JP3800929B2 - Semiconductor package, manufacturing method thereof, and insulating tape substrate for semiconductor package - Google Patents

Semiconductor package, manufacturing method thereof, and insulating tape substrate for semiconductor package Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ上に形成した複数の電極と絶縁テープ基板に形成した金属配線とを加熱下で重ね合せ、ボンディングツールにより押圧し、超音波加振して冶金学的に接続する新規な半導体パッケージとその製造法及び半導体パッケージ用絶縁テープ基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップに形成した電極と電気的に接続される配線が形成された絶縁テープ基板、例えばTape Automated Bonding (TAB) テープキャリアのインナーリードと半導体素子上に形成したAl電極とを直接接続するバンプフリー接合した半導体パッケージに関しては、特開平5-160202号公報に開示されたものがある。これによれば、図17に示すように21はシリコンで構成された半導体素子、22はアルミニウムで構成された電極、23は保護膜、24は金属製インナーリードである。25はボンディングツール、26はホーンである。
【0003】
半導体素子21上に形成したAl電極22の中心部上方にインナーリード24、ボンディングツール25を配置した後、ボンディングツール25に荷重を加えてインナーリード24上に押し付け、そのままAl電極22上に押し付ける。このとき、インナーリード24のボンディングツール25との接触部はボンディングツール25に加えられた荷重によるボンディングツール25からの押圧力により塑性変形し、ボンディングツール先端形状に依存した形状になる。この状態で超音波振動が加えられインナーリード24とAl電極22とを冶金学的に接合させることができる。加えられる超音波周波数は60kHz、或いは60kHz付近である。なお、前記ボンディングが良好に行えるため半導体素子は加熱ステージ上で200〜250℃程度に加熱されている。
特開平10-41357号公報にはビッカース硬さが130以下の軟質銅から成り、インナーリード部分にAuめっきされた半導体装置用テープキャリアが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような金属同士の接合現象を簡単に述べる。荷重負荷後、超音波を加振することにより各材料の接触部の表面層がせん断応力を受け塑性変形する。このとき、表面に酸化被膜や汚染物等が全くない新生面を持つ金属同士が直接接触する領域、すなわち、各金属の原子相互拡散を妨げるものが全くない領域ができる。半導体素子は加熱されているのでこの熱エネルギーと接触部に生じる摩擦摺動によって発生する摩擦熱とが原子拡散のドライビングフォースとなり各原子が相互拡散する。このとき、接触部にはある程度の厚さの金属間化合物が成長しボンディングが完了する。この金属間化合物生成領域が大きい程接合強度に優れ、半導体部品の信頼性を向上させるためのキーファクターとされている。金属間化合物生成領域を増大させるには前記新生面領域を増大させればよい。これにはインナーリードの塑性変形がキーポイントになる。
【0005】
従来ではインナーリードに用いられる銅はビッカース硬さが100以上と硬くて塑性変形し難いため下地の半導体チップが受けるダメージが増大し、その結果チップ内にクラック、つまりボンディングダメージが生じることがあり、生産歩留りを下げる要因の一つとなっていた。この対策としてインナーリード表面に施す金めっきを1.0〜2.0μm程度と厚くすることで対処することが一般的であった。金は銅よりも軟らかいためクッション材となるからである。しかし金めっきを厚くするとTABテープのコストが大幅にアップし、良策ではない。一方、薄金めっき化した場合、インナーリードと電極パッド間の接合強度が不安定、すなわち、強度のばらつきが大きくなり、接合信頼性が確保できない危険性があった。コア銅よりも軟らかいAuの厚みが小さいと厚い場合に比べて超音波振動を付加したときのリード、特に金めっき部分の変形が小さくなる。このため、リードが変形していく過程に形成する接合領域が小さくなり、接合強度が小さくなることがあった。さらに、ボンディングダメージの発生要因は接合部に形成する金属間化合物の状態にも依存していた。
図18は電極パッドとインナーリードの接合部界面に形成した金属間化合物形成状態を示したものである。図18から判るように、金属間化合物層は圧着部の外周部から優先的に形成している。なお、圧着部とはインナーリードを電極パッドにボンディングした際にできる電極パッド上に形成したインナーリードの接触跡のことである。
図19はボンディングダメージが発生したときの状態である。ダメージは前記圧着部の外周部、すなわち金属間化合物が優先的に形成する領域から生じており、金属間化合物形成領域が起点となっていると考えられる。金属間化合物形成後、接合部界面になおも振動が加えられると金属間化合物層が電極パッドを超音波の振動方向に引張る格好になる。このため超音波振動が過剰に加えられると金属間化合物形成領域に界面剥がれが生じ易くなると考えられる。また、大きい振幅を付加した際には金属間化合物形成領域下の半導体材料にクラックを生じさせ易くなり、過度に振動させるとダメージに至る。
【0006】
以上のボンディングに関わる諸問題はインナーリードのコア材の銅又は銅合金が硬く、かつ金属間化合物の形成状態が局所的であることに起因している。
特開平10-41357号公報には、インナーリードのコア材の圧延銅箔をビッカース硬さ130以下とする軟質とするものであるが、その硬さを100以下にすることは示されていない。
【0007】
本発明の目的は、以上のような問題を解決し、半導体チップに形成された複数の電極と、絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とがボンディングダメージレス化でき、且つ高い接合強度を有する半導体パッケージとその製造法及び半導体パッケージ用絶縁テープ基板を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体チップに形成された複数の電極と、前記半導体チップに搭載した絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とが、周波数100kHz以上及び振幅1.5μm以下の超音波振動による圧着によって直接接続された半導体パッケージにおいて、前記金属配線は金めっきが施された銅または銅合金製であり、該銅または銅合金はそのビッカース硬さが60〜100であり、前記金めっきはその厚さが0.01〜0.8μm、好ましくは0.1〜0.5μmであり、前記金属配線と電極との接続界面の少なくとも接続部の前記圧着された部分の外周部及び中央部の全体に前記金属配線を構成する金属と前記電極を構成する金属との金属間化合物が形成していることを特徴とする。
本発明は、半導体チップに形成された複数の電極と、前記半導体チップに搭載した絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とを超音波振動による圧着によって直接接続する半導体パッケージの製造法において、前記金属配線は金めっきが施された銅または銅合金製であり、かつ前記金めっきの厚さが0.01〜0.8μmであり、又前記金属配線は金めっきが施された銅または銅合金製であり、該銅または銅合金はそのビッカース硬さが60〜100であり、荷重を加えながら周波数が100kHz以上、好ましくは100〜200kHz及びその振幅が1.5μm以下、好ましくは100kHzで1μm以上、150kHzで0.5μm以上、200kHzで0.2μm以上、より好ましくは100kHzで1〜1.5μm、150kHzで0.5〜1.0μm及び200kHzで0.2〜0.6μmである横方向の前記超音波振動により前記金属配線と電極との接続界面の前記圧着された部分の外周部及び中央部の全体に前記金属配線を構成する金属と前記電極を構成する金属との金属間化合物を形成することを特徴とする。
【0009】
より具体的な好ましい構成として、半導体チップの機能面側に形成した複数の電極と、前記半導体チップの機能面側に搭載した絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とを超音波振動を併用して直接接続する半導体パッケージにおいて、前記絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線が金めっきを施した銅または銅合金製であり、前記絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線の表面に施された金めっきの厚さが0.01〜0.8μmであり、前記絶縁テープ基板に形成された金属配線と前記半導体チップの機能面側に形成した電極とを直接接続した領域の前記半導体チップの機能面側に形成した電極側の外周部及び前記領域の中央部に、前記金属配線を構成する金属と前記半導体チップ上に形成した電極を構成する金属とで構成される金属間化合物が形成していることにより達成できる。
【0010】
本発明の半導体パッケージは、インナーリードのコア材の銅又は銅合金のビッカース硬さが60〜100、インナーリード表面に形成した金めっきの厚さが0.01〜0.8μmでもインナーリードボンディング部に形成する金属間化合物領域を広くすることができ、かつボンディングダメージレス化を図ることができる。従来、ビッカース硬さが150程度の硬い電解銅をインナーリードに用いていたため、ボンディングダメージを低減するために金めっきの厚さを1.0μm以上としていたパッケージ構成とは異なる。
