ワイヤボンディング方法
【課題】半導体パッケージや電子部品の実装基板で用いられるワイヤボンディングの接合性を向上させる。
【解決手段】ワイヤ１２の先端に形成されたボール１４の表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸１６を形成する。次に、ボール１４を第１の電極２０に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、ワイヤ１２を第１の電極２０にボンディングする。ここで、第１の凹凸１６が延びる方向は、超音波振動の振幅方向に直交する。これにより、接合界面の結晶が微細化されるため、低荷重でも塑性変形がしやすく、金属拡散接合しやすくなり、接合性が向上する。
【解決手段】ワイヤ１２の先端に形成されたボール１４の表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸１６を形成する。次に、ボール１４を第１の電極２０に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、ワイヤ１２を第１の電極２０にボンディングする。ここで、第１の凹凸１６が延びる方向は、超音波振動の振幅方向に直交する。これにより、接合界面の結晶が微細化されるため、低荷重でも塑性変形がしやすく、金属拡散接合しやすくなり、接合性が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージや電子部品の基板実装で用いられるワイヤボンディング方法に関し、特に接合性を向上することができるワイヤボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のワイヤボンディングでは、まず、キャピラリから導出されたワイヤの先端をアーク放電や火炎によって溶融させてボールを形成する。次に、ボールを第１の電極に接触させてキャピラリにより超音波振動を印加しながら押し潰して、ワイヤを第１の電極にボンディングする。次に、キャピラリにより加重及び超音波振動を印加することにより、ワイヤを第２の電極にボンディングする。この際に、第１の電極と第２の電極との間においてワイヤが屈曲部を有するループ状になる。
【０００３】
なお、機械部品等の密着面の密着性を向上させるために、フェムト秒レーザを用いて密着面に微細周期構造を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、ワイヤと電極との接合性を向上させることについては何ら開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４０９２２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワイヤボンドのボールは、溶融した後に大気中への自然放熱によって融点以下まで冷却されて凝固する。これは緩やかな凝固のため、結晶の寸法は数十μｍにおよぶ場合が多い。結晶寸法が大きいと、荷重によるズレが生じやすい結晶粒界が少ないため、塑性変形しにくい。さらに、金属拡散速度の大きい粒界が少ないため、金属接合しにくい。
【０００６】
特に、高密度実装を実現しようとするとワイヤボンドの狭ピッチ化が必要となり、ボールサイズが小さくなると、ボールに含まれる結晶の数が少なくなり、この傾向が顕在化する恐れがある。また、高密度実装の目的で半導体チップを積層する場合、チップが薄くなるため、チップ破壊を防止するために低荷重での接合が重要となり、塑性変形のしやすさが必須となる。
【０００７】
また、半導体素子やプリント基板の電極は、めっきや蒸着により数μｍ以下の薄さで形成される。このため、電極の結晶寸法は１μｍ程度となることが多い。Ａｕ線をワイヤとして用いる場合、電極がＡｕであれば比較的良好な接合性が期待できる。しかし、ボールと電極で結晶寸法が大きく違う場合には、相互拡散が遅くなり、接合性が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、接合性を向上することができるワイヤボンディング方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ワイヤの先端に形成されたボールの表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸を形成する工程と、前記ボールを第１の電極に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングする工程とを備え、前記第１の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とするワイヤボンディング方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、接合性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法について図面を参照しながら説明する。図１〜６は、本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【００１３】
まず、図１に示すように、キャピラリ１０から導出されたワイヤ１２の先端に、照射出力を大きくしたフェムト秒レーザを照射して溶融させて、ボール１４を形成する。
【００１４】
次に、図２に示すように、ワイヤ１２の先端に形成されたボール１４の下半分の表面にフェムト秒レーザを照射する。ここで、例えばフェムト秒レーザの波長を８００ｎｍ、パルスエネルギーを１ｍＪ、繰り返しを１ｋＨｚ、パルス幅を２００ｆｓとする。これにより、ボール１４の表面に、１μｍ以下の縞状の第１の凹凸１６が形成される。この凹凸は、ボール１４の表面に形成されたリップル又はナノ周期構造である。
