JP2012244093A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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ball forming
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Masahiko Sekihara
真彦 関原
Masaki Furukawa
正樹 古川
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Renesas Electronics Corp
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Abstract

【課題】酸化されやすい導電性ワイヤを使用して初期ボールを形成し、この初期ボールをパッド上に押し付けて圧着ボールを形成する技術において、初期ボールの形状不良を抑制することによりパッドへのダメージを低減することができる技術を提供する。
【解決手段】ボール形成ユニットＢＦＵに酸化防止ガスを排出するガス排出部ＧＯＰを設け、このガス排出部ＧＯＰによる排出経路を、酸化防止ガスがボール形成部ＢＦＰに導入される方向とは異なる方向に設ける。これにより、酸化防止ガスを排出する領域を増加させることができるので、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流が、対向する他方の側面でガス流が反射して乱流を形成してしまうことを抑制できる。
【選択図】図２９

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、キャピラリの先端部から出ている導電性ワイヤの先端部に初期ボールを形成し、この初期ボールを半導体チップ上のパッドにボンディングする工程に適用して有効な技術に関する。
特開２００９−１０５１１４号公報（特許文献１）には、キャピラリの周囲にわたって複数のガス噴出ノズルを設け、これらのガス噴出ノズルから不活性ガスを噴出させながら、キャピラリの先端部に初期ボールを形成する技術が記載されている。
特開昭６０−２４４０３４号公報（特許文献２）には、円筒カバーに設けられた貫通部材にキャピラリの先端部を配置し、この貫通部材に連通するガス吸入孔から貫通部材の内部空間へ不活性ガスを流しながら、キャピラリの先端部に初期ボールを形成する技術が記載されている。
特開２００８−１３０８２５号公報（特許文献３）には、多孔質部材に設けられた貫通孔にキャピラリの先端部を配置し、キャピラリの周囲にわたって、多孔質部材から不活性ガスを供給しながら、キャピラリの先端部に初期ボールを形成する技術が記載されている。
特開２００９−１０５１１４号公報 特開昭６０−２４４０３４号公報 特開２００８−１３０８２５号公報
半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体素子と多層配線を形成した半導体チップと、この半導体チップを覆うように形成されたパッケージから形成されている。パッケージには、（１）半導体チップに形成されている半導体素子と外部回路とを電気的に接続するという機能や、（２）湿度や温度などの外部環境から半導体チップを保護し、振動や衝撃による破損や半導体チップの特性劣化を防止する機能がある。さらに、パッケージには、（３）半導体チップのハンドリングを容易にするといった機能や、（４）半導体チップの動作時における発熱を放散し、半導体素子の機能を最大限に発揮させる機能なども合わせ持っている。
パッケージでは、例えば、半導体チップ上に形成されている半導体素子と外部回路とを電気的に接続するという機能を実現するために、半導体チップを配線板上に搭載し、半導体チップ上に形成されているパッドと、配線板上に形成されている端子とを導電性ワイヤで接続することが行なわれている。
ここで、半導体チップ上に形成されているパッドと、配線板に形成されている端子とを導電性ワイヤで接続する場合、まず、キャピラリの先端部に初期ボールを形成し、その後、キャピラリの先端部に形成されている初期ボールをパッド上に押し付ける。具体的には、キャピラリによる荷重と超音波振動によって、初期ボールをパッド上に押し付ける。これにより、初期ボールが変形し、パッドとの接触面積を充分に確保できる圧着ボールが形成される。このとき、キャピラリの先端部に初期ボールを形成するには、まず、キャピラリの先端部をボール形成ユニット内のボール形成部に配置した後、トーチ電極と、キャピラリの先端部に出ているワイヤとの間で放電を生じさせる。この放電により熱が発生し、この発生した熱により、ワイヤの先端部が溶融する。そして、溶融したワイヤが表面張力で球状になることにより、キャピラリの先端部に球状の初期ボールを形成することができる。
ところが、導電性ワイヤは、例えば、酸化されやすい金属から構成されることがあるため、放電により発生した熱で初期ボールの表面が酸化されることがある。この結果、初期ボールの形状が真球形状ではなく、先端突起形状などのように形状不良が発生するおそれが高くなる。つまり、ワイヤとして、酸化されやすい導電性ワイヤを使用する場合、初期ボールの表面が酸化されることに起因する初期ボールの形状不良が発生しやすくなる。
そこで、酸化されやすい導電性ワイヤを使用する場合、初期ボールの表面が酸化されにくくするように、不活性ガスなどの酸化防止ガス雰囲気中で初期ボールを形成することが行なわれている。しかし、酸化防止ガス雰囲気中で初期ボールを形成する場合であっても、初期ボールを形成する際、周囲の酸化防止ガス雰囲気濃度が不充分であると、上述した初期ボールの形状不良が発生しやすくなる。また、初期ボールを形成する際、周囲の酸化防止ガスの流量が不安定になると、形成される初期ボールの径にばらつきが生じる。さらには、初期ボールを形成する際、酸化防止ガスが導電性ワイヤに対して不均一にあたる場合、形成される初期ボールが導電性ワイヤに対して偏芯するおそれが高くなる。
このような初期ボールの形状不良が発生すると、初期ボールを半導体チップのパッド上に押し付けて圧着ボールを形成する際、パッドにダメージを与えやすくなる。
本発明の目的は、酸化されやすい導電性ワイヤを使用して初期ボールを形成し、この初期ボールをパッド上に押し付けて圧着ボールを形成する技術において、初期ボールの形状不良を抑制することによりパッドへのダメージを低減することができる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他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明らかになるであろう。
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、次のとおりである。
代表的な実施の形態による半導体装置の製造方法は、ボール形成部、ボール形成部に酸化防止ガスを導入するガス導入部、および、ボール形成部から酸化防止ガスを排出するガス排出部、を有するボール形成ユニットにおいて、キャピラリの先端部をボール形成部に配置して初期ボールを形成する。このとき、前記ガス排出部は、前記酸化防止ガスが前記ボール形成部に導入される方向とは異なる方向に設けられていることを特徴とするものである。
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以下のとおりである。
銅ワイヤを使用して初期ボールを形成し、この初期ボールをパッド上に押し付けて圧着ボールを形成する技術において、初期ボールの形状不良を抑制することによりパッドへのダメージを低減することができる。
ＢＧＡパッケージからなる半導体装置を上面から見た平面図である。 半導体装置を上面から見た図であり、樹脂を透視して示す図である。 実施の形態１における半導体装置を裏面から見た図である。 図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 ＢＧＡパッケージからなる半導体装置を製造する工程の流れを示すフローチャートである。 ＱＦＰパッケージからなる半導体装置を上面から見た平面図である。 図６のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 半導体チップに集積回路を形成した後、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置を製造する工程の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は、ワイヤボンディング工程において、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 図９に続くワイヤボンディング工程を説明する図であって、（ａ）は、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 図１０に続くワイヤボンディング工程を説明する図であって、（ａ）は、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 図１１に続くワイヤボンディング工程を説明する図であって、（ａ）は、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 図１２に続くワイヤボンディング工程を説明する図であって、（ａ）は、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 図１３に続くワイヤボンディング工程を説明する図であって、（ａ）は、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、（ｂ）は、キャピラリを動作させる様子を示す平面図である。 キャピラリの先端部をボール形成ユニット内に配置する様子を示す図である。 キャピラリの先端部に初期ボールを形成する様子を示す図である。 正常な形状の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 正常な形状の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 ワイヤに対して偏芯した初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 ワイヤに対して偏芯した初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 小径の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 小径の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 先端突起形状の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 先端突起形状の初期ボールをパッド上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。 本発明者が検討した検討例１におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、検討例１におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 検討例１における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図２５（ａ）〜図２５（ｃ）のそれぞれに対応した図である。 本発明者が検討した検討例２におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、検討例２におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 検討例２における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図２７（ａ）〜図２７（ｃ）のそれぞれに対応する図である。 実施の形態１におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、実施の形態１におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 実施の形態１における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図２９（ａ）〜図２９（ｃ）のそれぞれに対応した図である。 初期ボールのボール径と、酸化防止ガスのガス流量との関係を示すグラフである。 