【0011】
そして、半導体素子上に形成した電極とTABテープに形成された金属配線とを超音波振動を併用して直接接続する半導体パッケージにおいて、TABテープに形成された金属配線の構成が金めっきを施した銅または銅合金製であり、かつTABテープに形成された金属配線のコア部の銅または銅合金のビッカース硬さを60〜100とし、かつTABテープに形成された金属配線の表面に施された金めっきの厚さを0.01〜0.8μmとしたものである
更に、本発明は、周波数100kHz以上及び振幅1.5μm以下の超音波振動による圧着によって半導体パッケージに形成された電極に直接接続される金属配線層が形成された半導体パッケージ用絶縁テープ基板において、前記金属配線は金めっきが施された銅または銅合金製であり、該銅または銅合金のビッカース硬さが60〜100で、金めっきはその厚さが0.01〜0.8μm、好ましくは0.1〜0.5μmであることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明による半導体パッケージの実施例の一つの構成を示した図であり、図2は図1のA-B切断線における断面図である。半導体チップ1には機能面側に複数の電極パッド2が形成され、さらに電極パッド2が形成された部分を除く領域に保護膜3が施されている。インナーリード5と配線が形成されたテープ基板7には応力緩衝層4が形成されている。絶縁テープ基板7上の応力緩衝層4と半導体チップ1上に施された保護膜3が接着され、インナーリード5が電極パッド2に接合した構造となっている。インナーリードボンディング部9は樹脂封止剤8(図2に図示)により覆われた構造となっている。インナーリード5の他端となる配線に接続されるソルダボ−ル6は、テープ基板7の応力緩衝層4が搭載された面と反対側の面上に形成したバンプランド10に搭載されて、リフローすることにより、図に示す様にボールに円筒部が形成され、バンプランド10はソルダにより満たされる。
【0013】
ポリイミド樹脂フイルムからなる絶縁テープ上にビッカース硬さ100の銅箔を樹脂接着剤で接着した基板を用いて、エッチングによって配線パターン(インナーリード5も含む)を形成した後、インナーリード5の接合側に1.5μmの金めっきを施した絶縁テープ基板を用意した。この後、このテープ基板上に接着能力をもつエポキシ系樹脂を用いた応力緩衝層を形成し、応力緩衝層と半導体チップを張り付け、接着した。この貼り付け工程でテープ基板側のインナーリードは半導体チップの電極パッド上に配置されるようになっている。次に、インナーリードボンディングによりテープ基板上のインナーリードと半導体チップ上の電極パッドを電気的導通がとれるように接合した。電極パット2は、Al,Al合金(Si,Si-Cu,Cuを少量含むAl基合金)が用いられる。金めっきはインナーリード5の接合側とそれと同じ側の面の配線に形成されている。
【0014】
本発明による半導体パッケージは、メインロジックIC,メモリ、ロジックIC等のワンチップに対するもの、これらを搭載するマルチチップモジュールを各々形成することが出来る。そして、このマルチチップモジュールをセラミック又は樹脂多層基板に搭載される。本実施例によれば、従来に比べより小さく出来る。
【0015】
図3は、インナーリードのボンディング方法を示す斜視図である。図3ではボンディングツール、ボンディングツールを保持し、かつ超音波振動をボンディングツールに伝えるホーン、インナーリード、及び半導体チップの電極部のみを示してある。11は半導体チップ、12は電極パッド、13は保護膜、14はインナーリード、15はボンディングツール、16はホーンである。このインナーリードボンディング工程において、ボンディングツール15によりインナーリード14を図2の断面に示すようにS字形状に変形させながら半導体チップ11上の電極パッド12に打ち下ろし、周波数60kHzの超音波振動を併用した熱圧着法によりインナーリード14と電極パッド12の接続を行った。保護膜13は、PIQ(ポリイミド)が用いられ、塗布後に熱処理して硬化される。ボンディングは200〜250℃程度に加熱されて行われる。
【0016】
インナーリードボンディング部の接合信頼性に対する金めっき厚さの影響を調べるため、次のようなサンプルを準備し検討した。
【0017】
金めっき膜厚が0.01、0.1、0.3、0.7、1.0、及び2.0μmの配線(インナーリードを含む)を形成した絶縁テープ基板を用いる他は、上記と同様にテープ基板に応力緩衝層を張り付けた後、半導体チップを張り付けた。その後、上記と同様にインナーリードボンディングを行い、同構造のパッケージを作製した。これらのパッケージに対してインナーリードボンディング部の接合強度、ボンディングダメージの発生頻度、及び接合部の金属間化合物形成状態を調査した。
【0018】
ここで接合部の金属間化合物形成状態の調査方法について述べる。先ず、インナーリードボンディングが完了したサンプルを溶融したSn-Pb共晶合金中に浸漬させる。このとき、テープ基板に形成した配線、つまり金及び銅は、直ちに溶融Sn-Pb共晶合金中に拡散し、電極パッド上に形成した金属間化合物のみが残る。金属間化合物は接合部に形成した状態のまま残るので、形成状態を観察することができる。
【0019】
図4は超音波周波数を60kHz、金めっき膜の厚さを0.01、0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、
及び2.0μmと変えた時の接合強度変化を示した図である。ただし、インナーリードボンディング時に付加する超音波周波数は従来と同じ60kHzである。金めっき膜厚が0.7μmから1.0μm程度以上になると強度値が飽和しており良好に接合できていることが判る。一方、金めっき膜が薄い(0.5μm以下)と強度が低下していることが確認できる。この結果、60kHz発振時に良好なインナーリードボンディングを達成するには0.7μm以上の金めっき膜厚が必要であると言える。換言すると60kHz発振では金めっき膜厚が0.5μm以下では良好にボンディングできない。
【0020】
図5は図4に示した種々の金めっき膜厚を有するパッケージの接合部界面の金属間化合物形成状態を示したものである。黒い線で囲まれた枠内が圧着部で、その外周から優先的に金属間化合物が形成していることが判る。黒で塗りつぶした部分が金属間化合物による合金層が形成されたことを示している。白い部分は未接合領域である。前述したようにこの局所的な金属間化合物形成がボンディングダメージを発生し易くしている。また、金めっき膜厚が薄いほど圧着部に形成した金属間化合物が粗になっていることが判る。銅より軟らかい金(Hv40〜50)が厚いと界面におけるめっき膜の塑性変形がより促進され金属間化合物層が密に形成される。しかし、金めっき膜が薄いと厚い場合よりも金めっき膜の変形量が小さく金属間化合物形成状態が図5のように粗状になり、接合強度が小さくなったと考えられる。
【0021】
図6は図5の接合部界面に形成した金属間化合物の化合物形成面積率を示したものである。化合物形成面積率とは図7に示す様に化合物形成領域の面積Sを圧着部の面積SAで割ったものである。図6によると金めっき膜厚が1.0μm以上になると面積率が60%程度で飽和していることが判る。60kHzでインナーリードボンディングした場合、面積率が60%を下回ると急激に接合強度が低下するため、良好なインナーリードボンディングを達成するには60%程度の面積率が必要である。図4から金めっき膜厚が0.7μm以上において、十分な接合強度が得られるので、化合物形成面積率は50%以上、より好ましくは55%以上になる様にすることが好ましい。
【0022】
次に、インナーリードボンディングの際に付加される超音波振動のボンディング性に及ぼす影響を調べるため、次のようなサンプルを準備し検討した。
【0023】
ポリイミドからなるテープ上にビッカース硬さ100の銅箔で配線パターン(インナーリードも含む)を形成した後、厚さ0.01、0.1、0.3、0.7、1.0、1.5及び2.0μmの金めっきを施したテープ基板を用意した。0.01μmより薄い金めっき膜は、現在の技術では作製できない。この後、このテープ基板上に接着能力をもつ応力緩衝層を形成し、応力緩衝層と半導体チップを張り付け、接着した。この貼り付け工程でテープ基板側のインナーリードは半導体チップの電極パッド上に配置されるようになっている。次に、インナーリードボンディングによりテープ基板上のインナーリードと半導体チップ上の電極パッドを電気的導通がとれるように接合した。インナーリードボンディングは超音波周波数を100kHz、及び170kHzとする他は上記と同様の方法により行った。
【0024】
図8は超音波周波数を100kHz、及び170kHzとしたときのインナーリードの金めっき膜厚に対する接合強度変化を示したものである。比較のため60kHz発振時の接合強度変化も示した。超音波周波数100kHzと170kHz時は金めっき膜厚が0.01μmでも接合強度は飽和に近い状態になっており、60kHz発振時における金めっき膜厚0.7μm以上の時と同等になっている。超音波周波数が100kHz以上であると60kHz発振時よりも薄い金めっき膜厚で良好な接合が可能であることが判る。金めっき膜厚が薄い場合、超音波周波数100kHz、及び170kHzの接合強度向上の効果は非常に大きいことが確認できる。従って、化合物形成面積率は50%以上を形成するには、金めっき膜と超音波周波数とを整数目盛りで表したとき60kHzで0.7μmと100kHzで0.01μmにおける各々の値をプロットしての点を直線で結んだ値以上とすることにより良好な接合が得られる。
【0025】
図9は超音波周波数を100kHz、170kHzとした時の、接合部界面の金属間化合物形成状態を示したものである。60kHz時は圧着部の外周に金属間化合物が形成していたのに対し、100kHz、及び170kHz発振時は圧着部全体にわたってち密に金属間化合物が形成していることが判る。周波数を高くすると低い周波数よりも小さい振幅でリードを変形させることができる。また、発振時間が同一ならば振動回数(摺動回数)が多くなる。このため、より高い周波数の時、圧着部全体にわたってち密に金属間化合物が形成できたものと推定される。この結果、良好な接合が達成できたと考えられる。
