JP2008140946A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体チップや回路基板の微細化に対応すると共に、信号や電源、電極位置の配線自由度向上を図る。これによって半導体チップの小型化や複数の半導体チップの積層を容易にする技術を提供する。
【解決手段】金属細線１の先端の金属ボール２からなる突起部が接触半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材の主面にある絶縁層５の上に配置され、さらに前記金属細線１が前記絶縁層５に倣うように配置され、且つ前記金属細線１が前記金属ボール２以外の部位で前記絶縁層５の開口に露出する電極４に接合されて、前記半導体チップもしくは前記基材の主面上に外部配線を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、電気的接続配線層を有する基材と半導体チップや、異なる半導体チップどうしにおいて配線面、素子面を合わせてフリップ接続し積層する際に、相対する位置には存在しない互いの任意の電極間を金属細線で接続する技術に係るものである。
現在、小型表面実装型の半導体パッケージに関する技術はリードフレーム系や基板系に大別されており、それぞれの系において複数の半導体チップを積層搭載して配線接続する技術がある。
以下、従来の半導体装置について図７を参照しながら説明する。図７は従来の半導体装置における金属細線を用いた配線方法を示す断面図である。
図７（ａ）に示すように、ツール３を通して金属細線１を配置する。図７（ｂ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
図７（ｃ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着接合し、図７（ｄ）に示すように、ツール３を引き上げて金属細線１の引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。その後に、所定の形状を有する金型にて封止樹脂（図示せず）でモールドする。
半導体装置が完成した後は、電気的接続あるいは信号検査，信頼性試験が行われ、良品判定された製品は梱包出荷される。
ところで、近年においてはＬＳＩの分野でメモリ／ロジック混載あるいはアナログ／デジタル混載が急速に進行している。しかし、市場のコスト競争力はさらに進み、今や１チップ化する構成と比較して複数の半導体チップを１パッケージ化する構成が利益を上げる可能性が出てきた。その例としてマルチチップタイプや積層タイプの半導体装置がある。
特開平１０−３３５３６８号公報
しかしながら、従来の半導体装置において、特に積層したマルチチップタイプの半導体装置では、チップシュリンクやパッドサイズの縮小化や微細化が進んで製品信頼性確保の難易度が高いこと、また、ほぼ同じサイズの半導体チップを縦に積層することは不可能であり、ＰＡＤ配置やパッドサイズの違うチップ間の接続に対して制約があった。
汎用メモリーチップに対して制御用半導体チップを上または下にフリップチップ積層する場合においても、汎用メモリーチップの世代交代やメーカー差異に合わせて制御用半導体の再設計をしており設計効率も悪かった。
また、チップにダメージを与えることなく、かつ接続安定性も確保してフリップチップのチップ間を一定にすることは、チップ設計のシュリンク化とパッケージの小型化、要求される高信頼性にとって課題である。
本発明は接続ダメージの低減と接続高さのバラツキ低減によりパッドサイズの縮小化に対応し、パッドへの応力ダメージや接続信頼性低下を防止し、品質及び生産安定性の向上を図った半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、金属細線の先端の金属ボールからなる突起部が接触半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材の主面にある絶縁層の上に配置されるとともに、前記金属細線が前記絶縁層に倣うように配置され、前記金属細線が前記金属ボール以外の部位で前記絶縁層の開口に露出する電極に接合されて、前記半導体チップもしくは前記基材の主面上に外部配線を形成したことを特徴とする。
また、前記金属細線の先端の前記金属ボールからなる前記突起部が扁平形状化により金属ボール径を大きくして前記半導体チップもしくは前記基材の主面にある前記絶縁層の上に配置されることを特徴とする。
また、前記金属ボールおよび前記金属細線が配置された前記半導体チップもしくは前記基材の主面の上方に電気的接続配線層を有する第二の基材が配置され、前記金属ボールと前記第二の基材の電極部とが一致することを特徴とする。
また、前記第一の半導体チップもしくは前記第一の基材の絶縁層の表面に、前記金属ボールが接着可能な粘着材が配置されたことを特徴とする。
また、前記第一の半導体チップもしくは前記第一の基材の絶縁層の表面に、前記金属ボールが合金接着可能な金属箔が配置されたことを特徴とする。
本発明によると、フリップチップ接合する半導体チップの相互間や電気的接続配線層を有する基材（実装基板、キャリア等）間において電極位置を互いに同じ位置で対向させる必要がなく、任意の長さの金属細線の先にある金属ボールを相手の電極位置に致させることができるので、特に汎用性が高くて外部調達が可能なメモリーチップと制御用ＬＳＩチップとの間や基材間の回路設計や基板設計を外部調達先別に設計変更する制約が無くなる。