変形例１におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例１におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例１における他のボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例１におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例２におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例２におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例２における他のボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例２における他のボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例２における他のボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例２における他のボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例３におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例３におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 変形例３における他のボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、変形例３における他のボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 実施の形態２におけるボール形成ユニットの構成を示す図である。特に、（ａ）は、実施の形態２におけるボール形成ユニットの一部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 実施の形態２における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図３９（ａ）〜図３９（ｃ）のそれぞれに対応した図である。 半導体チップ上に形成された複数のスタッドバンプ電極を示す図である。 スタッドバンプ電極を形成した半導体チップを配線基板に実装する一例を示す図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
（実施の形態１）
＜半導体装置（ＢＧＡパッケージ）の構成例＞
半導体装置のパッケージ構造には、例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージやＱＦＰ（Quad Flat Package）パッケージなどのように様々な種類がある。本発明の技術的思想は、これらのパッケージに適用可能であり、以下に、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置の構成例と、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置の構成例について説明する。
まず、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置の構成例について図面を参照しながら説明する。図１は、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置ＳＡ１を上面から見た平面図である。図１に示すように、本実施の形態における半導体装置ＳＡ１は矩形形状をしており、半導体装置ＳＡ１の上面は樹脂（封止体）ＭＲで覆われている。
続いて、図２は、半導体装置ＳＡ１を上面から見た図であり、樹脂ＭＲを透視して示す図である。図２に示すように、半導体装置ＳＡ１の樹脂ＭＲを透視した内部には、矩形形状の配線基板ＷＢが存在しており、この配線基板ＷＢ上に半導体チップＣＨＰが配置されている。この半導体チップＣＨＰも矩形形状をしている。半導体チップＣＨＰの大きさは、配線基板ＷＢの大きさよりも小さくなっており、半導体チップＣＨＰは平面的に配線基板ＷＢに内包されるように配置されている。特に、半導体チップＣＨＰの四辺がそれぞれ配線基板ＷＢの四辺と互いに並行するように配置されている。
上述した半導体チップＣＨＰには集積回路が形成されている。具体的に、半導体チップＣＨＰを構成する半導体基板には、複数のＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子が形成されている。そして、半導体基板の上層には層間絶縁膜を介して多層配線が形成されており、これらの多層配線が半導体基板に形成されている複数のＭＯＳＦＥＴと電気的に接続されて集積回路が構成されている。つまり、半導体チップＣＨＰは、複数のＭＯＳＦＥＴが形成されている半導体基板と、この半導体基板の上方に形成された多層配線を有している。このように半導体チップＣＨＰには、複数のＭＯＳＦＥＴと多層配線によって集積回路が形成されているが、この集積回路と外部回路とのインタフェースをとるために、半導体チップＣＨＰにはパッドＰＤが形成されている。このパッドＰＤは、多層配線の最上層に形成されている最上層配線の一部を露出することにより形成されている。
図２に示すように、半導体チップＣＨＰの主面（表面、上面）には、複数のパッドＰＤが形成されている。具体的に、矩形形状をした半導体チップＣＨＰの四辺のそれぞれに沿うように複数のパッドＰＤが形成されている。そして、半導体チップＣＨＰに形成されている複数のパッドＰＤと相対するように配線基板ＷＢの四辺のそれぞれに沿って複数のランド端子ＬＤ１が形成されている。そして、半導体チップＣＨＰに形成されているパッドＰＤは、配線基板ＷＢに形成されているランド端子ＬＤ１と、導電性部材を介して電気的に接続されている。なお、本実施の形態における導電性部材は、例えば、銅（Ｃｕ）からなるワイヤＷである。
次に、図３は、本実施の形態１における半導体装置ＳＡ１を裏面から見た図である。図３に示すように、半導体装置ＳＡ１の裏面には、複数の半田ボールＳＢがアレイ状（行列状）に配置されている。この半田ボールＳＢは半導体装置ＳＡ１の外部接続端子として機能するものである。
図４は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図４において、配線基板ＷＢの上面にはランド端子ＬＤ１が形成されている一方、配線基板ＷＢの下面には端子（バンプランド、電極）ＬＤ２が形成されている。配線基板ＷＢの内部には多層配線およびビアが形成されており、配線基板ＷＢの上面に形成されているランド端子ＬＤ１と、配線基板ＷＢの下面に形成されている端子ＬＤ２とは、配線基板ＷＢの内部に形成されている多層配線と、ビアの内部に形成されたビア配線とによって電気的に接続されている。配線基板ＷＢの下面に形成されている端子ＬＤ２はアレイ状に配置されており、この端子ＬＤ２上に半田ボールＳＢが搭載される。これにより、配線基板ＷＢの裏面（下面）には、端子ＬＤ２と接続された半田ボールＳＢがアレイ状に配置される。
配線基板ＷＢの上面（表面、主面）には、半導体チップＣＨＰが搭載されており、この半導体チップＣＨＰは、配線基板ＷＢと絶縁性の接着材ＡＤで接着されている。そして、半導体チップＣＨＰの主面に形成されているパッドＰＤと、配線基板ＷＢの上面に形成されているランド端子ＬＤ１とはワイヤＷで接続されている。さらに、配線基板ＷＢの上面には半導体チップＣＨＰおよびワイヤＷを覆うように樹脂（封止体）ＭＲが形成されている。
このように構成されている半導体装置ＳＡ１によれば、半導体チップＣＨＰに形成されているパッドＰＤがワイヤＷを介して配線基板ＷＢに形成されたランド端子ＬＤ１に接続され、このランド端子ＬＤ１は、配線基板ＷＢの内部に形成されている配線およびビア配線によって、配線基板ＷＢの裏面に形成されている端子ＬＤ２と電気的に接続される。したがって、半導体チップＣＨＰに形成されている集積回路は、パッドＰＤ→ワイヤＷ→ランド端子ＬＤ１→端子ＬＤ２→半田ボールＳＢの経路で最終的に半田ボールＳＢと接続されていることがわかる。このことから、半導体装置ＳＡ１に形成されている半田ボールＳＢへ外部回路を電気的に接続することにより、半導体チップＣＨＰに形成されている集積回路と外部回路とを接続することができることがわかる。
＜半導体装置（ＢＧＡパッケージ）の製造方法＞
ＢＧＡパッケージからなる半導体装置ＳＡ１は、上記のように構成されており、以下に、その製造方法について簡単に説明する。図５は、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置ＳＡ１を製造する工程の流れを示すフローチャートである。
まず、半導体基板（半導体ウェハ）のそれぞれのチップ領域上に半導体素子（ＭＯＳＦＥＴ）、多層配線およびパッドを形成する。そして、半導体基板の裏面研削を実施して半導体基板の厚さを薄くした後、半導体基板に形成されているチップ領域をダイシングすることにより、複数の半導体チップを形成する。
次に、表面に複数のランド端子が形成され、表面とは反対側の裏面に複数の端子が形成された配線基板を用意する。そして、配線基板の表面に存在するチップ搭載部（チップ搭載領域）に接着材を塗布する。その後、配線基板のチップ搭載部上に塗布した接着材を介して半導体チップを搭載する（ダイボンディング工程）（Ｓ１０１）。
続いて、半導体チップに形成されているパッドと、配線基板に形成されているランド端子とをワイヤで接続する（ワイヤボンディング工程）（Ｓ１０２）。具体的には、まず、キャピラリを半導体チップに形成されているパッドに押し付けてファーストボンディングする。その後、キャピラリを移動させて、配線基板に形成されているランド端子にワイヤをセカンドボンディングする。このようにして、半導体チップに形成されているパッドと、配線基板に形成されているランド端子とをワイヤで接続することができる。
次に、半導体チップ、ワイヤ、配線基板の表面を覆うように、例えば、樹脂からなる封止体を形成する（モールド工程）（Ｓ１０３）。その後、配線基板の裏面に形成されている端子に、例えば、半田からなる半田ボール（外部接続端子）を取り付ける（半田ボール取り付け工程）（Ｓ１０４）。そして、封止体の表面に、例えば、レーザによって製造番号などからなるマークを刻印する（マーキング工程）（Ｓ１０５）。このようにして製造された半導体装置ＳＡ１は、最終的に検査を実施することにより（テスティング工程）（Ｓ１０６）、良品と不良品が選別され、良品と判断された半導体装置ＳＡ１が出荷される。
上述した半導体装置ＳＡ１は、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置であるが、本発明の技術的思想を適用できるパッケージ形態はこれに限らない。例えば、半導体チップを搭載する基材（配線板）として配線基板ではなくリードフレームを使用するパッケージ形態にも適用することができる。具体的に、本発明の技術的思想は、ＱＦＰパッケージやＱＦＮパッケージにも幅広く適用することができる。特に、以下では、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置の構成例について説明する。
＜半導体装置（ＱＦＰパッケージ）の構成例＞
まず、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置の構成について図面を参照しながら説明する。図６は、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置ＳＡ２を上面から見た平面図である。図６に示すように、半導体装置ＳＡ２は矩形形状をしており、半導体装置ＳＡ２の上面は樹脂（封止体）ＲＭで覆われている。そして、樹脂ＲＭの外形を規定する四辺から外側に向ってアウターリードＯＬが突き出ている。
続いて、半導体装置ＳＡ２の内部構造について説明する。図７は、図６のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図７に示すように、チップ搭載部ＴＡＢの裏面は樹脂ＲＭで覆われている。一方、チップ搭載部ＴＡＢの上面には半導体チップＣＨＰが搭載されており、半導体チップＣＨＰの主面にはパッドＰＤが形成されている。そして、半導体チップＣＨＰに形成されているパッドＰＤは、インナーリードＩＬとワイヤＷで電気的に接続されている。これらの半導体チップＣＨＰ、ワイヤＷおよびインナーリードＩＬは樹脂ＲＭで覆われており、インナーリードＩＬと一体化しているアウターリードＯＬが樹脂ＲＭから突き出ている。樹脂ＲＭから突き出ているアウターリードＯＬは、ガルウィング形状に成形されており、その表面にめっき膜ＰＦが形成されている。