【0026】
図10は図9の接合部界面に形成した金属間化合物の化合物形成面積率を示したものである。図10において金めっき膜厚が0.01μm程度でも面積率(約50%)が飽和に近い状態であることが判る。この傾向は図8に示した接合強度の傾向に対応していることが確認できる。また、図8において金めっき膜厚が0.01μmでも接合強度は飽和強度に近いことから、100kHz以上の超音波振動を加えた場合は面積率が50%程度あれば良好なのインナーリードボンディングが達成できる。
【0027】
本実施例に示した検討結果によれば、インナーリード表面に施す金めっき膜の厚さを従来より薄くしてもボンディングダメージの発生は全く無く、かつ良好な接合が達成できるため、インナーリードボンディング部の接合信頼性向上による大幅な生産歩留り向上が実現できると共に、半導体パッケージの低コスト化も実現できることが判る。
【0028】
(実施例2)
本実施例に係わる効果を確認するために行った検討について説明する。
【0029】
インナーリードボンディング部の接合信頼性に対するインナーリードの硬さの影響を調べるため、次のようなサンプルを準備し検討した。
【0030】
ビッカース硬さが60、80、及び120の銅箔を用いる以外は実施例1と同様に、金めっき厚さが1.5μmの配線(インナーリードを含む)を形成したテープ基板を作製して応力緩衝層を張り付けた後、半導体チップを張り付けた。その後、インナーリードボンディングを行い同構造のパッケージを作製した。インナーリードボンディング時の超音波周波数は60kHzである。これらのパッケージに対してインナーリードボンディング部のボンディングダメージの発生頻度を調査した。
【0031】
なお、ビッカース硬さ60より小さい銅箔は現在の技術では作製できない。
【0032】
ここでボンディングダメージの調査方法を述べる。インナーリードボンディングが完了したサンプルに対し、半導体チップの裏面、つまりインナーリードボンディングが行われない側の面から赤外線顕微鏡を用いてボンディング部を観察する。前記図18に示したボンディングダメージが存在する場合、この部分は黒く結像されるのでダメージの有無を確認することができる。
【0033】
図11はインナーリードのコア銅の硬さに対するボンディングダメージの発生頻度を示したものである。比較のため、従来パッケージであるインナーリードのビッカース硬さ150、金めっきの厚さ1.5μmのパッケージにおけるボンディングダメージ発生頻度も示した。図11によるとダメージの発生頻度はコア銅のビッカース硬さが100以下になると低く一定となっており、金めっき膜厚が同等でも従来パッケージのより大幅に減少していることが判る。コア銅のビッカース硬さが100以下であれば高い接合信頼性をもつパッケージが実現でき、生産歩留りを大幅に向上できる。
【0034】
図12は本実施例で用いたビッカース硬さ100の銅製インナーリード5の断面組織と、従来の半導体パッケージに用いられていた銅製インナーリードの断面組織をそれぞれ示したものである。本実施例の半導体パッケージの銅製インナーリードの組織は従来のインナーリードの組織に比べ粗大な結晶粒で構成されている。このためビッカース硬さが従来(Hv150)よりも軟らかくなっている。本実施例パッケージの銅製インナーリードは電解液を活性炭処理して電解液から不純物を取り除き、生成する銅の純度を上げることで結晶粒粗大化、つまり軟質化を図っている。
【0035】
(実施例3)
ポリイミドからなるテープ上にビッカース硬さ100の銅箔で配線パターン(インナーリードも含む)を形成した後、0.5μmの金めっきを施したテープ基板を用意した。この後、このテープ基板上に接着能力をもつ応力緩衝層を形成し、応力緩衝層と半導体チップを張り付け、接着した。この貼り付け工程でテープ基板側のインナーリードは半導体チップの電極パッド上に配置されるようになっている。次に、インナーリードボンディングによりテープ基板上のインナーリードと半導体チップ上の電極パッドを電気的導通がとれるように接合した。インナーリードボンディングは超音波周波数を100kHzとする他は実施例1と同様の方法により行った。
【0036】
インナーリードボンディング部の接合信頼性に対する超音波周波数の効果を調べるため、次のようなサンプルを準備し検討した。
【0037】
金めっき厚さが0.5μmの配線(インナーリードを含む)を形成したテープ基板を作製して応力緩衝層を張り付けた後、半導体チップを張り付けた。その後、超音波周波数が60、80、120、140、160、及び170kHzを付加する以外は上記と同様にインナーリードボンディングを行い、同構造のパッケージを作製した。これらのパッケージに対してインナーリードボンディング部の接合強度、及びボンディングダメージの発生頻度を調査した。
【0038】
ここでインナーリードボンディング部の接合強度評価方法を述べる。図13に示すように、先ず、サンプルをを45°に傾けて固定し、次にL字型の引張試験用プローブ先端をインナーリード中心部に引っかけ、鉛直方向に引張る。そしてリード破断までの最大荷重を測定し、接合強度とした。
【0039】
図14は超音波周波数60kHz、100kHz、及び170kHz時のインナーリードボンディング部の接合強度を示したもので、ボンディングツール先端の振動振幅に対する接合強度の変化を示した。ボンディングツール先端部の振動振幅はレーザドップラー振動計を用いた。この振動計はレーザ光を測定箇所に照射し、反射波のドップラー効果から照射箇所の振動の速度成分を測定する装置である。出力される速度成分は電圧波形としてオッシロスコープに出力される。そのピーク値から振動振幅を算出する。なお、レーザドップラー振動計の測定スポット径は35μm(ワークディスタンス=20mmの場合)である。
【0040】
図14によると60kHzに比べ100kHzで1.0μm以上、170kHzで0.4μm以上と周波数が高くなる程、より小さい振幅で接合できることが確認できる。更に、図14よりその振幅は100kHzで1μm以上、150kHzで0.5μm以上、200kHzで0.2μm以上、好ましくは100kHzで1〜1.5μm、150kHzで0.5〜1.0μm及び200kHzで0.2〜0.6μmである横方向の前記超音波振動により前記金属配線と電極との接続界面に前記金属配線を構成する金属と前記電極を構成する金属との金属間化合物を形成するものである。
【0041】
図15はボンディングダメージの発生頻度を超音波周波数に対して示したものである。図15によれば周波数が100kHzより低いとボンディングダメージの発生が認められる。しかし超音波周波数を100kHz以上とするとダメージ発生頻度を完全に抑えることができることが確認できる。ボンディングダメージの発生しないインナーリードボンディングには、100kHz以上の超音波周波数を加えればよい。
【0042】
リードの変形が進んでいく際、リードが電極パッドに対して摩擦摺動するため、電極パッドの新生面(表面の酸化膜や有機物等の汚染被膜が全て取り除かれた清浄な面)が露出する。この電極パッド新生面と金(リード表面のめっき膜)とが接触すると、接触部界面には直ちに金属間化合物が形成される。軟らかいリードは超音波振動に対して塑性変形し易いため、従来の硬いリードよりも電極パッドの新生面の露出量が多くなる。また、変形し易いため超音波振動の衝撃を吸収でき、下地の半導体チップに与えるボンディングダメージの影響が少ないものと考えられる。さらに高い超音波周波数は小さい振幅で接合できるため、ボンディングダメージ発生抑止の効果が高いと考えられる。このため極めて信頼性の高いインナーリードボンディングが達成できる。
【0043】
(実施例4)
ポリイミドからなるテープ上にビッカース硬さ80の銅箔で配線パターン(インナーリードも含む)を形成した後、0.1μmの金めっきを施したテープ基板を用意した。この後、このテープ基板上に接着能力をもつ応力緩衝層を形成し、応力緩衝層と半導体チップを張り付け、接着した。この貼り付け工程でテープ基板側のインナーリードは半導体チップの電極パッド上に配置されるようになっている。次に、インナーリードボンディングによりテープ基板上のインナーリードと半導体チップ上の電極パッドを電気的導通がとれるように接合した。インナーリードボンディングは超音波周波数を170kHzとする他は実施例1と同様の方法により行った。このパッケージに対してインナーリードボンディング部の接合強度、化合物形成面積率、及びボンディングダメージの発生頻度を調査した。
【0044】
図16は接合強度、化合物形成面積率、ボンディングダメージ発生頻度をそれぞれ調査した結果を示したものである。同時に調査した従来パッケージにおける接合強度、化合物形成面積率、及びボンディングダメージ発生頻度をそれぞれ10として比較表示した。図16によれば、金めっきの厚さを従来の1.5μmから0.1μmと1/10以上薄くしても、接合強度は10%、化合物形成面積率は50%それぞれアップしていることが確認でき、良好に接合できていることが判る。さらにボンディングダメージは全く発生していない。
【0045】
本実施例によれば、ボンディングダメージの発生は全く無く、かつ良好な接合が達成できるためインナーリードボンディング部の接合信頼性向上による大幅な生産歩留り向上が実現できる。さらにインナーリード表面に施す金めっき膜の厚さを従来よりも1/10程度薄くしているため、半導体パッケージの大幅な低コスト化も実現できる。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体パッケージ構造は、絶縁テープ基板に形成した配線に施す金めっきの厚さを0.01〜0.5μmにすることが出来、それによってパッケージ製造において大幅な生産工程の短縮が図られ、更に絶縁テープ基板に形成した金属配線と半導体チップに形成した電極パッドとの接続における金属配線のコア材をビッカース硬さで60〜100としたことによって接続用配線と電極パッドとの接続部の信頼性が向上し、大幅な歩留り向上が図れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体パッケージの斜視図。
