JPH09162223A - ワイヤーボンディングキャピラリー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワイヤーボンダーに取り付けて、ワイヤーを
超音波振動により接着面に溶着するために、先端の機械
的な強度が高く、超音波振動を効率的に伝達できる高密
度セラミックスのワイヤーボンディングキャピラリーを
提供する。 【解決手段】 溶着部と収束部と胴体部との全体をモー
ルド成型により一体に焼結し、溶着部の外形のテーパを
第１の角度に形成し、収束部の外形のテーパを第１の角
度より広い第２の角度で形成して、貫通孔のテーパを第
２の角度より広いか、又は第２の角度と等しい第３の角
度で形成する。また、第１の角度は３０°であって第２
及び第３の角度はそれぞれ１０°であることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極めて細いワイヤ
ーを接着面に超音波溶着するワイヤー・ボンダー・シス
テムにおいて、超音波振動のエネルギーをワイヤーと接
着面とに供給するためのツールである高密度セラミック
スのワイヤーボンディングキャピラリーに関し、特に、
先端部の機械的な強度が高く、超音波振動を効果的に伝
達できるワイヤーボンディングキャピラリーに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】高密度セラミックスのワイヤーボンディ
ングキャピラリーにより極めて細いワイヤーとその接着
面に超音波振動を印加して超音波溶着する際は、先端が
接着面周辺の障害物を回避できる形状であって、超音波
振動により先端に生ずる発熱を拡散し易い構造であるこ
とが重要であり、このためのワイヤーボンディングキャ
ピラリーが種々提案されている。このワイヤーボンディ
ングキャピラリー（以下、省略してツールという）はワ
イヤーボンダーシステムに使用される。

【０００３】図３は、一般的なワイヤーボンダーシステ
ムの一例を示す説明図である。図３において、ワイヤー
ボンダーシステムは、高周波の電力により超音波振動を
発生するトランスデューサ１と、この超音波振動の有効
成分を使用して導電性のワイヤー２を半導体部品等３に
超音波溶着するツール４からなり、図示しないワイヤー
・ボンディング・マシンに組み込まれ、ツール４の先端
を上下及び左右方向（矢印）１１と前後方向（矢印）１
２に制御してワイヤー２を微小な接着面に配線するよう
になっている。

【０００４】ツール４は、溶着側をテーパ状に尖らせ、
細い管状の貫通孔４１を内部の軸方向に設ける円柱状の
キャピラリ型が一般的であり、取り付け側をクランプ部
１３に差し込みスクリュー１４で固定する。又は、稀に
貫通孔４１を傾けて溶着側に寄せた半円柱状のウェッヂ
型も使用する。半導体部品３は、アルミニウム、金、又
はハイブリッドの多数の電極３１・・・３１を蒸着した
集積回路チップ３２を基板３３上に形成してパッケージ
に収納してあり、集積回路チップ３２上やパッケージの
凹凸を回避しつつワイヤー２を電極３１・・・３１に配
線する。ワイヤー２は、極めて細い金線、アルミニウム
線、稀には銅線等からなり、一般的に金線の配線にはキ
ャピラリ型を、その他には稀にウェッヂ型を使用する。

【０００５】以下、図３におけるキャピラリ型により金
線を配線する場合について一般的な配線要領を述べる。
先ず、ツール４をトランスデューサ１に固定し、ワイヤ
ー・ボンディング・マシンを稼働状態にする。他方、図
示しない支持具からワイヤー２を繰り出し、これをツー
ル４の固定側から貫通孔４１に通して溶着側に突出さ
せ、その先端を図示しない溶解用のトーチでボールボン
ディングに適合した球状に形成しておく。その際、ワイ
ヤー２をツール４先端に確実に通すためピンセット状の
ものでツール４を位置決めすることがある。これらは事
前の準備であり、続いてワイヤーボンディング・マシン
を制御してツール４の溶着側を任意の電極３１上方に移
動し、ワイヤー２の球状部分を電極３１表面に接触さ
せ、ツール４の軸方向に所定の圧力（矢印）１４を加え
てワイヤー２をツール４の溶着側で電極３１に押し付け
る。

