(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品から延出された多数のリードと回路基板上の多数の電極とを一体化接合するボンディングツールであって、
ボディ材の先端部の各辺にそれぞれ、少なくとも２列以上で各列ともに複数個に分割された加圧部が一体的に固着されており、
前記２列以上の分割加圧部の列は、外側に位置する分割加圧部の一部分と内側に位置する分割加圧部の一部分とが内外方向で重なり合い、外側の分割加圧部の隣接するもの同士間の隙間が内側の分割加圧部に対して内外方向で対向する状態に配列されていることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】
内外の分割加圧部の列が２列であり、各列の分割加圧部は等分割されて長さがほぼ等しくなっており、外側の分割加圧部の隙間が内側の分割加圧部の長さ方向のほぼ中央に位置していることを特徴とする請求項１に記載のボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、回路基板の電極に対して集積回路素子等の電子部品からの外部引き出しリードを加熱加圧により接続するボンディングツール、および、ボンディングツールによって接続されて製作されるリード接続構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体チップから外部へ電気的導通を得るための接続方法として、機器の付加価値の向上に寄与する立体的な実装、電気的特性検査の容易性、薄型で小型なパッケージ化が可能である等の特長を有するＴＡＢ（Tape Automated Bonding）方式が広く採用されている。
【０００３】
このＴＡＢ方式の接続に関しては、フィルムキャリアのインナーリードと半導体チップの電極とを突起電極（バンプ）を介して接続するインナーリードボンディング工程と、フィルムキャリアのアウターリードと回路基板の電極同士を接続するアウターリードボンディング工程とがある。
【０００４】
以下、後者のアウターリードボンディング工程について、図５を用いて説明する。
【０００５】
ボンディングツール１１は、ボディ（シャンク）材１４の先端部にろう材１３を介して加圧部１２を接合した状態に構成されている。
【０００６】
インナーリードボンディング工程の後に、樹脂塗布工程、電気検査工程を終了し、良品と判定されたサンプルは、長尺なポリイミド製等の有機フィルム２１上から、パンチングおよび外部引き出しリード１９のフォーミングをする。有機フィルム２１上のインナーリードは半導体チップ２０に対して突起電極２２を介して接続されている。フォーミングされたＴＡＢパッケージ１８は、このパッケージ１８におけるＳｎやハンダまたはＡｕでメッキされた外部引き出しリード１９を、ＳｎやハンダまたはＡｕで処理された回路基板１６上の電極１７に位置合わせし対接させる。回路基板１６は予めボンディングステージ１５上に位置決め状態で載置されている。
【０００７】
次に、２５０〜５００℃に加熱されたボンディングツール１１を下降させ、５０〜１００ｇ／リードの圧力で０．５〜３．０秒の間、加圧部１２によりリード１９と回路基板１６の電極１７との接触部を加熱加圧し、全リードを一括的に熱圧着接続する。ボンディングステージ１５は、ボンディング時の熱衝撃を緩和するため、内蔵しているヒーター２３によって、通常、ボンディング温度以下の１５０℃前後の温度に予備加熱されている。ここで、リード１９がＳｎメッキされ、回路基板１６の電極１７がＡｕ処理されている場合、共晶合金ができ、それによって接続される。なお、リード１９や電極１７の表面処理の材料等に応じて、上記の接続条件も適宜選定される。
【０００８】
このようなボンディングに使用されるボンディングツール１１の加熱方式には、ボンディング時のみボンディングツール１１に瞬間的にパルス電流を流して加熱する「パルスヒート方式」と、ボンディングツール１１にヒーター２４を内蔵し、常時的に加熱する「コンスタントヒート方式」とがある。
【０００９】
コンスタントヒート方式のボンディングツール１１は、図６の（ａ）に示すように、一般的に、ボディ材１４にステンレス鋼や超鋼材を用い、加圧部１２には硬度面やクリーニング性から焼結ダイヤモンドやＣＢＮ（Cubic Boron Nitride ）等を用い、Ａｇ等のろう材１３を介してボディ材１４に加圧部１２を接合した構造となっている。
