專利名稱：引線鍵合裝置、工具及主體、半導體裝置制造及鍵合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在與被接合物之間施加超聲波振動來形成附著核層而接合鍵合引線的引線鍵合用鍵合裝置、從楔狀工具的前端部抽出鍵合引線進行的引線鍵合方法、以及使用鍵合裝置將半導體裝置的電極電連接到外部端子等的半導體裝置的制造方法，尤其涉及在楔狀工具的前端部分設置傾斜角的鍵合裝置。
背景技術：
圖10為用于說明由鍵合裝置進行的引線鍵合的圖。楔狀工具10具有工具主體11、用于保持鍵合引線I的引線導引件10a、鍵合后切斷引線的切刀10b、引線的夾緊結構IOc等，通過超聲變幅桿而安裝在鍵合裝置。在半導體裝置2的制造工藝中，構成電子器件的半導體芯片3被貼裝在形成于絕緣電路基板4上的電路圖案4a上。形成有電路圖案4a和與其相對側的電路圖案4b的絕緣電路基板4通過形成于其背面的電路圖案4c布置在散熱用金屬基底5上。并且，在半導體裝置2上，一邊移動楔狀工具10，一邊將鍵合引線I的兩端超聲波鍵合到半導體芯片3的電極和絕緣電路基板4的電路圖案4b上。由此，可通過被楔入鍵合的布線用引線6對半導體裝置2等的電子器件進行預定的連接。圖11為表示現(xiàn)有的楔狀工具的前端部形狀的圖。楔狀工具10將由工具主體11的前端部的工具導引槽12進行接觸并支撐的鍵合引線I接觸到被接合材(例如，硅芯片上的電極等)。然后，通過該楔狀工具10對鍵合引線I施加一定的壓力而將其按壓到被接合材的狀態(tài)下，施加超聲波振動來磨合而進行接合。圖12為表示現(xiàn)有的引線鍵合方法的圖，(A)為表示由楔狀工具進行加壓振動的情形的圖，(B)為表示引線與被接合材之間的接合狀態(tài)的圖。在進行鍵合時，作為鍵合引線I而從工具主體11的前端部的工具導引槽12抽出的環(huán)狀的鋁引線(O100 500 ilm)被預定的負荷Pl按壓到作為被接合物的、例如半導體芯片3的電極7等上，并由楔狀工具10向鋁引線施加超聲波振動進行接合。此時，鍵合引線I根據(jù)保持環(huán)狀的環(huán)形引線的剛性，受到來自傾斜橫向的約束力(fixed displacement)P2。在這種超聲波引線鍵合工藝中，將散熱用的金屬基底5設置在下部并在鍵合裝置的工件夾具(未圖示)上載入模塊組件的狀態(tài)下，通過楔狀工具10壓住由楔狀工具10供應到功率半導體元件的電極接合面的鍵合引線I，并且施加超聲波振動的同時施加鍵合負荷(楔入壓力)。由此，鍵合引線I的接合面因超聲波振動的摩擦而能夠清除雜質(氧化物)，并通過同時在接合面上發(fā)生的熱量使抗張力急劇減小而發(fā)生塑性變形，從而被固相接合到電極部。S卩，若通過工具主體11的前端部施加負荷Pl的同時向由鋁(Al)構成的鍵合引線I施加超聲波振動，則在半導體芯片3的通過鋁蒸鍍而形成的Al-Si電極膜等電極7上作為表面氧化膜等形成的雜質膜被破壞，露出清潔的金屬膜表面。此時，根據(jù)來自楔狀工具10的超聲波能量，鍵合引線I的接合面引起塑性變形，在該部分形成作為接合基點的合金化的附著核層8。這里，要使鍵合引線I與作為被接合材的半導體芯片3可靠地磨合，需要使工具主體11的前端部與鍵合引線I彼此緊密地貼近，為了彼此緊密地貼近，需要加大加壓力。根據(jù)此時的加壓力，鍵合引線I的中心部被壓扁，附著核層8擴散為橢圓形狀，從而與電極7的接觸面積變大。并且，如果楔狀工具10振動，則貼近其前端部的鍵合引線I也振動，起初的附著核層8從其外周向外側擴散，接合區(qū)域變大。一般的情況下，因為對鍵合引線I所施加的壓力導致鍵合引線I最開始就被壓扁，因此最終形成的接合區(qū)域9的中心部容易成為非接合區(qū)域，而通過超聲波振動的能量，僅被壓扁的周邊部發(fā)生接合。因此，如果觀察上述的接合區(qū)域9的界面，該接合區(qū)域有時呈環(huán)狀。根據(jù)專利文獻1，可以提供具有加粗的鍵合引線，對半導體芯片不產(chǎn)生機械損傷，且鍵合引線與半導體芯片的接合狀態(tài)穩(wěn)定的半導體裝置及其制造方法。