JP2004014637A - 半導体装置及びワイヤボンディング方法 - Google Patents

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semiconductor device
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Abstract

【課題】従来の設備を利用し、キャピラリ圧によるボンディングパッド下の集積回路にクラックなどのダメージを与えない半導体装置及びワイヤボンディング方法を得ること。
【解決手段】本発明の一実施形態の半導体装置１０Ａは、共通の載置平面を備えた基板１１上に、少なくとも第１半導体チップ２０と第２半導体チップ３０Ａとが隣接して接着材４０を介して搭載されており、第１半導体チップ２０のボンディングパッド２１から第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１に直接ワイヤＷをボンディングして両第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０Ａが接続された構造の半導体装置において、第１半導体チップ２０側の第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１の高さ位置が第１半導体チップ２０のボンディングパッド２１の高さ位置より高くなるように第２半導体チップ３０Ａが基板１１上に接着材４０で傾斜させて搭載されていることを特徴とする。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共通の載置平面を備えた基板上に、少なくとも複数個の半導体チップを平面的に搭載した、いわゆる平面型マルチチップ半導体装置に関し、特に隣接する半導体チップの搭載構造と両半導体チップ間をワイヤを用いて電気的に接続した半導体装置及びそのワイヤボンディング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、図９を参照しながら、従来技術の半導体装置の構造及びワイヤボンディング方法を説明する。
【０００３】
図９は従来技術の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体装置を透視で表した平面図、同図Ｂは同図Ａに示した半導体装置のＡ−Ａ線上における断面図、同図Ｃは同図Ｂの丸で囲んだ部分の拡大断面図である。
【０００４】
図９において、符号１０は従来技術の半導体装置を指す。この半導体装置１０は、プリント基板、半導体ウェーハ、リードフレームなど（以下、総称して「基板」と記す）の基板１１と、少なくとも複数個の、図示の例では２個の半導体チップ２０、半導体チップ３０と、これらを封止した樹脂製のパッケージ５０とから構成されている。なお、説明の便宜上、「半導体チップ２０」は「第１半導体チップ２０」、「半導体チップ３０」は「第２半導体チップ３０」と記す。
【０００５】
基板１１上には、第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０を載置する共通の載置平面であるダイパッド１２と、載置するそれぞれの第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０の外周部に、それぞれの第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０のボンディングパッド（電極部分）２１、３１（同図Ｃ）を外部の電子回路や部品に接続するための中継用電極となるそれぞれのランド１３、１４と、これらのランド１３、１４と基板１１の裏面で接続されているボール電極１５、１６などが形成されている。
【０００６】
それぞれの第１半導体チップ２０及び第２半導体チップ３０はいわゆるベアチップであって、それらの表面に現れている複数の電極の表面にボンディングパッド２１、３１が形成されている。そして第２半導体チップ３０のボンディングパッド３１上には更にスタッドバンプ３２（図９Ｃ）が形成されている。
【０００７】
