JP2829471B2 - ワイヤボンダ - Google Patents

ワイヤボンダ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップの電極と
リードフレームのリード端子との間をボンディングワイ
ヤで接続するワイヤボンダに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウエハから切り離された半導体チ
ップ上に形成された電極（ボンディングパッド）と、こ
の半導体チップを搭載するリードフレームのリード端子
との間を、金線やアルミニウム線等のボンディングワイ
ヤで接続する各種のワイヤボンダが汎用されている。こ
のワイヤボンダの典型的な一例であるボールボンディン
グ型は、図４に示すように、Ｘ−Ｙステージによって水
平面内を前後左右に移動されると共に水平な軸を支点と
して先端が上下動される超音波ホーン１１と、その先端
に装着され下端１２ａからボンディングワイヤ３が繰り
出される漏斗状のキャピラリ１２と、リードフレーム１
及びこれにダイボンディングされた半導体チップ２を加
熱するヒータプレート１３と、ボンディングワイヤ３を
切断すると同時に先端に球状体を形成するための電気ト
ーチ１４とを備えている。
【０００３】ヒータプレート１３上に搬送された半導体
チップ２は、図５に示すように、リードフレーム１の多
数のリード端子１ａで囲まれたアイランドと呼ばれる部
分１ｂに接着（ダイボンディング）されている。半導体
チップ２に形成されている回路パターン中の所定の基準
位置が図示しない光学系の位置センサ認識され、この基
準位置から算定される最初のボンド点上に超音波ホーン
１１の先端のキャピラリ１２が位置決めされ、半導体チ
ップ２上に形成されている電極群２ａと、リードフレー
ム１側の対応リード端子群１ａとの間に、ボンディング
ワイヤ３が順次配線されて行く。
【０００４】すなわち、漏斗状のキャピラリ１２の下端
１２ａに形成されたボンディングワイヤ３の球状の切断
端部３ａが電極２ａの表面に押圧される。このキャピラ
リ１２には図示しない超音波振動子で発生した水平方向
の超音波振動の振幅が超音波ホーン１１によって拡大さ
れて伝達されるため、ボンディングワイヤ３のボール状
端部３ａが押圧力と振動による摩擦によって押しつぶさ
れ、ヒータプレート１３で加熱された半導体チップ２の
電極２ａ表面に圧着される。押圧力と加熱による単純な
熱圧着の場合は、リードフレーム１と半導体チップ２を
３５０℃程度まで加熱する必要があるが、超音波の併用
によって２００℃程度の温度で圧着することができ、し
かもその過程で電極表面の酸化膜が摩擦により除去され
るので、良好な接合が行われる。
【０００５】次に、キャピラリ１２は半導体チップ２の
電極２ａ上からリードフレーム１のリード端子１ａ上に
移動され位置決めされる。一端部３ａが電極２ａに接続
されたボンディングワイヤ３は、キャピラリ１２の移動
に伴ってその下端１２ａから繰り出され、上述と同様に
してリード端子１ａに接続される。その後、キャピラリ
１２がリード端子１ａの表面から僅かに引き上げられた
ところで、これに伴って繰り出されたボンディングワイ
ヤ３が、接近した電気トーチ１４の放電によって溶融切
断される。このとき、切断部に瞬間的な溶融によって球
状端部３ａが形成され、これが、ボンディングワイヤ３
に加えられた張力によってキャピラリ１２の下端１２ａ
に保持される。
【０００６】キャピラリ１２を保持すると共にこれに超
音波振動を伝達する超音波ホーン１１は、リードフレー
ム１と半導体チップ２を加熱しているヒータプレート１
３から熱を受けて高温となり膨張する。超音波ホーン１
１がヒータプレート１３から受ける熱量は、ボンディン
グの過程でヒータプレート１３の上を前後左右に移動す
る超音波ホーン１１の位置に応じて変化し、これに伴う
伸縮量も変化する。すなわち、ボンディングの際に、超
音波ホーン１１が図４に実線で示すようにヒータプレー
ト１３上に深く進入するとヒータプレート１３から多量
の熱を受けて温度が上昇し膨張する。また、一点鎖線で
示すような待機位置では、空気中に熱を放出して温度が
下降し、収縮する。
【０００７】このような超音波ホーン１１の温度変化に
よる伸縮に伴い、ボンディング位置ずれの問題が生ず
る。すなわち、半導体チップ２の表面に形成された電極
２ａは寸法が小さいため、ボンディング位置の公差は±
５μｍ程度であるのに対し、上述のような超音波ホーン
１１の伸縮は、場合によっては４０〜５０μｍものキャ
ピラリ位置のずれが発生し、ボンディングが不能になる
おそれがある。これを防止するため、従来は室温の空気
を噴射して超音波ホーン１１を冷却するという対策が講
じられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した冷却用の空気
を噴射して超音波ホーンの伸縮を抑圧するという従来方
法は、今後の半導体チップの大型化に伴いヒータプレー
トが一層大型になり、これから超音波ホーンが受ける熱
量が増大するにつれて一層困難になるという問題があ
る。また、超音波ホーンの冷却に伴い、キャピラリとボ