在該發(fā)明中，通過將半導體芯片的電極膜的厚度設置為3.5 至IOy m，從而即使將鍵合引線(鋁引線)的直徑加粗為300m以上，在進行超聲波鍵合時也不會在層間絕緣膜和n型半導體基板上產(chǎn)生裂紋。并且，專利文獻2中公開了如下的功率半導體裝置的引線鍵合方法，即改變通過加粗鍵合弓I線來強化弓I線接合部的策略，針對一直以來普遍使用的直徑為300 u m、400 u m、500 y m的鍵合引線，通過適當?shù)匾?guī)定該引線接合部的形狀，從而無需使接合面積增加到必要的面積以上，也能有效地確保對于功率周期的高壽命耐量，從而謀求提高可靠性?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1:特開2002-222826號公報專利文獻2:特開2004-140072號公報如上所述，在進行鋁引線等的引線鍵合時，需要對半導體芯片3的電極7表面進行適當?shù)呢摵煽刂?。并且，在使用現(xiàn)有的楔狀工具10進行的接合過程中，在初始階段從鍵合面的中心部開始接合。但是，鍵合引線I在其被供應的一側(圖12的左側。以下，稱為根部側)開始接合，然后接合動作逐步地涉及到鍵合引線I的前端側(以下，稱為頭部側)。就此時施加到鍵合引線I的超聲波振動而言，被傳遞到鍵合面的能量僅集中在未接合部，在最終的接合動作中導致頭部側的加壓穩(wěn)定性變差。即，相對于楔狀工具10的振動方向上的鍵合引線I的長度L而言，在初始階段形成橢圓形狀的附著核層8的擴散較小。其結果，如圖12B所示，其長軸長LI比最終的接合區(qū)域9短，因此以電極7的非接合區(qū)域為中心，容易產(chǎn)生裂紋(龜裂)7a。圖13為表示半導體裝置中生成的裂紋的一個例子的圖。半導體裝置中，在由n_基板31構成的半導體芯片3的背面?zhèn)纫来螖U散形成n+層
32、p+層33，且從P+層33引出集電極端子C。半導體芯片3的表面結構為在從半導體芯片3的主表面擴散形成的P+區(qū)域34內(nèi)，構成發(fā)射極區(qū)域的n+區(qū)域35形成在n_基板31內(nèi)。在該n+區(qū)域35通過Al-Si電極膜70引出發(fā)射極端子E。并且，在半導體芯片3的主表面上，硅氧化膜(Si02)71、多晶硅膜72、層間絕緣膜(BPSG) 73被Al-Si電極膜70覆蓋并層疊，在此引出柵極電極G。如此，Al-Si電極膜70的表面并不是平坦結構，在引出柵極電極G的多晶硅膜72上形成規(guī)定的階梯差結構。因此，若通過楔狀工具10受到的超聲波振動偏向鍵合引線I的頭部側，則層間絕緣膜(BPSG)73上產(chǎn)生的圖13中示出的裂紋7a容易沿傾斜方向的點劃線箭頭擴散。在此，如果減小起初施加的壓力，則因為鍵合時的楔狀工具10的振幅，鍵合引線I從前端部的工具導向槽12偏離，因此難以通過楔狀工具10更加穩(wěn)定地束縛鍵合引線1，無法形成用來開始接合的附著核層8。這是由于，減小開始施加的壓力導致鍵合引線I的變形較小，使鍵合引線I與楔狀工具10的前端部接觸的面積變小，從而導致接觸部分的摩擦力不夠。由此，鍵合引線I與楔狀工具10的接觸部分產(chǎn)生滑動，導致發(fā)生鍵合引線I從工具導向槽12脫離，或者超聲波振幅(振動)無法充分地傳遞到鍵合引線I的問題。相反，如果增加起初施加的壓力，則從鍵合楔狀工具通過鍵合引線I施加的超聲波振動集中在半導體芯片的電極膜的末接合部分的局部，可能導致半導體芯片受損。如果對如引線(Al)和功率器件(Si)那樣熱膨脹系數(shù)具有較大差異的材料進行加熱，則產(chǎn)生較大的熱應力。于是，在冷熱環(huán)境下的Al與Si的接合部中，由于兩者的熱膨脹系數(shù)差而反復發(fā)生上述熱應力，因此具有在該接合部產(chǎn)生裂紋而受損的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于如上所述的問題而提出的，其目的在于提供一種抑制由楔狀工具導致的接合區(qū)域的偏差的形成，并防止超聲波振動的加壓力集中在頭部側的引線鍵合用的鍵
