JP2003086621A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板と半導体装置との接続安定性に優れた半導
体装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】基板１と半導体チップ２上の電極パッド３
とを接続する際に、金属細線８の先端部５を、基板１上
に形成された配線部４の第１の位置Ｐ１にボールボンデ
ィング接続し、金属細線８の途中部６と基板１とを、前
記第１の位置Ｐ１とは異なる第２の位置Ｐ２にステッチ
ボンディング接続し、さらに金属細線８の終端部７と半
導体チップ２表面の電極パッド３とをステッチボンディ
ング接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、基板と半導体チ
ップとが金属細線により接続された半導体装置およびそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップと金属配線部等を有する基
板とを電気的に接続する方法の一つに、ワイヤボンディ
ング法がある。ワイヤボンディング法においては、基板
と半導体チップを金属細線で接続することによって、そ
れらの間の電気接続が達成される。ワイヤボンディング
装置には、金属細線を送出および圧接するためのキャピ
ラリが備えられている。このキャピラリは、水平に載置
された基板に対して近接するように下降したり、基板か
ら離反するように上昇したり、基板と水平に移動したり
して、基板と半導体チップとの間を金属細線で接続す
る。
【０００３】図４は、一般的なワイヤボンディング法を
用いて、半導体チップと基板とを接続した半導体装置の
図解的な側面図である。半導体チップ１２は、基板１１
上に接着剤１９によって固定されている。一般的なワイ
ヤボンディングは、金属細線１８の一端１５を半導体チ
ップ１２側に接続する第１接続と、金属細線の他端１７
を基板１１側に接続する第２接続とを含む。
【０００４】半導体チップ１２側に金属細線１８を圧接
する前に、金属細線１８の先端部１５は、キャピラリ先
端による圧接の都合上、球状に加工される。金属細線１
８の他端１７は、金属細線１８を切断する前にキャピラ
リで配線部１４に圧接できるので、球状加工は不要であ
る。接続後、金属細線１８は、弧状のワイヤループ１８
ａを形成する。半導体チップ１２の電極パッド１３と金
属細線１８の先端部１５との接続面からワイヤループ１
８ａの頂点までの高さは、ループ高さ１８ｂと呼ばれ
る。
【０００５】通常のワイヤボンディングでは、ループ高
さ１８ｂが高くなってしまい、金属細線１８が基板１１
に水平な方向に湾曲し易くなる。そのため、近接したワ
イヤ同士が接近する、カールと呼ばれる現象が生じ、半
導体チップ１２と基板１１との間の電気接続が不安定に
なる場合がある。そこで、ループ高さ１８ａを低く抑え
て、カールを防止するために、逆ワイヤボンディング法
が開発されている。
【０００６】図５は、逆ワイヤボンディング法により、
半導体チップと基板とを電気的に接続した半導体装置の
図解的な側面図である。逆ワイヤボンディング法は、金
属細線１８の先端部１５を基板１１側と接続する第１接
続と、金属細線１８の他端１７を半導体チップ１２側に
接続する第２接続とを含む。金属細線１８の先端部１５
は、球状に加工されるが、金属細線１８の他端１７は、
特に加工を施されない。
【０００７】この逆ワイヤボンディング法では、半導体
チップ１２の上面から金属細線１８が垂直に立ち上がら
ないので、通常のワイヤボンディング法と比較して、ル
ープ高さ１８ｂを低く抑えることができる。したがっ
て、カールを防止できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、逆ワイヤボ
ンディング法では、第１接続は、金属細線１８の先端部
１５を球状にしてから基板１１と接続するボールボンデ
ィングとなる。このボールボンディングは、金属細線１
８に球状加工をしないで接続を行うステッチボンディン
グに比較して、密着力が低い。一方、基板１１は、製造
