(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム線を押圧平面部によって押圧しながら超音波を付与して、前記アルミニウム線の先端を電極パッドに接合するためのアルミニウム線用超音波接合治具において、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の長さ方向における長さが０．０２０インチ以上であり、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の供給側の後端角部に、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の長さ方向における長さ以上の曲率半径を有するＲ面を形成したことを特徴とするアルミニウム線用超音波接合治具。
【請求項２】
線径が２５〜５０μｍの前記アルミニウム線を接合するのに用いることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム線用超音波接合治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面に接合された半導体素子の電極と基板の電極とをアルミニウム線によって超音波接合するのに用いられる超音波接合治具に関するもので、特に、自動車のエンジンルーム等の熱的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境で使用される場合に好適なものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、混成集積回路においては、半導体素子と回路基板のそれぞれの電極パッドとを接続するのに金属線が用いられ、特に線材そのもののコスト低減と予熱が不要であり実装のコスト低減が図られることから、アルミニウム線が一般に用いられている。
【０００３】
アルミニウム線を電極パッドに接合する方法として、通常、超音波接合が用いられる。具体的には、超音波発振器の共鳴ホーンの先端に取り付けられたアルミニウム線用超音波接合治具を通じてアルミニウム線に伝達され、接合治具と共に振動するアルミニウム線の表面に存在する酸化物や汚れが、振動に伴う電極パッド表面との摩擦によって排除され、アルミニウム線内部の清浄度の高い金属部分が電極パッドの金属と金属結合により、または金属間の拡散、合金化乃至はアンカー効果によって接合される。
【０００４】
従来から用いられる一般的なアルミニウム線用超音波接合治具の構造としては、図２に示すようにタングステンカーバイド等の超硬合金からなる接合治具１１の先端には、アルミニウム線１２を電極パッドに押圧するための押圧平面部１３とアルミニウム線供給装置（不図示）から供給されるアルミニウム線を押圧平面部１３に送るためのガイド部１４とを具備する。
【０００５】
また、接合治具の押圧平面部１３の前端角部１３ａおよび後端角部１３ｂには、通常、Ｒ面取りが施されている（特開昭５４−１４２０６６号）。
【０００６】
この押圧平面部１３の長さは、従来最小値が０．００１インチ（２５．４μｍ）であり、カタログ値として一般的には０．００１５（３８．１μｍ）から０．０４０インチ（１０１．６μｍ）まであり、アルミニウム線径や保証すべき接合強度により選択されている。
【０００７】
また、上記の前端角部１３ａ、後端角部１３ｂのＲ面の曲率半径は通常、２５．４μｍに固定されている。また、この接合治具を用いて形成されたアルミニウム線による接合構造の接合信頼性を向上するために、角部後面Ｒ部に２０°のカットしてＣ面を追加してワイヤ形状に工夫がなされることも提案されている（特開平１１−１６９３４号）。
【０００８】
また、上記の超音波接合治具を用いて２つの電極をアルミニウム線によって接続するには、図３に示すように、第１の電極パッド１５に、押圧平面部１３によってアルミニウム線１２を押圧しながら超音波を付与して第１の電極パッド１５にアルミニウム線１２の先端を接合した後、治具をアルミニウム線１２とともに第２の電極パッド１６に移動し、アルミニウム線１２を第２の電極パッド１６に対して超音波によって接合した後、アルミニウム線１２は、接合治具が第２の電極パッド１６から離れることによって自然に切断されて、第１の電極パッド１５と第２の接続端子１６は、折れ曲がり部１７を有するアルミニウム線２によって接続される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の接合治具を用いると、結線したアルミニウム線の折れ曲がり部１７で大規模な塑性変形を生じ、また超音波の繰り返し振動による疲労が重畳されるため浅い裂け目が生じることが多い。一般民生部品においてはこの裂け目は信頼性に影響を与えないが、自動車のエンジンルーム等の熱的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境で使用される場合、この浅い裂け目を起点としてき裂が発生して断線に至り、電子デバイスの機能が満足されない場合があった。
【００１０】
従って、本発明は、厳しい環境下でも高い接合信頼性を有するアルミニウム線による結線構造を形成することのできるアルミニウム線超音波接合治具を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、前記アルミニウム線による折れ曲がり部の浅い裂け目の発生が、接合治具の押圧平面部の長さと後端角部の曲率半径とに関係していることを突き止め、特にこの曲率半径を特定の範囲に制御することによって、上記の目的が達成できることを見いだした。
【００１２】
即ち、本発明は、アルミニウム線を押圧平面部によって押圧しながら超音波を付与して、前記アルミニウム線の先端を電極パッドに接合するためのアルミニウム線用超音波接合治具において、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の長さ方向における長さが０．０２０インチ以上であり、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の供給側の後端角部に、前記押圧平面部の前記アルミニウム線の長さ方向における長さ以上の曲率半径を有するＲ面を形成したことを特徴とするものである。なお、このアルミニウム線用超音波接合治具は、特に線径が２５〜５０μｍのアルミニウム線を接合するのに好適に用いられる。
