(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とを備えたことを特徴とするボンディングダメージの計測用基板。
【請求項２】
前記基板は、半導体より成ることを特徴とする請求項１記載のボンディングダメージの計測用基板。
【請求項３】
ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成された複数のボンディング用の電極と、それぞれの電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、それぞれの歪みゲージに接続する信号線と計測手段に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路と、このスイッチング回路を駆動する駆動回路とを備え、前記ボンディング用の電極、歪みゲージ、スイッチング回路および駆動回路が、１枚の基板に形成されていることを特徴とするボンディングダメージの計測用基板。
【請求項４】
前記基板は、半導体より成ることを特徴とする請求項３記載のボンディングダメージの計測用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップなどの電子部品を基板にボンディングする際に基板に生じるダメージを計測する目的で使用されるボンディングダメージの計測用基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップなどの電子部品の製造や電子部品の基板への実装においては、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングなどの超音波接合が多用されている。この超音波接合は、ワイヤやバンプなどの接合物を被接合対象である電極に対して押圧するとともに接合物に超音波振動を付与することにより、接合界面を形成するものである。
【０００３】
この超音波接合においては、接合対象となる半導体チップや基板に対して荷重と超音波振動という機械的負荷が作用するため、荷重や超音波出力などの接合条件が適正でない場合には、クラックなどのダメージを発生させるおそれがある。このため、ボンディングに際しては、個々の半導体チップや基板について適切な接合条件を設定する必要がある。従来よりこの接合条件の設定は、超音波接合を実際に行った後に剥離試験などによって接合部の評価を行い、試行錯誤的に適正条件を求める条件出し作業によって行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接合後の評価のみに依存する従来の条件出し作業では、接合条件と発生したダメージとの対応関係を知ることができるものの、接合部のクラックなどのダメージの発生メカニズムを具体的に特定するための定量的なデータを得ることができず、適切な接合条件の設定やダメージ防止対策の立案のための有効なデータ入手が困難であるという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、接合部に発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができるボンディングダメージの計測用基板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のボンディングダメージの計測用基板は、ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とを備えた。
【０００７】
請求項２記載のボンディングダメージの計測用基板は、請求項１記載のボンディングダメージの計測用基板であって、前記基板は、半導体より成る。
【０００８】
請求項３記載のボンディングダメージの計測用基板は、ボンディングにより基板に生じるダメージを歪みゲージにより計測するボンディングダメージの計測用基板であって、基板の表面に形成された複数のボンディング用の電極と、それぞれの電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、それぞれの歪みゲージに接続する信号線と計測手段に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路と、このスイッチング回路を駆動する駆動回路とを備え、前記ボンディング用の電極、歪みゲージ、スイッチング回路および駆動回路が、１枚の基板に形成されている。
【０００９】
請求項４記載のボンディングダメージの計測用基板は、請求項３記載のボンディングダメージの計測用基板であって、前記基板は、半導体より成る。
【００１０】
