JP2009070930A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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electrode
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joint
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Panasonic Corp
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Abstract

【課題】パッドサイズの縮小化に対応するとともに、ピン間ショートなどの接続信頼性低下を防止できる半導体装置を提供する。
【解決手段】金属細線７を電極２に超音波熱圧着する前に、金属細線７の先端に形成された金属ボール９を、押し当て面が傾斜した傾斜面１２ａに押し付けて塑性変形させることによって前記金属細線７の中心からずれた変形金属ボール９ａを形成し、変形金属ボール９ａを電極２に超音波熱圧着して金属結合部１０ａを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は金属細線の先端に形成した金属ボールを電極に超音波熱圧着したリード線、または前記金属ボールを電極に超音波熱圧着して形成した突起部を介して前記電極を別の接続部位に接続する半導体装置に関する。
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線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半導体チップを搭載して配線接続する技術がある。
図９に示すように、半導体チップ１の主面にある電極２と、基材３の主面にある電極４とを、リード線５で接続した半導体装置は、電極２にリード線５を図１０（ａ）〜（ｄ）に示すようにして接続している。
図１０（ａ）に示すようにキャピラリ６の先端から前記リード線５となる金属細線７を僅かだけ突出させた状態で金属細線７をクランプし、次に図１０（ｂ）に示すように放電電極８と金属細線７の間に電圧を印加して放電させて、この放電によって発生する熱で金属細線７の先端を溶融させるとともに、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て金属ボール９を形成する。
図１０（ｃ）では、キャピラリ６を目的の電極２に近づけて前記クランプを解除するとともに、金属ボール９をキャピラリ６によって電極２に押し付けながらキャピラリ６から金属ボール９に超音波振動を印加して、金属ボール６を電極２に超音波熱溶接する。
図１０（ｄ）では、キャピラリ６だけを引き上げて金属細線７の他端を基材３の主面にある電極４に接続する。
図１１（ａ）は図１０（ｄ）で電極２に超音波熱接合された前記金属ボール９の接続後の金属結合部１０の拡大正面図を示す。図１１（ｂ）はこの金属結合部１０の拡大平面図を示す。図１１（ｃ）は金属結合部１０の電極２との合金化された接合面１１の形状を示している。図１２は隣接して並べられた複数の電極２を、上記のリード線７を介して別の接続部位に接続した状態の要部の拡大平面図を示している。
このようにしてリード線７による接続が完了したものは、所定の形状を有する金型にて封止樹脂（図示せず）でモールドして半導体装置が完成する。半導体装置が完成した後は、電気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の低コスト化と高機能化によりチップサイズの縮小化と多ピン化が急速に進行している。その結果、信号を取り出す電極サイズが占める割合が増加傾向となっている。特許文献１には金属結合部１０の形状を図１３に示すように楕円形にして、各電極２の幅を図１２の場合に比べて狭幅化することで小型化を実現したものが記載されている。
特開平４−２８２４１号公報（第４図）
図１３に示したように金属結合部１０の形状を楕円形にすることで小型化を実現できるが、チップサイズの更なる縮小化に伴い、電極サイズに合ったツール径、金線径を選択し金属ボールの径を小さくすることが必要であって、接合する電極に対して面積、強度を確保する事が難しくなって、更なる微細化を実現できないのが現状である。
