(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤボンディング用のツール（１０）に接触して支持されたワイヤ（２０）を、このツールを介して加圧しながら振動させることにより、電子部品（１）と相手側部材（４）とをワイヤボンディングするようにしたウェッジボンディングによる電子部品の接続方法において、
前記ワイヤよりも硬い部材よりなる治具（３０）を用意し、
前記ツールに接触して支持された前記ワイヤを前記治具に押し当てることにより、前記ワイヤと前記ツールとの接触面積を増大させる工程と、
しかる後、前記ワイヤを前記電子部品に押し当て、前記ツールを介して加圧しながら振動させることにより、前記ワイヤを前記電子部品に接続する工程と、
続いて、前記ワイヤを前記相手側部材まで引き回し、前記ツールを介して加圧しながら振動させることにより、前記ワイヤを前記相手側部材に接続する工程と、を備え、
前記各工程は、前記ツールとしてＶ溝形状もしくはＵ溝形状をなすものを用い、この溝に前記ワイヤを拘束して行うことを特徴とする電子部品の接続方法。
【請求項２】
前記治具（３０）として、前記ワイヤ（２０）が押し当てられる部位に、前記押し当てられたワイヤを支持する溝部（３１）が形成されたものを用いることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の接続方法。
【請求項３】
前記溝部（３１）は、底部（３２）には前記押し当てられたワイヤ（２０）が接することなく、側壁面（３３）にて前記押し当てられたワイヤを支持する形状を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディング用のツールに接触して支持されたワイヤを、このツールを介して加圧しながら振動させることにより、電子部品と相手側部材とをワイヤボンディングするようにした電子部品の接続方法、いわゆるウェッジボンディングによる電子部品の接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のウェッジボンディングによる接続方法は、一般に、電子部品としてＳｉチップよりなるパワーデバイス（ＩＧＢＴ素子やパワーＭＯＳ素子等）等を用い、相手側部材として配線基板上の銅（Ｃｕ）等よりなるターミナル等を用いる。そして、上記Ｓｉチップ上のアルミニウム（Ａｌ）等よりなる電極と上記ターミナルとをＡｌ等よりなるワイヤにて結線するものである。
【０００３】
従来のウェッジボンディング方法を図８の概略断面図に示す。これは、まず、図８（ａ）に示す様に、ボンディングツールＪ１に接触支持されたワイヤＪ２を被接合材（例えばＳｉチップ上の電極等）Ｊ３に接触させる。次に、図８（ｂ）に示す様に、このツールＪ１を介して、ワイヤＪ２を被接合材Ｊ３に対し、一定圧力で加圧して押さえた状態で超音波振動で擦りあわせて接合する。最終的な接合状態を最終的に図８（ｃ）に示す。
【０００４】
ここで、ワイヤＪ２と被接合材Ｊ３を擦りあわせるためには、ツールＪ１とワイヤＪ２とがしっかり拘束しあっていることが必要で、拘束するために加圧力を大きくする。その加圧力により、図８（ｂ）に示す様に、ワイヤＪ２の中心部Ｊ４がつぶれ、ワイヤＪ２と被接合材Ｊ３との接触面積が大きくなる。そして、ツールＪ１が振動すると、ツールＪ１に拘束されたワイヤＪ２も振動し、接触域の外周部より外側に向かって接合する。
【０００５】
より詳細な最終的な接合状態を、図９に示す。なお、図９（ａ）の上側部分は図８（ｃ）と同じものであり、図９において（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。最終的な接触域におけるワイヤＪ２の中心部Ｊ４は、上記図８（ｂ）にて述べた様に、加圧によって最初からつぶれているので、接合されず、超音波エネルギーによりつぶれていった周縁部Ｊ６のみが接合する。そのため、図９（ａ）及び（ｂ）の各下側部分に示す様に、上記接触域界面でみた接合部領域Ｊ５はドーナツ状となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パワーデバイス（Ｓｉチップ）においては、大電流を流すことによってＳｉチップが発熱するのであるが、ＡｌとＳｉのように熱膨張係数の大きく異なる材料を加熱すると熱応力が発生する。よって、冷熱環境下、ワイヤ（Ａｌ）とパワーデバイス（Ｓｉ）との接合部においては、両者の熱膨張係数差によって、上記熱応力が繰り返し発生し、該接合部にクラックが生じ破壊するという問題がある。