【０００６】次に、高周波の電力によりトランスデュー
サ１に超音波振動を発生させ、その有効成分をツール４
とワイヤー２の先端に伝達する。この際、トランスデュ
ーサ１とツール４各部は、自己の物理的な特性に適合し
た固有の共振周波数を有しており、ワイヤー２やツール
４及び電極３１の材質・形状と、配線工程の作業速度や
仕上がり品質等に適合する所定の周波数に各部が共振す
るようになっている。一方、超音波振動の伝達経路にお
いて材質・形状が不均一で、機械的な振動係数の異なる
部位が存在すると、そこに物理的に不連続な振動境界面
が生ずるため振動の逆変換等によりエネルギー損失が発
生し、超音波振動の有効成分を減少させて伝達効率を低
下させ得ることとなる。そこで、トランスデューサ１と
ツール４の各部は、超音波溶着に必要な振動エネルギー
を的確に供給し得る寸法を有することは勿論、均一な材
質により形成されるとともに、直径を連続的に変化させ
て滑らかな表面に仕上げることが必要である。

【０００７】図４は、図３におけるツールの種類を説明
する拡大図であり、図４（ａ）は３０°のテーパ状の先
端を有する一般的なもの、図４（ｂ）は２０°のテーパ
状の先端を有する特殊なもの、図４（ｃ）は３０°のテ
ーパ状の先端とほぼ２倍の直径とを有する特殊なものを
示す。図４において、ツール４は、円柱状の胴体部４２
と、先細の縦断面テーパ状の収束部４３と、同じくテー
パ状の溶着部４４からなる。胴体部４２はトランスデュ
ーサ１から超音波振動を受けて収束部４３に伝達し、収
束部４３はこの超音波振動を先端方向に収束するととも
に、溶着部４４に発生した熱を逆に胴体部４２に拡散
し、溶着部４４は貫通孔４１に通したワイヤー２を超音
波振動により接着面に溶着する。

【０００８】図５は、図４におけるツールの用途を説明
する説明図であり、半導体部品３におけるパッケージの
壁とツール４溶着側との干渉を示す。パッケージの壁３
４は、半導体部品３の外郭に立ち上がり、この壁３４を
配線用リード３５が外側から貫通し、その表面にもワイ
ヤー２を超音波溶着する。この際に、この壁３４にツー
ル４溶着側の側面が突き当たり、最適な溶着位置に到達
できないため、壁３４と干渉する２辺Ｃ１，Ｃ２からな
る三角状の部分を取り除くべくパッケージを改造する
か、その代わりにツール４溶着側をボトルネック状に加
工して使用し、干渉する部分を回避する必要がある。

【０００９】図６は、各種形状の先端を有するツールを
説明する説明図であり、図６（ａ）は先端をボトルネッ
ク状に加工した一般的なもので、図６（ｂ）は、前記し
たウェッヂ状に加工したものを示す。図６（ａ）におい
て、ボトルネック状の先端を有するツール４は、図３に
おけるツール４に対し簡単な加工を施すのみとし、加工
コストを最小限に抑えている。即ち、専用の切削工具に
よりツール４先端部のみを単一方向から円環状に切削
し、その他は貫通孔４１を含めそのままの形状に残して
いる。