本発明は接続の形状制御の安定化と接続信頼性確保によりパッドサイズの縮小化に対応し、ピン間ショートや接続信頼性低下を防止し、品質およ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。
本発明の請求項１記載の半導体装置は、半導体チップの電極もしくは基材の電極に金属細線の一端を超音波熱圧着した金属結合部を有し、前記金属結合部から引き出された前記金属細線の他端側を目的の接続部位に接続した半導体装置であって、前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、金属細線の前記一端の金属結合部からの引き出し位置との間にオフセットを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項２記載の半導体装置は、請求項１において、前記電極の形状が長方形を成し、前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、金属細線の前記一端の金属結合部からの引き出し位置とを結ぶ直線方向が、前記電極の長辺方向と一致していることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の半導体装置は、請求項２において、前記電極を、長辺同士を並行にして隣接して配置し、複数個の前記電極の長辺方向の中心線に対して隣接する前記電極で前記オフセットの方向を反対方向にしたことを特徴とする。
本発明の請求項４記載の半導体装置は、半導体チップの電極もしくは基材の電極に金属細線の一端を超音波熱圧着して形成された金属結合部から前記金属細線を引き千切って突起部が形成され、前記半導体チップが前記突起部を介してフリップチップ実装された半導体装置であって、前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、前記突起部の位置との間にオフセットを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項５記載の半導体装置の製造方法は、半導体チップもしくは接続配線層を有する基材の主面にある電極に金属細線の一端を超音波熱圧着して金属結合部を形成し、前記金属結合部から引き出された前記金属細線の他端側を目的の接続部位に接続、または前記金属結合部から前記金属細線を引き千切って形成された突起部を介して目的の接続部位に接続した半導体装置を製造するに際し、 前記金属細線を前記電極に超音波熱圧着する前に、前記金属細線の先端に形成された金属ボールを、押し当て面が傾斜した傾斜面に押し付けて塑性変形させることによって前記金属細線の中心からずれた変形金属ボールを形成し、前記変形金属ボールを前記電極に超音波熱圧着して金属結合部を形成することを特徴とする。
この構成によると、金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、金属細線の前記一端の金属結合部からの引き出し位置との間にオフセットを設けたことによって、オフセットを設け無かった場合に比べて金属細線の引き出し位置における金属結合部の幅を小さくすることができ、電極サイズの縮小化に対応する事が可能となり、狭ピッチの電極に対応した金属結合が可能となる。
以下、本発明の半導体装置とその製造方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図９〜図１３と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の実施の形態１を示す。
図１は図９と同じようにワイヤーボンディングする場合の工程を示しており、図１（ｂ）と図１（ｃ）の間に図１（ｃ−１）の工程が追加されている点が図１０と異なっている。
具体的には、図２（ａ）は図１（ｂ）の工程で金属細線７の先端に形成された金属ボール９を、型１２に押し付ける直前の側面図を示し、図２（ｂ）はその正面図を示している。
型１２の押し当て面１２ａは正面から見て中央に向かって低くなったＶ字状で、側面から見て片側に向かって傾斜している。
