(57)【要約】【課題】ボンディングの接合強度と接合信頼性を確保し、ボンディング工程の合理化と低コスト化とを実現可能としたワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法を提供する。【解決手段】第１の電極２１と第２の電極１１との少なくとも一方の電極１１におけるボンディング領域が、第１のアルミワイヤ３を超音波接合して形成されたボンディング用の台座１４と、台座１４上に第２のアルミワイヤ２を超音波接合して形成されたボンド部２ｂとにより構成されている。第２のアルミワイヤ２は、第１のアルミワイヤ３よりも細い線材からなる。【選択図】図１
2012243943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とをワイヤボンディングする少なくとも一方の電極のボンディング領域が、第１のアルミワイヤを超音波接合して形成されたボンディング用の台座と、第２のアルミワイヤを前記台座上に超音波接合して形成されたボンド部とにより構成されており、
前記第２のアルミワイヤが前記第１のアルミワイヤよりも細い線材からなることを特徴とするワイヤボンディング構造。
【請求項２】
前記第１のアルミワイヤの線径は１００〜３００μｍであり、前記第２のアルミワイヤの線径は２５〜５０μｍであることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング構造。
【請求項３】
前記ボンディング領域の前記電極は、表面にニッケルめっきを施してなることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング構造。
【請求項４】
第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極に上記請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤボンディング構造を備えており、前記第２のアルミワイヤを介して前記第１の電極と前記第２の電極とが接続されてなることを特徴とする電子装置。
【請求項５】
第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極に第１のアルミワイヤにより超音波接合してボンディング用の台座を形成する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極をワイヤボンディングする第２のアルミワイヤを前記台座上に超音波接合する工程とを備え、
前記第２のアルミワイヤの線径は、前記第１のアルミワイヤの線径よりも細いことを特徴とする電子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子装置においては、ボンディングワイヤを介して、例えばＩＣチップ及び基板の間、基板及び基板の間、あるいは基板及びコネクタの間などを電気的に接続したワイヤボンディング構造を有するものが一般的である。このようなワイヤボンディング構造の一例としては、基板上に搭載したボンディング用のパッド（電極）と、基板及び外部装置間の電気的接続を行うコネクタのターミナル（電極）とをアルミニウム（以下、「アルミ」という。）からなるワイヤで超音波接合する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記特許文献１に記載された従来のワイヤボンディング構造によれば、基板のパッドは、４２アロイを基材として表面に電気Ｎｉ（ニッケル）めっき又は無電解Ｎｉめっきを施しており、基板の表面に形成されたＣｕ（銅）やＡｇ（銀）等の電極上にはんだを介して固定されている。一方のコネクタのターミナルには、黄銅からなる基材の表面に電気Ｎｉめっき又は無電解Ｎｉめっきが施されている。
【０００４】
基板のパッドとコネクタのターミナルとをワイヤボンディングするアルミワイヤとしては、大電流化に対応するため、直径１５０μｍ、２５０μｍ又は３５０μｍ程度のアルミ太線が用いられる。アルミワイヤを高温に加熱すると、酸化が促進して相手方の電極との接合性が低下するため、アルミワイヤと電極とは常温下で超音波ボンディングを行うことで接合されるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２１３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種の電子装置においては、ボンディングワイヤの細線化や狭ピッチ化などに対応して、例えば直径２５〜５０μｍ程度のアルミ細線を用いる場合がある。しかしながら、アルミ太線に比べると、アルミ細線は電極との接合面積を減少させるので、超音波ボンディングによる電極とアルミ細線との電気的接続の接合信頼性が得られにくい。特に、Ｎｉめっきを施した電極にあっては、表面の酸化、汚れや面粗さなどに起因して発生する不具合によってアルミ細線との接合が弱いため、接合強度不足が発生しやすい。
