JPH01184841A - ワイヤボンディング方法 - Google Patents

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、半導体装置の製造に用いるワイヤボンディン
グ装置に適用して特に有効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

ワイヤボンディング装置について記載されている例とし
ては、株式会社工業調査会、昭和５６年、１１月ｌＯ日
発行、「電子材料別冊、超ＬＳＩ！ｌ！造・試験装置ガ
イドブックＪＰ１５６〜Ｐ１６２がある。

ワイヤボンディングの方式としては上記文献にも記載さ
れているように、熱圧着方式に超音波方式を併用したも
のが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような超音波方式を併用した熱圧着方式では、装
置の機構自体は基本的には熱圧着専用機が基本となって
いるため、以下のような問題を生じることが本発明者に
よって明らかにされた。

すなわち、超音波方式は、所定の１方向に６０Ｋ）Ｉｚ
程度の超音波振動を印加してワイヤをリード等の被接合
部に接合する方式であるが、熱圧着との併用方式のワイ
ヤボンディング装置においては、リードフレーム等の被
接合物体は、固定ステージ上に載置されており、ボンデ
ィングヘッドのＸＹテーブルの制御によりボンディング
ツールの水平移動を行なう構造となっている。

そのため、特にリードへの第２ボンディング時において
、リードの位置によってはリード軸方向に対して超音波
発振の方向が区々となる場合が多い。このとき、リード
の軸方向に対して平行な方向に超音波振動を印加した場
合は問題はないが、軸方向と垂直、すなわちリードの幅
方向に対して超音波振動を印加した場合には、リードが
共振現象を起こす場合がある。

近年、半導体装置の高集積化が進み、これにともない、
たとえばリード寸法が厚さ０．１５ｍｍｑ幅０．２＋ｙ
ｕｎ程度の微細なリード構造のものも増加してきている
が、このように微細化したリードに対して幅方向の超音
波振動を印加した場合、リードが共振状態となる事態の
特に多いことが本発明者によって見い出された。

上記のようにリードが共振状態となると、リードとワイ
ヤとの接合強度を十分に確保することができなくなり、
後の樹脂封止工程等においてワイヤ剥がれあるいは断線
による接触不良となりボンディング不良の原因となる場
合が多い。

このような共振現象の生じる条件等については、本発明
者によりさらに下記のように明らかにされた。

すなわち、第７図はリード押えによってリードを固定し
た状態を示す概念図、第８図はリード押えによる固定位
置とリードの共振周波数との関係を示す説明図である。

いま、第７図に示される・ように、リード７２の外方を
リード押え７１で固定した状態でリード７２０幅方向に
超音波発振を印加した場合、リード７２の先端からリー
ド押え７１までの距離ｌと共振周波数ｆｍとの関係は第
８図で示す通りとなる。

同図によれば、たとえば幅ｂ　＝Ｑ、ｌ　５ｍａ＋の銅
（ＣＵ）からなるリードフレーム７３を使用した場合、
リード７２の先端から１．２ｍｍの位置をリード押え７
１で固定した場合に通常の６０ＫＨｚ近傍の超音波発振
で共振状態となり、ボンディング不良が生じ易くなって
いることが容易に理解できる。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、
その目的は超音波振動の印加時におけるリードの共振を
防止して、接合信頼性の高いワイヤボンディング技術を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、パッドへのワイヤの接合とリードへのワイヤ
の接合とを異なる発振周波数で行なう制御機構、または
リード接合時のリードとワイヤの共振状態に応じ超音波
出力を大きく変更して接合を行う制御機構を備えたワイ
ヤボンディング装置構造とするものである。

！作用〕 上記した手段によれば、リードの位置条件等から共振範
囲になっている場合に、発振周波数の変更あるいは出力
の増大によってリードの共振を防止してワイヤの接合強
度を高め、ボンディング不良を防止することができる。

〔実施例１〕 第１図は本発明の一実施例であるワイヤボンディング装
置の発振機構を示す概念図、第２図は６０ｋＨｚ規格の
発振子における発振特性を示す説明図、第３図は本実施
例のワイヤボンディング装置の全体構造を示す概略図で
ある。

本実施例のワイヤボンディング装置１は、第３図１３示
されるように、リードフレーム７３が載置されるボンデ
ィングステージ２と、ＸＹテーブル３上に搭載されたボ
ンディングヘッド４とを有している。