図１（ｂ）において電気放電の熱で溶融させ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、冷却凝固させた球状の金属ボール９を、図１（ｃ−１）に示す側面図と図２（ｃ）に示す正面図のように押し当て面１２ａにキャピラリ６で押し付けることによって、押し当て前に球状だった金属ボール９は、金属細線７の中心からずれて押し当て面１２ａの低い方向に片寄った金属ボール９ａに塑性変形する。
図１（ｃ）では、キャピラリ６を電極２に近づけて前記塑性変形した金属ボール９ａをキャピラリ６によって電極２に押し付けながらキャピラリ６から金属ボール９ａに超音波振動を印加することによって、金属ボール９ａを電極２に超音波熱溶接した金属結合部１０ａを形成する。
図１（ｄ）では、キャピラリ６だけを引き上げて金属細線７の他端を基材３の主面にある電極４に接続する。
図３（ａ）は図１（ｄ）で電極２に超音波熱接合された金属結合部１０ａの拡大正面図を示す。図３（ｂ）は金属結合部１０ａの拡大平面図を示す。図３（ｃ）は金属結合部１０ａの電極２との合金化された接合面１１ａの形状を示している。
このように、型１２の押し当て面１２ａに金属ボール９をキャピラリ６で押し付け、金属細線７の中心からずれて片寄った状態に変形した金属ボール９ａを形成することによって、図１（ｃ）と図１（ｄ）の工程で電極２に接合された接合面１１ａの形状は、図３（ｃ）のようにほぼ楕円形である。さらに、この接合面１１ａの中心Ｏ１と、金属結合部１０ａからの金属細線７の引き出し位置Ｏ２は一致せずに、両者の間にはオフセット１３が形成される。Ｗ２はこのようにオフセット１３を形成した場合の金属細線７の引き出し位置Ｏ２における接合面１１ａの幅である。
つまり、接合面１１ａの中心Ｏ１と、金属結合部１０ａからの金属細線７の引き出し位置Ｏ２が一致して、両者の間に前記オフセット１３を設け無かった場合には、接合面１１ａの最大幅は図３（ｃ）の接合面１１ａの中心Ｏ１の幅Ｗ１よりも広くなるが、この例では前記オフセット１３を形成したため、金属細線７の引き出し位置Ｏ２における接合面１１ａの幅Ｗ２を、接合面１１ａの中心Ｏ１の幅Ｗ１以内に収めることができるので、電極２のサイズ制限を軽減できる。
さらに、電極２のサイズが長方形であり、電極２の長辺方向とオフセット１３の方向とが一致することにより金属結合部１０ａの合金領域である接合面１１ａの形状を、狭い幅の電極に対応することができ、図４に示すように、電極２の長辺同士を並行にして電極２の短辺方向に近接して直線状に複数の電極２を配置する際の配列数制限を軽減できる。
さらに、図４に示すように複数個の電極２の長辺方向の中心線１４に対して隣接する電極２の前記オフセット１３の方向を、矢印１３ａと矢印１３ｂで示すように反対方向に配置した場合には、隣接する金属接合部１０ａを更に離すことができ、電極２の短辺方向に直線状に配置する際の配列数制限をより軽減でき、隣接間ショートやリークを防止できる。
この実施の形態１では半導体チップ１の電極２の上に金属接合部１０ａで金属細線７を接続する場合を例に挙げて説明したが、基材の主面に設けられた電極４の上に金属細線７を接続する場合も同様である。
（実施の形態２）
図５〜図８は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１ではワイヤーボンディングする場合を説明したが、図８に示すようにフリップチップ実装のために電極２に突起部１５を形成する場合にも同様に実施できる。
フリップチップ実装は図８（ａ）に示すように、電極４を有する基材３の主面の電極４を被うように熱硬化性樹脂シート１６を配置し、半導体チップ１の電極２に形成された突起部１５を前記基材３の側に向けて配置する。次に図８（ｂ）に示すように、半導体チップ１の上面を加熱ツール１７で暖めながら基材３に向かって押し付けることによって半導体チップ１の突起部１５が基材３の電極４に当接して電気接続されるとともに、半導体チップ１と基材３の間に介装されている熱硬化性樹脂シート１６が硬化して半導体チップ１と基材３を結合して、電気接続状態を維持している。