【図2】図1の側面図。
【図3】インナーリードのボンディング法を示す斜視図。
【図4】金めっき膜の厚さと接合強度との関係を示した線図。
【図5】接合部界面の金属間化合物形成状態を示した図。
【図6】接合部界面に形成した金属間化合物の化合物形成面積率と金めっき膜の厚さとの関係を示した線図。
【図7】化合物形成面積率を算出法を示した図。
【図8】超音波周波数を100及び170kHzとしたときの金めっき膜厚と接合強度との関係を示した線図。
【図9】超音波周波数を100及び170kHzとしたときの接合部界面の金属間化合物形成状態を示した図。
【図10】接合部界面に形成した金属間化合物の化合物形成面積率と金めっき膜厚さとの関係を示した線図。
【図11】インナーリードのコア銅の硬さとボンディングダメージの発生頻度との関係を示した線図。
【図12】従来の電解銅箔を用いたインナーリードの断面組織と、本発明の半導体パッケージの銅製インナーリードの断面組織をそれぞれ示した図。
【図13】接合強度の評価方法を示した断面図。
【図14】超音波周波数を60、100及び170kHzとした時の接合強度と振幅との関係を示した線図。
【図15】ボンディングダメージの発生率と超音波周波数との関係を示した線図。
【図16】接合強度、化合物形成面積率、ボンディングダメージ発生頻度をそれぞれ調査した結果を示した図。
【図17】従来例のインナーリードのボンディング法を示す斜視図。
【図18】電極パッドとインナーリードの接合部界面に形成した金属間化合物形成状態それぞれ調査した結果を示した図。
【図19】ボンディングダメージが発生したときの図。
【符号の説明】
1…半導体チップ、2…電極パッド、3…保護膜、4…応力緩衝層、5…インナーリード、6…ソルダボール、7…テープ基板、8…封止材、9…インナーリードボンディング部、10…バンプランド、11…半導体チップ、12…電極パッド、13…保護膜、14…インナーリード、15…ボンディングツール、16…ホーン。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a novel technique in which a plurality of electrodes formed on a semiconductor chip and a metal wiring formed on an insulating tape substrate are superposed under heating, pressed with a bonding tool, and subjected to ultrasonic vibration to be metallurgically connected. The present invention relates to a semiconductor package, a manufacturing method thereof, and an insulating tape substrate for a semiconductor package.
[0002]
[Prior art]
Insulating tape substrate with wiring that is electrically connected to the electrodes formed on the semiconductor chip, for example, Tape Automated Bonding (TAB) Bump free to directly connect the inner lead of the tape carrier and the Al electrode formed on the semiconductor element A bonded semiconductor package is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-160202. According to this, as shown in FIG. 17, 21 is a semiconductor element made of silicon, 22 is an electrode made of aluminum, 23 is a protective film, and 24 is a metal inner lead. 25 is a bonding tool, and 26 is a horn.
[0003]
After the inner lead 24 and the bonding tool 25 are arranged above the center portion of the Al electrode 22 formed on the semiconductor element 21, a load is applied to the bonding tool 25 and pressed onto the inner lead 24, and then pressed onto the Al electrode 22 as it is. At this time, the contact portion of the inner lead 24 with the bonding tool 25 is plastically deformed by a pressing force from the bonding tool 25 due to a load applied to the bonding tool 25, and becomes a shape depending on the tip shape of the bonding tool. In this state, ultrasonic vibration is applied, and the inner lead 24 and the Al electrode 22 can be metallurgically joined. The applied ultrasonic frequency is 60 kHz or around 60 kHz. The semiconductor element is heated to about 200 to 250 ° C. on the heating stage because the bonding can be performed satisfactorily.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-41357 discloses a tape carrier for a semiconductor device made of soft copper having a Vickers hardness of 130 or less and having an inner lead portion plated with Au.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The phenomenon of metal-to-metal bonding as described above will be briefly described. After the load is applied, the surface layer of the contact portion of each material is subjected to shear stress and plastically deformed by applying ultrasonic waves. At this time, there is a region where metals having new surfaces with no oxide film or contaminants on the surface are in direct contact with each other, that is, a region where there is no obstacle to interdiffusion of each metal. Since the semiconductor element is heated, the thermal energy and the frictional heat generated by the frictional sliding generated at the contact portion serve as a driving force for atomic diffusion, and the atoms diffuse each other. At this time, an intermetallic compound having a certain thickness grows at the contact portion, and bonding is completed. The larger the intermetallic compound generation region, the better the bonding strength, which is a key factor for improving the reliability of semiconductor components. In order to increase the intermetallic compound generation region, the new surface region may be increased. The key point is the plastic deformation of the inner lead.
