JP2005303152A - バンプワイヤのボンディング方法および半導体装置ならびにその製造方法 - Google Patents

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semiconductor element
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Shuichi Ogata
秀一 尾方
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】スタッドバンプとバンプワイヤとの接合強度を高め、ワイヤの垂れを防止する。
【解決手段】ワイヤ１２Ａ，１２Ｂをスタッドバンプ１１に一度接触させ、キャピラリー２１の移動を制御してワイヤ１２Ａ，１２Ｂをループ状に形成した後、ループ先端のワイヤ１２Ａ，１２Ｂを、スタッドバンプ１１に先に接触しているワイヤ１２Ａ，１２Ｂを介してスタッドバンプ１１に圧着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえばＤＶＤ、携帯電話、ＤＳＣ等で半導体素子が積層された積層型などの半導体装置におけるバンプワイヤのボンディング方法および半導体装置ならびにその製造方法に関する。
近年、電子機器の多機能化、小型化、高密度化に対応するために、半導体装置などの半導体部品の高密度、高機能化、システム化が要求され、それに伴って、半導体部品に対してもシステム化され且つ小型、薄型であることが要望されている。
以下、従来のバンプワイヤのボンディング方法と半導体装置について、図１４〜図１６を参照して説明する。
一般にシステム化に用いられる半導体装置は、半導体素子を積層して電気的接続方法としてリードを介するか、または素子間を直接接続するよう構成されている。
バンプワイヤ５１のボンディング方法は、図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、半導体素子５０Ｂのボンディングパッド５２に予め形成されたスタッドバンプ５３上にキャピラリ５４の先端から導出したバンプワイヤ５１を一度だけ押し付けて接合するものである。
また、図１５に示すように、従来の半導体装置はダイパッド５５に接着剤５６を塗布して、その上に半導体素子５０Ａを固着している。更に、その上に半導体素子５０Ｂを同じく接着剤５７で固着している。半導体素子５０Ｂのボンディングパッド５２にスタッドバンプ５３が形成され、半導体素子５０Ａに接続されたバンプワイヤ５１が、複数本のリード５８のインナー部５８ｉの電極部と、半導体素子５０Ｂのスタッドバンプ５３にそれぞれ接続されている。各リード５８のアウター部５８ｏは封止樹脂体６０から導出され、ダイパッド５５、接着剤５６，５７、半導体素子５０Ａ，５０Ｂ、バンプワイヤ５１およびインナー部５８ｉが封止樹脂体６０で封止されている。また、封止樹脂体６０は４辺形の平板状に形成されているとともに、リード５８のアウター部５８ｏは封止樹脂体６０の４辺からそれぞれ引き出されている。
また引用文献１に開示されたものは、ワイヤバンプを形成した時に形成されたテール残りを、キャピラリの貫通孔に挿入してワイヤをワイヤバンプに圧着するもので、上記と同様にキャピラリによりワイヤを一度だけ押し付けて接合する点では上記従来例と同様である。
特開平１０−１５３５１４
しかしながら、上記従来例および特許文献１のボンディング方法では、導通のために十分な接合面積を得ることを目的として、図１６に示すように、キャピラリ５４の先端部でバンプワイヤ５１を圧着しているため、ボンディング部近傍でバンプワイヤ５１が大きく押し潰されて肉厚ｔが薄くなり、仮想線で示すように、バンプワイヤ５１が垂れてしまったり、バンプワイヤ５１の断線を招くという問題があった。このワイヤの垂れ防止対策として、従来では接続されたバンプワイヤ５１と半導体素子５０ｂのエッジとの隙間ｄを所定量（たとえば０．２ｍｍ）確保するとともに、ワイヤを一旦半導体素子の外周側に引き回して接続することで、バンプワイヤ５１と半導体素子５０Ｂのショートを防止していた。
本発明は、上述の課題を解決するもので、ボンディングの信頼性を十分に確保できるバンプワイヤのボンディング方法およびこのボンディング方法によりワイヤボンディングされた導体装置ならびにその製造方法を提供する事を目的とする。
請求項１記載のバンプワイヤのボンディング方法は、ワイヤ接続具のガイド孔より導出されて始端部が接続されたワイヤの終端部をスタッドバンプに接続するに際し、前記ワイヤをスタッドバンプに接触させる工程Ａと、前記ワイヤ接続具を上方からワイヤ進入側に動かして前記ワイヤをループ状に折り返す工程Ｂと、前記ワイヤ接続具の先端をスタッドバンプに押し当てて、折り返されたワイヤを折返し前のワイヤを介してスタッドバンプに圧着する工程Ｃと、前記圧着部から延びるワイヤを切断する工程Ｄとからなるものである。