リードフレーム７３は、例えば銅（Ｃｕ）を主成分とし
た導電性の厚さ０．１５ｍｍ程度の板材をエツチングあ
るいはプレス加工して得られるものであり、該加工によ
って形成されたタブ上にはシリコン（Ｓｉ）等からなる
半導体ベレット（以下、単に「ペレット」という）５が
回路形成面を上面にした状態で取付けられている。この
ペレット５０表面には第１ボンデイングの行なわれるア
ルミニウム等の導電材料からなるパッド５ａが設けられ
ており、該パッド５ａはペレット５に形成された各回路
とそれぞれ導通されている。したがって、ペレット５の
回路は、該パッド５ａとペレット５の周囲に延設された
リード７２とが金（Ａｕ）等からなる導電性のワイヤ１
７によって導通されることにより、外部から電源電圧の
供給および信号の人出力が行なわれ、作動可能な状態と
なっている。

上記ボンディングステージ２の内部には加熱源としての
ヒータ６が内設されており、ボンディングステージ２上
のリードフレーム７３が所定温度に加熱される構造とな
っている。該加熱によりペレット５のパッド５ａもワイ
ヤの接合に好適な温度条件を得られるようになっている
。

ＸＹ子テーブルに搭載されたボンディングヘッド４には
Ｚ軸方向の作動駆動源であるボイスコイル形リニアモー
タ７が取付けられている。このボイスコイル形リニアモ
ータ７には軸支部２１を中心に所定角度の回動が可能な
ボンディングアーム８が取付けられており、このボンデ
ィングアーム８は、位置センサ１０および速度センサ１
１と連動してボンディングアーム８の位置および揺動速
度が検出される構造となっている。

上記ボンディングアーム８の一端は超音波ホーン１２を
形成している。この超音波ホーン１２の取付部分には超
音波発振子１３が取付けられている。本実施例において
、該超音波発振子１３は６ＱｋＨｚの発振周波数を備え
た第１の超音波発振器１３ａと、１００　ｋ）ｌｚの発
振周波数を備えた第２の超音波発振器１３ｂとが一対で
構成されている。

上記いずれかの超音波発振器１３ａ、１３ｂからの超音
波発振は、上記超音波ホーン１２を経て、この超音波ホ
ーン１２の先端に取付けられたキャピラリ１４に伝達さ
れる構造となっている。ボンディングツールとしてのキ
ャピラリ１４は、上記超音波ホーン１２に対して垂直方
向に取付けられており、その下方先端は上記ボンディン
グステージ２のステージ面と対向する構造とされている
。

上記キャピラリ１４に対しては、その上方位置よりクラ
ンパ１５を経由してスプール１６に巻回されたワイヤ１
７がキャピラリ１４の先端よりわずかに突出された状態
で挿通されている。

以上に説明したボンディングヘッド４、ＸＹ子テーブル
および超音波発振子１３等の作動は制御部１８によって
制御される構造となっている。

ここで、制御部１８における超音波発振器１３ａ、■３
ｂの制御を概念的に示したものが第１図である。同図に
も明らかなように、一対の超音波発振器１３ａ、１３ｂ
は破線で囲まれたスイッチ機構２０によって切り換え可
能な構造とされており、キャピラリ１４に対して６０　
ｋＨｚあるいは１００ｋ）Ｉｚの超音波発振を選択的に
印加可能となっている。

ここで、キャピラリ１４のパッド５ａあるいはリード７
２への着地が認識されると、制御部１８は上記スイッチ
を切り換えて、パッド５ａへのボンディングは６０　ｋ
Ｈｚで行い、リード７２へのボンディングは１００　ｋ
）Ｉｚで行うようにされている。

このような、パッド５ａあるいはリード７２に対するキ
ャピラリ１４の着地の認識は、各超音波発振器１３ａ、
１３ｂにおける電流と電圧の比で算出されるインピーダ
ンスを監視することにより可能であるし、また、ボイス
コイル形リニアモータ７の負荷を監視するようにしても
よい。

ところで、上述のように本実施例では第１の超音波発振
器１３ａは従来のワイヤボンディング装置における発振
周波数として通例的に使用されてきた６　０　ｋＨｚの
周波数であるが、第２の超音波発振器１３ｂの周波数に
ついては、−例として１００ｋＨｚに設定しているが、
これには限られない。

