(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ボンディングに供される一本の導電体からなるパワーデバイス用ボンディングリボンであって、
複数の凸部を接合側の一方の面に備えるとともに、他方の面が平らに形成されたことを特徴とするボンディングリボン。
【請求項２】
前記凸部は、長手方向に延在する突条であり、断面において当該突条が連続した曲線からなる輪郭を構成することを特徴とする請求項１に記載のパワーデバイス用ボンディングリボン。
【請求項３】
電極にボンディングリボンを接合するボンディング方法であって、
複数の凸部を接合側の一方の面に備え、他方の面が平らに形成された一本の導電体からなるパワーデバイス用ボンディングリボンを用意する第１の工程と、
前記一方の面を前記電極に向けて前記パワーデバイス用ボンディングリボンを該電極の表面に配置し、前記他方の面にボンディングツールを当てて超音波を付与しながら前記パワーデバイス用ボンディングリボンを前記電極に接合する第２の工程と
を有することを特徴とするボンディング方法。
【請求項４】
前記第２の工程において、隣接する凸部の前記電極との接合面同士が連結するように前記ボンディングリボンを前記電極に接合することを特徴とする請求項３に記載のボンディング方法。
【請求項５】
前記凸部が前記ボンディングリボンの長手方向に延在する突条であり、断面において当該突条が連続した曲線からなる輪郭を構成することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のワイヤボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置等の電子デバイスの製造の際に、超音波ボンディングにより接合され電極間を接続するパワーデバイス用リボン、およびこれを用いたボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造において、半導体チップ上に設けられた接続電極（ボンディングパッド）と半導体パッケージに設けられた外部引出し用端子（リード）とを電気的に接続するために、アルミニウム等の導電性ワイヤを用いる超音波ワイヤボンディング方法が広く使用されている。この方法はワイヤに荷重および超音波振動を加えて、ボンディングパッドおよびワイヤの表面に形成された酸化膜を破って原子を表面に露出させ、ボンディングパッドとワイヤとの界面に塑性流動を発生させて互いに密着する新生面を漸増させながら原子間結合させることにより接合する。
【０００３】
ところで、近年、パワーデバイスの応用分野が多岐にわたり、ハイパワー化が求められている。そのため接続導電体の電流容量の増大が必要となり、これを実現するためには電流路内の電気抵抗を減らす必要等がある。そのため、電流路の断面積を増大して電流容量を増大する技術として、断面が略長方形（扁平形状）の導電体（以下「リボン」と呼ぶ。）を用いたワイヤボンディング方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３３６０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の接合面が平坦なリボンを用いたワイヤボンディング方法では、ボンディングパッドおよびリボンの表面はともに微視的には平坦ではないため、ボンディングの初期に接触する部分の位置、大きさが一定とならない。そのため酸化膜を破って塑性流動が開始されても接合される新生面の広がりを容易にすることができない。また、互いに平面的である電極とリボンとの接触面同士のボンディングではリボンが塑性変形し難いため、例え全面を接触させたとしても接触面に酸化膜が残留することがあり、接触面全面にわたる原子間結合させるのが困難なことがある。そのため安定したボンディング強度（接合強度）を得ることができない。
【０００５】
そこで、リボンを用いた超音波ボンディングにおいて、従来技術によるリボンと比較して、同等の電流容量を備え、同等若しくは同等以上であってより安定した接合強度を実現できるボンディング用リボン、およびこれを用いたボンディング方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の手段として、本発明は、超音波ボンディングに供される一本の導電体からなるパワーデバイス用ボンディングリボンであって、複数の凸部を接合側の一方の面に備えるとともに、他方の面が平らに形成されたボンディングリボンを提供する。
【０００７】