[0005]
Conventionally, copper used for the inner lead is hard to be plastically deformed with a Vickers hardness of 100 or more, so the damage to the underlying semiconductor chip increases, and as a result, cracks in the chip, that is, bonding damage may occur, This was one of the factors that lowered production yield. As a countermeasure against this, it has been common to deal with this by increasing the thickness of the gold plating applied to the inner lead surface to about 1.0 to 2.0 μm. This is because gold becomes a cushioning material because it is softer than copper. However, thicker gold plating significantly increases the cost of TAB tape and is not a good idea. On the other hand, when the thin gold plating is used, the bonding strength between the inner lead and the electrode pad is unstable, that is, the variation in strength becomes large, and there is a risk that the bonding reliability cannot be ensured. When the thickness of Au, which is softer than the core copper, is small, the deformation of the lead, particularly the gold-plated portion, when applying ultrasonic vibration is smaller than when the thickness is thick. For this reason, the bonding region formed in the process of deforming the lead is reduced, and the bonding strength may be reduced. Furthermore, the cause of bonding damage depends on the state of the intermetallic compound formed at the joint.
FIG. 18 shows a state in which an intermetallic compound is formed at the interface between the electrode pad and the inner lead. As can be seen from FIG. 18, the intermetallic compound layer is formed preferentially from the outer peripheral portion of the crimping portion. The crimping part is a contact mark of the inner lead formed on the electrode pad formed when the inner lead is bonded to the electrode pad.
FIG. 19 shows a state when bonding damage occurs. The damage is caused from the outer peripheral portion of the pressure-bonding portion, that is, the region where the intermetallic compound is preferentially formed, and it is considered that the intermetallic compound forming region is the starting point. After the formation of the intermetallic compound, when vibration is still applied to the interface of the joint, the intermetallic compound layer pulls the electrode pad in the direction of ultrasonic vibration. For this reason, it is considered that when the ultrasonic vibration is excessively applied, interface peeling easily occurs in the intermetallic compound formation region. Further, when a large amplitude is applied, cracks are likely to occur in the semiconductor material under the intermetallic compound formation region, and damage is caused when it is vibrated excessively.
[0006]
The various problems related to bonding are caused by the fact that copper or copper alloy of the core material of the inner lead is hard and the formation state of the intermetallic compound is local.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-41357 discloses that the rolled copper foil of the core material of the inner lead is soft with a Vickers hardness of 130 or less, but does not show that the hardness is 100 or less.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above-described problems, a plurality of electrodes formed on a semiconductor chip and a plurality of metal wirings formed on an insulating tape substrate can be bonded damage-free and have high bonding strength. An object of the present invention is to provide a semiconductor package having the same, a manufacturing method thereof, and an insulating tape substrate for semiconductor package.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a plurality of electrodes formed on a semiconductor chip and a plurality of metal wirings formed on an insulating tape substrate mounted on the semiconductor chip. , Frequency 100 kHz or more and amplitude 1.5 μm or less Ultrasonic vibration By crimping by In a directly connected semiconductor package, the metal wiring is made of copper or copper alloy plated with gold, and the copper or copper alloy has its Vickers hardness. 6 0-100, and the thickness of the gold plating is Is 0 . 01-0.8μm Good Preferably, it is 0.1 to 0.5 μm, and at least the connection portion of the connection interface between the metal wiring and the electrode Of the crimped part of The outer periphery and center of Whole Further, an intermetallic compound of a metal constituting the metal wiring and a metal constituting the electrode is formed.
The present invention relates to ultrasonic vibration between a plurality of electrodes formed on a semiconductor chip and a plurality of metal wirings formed on an insulating tape substrate mounted on the semiconductor chip. By crimping by In the method of manufacturing a directly connected semiconductor package, the metal wiring is made of copper or copper alloy plated with gold, and the thickness of the gold plating is 0.01-0.8 μ m And the metal wiring is made of copper or copper alloy plated with gold, and the copper or copper alloy has Vickers hardness. 6 0-10 0 Yes ,load While adding weight, the frequency is 100 kHz or more, preferably 100 to 200 kHz and its amplitude is 1.5 μm or less, preferably 1 μm or more at 100 kHz, 0.5 μm or more at 150 kHz, 0.2 μm or more at 200 kHz, Than Preferably, the interface between the metal wiring and the electrode by the ultrasonic vibration in the lateral direction is 1 to 1.5 μm at 100 kHz, 0.5 to 1.0 μm at 150 kHz and 0.2 to 0.6 μm at 200 kHz. The entire outer peripheral part and central part of the crimped part An intermetallic compound of a metal constituting the metal wiring and a metal constituting the electrode is formed.
[0009]
As a more specific preferable configuration, a plurality of electrodes formed on the functional surface side of the semiconductor chip and a plurality of metal wirings formed on the insulating tape substrate mounted on the functional surface side of the semiconductor chip are used in combination with ultrasonic vibration. In the semiconductor package to be directly connected, the plurality of metal wirings formed on the insulating tape substrate are made of copper or copper alloy plated with gold, and the surface of the plurality of metal wirings formed on the insulating tape substrate The function of the semiconductor chip in a region in which the thickness of the applied gold plating is 0.01 to 0.8 μm and the metal wiring formed on the insulating tape substrate and the electrode formed on the functional surface side of the semiconductor chip are directly connected Intermetalization composed of the metal constituting the metal wiring and the metal constituting the electrode formed on the semiconductor chip at the outer peripheral portion of the electrode formed on the surface side and the central portion of the region. This can be achieved by forming a compound.
[0010]
The semiconductor package of the present invention is formed in the inner lead bonding part even when the Vickers hardness of the copper or copper alloy of the core material of the inner lead is 60 to 100 and the thickness of the gold plating formed on the inner lead surface is 0.01 to 0.8 μm. The intermetallic compound region can be widened and bonding damage can be eliminated. Conventionally, since hard electrolytic copper having a Vickers hardness of about 150 has been used for the inner lead, it differs from the package configuration in which the thickness of the gold plating is 1.0 μm or more in order to reduce bonding damage.
[0011]
In the semiconductor package in which the electrode formed on the semiconductor element and the metal wiring formed on the TAB tape are directly connected together using ultrasonic vibration, the configuration of the metal wiring formed on the TAB tape is gold-plated. Made of copper or copper alloy, and the Vickers hardness of copper or copper alloy of the core portion of the metal wiring formed on the TAB tape is set to 60 to 100, and applied to the surface of the metal wiring formed on the TAB tape. Thickness of gold plating 0.01 ~ 0.8μm Is .
Furthermore, the present invention provides A frequency of 100 kHz or more and an amplitude of 1.5 μm or less Ultrasonic vibration Crimping with In the insulating tape substrate for a semiconductor package in which a metal wiring layer directly connected to an electrode formed in the semiconductor package is formed, the metal wiring is made of gold-plated copper or copper alloy, and the copper or copper Vickers hardness of alloy 60 ~ 100, gold plating is its thickness Is 0 . 01-0.8μm Good Preferably, it is 0.1 to 0.5 μm.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 is a view showing one configuration of an embodiment of a semiconductor package according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AB in FIG. In the semiconductor chip 1, a plurality of electrode pads 2 are formed on the functional surface side, and a protective film 3 is applied to a region excluding a portion where the electrode pads 2 are formed. A stress buffer layer 4 is formed on the tape substrate 7 on which the inner lead 5 and the wiring are formed. The stress buffer layer 4 on the insulating tape substrate 7 and the protective film 3 provided on the semiconductor chip 1 are bonded, and the inner lead 5 is bonded to the electrode pad 2. The inner lead bonding part 9 has a structure covered with a resin sealant 8 (shown in FIG. 2). The solder ball 6 connected to the wiring that becomes the other end of the inner lead 5 is mounted on a bump land 10 formed on the surface opposite to the surface on which the stress buffer layer 4 of the tape substrate 7 is mounted, and is reflowed. As a result, a cylindrical portion is formed on the ball as shown in the figure, and the bump land 10 is filled with the solder.
