JP2009544159A - 平坦な構造を有するモジュールと構成部品の設置方法 - Google Patents

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ブロック、クリスティアン
ブルンナー、セバスティアン
ホフマン、クリスティアン
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Abstract

電気部品用のモジュールが開示される。前記モジュールにおいて、素子チップは、統合される配線を備えボンディングが行われる端面を備える多層基板の上側と接着されている。素子チップは、その上向きの表面上でボンドパッドと取り付けられ、ボンディングワイヤにより基板と接続される。前記ボンディングワイヤはその各ボールが端面とボンディングが行われ、ウェッジがボンドパッドのうちの１つの上に直接ボンディングが行われるように案内される。
【選択図】図２

Description

モジュールは、様々な構成部品を基板上で統合するために使用されている。典型的には、構成部品は、互いにモジュールにより接続されている。モジュール全体の封止は、ここでは個々の構成部品の封止に取ってかわる。
温度変化による負荷がかかった状態でのモジュールの信頼性は、基本的に構造及び接続技術次第であり、また、モジュールの封止（encapsulation）にもよる。素子チップがボンディングワイヤによりモジュール基板と接続されているモジュールにおいて、ボンディングワイヤは特に弱点である。ボンディングワイヤは、例えば異なる熱膨張による引張応力のもとで引きちぎれやすいため、そこでモジュール全体の機能が妨げられ、または破壊される。
ワイヤボンディングの１つの方法は、最初にいわゆるスタッドバンプ（stud bump）が第２ボンドパッド上に作り出されるいわゆるスタンドオフ・スティッチ・ボンディング（SSB, stand-off stitch bonding）である。スタッドバンプは、溶融によりボール状に形成されてボンドパッド上でボンディングが行われるボンディングワイヤの端部であり、ボンディングが行われたすぐ後にワイヤはボールから引き離される。第２の処理過程において、従来のボールスティッチが作られる。ここでは、ボンディングワイヤは、ボール状に形成されたその端部により第１ボンドパッド上でボンディングが行われ、ウェッジまたはスティッチとして指定されるボンディングワイヤの他端部は、第２ボンドパッド上のスタッドバンプ上に直接置かれる。いわゆる「リバースボールスティッチ（reverse ball stitch）」法においては、スタッドバンプは素子チップ上に取り付けられ、ボールは基板上に取り付けられる。特にボンディングワイヤがその端部でつままれた際のボンディングロボットのワイヤガイドキャピラリー（wire-guiding capillary）によるチップ表面の損傷から保護するために、スタッドバンプは第２のボンドパッドから距離をおいてウェッジのボンディングを行う「リバースボールスティッチ」ボンディングにおいて使用される。
ワイヤボンディングされた素子チップを有するモジュールの温度安定性は基本的にボンディングワイヤの長さや、特にボンディングワイヤがグローブトップ（glob top）やモールド（mold）でさらに覆われるときに、ボンディングワイヤの両端が固定されて形成されるループの高さに依存する。
１つの観点において、本発明はワイヤボンディングがなされた素子チップを有するモジュールであって、熱応力の変化に対しより耐性のあるモジュールを明示する。
これらの課題は、請求項１の特徴を有するモジュールにより解決される。
モジュール装置の方法と同様の発明の有利な変形はさらなる請求項で示される。
１つの実施形態において、モジュール基板と接触し、ボンディングワイヤによりボンディングが行われている素子チップを有するモジュールが明示されている。部品全体の高さを減少させるため、すでに記述した「リバースボールスティッチ」法が使用されるが、ここではすでにモジュール基板上にボンディングが行われたボンディングワイヤのワイヤ端部は、中間のスタッドバンプなしに素子チップのボンドパッド上で直接ボンディングが行われる。このようにして、素子チップから突出する大きなワイヤループを考慮せずに、ボンディングワイヤを素子チップの表面にわたって平坦に案内可能である。基板上では、ボンディングワイヤはそこに備えられた接続面上のボールと従来通りにボンディングが行われる。