【００１３】
本発明の接合治具を用いて２つの電極パッド間をアルミニウム線で接続すると、アルミニウム線の折れ曲がり部で塑性変形が生じ、また超音波の繰り返し振動による疲労が重畳されるものの、従来のような浅い裂け目（クラック）の発生を効果的に抑制することができる結果、自動車のエンジンルームのように熱的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境で使用される場合であっても、き裂が進展せず、高い接合信頼性を付与することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアルミニウム線用超音波接合治具の１例の概略側面図を示す図１を参照しながら詳細に説明する。図１のアルミニウム線超音波接合治具１は、タングステンカーバイド等の超硬合金、セラミックスなどの材料からなるものであって、その先端構造としては、接合時にアルミニウム線２を押圧するための押圧平面部３が形成されている。また、この押圧平面部３の後部には、この押圧平面部３にアルミニウム線供給装置（不図示）から供給されるアルミニウム線２を供給するためのガイド部４が形成されている。
【００１５】
そして、この接合治具１は、超音波発振装置の先端に取付けられており、アルミニウム線２への接合エネルギーは、接合治具１の本体からアルミニウム線２を押圧する押圧平面部３から伝達される。
【００１６】
この押圧平面部３の前端角部３ａおよび後端角部３ｂはいずれもＲ面取りが施されている。
【００１７】
従来の接合治具では、記述の通り、後端角部３ｂの曲率半径ｒｂは、通常２５．４μｍに固定されているが、本発明によれば、押圧平面部３におけるアルミニウム線２の長さ方向における長さが０．０２０インチ以上であり、後端角部３ｂにおけるＲ面の曲率半径ｒｂが押圧平面部３におけるアルミニウム線２の長さ方向における長さ以上の大きさで加工されていることが重要である。
【００１９】
なお、本発明における押圧平面部３の前端角部３ａのＲ面の曲率半径ｒａは、アルミニウム線の負担を与えない範囲で２０乃至３０μｍであることが適当である。
【００２０】
【実施例】
タングステンカーバイドから成る直径３ｍｍ、長さ５０ｍｍの超音波接合治具を用意し、その先端に、図１のように、アルミニウム線への押圧平面部と、アルミニウム線供給装置から供給されるアルミニウム線のガイド部とを加工形成した。なお、押圧平面部の長さが３８．１μｍと６３．５μｍの２種類の超音波接合治具を用意し、それぞれ前端角部に曲率半径が２５μｍのＲ面を、後端角部に表１に示すような種々の曲率半径のＲ面を形成して超音波接合治具を得た。
【００２１】
一方、アルミナ基板表面上の電極パッドとして、タングステンメタライズ部を形成しその表面に、無電解Ｎｉメッキを施し、さらにその上に無電解Ａｕメッキを施した。クリーンルーム内において、ベアチップを実装するパッド部に銀ペーストを印刷し、３ｍｍ角の大きさを持つベアチップを所定の部位に実装した後、オーブン中でキュアした。
【００２２】
そして、ベアチップ上の電極パッドとアルミナ多層基板上の電極パッド間を、直径３０μｍまたは５０μｍのアルミニウム線を用いて超音波接合により接合した。
【００２３】
電極パッド間の接続直後のアルミニウム線の状態を走査型電子顕微鏡写真にて観察してクラックの発生の有無を確認した。また、アルミニウム線によるプル強度を測定した。このプル強度は、プルテスターを用いて湾曲したアルミニウム線の頂部を引っ張り、アルミニウム線の少なくとも一方が電極パッドから外れた時の引っ張り強度を測定した。
【００２４】
また、ベアチップ上の電極パッドと多層基板上の電極パッドとを接合するアルミニウム線の接合の接続信頼性を評価するため、温度範囲−４０℃〜１２５℃各３０分保持の気槽温度サイクル試験を１０００サイクル行い、試験後のアルミニウム線の状態およびプル強度を測定した。
【００２５】
【表１】
0004683683.tif 000002
【００２６】
表１の結果から明らかなように、超音波接合治具の押圧平面部の後端角部のＲ面取りの曲率半径が押圧平面部の長さ以上で且つ４０μｍである場合においては、初期状態では、アルミニウム線の曲り部に裂け目は認められておらず、また、温度サイクル試験後においても、十分な接合強度が保たれ、接合信頼性に優れていることが判った。
【００２７】
これに対して、試料Ｎｏ．２〜４、６、７、９、１２〜１４、１６、１７、１９では、初期状態でアルミニウム線にクラックの発生が多く認められたり、初期でクラックが発生していないものもサイクル試験後にはクラックの発生が認められ、プル強度が低下し、接合が保証できないことが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の構造とすることにより、アルミニウム線の折れ曲がり部で塑性変形が生じ、また超音波の繰り返し振動による疲労が重畳されるものの、浅い裂け目の発生が抑制される。その結果、自動車のエンジンルームのように熱的、振動等の機械的および腐食等の化学的に厳しい環境で使用される場合であっても、き裂が発生せず、高信頼性をもって稼動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアルミニウム線用接合治具の概略図である。
【図２】従来のアルミニウム線用接合治具の概略図である。
【図３】アルミニウム線の超音波接合方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  接合治具
２  アルミニウム線
３  押圧平面部
３ａ  前端角部
３ｂ  後端角部
４  ガイド部
【図１】
0004683683.tif 000003
【図２】
0004683683.tif 000004
【図３】
0004683683.tif 000005