チップ搭載部ＴＡＢ、インナーリードＩＬ、および、アウターリードＯＬは、例えば、銅材や鉄とニッケルとの合金である４２アロイ（４２Alloy）などから形成されており、ワイヤＷは、例えば、銅線から形成されている。半導体チップＣＨＰは、例えば、シリコンや化合物半導体（ＧａＡｓなど）から形成されており、この半導体チップＣＨＰには、ＭＯＳＦＥＴなどの複数の半導体素子が形成されている。そして、半導体素子の上方に層間絶縁膜を介して多層配線が形成されており、この多層配線の最上層に多層配線と接続されるパッドＰＤが形成されている。したがって、半導体チップＣＨＰに形成されている半導体素子は、多層配線を介してパッドＰＤと電気的に接続されていることになる。つまり、半導体チップＣＨＰに形成に形成されている半導体素子と多層配線により集積回路が形成され、この集積回路と半導体チップＣＨＰの外部とを接続する端子として機能するものがパッドＰＤである。このパッドＰＤは、ワイヤＷでインナーリードＩＬと接続され、インナーリードＩＬと一体的に形成されているアウターリードＯＬと接続されている。このことから、半導体チップＣＨＰに形成されている集積回路は、パッドＰＤ→ワイヤＷ→インナーリードＩＬ→アウターリードＯＬ→外部接続機器の経路によって、半導体装置ＳＡ２の外部と電気的に接続することができることがわかる。つまり、半導体装置ＳＡ２に形成されているアウターリードＯＬから電気信号を入力することにより、半導体チップＣＨＰに形成されている集積回路を制御することができることがわかる。また、集積回路からの出力信号をアウターリードＯＬから外部へ取り出すこともできることがわかる。
＜半導体装置（ＱＦＰパッケージ）の製造方法＞
ＱＦＰパッケージからなる半導体装置ＳＡ２は上記のように構成されており、以下に、その製造方法について簡単に説明する。図８は、半導体チップに集積回路を形成した後、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置を製造する工程の流れを示すフローチャートである。まず、リードフレームに形成されているチップ搭載部に半導体チップを搭載した後（Ｓ２０１のダイボンディング工程）、半導体チップに形成されているパッドとインナーリードとをワイヤで接続する（Ｓ２０２のワイヤボンディング工程）。その後、チップ搭載部、半導体チップ、ワイヤ、インナーリードを樹脂で封止する（Ｓ２０３のモールド工程）。そして、リードフレームに形成されているダムを切断した後（Ｓ２０４のダム切断工程）、樹脂から露出しているアウターリードの表面にめっき膜を形成する（Ｓ２０５のめっき工程）。続いて、樹脂の表面にマークを形成した後（Ｓ２０６のマークキング工程）、樹脂から突き出ているアウターリードを成形する（Ｓ２０７のリード成形工程）。このようにして半導体装置ＳＡ２を形成した後、電気的特性検査が実施され（Ｓ２０８のテスティング工程）、良品と判断された半導体装置ＳＡ２が製品として出荷される。
＜ワイヤボンディング工程の詳細＞
上述したように、半導体装置のパッケージ構造例として、ＢＧＡパッケージからなる半導体装置ＳＡ１と、ＱＦＰパッケージからなる半導体装置ＳＡ２を挙げたが、本発明の技術的思想は、両方に共通するワイヤボンディング工程（図５のＳ１０２、図８のＳ２０２）に関するものである。そこで、以下では、ワイヤボンディング工程の詳細について、リードフレームを使用するＱＦＰを例に挙げて説明する。図９（ａ）〜図１４（ａ）は、ワイヤボンディング工程において、キャピラリを動作させる様子を示す部分断面図であり、図９（ｂ）〜図１４（ｂ）は、上述したキャピラリを動作させる様子を上方から見た平面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、ヒートプレートＨＰ上にリードフレームを構成するリードＬＤとチップ搭載部ＴＡＢが配置されており、チップ搭載部ＴＡＢ上に半導体チップＣＨＰが搭載されている。この半導体チップＣＨＰの表面（上面）には、パッドＰＤが形成されている。ヒートプレートＨＰは熱源として機能し、ヒートプレートＨＰ上に配置されているリードＬＤが加熱されるとともに、チップ搭載部ＴＡＢを介してヒートプレートＨＰ上に配置されている半導体チップＣＨＰも加熱される。
ここで、ワイヤボンディング工程では、まず、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、先端部に初期ボールＩＢＬを形成したキャピラリＣＡＰを下降させる。具体的には、ワイヤＷをクランパＣＭＰで固定した状態で、キャピラリＣＡＰを半導体チップＣＨＰのパッドＰＤ上へ下降させる。
続いて、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、キャピラリＣＡＰの先端部に形成されている初期ボールＩＢＬを半導体チップＣＨＰのパッドＰＤに着地させた後、この初期ボールＩＢＬに、キャピラリＣＡＰによる荷重と、ヒートプレートＨＰから半導体チップＣＨＰに伝わる熱と、キャピラリＣＡＰに印加される超音波振幅（超音波振動）とを印加する。これにより、初期ボールＩＢＬは変形し、パッドＰＤとの接触面積が大きい圧着ボールＰＢＬが形成される。このようにして、半導体チップＣＨＰのパッドＰＤ上に圧着ボールＰＢＬを形成するファーストボンディングが行なわれる。
次に、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、クランパＣＭＰを開きながら、キャピラリＣＡＰを上昇させてループ形成に必要なワイヤを引き出した後、クランパＣＭＰを閉じて、キャピラリＣＡＰをリードＬＤ上に移動させる。そして、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、キャピラリＣＡＰによる荷重と、ヒートプレートＨＰからリードＬＤに伝わる熱と、キャピラリＣＡＰに印加される超音波振幅（超音波振動）とを印加しながらキャピラリＣＡＰから繰り出されているワイヤＷをリードＬＤにボンディングする。このとき、ワイヤＷとリードＬＤとの接続部分のワイヤＷには、三日月形状のステッチ部（クレセント部）ＳＴＣＨが形成される。このようにして、ワイヤＷとリードＬＤとを接続するセカンドボンディングが行なわれる。
その後、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、クランパＣＭＰを開いた状態でキャピラリＣＡＰを上昇させることにより、初期ボールの形成に必要なワイヤＷを引き出す。そして、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、クランパＣＭＰを閉じた状態でキャピラリＣＡＰを上昇させることにより、リードＬＤにセカンドボンディングされたワイヤＷをステッチ部ＳＴＣＨより切断する。次に、キャピラリＣＡＰをさらに上昇させることにより、キャピラリＣＡＰの先端部をボール形成ユニットＢＦＵ内に配置する。
図１５は、キャピラリＣＡＰの先端部をボール形成ユニットＢＦＵ内に配置する様子を示す図である。図１５に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵには、キャピラリＣＡＰの先端部を配置するボール形成部（ボール形成ポーション、ボール形成パート）ＢＦＰが設けられており、このボール形成部ＢＦＰの内壁から突き出て露出するようにトーチ電極ＴＣＨが設けられている。さらに、ボール形成ユニットＢＦＵには、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入するガス導入部ＧＩＰが設けられている。ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入される酸化防止ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスや、不活性ガスである窒素ガスと還元性ガスである水素ガスを混合したフォーミングガスなどを挙げることができる。
このように構成されているボール形成ユニットＢＦＵにおいては、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通するようにボール形成部ＢＦＰが形成されており、このボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰを挿入することができるようになっている。そして、図１５に示すように、ボール形成部ＢＦＰの内部にキャピラリＣＡＰの先端部を配置した後、キャピラリの先端部から出ているワイヤＷとトーチ電極ＴＣＨとの間でアーク放電を発生させる。すると、このアーク放電により熱が発生し、この発生した熱により、キャピラリＣＡＰの先端部から出ているワイヤＷが溶融する。そして、図１６に示すように、溶融したワイヤＷが表面張力で球状になることにより、キャピラリＣＡＰの先端部に球状の初期ボール（イニシャルボール）ＩＢＬを形成することができる。このようにして、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールＩＢＬを形成した後、上述したワイヤボンディング工程を繰り返して実施することにより、半導体チップＣＨＰに形成されている複数のパッドＰＤと、複数のリードＬＤとを、それぞれワイヤＷによって電気的に接続することができる。
＜本発明者が見出した課題＞
上述したワイヤボンディング工程では、図１５や図１６に示すように、ガス導入部ＧＩＰから酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入しながら、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールＩＢＬを形成しているが、これは、以下に示す理由による。
一般的に、ワイヤボンディング工程で使用するワイヤＷの材料としては金が使用される。この場合、金は酸化されないため、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールＩＢＬを形成する際、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入する必要性は少なくなる。ところが、近年の金の価格上昇に伴い、金ワイヤの半導体装置のコストに占める割合も高くなってきており、これを抑制するために、金よりも価格の安い銅からなる銅ワイヤを使用することが検討されている。特に、銅ワイヤは、コストだけでなく、金ワイヤよりも電気抵抗率が低いという特性を有していることから、電気的特性も優れており、注目されている。
しかし、ワイヤを銅ワイヤで構成する場合、銅は酸化されやすい金属であることから、アーク放電により発生した熱で初期ボールＩＢＬの表面の酸化が加速されることがある。この結果、初期ボールＩＢＬの形状が真球形状ではなく、先端突起形状などのように形状不良が発生するおそれが高くなる。つまり、ワイヤとして、酸化されやすい銅ワイヤを使用する場合、初期ボールＩＢＬの表面が酸化されることに起因する初期ボールＩＢＬの形状不良が発生しやすくなる。
そこで、銅などの酸化されやすいワイヤＷを使用する場合、初期ボールＩＢＬの表面が酸化されないように、不活性ガスなどの酸化防止ガス雰囲気中で初期ボールＩＢＬを形成することが行なわれている。このような理由で、上述したワイヤボンディング工程では、図１５や図１６に示すように、ガス導入部ＧＩＰから酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入しながら、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールＩＢＬを形成しているのである。つまり、本実施の形態１におけるワイヤボンディング工程では、金などの酸化されない金属をワイヤＷとして使用するのではなく、銅や半田などの酸化されやすい金属をワイヤＷとして使用することを前提とするものである。このように、本実施の形態１の技術的思想は、ワイヤＷとして酸化されやすい金属を使用するワイヤボンディング工程に関する技術であり、ワイヤＷとして酸化されやすい金属を使用する場合を幅広く対象とする。以下では、特に、銅ワイヤを使用する場合を例に挙げて説明する。
上述したワイヤボンディング工程のように、酸化防止ガス雰囲気中で初期ボールＩＢＬを形成する場合であっても、初期ボールＩＢＬを形成する際、周囲の酸化防止ガス雰囲気濃度が不充分であると、上述した初期ボールＩＢＬの形状不良が発生しやすくなる。また、初期ボールＩＢＬを形成する際、周囲の酸化防止ガスの流量が不安定になると、形成される初期ボールＩＢＬの径にばらつきが生じる。さらには、初期ボールＩＢＬを形成する際、酸化防止ガスが銅ワイヤに対して不均一に当たる場合、形成される初期ボールＩＢＬが銅ワイヤに対して偏芯するおそれが高くなる。このような初期ボールＩＢＬの形状不良が発生すると、初期ボールＩＢＬを半導体チップＣＨＰのパッドＰＤ上に押し付けて圧着ボールＰＢＬを形成する際、パッドＰＤにダメージを与えやすくなることを本発明者は見出した。特に、銅は、金に比べて硬いので、初期ボールＩＢＬを変形させて圧着ボールＰＢＬを形成するために、より大きな荷重（例えば、金を使用する場合の荷重の１．５倍〜２倍程度）を加える場合が多い。このため、銅ワイヤにおける初期ボールＩＢＬの形状不良は、荷重の増大とともにパッドへのダメージを加速させる要因となる。
＜初期ボールの具体的な形状不良に基づくパッドへのダメージの説明＞
