(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤとトーチ電極との間に第１放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状のボールベースを形成し、
前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなる電離ガス体形成電極対の間に第２放電電圧を印加して、前記ボールベースを内部に含むように前記コーティング材料の電離ガス体を形成し、前記ボールベースの表面に前記コーティング材料を付着させることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のイニシャルボール形成方法において、前記第１放電電圧は、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しプラス電位とする直流高電圧であることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のイニシャルボール形成方法において、前記コーティング材料は錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のイニシャルボール形成方法において、前記ワイヤは金または銅を主成分とすることを特徴とするワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法。
【請求項５】
ワイヤを挿通し、先端から前記ワイヤを突出させて位置決めするキャピラリと、
前記ワイヤに対向するトーチ電極と、
前記ワイヤを前記トーチ電極に対しプラス電位として第１放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状のボールベースを形成する第１放電電圧印加手段と、
前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなる電離ガス体形成電極対と、
前記電離ガス体形成電極対の間に第２放電電圧を印加して、前記ボールベースを内部に含むように前記コーティング材料の電離ガス体を形成し、前記ボールベースの表面に前記コーティング材料を付着させる第２放電電圧印加手段と、
を備えることを特徴とするワイヤボンディング装置。
【請求項６】
請求項５に記載のワイヤボンディング装置において、前記コーティング材料は錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることを特徴とするワイヤボンディング装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載のワイヤボンディング装置において、前記ワイヤは金または銅を主成分とすることを特徴とするワイヤボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤボンディング技術は、例えば、ＬＳＩ等の半導体チップの入出力端子等（ボンディングパッド）と、半導体チップが搭載されるパッケージあるいは回路基板の端子（ボンディングリード）との間を細い金属ワイヤで接続する技術である。
【０００３】
また、ボンディングパッドとボンディングリードとの間を接続するワイヤには例えば金線が用いられ、金ワイヤをボンディングパッド上に最初にボンディングするにあたっては、キャピラリと呼ばれる筒に挿通された金ワイヤの先端がボール状に形成される。この金ワイヤの先端に形成されたボール状のものは一般的にイニシャルボールと呼ばれる。この一般的なイニシャルボールは、ワイヤの先端に対向して設けられたトーチ電極とワイヤとの間に高電圧を印加することで、その間で空中放電を起こし、そのエネルギでワイヤ先端を溶融させてボール状に形成することで得られる。この場合、トーチ電極の材質はワイヤ材に比して高融点のものが用いられるのが一般的である。
【０００４】
ボンディングパッドとボンディングリード間とをワイヤで接続する工程は、２段階に分けて行われる。まず、半導体チップのアルミボンディングパッド上に、先ほどの一般的なイニシャルボールを押し付け、加熱しつつ超音波エネルギを加えて第１段階の接合が行われる。そしてアルミボンディングパッドに接合された一端からワイヤを伸ばし、その他端を接続すべき回路基板の金ボンディングリード上に移動する。そこで移動したワイヤの他端をそのボンディングリードに押し付け加熱しつつ超音波エネルギを加えて第２段階の接合を行う。
【０００５】