プロセスなどの熱履歴による影響を受けやすいので、ボ
ールボンディング部である先端部１５は、基板１１の配
線部１４から剥がれやすいという問題がある。
【０００９】図６は、ボンディング面積の違いによるボ
ンディングパワーの伝わり方の違いを概念的に表した断
面図である。図６（ａ）は、キャピラリ先端部１０から
送出される金属細線１８を、基板１１上に形成された配
線部１４にステッチボンディングする様子を示し、図６
（ｂ）は、キャピラリ先端部１０から送出される金属細
線１８を、基板１１上に形成された配線部１４にボール
ボンディングする様子を示す。
【００１０】ボンディング面積とは、金属細線１８と配
線部１４との接触部の面積である。キャピラリからの圧
接力（ボンディングパワー）は、このボンディング面積
の全域に分散する。そのため、ボンディング面積が小さ
い方が単位面積当たりのボンディングパワーが大きくな
り、強い密着力が得られる。図６（ａ），（ｂ）の比較
から明らかなように、ボールボンディングの場合のボン
ディング面積９０は、ステッチボンディングの場合のボ
ンディング面積８０よりもはるかに大きい。したがっ
て、ボールボンディングの場合、ボンディングパワーが
大面積に分散し、ボンディング強度が弱くなる。そのた
め、基板１１側にボールボンディングを施す逆ワイヤボ
ンディング法の場合、金属細線１８が基板１１上の配線
部１４から剥がれやすくなるのである。
【００１１】そこで、本発明の目的は、前述の技術的課
題を解決し、基板と半導体装置との接続安定性に優れた
半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、基板
（１）と、表面に電極パッド（３）を備えた半導体チッ
プ（２）と、上記基板（１）上の第１の位置にボールボ
ンディングされた先端部（５）、上記基板（１）上の上
記第１の位置とは異なる第２の位置にステッチボンディ
ングされた途中部（６）、および上記半導体チップ
（２）の電極パッド（３）上にステッチボンディングさ
れた終端部（７）を有する金属細線（８）とを含むこと
を特徴とする半導体装置である。なお、括弧内の数字は
後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下こ
の項において同じ。
【００１３】上記の構成によれば、１本の金属細線の先
端部と途中部と終端部との３点を使って、半導体チップ
と基板とが接続される。３点の接続のうち、金属細線の
先端部はボールボンディングで基板上の第１の位置に圧
接され、金属細線の途中部は、基板上の第１の位置とは
異なる第２の位置にステッチボンディングされている。
よって、位置および接続方式の異なる２点の接続が基板
上で行われているので、接続安定性に優れており、金属
細線と基板との電気接続が断たれるおそれはない。
【００１４】また、半導体チップ表面の電極パッド上に
は金属細線の終端部がステッチボンディングされている
ので、半導体チップと基板との間の安定な電気接続を実
現することができる。請求項２記載の発明は、基板
（１）上の第１の位置に金属細線（８）の先端部（５）
を接続する第１工程と、この第１工程の後に、上記基板
（１）上の上記第１の位置とは異なる第２の位置に上記
金属細線（８）の途中部（６）を接続する第２工程と、
この第２工程の後に、半導体チップ（２）表面の電極パ
ッド（３）上に上記金属細線（８）の終端部（７）を接
続する第３工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法である。
【００１５】上記の構成によれば、金属細線を基板側に
先に接続し（第１工程、第２工程）、その後に当該金属
細線を半導体チップ側に接続（第３工程）するので、逆
ワイヤボンディングによる低ループのワイヤボンディン
グが実現可能である。したがって、カールの起こらない
電気接続安定性に優れた半導体装置を提供することがで
きる。また、基板上の第１の位置に金属細線の先端部を
接続し、その後に、基板上の第１の位置とは異なる第２
の位置に金属細線の途中部を接続するため、基板側の接
続安定性の向上が達成される。
【００１６】請求項３記載の発明は、上記第１工程は、