[0013]
A wiring pattern (including inner leads 5) is formed by etching using a substrate in which a copper foil having a Vickers hardness of 100 is bonded to an insulating tape made of a polyimide resin film with a resin adhesive, and then joined to the inner leads 5 An insulating tape substrate with 1.5 μm gold plating was prepared. Thereafter, a stress buffer layer using an epoxy resin having an adhesive ability was formed on the tape substrate, and the stress buffer layer and the semiconductor chip were attached and bonded. In this attaching process, the inner leads on the tape substrate side are arranged on the electrode pads of the semiconductor chip. Next, the inner lead on the tape substrate and the electrode pad on the semiconductor chip were joined by inner lead bonding so as to be electrically conductive. The electrode pad 2 is made of Al or Al alloy (Al-based alloy containing a small amount of Si, Si-Cu, Cu). Gold plating is formed on the wiring on the joint side of the inner lead 5 and the surface on the same side.
[0014]
The semiconductor package according to the present invention can be formed for one chip such as a main logic IC, a memory, a logic IC, etc., and a multichip module on which these are mounted. The multichip module is mounted on a ceramic or resin multilayer substrate. According to the present embodiment, it can be made smaller than the conventional one.
[0015]
FIG. 3 is a perspective view showing an inner lead bonding method. FIG. 3 shows only a bonding tool, a horn that holds the bonding tool, and transmits ultrasonic vibrations to the bonding tool, an inner lead, and an electrode portion of a semiconductor chip. 11 is a semiconductor chip, 12 is an electrode pad, 13 is a protective film, 14 is an inner lead, 15 is a bonding tool, and 16 is a horn. In this inner lead bonding process, the inner lead 14 is deformed into an S-shape as shown in the cross section of FIG. 2 by the bonding tool 15 and is dropped onto the electrode pad 12 on the semiconductor chip 11 to use ultrasonic vibration with a frequency of 60 kHz. The inner lead 14 and the electrode pad 12 were connected by the thermocompression bonding method. The protective film 13 is made of PIQ (polyimide) and is cured by heat treatment after coating. Bonding is performed by heating to about 200 to 250 ° C.
[0016]
In order to investigate the influence of the gold plating thickness on the bonding reliability of the inner lead bonding part, the following samples were prepared and examined.
[0017]
A stress buffer layer was attached to the tape substrate in the same manner as above except that an insulating tape substrate having wiring (including inner leads) with a gold plating film thickness of 0.01, 0.1, 0.3, 0.7, 1.0, and 2.0 μm was used. After that, a semiconductor chip was attached. Thereafter, inner lead bonding was performed in the same manner as described above to produce a package having the same structure. For these packages, the bonding strength of the inner lead bonding portion, the frequency of occurrence of bonding damage, and the state of intermetallic compound formation at the bonding portion were investigated.
[0018]
Here, a method for investigating the state of intermetallic compound formation at the joint will be described. First, a sample for which inner lead bonding has been completed is immersed in a molten Sn—Pb eutectic alloy. At this time, the wiring formed on the tape substrate, that is, gold and copper, immediately diffuses into the molten Sn—Pb eutectic alloy, leaving only the intermetallic compound formed on the electrode pad. Since the intermetallic compound remains in the state of being formed at the joint, the formation state can be observed.
[0019]
Figure 4 shows the ultrasonic frequency is 60 kHz, and the thickness of the gold plating film is 0.01, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 1.5,
It is the figure which showed the joint strength change when changing to 2.0 micrometer. However, the ultrasonic frequency applied at the time of inner lead bonding is the same as that of the conventional 60 kHz. It can be seen that when the thickness of the gold plating film is about 0.7 μm to 1.0 μm or more, the strength value is saturated and good bonding is achieved. On the other hand, it can be confirmed that the strength is lowered when the gold plating film is thin (0.5 μm or less). As a result, it can be said that a gold plating film thickness of 0.7 μm or more is necessary to achieve good inner lead bonding at 60 kHz oscillation. In other words, with 60 kHz oscillation, good bonding cannot be achieved with a gold plating film thickness of 0.5 μm or less.
[0020]
FIG. 5 shows the state of intermetallic compound formation at the joint interface of the package having various gold plating thicknesses shown in FIG. It can be seen that the inside of the frame surrounded by the black line is the crimping portion, and the intermetallic compound is preferentially formed from the outer periphery. The blackened area indicates that an alloy layer made of an intermetallic compound was formed. The white part is an unjoined area. As described above, this local intermetallic compound formation easily causes bonding damage. Moreover, it turns out that the intermetallic compound formed in the crimping | compression-bonding part is so rough that gold plating film thickness is thin. If gold (Hv 40-50) softer than copper is thick, the plastic deformation of the plating film at the interface is further promoted, and the intermetallic compound layer is densely formed. However, when the gold plating film is thin, the deformation amount of the gold plating film is small and the intermetallic compound formation state becomes rough as shown in FIG. 5 and the bonding strength is reduced.
[0021]
FIG. 6 shows the compound formation area ratio of the intermetallic compound formed at the joint interface in FIG. As shown in FIG. 7, the compound formation area ratio is obtained by dividing the area S of the compound formation region by the area SA of the crimping part. According to FIG. 6, it can be seen that when the gold plating film thickness is 1.0 μm or more, the area ratio is saturated at about 60%. When the inner lead bonding is performed at 60 kHz, the bonding strength is drastically lowered when the area ratio is less than 60%. Therefore, an area ratio of about 60% is required to achieve good inner lead bonding. From FIG. 4, when the gold plating film thickness is 0.7 μm or more, sufficient bonding strength can be obtained, so that the compound formation area ratio is preferably 50% or more, more preferably 55% or more.
[0022]
Next, the following samples were prepared and examined in order to investigate the effect of ultrasonic vibration applied during inner lead bonding on bondability.
[0023]
After forming a wiring pattern (including inner leads) on copper tape made of polyimide with a Vickers hardness of 100, gold plated with a thickness of 0.01, 0.1, 0.3, 0.7, 1.0, 1.5 and 2.0 μm A substrate was prepared. Gold plating films thinner than 0.01 μm cannot be produced with current technology. Thereafter, a stress buffer layer having an adhesion capability was formed on the tape substrate, and the stress buffer layer and the semiconductor chip were attached and bonded. In this attaching process, the inner leads on the tape substrate side are arranged on the electrode pads of the semiconductor chip. Next, the inner lead on the tape substrate and the electrode pad on the semiconductor chip were joined by inner lead bonding so as to be electrically conductive. Inner lead bonding was performed by the same method as above except that the ultrasonic frequencies were 100 kHz and 170 kHz.
[0024]
FIG. 8 shows the change in bonding strength with respect to the gold plating film thickness of the inner lead when the ultrasonic frequency is 100 kHz and 170 kHz. For comparison, the bonding strength change at 60kHz oscillation is also shown. At ultrasonic frequencies of 100 kHz and 170 kHz, the bonding strength is close to saturation even when the gold plating film thickness is 0.01 μm, which is equivalent to that when the gold plating film thickness is 0.7 μm or more at 60 kHz oscillation. It can be seen that when the ultrasonic frequency is 100 kHz or more, good bonding is possible with a thinner gold plating film thickness than that at 60 kHz oscillation. When the gold plating film thickness is thin, it can be confirmed that the effect of improving the bonding strength at the ultrasonic frequencies of 100 kHz and 170 kHz is very large. Therefore, in order to form a compound formation area ratio of 50% or more, when the gold plating film and the ultrasonic frequency are expressed on an integer scale, the values at 0.7 μm at 60 kHz and 0.01 μm at 100 kHz are plotted. If the value is equal to or greater than the value obtained by connecting the lines with a straight line, good bonding is obtained.
