JPH02277251A - ワイヤボンディング方法および装置 - 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、ワイヤボンディング技術、特に被覆ワイヤを
用いた第２ボンデイングにおけるボンディング信頼性の
向上に適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

この種の被覆ワイヤを使用したワイヤボンディング技術
について記載されている例としては、本出願人による特
開昭６３−１８２８２９号公報がある。

上記公報に記載された技術によれば、被覆ワイヤを用い
たボンディング技術特有の問題が種々説明されている。

たとえば、被覆ワイヤを用いたワイヤボンディングにお
いては、金属線の表面が絶縁樹脂で覆われた構造となっ
ているため、スプールからの供給経路において金属線を
電気的に接地（基準電位、たとえば０［Ｖ］）させるこ
とができず、ボール形成の際にアークが不十分となり所
定形状のボールが形成できない等の難点等が指摘されて
いる。

上記のような技術的課題を解決するために、上記公報で
はスプールに設けられた接続端子によって金属線を基準
電位に維持し第１ボンデイングの信頼性を高める技術を
開示した。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記公報等に記載された技術においては、被覆
ワイヤを用いたワイヤボンディングにおける第２ボンデ
イングの接合信頼性の向上に対しては十分に配慮されて
はいなかった。

すなわち、被覆ワイヤによる第２ボンデイングでは、何
等かの手段で金属線の周囲の被覆膜を除去して金属線の
表面を露出させ、該露出部分をインナーリード等のボン
ディングポイントに接合しなければならない。このよう
な手段としては、被覆ワイヤにおける第２ボンデイング
の箇所の被覆膜を予め火炎あるいは放電の印加等により
除去しておく方法がある。この場合には第２ボンディン
グ時に既に金属線の表面が露出状態となっているため、
通常の裸線を用いた第２ボンデイングと略同様のボンデ
ィング技術を用いることができる。

しかし、第２ボンデイングの位置を予め正確に予測して
該当箇所の被覆膜を除去するためにはワイヤボンディン
グ装置および制御プログラムが複雑化し実用的ではなか
った。

そのため、現状では予め被覆膜を除去することなく、第
２ボンデイングの段階で被覆ワイヤをインナーリード等
の表面に超音波振動等により擦り付け、この部分の被覆
膜を機械的に剥離・除去して金属線の表面を露出させな
がらボンディングポイントに接合させる方法が一般的で
ある。

しかし、第２ボンデイングと同時に被覆膜の除去を行う
当該技術では、下記のような課題のあることが本発明者
によって見い出された。

すなわち上記従来技術では、第２ボンディング時のイン
ナーリードの固定が不完全なために第２ボンディング部
位における被覆ワイヤの被覆膜の除去が完全に行われて
おらず、いわゆるはがれ不良等のボンディング不良が多
く発生していた。

本発明者はこの原因が下記の２点にあることを見い出し
た。

第１に、被覆膜の除去が不完全となるのはボンディング
ツール底面とインナーリード面との平行性が維持できて
いない場合に多い。

すなわち、インナーリード面に対してボンディングツー
ル底面が傾いており、これによってボンディングツール
が片あたりした状態であると、被覆膜は局所的に押し潰
されるのみで金属線から完全に剥離せずにはがれ不良等
を引き起こす。

第２に、上記平行性が維持できていたとしても、インナ
ーリードの固定が不十分であると、超音波振動の印加時
にインナーリードが共振してしまい、超音波発振パワー
が被覆膜に対して有効に作用せず、被覆膜の剥離が不十
分な状態となり、上記と同様にはがれ不良の要因となる
。このような現象は特にインナーリードの延設方向に対
して垂直方向に超音波振動を印加した場合にインナーリ
ードの横ぶれとして表れ、ボンディング不良を引き起こ
すことが本発明者によって見い出された。

本発明の目的は、上記の点に鑑みて、被覆ワイヤを用い
たワイヤボンディングにおいて第２ボンデイングの接合
信頼性を高めることのできる技術を提供することにある
。

本発明の上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
。

〔課題を解決するための手段〕

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、概ね次のとおりである。

すなわち、半導体チップ上に形成された第１の部位とリ
ードフレームのインナーリード上の第２の部位とを金属
線の周囲に絶縁物が被着された被覆ワイヤで結線する際
に、少なくとも被覆ワイヤの第２の部位への接合時に、
インナーリードに対して粗面の接触面を備えた固定手段
で保持するものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、粗面化された接触面（たとえば
ボンディングステージ面）によってインナーリードが固
定されるため、ボンディングツールからの超音波振動の
印加によるインナーリードの共振が防止されるため、特
に第２ポンデイングにおける被覆ワイヤの被覆膜の除去
が確実に行われる。