【０００７】
また、基板の電極上にボンディング用のパッドをはんだ付けする工程をワイヤボンディング工程に組み込むことは、はんだ付け工程とワイヤボンディング工程とが混在する複雑な工程となり、ワイヤボンディング工程の自動化や電子装置の製造工程全体の低コスト化などのための障害となりやすい。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ボンディングの接合強度と接合信頼性を確保し、ボンディング工程の合理化と低コスト化とを実現可能としたワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［１］本発明は、上記目的を達成するため、第１の電極と第２の電極とをワイヤボンディングする少なくとも一方の電極のボンディング領域が、第１のアルミワイヤを超音波接合して形成されたボンディング用の台座と、第２のアルミワイヤを前記台座上に超音波接合して形成されたボンド部とにより構成されており、前記第２のアルミワイヤが前記第１のアルミワイヤよりも細い線材からなることを特徴とするワイヤボンディング構造にある。
【００１０】
［２］上記［１］記載のワイヤボンディング構造にあっては、前記第１のアルミワイヤの線径は１００〜３００μｍであり、前記第２のアルミワイヤの線径は２５〜５０μｍであることを特徴とする。
【００１１】
［３］上記［１］記載のワイヤボンディング構造によると、前記ボンディング領域の前記電極は、表面にニッケルめっきを施してなることを特徴とする。
【００１２】
［４］本発明では更に、上記目的を達成するため、第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極に上記［１］〜［３］のいずれかに記載のワイヤボンディング構造を備えており、前記第２のアルミワイヤを介して前記第１の電極と前記第２の電極とが接続されてなることを特徴とする電子装置が提供される。
【００１３】
［５］本発明では更に、上記目的を達成するため、第１及び第２の電極の少なくとも一方の電極に第１のアルミワイヤにより超音波接合してボンディング用の台座を形成する工程と、前記第１の電極及び前記第２の電極をワイヤボンディングする第２のアルミワイヤを前記台座上に超音波接合する工程とを備え、前記第２のアルミワイヤの線径は、前記第１のアルミワイヤの線径よりも細いことを特徴とする電子装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボンディングの接合強度を保持するとともに、接合信頼性を確保し、更にはボンディング工程の合理化と低コスト化をも実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態である典型的な電子装置の実装状態を説明するための模式断面図である。
【図２】電子装置のワイヤボンディング構造を説明するための模式平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視の要部断面拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である電子装置の製造方法におけるワイヤボンディング工程を説明するための図であり、（ａ）はボンディング用の台座形成工程を示す図、（ｂ）は（ａ）の次の工程を示す図、（ｃ）は（ｂ）の次の第１ボンディング工程を示す図、（ｄ）は（ｃ）の次のループ形成工程を示す図であり、（ｅ）は（ｄ）の次の第２ボンディング工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
（電子装置の構成）
図１において、全体を示す符号１は、電子装置の一構成例を模式的に示している。この電子装置１は、例えばパワーモジュールなどの半導体装置や車両制御用のＥＣＵなどの制御装置として用いられるものである。
【００１８】
この電子装置１は、図１に示すように、基板１０と、基板１０にダイボンディング等により固定されたＩＣ部品２０とを備えており、基板１０の一面及びＩＣ部品２０がモールド樹脂３０により被覆されたモールドＩＣ、又はゲル封止にて保護された構造が取られる。
【００１９】
図示例による基板１０としては、例えば単層又は２層以上の層が積層された多層基板やプリント配線基板などが用いられる。基板１０の材質は、例えば樹脂やセラミックなどからなる。ＩＣ部品２０としては、基板１０の一面上に搭載できるものであれば、特に限定されるものではないが、例えばセンサＩＣ、制御ＩＣ等の各種の半導体素子が挙げられる。モールド樹脂３０としては、例えばエポキシ樹脂などが用いられる。
【００２０】