それぞれの第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０は、ボンディングパッド２１、３１側を上向きにして基板１１のダイパッド１２上に銀ペースト或いは絶縁ペーストなどの接着材４０を介して接着、搭載され、第１半導体チップ２０のボンディングパッド２１から第２半導体チップ３０の第１半導体チップ２０側に隣接する側に存在するスタッドバンプ３２に金などのワイヤＷを用いてワイヤボンディングし、両者が直接接続されており、第１半導体チップ２０の他のボンディングパッド２１はそれぞれに対応する基板１１上のランド１３に、また、第２半導体チップ３０のその他のスタッドバンプ３２はそれぞれに対応する基板１１上のランド１４にワイヤＷを用いてワイヤボンディングされている。そしてこれら第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０、ワイヤＷ及びランド１３、１４全体を上方から樹脂などで封止してパッケージ５０し、１個のいわゆる平面型マルチチップ半導体装置として構成されている。Ｗａは金ボールを指す。
【０００８】
なお、第１半導体チップ２０側から第２半導体チップ３０へ直接ワイヤボンディングする場合、便宜上、第１半導体チップ２０側でのボンディングパッド２１へのワイヤボンディングを「第１ワイヤボンディング」と記し、続く第２半導体チップ３０のスタッドバンプ３２へのワイヤボンディングを「第２ワイヤボンディング」と記す。
【０００９】
このような形態の半導体装置１０は、第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０として、例えば、ロジックとメモリのような機能の異なる２つの半導体チップの組合せや、多機能半導体チップの組合せや、２個以上の同一メモリチップを搭載して高容量化させたものなどを挙げることができる。
【００１０】
このように半導体装置１０を平面型マルチチップパッケージ形式で第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０間を直接ワイヤボンディングで接続することにより、半導体装置１０の小型化やピン数を減らすことなどが可能となる。
【００１１】
前記の第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０間を直接接続するに当たって、図９Ｃに図示のように第２半導体チップ３０側のパッドとしてボンディングパッド３１の表面にスタッドバンプ３２を設け、そのスタッドバンプ３２上に第２ワイヤボンディングすることでボンディングパッド３１の下方に形成されている集積回路への衝撃を緩衝させる方法を取っている。このような構造を採ることにより半導体装置１０の面積を縮小させることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、平面型マルチチップパッケージ構造の半導体装置１０における第１半導体チップ２０と第２半導体チップ３０との間をワイヤボンディングにより接続する方法には多くの方法が提案されているが、前記のように第２半導体チップ３０のボンディングパッド３１上にそれぞれスタッドバンプ３２を設けてワイヤボンディングする方法は、接続の確実性は高くなるが、製造方法の複雑さや専用設備が必要になるなどの課題がある。
【００１３】
また、第２半導体チップ３０のボンディングパッド３１に直接第２のワイヤボンディングを行う接続方法もあるが、そのようなワイヤボンディング方法では、接続の確実性にやや難があり、その上、ボンディングパッド３１上にキャピラリ圧による不要な痕跡を付け易く、ボンディングパッド３１下方の集積回路にクラックなどのダメージを与えることがあった。
【００１４】
本発明はこのような課題を解決しようとするものであって、従来の設備を利用し、ボンディングパッド上にキャピラリ圧による不要な痕跡を付けず、従って、ボンディングパッド下の集積回路にクラックなどのダメージを与えることがない半導体装置及びワイヤボンディング方法を得ることを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
それ故、本発明の半導体装置は、共通の載置平面を備えた基板上に接着材を介して、少なくとも第１半導体チップと第２半導体チップとが隣接して搭載されており、前記第１半導体チップのボンディングパッドから前記第２半導体チップのボンディングパッドに直接ワイヤボンディングして前記両半導体チップが接続されている前記半導体装置において、前記第１半導体チップ側の前記第２半導体チップのボンディングパッドの高さ位置が前記第２半導体チップの反対側のボンディングパッドの高さ位置より高くなるように前記第２半導体チップが前記基板上に傾斜して搭載されていることを特徴とする。
【００１６】