これによると、ボンディングの初期に被接合面に接触する複数の凸部の頂部が形成され、その位置、大きさを所望のものとすることにより、ボンディング時の原子間結合によって接合される新生面の広がりを容易にすることができる。また、複数の凸部の頂部の面積を小さくすることにより、リボンと被着物との摩擦が発生し易くなって、表面に形成されている酸化膜を容易に破ることが可能となる。初期の塑性流動を発生させやすいため、比較的小さな荷重および超音波エネルギにより、接合面が平坦なリボンと比べて安定した接合強度の確保を実現できる。また、ボンディングツールにより押圧されて塑性変形する部分の端部、所謂ネック部分の損傷も抑えられ、上面クラックの発生が抑制される。
【０００８】
また、上記課題を解決するための第２の手段として、本発明は、第１の手段であるパワーデバイス用ボンディングリボンにおいて、前記凸部が長手方向に延在する突条であり、断面において当該突条が連続した曲線からなる輪郭を構成するボンディングリボンを提供する。
【０００９】
これによると、ボンディングの初期に接触する複数の凸部の頂部が長手方向に延在して形成され、その方向がリボンに加える超音波振動の方向と一致し、従来のワイヤボンディング技術を利用した効果的な接合を行うことができる
【００１０】
また、上記課題を解決するための第３の手段として、本発明は、電極にボンディングリボンを接合するボンディング方法であって、複数の凸部を接合側の一方の面に備え、他方の面が平らに形成された一本の導電体からなるパワーデバイス用ボンディングリボンを用意する第１の工程と、前記一方の面を前記電極に向けて前記パワーデバイス用ボンディングリボンを該電極の表面に配置し、前記他方の面にボンディングツールを当てて超音波を付与しながら前記パワーデバイス用ボンディングリボンを前記電極に接合する第２の工程とを有することを特徴とするボンディング方法を提供する。
【００１１】
また、上記課題を解決するための第４の手段として、本発明は、第３の手段であるワイヤボンディング方法において、前記第２の工程において、隣接する凸部の前記電極との接合面同士が連結するように前記ボンディングリボンを前記電極に接合するワイヤボンディング方法を提供する。さらに、第５の手段として、本発明は、第３または第４の手段であるワイヤボンディング方法において、前記凸部が前記ボンディングリボンの長手方向に延在する突条であり、断面において当該突条が連続した曲線からなる輪郭を構成するワイヤボンディング方法を提供する。
【００１２】
これらにより、前述の効果を発揮し得る接合面を備えたリボンを超音波ボンディングして半導体装置等の電子デバイスの製造に使用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
上記手段を用いることにより、接合面が平坦なリボンを用いたボンディングと比較して、同等の電流容量を備え、同等若しくは同等以上であってより安定した接合強度を実現するボンディングが可能となる。
【００１４】
また、リボンの電極に接触する側の面は、電極との初期の接触面積が小さく塑性変形し易いため、半導体素子の表面に発生する応力によって半導体素子が破壊される可能性が低く抑えられる。また、ボンディングツールにより押圧されて塑性変形する部分の端部、所謂ネック部分の損傷も抑えられ、上面クラックの発生が抑制される。
【００１５】
また、前記平坦なリボンを全面的に接合できた場合には、リボンと電極との接合面が大きくなり、リボンの材料であるアルミニウムと電極下のシリコンとの熱膨張率の不一致によって生じる応力およびひずみも大きくなって、接合部の疲労破壊が発生し易い。しかし、リボンの表面に被接合面に接触する複数の凸部の頂部を形成して、各接合面を独立させることによりこれを抑制することができる。なお、接合部の疲労破壊が問題とならないような場合には、各接合面を互いに連結させて接合面積を拡大するような実施形態としてもよい。さらに、リボンは通電により発熱するが、本発明に係るリボンは、同断面積のリボンと比べてリボンの表面積が大きいため、効率的に放熱することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態によるボンディングリボンを示す斜視図である。図中における上方の面が接合面であって、実際にボンディングに供するときにはこの面を下にして、ボンディングパッドまたはリードフレーム等の電極の上面に接合される。アルミニウムからなるリボン１は、リボンの長手方向に沿った５本の突条２を接合面に備えている。換言すれば、リボンの長手方向に沿った平行な４本の溝が接合面に形成されている。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施形態によるボンディングリボンの断面図である。リボン１の接合面には、頂部が略同一平面上にある複数の突条２が形成されている。突条２の頂部は、断面において略同一直線上にあり、接合面と反対側の面（以下、非接合面と記す）とこの直線とが略平行であることから、非接合面から突条２の頂部までの距離（以下、凸部の厚さと記す）が略一定である。突条２同士の間は、非接合面からの厚さが突条２の厚さよりも薄くなっている。
【００１９】
