(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングワイヤを金属膜に圧接するボンディングツールと、該ボンディングツールに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、該超音波ホーンに超音波振動を伝達する超音波振動発生器とを備え、前記ボンディングワイヤと前記金属膜を超音波振動で溶着する超音波ワイヤボンダにおいて、
ボンディングツールと隣接して固定され、前記ボンディングワイヤの自由端側を固定する引き込み防止ツールと、前記ボンディングツールに対して相対的に移動するテーブルとを備え、
前記ボンディングワイヤの自由端側を、前記引き込み防止ツールで前記テーブル側へ押さえて固定することを特徴とする超音波ワイヤボンダ。
【請求項２】
前記引き込み防止ツールの先端をボンディングワイヤに突き刺すことで、ボンディングワイヤを固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波ワイヤボンダ。
【請求項３】
前記引き込み防止ツールの先端でボンディングワイヤを押しつぶすことで、ボンディングワイヤを固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波ワイヤボンダ。
【請求項４】
前記引き込み防止ツールがバネ機構を有し、該バネ機構で、前記ボンディングワイヤを押さえて固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波ワイヤボンダ。
【請求項５】
前記引き込み防止ツールが、前記ボンディングツールと連動して可動し、前記ボンディングツールが前記引き込み防止ツールより先に前記ボンディングワイヤを押さえつけ、次いで前記引き込み防止ツールが前記ボンディングワイヤの自由端側を固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波ワイヤボンダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の組立工程で、超音波振動を用いてボンディングワイヤを半導体チップに固着する超音波ワイヤボンダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴなどのパワーデバイスの半導体チップから外部導出端子へ配線をする方法として、ボンディングワイヤで接続することが知られている。このボンディングワイヤを半導体チップに固着するする装置として超音波ワイヤボンダが一般に用いれる。
【０００３】
図４は、従来の超音波ワイヤボンダの要部構成図である。この超音波ワイヤボンダは、ワイヤ５６を、図示しないワイヤ供給ユニットからワイヤクランプ５４およびワイヤホルダー５５を経由して、ボンディングツール５７に供給する。
つぎに、ボンディングツール５７を用いて、ワイヤ５６を半導体チップ７１に押しつけ加圧する。また、図示しない超音波振動発生ユニット（超音波振動発生器）から超音波振動を、超音波ホーン２およびボンディングツールホルダー５８を経由して、ボンディングツール５７に印加（伝達）する。
【０００４】
このように、ボンディングツール５７を用いて、ワイヤ５６に超音波振動を印加することで、ワイヤ５６を半導体チップ７１のボンディングパッドに固着する。
つぎに、ワイヤ５６を供給しながら、外部導出端子７２の上部に移動して、外部導出端子７２に同様なボンディングを行い、半導体チップ７１と外部導出端子７２を、ワイヤ５６で接続する。
【０００５】
また、ボンディングツール５７の後部は、ワイヤ５６を固定するためのワイヤクランプ５４と、ワイヤ５６を保持するためのワイヤホルダー５５と、ワイヤ５６を切断するためのワイヤカッター５３を有する。
また、ボンディングツール５７やテーブル７４は、昇降機構および水平面内の移動機構とを有し、ボンディングツール５７とテーブル７４とは、相対的に上下および水平に移動させることができる。また、装置によっては回転機構を有するものもある。
【０００６】
超音波ワイヤボンディングにおいては、ボンディングツール５７のワイヤ５６への加圧と超音波振動の印加および加圧時間と印加時間により、接合条件の最適化を図っている。例えば、ワイヤ５６の直径が３００μｍの場合、加圧力は０．６Ｎで時間は２５０ｍｓ程度である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ボンディングツール５７の加圧力が大きいと、半導体チップ７１へのダメージが大きくなるため、出来るだけ加圧力を小さくして接合条件の最適化を図りたい。ところが、ボンディングツール５７の加圧力を小さくすると、ワイヤ５６の前端は自由端であり、ワイヤ５６の後端は、ワイヤ５６で拘束されているため、ワイヤ５６と半導体チップ７１との接合面では、ワイヤ５６の前側と後側との拘束条件が異なる。