そして、この半導体装置における前記第２半導体チップの傾斜角は、使用するワイヤの直径、ワイヤの金属材質、ボンディングパッドの金属材質、キャピラリのフェイスアングルなどを考慮して設定されるものである。その第２半導体チップの傾斜角は０．５°〜３°であることが好ましい。また、この傾斜角は前記第２半導体チップの下方の前記接着材部分に枕材を埋めることによって形成することが好ましい。この枕材としてはポリイミドテープであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の半導体装置のワイヤボンディング方法は、共通の載置平面を備えた基板上に接着材を介して、少なくとも第１半導体チップと第２半導体チップとを隣接して搭載するに当たり、前記第１半導体チップ側の前記第２半導体チップのボンディングパッドの高さ位置を反対側のボンディングパッドの高さ位置より高くなるように傾斜させ、そして前記第１半導体チップのボンディングパッドから傾斜した前記第２半導体チップのボンディングパッドに垂直に保持されたキャピラリを用いて直接ワイヤボンディングし、前記両半導体チップを接続することを特徴とする。
【００１８】
この半導体装置のワイヤボンディング方法における前記第２半導体チップのボンディングパッドの傾斜は、実装手段による前記第２半導体チップの基板上への搭載時に、前記実装手段により傾斜、保持することにより形成することができる。また、前記第２半導体チップのボンディングパッドの傾斜は、前記第２半導体チップの下方の前記接着材部分に枕材を埋めることによって傾斜させることができる。
【００１９】
従って、本発明の半導体装置によれば、第１半導体チップと第２半導体チップとの間を直接ワイヤボンディングで接続することにより、ピン数を減らし、全体を小型化できる他、ワイヤボンディングされる両半導体チップのボンディングパッド下の集積回路に与えるダメージを最小限に抑えることができる。
【００２０】
また、本発明の半導体装置のワイヤボンディング方法によれば、ワイヤボンディングされる両半導体チップのボンディングパッドにキャピラリの痕跡を付けることを防止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５を用いて、本発明の一実施形態の半導体装置及びワイヤボンディング方法を説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体装置を透視で表した平面図、同図Ｂは同図Ａに示した半導体装置のＡ−Ａ線上における断面図、図２は一般的なキャピラリの先端部の断面図、図３は図２に示したキャピラリで半導体チップのボンディングパッドにワイヤをボンディングした場合の構造を示した一部断面図、図４は傾斜させた半導体チップへのワイヤボンディング方法及び傾斜させる一方法を示す一部断面図、図５は半導体チップを傾斜させる他の方法を説明するための半導体チップの一部拡大断面図、図６は本発明のワイヤボンディング方法におけるボンディングパッド面に対するキャピラリのフェースアングルを示すキャピラリ先端部の一部拡大断面図、図７は本発明のワイヤボンディング方法によってボンディングされたワイヤの接続構造を示した一部拡大断面図、そして図８は半導体チップが逆方向に傾斜した好ましくないキャピラリの使用方法を説明するためのキャピラリの先端部の一部拡大断面図である。
【００２３】
なお、本発明において、従来技術の半導体装置１０及びキャピラリ５０と同一の構成、構造部分には同一の符号を付して説明する。
【００２４】
そして半導体チップ２０側から半導体チップ３０へ直接ワイヤボンディングするものとした場合、便宜上、半導体チップ２０側でのボンディングパッド２１へのワイヤボンディングを「第１ワイヤボンディング」と記し、続く半導体チップ３０のボンディングパッド３１へのワイヤボンディングを「第２ワイヤボンディング」と記す。
【００２５】
先ず初めに、図１乃至図５を用いて本発明の一実施形態の半導体装置の構造、構成を説明する。
【００２６】
図１において、符号１０Ａは本発明の一実施形態の半導体装置を指す。この半導体装置１０Ａは、従来技術の半導体装置１０と同様に、共通の基板１１と、少なくとも複数個の、図示の本実施形態においても２個の第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０Ａとから構成されている。
【００２７】
基板１１及び第１半導体チップ２０の構造は図９に示した基板１１と第１半導体チップ２０と同一であるが、第２半導体チップ３０Ａは、そのボンディングパッド３１にスタッドバンプが形成されていない点が異なるだけで、実質的には第２半導体チップ３０の構造と同一であるので、それらの説明は重複説明を避けるために省略する。