図５（ｃ−１），図５（ｃ），図５（ｄ），図５（ｄ＋１）は、突起部１５の形成の工程を示している。図５（ｃ−１）の前工程は実施の形態１の図１（ａ），図１（ｂ）と同じである。図５（ｃ−１），図５（ｃ）も実施の形態１の図１（ｃ−１），図１（ｃ）と同じである。
具体的には、図５（ｃ−１）で型１２の押し付け面１２ａに押し付けて形成した変形した前記金属ボール９ａを形成する。図５（ｃ）ではキャピラリ６を電極２に近づけて金属ボール９ａをキャピラリ６によって電極２に押し付けながらキャピラリ６から金属ボール９ａに超音波振動を印加することによって、前記変形した金属ボール９ａを電極２に超音波熱溶接する。
図５（ｄ）では、キャピラリ６だけを僅か引き上げた後に、キャピラリ６から金属細線７が送り出されないようにクランプした状態で、図５（ｄ＋１）に示すようにキャピラリ６を更に引き上げて、金属結合部１０ａから金属細線７を引き千切ることで突起部１５を形成している。この一連の動作を連続して行い各電極２にそれぞれ突起部１５を形成する。
図６（ａ）は図５（ｄ＋１）で電極２に超音波熱接合されている金属結合部１０ａと突起部１５の拡大正面図を示す。図６（ｂ）は金属結合部１０ａと突起部１５の拡大平面図を示す。図６（ｃ）は金属結合部１０の電極２との合金化された接合面１１ａの形状を示している。
このように、型１２の押し当て面１２ａに金属ボール９をキャピラリ６で押し付け、金属細線７の中心からずれて片寄った状態に変形した金属ボール９ａを形成することによって、図５（ｃ）と図５（ｄ）の工程で電極２に接合された金属結合部１０ａの接合面１１ａの形状は、図６（ｃ）のようにほぼ楕円形である。さらに、この接合面１１ａの中心Ｏ１と、金属結合部１０ａの上に形成された突起部１５の位置Ｏ３は一致せずに、両者の間にはオフセット１３が形成される。Ｗ３はこのようにオフセット１３を形成した場合の突起部１５の位置Ｏ３における接合面１１ａの幅である。
つまり、接合面１１ａの中心Ｏ１と、突起部１５の位置Ｏ３が一致して、両者の間にオフセットを設け無かった場合には、接合面１１ａの最大幅は図６（ｃ）の接合面１１ａの中心Ｏ１の幅Ｗ１よりも広くなるが、この例では前記オフセット１３を形成したため、突起部１５の位置Ｏ３における接合面１１ａの幅Ｗ３を、接合面１１ａの中心Ｏ１の幅Ｗ１以内に収めることができ、突起部１５の位置Ｏ３における金属結合部１０ａの幅を小さくすることができ、電極２のサイズ制限を軽減できる。
さらに、電極２のサイズが長方形であり、電極２の長辺方向とオフセット１３の方向とが一致することにより金属結合部１０ａの合金領域である接合面１１ａの形状を、狭い幅の電極に対応することができ、図７に示すように、電極２の長辺同士を並行にして電極２の短辺方向に近接して直線状に複数の電極２を配置する際の配列数制限を軽減できる。
さらに、図７に示すように複数個の電極２の長辺方向の中心線１４に対して隣接する電極２の前記オフセット１３の方向を、矢印１３ａと矢印１３ｂで示すように反対方向に配置した場合には、隣接する金属接合部１０ａを更に離すことができ、電極２の短辺方向に直線状に配置する際の配列数制限をより軽減でき、隣接間ショートやリークを防止できる。
この実施の形態２では半導体チップ１の電極２の上に突起部１５を形成する場合を例に挙げて説明したが、基材の主面に設けられた電極４の上に突起部１５を形成して半導体チップ１をフリップチップ実装する場合も同様である。
上記の実施の形態１の図１（ｃ−１）と実施の形態２の図５（ｃ−１）において使用した型１２の押し当て面１２ａは、正面から見て中央に向かって直線で低くなったＶ字状で、側面から見て片側に向かって傾斜していたが、これは側面から見て片側に向かって押し当て面が傾斜しているのは同じであるけれども、図２（ｄ）に示すように正面から見て中央に向かってなだらかな曲面で中央に向かって低くなったＵ字状などの押し当て面１２ｂであっても同様に実施できる。
本発明は、半導体チップや回路基板のコスト低減と信頼性向上に有効である。