本発明によれば、ボンディングダメージの計測用基板を、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とで構成し、ボンディング時の基板に発生する歪みを計測することにより、ボンディングにおいて発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図、図２は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の斜視図、図３は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の平面図、図４は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板のボンディングパッドの拡大斜視図、図５は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の制御系の構成を示すブロック図、図６は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測方法の説明図、図７は本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図である。
【００１２】
まず図１を参照してボンディングダメージの計測装置の構成について説明する。ボンディングダメージの計測装置は、基板にワイヤボンディングを行う際に基板に生じるダメージを計測するものである。計測には後述するように、複数のボンディングパッドが形成されそれぞれのボンディングパッドの位置に対応して歪みゲージが形成された専用の計測用基板が用いられる。ダメージの計測においては、この計測用基板にボンディング対象物であるワイヤをボンディングしたときの歪みゲージの電気的変化を計測手段で計測する。これにより、ボンディング過程において基板に生じる歪みの経時的変化が求められる。
【００１３】
図１において、基板保持部１（保持手段）上には、ボンディングダメージ計測用の基板ユニット２が保持されている。基板ユニット２は、外部接続用のサブ基板３上にボンディングダメージの計測用基板４（以下、単に「基板４」と略記する。）を載置して構成されている。基板保持部１の側方には、移動テーブル５ａ上にホーン駆動機構５ｂを装着して構成されたワイヤボンディング装置５が配設されており、ホーン駆動機構５ｂからはホーン６が基板保持部１の上方に延出している。ホーン６の先端部にはキャピラリツール６ａが設けられており、キャピラリツール６ａには、ボンディング用のワイヤ７が挿通している。
【００１４】
ワイヤ７の下端部にボール７ａを形成させた状態で、キャピラリツール６ａによってボール７ａを基板４のボンディングパッド上に押しつけるとともに、ホーン駆動機構５ｂによって超音波振動をボール７ａに印加することにより、ボール７ａは超音波振動と荷重の作用によって基板４にボンディングされる。このワイヤボンディングにより、基板４のボンディングパッド上にはバンプが形成される。ホーン駆動機構５ｂ、ホーン６およびキャピラリツール６ａは、ボンディング機構（図５に示すボンディング機構２３）を構成する。
【００１５】
このワイヤボンディングの過程においては、ボンディングパッドの位置に形成された歪みゲージの電気的変化が、サブ基板３に接続された計測手段９によって計測される。このとき、基板４に形成された複数のボンディングパッドに対応する歪みゲージのうち、ワイヤボンディングが行われるボンディングパッドに対応する歪みゲージが、ワイヤボンディング装置５の制御部８からの指示によって、計測手段９に選択的に接続される。すなわち、ワイヤボンディング装置５は、計測手段９に接続されている歪みゲージ２０に対応したボンディングパッド１０にボンディング対象物をボンディングするボンディング手段となっている。
【００１６】
次に図２、図３、図４を参照して、基板ユニット２および基板４について説明する。図２に示すようにサブ基板３上には、基板４が載置されている。基板４は半導体であるシリコンより成り、基板４の上面には複数のボンディング用の電極であるボンディングパッド１０が格子状に形成されている。
【００１７】
図４は、基板４から１つのボンディングパッド１０を切り出した状態を示しており、基板４はシリコン基板４ａの上面に、２層の絶縁層４ｂ，４ｃを形成した構成となっている。ボンディングパッド１０の表面は、導電体より成る電極１０ａで覆われており、電極１０ａの下方には、２層の絶縁層４ｃ，４ｂを介して細長形状の歪みゲージ２０がシリコン基板４ａの上面に形成されている。歪みゲージ２０はピエゾ抵抗素子であり、２軸方向（水平方向、すなわち基板４の表面に平行な方向、およびこの方向と直交する垂直方向）の微小歪みを計測することができる。
【００１８】
図３、図４に示すように、歪みゲージ２０は、１本の抵抗素子に複数の結線電極２０ａを等ピッチで形成することにより複数の歪みゲージを直列に連結した構成となっている。このような構成により、歪み計測の空間分解能を向上させるとともに、結線電極の総数を減少させて所要計測チャンネル数の低減が可能となっている。
【００１９】