【０００８】
拘束条件が異なる状態で、超音波ワイヤボンディングすると、ワイヤ５６には、超音波振動でワイヤホルダー５５の方へ引き込まれる力が働く。この引き込まれる力と、後側が拘束されていることにより、ワイヤ５６の接合面内での応力集中が、前側の方が後側より大きくなり、前側に大きなダメージが与えられる。また、引き込み量が大きくなると、ワイヤ５６の先端部をワイヤホルダー５５で押さえつけるようになり、正常なボンディングができなくなる。
【０００９】
図５は、半導体チップにクラックが発生した図で、同図（ａ）はボンディング箇所の図、同図（ｂ）は同図（ａ）の接合面Ａを示す図、同図（ｃ）は同図（ａ）の接合箇所Ｂの拡大図である。
同図（ａ）で、ワイヤ５６の前側６１は自由端であり、後側６２はワイヤで拘束されている。同図（ｂ）の接合面Ａの前側６３（トウ側）と後側６４（ヒール側）にクラック６５が発生するが、前記したように、前側の方がクラック６５が発生する割合は高い。同図（ｃ）はクラック６５が発生している箇所の拡大図である。半導体チップ９０の上部構造は、ゲート酸化膜８４、ポリシリコン膜で形成されたゲート電極８５、ＢＰＳＧ膜で形成された層間絶縁膜８６およびＡｌ−Ｓｉ膜で形成されたエミッタ電極８７がそれぞれ積層された構造となっており、クラック６５が発生する箇所は、テラス部８４ａ（凸状となっている箇所）である。また、半導体基板８１には、ウエル領域８２、エミッタ領域８３が形成されている。
【００１０】
前記のように、クラック６５が発生すると、この箇所で半導体チップ９０の電気的特性（ゲート耐圧特性など）が劣化したり、ワイヤ６５が半導体チップ９０から剥離するなどの不都合を生じる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、接合面に応力集中が生じ難い超音波ワイヤボンダを供給することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、ボンディングワイヤを金属膜に圧接するボンディングツールと、該ボンディングツールに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、該超音波ホーンに超音波振動を伝達する超音波振動発生器とを備え、前記ボンディングワイヤと前記金属膜を超音波振動で溶着する超音波ワイヤボンダにおいて、ボンディングツールと隣接して、ボンディングワイヤを固定する引き込み防止ツールを具備し、前記ボンディングワイヤの自由端側を、前記引き込み防止ツールで前記金属膜へ押さえつけて固定する構成とする。
【００１２】
また、前記引き込み防止ツールの先端をボンディングワイヤに突き刺すか、前記引き込み防止ツールの先端でボンディングワイヤを押しつぶすことで、ボンディングワイヤを固定するとよい。
また、前記引き込み防止ツールがバネ機構を有し、該バネ機構で、前記ボンディングワイヤを前記金属膜へ圧接して固定するとよい。
また、前記引き込み防止ツールが、前記ボンディングツールと連動して可動し、前記ボンディングツールが前記引き込み防止ツールより先に前記ボンディングワイヤを押さえつけ、次いで前記引き込み防止ツールが前記ボンディングワイヤの自由端側を固定するとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の超音波ワイヤボンダの要部構成図である。
アーム１にワイヤクランプ４を固定し、ワイヤクランプ４にワイヤホルダー５を固定し、超音波ホーン２にボンディングツールホルダー８を固定し、ボンディングツールホルダー８にボンディングツール７を固定する。ワイヤホルダー５を経由して、アルミニウム製のワイヤ６を供給する。また、アーム１の先端に引き込み防止ツールホルダー９を固定し、引き込み防止ツールホルダー９の先端に引き込み防止ツール１０を固定する。テーブル２４上に、半導体チップ２１と外部導出端子２２が固着した基板２３（例えば、パターニングされた導電箔が固着している絶縁基板など）がセットされている。
【００１４】
図示しないワイヤ供給ユニットから、供給されるワイヤ６を、ワイヤクランプ４およびワイヤホルダー５を経由して、ボンディングツール７に供給し、ボンディングツール７および引き込み防止ツール１０を同時に下降させるか、またはテーブル２４を上昇させることにより、ボンディングツール７でワイヤ６を加圧し、引き込み防止ツール１０でワイヤ６の自由端側を固定する。