ンディングワイヤも冷却されてしまい、熱圧着による接
合性が低下するという問題もある。従って、本発明の目
的は、ヒータプレートの加熱による超音波ホーンの伸縮
を防止し、ボンディング位置精度を向上させることにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のワイヤボンダは、超音波ホーンを加熱する加熱手段
を備えている。本発明の好適な実施例においては、上記
加熱手段が超音波ホーンへの熱風噴射器や、超音波ホー
ンに巻き付けられた電熱線や、超音波ホーンに埋設され
たヒータなどからなっている。
【００１０】
【作用】超音波ホーンの温度は、ヒータプレートや加熱
手段から受ける熱量の増大につれて上昇する。超音波ホ
ーンの温度が上昇するにつれて、この超音波ホーンから
輻射や自然対流によって逃げだす熱量も急激に増加す
る。例えば、輻射によって超音波ホーンから逃げだす熱
量は、黒体輻射で近似するとその絶対温度の４乗に比例
して増加する。すなわち、超音波ホーンの温度が上昇す
ればするほど、ヒータプレートや加熱手段から受けた熱
量によって生じる温度上昇幅が小さくなり、従ってヒー
タプレートとの位置関係の変化に起因する伝熱量の変動
に伴う温度変動幅も小さくる。このことは、加熱量と上
昇温度との非直線の関係として良く知られている。従っ
て、制御目標温度を従来例とは全く逆の高温領域に移す
ことにより、ヒータプレートからの伝熱量の変動を抑圧
するための温度制御が一層容易になる。
【００１１】上記加熱量と上昇温度との非直線の関係に
基づく温度変動幅の抑圧に加えて、超音波ホーンへの加
熱手段による伝熱量Ｑｂが付加されることにより、ヒー
タプレートからの伝熱量Ｑａの変動幅δＱａの全伝熱量
の変動幅に及ぼす影響が、（１＋Ｑｂ／Ｑａ）-1倍に低
減されるという効果も奏される。従って、Ｑｂ／Ｑａが
大きいほど恒温化には好適であるが、上記加熱量と上昇
温度との非直線の関係をも考慮すれば、ＱｂをＱａを同
程度とすれば恒温化の点で相当程度の効果が奏されると
考えられる。
【００１２】
【実施例】図１は、本発明の一実施例のワイヤボンダを
示すもので、超音波ホーン１１と、その先端部に保持さ
れたキャピラリ１２と、ヒータプレート１３と、図示し
ないＸ−Ｙステージ及びワイヤ切断用の電気トーチを含
む従来と同様の基本構成を備えている。
【００１３】超音波ホーン１１には、その長手方向に平
行に延びる熱風噴射ノズル２０が一体的に取り付けられ
ている。この熱風噴射ノズル２０には、超音波ホーン１
１の側面へ向けて多数の噴射孔２０ａが開設されてお
り、配管２１を介して加熱空気供給源２２から供給され
た加熱空気を前記噴射孔２０ａからシャワー状に噴射す
ることによって、超音波ホーン１１を加熱する。２３は
超音波ホーン１１の温度を検出する温度センサ、２４は
予め設定された基準温度データと温度センサ２３で検出
された検出温度とを比較して、その偏差が零となるよう
に加熱空気供給源２２の出力（加熱温度及び風量）を制
御する温度コントローラである。
【００１４】超音波圧着を利用したワイヤボンディング
においては、リードフレーム１と半導体チップ２に対す
るヒータプレート１３の加熱温度は２００℃程度に設定
されており、その放射熱の影響を受ける超音波ホーン１
１は、発明者らの測定結果によれば、熱風噴射ノズル２
０からの熱風の噴射による加熱を行わない場合、１００
℃程度を上限とする温度変動が生じた。そこで、一例と
して温度コントローラ２４に設定する基準温度を例えば
１１０℃とし、熱風噴射ノズル２０から噴射される加熱
空気によって、超音波ホーン１１を常に１１０℃近傍に
加熱しておく。この高温領域における温度制御は、室温
程度の低温領域における温度制御よりも容易かつ高精度
で行える。
【００１５】図示しない光学系の位置センサによって認
識された基準位置から求められる各ボンド点を、超音波
ホーン１１の基準温度の熱膨張量により補正しておけ
ば、リードフレーム１のリード端子は半導体チップ２の
電極上でのキャピラリ１２の位置ずれを低減され、ボン
ディングワイヤの接合をより高い位置決め精度のもとに
行うことができる。また、熱風噴射ノズル２０からの熱
風噴射によって、超音波ホーン１１と共にキャピラリ１
２及びこれに保持されたボンディングワイヤも、ヒータ
プレート１３の放射熱による加熱温度以上の高温に加熱
されることから、熱圧着による接合性の向上を同時に実
現することができる。
【００１６】図２は、本発明の第二実施例に係るワイヤ
ボンダを示すもので、上述の熱風噴射による加熱手段に
代えて、超音波ホーン１１の周囲に熱線コイル３０を巻
き付け、このコイル３０へ供給する電流をコントローラ
３１を介して制御することによって、超音波ホーン１１
を、ヒータプレート１３からの放射熱による温度変化の
上限以上の一定の温度に加熱することができる。
【００１７】図３は、本発明の第三実施例に係るワイヤ
ボンダを示すもので、加熱手段として超音波ホーン１１
の内部に、セラミックヒータ４０を挿入し、このセラミ
ックヒータ４０へ供給する電流をコントローラ４１を介
して制御することによって、超音波ホーン１１を、ヒー