上記金属細線（８）の先端部（５）に球状部を形成し、
この球状部を上記基板（１）上の第１の位置に圧接する
ボールボンディングを含み、上記第２工程は、上記金属
細線（８）の途中部（６）を上記基板（１）上の第２の
位置に圧接するステッチボンディングを含み、上記第３
工程は、上記金属細線（８）の終端部（７）を上記半導
体チップ（２）表面の電極パッド（３）上に圧接するス
テッチボンディングを含むことを特徴とする請求項２記
載の半導体装置の製造方法である。
【００１７】上記の構成により、第１工程において、基
板側にボールボンディングによる金属細線先端部の圧接
を施し、第２工程において、基板側にステッチボンディ
ングによる金属細線途中部の圧接を行うことにより、基
板側での接続安定性が向上する。また、半導体チップ上
の電極パッドに、ステッチボンディングによって金属細
線終端部の圧接を施すため、低ループの接続がなされ
て、電気接続安定性の向上が達成される。
【００１８】上記第２の位置は、上記第１の位置よりも
半導体チップから遠い位置であることが好ましい。これ
により、金属細線の途中部と終端部との間のワイヤルー
プ形状を安定化できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係る半導体装置の図解的な側面図で
ある。基板１上に半導体チップ２が接着剤９により固定
されている。基板１上の別の領域には、金属で配線部４
が形成されており、基板１の配線部４と半導体チップ２
表面の電極パッド３とは、金属細線８を介して電気接続
されている。
【００２０】金属細線８の先端部５は、その先端部５を
球状に加工した後、基板１上の第１の位置Ｐ１に圧接さ
れて形成されたボールボンディング部である。そして、
金属細線８の途中部６は、基板１上の第１の位置Ｐ１と
は異なる第２の位置Ｐ２にステッチボンディングされて
いる。上記第１の位置Ｐ１および第２の位置Ｐ２は、い
ずれも配線部４上であることが好ましい。ワイヤループ
８ａ（とくに途中部６と電極パッド３との間）の形状安
定化のためには、上記第２の位置Ｐ２は、第１の位置Ｐ
１よりも、半導体チップ２から遠い位置であるほうがよ
い。金属細線８の終端部７は、半導体チップ２表面の電
極パッド３上にステッチボンディングされている。
【００２１】金属細線８の先端部５と途中部６との間、
および途中部６と終端部７との間には、それぞれ金属細
線８で形成されたワイヤループ８ａが存在する。逆ワイ
ヤボンディング法を基本にした接続であるので、金属細
線８の途中部６と終端部７との間のループ高さ８ｂは、
通常のワイヤボンディングに比較して、低くなってい
る。上記基板１には、無機材料から高分子材料まで幅広
い材料が使用可能である。基板１は、プリント配線板で
あってもよい。上記金属細線８は、電気伝導性の良い金
属を使用することが好ましい。詳細には、Ａｕ細線を使
用することが好ましい。金属細線としては、一般的には
ＡｌやＣｕやＡｕなどが使用されるが、これらの中でも
Ａｕは特に電気伝導性に優れ、雰囲気中の水分等で腐食
されない金属であるため、金属細線材料としての安定性
及び信頼性が最も高い。
【００２２】この実施形態に係る半導体装置では、基板
１上の配線部４と金属細線８との接続を２箇所で実施す
ることにより、基板１側でのボンディング強度が向上す
る。基板１に圧接されたボールボンディング部は、通
常、製造工程での熱影響を受けて、剥がれやすいが、密
着力の強いステッチボンディングを配線部４に追加で実
施することにより、電気接続の安定性が確保されてい
る。金属細線８の終端部７は、半導体チップ２表面の電
極パッド３上にステッチボンディングにより圧接されて
いる。よって、半導体チップ２側の接続信頼性は十分で
ある。
【００２３】図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ｅ）〜
（ｇ）は、上記半導体装置の製造工程を工程順に示す模
式的な側面図である。金属細線８を使って、基板１と半
導体チップ２とを電気接続するために、ワイヤボンディ
ング装置が用いられる。この装置には、金属細線８を送
出および圧接するためのキャピラリ２０が備えられてい