口O并且，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種在通過超聲波振動連接鍵合引線時，可以在被接合物的接合面以穩(wěn)定的狀態(tài)連接引線的引線鍵合方法。本發(fā)明的又一個目的在于提供一種消除振幅集中在未接合部的局部而導致芯片受損，并能夠提高產(chǎn)品質量的半導體裝置的制造方法。在本發(fā)明中，為了解決上述問題提供一種通過超聲波振動來接合鍵合弓丨線的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，包含安裝在使所述楔狀工具進行所述超聲波振動的超聲波振動單元的工具主體，所述工具主體的前端部分形成有槽部，沿著所述鍵合引線的長度方向在所述槽部設置有傾斜面的同時使所述鍵合引線從所述槽部伸出，并按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述鍵合引線被接合的接合面。并且，根據(jù)本發(fā)明提供一種鍵合裝置，該鍵合裝置通過超聲波振動來接合鍵合引線，其特征在于，包含:上述的楔狀工具；使所述楔狀工具相對于所述鍵合引線被接合的接合面并行地進行超聲波振動的超聲波振動單元，對所述鍵合引線進行按壓，以使所述鍵合引線在頭部側比根部側更靠近所述接合面。并且，根據(jù)本發(fā)明提供一種引線接合方法，從楔狀工具的前端部分抽出鍵合引線的同時通過超聲波振動進行鍵合，其特征在于，在用所述楔狀工具把持所述鍵合引線的狀態(tài)下，使所述鍵合引線在預定時間內(nèi)相對于接合所述鍵合引線的接合面并行地進行超聲波振動，并將所述鍵合引線按壓在所述接合面而進行接合時，使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述接合面。
此外，根據(jù)本發(fā)明提供一種半導體裝置的制造方法，該半導體裝置的制造方法使用上述的鍵合裝置將半導體芯片的電極電連接于半導體部件，其特征在于，在用所述楔狀工具把持所述鍵合引線的狀態(tài)下，使所述鍵合引線在預定時間內(nèi)相對于所述半導體芯片的電極面并行地進行超聲波振動，并將所述鍵合引線按壓在所述電極上而使其產(chǎn)生塑性變形時，包含如下工藝:以所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述半導體芯片的電極面的方式相對于所述電極面按壓所述楔狀工具。此外，根據(jù)本發(fā)明提供一種弓丨線鍵合用工具主體，通過超聲波振動來接合鍵合引線，在前端形成有沿著所述鍵合引線的長度方向傾斜的槽部，使所述鍵合引線從所述槽部伸出，并按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述鍵合引線被接合的接合面。根據(jù)本發(fā)明的引線鍵合用的楔狀工具、鍵合裝置、引線鍵合方法以及半導體裝置的制造方法，可以抑制鍵合引線在接合面上的接合區(qū)域形成偏差，可以在穩(wěn)定的狀態(tài)下進行引線連接，據(jù)此可以消除芯片受損，并制造出能夠提高產(chǎn)品質量的半導體裝置。


圖1為表示本發(fā)明的實施方式的引線鍵合方法的圖，(A)為表示通過楔狀工具進行的加壓、振動的情形的圖，⑶為表示引線與被接合材的接合狀態(tài)的圖。圖2為放大表示本發(fā)明的實施方式的楔狀工具的前端部的圖。圖3為表示引線直徑與設置在楔狀工具的前端部分的傾斜角的關系的圖。圖4為表示由現(xiàn)有裝置形成的接合區(qū)域的擴散程度的圖。圖5為表示由本發(fā)明的鍵合裝置形成的接合區(qū)域的擴散程度的圖。圖6為表示接合初始階段的接合部的橢圓率的圖。圖7為表示接合初始階段的接合部的接合面積的圖。圖8為表示接合結束時的接合部的橢圓率的圖。圖9為表示接合結束時的接合部的接合面積的圖。圖10為用于說明由鍵合裝置進行的引線鍵合的圖。圖11為表示現(xiàn)有的楔狀工具的前端部形狀的圖。圖12為表示現(xiàn)有的引線鍵合方法的圖，(A)為表示通過楔狀工具進行的加壓振動的情形的圖，(B)為表示引線與被接合材的接合狀態(tài)的圖。圖13為表示在半導體裝置上生成的裂紋的一個例子的圖。符號說明:I為鍵合引線，2為半導體裝置，3為半導體芯片，4為絕緣電路基板，5為散熱用金屬基底，6為布線用引線，7為電極，7a為裂紋(龜裂)，8為附著核層，9為最終的接合區(qū)域，10為楔狀工具，11為工具主體，12為工具導引槽，20為槽部，21為引線保持部，22、23為曲面，70為Al-Si電極膜。
