JPS58199532A - ボ−ルボンデイング用ボ−ル付きワイヤの製造法 - Google Patents

ボ−ルボンデイング用ボ−ル付きワイヤの製造法

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JPS58199532A
JPS58199532A JP57081392A JP8139282A JPS58199532A JP S58199532 A JPS58199532 A JP S58199532A JP 57081392 A JP57081392 A JP 57081392A JP 8139282 A JP8139282 A JP 8139282A JP S58199532 A JPS58199532 A JP S58199532A
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ball
wire
discharge
gas
electrode
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Hitoshi Onuki
仁 大貫
Masateru Suwa
正輝 諏訪
Masahiro Koizumi
小泉 正博
Hiroshi Miyake
三宅 洋
Akira Sato
明 佐藤
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Hitachi Ltd
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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】 (1)発明の対象 本発明は半導体集積回路装置やトランジスタなどの半導
体素子と外部リードフレームとの接続に用いられるポー
ルボンディング用ボール付キワイヤの製造法に関し、特
にアルミニ9ム又はアルミニ9ム合金製のボール付きワ
イヤの製造法に関する。
(2)  従来技術 現在、半導体装r1t(I C+ L S I + )
 ランシxり)として、半導体素子の蒸着電極と外部リ
ードフレームとの接続には直径25〜50μmのAu及
びAtワイヤが多く便用されている。半導体素子上の電
極へのワイヤの接続は、Auワイヤの場合はワイヤの先
端を放電又は水素火炎によシ溶融しボールを形成し、熱
圧着又は超音波接合によって行われる。この方法はボー
ルボンディングと呼ばれている。ボールボンデインクの
長所は半導体素子上の電極に接続後、一方のワイヤを自
由な方向に接続可能なため作業時間が短かいことである
しかし、Auワイヤが高価なためコスト高になる欠点が
ある。−力、Atワイヤは、Auワイヤのように先端に
ボールを形成して行うのでなく、Atワイヤの側面を超
音波接合によって接続するものである。この方法は超音
波ウェッジボンディングと呼ばれている。ウェッジボン
ディングt[音波に方向性があるため、ボンディングす
るたびにワイヤの接続方向を超音波の方向に回転させて
合わせるため作業時間が長いという欠点がある。
そのため、Atワイヤによるボールボンデインクが検討
されているが、Atワイヤは表面に強固な酸化膜がある
ことと、さらに溶融時に酸化され易いためボールの形成
に問題が1)Auボールに近いボールを得ることが非常
に困難でおる。従来、ボール形成方法は第1図に示すよ
うにワイヤと電極間に高電圧を印、々口、シ、ボール表
面の酸化防止のためArガスをシールドした状態で火花
放電により行なっている。しかし、この方法で形成され
たボールは偏心、ボール直上のくびれがあり、ボールの
直径の不拘−及びボール表面に酸化膜が全面めるいは部
分的に残り真球性に欠けるという欠点がめる。くびれは
ボンディング後にレジンモールドでパンケージする時に
熱膨張の差によって発生する応力による断線の原因とな
シ、偏心及びボールの直径が大きいとボンディング部が
パッドからはみ出し他のボンディング部と短絡を引き起
したシ回路を傷つけたシする。また、ボールが真球性に
欠けるとボンディング時の電極との不着、ボンディング
部の接着強度の低下により、レジンモールド時に発生す
る応力による剥離の原因となる。
以上のボールの欠陥はワイヤの溶融時にワイヤ表面の酸
化膜が除去されず、あるいはボール表面が酸化されてい
