JP7031185B2 - ウェッジツール及びウェッジボンディング方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェッジツール及びウェッジボンディング方法に関する。

ＩＧＢＴ（Insulted Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子を含む半導体装置は、例えば、電力変換装置として利用されている。このような半導体装置内における半導体素子同士の電極間、半導体素子の電極と回路板との間等には、アルミニウム及びアルミニウム合金により構成されるワイヤをウェッジボンディングすることにより電気的に配線されている（例えば、特許文献１を参照）。

ところで、半導体装置は、電流密度の増加に伴い大電流化が進んでいる。このため、半導体装置内ではワイヤが接合された箇所（ボンディング部）に大電流が通電してジュール熱によりボンディング部及び半導体素子が発熱する。このようにして半導体装置内で温度変化が生じると、ワイヤと半導体素子や、ワイヤと回路板との熱膨張率の差によりボンディング部に熱応力が発生する。このため、ボンディング部の接合界面近傍が熱疲労により破壊されてしまう。

そこで、ボンディングワイヤはアルミニウムに代わって、銅（または銅合金）が採用されてきている。銅は、電気抵抗が低く、熱伝導性に優れて、アルミニウムに比べて融点が高く、高剛性である。このため、半導体装置内のボンディングワイヤに銅を用いると、ボンディング部に大電流が流れても熱応力に起因する熱疲労による破壊の発生を低減することができる。さらに、配線部材はワイヤ形状だけでなく、リボン形状のものも期待されている。

特開２０１３－１３５００８号公報

配線部材として銅等の低電気抵抗の材料や高融点の材料を用いると、ウェッジツールの先端部分が被接合部材である半導体素子や回路板に接触することがあった。そのため、半導体素子や回路板が損傷を受けてしまい、半導体装置の品質が低下してしまう問題があった。

また、ウェッジツールの先端部分が被接合部材に接触した状態で、ウェッジツールが超音波振動することで、ウェッジツールの異常振幅が発生することがあった。そのため、ウェッジツールの破損や配線部材の切断という問題があった。

本発明者らが鋭意検討した結果、配線部材が被接合部材に押圧された時に、ウェッジツールが傾いてしまうことで、超音波振動時にウェッジツールの先端部分が被接合部材である半導体素子や回路板に接触してしまうことを見いだした。詳細を以下に示す。

ここで、配線部材として銅ワイヤを用いたウェッジボンディングについて、図１２を用いて説明する。

図１２は、従来のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを説明するための図である。

なお、図１２は、ボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを時系列的（図１２（Ａ）～図１２（Ｃ））に示している。

ボンディングツール１００は、ウェッジツール１０１と、ボンディングワイヤ１を保持するワイヤガイド１０２と、ボンディング後にボンディングワイヤ１をカットするカッター（図示を省略）とを有している。

ウェッジツール１０１は、超音波振動を伴いつつ、半導体素子１４１に対してボンディングワイヤ１を押圧することで、半導体素子１４１に対してボンディングワイヤ１を接合することができる。

ワイヤガイド１０２は、供給されたボンディングワイヤ１を半導体素子１４１の接合箇所に対して案内して保持する。

カッターは、ウェッジツール１０１により半導体素子１４１に接合されたボンディングワイヤ１を切断する。

このような構成を有するボンディングツール１００では、まず、半導体素子１４１に対して供給されたボンディングワイヤ１がワイヤガイド１０２により保持される（図１２（Ａ））。

そして、ウェッジツール１０１を半導体素子１４１側に移動させることで、ウェッジツール１０１の先端部分によりボンディングワイヤ１の半導体素子１４１への押圧を開始する（図１２（Ｂ））。この際、ウェッジツール１０１の先端部分の端部Ａ（図１２（Ｂ））がボンディングワイヤ１に当接する。

ウェッジツール１０１が半導体素子１４１側にさらに移動されることで、ボンディングワイヤ１が半導体素子１４１から押圧される。しかし、銅はアルミニウムよりも剛性が高いために、ウェッジツール１０１の端部Ａにおけるボンディングワイヤ１の屈曲が進まない。そのため、ウェッジツール１０１の先端部分は、図１２（Ｂ）の破線矢印のようにボンディングワイヤ１に沿ってワイヤガイド１０２と反対方向にスライドする。そのため、ウェッジツール１０１は傾いてしまう（図１２（Ｃ））。

図１２（Ｃ）のようにウェッジツール１０１が傾くことで、ウェッジツール１０１の先端部分のうち端部Ａでのみボンディングワイヤ１が押圧される。そのため、均一なボンディングが進まず、ウェッジツール１０１の先端部分が、超音波振動時に半導体素子１４１に接触してしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、配線部材のウェッジボンディングを安定して行うことができるウェッジツール及びウェッジボンディング方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、ウェッジボンディング法により配線部材が接合される被接合部材の接合面に対して前記配線部材を押圧するウェッジツールにおいて、前記ウェッジツールの先端部分に前記配線部材の長手方向に沿って、前記先端部分の一方の端部であるトゥ側と前記先端部分の他方の端部であるヒール側との間を通過して形成されている溝部があり、前記溝部は、前記接合面に対して前記ヒール側が前記トゥ側よりも接近して傾斜している、ウェッジツールが提供される。