具體實施例方式
以下，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。圖1為表示本發(fā)明的實施方式的引線鍵合方法的圖，(A)為表示通過楔狀工具進行的加壓、振動的情形的圖，⑶為表示引線與被接合材的接合狀態(tài)的圖。在鍵合裝置中，被插入到楔狀工具10的前端根部側后方的引線導向件的鍵合引線I的前端部從工具主體11的槽部20(工具導向槽)的圖左下端面抽出并被保持。將由該槽部20保持的鍵合引線I按壓到被載入和固定于鍵合裝置工件夾具的半導體裝置2的半導體芯片3的電極7上，通過向被保持在超聲變幅桿的楔狀工具10施加超聲波振動，從而進行接合。此后，暫時使楔狀工具10上升，將楔狀工具10平行移動到半導體裝置2的絕緣電路基板4上形成的電路圖案的引腳電極上，再次使楔狀工具10下降而按壓絕緣電路基板4的電路圖案，在該部分接合鍵合引線I的另一端。如此將鍵合引線I接合到半導體芯片3的電極7和絕緣電路基板4的電路圖案之后，向通過夾鉗保持的鍵合引線I擠推切刀，從被接合到絕緣電路基板4的電路圖案的部分切斷鍵合引線1，由此完成一輪鍵合作業(yè)。楔狀工具10包含工具主體11。工具主體11是針狀工具，由公知的材料，如碳化鎢或碳化鋇等構成。在工具主體11的前端部分設有用于保持鍵合引線I的槽部20。楔狀工具10向引線保持部的槽部20抽出鋁的鍵合引線I的同時，在半導體芯片3上的電極7之間施加超聲波振動而形成附著核層8，由此接合鍵合引線I。通過使鍵合引線I的大致下半部分從槽部20突出而進行把持的狀態(tài)下，向電極7按壓楔狀工具10，從而接合部分產(chǎn)生橢圓形狀的塑性變形。這里，對于與用來說明圖12的現(xiàn)有方法的部件相對應的部件，使用相同的符號示出，并省略詳細說明。在施加超聲波振動的初始階段所形成的附著核層8形成為大小盡可能接近楔狀工具10的振動方向上的鍵合引線I的長度L的橢圓形狀。此時，與以往的情況不同，如圖1(B)所示，為了使其長軸L2的長度近似于最終的接合區(qū)域9，工具主體11的前端部分從根部H側至頭部T側，沿鍵合引線I的長度方向以一定的大小設有傾斜角a。在此，根部側為供應鍵合引線I的一側，即，面對圖1時的左側。頭部側為鍵合引線I的前端所處的一側，即，根部的相反側，面對圖1時的右側。圖2為放大表示本發(fā)明的實施方式的楔狀工具的前端部分的圖。楔狀工具10的槽部20可根據(jù)圖2(B)中示出的正剖面圖和圖2 (A)、圖2(C)清楚可見，其截面呈V字形狀。這里，楔狀工具10的引線保持部21從根部側至頭部側形成I度至5度范圍的傾斜角a，該傾斜角a可設定為對應于所使用的鍵合引線I的引線直徑的大小，例如可形成為與其成比的大小。并且，與鍵合引線I接觸的槽部20的底部具有與楔狀工具10的前端部分相同的傾斜角a。S卩，槽部20的截面的V字形狀本身被設定為對應于引線直徑的一樣的大小。保持鍵合引線I的槽部20的底部的兩端中，根部側的端部由曲面22構成，頭部側的端部由曲面23構成。如圖2 (A)所示，曲面22光滑連接于工具主體11的根部側垂直面H。如圖2(C)所示，曲面23光滑連接于頭部側垂直面T。如此，進行接合動作時的楔狀工具10在使鍵合引線I的頭部側比根部側更靠近電極7的接合面的狀態(tài)下進行按壓。因此，可以防止加壓力僅在根部側較大的超聲波振動的偏差，防止龜裂的發(fā)生。并且，如果使用這樣的楔狀工具10，則在將半導體芯片3的電極7電連接到外部端子等時，在剛開始進行鍵合引線I的接合的初始階段，與電極7的電極面之間形成的接合層在頭部側比根部側形成得快。其結果，可以抑制只有根部側的接合層變大的附著核層8的“偏差的形成”。這里，對于在楔狀工具10的前端的槽部20和引線保持部21上形成的傾斜角與鍵合引線I的引線直徑的關系進行說明。圖3為表示引線直徑和設置在楔狀工具的前端部分的傾斜角的關系的圖。在這里，鍵合引線I使用鋁引線，作為被接合物的芯片電極的接合面也使用鋁合金。鋁引線一般使用粗度為100 500 ii m的線，這里示出了鋁引線為125 ii m、300 ii m、400 以及500 的情況下最合適的傾斜角a。例如，若要將粗度為125 y m的鋁引線無偏差地按壓到被接合物，則楔狀工具的前端部分的傾斜角為1.0°時最合適。實際上，考慮到因為加工精度產(chǎn)生±0.5°左右的公差，因此楔狀工具的傾斜角的范圍變成0.5°