請求項５記載の半導体装置は、ダイパッド上に複数個積層された半導体素子と、前記半導体素子に設けられたボンディングパッドおよび所定のボンディングパッドに形成されたスタッドバンプと、始端部がリードのインナー部に設けられた電極部および／または半導体素子のボンディングパッドに接続されるとともに、終端部が請求項１乃至４の何れかに記載のバンプワイヤのボンディング方法により前記タッドバンプに接続されたワイヤと、前記ダイパッド、半導体素子、ワイヤおよびリードのインナー部とを封止する封止樹脂とを具備したものである。
請求項６記載の発明は、ダイパッド上に複数個積層された半導体素子の所定のボンディングパッドにスタッドバンプを形成する工程と、始端部が前記ボンディングパッドからスタッドバンプに接続されるワイヤおよび／またはリードのインナー部に設けられた電極部に接続されたワイヤを、請求項１乃至４の何れかに記載のバンプワイヤのボンディング方法により前記スタッドバンプに接続する工程と、少なくとも前記半導体チップとワイヤと前記リードのインナー部を樹脂により封止する工程とを有するものである。
上記請求項１記載のバンプワイヤのボンディング方法によれば、ワイヤ接続具を、ワイヤのスタッドバンプに接触させた後、ループ状に動作させ、折り返されたワイヤを、先に接触されたワイヤの上からスタッドバンプに圧着することにより、ワイヤの十分な接合容量と十分な接合強度の確保できるとともに、ワイヤ接続具によりワイヤが押し潰される量を少なくできてワイヤの厚みを確保でき、ワイヤの垂れを防止することができる。またこれにより、ワイヤと半導体素子の隙間を十分に確保でき、ワイヤと半導体素子のショートやワイヤ同士のショートを防止できる。
請求項５または６記載の発明によれば、バンブワイヤのボンディング部に十分な接合強度を確保してワイヤの垂れを防止できるので、ワイヤと半導体素子の隙間を従来に比べて半減させることができる。またボンディングパットの位置を半導体素子のエッジからボンディングパットの距離の制約がなくなり、ワイヤを一旦半導体素子の外周側に引き回す必要がなくなる。これにより、半導体装置の小型・薄型化が可能となる。
以下、本発明に係る半導体装置およびバンプワイヤのボンディング方法ならびに半導体素子の製造方法の実施形態を図１〜図１３について説明する。
本発明に係るバンプワイヤのボンディング方法が採用される半導体装置は、図２および図３に示すように、ダイパッド１上に接着剤２を塗布して、ポリィミド膜が施された第１の半導体素子３が固着されている。また第１の半導体素子３上に接着剤４を塗布して、その上にポリィミド膜が施された第２の半導体素子５が積層されている。この第２の半導体素子５のボンディングパッド６上にはスタッドバンプ１１が形成されている。これら所定のスタッドバンプ１１には、始端部が第１の半導体素子５のボンディングパッドに接続されたバンプワイヤ（以下ワイヤという）１２Ａが、後述する本発明のボンディング方法により電気的に接続され、また別のスタッドバンプ１１には、始端部がダイパッド１周辺に配置された複数本のリード６のインナー部６ｉの電極に接続されたバンプワイヤ（以下ワイヤという）１２Ｂが電気的に接続されている。
そして、ダイパッド１、接着剤２，４、半導体素子３，５、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂ及びリード６のインナー部６ｉは封止樹脂により封止され、封止された封止樹脂体７から各リード６のアウター部６ｏがそれぞれ導出されている。また封止樹脂体７は４辺形の平板状に成形され、封止樹脂体７の四辺からそれぞれリード６のアウター部７ｏが引き出されている。
本発明のバンプワイヤのボンディング方法は、始端部が半導体素子５のボンディングパット１０またはリード６のインナー部６ｉに接続されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂの終端部を前記スタッドバンプ１１に接続するものである。
図１（ａ）に示すように、半導体素子３に形成されたボンディングパッド１０に予めスタッドバンプ１１を形成し、キャピラリ（ワイヤ接続具）２１のガイド孔２１ａから導出したワイヤ１２Ａ，１２Ｂを、進入側（始端部側）からスタッドバンプ１１の中心位置上方を通ってワイヤ進入側の反対側端部の上方まで移動させる。この時、垂直姿勢のキャピラリ２１のガイド孔２１から導入されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂは、ガイド孔１２ａの下方で、進入方向上方に折り曲げられている。
図１（ｂ）に示すように、キャピラリ２１を下降させてワイヤ１２Ａ，１２Ｂの一部（折り曲げ部分）をスタッドバンプ１１のワイヤ進入側の反対側端部に接触させる（工程Ａ）。