ることが要因である。従来のArガスによるシールドが
上記の酸化膜を除去できないと考えられる。そのため、
溶融時にワイヤ表面の酸化膜の除去及びボール表面の酸
化防止あるいは酸化膜を除去可能なガスシールドが重要
である。
特開昭54−40570号公報にはボール付きワイヤの
製造法として、不活性ガスシール、ド中でワイヤと電極
との間で火花放電を行わせてボールを作る方法が開示さ
れているが、アルミニ9ム又はアルミニクム合金製ワイ
ヤの場合は単に不活性ガスシールド中で放電を行っても
、良好なボールが得られなかった。
不活性ガス中に多量の水素ガスを添加してアルミワイヤ
の表面に形成されている酸化膜を放電エネルギーで還元
する試みもあるが、それでも良好なボールは形成できな
かった。
(3)発明の要約 本発明の目的は、くびれや偏心が少ないか、全くない真
球形状又はそれに近いボールを有するボール付きアルミ
ニ9ム合金ワイヤを提供することである。
本2発明は、不活性ガスシールド中で火花放電を利用し
てアルミニウム又はアルミニワム合金製ワイヤの先端に
ボールを形成する方法において、上記放電中は放電領域
内に空気流入を生じないようにすることを特徴とするボ
ール付きワイヤの製造法に関する。
アルミニウム又はアルミニウム合金ワイヤを用いて良好
なボールを形成するためには種々の条件を検討しなけれ
ばならない。放電電圧、放電電流密度、ガスシールド組
成などである。本発明者の多くの実験によれば、ボール
形状に最も大きな影響を与えるのは不活性ガスシールド
条件であることがわかった。特に放電中に空気流が放電
領域内に形成されないような状態を作って放電をすると
、非常に良好なボールが得られることを発見した。
その理由はまだ明らかにされていないが、シールドガス
として窒素ガスを用いたシ、酸素ガスを多量に含む雰囲
気下で放電を行えば良好なボールが得られないという実
験結果から、空気中の窒素ガス及び酸素ガスが有害であ
ると推定される。本発明では、例えば放電領域内に空気
がワイヤ供給時に巻き込まれないよ・うに、空気をしゃ
断した条件下で放電を行うことを提案するものである。
放電領域に対しては不活性ガスシールドを形成するのが
普通であるが、ワイヤの表面あるいは放電電極の表面に
存在する微量の空気が有害であるから、実質的に完全に
空気流入を阻止しなければならない。
本発明においては、放電のスノ(ツタリング作用により
ワイヤ表面の酸化膜を除去するために、ワイヤを負にな
るように電源に接続することを推奨する。
また、放電の持続時間を3ミリ秒より小さくすることに
よって、ワイヤが過剰に熱影響を受けずにすみ、ワイヤ
が軟化するのを防止できる。具体的には、放電電圧を5
00〜5000V、放電115体積%の水素ガス又は1
〜10体積%の酸素ガスを含むものである。
(4)諸条件の説明 1)ガスシールド 第1図は従来のアルミニウムワイヤのボール形成法を説
明する概略図で、アルミニウムワイヤ1がキャピラリ2
を介して放電電極4の方向に供給される。ワイヤ1と電
極4は電源6に接続される。
従来はワイヤ1を正に電極4を負に接続するのが一般的
である。
一方、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスをパイプ3
より放電領域に供給し、ワイヤ及びボールの酸化を防ぐ
。この方法では、不活性ガスシールドを供給するさいに
、周囲から空気が放電領域に流入し、その影響でボール
が変形したシ、偏心したり、ボールとワイヤの境界面に
くびれが生じる。
第2図は本発明のボール形成法の概略を示す図で、第1
図と異なるところは放電領域を完全に外気(空気)から
しゃ断しであることである。容器5の中に放電領域を形
成し、ワイヤ供給口はシール8で塞いでもよい。不活性
ガスシールドは容器5内に封入され、必要に応じガス組
成を水素ガスバルブ9又は酸素ガスバルブ10で調節す
る。このように、放電領域内に空気の流入を防止するこ
とによって、後で詳述するように所望のアルミボールを
得ることができる。
第2図のように放電領域を外界からしゃ断する(9) 他に、第1図のような構成でも、ワイヤ1.キャピラリ
2I電極4を放電できる位置関係に置き(電圧をかけな
いで)、不活性ガスを流して放電領域内の空気物に窒素
を排除してから放電を行わせても良好なボールが得られ
る。実験によると、不活性ガスを約5秒間以上流せば、