1.5°。并且，在粗度為125pm的鋁引線中，施加超聲波振動進行接合所需的時間(接合時間)優(yōu)選為60ms以上。這是由于，若要在短時間內(nèi)完成接合，則以高振動頻率且大功率接合即可，但此時構成半導體裝置的芯片電極的Al-Si電極膜和半導體器件的內(nèi)部產(chǎn)生龜裂的可能性較高。

在此，將300 u m、400 y m以及500 y m的鋁引線按壓到被接合物的楔狀工具上優(yōu)選形成有1.5° ±0.5°、2.0° ±0.5°、2.5° ±0.5°左右的傾斜角。楔狀工具的振動時間(接合時間)被設定為與從楔狀工具抽出的鋁引線的引線直徑成比的長度。接著，對于在由本實施方式的楔狀工具和現(xiàn)有裝置進行根據(jù)超聲波振動的接合動作時的各接合面積的擴散情況進行比較。圖4為表示由現(xiàn)有裝置形成的接合區(qū)域的擴散程度的圖。圖5為表示由本發(fā)明的鍵合裝置形成的接合區(qū)域的擴散程度的圖。圖4、圖5均表示對應于接合動作的經(jīng)過時間(t = 20ms、40ms、70ms、100ms)的四
組引線接合區(qū)域。圖4、圖5都是對同樣的300 的鋁引線進行接合的過程中檢查接合區(qū)域的擴散程度的圖。橫軸表示以橢圓形狀擴散的接合區(qū)域的長度方向，即表示長軸L，縱軸表示接合區(qū)域的接合寬度方向的長度，即表示短軸D。并且，最外周用實線表示的區(qū)域9是鋁引線的最終接合區(qū)域。在圖5的引線鍵合中使用其前端部分設置了傾斜角1.5°的楔狀工具，圖4的現(xiàn)有裝置中前端部分平坦地形成。通過對兩者進行比較得知，在圖5的情況下，可以使接合區(qū)域的長度在短時間內(nèi)向長軸L方向增大。即，在具有傾斜角的楔狀工具的接合動作中，由于施加壓力的穩(wěn)定性高，因此接合區(qū)域從剛開始動作的接合初始階段便迅速擴散，可以有效地抑制接合結束階段在未接合部的局部產(chǎn)生的所謂振幅集中的現(xiàn)象。因此，可以減少引線鍵合工藝中的芯片受損的幾率。進一步，對于上述的具有傾斜角的楔狀工具的接合動作的優(yōu)點進行說明。圖6為表示接合初始階段的接合部的橢圓率的圖。在該圖中，在用楔狀工具對400 的鋁引線進行鍵合的情況下，記號〇表示由現(xiàn)有工具形成的接合區(qū)域的橢圓率，記號□表示由傾斜工具(本發(fā)明的實施方式的楔狀工具)形成的接合區(qū)域的橢圓率。在此，這里所稱的橢圓率是指，將作為接合區(qū)域而形成的附著核層的擴散形狀看作為橢圓狀時，其長軸L和短軸D的大小之比(L/D)。圖6中示出的橢圓率在各樣本中分別有10個分布，針對各個分布范圍，前者通過用點劃線包圍的圓來明確示出，后者通過用虛線包圍的圓來明確示出。這些橢圓率都是在接合初始階段(t = 20ms)停止楔狀工具的振動，并剝開鋁引線來測量的。這里，由現(xiàn)有工具(〇)和傾斜工具(口)形成的橢圓的短軸D均分布在220 270 ii m的范圍。但是，針對這些長軸L而言，與通過現(xiàn)有工具(〇)形成的長軸L分布在420 520 ii m的范圍的情況相比，通過傾斜工具(口)形成的長軸L分布在530 600 ii m的范圍。由此可以了解到，借助傾斜工具進行的接合動作使附著核層在接合初始階段(t=20ms)向鋁引線的頭部側迅速延伸。因此，在借助使用了傾斜工具的鍵合裝置進行的引線鍵合中，可以抑制接合區(qū)域的形成偏差，可以以穩(wěn)定的狀態(tài)連接引線。圖7為表示接合初始階段的接合部的接合面積的圖。圖7中示出的接合面積是指使用楔狀工具對400 iim的鋁引線進行鍵合時，接合初始階段(t = 20ms)形成的附著核層的分布。橫軸表示該附著核層的長軸L與短軸D的大小之比(橢圓率L/D)。