JP2004297014A - 半導体装置のワイヤボンディング方法及び半導体装置 - Google Patents

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conductor lead
ball
package
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Yoshifumi Watanabe
善文 渡辺
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Denso Corp
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Abstract

【課題】パッケージにインサート成形された導体リードに金線からなるボンディングワイヤを接続するにあたって、ボンディングワイヤの良好な接合性を確保し、しかもそのためのコストを安価に済ませる。
【解決手段】導体リード１４がインサート成形された合成樹脂製のパッケージ１２に、半導体チップ１３を装着し、その半導体チップ１３の電極と導体リード１４との間を、金線からなるボンディングワイヤ１５により接続する。このとき、導体リード１４の接合部上にボンディングワイヤ１５（金線）からプレボール部１８を形成するプレボールボンディングの工程を実行し、その後、半導体チップ１３の電極をファーストボンド点とし、そのプレボール部１８をセカンドボンド点とした通常の（超音波併用熱圧着法による）ワイヤボンディングの工程を実行する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導体リードがインサート成形された合成樹脂製のパッケージに、半導体チップを装着し、半導体チップの電極と導体リードとの間を、金線からなるボンディングワイヤにより接続するようにした半導体装置のワイヤボンディング方法及び半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置、例えば半導体圧力センサにおいては、図７に概略的に示すように、導体リード１がインサート成形された樹脂成形品からなるパッケージ２上に、半導体チップ（圧力センサチップ）３を接着により搭載し、その後、半導体チップ３上の電極と、パッケージ２の導体リード１の基端側上面とを、例えば金線からなるボンディングワイヤ４により接続するようになっている。尚、一般的には、半導体装置におけるボンディングワイヤ４としては、アルミニウム線を用いる場合が多いが、例えば自動車のエンジン吸気圧を検出する圧力センサのような、排気ガス環境等で使用されるものにあっては、腐食に対する信頼性向上のために金線が用いられる。
【０００３】
ところで、導体リード１をパッケージ２にインサート成形により設ける場合、その成形時において、導体リード１の上面の接合部が、樹脂ガスや離型成分、型表面の油分などにより汚染される事情がある。このような導体リード１の表面の汚染は、その後のワイヤボンディング時におけるボンディングワイヤ４の接合性の悪化を招くことになる。
【０００４】
そこで、従来では、パッケージ２の成形時に、導体リード１のうちボンディングワイヤ４が接合される部分の上下両面を、上下の型により挟み込むことにより、上型の型面を導体リード１の接合部に密着させてその部分の汚染を防ぐことが考えられている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１１６８４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものでは、図７にも示したように、パッケージ２の裏面側（導体リード１の下側）に下型による穴２ａが残ることになり、後工程において、その穴２ａをポッティングなどにより埋める必要があり、工程が複雑となってその分コスト高となる不具合があった。
【０００７】
ちなみに、ボンディングワイヤとしてアルミ線を用いた場合には、一般には、超音波を用いたワイヤボンディング法が採用される。その原理は、超音波振動によるボンディングワイヤと導体リードとの摩擦であるため、その摩擦により副次的に汚染が除去されるようになり、接合性がさほど悪化することはなく、導体リード上面の汚染が問題とされることはなかった。ところが、金線の場合には、熱圧着、超音波併用のワイヤボンディング法が用いられるが、その原理としては、熱圧着が主であり、超音波は従であるため、超音波振動による汚染の除去の効果はさほど期待できない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、パッケージにインサート成形された導体リードに金線からなるボンディングワイヤを接続するにあたって、ボンディングワイヤの良好な接合性を確保することができ、しかもそのためのコストを安価に済ませることができる半導体装置のワイヤボンディング方法及び半導体装置を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、パッケージにインサート成形された導体リード上に金線からなるボンディングワイヤを接合するにあたり、その接合性を高めるための手段として、大きく分けて３種類の対策（導体リードの汚染自体を低減させる方法、導体リードの汚染を洗浄する方法、ワイヤボンディングの条件によって接合性を高める方法）について検討した。詳細は、次の「発明の実施の形態」の項で述べるが、その結果、導体リード上にプレボール部を形成するプレボールボンディングを採用することが極めて有効であることを見出し、本発明を成し遂げるに至ったのである。