本実施形態では、リボン１の幅は１．５ｍｍであり、非接合面から凸部までの厚さは２００μｍである。５本の突条２が、リボン１の長手方向に延在するように形成されている。５本の突条２は、各突条の幅や大きさ、間隔を略同一に形成されており、所謂平目ローレット処理を施されたような形状となっている。そして、リボン１は、断面が円形状のワイヤを５本等間隔に配置したような電極との接触面を有することとなり、従来から実績のあるワイヤの接合メカニズムに近い接合メカニズムで接合され得る。
【００２０】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態によるボンディングリボンの断面図である。リボン３の幅および突条４の厚さは第１実施形態と同じであり、凸部が突条４として長手方向に延在している点でも同じである。第１実施形態と異なる点は、突条４の数が７本とされていること、および、断面において突条４が連続した曲線から構成されていることである。そのため、突条４の頂部はワイヤの接触により近い接触面を形成する。
【００２１】
＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態によるボンディングリボンを示し、（Ａ）は下面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ矢視図であり、（Ｃ）は（Ａ）中のＣ−Ｃ断面図である。リボン５の幅および凸部６の厚さは第１，第２実施形態と同じであるが、凸部６が長手方向に延在する突条ではない点で異なる。長手方向と斜めに交差する２方向に延在するように溝が形成されることにより、凸部６は長手方向および幅方向に所定の間隔で連成されている。所謂綾目ローレット処理を施されたような形状となっている。
【００２２】
ここまで本発明に係るリボンの具体的実施形態について説明してきたが、本発明に係るリボンは、所望の方向に連成された複数の凸部、若しくは、２本以上の突条を備えていればよく、その形状や大きさ、数、方向等を限定するものではない。例えば、幅方向の両端に位置する凸部の横寸法を中央部に位置する凸部の横寸法より小さくするような実施形態や、凸部の間隔を不規則にするような実施形態としてもよい。また、接合面に配置された凸部が部分的に連結されることにより全体として１つの凸部となるような実施形態であっても、ボンディングの初期に被接合面に接触する複数の凸部の頂部が形成されているのであれば、本発明の技術的思想の中に含まれる。一方、凸部の横寸法があまり大きいと、ボンディング初期の塑性流動を発生させ難いため、一般的なワイヤボンディングと同様に本発明に係るリボンの凸部についても、隣接する凸部同士の間隔を５００μｍ以下とすることが望ましい。また、断面において、凸部の頂部の幅が広く初期の接触面積が大きい場合には、凸部の数を増やす等して直線部分の幅を小さくし、例えば図１から図３に示すように２００μｍから４００μｍ程度とするのが好ましい。
【００２３】
このように接合面に複数の凸部を備えたリボンは、超音波ボンディングに利用しうる材料からなればよく、一般的にはアルミニウムが用いられるが、アルミニウム合金、金、銅またはその他の材料からなってもよい。
【００２４】
＜第４実施形態＞
図５は、本発明の第４実施形態によるワイヤボンディング方法を実施する様子を示した斜視図である。半導体装置１１上にはダイパッド１２が配設され、その上に半導体チップ１３がボンドされている。半導体チップ１３の上面にはボンディングパッド１４が設けられている。ダイパッド１２の周辺にはボンディングパッド１４に対応する複数のリード１５が配設されており、接合面に突条を備えたリボン１０によってそれぞれ電気的に接続される。ボンディングヘッド２１は、リボン１０を超音波ボンディングするためのボンディングツール２２、リボン１０をボンディングツール２２の先端に導くためのワイヤガイド２３、ワイヤクランプ２４およびカッタ２５を含み、ワイヤクランプ２４はワイヤガイド２３の上方に配設され、ボンディングツール２２に対してワイヤガイド２３の反対側にカッタ２５が配設されている。
【００２５】
ボンディングパッド１４およびリード１５の２つの電極を接続するボンディング手順は、まず、一方の面に長手方向に延在する複数の突条を備えたリボン１０を用意し、この面が下になって接合されるようにワイヤガイド２３に挿通してボンディングヘッド２１に装着する。続いてボンディングツール２２は、第１の電極としてのボンディングパッド１４の上面にリボン１０を超音波ボンディングする。ここで、リボン１０のボンディングパッド１４との接触面は、ボンディング初期においては複数の突条の頂部部分のみであるが、リボン１０に荷重および超音波振動が加わることによって、その面積が漸増されていく。
【００２６】