また、前記ウェッジツールの前記先端部分の前記接合面に対向する側には前記溝部の両側に前記長手方向に沿って面状の底面部がそれぞれ形成されている。

また、前記底面部は、前記溝部と同様に傾斜している。

また、前記ウェッジツールの前記トゥ側のトゥ開口部の開口高さと、前記ウェッジツールの前記ヒール側の端部のヒール開口部の開口高さとが同じである。

また、前記底面部は、前記接合面に平行となるように形成されている。

また、前記ウェッジツールの前記トゥ側のトゥ開口部の開口高さは、前記ウェッジツールの前記ヒール側の端部のヒール開口部の開口高さよりも高い。

また、前記溝部は、前記ヒール開口部側に広がるヒール側曲面と、前記トゥ開口部側に広がるトゥ側曲面と、前記ヒール側曲面及び前記トゥ側曲面を繋き、前記ヒール側から前記トゥ側にかけて傾斜している中間曲面と、が構成されている。
また、前記溝部の傾斜角は、２．０°以上、７．０°以下である。

また、前記配線部材は、銅、パラジウム、白金、金、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金により構成されている。

また、前記配線部材の剛性は、ヤング率で１０×１０^１０Ｐａ以上である。

また、前記配線部材は、ワイヤ形状である。

また、前記配線部材の径は３００μｍ以上、６００μｍ以下である。

また、前記配線部材の径は４００μｍ以上、５００μｍ以下である。

また、前記配線部材は、リボン形状である。

また、本発明の一観点によれば、ボンディングワイヤが接合される被接合部材の接合面に対して、ウェッジツールのヒール側が前記ウェッジツールのトゥ側よりも近接して傾斜して前記ヒール側に角部が構成され、前記トゥ側と前記ヒール側との間を通過して形成されている溝部が先端部分に形成された前記ウェッジツールを用意する工程と、前記ウェッジツールを前記被接合部材の接合面に対して垂直に下降させて、前記ウェッジツールの前記溝部で前記ボンディングワイヤを前記被接合部材の接合面に押圧する工程と、を有するウェッジボンディング方法が提供される。
また、下降した前記ウェッジツールの前記溝部全体で前記ボンディングワイヤを前記被接合部材の前記接合面に押圧する。
また、前記溝部は、前記ヒール側のヒール開口部側に広がるヒール側曲面と、前記トゥ側のトゥ開口部側に広がるトゥ側曲面と、前記ヒール側曲面及び前記トゥ側曲面を繋き、前記ヒール側から前記トゥ側にかけて傾斜している中間曲面と、が構成されており、前記ウェッジツールを前記被接合部材の前記接合面に対して垂直に下降させて、前記ヒール開口部、または、前記中間曲面と前記ヒール側曲面とのつなぎ目である角部を前記ボンディングワイヤに突き刺す。
また、前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤに突き刺した後、突き刺した箇所を支点として、前記ウェッジツールを前記トゥ側に傾かせる。

開示の技術によれば、被接合部材に対してウェッジボンディングを安定して行うことができ、被接合部材への損傷を防止して、半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。

半導体装置の製造におけるウェッジボンディングを説明するための図である。 第１の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図（その１）である。 第１の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図（その２）である。 第１の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディング方法を説明するための図（その１）である。 第１の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディング方法を説明するための図（その２）である。 第１の実施の形態のボンディングツールにより半導体素子に対するウェッジボンディング方法を説明するための図（その３）である。 第１の実施の形態のワイヤ径に対するウェッジツールの底面部の傾斜角を示す図である。 第２の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図（その１）である。 第２の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図（その２）である。 第２の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを説明するための図（その１）である。 第２の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを説明するための図（その２）である。 従来のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを説明するための図である。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
まず、半導体装置の製造におけるボンディングツールによるウェッジボンディング方法について図１を用いて説明する。

図１は、半導体装置の製造におけるウェッジボンディングを説明するための図である。なお、図１は、半導体装置の製造過程におけるウェッジボンディング工程を示している。

図１に示すように、半導体装置の構造体１０は、セラミック回路基板２０と放熱部３０と半導体素子４０とを有している。

セラミック回路基板２０は、絶縁板２１と、絶縁板２１の裏面に形成された金属板２２と、絶縁板２１のおもて面に形成された回路板２３ａ，２３ｂとを有している。

絶縁板２１は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱伝導性が高いセラミックスにより構成されている。