以下では、初期ボールＩＢＬの形状不良の具体例を挙げて、パッドＰＤへダメージを与えることについて詳細に説明する。まず、初期ボールＩＢＬの形状が正常である場合について説明する。図１７および図１８は、正常な形状の初期ボールＩＢＬをパッドＰＤ上にボンディング（ファーストボンディング）する工程を示す断面図である。図１７に示すように、半導体チップに形成されたパッドＰＤは、パッシベーション膜（表面保護膜）ＰＡＳに形成された開口部から露出した構成をしている。そして、この露出しているパッドＰＤ上にキャピラリＣＡＰが配置されている。このキャピラリＣＡＰの先端部には初期ボールＩＢＬが形成されている。このとき、図１７に示す初期ボールＩＢＬは、真球で、ボール径が適正であるとともに、偏芯がなく、表面が酸化されていない正常状態にある。このような初期ボールＩＢＬがキャピラリＣＡＰの先端部に形成されており、このキャピラリＣＡＰを下降させることにより、初期ボールＩＢＬをパッドＰＤ上に着地させる。そして、図１８に示すように、パッドＰＤ上に着地した初期ボールＩＢＬは、キャピラリＣＡＰからの荷重および超音波振動と、半導体チップの下に配置されているヒートプレートからの熱エネルギーによって、変形し、圧着ボールＰＢＬとなる。この圧着ボールＰＢＬは、台座部ＰＥと、台座部ＰＥ上に形成されるコーン部ＣＮと、コーン部ＣＮ上に形成されるホール挿入部ＨＩから構成される。このとき、図１７に示す初期ボールＩＢＬが正常状態にあるため、上述した荷重、超音波振動および熱負荷によって適正な形状の圧着ボールＰＢＬが形成される。このことから、圧着ボールＰＢＬの下層に存在するパッドＰＤに想定外のダメージが加わることなく、圧着ボールＰＢＬをパッドＰＤ上に形成することができる。
次に、初期ボールＩＢＬ１がワイヤＷに対して偏芯している異常状態の場合について説明する。図１９および図２０は、ワイヤＷに対して偏芯した初期ボールＩＢＬ１をパッドＰＤ上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。図１９に示すように、キャピラリＣＡＰの先端部には初期ボールＩＢＬ１が形成されているが、図１９に示す初期ボールＩＢＬ１は、ワイヤＷに対して偏芯した異常状態にある。このような初期ボールＩＢＬ１がキャピラリＣＡＰの先端部に形成されており、このキャピラリＣＡＰを下降させることにより、初期ボールＩＢＬ１をパッドＰＤ上に着地させる。そして、図２０に示すように、パッドＰＤ上に着地した初期ボールＩＢＬ１は、キャピラリＣＡＰからの荷重および超音波振動と、半導体チップの下に配置されているヒートプレートからの熱負荷によって、変形し、圧着ボールＰＢＬ１となる。この圧着ボールＰＢＬ１は、台座部ＰＥ１と、台座部ＰＥ１上に形成されるコーン部ＣＮ１と、コーン部ＣＮ１上に形成されるホール挿入部ＨＩ１から構成される。このとき、上述した荷重、超音波振動および熱負荷が図１９に示す初期ボールＩＢＬ１に加わる。ところが、図１９に示す初期ボールＩＢＬ１がワイヤＷに対して偏芯した異常状態にあるため、初期ボールＩＢＬ１は、キャピラリＣＡＰの中心からずれた状態でパッドＰＤ上にボンディングされる。このことから、圧着ボールＰＢＬ１の台座部ＰＥ１が偏って潰れてしまうことになる。したがって、台座部ＰＥ１の形状が偏った不均一形状となることから、台座部ＰＥ１が接するパッドＰＤには、台座部ＰＥ１の不均一形状を反映した局所的なダメージが加わることになる。さらに、ワイヤＷに対して偏芯した異常状態にある初期ボールＩＢＬ１は偏って潰れるため、偏った側の台座部ＰＥ１がパッドＰＤからはみ出して、パッシベーション膜ＰＡＳ上に乗り上げることになる。このことは、パッシベーション膜ＰＡＳに台座部ＰＥ１が乗り上げることによる荷重が加わることを意味し、この荷重によって、パッシベーション膜ＰＡＳにクラックが発生してしまうおそれがある。パッシベーション膜ＰＡＳにクラックが発生してしまうと、そこから、水分や異物が半導体チップの内部へ侵入することになり、半導体装置の信頼性が低下することになる。また、図１９に示す初期ボールＩＢＬの偏芯がひどい場合には、初期ボールＩＢＬ１が偏って潰れた際、台座部ＰＥ１が隣接する圧着ボールＰＢＬ１にまで接触するようになる。すると、隣接する圧着ボールＰＢＬ１同士がショートすることになり、半導体装置の動作不良を引き起こすことになる。このように初期ボールＩＢＬ１がワイヤＷに対して偏芯している場合には、半導体装置の信頼性が低下することがわかる。
続いて、初期ボールＩＢＬ２のボール径がばらついて、初期ボールＩＢＬ２のボール径が適正なボール径よりも小径となる異常状態の場合について説明する。図２１および図２２は、小径の初期ボールＩＢＬ２をパッドＰＤ上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。図２１に示すように、キャピラリＣＡＰの先端部には初期ボールＩＢＬ２が形成されているが、図２１に示す初期ボールＩＢＬ２は、適正なボール径よりも小径な異常状態にある。このような初期ボールＩＢＬ２がキャピラリＣＡＰの先端部に形成されており、このキャピラリＣＡＰを下降させることにより、初期ボールＩＢＬ２をパッドＰＤ上に着地させる。そして、図２２に示すように、パッドＰＤ上に着地した初期ボールＩＢＬ２は、キャピラリＣＡＰからの荷重および超音波振動と、半導体チップの下に配置されているヒートプレートからの熱負荷によって、変形し、圧着ボールＰＢＬ２となる。この圧着ボールＰＢＬ２は、台座部ＰＥ２と、台座部ＰＥ２上に形成されるコーン部ＣＮ２と、コーン部ＣＮ２上に形成されるホール挿入部ＨＩ２から構成される。このとき、上述した荷重、超音波振動および熱負荷が図２１に示す初期ボールＩＢＬ２に加わる。ところが、図２１に示す初期ボールＩＢＬ２のボール径は、適正なボール径よりも小径な異常状態にあるため、初期ボールＩＢＬ２が変形することにより形成される台座部ＰＥ２の体積は小さくなる。したがって、キャピラリＣＡＰからの荷重が変わらないとすると、台座部ＰＥ２の体積が小さくなるということは、台座部ＰＥ２の単位体積当たりに加わる荷重が大きくなることを意味する。このことは、台座部ＰＥ２の下層に接触しているパッドＰＤに加わる単位体積当たりの荷重が大きくなることを意味し、この結果、パッドＰＤに加わるダメージが大きくなり、半導体装置の信頼性が低下することになる。
次に、初期ボールＩＢＬ３の形状が正常な形状ではなく、初期ボールＩＢＬ３の先端部が突起形状となる異常状態の場合について説明する。図２３および図２４は、先端突起形状の初期ボールＩＢＬ３をパッドＰＤ上にファーストボンディングする工程を示す断面図である。図２３に示すように、キャピラリＣＡＰの先端部には初期ボールＩＢＬ３が形成されているが、図２３に示す初期ボールＩＢＬ２は、初期ボールＩＢＬ３の先端部が突起形状となる異常状態にある。このような初期ボールＩＢＬ３がキャピラリＣＡＰの先端部に形成されており、このキャピラリＣＡＰを下降させることにより、初期ボールＩＢＬ３をパッドＰＤ上に着地させる。そして、図２４に示すように、パッドＰＤ上に着地した初期ボールＩＢＬ３は、キャピラリＣＡＰからの荷重および超音波振動と、半導体チップの下に配置されているヒートプレートからの熱負荷によって、変形し、圧着ボールＰＢＬ３となる。この圧着ボールＰＢＬ３は、台座部ＰＥ３と、台座部ＰＥ３上に形成されるコーン部ＣＮ３と、コーン部ＣＮ３上に形成されるホール挿入部ＨＩ３から構成される。このとき、上述した荷重、超音波振動および熱負荷が図２３に示す初期ボールＩＢＬ３に加わる。ところが、図２３に示す初期ボールＩＢＬ３の形状は、初期ボールＩＢＬ３の先端部が突起形状となる異常状態にあるため、初期ボールＩＢＬ３が変形することにより形成される台座部ＰＥ３の底面は、初期ボールＩＢＬ３の先端突起形状を反映して、凸部が存在することになる。このことは、台座部ＰＥ３に存在する凸部に集中的に荷重が加わることを意味する。したがって、台座部ＰＥ３の凸部からパッドＰＤの局所的な一部に大きな荷重が加わることになる。この結果、パッドＰＤに加わるダメージが大きくなり、半導体装置の信頼性が低下することになる。
以上のことから、ワイヤボンディング工程におけるパッドＰＤへのダメージを抑制するためには、キャピラリＣＡＰの先端部に形成する初期ボールＩＢＬを、真球で、ボール径が適正であるとともに、偏芯がなく、表面が酸化されていない正常状態にすることが重要であることがわかる。言い換えれば、初期ボールＩＢＬの形状をできるだけ異常形状にしないことが、パッドＰＤへのダメージを抑制して、半導体装置の信頼性を向上させる観点から必要であることがわかる。
＜検討構造において、初期ボールの異常形状が発生するメカニズム＞
本発明者が検討したところ、上述した初期ボールにおける異常形状の発生は、ボール形成ユニットにおいて、ガス導入部からボール形成部に流入される酸化防止ガスの流れに影響を受けやすいことが明らかとなった。以下では、本発明者が検討した検討例１および検討例２を例に挙げて、初期ボールの異常形状が頻発するメカニズムについて説明する。
図２５は、本発明者が検討した検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図２５（ａ）は、検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図２５（ｃ）は、図２５（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
まず、図２５（ａ）において、検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵには、キャピラリＣＡＰの先端部を配置するボール形成部ＢＦＰが設けられており、このボール形成部ＢＦＰの内壁から突き出て露出するようにトーチ電極ＴＣＨが設けられている。さらに、ボール形成ユニットＢＦＵには、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入するガス導入部ＧＩＰが設けられている。ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入される酸化防止ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスや、不活性ガスである窒素ガスと還元性ガスである水素ガスを混合したフォーミングガスを挙げることができる。そして、図２５（ｂ）および図２５（ｃ）に示すように、ボール形成部ＢＦＰは、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しており、このボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰを挿入することができるようになっている。このように構成されている検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵにおいては、ボール形成部ＢＦＰの内部にキャピラリＣＡＰの先端部を配置した後、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰの内部へ供給しながら、キャピラリの先端部から出ているワイヤＷとトーチ電極ＴＣＨとの間でアーク放電を発生させる。これにより、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールを形成することができる。
ここで、検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵで初期ボールを形成したところ、形成した初期ボールのボール径にばらつきが生じることが判明した。このようなボール径のばらつきが生じると、適正なボール径よりも小径な異常状態の初期ボールが形成されてしまうことを意味する。このような小径の初期ボールが形成される場合、初期ボールが変形することにより形成される台座部の体積は小さくなる。この結果、台座部の単位体積当たりに加わる荷重が大きくなるため、台座部の下層に接触しているパッドに加わる単位体積当たりの荷重が大きくなる。したがって、パッドに加わるダメージが大きくなり、半導体装置の信頼性が低下することになる。
そこで、検討例１におけるボール形成ユニットＢＦＵで形成される初期ボールのボール径にばらつきが生じる原因を調査した。実際には、可視化のために白色の気体を用い、その流れを観察した。その結果、初期ボールのボール径のばらつきは以下に示す要因によって生じているものと考えられる。この要因について説明する。