図１（ｃ）に示すように、キャピラリ２を所定距離上昇させた後ワイヤ進入方向の反対の水平方向に移動させるか、または直接ワイヤ進入方向の反対の水平方向に移動させてワイヤ１２Ａ，１２Ｂをループ状を形成しつつ、スタッドバンプ１１の中心部の上方付近で停止させる（工程Ｂ）。この時のループの径Ｒはワイヤ直径の２〜３倍である。これは、２倍未満であると接合面積が確保できないし、３倍を超えるとループが半導体素子５に接触する恐れがあるためである。
図１（ｄ）に示すように、キャピラリ２を垂直に下降させてスタッドバンプ１１の中心部で先に接触された先のワイヤ１２Ａ，１２Ｂ上に押付け、先のワイヤ１２Ａ，１２Ｂが少し潰れる位まで圧着する（工程Ｃ）。
図１（ｅ）に示すように、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂを切断してボンディング工程が終了する（工程Ｄ）。
この時のスタッドバンプ１１とワイヤ１２Ａ，１２Ｂのボンディング部Ｂの拡大図を図２に示す。
上記ボンディング方法によれば、ワイヤ接続具２１の移動を制御して、まずワイヤ１２Ａ，１２Ｂをスタッドバンプ１１の中心部上方を通過させてスタッドバンプ１１の進入反対側の端部に接触させた後、さらに上昇と進入逆方向の移動によりワイヤ１２Ａ，１２Ｂをループ状に形成し、さらに折り返されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂをスタッドバンプ１１の中心部に、先に接触されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂの上から圧着させることにより、スタッドバンプ１１上に十分な量のワイヤ材料を積層して圧着し、ボンディング部Ｂに多くのワイヤ材料を積層残置して十分な接合面積と接合強度（従来に比べて２〜３倍の接合強度）とを確保することができる。またキャピラリ２を垂直に下降させて、スタッドバンプ１１上で先に接触されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂ上に折り返されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂを押付けるので、先に接触されたワイヤ１２Ａ，１２Ｂを圧潰する量が少なくても、十分な接合面積を確保しつつ進入側のワイヤ厚みＴを十分に確保することができる。
これによりボンディング部Ｂに至るワイヤ１２Ａ，１２Ｂの垂れを確実に防止することができて、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂと半導体素子５のエッジとの隙間Ｄを十分に確保でき、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂと半導体素子５のショートやワイヤ１２Ａ，１２Ｂのショートを防止できる。ここでワイヤ１２Ａ，１２Ｂと半導体素子のエッジとの隙間Ｄが、従来には０．２ｍｍであったのを、その制限がなくなり、Ｄ＝０．１ｍｍと半減させることができた。この隙間Ｄはワイヤ１２Ａ，１２Ｂの直径の２〜３倍あるのが望ましい。
また従来では、ボンディングパットと半導体素子のエッジとの距離Ｌが０．２ｍｍ以内とした制約が必要で、かつワイヤを一旦半導体素子５の外周側に引き回して接続していたが、本発明では、Ｌ＞０．２ｍｍとすることができ、前記制約と引き回しが不要となるので、半導体装置の設計の自由度が高まり、小型・薄型化が可能となる。
次に半導体装置の製造方法を図４〜図１３に基づいて説明する。
図４に示すように、半導体素子ボンディング装置（図示せず）のステージ２２上において、ダイパッド１上に第１の半導体素子３を固着するための接着剤２を塗布する。接着剤２の塗布はディスペンサ２３を用いて、接着剤２を滴下することにより行う。接着剤２は一例として熱硬化性のエポキシ樹脂にＡｇ粉を混合させたＡｇペーストからなる。
図５に示すように、接着剤２を塗布したダイパッド１上にコレット２４ａを用いて第１の半導体素子３を搭載した後、ヒートステージ（図示せず）上で加熱し、接着剤２を硬化させる。一例として、第１の半導体素子３は、外形寸法が７ｍｍ角、厚さが０．２〜０．４ｍｍ程度のシリコン単結晶である。また、加熱条件は１８０〜２５０℃、３０秒から６０秒程度である。なお、接着剤２の硬化はキュア炉を用いても良い。
図６に示すように、ダイパッド１に固着された第１の半導体素子３の上にコレット２４ｂを用いて予め接着材４が施された第２の半導体素子５を積層した後、キュア炉で加熱し、接着剤４を硬化させる。一例として、接着剤４は熱硬化性のポリィミドテープの表裏に接着剤が施されたＬＥテープ、第２の半導体素子５は、外形寸法が４ｍｍ角、厚さが０．２〜０．３ｍｍ程度のシリコン単結晶である。