【００１０】
従来、ボンディングツール１１の先端の加圧部１２の形状としては、図６の（ｂ）に示すように、先端部表面の４辺に沿って一文字型の加圧部１２ａを４つ分離して形成したものや、図６の（ｃ）に示すように、一文字型の加圧部を各辺ともに等分割した加圧部１２ｂに形成したものがある。
【００１１】
図６の（ｂ）に示す４辺がいずれも一文字型の加圧部１２ａの場合には、ボンディングツール１１の形状や素材の熱伝導率に起因した温度分布のばらつきや、加圧部１２ａをボディ材１４にろう付けしたときの素材間の熱膨張差のために、常温で加圧部１２ａを平面に加工しても、高温にすると、加圧部１２ａに凹状の大きな反りが発生する。これは、加圧部１２ａが比較的細長いことによる。チップサイズの大型化に伴い、ボンディングツール１１の先端部サイズが大きくなると、加圧部１２ａがさらに長くなり、その反りの傾向が増大する。
【００１２】
例えば、加圧部１２ａがインコネル（熱膨張係数：１６．０×１０-6／℃）で各辺が２０ｍｍ×１ｍｍのサイズとなっているボンディングツール１１で、３００℃に加熱した場合、加圧部１２ａの両端で４０μｍ以上の歪みが生じ、凹状の反りが発生する。すなわち、一文字型の加圧部１２ａでリード１９と電極１７との接続を行うと、接続時の加熱により加圧部１２ａの表面に凹状の大きな反りが発生し、各コーナー部に強い圧力が加わり、また、各コーナー部の間にあるリード１９には充分な圧力を加えることができず、接続不良に至る。
【００１３】
上述したような理由により、一般的には、全リードを一括して接続する場合には、図６の（ｃ）に示す各辺の一文字型を等分割した分割加圧部１２ｂを複数個有するボンディングツール１１が使用されている。このボンディングツールにおいては、１つ１つの分割加圧部１２ｂが短いので、反りの発生を抑制することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、ＬＳＩなどの半導体チップの高密度・高集積化に伴うＩ／Ｏポート数の増加（多リード化）やリードピッチ、リード幅の縮小化の傾向があり、図６の（ｃ）に示す各辺の一文字型を等分割した加圧部１２ｂを複数個有するボンディングツール１１であっても、図７に示すように、外部引き出しリード１９を回路基板１６の電極１７に一括的に接続する場合、リード１９のピッチやリード幅によっては、分割加圧部１２ｂにより正しい位置関係で対応せず、隣接する分割加圧部１２ｂの隙間１２ｂ1 の箇所にリード１９が対応すると充分な圧力を受けられない１９ａで示すようなリードが生じてしまい（一方はリード自体に全く加圧されていないし、もう一方はリードにボンディングツールの加圧部が片当たりした結果、リードが傾いている）、満足な接続状態が得られず、接続信頼性が不良となるという問題がある。
【００１５】
これは、高温時の反りを抑制するために、その加圧部１２ｂとして１辺を複数に分割したことに原因がある。その反面、加圧部を長くすると、凹状の反りが生じて、やはり接続信頼性の低下を招く。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みて創案されたものであって、進展する半導体チップ等の電子部品の高密度・高集積化に伴うリードピッチ、リード幅の縮小化および多リード化にかかわらず、全リードの一括的接続を高い接続信頼性のもとで実現できるボンディングツールを提供することを目的としており、さらに、高密度・高集積化された半導体チップ等の電子部品を実装するものでありながら高い接続信頼性をもったリード接続構造体を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる請求項１のボンディングツールは、ボディ材の先端部の各辺にそれぞれ、少なくとも２列以上で各列ともに複数個に分割された加圧部が一体的に固着されており、前記２列以上の分割加圧部の列は、外側に位置する分割加圧部の一部分と内側に位置する分割加圧部の一部分とが内外方向で重なり合い、外側の分割加圧部の隣接するもの同士間の隙間が内側の分割加圧部に対して内外方向で対向する状態に配列されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係わる請求項２のボンディングツールは、上記請求項１において、内外の分割加圧部の列が２列であり、各列の分割加圧部は等分割されて長さがほぼ等しくなっており、外側の分割加圧部の隙間が内側の分割加圧部の長さ方向のほぼ中央に位置していることを特徴とするものである。
