ワイヤボンディング方法及びワイヤボンディング用のレーザ溶接装置
【課題】Ｃｕ系のボンディングワイヤとＣｕ系の端子との間に広くて浅くて強固な接合を得ること。
【解決手段】Ｘ−Ｙステージ２０上で半導体チップ１２の各電極パッド１４とそれに対応する端子（電極パッド１４，リード１８）とを電気的に接続するために、ビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを用いて断面矩形の平角型Ｃｕ（またはＣｕ合金）のボンディングワイヤ２２の先端部を各端子（電極パッド１４，リード１８）にレーザ溶接で接合する。
【解決手段】Ｘ−Ｙステージ２０上で半導体チップ１２の各電極パッド１４とそれに対応する端子（電極パッド１４，リード１８）とを電気的に接続するために、ビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを用いて断面矩形の平角型Ｃｕ（またはＣｕ合金）のボンディングワイヤ２２の先端部を各端子（電極パッド１４，リード１８）にレーザ溶接で接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃｕ（銅）系の端子にＣｕ系のボンディングワイヤを接続するためのワイヤボンディング方法およびレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤボンディングは、主に半導体チップ上の電極パッドをパッケージの外部引き出し端子（リード）に電気的に接続する工程で用いられており、ボンディングワイヤを１本ずつ扱うことから、半導体実装工程の中でも最も高い信頼性を要求されている。
【０００３】
従来一般のワイヤボンディングでは、ボンディングワイヤの材料がＡｕ（金）またはＡｌ（アルミニウム）であり、Ａｌワイヤをボンディングワイヤとする場合は熱圧着方式が用いられ、Ａｌワイヤをボンディングワイヤとする場合は超音波方式が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、近年、半導体チップにおいては、高集積化・高速化に伴って、配線および電極パッドの材料がこれまでのＡｌから比抵抗が低くてエレクトロマイグレーションの起こり難いＣｕに徐々に置き換わってきている。また、リードフレームの材料も、Ｆｅ-Ｎｉ合金系よりは電気伝導度および熱伝導率に優れたＣｕ合金系の使用が増えてきている。このことから、Ｃｕ系の電極パッドとＣｕ系のリードとをＣｕワイヤで結線できるワイヤボンディング法が求められている。
【０００５】
この点、熱圧着ワイヤボンディング法および超音波ワイヤボンディング法は、どちらもＣｕワイヤに対しては十分な接合強度が得られず、接合表面の酸化が進みやすいという難点がある。
【０００６】
本出願人は、上記のようなワイヤボンディングの技術的課題を解決するために、特許文献１において、ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光を用いてＣｕワイヤをＣｕ系の電極パッドあるいはＣｕ系のリードにレーザ溶接で接合するレーザワイヤボンディング法を提案している。
【０００７】
このレーザワイヤボンディング法は、ＣｕワイヤをＣｕ系の被接合物または端子（電極パッド、外部引き出し用端子、導体パターン等）の上に重ね、可変のパルス幅を有するＹＡＧ高調波のパルスレーザ光をＣｕワイヤに上方から照射して、該ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のエネルギーによってＣｕワイヤおよびＣｕ系端子を溶融させ、両者をスポット溶接で接合する。Ｃｕ系の金属はＹＡＧ高調波をよく吸収するので、スポット溶接の溶融接合が良好に行われ、酸化し難い強固なＣｕ接合が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−６６７９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本出願人が特許文献１で開示したレーザワイヤボンディング法は、上記のように酸化し難い強固なＣｕ接合が得られるものの、Ｃｕ系ボンディングワイヤの幅寸法および厚みに比して、溶接部の接合面積が小さすぎることと、溶け込みが深すぎることが問題となっている。
【００１０】
たとえば、幅寸法が０．４ｍｍ、厚み寸法が０．０５ｍｍのＣｕワイヤに対して、上記特許文献１のレーザワイヤボンディング法を適用すると、スポット溶接部の口径は０．１ｍｍ程度でありながら、溶け込みの深さが０．３ｍｍ以上に達してしまう。接合部自体の物理的な接合強度が大きくても、接合部の面積が小さければ、ボンディングワイヤとしての接合強度や電気伝導特性は低下する。また、溶接の溶け込みが深すぎると、端子部材を傷めることもある。
【００１１】
この点に関しては、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法の方が、接触界面全体の拡散接合または固相接合により広くて浅い接合部を得ることができる。もっとも、上記のようにＣｕワイヤの場合は接合強度が不十分になることが難点になっている。
【００１２】
要するに、ボンディングワイヤおよび端子部材の全部がＣｕ系の金属からなるワイヤボンディングにおいては、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法と同等な広くて浅い接合部を実現できるレーザワイヤボンディング法が求められている。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、Ｃｕ系のボンディングワイヤとＣｕ系の端子との間に広くて浅くて強固な接合を得ることができるワイヤボンディング方法を提供する。
【００１４】
また、本発明は、本発明のワイヤボンディング方法を実施するのに適したレーザ溶接装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のワイヤボンディング方法は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを重ね、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記ボンディングワイヤに照射して、前記ボンディングワイヤを前記端子にレーザ溶接で接合する。
【００１６】
また、本発明におけるワイヤボンディング用のレーザ溶接装置は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを接合するワイヤボンディングのためのレーザ溶接装置であって、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光を生成するＹＡＧ高調波パルスレーザ発生部と、前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のビーム断面を円形から矩形状に変えるための断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバと、前記矩形コアファイバより得られるビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記端子の上に重ねられた前記ボンディングワイヤの加工ポイントに集光照射するレーザ出射部とを有する。
【００１７】
本発明のワイヤボンディング法においては、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光をボンディングワイヤの接合ポイントに照射することで、ビームスポットのパワー密度分布が広くて低い矩形トップハットのプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部の溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような広くて浅いプロファイルになる。
【００１８】
本発明のレーザ溶接装置は、断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバの一端面にビーム断面が円形のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を入射させて、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光が矩形コアファイバを伝搬する間にそのビーム横モードをシングルモードからマルチモードに変えていき、矩形コアファイバの他端面よりビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を取り出す。