次に、ボンディングツール２２は、第２の電極としてのリード１５の上方へ移動しながら、リボン１０にループを形成する。そして、リード１５の上面に、ループを形成して引き渡されたリボン１０を、ボンディングツール２２により超音波ボンディングする。この場合にも、リボン１０の接触面は、ボンディング初期においては複数の突条の頂部部分のみであるが、次第にその面積が漸増されていく。その後、ボンディングツール２２はワイヤガイド２３側へさらに移動し、リボン１０が引き出されないようにワイヤクランプ２４により固定して、カッタ２５を使用してリボン１０を切断する。同様に隣接するボンディングパッド１４およびリード１５を接続していく。
【００２７】
なお、ここに示す本発明のボンディング方法に係る実施形態では、電極を接続するリボンに形成された凸部の本数を７本としているが、前述のように所望の方向に連成された複数の凸部、若しくは、２本以上の長手方向に延在する突条を備えていればよく、特定の形状や大きさ、数、方向等に限定されるものではない。また、前述した通り、ボンディング完了時において、各接合面を独立させることにより接合部の疲労破壊を抑制するような実施形態としてもよく、または、各接合面を互いに連結させて接合面積を拡大するような実施形態としてもよい。
【００２８】
図６は、リボンの接合跡を表す写真である。図面左側の列は、本発明に係る接合面に突条を備えたリボンの接合跡の写真であり、図１，図２に示す、幅が１．５ｍｍ、厚さが２００μｍのアルミニウムからなるリボン（以下「突条あり」と呼ぶ）であって、５本の突条が形成されたリボンが用いられている。図面右側の列は、従来技術による表面が平坦なリボンの接合跡の写真であり、同様に幅が１．５ｍｍ、厚さが２００μｍのアルミニウムからなるリボン（以下「突条なし」と呼ぶ）が用いられている。リボンが接合される被接合体には、表面がニッケルメッキ処理された基板が用いられている。
【００２９】
これらの写真は、上記２種類のリボンを対象に、同一の超音波ボンディング装置およびボンディングツールを用い、ボンディング荷重を２４．５２Ｎに、超音波発振器のパワー目盛りを１８０ＦＦとした同一条件において、発振時間Ｔを２５ｍｓ、５０ｍｓ、７５ｍｓ、１００ｍｓ、１２５ｍｓ、１５０ｍｓと変化させて上記被接合体にボンディングを行い、リボンを剥してその接合跡を撮影したものである。なお、使用されたボンディングツールは、先端幅が１．９ｍｍで、ボンド長さが０．６ｍｍのものであった。
【００３０】
図６を検討すると、突条ありでは、発振時間が長くなるにつれ、接合部の面積が次第に大きくなっていることが分かる。一方、突条なしでは、接合部の面積が発振時間と一定の関係にあるとは言い難く、接合部と、未だ接合されていない部分（特に接合面の中央部分）との境界がはっきりしていない。このような状況は、特にＴ＝２５ｍｓ，５０ｍｓ，７５ｍｓの短い発振時間において観察される。これらは、塑性変形が進まずに面同士が未だ接触しない部分が残存していること、または、面同士が接触したものの接触面に酸化膜が残留し、原子間結合がなされていないことによると考えられる。従って、本発明に係る接合面に突条を備えたリボンと比較して安定した接合強度を得られない。換言すれば、本発明に係る接合面に突条を備えたリボンは、従来技術によるリボンと比較して、より安定した接合強度を実現可能である。
【００３１】
また、Ｔ＝１００ｍｓ以上の比較的長い発振時間においては、突条ありでは、接合部の面積が安定して確保されているのに対し、突条なしでは、接合部の中央部分に接合されていない部分が観察される。すなわち、本発明に係る接合面に突条を備えたリボンは、従来技術によるリボンと比較して、接合部の面積を大きく確保して、同等若しくは同等以上の接合強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態によるボンディングリボンを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態によるボンディングリボンを示す断面図である。
【図３】第２実施形態によるボンディングリボンを示す断面図である。
【図４】第３実施形態によるボンディングリボンを示す図である。
【図５】第４実施形態によるボンディング方法を実施する様子を示す斜視図である。
【図６】リボンの接合跡を表す写真である。
【符号の説明】
【００３３】
１，３，５，１０  リボン
２，４  凸部
６    突条
１１  半導体装置
１２  ダイパッド
１３  半導体チップ
１４  ボンディングパッド
１５  リード
２１  ボンディングヘッド
２２  ボンディングツール
２３  ワイヤガイド
２４  ワイヤクランプ
２５  カッタ
【図１】
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【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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