ボンディングワイヤは、円形または矩形の断面を有する。極端な場合では、金属のリボンのように構成されている。この構成は、特に平坦な態様で案内され、ＨＦ（high frequency, 高周波）信号がボンディングワイヤ又は金属のリボンを介して案内される場合に有利である。表皮効果により、ＨＦ信号は金属のリボン内で最小限の「浸漬深度」しか有さない。矩形のボンディングワイヤでは、同じ断面積を有する円形のボンディングワイヤと比べて全体の高さを低くすることができる。ボンディングワイヤとして使用される金属リボンは、ウェッジ（スティッチ）としてその両端でボンディングを行うことができ、第１ボンドとしてボールを必要としない。
そのようなモジュールは、射出成形を通して蒸着され、以前よりもボンディングワイヤの輪の高さが低くなることにより全体の高さが低くなるように蒸着しうるグローブトップの塊又はモールドの塊で覆われていてもよい。これにより、ボンディングワイヤの２つのボンディング接続のうち不安定な方、すなわちウェッジボンディング接続により、ほんのわずかな厚さのグローブトップが上に向けた素子チップの表面上で蒸着するため、提案されたモジュールの安定性が増加する。温度展開係数が異なることによりモジュールに働く引張応力およびせん断応力は、対応する影響を受けやすい位置、ここではボンディングワイヤ接続の上に蒸着するグローブトップの厚さに依存する。従って、より小さな負荷容量を有するボンディング接続がさらに良く保護されるとともに、グローブトップ全体の高さが低くなることにより、直接基板上にあるボンディングワイヤ接続の安定性もさらに増加する。グローブトップによるカバーが低くなることにより、さらにモジュールの高さも低くなる。
ウェッジボンディングが行われたボンディングワイヤ端部の強度をさらに改良するため、スタッドバンプはウェッジボンディング上に蒸着される。このスタッドバンプは、ボンディングワイヤ端部上とボンドパッド上に位置し、ボンディングワイヤが引きちぎられることに対して、又はボンディング接続が剥離することに対してより安定性のあるボンディング接続を行うボンディングワイヤ端部の付加アタッチメントに相当する。
ウェッジボンディングまたはスティッチボンディングにおいて、ボンディング装置、すなわちワイヤガイドキャピラリーは、比較的高圧でボンドパッドに作用しなければならない。ここで、上向きの素子チップの表面上に蒸着しているチップのパッシベーションへの損傷を避けるため、ボンドパッドは、本発明の実施形態に従って特別な方法で構成されている。これまでは、はじめにボンドパッドが、次にパッシベーションが作り出されており、これによりボンドパッド上に部分的にパッシベーションが重なったが、ここで、ボンドパッドが、パッシベーションの全面にわたって延びるように構成されることで、ワイヤガイドキャピラリーが損傷を与えることはない。
そのため、最初に素子チップ上にグラウンド・メタライゼーションを蒸着し、そして必要ならばパッシベーションを生成し、そしてグラウンド・メタライゼーション上にボンディングが行われる面を作り出す強化層を蒸着するボンドパッドが提案される。強化層は、ここではパッシベーション層とグラウンド・メタライゼーション層の間の接合部が覆われるように蒸着される。有利には、最初にパッシベーション層に覆われるグラウンド・メタライゼーション層の表面は、パッシベーション層に構築された窓から露出している。さらに、強化層は、その窓よりも大きな表面積であるように蒸着されるため、パッシベーション層の端と重なる。
モジュール全体の高さ、特に必要とされるグローブトップの高さのさらなる減少は、基板上に位置する部品の高さと、特に素子チップの高さが最小化されるときに、達成される。モジュールの高さを低くすることに加えて、グローブトップ厚さを小さくすることによっても安定性が改善される。
素子チップの高さが低くなることは、ＳＭＤ（surface mounted device, 表面実装型デバイス）部品が基板上に実装されないときに限り、モジュール高さへの有利な効果を有する。たとえさらなるＳＭＤ部品が実装されても、有利に提案されたワイヤボンディングにより、蒸着されたグローブトップの厚さに依存しない安定性の獲得が達成される。