金属板２２は、熱伝導性に優れたアルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。

回路板２３ａ，２３ｂは、導電性に優れた材質により構成されている。このような材質として、例えば、アルミニウム、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。そして、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により冷却器と一体化された放熱部３０の表面に形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金等がある。なお、回路板２３ａ，２３ｂは一例であって、２つに限らず、３つ以上の回路板を配置することも可能である。

このような構成を有するセラミック回路基板２０として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いることができる。セラミック回路基板２０は、半導体素子４０で発生した熱を回路板２３ｂ、絶縁板２１及び金属板２２を介して、放熱部３０側に伝導させることができる。

なお、絶縁板２１は平面視で、例えば、矩形状を成している。また、金属板２２は平面視で、絶縁板２１よりも面積が小さな矩形状を成している。したがって、セラミック回路基板２０は、例えば、矩形状を成している。

放熱部３０は、例えば、図１に示されるように、板状を成しており、熱伝導性に優れた、アルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。また、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により放熱部３０の表面にめっき層を形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金等がある。

なお、この放熱部３０の裏面側に冷却器（図示を省略）をはんだまたは銀ろう等を介して接合させ、または、サーマルペースト等を介して機械的に取り付けることで放熱性を向上させることも可能である。この場合の冷却器は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。また、冷却器として、フィン、または、複数のフィンから構成されるヒートシンク並びに水冷による冷却装置等を適用することができる。また、放熱部３０は、このような冷却器と一体的に構成されてもよい。その場合は、熱伝導性に優れたアルミニウム、鉄、銀、銅、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成される。そして、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料をめっき処理等により冷却器と一体化された放熱部３０の表面に形成してもよい。具体的には、ニッケルの他に、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金等がある。

半導体素子４０は、シリコンまたは炭化シリコンから構成される、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を含んでいる。このような半導体素子４０は、例えば、裏面に主電極としてドレイン電極（または、コレクタ電極）を、おもて面に、主電極としてゲート電極及びソース電極（または、エミッタ電極）をそれぞれ備えている。

また、半導体素子４０は、必要に応じて、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等のダイオードを含んでいる。このような半導体素子４０は、裏面に主電極としてカソード電極を、おもて面に主電極としてアノード電極をそれぞれ備えている。上記の半導体素子４０は、その裏面側が回路板２３ｂの所定の回路パターン（図示を省略）上に接合されている。

半導体素子４０の電極は、電気伝導性に優れた銅、アルミニウム、金、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金等の金属により構成されている。また、耐食性を向上させるために、例えば、ニッケル等の材料を表面に形成してもよい。さらに、ウェッジボンディングされる面の半導体素子４０の電極は、ボンディングワイヤ１と同等かそれ以上の硬さを持つ材料が好ましい。

なお、半導体素子４０は、回路板２３ｂ上にはんだ（図示を省略）を介して接合されている。半導体素子４０は、必要に応じて、セラミック回路基板２０の回路板２３ａ，２３ｂ上に適宜複数設けることができる。

次に、このような半導体装置の構造体１０に対してウェッジボンディングを行うボンディング装置のボンディングツール５０について説明する。

ボンディングツール５０は、ウェッジツール５１と、ワイヤガイド５２と、カッター５３と、クランプ機構５４とを備えている。

ウェッジツール５１は、超音波を発生する超音波振動子（図示を省略）が接続されており、ウェッジツール５１の先端部分には、後述する溝部が形成されている。なお、超音波振動子は、例えば、６０ｋＨｚ以上、１５０ｋＨｚ以下の周波数の超音波を発振する。また、ウェッジツール５１は、矢印Ｙ１に沿って上下方向（図１中）に移動する。このようなウェッジツール５１は、後述するようにボンディングワイヤ１が供給されると、ウェッジツール５１が下方向（図１中）に移動し、ボンディングワイヤ１を溝部で挟持し、半導体素子４０の電極等の接合予定箇所に押圧する。ウェッジツール５１は、ボンディングワイヤ１を押圧すると共に、超音波振動子からの超音波を受けて超音波振動することで、接合予定箇所にボンディングワイヤ１を接合することができる。ウェッジツール５１は、このようにしてボンディングワイヤ１が接合予定箇所に接合されると、超音波振動子からの振動が停止され、上方向（図１中）に移動して元の位置に戻る。

ボンディングワイヤ１は、電気抵抗が小さく、融点が少なくともアルミニウムより高い材質により構成されている。このような材質は、例えば、銅、パラジウム、白金、金、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。さらに加工性、原材料価格の点から好ましくは、銅、パラジウム、白金、または、少なくともこれらの一種を含む合金等により構成されている。また、アルミニウムの剛性がヤング率で７×１０^１０Ｐａ程度であるのに対し、銅の剛性は１３×１０^１０Ｐａ程度、パラジウムの剛性は１１×１０^１０Ｐａ程度、白金の剛性は１７×１０^１０Ｐａ程度、金の剛性は８×１０^１０Ｐａ程度、銀の剛性は８×１０^１０Ｐａ程度である。したがって、このようなボンディングワイヤ１の剛性は、少なくともアルミニウムより高い。さらに、好ましくは、１０×１０^１０Ｐａ以上である。剛性が高いことで、熱応力に起因するワイヤ破壊の発生を低減することができる。また、ボンディングワイヤ１は、表面にパラジウム等により被覆されていても構わない。