また、ボンディングステージ等の位置固定溝を設けて固
定手段によるインナーリードの固定をインナーリード面
と固定手段の接触面とが平行になるようにすることによ
って、インナーリードの横ぶれを効果的に防止できる。

〔実施例〕

第１図（ａ）は本発明の一実施例であるワイヤボンディ
ング工程におけるヒートブロック、押さえ板、リードフ
レーム等の配置状態を示した説明図、第１図ら）はダイ
ヤモンド電着層の表面状態を示す拡大説明図、第２図は
本実施例の効果を従来技術と比較した説明図、第３図は
本実施例により得られる半導体装置を示す断面図、第４
図はワイヤボンディングの状態を示す断面図、第５図は
従来方法と本実施例の方法により得られた半導体装置の
熱サイクル試験結果の比較を示す説明図である。

本実施例のワイヤボンディング装置におけるボンディン
グステージ１の特徴は、第１図（ａ）に示すとおりであ
り、ボンディングステージ１の上面はヒートブロック２
により構成されており、該ヒートブロック２の表面には
バンク部３および位置固定溝４が形成されている。上記
バンク部３はタブ５の位置の固定ならびにワイヤループ
を一定の高さに位置するために設けられている。

また、位置固定溝４はインナーリード６の先端よりも僅
かに外方に形成され、当該位置固定溝４のエツジ４ａと
上方からの押さえ板７とによってインナーリード６が挟
持されることでインナーリード面６ａとボンディングス
テージ面１ａとの平行性が確保されるようになっている
。

上記ヒートブロック２および押さえ板７の表面にはダイ
ヤモンド電着層８が形成されている。このようなダイヤ
モンド電着層８の表面状態は第１図（ｂ）に示す通りで
ある。ダイヤモンド電着層８の形成は、まず径が１５〜
２０μｍのダイヤモンド微粒１０　（できるだけ鋭角な
粒状のものが望ましい）に対してニッケル（Ｎｉ）をコ
ーティングしたものを用意し、該コーティング済のダイ
ヤモンド微粒１０を電気泳動によってボンディングステ
ージ１　（ヒートブロック２）となるステンレス基板の
表面に吸着させる。

次いで、ダイヤモンド微粒ｌＯが付着された状態で上記
ステンレス基板を加熱して上記Ｎｉを溶融させて上記ダ
イヤモンド微粒１０をステンレス基板の表面に対して固
定させるものである。

なお、ダイヤモンド微粒１０の径については上記数値の
範囲外のものでもよいが、径が大きくなりすぎると径の
ばらつきにより固定状態でのインナーリード６が傾くお
それがあり、逆に径が小さいと摩擦係数が低下してイン
ナーリード６の固定が確実に行えないおそれがある。

また、ダイヤモンド電着層８を形成する他に、ボンディ
ングステージ１　（ヒートブロック２）の表面に直接傷
を付ける等して粗面化することも考えられるが、傷を付
ける程度の粗面化では十分な固定効果は得られなかった
。

上記ボンディングステージ面１ａに対して供給されるリ
ードフレーム１１は中央にタブ５を有しており、その周
囲に図示しないフレーム枠より延設されたインナーリー
ド６がタブ５とは非接触の状態で延設されている。

このようなリードフレーム１１は、たとえばコバール、
４２７０イあるいはニッケル合金等で構成された厚さ０
．１５ｎｏｎ程度の板状部材に対してプレス加工あるい
はエツチング処理を施すことによって得られるものであ
る。

上記タブ５上には第４図に示すように、厚さ３０μｍ程
度に被着された銀ペースト、シリコンペーストあるいは
金箔等の接合材１２を介して半導体チップ１３が固定さ
れている。

この半導体チップ１３の上層には詳細な図示を省略する
が、フォトレジスト技術を用いた酸化・拡散工程を通じ
てマイクロプロセッサ、あるいは論理回路、記憶回路等
が形成されている。半導体チップ１３の内部における各
層の概略構成について簡単に説明すると、厚さ４００μ
ｍ程度で形成されたシリコン（Ｓｉ）からなるチップ基
板１４の上層には０．４５μｍ程度のシリコン酸化膜１
５が形成され、さらにその上層には層間絶縁膜としての
ＰＳＧ膜１６が０．３μｍ程度の厚さで形成されている
。最上層には保護膜としてのパッシベーション膜１７が
１．２μｍ程度の厚さで被着されており、その一部は開
口されて下層にふいて部分的に設けられたアルミニウム
（Ａｆ）からなる厚さ０、８μｍ程度のポンディングパ
ッド１８が露出されている。