このＩＣ部品２０の上縁部寄りには、図１及び図２に示すように、第１の電極である複数のパッド（電極）２１，…，２１が露出している。一方の基板１０の上面には、複数のパッド２１に対応して、第２の電極である複数のリードフレーム（電極）１１，…，１１が露出している。ＩＣ部品２０のパッド２１と基板１０のリードフレーム１１とはアルミ細線２でボンディングされており、ＩＣ部品２０とリードフレーム１１との間には回路が形成されている。
【００２１】
このパッド２１は、特に限定されるものではないが、１００μｍ角程度の正方形をなしており、ＩＣ部品２０上にアルミ蒸着により形成される。一方、リードフレーム１１にあっても、特に限定されるものではなく、例えば銅や黄銅などの金属からなる基材の表面にワイヤボンディング可能な金属材料をめっき膜あるいは蒸着膜により被覆して形成される。
【００２２】
この第１の実施の形態では、図３に示すように、基材１２の表面にＮｉめっき膜１３が施されている。電解Ｎｉめっきが施されたリードフレーム１１を採用することで、外部との接続を溶接により行うことが可能になる。
【００２３】
（ワイヤボンディング構造）
以上のように構成された電子装置１は、典型的な一構成例を例示するものであり、この電子装置１の構造、形態や機能などは、特に限定されるものではない。この第１の実施の形態に係る電子装置１の主要な構成は、２つの電極をワイヤボンディングする少なくとも一方の電極のボンディング領域を、線材径が異なる同種材料のワイヤにより電気的に接続するワイヤボンディング構造にある。
【００２４】
この第１の実施の形態に係るワイヤボンディング構造にあっては、図１〜図４に示すように、リードフレーム１１上に形成されたボンディング領域が、第１のアルミワイヤであるアルミ太線３により超音波接合して形成されたボンディング用の台座１４と、この台座１４上に同種材料の第２のアルミワイヤであるアルミ細線２により超音波接合して形成されたセカンドボンド部２ｂとにより構成されている。このアルミ細線２は、アルミ太線３よりも細い線材からなることが肝要である。
【００２５】
この台座１４は、リードフレーム１１に対して、アルミ太線３を常温下で超音波接合することでボンディングしたものであり、アルミ太線３の一端を切り離すことで形成される。台座１４とリードフレーム１１との接合面積は大きい接合形態が好ましく、アルミ太線３は、例えば１００〜３００μｍの直径を有する円形の線材からなる。
【００２６】
一方のセカンドボンド部２ｂは、ファースト側のＩＣ部品２０のパッド２１と接続されたアルミ細線２の一端をセカンド側で接続されたものであり、台座１４に対して、アルミ太線３の線径よりも細い線材からなるアルミ細線２を常温下で超音波接合することでボンディングされている。このアルミ細線２は、例えば２５〜５０μｍの直径を有する円形の線材からなる。
【００２７】
［変形例］
上記ワイヤボンディング構造にあっては、例えば次の変形例を採用することができる。
（１）図示例では、リードフレーム１１に台座１４及びセカンドボンド部２ｂを形成しているが、これに限定されるものではない。この台座１４及びセカンドボンド部２ｂは、例えばパッド２１及びリードフレーム１１の少なくとも一方の電極に形成されていればよい。アルミ細線２との接合が弱いため、接合強度不足が発生しやすい電極に台座１４及びセカンドボンド部２ｂを形成することが好適である。
（２）図示例では、基材１２の表面にＮｉめっき膜１３を施したリードフレーム１１の一例を例示したが、これに限定されるものではない。このリードフレーム１１としては、Ｎｉめっき膜１３を排除して、ワイヤボンディング可能な金属材料、例えば銅や黄銅などの金属材を用いることができる。
【００２８】
（第１の実施の形態及び変形例の効果）
上記ワイヤボンディング構造を採用することで、以下の効果が得られる。
（１）アルミ細線２とリードフレーム１１との間の接合強度は、アルミワイヤの線径が細いほど低下するが、アルミ太線３を超音波ボンディングした台座１４上にアルミ細線２を介してボンディングしているため、台座１４とリードフレーム１１との接合面積は大きくなり、台座１４とリードフレーム１１との間の接合強度が増大する。
（２）台座１４とセカンドボンド部２ｂとをアルミからなる同種の材料で超音波ボンディングする構造であるので、アルミ細線２のセカンドボンド部２ｂが台座１４から分離することを防止することが可能となり、超音波ボンディングによるリードフレーム１１とアルミ細線２との電気的な接続の接合信頼性は高い。
（３）ＩＣ部品２０のパッド２１及びリードフレーム１１の接続は、例えば比較的小電流であり、多くのワイヤ接続を必要とするようなＩＣ部品２０に対しては、比較的細いアルミ細線２を用いることで電子装置１の大型化が抑制される。
（４）ボンディングの接合強度と接合信頼性に優れたワイヤボンディング構造を備えた電子装置１が得られるので、例えば高温、低温、又は振動などを受けやすい車載用の使用環境下においても効果的に使用することが可能となる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
