JP2012038869A - ワイヤボンディング装置及びワイヤボンディング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を容易に供給できるワイヤボンディング装置を提供する。
【解決手段】ホーン3は振動素子部2が発生した超音波振動を端部3bに取り付けられたキャピラリ6に伝播する。ホーン3は、キャピラリ6の近傍付近の端部3bの内部にヒータ制御部4の制御に基づいて内部からホーン3を過熱するヒータ3aを備える。ヒータ3aは、棒状のホーン3の幅方向の断面に対して、その断面を覆うように形成される。
【選択図】図1
【解決手段】ホーン3は振動素子部2が発生した超音波振動を端部3bに取り付けられたキャピラリ6に伝播する。ホーン3は、キャピラリ6の近傍付近の端部3bの内部にヒータ制御部4の制御に基づいて内部からホーン3を過熱するヒータ3aを備える。ヒータ3aは、棒状のホーン3の幅方向の断面に対して、その断面を覆うように形成される。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置の製造工程におけるワイヤボンディング装置、及びワイヤボンディング方法に関する。
ワイヤボンディング装置は、半導体装置の製造工程において半導体チップとリードフレームとを金属の細線ワイヤで接続するワイヤボンディング工程で使用される。ワイヤボンディング工程では、まず、キャピラリを通されたワイヤの先端がトーチなどで溶融され、ワイヤの先端に金属ボール(フリーエアボール)が形成される。形成された金属ボールは、熱圧着により半導体チップに接合される。次に、キャピラリから繰り出されたワイヤは熱圧着によりインナーリードに接合され、その後ワイヤはカットされる。この工程の中で、金属ボールを形成するために熱せられたワイヤが直ちに室温付近まで冷却されると、冷却時間の短さによる熱影響によって、ワイヤ靭性が低下するネックダメージが発生することがある。更に、金属ボールの温度が低いと、熱エネルギー不足によってボール接続不良が発生することもある。従って、金属ボールを形成してから半導体チップ(又はリードフレーム)に接合させるまでは、ワイヤの温度を高温に維持できることが好ましい。
ワイヤボンディング装置に関する技術が特許文献1〜3に開示されている。特許文献1には、加熱されたボンディングツールからの熱をリードや電極へ有効に伝達するボンディング装置が開示されている。このボンディング装置は、一部の領域の径が他の領域の径よりも大きい棒状のボンディングツール有し、その径の大きい領域を非接触で加熱することを特徴としている。このようなボンディング装置は、ボンディングツールの熱容量を増大させることができるため、ボンディング圧接面の温度低下を抑えることができるというものである。
特許文献2には、ボンディングツールを外面から加熱して、半導体チップのパッドに圧着されるワイヤの接合面温度を高温にするワイヤボンダが開示されている。このワイヤボンダは、ワイヤボンディングツールの先端部に形成され、ワイヤを加熱するワイヤ加熱部と、熱源と、熱源から加熱部に熱を供給する熱供給路とを有することを特徴としている。
特許文献3には、20μmを下回るような極細線の金線を用いても、安定したワイヤボンディングを行えるワイヤボンディング装置が開示されている。このワイヤボンディング装置は、スプールからキャピラリの間で金線が接触する部品の一部、又は全部を加熱する加熱装置を有することを特徴としている。
特許文献1のボンディングツールは、熱容量を増加させるように、他の径より大きい径の領域を有している。しかし、他の径より大きい径の領域は、超音波振動を伝播させるときに複雑な反射波が生じるため、安定な超音波振動を供給できない問題がある。しかも、特許文献1のボンディングツールには加熱装置(ニクロムヒータ)が巻き付けられているため、超音波振動の伝播状態を一層複雑にすると考えられる。
特許文献2のワイヤボンディングツールは、2層構造(セラミック/ダイヤモンド)であるためコストが高くなる問題がある。しかも、蒸着によってヒータを形成するとあるが、これもコストを高くする要因となる。また、蒸着ではなく電気抵抗線を巻きつけて形成してもよいともあるが、これでは安定な超音波振動を供給することはできない。
即ち、これらの技術では、ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を容易に供給できない問題があった。
以下に、発明を実施するための形態で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明のワイヤボンディング装置(1)は、超音波振動を伝播するホーン(3)と、ホーン(3)の端部(3b)に取り付けられたキャピラリ(6)とを具備する。ホーン(3)は、ホーン(3)の内部に設けられ、ホーン(3)の内部から加熱するヒータ(3a)を備える。