【００２１】
【作用】
請求項１のボンディングツールにおいては、各列の加圧部のいずれもが複数個に分割され、個々の分割加圧部の長さが短くなっているので、高温時の反りが防止される。しかも、外側の分割加圧部での隙間を内側の分割加圧部でカバーするとともに、内側の分割加圧部での隙間を外側の分割加圧部でカバーするような形態となっているから、すべてのリードがいずれかの分割加圧部で加圧されることになり、半導体チップ等の電子部品の高密度・高集積化に伴うリードピッチ、リード幅の縮小化および多リード化にかかわらず、各辺においてリードと電極との接続不良が発生する領域がなくなる。
【００２２】
請求項２のボンディングツールにおいては、反りの防止と全リード一括接続との双方を満足しながら、最も簡単な構造であり、しかもすべての接続箇所の接続状態を均一化する。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明に係わるボンディングツールの一実施例およびそのボンディングツールによって接続されて製作されたリード接続構造体の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１の（ａ）は実施例に係わるボンディングツールの先端部の加圧部の配列をボンディングツールを上下逆さまにして見たときの斜視図、図１の（ｂ）は図（ａ）の状態での加圧部の配列を示す平面図、図１の（ｃ）はボンディングツールを正規の姿勢にしたときの下側部分の正面図である。図２はボンディング動作中の様子を示す要部の概略的な正面図、図３は図２に対応したボンディング状態を１辺のみについて示す要部の平面図、図４は製作されたリード接続構造体の概略的な斜視図である。図２，図３において、図示された電極１７およびリード１９の数は６本だけであるが、実際には５０〜１００本程度であり、そのまま図示すると難解であるので、理解しやすいように６本だけとしたものである。
【００２６】
ボンディングツール３１は、そのボディ（シャンク）材３４の先端部において、正方形の４つの各辺に沿ってそれぞれ、２列で各列とも複数個に分割された外側の分割加圧部３２ａと内側の分割加圧部３２ｂとをろう材３３を介して一体的に固着された状態に構成されている。ボディ材３４はステンレス鋼や超鋼材で構成され、各分割加圧部３２ａ，３２ｂは焼結ダイヤモンドやＣＢＮ（Cubic Boron Nitride ）等から構成され、ろう材３３としてはＡｇろうなどが使用されている。
【００２７】
外側の分割加圧部３２ａは１辺を４つに等分割した構造となっており、内側の分割加圧部３２ｂは１辺を３つに等分割した構造となっている。１辺の全長は約２０ｍｍであり、各分割加圧部３２ａ，３２ｂのサイズについては、各分割加圧部を熱収縮率が非常に小さい焼結ダイヤモンド（熱膨張係数：３．０〜３．８×１０-6／℃）で構成し、４００℃程度に昇温した場合でも、熱歪みにより発生する反りがリード１９と回路基板１６の電極１７との接続不良が発生しない程度の寸法、すなわち、長さが４ｍｍ程度、厚さが０．２ｍｍ程度となっている。
【００２８】
外側の分割加圧部３２ａも内側の分割加圧部３２ｂも共に等分割され、それぞれ長さが等しくなっている。外側の分割加圧部３２ａの各一部分と内側の分割加圧部３２ｂの各一部分とが内外方向で重なり合っている。外側の分割加圧部３２ａの隣接するもの同士間の隙間３２ａ1 は、内側の分割加圧部３２ｂの長さ方向のほぼ中央位置に対して内外方向で対向し、内側の分割加圧部３２ｂによってカバーされている。同様に、内側の分割加圧部３２ｂの隣接するもの同士の隙間３２ｂ1 は、外側の分割加圧部３２ａの長さ方向のほぼ中央位置に対して内外方向で対向し、外側の分割加圧部３２ａによってカバーされている。
【００２９】
外側の隙間３２ａ1 の幅と内側の隙間３２ｂ1 の幅とはほぼ同じであり、この幅をｗで表すと、隙間幅ｗはリード１９の幅よりも狭い方が好ましいが、４ｍｍ程度の長さの分割加圧部の場合は、隣接する分割加圧部が昇温によって干渉しあって反りが発生するのを避けるため、０．１ｍｍ以上の幅をとっていれば充分である。本実施例の場合、外側の隙間３２ａ1 を内側の分割加圧部３２ｂがカバーし、内側の隙間３２ｂ1 を外側の分割加圧部３２ａがカバーしているので、リード１９と電極１７との対接部を圧着しない領域は存在せず、隙間幅ｗの上限については特に限定する必要はないのであるが、本実施例の場合には約０．２ｍｍの幅としている。
