(57)【要約】【課題】リードフレーム表面の酸化を特性するワイヤボンダを提供する。【解決手段】ワイヤを半導体チップ上のパッドやリードに接合するボンディングツールを備えるワイヤボンダにおいて、超音波を発生するホーンの先端部に加熱部品とボンディングツールを近接して配置して高温とする。そして、半導体チップを載置したリードフレームを固定するボンドヒータをボンディングツールよりも低温とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生するホーンと、
前記ホーンの先端部に固定され、内面を被覆するダイヤモンドあるいはナノカーボンのいずれかからなる薄膜を有するボンディングツールと、
前記ボンディングツールに近接して設けられた、ダイヤモンド結晶体を成型した加熱部品と、
前記加熱部品が電熱線を介して接続されている熱源と、
半導体チップを載置したリードフレームを固定するボンドヒータと、
を備え、
前記ボンディングツールの先端温度は前記ボンドヒータの表面温度よりも高く設定できることを特徴とするワイヤボンダ。
【請求項２】
前記ボンドヒータの表面温度が５０〜１００℃、前記ボンディングツールの先端温度が１５０〜２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンダ。
【請求項３】
前記ボンディングツール先端の外面の周囲にダイヤモンド結晶の薄膜をさらに有する請求項１または２に記載のワイヤボンダ。
【請求項４】
前記ホーンと前記ボンディングツールとの間に前記加熱部品を配置しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワイヤボンダ。
【請求項５】
前記加熱部品は、平面視的に一部分が欠けた円環形状であることを特徴とする請求項４記載のワイヤボンダ。
【請求項６】
前記電熱線は、前記加熱部品の周囲に巻きついていることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを搭載するダイパッドとリードをワイヤで接続するワイヤボンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤを半導体チップ上に接合するワイヤボンディングでは、超音波併用熱圧着方法が多く用いられている。この方法は、加熱した半導体チップにワイヤを圧着して超音波接合する方法で、加熱によりボンディング部分の接合性を向上させている。しかし、加熱の領域は半導体チップのみでなく、リードフレーム全体を熱するので熱変形が起こりやすい。更に取り個数を多くするための幅広化が進み、素子間は非常に狭い密集構造になってきているため、押さえるスペースも極めて小さくなり、熱変形するリードフレームを固定する事が難しく接合性の低下の要因となる。又、高温で加熱されるリードフレームの表面には酸化が起こり、酸化皮膜の厚くなったリードフレームとモールド樹脂の密着性は低下する。個片にする際の切断応力等で隙間は広がり、外部からの汚染成分が半導体装置に入り込みやすく剥離（以下デラミとも呼ぶ）等の影響からワイヤ接合部の劣化を引き起こす事になる。この様に加熱による影響は著しく、ワイヤボンドの接合は低温にする事が望ましい。
【０００３】
この問題を解消するために、キャピラリ内部に気体を流し込んで加熱する方法が提案されている。高温の気体をキャピラリ内部から基板のボンディング箇所の一定範囲に吹き当てることにより、その部分を局所的に加熱でき、ボンディングの確実性を向上できる。これによりヒータによる基板全体の加熱温度を低くする。あるいは加熱を止めることができる。これにより、部品に与える熱履歴を減少することを可能とすることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
又、キャピラリを加熱して接合する方法も提案されている。ボンディングツールを外面から加熱することによって、半導体チップ上のパッドに圧着されるワイヤの接合面温度を高温に加熱し接合する方法で、キャピラリ先端部と外側をダイヤモンド層で覆った熱供給路によって、ワイヤ加熱部へ伝達を行い、ワイヤとパッドとの接合面を加熱する事で接合をおこなう半導体装置と製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−４７８２４号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示された技術では、ボンディングツール内を噴射する気体によりワイヤが動かされる。イニシャルボールを形成する際のトーチ間距離が不安定となり、ワイヤに適量の電流が飛ばないことからボールの形状異常が発生しやすい。これによりできた偏芯のボールはボンディングツールから外れて接合強度の低下やパッド開口外周部の破壊を起こす可能性がある。又、気体を吹き続けることからイニシャルボールはボンディングツールのチャンファーから押し出される事も想定され、同様の接合異常が考えられる。更にボンディングツール内部からの気体はボールにより遮断される事になり半導体チップのパッドには熱風を送る事ができないため、接合に必要な熱量を供給することができない。
【０００７】
又、特許文献２においてはワイヤボンディングツールによって、パッドにワイヤを圧着していない場合は、熱源温度調整プログラムにより熱量を一時的に停止するため、先端部が高温に上昇するまでに時間を要することから、高速ボンディングには不向きな構造といえる。ボンディングツールは厚いダイヤモンドコートで覆われ直にヒータを備え付けることから、超音波の伝達性が劣りボンディングツール先端の振幅量が阻害され接合低下となる。又、ボンディングツールは特殊仕様が施されることから作業性の悪化や従来の低コストは求められない。更にボンディングツールの形状が太くなることからもパッド間ピッチが狭い場合には、隣接するボールやワイヤとの干渉が想定されるため大幅な制約がでてくるため操作性の低下が予測される。