【００１９】
本発明の好適な一態様においては、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の照射位置付近で端子の母材には溶け込みが及ばないようにしてボンディングワイヤと端子のめっき層とが溶融した溶接部が得られる。好ましくは、端子のめっき層はＡｕ（金）であり、その下地膜としてＮｉめっき層があってよい。
【００２０】
また、本発明においては、溶接部の接合面積を大きくするのが容易であり、ボンディングワイヤに照射されるＹＡＧ高調波パルスレーザ光の矩形状ビームスポットの各辺のサイズを、ボンディングワイヤの幅のサイズに比して０．６以上にするのが好ましい。
【００２１】
また、本発明におけるＣｕ系のボンディングワイヤが、めっきを施されていてもよく、たとえばＮｉめっき層を好適に有することができる。
【００２２】
本発明のワイヤボンディング方法によってボンディングワイヤとレーザ溶接で接合されるＣｕ系の端子は、典型的には半導体パッケージの外部引き出し端子あるいは半導体チップの電極パッドであるが、プリント基板上の導体パターン等であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のワイヤボンディング方法によれば、上記のような構成および作用により、Ｃｕ系のボンディングワイヤとＣｕ系の端子との間に広くて浅くて強固な接合を得ることができる。
【００２４】
また、本発明のワイヤボンディング用のレーザ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、本発明のワイヤボンディング方法を首尾よく効率的に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態におけるワイヤボンディング方法を示す斜視図である。
【図２】一実施形態におけるワイヤボンディング用のレーザ溶接装置の構成を示す図である。
【図３】上記レーザ溶接装置において矩形コアファイバの一端面にグリーンパルスレーザ光が入射する様子を示す斜視図である。
【図４】上記レーザ溶接装置において矩形コアファイバの他端面よりグリーンパルスレーザ光が出射する様子を示す斜視図である。
【図５】上記実施形態においてビーム断面が矩形のグリーンパルスレーザ光がボンディングワイヤの接合ポイントントに集光照射される様子を示す斜視図である。
【図６】実施形態のワイヤボンディングの作用を参考例と対比して示す図である。
【図７】実施形態の一実験例で得られた溶接部の断面構造を示す金属顕微鏡の観察画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２７】
図１に、本発明におけるワイヤボンディング方法の一実施形態を示す。
【００２８】
図示の例は封止前の半導体パッケージ１０であり、ウエハプロセスを経た半導体チップ１２がこの半導体パッケージ１０に実装される。半導体チップ１２の上面には、チップに搭載されている半導体集積回路の電圧端子または信号入出力端子である電極パッド１４が多数設けられている。好適な一実施例として、電極パッド１４は、ＣｕまたはＣｕ合金を母材とし、Ｎｉめっき層を下地膜として表面にＡｕめっき層を有している。
【００２９】
パッケージ１０は、熱放散性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のようなセラミック製のマウント用基板（ダイパッド）１６を有している。パッケージ１０に半導体チップ１２を実装するためには、ワイヤボンディング工程に先立って、半導体チップ１２がこの基板１６上にフェイスアップでダイボンドされる。
【００３０】
この半導体パッケージ１０の外部引き出し端子は、リードフレームのリード（インナリード）１８によって与えられる。好適な一実施例として、リード１８も、ＣｕまたはＣｕ合金を母材とし、Ｎｉ（ニッケル）めっき層を下地膜として表面にＡｕめっき層を有している。
【００３１】
上記のようなダイボンディングにより半導体チップ１２を固定したパッケージ１０が、この実施形態のワイヤボンディング加工を受けるため、図１に模式的に示すＸ−Ｙステージ２０上の所定位置に配置される。Ｘ−Ｙステージ２０は、ボールネジ駆動またはリニアモータ駆動によりＸ−Ｙ方向で移動して、ステージ上のワーク（１０，１２）の任意の加工ポイント（接合ポイント）を予め設定された加工位置（ボンディング位置）に位置合わせできるようになっている。
【００３２】
この実施形態のワイヤボンディング装置は、上記ボンディング位置にて各被接合部または端子（電極パッド１４，リード１８）の上にボンディングワイヤ２２の先端部を位置合わせして重ねるボンディングヘッド（図示せず）と、ボンディングワイヤ２２の先端部を各端子にレーザ溶接で接合するためのレーザ溶接装置２４（図２）とを有している。図１に示すように、レーザ溶接装置２４のレーザ出射ユニット３２は、ステージ２０の上方に設置または配置され、上記ボンディング位置の加工ポイントに対して、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ第２高調波（波長５３２μｍのグリーン光）のパルスレーザ光ＳＨＧを集光照射するようになっている。この明細書では、以下、ＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧをグリーンパルスレーザ光ＳＨＧと称する。
【００３３】
この実施形態では、ボンディングワイヤ２２に断面矩形の平角型Ｃｕ（またはＣｕ合金）のボンディングワイヤ（以下、「Ｃｕワイヤ」と称する。）を使用し、半導体チップ１２の各電極パッド１４とそれに対応するリード１８とを電気的に接続するために、Ｃｕワイヤ２２をビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを用いてＣｕワイヤ２２の先端部を各端子（１４，１８）にレーザ溶接で接合するようにしている。この実施形態におけるレーザワイヤボンディング法の作用は後に詳細に説明する。
【００３４】
図２に、この実施形態のワイヤボンディング方法に好適に使用できるレーザ溶接装置２４の構成を示す。
【００３５】
このレーザ溶接装置２４は、ロングパルス（１０μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを生成するグリーンパルスレーザ発生器２６と、このグリーンパルスレーザ発振器２６にレーザ発振用の駆動電流ＩLDを供給するレーザ電源２８と、グリーンパルスレーザ発生器２６で生成されたグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを所望のレーザ加工場所まで伝送し、その伝送中にグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面形状を円形から矩形状に変換する矩形コアファイバ３０と、レーザ加工場所で断面矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧをワイヤボンディングの溶接ポイントＷＰに向けて集光照射するレーザ出射ユニット３２とを備えている。
【００３６】
グリーンパルスレーザ発生器２６においては、一対の終端ミラー３４，３６の間の直線的な光路上に、図の右から左に向かって、１／４波長板３８、活性媒質４０、高調波分離出力ミラー４２、収束レンズ４４、非線形光学結晶（波長変換結晶）４６が所定の距離間隔を空けて一列に配置されている。なお、別のレイアウトとして、１／４波長板と活性媒質との間に折り返しミラーを配置し、光共振器内の光路を曲げた構成としてもよい。
【００３７】
両終端ミラー３４，３６は互いに向かい合って光共振器を構成している。図の右側の第１終端ミラー３４の反射面３４ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。図の左側の第２終端ミラー３６の反射面３６ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされるとともに、第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。