ボンディングワイヤ１のワイヤ径は、３００μｍ以上、６００μｍ以下であり、より好ましくは、４００μｍ以上、５００μｍ以下である。ボンディングワイヤ１は、断面が円形状でなくても、長丸状や矩形状であっても構わない。なお、第１及び第２の実施の形態では、配線部材としては、ボンディングワイヤ１を用いた場合を例に挙げて説明している。しかし、配線部材は、ボンディングワイヤ１に限らず、断面が平たい形状をしているリボン状であっても構わない。

ワイヤガイド５２は、内部にボンディングワイヤ１を収納しており、ボンディングワイヤ１の接合予定箇所への供給をガイドして、ガイドされたボンディングワイヤ１を保持する。

カッター５３は、ウェッジツール５１とは独立して、矢印Ｙ２に沿って上下方向（図１中）に移動して、ボンディングワイヤ１の接合終了後、余分なボンディングワイヤ１を切断する。

クランプ機構５４は、ウェッジツール５１の側部に設けられて、ワイヤガイド５２でガイドされるボンディングワイヤ１を保持し、または、開放してボンディングワイヤ１をワイヤガイド５２からガイドさせて、ワイヤガイド５２からのボンディングワイヤ１の供給を制御する。

ボンディング装置は、このようなボンディングツール５０を備えている。なお、以下に説明するウェッジボンディングは、ボンディング装置内のＣＰＵ（Central Processing Unit）等の制御部により制御されるボンディングツール５０が実行する。

次に、このようなボンディングツール５０による半導体装置の構造体１０に対するウェッジボンディングについて説明する。

まず、ボンディング装置の所定の位置に構造体１０をセットする。

ボンディングツール５０を、セラミック回路基板２０上の半導体素子４０の電極（図示を省略）上に移動させる。

クランプ機構５４から開放されたボンディングワイヤ１がワイヤガイド５２にガイドされて、半導体素子４０の電極上に供給される。そして、クランプ機構５４からのボンディングワイヤ１の供給を停止する。

ウェッジツール５１を半導体素子４０の電極面に対して垂直に下降させて、ウェッジツール５１を振動させながら、ウェッジツール５１の先端部分でボンディングワイヤ１を電極側に押圧する。これにより、ボンディングワイヤ１を電極に接合させることができる。なお、この際の押圧の詳細については後述する（図４～図６）。

その後、ボンディングツール５０（ウェッジツール５１の先端部分）を図１の破線で示す軌道２に沿って回路板２３ａ上に移動させる。

回路板２３ａ上に対して、上記と同様にしてボンディングワイヤ１を接合する。その後、ウェッジツール５１の先端部分をボンディング部分からずらし、カッター５３を移動させることにより余分なボンディングワイヤ１を切断する。

次に、ボンディングツール５０に含まれるウェッジツール５１の先端部分の詳細について図２及び図３を用いて説明する。

図２及び図３は、第１の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図である。

なお、図２（Ａ）は、ウェッジツール５１の先端部分の正面、図２（Ｂ）は、ウェッジツール５１の先端部分の端面（トゥ側）、図２（Ｃ）は、ウェッジツール５１の先端部分の端面（ヒール側）の図をそれぞれ表している。また、図３は、ウェッジツール５１の先端部分の底面の図を表している。なお、トゥ側とは、ウェッジツール５１の先端部分において、ボンディングワイヤ１の先端が位置する側、すなわち、図１では左側に位置する。ヒール側とは、ウェッジツール５１の先端部分において、ボンディングワイヤ１が供給される側、すなわち、トゥの反対側で、図１では右側に位置する。

ウェッジツール５１の先端部分の裏面の中央部には押圧するボンディングワイヤ１の長手方向に沿ったヒール側（ヒール開口部５１ｂ１）とトゥ側（トゥ開口部５１ｂ２）との間を通過する溝部５１ｂ３が形成されている（図３）。さらに、ウェッジツール５１の先端部分の裏面には、溝部５１ｂ３の両側に溝部５１ｂ３に沿った底面部５１ａ１，５１ａ２が形成されている。また、底面部５１ａ１，５１ａ２はヒール側の角部５１ｃ１，５１ｃ２と、トゥ側の角部５１ｃ３，５１ｃ４とを含んでいる（図３）。

また、この際、溝部５１ｂ３の端面であるトゥ側のトゥ開口部５１ｂ２及びヒール側のヒール開口部５１ｂ１は、図２（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、逆Ｖ字形状を成している。

