JPH0354837A - ワイヤーボンディング方法 - 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） この発明は半導体装置の製造工程に適用されるワイヤー
ボンディング方法に関するものである。

（従来の技術） 現在一般的に半導体チップの電極とリードフレームとの
接合には、金ワイヤーを用いたワイヤーボンディング方
法が実用化されている。

第３図は、この従来の一般的なワイヤーボンディング方
法を図示したものである。

従来のワイヤーボンディング方法では、ボンディングツ
ールであるキャピラリー３に保持されている金ワイヤー
６の先端をアーク人熱で溶融させ、これを凝固させてボ
ール部１０を形或し、このボール部１０を半導体チップ
７上に形成されたアルミ電極８にボールボンディングし
た後（第３図（ａ），（ｂ））、金ワイヤーの他端側を
銀メッキ等の表面処理が施された銅合金、鉄・ニッケル
合金等のりード９にステッチボンディングする（第３図
（ｅ），（ｄ））。

これまでの方法では金ワイヤー６の接合には主として超
音波併用熱圧着方式が用いられている。

ところが、この種の金ワイヤーを用いた場合、材料原価
が高くなることと、半導体チップ７上のアルミ電極８と
の接合部の長期信頼性が低いという問題があるため、金
に代わる材料とそのボンディング技術の開発が要望され
てきた。

このため、材料原価低減及び素子の長期信頼性向上のた
めに金属ワイヤーを金から銅に代えると共に、銅合金リ
ード表面の銀メッキ層を省略してリード上に直接銅ワイ
ヤーを接合しようとする場合には以下のようなことが問
題となる。金属ワイヤーを電極にボンディングする場合
、良好な接合状態を得るためには金属ワイヤーの硬さと
電極の硬さが近似していることが望ましい。従来の金ワ
イヤーの場合、ボンディング作業が大気中で行なわれる
のが一般的であるが、ボール部の硬さはビッカース硬さ
でＨ　ｖ３０〜４０程度であり、接合するアルミ電極の
硬さとほぼ同等で、ボンディング性は良好であった。一
方、銅ワイヤーの場合、大気中では金に比べ銅ボールの
表面が酸化され、接合性の良好なボールを形成できず、
また銅ボールは金よりも硬いためにたとえば９９．９９
９９（％）　Ｃｕの銅を用いてもボール部の硬さはビッ
カース硬さでＨｖ８０〜１００程度にあり、アルミ電極
あるいは半導体シリコンチップを破壊するおそれがある
。

また、上述のように銀メッキ層を省略し、リードに直接
ボンディングを行なうようにすると、ボンディング時に
酸化のため接合不良即ち接合強度不足となる問題がある
。そこでこの場合には、非酸化性雰囲気中にてボンディ
ング作業を行なうことが検討され、たとえば特開昭６２
　−　１３８８３６号公報では第４図に示されるように
壁（シールド力バー）ｌ２によってボンディング作業場
全体を広くおおう方法、特開昭８１　−　２９６７３１
号公報では第５図に示されるように吹き抜け筒体ｌ３の
内部の雰囲気を制御する方法、及び特開昭６１　−　１
７２３４３号公報では第６図に示されるように不活性ガ
スノズル１６と還元性高温ガスノズル１４とで雰囲気を
制御する方法などが提案とれている。しかしながら、前
述の第１，第２の方法では、広範囲の雰囲気形成のため
酸素分圧低減が不十分な上周囲部の壁構築により作業性
が極めて悪くなること、また第３の場合には、テッチボ
ンディングのサイクルの速さに雰囲気の形成が間に合わ
ず、横からの雰囲気ガスの吹付けでは酸素分圧の低減が
十分ではないという理由により銅ワイヤー等の酸化され
やすい金属ワイヤーの使用は一般的ではなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、以上のような問題点に鑑み、酸化され
やすい金属のワイヤーを使った場合に電極及び半導体チ
ップが破壊を受けることなく金属ワイヤーと電極とを良
好に接合でき、しかも金属ワイヤーとリードとを良好に
接合できる作業性の良いワイヤーボンディング方法を提
供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、半導体チップ上の電極とリードとを金属ワイ
ヤーを用いて結線するワイヤーボンディング方法におい
て、キャピラリー内部か、キャビラリー外周部かの何れ
かより又は両方よりシール用還元性ガス又は不活性ガス
を金属ワイヤーに沿って流し、キャピラリ一先端部から
ボンディング部にかけてシールしながらワイヤーボンデ
ィングを行なうようにしたものである。

金属ワイヤーとアルミ電極もしくはリードとの間に良好
な接合状態を形成するためには、材料表面の酸化皮膜等
を十分除去し、更に接合界面における材料の塑性変形に
より酸化膜破壊後の新生面同志の接触面積を拡大するこ
とが重要である。