抵抗は、モジュール内で統合される。これらは、しばしば多層基板内で作り出すことができないため、例えばＳＭＤ抵抗が使用される。しかし、モジュールの高さを小さくする必要性から、ＳＭＤ抵抗を、基板表面上に直接蒸着されたプリント抵抗に置き換えることができる。例えば、内側層プリントとして基板の焼結前に、または外側層プリントとして基板の焼結後に抵抗ペーストがプリントされ、パッシベーション層、特に腐食と電気強化または電気損傷／分解の両方に対抗するガラス層で覆われている。そのような露出した抵抗層は、例えばレーザーにより後で取り除くことができるというさらなる長所を有する。
１つの有利な基板材料は、多層セラミック、特に、構築されたメタライゼーション層をその間に備えるいくつかの誘電セラミック層から成るＬＴＣＣ（Low Temperature Cofired Ceramic, 低温同時焼結セラミック）である。異なるメタライゼーション層がコンタクトを介して接続されている。メタライゼーション層とコンタクトを介したそれらの接続内のメタライゼーション構造により、基板内の任意の接続パターンが統合されている。
例えば抵抗、コンデンサ、インダクタのように定義される受動部品を実現することも可能である。そのため、このようにして、例えば整合回路といった簡単な回路もまた、直接基板上に作り出される。
構造高さが低い提案された構造におけるモジュールの基板部品を取り付けるために、最初にボンディングが行われる接続面を有する基板と、その前側にボンドパッドを有する素子チップとが備えられる。ボンドパッドは、ボンディングが行われる面がパッシベーションの表面を越えて突出し、有利には部分的にパッシベーションと重なるように構成される。
第１のステップで、素子チップは基板上に備えられたスペース上でボンディングが行われる。ここで、基板上で「ダイフラグ（die flag）」に相当する手段によりチップの逆側の電気的接続を同時に作り出す事が可能である。しかし、単に機械的にチップのボンディングを行うこと、及びボンディングワイヤのみによりそれと電気的に接触させることも可能である。このため、ボンディングワイヤは、基板上の接続面上の「ボール」とボンディングが行われる。そして、ボンディングワイヤは平坦なループとなるように曲がり、素子チップの表面に近接してボンドパッドまで走る。ここで、ウェッジ（スティッチ）は、ボンディングワイヤ端が取り付けられて平坦となるようにまたはボンドパッドと平行にボンディングが行われる外側向きの素子チップの表面上のボンドパッドの表面に直接取り付けられる。
ボンディングの方法は、接触力、温度、超音波エネルギーが相互に作用し、ボンディング接続を作り出す超音波支援温度圧縮法、又はいわゆる摩擦溶接法から成る。上向きのチップ表面上のパッシベーションを越えて突出するボンドパッドは、ボンディング法の間、素子チップ上のパッシベーション上のボンディングツール、つまりワイヤガイドキャピラリーから直接的な影響を受けない。そのため、パッシベーションへの損傷は防がれる。
ボンディングを通して、ワイヤはウェッジの後部で引きちぎられ、またはキャピラリーによりつままれる。そして、選択的にウェッジボンディング接続により、別のボンディングワイヤの端部が溶融してボールとなってボンディング点に置かれる間に、スタッドバンプが取り付けられる。ボンディングの後、突出するワイヤは引きちぎられ、ウェッジボンディングが行われたボンディングワイヤ端部と下のボンドパッドとが接触するスタッドバンプのみが残り、このようにしてウェッジボンディング接続の強度が増加される。
作り出されるべきコンタクトの数と一致する多くのワイヤボンディング接続が、ちょうど記述された方法に従って生成される。そして、さらに、任意の様々な素子チップが、同じ技術またはフリップチップ技術を使用して、任意のＳＭＤ部品と同様に、基板上に蒸着される。共通の処理過程で基板上にこのようにボンディングが行われる全てのチップのためのボンディングワイヤ接続を作り出すのに有益である。
蒸着された部品、特にそのボンディングワイヤ接続を保護するために、これらはグローブトップの塊またはモールドの塊で覆われる。ボンディングワイヤとその部品はこのように機械的な損傷と腐食から保護される。