ボンディングパッドと金ワイヤの接合は、押し付け圧と加熱温度と加える超音波エネルギを適正条件にすることで、所定のワイヤボンディング強度、例えば剥離強度を得ることができる。加熱による熱エネルギは、接合に必要な超音波エネルギを少なくできる機能を持ち、例えば加熱が十分高温にできるときは、超音波エネルギを与えなくても接合することが可能となる。アルミボンディングパッドと金ワイヤの接合のメカニズムは諸説あるが、例えば、加えられたエネルギにより、アルミの表面酸化膜が破られ、その下のアルミの新生面と金とが一種の共晶により接合する、と考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のワイヤボンディングは、アルミのボンディングパッドに金ワイヤをボンディングすることが一般的であった。ところで、近年、ＬＳＩの超微細化の進展に伴い、半導体チップ内の配線抵抗を低下できる銅配線技術が注目されている。この場合、工程的にも材料的にもボンディングパッドは銅材料を使用するのが好ましい。
【０００７】
しかし、銅のボンディングパッドに金ワイヤを接合するには以下の問題がある。すなわち、銅のボンディングパッドの表面には、銅の酸化膜が形成されていて、この銅表面の酸化膜は、アルミのボンディングパッドの表面の酸化膜に比して、ボンディング性がきわめて悪い。例えば、金ワイヤの一般的なイニシャルボールを銅のボンディングパッドの表面に押し付け、超音波エネルギを相当強く加えても、一般的なイニシャルボールには数条の破断が生ずるのみで、銅と金との間での接合は起こらない。また、銅表面を加熱すると表面の金属色が著しく変化するほど酸化が激しく起こる。したがって、加熱による熱エネルギを利用することが困難となる。
【０００８】
この問題は、銅の酸化の様子と、アルミの酸化の様子が異なることに起因する。すなわち、アルミの表面は周知のように酸化しやすいが、その酸化膜は緻密で、一定の膜厚まで成長するとそれ以上はほとんど酸化が進行しない。また、アルミの表面酸化膜は化学的にも安定で、さらにどの酸化膜もほぼ一定の物質的特性を有する。したがって、アルミのボンディングパッドの表面酸化膜を破るための押し付け圧、加熱温度、超音波エネルギ等のワイヤボンディング条件を再現性よく設定することが可能なのである。
【０００９】
これに対し、銅の表面の酸化膜は密度が疎であり、酸化は銅の内部にむけてどんどん進行し続ける。また、銅の酸化膜は、その酸化の程度により膜厚も物質的性質もばらつきが大きい。したがって、銅のボンディングパッドの表面には、アルミのボンディングパッドの表面酸化膜と比較にならないほどの、分厚く、物質的性質等のばらつきの大きい銅酸化膜が存在する。そして、この銅ボンディングパッドの表面酸化膜の存在が、ワイヤボンディングにとり、大きな妨げになっているのである。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題を解決し、銅をワイヤボンディングの対象とできるワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
１．本発明の基礎となる知見
本発明は、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールを用いると、銅のボンディングパッドに金ワイヤを容易に接合できるとの知見を得たことに基づく。以下に、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールと、銅のボンディングパッドとの間の接合実験の内容を説明する。
【００１２】
ボンディング装置のボンディングテーブルに、銅のボンディングパッドを有するＬＳＩチップを搭載した回路基板をセットした。ボンディング装置のキャピラリには直径が２０ミクロン（μｍ）の金ワイヤが挿通されている。ワイヤに比較して低融点のコーティング材料（錫）からなるトーチ電極との間に放電電圧を印加し、ワイヤの先端を溶融してボール状に形成し、このボール状の表面に放電のエネルギを用いて錫イオンを付着させる。そして、表面に錫を付着させたイニシャルボールを保持したキャピラリを移動させ、銅のボンディングパッドに押し付け、超音波エネルギ供給手段により、このイニシャルボールと銅のボンディングパッドとに超音波エネルギを与えた。なお、ＬＳＩチップを搭載した回路基板等に対し加熱は行わず、常温下での接合を試みた。
【００１３】
押し付け力は４００ｍＮ（およそ４０グラム重）で、この押し付け力によりイニシャルボールが変形した後の平面寸法である圧着径は、およそ５０ミクロン（μｍ）の直径であった。超音波エネルギの大きさは、通常のアルミパッドへの金ワイヤのワイヤボンディングに用いる大きさと同じとした。その結果、金ワイヤと銅ボンディングパッドとの間が接合され、その剥離強度は実用上十分であった。
【００１４】