図２６は、検討例１における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、図２６（ａ）〜図２６（ｃ）のそれぞれは、図２５（ａ）〜図２５（ｃ）のそれぞれに対応し、酸化防止ガスの流れが矢印で示されている。まず、検討例１において、初期ボールのボール径にばらつきが生じる第１要因は、以下のようなものと考えられる。すなわち、図２６（ａ）や図２６（ｂ）に示すように、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入された酸化防止ガスは、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているボール形成部ＢＦＰの上下方向から排出されると考えられる。この場合、まず、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流と、対向するもう一方の側面で反射したガス流が衝突して乱流となりながら、ボール形成部ＢＦＰの上下方向から排出されるものと考えられる。つまり、検討例１の構成では、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流が、対向するもう一方の側面で反射したガス流が衝突して乱流を形成すると考えられる。この結果、キャピラリＣＡＰの先端部に出ているワイヤ近傍でのガス流の流れが乱流によって変動するため、初期ボールのボール径がばらつくものと考えられる。
さらに、検討例１において、初期ボールのボール径にばらつきが生じる第２要因は、以下のようなものと考えられる。すなわち、図２６（ｂ）および図２６（ｃ）に示すように、ボール形成部ＢＦＰの上方向へ排出される酸化防止ガスは、挿入されているキャピラリＣＡＰによって流れが妨げられてスムーズに排出されないものと考えられる。つまり、ボール形成部ＢＦＰの上方向へ排出される酸化防止ガスの流れは、キャピラリＣＡＰによって妨げられることで渦巻状になる結果、酸化防止ガスの流速が不安定となり、初期ボールのボール径がばらつくものと考えられる。
続いて、図２７は、本発明者が検討した検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図２７（ａ）は、検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図２７（ｃ）は、図２７（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
まず、図２７（ａ）において、検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵには、キャピラリＣＡＰの先端部を配置するボール形成部ＢＦＰが設けられており、このボール形成部ＢＦＰの内壁から突き出て露出するようにトーチ電極ＴＣＨが設けられている。さらに、ボール形成ユニットＢＦＵには、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入するガス導入部ＧＩＰが設けられている。ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入される酸化防止ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスや、不活性ガスである窒素ガスと還元性ガスである水素ガスを混合したフォーミングガスを挙げることができる。このとき、検討例２では、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰの内部へ供給する酸化防止ガスは、ボール形成部ＢＦＰの周囲に設けられた複数の噴出孔ＨＬからボール形成部ＢＦＰの内部へ導入されるように構成されている。さらに、図２７（ｂ）および図２７（ｃ）に示すように、ボール形成部ＢＦＰは、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しており、このボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰを挿入することができるようになっている。そして、ボール形成部ＢＦＰの側面に酸化防止ガスを導入するための複数の噴出孔ＨＬが設けられていることがわかる。このように構成されている検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵにおいては、ボール形成部ＢＦＰの内部にキャピラリＣＡＰの先端部を配置した後、酸化防止ガスを複数の噴出孔ＨＬからボール形成部ＢＦＰの内部へ供給しながら、キャピラリの先端部から出ているワイヤＷとトーチ電極ＴＣＨとの間でアーク放電を発生させる。これにより、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールを形成することができる。
ここで、検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵで初期ボールを形成したところ、形成した初期ボールで偏芯やボール径の小径化が生じることが判明した。初期ボールの偏芯やボール径の小径化による弊害は、検討例１で上述した通りである。
そこで、検討例２におけるボール形成ユニットＢＦＵで形成される初期ボールの偏芯や小径化が生じる原因を上述した検討例１と同様の方法で調査した。その結果、初期ボールの偏芯や小径化は以下に示す要因によって生じているものと考えられる。この要因について説明する。
図２８は、検討例２における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、図２８（ａ）〜図２８（ｃ）のそれぞれは、図２７（ａ）〜図２７（ｃ）のそれぞれに対応し、酸化防止ガスの流れが矢印で示されている。まず、検討例２において、初期ボールに偏芯が生じる要因は、以下のようなものと考えられる。すなわち、図２８（ａ）に示すように、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに複数の噴出孔ＨＬによって酸化防止ガスが導入される。このとき、ボール形成部ＢＦＰの周囲に配置された複数の噴出孔ＨＬから均一に酸化防止ガスが供給される場合には、初期ボールの偏芯は生じないものと推測される。ところが、実際には、図２８（ａ）に示すように、複数の噴出孔ＨＬの配置場所によっては、それぞれの噴出孔ＨＬから噴き出したガス同士が衝突するので、ガス流の流れの大きさが偏ってしまう。これによって、初期ボールにあたるガス流が方向によって異なることから、形成される初期ボールが偏芯してしまうと考えられる。
さらに、検討例２において、初期ボールのボール径が小径化してしまう要因は、以下のようなものと考えられる。すなわち、図２８（ｂ）および図２８（ｃ）に示すように、個々の噴出孔ＨＬの開口面積は小さくなっているため、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの流速よりも、開口面積の小さな噴出孔ＨＬからボール形成部ＢＦＰの内部へ噴出される酸化防止ガスの流速が大きくなる。このことは、初期ボールに当たる酸化防止ガスの流速が大きくなることを意味し、これにより、酸化防止ガスによる初期ボールの冷却効果が大きくなることを意味している。したがって、初期ボールが適正なボール径になる前に溶融したワイヤが固まってしまうので、初期ボールの小径化が生じるものと考えられる。
以上のように、検討例１および検討例２のいずれの場合も、初期ボールにおける異常形状の発生原因は、ボール形成ユニットにおいて、ガス導入部からボール形成部に流入する酸化防止ガスの流れに影響を受けやすいことがわかる。そこで、本実施の形態１では、初期ボールにおける異常形状の発生を抑制するため、ボール形成ユニットにおける酸化防止ガスの流れを改善する（最適化する）工夫を施している。以下に、この工夫を施した本実施の形態１の技術的思想について説明する。
＜実施の形態１におけるボール形成ユニットの構造（本願発明の特徴）＞
図２９は、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図２９（ａ）は、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図２９（ｂ）は、図２９（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図２９（ｃ）は、図２９（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
まず、図２９（ａ）において、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵには、キャピラリＣＡＰの先端部を配置するボール形成部ＢＦＰが設けられており、このボール形成部ＢＦＰの内壁から突き出て露出するようにトーチ電極ＴＣＨが設けられている。さらに、ボール形成ユニットＢＦＵには、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰに導入するガス導入部ＧＩＰが設けられている。ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入される酸化防止ガスとしては、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスや、不活性ガスである窒素ガスと還元性ガスである水素ガスを混合したフォーミングガスを挙げることができる。なお、窒素ガスと水素ガスを混合したフォーミングガスを使用する場合、水素ガスによる爆発を防ぐ観点から、水素ガスの濃度は５％未満の範囲で添加する必要がる。そして、図２９（ｂ）および図２９（ｃ）に示すように、ボール形成部ＢＦＰは、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しており、このボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰを挿入することができるようになっている。このように構成されている本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵにおいては、ボール形成部ＢＦＰの内部にキャピラリＣＡＰの先端部を配置した後、酸化防止ガスをボール形成部ＢＦＰの内部へ供給しながら、キャピラリの先端部から出ているワイヤＷとトーチ電極ＴＣＨとの間でアーク放電を発生させる。これにより、キャピラリＣＡＰの先端部に初期ボールを形成することができる。このように、ボール形成ユニットＢＦＵでは、キャピラリの先端部から出ているワイヤＷとトーチ電極ＴＣＨとの間でアーク放電を発生させることから、ボール形成ユニットＢＦＵを構成する部材には絶縁性が要求される。さらに、ボール形成ユニットＢＦＵは、例えば、図１４（ａ）に示すように、ヒートプレートＨＰの上方に配置される。したがって、ボール形成ユニットＢＦＵ近傍の雰囲気温度は、ヒートプレートＨＰからの輻射熱によって１００℃〜１２０℃程度となるため、ボール形成ユニットＢＦＵには、１００℃〜１２０℃程度の温度に耐えられる耐熱性が要求される。以上のように、ボール形成ユニットＢＦＵを構成する部材には、絶縁性と耐熱性が要求される。この観点から、ボール形成ユニットＢＦＵは、例えば、ポリアミドイミド樹脂、セラミック、あるいは、ガラスなどが使用される。特に、ポリアミドイミド樹脂を使用する場合、ポリアミドイミド樹脂は、加工性が容易であり、かつ、割れにくいという性質があるので、ボール形成ユニットＢＦＵの加工性を向上させることができるとともに、信頼性を向上させることができる。
ここで、本実施の形態１の特徴は、図２９（ａ）に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵに酸化防止ガスを排出するガス排出部ＧＯＰを設け、このガス排出部ＧＯＰによる排出経路を、酸化防止ガスがボール形成部ＢＦＰに導入される方向とは異なる方向に設けている点にある。言い換えれば、本実施の形態１では、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部ＧＯＰにおける酸化防止ガスの排出方向が異なっている点に特徴点がある。これにより、本実施の形態１によれば、酸化防止ガスを排出する領域を増加させることができるので、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流が、対向する他方の側面でガス流が反射して乱流を形成してしまうことを抑制できる。この結果、ボール形成部ＢＦＰにおけるガス流の流れを安定化させることができる。
例えば、上述した検討例１（図２５参照）の場合、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスの排出経路は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているボール形成部ＢＦＰの上下方向しか存在しない。さらに、ボール形成部ＢＦＰの上部はキャピラリＣＡＰの先端部が配置されているため、酸化防止ガスが排出する経路が非常に狭くなってしまい、ボール形成部ＢＦＰに導入された酸化防止ガスが排出されにくくなっている。このため、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに供給されたガスがスムーズに排出されにくくなり、ボール形成部ＢＦＰに導入された酸化防止ガスは、供給されるボール形成部ＢＦＰの一側面側と対向する他方の側面に衝突する確率が高くなる。これによって、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流と、対向するもう一方の側面で反射したガス流が衝突して乱流が形成されやすくなる。乱流が形成されると、キャピラリＣＡＰの先端部に出ているワイヤ近傍でのガス流の流れが乱流によって変動するため、初期ボールのボール径がばらつく問題点が発生する。