各結線電極２０ａには絶縁層４ｂ，４ｃ（図４参照）の界面に形成された信号線２１が接続されている。各歪みゲージ２０の信号線２１は、配線回路を介して基板４に作り込まれたスイッチング回路１８に接続されており、スイッチング回路１８には、同様に基板４に作り込まれた駆動回路１９が接続されている。すなわち、基板４には、ボンディング用の電極としてのボンディングパッド１０、歪みゲージ２０、スイッチング回路１８および駆動回路１９が、１枚の基板に形成されている。また基板４の中心位置には熱電対等の温度検出部２２が形成されており、歪み計測時に基板４の温度も同時に検出し、温度による計測値の変動を較正するための温度データを取得することができるようになっている。
【００２０】
基板４の上面の相対向する２辺には、外部接続用の電極１１，１２が列状に形成されている。片側の電極１１は計測信号出力用の電極であり、電極１１のうちの２つの電極１１ａは温度検出部２２に接続されており、４つの電極１１ｂはスイッチング回路１８を介して歪みゲージ２０の信号線と接続される。また他方側の列状の電極１２は、駆動回路１９と接続されている。
【００２１】
図２に示すように、基板４の電極１１，１２はサブ基板３に形成された電極１３ａ，１３ｂ，１４にワイヤボンディングによって接続されている。電極１３ａ，１３ｂ，１４はさらに図示しない内部回路によって、外部接続用の端子１５ａ，１５ｂ，１６にそれぞれ接続されている。端子１５ａ，１５ｂは、外部配線（計測線）により計測手段９と接続され、また端子１６は外部配線（制御配線）により制御部８にそれぞれ接続されている。
【００２２】
図５に示すように、基板４がサブ基板３を介して計測手段９、制御部８と接続された状態では、スイッチング回路１８及び温度検出部２２は計測手段９と接続され、駆動回路１９は、制御部８と接続される。計測手段９は、歪みゲージ２０の電気的変化、すなわち抵抗値の変化を計測するとともに、温度検出部２２によって検出された基板４の温度を計測する。
【００２３】
計測手段９による歪みゲージ２０の電気的変化の計測において、駆動回路１９がスイッチング回路１８を駆動することにより、複数の歪みゲージ２０のうちワイヤボンディングが行われるボンディングパッド１０に対応した歪みゲージ２０と計測手段９とを導通させる。すなわち、歪みゲージ２０に接続する信号線２１と計測手段９に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路１８と、スイッチング回路１８を駆動する駆動回路１９は、計測手段９と歪みゲージ２０とを選択的に接続する選択手段となっている。
【００２４】
そして、この選択手段によって計測手段９に接続されている歪みゲージ２０に対応したボンディングパッド１０に、ボンディング機構２３によってワイヤボンディングが行われる。このワイヤボンディングの対象となるボンディングパッド１０の位置の指示は、ワイヤボンディング装置５の制御部８によって行われる。すなわち、制御部８は、駆動回路１９に対してボンディング対象となるボンディングパッド１０に対応した歪みゲージ２０を指示する指示手段となっている。
【００２５】
このボンディングダメージの計測装置は上記のように構成されており、以下ボンディングダメージの計測について説明する。この計測は、基板４のボンディングパッドにワイヤボンディングによって金属バンプを形成する際の歪みゲージ２０の抵抗値の変化を計測手段９によって計測して、ボンディング位置に発生する歪みを求めるものである。
【００２６】
まず、歪みゲージ２０に接続する信号線２１と計測手段９に接続する計測線とを選択的に導通させるスイッチング回路を駆動して、歪みゲージ２０のうちのいずれか１つを計測手段９に接続する（第１の工程）。
【００２７】
次に、ワイヤボンディング装置５により、ワイヤボンディングを実行する。すなわち、計測手段９に接続されている歪みゲージ２０に対応したボンディングパッド１０に、ボンディング手段によりワイヤ７のボール７ａをボンディングする。このボンディングにおいては、図６に示すように、キャピラリツール６ａによってボール７ａをボンディングパッド１０に対して所定荷重で押しつけるとともに、ボール７ａに対して超音波振動を矢印ａ方向に印加する。
【００２８】
そしてこのボンディング過程において、当該歪みゲージ２０の抵抗値の変化を計測手段９により計測する（第２の工程）。これにより、ボンディング位置の直下における基板４の歪みの時間的変化が求められ、ボンディング過程での当該計測位置における水平方向および垂直方向の応力状態を知ることができ、ボンディングによる基板４のダメージの状態を示す定量データを計測によって求めることができる。
【００２９】
そして上記歪みゲージの選択（第１の工程）と、選択された歪みゲージに対応したボンディングパッドを対象としたワイヤボンディングおよび当該歪みゲージを対象とした上記計測（第２の工程）が繰り返し行われる。これにより、同一の基板４に形成された複数のボンディングパッド１０におけるボンディングダメージの計測を効率よく行うことができる。
【００３０】