[0025]
FIG. 9 shows the state of intermetallic compound formation at the interface of the joint when the ultrasonic frequency is 100 kHz and 170 kHz. It can be seen that the intermetallic compound was formed on the outer periphery of the crimping part at 60 kHz, whereas the intermetallic compound was densely formed over the entire crimping part at 100 kHz and 170 kHz oscillation. When the frequency is increased, the lead can be deformed with an amplitude smaller than that of the lower frequency. Further, if the oscillation time is the same, the number of vibrations (sliding times) increases. For this reason, it is presumed that the intermetallic compound could be formed densely over the entire crimped part at a higher frequency. As a result, it is considered that good bonding was achieved.
[0026]
FIG. 10 shows the compound formation area ratio of the intermetallic compound formed at the joint interface in FIG. FIG. 10 shows that the area ratio (about 50%) is close to saturation even when the gold plating film thickness is about 0.01 μm. It can be confirmed that this tendency corresponds to the tendency of the bonding strength shown in FIG. In addition, in FIG. 8, even when the gold plating film thickness is 0.01 μm, the bonding strength is close to the saturation strength, so when ultrasonic vibration of 100 kHz or higher is applied, good inner lead bonding can be achieved if the area ratio is about 50%. .
[0027]
According to the examination results shown in the present example, even if the thickness of the gold plating film applied to the inner lead surface is made thinner than before, no bonding damage occurs and good bonding can be achieved. It can be seen that a significant improvement in production yield can be realized by improving the bonding reliability of the parts, and that the cost of the semiconductor package can be reduced.
[0028]
(Example 2)
A study performed to confirm the effect of the present embodiment will be described.
[0029]
In order to investigate the influence of the hardness of the inner lead on the bonding reliability of the inner lead bonding part, the following samples were prepared and examined.
[0030]
Except for using copper foils with Vickers hardness of 60, 80, and 120, as in Example 1, produced a tape substrate with a gold plating thickness of 1.5μm (including inner leads) and buffered the stress. After pasting the layer, the semiconductor chip was pasted. Thereafter, inner lead bonding was performed to produce a package having the same structure. The ultrasonic frequency during inner lead bonding is 60 kHz. The frequency of occurrence of bonding damage in the inner lead bonding portion was investigated for these packages.
[0031]
Note that a copper foil having a Vickers hardness of less than 60 cannot be produced with the current technology.
[0032]
Here, a method for investigating bonding damage will be described. With respect to the sample for which the inner lead bonding has been completed, the bonding portion is observed using an infrared microscope from the back surface of the semiconductor chip, that is, the surface on which the inner lead bonding is not performed. When the bonding damage shown in FIG. 18 exists, this portion is imaged black, so that the presence or absence of damage can be confirmed.
[0033]
FIG. 11 shows the frequency of occurrence of bonding damage with respect to the hardness of the core copper of the inner lead. For comparison, the frequency of bonding damage in a conventional package with a Vickers hardness of 150 for the inner lead and a gold plating thickness of 1.5 μm is also shown. According to FIG. 11, the occurrence frequency of damage is low and constant when the Vickers hardness of the core copper is 100 or less, and it can be seen that even if the gold plating film thickness is the same, it is significantly reduced compared to the conventional package. If the Vickers hardness of the core copper is 100 or less, a package with high bonding reliability can be realized, and the production yield can be greatly improved.
[0034]
FIG. 12 shows the cross-sectional structure of the Vickers hardness 100 copper inner lead 5 used in this example and the cross-sectional structure of the copper inner lead used in the conventional semiconductor package. The structure of the copper inner lead of the semiconductor package of this example is composed of coarse crystal grains as compared with the structure of the conventional inner lead. For this reason, the Vickers hardness is softer than the conventional (Hv150). The copper inner lead of the package of this embodiment is intended to make crystal grains coarse, that is, soft, by removing the impurities from the electrolytic solution by treating the electrolytic solution with activated carbon and increasing the purity of the produced copper.
[0035]
(Example 3)
After a wiring pattern (including inner leads) was formed on a polyimide tape with a Vickers 100 copper foil, a tape substrate with a 0.5 μm gold plating was prepared. Thereafter, a stress buffer layer having an adhesion capability was formed on the tape substrate, and the stress buffer layer and the semiconductor chip were attached and bonded. In this attaching process, the inner leads on the tape substrate side are arranged on the electrode pads of the semiconductor chip. Next, the inner lead on the tape substrate and the electrode pad on the semiconductor chip were joined by inner lead bonding so as to be electrically conductive. Inner lead bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the ultrasonic frequency was 100 kHz.
[0036]
In order to investigate the effect of ultrasonic frequency on the bonding reliability of the inner lead bonding part, the following samples were prepared and examined.
[0037]
A tape substrate on which wiring (including inner leads) with a gold plating thickness of 0.5 μm was formed and a stress buffer layer was attached, and then a semiconductor chip was attached. Thereafter, inner lead bonding was performed in the same manner as described above except that ultrasonic frequencies of 60, 80, 120, 140, 160, and 170 kHz were added, and a package having the same structure was produced. For these packages, the bonding strength of the inner lead bonding portion and the frequency of occurrence of bonding damage were investigated.
[0038]
Here, a method for evaluating the bonding strength of the inner lead bonding portion will be described. As shown in FIG. 13, first, the sample is tilted and fixed at 45 °, and then the tip of the L-shaped tensile test probe is hooked on the center portion of the inner lead and pulled in the vertical direction. Then, the maximum load until lead breakage was measured and determined as the joint strength.
[0039]
FIG. 14 shows the bonding strength of the inner lead bonding portion at ultrasonic frequencies of 60 kHz, 100 kHz, and 170 kHz, and shows the change in bonding strength with respect to the vibration amplitude at the tip of the bonding tool. The vibration amplitude at the tip of the bonding tool was a laser Doppler vibrometer. This vibrometer is a device that irradiates a measurement spot with laser light and measures the vibration velocity component of the irradiation spot from the Doppler effect of the reflected wave. The output speed component is output to the oscilloscope as a voltage waveform. The vibration amplitude is calculated from the peak value. The measurement spot diameter of the laser Doppler vibrometer is 35 μm (when the work distance is 20 mm).
[0040]
According to FIG. 14, it can be confirmed that the junction can be made with a smaller amplitude as the frequency becomes higher than 1.0 μm at 100 kHz and 0.4 μm or more at 170 kHz compared with 60 kHz. Furthermore, from FIG. 14, the amplitude is 1 μm or more at 100 kHz, 0.5 μm or more at 150 kHz, 0.2 μm or more at 200 kHz, preferably 1 to 1.5 μm at 100 kHz, 0.5 to 1.0 μm at 150 kHz, and 0.2 to 0.6 μm at 200 kHz. An intermetallic compound of the metal constituting the metal wiring and the metal constituting the electrode is formed at the connection interface between the metal wiring and the electrode by the ultrasonic vibration in the direction.
[0041]
FIG. 15 shows the frequency of occurrence of bonding damage with respect to the ultrasonic frequency. According to FIG. 15, occurrence of bonding damage is recognized when the frequency is lower than 100 kHz. However, it can be confirmed that the damage occurrence frequency can be completely suppressed when the ultrasonic frequency is 100 kHz or more. For inner lead bonding where no bonding damage occurs, an ultrasonic frequency of 100 kHz or higher may be applied.
[0042]
As the lead progresses, the lead frictionally slides with respect to the electrode pad, so that a new surface of the electrode pad (a clean surface from which all the surface contamination films such as oxide films and organic substances have been removed) is exposed. When this new electrode pad surface and gold (plated film on the lead surface) come into contact, an intermetallic compound is immediately formed at the interface of the contact portion. Since the soft lead is easily plastically deformed by ultrasonic vibration, the exposure amount of the new surface of the electrode pad is larger than that of the conventional hard lead. Further, since it is easily deformed, it is considered that the impact of ultrasonic vibration can be absorbed and the influence of bonding damage to the underlying semiconductor chip is small. Furthermore, since a high ultrasonic frequency can be bonded with a small amplitude, it is considered that the effect of suppressing the occurrence of bonding damage is high. Therefore, highly reliable inner lead bonding can be achieved.