これに対し、以下に、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵについて説明する。図３０は、本実施の形態１における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、図３０（ａ）〜図３０（ｃ）のそれぞれは、図２９（ａ）〜図２９（ｃ）のそれぞれに対応し、酸化防止ガスの流れが矢印で示されている。本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵでは、図３０（ａ）に示すように、酸化防止ガスを排出するガス排出部ＧＯＰを設けている。つまり、本実施の形態１では、ガス導入部ＧＩＰから導入された酸化防止ガスの排出経路として、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているボール形成部ＢＦＰの上下方向だけでなく、それ以外に、ガス排出部ＧＯＰも存在することになる。このことから、本実施の形態１によれば、酸化防止ガスの排出経路にガス排出部ＧＯＰを追加したので、ボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスは、スムーズにガス排出部ＧＯＰから効率的に排出される。特に、ガス排出部ＧＯＰの内部には、キャピラリＣＡＰ自体が配置されることはなく、酸化防止ガスの排出の際に障害となる部材は配置されないことから、ガス排出部ＧＯＰから充分に酸化防止ガスを排出させることができる。すなわち、本実施の形態１では、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスの多くは、新たに設けられたガス排出部ＧＯＰから排出される（図３０（ａ）および図３０（ｂ）参照）。したがって、本実施の形態１によれば、ボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスのうち、ガス排出部ＧＯＰから排気されない酸化防止ガスの流量が少なくなるので、排気容量の少ないボール形成部ＢＦＰの上下方向からも、この残存する酸化防止ガスが滞留することなく、スムーズに排出される（図３０（ｂ）および図３０（ｃ）参照）。つまり、本実施の形態１では、排気容量の大きなガス排出部ＧＯＰを設けることにより、ボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスを効率良く排出できるという直接的な第１効果が得られる。さらに、大部分の酸化防止ガスがガス排出部ＧＯＰから排出されるため、ガス排出部ＧＯＰから排気されない酸化防止ガスの流量を少なくすることができるという間接的な第２効果が得られる。そして、この第２効果によって、排気容量の少ないボール形成部ＢＦＰの上下方向からも、この残存する酸化防止ガスが滞留することなく、スムーズに排出することができるのである。すなわち、本実施の形態１によれば、上述した第１効果と第２効果の相乗効果によって、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入された酸化防止ガスをスムーズに排出することができる。このことは、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給される酸化防止ガスの多くが、対向する他方の側面に衝突して乱流を形成することなく、スムーズに排出されることを意味する。これによって、本実施の形態１によれば、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流と、対向するもう一方の側面で反射したガス流が衝突して乱流が形成されることを充分に抑制できる。言い換えれば、たとえ、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流が、対向するもう一方の側面で反射したとしても、反射したガス流もガス排出部ＧＯＰからスムーズに排出されるので、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流と対向するもう一方の側面で反射したガス流との衝突による乱流の発生を抑制できる。このため、本実施の形態１によれば、ボール形成部ＢＦＰにおけるガス流の流れを安定化させることができるのである。
さらに、本実施の形態１では、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部ＧＯＰにおける酸化防止ガスの排出方向が異なっている点に特徴点がある。例えば、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰへ導入される酸化防止ガスをスムーズに排出する観点からは、酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、酸化防止ガスの排出方向とが揃っていることが望ましいと考えられる。しかし、このような構成の場合、以下に示すような不都合が生じる。例えば、酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、酸化防止ガスの排出方向とが揃っている場合、酸化防止ガスは、ガス導入部ＧＩＰからガス排出部ＧＯＰに向って一方向に流れることになる。すると、キャピラリＣＡＰの先端部に形成される初期ボールに対して、一方向の偏ったガス流が常に流れることになる。このことは、一方向に偏ったガス流によって初期ボールが偏芯しやすくなることを意味する。すなわち、キャピラリＣＡＰの先端部に偏芯のない初期ボールを形成する観点からは、できるだけ一方向の偏ったガス流を流すことは避ける必要がある。偏芯のない初期ボールを形成するためには、ボール形成部ＢＦＰ内の酸化防止ガス濃度が安定した状態を保ちつつ、ガス導入部ＧＩＰから供給される新しい酸化防止ガスとガス排出部ＧＯＰから排出される古い酸化防止ガスとが滞りなく、スムーズに入れ替わることが重要である。したがって、本実施の形態１では、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部ＧＯＰにおける酸化防止ガスの排出方向が異なるように構成している。具体的には、例えば、図２９（ａ）に示すように、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部ＧＯＰにおける酸化防止ガスの排出方向が９０°となるように構成される。これにより、キャピラリＣＡＰの先端部に形成される初期ボールに対して、一方向の偏ったガス流が常に流れることを抑制することができる。この結果、本実施の形態では、一方向に偏ったガス流によって初期ボールが偏芯することを抑制できるのである。
続いて、本実施の形態１におけるさらなる特徴点について説明する。例えば、図２９（ａ）〜図２９（ｃ）に示すように、本実施の形態１では、ガス排出部ＧＯＰがボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通していることに特徴点がある。これにより、ガス排出部ＧＯＰの断面積を最大（ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ分）にすることができるので、ガス排出部ＧＯＰから酸化防止ガスを排出する排気容量を大きくすることができる。これにより、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに導入された酸化防止ガスに対して、排気抵抗を小さくして効率的にガス排出部ＧＯＰから排出することができる。さらに、ガス排出部ＧＯＰをボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通するように構成することにより、ガス排出部ＧＯＰの断面積を、ボール形成ユニットＢＦＵの内部に設けられているガス導入部ＧＩＰの断面積よりも大きくすることができる。これにより、本実施の形態１によれば、ガス導入部ＧＩＰからボール形成部ＢＦＰに流入される酸化防止ガスの流量（流入容量）よりも、ボール形成部ＢＦＰからガス排出部ＧＯＰへ排出できる酸素防止ガスの流量（排気容量）を大きくすることができる。このため、本実施の形態１によれば、ボール形成部ＢＦＰからスムーズに酸化防止ガスを排出することができる。
また、ガス排出部ＧＯＰがボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通している構成に加えて、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅をキャピラリＣＡＰの幅以上とすることにより、以下に示す利点も得られる。例えば、キャピラリＣＡＰにも寿命があるため、キャピラリＣＡＰを交換する作業が必要となる。このとき、検討例１に示すようなボール形成ユニットＢＦＵでは、キャピラリＣＡＰ自体を上昇させて、ボール形成ユニットＢＦＵ内のボール形成部ＢＦＰから外側に出した後、キャピラリＣＡＰを交換する。そして、キャピラリＣＡＰを交換した後、再び、キャピラリＣＡＰを下降させて、ボール形成ユニットＢＦＵ内のボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰの先端部を挿入する必要がある。
これに対し、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵでは、ガス排出部ＧＯＰを設け、このガス排出部ＧＯＰがボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているとともに、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅をキャピラリＣＡＰの幅以上とする構成をとっている。この構成を取ると、キャピラリＣＡＰを交換する場合、キャピラリＣＡＰ自体を上昇させることなく、横方向にスライドさせて、ガス排出部ＧＯＰから外側空間にキャピラリＣＡＰを取り出すことができる。そして、取り出した状態で、キャピラリＣＡＰを交換した後、再び、交換したキャピラリＣＡＰを横方向にスライドさせて、ボール形成ユニットＢＦＵ内のボール形成部ＢＦＰにキャピラリＣＡＰの先端部を挿入することができる。このように、本実施の形態１によれば、キャピラリＣＡＰの交換作業の際、キャピラリＣＡＰ自体を上下移動させる必要がなくなるため、作業効率を向上できる利点が得られる。
さらに、本実施の形態１では、例えば、図２９（ａ）に示すように、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅を、ボール形成部ＢＦＰの幅以下にすることが望ましい。なぜなら、ボール形成部ＢＦＰから酸化防止ガスを効率的に排気するためには、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅がボール形成部ＢＦＰの幅と同程度以下であれば充分であるからである。つまり、例えば、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅をボール形成部ＢＦＰの幅よりも大きくすると、より酸化防止ガスの排出効率が向上するように思われるが、実際には、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅がボール形成部ＢＦＰの幅と同程度の場合と変わらないばかりか、逆に、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅を大きくしすぎると、外部に存在する空気がガス排出部ＧＯＰを通って、ボール形成部ＢＦＰに流入するおそれが高くなるからである。外部に存在する空気がガス排出部ＧＯＰを通って、ボール形成部ＢＦＰに流入してしまうと、流入した空気によって初期ボールの表面が酸化されてしまう不具合が発生するおそれが高まる。したがって、ボール形成部ＢＦＰから酸化防止ガスを効率的に排気するとともに、外部に存在する空気の流入を防止する観点から、ガス排出部ＧＯＰの断面の幅を、ボール形成部ＢＦＰの幅と同程度以下にすることが望ましいのである。
具体的に、本実施の形態１におけるボール形成ユニットＢＦＵでは、例えば、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さが２．５ｍｍ、ガス導入部ＧＩＰの径がφ２．０ｍｍ、ボール形成部ＢＦＰの径（幅）がφ２．２ｍｍ、ガス排出部の断面の幅が１．６ｍｍとなっている。