本発明のワイヤボンディング方法は、ヒータ(3a)が、端部(3b)にキャピラリ(6)が取り付けられたホーン(3)を内部から加熱するステップと、キャピラリ(6)を通されたワイヤ(7)の先端を溶融して金属ボール(7a)を形成するステップと、金属ボール(7a)を導体部(11)に押し付けるステップと、ホーン(3)とキャピラリ(6)とを介して、接触している金属ボール(7a)と導体部(11)とに超音波振動を伝播するステップとを具備する。金属ボール(7a)と導体部(11)とは、超音波振動とヒータ(3a)の熱とに基づいて接合する。
本発明のワイヤボンディング装置は、ワイヤを高温に維持したまま、安定な超音波振動を供給してワイヤボンディングを行うことができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を説明する。
図1は、本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置1を示した模式図である。図1を参照すると、ワイヤボンディング装置1は、振動素子部2と、ホーン3と、ヒータ制御部4と、駆動部5と、キャピラリ6と、ワイヤ7と、ボンダーヒータ8とを具備する。本発明のワイヤボンディング装置1は、ワイヤ7を用いて半導体チップ10とリードフレーム(図示略)とを電気的に接続する。詳細には、半導体チップ10のパッド11と、リードフレームのインナーリード(図示略)とを接続する。本明細書では、ワイヤ7が接合するパッド11とインナーリードとを総称する場合、導体部と称する。
振動素子部2は、ワイヤ7と導体部とを接合するための超音波振動を発生する。
ホーン3は、振動素子部2が発生した超音波振動を、端部3bに取り付けられたキャピラリ6に伝播する。ホーン3は、キャピラリ6の近傍の端部3bの内部にヒータ3aを備える。
ヒータ3aはホーン3の内部に設けられ、ヒータ制御部4の制御に基づいて内部からホーン3を加熱する。ヒータ3aの温度は、後述するボンダーヒータ8の表面温度と同等の150〜240℃程度が例示される。ヒータ3aは、棒状のホーン3の幅方向(YZ方向)の断面に対して、その断面を覆うように形成される。言い換えると、ヒータ3aは、ホーン3の端部3bと同程度の断面の形状及び大きさを有する。ヒータ3aが発生する熱は、端部3bからキャピラリ6に伝わり、更にワイヤ7に伝わる。ヒータ3aは、ホーン3の端部3bと同程度の断面の形状及び大きさを有するため、キャピラリ6とワイヤ7とを効率良く加熱することができる。尚、ヒータ3aは均一な熱容量を制御する最適な方法が選択される。例えば、ヒータ3aは、一枚の導電体の板でホーン3の断面と同じ大きさに形成される、又は、線状の導電体を張り巡らせてホーン3aの断面と同じ大きさになるように形成される。特に、面内の温度分布バラツキが大きい場合には、線材の張り巡らせる密度を変えたり、複数の線材を張り巡らせたりして、ヒータ3aは形成される。また、バラつきが少ない(許容範囲内)であれば、全面に薄膜を使用して、ヒータ3aは形成される。
ヒータ制御部4は、ヒータ3aとケーブルで接続され、ヒータ3aの温度を制御する。尚、ヒータ制御部4は、温度センサ(例えばホーン3の温度を測定する温度センサ)に基づいてヒータ3aを制御することができる。尚、ヒータ制御部4とヒータ3aとを接続するケーブルは、ホーン3内部を挿通していなくてもよい。
駆動部5は、ワイヤ7と導体部とを接合するために、ホーン3及びキャピラリ6を水平方向(XY方向)及び垂直方向(Z方向)に自在に移動させる。また、駆動部5は、ワイヤ7と導体部との接合に必要な荷重を与えるために、キャピラリ6を下方向(−Z方向)に押し付ける。
キャピラリ6は、ホーン3の端部3bに取り付けられ、内部をワイヤ7が挿通する。キャピラリ6は、駆動部5の制御に基づいて、ワイヤ7を導体部に押し付ける。また、キャピラリ6は、ホーン3を介して伝播される振動素子部2が発生する超音波振動をワイヤ7に与える。更に、キャピラリ6は、ホーン3を介して伝わるヒータ3aが発生する熱をワイヤ7に与える。
ワイヤ7はキャピラリ6を挿通する。ワイヤ7は、導体部である半導体装置10のパッド11及びリードフレームのインナーリードに接合され、半導体チップ10とリードフレームとを電気的に接続する。
ボンダーヒータ8は、ワイヤ7と導体部とを接合するために、半導体チップ10及びリードフレームを下面から加熱する。ボンダーヒータ8の表面の温度は、150〜240℃程度が例示される。ボンディングワイヤ装置1は、これらの構成によって、ワイヤ7と導体部とを、荷重、超音波振動、及び熱に基づいて接合する。