在這里也與上述的圖6相同，記號〇表示由現(xiàn)有工具形成的接合面積，記號□表示由傾斜工具(本發(fā)明的實施方式的楔狀工具)形成的接合面積。圖7中 示出的接合面積在各樣本中分別有10個分布，針對各個分布范圍，前者通過用點劃線包圍的圓來明確示出，后者通過用虛線包圍的圓來明確示出。這些接合面積都是在接合初始階段(t = 20ms)停止楔狀工具的振動，并剝開鋁引線來測量的。關于通過超聲波振動形成的接合區(qū)域的橢圓率，如圖7的記號□的分布所示，在振動開始后的初始階段已經(jīng)大于2。并且，使用傾斜工具(口)得到的橢圓率(平均值)為2.2，相比于使用現(xiàn)有工具(〇)得到的橢圓率(平均為為2.0)表現(xiàn)出更大的值。因此，若比較各自的接合面積，與由現(xiàn)有工具(〇)得到的接合面積處于0.10 0.14mm2的范圍(平均值為0.12mm2)的情況相比，由傾斜工具(口)得到的接合面積分布在0.13 0.16mm2的范圍(平均值為0.15mm2)。S卩，如果是借助使用了傾斜工具的鍵合裝置進行的引線鍵合，則可以看出在接合初始階段(t = 20ms)鋁引線與芯片電極之間的接合面積具有可增大的傾向。因此，從引線鍵合的初始階段就可以抑制接合區(qū)域的偏差的形成，因而以后也能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)進行引線連接，從而可以防止芯片電極受損。在此，就接合面積S而言，當橢圓的接合區(qū)域內(nèi)存在未接合部時，將其面積設為S，然后用以下的公式定義。S= (LXD)-S接著，通過在接合動作結束的時間點與使用現(xiàn)有工具的情形進行對比，說明具有傾斜角的楔狀工具的優(yōu)點。圖8為表示結束接合時的接合部的橢圓率的圖。圖8中示出的橢圓率在各樣本中分別有10個分布，與圖6的情況相同，針對各個分布范圍，前者用點劃線來明確示出，后者用虛線來明確示出。這些橢圓率都是在接合結束階段(t = 200ms)剝開鋁引線來測量的。這里，由現(xiàn)有工具(〇)和傾斜工具(□)形成的橢圓的長軸L均分布在860 920 ii m的范圍。但是，關于這些短軸D，與借助現(xiàn)有工具
(O)形成的短軸D分布在430 pm以下的范圍的情形相比，借助傾斜工具(□)接合的短軸分布在410 470 ii m的較寬范圍。關于在接合的最終階段通過傾斜工具形成的接合區(qū)域的擴散情況，根據(jù)圖8中示出的LD比的分布狀態(tài)可知，雖然長軸L的長度(接合長度)與現(xiàn)有工具的情況幾乎相同，但作為接合寬度的短軸D具有形成為借助現(xiàn)有工具形成的短軸D以上的長度的傾向。S卩，借助使用了傾斜工具的鍵合裝置進行的引線鍵合中，不僅可以抑制接合區(qū)域的偏差的形成，還可以將接合區(qū)域的橢圓率(L/D)形成為小于通過現(xiàn)有工具形成的橢圓率。因此，當使用鍵合裝置將半導體裝置的電極電連接到外部端子等的情況下，可以降低芯片受損的可能性的同時，可以實現(xiàn)牢固的引線連接。圖9為表示接合結束時的接合部的接合面積的圖。在這里也與圖7相同，記號〇表示由現(xiàn)有工具形成的接合面積，記號□表示由傾斜工具(本發(fā)明的實施方式的楔狀工具)形成的接合面積。并且，在各樣本中分別有10個分布，但針對各個分布范圍，前者通過用點劃線包圍的圓來明確示出，后者通過用虛線包圍的圓來明確示出。在此，一般對接合區(qū)域的橢圓率可以理解為如下所述。即，若接合區(qū)域的周邊因伴隨間歇通電(功率周期)的熱應力而產(chǎn)生初始裂紋，則裂紋受到連續(xù)反 復的熱應力而從接合區(qū)域的整個外周向其中心發(fā)展。并且，裂紋達到接合區(qū)域的中心時，與引線的接合被斷開，引線從芯片電極面剝離。此時，如果將接合區(qū)域中的裂紋擴散情況分為引線接合長度(長軸L)方向和引線被壓扁而擴散的接合寬度(短軸D)方向進行考察，則接合長度方向的引線線徑越大，受到其引線環(huán)的剛性的影響越大，因此引線接合長度方向的裂紋擴散速度比接合寬度方向快。因此，即使使用粗引線來擴大接合面積，在接合面積的增大還沒有充分地發(fā)揮出提高壽命耐量的情況下，引線接合部會提前受損。