JPH0222833A - 複合ボンディングワイヤのボール形成方法 - 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］ 本発明は芯材の周囲をＡｕで被覆した複合ボンディング
ワイヤの先端にボールを形成する複合ボンディングワイ
ヤのボール形成方法に関し、特に、ワイヤ軸に対するボ
ールの偏心度を改善した複合ボンディングワイヤのボー
ル形成方法に関する。

［従来の技術］ 半導体装置においては、そのチップ電極であるＡｌ蒸着
パッドと、外部リードに接続されたリードフレーム又は
ケースとを電気的に接続するために、ボンディングワイ
ヤが使用されている。このボンディングワイヤは以下の
ようにして前記パッドに接続される。先ず、ワイヤの先
端とその直下に配置された電気トーチとの間でアーク放
電を生起させ、ワイヤの先端部のみ加熱溶融させてその
先端部にボールを形成する。そして、このボールをキャ
ピラリにより前記パッドに圧着するか（熱圧着ボンディ
ング）、又は前記キャピラリに超音波振動を付与してキ
ャピラリとボールとの間に微小な摩擦を加えつつ圧着す
る（サーモソニックボンディング）、而して、このよう
なボールボンディングに使用されるワイヤ先端部のボー
ルの形状は、真円であり、且つ、ワイヤ軸に対して偏心
が存在しないことが必要である。ボール形状が真円でな
く、又は偏心が存在すると、第６図に示すように、ボー
ル６をＳｉウェハ８上のパッド７に圧着したときに、ボ
ール６の圧着部がパッド７外にはみだして接合性が阻害
されたり、またこのはみ出し部９により配線間が短絡し
てしまう等の問題点が生じるからである。

ところで、従来、ボンディングワイヤとしては、通常高
純度の金線が使用されており、真円度が高く偏心が少な
いボール形状が容易に得られている。

しかしながら、金線は高価であるから、その使用量を減
少させて製造コストを低減させる必要があり、しかも従
来の金線ワイヤの特性と同等のものを得る必要がある。

このような背景のもとで、芯材をＡｇ等のＡｕ以外のも
ので成形し、被覆材にのみＡｕを使用した複合ボンディ
ングワイヤが開発された（例えば、特開昭５６−２１３
５４号、特願昭６２−１７３５１１号）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この複合ボンディングワイヤを金車線の
場合と同様に、ワイヤの直下に電気トーチを配置してワ
イヤ先端と電気トーチとの間にアーク放電させることに
よりボールを形成しようとすると、ワイヤ軸に対するボ
ールの偏心に著しいバラツキが発生するという難点があ
る。このように、ワイヤ軸に対するボールの偏心のバラ
ツキが存在すると、パッドとワイヤとの間の接合性に悪
影響を及ぼす、即ち、接合後にワイヤの引張テストを行
うと、偏心が少ない場合には、ワイヤ部分で破断する一
方、偏心が著しい場合には、接合界面で破断が生じるよ
うになり、接合部の信頼性が低下する。

また、ボールが上述の如くワイヤ軸に対して偏心してい
ると、圧着工程において、ボールを圧着変形させた場合
に、圧着部分の外周形状もワイヤ軸に対する偏心が助長
されたものになり、パッドからのはみ出しの確率も高く
なる。

なお、ＡＪ線をボンディングワイヤとする場合に、その
偏心を改善する技術が提案されている（特開昭５８−１
０３１４５号、特開昭５９−６７６４４号）。この技術
は放電電極面に突起等を設けてボールの形状を規制した
り、へβ線を放電部の幅方向及び長さ方向の中央位置に
位置させたりすることにより、アーク放電性を安定させ
てボール偏心を抑制するものである。しかしながら、こ
のＡｆｆｉ単線に対する偏心防止技術を複合ボンディン
グワイヤに適用しても、そのボールの偏心を回避するこ
とはできない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
芯材をＡｕ被覆材で被覆した複合ボンディングワイヤの
先端部に、偏心が抑制されたボールを形成することがで
き、これによりボンディング接合部の信頼性を向上させ
ることができる複合ボンディングワイヤのボール形成方
法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る複合ボンディングワイヤのボール形成方法
は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ＡＩ！及びＡｌ
合金からなる群から選択された材料で形成された芯材の
周囲にＡｕ被覆材を被覆した複合ボンディングワイヤの
先端と電気トーチとの間に放電を生起させて、前記複合
ボンディングワイヤの先端にボールを形成する複合ボン
ディングワイヤのボール形成方法において、前記電気ト
ーチを前記複合ボンディングワイヤの先端の直下域を外
した位置に位置させて前記放電を生起させることを特徴
とする。