【００３８】
なお、両終端ミラー３４，３６の反射面３４ａ，３６ａはそれぞれ適当な曲率半径を有する凹面に形成されている、一例として、第１終端ミラー３４の反射面３４ａは約９０００ｍｍの曲率半径を有し、第２終端ミラー３６の反射面３６ａは約５０００ｍｍの曲率半径を有している。
【００３９】
活性媒質４０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧロッドからなり、第１終端ミラー３４寄りに配置され、電気光学励起部４８によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部４６は、活性媒質４０に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプあるいはレーザダイオード）を有し、この励起光源をレーザ電源部２８からの励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質４０を持続的または断続的にポンピングする。こうして活性媒質４０で生成される基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＡは、両終端ミラー３４，３６の間に閉じ込められて増幅される。
【００４０】
第１終端ミラー３４と活性媒質４０との間に配置されている１／４波長板３８は、複屈折結晶素子からなり、基本波レーザ光ＬＡがこの結晶を通過する際に２つの固有偏光（Ｓ波／Ｐ波）の間に一定の位相差を与え、ひいては非線形光学結晶４６に対して常光・異常光のパワー比を一定に保つように作用する。
【００４１】
非線形光学結晶４６は、タイプIIの位相整合にカットされた、たとえばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶あるいはＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶等からなり、第２終端ミラー３６寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線形光学作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。
【００４２】
光学レンズ４４は、非線形光学結晶４６に入射する基本波長の光ビームＬＡのパワー密度を増大させるためのものであり、その両面に基本波長および第２高調波のいずれに対しても高透過性の誘電体膜をコーティングした平凸レンズからなる。
【００４３】
第１終端ミラー３４あるいは活性媒質４０側から図の左方向に伝播してきた基本波長の光ビームＬＡは、光学レンズ４４を透過した後は、収束しながら非線形光学結晶４６を通過し（これによって非線形光学結晶４６が基本モードに光学的に結合し）、第２終端ミラー３６の反射面３６ａ付近に設定される光学レンズ４４の焦点位置に集光するようになっている。そして、第２終端ミラー３６の反射面３６ａで反射した基本波長の光ビームＬＡは、放射状に広がりながら非線形光学結晶４６を通過し（これによって非線形光学結晶４６が基本モードに光学的に結合し）、収束レンズ４４で平行光にコリメートされて、活性媒質４０側に戻るようになっている。
【００４４】
また、図１において、非線形光学結晶４６より図の左側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、第２終端ミラー３６の反射面３６ａで反射して反対方向（図の右方向）に戻され、非線形光学結晶４６を通り抜ける。非線形光学結晶４６より図の右側に出た第２高調波の光ビームは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５°）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー４２に入射する。
【００４５】
高調波分離出力ミラー４２は、ガラス基板からなり、その主面４２ａに基本波長に対して透過性の膜をコーティングし、第２高調波に対して反射性の膜をコーティングしている。これにより、光共振器内で、基本波長の光ビームＬＡは高調波分離出力ミラー４２を双方向で透過する。また、第２高調波の光ビームつまりグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、非線形光学結晶４６側から高調波分離出力ミラー４２に入射し、そこで所定の方向（図の下方）に反射して、光共振器の光路から分離出力されるようになっている。
【００４６】
このグリーンパルスレーザ発生器２６で生成されるグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、基本波長の光ビームＬＡと同様に、光軸に垂直な方向でパワー密度がガウス分布を示すガウスビームであり、ビーム断面形状が円形になっている。
【００４７】
高調波分離出力ミラー４６より光共振器の外に取り出されたグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、入射ユニット５０内で集光レンズ５２により集光されて矩形コアファイバ３０の一端面３０ａに入射する。
【００４８】
図３に、この矩形コアファイバ３０の一端面３０ａにビーム断面円形のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが集光入射する様子を示す。矩形コアファイバ３０は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形の矩形コアファイバからなり、断面矩形のコア２９を有している。通常、コア２９の材質は石英ガラスであり、コア２９を取り囲むクラッド３１の材質はコア２９よりも屈折率の小さい石英ガラスまたは樹脂である。
【００４９】
矩形コアファイバ３０の一端面３０ａに入射したグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、断面矩形のコア２９とクラッド３１との界面で全反射を繰り返しながらコア２９に閉じ込められてファイバの軸方向に伝搬する。このファイバ３０内の伝搬中に、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧの横モードがシングルモードからマルチモードに変わり、ビーム断面形状が円形から矩形に変わる。
【００５０】
そして、出射ユニット５４内で、図４に示すように、矩形コアファイバ３０の他端面３０ｂより、ビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが一定の拡がり角で出射される。
【００５１】
このようにグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面形状を円状から矩形状に変える作用を奏するうえで、矩形コアファイバ３０のファイバ長は一定以上必要であり、通常は１ｍ以上あればよく、好ましくは２ｍ以上あるとよい。
【００５２】
出射ユニット５４内には、所定の間隔を置いて光軸上にコリメートレンズ５４と集光レンズ５６が設けられている。コリメートレンズ５４は、図４に示すように、矩形コアファイバ３０の終端面３０ｂより出たグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを平行光にコリメートする。
【００５３】
図５に示すように、集光レンズ５６は、平行光のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを所定の焦点位置つまりワイヤボンディングの接合ポイントに集光させる。これにより、Ｃｕワイヤ２２の接合ポイントの部位にグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが集光入射し、矩形状のビームスポットＢＳの下でレーザスポット溶接が行われる。
【００５４】
図６に、この実施形態におけるレーザワイヤボンディング法の作用を参考例と対比して示す。ここで、参考例とは、図２のレーザ溶接装置２４において矩形コアファイバ３０を断面円形のコアを有する一般の円形コアファイバに置き換えて、それ以外はすべて実施形態と同じ条件にしたものである。
【００５５】