第2図の方式と同様の効果が得られることがわかった。
従って、本発明の目的を達成するには、放電領域から空
気を実質的に完全に排除することが必要である。
ill不活性ガス組成 本発明において用いられる不活性ガスシールドは、アル
ゴンやヘリウムなどの不活性ガスで、これに20体積%
以下の水素ガス及び/又は酸素ガスを添加することにニ
ジ、艮好なボールを形成することができる。
特に水素は2〜15体積%、酸素は1〜lO体積%が好
ましい。
本発明のAtボールボンディング方法において、第2図
に示すように雰囲気を2〜15体積%の(10) H,ガス又は1〜10体積%の02ガスを含む不活性ガ
スとの混合ガスでシールドすることも重安な特徴である
。不活性ガスに2〜15体積%の■it ガスを混合し
たシールドガス中でボールe[成すると%H,Hlの還
元性によシワイヤ弐面の酸化膜が還元除去され、溶融す
る時も酸化防止されボール直上のくびれ、ボールの偏心
がなくボールの直径もワイヤ径の2〜2.5倍に安定し
て形成され、表面に酸化膜がないため真球性も著しく良
好なボールが得られる。一方、不活性ガスに1〜10体
積%のO,ガスを混合したシールドガス中でボールを形
成すると、0.ガスによるスパッタにgワイヤ表面の酸
化膜が除去され、溶融する時も酸化防止され上記と同様
の欠陥のないボール性が高まるのと、ボール表面に小さ
な穴が発生するので不適である。また、0.ガス量は1
体積%以下ではスパッタの効果が小姑く、(0体積%以
上ではスパッタ効果よシも0□による酸化が顕著(11
) となり好ましくない。
111)放電方法 従来のボール形成法では、ワイヤを正に接続することが
多かったが、本発明においてワイヤを負に接続すると一
層良好なボールが得られることがわかった。
ワイヤを負極にすると放電時にAr及びHlの正イオン
が負のワイヤに衝突して表面の酸化膜を除去するスパッ
タ効果がメジ、加えて11.ガスの還元性にエリ同様に
ワイヤ及びボール表面の酸化膜を除去し、ボール直上の
くびれ、ボールに偏心がなくボールの直径もワイヤ径の
2〜2.5倍と安定し、我面の酸化膜が除去逼れるため
真球度も高い。
放電の持続時間をあまり長くするとボール形状も悪くな
シ、ワイヤに熱影響部が形成され、ボンディング時にワ
イヤが折れ曲り、所望のワイプル−プが得られなくなる
。本発明者の実験によると、例えば高電圧(100’O
V)、低電流(10mA)を与えて約20〜30ミリ秒
放電させて作ったボ(12) 一層は偏心がメジ、真球からほど遠い。さらにボールと
ワイヤのつけ根はくびれてしまり。
ところが本発明者が放電電流密度を上げ高放電電圧で放
電したところざ放電時間は3ミリ秒以下ではくびれや偏
心がなく、真球に近いボールが得られた。実験によれば
、放電電圧は500〜5000V、放電電流密度は10
’ A/m!以上が適することがわかった。
放電を起させるタイミングとしては、ワイヤと放電電極
の放電面7が最も近づいたときがよい。
従来の方法ではアルミワイヤが放電面の真上に達する前
にワイヤと放電電極との間に放電が生じ、結果的に放電
時間は長くな9、くびれや偏心も生じやすかった。しか
し上述のように、所定の放電位置にきたときだけ放電す
るようにすれば、従来法の欠点を除くことができる。
(5)  実施例の説明 実施例1 第4図は不活性ガスとしてArガスにH,ガスを20体
積%まで混合したシールドガスとArガ(13) スに同じく20体体積まで混合したシールドガス中テ放
11!圧1000V、放’!mfiffi[10’ A
/ m ”の条件で放電により負極に接続したAtワイ
ヤの先端にボールを形成した後のボール直上のくびれを
測定した結果である。くびれは前述したようにボンディ
ング後、レジンモールド時に発生する応力に対して抵抗
が小さく断線の原因となる。
Atワイヤの直径は50μm、(ひれは最もくびれてい
る部分の直径dと元のワイヤの直径doとの比で示した
。第4図よ〕、従来のAr100%シールドガス中で形
成したボールは、do/dが0、87 ’i示し、これ
は元のワイヤ直径の50μmが43.5μmに減少して
いることを表わしている。
しかし、本発明のArガスにH2ガスを2〜15体積%
混合したシールドガス中で形成したボールは、折れ線グ
ラフの(イ)に示すようにdo/dが1を示し、くびれ
は認めらnない。tfc%Arガスに0.ガスを1〜1