そして、ウェッジツール５１の底面部５１ａ１，５１ａ２は、ヒール側からトゥ側にかけて所定の傾斜角αが形成されている。溝部５１ｂ３もまた、図２（Ａ）の破線に示すようにこの傾斜角αで傾斜している。なお、傾斜角αとボンディングワイヤ１のワイヤ径との関係については後述する。

次に、このようなウェッジツール５１を備えるボンディングツール５０によるウェッジボンディング方法について、図４～図６を用いて説明する。

図４～図６は、第１の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディング方法を説明するための図である。なお、図４～図６では、ウェッジツール５１の先端部分の正面を拡大して表している。また、カッター５３の図示は省略している。また、構造体１０のうち、電極４１を主面に備える半導体素子４０のみを表している。

まず、既述の通り、ボンディング装置の所定の位置に構造体１０をセットして、ボンディングツール５０を、セラミック回路基板２０（図示を省略）上の半導体素子４０の電極４１上に移動させる。クランプ機構５４（図示を省略）から開放されたボンディングワイヤ１がワイヤガイド５２にガイドされて、半導体素子４０の電極４１上に供給される。そして、クランプ機構５４（図示を省略）からのボンディングワイヤ１の供給を停止する（図４）。

次に、図４の破線矢印のように、ボンディングツール５０を電極４１に向けて電極４１面に対して垂直に下降させる。そうすることで、ウェッジツール５１の先端部分の角部５１ｃ１，５１ｃ２でボンディングワイヤ１を電極４１側に押圧する。この際、図５に示されるように、ウェッジツール５１の溝部５１ｂ３の角部５１ｃ１，５１ｃ２であるヒール開口部５１ｂ１がボンディングワイヤ１に突き刺さる。ボンディングワイヤ１はウェッジツール５１の角部５１ｃ１，５１ｃ２であるヒール開口部５１ｂ１を支点に屈曲する。このため、ボンディングワイヤ１は電極４１上にウェッジツール５１により固定される。

さらに、ボンディングツール５０を下降させると、ウェッジツール５１は、その先端部分のヒール開口部５１ｂ１を支点として、トゥ側に向かって図５中の破線の矢印に沿って左側に傾く。

すると、図６に示されるように、ウェッジツール５１は、その角部５１ｃ３，５１ｃ４が電極４１に接触することなく、傾斜角αだけ傾いて、ウェッジツール５１の先端部分の溝部５１ｂ３がボンディングワイヤ１の長手方向に沿ってボンディングワイヤ１に篏合する。すなわち、ウェッジツール５１は、電極４１に損傷を与えることなく、また、異常振幅が抑制されてボンディングワイヤ１を切断することなくボンディングワイヤ１を電極４１に押圧できる体勢となる。

ボンディングツール５０では、図６に示した状態のウェッジツール５１が、ボンディングワイヤ１を電極４１側に押圧すると共に、超音波振動子からの超音波を受けて超音波振動する。これにより、電極４１にボンディングワイヤ１を接合することができる。

以後は、次の接合箇所にボンディングツール５０を移動させて、上記と同様の接合を行う。また、適宜、カッター５３（図示を省略）でボンディングワイヤ１を切断してもよい。

ここで、ボンディングツール５０の先端部分の傾斜角αと、ボンディングワイヤ１のワイヤ径との関係について、図７を用いて説明する。

図７は、第１の実施の形態のワイヤ径に対するウェッジツールの底面部の傾斜角を示す図である。

ここでは、ボンディングワイヤ１は、銅または銅合金により構成されており、半導体素子４０の電極４１等の被接合部材の接合面は、銅または銅合金で構成されているものとする。

このようなボンディングワイヤ１は、一般に３００μｍ以上、６００μｍ以下のワイヤ径のものが使用される。ここでは３００，４００，５００及び６００μｍの場合で最適な傾斜角αについて示している。

例えば、ワイヤ径が３００μｍの銅または銅合金により構成されるボンディングワイヤ１を片寄りなしに被接合部材に押圧するには、ウェッジツール５１の先端部分の傾斜が３．０°のものが最適である。実際には、加工精度によって±１．０°程度の公差が生じることから、ウェッジツール５１の傾斜角は２．０°以上、４．０°以下の範囲となる。

なお、４００，５００及び６００μｍの銅または銅合金により構成されるボンディングワイヤ１を被接合部材に押圧するウェッジツール５１には、４．０°±１．０°、５．０°±１．０°、６．０°±１．０°程度の傾斜角が形成されていることが望ましい。以上のように、３００μｍ以上、６００μｍ以下のワイヤ径のものに対して、ウェッジツール５１の傾斜角は２．０°以上、７．０°以下の範囲のものであればよい。

このように上記ボンディング装置に含まれるボンディングツール５０は、ボンディングワイヤ１が接合される電極４１の主面に対してボンディングワイヤ１を押圧するウェッジツール５１を備えている。ウェッジツール５１の先端部分に形成された溝部５１ｂ３は、ボンディングワイヤ１の長手方向に沿って、電極４１の主面に対してヒール側がトゥ側よりも接近して傾斜している。