【００３０】
なお、分離された各分割加圧部３２ａ，３２ｂ個々の形状としては、熱歪みによる反りや変形を考慮するとなるべく正方形に近い形状が望ましい。元の１枚板を複数分割して分割加圧部を作る方法は、ワイヤで削ったり電子ビームによる熱で溶かしたりするものである。
【００３１】
隙間３２ａ1 ，３２ｂ1 の深さｄは、分割加圧部３２ａ，３２ｂの高さｈよりも小さいが、なるべく高さｈに近い値とするのが望ましい。それは、加圧部をボディ材にろう付けするときに、素材間の熱膨張差による分割加圧部の熱歪みによる反りをなるべく減少させるためである。なお、深さｄを高さｈと等しくしてもよい。
【００３２】
図４に示すように、ＴＡＢ方式によるインナーリードボンディング後、樹脂を塗布し、テープキャリアフィルムをパンチングしたＴＡＢパッケージ１８から多数の外部引き出しリード１９が延出されているが、上記した構成のボンディングツール３１は、この多数のリード１９の外側端部と回路基板１６上の多数の電極１７とを位置合わせ対接した状態で、加熱加圧することにより一体的に接合するものである。
【００３３】
ＴＡＢパッケージ１８は、約３２０ピンの高密度・高集積回路素子であり、チップサイズは約１０ｍｍ角である。回路基板１６上で電極１７に対してリード１９をアウターリードボンディングするエリアサイズは約２０ｍｍ角である。回路基板１６上の電極１７およびリード１９のピッチは２００〜２５０μｍ、リード幅は約８０μｍ、リード厚さは約３０μｍである。リード１９はＣｕから構成され、その表面にＳｎがメッキ処理されており、電極１７の表面はＡｕメッキ処理されている。
【００３４】
ボンディングステージ１５上に回路基板１６を位置決め状態で載置し、ボンディングステージ１５に内蔵しているヒーター２３によって予備加熱しておく。回路基板１６に対して、回路基板１６の多数の電極１７にＴＡＢパッケージ１８の多数の外部引き出しリード１９を位置合わせする状態で、ＴＡＢパッケージ１８を載置する。そして、ボンディングツール３１を、内部のヒーター２４で昇温した後に、下降させ、その先端部の内外２列で四角かつ千鳥状に配列された分割加圧部３２ａ，３２ｂによって、互いに対接している多数のリード１９と電極１７とを一括的にボンディング（接合）する。
【００３５】
ボンディングの条件としては、例えば、ボンディングツール３１の温度を４００℃程度とし、１リード当たり５０ｇ重で３．０秒間にわたって加熱加圧するようにした。リード１９のＳｎメッキと電極１７のＡｕメッキとが溶融し、共晶合金となって接続される。
【００３６】
本実施例の場合、各列の加圧部をいずれも分割加圧部３２ａ，３２ｂとし、個々の分割加圧部の長さを短くしているので、高温時の反りを防止できる。そして、それだけでなく、外側の分割加圧部３２ａの隙間３２ａ1 を内側の分割加圧部３２ｂでカバーし、内側の分割加圧部３２ｂの隙間３２ｂ1 を外側の分割加圧部３２ａでカバーしているから、ＴＡＢパッケージ１８の高密度・高集積化に伴ってリードピッチ、リード幅が縮小化し多リード化しているにもかかわらず、すべてのリード１９に対してそれぞれに対応した電極１７への圧着圧力を充分に与えることができる。つまり、各辺においてリード１９と電極１７との接続不良の領域の発生をなくし、全リードの一括的接続を高い接続信頼性のもとで実現することができる。
【００３７】
また、このようにして製作された図４に示すリード接続構造体１００は、図３からも分かるように、電極１７に対するリード１９のリード長手方向での接続位置（小さい黒丸印で示してある）が、同一位置ではない配列となっている（より具体的には、隣接リードごとに交互に前後し、全体として千鳥状の配列となっている）。しかし、すべての接続箇所において接続の状態は均質なものとなっており、すべてのリードについて回路基板上の電極との接続信頼性を高いものにすることができる。また、歩留まりが良いことから、リード接続構造体１００の製造コストを低減することも可能である。
【００３８】