本発明の実施の形態１におけるリード線接合の工程を示す半導体装置製造方法の説明図 同実施の形態において金属ボールを型の押し付け面に押し付ける前の側面図と正面図および押し付け中の正面図 同実施の形態においてリード線が電極に接合された状態の拡大正面図と拡大平面図および金属接合部の電極との接合面を示す拡大断面図 同実施の形態において隣接した電極への接合状態を示す拡大平面図 本発明の実施の形態２における突起部の作成の工程を示す半導体装置製造方法の説明図 同実施の形態において突起部が電極にされた状態の拡大正面図と拡大平面図および金属接合部の電極との接合面を示す拡大断面図 同実施の形態において隣接した電極への突起部の形成状態を示す拡大平面図 突起部を有する半導体装置の一般的な実装工程図 リード線接続した半導体装置の一般的な拡大正面図 リード線接合の工程を示す一般的な半導体装置製造方法の説明図 図１０の半導体装置製造方法によってリード線が電極に接合された状態の拡大正面図と拡大平面図および金属接合部の電極との接合面を示す拡大断面図 隣接した電極への接続状態を示す一般的な拡大平面図 電極の形状を長方形状としリード線先端の接合面を楕円形にした従来例の拡大平面図
符号の説明
２ 電極
３ 基材
４ 基材３の主面にある電極
６ キャピラリ
７ 金属細線
９ 金属ボール
９ａ 塑性変形した金属ボール
１０ａ 金属結合部
１１ａ 金属結合部１０ａの電極２との合金化された接合面
１２ 型
１２ａ 押し当て面
１３ オフセット
１３ａ，１３ｂ 隣接する電極２のオフセット１３の方向
１４ 電極２の長辺方向の中心線
１５ 突起部
Ｏ１ 接合面１１ａの中心
Ｏ２ 金属結合部１０ａからの金属細線７の引き出し位置
Ｏ３ 金属結合部１０ａの上に形成された突起部１５の位置
Ｗ１ 接合面１１ａの中心Ｏ１の幅
Ｗ２ 金属細線７の引き出し位置Ｏ２における接合面１１ａの幅
Ｗ３ 突起部１５の位置Ｏ３における接合面１１ａの幅

Claims (5)

  1. 半導体チップの電極もしくは基材の電極に金属細線の一端を超音波熱圧着した金属結合部を有し、前記金属結合部から引き出された前記金属細線の他端側を目的の接続部位に接続した半導体装置であって、
    前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、金属細線の前記一端の金属結合部からの引き出し位置との間にオフセットを設けた
    半導体装置。
  2. 前記電極の形状が長方形を成し、
    前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、金属細線の前記一端の金属結合部からの引き出し位置とを結ぶ直線方向が、前記電極の長辺方向と一致している
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記電極を、長辺同士を並行にして隣接して配置し、
    複数個の前記電極の長辺方向の中心線に対して隣接する前記電極で前記オフセットの方向を反対方向にした
    請求項２に記載の半導体装置。
  4. 半導体チップの電極もしくは基材の電極に金属細線の一端を超音波熱圧着して形成された金属結合部から前記金属細線を引き千切って突起部が形成され、前記半導体チップが前記突起部を介してフリップチップ実装された半導体装置であって、
    前記金属結合部の前記電極とのほぼ楕円形の接合面の中心付近と、前記突起部の位置との間にオフセットを設けた
    半導体装置。
  5. 半導体チップもしくは接続配線層を有する基材の主面にある電極に金属細線の一端を超音波熱圧着して金属結合部を形成し、前記金属結合部から引き出された前記金属細線の他端側を目的の接続部位に接続、または前記金属結合部から前記金属細線を引き千切って形成された突起部を介して目的の接続部位に接続した半導体装置を製造するに際し、
    前記金属細線を前記電極に超音波熱圧着する前に、前記金属細線の先端に形成された金属ボールを、押し当て面が傾斜した傾斜面に押し付けて塑性変形させることによって前記金属細線の中心からずれた変形金属ボールを形成し、
    前記変形金属ボールを前記電極に超音波熱圧着して金属結合部を形成する
    半導体装置の製造方法。
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JP2011119563A (ja) * 2009-12-07 2011-06-16 Denso Corp ワイヤボンディング方法および半導体装置

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