次に、上記ボンデイシダステージ１上におけるワイヤボ
ンディング工程について説明する。

まず、ボンディングステージ１のステージ面ｌａ上に、
半導体チップ１３の装着されたリードフレーム１１が供
給されると、ボンディングツール２０が所定のポンディ
ングパッド１８の直上となるように位置される。

次に、図示しない放電トーチによりボンディングツール
２０より突出された被覆ワイヤ２１　（金属線２２）の
先端との間にアーク放電が発生され、金属線２２の先端
が加熱溶融されて球状のボンディングボール２３が形成
される。当該加熱にともなって、被覆ワイヤ２１の先端
近傍の被覆膜２４としての樹脂は被覆ワイヤ２１の上方
に次第に溶は上がり、ボンディングボール２３の周辺の
金属線２２ａ’Ｂ分が露出される。

次に、ボンディングツール２０がポンディングパッド１
８に対して降下するとボンディングツール２０から突出
されたポンディングパッド２３は所定のポンディングパ
ッド１８の表面に着地する。

続いて、ボンディングツール２０の先端に所定の荷重が
印加されるとともに、所定周波数の超音波振動がボンデ
ィングツール２０の先端に印加される。

この超音波発振パワーと加熱と荷重との相乗効果によっ
て、ボンディングボール２３は上記ポンディングパッド
１８の表面に接合され、第１ポンデイングが完了する。

続いて、ボンディングツール２０の上方および水平方向
への移動によって被覆ワイヤ２１の途中部分はボンディ
ングツール２０の先端から導出されながらループを描く
ように張設して、所定のインナーリード６の直上に移動
する。

次に、ボンディングツール２０の先端は被覆ワイヤ２１
を導出したままの状態で上記インナーリード６の所定位
置に着地される。ここで、再度ボンディングツール２０
に対して超音波振動が印加されると、ボンディングツー
ル２０の先端より導出された被覆ワイヤ２１の腹部はイ
ンナーリード６の表面に対して凛り付けられ、これによ
ってインナーリード６との接触部分の被覆ワイヤ２１の
被覆膜２４が剥離される。

被覆膜２４が剥離された後、さらに超音波振動の印加が
継続されることによって、露出状顎とされた軸線（金属
線２２）がインナーリード６の表面に対して接合される
。このとき、超音１１振動の印加とともに図示しないヒ
ータ等の加熱源をボンディングステージ１内に内蔵し、
第２ボンディング部位の加熱を行ってもよい。さらに、
上記超音波振動は第１ボンデイングの完了後、第２ボン
デイングの位置までボンディングソール２０が移動する
までの間継続して行うようにしてもよい。このようにボ
ンディングツール２０の移動途中も超音波振動の印加を
継続することによって、ボンディングツール２０内での
被覆ワイヤ２１の曲がりクセ等を防止できるため、目詰
まりを防止できる効果もある。

本実施例では、このような第２ボンデイングにおける超
音波振動の印加時において、前述の説明のように、イン
ナーリード６は押さえ板７と押え駒との表面に各々形成
されたダイヤモンド電着層８によって確実に固定されて
いる。このため、インナーリード６の共振を防止するこ
とができ、被覆膜２４の剥離を確実に行うことができる
。

また、本実施例ではさらに位置固定溝４のエツジ４ａと
押さえ板７とによって、インナーリード６の表面がボン
ディングステージ１の表面と平行状態を維持するように
固定されているため、インナーリード６の傾き等に起因
するボンディング不良も防止される。

上記のようにして被覆ワイヤ２１の接合が完了した後、
ボンディングツール２０の上方において被覆ワイヤ２１
が図示しないクランパ等により挟持された状態となり、
続いてボンディングツール２０が所定量２方向に上昇さ
れると、被覆ワイヤ２１は上記ボンディング部分よりそ
の不要部分を切断されて第２ボンデイングを完了する。

以上に説明したボンディングサイクルを、全てのポンデ
ィングパッド１８とインナーリード６について所定回数
だけ繰り返すことによって半導体チップ１３とインナー
リード６との電気的導通が実現される。