【０００７】
図１０は上記図８（ｃ）及び図９に示した最終的な接合状態における上記熱応力の大きさの分布を示すもので、接触域におけるワイヤＪ２の周縁部（ボンディング周縁部）Ｊ６が大きく、中心部Ｊ４が小さい。そのため、中心部Ｊ４を接合することが冷熱耐久信頼性向上のため、重要である。
【０００８】
現在、ボンディング中に超音波出力と加圧力を制御できるボンダ（加圧・出力制御ボンダ）がある。本発明者は、この加圧・出力制御ボンダ用いて、初期加圧を下げることで、初期のワイヤつぶれを小さくし、ワイヤと被接合材の接触域において中心部から周縁部にかけて接合することを試みた。
【０００９】
しかし、初期加圧を下げると、ボンディング時のツールの振幅により、ワイヤがツールから逃げるため、ツールによる安定したワイヤの拘束が困難であり、接合を開始させるための凝着核ができない。これは、初期加圧を下げることでワイヤの変形が小さく、ワイヤとツールが接する部分（上記図８中の太線Ｊ７に図示）の面積が小さくなるため、ワイヤ／ツール間の摩擦力が不十分となることによる。それにより、ワイヤとツールとの接触部が滑ってワイヤがツールのウェッジ部から外れたり、ワイヤとツールの接触部が滑ってツールの振幅（振動）が十分にワイヤに伝達しない。
【００１０】
そのため、加圧・出力制御ボンダを使用しても、制御無しのボンダ（加圧一定ボンダ）に比べ、初期出力を下げることで、上記図９に示したようなドーナツ状の接合部領域Ｊ５に比べて、やや内側から接合するものの、中心部まで接合ができず信頼性の大幅な向上は難しい。特に、φ４００μｍ、φ５００μｍなどの極太ワイヤでは耐久信頼性が劣っている。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、ウェッジボンディングによる電子部品の接続方法において、ワイヤとツールとの間の摩擦力を大きくすることにより、初期加圧を下げても、ボンディングツールの振動時にワイヤがツールから逃げないようにすることを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、ウェッジボンディングによる電子部品の接続方法において、ワイヤ（２０）よりも硬い部材よりなる治具（３０）を用意し、ツール（１０）としてＶ溝形状もしくはＵ溝形状をなすものを用い、この溝に拘束されるように該ツールに接触して支持された該ワイヤを、該治具に押し当てることにより、該ワイヤと該ツールとの接触面積を増大させた後、該ワイヤを電子部品（１）に押し当て、該ツールを介して加圧しながら振動させることにより、該ワイヤを該電子部品に接続し、続いて、該ワイヤを相手側部材（４）まで引き回し、該ツールを介して加圧しながら振動させることにより、該ワイヤを該相手側部材に接続するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
本接続方法によれば、予め電子部品とワイヤとのボンディング前に、ワイヤとツールとの接触面積を増大させることで、ワイヤとツールとの摩擦力を大きくすることができ、初期加圧を下げても、ボンディングツールの振動時にワイヤがツールから逃げないようにすることができる。
【００１４】
そして、電子部品とワイヤとのワイヤボンディングにおいて、初期加圧を下げて初期のワイヤつぶれを小さくできるため、ワイヤと電子部品との接触域において中心部から周縁部にかけて接合することが出来る。そして、次工程にて、電子部品と接続されたワイヤを相手側部材にウェッジボンディングすることにより、電子部品と相手側部材とが結線される。
【００１５】
このように、本発明によれば、電子部品（パワーデバイス等）とワイヤとの熱膨張係数差の大きい場合でも、両者は接触域において中心部から周縁部にかけて接合されているので、ワイヤ接合部を耐久信頼性の優れたものとできる。
【００１６】
また、請求項２記載の発明のように、請求項１記載の接続方法に用いる治具（３０）として、ワイヤ（２０）が押し当てられる部位に、押し当てられたワイヤを支持する溝部（３１）が形成されたものを用い、ワイヤの固定を行うようにすることができる。
【００１７】
さらに、上記溝部（３１）は、請求項３記載の発明のように、底部（３２）には押し当てられたワイヤ（２０）が接することなく、側壁面（３３）にて該押し当てられたワイヤを支持する形状を有するものとできる。それによって、ワイヤを治具に押し当てたときに、ワイヤにおける電子部品との接触部分のつぶれを抑えることができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る電子部品の接続方法による最終的な接続形態を示す概略断面図である。まず、図１において、１は電子部品としてのＳｉチップよりなるパワーデバイス（ＩＧＢＴ素子やパワーＭＯＳ素子等）であり、２はセラミック基板等の配線基板である。