また、従来のワイヤーボンド技術でフリップチップ接続用のバンプ（電極間接続用の金属の突起）を形成するには電極サイズとツール先端径、金属線径の組合せに制約があり、微細化に伴う電極サイズの縮小化を阻害していたが、本発明では電極サイズに合ったツール径を選択してもバンプに変わる金属ボールの径を小さくする必要がなく、対向するチップや基材のギャップ間を技術的に難しい小さいギャップにする必要はなく、既存技術の延長で微細化に対応できる。
また、従来のワイヤーボンド工法によるバンプではどちらか１つの電極に対して２回から３回の超音波加重や熱圧着加重ダメージがかかるが、本発明では全ての電極に対して１回の加重ダメージですむので、電極の下層内へのダメージを最小限に抑えることができ、より微細化に対応することができる。また、従来のワイヤーボンド技術を活用することにより金属ボールの径や形状もツール径に関係なく変えることができる。
以下、本発明の半導体装置における実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す模式図である。図１において、１は金属細線、２は金属ボール、３はツール、４は電極、５は絶縁膜、１１は基材であって、基材１１はフリップチップ接合前の半導体チップまたは電気的接続配線層を有するものであり、金属細線１と金属ボール２はワイヤーボンディング法により形成した形状を例示している。
図１（ａ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
この際に、ツール３は電気的接続配線層を有する基材１１の絶縁層５の表面に対して垂直方向にあり、金属ボール２の中心と、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが直線上に位置する。このツール３の挙動は操作手段（図示省略）のＸＹＺ軸の動作と超音波振動とにより制御し、その際に加重や超音波出力、時間等を制御パラメータとする。
図１（ｂ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着させるには、金属ボール２がツール３の先端から離間する状態で金属ボール２を絶縁層５に接触させ、図１（ｃ）に示すように、金属ボール２と絶縁層５との摩擦抵抗力を利用して金属ボール２の位置を保持しながらツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界、つまり熱影響を受けた再結晶組織部を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出す。
次に、図１（ｄ）に示すように、所定の電極４をめがけてツール３を動かし、電極４が露出したエリアにツール３の先端を対応させて金属細線１を電極４に圧着接合し、その後にツール３をＺ動作（垂直方向）させて金属細線１の引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。
したがって、本実施の形態１では、金属ボール２と絶縁層５との摩擦抵抗力を利用してツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出すので、絶縁層５の上に金属ボール２を持つ配線が可能となり、金属ボール２は直径精度がよいので、金属ボール２を突起として第二の半導体チップ（図示せず）の電極（図示せず）に対してフリップチップ接続が可能となり、配線設計の自由度が向上する。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す模式図である。図１に示したものと同様の作用を行なう構成要件には同一符号を付して説明する。
図２（ａ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが所定角度で屈曲している。図２（ｂ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
この際に、ツール３は電気的接続配線層を有する基材１１の絶縁層５の表面に対して垂直方向にあるが、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが所定角度で屈曲しているので、金属ボール２がゴルフクラブのヘッドの様になる。このツール３の挙動は操作手段（図示省略）のＸＹＺ軸の動作と超音波振動とにより制御し、その際に加重や超音波出力、時間等を制御パラメータとする。
図２（ｃ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着させるには、金属ボール２がツール３の先端から離間する状態で金属ボール２を絶縁層５に接触させ、金属ボール２と絶縁層５との摩擦抵抗力を利用して金属ボール２の位置を保持しながらツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界、つまり熱影響を受けた再結晶組織部を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出す。
次に、図２（ｄ）に示すように、所定の電極４をめがけてツール３を動かし、電極４が露出したエリアにツール３の先端を対応させて金属細線１を電極４に圧着接合し、その後にツール３をＺ動作（垂直方向）させて金属細線１の引ちぎりを実施する。この時にツール３をＺ動作に加えてＸＹ動作させることによりツール３の先端の金属細線１が曲がった状態になる。この一連の動作を連続して行う。