実施形態によれば、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面が矩形状であるため、光軸に垂直な方向のレーザパワー密度分布が広くて低い矩形トップハットのプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部ＷＰの溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような広くて浅いプロファイルになる。グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを調整することで、溶接部ＷＰの接合面積を一定に維持しつつ、溶け込みの深さをＣｕワイヤ２２および端子（リード１８または電極パッド１４）のめっき層（Ａｕ，Ｎｉ）に留め、端子の母材（Ｃｕ）には及ばないようにすることができる。
【００５６】
これに対して、参考例においては、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面が円形であるため、光軸に垂直な方向のレーザパワー密度分布が中央部の突出したテーパ状のプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部ＢＰの溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような狭くて深いプロファイルになる。この場合、溶接部ＢＰの溶け込みを浅くするために、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを下げると、溶接部ＢＰの接合面積が非常に小さなものになる。また、溶接部ＢＰの接合面積を大きくするために、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを上げると、溶接部ＷＰの溶け込み深さがさらに増し、端子の母材（Ｃｕ）を傷めることがある。
【００５７】
なお、実施形態におけるグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビームスポット断面形状は厳密に矩形である必要はなく、図６に示すように角隅部に多少の丸み６０があってもよい。
【００５８】
また、この実施形態においては、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビームスポット径を調節することで、溶接部ＢＰの接合面積を可変調整することができる。ワイヤボンディングでは、物理的特性および電気的特性の面で溶接部ＷＰの接合面積が大きいほどよい。したがって、Ｃｕワイヤ２２の幅サイズＷ22を基準にとると、溶接部ＢＰの各辺のサイズＷBPは基準（Ｗ22）に対する比で０．６以上であるのが好ましい。具体的には、たとえば、Ｃｕワイヤ２２の幅サイズＷ22が０．４ｍｍである場合は、溶接部ＷＰの各辺のサイズＷBPは０．２４ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００５９】
上記のように、この実施形態のレーザワイヤボンディング法によれば、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法と同等に広くて浅く、しかもレーザ溶接による強固な接合部を得ることができる。
【００６０】
図７は、この実施形態における一実験例で得られた溶接部の断面構造を示す金属顕微鏡の観察画像である。この実験例において、Ｃｕワイヤの厚さは５０μｍ、ＣｕワイヤのＮｉめっき層の厚さは３μｍ、端子部材（Ｃｕプレート）の母材（Ｃｕ）の厚さは０．５ｍｍ、下地Ｎｉめっき層の厚さは５μｍ、Ａｕめっき層の厚さは０．３μｍである。また、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパルス幅は０．６ｍｓ、ピークパワーは１．０ｋＷである。
【００６１】
図７に示すように、端子部材側のＡｕめっきが溶けてＣｕワイヤの溶融部に混じり込んでいるのがわかる。一方で、端子部材側の母材（Ｃｕ）はもちろん下地膜のＮｉめっき層も殆ど溶けていないことがわかる。つまり、溶接部の溶け込みはＣｕワイヤを貫通して端子部材のＡｕめっき層まで及び、端子部材の下地Ｎｉめっき層および母材（Ｃｕ）には及んでいないことが確認できた。
【００６２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００６３】
たとえば、上記した実施形態ではＣｕワイヤ２２のめっき層がＮｉであったが、他の材質のめっき層であってもよく、あるいはＣｕワイヤ２２にめっき層が無くてもよい。また、端子（電極パッド１４、リード１８）側においても、任意の材質のめっき層が可能である。
【００６４】
また、上記実施形態のレーザ溶接装置２４においては、レーザ出射ユニット３２にガルバノメータ・スキャナを搭載して、ワイヤボンディング加工のレーザ溶接にスキャニング機能を持たせることも可能である。
【００６５】
また、本発明のワイヤボンディング方法は、半導体チップをリードフレームに搭載して樹脂封止実装をする場合に限らず、多ピンのＰＧＡ（Pin Grid Array）に実装する場合や複数の半導体チップ間あるいは複数の回路基板間の電気接続にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 半導体パッケージ
１２ 半導体チップ
１４ 電極パッド
１８ リード
２０ Ｘ−Ｙステージ
２２ ボンディングワイヤ
２４ レーザ溶接装置
２６ グリーンパルスレーザ発生器
２９ コア
３０ 矩形コアファイバ
３２ レーザ出射ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｃｕ（銅）系の端子にＣｕ系のボンディングワイヤを接続するためのワイヤボンディング方法およびレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤボンディングは、主に半導体チップ上の電極パッドをパッケージの外部引き出し端子（リード）に電気的に接続する工程で用いられており、ボンディングワイヤを１本ずつ扱うことから、半導体実装工程の中でも最も高い信頼性を要求されている。
【０００３】
従来一般のワイヤボンディングでは、ボンディングワイヤの材料がＡｕ（金）またはＡｌ（アルミニウム）であり、Ａｌワイヤをボンディングワイヤとする場合は熱圧着方式が用いられ、Ａｌワイヤをボンディングワイヤとする場合は超音波方式が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、近年、半導体チップにおいては、高集積化・高速化に伴って、配線および電極パッドの材料がこれまでのＡｌから比抵抗が低くてエレクトロマイグレーションの起こり難いＣｕに徐々に置き換わってきている。また、リードフレームの材料も、Ｆｅ-Ｎｉ合金系よりは電気伝導度および熱伝導率に優れたＣｕ合金系の使用が増えてきている。このことから、Ｃｕ系の電極パッドとＣｕ系のリードとをＣｕワイヤで結線できるワイヤボンディング法が求められている。
【０００５】
この点、熱圧着ワイヤボンディング法および超音波ワイヤボンディング法は、どちらもＣｕワイヤに対しては十分な接合強度が得られず、接合表面の酸化が進みやすいという難点がある。
【０００６】
本出願人は、上記のようなワイヤボンディングの技術的課題を解決するために、特許文献１において、ＹＡＧ高調波のパルスレーザ光を用いてＣｕワイヤをＣｕ系の電極パッドあるいはＣｕ系のリードにレーザ溶接で接合するレーザワイヤボンディング法を提案している。
【０００７】
このレーザワイヤボンディング法は、ＣｕワイヤをＣｕ系の被接合物または端子（電極パッド、外部引き出し用端子、導体パターン等）の上に重ね、可変のパルス幅を有するＹＡＧ高調波のパルスレーザ光をＣｕワイヤに上方から照射して、該ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のエネルギーによってＣｕワイヤおよびＣｕ系端子を溶融させ、両者をスポット溶接で接合する。Ｃｕ系の金属はＹＡＧ高調波をよく吸収するので、スポット溶接の溶融接合が良好に行われ、酸化し難い強固なＣｕ接合が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−６６７９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本出願人が特許文献１で開示したレーザワイヤボンディング法は、上記のように酸化し難い強固なＣｕ接合が得られるものの、Ｃｕ系ボンディングワイヤの幅寸法および厚みに比して、溶接部の接合面積が小さすぎることと、溶け込みが深すぎることが問題となっている。