【００１０】
即ち、本発明の請求項１の半導体装置のワイヤボンディング方法は、半導体チップの電極と、パッケージにインサート成形された導体リードとの間を、金線からなるボンディングワイヤにより接続するものにあって、ボンディングワイヤにより導体リード上にプレボール部を形成しカットするプレボールボンディングを実行し、その後、半導体チップの電極をファーストボンド点としプレボール部をセカンドボンド点としてボンディングワイヤによるワイヤボンディングを実行するところに特徴を有する。
【００１１】
また、本発明の請求項３の半導体装置は、半導体チップの電極と、パッケージにインサート成形された導体リードとの間を、金線からなるボンディングワイヤにより接続する構成のものにあって、ボンディングワイヤのセカンドボンド側を、導体リード上に形成されたプレボール部に接合するようにしたところに特徴を有する。
【００１２】
これらによれば、半導体チップの電極と導体リードとを接続するボンディングワイヤは、セカンドボンディング側である導体リード側において、該導体リード上に形成されたプレボール部上に接合されることになるので、この部分の接合性は高いものとなる。そして、導体リード上に形成されるプレボール部は、比較的広い面積で導体リード上に接合されるようになるので、導体リードにパッケージ成形時における汚染があったとしても、導体リードとプレボール部との間の接合強度が確保される。従って、ボンディングワイヤの良好な接合性を確保することができる。
【００１３】
しかも、プレボール部を形成するプレボールボンディングは、ワイヤボンディングに使用する装置により、ボンディングワイヤを用いて行なうことができるので、その分の僅かな手間が掛かるだけであり、プレボールボンディングに要するコストを、例えばパッケージに形成された穴をポッティングなどにより埋める場合と比べて安価に済ませることができる。
【００１４】
上記した半導体装置のワイヤボンディング方法において、さらにプレボールボンディングの実行前に、導体リードの上面を洗浄する洗浄工程を実行するようにしても良い（請求項２の発明）。これにより、導体リードとプレボール部との間の接合強度が高くなり、ボンディングワイヤの接合性をより一層高めることができる。また、上記した半導体装置においては、パッケージを、裏面側全体が閉塞された形態に構成することができる（請求項４の発明）。これにより、絶縁性や耐食性を高めることができ、高い信頼性を確保することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、例えば自動車のエンジン吸気圧検出用の半導体圧力センサに適用した一実施例について、図１ないし図６を参照しながら説明する。図１（ａ）に示すように、本実施例に係る半導体装置たる半導体圧力センサ１１は、パッケージ１２内に、半導体チップたる半導体圧力センサチップ１３（以下、単に半導体チップ１３という）を装着し、その半導体チップ１３の電極と、前記パッケージに設けられた導体リード１４とを、金線からなるボンディングワイヤ１５により電気的に接続して構成される。
【００１６】
前記パッケージ１２は、例えばエポキシモールドあるいは、ＰＰＳ、ＰＢＴ射出成形などの樹脂成形品からなり、前記導体リード１４がインサート成形されるようになっている。このとき、パッケージ１２の上面側中央部には、前記半導体チップ１３が搭載される凹部１２ａが形成されており、前記導体リード１４の基端部上面（接合部）が、その凹部１２ａの上面に前記半導体チップ１３の各電極と対応した位置（右側）に露出している。このとき、パッケージ１２の裏面側（下面側）は全体が閉塞された形態とされている。
【００１７】
前記半導体チップ１３は、周知のように、単結晶シリコン基板の中央部に薄肉状の感圧部（ダイアフラム部）を形成すると共に、その感圧部の上面部に４個のピエゾ抵抗をブリッジ接続するように形成し、このものを台座上に接合して構成されている。また、半導体チップ１３の上面（図で右側辺部）には、例えば４個の電極が形成されている。この半導体チップ１３は、前記パッケージ１２の凹部１２ａに接着剤１６により取付けられるようになっている。
【００１８】