このように、表面に錫を付着させたイニシャルボールを銅のボンディングパッドに押し付け、超音波エネルギを加えることで、銅のボンディングパッドと金ワイヤとの間で、常温下で、十分な剥離強度（およそ２００ｍＮ、２０グラム重）を有する接合を得ることができた。
【００１５】
接合のメカニズムとしては、例えば、超音波エネルギによって低融点の錫が溶融し、溶融した錫に超音波が作用してキャビテーション現象、すなわち真空状態の泡を生じさせるモデルを考えることができる。すなわち、このモデルによれば、真空状態の泡が破裂するときに衝撃波が発生し、その衝撃波により、厚い銅の酸化膜が破壊され、その下の銅の新生面とイニシャルボールとの間で接合が行われることになる。なお、超音波エネルギにより、金属固体中に熱を生ずることはよく知られており、また、超音波エネルギにより、液体中にキャビテーションが発生することがあることも周知である。
【００１６】
このように、表面に低融点の材料を付着させたイニシャルボールを形成し、このイニシャルボールを用いることで、厚い銅の酸化膜があっても、回路基板を加熱することなく、金ワイヤと銅のボンディングパッドとを接合することができることがわかった。
【００１７】
２．課題解決手段
本発明に係るワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法は、ワイヤとトーチ電極との間に第１放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状のボールベースを形成し、前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなる電離ガス体形成電極対の間に第２放電電圧を印加して、前記ボールベースを内部に含むように前記コーティング材料の電離ガス体を形成し、前記ボールベースの表面に前記コーティング材料を付着させることを特徴とする。
【００１８】
かかる方法により、放電エネルギを用いてワイヤ先端のボール状のボールベースを形成でき、別の放電エネルギを用いてボールベースの表面にコーティング材料を付着させることができる。このことで、放電エネルギを用いて、ボール状の表面に低融点のコーティング材料を付着させたイニシャルボールを形成できる。そしてこのイニシャルボールを用いることで、厚い銅の酸化膜があっても、金ワイヤと銅のボンディングパッドとを接合することができる。また、ボールベースの形成工程と、コーティング材料の付着工程とを独立に制御できる。
【００１９】
また、前記第１放電電圧は、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しプラス電位とする直流高電圧であることが好ましい。また、前記ワイヤは金を主成分とするワイヤのほか、銅を主成分とするワイヤでもよい。また、前記低融点のコーティング材料は、錫またはインジウムを主成分とする低融点材料であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係るワイヤボンディング装置は、ワイヤを挿通し、先端から前記ワイヤを突出させて位置決めするキャピラリと、前記ワイヤに対向するトーチ電極と、前記ワイヤを前記トーチ電極に対しプラス電位として第１放電電圧を印加し、前記ワイヤの先端を溶融してボール状のボールベースを形成する第１放電電圧印加手段と、前記ワイヤに比較して低融点のコーティング材料からなる電離ガス体形成電極対と、前記電離ガス体形成電極対の間に第２放電電圧を印加して、前記ボールベースを内部に含むように前記コーティング材料の電離ガス体を形成し、前記ボールベースの表面に前記コーティング材料を付着させる第２放電電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態に付き詳細に説明する。図１は、ワイヤボンディング装置５０において、ワイヤボンディングに用いられるワイヤ１２の先端にイニシャルボール５８が形成される様子を示す図である。
【００２２】
図１において、ワイヤボンディング装置５０は、ワイヤ１２を挿通し、先端からワイヤを突出して位置決めするキャピラリ１６と、ワイヤ１２の先端に対向して設けられたトーチ電極５２と、トーチ電極５２を支持するトーチ電極支持部５４と、ワイヤ１２とトーチ電極５２との間に放電電圧を印加する第１直流高圧電源５６とを備える。さらに、ワイヤボンディング装置５０は、一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂと、これに対応して設けられる一対の電離ガス体形成電極支持部６２ａ，６２ｂおよびワイヤに対向する側と反対側に絶縁性材料からなる一対の防護カバー６４ａ，６４ｂと、第２高圧電源６６とを備える。また、ワイヤボンディング装置５０は、ボンディングテーブル３２が設けられる。ボンディングテーブルは、ボンディングパッド３４を有するＬＳＩチップ３６と、回路基板３８とを保持することができる。