【００２０】
パワーデバイス１は、配線基板２の一面上にＣｕやＮｉ等よりなる金属導体３を介して搭載されている。この金属導体３は配線基板２の配線部を構成するものである。また、配線基板２の一面上には、相手側部材としてのＣｕやＮｉ等よりなるターミナル４が金属導体３と絶縁して形成されている。
【００２１】
そして、上記パワーデバイス１に形成された図示しないアルミニウム（Ａｌ）等よりなる電極パッドとターミナル４とは、ウェッジボンディングにより形成されたワイヤ５にて結線されている。このワイヤ５は主として、φ２５０μｍ〜φ５００μｍ、あるいはφ５００μｍ以上の太線が適用され、その材質は９９．９９％以上のＡｌを用いるが、Ａｌ以外の微量の添加元素が含まれていることもある。
【００２２】
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る接続方法を、工程順に述べていく。図２は本接続方法の工程図を示す概略断面図、図３は本製造方法における加圧・超音波振幅の様子を示す説明図、図４はボンディング時における加圧・超音波出力のプロフィールを示す図である。
【００２３】
図２及び図３において、１０は加圧・出力制御ボンダにおけるボンディングツールであり、タングステンカーバイド（ＷＣ）等よりなる。また、２０は上記ワイヤ５を形成するためのボンディングワイヤである。ツール１０の先端部のウェッジで、ボンディングワイヤ２０を拘束するが、ツール１０の先端部形状はＶ溝、Ｕ溝どちらでも構わない（図ではＶ溝形状としている）。ツール１０は、圧電セラミックス等の振動子により超音波振動するトランスジューサ（図示せず）に取り付けられており、該トランスジューサの動きにより、ツール１０の加圧制御や振動制御を行うようになっている。
【００２４】
３０はボンディング前処理用治具（本発明でいう治具、以下、単に治具という）である。治具３０の表面には、溝（本発明でいう溝部）３１が切ってあり、その溝３１にボンディングワイヤ２０を入れ、該ワイヤ２０を押さえつけて変形できるようになっている。ここで、図５は治具３０の斜視図であり、対応するツール１０及びボンディングワイヤ２０も示してある。
【００２５】
溝３１の形状は特に限定しないが（図ではＶ溝で示してある）、溝３１の幅Ｗは、ワイヤ２０の径よりも小さく、溝の深さＤは、ワイヤ２０がツール１０により押しつけられたときにワイヤ２０が溝３１の底部３２に接しない深さがあり、溝３１の長さＬは、ツール１０のワイヤ押さえ長さよりも長いことが必要である。このような溝３１の形状とすることで、ワイヤ２０が押しつけられたときに、溝３１の底部３２にはワイヤ２０が接することなく、溝３１の側壁面３３にてワイヤ２０を支持するようになっている。
【００２６】
また、ワイヤ２０を押しつけたとき、ツール１０のフラット部が治具３０に接しないことも必要である。これは、上記のようにツール１０がＷＣ等の固いけれど脆い材料よりなるため、ツール１０が治具３０に接することでツール１０が破損する恐れがあるためである。よって、使用するワイヤ径、ボンディングツール形状によって、治具３０の形状は異なる。また治具３０の材質は、この治具３０がワイヤ２０を変形させるためのものであるため、ワイヤ２０よりも固く、靱性が高くなくてはならない。一例として工具鋼がある。
【００２７】
なお、パワーデバイス１、このパワーデバイス１と結線されるターミナル４、及び、治具３０は、ボンディングツール１０が動く範囲にあることが必要である。このとき、ツール１０が動いて上記部材１、４、３０の上に来ても良いし、上記部材１、４、３０が例えばＸ−Ｙテーブル等により動かされて、ツール１０の下に来るようにしても良い。
【００２８】
そして、本接続方法においては、まず、図２（ａ）に示す様に、治具３０はパワーデバイス１の近傍に配置するとともに、ボンディングワイヤ２０を接触支持して拘束したツール１０を治具３０の溝部３１の上に位置させる。次に、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示す工程を行う。なお、図３（ａ）は図２（ｂ）を横方向からみたものに相当する。この工程は、ツール１０に接触して支持されたボンディングワイヤ２０を治具３０の溝部３１に押し当てることにより、該ワイヤ２０とツール１０との接触面積を増大させる工程である。