そして、前記半導体チップ１３の各電極と各導体リード１４とが、ボンディングワイヤ１５により接続されるのであるが、後述するように、その接続には、熱圧着と超音波とを併用した本実施例に係るワイヤボンディング方法が用いられる。尚、図示はしないが、パッケージ１２の凹部１２ａ内には、シリコンゲル等の保護材が半導体チップ１３導体リード１４、ボンディングワイヤ１５を覆うように設けられ、それらの保護が図られるようになっている。また、パッケージ１２の上面側には、図示しない蓋（キャップ）が設けられるようになっている。
【００１９】
ここで、詳しく図示はしないが、そのワイヤボンディングに用いられるワイヤボンディング装置は、周知のように、ワーク（半導体チップ１３を搭載したパッケージ１２）が位置決め固定状態でセットされるボンディングステーション、カメラ等を備え前記各電極及び導体リード１４の位置を認識する画像認識部、ボンディングヘッド、このボンディングヘッドをＸ、Ｙ方向に自在に移動させるＸＹテーブル、ワークを加熱するためのヒートブロック、全体を制御する制御装置などを備えて構成されている。
【００２０】
前記ボンディングヘッドは、キャピラリ１７（図２に先端部のみ図示）、このキャピラリ１７に超音波振動を付与する超音波振動子、キャピラリ１７を上下動させるＺ軸駆動機構、ボンディングワイヤ１５の先端に金ボールを形成するための電気トーチ部、ワイヤクランパなどを有して構成されている。
【００２１】
さて、本実施例では、上記のように半導体チップ１３の電極とパッケージ１２の導体リード１４との間をボンディングワイヤ１５により接続する際の構成として、図１（ｂ）及び図２に示すように、導体リード１４の接合部（セカンドボンド位置）においては、導体リード１４上に前記ボンディングワイヤ１５（金線）からプレボール部１８が形成されており、ボンディングワイヤ１５がそのプレボール部１８に接合される構成が採用されている。
【００２２】
このとき、ワイヤボンディングを実行するにあたっては、ボンディングワイヤ１５により各導体リード１４上にプレボール部１８を形成しカットするプレボールボンディングの工程が実行され、その後、半導体チップ１３の電極をファーストボンド点とし、そのプレボール部１８をセカンドボンド点としたボンディングワイヤ１５による通常のワイヤボンディング（この場合、超音波併用熱圧着法によるワイヤボンディング）の工程が実行されるのである。
【００２３】
次に、上記ワイヤボンディングの作業手順について述べる。上述のワイヤボンディング装置を用いてワイヤボンディング作業を行なうにあたっては、まず、接着剤１６により半導体チップ１３を接着したパッケージ１２が、ボンディングステーションに位置決め固定される。この後、画像認識部により半導体チップ１３の各電極、及びパッケージ１２の各導体リード１４の位置認識が行われる。
【００２４】
次いで、各導体リード１４上にプレボール部１８を形成するプレボールボンディングの工程が実行される。この工程では、キャピラリ１７に保持されたボンディングワイヤ１５の先端に放電により金ボールが形成された状態で、まず、キャピラリ１７が導体リード１４のセカンドボンド位置に下降され、加熱状態のもとで、前記金ボールを導体リード１４上面に押付け、加圧（荷重）と超音波振動とを加えることにより、金ボールが潰された状態で圧着が行なわれる。この後、図２（ａ）に示すように、キャピラリ１７が上昇されながらワイヤクランパが閉じられてボンディングワイヤ１５が切断される。
【００２５】
これにて、いわばファーストボンドとセカンドボンドとが導体リード１４上の同一位置（セカンドボンド位置）に対して実行された如き状態となり、導体リード１４上にプレボール部１８が形成されるのである。キャピラリ１７の上昇の後は、電気トーチ部によりボンディングワイヤ１５の先端に放電により金ボールが形成される。このプレボールボンディングの工程が複数の導体リード１４に対して順に実行される。
【００２６】
そして、この後、ワイヤボンディングの工程が実行されるのであるが、この工程では、ボンディングワイヤ１５の先端に放電により金ボールが形成された状態で、キャピラリ１７が半導体チップ１３の電極上（ファーストボンド点）に下降され、超音波を併用した熱圧着によりボンディングワイヤ１５の先端（金ボール）がその電極に接合される（ファーストボンド）。
【００２７】
引続き、ボンディングワイヤ１５のループを形成させながらキャピラリ１７が導体リード１４の上方に移動され、図２（ｂ）に示すように、キャピラリ１７が前記プレボール部１８上（セカンドボンド点）に下降されて同様にボンディングワイヤ１５が接合される。このとき、ボンディングワイヤ１５がそのプレボール部１８に接合されることになる。
【００２８】
この後、キャピラリ１７が上昇されると共にボンディングワイヤ１５が切断され、再びキャピラリ１７に保持されたボンディングワイヤ１５の先端に放電により金ボールが形成される。このワイヤボンディングの工程が複数の電極及び導体リード１４に対して順に実行されることにより、図１に示すように、ボンディングワイヤ１５による半導体チップ１３の電極とパッケージ１２の導体リード１４との間の電気的接続が完了するのである。
【００２９】