【００１５】
この際に、レーザ光の出力を制御することで、ボール１４の溶融状態から一旦冷却されて固体化する前に表面に第１の凹凸１６を形成する。これにより、凝固に伴う残留応力を低減させ、信頼性の高いワイヤボンド部を形成することができる。
【００１６】
次に、図３に示すように、半導体チップ１８上に形成された第１の電極２０の表面に、フェムト秒レーザを照射して縞状の第２の凹凸２２を形成する。この際に、第１の凹凸１６の形成時とレーザの波長を同じにし、更に好ましくは第１の電極２０の構造、材質、厚み、及びメタライズの製法などに応じてレーザの波長及び出力を調整して、第１の凹凸１６と第２の凹凸２２をほぼ等しい寸法（周期）にする。
【００１７】
次に、図４に示すように、ボール１４を第１の電極２０に接触させてキャピラリ１０により超音波振動を印加しながら押し潰す。これにより、ワイヤ１２を第１の電極２０にボンディングする。ここで、第１の凹凸１６及び第２の凹凸２２が延びる方向は、超音波振動の振幅方向に直交する。これにより、低荷重でも良好な接合性を得ることができる。なお、半導体チップ１８はプリント基板２４上に搭載されている。プリント基板２４上には第２の電極２６が形成されている。
【００１８】
次に、図５に示すように、ワイヤ１２の屈曲部（後述）となる部分にフェムト秒レーザを照射して屈曲方向に直交する縞状の第３の凹凸２８を形成する。また、１回目のワイヤボンディングと同様に、ワイヤ１２のボンディング部分及び第２の電極２６の表面にフェムト秒レーザを照射して、超音波振動の振幅方向に直交する縞状の凹凸を形成する。
【００１９】
次に、図６に示すように、キャピラリ１０により加重及び超音波振動を印加することにより、第２の電極２６にワイヤ１２をボンディングする。この際に、第１の電極２０と第２の電極２６との間においてワイヤ１２が屈曲部３０を有するループ状になる。なお、プリント基板２４はホットプレート上に置かれ、加熱された状態である。
【００２０】
以上説明したように、本実施の形態では、ボールの表面にフェムト秒レーザを照射して、超音波振動の振幅方向に直交する縞状の凹凸を形成する。これにより、接合界面の結晶が微細化されるため、低荷重でも塑性変形がしやすく、金属拡散接合しやすくなり、接合性が向上する。
【００２１】
また、レーザを照射して接合部のワイヤや電極の温度を上昇させることで、塑性変形しやすくなり、接合性を高めることができる。さらに、塑性変形に伴う残留応力を低減することもできる。
【００２２】
また、ワイヤボンドする電極の表面にもレーザを照射することにより、ボールの表面と結晶寸法を揃えて接合性を高めることができる。さらに、第１の電極の構造及び材質などに応じてレーザの波長及び出力を調整することで、第１の凹凸と第２の凹凸をほぼ等しい寸法にすることができる。
【００２３】
また、ボールの形成と凹凸の形成を同じレーザによって行うことで、生産性を改善することができる。
【００２４】
また、ループ状のワイヤの屈曲部にもレーザを照射することで、塑性変形に伴う粒界を起点としたクラックの発生を抑制することができる。
【００２５】
なお、フェムト秒レーザの光源として、例えばCyber Laser社製の光源を用いる。ただし、リップル形成可能なレーザであれば他の波長・出力のレーザでも同様の効果が得られる。また、ワイヤは例えばＡｕ線だが、ＡｌやＣｕなど他の金属ワイヤでも同様の効果が得られる。また、明確な縞状の凹凸（ナノ周期構造）が形成されなくても、レーザを照射された最表面の結晶寸法が微細化されれば同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２６】
１２ ワイヤ
１４ ボール
１６ 第１の凹凸
２２ 第２の凹凸
２６ 第２の電極
２８ 第３の凹凸
３０ 屈曲部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージや電子部品の基板実装で用いられるワイヤボンディング方法に関し、特に接合性を向上することができるワイヤボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のワイヤボンディングでは、まず、キャピラリから導出されたワイヤの先端をアーク放電や火炎によって溶融させてボールを形成する。次に、ボールを第１の電極に接触させてキャピラリにより超音波振動を印加しながら押し潰して、ワイヤを第１の電極にボンディングする。次に、キャピラリにより加重及び超音波振動を印加することにより、ワイヤを第２の電極にボンディングする。この際に、第１の電極と第２の電極との間においてワイヤが屈曲部を有するループ状になる。
【０００３】
なお、機械部品等の密着面の密着性を向上させるために、フェムト秒レーザを用いて密着面に微細周期構造を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、ワイヤと電極との接合性を向上させることについては何ら開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４０９２２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワイヤボンドのボールは、溶融した後に大気中への自然放熱によって融点以下まで冷却されて凝固する。これは緩やかな凝固のため、結晶の寸法は数十μｍにおよぶ場合が多い。結晶寸法が大きいと、荷重によるズレが生じやすい結晶粒界が少ないため、塑性変形しにくい。さらに、金属拡散速度の大きい粒界が少ないため、金属接合しにくい。
【０００６】