【００２８】
本発明の半導体装置１０Ａは、第１半導体チップ２０は基板１１上に形成されているダイパッド１２の水平面に銀ペースト或いは絶縁ペーストなどの接着材４０を介して水平状態で接着、固定されているが、この第１半導体チップ２０に隣接して配設される第２半導体チップ３０Ａの方は、図４にも示したように、その第１半導体チップ２０側のボンディングパッド３１が反対側のボンディングパッド３１よりも高い位置になるように、接着材４０を介して傾斜させてダイパッド１２上に接着、固定されていることである。
【００２９】
この第２半導体チップ３０Ａの傾斜角θａは、使用するワイヤＷの直径、ワイヤＷの金属材質、ボンディングパッド３１の金属材質、後記するキャピラリ５０のフェイスアングルなどを考慮して設定される。通常、第２半導体チップ３０Ａの傾斜角θａは０．５°〜３°である。図１及び図５に示した本実施例では、この傾斜角は３°とした。
【００３０】
この第２半導体チップ３０Ａを傾斜させる方法としては、ダイボンダのコレットや実装装置の部品吸着ノズルなどの実装手段（不図示）を傾斜させ、第２半導体チップ３０Ａを傾斜した状態で保持し、ダイパッド１２上の接着材４０の表面に載置し、押圧することにより、傾斜させることができる。
【００３１】
また、第２半導体チップ３０Ａを傾斜させる他の方法としては、図５に示したように、ダイパッド１２上の接着材４０部分にポリイミドテープなどの枕材Ｔを配設しておき、実装手段で第２半導体チップ３０Ａを保持して、この第１半導体チップ２０側をこの枕材Ｔの上に載せ、押圧することにより、傾斜させることができる。
【００３２】
このように基板１１のダイパッド１２の水平面に第１半導体チップ２０を水平に、この第１半導体チップ２０に隣接して第２半導体チップ３０Ａを傾斜させて配設した構造状態でキャピラリ５０を用いてワイヤボンディングを行い、両第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０Ａの隣接するボンディングパッド２１、３１を直接接続する。
【００３３】
ワイヤボンディングに用いるキャピラリ５０の構造は、図２に示したように、その先端部５１は先細り構造になっており、そして図示の例では、フェイス面５２がフラットに形成されている。このキャピラリ５０は、金などのワイヤＷの直径に適した狭ピッチ用の代表的なものであって、ワイヤーＷの直径が２５μｍのものであるならば、そのキャピラリ５０のフェイス面５２の外形寸法Ｌａは１４０μｍ程度、ワイヤＷを通す内径寸法Ｌｂは３３μｍ、３４μｍ程度である。
【００３４】
以下、このような構造のキャピラリ５０を用い、そしてワイヤＷとしては、例えば、一般的な直径が２５μｍの金ワイヤを用いて本発明のワイヤボンディング方法を説明する。
【００３５】
図４に示したように、水平状態にある第１半導体チップ２０のボンディングパッド２１から傾斜している第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１に直接ワイヤＷをボンディングして両第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０Ａを接続するに当たり、先ず、ボンディングパッド２１にキャピラリ５０を垂直に下ろし、（金）ワイヤＷの（金）ボールＷａを押圧し、超音波震動と熱を加えて第１のワイヤボンディング行う。次に、キャピラリ５０を隣接する第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１上に持ち来たして金ワイヤーＷのボールを押圧し、超音波震動と熱を加えて第２のワイヤボンディング行い、金ワイヤＷを直接ボンディングパッド３１に接続する。その結果、第１半導体チップ２０側のワイヤボンディング後のボールＷａの直径Ｌｃは、図３に示したように、約６５μｍ〜７０μｍ、ボールの厚みＴは約２０μｍ程度となる。
【００３６】
この第１ワイヤボンディングの場合、キャピラリ５０をボンディングパッド２１に接触する直前で止めるようにする。（金）ワイヤＷはその先端部に形成されているボールＷａを前記のように押圧するが、このボールＷａが緩衝部材となって、ボンディングパッド２１に直接ワイヤボンディングしても、そのボンディングパッド２１にキャピラリ５０の圧痕を付けることを防止でき、そのボンディングパッド２１の下方に形成されている集積回路にクラックなどのダメージを与えること無い。
【００３７】