【００２３】
第１直流高圧電源５６は、ワイヤ１２とトーチ電極５２との間に放電を起こさせる第１放電電圧を印加する手段で、そのワイヤ１２をトーチ電極５２に対しプラス電位となるように接続される。
【００２４】
第２高圧電源６６は、一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂ間に第２放電電圧を印加することで、気中放電を生じさせ、後述するように低融点のコーティング材料のイオンを含む電離ガス体を形成する機能を有する。
【００２５】
一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂの材料には、ワイヤに比較して低融点のコーティング材料、例えば融点が約２３０度の錫を主成分とする低融点材料を用いることができる。他に、融点が約１５０度のインジウムを主成分とする低融点材料を用いることもできる。また、ワイヤに比較して低融点のそれ以外の合金を用いてもよい。例えば融点が１１０度以上２４０度以下の合金を用いることができる。
【００２６】
各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂの全体が低融点のコーティング材料であってもよく、または、その一部が低融点のコーティング材料であってもよい。例えば各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂの先端のみが低融点のコーティング材料であってもよく、外周部分のみが低融点のコーティング材料であってもよい。また、後述のように、低融点材料が放電によりイオン化して放散し、電離ガス体を形成する際に、その放散方向に指向性を持たせる放散指向性部材を設けることができる。例えば、低融点材料の周囲を絶縁体で覆い、一部に穴を設け、穴の方向に放散指向性を有するようにしてもよい。
【００２７】
電離ガス体形成電極支持部６２ａ，６２ｂは、各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂを交換可能に取付け支持し、第２高圧電源６６からの放電電圧を各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂに伝える機能を有する。例えば、電離ガス体形成電極を差し込む穴と、差し込まれた電離ガス体形成電極と電気的導通をとりつつ固定するボルトとを有する金属部材で構成することができる。
【００２８】
図１のワイヤボンディング装置５０においては、低融点のコーティング材料を表面に付着させたイニシャルボールを形成する手順を２段階の工程に分けることができる。すなわち、ワイヤ１２の先端を放電により溶融しボール状のボールベースを形成するボールベース形成工程と、ボールベースの表面に低融点のコーティング材料を付着させるコーティング工程である。
【００２９】
図２は、ボールベース形成工程を説明する図である。まず、直径が２０ミクロン（μｍ）の金線をワイヤ１２に用い、ワイヤ１２をキャピラリ１６に挿通し、図示されていないクランプ機構によりワイヤの先端をキャピラリ１６から突出して位置決めする。次にトーチ電極支持部５４に保持されたトーチ電極５２を、図示されていない移動機構により移動して、トーチ電極５２とワイヤ１２の先端を所定の対向関係に位置決めする。次に、第１直流高圧電源５６のスイッチをＯＮして、放電電圧をワイヤ１２とトーチ電極５２との間に印加する。このことでワイヤ１２の先端とトーチ電極５２との間の領域７０で空中放電が起こり、ワイヤ１２の先端が加熱され溶融し、ボール状のボールベース５７が形成される。放電時間は数ｍｓｅｃである。
【００３０】
第１放電電圧は、ワイヤをトーチ電極に対しプラス電位とする直流高電圧としている。このことで、汚染の原因となる大気中のプラスイオンがワイヤに堆積することを少なくできる。また、空中放電の開始はマイナス電位側の電極全表面からプラス電位側の電極の先端に向けて起こることが知られているが、ワイヤをトーチ電極に対しプラス電位としたので、ワイヤ全表面からの放電を抑え、放電をワイヤ先端とトーチ電極との間に集中させることが容易となる。したがって、汚染の少ないボールベースの形状を制御性よく形成することができる。
【００３１】