（電子装置の製造方法）
上記のように構成された電子装置１を製造する工程では、定法に従い、基板１０上にリードフレーム１１を形成した後、基板１０上にＩＣ部品２０をダイボンディングなどにより搭載する（ダイボンディング工程）。そのダイボンディング工程後、ＩＣ部品２０のパッド２１と基板１０のリードフレーム１１とをアルミワイヤにより結線する（アルミワイヤボンディング工程）。そのアルミワイヤボンディング工程後、定法に従い、ＩＣ部品２０と基板１０とを図示しない金型に投入し、モールド樹脂３０による封止を行う（樹脂封止工程）。これらの一連の工程を経て、図１に示す電子装置１が完成する。
【００３０】
（アルミワイヤボンディング工程）
この第２の実施の形態に係る電子装置１の製造方法の主要な構成の一部は、アルミワイヤボンディング工程にある。このアルミワイヤボンディング工程は、ボンディング用の台座形成工程、第１のボンディング工程、ループ形成工程、及び第２のボンディング工程を備えた超音波ウエッジボンディング方法により効果的に得られる。このアルミワイヤボンディング工程の主要な構成の一部は、第１のボンディング工程前にボンディング用の台座形成工程を実施することにある。
【００３１】
以下に、図４（ａ）〜図４（ｅ）を参照しながら、ＩＣ部品２０のパッド２１と基板１０のリードフレーム１１とをアルミワイヤで結線するワイヤボンディング工程について説明する。
【００３２】
この第２の実施の形態に係るアルミワイヤボンディング工程に適用されるボンディング装置１００は、図４（ａ）〜図４（ｅ）に示すように、平坦な先端面でアルミワイヤに押し当てながら、超音波振動を加えることにより、アルミワイヤをワークにボンディングするウエッジツール１０１を備えている。図示例に限定されるものではないが、このウエッジツール１０１の一側面には、アルミワイヤを保持案内するクランプ機構１０２が備えられている。ウエッジツール１０１の他側面には、ボンディング後にアルミワイヤを切断する上下動可能なカッター１０３が備えられている。
【００３３】
（ボンディング用の台座形成工程）
この台座形成工程では、線径が１００〜３００μｍであるアルミ太線３が用いられる。図４（ａ）において、クランプ機構１０２のクランプが開いてウエッジツール１０１が基板１０に向けて降下すると、アルミ太線３が基板１０のリードフレーム１１上のボンディング位置に接触する。このボンディング位置でウエッジツール１０１によりアルミ太線３を所定の荷重で加圧する。この加圧状態のアルミ太線３に対して所定の強度及び所定の時間をもって超音波を発振させる。これにより、基板１０のリードフレーム１１上にアルミ太線３を超音波接合する。
【００３４】
この台座形成工程にはアルミ太線３の切断工程が含まれており、基板１０のリードフレーム１１上にアルミ太線３を超音波接合することで形成された台座１４からアルミ太線３の一端をカッター１０３により切断する。この切断により、図４（ｂ）に示すように、台座１４をリードフレーム１１上に残して、その台座１４からアルミ太線３を切り離すことで、ボンディング用の台座１４が形成される。
【００３５】
（第１のボンディング工程）
この第１のボンディング工程では、線径が２５〜５０μｍであるアルミ細線２が用いられる。図４（ｃ）において、ＩＣ部品２０のボンディング位置に対し、ウエッジツール１０１によりアルミ細線２を所定の荷重で加圧する。この加圧状態のアルミ細線２に対して所定の強度及び所定の時間をもって超音波を発振させることで、ＩＣ部品２０上にアルミ細線２を超音波接合する。この超音波接合により、ファーストボンド部２ａが形成される。
【００３６】
この第２の実施の形態においては、ＩＣ部品２０及びリードフレーム１１をワイヤボンディングで接続する際に、最初にボンディングを行うボンディング部をファーストボンド部２ａとし、次にボンディングを行うボンディング部をセカンドボンド部２ｂとする。なお、ＩＣ部品２０及びリードフレーム１１におけるワイヤボンディングの順序は、どちらが最初であっても構わないことは勿論である。
【００３７】
（ループ形成工程）
このループ形成工程では、第１のボンディング工程が終了した後、アルミ細線２をクランプ機構１０２から供給しながら、ウエッジツール１０１をＩＣ部品２０のボンディング位置からリードフレーム１１の台座１４へ向けて移動する。これにより、図４（ｄ）に示すように、アルミ細線２が所定のループ形状に形成される。
【００３８】
（第２のボンディング工程）
図４（ｄ）において、リードフレーム１１のボンディング用の台座１４上のボンディング位置に対し、ウエッジツール１０１によりアルミ細線２を所定の荷重で加圧する。この加圧状態のアルミ細線２に対して所定の強度及び所定の時間をもって超音波振動を加えることで、リードフレーム１１の台座１４上にアルミ細線２を超音波接合する。