一般に、第２図に示すように、６０　ｋ）Ｉｚ規格の超
音波ホーン１２の発振のしやすさＱは、略２０ｋＨｚ毎
に上昇する特性を有しており、上記６０ｋ）１２近傍以
外に３　Ｑ　ｋ）１３１００　ｋｔｌｚ近傍が発振容易
な周波数帯域となっている。したがって、第２の超音波
発振器ｉ３ｂとして例えば１００’ｋＨｚの他に３　Ｑ
　ｋ）Ｉｚの発振周波数を選択することも可能である。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、ボンディングステージ２上にリードフレーム７３
が載置されると、図示されないＴＶカメラ等の位置認識
手段により該リードフレーム７３の位置が゛制御部１８
において認識されて、これがペレット５の位置情報とし
て、該制御部１８に記憶される。この位置情報に基づい
て、まずＸＹテーブル３が作動されてキャピラリ１４を
、最初のボンディングを行うペレット５の所定のパッド
５ａの上方に位置させる。

次に、図示されない放電トーチ等の加熱手段によってキ
ャピラリ１４の先端から突出されたワイヤ１７の先端が
加熱され、該先端が球状に加工される。次いで、ボイス
コイル形リニアモータ７が作動されてボンディングアー
ム８が軸支部２１を中心に反時計方向に回動を開始され
ると、キャピラリ１４の先端が所定のパッド５ａに対し
て下降される。キャピラリ１４の先端が上記所定のバッ
ド５ａに着地されると、第１の超音波発振器１３ａが作
動を開始されて６０　ｋＨｚの超音波発振が超音波ホー
ン１２を通じてキャピラリ１４に伝えられる。このとき
、パッド５ａはボンディングステージ２のヒータ６によ
って所定の温度にまで高められているため、熱圧着と超
音波振動との相乗作用によって、ワイヤ１７の球状先端
はバッド５ａに対して接合された状態となる。

このようにして第１ポンデイングが完了した後、ボイス
コイル形リニアモータ７の作動によってキャピラリ１４
は、その先端からワイヤ１７をたぐり出しながら一定量
上昇し、所定位置においてＸＹテーブル３の作動により
バックテンションが加えられた後、水平方向に移動され
、リード７２の所定のボンディング位置の直上に停止さ
れる。この位置で、再度ボイスコイル形リニアモータ７
が作動されると、キャピラリ１４はリード７２の所定の
ボンディング位置に対して下降移動を開始する。キャピ
ラリ１４がリード７２に着地されたことが超音波ホーン
１２のインピーダンスの変化によって制御ｆｌ（Ｓ１８
において検出されると、該制御部１８の制御によってス
イッチ機構２０が作動され、第１の超音波発振器１３ａ
から第２の超音波発振器１３ｂに切り換えられる。これ
により、超音波ホーン１２を経由してキャピラリ１４に
対して１００　ｋ）Ｉｚの超音波発振が伝えられ、該周
波数の超音波振動の印加によって、ワイヤ１７の他端部
分はリード７２の所定の位置に接合される。このように
、第２ボンデイングにおけるリード７２側での超音波振
動の周波数を共振周波数を避けた周波数（本実施例では
１００　ｋｔｌｚ）に選択して接合を行うことにより、
リード７２の共振にともなうボンディング不良を有効に
防止できる。

なお、ペレット５のバッド５ａに対する第１ボンディン
グ時の発振周波数については、必ずしも６０ｋＨｚで定
常的に行う必要はないが、ペレット５に対するダメージ
を防止する意味で高い周波数を選択することは望ましく
ない。

また、リード７２に対するキャピラリ１４の着地の検出
は、たとえば以下のようにして行われる。

すなわち、第１ボンデイング完了後、キャピラリ１４の
バックテンションから水平移動に至るまで、第１の超音
波発振器１３ａによる超音波発振状態が継続されており
、この超音波発振器１３ａに対する電流値■と電圧値Ｖ
とが測定され、電圧値Ｖを電流値Ｉで割ったインピーダ
ンスＲに計算されて制御部１８によって監視されている
。ここで、キャピラリ１４の先端がリード７２に着地状
態となると、超音波発振に対して負荷がかかった状態と
なり、上記インピーダンスＲも変化する。これによりキ
ャピラリ１４の着地が検出される構造となっている。

以上のようにリード７２に対してワイヤ１７の他端が接
合された後、該ワイヤ１７の余線部分がクランパ１５に
よって支持され、該クランパ１５とキャピラリ１４とが
ボイスコイル形リニアモータ７の作動により上昇される
と、その引張力によってワイヤ１７の余線部分が切断さ
れて１サイクルのワイヤ１７ボンデイング作業が完了す
る。