また、銀メッキ層を省略し、リードに直接ボンディング
を行なう場合も酸化膜の除去及び接合界面での塑性変形
の双方が重要となる。

そこで本発明では、キャビラリーの内部もしくはキャビ
ラリー外周部に設けたシール用ガスの吹出し口から、Ａ
ｒ，Ｎｚ，Ｈｅ等の不活性ガスもしくはそれらにＨ２，
Ｃｏ等を混合した還元性ガスを下方ボール形成部に向け
て流しボール作成時のボール近傍の雰囲気を低酸素濃度
に保つようにした。なお、シール用ガスはキャピラリー
の内部からに加えて、キャビラリー外周部からの吹出し
を併用して雰囲気形成を行なってもよい。

第２図は、本発明の方法を実施するための装置例であり
、何れも断面図を示し、図中の１はボンディングワイヤ
ー、２はボンディングワイヤー先端部のボール部、３は
キャビラリー、４はシール用ガスの導管、５はシール用
ガスによって形成されたシール雰囲気である。

第２図（ｂ）は、キャピラリ−３の内部にシール用ガス
を導き、キャビラリーの先端部より前記のガスをボンデ
ィングワイヤーに沿って吹き出し、シール雰囲気を形成
する方法、（Ｃ）はキャビラリーの外側にシール用ガス
の導管を設けて、キャビラリーの外周部からボンディン
グワイヤーに沿ってシール用ガスを吹き出す方法であり
、（ａ）は（ｂ）と（Ｃ）とを組み合せた方法である。

シール用ガスの流量としては、ボンディングワイヤーの
ボール形成時の酸化防止効果のために０．ＩＮ　／分以
上とすることが望ましい。より好ましくは０．２ｇ／分
以上であり、第２図に示した方法により、酸化はほぼ完
全に防止できる。

即ち、本発明では従来の横方向からの雰囲気ガスの吹付
け法と異なり、ボール形戊部分にもっとも近いところに
ガス吹き口を設けており、かつ、ボール部の全表面にわ
たって均一にガス雰囲気を形成できることにより、ボー
ル部の酸化防止効果を高めている。

本発明者らが、種々実験を重ねた結果以下のことが明ら
かとなった。即ち、第１図（ａ）はシール方法により銅
ワイヤーボール部の酸素濃度（酸化の程度）がどの程度
違ってくるかを示すもので、第２図（ｂ）のようにキャ
ピラリーの先端部からシール用ガスを吹き出す本発明法
Ａでは酸化をほぼ完全に防止できている。また、第１図
（ｂ）は従来のビッカース硬度測定法に代えて新しく開
発したボール部強度測定法により銅ワイヤーボール強度
を評価したものである。ボール硬さは金線の場合にはボ
ール部断面を鏡面研磨して、ビッカース硬度を測定する
のが一般的であるが、銅ワイヤー等の酸化物を形成する
ものについては、ボール部の表面に形成される酸化物層
による硬化を十分に評価できない。また接合する際にボ
ール部は変形し、加工硬化するので、実際には一定荷重
下での変形量がより重要となる。そこで、ここでは第１
図（Ｃ）に示すようにボール付ワイヤー１を試料台の上
に水平に置き、試料台１７面と平行な面を有する平面圧
子１８によりホール部を一定速度で圧縮変形させた。そ
の結果ある変形量を与えるために必要な荷重（圧縮強度
）は本発明法Ａによれば横方向からの雰囲気ガスの吹付
け法Ｂや大気中の場合Ｃに比べて大きく低減され、金ワ
イヤーボールの値と同程度のボール硬さとなることが判
る。

本発明のワイヤーボンディング方法を適用するのに適し
ている金属ワイヤーとしては、ボール形或時に表面酸化
あるいは大気からの酸素の影響によりボール部が硬化す
る材質のものであり、例えば銅、アルミニウム、パラジ
ウム、銀及びその合金等である。

また、添加元素濃度の高い金合金のボンディングに際し
ても、本発明の方法の適用が有効であり、ボンディング
作業の安定化及びボンディング部の特性安定に貢献する
。

なお、雰囲気ガスの効果を高めるために、不活性ガスあ
るいは還元性ガスを加熱して流すことや、キャピラリー
を加熱することなども有効である。

（作　　用） この発明においては、酸素濃度の低い雰囲気中でボール
形成、ポールボンディング及びステッチボンディングを
行なうようにしたことから、ボール部及び電極の表面酸
化が防止され、ボール部の硬さも電極の硬さと同程度に
なり、あるいは金属ワイヤー及びリードの表面酸化が防
止され良好なボンディングが達成される。