【００１５】
つぎに、図示しない超音波振動発生ユニットから、超音波ホーン２およびボンディングツールホルダー８、ボンディングツール７を経由して、ワイヤ６に超音波振動を印加して、ワイヤ６と半導体チップ２１を接合する。つぎに、ワイヤ６を供給しながら、外部導出端子２２の上部に移動して、外部導出端子２２に同様なボンディングを行い、半導体チップ２１と外部導出端子２２をワイヤ６で電気的に接続する。また、ボンディングツール７の後部には、ワイヤ６を固定するためのワイヤクランプ４とワイヤ６を切断するためのワイヤカッター３を有している。また、ボンディングツール７または、テーブル２４は、昇降機構および水平面内の移動機構とを有し、相対的に上下および左右に移動することができる。また、装置によっては、回転機構を有するものもある。
【００１６】
前記した引き込み防止ツール１０は、図２（ａ）に示すような針や、図２（ｂ）に示すような薄板である。
ワイヤ６の自由端側を固定する方法は、図２（ａ）の針の先端をワイヤ６に突き刺し、ワイヤ６に針状の孔を開けて固定するか、図２（ｂ）の薄板の先端でワイヤ６を押し潰して固定する。引き込み防止ツール１０による半導体チップ２１へのダメージを小さくするために、針や薄板で構成される引き込み防止ツール１０とワイヤ６との接触面積を、ボンディングツール７とワイヤ６との接触面積より小さくする。
【００１７】
また、アーム１と、図示しない部位を介して、アーム１と連動して動く超音波ホーン２を上下させることで、ワイヤ６を引き込み防止ツール１０とボンディングツール７で押さえつける。その場合、ボンディングツール７の方が引き込み防止ツール１０より先にワイヤ６を押さえつけるように調整する。このように、ボンディングツール７の先端と引き込み防止ツール１０の先端とが相対的な位置を保持しながら移動することで、引き込み防止ツール１０でワイヤ６の自由端を確実に固定し、且つ、半導体チップ２１へのダメージを小さくすることができる。
【００１８】
このように、ワイヤ６の自由端を固定することで、ワイヤ６の前側と後側での拘束条件を同等とすることができる。また、超音波振動で、ワイヤホルダー５の方向へワイヤ６が移動するのを防止することができる。その結果、接合面の応力を、前側と後側で均一化することができ、応力集中が抑制される。応力集中が抑制されることで、半導体チップ２１にクラックが導入されることを防止することができる。
【００１９】
図３は、この発明の第２実施例の超音波ワイヤボンダの要部構成図である。
図１との違いは、引き込み防止ツールホルダー９の上部にバネ機構１１を設けて、バネの力でワイヤ６を押さえ込んで固定した点である。この場合は、引き込み防止ツール１０のワイヤ６への加圧力を任意の大きさにできる利点がある。また、効果は第１実施例と同じである。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、ワイヤの自由端を引き込み防止ツールで固定することで、ボンディングツールによる加圧力を小さくして、半導体チップへのダメージを低減することができる。また、ワイヤと半導体チップとの接合面における、前側と後側との拘束条件を同等にすることで、応力を分散し、半導体チップへのダメージを低減することができる。
【００２１】
また、この発明の超音波ワイヤボンダを用いることで、過酷なパワーサイクルに耐えられる、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の超音波ワイヤボンダの要部構成図
【図２】引き込みツールの形状を示した図で、同図（ａ）は針状をした図、同図（ｂ）は板状をした図
【図３】この発明の第２実施例の超音波ワイヤボンダの要部構成図
【図４】従来の超音波ワイヤボンダの要部構成図
【図５】半導体チップにクラックが発生した図で、（ａ）はボンディング箇所の図、（ｂ）は（ａ）の接合面Ａを示す図、（ｃ）は（ａ）の接合箇所Ｂの拡大図
【符号の説明】
１    アーム
２    超音波ホーン
３    ワイヤカッター
４    ワイヤクランプ
５    ワイヤホルダー
６    ワイヤ
７    ボンディングツール
８    ボンディングツールホルダー
９    引き込み防止ツールホルダー
１０    引き込み防止ツール
２１    半導体チップ
２２    外部導出端子
２３    基板
２４    テーブル
【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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