る。このキャピラリ２０は、基板１と半導体チップ２と
の間を金属細線８で接続するために、基板１に平行な方
向である水平方向と基板１に接離する方向である垂直方
向とに移動することが可能である。
【００２４】配線部４が形成され、かつ、半導体チップ
２が接着剤９等により固定された状態の基板１は、ワイ
ヤボンディング装置内に水平に置かれる。基板１から上
方に離れた位置でキャピラリ２０が待機しており、キャ
ピラリ２０を通って、キャピラリ先端部へと金属細線８
が送出可能である。まず、キャピラリ２０先端部から金
属細線８が若干量突出させられ、その先端部５が、電気
トーチ等を用いて球状に加工される。この球状先端部５
を保持したキャピラリ２０が、上方から基板１に接近す
る方向２０ａへ移動する（図２（ａ））。
【００２５】キャピラリ２０が基板１にさらに接近する
と、キャピラリ２０の先端部から突出している金属細線
８の先端部５と配線部４とが接触する。このとき、キャ
ピラリ２０から荷重（さらに必要に応じて熱および／ま
たは超音波振動）が加えられ、球状先端部５は、配線部
４に圧接されて、配線部４の第１の位置Ｐ１に接合され
る。この接続は、金属細線８の先端部５を球状に加工し
て接続したボールボンディングである（図２（ｂ））。
【００２６】第１の位置Ｐ１への接合が終了した後、キ
ャピラリ２０は基板１から垂直上方に離反する方向２０
ｂへ移動する。それに伴って金属細線８が送出される
（図２（ｃ））。所定長の金属細線８が送出されると、
キャピラリ２０は上方向２０ｂへの動きを止める。次
に、キャピラリ２０は基板１に対して第１の位置Ｐ１と
は別の第２の位置Ｐ２に接続を行うために、水平方向２
０ｃ（この実施形態では、半導体チップ２から遠ざかる
方向）に移動をはじめる。
【００２７】キャピラリ２０の移動に伴って、再び金属
細線８が送出される。所定長の金属細線８を送出し、水
平方向２０ｃに所定距離移動した後、キャピラリ２０
は、水平方向２０ｃへの移動と金属細線８の送出を止
め、次に基板１に向かって垂直に接近する方向２０ａに
移動方向を変える。このとき、キャピラリ２０の動きに
合わせて金属細線８が送出される。キャピラリ２０は、
基板１に接近する鉛直下方２０ａへの移動を続け、基板
１と金属細線８が接触するまで基板１に向かって下降す
る。金属細線８と基板１とが接触したところで、キャピ
ラリ２０は、金属細線８の途中部６を配線部４に圧接
し、第２の位置Ｐ２で接合する。
【００２８】第２の位置Ｐ２は、第１の位置Ｐ１よりも
半導体チップ２から遠い配線部４上であることが好まし
い。第２の位置Ｐ２への接続が終了した時点で、第１の
位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に１つのワイヤループ
８ａが形成されている。金属細線８の途中部６を使った
第２の位置Ｐ２への接続は、ステッチボンディングであ
り、これにより、接続安定性が向上する(図２（ｄ）)。
第２の位置Ｐ２への接続後、再びキャピラリ２０が基板
１に対して垂直上方に離反する方向２０ｂに、金属細線
８を送出しながら移動する。キャピラリ２０が所定距離
移動し、所定長の金属細線８が送出されると、キャピラ
リ２０は垂直上方２０ｂへの動きを止める（図３
（ｅ））。
【００２９】さらにその後、キャピラリ２０は、半導体
チップ２表面の電極パッド３と金属細線８とを接続する
ため、水平方向２０ｄ（半導体チップ２に近づく方向）
に移動をはじめる。このキャピラリ２０の移動に伴っ
て、再び金属細線８が送出される。所定長の金属細線８
を送出し、水平方向２０ｄに所定距離移動した後、キャ
ピラリ２０は水平方向２０ｄへの移動と金属細線８の送
出とを止め、半導体チップ２に向かって垂直に接近する
方向２０ａに移動方向を変え、キャピラリ２０の動きに
合わせて金属細線８が再び送出される。
【００３０】キャピラリ２０は、さらに半導体チップ２
に接近する鉛直下方２０ａへの移動を続け、半導体チッ
プ２の電極パッド３と金属細線８とが接触するまで半導
体チップ２に向かって下降し、金属細線８と半導体チッ
プ２の電極パッド３が接触したところで、金属細線８の