また、この第１ワイヤボンディングにおいて、図１Ｂに示したように、第２半導体チップ３０Ａが傾斜していても、金ボールＷａで傾きを吸収することができるため、両第１半導体チップ２０、第２半導体チップ３０Ａ間の接続において、第１ボンディング側は前記のような通常のワイヤボンディングで対応することができ、第２半導体チップ３０Ａのこの程度の傾斜（傾斜角３°）では金ボールＷａの滑りも生ずることはない。
【００３８】
一方、第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１が傾斜しているため、この第２半導体チップ３０Ａ側の第２ボンディングにおいては、図４に示したように、キャピラリ５０の図示の例においては左側、即ち、ボンディングパッド３１の高い側にある先端部５１Ａが確実にワイヤＷを押し潰し、かつ超音波及び熱をワイヤＷ部分に有効に印加することができるため、接続の確実性を向上させることができる。キャピラリ５０の下降速度を遅く、ソフトランディングをさせた場合でも、ステッチボンドによる接続を確実に高めることができる。
【００３９】
また、図４に示したように、キャピラリ５０の右側先端部５１ＢはワイヤＷ部分以外はボンディングパッド３１に接触しなくなるため、接続に寄与しないキャピラリ５０の先端部５１Ｂをボンディングパッド３１面に無意味に接触することを防止でき、キャピラリ５０の圧着による不要な痕跡が付くことを防止できる。従って、このような本発明のワイヤボンディング方法により、第２半導体チップ３０Ａ側のボンディングパッド３１下の集積回路に与えるダメージをも最小限に抑えることができ、半導体装置１０Ａの信頼性を向上させることができる。
【００４０】
このように、基板１１に配設した第１半導体チップ２０と傾斜させた第２半導体チップ３０Ａとをキャピラリ５０を用いてワイヤボンディングを行い、第１半導体チップ２０のボンディングパッド２１とこれに隣接する第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１とを直接接続することができる。
【００４１】
図６に示したように、キャピラリ５０の図示の場合では右側、即ち、ボンディングパッド３１の低い側における先端部５１Ｂにフェースアングルθｂを付けるようにしてもよい。通常、このフェースアングルθｂは０°〜８°程度に選定するのがよい。
【００４２】
フェースアングルθｂが０°であっても、キャピラリ５０の右側は、第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド３１の傾斜角が２°〜３゜であったとすると、そのボンディングパッド３１との間に約５μｍの隙間が開いた状態となる。このような状態で、例えば、ワイヤ径が２５μｍで狭ピッチのワイヤボンディングでは、図７に示したように、第２ワイヤボンディング後のボール径Ｌｃは一般的に約６５〜７０μｍ、ボール厚Ｔは約２０μｍ程度となる。第２半導体チップ３０Ａを傾斜させたことによるボールＷａの厚みへの影響は約２．５μｍであって、この厚みは全く問題の無いレベルである。
【００４３】
図８に示した例は、第２半導体チップ３０Ａが逆に傾斜した極端な例の場合であるが、このようなキャピラリ５０と第２半導体チップ３０Ａとの傾斜関係では充分にワイヤＷを押し漬すことができない。無理に接続しようとして、キャピラリ５０のワイヤボンディング荷重や超音波を強くすると、ワイヤＷ側ではないキヤピラリ５０の先端部５０Ｂがボンディングパッド３１に必要以上に強く当ることになり、クラックなどのストレスをボンディングパッド３１及びその下方の集積回路に与えることになる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、第１半導体チップと第２半導体チップとの間を直接ワイヤボンディングで接続したことにより、ピン数を減らし、全体を小型化できる他、ワイヤボンディングされる両半導体チップのボンディングパッド下の集積回路に与えるダメージを最小限に抑えることができる。
【００４５】
また、本発明の半導体装置のワイヤボンディング方法によれば、第２ボンディング側となる半導体チップを僅かに傾斜させることにより、第２ボンディング側のボンディングパッド下の集積回路にダメージを与えることがなくワイヤボンディングができるので、良好な状態の半導体装置が得られる。
【００４６】
また、既存の設備を使用してワイヤボンディングができるので、設備投資が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体装置を透視で表した平面図、同図Ｂは同図Ａに示した半導体装置のＡ−Ａ線上における断面図である。