【０００８】
本発明は、上記不具合に鑑みなされたものであり、半導体チップのボンディングパッドやリードなどのワイヤが圧着、接合される領域のみを高温とすることで、リードフレームの酸化を抑制することが可能なワイヤボンダ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】
【０００９】
上記課題解決のために、本発明では以下の手段を用いた。
まず、ワイヤを半導体チップ上のパッドやリードに接合するボンディングツールを備えるワイヤボンダにおいて、超音波を発生するホーンと、前記ボンディングツールを固定する前記ホーンの先端部と、前記ボンディングツールに近接して設けられる加熱部品と、前記加熱部品に電熱線を介して接続される熱源と、半導体チップを載置したリードフレームを固定するボンドヒータと、を備え、前記ボンドヒータの表面温度が前記ボンディングツール先端の温度よりも低いことを特徴とするワイヤボンダとした。
【００１０】
また、前記ボンディングツールの内面には高い熱伝導率の薄膜が被覆されていることを特徴とするワイヤボンダとした。
また、前記薄膜がダイヤモンド、あるいはナノカーボンからなることを特徴とするワイヤボンダとした。
【００１１】
また、前記加熱部品がダイヤモンド結晶体を成型したものであることを特徴とするワイヤボンダとした。
また、前記ボンドヒータの表面温度が５０〜１００℃、前記ボンディングツール先端の温度が１５０〜２５０℃の範囲であることを特徴とするワイヤボンダとした。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成とすることで、本発明のワイヤボンダは、半導体チップのボンディングパッドやリードなどのワイヤが圧着、接合される領域のみが高温となり、リードフレームの酸化を抑制するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るワイヤボンディング装置の構成図である。
【図２】本発明に係るワイヤボンディング装置の先端部拡大図である。
【図３】本発明に係るワイヤボンディング装置のボンディングツール断面図である。
【図４】本発明に係るワイヤボンディング装置のボンディングツールの先端加工を示す図である。
【図５】一般的なワイヤボンディング工程を示す図である。
【図６】本発明のワイヤ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】
【００１４】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図５は、一般的なワイヤボンディングの実施例を示す断面図である。まず、図５（ａ）に示すように、パッド２ａおよび２ｂを有する半導体チップ１をダイボンド材５でダイパッド３部に接着した部品とインナーリード部４ａ、４ｂがヒータプレート９により高温で加熱される。ボンディングツール８の内部を通るワイヤ６先端部にイニシャルボール（図６（ｂ）における符号１９）を形成し、その後、半導体チップ１上のパッド２ｂとボール７を超音波併用熱圧着法で接合する。次いで、図５（ｂ）に示すように、ボンディングツール８は、ワイヤ６を延伸させながら上昇および下降し、ループ１０を形成しながらインナーリード４ｂに達し、ワイヤ６を押し潰してステッチ１１を形成し超音波併用熱圧着法で接合する。
【００１５】
図１は、本発明に係るワイヤボンディング装置の構成図である。図２は、本発明に係るワイヤボンディング装置の先端部拡大図であって、図１におけるホーン先端部の拡大図である。図２（ａ）は図１と同一方向、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
【００１６】
熱供給及び温度調整を可能にする熱源１２と、それと繋がる伝熱線１４がボンディングツール８に隣接して配置された加熱部品１７（図２（ａ）および（ｂ）を参照）に接続されて、加熱部品に熱を供給する役目を担っている。そして、加熱部品１７はボンディングツール８の温度制御をする。加熱部品１７はダイヤモンド結晶体を成型したもので熱伝導性の高い部品である。加熱部品１７及びボンディングツール８は超音波を発生するホーン１３の先端部に設けられている。ボンディングツール８は脱着可能であるので、加熱部品１７からボンディングツール８に容易に熱が伝わるように、加熱部品１７はボンディングツール８に隣接して熱抵抗が小さくなるように配置されることが好ましい。
【００１７】
ボンディングツール８の下方には、ボンドヒータ９と押さえ治具１５によって挟み込まれたリードフレームがある。リードフレームはダイパッド３とインナーリード４ａ、４ｂからなりダイパッド３上にダイボンド済みの半導体チップ１が載置され、押さえ治具１５に設けられた開口から半導体チップ１が露出している。また、ダイパッド３の真下に位置するようにボンドヒータ９内に真空吸着路１６が設けられ、これによってダイパッドが固定され、ワイヤボンド時に動かない様にしている。なお、ワイヤボンド時にボンドヒータ９は加熱しなくても良いし、ある程度の加熱をしても良いが、加熱するにしてもダイパッド３やインナーリード４ａ、４ｂなどのリードフレーム表面が酸化されにくい程度の温度とするのが好ましい。すなわち、ボンドヒータ９の温度は従来にくらべ低い温度であり、ボンディングツール８の温度よりも低い温度としている。