次に、本実施の形態１の優位性を検討例１や検討例２と比較しながら説明する。図３１は、初期ボールのボール径と、酸化防止ガスのガス流量との関係を示すグラフである。図３１では、本実施の形態１と検討例１と検討例２とを比較して示している。図３１において、横軸はガス流量（ｌ／ｍｉｎ）を示しており、縦軸のうち左軸は、初期ボールのボール径の最大値、最小値、および平均値（μｍ）を示しており、縦軸のうち右軸は、初期ボールのボール径の偏差（μｍ）を示している。図３１に示すように、検討例１および検討例２では、初期ボールのボール径の平均値や偏差が、本実施の形態１に比べて、ガス流量の変化に伴って、ばらつきを持っていることがわかる。つまり、本実施の形態１によれば、検討例１や検討例２に比べて、（１）形成された初期ボールのボール径のばらつきが小さい、（２）ガス流量の変化に伴う、ボール径の変化が小さい、（３）ガス流量が大きくなっても初期ボールが偏芯しない、という優位性があることがわかる。これは、本実施の形態１によれば、ボール形成ユニットに導入される酸化防止ガスの流量に多少変化が生じても、形成される初期ボールのボール径は安定しているということを意味している。言い換えれば、本実施の形態１におけるボール形成ユニットによれば、酸化防止ガスのガス流量の変化に対して、充分なマージンを確保することができていることを意味し、この結果、適正な初期ボールを安定的に形成できることがわかる。これは、本実施の形態１によれば、ガス排出部ＧＯＰが設けられていることにより、酸化防止ガスのガス流量が変化しても、スムーズな排出が確保されているものと考えられる。
以上のことから、本実施の形態１によれば、銅や半田などの酸化されやすい金属をワイヤに使用したワイヤボンディング工程において、パッドへのダメージを抑制することができる。すなわち、本実施の形態１によれば、キャピラリの先端部に形成する初期ボールを、真球で、ボール径が適正であるとともに、偏芯がなく、表面が酸化されていない正常状態にすることが充分に実現できることがわかる。その結果、初期ボールの偏芯に起因するワイヤボンディング時のパッドへのダメージ等が抑制されるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
＜変形例１（ガス排出部の排出方向）＞
前記実施の形態１では、ガス導入部における酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部における酸化防止ガスの排出方向が９０°異なっている例について説明したが、本変形例１では、上述した導入方向と排出方向が９０°±４５°異なっている例について説明する。
図３２は、本変形例１におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３２（ａ）は、本変形例１におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３２（ｃ）は、図３２（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。また、図３３は、本変形例１における他のボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３３（ａ）は、本変形例１におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３３（ｂ）は、図３３（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３３（ｃ）は、図３３（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
本変形例１と前記実施の形態１との相違点は、前記実施の形態１では、ガス導入部における酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部における酸化防止ガスの排出方向が９０°異なっているのに対し、本変形例１では、上述した導入方向と排出方向が９０°±４５°異なっている点である。このように構成されている本変形例１においても、前記実施の形態１と同様の効果が得られる。すなわち、本変形例１においても、ボール形成ユニットＢＦＵに酸化防止ガスを排出するガス排出部ＧＯＰを設け、このガス排出部ＧＯＰによる排出経路を、酸化防止ガスがボール形成部ＢＦＰに導入される方向とは異なる方向に設けている。これにより、本変形例１によれば、酸化防止ガスを排出する領域を増加させることができるので、ボール形成部ＢＦＰの一側面側から供給されるガス流が、対向する他方の側面でガス流が反射して乱流を形成してしまうことを抑制できる。この結果、ボール形成部ＢＦＰにおけるガス流の流れを安定化させることができる。特に、本変形例１では、ガス導入部ＧＩＰにおける酸化防止ガスの導入方向（供給方向）と、ガス排出部ＧＯＰにおける酸化防止ガスの排出方向が９０°±４５°となるように構成される。これにより、キャピラリＣＡＰの先端部に形成される初期ボールに対して、一方向の偏ったガス流が常に流れることを抑制することができる。この結果、本実施の形態では、一方向に偏ったガス流によって初期ボールが偏芯することを抑制できる。
このように本願発明の技術的思想では、ガス導入部における酸化防止ガスの導入方向（供給方向）に対して、ガス排出部における酸化防止ガスの排出方向が９０°±４５°の範囲内に入っていることが望ましい。なぜなら、上述した範囲外の角度を有するガス排出部ＧＯＰを設ける場合、ガス雰囲気濃度が保持できないという問題点や、酸化防止ガスの排出に対して排出抵抗が大きくなり乱流や流速変動が発生するおそれが高まる問題点が顕在化するからである。
＜変形例２（ガス排出部の断面積）＞
ガス排出部ＧＯＰの断面積は、酸化防止ガスの排出を妨げない大きさであることが望ましく、具体的に、ガス排出部ＧＯＰがボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているときの断面積を１００％（最大断面積）とする場合に、この断面積に対して、５０％〜１００％の断面積を有するようにガス排出部ＧＯＰを設けることが望ましい。
以下に、上述した範囲内の断面積を有するガス排出部ＧＯＰの構成例について説明する。図３４は、本変形例２におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３４（ａ）は、本変形例２におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３４（ｂ）は、図３４（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３４（ｃ）は、図３４（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
図３４（ａ）〜図３４（ｃ）に示すように、本変形例２におけるガス排出部ＧＯＰ１は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通している。したがって、図３４に示すガス排出部ＧＯＰ１の断面積は最大（１００％）となっており、効率的に酸素防止ガスをガス排出部ＧＯＰ１から排出することができる。
続いて、図３５は、本変形例２における他のボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３５（ａ）は、本変形例２における他のボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３５（ｂ）は、図３５（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３５（ｃ）は、図３５（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
図３５（ａ）〜図３５（ｃ）に示すように、本変形例２におけるガス排出部ＧＯＰ２は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通してはいないが、特に、図３５（ｂ）に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵの底面側から上面近傍にわたって開口部が形成されている。具体的に、図３５に示すガス排出部ＧＯＰ２の断面積は、最大断面積に対して７５％の断面積となっており、図３４に示す場合ほどではないが、充分に酸素防止ガスをガス排出部ＧＯＰ２から排出することができるように構成されている。
次に、図３６は、本変形例２における他のボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３６（ａ）は、本変形例２における他のボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３６（ｂ）は、図３６（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３６（ｃ）は、図３６（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
図３６（ａ）〜図３６（ｃ）に示すように、本変形例２におけるガス排出部ＧＯＰ３は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通してはいないが、特に、図３６（ｂ）に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵの上面側から底面近傍にわたって開口部が形成されている。具体的に、図３６に示すガス排出部ＧＯＰ３の断面積は、最大断面積に対して７５％の断面積となっており、図３４に示す場合ほどではないが、充分に酸素防止ガスをガス排出部ＧＯＰ３から排出することができるように構成されている。
＜変形例３（ガス排出部の断面形状）＞
ガス排出部ＧＯＰの断面形状は、ボール形成ユニットの厚さ方向に貫通して形成される開口形状の他に、変形例２で説明した断面積を有するものであれば、矩形形状や丸型形状などであってもよい。
図３７は、本変形例３におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３７（ａ）は、本変形例３におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３７（ｂ）は、図３７（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３７（ｃ）は、図３７（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
図３７（ａ）〜図３７（ｃ）に示すように、本変形例３におけるガス排出部ＧＯＰ４は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通してはいないが、特に、図３７（ｂ）に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵの中央部近傍に開口部が形成されている。具体的に、図３７に示すガス排出部ＧＯＰ４の断面積は、最大断面積に対して５０％以上の断面積となっており、開口部の断面形状は矩形形状となっている。このように構成される場合であっても、充分に酸素防止ガスをガス排出部ＧＯＰ４から排出することができる。
図３８は、本変形例３における他のボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３８（ａ）は、本変形例３における他のボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３８（ｂ）は、図３８（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３８（ｃ）は、図３８（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
図３８（ａ）〜図３８（ｃ）に示すように、本変形例３におけるガス排出部ＧＯＰ５は、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通してはいないが、特に、図３８（ｂ）に示すように、ボール形成ユニットＢＦＵの中央部近傍にわたって開口部が形成されている。具体的に、図３８に示すガス排出部ＧＯＰ５の断面積は、最大断面積に対して５０％以上の断面積となっており、開口部の断面形状は丸型形状となっている。このように構成される場合であっても、充分に酸素防止ガスをガス排出部ＧＯＰ５から排出することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２では、キャピラリの先端部に対して、ガス導入部と反対側にガス溜まり部を設けている例について説明する。
図３９は、本実施の形態２におけるボール形成ユニットＢＦＵの構成を示す図である。特に、図３９（ａ）は、本実施の形態２におけるボール形成ユニットＢＦＵの一部を示す平面図であり、図３９（ｂ）は、図３９（ａ）のＡ−Ａ線で切断した断面図である。また、図３９（ｃ）は、図３９（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