【図２】一般的なキャピラリの先端部の断面図である。
【図３】図２に示したキャピラリで半導体チップのボンディングパッドにワイヤをボンディングした場合の構造を示した一部断面図である。
【図４】傾斜させた半導体チップへのワイヤボンディング方法及び傾斜させる一方法を示す一部断面図である。
【図５】半導体チップを傾斜させる他の方法を説明するための半導体チップの一部拡大断面図である。
【図６】本発明のワイヤボンディング方法におけるボンディングパッド面に対するキャピラリのフェースアングルを示すキャピラリ先端部の一部拡大断面図である。
【図７】本発明のワイヤボンディング方法によってボンディングされたワイヤの接続構造を示した一部拡大断面図である。
【図８】好ましくないキャピラリの使用方法を説明するためのキャピラリの先端部の一部拡大断面図である。
【図９】従来技術の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体装置を透視で表した平面図、同図Ｂは同図Ａに示した半導体装置のＡ−Ａ線上における断面図、同図Ｃは同図Ｂの丸で囲んだ部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ…本発明の一実施形態の半導体装置、１１…基板、１２…ダイパッド、１３，１４…ランド、１５…バンプ、２０…第１半導体チップ、２１…第１半導体チップのボンディングパッド、３０Ａ…第２半導体チップ、３１…第２半導体チップ３０Ａのボンディングパッド、４０…接着材、５０キャピラリ、５１…キャピラリ５０の先端部、Ｔ…枕材、Ｗ…ワイヤー、Ｗａ…ワイヤーＷのボール

Claims (8)

  1. 共通の載置平面を備えた基板上に接着材を介して、少なくとも第１半導体チップと第２半導体チップとが隣接して搭載されており、前記第１半導体チップのボンディングパッドから前記第２半導体チップのボンディングパッドに直接ワイヤボンディングして前記両半導体チップが接続されている半導体装置において、
    前記第１半導体チップ側の前記第２半導体チップのボンディングパッドの高さ位置が前記第２半導体チップの反対側のボンディングパッドの高さ位置より高くなるように前記第２半導体チップが前記基板上に傾斜して搭載されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第２半導体チップの傾斜角は、使用するワイヤの直径、ワイヤの金属材質、ボンディングパッドの金属材質、キャピラリのフェイスアングルなどを考慮して設定されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第２半導体チップの傾斜角が０．５°〜３°であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記第２半導体チップの前記傾斜角は、前記第２半導体チップの下方の前記接着材部分に枕材を配設することにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記枕材はポリイミドテープであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 共通の載置平面を備えた基板上に接着材を介して、少なくとも第１半導体チップと第２半導体チップとを隣接して搭載するに当たり、前記第１半導体チップ側の前記第２半導体チップのボンディングパッドの高さ位置を反対側のボンディングパッドの高さ位置より高くなるように傾斜させ、そして前記第１半導体チップのボンディングパッドから傾斜した前記第２半導体チップのボンディングパッドに垂直に保持されたキャピラリを用いて直接ワイヤボンディングし、前記両半導体チップを接続することを特徴とする半導体装置のワイヤボンディング方法。
  7. 前記第２半導体チップのボンディングパッドの傾斜は、実装手段による前記第２半導体チップの基板上への搭載時に、前記実装手段により傾斜、保持することにより形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置のワイヤボンディング方法。
  8. 前記第２半導体チップのボンディングパッドの傾斜は、前記第２半導体チップの下方の前記接着材部分に枕材を配設して傾斜させることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置のワイヤボンディング方法。
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