【００１０】図７は、図６（ａ）におけるＩ−Ｉ方向か
ら視た断面図である。図７において、ボトルネック状の
ツール４は、貫通孔４１を溶着側へ向かいテーパ状に先
細りとなるインサイドコーンに形成し、その先細り角度
Ａは１０°が主流であり、稀に１５°，２０°，及び２
４°もあって作業内容により使い分けている。ツール４
の材質は、セラミック系の素材が主流で、低価格化と長
寿命化の必要性から高密度セラミックスやシリコン・ア
ルミナム・ナイトライト等も開発されつつあり、先端に
サファイア・チップを設けた複合セラミック材へと各種
の素材が必要性に応じて使い分けられている。従って、
それぞれの寸法、素材、及び形状のツール４を配線すべ
き半導体部品３とワイヤー２の寸法や種類及び位置関係
に従って選択し、超音波振動を効率的に伝達するととも
に、同じツール４を長期間使用できることが要求され
る。また、実際の半導体部品の配線工程においては、配
線作業の内容を変更する際にツール４を作業内容に適し
た別の種類に取り替えることも必要となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このボトルネ
ック状に加工したツール４を使用して半導体部品３等に
ワイヤー２を配線する際、次に述べるような問題点があ
った。 （１）ボトルネック状にくびれた部分は、加工の際の応
力が集中するため物理的な素材構造の組織的な変質が生
じ易く、ワイヤー２を接着面に押しつける圧力１４や超
音波振動そのものにより破壊し易い。 （２）また、図８においてピンセット状の工具でワイヤ
ー２を位置決めする際に、収束部４２の側面を滑らせた
工具の先端（２点鎖線）がこのくびれた部分に達する直
前、溶着部４３の肩をジャンプする（太い矢印）ため溶
着部４３に強い衝撃を与え（実線）、変質した組織は一
層破壊され易い。 （３）更に、ツール４の直径が収束部４２の肩で不連続
に変化し、超音波振動の伝達係数も変化する物理的に不
連続な境界面が形成される。この境界面は超音波振動の
エネルギー損失を生ずるため振動のエネルギーを効率よ
く伝達できず、配線の作業品質が低下する。 本発明は前述の問題点に鑑み、ツール先端の機械的な強
度が高く、超音波振動を効率的に伝達できる高密度セラ
ミックスのワイヤーボンディングキャピラリーを提供す
ることを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、本発明では次の手段を構成した。 （１） ワイヤーボンダーに取り付けて超音波振動を伝
達するための胴体部と、先細の縦断面テーパ状に形成さ
れ、伝達された超音波振動を先端方向に収束するととも
に熱を逆方向に拡散する収束部と、先細の縦断面テーパ
状に形成され、収束部側から先端に向けて貫通孔を有
し、この貫通孔を通したワイヤーを集束された超音波振
動により接着面に溶着するための溶着部からなる高密度
セラミックスのワイヤーボンディングキャピラリーにお
いて、溶着部と収束部と胴体部との全体をモールド成型
により一体に焼結し、溶着部外形のテーパを第１の角度
に形成し、収束部外形のテーパを第１の角度より広い第
２の角度に形成して、貫通孔のテーパを第１の角度より
狭いか、又は第１の角度と等しい第３の角度に形成する
ことを特徴とする高密度セラミックスのワイヤーボンデ
ィングキャピラリー。 （２） 第１の角度は３０°であって第２及び第３の角
度はそれぞれ１０°であることを特徴とする前項（１）
記載の高密度セラミックスのワイヤーボンディングキャ
ピラリー。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明を実施するための
第１及び第２の実施例を示す説明図である。図１におい
て、第１の実施例による新たなツール５は、その形状に
おいて、従来例の収束部４３を新たな収束部５３と置き
換え、従来例の溶着部４４を新たな溶着部５４と置き換
え一体焼結した他は、従来例のツール４と同様である。
新たな溶着部５４は、外形のテーパを第１の角度Ａ１に
形成し、新たな収束部５３は、テーパを第１の角度Ａ１
より広い第２の角度Ａ２に形成する。また、貫通孔４１
のテーパを第１の角度Ａ１より狭いか、又は第１の角度
Ａ１と等しい第３の角度Ａ３で形成する。一体焼結は、
これらの溶着部５４と収束部５３と胴体部４２の全体を
モールド成型によりツール４に形成している。

【００１４】つまり、新たなツール５の外形は、新たな
収束部５３と溶着部５４の境界で直径が不連続に変化す
るくびれ部分が形成されない。また、全体をモールド成
型により一体に焼結して製造し、削り上げの追加工を行
わないため、追加工による応力の集中は存在せず、加工
精度の管理に伴うコスト上昇も抑制できる。従って、こ
の外形と貫通孔４１との間に形成される側壁の肉圧は、
新たな溶着部５４において均一に変化し、新たな収束部
５３でも連続的に変化するため、超音波振動の伝達係数
に不連続な境界面を生ずることがなくなる。また、この
くびれ部分の解消は、ワイヤー２を貫通孔４１に通す際
にピンセット状の工具を使用しても、前記した工具のジ
ャンプがなくなり、新たな溶着部５４に対する衝撃が存
在しないため破損を防止することができる。

【００１５】図１において、本発明の実施をするための
第２の実施例は、新たな溶着部５４における第１及び第
３の角度をそれぞれ１０°とし、新たな収束部５３にお
ける第２の角度を３０°とする他は、第１の実施例と同
様である。つまり、新たな溶着部５４が貫通孔４１との
間に有する側壁の肉圧は、新たな収束部５３との境界に
至るまで一定であり、この境界においても新たな収束部
５３に向かって均一に変化していくこととなる。従っ
て、従来のボトルネック状に加工したものと比較して、
くびれた部分の不連続性は無視できる程に小さいと考え
てよい。

【００１６】図２は、図１における第２の実施例のツー
ルを使用した破壊試験データを示す一覧表である。図２
において、この破壊試験は、本発明のツール５と従来例
のツール４とをそれぞれ３０個づつ抽出して試験用サン
プルとなし、試験回数をサンプル番号として双方を比較
しながら破壊強度を計測した。その試験結果を各サンプ
ル番号毎に右側の欄に配列して示したものである。この
試験結果によれば、各ツール４，５における破壊強度の
最小値、最大値、平均値、標準偏差、中間値は、それぞ
れの比較において次の通りである。