【００３９】
この第２のボンディング工程にはアルミ細線２を切断する工程が含まれており、この切断により、図４（ｅ）において、リードフレーム１１の台座１４上にアルミ細線２を超音波接合させた後、アルミ細線２の一端をカッター１０３により切断する。この超音波接合によりセカンドボンド部２ｂが形成される。
【００４０】
このアルミワイヤボンディング工程においては、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す一連の工程を１サイクルとし、図４（ｃ）〜図４（ｅ）に示す一連の工程を次の１サイクルとして超音波接合を繰り返すか、あるいは図４（ａ）〜図４（ｅ）における一連の工程を１サイクルとして超音波接合を繰り返すことで、ＩＣ部品２０のパッド２１と基板１０のリードフレーム１１との全ての電気的接続が実施される。なお、アルミワイヤの切断方法は、アルミワイヤをクランプ機構１０２により保持して上方へ引っ張ることで、ウエッジツール１０１から切り離す方法などであってもよいことは勿論である。
【００４１】
（第２の実施の形態の効果）
上記アルミワイヤボンディング工程を採用することで、以下の効果が得られる。
（１）Ｎｉめっき膜１３を施したリードフレーム１１に対しては、表面の酸化、汚れや面粗さなどに起因して発生する不具合によってアルミ細線２との接合が弱いため、接合強度不足が発生しやすい。これに対し、アルミ太線３をリードフレーム１１に超音波ボンディングすることで台座１４を形成するので、常温下で十分な荷重と超音波振動とを加えることができるようになる。その結果、リードフレーム１１上の酸化物などが容易に除去されることになり、十分な接合強度で超音波ボンディングを行うことができる。
（２）アルミ太線３を超音波ボンディングした台座１４上に、台座１４と同種の材料からなるアルミ細線２を常温下で超音波ボンディングするため、台座１４とアルミ細線２とを信頼性の高い接合状態で強固に接合することができる。
（３）線材径が異なる同種材料の２本のワイヤを用い、電極のボンディング領域にワイヤボンディングするので、一連のアルミワイヤボンディング工程中にボンディング用の台座形成工程を容易に組み込むことができるようになり、例えば電子装置の高密度化に伴い、アルミワイヤボンディング工程の自動化や電子装置１の製造工程全体の低コスト化などが実現しやすい。
（４）ＩＣ部品２０のパッド２１や基板１０のリードフレーム１１の配置位置にかかわらず、各種の接続パターンに容易に対応できる汎用性を備えているので、２つの電極をアルミワイヤにより電気的に接続するワイヤボンディング構造であれば、電子装置１の構造、形態や機能などにかかわらず、各種の電子装置１の電気的接続に適用することができる。
【００４２】
以上の説明からも明らかなように、本発明のワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法を上記実施の形態、変形例、及び図示例に基づいて説明したが、本発明は上記実施の形態、変形例、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが本発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。本発明の技術思想の範囲内において種々の構成が可能であり、次に示すような他の変形例も可能である。
【００４３】
ＩＣ部品２０のパッド２１と基板１０のリードフレーム１１との２つの電極に対するワイヤボンディング構造として例示したが、これに限定されるものではない。２つの電極を有するワイヤボンディング構造としては、例えばＩＣ部品及び基板の間、ＩＣ部品及び電源に接続されたバスバーの間、基板及び基板の間、基板及びコネクタの間を電気的に接続したワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法、あるいはワイヤボンディング用の第１のパッドと第２のパッドとを備えたＩＣ部品などを電気的に接続したワイヤボンディング構造及び電子装置とその製造方法に効果的に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…電子装置、２…アルミ細線、２ａ…ファーストボンド部、２ｂ…セカンドボンド部、３…アルミ太線、１０…基板、１１…リードフレーム、１２…基材、１３…Ｎｉめっき膜、１４…台座、２０…ＩＣ部品、２１…パッド、３０…モールド樹脂、１００…ボンディング装置、１０１…ウエッジツール、１０２…クランプ機構、１０３…カッター
【図１】
2012243943.tif 000003
【図２】
2012243943.tif 000004
【図３】
2012243943.tif 000005
【図４】
2012243943.tif 000006