次に、本発明の実施の形態によるボンディング方法を説明する。
ヒータ3a及びボンダーヒータ8の加熱:
ヒータ3aはヒータ制御部4の制御に基づいて、ホーン3を内部から加熱する。ヒータ3aが発生する熱はホーン3の端部3bからキャピラリ6に伝わり、更にワイヤ7に伝わる。つまり、ヒータ3aはキャピラリ6とワイヤ7とを加熱する。ボンダーヒータ8は、半導体チップ10及びリードフレームを下面から加熱する。
ヒータ3aはヒータ制御部4の制御に基づいて、ホーン3を内部から加熱する。ヒータ3aが発生する熱はホーン3の端部3bからキャピラリ6に伝わり、更にワイヤ7に伝わる。つまり、ヒータ3aはキャピラリ6とワイヤ7とを加熱する。ボンダーヒータ8は、半導体チップ10及びリードフレームを下面から加熱する。
金属ボール7aの形成:
キャピラリ6を通されたワイヤ7の先端はトーチなどで溶融され、金属ボール7aが形成される。図2は、金属ボール7aが形成されたワイヤ7の先端と、キャピラリ6の断面とを示す図である。図2を参照すると、キャピラリ6から露出したワイヤ7は、金属ボール7aと、金属ボール7a近傍のネック部7bとを含む。ワイヤ7は溶融する温度まで熱せられた後、周囲の温度(室温)によって冷却される。冷却速度が速い場合、ネック部7bは熱影響を受けて靭性が低下する。しかし、本発明のワイヤボンディング装置1は、キャピラリ6がヒータ3aによって加熱されているため、ワイヤ7が周囲の温度によって冷却される速度を緩和することができる。即ち、ヒータ3aは、ネック部7bの靭性低下を防ぐことができる。
キャピラリ6を通されたワイヤ7の先端はトーチなどで溶融され、金属ボール7aが形成される。図2は、金属ボール7aが形成されたワイヤ7の先端と、キャピラリ6の断面とを示す図である。図2を参照すると、キャピラリ6から露出したワイヤ7は、金属ボール7aと、金属ボール7a近傍のネック部7bとを含む。ワイヤ7は溶融する温度まで熱せられた後、周囲の温度(室温)によって冷却される。冷却速度が速い場合、ネック部7bは熱影響を受けて靭性が低下する。しかし、本発明のワイヤボンディング装置1は、キャピラリ6がヒータ3aによって加熱されているため、ワイヤ7が周囲の温度によって冷却される速度を緩和することができる。即ち、ヒータ3aは、ネック部7bの靭性低下を防ぐことができる。
金属ボール7aとパッド11との位置合わせ:
駆動部5は、キャピラリ6を半導体チップ10のパッド11上へ移動させる。キャピラリ6の移動に伴って、形成された金属ボール7aはパッド上に位置する。
駆動部5は、キャピラリ6を半導体チップ10のパッド11上へ移動させる。キャピラリ6の移動に伴って、形成された金属ボール7aはパッド上に位置する。
金属ボール7aとパッド11との接合:
図3は、金属ボール7aとパッド11とが接合する工程を示す図である。図3を参照しながら金属ボール7aとパッド11とが接合する工程を説明する。駆動部5は、ワイヤ7とパッド11との接合に必要な荷重を与えるために、キャピラリ6を下方向に押し付ける。金属ボール7aは、キャピラリ6から荷重を受けてパッド11に押し付けられる。振動素子部2は超音波振動を発生し、ホーン3は振動素子部2が発生した超音波振動をキャピラリ6に伝播する。ホーン3とキャピラリ6とを介して、接触している金属ボール7aとパッド11とに超音波振動が伝播される。ワイヤ7(金属ボール7a)とパッド11とは、キャピラリ6から受ける荷重と、ホーン3とキャピラリ6とを介して伝播される振動素子部2が発生した超音波振動と、ホーン3とキャピラリ6とを介して伝わるヒータ3aが発生した熱と、ボンダーヒータ8の熱とに基づいて接合する。このとき、ヒータ3aはホーン3に巻きついていないため、超音波振動の伝播を妨害することがない。しかも、ヒータ3aがホーン3よりも格段に軽いキャピラリ6に取り付けられると超音波振動の伝播に影響があるが、ヒータ3aはキャピラリ6よりも重量が重いホーン3に含まれるため、ホーン3に対するヒータ3aの相対重量は小さく、超音波振動の伝播を妨げることがない。即ち、ヒータ3aは、ワイヤ7を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。