タプレート１３からの放射熱による温度変化の上限以上
の一定の温度に加熱することができる。なお、これら図
２及び図３の実施例においても、先の第一実施例と同様
に、超音波ホーン１１の温度データをセンサによってフ
ィードバックさせる閉ループ制御を行う構成とすること
ができる。
【００１８】以上、加熱手段が温度センサを含む閉ルー
プ制御系によって構成される場合を例示した。しかしな
がら、超音波ホーンの温度をヒータプレートによる加熱
最高温度程度、更に好適にはこれよりも十分高い温度、
例えばヒータプレートの温度程度に保つような場合に
は、温度センサによる帰還路を省略した開ループ制御を
適用することもできる。
【００１９】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のワ
イヤボンダは、加熱手段の設置により制御目標温度を従
来例とは全く逆の高温領域に移す構成であるから、ヒー
タプレートとの位置関係の変化に伴う超音波ホーンの温
度と長さの変動が有効に抑圧され、キャピラリの位置決
め精度が向上する。また、加熱に伴いキャピラリとボン
ディングワイヤも予め加熱されるので熱圧着による接合
性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のワイヤボンダの構成を概略
的に示す要部平面図である。
【図２】本発明の他の実施例のワイヤボンダの構成を概
略的に示す要部平面図である。
【図３】本発明の更に他の実施例のワイヤボンダの構成
を概略的に示す要部平面図である。
【図４】従来例のワイヤボンダの構成を概略的に示す要
部側面図である。
【図５】リードフレームとこれにダイボンディングされ
た半導体チップを概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
１１ 超音波ホーン １２ キャピラリ １３ ヒータプレート ２０ 熱風噴射ノズル（加熱手段） ３０ 熱線コイル（加熱手段） ４０ セラミックヒータ（加熱手段）

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超音波ホーンと、この超音波ホーンの先端
    に設けられボンディングワイヤを繰り出すキャピラリ
    と、半導体チップがダイボンディングされたリードフレ
    ームを加熱するヒータプレートとを備え、前記半導体チ
    ッブの電極と前記リードフレームのリード端子との間を
    前記ボンディングワイヤで接続するワイヤボンダにおい
    て、前記ヒータプレートが前記超音波ホーンに供給する熱量
    よりも大きな熱量を前記超音波ホーンに供給する 加熱手
    段を備えたことを特徴とするワイヤボンダ。
  2. 【請求項２】前記加熱手段は、前記超音波ホーンの温度
    をほぼ一定値に保つ閉ループ制御系から構成されること
    を特徴とするワイヤボンダ。
  3. 【請求項３】超音波ホーンと、この超音波ホーンの先端
    に設けられボンディングワイヤを繰り出すキャピラリ
    と、半導体チップがダイボンディングされたリードフレ
    ームを加熱するヒータプレートとを備え、前記半導体チ
    ップの電極と前記リードフレームのリード端子との間を
    前記ボンディングワイヤで接続するワイヤボンダにおい
    て、 前記超音波ホーンの温度をほぼ一定値に保つ閉ループ制
    御系から構成される超音波ホーンの加熱手段を備えたこ
    とを特徴とするワイヤボンダ。
  4. 【請求項４】超音波ホーンと、この超音波ホーンの先端
    に設けられボンディングワイヤを繰り出すキャピラリ
    と、半導体チップがダイボンディングされたリードフレ
    ームを加熱するヒータプレートとを備え、前記半導体チ
    ップの電極と前記リードフレームのリード端子との間を
    前記ボンディングワイヤで接続するワイヤボンダにおい
    て、 前記超音波ホーンの温度を前記ヒータプレートによる加
    熱最高温度よりも高温に保つ超音波ホーンの加熱手段を
    備えたことを特徴とするワイヤボンダ。
  5. 【請求項５】前記加熱手段が、前記超音波ホーンへの熱
    風噴射器、前記超音波ホーンに巻回された電熱線若しく
    は前記超音波ホーンに埋設されたヒータの一つ又はこれ
    らの組合せによって構成されることを特徴とする請求項
    １乃至４のそれぞれに記載のワイヤボンダ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10118246B2 (en) * 2014-12-26 2018-11-06 Shinikawa Ltd. Mounting apparatus

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JPH0334341A (ja) * 1989-06-29 1991-02-14 Nec Corp ボンディング装置及びボンディング方法

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