しかして、上記のようにパッケージ１２にインサート成形により導体リード１４を設けた場合、その成形時において、導体リード１４の上面の接合部（セカンドボンド位置）が、樹脂ガスや離型成分、型表面の油分などにより汚染される事情がある。このような導体リード１４の表面の汚染によって、ワイヤボンディング時におけるボンディングワイヤ１５の接合性の悪化を招く虞がある。
【００３０】
ところが、本実施例では、ボンディングワイヤ１５は、セカンドボンディング側である導体リード１４側において、該導体リード１４上に形成されたプレボール部１８上に接合されることになるので、この部分の接合性は高いものとなる。そして、プレボール部１８は、比較的広い面積で導体リード１４上に接合されるようになるので、導体リード１４にパッケージ１２の成形時における汚染があったとしても、導体リード１４とプレボール部１８との間の接合強度が確保される。従って、ボンディングワイヤ１５の良好な接合性を確保することができるのである。
【００３１】
ちなみに、図３は、本発明者の行なった引張強度試験の結果を示している。ここで、Ａは、比較のために、樹脂成形を行う前の（汚染のない）状態の導体リード１４に対して通常のワイヤボンディングを行なったもの、Ｂは、インサート成形された導体リード１４に対して通常のワイヤボンディングを行なったもの、Ｃは、インサート成形された導体リード１４に対してプレボールボンディングを行いその後にワイヤボンディングを行なったもの（本実施例品）である。
【００３２】
この試験結果から理解できるように、Ｂのものでは、導体リード１４の表面の汚染に起因して、汚染のないＡのものに比べて引張強度が低下するが、Ｃの本実施例品では、Ａのものに比べてやや劣るものの、Ｂのものに比べて十分な引張強度を確保することができたのである。
【００３３】
ここで、本発明者が本発明を成し遂げるに至るまでに行なった各種の試みについて述べる。本発明者は、パッケージ１２にインサート成形された導体リード１４上に金線からなるボンディングワイヤ１５を接合するにあたり、その接合性を高めるための手段として、大きく分けて次の３種類の対策について検討した。その第１は、成形時における導体リード１４の汚染自体を低減させる方法であり、第２は、成形後に導体リード１４の汚染を洗浄する方法であり、第３は、ワイヤボンディングの条件によって接合性を高める方法である。
【００３４】
そのうち、第１の、成形時における導体リード１４の汚染自体を低減させる成形方法として、成形時の導体リード１４の接合部に対する樹脂ガスの付着を低減することを試みた。即ち、まず、図４に示すように、パッケージ１２の成形を行なう成形型２１のうち上型２２に、導体リード１４の接合部で開口するガス抜き用の孔２２ａを設け、成形時に真空引きを行なうことにより、樹脂ガスを成形型２１の外に逃がし、導体リード１４の接合部への付着軽減を狙った。ところが、この方法では、接合部に対する十分な汚染防止効果は得られなかった。
【００３５】
そこで、図５（ａ）に示すように、前記上型２２の孔２２ａの左右に更にガス抜き孔２２ｂ，２２ｂを形成し、それらガス抜き孔２２ｂ，２２ｂから樹脂ガスを排出することを試みたが、これもさほどの効果は得られなかった。更に、図５（ｂ）に示すような、導体リード１４の上面に、凹部１４ａを形成し、上記孔２２ａ，２２ｂを区画する隔壁部の先端をその凹部１４ａに嵌合させる構成も考えたが、凹部１４ａの微細加工に困難性が高いため検討から除外した。このように、第１の導体リードの汚染自体を低減させる方法については、効果的な手段が得られなかった。
【００３６】
次に、第２の導体リード１４の汚染を洗浄する方法については、まず、プラズマ洗浄を行なうことを検討した。このプラズマ洗浄とは、真空チャンバー中にワークを配置し、チャンバー内で例えばアルゴンのプラズマを発生させることにより、Ａｒイオンがワークに衝突し、そのエネルギーで汚染物質を物理的に吹き飛ばす方法である。これにより、導体リード１４の表面の十分な清浄化を図ることができ、ボンディングワイヤ１５の接合性向上の効果は高いものであった。
【００３７】
但し、このプラズマ洗浄は装置が高価な上、バッチ処理で処理能力が低いので、かなりコスト高となるデメリットがある。また、別の洗浄方法として、ショットブラスト等も考えられるが、パッケージ１２の別の部分（シール部等）についても面粗度が悪化するデメリットがあり、検討を見合わせた。このように導体リード１４の汚染を洗浄する方法については、有効であることが確認されたものの、コスト面等の別のデメリットもあり、単独で採用するには至らなかった。
【００３８】
次に、第３のワイヤボンディング条件について、まず、パワー（超音波振動の共振エネルギー）及び荷重を大きくする（最適化を行なう）ことにより、接合強度を高めることを試みた。具体的には、図６に示すように、荷重をＦ９０，Ｆ１２０，Ｆ１５０の３段階に変化させると共に、パワーをＰ７０〜Ｐ１９０の５段階に変化させてワイヤボンディングを行い、夫々の引張強度を調べた。ところが、この図６から判るように、パワーや荷重を大きくしても、接合性にさほどの改善は見られなかった。