【００１７】 最小値 最大値 平均値 標準偏差 中間値 ＝＝＝＝ ＝＝＝＝ ＝＝＝＝ ＝＝＝＝ ＝＝＝＝ 本発明のツール ０．７８ １．１４ ０．９６ ０．０９ ０．９７ 従来例のツール ０．６６ １．０４ ０．８５ ０．１２ ０．８７ 以上の試験結果によっても、平均値と中間値に破壊強度
の著しい改善が確認でき、標準偏差においてもモールド
成型による一体焼結がばらつきのない均一な仕上がり具
合を実現することが認められ、機械的強度において、本
発明の新たなツール５が従来例のツール４より実際に完
全されたことを明らかに示している。尚、本発明は前述
の実施例にのみ限定されるものではなく、その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ること
は勿論である。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明には次の効果
がある。 （１）ボトルネック状の加工によるくびれた部分が存在
せず、加工時の応力が集中しないため、物理的な素材構
造の組織的な変質が生じることなく、ワイヤー２を接着
面に押しつけるための圧力１４や超音波振動そのものに
よっては破壊し難くなる。 （２）また、ピンセット状の工具でワイヤー２を位置決
めする際、ツール５の収束部５３の側面を滑らせた工具
の先端が溶着部５４に達する直前、溶着部５４の肩をジ
ャンプすることがなく、この溶着部５４に強い衝撃を与
えないため破壊を防止できる。 （３）更に、ボトルネック状のくびれた部分が存在せ
ず、収束部５３から溶着部５４に至るまでツール５の直
径がほぼ連続的に変化し、物理的に不連続な境界面が形
成されなくなる。従って、この境界面による超音波振動
のエネルギー損失が抑制される。 前記した（１）、（２）及び（３）の結果、ツール先端
の機械的な強度が高く、超音波振動を効果的に伝達でき
るワイヤーボンディングキャピラリーを提供することが
できる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための第１及び第２の実施例
を示す説明図である。

【図２】図１における第２の実施例を使用した破壊試験
データを示す一覧表である。

【図３】従来の一般的なワイヤーボンダーシステムの一
例を示す説明図である。

【図４】図３における従来のツールの種類を説明する拡
大図である。

【図５】図４における従来のツールの用途を説明する図
である。

【図６】各種形状の先端を有する従来のツールを説明す
る説明図である。

【図７】図６（ａ）におけるＩ−Ｉ方向から視た断面図
である。

【図８】ピンセット状工具による従来のワイヤーの位置
決めを説明する説明図である。

【符号の説明】

１・・・トランスデューサ ２・・・ワイ
ヤー ３・・・半導体部品 ４・・・キャ
ピラリー（ツール） ５・・・新たなキャピラリー（新たなツール） ３１・・・電極 ３２・・・半
導体チップ ３３・・・基板 ３４・・・パ
ッケージの壁 ３５・・・導体リード ４１・・・貫
通孔 ４２・・・胴体部 ４３・・・収
束部 ４４・・・溶着部 ５３・・・新
たな収束部 ５４・・・新たな溶着部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年３月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】 図１における第２の実施例を使用した破壊試
験データを示す一覧図表である。

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 眞佐夫 東京都文京区本郷一丁目34番３号株式会社 完エレクトロニクス内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワイヤーボンダーに取り付けて超音波振
   動を伝達するための胴体部と、先細の縦断面テーパ状に
   形成され、伝達された超音波振動を先端方向に収束する
   とともに熱を逆方向に拡散する収束部と、先細の縦断面
   テーパ状に形成され、収束部側から先端に向けて貫通孔
   を有し、この貫通孔を通したワイヤーを集束された超音
   波振動により接着面に溶着するための溶着部からなる高
   密度セラミックスのワイヤーボンディングキャピラリー
   において、 溶着部と収束部と胴体部との全体をモールド成型により
   一体に焼結し、 溶着部外形のテーパを第１の角度に形成し、 収束部外形のテーパを第１の角度より広い第２の角度に
   形成して、 貫通孔のテーパを第１の角度より狭いか、又は第１の角
   度と等しい第３の角度に形成することを特徴とする高密
   度セラミックスのワイヤーボンディングキャピラリー。
2. 【請求項２】 第１の角度は３０°であって第２及び第
   ３の角度はそれぞれ１０°であることを特徴とする請求
   項１に記載の高密度セラミックスのワイヤーボンディン
   グキャピラリー。