なお、上記説明においては、ボンディングの形態がワイヤボンディングであり、ボンディング対象物としてのボール７ａを基板４のボンディングパッド１０にボンディングする例を示したが、フリップチップボンディングに対しても本発明を適用することができる。すなわち図７に示すように、この場合においては、下面にバンプ３１が形成されたフリップチップ３０がボンディング対象物であり、このフリップチップ３０を基板４にボンディングする際に基板４に生じるボンディングダメージが計測の対象となる。
【００３１】
図７において、基板保持部１は図１に示すものと同様に、基板４が載置された基板ユニット２を保持する。基板保持部１の上方には、ボンディングツール３２およびボンディングツール３２を駆動するツール駆動機構３３を備えたチップボンディング装置３４が配設されている。フリップチップ３０を保持したボンディングツール３２を基板４に対して下降させ、バンプ３１を基板４のボンディングパッド１０に対して押圧するとともに超音波振動を印加することにより、バンプ３１は基板４のボンディングパッド１０に超音波振動と荷重によりボンディングされる。
【００３２】
サブ基板３に形成された端子は、図１と同様に計測手段９及びチップボンディング装置３４の制御部３５に接続される。これにより、前述のワイヤボンディングの例と同様に、ボンディングとともに行われる計測において計測手段９と計測対象として特定された歪みゲージ２０とが選択的に接続される。そして、計測手段９に接続されている歪みゲージ２０に対応したボンディングパッド１０に、フリップチップ３０のバンプ３１がボンディングされる。このフリップチップボンディングの対象となるボンディングパッド１０の位置の指示は、制御部３５によって行われる。
【００３３】
フリップチップボンディングを対象としたボンディングダメージの計測において、図５に示すように追加の計測チャンネルを備えた計測手段９’を増設することにより、ボンディング過程において複数のボンディングパッドを対象として同時に計測を行うことができ、計測作業の効率を向上させることができる。
【００３４】
なお上記実施の形態では、計測用の基板４として、ボンディング用の電極としてのボンディングパッド１０、歪みゲージ２０、スイッチング回路１８および駆動回路１９が、同一の基板４に形成された構成のものを用いているが、スイッチング回路１８および駆動回路１９の機能を基板４と別個に設けるようにしてもよい。この場合には、基板４の各ボンディングパッド１０の位置に設けられた歪みゲージ２０を、信号線２１によって基板４と別個に設けられたスイッチング回路１８と接続させる。
【００３５】
更に上記実施の形態では、複数の歪みゲージ２０に対して１つの温度検出部２２を共用しているが、各歪みゲージ２０の近傍に、それぞれの歪みゲージ専用の温度検出部２２を設け、スイッチング回路１８により１つの歪みゲージ２０とその近傍の温度検出部２２とを計測手段９に選択的に接続するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングダメージの計測用基板を、基板の表面に形成されたボンディング用の電極と、この電極の下方に絶縁層を介して形成された歪みゲージと、この歪みゲージに接続する信号線とで構成し、ボンディング時の基板に発生する歪みを計測するようにしたので、接合部に発生するダメージの要因についてのデータを定量的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図
【図２】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の斜視図
【図３】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板の平面図
【図４】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測用基板のボンディングパッドの拡大斜視図
【図５】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の制御系の構成を示すブロック図
【図６】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測方法の説明図
【図７】本発明の一実施の形態のボンディングダメージの計測装置の側面図
【符号の説明】
１  基板保持部
４  基板
５  ワイヤボンディング装置
５ｂ  ホーン駆動機構
６  ホーン
７  ワイヤ
７ａ  ボール
８  制御部
９  計測手段
１０  ボンディングパッド
１０ａ  電極
１８  スイッチング回路
１９  駆動回路
２０  歪みゲージ
２１  信号線
【図１】
0003573112.tif 000002
【図２】
0003573112.tif 000003
【図３】
0003573112.tif 000004
【図４】
0003573112.tif 000005
【図５】
0003573112.tif 000006
【図６】
0003573112.tif 000007
【図７】
0003573112.tif 000008