以下に、本発明が実施形態および関連する図を参照してより詳細に説明される。図は概略的にのみ構成されており、実寸大ではないため、絶対的及び相対的な寸法の情報を、図から取得することはできない。同一の、又は同じように動作する部分は、同一の参照符号で示されている。
従来のモジュール上のワイヤボンディング接続の概略断面図である。 本発明におけるワイヤボンディング接続を有するモジュールの概略断面図である。 既知のボールスティッチ法と比較した新たなボンディング接続の生成物である。 既知のボールスティッチ法と比較した新たなボンディング接続の生成物である。 付加的なスタッドバンプにより実装されたウェッジである。
概略断面図において、図１は、従来の既知のボンディングワイヤ接続によりボンディングが行われて基板ＳＵと接続された素子チップＢＣを有するモジュールを例示している。基板上にはボンディングが行われる接続面ＡＦがあり、素子チップＢＣの反対側にはボンディングが行われるボンドパッドＢＰがある。図において、左側のボンディングワイヤＢＤ１についての標準的なボールスティッチボンディング接続と、右側の第２のボンディングワイヤＢＤ２についてのリバーススタンドオフスティッチ（reverse SSB）ボンディング接続との両方が見られる。従来のボールスティッチボンディング接続において、溶融してボール状となったボンディングワイヤ端部ＢＳは、まず、素子チップ上、またはそのボンドパッド上に置かれ、そして基板ＳＵ上の接続面ＡＦに向かって引き出され、そこでウェッジボンディングＷＢが作られる。逆の順番で、リバースＳＳＢにおいて、最初にスタッドバンプＳＢがボンドパッドＢＰ上に置かれ、そしてボンディングワイヤがそこで生じたボール上で引きちぎられ、スタッドバンプが残る。そして、ボンディングワイヤ端部は接続面ＡＦ上のボールＢＳとボンディングが行われ、そしてボンディングワイヤＢＤ２はスタッドバンプＳＢに向かって引き出され、ウェッジボンディング接続がそこで作られる。
リバースＳＳＢ技術により、ボンディングワイヤの最上ループが構造物の高さを決定する際に、距離ｄ１だけモジュールの構造物の高さが減少する。このようにして得られた蓄え（ｄ１に相当）は、一般的な部品や一般的なボンディングワイヤのループにおいて５０〜１００μｍに等しい。さらに、ＳＭＤ部品ＳＭＤが基板ＳＵ上に配置される。これらは、典型的に素子チップの高さを超える高さを有する。ベアダイ（bare die）として実装される素子チップは、標準的な厚さ、例えば２００μｍで実現されうるのに対し、ＳＭＤ部品は典型的に５００μｍの高さを必要とする。保護のため、モジュールはさらに、ボンディングワイヤＢＤ１とＢＤ２が確実に覆われるような厚さ構造で蒸着するグローブトップカバーＧＴとともに備えられる。これにより、部品の高さは少なくともｄ２となり、ＳＭＤ部品を使用する場合には部品の高さはｄ３となる。ここで、ｄ３はｄ２よりも大きい。
対照的に、図２は本発明の実施形態に関して接触している素子チップＢＣを示す。ここでもまた、素子チップＢＣは、基板ＳＵ上でボンディングが行われている。ボンディングワイヤＢＤは、直接基板上にある接触面ＡＦ上のボールＢＳとボンディングが行われる。ボンディングワイヤは、上側でボンドパッドＢＰに向かって引き出され、そこで直接ボンドパッドＢＰ上でウェッジ接続ＷＢによりボンディングが行われる。ボンディングワイヤはこのように素子チップＢＣに近接して案内され、素子チップの高さを超えてほんの少ししか突出しないことがわかる。基板からボンディングワイヤループの一番高いところまでを測った部品全体の高さｄ４’は、素子チップＢＣの厚さよりもほんのわずかに高い。
さらに、多層基板ＳＵ内の多層配線が図２に示される。ここで、接続面ＡＦは、コンタクトＤＫを介して基板内部に埋め込まれたメタライゼーション層Ｍ１と結合する。これにより、他のメタライゼーション層とコンタクトを介して結合し、配線を作るための、または受動部品構造を実現するためのメタライゼーション構造が各メタライゼーション層に配置される。モジュールの外部コンタクトは、基板ＳＵの下側に配置される。
図１による既知の構造と図２の本発明の実施形態の構造において、同一の部品高さをもつ素子チップが使用されるため、本発明の実施形態における構造において、製造される部品の高さが減少するとともに、グローブトップカバーの厚さも減少することがわかる。素子チップＢＣまたは基板ＳＵへのインターフェイス上において、グローブトップカバーが薄くなると、モジュールに作用する温度負荷の変化によるボンディング接続やチップにかかるせん断力が小さくなる。