本実施の形態２と前記実施の形態１との相違点は、本実施の形態２におけるボール形成ユニットにおいて、キャピラリＣＡＰの先端部に対して、ガス導入部ＧＩＰと反対側にガス溜まり部ＧＣＰを設けている点である。このように構成された本実施の形態２におけるボール形成ユニットＢＦＵによれば、ガス導入部ＧＩＰから供給されるガス流と、ガス溜まり部ＧＣＰで跳ね返ったガス流との衝突で生じる乱流を低減できるとともに、たとえ、乱流が発生したとしても、この乱流の形成位置を、前記実施の形態１の場合よりも、遠ざけることができる。この結果、本実施の形態２によれば、キャピラリＣＡＰの先端部に形成される初期ボールへの上述した乱流の影響が小さくなるので、より初期ボール近傍を流れるガス流をスムーズにすることができ、これによって、安定した初期ボールを形成することができる。
以上のことから、本実施の形態２によれば、銅や半田などの酸化されやすい金属をワイヤに使用したワイヤボンディング工程において、パッドへのダメージを抑制することができる。すなわち、本実施の形態２によれば、キャピラリの先端部に形成する初期ボールを、真球で、ボール径が適正であるとともに、偏芯がなく、表面が酸化されていない正常状態にすることが充分に実現できることがわかる。その結果、初期ボールの偏芯に起因するワイヤボンディング時のパッドへのダメージ等が抑制されるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
図４０は、本実施の形態２における酸化防止ガスの流れを示す模式図であり、図４０（ａ）〜図４０（ｃ）のそれぞれは、図３９（ａ）〜図３９（ｃ）のそれぞれに対応し、酸化防止ガスの流れが矢印で示されている。本実施の形態２におけるボール形成ユニットＢＦＵでは、前記実施の形態１と同様に、酸化防止ガスを排出するガス排出部ＧＯＰを設けている。つまり、本実施の形態２でも、ガス導入部ＧＩＰから導入された酸化防止ガスの排出経路として、ボール形成ユニットＢＦＵの厚さ方向に貫通しているボール形成部ＢＦＰの上下方向だけでなく、それ以外に、ガス排出部ＧＯＰも存在することになる。このことから、本実施の形態２によれば、酸化防止ガスの排出経路にガス排出部ＧＯＰを追加したので、ボール形成部ＢＦＰに供給された酸化防止ガスは、スムーズにガス排出部ＧＯＰから効率的に排出される。特に、ガス排出部ＧＯＰの内部には、キャピラリＣＡＰ自体が配置されることはなく、酸化防止ガスの排出の際に障害となる部材は配置されないことから、ガス排出部ＧＯＰから充分に酸化防止ガスを排出させることができる。
さらに、本実施の形態２では、図４０（ａ）および図４０（ｂ）に示すように、ガス溜まり部ＧＣＰが設けられているため、ガス導入部ＧＩＰから供給されるガス流と、ガス溜まり部ＧＣＰで跳ね返ったガス流との衝突で生じる乱流を低減できるとともに、たとえ、乱流が発生したとしても、この乱流の形成位置を、前記実施の形態１の場合よりも、遠ざけることができる。この結果、本実施の形態２によれば、キャピラリＣＡＰの先端部に形成される初期ボールへの上述した乱流の影響が小さくなるので、より初期ボール近傍を流れるガス流をスムーズにすることができ、これによって、安定した初期ボールを形成することができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態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言うまでもない。
上述のＭＯＳＦＥＴは、ゲート絶縁膜を酸化膜から形成する場合に限定するものではなく、ゲート絶縁膜を広く絶縁膜から形成するＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)をも含むものと想定している。つまり、本明細書では、便宜上ＭＯＳＦＥＴという用語を使用しているが、このＭＯＳＦＥＴは、ＭＩＳＦＥＴをも含む意図の用語として本明細書では使用している。
本願発明の技術的思想は、ワイヤとして酸化されやすい金属を使用するワイヤボンディング工程に関するものであり、特に、上述した実施の形態では、銅ワイヤを使用する場合を例に挙げて説明したが、本願発明の技術的思想は、これに限らず、例えば、半田などの酸化されやすい金属を使用したワイヤボンディング工程に幅広く適用することができる。
＜変形例＞
なお、上述した実施の形態では、銅ワイヤを使用したワイヤボンディング工程を例に挙げて説明したが、本願発明における技術的思想は、銅からなるスタッドバンプ電極を形成する工程にも幅広く適用することができる。なぜなら、スタッドバンプ電極も、キャピラリによって、先端部に形成された初期ボールをパッド上に着地させた後、圧縮荷重および超音波振動を印加することにより初期ボールを変形させて圧着ボールを形成し、この圧着ボールの先端部で銅ワイヤを切断することによりスタッドバンプ電極を形成するからである。つまり、銅ワイヤによるワイヤボンディング工程とスタッドバンプ電極形成工程のいずれにおいても、圧縮荷重および超音波振動を印加して圧着ボールを形成する点は共通するため、銅からなるスタッドバンプ電極を形成する工程においても、パッドへのダメージの問題が顕在化すると考えられる。したがって、スタッドバンプ電極を形成する工程においても、本発明の技術的思想を適用することにより、パッドへのダメージを効果的に防止することができる。
以下に、スタッドバンプ電極の構成例について説明する。図４１は、半導体チップＣＨＰ上に形成された複数のスタッドバンプ電極ＳＢＭＰを示す図である。図４１では、図示されていないが、半導体チップＣＨＰの表面に形成されたパッド上にスタッドバンプ電極ＳＢＭＰが配置されている。このようにスタッドバンプ電極ＳＢＭＰを形成した半導体チップＣＨＰは、例えば、フェイスダウンボンディングによって配線基板に実装される。
図４２は、スタッドバンプ電極ＳＢＭＰを形成した半導体チップＣＨＰを配線基板ＷＢに実装する一例を示す図である。図４２に示すように、配線基板ＷＢ上には端子ＴＥが形成されており、この端子ＴＥと、半導体チップＣＨＰに搭載されたスタッドバンプ電極ＳＢＭＰが相対するように配置される。そして、半導体チップＣＨＰに搭載されたスタッドバンプ電極ＳＢＭＰと、配線基板ＷＢ上に形成された端子ＴＥとは、例えば、半田Ｓによって接続される。以上のようにして、スタッドバンプ電極ＳＢＭＰを形成した半導体チップＣＨＰを配線基板ＷＢに実装することができる。
本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。
ＡＤ 接着材
ＢＦＰ ボール形成部
ＢＦＵ ボール形成ユニット
ＣＡＰ キャピラリ
ＣＨＰ 半導体チップ
ＣＭＰ クランパ
ＣＮ コーン部
ＣＮ１ コーン部
ＣＮ２ コーン部
ＣＮ３ コーン部
ＧＣＰ ガス溜まり部
ＧＩＰ ガス導入部
ＧＯＰ ガス排出部
ＧＯＰ１ ガス排出部
ＧＯＰ２ ガス排出部
ＧＯＰ３ ガス排出部
ＧＯＰ４ ガス排出部
ＧＯＰ５ ガス排出部
ＨＩ ホール挿入部
ＨＩ１ ホール挿入部
ＨＩ２ ホール挿入部
ＨＩ３ ホール挿入部
ＨＬ 噴出孔
ＨＰ ヒートプレート
ＩＢＬ 初期ボール
ＩＢＬ１ 初期ボール
ＩＢＬ２ 初期ボール
ＩＢＬ３ 初期ボール
ＩＬ インナーリード
ＬＤ リード
ＬＤ１ ランド端子
ＬＤ２ 端子
ＭＲ 樹脂
ＯＬ アウターリード
ＰＡＳ パッシベーション膜
ＰＢＬ 圧着ボール
ＰＢＬ１ 圧着ボール
ＰＢＬ２ 圧着ボール
ＰＢＬ３ 圧着ボール
ＰＤ パッド
ＰＥ 台座部
ＰＥ１ 台座部
ＰＥ２ 台座部
ＰＥ３ 台座部
ＰＦ めっき膜
ＲＭ 樹脂
Ｓ 半田
ＳＡ１ 半導体装置
ＳＡ２ 半導体装置
ＳＢ 半田ボール
ＳＢＭＰ スタッドバンプ電極
ＳＴＣＨ ステッチ部（クレセント部）
ＴＡＢ チップ搭載部
ＴＣＨ トーチ電極
ＴＥ 端子
Ｗ ワイヤ
ＷＢ 配線基板

Claims (18)

  1. （ａ）半導体チップが搭載された配線板を準備する工程と、
    （ｂ）ボール形成ユニット内のボール形成部にキャピラリの先端部を配置する工程と、
    （ｃ）前記ボール形成部の内部を酸化防止ガス雰囲気とし、前記ボール形成部内でトーチ電極と、前記キャピラリの先端部から出ている導電性ワイヤとの間で放電させることにより、前記導電性ワイヤの先端部に初期ボールを形成する工程と、
    （ｄ）前記初期ボールを前記半導体チップ上のパッドにボンディングすることにより、前記導電性ワイヤと前記半導体チップとを電気的に接続する工程と、を有し、
    前記ボール形成ユニットは、前記ボール形成部、前記ボール形成部に酸化防止ガスを導入するガス導入部、および、前記ボール形成部から前記酸化防止ガスを排出するガス排出部、を有し、
    前記ガス排出部は、前記酸化防止ガスが前記ボール形成部に導入される方向とは異なる方向に設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ガス排出部は、前記酸化防止ガスが導入される方向に対して、９０°±４５°の範囲内に設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ガス排出部は、前記酸化防止ガスが導入される方向に対して、９０°の位置に設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ガス排出部は、前記ボール形成ユニットの厚さ方向に貫通していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ガス排出部の幅は、前記キャピラリの幅以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ガス排出部の幅は、前記ボール形成部の幅以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ボール形成ユニットには、前記ボール形成部に対して前記ガス導入部と対向する位置にガス溜まり部が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記導電性ワイヤは、金ワイヤよりも酸化しやすい金属ワイヤであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 請求項８に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記導電性ワイヤは、銅ワイヤであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸化防止ガスは、不活性ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記不活性ガスは、窒素ガス、あるいは、アルゴンガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸化防止ガスは、不活性ガスと還元性ガスとを含むフォーミングガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記フォーミングガスは、窒素ガスと水素ガスとを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  14. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ボール形成ユニットは、絶縁樹脂から構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  15. 請求項１４に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記絶縁樹脂は、ポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記（ｄ）工程の後、
    （ｅ）前記導電性ワイヤを前記配線板上の端子にボンディングすることにより、前記導電性ワイヤと前記配線板とを電気的に接続する工程と、
    （ｆ）前記半導体チップ、前記導電性ワイヤ、および前記配線板の一部を封止体により封止する工程と、をさらに有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１６に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記配線板は配線基板であって、前記配線板上の前記端子はランド端子であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  18. 請求項１６に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記配線板はリードフレームであって、前記配線板上の前記端子はインナーリードであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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