なお、本発明は上記実施例によって限定されるものではない。上記実施例では各辺の分割加圧部の列の数を２列としたが、この列数は３列以上でもよい。ただし、２列の場合が最も構造が簡単である。上記実施例では外側の列を４分割し、内側の列を３分割したが、分割数は２分割以上であればよい。また、各分割加圧部３２ａ，３２ｂは必ず等分割で構成する必要はないし、隙間の位置は、カバーされるのであればよく、相手方の分割加圧部の中央からずれていてもよい。上記実施例ではボディ材３４と分割加圧部３２ａ，３２ｂの材質が相違していたが、これに代えてボディ材３４と分割加圧部３２ａ，３２ｂとを同一材質としてもよいし、さらには一体成形してもよい。リード１９と電極１７との接続箇所が千鳥状になる場合もあることから、回路基板１６上での電極１７の配列が千鳥状の場合でも対応できる。また、上記実施例ではＴＡＢ方式のアウターリードボンディング工程に用いるボンディングツールについて説明したが、樹脂モールドパッケージ等の同様のリード接続用ボンディングツールにおいても本発明を適用してよいことはいうまでもない。
【００３９】
さらに、上記実施例ではコンスタントヒート方式のボンディングツールについて説明したが、もう一つの加熱方式であるパルスヒート方式のボンディングツールにおいても本発明を適用してよいことはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係わる請求項１のボンディングツールによれば、各列とも加圧部が分割されて個々の分割加圧部の長さを短くしているので、高温時の反りを防止できることに加え、外側の分割加圧部での隙間を内側の分割加圧部でカバーし、かつ内側の分割加圧部での隙間を外側の分割加圧部でカバーする形態としたので、すべてのリードがいずれかの分割加圧部で加圧されることになり、半導体チップ等の電子部品の高密度・高集積化に伴うリードピッチ、リード幅の縮小化および多リード化にかかわらず、各辺においてリードと電極との接続不良が発生する領域をなくし、全リードの一括的接続を高い接続信頼性のもとで実現することができる。したがって、ボンディングの歩留まりが向上するし、ボンディングツールを昇温させたときの熱歪みによる加圧部の傾きを修正する必要性がなくなり、作業能率の向上も図ることができる。
【００４１】
本発明に係わる請求項２のボンディングツールによれば、反りの防止と全リード一括接続との双方を満足しながら、最も簡単な構造とでき、しかもすべての接続箇所の接続状態を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例に係わるボンディングツールの先端部の加圧部の配列をボンディングツールを上下逆さまにして見たときの斜視図、（ｂ）は図（ａ）の状態での加圧部の配列を示す平面図、（ｃ）はボンディングツールを正規の姿勢にしたときの下側部分の概略的な正面図である。
【図２】実施例におけるボンディング動作中の様子を示す要部の概略正面図である。
【図３】図２に対応したボンディング状態を１辺のみについて示す要部の平面図である。
【図４】本発明の一実施例に係わるボンディングツールによって製作されたリード接続構造体の概略的な斜視図である。
【図５】従来例におけるアウターリードボンディング工程を説明する概略図である。
【図６】（ａ）は従来例のボンディングツールの概略構造を示す半断面図、（ｂ）はその先端部に形成された一文字型の加圧部の形態を上下裏返して示した平面図、（ｃ）は一文字型を等分割した加圧部の形態を示す平面図である。
【図７】従来例におけるアウターリードボンディング用のボンディングツールを用いた場合にリードと回路基板上の電極との接続が良好に行えない状態を示す概略正面図である。
【符号の説明】
１５………ボンディングステージ
１６………回路基板
１７………電極
１８………ＴＡＢパッケージ
１９………外部引き出しリード
２０………半導体チップ
３１………ボンディングツール
３２ａ……外側の分割加圧部
３２ａ1 …外側の分割加圧部の隙間
３２ｂ……内側の分割加圧部
３２ｂ1 …内側の分割加圧部の隙間
３３……ろう材
３４……ボディ材
１００……リード接続構造体
【図１】
0003543864.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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