このように、本実施例によれば以下の効果が得られる。

〔１）、第１の超音波発振器１３ａと第２の超音波発振
器１３ｂとを備え、制御部１８で制御されるスイッチ機
構２０によりこれらが切り換えられる構造とすることに
より、ペレット５のパッド５ａに対する第１ポンデイン
グと、リード７２に対する第２ボンデイングとで発振周
波数を変更することが可能となり、リード７２の共振に
ともなうボンディング不良を防止することができる。

（２）、上記（１）により、ペレット５のパッド５ａに
対する発振周波数は従来の周波数（たとえば６０ｋＨｚ
）を適用できるため、高周波数の超音波発振によるペレ
ット５の損傷を防止できる。

（３）、上記（１）および（２）により、半導体装置の
製造において、接合信頼性の高いワイヤボンディング工
程を実現することができる。

〔実施例２〕 第４図は本発明の他の実施例であるワイヤボンディング
装置の発振機構を示す概念図、第５図は本実施例２に用
いられる超音波発振子の特性を示す説明図である。

本実施例においては、超音波発振器４３は単一のものを
用いているが、該超音波発振器４３は、６０ｋＨｚを中
心に２０ｋＨｚ程度の範囲で発振周波数が可変な構造と
なっている。該超音波発振器４３は、第５図に示す特性
を有するものであり、発振のし易さＱについてはその最
大値が比較的低い値となっているが、発振可能範囲が前
記のように４０〜８０ｋＨｚの広帯域にわたっており、
この範囲での周波数において、はぼ均一な発振特性を得
られるものである。また、このような比較的低い値１：
″おける発振特性は、超音波発振器４３に対する出力を
ある程度上げることによって改善することも可能である
。

本実施例２においても、上記実施例１と同様に超音波発
振器４３から出力される電圧値Ｖと電流値Ｉとが常に測
定されており、これらよりインピーダンス（算出インピ
ーダンスＲ１）が算出されて、比較器２２に入力される
構造となっている。

該比較器２２では、予め実験値等より求められたリード
７２が共振状態となるインピーダンス（共振インピーダ
ンスＲ２）と比較されて、算出インピーダンスＲ１が共
振インピーダンスＲ２よりも常に大きな値、すなわちＲ
１＞Ｒ２となるように、超音波発振器４３の発振周波数
を制御する。なお、上記共振インピーダンスＲ２は、単
一の半導体装置にふける全てのリード７２の各々につい
て設定しておくことが望ましいが、全リード７２につい
て一定の値としてもよい。

本実施例では、発振周波数の変化にともなって、インピ
ーダンスが変化する特性を利用して超音波発振器４３か
らの算出インピーダンスＲ１を監視し、この値を予め設
定された共振インピーダンスＲ２と比較器２２によって
比較し、常にＲ１＞Ｒ２となるように発振周波数を変更
制御するものである。

したがって、本実施例２によればリード７２等の被ボン
デイング部を共振させることなく、かつパッド５ａ等の
被ボンデイング部に対して損傷を与えない最適な範囲で
の発振周波数でボンディングが可能となり、ボンディン
グ信頼性をさらに高めることができる。

Ｃ実施例３〕 第６図は本発明のさらに他の実施例であるワイヤボンデ
ィング装置の発振機構を示す概念図である。

本実施例３では超音波発振器５３の発振周波数は６０ｋ
Ｈｚで一定であるが、出力Ｐを可変に制御する構造とな
っている。

すなわち、本実施例では上記実施例２と同様に、超音波
発振器５３からの電圧値Ｖと電流値Ｉとが監視されてお
り、この両値から算出された算出インピーダンスＲ１と
、発振周波数となる共振インピーダンスＲ２とが比較器
２２によって比較される構造となっている。本実施例３
が上記実施例２と異なる点は、比較器２２の比較結果に
基づいて、超音波発振器の出力、すなわち電圧値Ｖと電
流値Ｉとを乗じた出力Ｐを制御する点にある。

すなわち、算出インピーダンスＲ１が、予め設定された
共振インピーダンスＲ２に近づいた場合には超音波発振
器５３からの出力、特に電流値■を増大させて、リード
７２の共振を上回る出力発振をキャピラリ１４に対して
与え、リード７２の共振による接合不良を回避するもの
である。