（実　施　例） 以下に本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。第
２図の（ａ），（ｂ），（ｃ｝に示した装置を用いて、
ボンディングワイヤー１として、線径２５ｔｍの銅ワイ
ヤー（銅純度９９．９９９％）を使い、シール用ガスと
してＡｒ＋１０％Ｈ２の還元性ガスを用いガス流量を１
ρ／ａｋｉｎに調整してワイヤーボンディングを行なっ
た。第２図（ｂ）は、キャビラリーの内部に上記ガスを
導き、キャビラリー先端部よりシール用ガスをワイヤー
に沿って噴出させる方法、（Ｃ〉はキャピラリーの周囲
にテフロン製の導管をまき、キャピラリーと導管とのす
き間にシール用ガスを通し、キャピラリー先端部から上
記ガスをワイヤーに沿って噴出させる方法、（ａ）は（
ｂ）と（Ｃ）とを組み合せた方法である。何れの方法も
キャピラリ一先端部よりワイヤーを包みこむようにシー
ル用ガスにより非酸化性雰囲気を形成する。このガス雰
囲気中にて銅ワイヤーと放電電極との間に高電圧をかけ
その間に放電を起し、アークの形成により熱が銅ワイヤ
ーの先端に投与されボール部が形成される。ボール部の
形成後、前述のシール用ガス雰囲気中でキャピラリーチ
ップ３を用いてボール部を半導体チップ上のアルミ電極
に熱圧着するとボール部が変形し、アルミ電極との接合
が行なわれた。その後、前記ガス雰囲気中でキャピラリ
ーチップを用い銅ワイヤーの他端をリードに超音波振動
にて圧着した。

本発明の方法により、ボールを作成した場合のボール部
の変形能を第１表に示す。変形能は第１図（Ｃ）に示す
ように、ボール部を一定速度で圧縮変形させ、２０μ変
形させるのに必要な荷重であらわした。ボールの径は７
５ｔｍφになるように放電時間を調節した。また実際に
チップ上にボールボンディングした時のチップの損傷率
を調べた。

その結果も第１表に示す。

また、比較例として、横から雰囲気ガスを流す方法によ
り形成した銅ワイヤーのボールの変形量ならびにボンデ
ィングした場合のチップ損傷率を、参考例として同様に
空気中で９９．９９％金ワイヤーを用いた場合のボール
部の変形量、チップ損傷率を第１表に合わせて示した。

またそれぞれのワイヤー、雰囲気条件を変えた場合につ
いて、第１ボンド、第２ボンド間を２ｍｍに設定してボ
ンディングした後、ワイヤー中央部をフックで引かけ引
張った時（フックテスト）の破断部の位置を調査した。

ワイヤ一部で破断した場合の割合が高いほど接合部強度
が十分高いと判断される。

このようにして本発明の方法では、キャビラリーの先端
で効率よく、また作業性よくシール用ガス雰囲気を作る
ようにし、その雰囲気中でポールボンディング及びステ
ッチボンディングを行なうようにしたので、金ワイヤー
と同様に銅ワイヤーでもチップの損傷はなく現在用いら
れている金ワイヤーに代えて銅ワイヤー等の使用も可能
になる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば良好なガス雰囲気を形成で
き、その中でボンディング作業を行なうようにしたので
、電極及び半導体チップを良好に接合でき、金ワイヤー
に代えて低廉な金属ワイヤーの使用が可能になり、また
、金属ワイヤーとリードとの接合性を向上でき銀の使用
量の大幅な低減ならびに省工程化が可能となるなど、工
業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明方法及び他の方法により得たワ
イヤーボールの酸化の度合、同図（ｂ）はボール硬さに
対する本発明方法及び他の方法の効果を示す図、同図（
Ｃ）はボール部圧縮強度測定法を示す図、第２図は本発
明の方法を実施するための装置例、第３図は従来の金ワ
イヤーのボンディング状況を示す説明図、第４〜６図は
先行技術例を示す図である。 １・・・ボンディングワイヤー ２・・・ボール部　　　　　　　３・・・キャビラリ−
４・・・シール用ガスの導管 ５・・・シール用ガスの雰囲気 ６・・・金ワイヤー　　　　　７・・・半導体チップ８
・・・アルミ電極　　　　　９・・・リード１０・・・
金ワイヤーボール部 １１・・・放電電極 ｌ２・・・シール用壁（シールド力バー）ｌ３・・・シ
ール用吹抜け筒体 １４・・・還元性高温ガスノズル ｌ５・・・電気トーチ ｌ６・・・不活性ガスノズル　　１７・・・試料台１８
・・・平面圧子 復代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　キャピラリーの内部及び外周部の何れか又は両方から
   、シール用還元性ガス又は不活性ガスを金属ワイヤーに
   沿って流し、キャピラリー先端部からボンディング部に
   かけてシールすることを特徴とするワイヤーボンディン
   グ方法。