因此，優(yōu)選將振動結束階段的目標值控制在 1.4 2.2。在圖9中，鍵合引線使用其引線直徑為400y m的鋁引線，借助傾斜工具(□)形成的橢圓率(平均值)在接合結束時為2.1，相比于初始階段下降。另外，借助現(xiàn)有工具(〇)形成的橢圓率(平均值)為2.2，相比于初始階段增加。雖然在初始階段借助現(xiàn)有工具(〇)形成的橢圓率較小，但在接合結束時相反，借助傾斜工具(口)形成的橢圓率變得更小。并且，如果比較接合結束時的各自的接合面積，與借助現(xiàn)有工具(〇)形成的接合面積分布在0.32 0.37mm2的范圍(平均值為0.35mm2)的情況相比，借助傾斜工具(口 )形成的接合面積分布在0.37 0.44mm2的范圍(平均值為0.40mm2)。因此，在通過超聲波振動連接鍵合引線時，因為可以抑制接合區(qū)域的偏差的形成，因此可以實現(xiàn)在被接合物的接合面以穩(wěn)定的狀態(tài)進行引線連接的引線鍵合方法。并且，可以制造能夠提高產(chǎn)品質量的半導體裝置。
權利要求
1.一種引線鍵合用楔狀工具，通過超聲波振動來接合鍵合引線，其特征在于， 包含安裝在使所述楔狀工具進行所述超聲波振動的超聲波振動單元的工具主體， 所述工具主體在前端形成有沿著所述鍵合引線的長度方向傾斜的槽部，使所述鍵合引線從所述槽部伸出，并按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述鍵合引線被接合的接合面。
2.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，所述工具主體的前端部分沿著所述鍵合弓I線的長度方向傾斜。
3.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，在所述工具主體的前端部分設置傾斜面，以所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述接合面的方式相對于所述接合面按壓所述鍵合引線。
4.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，所述槽部被設定為對應于所述鍵合引線的引線直徑的大小。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，所述槽部和前端部分從根部側向頭部側以I度至5度的范圍的角度傾斜。
6.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，所述鍵合引線及其接合面分別為鋁。
7.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，在所述槽部中，所述鍵合弓I線的頭部側的端部和根部側的端部分別由曲面構成。
8.根據(jù)權利要求1所述的引線鍵合用楔狀工具，其特征在于，所述槽部的截面呈V字形狀。
9.一種鍵合裝置，通過超聲波振動來接合鍵合引線，其特征在于，包含: 權利要求1至權利要求8中的任意一項中記載的楔狀工具； 使所述楔狀工具相對于所述鍵合引線被接合的接合面并行地進行超聲波振動的超聲波振動單元， 對所述鍵合引線進行按壓，以使所述鍵合引線在頭部側比根部側更靠近所述接合面。
10.一種引線接合方法，從楔狀工具的前端部分抽出鍵合引線的同時通過超聲波振動進行鍵合，其特征在于， 在用所述楔狀工具把持所述鍵合引線的狀態(tài)下，使所述鍵合引線在預定時間內(nèi)相對于接合所述鍵合引線的接合面并行地進行超聲波振動，并將所述鍵合引線按壓在所述接合面而進行接合時， 使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述接合面。
11.根據(jù)權利要求10所述的引線鍵合方法，其特征在于，所述楔狀工具把持并按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線從根部側向頭部側具有I度至5度的傾斜角。
12.根據(jù)權利要求10所述的引線鍵合方法，其特征在于，所述鍵合引線使用其引線直徑為100 500 iim的范圍的鋁引線。