したがって、本実施の形態２では、金属ボール２と絶縁層５との摩擦抵抗力を利用してツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出すので、絶縁層５の上に金属ボール２を持つ配線が可能となり、金属ボール２は直径精度がよいので、金属ボール２を突起として第二の半導体チップ（図示せず）の電極（図示せず）に対してフリップチップ接続が可能となり、配線設計の自由度が向上する。
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す模式図である。先の実施の形態で示したものと同様の作用を行なう構成要件には同一符号を付して説明する。
図３（ａ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
この際に、ツール３は電気的接続配線層を有する基材１１の絶縁層５の表面に対して垂直方向にあり、金属ボール２の中心と、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが直線上に位置する。このツール３の挙動は操作手段（図示省略）のＸＹＺ軸の動作と超音波振動とにより制御し、その際に加重や超音波出力、時間等を制御パラメータとする。
図３（ｂ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着させるには、金属ボール２がツール３の先端に位置する状態で金属ボール２を絶縁層５に接触させ、さらにツール３の先端で加重して金属ボール２を扁平変形させる。この際に、強く加重すればより大きく扁平することで最初の金属ボール２の直径より大きい扁平径が得られる。
その後に、図３（ｃ）に示すように、ツール３の先端から金属ボール２の扁平部を離間させ、金属ボール２に接触する絶縁層５の摩擦抵抗力を利用して金属ボール２の位置を保持しながらツール３をＸＹ動作させ、金属ボール２と金属細線１の境界、つまり熱影響を受けた再結晶組織部を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出す。この操作によって扁平した金属ボール２は最も径の大きい方向を上下方向に向けた姿勢に倒立する。
次に、図３（ｄ）に示すように、所定の電極４をめがけてツール３を動かし、電極４が露出したエリアにツール３の先端を対応させて金属細線１を電極４に圧着接合し、その後にツール３をＺ動作（垂直方向）させて金属細線１の引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。
したがって、本実施の形態３では、金属ボール２と絶縁層５との摩擦抵抗力を利用してツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出すので、絶縁層５の上に金属ボール２を持つ配線が可能となり、扁平した金属ボール２を高い突起として第二の半導体チップ（図示せず）の電極（図示せず）に対してフリップチップ接続が可能となり、ギャップ間を大きくするとともに、配線設計の自由度が向上する。
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を示す模式図である。先の実施の形態で示したものと同様の作用を行なう構成要件には同一符号を付して説明する。
図４において、アイランド８を有する第一の半導体チップ９の電極４に接続した金属細線１の金属ボール２と、第二の半導体チップ１０の電極４との位置が一致しており、第一の半導体チップ９と第二の半導体チップ１０のフリップチップ接続が可能となり、配線設計の自由度が向上する。
（実施の形態５）
図５は本発明の実施の形態５における半導体装置の構成を示す模式図である。先の実施の形態で示したものと同様の作用を行なう構成要件には同一符号を付して説明する。
図５（ａ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
この際に、ツール３は電気的接続配線層を有する基材１１の絶縁層５の表面に対して垂直方向にあり、金属ボール２の中心と、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが直線上に位置する。このツール３の挙動は操作手段（図示省略）のＸＹＺ軸の動作と超音波振動とにより制御し、その際に加重や超音波出力、時間等を制御パラメータとする。
図５（ｂ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着させるには、金属ボール２がツール３の先端から離間する状態で、金属ボール２を絶縁層５の上面に設けた粘着層６に接着させ、図１（ｃ）に示すように、粘着層６の粘着力を利用して金属ボール２の位置を保持しながらツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界、つまり熱影響を受けた再結晶組織部を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出す。
次に、図５（ｄ）に示すように、所定の電極４をめがけてツール３を動かし、電極４が露出したエリアにツール３の先端を対応させて金属細線１を電極４に圧着接合し、その後にツール３をＺ動作（垂直方向）させて金属細線１の引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。