【００２９】
ツール１０を介しボンディングワイヤ２０を加圧して溝部３１に押し当てると、溝部３１において、ワイヤ２０が変形し、ワイヤ２０とツール１０間の接触面積Ｍ１が広がる。また、ワイヤ２０は溝３１の底部３２と接しないため、ワイヤ２０の下部（ツール１０との接触部とは反対側の部位）は変形しない。また、このとき、ワイヤ２０には超音波出力を加えない。そのため、ワイヤ２０と治具３０間で接合することはない。この工程における加圧力は、ボンディングするワイヤ径に応じて決まるが、例えば上記接触面積Ｍ１を大きくするためボンディングで使用する加圧力以上とできる。
【００３０】
次に、図２（ｃ）及び図３（ｂ）、（ｃ）に示す工程を行う。ここで図３（ｂ）は図２（ｃ）を横方向からみたものに相当する。この工程は、ボンディングワイヤ２０をパワーデバイス１に押し当て、ツール１０を介して加圧しながら振動させることにより、ワイヤ２０をパワーデバイス１に接続する工程である。具体的には、ツール１０を移動して（あるいは、パワーデバイス１及び治具３０が移動して）、パワーデバイス１における上記電極パッドにボンディングワイヤ２０を加圧しつつ押し当てる。
【００３１】
また、この工程における加圧・超音波出力のプロフィールは、図４のように行う。つまり、まず、超音波出力を加えない状態で、ボンディングワイヤ２０を加圧しながらパワーデバイス１に押し当てるのであるが、その加圧力は小さく、ワイヤ２０とパワーデバイス１との接触面積Ｍ２は非常に小さくなる。この状態で、図４に示す様に、超音波出力を一定値まで上げる。
【００３２】
このとき、ツール１０とボンディングワイヤ２０との接触面積Ｍ１は大きいため、超音波出力を加えても、ツール／ワイヤ間の摩擦力によりワイヤ２０が拘束されることにより、ワイヤ２０が不安定になることがない。この超音波エネルギーにより、上記したワイヤ２０とパワーデバイス１との小さな接触部（接触面積Ｍ２で示した部分）に凝着核ができ、小さな接合部（初期接合部）となる。
【００３３】
そして、図４に示す様に、超音波出力を一定としたまま、加圧力を上げていくと、振動するワイヤ２０が徐々に押しつぶされてパワーデバイス１の上記電極パッドと接触していくため、ワイヤ２０と上記電極パッドとが溶け合うことにより、初期接合部を起点としてその周囲に接合部が広がっていく。こうして、最終的には、ワイヤ２０とパワーデバイス１との接触域において中心部から周縁部にかけて接合された状態となり、ワイヤ２０のパワーデバイス１への接続が完了する。
【００３４】
なお、図３（ｂ）は、接合初期の状態における加圧・超音波振幅の様子を示すものであるが、加圧及び接合部が小さく、パワーデバイス１へのワイヤ２０の固定が十分でないため、超音波振幅は大きい。一方、図３（ｃ）は、接合後期の状態における加圧・超音波振幅の様子を示すものであるが、加圧が大きく、接合部も広がっており、パワーデバイス１へのワイヤ２０の固定が十分なため、超音波振幅は小さい。
【００３５】
次に、ツール１０を移動させて、ボンディングワイヤ２０を相手側部材であるターミナル４まで引き回し、ツール１０を介して加圧しながら振動させることにより、ワイヤ２０をターミナル４に接続する工程を行う。このボンディングでは、ツール／ワイヤ間の接触面積が小さく、摩擦力を期待できないため、加圧力を下げることはできず、上記図８に示したような従来のウェッジボンディング方法を行う。
【００３６】
しかし、ＣｕやＮｉ等よりなるターミナル４とＡｌ等よりなるワイヤ２０との熱膨張係数差が、パワーデバイス（Ｓｉ）１とワイヤ２０ほど大きく違わないため、中心部の接合性が悪くとも、冷熱耐久信頼性が下がることはない。つまり、図１に示す接続構造の耐久信頼性は、ワイヤ５におけるパワーデバイス１側の接続部で決まる。
【００３７】
上記した本実施形態の接続方法をまとめると、まず、前処理用治具３０にワイヤ２０を当ててワイヤ／ツール間の接触面積Ｍ１を大きくし、パワーデバイス１と１ｓｔボンディングを行い、２ｎｄボンディングにてターミナル４と接続することで、パワーデバイス１とターミナル４との間の結線ができる。
【００３８】
このように、本実施形態の接続方法によれば、予めパワーデバイス（電子部品）１とワイヤ２０とのボンディング前に、ワイヤ２０とツール１０との接触面積Ｍ１を増大させることで、ワイヤ２０とツール１０との摩擦力を大きくすることができ、初期加圧を下げても、ボンディングツール１０の振動時にワイヤ２０がツール１０から逃げないようにすることができる。