特に、高密度実装を実現しようとするとワイヤボンドの狭ピッチ化が必要となり、ボールサイズが小さくなると、ボールに含まれる結晶の数が少なくなり、この傾向が顕在化する恐れがある。また、高密度実装の目的で半導体チップを積層する場合、チップが薄くなるため、チップ破壊を防止するために低荷重での接合が重要となり、塑性変形のしやすさが必須となる。
【０００７】
また、半導体素子やプリント基板の電極は、めっきや蒸着により数μｍ以下の薄さで形成される。このため、電極の結晶寸法は１μｍ程度となることが多い。Ａｕ線をワイヤとして用いる場合、電極がＡｕであれば比較的良好な接合性が期待できる。しかし、ボールと電極で結晶寸法が大きく違う場合には、相互拡散が遅くなり、接合性が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、接合性を向上することができるワイヤボンディング方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ワイヤの先端に形成されたボールの表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸を形成する工程と、前記ボールを第１の電極に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングする工程とを備え、前記第１の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とするワイヤボンディング方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、接合性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法について図面を参照しながら説明する。図１〜６は、本発明の実施の形態に係るワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
【００１３】
まず、図１に示すように、キャピラリ１０から導出されたワイヤ１２の先端に、照射出力を大きくしたフェムト秒レーザを照射して溶融させて、ボール１４を形成する。
【００１４】
次に、図２に示すように、ワイヤ１２の先端に形成されたボール１４の下半分の表面にフェムト秒レーザを照射する。ここで、例えばフェムト秒レーザの波長を８００ｎｍ、パルスエネルギーを１ｍＪ、繰り返しを１ｋＨｚ、パルス幅を２００ｆｓとする。これにより、ボール１４の表面に、１μｍ以下の縞状の第１の凹凸１６が形成される。この凹凸は、ボール１４の表面に形成されたリップル又はナノ周期構造である。
【００１５】
この際に、レーザ光の出力を制御することで、ボール１４の溶融状態から一旦冷却されて固体化する前に表面に第１の凹凸１６を形成する。これにより、凝固に伴う残留応力を低減させ、信頼性の高いワイヤボンド部を形成することができる。
【００１６】
次に、図３に示すように、半導体チップ１８上に形成された第１の電極２０の表面に、フェムト秒レーザを照射して縞状の第２の凹凸２２を形成する。この際に、第１の凹凸１６の形成時とレーザの波長を同じにし、更に好ましくは第１の電極２０の構造、材質、厚み、及びメタライズの製法などに応じてレーザの波長及び出力を調整して、第１の凹凸１６と第２の凹凸２２をほぼ等しい寸法（周期）にする。
【００１７】
次に、図４に示すように、ボール１４を第１の電極２０に接触させてキャピラリ１０により超音波振動を印加しながら押し潰す。これにより、ワイヤ１２を第１の電極２０にボンディングする。ここで、第１の凹凸１６及び第２の凹凸２２が延びる方向は、超音波振動の振幅方向に直交する。これにより、低荷重でも良好な接合性を得ることができる。なお、半導体チップ１８はプリント基板２４上に搭載されている。プリント基板２４上には第２の電極２６が形成されている。
【００１８】
次に、図５に示すように、ワイヤ１２の屈曲部（後述）となる部分にフェムト秒レーザを照射して屈曲方向に直交する縞状の第３の凹凸２８を形成する。また、１回目のワイヤボンディングと同様に、ワイヤ１２のボンディング部分及び第２の電極２６の表面にフェムト秒レーザを照射して、超音波振動の振幅方向に直交する縞状の凹凸を形成する。
【００１９】
次に、図６に示すように、キャピラリ１０により加重及び超音波振動を印加することにより、第２の電極２６にワイヤ１２をボンディングする。この際に、第１の電極２０と第２の電極２６との間においてワイヤ１２が屈曲部３０を有するループ状になる。なお、プリント基板２４はホットプレート上に置かれ、加熱された状態である。
【００２０】
以上説明したように、本実施の形態では、ボールの表面にフェムト秒レーザを照射して、超音波振動の振幅方向に直交する縞状の凹凸を形成する。これにより、接合界面の結晶が微細化されるため、低荷重でも塑性変形がしやすく、金属拡散接合しやすくなり、接合性が向上する。
【００２１】
また、レーザを照射して接合部のワイヤや電極の温度を上昇させることで、塑性変形しやすくなり、接合性を高めることができる。さらに、塑性変形に伴う残留応力を低減することもできる。
【００２２】
また、ワイヤボンドする電極の表面にもレーザを照射することにより、ボールの表面と結晶寸法を揃えて接合性を高めることができる。さらに、第１の電極の構造及び材質などに応じてレーザの波長及び出力を調整することで、第１の凹凸と第２の凹凸をほぼ等しい寸法にすることができる。
【００２３】
また、ボールの形成と凹凸の形成を同じレーザによって行うことで、生産性を改善することができる。
【００２４】
また、ループ状のワイヤの屈曲部にもレーザを照射することで、塑性変形に伴う粒界を起点としたクラックの発生を抑制することができる。