上記ワイヤボンディング工程の後、リードフレーム１１
は図示しない金型内に装着され、この金型内に溶融状態
の合成樹脂が高圧注入されることにより半導体装置２５
のパッケージ本体２６が形成される。

次に、本実施例により得られた具体的な効果を本発明者
の実験結果によって説明する。

第２図（ａ）は本実施例と従来技術との比較を示したも
のである。本発明者は、■従来構造のボンディングステ
ージ、■位置固定溝４を備えたボンディングステージ、
■位置固定溝４とダイヤモンド電着層８とを備えたボン
ディングステージ１の３種類のボンディングステージを
用いて第２ボンデイング側の被覆ワイヤ２１の剥がれお
よび切断率と超音波発振パワーとの関係を検査したもの
である。

第２図ら）は第２ボンデイング側のワイヤのつぶれ幅と
超音波発振パワーとの関係、第２図（Ｃ）はワイヤの引
っ張り強度と超音波発振パワーとの関係をそれぞれ示し
たものである。

上記第２図（ｂ）からも明らかなように、超音波発振パ
ワーを大きくしていくと第２ボンデイング側のワイヤの
つぶれ幅が大きくなり、ワイヤの肉厚が薄くなるため、
同図（Ｃ）に示すように引っ張り強度が低下する。また
ワイヤボンディング時における第２ボンディング部位の
切断も発生しやすくなる。

したがって、超音波発振パワーはできるだけ小さく設定
して第２ボンデイング側のワイヤのつぶれ幅を少なくす
ることが望ましいわけであるが、超音波発振パワーを極
端に低下させると第１図（ａ）に示すように被覆膜２４
の破壊力が逆に低下し、ボンディング後の剥がれ率が上
昇するため、超音波発振パワーは剥がれの発生しない限
界値あるいはそれよりもわずかに高い値に設定する必要
がある。

この点に関して、従来技術のボンディングステージ構造
（■）では、インナーリード６の共振により超音波発振
パワーが被覆膜２４の除去にとって有効に作用しないた
め、超音波発振パワーを９Ｑｂｉｔｓまで上げないと剥
がれを防止することができなかった。このため、ボンデ
ィング作業可能領域が９Ｑｂｉｔｓから切断の生じる直
前値である１２Ｑｂｉｔｓまでと狭く、この領域では同
図（Ｃ）にも示すように引っ張り強度も低い値となって
いた。

これに対して、ボンディングステージに位置固定溝４を
設けた構造（■）では、第２図（ａ）に示す特性白線の
ように、インナーリード６の固定状態が比較的安定し、
超音波発振パワーにおけるはがれ発生の限界値を８０ｂ
ｉｔＳにまで下げることが可能となった。

さらに、上記位置固定溝４とともに、ダイヤモンド電着
層８を設けたボンディングステージｌの構造（■）では
、インナーリード６の固定はさらに安定し、超音波発振
パワーを５Ｑｂｉｔｓにまで下げることが可能となった
。

このように、本実施例ではまず位置固定溝４を設けた構
造（■）とすることによりイ、ンナーリード６の固定を
安定化させることができ、さらにダイヤモンド電着層８
を設けることによって、さらに固定を安定させられる。

この結果、ワイヤボンディングの作業領域が６０〜１２
０ｂｉｔｓに拡大するため、安定的なワイヤボンディン
グが実現するとともに、接合信頼性の高い半導体装置を
供給することができる。

第３図は、本実施例を通じて得られる半導体装置２５の
完成状態を示す断面図である。同図では、上記のワイヤ
ボンディング工程を結線された半導体チップ１３とリー
ドフレーム１１とが樹脂モールド法によりエポキシ樹脂
で封止されている。当該樹脂モールド工程では、図示し
ない金型内に溶融状態のエポキシ樹脂を高圧注入するた
め、被覆ワイヤ２１の流れあるいは断線等を生じる場合
があるが、本実施例によれば、上記の如く接合強度の高
いワイヤボンディングが行われているために、このよう
なワイヤ流れ、断線等は生じない。

また、被覆ワイヤ２１を用いたワイヤボンディングが実
現されているため、ワイヤ同士の接触が生じても金属線
２２を覆う被覆膜２４同士の接触となるため、電気的短
絡が防止されている。