0体積%混合したシールトガは ス中で形成したボーへ折れ線グラフの(ロ)に示すよう
にdo/dが1を示し、くびnは認められない。
(14) H,ガス量が2体積%未満のとき及び15体積%より多
く混合するとくびれが認められ、0.ガスが1体積%未
滴のとき及び10体積%よシ多く混合すると同様にくび
れが認められる。以上のことかう本発明のシールドガス
中でボールを形成し、半導体素子上の電極に接続したボ
ンディング部はくびれがないためレジンモールド時に発
生する応力に対してきわめて断線しにくいといえる。
比較のため、Atワイヤを正極に、放電極を陽極に接続
して放電させたところ、第4図の曲線ノ・(水素ガス混
合)、曲m二<e素ガス混合)の結果が得られた。従っ
て、A/、ワイヤを負に接続すれば良好なボールが得ら
れることは明らかでめる。
第3図に従来第1図に示す条件で100Arガスを用い
て得fCAtボール及び実施例1で得た本発明のAtボ
ールの走査型電子顕微鏡写真を示す。
従来法のAtボールは偏心して、おシ、ボールの根元が
くびれておシ、さらにボール形状は真球からはほど遠い
ことがわかる。−力、本発明の場合にはボールとワイヤ
の境界が鮮明に観察され、偏心(15) もなく、ボールの根元もくびれてなく、真球に近い形を
していることがわかる。本発明のAtボールの場合、ワ
イヤはボールの根元も熱影響をうけていないために、ボ
ールとワイヤの境界が鮮明にめられれる。一方従来の場
合、ボールとワイヤの境界かはつきシしてない。これは
ボールの根元が熱影響にニジ軟化しているためで、後で
述べるように、ボールの根元で断線したり、ボンディン
グ時に、ボールの根元からワイヤが曲るため、ループ高
さが得られない。
本発明によるAtボールと従来のAtボールを用いて1
6にビットのダイナミックラムにボンディングしたとき
のループ高さを比較した結果、従来法のA4ボールでは
ボールの根元が熱影響をうけて、軟化し、弱くなってい
るためにループ高さが低く、はとんどが0.1 w以下
である。一方、本発明によるAtボールを用いてボンデ
ィングした1111山 場合のループ高さは0.15〜0.2mの範囲にあるこ
とがわかった。実際に81チツプにワイヤが接触してい
る数(ループ高さが低いほど接触しやす(16) い)を数えると、従来の場合には約60%が接触してい
るのに対し、本発明のAtボールでは0%であった。
更に、ボールボンデインク後、ワイヤを引張り、破断強
度を求め、ワイヤの破断強度に対する比を計算した。本
発明のボールでは破断強度がワイヤ強度の70〜90%
おるのに対し、従来ボールのそれは、30〜50%でめ
った。なおAuwAのボールボンデインク部の破断強度
はワイヤ強度の70〜90%でめる。以上の結果から、
本発明のAtボールを用いることにより、信頼性に富ん
だボールボンデインク部が得られることがわかる。
なお、ボールボンディングにおける、もう1つの問題は
、ボールボンディング部のAtバッドからのはみ出しで
ある。はみ出しが多くなると、1つのStチップ上に配
線が多くなるほど、他のボールボンデインク部との距離
が短かくなり、ショートシやすくなる。ショートを防止
するためにはボール径と偏心率が重要である。本発明の
ボール径はワイヤ径の2〜28倍、偏心角は15°以内
(17) であるので、本発明のAtボールを用いてボンディング
すれば、ショートはまったく発生しないことを確認して
いる。
実施例2 第5図は実施例1と同様にArガスにH3゜0、ガスを
それぞれ20体積%まで混合したシールドガス中でボー
ル形成した後の偏心を示したものでめる。Atワイヤの
直径は50μm、偏心は元のワイヤからの左右のふくら
み幅をそれぞれxl+ xl としその両者の比xt/
Xtで表わした。
x、/x、の値が1に近い程偏心が小場いことを意味す
る。Atワイヤは負極に接続した。第5図よシ従来のA
r100%シールドガス申で形成したボールの偏心はx
+/x*が0.8を示し偏心が認められるが、本発明の
Arガスと2〜15体積%のH1ガスとの混合ガスのシ
ールド中では折れ線グラフの(ホ)で示すようにx、/
x、が1を示し偏心は認められない。また、Arガスに
0鵞ガスを1〜10体積%混合したシールドガス中でも
折れ線グラフの(へ)に示すようにx、/x、が1t−
示し偏心は(18) 認められない。しかし、H!ガス量を2体積%未満及び
15体積%よシ多く混合すると偏心が認められ、01ガ