［作用］ 本発明方法においては、複合ボンディングワイヤの先端
の直下域を外した位置に電気トーチを位置させて前記複
合ボンディングワイヤと前記電気トーチとの間に放電を
生起させる。

これにより、ワイヤ先端部が一旦溶融し、表面張力によ
り球状の溶融部が生成するが、この溶融部には専ら重力
が作用し、従って、ワイヤに関して対称的な方向に力が
作用するので、偏心が抑制されたボールがワイヤ先端に
形成される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具
体的に説明する。

第１図及び第２図は本発明の実施例方法における複合ボ
ンディングワイヤと電気トーチとの間の配置関係を示す
模式図である。複合ボンディングワイヤ１は第３図にそ
の断面図を示すように、線状の芯材２の周囲を被覆材３
により被覆して構成されている。この芯材２は、Ａｇ、
Ａｇ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａ、１２又はＡｌ合金で形
成されており、被覆材３はＡｕで形成されている。

芯材２の材料をＡｇ、Ｃｕ、Ａｆｆｌ及びその合金に限
定したのは、Ａｕに替る材料として、低コストであって
ボンディング特性を損なわない材料で芯材２を構成する
ためである。

なお、ボンディング性能上、芯材２としては、上述の材
料の中でも、Ａｇ又はＡｇ合金を使用することが好まし
い。これは、Ａｇの融点が被覆材であるＡｕの融点に近
く、Ａｕより若干低いものであるため、芯材２が円滑に
溶融すること、及びＡｇはＡｕに対してなじみが良いこ
と等の理由による。これにより、真円度が高いボールが
形成され易い。

一方、Ｃｕ及びＣｕ合金、並びにＡｆｆｌ及びＡｌ合金
は溶融後にＡｕと金属間化合物を形成しやすい。また、
Ｃｕ及びＣｕ合金はＡｕより融点が高く、芯材２が被覆
材３より後で溶融する等、溶融が不均一になりやすい。

更に、Ａ！ｊ及びＡ４２合金は一旦形成されたボールが
変形しにくいため、真円度が若干劣り、又は接合面で若
干破断しやすくなる。このような理由で、Ｃｕ、ＡＪ！
及びその合金はＡη又はＡ、＆合金を芯材とする場合よ
りも、若干性能的に不利である。

なお、Ａｇを芯材として使用する場合は、純度が９９．
９重量％以上のものを使用することが好ましい。また、
Ａｇ合金を使用する場合は、純度が９９．９重量％以上
のＡｇとＡｕとの合金を使用することが好ましい。上述
の如く、高いボンディング性能を確保するためである。

また、被覆材３としては、純度が９９．９９重量％以上
のＡｕを使用する。これにより、良好な接合部が得られ
る。

上記第（１）式は、芯材２の複合ボ゛ンディングワイヤ
１全体に対する断面積比を示す。

・・・・・・　（１） 本実施例においては、この芯材２の断面積比を３乃至９
５％にすることが好ましい。芯材２の断面積比が３％未
満であると、Ａｇ等を芯材として複合化することによる
ワイヤコストの低減を図ることができない。また、芯材
２の断面積比が９５％を超えると、ワイヤボンディング
に際してボール成形性及びＡｕバッドとの接合性が劣化
する。このため、芯材２の断面積比（存在率）は３乃至
９５％とすることが好ましいが、更にボール部の真円度
を高めるためには特に断面積比の上限を５０％にするこ
とが望ましい。