【００１０】
たとえば、幅寸法が０．４ｍｍ、厚み寸法が０．０５ｍｍのＣｕワイヤに対して、上記特許文献１のレーザワイヤボンディング法を適用すると、スポット溶接部の口径は０．１ｍｍ程度でありながら、溶け込みの深さが０．３ｍｍ以上に達してしまう。接合部自体の物理的な接合強度が大きくても、接合部の面積が小さければ、ボンディングワイヤとしての接合強度や電気伝導特性は低下する。また、溶接の溶け込みが深すぎると、端子部材を傷めることもある。
【００１１】
この点に関しては、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法の方が、接触界面全体の拡散接合または固相接合により広くて浅い接合部を得ることができる。もっとも、上記のようにＣｕワイヤの場合は接合強度が不十分になることが難点になっている。
【００１２】
要するに、ボンディングワイヤおよび端子部材の全部がＣｕ系の金属からなるワイヤボンディングにおいては、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法と同等な広くて浅い接合部を実現できるレーザワイヤボンディング法が求められている。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、Ｃｕ系のボンディングワイヤとＣｕ系の端子との間に広くて浅くて強固な接合を得ることができるワイヤボンディング方法を提供する。
【００１４】
また、本発明は、本発明のワイヤボンディング方法を実施するのに適したレーザ溶接装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のワイヤボンディング方法は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを重ね、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記ボンディングワイヤに照射して、前記ボンディングワイヤを前記端子にレーザ溶接で接合する。
【００１６】
また、本発明におけるワイヤボンディング用のレーザ溶接装置は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを接合するワイヤボンディングのためのレーザ溶接装置であって、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光を生成するＹＡＧ高調波パルスレーザ発生部と、前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のビーム断面を円形から矩形状に変えるための断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバと、前記矩形コアファイバより得られるビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記端子の上に重ねられた前記ボンディングワイヤの加工ポイントに集光照射するレーザ出射部とを有する。
【００１７】
本発明のワイヤボンディング法においては、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光をボンディングワイヤの接合ポイントに照射することで、ビームスポットのパワー密度分布が広くて低い矩形トップハットのプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部の溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような広くて浅いプロファイルになる。
【００１８】
本発明のレーザ溶接装置は、断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバの一端面にビーム断面が円形のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を入射させて、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光が矩形コアファイバを伝搬する間にそのビーム横モードをシングルモードからマルチモードに変えていき、矩形コアファイバの他端面よりビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を取り出す。
【００１９】
本発明の好適な一態様においては、ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の照射位置付近で端子の母材には溶け込みが及ばないようにしてボンディングワイヤと端子のめっき層とが溶融した溶接部が得られる。好ましくは、端子のめっき層はＡｕ（金）であり、その下地膜としてＮｉめっき層があってよい。
【００２０】
また、本発明においては、溶接部の接合面積を大きくするのが容易であり、ボンディングワイヤに照射されるＹＡＧ高調波パルスレーザ光の矩形状ビームスポットの各辺のサイズを、ボンディングワイヤの幅のサイズに比して０．６以上にするのが好ましい。
【００２１】
また、本発明におけるＣｕ系のボンディングワイヤが、めっきを施されていてもよく、たとえばＮｉめっき層を好適に有することができる。
【００２２】
本発明のワイヤボンディング方法によってボンディングワイヤとレーザ溶接で接合されるＣｕ系の端子は、典型的には半導体パッケージの外部引き出し端子あるいは半導体チップの電極パッドであるが、プリント基板上の導体パターン等であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のワイヤボンディング方法によれば、上記のような構成および作用により、Ｃｕ系のボンディングワイヤとＣｕ系の端子との間に広くて浅くて強固な接合を得ることができる。
【００２４】
また、本発明のワイヤボンディング用のレーザ溶接装置によれば、上記のような構成および作用により、本発明のワイヤボンディング方法を首尾よく効率的に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態におけるワイヤボンディング方法を示す斜視図である。
【図２】一実施形態におけるワイヤボンディング用のレーザ溶接装置の構成を示す図である。
【図３】上記レーザ溶接装置において矩形コアファイバの一端面にグリーンパルスレーザ光が入射する様子を示す斜視図である。
【図４】上記レーザ溶接装置において矩形コアファイバの他端面よりグリーンパルスレーザ光が出射する様子を示す斜視図である。
【図５】上記実施形態においてビーム断面が矩形のグリーンパルスレーザ光がボンディングワイヤの接合ポイントントに集光照射される様子を示す斜視図である。
【図６】実施形態のワイヤボンディングの作用を参考例と対比して示す図である。
【図７】実施形態の一実験例で得られた溶接部の断面構造を示す金属顕微鏡の観察画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２７】
図１に、本発明におけるワイヤボンディング方法の一実施形態を示す。
【００２８】
図示の例は封止前の半導体パッケージ１０であり、ウエハプロセスを経た半導体チップ１２がこの半導体パッケージ１０に実装される。半導体チップ１２の上面には、チップに搭載されている半導体集積回路の電圧端子または信号入出力端子である電極パッド１４が多数設けられている。好適な一実施例として、電極パッド１４は、ＣｕまたはＣｕ合金を母材とし、Ｎｉめっき層を下地膜として表面にＡｕめっき層を有している。
【００２９】
パッケージ１０は、熱放散性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のようなセラミック製のマウント用基板（ダイパッド）１６を有している。パッケージ１０に半導体チップ１２を実装するためには、ワイヤボンディング工程に先立って、半導体チップ１２がこの基板１６上にフェイスアップでダイボンドされる。
【００３０】
この半導体パッケージ１０の外部引き出し端子は、リードフレームのリード（インナリード）１８によって与えられる。好適な一実施例として、リード１８も、ＣｕまたはＣｕ合金を母材とし、Ｎｉ（ニッケル）めっき層を下地膜として表面にＡｕめっき層を有している。