スは1体積%未滴のとき及び10体積%より多く混合す
ると同様に偏心が認められる。
以上のことから本発明のシールドガス中でボールを形成
しボンディングすると、偏心がないためボンディング部
がパッドからはみ出すことがない。
Atワイヤを正極に接続して上記と同様の放電を行った
ところ、水素ガス添加の場合は曲線ト、酸素ガス添加の
場合は曲線チの結果が得られた。
実施例3 餓6図は実施例1と同様にH,,0,ガスをそれぞれ2
0体積%までArガスに混合したシールドガス中で形成
したAtボールの大きさを測定した結果でるる。Atワ
イヤを負極に接続した。
Atワイヤの直径は50μm1ボールの大きさはボール
の直径りとワイヤの直径d左の比り、’clで□ 表わした。ボールの直径が大きいとボンディング部がバ
ットからはみ出し、他のボンディング部と短絡めるいは
回路を傷つけてしまう。このボール(19) の大きさはワイヤの直径の2〜2.5倍が最も適当とち
れている。第6図より、従来の100%Arガスシール
ド中で形成したボールの大きさはワイヤ直径の2〜2.
9倍の範囲にあるが、本発明のArガスに2〜15体積
%のH,ガスを混合したシールドガス中で形成したボー
ルの大きさは折れ線グラフの(す)に示すようにワイヤ
直径の2〜25倍の良好な範囲にある。また、1〜10
体積%の0、ガスを混合したシールドガス中で形成した
ボールの大きさも折れ線グラフの(2)に示すように2
〜2.5倍の良好な顛囲にある。
Atワイヤを正極に接続して上記と同様に放電を行なっ
たところ、第6図の曲線オ(水素ガス添加)及び曲線ワ
(酸素ガス添加)が得られた。
実施例4・ 第7図は実施例1と同様にArガスにH8゜0、ガスを
それぞれ20体積%まで混合したシールドガス中で形成
しfcAtボールの真球度を示したものである。真球度
はボールの縦方向の長−gHと横力向の長さDとの比H
/Dで示し、H/Dが(20) 1に近い程真球に近くなる。従来の100%Arシール
ドガス中で形成したボールの真球度は、H/Dが0,9
〜1.7とばらつきが大きく、かつH/Dが1に程遠く
真球度が低い。−力、本発明のArガスと2〜15体積
%のH,ガス及びArガスと1〜10体積%のO!ガス
とを混合したシールドガス中で形成したボールの真球度
は折れ線グラフの(ロ)及び(→に示すように、両省と
もH/Dが0.95〜1.2t−示し艮好な真球度金肩
している。
上記の結果はAtワイヤを負極に接続したときのもので
ある。Atワイヤを正極に接続したら、第7図の曲線夕
(水素ガス添加)及び曲線しく酸素ガス添加)が得られ
た。
実施例5 次に本発明のAtボールを得るための放電条件について
の検討例を述べる。
第8図は直径50μmのAtワイヤを負極、放電電極を
正極にしてこれらの間に1000V’li−印加し、放
電電流密度ヲ変えたときのボールの真球度を表わしてい
る。不活性ガスの組成はA r−10体(21) 積%H9でおる。良好な真球度のAtボールを得るため
には10’A、/m”以上の電流密度が必要であること
がわかる。
第9図は直径50μmのA/、ワイヤを負極、放電電極
を正極にして、これらの間に放電電圧を1000V、放
電を流密Fit 10” A /m!与え1放電時間を
変えたときのAtボールの偏心率、くびれ、ボール径の
変化を示す。ボール径は放電時間とともに大きくなるこ
とがわかる。偏心率、くびれは放電時間が3ミリ秒まで
はそれぞれ15゜以下、0である。しかし3ミリ秒以上
になると偏心率が大きくな9、くびれも発生する。
以上述べたように、本発明によればアルミニワム又はア
ルミニワム合金のワイヤを用いて性状の良好なボールを
形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のAtワイヤのボール形成法を示す概略図
、第2図は本発明のAtワイヤのボール形成法を示す概
略図、第3図は従来法と本発明法によるAtボール付ワ
イヤの形状を示す電子顕微(22) 鏡写真、第4図は本発明法及び従来法によるAtボール
のくびれ率を示す曲線図、第5図は本発明法及び従来法
によるボールの偏心率を示す曲線図、第6図は本発明法
及び従来法によるAtボールの大きさを示す曲線図、第
7図は本発明法及び従来法によるAtボールの真球度を
示す曲線図、第8図は本発明法における放電電流密度と
真球度の関係を示す曲線図、及び第9図は本発明法にお