本実施例においては、上述の如く構成される複合ボンデ
ィングワイヤ１と、電気トーチ２との配置関係を第１図
又は第２図に示すように設定する。

即ち、第１図に示すように、電気トーチ４に対して、ワ
イヤ１の先端部を斜め上方に位置させ、ワイヤ１の軸を
垂直にして電気トーチ４とワイヤ１とを配置する。又は
、第２図に示すように、ワイヤ１の先端を電気トーチ４
の横に位置させて両者を配置する。この外にもワイヤ１
とトーチ４との配置関係は種々考えられるが、要はワイ
ヤ１の先端の直下域を外した位置に電気トーチ４を配置
すればよい。従来は、第４図に示すように、ワイヤ１の
下方にトーチ４が配設されていたが、本発明においては
、ワイヤ１の鉛直下方にトーチ４を存在させないように
して、アークが鉛直方向に形成されないようにする。

このように、ワイヤ１とトーチ４とを配置することによ
り、ワイヤ１とトーチ４との間に電源５によって電圧を
印加してアーク放電を生起させれば、ワイヤ１の先端部
が一旦溶融し、このワイヤ１の先端にワイヤ軸に対する
偏心が極めて小さいボールが形成される。

上述の如く、Ａｕ単線の場合と異なり、複合ボンディン
グワイヤの先端にボールを形成しようとすると、ボール
が偏心しやすい。これは、被覆材３と芯材２との間の材
質の相異及び被覆材３の偏肉の存在等に起因すると考え
られる。

而して、上述の如く、この電気トーチ４とワイヤ１との
間の配置関係を従来の場合から変更することにより、ボ
ールのワイヤ軸に対する偏心が改善される。この理由に
ついては不明な点が多いが、以下のように推測すること
ができる。

放電極性がワイヤ１が陰極、電気トーチ４が陽極の場合
には、陰極点は酸化膜を求めてワイヤ表面をはい上がる
が、陽極点は陰極に対向する最短距離に固定される。こ
の場合に、第４図に示すように、電気トーチ４がワイヤ
１の先端の直下に位置する場合には、ワイヤ１が溶融し
てボール状に凝固するときのアークのはい上がり（ワイ
ヤ消費）方向とアーク方向とが一致するため、アーク力
がボール形状に与える影響が大きくなる。この場合に、
アーク力がワイヤ軸の周方向についてバランスして作用
していれば、ボールの偏心が最も小さくなる。しかしな
がら、通常、このアーク力は溶融部に対してアンバラン
スに印加されやすく、アーク力がアンバランスであると
、この配置関係の場合に最も偏心が大きくなってしまう
。

一方、第１図又は第２図のように、ワイヤ１の先端の直
下域に電気トーチ４が位置していない場合は、アーク力
とボール形成のためのワイヤ消費方向とが元来一致しな
いために、アーク力がボールの偏心に与える影響は小さ
く、アーク力に替わって重力がボール偏心に大きな影響
を与えるようになると考えられる。このため、アーク放
電により形成されたワイヤ先端の溶融部は、専ら、重力
の影響を受けた状態で凝固するから、ワイヤ１の先端に
形成されるボールはワイヤ軸に対する偏心が極めて小さ
くなる。

なお、第２図に示すように、ワイヤ１の先端をトーチ４
の横方向に位置させるよりも、第１図に示すように、ワ
イヤ１の先端をトーチ４の斜め上方に位置させた方がア
ーク力の影響がより小さくなり好ましい、つまり、第２
図に示すように、トーチ４の横方向にワイヤ１の先端を
位置させた場合は、アーク力の方向が重力方向と直交す
るために、ボール偏心に与える影響が第１図の場合より
若干大きくなる。

また、第１図に示すように、ワイヤ１とトーチ４との間
の水平距離をｌ、垂直距離をｈ、複合ボンディングワイ
ヤ１の直径をｄとすると、Ｊ及びｈは下記不等式（２）
、（３）を満足することが好ましい。

β≧５ｄ　　　・・・・・・・・・　（２）ｈ≧１０ｄ
　　　・・・・・・・・・　（３）これにより、更に一
層ボールの偏心を小さくすることができる。なお、本発
明にて規定する複合ボンディングワイヤ１の先端と電気
トーチ４との間の配置関係は、放電開始前のものであり
、ボール形成後のものではないことは勿論である。