【００３９】
そして、パワーデバイス１とワイヤ２０とのワイヤボンディングにおいて、初期加圧を下げることができ、初期のワイヤつぶれを小さくしてワイヤ２０とパワーデバイス１との接触域において中心部から周縁部にかけて接合することが出来る。そのため、熱膨張係数差の大きいパワーデバイス１とワイヤ２０との接続において、ワイヤ接合部を耐久信頼性の優れたものとできる。そして、上記した従来の接合状態（周縁部のみが接合したもの）に比べて、ワイヤが剥離するまでの寿命を長くすることが出来る。
【００４０】
また、本実施形態の接続方法によれば、治具３０の溝部３１の形状を、底部３２には押し当てられたワイヤ２０が接することなく、側壁面３３にて押し当てられたワイヤ２０を支持するものとしている。そのため、ワイヤ２０をパワーデバイス１に押し当てたときに、ワイヤ２０におけるパワーデバイス１との接触部分のつぶれを抑え、初期接合部の接触面積Ｍ２（図２（ｃ）参照）を小さくでき、結果的に、ワイヤ２０とパワーデバイス１との接触域において中心部から周縁部までが接合された状態を効果的に実現できる。
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では加圧・出力制御ボンダを使用して、図４に示すプロフィール、即ち加圧力のみ制御して超音波出力の制御をしないものとしたが、図６に示す様に、加圧力及び超音波出力共に制御するものでもよい。図６では、加圧力の上昇とともに、超音波出力も伴って上昇させている。これにより、低加圧時に、大きな超音波出力を加えてしまうことがないため、図３（ｂ）に示したように、超音波振幅の大きな状態となることを抑制できる。
【００４１】
そのため、ワイヤ２０がパワーデバイス１上を擦ることで、パワーデバイス１に加わるダメージ（例えばボンディング部分の下のトランジスタが破壊すること等）を抑制でき、不良率が低減できる。また、加圧力に応じて適性な超音波出力を付与しているため、より広い接合部領域（ボンディング面積）を実現でき、冷熱耐久性をより向上させることができる。ちなみに、図７に、加圧・出力一定一定ボンダを使用した加圧力及び超音波出力のプロフィールの例を示す。
【００４２】
また、治具３０においては溝３１の代わりに、治具３０の表面に突出部を設け、この突出部にて、押し当てられたワイヤ２０を支持し、ワイヤ２０の下部（ツール１０との接触部とは反対側の部位）の変形防止を行うようにしても良い。この場合でも、ワイヤ２０とツール１０との接触面積Ｍ１は大きくなるため、従来のウェッジボンディングに比べて信頼性の高いワイヤと電子部品との接合が得られる。
【００４３】
以上述べてきたように、本発明は、電子部品と相手側部材とをウェッジボンディングで結線する電子部品の接続方法において、使用環境の過酷化（大電流化等）に伴う電子部品とボンディングワイヤとの接合部の信頼性向上を目的としたものであり、上記治具を用いてボンディング用のツールとワイヤとの接触面積を増大させることで、結果的に、この目的を達成するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電子部品の接続形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電子部品の接続方法を示す工程図である。
【図３】上記接続方法における加圧・超音波振幅の様子を示す説明図である。
【図４】上記実施形態における加圧・超音波出力のプロフィールの一例を示す図である。
【図５】上記接続方法に用いる治具の斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態における加圧・超音波出力のプロフィールの一例を示す図である。
【図７】加圧・出力一定ボンダにおける加圧・超音波出力のプロフィールの例を示す図である。
【図８】従来のウェッジボンディング方法を示す概略断面図である。
【図９】図８のウェッジボンディング方法による最終的な接合状態を示す図である。
【図１０】図９に示した最終的な接合状態における熱応力の大きさの分布を示す図である。
【符号の説明】
１…パワーデバイス、４…配線基板のターミナル、１０…ボンディングツール、２０…ボンディングワイヤ、３０…ボンディング前処理用治具、３１…溝、
３２…溝の底部、３３…溝の側壁面。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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