば、予め被覆がなされたワイヤーを接合することから、ワイヤーの被覆の不均一さもなく良好な品質の半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボンディング方法の工程の概略を説明する図。
【図２】本実施形態で行った、電極及び導電ワイヤーの被覆工程を示す図。
【図３】従来の半導体装置ボンディング部分の構成を示す図。
【符号の説明】
１０ 同軸ボンディングワイヤー
１１ 導電ワイヤー
１２ 絶縁層
１３ 金属導体層
２０ ウエッジングボンディングツール
２１ 電気トーチ
２２ アーク
３０ 半導体チップ
３１ 電極
３２ グランド
４０ 絶縁樹脂
４１ 金属ペースト

Claims (4)

  1. 金属導体からなる導電ワイヤー、該導電ワイヤーを被覆する絶縁層、該絶縁層を更に被覆する金属導体層からなる同軸ボンディングワイヤーを、半導体基板上の電極上にウェッジボンディング法により接合する方法であって、
    同軸ボンディングワイヤー先端部に電極トーチを対向配置し、前記同軸ボンディングワイヤー先端部と電極トーチとの間にアークを発生させ、前記同軸ボンディングワイヤーの先端部の金属導体層、又は、金属導体層及び絶縁層を溶融、除去させた後、ウェッジボンディングする半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法。
  2. 金属導体層の溶融時の熱により絶縁層を溶融、除去する請求項１記載の半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法。
  3. ボンディングツールが絶縁体よりなる請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法。
  4. 同軸ボンディングワイヤーと電極とを接合後、電極及び導電ワイヤーの露出部分を絶縁樹脂で被覆し、前記絶縁樹脂を更に金属ペーストで被覆し、同軸ボンディングワイヤーの金属導体層と半導体基板上のグランドとを電気的に接続する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体接続用同軸ボンディングワイヤーのボンディング方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019104297A1 (en) * 2017-11-27 2019-05-31 Lewis Peter Houghton Method of micro-coaxial wire bonding and corresponding apparatus
WO2019236551A3 (en) * 2018-06-04 2020-01-16 Meinhold Mitchell W Apparatus and method for wire preparation

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