【００３１】
上記のようなダイボンディングにより半導体チップ１２を固定したパッケージ１０が、この実施形態のワイヤボンディング加工を受けるため、図１に模式的に示すＸ−Ｙステージ２０上の所定位置に配置される。Ｘ−Ｙステージ２０は、ボールネジ駆動またはリニアモータ駆動によりＸ−Ｙ方向で移動して、ステージ上のワーク（１０，１２）の任意の加工ポイント（接合ポイント）を予め設定された加工位置（ボンディング位置）に位置合わせできるようになっている。
【００３２】
この実施形態のワイヤボンディング装置は、上記ボンディング位置にて各被接合部または端子（電極パッド１４，リード１８）の上にボンディングワイヤ２２の先端部を位置合わせして重ねるボンディングヘッド（図示せず）と、ボンディングワイヤ２２の先端部を各端子にレーザ溶接で接合するためのレーザ溶接装置２４（図２）とを有している。図１に示すように、レーザ溶接装置２４のレーザ出射ユニット３２は、ステージ２０の上方に設置または配置され、上記ボンディング位置の加工ポイントに対して、ビーム断面が矩形状のＹＡＧ第２高調波（波長５３２μｍのグリーン光）のパルスレーザ光ＳＨＧを集光照射するようになっている。この明細書では、以下、ＹＡＧ第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧをグリーンパルスレーザ光ＳＨＧと称する。
【００３３】
この実施形態では、ボンディングワイヤ２２に断面矩形の平角型Ｃｕ（またはＣｕ合金）のボンディングワイヤ（以下、「Ｃｕワイヤ」と称する。）を使用し、半導体チップ１２の各電極パッド１４とそれに対応するリード１８とを電気的に接続するために、Ｃｕワイヤ２２をビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを用いてＣｕワイヤ２２の先端部を各端子（１４，１８）にレーザ溶接で接合するようにしている。この実施形態におけるレーザワイヤボンディング法の作用は後に詳細に説明する。
【００３４】
図２に、この実施形態のワイヤボンディング方法に好適に使用できるレーザ溶接装置２４の構成を示す。
【００３５】
このレーザ溶接装置２４は、ロングパルス（１０μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを生成するグリーンパルスレーザ発生器２６と、このグリーンパルスレーザ発振器２６にレーザ発振用の駆動電流ＩLDを供給するレーザ電源２８と、グリーンパルスレーザ発生器２６で生成されたグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを所望のレーザ加工場所まで伝送し、その伝送中にグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面形状を円形から矩形状に変換する矩形コアファイバ３０と、レーザ加工場所で断面矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧをワイヤボンディングの溶接ポイントＷＰに向けて集光照射するレーザ出射ユニット３２とを備えている。
【００３６】
グリーンパルスレーザ発生器２６においては、一対の終端ミラー３４，３６の間の直線的な光路上に、図の右から左に向かって、１／４波長板３８、活性媒質４０、高調波分離出力ミラー４２、収束レンズ４４、非線形光学結晶（波長変換結晶）４６が所定の距離間隔を空けて一列に配置されている。なお、別のレイアウトとして、１／４波長板と活性媒質との間に折り返しミラーを配置し、光共振器内の光路を曲げた構成としてもよい。
【００３７】
両終端ミラー３４，３６は互いに向かい合って光共振器を構成している。図の右側の第１終端ミラー３４の反射面３４ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。図の左側の第２終端ミラー３６の反射面３６ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされるとともに、第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされている。
【００３８】
なお、両終端ミラー３４，３６の反射面３４ａ，３６ａはそれぞれ適当な曲率半径を有する凹面に形成されている、一例として、第１終端ミラー３４の反射面３４ａは約９０００ｍｍの曲率半径を有し、第２終端ミラー３６の反射面３６ａは約５０００ｍｍの曲率半径を有している。
【００３９】
活性媒質４０は、たとえばＮｄ：ＹＡＧロッドからなり、第１終端ミラー３４寄りに配置され、電気光学励起部４８によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部４６は、活性媒質４０に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプあるいはレーザダイオード）を有し、この励起光源をレーザ電源部２８からの励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質４０を持続的または断続的にポンピングする。こうして活性媒質４０で生成される基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＡは、両終端ミラー３４，３６の間に閉じ込められて増幅される。
【００４０】
第１終端ミラー３４と活性媒質４０との間に配置されている１／４波長板３８は、複屈折結晶素子からなり、基本波レーザ光ＬＡがこの結晶を通過する際に２つの固有偏光（Ｓ波／Ｐ波）の間に一定の位相差を与え、ひいては非線形光学結晶４６に対して常光・異常光のパワー比を一定に保つように作用する。
【００４１】
非線形光学結晶４６は、タイプIIの位相整合にカットされた、たとえばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）結晶あるいはＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶等からなり、第２終端ミラー３６寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線形光学作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。
【００４２】
光学レンズ４４は、非線形光学結晶４６に入射する基本波長の光ビームＬＡのパワー密度を増大させるためのものであり、その両面に基本波長および第２高調波のいずれに対しても高透過性の誘電体膜をコーティングした平凸レンズからなる。
【００４３】
第１終端ミラー３４あるいは活性媒質４０側から図の左方向に伝播してきた基本波長の光ビームＬＡは、光学レンズ４４を透過した後は、収束しながら非線形光学結晶４６を通過し（これによって非線形光学結晶４６が基本モードに光学的に結合し）、第２終端ミラー３６の反射面３６ａ付近に設定される光学レンズ４４の焦点位置に集光するようになっている。そして、第２終端ミラー３６の反射面３６ａで反射した基本波長の光ビームＬＡは、放射状に広がりながら非線形光学結晶４６を通過し（これによって非線形光学結晶４６が基本モードに光学的に結合し）、収束レンズ４４で平行光にコリメートされて、活性媒質４０側に戻るようになっている。
【００４４】
また、図１において、非線形光学結晶４６より図の左側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、第２終端ミラー３６の反射面３６ａで反射して反対方向（図の右方向）に戻され、非線形光学結晶４６を通り抜ける。非線形光学結晶４６より図の右側に出た第２高調波の光ビームは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５°）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー４２に入射する。
【００４５】