第４図は、以上のようにして得られた半導体装置２５の
熱サイクル試験結果を示す説明図であり、試験条件は同
図に示す通りである。

同図によれば、ダイヤモンド電着層８を用いない従来技
術のボンディングステージ面造によってワイヤボンディ
ングを実行した場合、５００サイクル以上で第２ボンデ
イング側での断線現象が発生する。これは従来技術では
第２ボンデイングにおけるつぶれ幅が大きくなりすぎて
いるため、接合強度が熱サイクルの繰り返しにより次第
に低下し、熱応力によってついには断線に至るものであ
る。

一方、ダイヤモンド電着層８を備えた本実施例のボンデ
ィングツ−ル１の構造によれば、１０００サイクルを完
了した時点においても断線を生じることはなかった。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上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
であることはいうまでもない。たとえば、粗面の形成方
法として接触面にダイヤモンド微粒を電気泳動で被着さ
せた場合で説明したが、ダイヤモンド微粒に限らず硬質
の粒状物を用いてもよい。

また、ダイヤモンド微粒の被着方法については、実施例
に記載した電気泳動による他、例えば粘着テープにダイ
ヤモンド微粒を吸着させたものをステージ面に貼り付け
てもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその利用分野である、いわゆる被覆ワイヤを用いたワ
イヤボンディング技術に適用した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、たとえば裸線の金
属線を用いたワイヤボンディング技術にも適用できる。

裸線の場合には、第２ボンディング時における被覆膜の
剥離という要請はないものの、インナーリードの共振を
防止して接合強度を高めるという必要性は高く、本発明
の適用は極めて有効となる。

〔発明の効果〕

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、下記のとおりであ
る。

本発明によれば、粗面化された接触面（たとえばボンデ
ィングステージ面）によってインナーリードが固定され
るため、ボンディングツールからの超音波振動の印加に
よるインナーリードの共振が防止されるため、特に第２
ボンデイングにおける被覆ワイヤの被覆膜の除去が確実
に行われる。

このため、被覆ワイヤを用いたワイヤボンディングにお
ける接合信頼性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例であるワイヤボンディ
ング工程におけるヒートブロック、押さえ板、リードフ
レーム等の配置状態を示した説明図、第１図（ｂ）はダ
イヤモンド電着層の表面状態を示す拡大説明図、 第２図（ａ）〜（Ｃ）は本実施例の効果を従来技術と比
較した説明図、 第３図は本実施例により得られる半導体装置を示す断面
図、 第４図はワイヤボンディングの状態を示す断面図、 第５図は従来方法と本実施例の方法により得られた半導
体装置の熱サイクル試験結果の比較を示す説明図である
。 １・・・ボンディングステージ、１ａ・・・ボンディン
グステージ面、２・・・ヒートブロック、３・・・バン
ク部、４・・・位置固定溝、４ａ・・・エツジ、５・・
・タブ、６・・・インナーリード、６ａ・・・インナー
リード面、７・・・押さえ板、８・・・ダイヤモンド電
着層、１０・・・ダイヤモンド微粒、１１・・・リード
フレーム、１２・・・接合材、１３・・・半導体チップ
、１４・・・チップ基板、１５・・・シリコン酸化膜、
１６・・・ＰＳＧ膜、１７・・・パッシベーション膜、
１８・・・ポンディングパッド、２０・・・ボンディン
グツール、２１ ２２・・・金属線、２３・・ ル、２４・・・被覆膜、２５ ２６・・・パッケージ本体。 ・・・被覆ワイヤ、 ・ボンディングボー ・・・半導体装置、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップ上に形成された第１の部位とリードフ
   レームのインナーリード上の第２の部位とを金属線の周
   囲に絶縁物が被着された被覆ワイヤで結線するワイヤボ
   ンディング方法であって、少なくとも被覆ワイヤを第２
   の部位に接合する際に、インナーリードに対して粗面の
   接触面を備えた固定手段で保持することを特徴とするワ
   イヤボンディング方法。 ２、上記粗面の接触面は上記固定手段の接触面上にダイ
   ヤモンド粒を被着して形成されてい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方法。 ３、半導体チップ上に形成された第１の部位とリードフ
   レームのインナーリード上の第２の部位とを金属線の周
   囲に絶縁物が被着された被覆ワイヤで結線するワイヤボ
   ンディング方法であって、少なくとも被覆ワイヤを第２
   の部位に接合する際に、インナーリードに対して粗面の
   接触面を備えかつ当該インナーリード面が接触面と平行
   となるように位置固定溝が形成された固定手段で保持す
   ることを特徴とするワイヤボンディング方法。 ４、リードフレームの載置されるボンディングステージ
   表面が粗面に形成されていることを特徴とするワイヤボ
   ンディング装置。