図３は、素子チップＢＣの上側にある既知のボンドパッドと、新しいボンディング方法に有利なボンドパッドの構造とを比較している。図３Ａは、リバースＳＳＢ法によりボンディングワイヤ接続を作り出しているときの既知のボンドパッドを示す。ボンドパッドは、グラウンド・メタライゼーションＧＭを有し、この上にボンディング能力により区別される強化層ＶＳ、例えば金の表面を有する。
ボンドパッドの製造後、パッシベーション層ＰＳは、チップ表面上に蒸着し、ボンドパッド領域が露出するように構築される。そのため、パッシベーション層の端は典型的にボンドパッドと重なる。リバースＳＳＢ法においてはそのため、リバースＳＳＢ法でウェッジがその上に置かれるスタッドバンプＳＢは、すでに記述したように最初にスペーサーとしてボンディングが行われる。ここで、ボンディングワイヤを導くキャピラリーＫのみが示されているボンディングツールは、スタッドバンプＳＢ上にボンディングワイヤＢＤを押しつけ、そこでボンディングを行って固定し、そしてそれを引き裂くか、つまむ。
図３Ｂは、最初にボンドパッドにおけるグランド・メタライゼーションが基板表面ＳＵ上で生成されるボンドパッドの新しい構成を示す。そして、パッシベーションが生成され、任意で構造化される。パッシベーションＰＳが製造されて初めて、強化層ＶＳが例えば対応する金属層の電流増加を通じてボンドパッド上に蒸着する。これにより、強化層の端部はパッシベーション層の端部を超えて成長し、最後にはそれに重なる。全体として、強化層は、パッシベーション層の上端を超えて突出するような高さで蒸着する。この突出部は、従来の逆ＳＳＢ法のスタッドバンプに取って代わる。パッシベーション層の表面上に生じるそのようなボンドパッド面のおかげで、キャピラリーＫによりパッシベーション層ＰＳに損傷を与えずに、リバースボールスティッチ法においてボンディングワイヤ端部を強化層の表面上に直接ウェッジボンディングを行うことが問題なくできる。
概略断面図において、図４は、そのようなウェッジボンディングが行われたワイヤ端部が、さらにボンドパッドＢＰ上の引きちぎられたワイヤ端部上に直接ボンディングが行われたスタッドバンプＳＢにどのように取り付けられているかを示す。
いくつかの実施形態のみを参照して示され、説明された本発明は、その実施形態に限られない。例えばベアダイといった特に基板上に蒸着すべき部品やすでに蒸着した部品の型や数は変更可能である。これらは、ＩＣ（integrated circuits, 集積回路）またはその他のアクティブ半導体部品に相当する。ベアダイはまた圧電チップでありうる。素子チップは、両面上とチップ内にもまた部品構造を有してもよい。ボンディングが行われる側では、それはグラウンド・メタライゼーションまたはグラウンド・コンタクトを有してもよい。最小限のモジュール高さを有する本発明の実施形態におけるモジュールは、ＳＭＤ部品を除く。
しかし、本発明はＳＭＤ部品を除くモジュールに限られない。基板上に配置される部品及び素子チップは異なる構造高さを有する。従って、グローブトップまたはモールドにより（射出成形により）部品全てが平坦化されるように、グローブトップカバーは階段状の構造を有してもよい。
本発明はまた、ＬＴＣＣで作られた基板に限られない。ＬＴＣＣと比べて、典型的な素子チップ、特に半導体の展開反応とさらに一致しない温度展開反応を有するポリマー基板も可能である。本発明によるモジュールはまた、グローブトップカバーなしでも実現可能であり、この場合ボンディングワイヤ接続を保護するために、例えばキャップといったような異なるタイプのカバーが必要とされる。

Claims (16)

  1. 基板と接続面（ＡＦ）とをその基板の上面で統合する配線を有する多層基板（ＳＵ）と、
    前記基板の上面とボンディングが行われ、上向きの面にボンドパッド（ＢＰ）を有する素子チップ（ＢＣ）と、
    前記基板の各接続面と前記素子チップのボンドパッドを接続するボンディングワイヤ（ＢＤ）とを備え、
    前記ボンディングワイヤは、各接続面上でボールによりボンディングが行われ、前記ボンドパッドのうちの１つの上に直接ウェッジによりボンディングが行われる、
    ことを特徴とする電気部品用モジュール。