次に、本発明の実施例方法により、ボールを形成し、更
にボンディング試験を行った結果について比較例と比較
して説明する。

■ボール成形性試験 市販の金線マニュアルボンダに、第１図又は第２図に示
す配置態様で電気トーチを配置できるように改造を加え
、このボンダを使用して種々の複合ボンディングワイヤ
に対しアーク放電により先端部を加熱してボールを形成
した。そして、このボールを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ
）にて撮影してボール形状を測定した０次いで、第５図
に示すように、ワイヤ１と、ボール６におけるワイヤ１
から最も離れた位置との間の距離をＸ、、Ｘ２（ＸＩ　
＜Ｘ２　）としたときのＸＩ／Ｘ２を偏心度として定義
し、前述の測定値からこの偏心度を算出して下記第１表
に示した。

第１表 但し、前述の定義から偏心度が１．０に近い方がボール
の偏心が小さく、好ましいことになる。なお、偏心度の
標準偏差はくり返し数が２５サンプルの場合のものであ
る。

また、電気トーチとワイヤ先端との間の位置関係は、「
電気トーチの位置」欄の「斜」が第１図に示すもの、「
横」が第２図に示すもの、「下」が従来の第４図に示す
ものである。

更に、使用ワイヤはいずれも、芯材がＡｇ、被覆材がＡ
ｕであり、線径は２５μｍである。また、芯材と被覆材
との断面積比は第１表に記載の通りである。

更にまた、通電条件は、ワイヤを陰極、電気トーチを陽
極として、１２ｍＡの電流を１．１ミリ秒（ｍ５ｅｃ　
）通電した。但し、実施例７．８の場合は、ワイヤが陽
極、電気トーチが陰極となるようにした。

この第１表から明らかなように、本発明の実施例１乃至
８の場合はいずれも偏心度が大きく偏心が軽いと共に、
そのバラツキも小さい。

■引張試験 上記ボンダを使用して、第６図に示すように、Ｓｉウェ
ハ８上のＡＩＩ蒸着膜からなる電極パッド７に各実施例
及び比較例の複合ボンディングワイヤをボールボンディ
ングした。そして、ボンディング終了後、ワイヤをつま
んで接合部を引張破断させ、その破断状況を調査した。

前記第１表にこの接合界面で破断したサンプルの数を示
す、但し、界面での接合性が良好の場合には接合部で破
断せずにワイヤ部分で破断した。なお、全サンプル数は
２５である。

この第１表から明らかなように、本実施例の場合は、実
施例７の場合を除き、全量ワイヤ部で破断した。また、
この実施例７の場合も接合部での破断は１回であった。

これに対し、比較例１乃至３の場合は接合界面での破断
が多く、接合性が悪い 上述の各試験から、ボンディング性能を総合的に判断す
ると、前記第１表に示す通りである。なお、この総合判
定槽において、◎は優、○は良、Δは可、×は不良であ
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、電気トーチを複合ボンディングワイヤ
の先端位置の直下域を外して配置するがら、形成される
ボールのワイヤ軸に対する偏心を軽減することができ、
ボンディング接合の信頼性を著しく高めることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の実施例方法におけるワイヤ
とトーチとの配置関係を示す模式図、第３図は複合ボン
ディングワイヤの断面図、第４図は従来の同じく配置関
係を示す模式図、第５図は偏心度を説明する模式図、第
６図はボンディング性を説明する模式図である。 １；複合ボンディングワイヤ、２；芯材、３；被覆材、
４；電気トーチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｇ、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ及びＡｌ
   合金からなる群から選択された材料で形成された芯材の
   周囲にＡｕ被覆材を被覆した複合ボンディングワイヤの
   先端と電気トーチとの間に放電を生起させて、前記複合
   ボンディングワイヤの先端にボールを形成する複合ボン
   ディングワイヤのボール形成方法において、前記電気ト
   ーチを前記複合ボンディングワイヤの先端の直下域を外
   した位置に位置させて前記放電を生起させることを特徴
   とする複合ボンディングワイヤのボール形成方法。