終端部７を電極パッド３に圧接してステッチボンディン
グする。したがって、第２の位置Ｐ２と電極パッド３と
の間にも１つのワイヤループ８ａが形成される。また、
逆ワイヤボンディングとなるので、低ループのボンディ
ングが実現できる（図３（ｆ）)。
【００３１】最後に、キャピラリ２０から若干金属細線
８を送出して、金属細線８を電極パッド３の近傍位置で
クランプ等を用いて切断する。その後、キャピラリ２０
は上方へ退避し、１本のワイヤボンディング接続工程が
完了する(図３（ｇ）)。以上、この発明の一実施形態に
ついて説明したが、この発明は、他の形態で実施するこ
ともできる。たとえば、上述の実施形態では、基板１上
に形成された配線部４と金属細線８との２箇所の接続部
のうち、第２の位置Ｐ２が、第１の位置Ｐ１よりも半導
体チップ２に遠い位置である場合を例に挙げて説明した
が、第２の位置Ｐ２は、第１の位置Ｐ１よりも半導体チ
ップ２に近い位置であってもよいし、第１の位置Ｐ１お
よび第２の位置Ｐ２は、半導体チップ２から等距離の位
置にあってもよい。また、基板１と金属細線８との接合
は、２箇所に限定するものではなく、接合点を３箇所以
上にしてもよい。
【００３２】また、上記の実施形態では、絶縁材料の基
板１上に配線部４が形成された例について説明したが、
基板としてリードフレーム等の金属基板を適用してもよ
い。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で
種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の図解的
な側面図である。
【図２】図１の半導体装置の製造工程を工程順に示す模
式的な側面図である。
【図３】図２に続く工程を工程順に示す模式的な側面図
である。
【図４】従来のワイヤボンディング法による接続構造を
示す図解的な側面図である
【図５】逆ワイヤボンディング法による接続構造を示す
図解的な側面図である。
【図６】ボンディング面積の相違によるボンディングパ
ワーの伝播の違いを概念的に表した断面図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 半導体チップ ３ 電極パッド ４ 配線部 ５ 先端部 ６ 途中部 ７ 終端部 ８ 金属細線 ８ａ ワイヤループ ９ 接着剤 ２０ キャピラリ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 表面に電極パッドを備えた半導体チップと、 上記基板上の第１の位置にボールボンディングされた先
    端部、上記基板上の上記第１の位置とは異なる第２の位
    置にステッチボンディングされた途中部、および上記半
    導体チップの電極パッド上にステッチボンディングされ
    た終端部を有する金属細線とを含むことを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項２】基板上の第１の位置に金属細線の先端部を
    接続する第１工程と、 この第１工程の後に、上記基板上の上記第１の位置とは
    異なる第２の位置に上記金属細線の途中部を接続する第
    ２工程と、 この第２工程の後に、半導体チップ表面の電極パッド上
    に上記金属細線の終端部を接続する第３工程とを含むこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】上記第１工程は、上記金属細線の先端部に
    球状部を形成し、この球状部を上記基板上の第１の位置
    に圧接するボールボンディングを含み、 上記第２工程は、上記金属細線の途中部を上記基板上の
    第２の位置に圧接するステッチボンディングを含み、 上記第３工程は、上記金属細線の終端部を上記半導体チ
    ップ表面の電極パッド上に圧接するステッチボンディン
    グを含むことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の
    製造方法。
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