ける放電時間とボールの偏心角θ、くびれ率do/d。 ボールの大きさDの関係を示す曲線図である。 1・・・Atワイヤ、2・・・キャピラリ、3・・・ガ
スシールド管、4・・・放電電極、5・・・容器、6・
・・電源、7(23) M 1国 、4L 3v2 国 (AF/l)0,7;)     )12.02童[#
%、)第5躬ホ 畜Δ 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電源に接続されたアルミニワム又はアルミニワム合
    金のワイヤの一端を放電電極に対向させ、該ワイヤと該
    電極との間に不活性ガスシールド中で火花放電を行わせ
    てワイヤ先端を溶融し球状化する方法において、放電領
    域内への空気の流入を停止して放電を行わせることを特
    徴とするポールボンディング用ボール付きワイヤの製造
    法。 2、前記ワイヤを放電電極に対し負となるように接続し
    て放電を行わせることt−特徴とする労許請求の範囲第
    1項記載のポールボンディング用ボール付きワイヤの製
    造法。 3、放電電圧及び放電電流密度を制御して放電の持続時
    間を3ミリ秒以下にすることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項又は第2項記載のポールボンディング用ボール
    付きワイヤの製造法。 4、放電電圧が500〜5ooov、ワイヤ端面におけ
    る電流密度が1O9A/m!以上であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第3項記載のボールボンデインク用ボ
    ール付きワイヤの製造法。 5、不活性ガスシールドが、20体積%以下の酸素カス
    又は水素ガスを含むこと全41iF徴とする特許請求の
    範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載のポールボン
    ディング用ボール付きワイヤの製造法。 68体積で2〜15%の水素カス又は1〜10%の酸素
    ガスを含む不活性カスシールド中で放電を行うこと1に
    特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第5項のいずれ
    かに記載のボールボンデインク用ボール付きワイヤの製
    造法。 7、ワイヤの先端が放電電極の放電面と最接近したとき
    に放電を行わせることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項ないし第6項記載のポールボンディング用ボール付き
    ワイヤの製造法。 8、実質的に空気からしゃ断された不活性ガス雰囲気中
    で放11tを行わせることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項ないし第7項のいずれかに記載のポールボンディ
    ング用ボール付きワイヤの製造法。
JP57081392A 1982-05-17 1982-05-17 ボ−ルボンデイング用ボ−ル付きワイヤの製造法 Pending JPS58199532A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0735341U (ja) * 1994-11-14 1995-06-27 大成ラミック株式会社 包装袋用積層フィルム
WO2022162716A1 (ja) * 2021-01-26 2022-08-04 株式会社新川 ワイヤボンディング装置、ワイヤボンディング装置の制御方法およびワイヤボンディング装置の制御プログラム

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JPH0735341U (ja) * 1994-11-14 1995-06-27 大成ラミック株式会社 包装袋用積層フィルム
WO2022162716A1 (ja) * 2021-01-26 2022-08-04 株式会社新川 ワイヤボンディング装置、ワイヤボンディング装置の制御方法およびワイヤボンディング装置の制御プログラム

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