13.根據(jù)權利要求10所述的引線鍵合方法，其特征在于，所述楔狀工具的振動時間被設定為與從前端部分被抽出的所述引線直徑成比例的長度。
14.根據(jù)權利要求11所述的引線鍵合方法，其特征在于，由所述楔狀工具的超聲波振動而形成的接合區(qū)域呈以所述鍵合引線的引線延伸方向為長軸的橢圓形狀，該橢圓形狀的長軸長L與短軸長D的比率在振動開始后的初始階段大于2。
15.根據(jù)權利要求14所述的引線鍵合方法，其特征在于，所述比率在振動結束階段為1.4 2.2。
16.一種半導體裝置的制造方法，使用所述權利要求8中記載的鍵合裝置，將半導體芯片的電極電連接于半導體部件，其特征在于， 在用所述楔狀工具把持所述鍵合引線的狀態(tài)下，使所述鍵合引線在預定時間內(nèi)相對于所述半導體芯片的電極面并行地進行超聲波振動，并將所述鍵合引線按壓在所述電極上而使其產(chǎn)生塑性變形時， 包含如下工藝:以所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述半導體芯片的電極面的方式相對于所述電極面按壓所述楔狀工具。
17.根據(jù)權利要求16所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述楔狀工具按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線相對于所述半導體芯片的電極面具有I度至5度的傾斜角。
18.根據(jù)權利要求16所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述鍵合引線的引線直徑被設定為100 500 ii m的范圍。
19.根據(jù)權利要求16所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述鍵合引線與所述半導體芯片的電極之間形成的接合區(qū)域呈以所述鍵合引線的引線延伸方向為長軸的橢圓形狀，該橢圓形狀的長軸長L與短軸長D的比率為1.4 2.2。
20.根據(jù)權利要求19所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，所述鍵合引線的引線直徑為400 u m，所述接合區(qū)域的面積為0.35 0.45mm2。
21.一種引線鍵合 用工具主體，通過超聲波振動來接合鍵合引線，其特征在于，在前端形成有沿著所述鍵合引線的長度方向傾斜的槽部，使所述鍵合引線從所述槽部伸出，并按壓所述鍵合引線，以使所述鍵合引線的頭部側比根部側更靠近所述鍵合引線被接合的接合面。
22.根據(jù)權利要求21所述的引線鍵合用工具主體，其特征在于，所述工具主體的前端部分沿著所述鍵合弓I線的長度方向傾斜。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的引線鍵合用工具主體，其特征在于，所述槽部和前端部分從根部側向頭部側以I度至5度的范圍的角度傾斜。
24.根據(jù)權利要求21所述的引線鍵合用工具主體，其特征在于，在所述槽部中，所述鍵合引線的頭部側的端部和根部側的端部分別由曲面構成。
全文摘要
本發(fā)明提供抑制楔狀工具形成的接合區(qū)域的偏差的形成，防止超聲波振動的施加壓力集中在頭部側的引線鍵合用的楔狀工具。工具主體(11)的前端部分設有通過槽部(20)保持鍵合引線(1)的引線保持部，向該部分抽出鋁的鍵合引線(1)的同時，在半導體芯片(3)上的電極(7)之間施加超聲波振動而形成附著核層(8)，由此接合鍵合引線(1)。從槽部(20)伸出鍵合引線(1)的狀態(tài)下，如果向電極(7)按壓楔狀工具(10)，則接合部分產(chǎn)生橢圓形狀的塑性變形。工具主體(11)的前端部分從根部H側至頭部T側沿鍵合引線(1)的長度方向設有傾斜角α，鍵合引線(1)被按壓為在頭部側比根部側更靠近電極(7)的接合面。
文檔編號H01L21/60GK103177979SQ201210540018
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者滝沢幸博 申請人:富士電機株式會社