本発明においては、ボンディングツール８先端の温度範囲は１５０〜３００℃、望ましくは１５０−２５０℃、ボンドヒータ９表面の温度範囲はＲＴ（室温）〜１００℃、望ましくは５０〜１００℃である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、ボンディングツール保持部のホーン１３に取り付けたダイヤモンド結晶体からなる加熱部品１７をタングステンの電熱線１４と接続することにより、ボンディングツールに熱伝達する。図２（ｂ）に示すように、ボンディングツール８と加熱部品１７はホーン１３の長手方向に対し並んで配置されており、ホーン１３とボンディングツール８の間には加熱部品１７は配置されていない。このため、ホーン１３から与えられた超音波振動が加熱部品１７遮られることなくボンディングツール８に到達する。そして、ホーン１３からボンディングツール８に向う長手方向に対し垂直な位置に加熱部品１７がボンディングツール８に近接して埋め込まれている。ボンディングツール８は固定ビス２４によりホーン１３に固定される。
【００１９】
図２（ｃ）は、ダイヤモンド結晶体の加熱部品１７の周囲にタングステンの電熱線１４ａを巻き付けた熱伝達構成の拡大図である。ボンディングツール保持部のホーン１３側面を削り、ダイヤモンド結晶体の加熱部品１７にタングステンの電熱線１４ａを巻き付けて熱伝達する方法も有効的な手段になる。又、熱伝達量を増やす場合、線径を太くすることにより熱供給量は拡大する。本発明においては、電熱線１４は加熱部品１７と接続され、ボンディングツール８には接続されていないため、ボンディングツールはホーン先端部からの脱着が容易でありボンディングツールのメンテナンスがしやすいという効果も有する。
【００２０】
図３（ａ）は、本発明に係るワイヤボンディング装置のボンディングツールの断面図である。ボンディングツール８の上面から内壁部全てをダイヤモンド結晶の蒸着膜１８で覆い、高い熱伝達を可能にする事で、ボンディングツール８先端の高温加熱が可能になる。又、他の材料としてナノカーボン材も熱伝達に優れ好適である。本発明ではボンディングツールの内面を高い熱伝導率の薄膜で覆うことで内面の温度が一定とすることが可能である。このため、高速で供給されるワイヤであっても一定の温度とすることができる。又、ボンディングツール先端の外面の周囲にも同様に薄いダイヤモンド結晶の薄膜１８ａを蒸着させる事で高温の維持には有効となる。また、この外面を覆う熱伝導率の高い薄膜は半導体チップ１のボンディングパッドに近くに位置するためボンディングパッドの高温化にも寄与している。
【００２１】
図３（ｂ）は、本発明の形状の異なるボンディングツールの熱伝達経路を示した断面図である。ボンディングツールの先端部８ａを細くした形状においても同様に上面から内壁部全てダイヤモンド結晶の蒸着膜１８で覆い高い熱伝達を可能にする事で、ボンディングツール８先端の高温加熱が可能になる。ここでは、ボンディングツール８の左側に加熱部品１７を配置したものだが、平面視的に一部が欠けた円環（Ｃ形状）でボンディングツールの周囲を囲う形状であっても良い。欠けた部分を上述の長手方向に配置すれば、超音波振動が遮られることなくボンディングツール８に届くことになり、良好なワイヤボンディングが可能となる。
【００２２】
図４は、本発明に係るワイヤボンディング装置のボンディングツールの先端加工を示す図である。ボンディングツール８先端の外部表面に特殊加工２１を行ない細かな多面体結晶体状にすることで、インナーリード４ａ、４ｂの接合を補助することが可能となる。
【００２３】
図６は、本発明のワイヤボンディング工程を示す図である。
ボンディングツール８の先端にある定量のワイヤ６にスパーク部品２２から電流２３を飛ばし（図６（ａ））イニシャルボール１９を形成した後に、ボンディングツール８先端部は高温でイニシャルボール１９を加熱する（図６（ｂ））。イニシャルボール１９は十分に加熱されているので半導体チップ１のパッド２ｂに到達してからの変形もはやくボール１９ａを接合するための荷重は従来よりも小さな値により接合を完了させることが可能となる（図６（ｃ））。このことからパッド構造が脆い場合には有効な手段にもなる。図６（ｄ）はワイヤを押し潰して超音波併用熱圧着法でステッチ１１を形成してワイヤ６をインナーリード４ｂに接合するが、ここでもインナーリード４ｂが局所的に加熱されることにより酸化される領域が非常に狭い範囲に限られるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００２４】
１    半導体チップ
２ａ  パッド１
２ｂ  パッド２
３    ダイパッド
４ａ  インナーリード
４ｂ  インナーリード
５    ダイボンド接着材
６    ワイヤ
７    ボール
８    ボンディングツール
８ａ  ボンディングツール先端部
９    ボンドヒータ（ヒータプレート）
１０  ループ
１１  ステッチ
１２  外部電源
１３  ホーン（ボンディングツール保持部品）
１４  タングステンの電熱線
１４ａ  電熱線巻き付け
１５  押さえ治具
１６  真空吸着路
１７  ダイヤモンド結晶体で成型された加熱部品
１８  熱伝導性に優れた材料（ダイヤモンド/ナノカーボン）
１８ａ  ボンディングツール先端外面の蒸着
１９  イニシャルボール
２０  加熱されたボール
２１  特殊加工
２２  スパーク部品
２３  電流
２４  固定ビス
【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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