高調波分離出力ミラー４２は、ガラス基板からなり、その主面４２ａに基本波長に対して透過性の膜をコーティングし、第２高調波に対して反射性の膜をコーティングしている。これにより、光共振器内で、基本波長の光ビームＬＡは高調波分離出力ミラー４２を双方向で透過する。また、第２高調波の光ビームつまりグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、非線形光学結晶４６側から高調波分離出力ミラー４２に入射し、そこで所定の方向（図の下方）に反射して、光共振器の光路から分離出力されるようになっている。
【００４６】
このグリーンパルスレーザ発生器２６で生成されるグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、基本波長の光ビームＬＡと同様に、光軸に垂直な方向でパワー密度がガウス分布を示すガウスビームであり、ビーム断面形状が円形になっている。
【００４７】
高調波分離出力ミラー４６より光共振器の外に取り出されたグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、入射ユニット５０内で集光レンズ５２により集光されて矩形コアファイバ３０の一端面３０ａに入射する。
【００４８】
図３に、この矩形コアファイバ３０の一端面３０ａにビーム断面円形のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが集光入射する様子を示す。矩形コアファイバ３０は、たとえばＳＩ（ステップインデックス）形の矩形コアファイバからなり、断面矩形のコア２９を有している。通常、コア２９の材質は石英ガラスであり、コア２９を取り囲むクラッド３１の材質はコア２９よりも屈折率の小さい石英ガラスまたは樹脂である。
【００４９】
矩形コアファイバ３０の一端面３０ａに入射したグリーンパルスレーザ光ＳＨＧは、断面矩形のコア２９とクラッド３１との界面で全反射を繰り返しながらコア２９に閉じ込められてファイバの軸方向に伝搬する。このファイバ３０内の伝搬中に、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧの横モードがシングルモードからマルチモードに変わり、ビーム断面形状が円形から矩形に変わる。
【００５０】
そして、出射ユニット５４内で、図４に示すように、矩形コアファイバ３０の他端面３０ｂより、ビーム断面が矩形状のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが一定の拡がり角で出射される。
【００５１】
このようにグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面形状を円状から矩形状に変える作用を奏するうえで、矩形コアファイバ３０のファイバ長は一定以上必要であり、通常は１ｍ以上あればよく、好ましくは２ｍ以上あるとよい。
【００５２】
出射ユニット５４内には、所定の間隔を置いて光軸上にコリメートレンズ５４と集光レンズ５６が設けられている。コリメートレンズ５４は、図４に示すように、矩形コアファイバ３０の終端面３０ｂより出たグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを平行光にコリメートする。
【００５３】
図５に示すように、集光レンズ５６は、平行光のグリーンパルスレーザ光ＳＨＧを所定の焦点位置つまりワイヤボンディングの接合ポイントに集光させる。これにより、Ｃｕワイヤ２２の接合ポイントの部位にグリーンパルスレーザ光ＳＨＧが集光入射し、矩形状のビームスポットＢＳの下でレーザスポット溶接が行われる。
【００５４】
図６に、この実施形態におけるレーザワイヤボンディング法の作用を参考例と対比して示す。ここで、参考例とは、図２のレーザ溶接装置２４において矩形コアファイバ３０を断面円形のコアを有する一般の円形コアファイバに置き換えて、それ以外はすべて実施形態と同じ条件にしたものである。
【００５５】
実施形態によれば、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面が矩形状であるため、光軸に垂直な方向のレーザパワー密度分布が広くて低い矩形トップハットのプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部ＷＰの溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような広くて浅いプロファイルになる。グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを調整することで、溶接部ＷＰの接合面積を一定に維持しつつ、溶け込みの深さをＣｕワイヤ２２および端子（リード１８または電極パッド１４）のめっき層（Ａｕ，Ｎｉ）に留め、端子の母材（Ｃｕ）には及ばないようにすることができる。
【００５６】
これに対して、参考例においては、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビーム断面が円形であるため、光軸に垂直な方向のレーザパワー密度分布が中央部の突出したテーパ状のプロファイルとなり、これによって接合ポイントに得られる溶接部ＢＰの溶け込みはレーザパワー密度分布を逆さにしたような狭くて深いプロファイルになる。この場合、溶接部ＢＰの溶け込みを浅くするために、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを下げると、溶接部ＢＰの接合面積が非常に小さなものになる。また、溶接部ＢＰの接合面積を大きくするために、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパワーを上げると、溶接部ＷＰの溶け込み深さがさらに増し、端子の母材（Ｃｕ）を傷めることがある。
【００５７】
なお、実施形態におけるグリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビームスポット断面形状は厳密に矩形である必要はなく、図６に示すように角隅部に多少の丸み６０があってもよい。
【００５８】
また、この実施形態においては、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのビームスポット径を調節することで、溶接部ＢＰの接合面積を可変調整することができる。ワイヤボンディングでは、物理的特性および電気的特性の面で溶接部ＷＰの接合面積が大きいほどよい。したがって、Ｃｕワイヤ２２の幅サイズＷ22を基準にとると、溶接部ＢＰの各辺のサイズＷBPは基準（Ｗ22）に対する比で０．６以上であるのが好ましい。具体的には、たとえば、Ｃｕワイヤ２２の幅サイズＷ22が０．４ｍｍである場合は、溶接部ＷＰの各辺のサイズＷBPは０．２４ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００５９】
上記のように、この実施形態のレーザワイヤボンディング法によれば、熱圧着ワイヤボンディング法や超音波ワイヤボンディング法と同等に広くて浅く、しかもレーザ溶接による強固な接合部を得ることができる。
【００６０】
図７は、この実施形態における一実験例で得られた溶接部の断面構造を示す金属顕微鏡の観察画像である。この実験例において、Ｃｕワイヤの厚さは５０μｍ、ＣｕワイヤのＮｉめっき層の厚さは３μｍ、端子部材（Ｃｕプレート）の母材（Ｃｕ）の厚さは０．５ｍｍ、下地Ｎｉめっき層の厚さは５μｍ、Ａｕめっき層の厚さは０．３μｍである。また、グリーンパルスレーザ光ＳＨＧのパルス幅は０．６ｍｓ、ピークパワーは１．０ｋＷである。
【００６１】
図７に示すように、端子部材側のＡｕめっきが溶けてＣｕワイヤの溶融部に混じり込んでいるのがわかる。一方で、端子部材側の母材（Ｃｕ）はもちろん下地膜のＮｉめっき層も殆ど溶けていないことがわかる。つまり、溶接部の溶け込みはＣｕワイヤを貫通して端子部材のＡｕめっき層まで及び、端子部材の下地Ｎｉめっき層および母材（Ｃｕ）には及んでいないことが確認できた。
【００６２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００６３】
たとえば、上記した実施形態ではＣｕワイヤ２２のめっき層がＮｉであったが、他の材質のめっき層であってもよく、あるいはＣｕワイヤ２２にめっき層が無くてもよい。また、端子（電極パッド１４、リード１８）側においても、任意の材質のめっき層が可能である。
【００６４】
また、上記実施形態のレーザ溶接装置２４においては、レーザ出射ユニット３２にガルバノメータ・スキャナを搭載して、ワイヤボンディング加工のレーザ溶接にスキャニング機能を持たせることも可能である。