図３は、コーティング工程を説明する図である。まず、トーチ電極５２を図示されていない移動機構により退避させる。次に、図示されていない他の移動機構を用いて、各電離ガス体形成電極支持部６２ａ，６２ｂに取付いている、錫からなる各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂを移動し、各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂの先端を所定の対向関係に位置決めする。この位置決めは、移動機構を用いずに、最初から固定関係としてもよい。このときの各防護カバー６４ａ，６４ｂは、後述する電離ガス体を形成する放電が、各電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂと、ＬＳＩチップ３６あるいは回路基板３８との間に起こらないように配置がなされる。
【００３２】
所定の対向関係に位置決めされた一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂは、図示されていない別の移動機構により、キャピラリ１６に保持されたボールベース５７との間で所定の位置関係に位置決めされる。
【００３３】
次に、第２高圧電源６６のスイッチをＯＮして、放電電圧を一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂ間に印加する。このことで一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂ間で空中放電が起こり、電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂの錫も高温に加熱され空中に放散し、高電圧の下で電離しイオン化され、錫イオン７２を含む電離ガス体７４を形成する。このとき、放電条件により、電離ガス体７４の大きさを調整し、ボールベース５７が電離ガス体７４の内部に含まれるようにする。あるいは、上記のボールベース５７と一対の電離ガス体形成電極６０ａ，６０ｂとの間の位置関係を調整して、ボールベース５７が電離ガス体７４の内部に含まれるようにしてもよい。
【００３４】
このようにして、ボールベース５７を内部に含んで錫イオンを含む電離ガス体７４が形成されるので、表面に錫が付着したイニシャルボール５８を得ることができる。
【００３５】
この表面に錫が付着したイニシャルボール５８を用いて銅のボンディングパッド３４との接合を行うには、このイニシャルボール５８を保持したまま、キャピラリ１６を移動させ、ＬＳＩチップ３６の銅のボンディングパッド３４に押し付ける。次に図示されていない超音波エネルギ供給手段により、押し付けたイニシャルボール５８と銅のボンディングパッド３４とに超音波エネルギを与える。
【００３６】
このようにして、本発明の基礎となる知見の項で詳述したとおり、通常のアルミパッドへの金ワイヤのワイヤボンディングに用いるのと同程度の超音波エネルギを加えて、実用上十分な剥離強度の、金ワイヤと銅ボンディングパッドとの間の接合を得ることができる。
【００３７】
なお、以上の説明では、金ワイヤと銅のボンディングパッドとの間のワイヤボンディングについて述べたが、銅を主成分とするワイヤを用いることでも本発明が実施できる。この場合、相手のボンディングパッドの材料は銅以外でもよい。例えばアルミパッド、金パッドでもよい。また、銅のボンディングパッドは半導体チップのボンディングパッドとして説明したが、回路基板の銅のボンディングリードに対しても本発明が実施できる。
【００３８】
このように、特別な半導体製造工程を増やすことなく銅を対象とする接続を簡単至便な方法をもって達成することができる。さらに、常温下でも十分な接合強度を得ることができ、温度上昇による銅の酸化の影響を被ることなく良好な接続品質を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係るワイヤボンディング用ワイヤのイニシャルボール形成方法およびワイヤボンディング装置によれば、銅をワイヤボンディングの対象とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施の形態のワイヤボンディング装置において、表面に低融点のコーティング材料が付着したイニシャルボールの形成の様子を示す図である。
【図２】  ボールベース形成工程を説明する図である。
【図３】  コーティング工程を説明する図である。
【符号の説明】
１２  ワイヤ
１６  キャピラリ
５０  ワイヤボンディング装置
５２  トーチ電極
５６  第１直流高圧電源（第１放電電圧印加手段）
５７  ボールベース
５８  イニシャルボール
６０ａ，６０ｂ  電離ガス体形成電極
６６  第２高圧電源（第２放電電圧印加手段）
７２  錫イオン
７４  電離ガス体
【図１】
0003704328.tif 000002
【図２】
0003704328.tif 000003
【図３】
0003704328.tif 000004