したがって、本実施の形態１では、粘着層６の粘着力を利用してツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２を接着層６に位置精度よく接着した状態で、金属ボール２と金属細線１の境界を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出すので、絶縁層５の上に金属ボール２を持つ配線が可能となり、金属ボール２は直径精度がよいので、金属ボール２を突起として第二の半導体チップ（図示せず）の電極（図示せず）に対してフリップチップ接続が可能となり、配線設計の自由度が向上し、金属ボール２は接着層６に位置精度よく接着しており、第二の半導体チップ（図示せず）の電極へのフリップチップ接続精度が向上する。
（実施の形態６）
図６は本発明の実施の形態６における半導体装置の構成を示す模式図である。先の実施の形態で示したものと同様の作用を行なう構成要件には同一符号を付して説明する。図６においては、絶縁層５に独立したエリアの金属箔層７を設けている。
図６（ａ）に示すように、ツール３を通った金属細線１の先端に金属ボール２を形成する。この金属ボール２は、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線１の先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
この際に、ツール３は電気的接続配線層を有する基材１１の絶縁層５の表面に対して垂直方向にあり、金属ボール２の中心と、ツール３を通った金属細線１の軸心と、ツール３の内部にある金属ボール２の軸心とが直線上に位置する。このツール３の挙動は操作手段（図示省略）のＸＹＺ軸の動作と超音波振動とにより制御し、その際に加重や超音波出力、時間等を制御パラメータとする。
図６（ｂ）に示すように、金属細線１を電極４に圧着させるには、金属ボール２がツール３の先端から離間する状態で、金属ボール２を絶縁層５の上面に設けた金属箔層７に合金接着させ、図６（ｃ）に示すように、金属箔層７と金属ボール２との粘着力を利用して金属ボール２の位置を保持しながらツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界、つまり熱影響を受けた再結晶組織部を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出す。
次に、図６（ｄ）に示すように、所定の電極４をめがけてツール３を動かし、電極４が露出したエリアにツール３の先端を対応させて金属細線１を電極４に圧着接合し、その後にツール３をＺ動作（垂直方向）させて金属細線１の引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。
したがって、本実施の形態６では、金属ボール２と金属箔層７との粘着力を利用してツール３をＸＹ動作（水平方向）させ、金属ボール２と金属細線１の境界を曲げながら金属細線１をツール３から繰り出すので、絶縁層５の上に金属ボール２を持つ配線が可能となり、金属ボール２は直径精度がよいので、金属ボール２を突起として第二の半導体チップ（図示せず）の電極（図示せず）に対してフリップチップ接続が可能となり、配線設計の自由度が向上し、金属ボール２は金属箔層７に位置精度よく合金接着しており、第二の半導体チップ（図示せず）の電極へのフリップチップ接続精度が向上する。
本発明は、半導体チップや回路基板の設計自由度を向上せしめ、複数の半導体チップをパッケージに搭載してなる半導体装置等に有効である。
本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態５における半導体装置の構成を説明するための模式図 本発明の実施の形態６における半導体装置の構成を説明するための模式図 従来の実施例の構成を説明するための模式図
符号の説明
１ 金属細線
２ 金属ボール
３ ツール
４ 電極
５ 絶縁層
６ 粘着層
７ 金属箔層
８ アイランド
９ 第一の半導体チップ
１０ 第二の半導体チップ
１１ 基材

Claims (5)

  1. 金属細線の先端の金属ボールからなる突起部が接触半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材の主面にある絶縁層の上に配置されるとともに、前記金属細線が前記絶縁層に倣うように配置され、前記金属細線が前記金属ボール以外の部位で前記絶縁層の開口に露出する電極に接合されて、前記半導体チップもしくは前記基材の主面上に外部配線を形成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属細線の先端の前記金属ボールからなる前記突起部が扁平形状化により金属ボール径を大きくして前記半導体チップもしくは前記基材の主面にある前記絶縁層の上に配置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. 前記金属ボールおよび前記金属細線が配置された前記半導体チップもしくは前記基材の主面の上方に電気的接続配線層を有する第二の基材が配置され、前記金属ボールと前記第二の基材の電極部とが一致することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第一の半導体チップもしくは前記第一の基材の絶縁層の表面に、前記金属ボールが接着可能な粘着材が配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記第一の半導体チップもしくは前記第一の基材の絶縁層の表面に、前記金属ボールが合金接着可能な金属箔が配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
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