このように、本実施例によれば、リード７２側の第２ボ
ンディング時のみに超音波発振器５３からの出力が高め
られるよう制御されるため、リード７２側での共振によ
るボンディング不良が防止されるとともに、パッド５ａ
に対する第１ボンディング時には超音波発振器５３から
の出力は比較的小出力となり、ペレット５が損傷される
恐れはない。

以上本発明を各実施例に基づき具体的に説明したが、本
発明は前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。

たとえば、ボンディングアーム８のＺ軸方向の移動構造
としては、ボイスコイル形リニアモータ７を用いた揺動
駆動形のもので説明したが、ボールねじ方式あるいはカ
ム駆動等によるものであっても構わない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、パッドへのワイヤの接合とリードへの
ワイヤの接合とを異なる発振周波数で行なう制御機構あ
るいはパッドおよびリードへのワイヤ接合時に必要な異
なる発振出力で行う制御機構を備えたワイヤボンディン
グ装置構造とすることによって、リードの位置条件等か
ら共振範囲になっている場合に、発振周波数の変更ある
いは発振出力の増大により共振状態の発生を回避してワ
イヤの接合強度を高めボンディング不良を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１で説明したワイヤボンディング装置の
発振機構を示す概念図、 第２図は上記実施例１における６　０　ｋＨｚ規格の発
振子における発振特性を示す説明図、第３図は上記実施
例１のワイヤボンディング装置の全体構造を示す概略図
、 第４図は本発明の実施例２によるワイヤボンディング装
置の発振機構を示す概念図、 第５図は上記実施例２に用いられる超音波発振子の特性
を示す説明図、 第６図は実施例３によるワイヤボンディング装置の発振
機構を示す概念図、 第７図は従来技術の説明のためのリード押えによってリ
ードを固定した状態を示す概念図、第８図は第７図によ
るリード押えの固定位置とリードの共振周波数との関係
を示す説明図である。 １・・・ワイヤボンディング装置、２・・・ボンディン
グステージ、３・・・ｘＹ子テーブル４・・・ボンディ
ングヘッド、５・・・ベレット、５ａ・・・パッド、６
・・・ヒータ、７・・・ボイスコイル形リニアモータ、
８・・・ボンディングアーム、１０・・・位置センサ、
１１・・・速度センサ、１２・・・超音波ホ７ン、１３
・・・超音波発振子、ｔａａ、ｔａｂ・・・超音波発振
器、１４・・・キャピラリ、１５・・・クランパ、１６
・・・スプール、１７・・・ワイヤ、１８・・・制御部
、２０・・・スイッチ機構、２１・・・軸支部、２２・
・・比較器、４３．５３・・・超音波発振器、７１・・
・リード押え、７２・・・リード、７３・・・リードフ
レーム、■・・・電流値、Ｐ・・・出力、Ｒ・・・イン
ピーダンス、Ｒ１・・・算出インピーダンス、Ｒ２・・
・共振インピーダンス、■・・・電圧値。 代理人　弁理士　筒　井　大　和 第１図 第２図 ｂｕ　　　　　ａｕ　　　　１ｕｕ　　　　（Ｋｈｚ７
第３図 第４図 ム３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体ペレットのパッドと該半導体ペレットが装着
   されたリードフレームのリードとを導電性のワイヤによ
   って結線する際に熱圧着と超音波振動とを併用するワイ
   ヤボンディング装置であって、パッドへのワイヤの接合
   とリードへのワイヤの接合とを異なる発振周波数あるい
   は各ボンディングに必要な異なる発振出力で行なう制御
   機構を備えたワイヤボンディング装置。 ２、上記制御機構によって制御され、それぞれが異なる
   発振周波数を有する２以上の超音波発振器を備えており
   、ボンディングツールのパッドまたはリードへの着地を
   認識して上記超音波発振器を切り換えることを特徴とす
   る請求項１記載のワイヤボンディング装置。 ３、制御機構による制御が、超音波発振子からの電圧と
   電流とによって決定される算出インピーダンスと、予め
   計算された共振状態となる共振インピーダンスとを比較
   して、上記算出インピーダンスが常に共振インピーダン
   スよりも高くなるように超音波発振子の発振周波数を制
   御するもの、あるいは共振状態をインピーダンスを比較
   することにより検出し、この時も正常なボードが出来る
   ように発振出力を自動的に変更することを特徴とする請
   求項１記載のワイヤボンディング装置。