図７に示すように、キャピラリ２１により第２の半導体素子５のボンディングパッド１０上にスタッドバンプ１１を形成する。ワイヤボンド装置（図示せず）のヒートステージ２５には、ダイパッド１が入る逃がし部が形成されており、リード１３のワイヤボンディング領域外周部を固定治具（図示せず）によって固定しながら行う。一例として、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂは、直径２０〜３５μｍのＡｕワイヤを用いる。
図８，図９に示すように、キャピラリ２１により、ワイヤ１２Ａの始端部をダイパッド１に固着された第１の半導体素子３のボンディングパッド８に接続し、さらにワイヤ１２Ａの終端部を、先に述べたボンディング方法により第２の半導体素子３のスタッドバンプ１１に接続する。
図１０、図１１及び図１２に示すように、キャピラリ２１により、ワイヤ１２Ｂの始端部を前記固定治具に固定されたリード６のインナー部６ｉに接続し、さらにワイヤ１２Ｂの終端部を、先に述べたボンディング方法により第２の半導体素子３のスタッドバンプ１１に接続する。
このようにして、各単位のリードフレーム毎にダイボンディング、ワイヤボンディングされた後、単位リードフレーム群を一括して樹脂封止して封止樹脂体７が同時成形される。すなわち、図１３に示すように、トランスファ成形装置３０は、シリンダ装置（図示せず）によって型締めされる一対の上型３１と下型３２とを備えており、キャビティー上３３とキャビティー下３４とで、キャビティー単体を形成するように、それぞれ複数組み埋設されている。上型３１の合わせ面にはポット３５が開設されており、ポット３５にはシリンダ装置（図示せず）により進退されるプランジャー３６が成形材料としての樹脂を送給し得るように挿入されている。下型３２の合わせ面にはカル３７がポット３５と対向位置に配されて埋設されているとともに、ランナー３８がポット３５とそれぞれ接続されている。更に各ランナー３８の他端部はキャビティー下３４にそれぞれ接続されており、その接続部にはゲート３９が樹脂をキャビティー３３，３４内に注入し得るよう形成されている。また、下型３２の合わせ面には、逃がし部４０がリードフレーム重合体におけるリードフレームの厚み分を逃げ得るように、その外形も若干大きめの長方形で、その厚さよりも若干浅い深さに成形されている。
上記構成のトランスファ成形装置を用いて、樹脂封止する方法を下記に説明すると、まず１８０℃程度に加熱された上記トランスファ装置３０の封止金型３１，３２の逃がし部４０にリードフレーム重合体を装着し封止金型３１，３２を型締めする。次に、円錐形に打錠された樹脂（図示せず）をポット３５に挿入し、プランジャー３６により樹脂がカル３７、ランナー３８、ゲート３９を通じて各キャビティー３３，３４に圧入される。注入後、樹脂が熱硬化されて封止樹脂体７が形成されると、上型３１及び下型３２が型開きされるとともに、エジェクタ・ピン（図示せず）により封止樹脂体７群が離型され、樹脂成形されたリードフレーム重合体がトランスファ成形装置から脱装される。
このようにして、樹脂成形された封止樹脂体７の内部には、ダイパッド１、接着剤２，４、半導体素子３，５、ワイヤ１２Ａ，１２Ｂ、リード６のインナー部６ｉが樹脂封止される。
次に、樹脂成形されたリードフレーム重合体の封止樹脂体７以外の部分に半田外装めっきを施す（図示せず）。リード部６の少なくとも半導体装置の完成品となる部分にＰｄめっきが施されている場合は、半田外装めっきは必要としない。
半田外装めっきを経た後、あるいは半田外装めっきされる前の樹脂成形されたリードフレーム重合体を、切断装置（図示せず）によって、各リード６毎に順次ダムバー（図示せず）を切断する。次に、リード成形装置（図示せず）によって、リード６のアウター部６ｏの先端と内枠の一部を切断した後、アウター部６ｏをガルウイング形状に屈曲成形し、内枠の一部を切断し、半導体装置を外枠から切り離す。
本発明に係るバンプワイヤのボンディング方法は、他の半導体装置のバンプとワイヤとの接続に利用することができ、特に積層型の半導体装置の小型、薄型化に有効で且つ、高信頼性及び安定生産に有用である。
本発明に係るバンプワイヤのボンディング方法を説明する工程断面図で、（ａ）はキャピラリの移動を説明する工程断面図、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれループ形状を形成する工程断面図、（ｅ）はワイヤを切断する工程断面図である。 図１（ｄ）に示すボンディング部の拡大図である。 