  2. 前記ボンディングワイヤ（ＢＤ）は、前記素子チップ（ＢＣ）の表面から続く平坦なループとして形成される
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
  3. 前記ボンディングワイヤ（ＢＤ）のループの高さを超えて前記基板の上面を覆うグローブトップ（ＧＴ）をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモジュール。
  4. ウェッジボンディングが行われたワイヤ端部と前記ボンドパッド（ＢＰ）上で、スティッチによりボンディングが行われる、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  5. 各ボンドパッド（ＢＰ）は、
    前記素子チップ（ＢＣ）上にあるグラウンド・メタライゼーションと、
    前記素子チップと前記ボンドパッド（ＢＰ）の側縁部を覆うパッシベーション層と、
    前記グラウンド・メタライゼーション上にあって、前記パッシベーション層と前記グラウンド・メタライゼーションの間の接合部を覆う強化層と、を備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  6. 前記強化層は、前記素子チップ（ＢＣ）から離れる方向に前記パッシベーション層（ＰＳ）を越えて突出している、
    ことを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
  7. 前記強化層は、前記パッシベーション層（ＰＳ）の側縁部と重なる、
    ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  8. 前記素子チップ（ＢＣ）の厚さは、２００μｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  9. 前記強化層は、Ｃｕ層とＡｕ層とを備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  10. 前記基板（ＳＵ）上に抵抗をさらに備え、
    前記抵抗は、抵抗ペーストから作られ、プリントされたストリップコンダクタを備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  11. 前記基板（ＳＵ）は、ＦＲ４材料、またはＬＴＴＣセラミックから構成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  12. 前記ボンディングワイヤは、金属のリボンから構成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載のモジュール。
  13. 接触面（ＡＦ）を有する基板（ＳＵ）と、ボンドパッド（ＢＰ）を有する素子チップ（ＢＣ）とを備え、
    前記素子チップを前記基板に取り付け、
    前記接触面のうちの１つの上でボンディングワイヤ（ＢＤ）をボールによりボンディングを行い、
    前記ボンドパッド（ＢＰ）上で直接前記ボンディングワイヤの反対側の端部をウェッジによりボンディングを行う、
    ことを特徴とするモジュールの組立方法。
  14. 前記ボンディングが行われたウェッジ上にスタッドバンプ（ＳＢ）のボンディングが行われる、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記ボンディングワイヤ（ＢＤ）は、前記表面の上に位置している状態で前記素子チップ（ＢＣ）の表面から続く平坦なループを形成し、前記素子チップ隣接する前記基板（ＳＵ）に向かって初めて曲げられる、
    ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
  16. さらに、ワイヤボンディング接続の製造後に、前記基板（ＳＵ）と前記素子チップ（ＢＣ）上側の上に、前記ボンディングワイヤ（ＢＤ）が完全に覆われる高さまでグローブトップ（ＧＴ）の塊またはモールドの塊を蒸着する、
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のうちいずれか１項に記載の方法。
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