このようなウェッジツール５１を電極４１の主面に対して下降させて、ウェッジツール５１の角部５１ｃ１，５１ｃ２をボンディングワイヤ１に突き刺し、角部５１ｃ１，５１ｃ２を支点にウェッジツール５１を傾かせる。これにより、ウェッジツール５１は、その角部５１ｃ３，５１ｃ４が電極４１に接触することなく、傾斜角αだけ傾いて、ウェッジツール５１の先端部分の溝部５１ｂ３がボンディングワイヤ１の長手方向に沿ってボンディングワイヤ１に篏合する。すなわち、ウェッジツール５１は、電極４１に損傷を与えることなく、また、異常振幅が抑制されてボンディングワイヤ１を切断することなくボンディングワイヤ１を電極４１に押圧できる体勢となる。また、この際、ウェッジツール５１の先端部分に対する損傷も低減することができる。

したがって、ボンディングワイヤ１のウェッジボンディングを安定して行うことができ、電極４１等の被接合部材への損傷を防止して、構造体１０を含む半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態のウェッジツールの先端部分が別の形状である場合を例に挙げて説明する。

なお、第２の実施の形態のボンディング装置は、ボンディングツール５０ａを含んでいる。但し、ボンディングツール５０ａは、第１の実施の形態と同様に、ワイヤガイド５２と、カッター５３と、クランプ機構５４と共に、以下の図８及び図９で説明するウェッジツール６１を備えている。

図８及び図９は、第２の実施の形態のウェッジツールの先端部分を説明するための図である。なお、図８（Ａ）は、ウェッジツール６１の先端部分の正面、図８（Ｂ）は、ウェッジツール６１の先端部分の端面（トゥ側）、図８（Ｃ）は、ウェッジツール６１の先端部分の端面（ヒール側）の図をそれぞれ表している。また、図９は、ウェッジツール６１の先端部分の裏面の図をそれぞれ表している。

ウェッジツール６１の先端部分の裏面の中央部には押圧するボンディングワイヤ１の長手方向に沿ったヒール側（ヒール開口部６１ｂ１）とトゥ側（トゥ開口部６１ｂ２）との間を通過する溝部６１ｂ３が形成されている（図９）。さらに、ウェッジツール６１の先端部分の裏面には、溝部６１ｂ３の両側に溝部６１ｂ３に沿った底面部６１ａ１，６１ａ２が形成されている。また、底面部６１ａ１，６１ａ２はヒール側の角部６１ｃ１，６１ｃ２と、トゥ側の角部６１ｃ３，６１ｃ４とを含んでいる（図９）。

この底面部６１ａ１，６１ａ２は、第１の実施の形態と異なり、傾斜角が形成されておらず、被接合部材の主面に対して平行に形成されている。

溝部６１ｂ３は、図８（Ａ）に示されるように、ヒール開口部６１ｂ１側が広がる曲面６１ｄ１が構成されている。また、トゥ開口部６１ｂ２側に広がる曲面６１ｄ２が構成されている。そして、曲面６１ｄ２の曲率は、曲面６１ｄ１よりも大きい。

また、溝部６１ｂ３の端面であるトゥ側のトゥ開口部６１ｂ２及びヒール側のヒール開口部６１ｂ１は、図８（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、逆Ｖ字形状を成している。また、曲面６１ｄ２の曲率は、曲面６１ｄ１よりも大きいことから、ヒール開口部６１ｂ１の開口高さＨｈは、トゥ開口部６１ｂ２の開口高さＨｔよりも低く構成されている。

そして、曲面６１ｄ１と曲面６１ｄ２との間を繋ぐように曲面６１ｄ３が構成されている。曲面６１ｄ３は、ヒール側からトゥ側にかけて所定の傾斜角αが形成されている。また、曲面６１ｄ１と曲面６１ｄ３とのつなぎ目には角部６１ｄ４が構成されている。

なお、第１の実施の形態では、底面部５１ａ１，５１ａ２に溝部５１ｂ３と同様の傾斜角αが形成されている場合について説明した。第２の実施の形態では、既述の通り、底面部６１ａ１，６１ａ２が被接合部材の接合面に平行に形成されている場合を例に挙げている。但し、この場合に限らず、底面部６１ａ１，６１ａ２の傾斜角αは、０（被接合部材の接合面に対して平行）以上で、溝部６１ｂ３と同様の傾斜角α以下であればよい。

次に、このようなウェッジツール６１を備えるボンディングツール５０ａによるボンディングの方法について、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０及び図１１は、第２の実施の形態のボンディングツールによる半導体素子に対するウェッジボンディングを説明するための図である。なお、図１０及び図１１では、ウェッジツール６１の先端部分の正面を拡大して表している。また、カッター５３の図示は省略している。また、構造体１０のうち、電極４１を主面に備える半導体素子４０のみを表している。