【００２５】
なお、フェムト秒レーザの光源として、例えばCyber Laser社製の光源を用いる。ただし、リップル形成可能なレーザであれば他の波長・出力のレーザでも同様の効果が得られる。また、ワイヤは例えばＡｕ線だが、ＡｌやＣｕなど他の金属ワイヤでも同様の効果が得られる。また、明確な縞状の凹凸（ナノ周期構造）が形成されなくても、レーザを照射された最表面の結晶寸法が微細化されれば同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２６】
１２ ワイヤ
１４ ボール
１６ 第１の凹凸
２２ 第２の凹凸
２６ 第２の電極
２８ 第３の凹凸
３０ 屈曲部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤの先端に形成されたボールの表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸を形成する工程と、
前記ボールを第１の電極に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングする工程とを備え、
前記第１の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とするワイヤボンディング方法。
【請求項２】
前記第１の電極の表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第２の凹凸を形成する工程を更に備え、
前記第２の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項３】
前記第１の電極の構造及び材質に応じて前記フェムト秒レーザの波長及び出力を調整して、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸をほぼ等しい寸法にすることを特徴とする請求項２に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項４】
前記第１の凹凸を形成する前に、前記ワイヤの先端にフェムト秒レーザを照射して前記ボールを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項５】
前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングした後に前記ワイヤを第２の電極にボンディングして、前記第１の電極と前記第２の電極の間において前記ワイヤが屈曲部を有するループ状になるようにする工程と、
前記ワイヤを前記第２の電極にボンディングする前に、前記ワイヤの前記屈曲部となる部分にフェムト秒レーザを照射して屈曲方向に直交する縞状の第３の凹凸を形成する工程とを更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項１】
ワイヤの先端に形成されたボールの表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第１の凹凸を形成する工程と、
前記ボールを第１の電極に接触させて超音波振動を印加しながら押し潰すことにより、前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングする工程とを備え、
前記第１の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とするワイヤボンディング方法。
【請求項２】
前記第１の電極の表面にフェムト秒レーザを照射して縞状の第２の凹凸を形成する工程を更に備え、
前記第２の凹凸が延びる方向は、前記超音波振動の振幅方向に直交することを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項３】
前記第１の電極の構造及び材質に応じて前記フェムト秒レーザの波長及び出力を調整して、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸をほぼ等しい寸法にすることを特徴とする請求項２に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項４】
前記第１の凹凸を形成する前に、前記ワイヤの先端にフェムト秒レーザを照射して前記ボールを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のワイヤボンディング方法。
【請求項５】
前記ワイヤを前記第１の電極にボンディングした後に前記ワイヤを第２の電極にボンディングして、前記第１の電極と前記第２の電極の間において前記ワイヤが屈曲部を有するループ状になるようにする工程と、
前記ワイヤを前記第２の電極にボンディングする前に、前記ワイヤの前記屈曲部となる部分にフェムト秒レーザを照射して屈曲方向に直交する縞状の第３の凹凸を形成する工程とを更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のワイヤボンディング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８１８３９（Ｐ２０１１−１８１８３９Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４６９３５（Ｐ２０１０−４６９３５）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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