同ボンディング方法を採用した半導体装置を示す断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、ダイパッドへの接着剤の塗布工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、ダイパッドへの第１の半導体素子の接着工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、第１の半導体素子への第２の半導体素子の接着工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、第２の半導体素子のスタッドバンプの形成工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、第１の半導体素子へのワイヤの接続工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、第１の半導体素子から第２の半導体素子へのワイヤの接続工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、リードのインナー部へのワイヤの接続工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、リードのインナー部から第２の半導体素子へのワイヤの接続工程を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、ワイヤの接続工程の完了状態を説明する断面図である。 同半導体装置の製造工程のうち、トランスファ金型装置による樹脂封止工程を説明する断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ従来のバンプワイヤを形成する工程を説明する断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来のバンプワイヤのボンディング部を示す拡大断面図である。
符号の説明
Ｂ ボンディング部
１ ダイパッド
３，５ 半導体素子
６ リード
６ｉ インナー部
６ｏ アウター部
７ 封止樹脂体
１０ ボンディングパッド
１１ スタッドバンプ
１２Ａ，１２Ｂ バンプワイヤ
２１ キャピラリ
２１ａ ガイド孔

Claims (6)

  1. ワイヤ接続具のガイド孔より導出されて始端部が接続されたワイヤの終端部をスタッドバンプに接続するに際し、
    前記ワイヤをスタッドバンプに接触させる工程Ａと、
    前記ワイヤ接続具を上方からワイヤ進入側に動かして前記ワイヤをループ状に折り返す工程Ｂと、
    前記ワイヤ接続具の先端をスタッドバンプに押し当てて、折り返されたワイヤを折返し前のワイヤを介してスタッドバンプに圧着する工程Ｃと、
    前記圧着部から延びるワイヤを切断する工程Ｄとからなる
    ことを特徴とするバンプワイヤのボンディング方法。
  2. 工程Ａで、ワイヤ接続具を進入方向に移動させてスタッドバンプの中心部上方を通過させた後、下降してワイヤをスタッドバンプのバンプワイヤ進入側と反対側の端部に接触させ、
    工程Ｃで、折り返されたワイヤをスタッドバンプの中心位置に圧着する
    ことを特徴とする請求項１記載のバンプワイヤのボンディング方法。
  3. 工程Ｂにおいて、折り返されたワイヤのループの径は、スタッドバンプの中心からワイヤ直径の２〜３倍の範囲に形成される
    ことを特徴とする請求項１または２記載のバンプワイヤのボンディング方法。
  4. スタッドバンプに進入されるワイヤと半導体素子のエッジとの隙間を、ワイヤ直径の２〜３倍とした
    ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のバンプワイヤのボンディング方法。
  5. ダイパッド上に複数個積層された半導体素子と、
    前記半導体素子に設けられたボンディングパッドおよび所定のボンディングパッドに形成されたスタッドバンプと、
    始端部がリードのインナー部に設けられた電極部および／または半導体素子のボンディングパッドに接続されるとともに、終端部が請求項１乃至４の何れかに記載のバンプワイヤのボンディング方法により前記タッドバンプに接続されたワイヤと、
    前記ダイパッド、半導体素子、ワイヤおよびリードのインナー部とを封止する封止樹脂とを具備した
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. ダイパッド上に複数個積層された半導体素子の所定のボンディングパッドにスタッドバンプを形成する工程と、
    始端部が前記ボンディングパッドからスタッドバンプに接続されるワイヤおよび／またはリードのインナー部に設けられた電極部に接続されたワイヤを、請求項１乃至４の何れかに記載のバンプワイヤのボンディング方法により前記スタッドバンプに接続する工程と、
    少なくとも前記半導体チップとワイヤと前記リードのインナー部を樹脂により封止する工程とを有する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022249384A1 (ja) * 2021-05-27 2022-12-01 株式会社新川 半導体装置の製造方法

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