【００３９】
また、超音波による摩擦効果を期待して、プレ共振（通常はワイヤがワークに接してから超音波振動を付与するが、接する前から超音波振動を付与する方法）を行なうことを試みたが、これも効果はなかった。そして、上記実施例で述べたように、導体リード１４上にプレボールボンディングを実行し、その後ワイヤボンディングを実行することを試みたところ、上述（図３参照）のように接合性向上に大きな効果が得られたのである。
【００４０】
このように本実施例によれば、パッケージ１２にインサート成形された導体リード１４にボンディングワイヤ１５を接続するにあたって、導体リード１４上に予めプレボール部１８を形成するプレボールボンディングを実行するようにしたので、導体リード１４の表面が汚染している事情があっても、ボンディングワイヤ１５の良好な接合性を確保することができる。
【００４１】
しかも、プレボール部１８を形成するプレボールボンディングは、ワイヤボンディングに使用する装置により、ボンディングワイヤ１５を用いて行なうことができるので、その分の僅かな手間が掛かるだけであってさほどのコスト上昇を招くことはなく、パッケージ２に形成された穴２ａをポッティングにより埋めるようにした従来のもの比べて、コストを安価に済ませることができる。
【００４２】
尚、上記実施例では、インサート成形後の導体リード１４に対してそのままプレボールボンディングを実行するようにしたが、プレボールボンディングの実行前に、導体リード１４の上面を洗浄する洗浄工程を実行することができる。これにより、導体リード１４とプレボール部１８との間の接合強度を高めてボンディングワイヤ１５の接合性をより一層高めることができる。この場合、プレボールボンディングを採用することによって、上記洗浄工程は、導体リード１４の表面を十分に清浄化するまでに至らなくても良いので、さほどのコストを掛けずに済ませることができる。
【００４３】
また、上記した実施例では、本発明を半導体圧力センサ１１に適用するようにしたが、半導体加速度センサ等の他のセンサ装置に適用できることは勿論、半導体チップをパッケージに実装してボンディングワイヤで接続するもの全般に適用することができる。その他、本発明は上記し図面に示した実施例に限定されるものではなく、例えばパッケージや導体リードの形状や、半導体チップの電極の個数や位置等についても種々の変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、半導体圧力センサの縦断正面図（ａ）及び導体リード部分の拡大縦断正面図（ｂ）
【図２】プレボールボンディング時の様子（ａ）及びセカンドボンディング時の様子（ｂ）を示す導体リード部分の拡大縦断正面図
【図３】引張強度試験の結果を示す図
【図４】参考例を示すもので、成形時の様子を示す図
【図５】上型の孔部分の構成を示す拡大図
【図６】パワーや荷重を変化させた場合の引張強度試験の結果を示す図
【図７】従来例を示す図１（ａ）相当図
【符号の説明】
図面中、１１は半導体圧力センサ（半導体装置）、１２はパッケージ、１３は半導体チップ、１４は導体リード、１５はボンディングワイヤ、１８はプレボール部を示す。

Claims (4)

  1. 導体リードがインサート成形された合成樹脂製のパッケージに、半導体チップを装着し、前記半導体チップの電極と前記導体リードとの間を、金線からなるボンディングワイヤにより接続する半導体装置のワイヤボンディング方法であって、
    前記ボンディングワイヤにより前記導体リード上にプレボール部を形成しカットするプレボールボンディングを実行し、
    その後、前記半導体チップの電極をファーストボンド点とし前記プレボール部をセカンドボンド点として前記ボンディングワイヤによるワイヤボンディングを実行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。
  2. 前記プレボールボンディングの実行前に、前記導体リードの上面を洗浄する洗浄工程を実行することを特徴とする請求項１記載の半導体装置のワイヤボンディング方法。
  3. 導体リードがインサート成形された合成樹脂製のパッケージの表面側に、半導体チップを装着すると共に、前記半導体チップの電極と前記導体リードとの間を、金線からなるボンディングワイヤにより接続してなる半導体装置であって、
    前記導体リード上には前記ボンディングワイヤによりプレボール部が形成されており、
    前記ボンディングワイヤのセカンドボンド側は前記プレボール部に接合されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 前記パッケージは、裏面側全体が閉塞された形態に構成されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
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