図3は、金属ボール7aとパッド11とが接合する工程を示す図である。図3を参照しながら金属ボール7aとパッド11とが接合する工程を説明する。駆動部5は、ワイヤ7とパッド11との接合に必要な荷重を与えるために、キャピラリ6を下方向に押し付ける。金属ボール7aは、キャピラリ6から荷重を受けてパッド11に押し付けられる。振動素子部2は超音波振動を発生し、ホーン3は振動素子部2が発生した超音波振動をキャピラリ6に伝播する。ホーン3とキャピラリ6とを介して、接触している金属ボール7aとパッド11とに超音波振動が伝播される。ワイヤ7(金属ボール7a)とパッド11とは、キャピラリ6から受ける荷重と、ホーン3とキャピラリ6とを介して伝播される振動素子部2が発生した超音波振動と、ホーン3とキャピラリ6とを介して伝わるヒータ3aが発生した熱と、ボンダーヒータ8の熱とに基づいて接合する。このとき、ヒータ3aはホーン3に巻きついていないため、超音波振動の伝播を妨害することがない。しかも、ヒータ3aがホーン3よりも格段に軽いキャピラリ6に取り付けられると超音波振動の伝播に影響があるが、ヒータ3aはキャピラリ6よりも重量が重いホーン3に含まれるため、ホーン3に対するヒータ3aの相対重量は小さく、超音波振動の伝播を妨げることがない。即ち、ヒータ3aは、ワイヤ7を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。
ワイヤ7とインナーリードとの接合:
駆動部5はキャピラリ6をインナーリードへ移動させ、繰り出されるワイヤ7をインナーリードに押し付ける。ワイヤ7とインナーリードとは、ワイヤ7とパッド11との接合と同様に、荷重と、超音波振動と、熱とに基づいて接合する。このときも、ヒータ3aは、ワイヤ7を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。その後、ワイヤ7はカットされ、ボンディング装置1は次のワイヤボンディングを実行する。
駆動部5はキャピラリ6をインナーリードへ移動させ、繰り出されるワイヤ7をインナーリードに押し付ける。ワイヤ7とインナーリードとは、ワイヤ7とパッド11との接合と同様に、荷重と、超音波振動と、熱とに基づいて接合する。このときも、ヒータ3aは、ワイヤ7を高温に維持しつつ、安定した超音波振動を供給できるように作用する。その後、ワイヤ7はカットされ、ボンディング装置1は次のワイヤボンディングを実行する。
本発明のワイヤボンディング装置1は、ヒータ3aがキャピラリ6及びワイヤ7を加熱することができるため、金属ボール7aを形成した後のネック部7bの靭性低下を抑えることができる。ニクロム線などをホーン3に巻きつけてキャピラリ6を加熱すると、伝播される超音波振動を妨害してしまうが、本発明のワイヤボンディング装置1は、ホーン3内部のヒータ3aがキャピラリ6を加熱するため、ホーン3を伝播する超音波振動を妨害することがない。しかも、ヒータ3aがホーン3よりも格段に軽いキャピラリ6に取り付けられると超音波振動の伝播に影響があるが、ヒータ3aはキャピラリ6よりも重量が重いホーン3に含まれるため、ホーン3に対するヒータ3aの相対重量は小さく、超音波振動の伝播を妨げることがない。即ち、本発明のワイヤボンディング装置1は、ワイヤ7を高温に維持してワイヤ7の靭性低下を防ぎつつ、安定な超音波振動を供給することができる。このようにして、本発明のワイヤボンディング装置1は、ボールボンディングの接合性を向上させることができ、半導体装置の信頼性を高める効果を奏している。
1 ワイヤボンディング装置
2 振動素子部
3 ホーン
3a ヒータ
3b 端部
4 ヒータ制御部
5 駆動部
6 キャピラリ
7 ワイヤ
7a 金属ボール
7b ネック部
8 ボンダーヒータ
10 半導体チップ
11 パッド
2 振動素子部
3 ホーン
3a ヒータ
3b 端部
4 ヒータ制御部
5 駆動部
6 キャピラリ
7 ワイヤ
7a 金属ボール
7b ネック部
8 ボンダーヒータ
10 半導体チップ
11 パッド
Claims (4)
- 超音波振動を伝播するホーンと、
前記ホーンの端部に取り付けられたキャピラリと
を具備し、
前記ホーンは、
前記ホーンの内部に設けられ、前記ホーンの内部から加熱するヒータ
を備える
ワイヤボンディング装置。 - 請求項1に記載のワイヤボンディング装置であって、
前記ヒータは、前記キャピラリの近傍に設けられ、棒状の前記ホーンの幅方向の断面を覆うように形成される
ワイヤボンディング装置。 - ヒータが、端部にキャピラリが取り付けられたホーンを内部から加熱するステップと、
前記キャピラリを通されたワイヤの先端を溶融して金属ボールを形成するステップと、
前記金属ボールを導体部に押し付けるステップと、
前記ホーンと前記キャピラリとを介して、接触している前記金属ボールと導体部とに超音波振動を伝播するステップと
を具備し、
前記金属ボールと前記導体部とは、前記超音波振動と前記ヒータの熱とに基づいて接合する
ワイヤボンディング方法。 - 請求項3に記載のワイヤボンディング方法であって、
前記ヒータは、前記キャピラリの近傍に設けられ、棒状の前記ホーンの幅方向の断面を覆うように形成される
ワイヤボンディング方法。
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