【００６５】
また、本発明のワイヤボンディング方法は、半導体チップをリードフレームに搭載して樹脂封止実装をする場合に限らず、多ピンのＰＧＡ（Pin Grid Array）に実装する場合や複数の半導体チップ間あるいは複数の回路基板間の電気接続にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 半導体パッケージ
１２ 半導体チップ
１４ 電極パッド
１８ リード
２０ Ｘ−Ｙステージ
２２ ボンディングワイヤ
２４ レーザ溶接装置
２６ グリーンパルスレーザ発生器
２９ コア
３０ 矩形コアファイバ
３２ レーザ出射ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを重ね、
ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記ボンディングワイヤに照射して、前記ボンディングワイヤを前記端子にレーザ溶接で接合するワイヤボンディング方法。
【請求項２】
前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の照射位置付近で前記母材には溶け込みが及ばないようにして前記ボンディングワイヤと前記めっき層とを溶融させる、請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項３】
前記めっき層がＡｕめっき層である、請求項２に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項４】
前記端子が、前記Ａｕめっき層の下地膜としてＮｉめっき層を有する、請求項３に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項５】
前記ボンディングワイヤに照射される前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の矩形状ビームスポットの各辺のサイズが、前記ボンディングワイヤの幅のサイズに比して０．６以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項６】
前記ボンディングワイヤがＮｉめっき層を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項７】
前記端子が半導体パッケージの外部引き出し端子である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項８】
前記端子が半導体チップの電極パッドである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項９】
断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバの一端面にビーム断面が円形のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を入射させて、前記矩形コアファイバの他端面より前記ビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を得る、請求項１〜８のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項１０】
ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを接合するワイヤボンディングのためのレーザ溶接装置であって、
ＹＡＧ高調波パルスレーザ光を生成するＹＡＧ高調波パルスレーザ発生部と、
前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のビーム断面を円形から矩形状に変えるための断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバと、
前記矩形コアファイバより得られるビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記端子の上に重ねられた前記ボンディングワイヤの加工ポイントに集光照射するレーザ出射部と
を有するワイヤボンディング用のレーザ溶接装置。
【請求項１】
ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを重ね、
ビーム断面が矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記ボンディングワイヤに照射して、前記ボンディングワイヤを前記端子にレーザ溶接で接合するワイヤボンディング方法。
【請求項２】
前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の照射位置付近で前記母材には溶け込みが及ばないようにして前記ボンディングワイヤと前記めっき層とを溶融させる、請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項３】
前記めっき層がＡｕめっき層である、請求項２に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項４】
前記端子が、前記Ａｕめっき層の下地膜としてＮｉめっき層を有する、請求項３に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項５】
前記ボンディングワイヤに照射される前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光の矩形状ビームスポットの各辺のサイズが、前記ボンディングワイヤの幅のサイズに比して０．６以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項６】
前記ボンディングワイヤがＮｉめっき層を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項７】
前記端子が半導体パッケージの外部引き出し端子である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項８】
前記端子が半導体チップの電極パッドである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項９】
断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバの一端面にビーム断面が円形のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を入射させて、前記矩形コアファイバの他端面より前記ビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を得る、請求項１〜８のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項１０】
ＣｕまたはＣｕ合金からなる母材とめっき層とを有する端子の上に、ＣｕまたはＣｕ合金からなる平角型のボンディングワイヤを接合するワイヤボンディングのためのレーザ溶接装置であって、
ＹＡＧ高調波パルスレーザ光を生成するＹＡＧ高調波パルスレーザ発生部と、
前記ＹＡＧ高調波パルスレーザ光のビーム断面を円形から矩形状に変えるための断面が矩形のコアを有する矩形コアファイバと、
前記矩形コアファイバより得られるビーム断面矩形状のＹＡＧ高調波パルスレーザ光を前記端子の上に重ねられた前記ボンディングワイヤの加工ポイントに集光照射するレーザ出射部と
を有するワイヤボンディング用のレーザ溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１８８２３（Ｐ２０１１−１８８２３Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３４５４（Ｐ２００９−１６３４５４）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００１６１３６７）ミヤチテクノス株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
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