[0043]
(Example 4)
After forming a wiring pattern (including inner leads) on a polyimide tape with a Vickers hardness 80 copper foil, a tape substrate with 0.1 μm gold plating was prepared. Thereafter, a stress buffer layer having an adhesion capability was formed on the tape substrate, and the stress buffer layer and the semiconductor chip were attached and bonded. In this attaching process, the inner leads on the tape substrate side are arranged on the electrode pads of the semiconductor chip. Next, the inner lead on the tape substrate and the electrode pad on the semiconductor chip were joined by inner lead bonding so as to be electrically conductive. Inner lead bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the ultrasonic frequency was set to 170 kHz. With respect to this package, the bonding strength of the inner lead bonding portion, the compound formation area ratio, and the frequency of occurrence of bonding damage were investigated.
[0044]
FIG. 16 shows the results of investigating bonding strength, compound formation area ratio, and bonding damage occurrence frequency. For comparison, the bonding strength, compound formation area ratio, and bonding damage occurrence frequency in the conventional packages investigated at the same time were each set as 10. According to Fig. 16, it is confirmed that even if the thickness of the gold plating is reduced by more than 1/10 from the conventional 1.5μm to 0.1μm, the bonding strength is increased by 10% and the compound formation area ratio is increased by 50%. It can be seen that it is well joined. Furthermore, no bonding damage has occurred.
[0045]
According to the present embodiment, no bonding damage occurs and good bonding can be achieved, so that a significant increase in production yield can be realized by improving the bonding reliability of the inner lead bonding portion. Furthermore, since the thickness of the gold plating film applied to the inner lead surface is about 1/10 thinner than before, the cost of the semiconductor package can be significantly reduced.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the semiconductor package structure, the thickness of the gold plating applied to the wiring formed on the insulating tape substrate can be reduced to 0.01 to 0.5 μm, thereby greatly reducing the production process in the package manufacturing. Furthermore, the core material of the metal wiring in the connection between the metal wiring formed on the insulating tape substrate and the electrode pad formed on the semiconductor chip is set to 60 to 100 in Vickers hardness so that the connection portion between the connection wiring and the electrode pad Reliability is improved and yield can be improved significantly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor package according to the present invention.
FIG. 2 is a side view of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing an inner lead bonding method.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of the gold plating film and the bonding strength.
FIG. 5 is a diagram showing a state in which an intermetallic compound is formed at a joint interface.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a compound formation area ratio of an intermetallic compound formed at a joint interface and a thickness of a gold plating film.
FIG. 7 is a view showing a method for calculating a compound formation area ratio.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between gold plating film thickness and bonding strength when the ultrasonic frequency is 100 and 170 kHz.
FIG. 9 is a diagram showing a state of formation of an intermetallic compound at the joint interface when the ultrasonic frequency is 100 and 170 kHz.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a compound formation area ratio of an intermetallic compound formed at a joint interface and a gold plating film thickness.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the hardness of the core copper of the inner lead and the frequency of occurrence of bonding damage.
FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional structure of an inner lead using a conventional electrolytic copper foil and a cross-sectional structure of a copper inner lead of a semiconductor package of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method for evaluating bonding strength.
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between bonding strength and amplitude when the ultrasonic frequency is 60, 100, and 170 kHz.
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the rate of occurrence of bonding damage and the ultrasonic frequency.
FIG. 16 is a diagram showing the results of investigating bonding strength, compound formation area ratio, and bonding damage occurrence frequency.
FIG. 17 is a perspective view showing a conventional inner lead bonding method.
FIG. 18 is a diagram showing the results of investigating the formation states of intermetallic compounds formed at the interface between the electrode pad and the inner lead.
FIG. 19 is a diagram when bonding damage occurs.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor chip, 2 ... Electrode pad, 3 ... Protective film, 4 ... Stress buffer layer, 5 ... Inner lead, 6 ... Solder ball, 7 ... Tape substrate, 8 ... Sealing material, 9 ... Inner lead bonding part, 10 ... bump land, 11 ... semiconductor chip, 12 ... electrode pad, 13 ... protective film, 14 ... inner lead, 15 ... bonding tool, 16 ... horn.

Claims (3)

半導体チップに形成された複数の電極と、前記半導体チップ搭載した絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とが、周波数100kHz以上及び振幅1.5μm以下の超音波振動による圧着によって直接接続された半導体パッケージにおいて、前記金属配線は金めっきが施された銅又は銅合金製であり、該銅又は銅合金はそのビッカース硬さが60〜100であると共に前記金めっきはその厚さが0.01〜0.8μmであり、前記金属配線と電極との接続界面の少なくとも接続部の前記圧着された部分の外周部及び中央部の全体に前記金属配線を構成する金属と前記電極を構成する金属との金属間化合物が形成していることを特徴とする半導体パッケージ。The plurality of electrodes formed on the semiconductor chip and the plurality of metal wirings formed on the insulating tape substrate on which the semiconductor chip is mounted are directly connected by pressure bonding by ultrasonic vibration having a frequency of 100 kHz or more and an amplitude of 1.5 μm or less. In the semiconductor package, the metal wiring is made of copper or copper alloy plated with gold, the copper or copper alloy has a Vickers hardness of 60 to 100, and the gold plating has a thickness of 0. The metal that constitutes the electrode and the metal that constitutes the metal wiring and the whole of the outer peripheral portion and the central portion of the crimped portion of at least the connection portion of the connection interface between the metal wiring and the electrode that is 01 to 0.8 μm A semiconductor package characterized in that an intermetallic compound is formed. 半導体チップに形成された複数の電極と、前記半導体チップを搭載した絶縁テープ基板に形成された複数の金属配線とを超音波振動による圧着によって直接接続する半導体パッケージの製造法において、前記金属配線は金めっきが施されたビッカース硬さが60〜100である銅又は銅合金製であり、かつ前記金めっきの厚さが0.01〜0.8μmであり、荷重を加えながら周波数が100kHz以上及びその振幅が1.5μm以下である前記超音波振動により前記金属配線と電極との接続界面の前記圧着された部分の外周部及び中央部の全体に前記金属配線を構成する金属と前記電極を構成する金属との金属間化合物を形成することを特徴とする半導体パッケージの製造法。  In a manufacturing method of a semiconductor package in which a plurality of electrodes formed on a semiconductor chip and a plurality of metal wirings formed on an insulating tape substrate on which the semiconductor chip is mounted are directly connected by pressure bonding by ultrasonic vibration, the metal wiring is It is made of copper or copper alloy having a Vickers hardness of 60 to 100 with gold plating, and the thickness of the gold plating is 0.01 to 0.8 μm, and the frequency is 100 kHz or more while applying a load. The ultrasonic wave having an amplitude of 1.5 μm or less constitutes the metal and the electrode constituting the metal wiring in the entire outer peripheral portion and central portion of the crimped portion of the connection interface between the metal wiring and the electrode. A method of manufacturing a semiconductor package, comprising forming an intermetallic compound with a metal to be processed. 周波数100kHz以上及び振幅1.5μm以下の超音波振動による圧着によって半導体パッケージに形成された電極に直接接続される金属配線層を有する半導体パッケージ用絶縁テープ基板において、前記金属配線は金めっきが施された銅又は銅合金製であり、該銅又は銅合金はそのビッカース硬さが60〜100であると共に前記金めっきはその厚さが0.01〜0.8μmであることを特徴とする半導体パッケージ用絶縁テープ基板。  In an insulating tape substrate for a semiconductor package having a metal wiring layer directly connected to an electrode formed on a semiconductor package by pressure bonding by ultrasonic vibration having a frequency of 100 kHz or more and an amplitude of 1.5 μm or less, the metal wiring is subjected to gold plating. A semiconductor package, wherein the copper or copper alloy has a Vickers hardness of 60 to 100 and the gold plating has a thickness of 0.01 to 0.8 μm. Insulating tape substrate.
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