まず、既述の通り、ボンディング装置の所定の位置に構造体１０をセットして、ボンディングツール５０ａを、セラミック回路基板２０（図示を省略）上の半導体素子４０の電極４１上に移動させる。クランプ機構５４（図示を省略）から開放されたボンディングワイヤ１がワイヤガイド５２にガイドされて、半導体素子４０の電極４１上に供給される。そして、クランプ機構５４（図示を省略）からのボンディングワイヤ１の供給を停止する（図１０）。

次に、図１０の破線矢印のように、ボンディングツール５０ａを電極４１に向かって電極４１の主面に対して垂直に下降させる。図１１のように、ウェッジツール６１の先端部分の溝部６１ｂ３をボンディングワイヤ１の長手方向に沿って篏合して、ボンディングワイヤ１を電極４１側に押圧する。この際、図１１に示されるように、ウェッジツール６１の溝部６１ｂ３の角部６１ｄ４がボンディングワイヤ１に突き刺さる。ボンディングワイヤ１はウェッジツール６１の溝部６１ｂ３の角部６１ｄ４を支点に屈曲する。このため、ボンディングワイヤ１は電極４１上にウェッジツール６１により固定される。

この際、ウェッジツール６１の先端部分の溝部６１ｂ３の曲面６１ｄ１，６１ｄ２，６１ｄ３に沿ってボンディングワイヤ１が篏合される。

すると、図１１に示されるように、ウェッジツール６１は、その角部６１ｃ１，６１ｃ２，６１ｃ３，６１ｃ４が電極４１に接触することなく、ウェッジツール６１の先端部分の溝部６１ｂ３がボンディングワイヤ１の長手方向に沿ってボンディングワイヤ１に篏合する。すなわち、ウェッジツール６１は、電極４１に損傷を与えることなく、また、異常振幅が抑制されてボンディングワイヤ１を切断することなくボンディングワイヤ１を電極４１に押圧できる体勢となる。

ボンディングツール５０ａでは、図１１に示した状態のウェッジツール６１が、ボンディングワイヤ１を電極４１側に押圧すると共に、超音波振動子からの超音波を受けて超音波振動する。これにより、電極４１にボンディングワイヤ１を接合することができる。

以後は、次の接合箇所にボンディングツール５０ａを移動させて、上記と同様の接合を行う。また、適宜、カッター５３（図示を省略）でボンディングワイヤ１を切断してもよい。

なお、第２の実施の形態のウェッジツール６１の溝部６１ｂ３の曲面６１ｄ３の傾斜角αは、第１の実施の形態の図７と同様の条件が適用される。すなわち、３００，４００，５００及び６００μｍの銅または銅合金により構成されるボンディングワイヤ１を被接合部材に押圧するウェッジツール６１には、３．０°±１．０°、４．０°±１．０°、５．０°±１．０°、６．０°±１．０°程度の傾斜角が形成されていることが望ましい。以上のように、３００μｍ以上、６００μｍ以下のワイヤ径のものに対して、ウェッジツール６１の傾斜角は２．０°以上、７．０°以下の範囲のものであればよい。

このように上記ボンディング装置に含まれるボンディングツール５０ａは、ボンディングワイヤ１が接合される電極４１の主面に対してボンディングワイヤ１を押圧するウェッジツール６１を備えている。ウェッジツール６１の先端部分に形成された溝部６１ｂ３は、ボンディングワイヤ１の長手方向に沿って、電極４１の主面に対してヒール側がトゥ側よりも接近して傾斜している曲面６１ｄ３を備えている。

このようなウェッジツール６１を電極４１の主面に対して下降させて、ウェッジツール６１の角部６１ｄ４をボンディングワイヤ１に突き刺す。これにより、ウェッジツール６１は、その角部６１ｃ１，６１ｃ２，６１ｃ３，６１ｃ４が電極４１に接触することなく、ウェッジツール６１の先端部分の溝部６１ｂ３がボンディングワイヤ１の長手方向に沿ってボンディングワイヤ１に篏合する。すなわち、ウェッジツール６１は、電極４１に損傷を与えることなく、また、異常振幅が抑制されてボンディングワイヤ１を切断することなくボンディングワイヤ１を電極４１に押圧できる体勢となる。また、この際、ウェッジツール６１の先端部分に対する損傷も低減することができる。

したがって、ボンディングワイヤ１のウェッジボンディングを安定して行うことができ、電極４１等の被接合部材への損傷を防止して、構造体１０を含む半導体装置の信頼性の低下を抑制することができる。

１ ボンディングワイヤ
２ 軌道
１０ 構造体
２０ セラミック回路基板
２１ 絶縁板
２２ 金属板
２３ａ，２３ｂ 回路板
３０ 放熱部
４０ 半導体素子
４１ 電極
５０，５０ａ ボンディングツール
５１，６１ ウェッジツール
５１ａ１，５１ａ２，６１ａ１，６１ａ２ 底面部
５１ｂ１，６１ｂ１ ヒール開口部
５１ｂ２，６１ｂ２ トゥ開口部
５１ｂ３，６１ｂ３ 溝部
５１ｃ１，５１ｃ２，５１ｃ３，５１ｃ４，６１ｃ１，６１ｃ２，６１ｃ３，６１ｃ４，６１ｄ４ 角部
５２ ワイヤガイド
５３ カッター
５４ クランプ機構
６１ｄ１，６１ｄ２，６１ｄ３ 曲面

Claims (18)

1. ウェッジボンディング法により配線部材が接合される被接合部材の接合面に対して前記配線部材を押圧するウェッジツールにおいて、
   前記ウェッジツールの先端部分に前記配線部材の長手方向に沿って、前記先端部分の一方の端部であるトゥ側と前記先端部分の他方の端部であるヒール側との間を通過して形成されている溝部があり、
   前記溝部は、前記接合面に対して前記ヒール側が前記トゥ側よりも接近して傾斜している、
   ウェッジツール。
2. 前記ウェッジツールの前記先端部分の前記接合面に対向する側には前記溝部の両側に前記長手方向に沿って面状の底面部がそれぞれ形成されている、
   請求項１に記載のウェッジツール。
3. 前記底面部は、前記溝部と同様に傾斜している、
   請求項２に記載のウェッジツール。
4. 前記ウェッジツールの前記トゥ側のトゥ開口部の開口高さと、前記ウェッジツールの前記ヒール側の端部のヒール開口部の開口高さとが同じである、
   請求項３に記載のウェッジツール。
5. 前記底面部は、前記接合面に平行となるように形成されている、
   請求項２に記載のウェッジツール。
6. 前記ウェッジツールの前記トゥ側のトゥ開口部の開口高さは、前記ウェッジツールの前記ヒール側の端部のヒール開口部の開口高さよりも高い、
   請求項５に記載のウェッジツール。
7. 前記溝部は、前記ヒール開口部側に広がるヒール側曲面と、前記トゥ開口部側に広がるトゥ側曲面と、前記ヒール側曲面及び前記トゥ側曲面を繋き、前記ヒール側から前記トゥ側にかけて傾斜している中間曲面と、が構成されている、
   請求項６に記載のウェッジツール。
8. 前記溝部の傾斜角は、２．０°以上、７．０°以下である、
   請求項１に記載のウェッジツール。
9. 前記配線部材は、銅、パラジウム、白金、金、銀、または、少なくともこれらの一種を含む合金により構成されている、
   請求項１に記載のウェッジツール。
10. 前記配線部材の剛性は、ヤング率で１０×１０^１０Ｐａ以上である、
    請求項１に記載のウェッジツール。
11. 前記配線部材は、ワイヤ形状である、
    請求項１に記載のウェッジツール。
12. 前記配線部材の径は３００μｍ以上、６００μｍ以下である、
    請求項１１に記載のウェッジツール。
13. 前記配線部材の径は４００μｍ以上、５００μｍ以下である、
    請求項１２に記載のウェッジツール。
14. 前記配線部材は、リボン形状である、
    請求項１に記載のウェッジツール。
15. ボンディングワイヤが接合される被接合部材の接合面に対して、ウェッジツールのヒール側が前記ウェッジツールのトゥ側よりも近接して傾斜して前記ヒール側に角部が構成され、前記トゥ側と前記ヒール側との間を通過して形成されている溝部が先端部分に形成された前記ウェッジツールを用意する工程と、
    前記ウェッジツールを前記被接合部材の接合面に対して垂直に下降させて、前記ウェッジツールの前記溝部で前記ボンディングワイヤを前記被接合部材の接合面に押圧する工程と、
    を有するウェッジボンディング方法。
16. 下降した前記ウェッジツールの前記溝部全体で前記ボンディングワイヤを前記被接合部材の前記接合面に押圧する、
    請求項１５に記載のウェッジボンディング方法。
17. 前記溝部は、前記ヒール側のヒール開口部側に広がるヒール側曲面と、前記トゥ側のトゥ開口部側に広がるトゥ側曲面と、前記ヒール側曲面及び前記トゥ側曲面を繋き、前記ヒール側から前記トゥ側にかけて傾斜している中間曲面と、が構成されており、
    前記ウェッジツールを前記被接合部材の前記接合面に対して垂直に下降させて、前記ヒール開口部、または、前記中間曲面と前記ヒール側曲面とのつなぎ目である角部を前記ボンディングワイヤに突き刺す、
    請求項１５に記載のウェッジボンディング方法。
18. 前記ウェッジツールを前記ボンディングワイヤに突き刺した後、突き刺した箇所を支点として、前記ウェッジツールを前記トゥ側に傾かせる、
    請求項１７に記載のウェッジボンディング方法。

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