JP2010153676A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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lead
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Masuichi Nagahara
斗一 永原
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Rohm Co Ltd
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Abstract

【課題】製造時における熱応力や温度サイクルによる熱応力によって、リード端子にワイヤボンディングされたワイヤが断線することを阻止可能な半導体装置、およびその製造方法を提供する
【解決手段】一方表面２０上に複数の電極部２１が形成された半導体チップ２と、半導体チップ２側に一方端部４ｂが配置された複数のリード端子４と、各電極部２１と各リード端子４とを電気的に接続する複数のワイヤ５と、少なくとも半導体チップ２、リード端子４の一方端部４ｂおよびワイヤ５を封止する封止樹脂層６とを備えており、ワイヤ５は、リード端子４の一方端部４ｂの表面に接続された第１圧着部５１ａと、リード端子４の一方端部４ｂ表面において、リード端子４の他方端部４ａ側に離間した第２圧着部５１ｂとを有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置に関し、特に、ワイヤボンディングを利用して形成された樹脂封止型の半導体装置およびその製造方法に関する。
従来、樹脂封止型の半導体装置としの一例として、図１１に示したようなＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置９が知られている。この半導体装置９は、たとえば、図１１に示したように、半導体チップ９０、アイランド９１、リード端子９２、半導体チップ９０とリード端子９２とを電気的に接続するワイヤ９３、およびこれらを封止する封止樹脂層９４を備えている。
半導体チップ９０とリード端子９２との電気的な接続は、具体的には、半導体チップ９０に形成された電極パッド９０ａおよびリード端子９２の端部９２ａの各々にワイヤ９３をいわゆるワイヤボンディング法によって接合することにより達成される。
ワイヤボンディング法では、たとえば、キャピラリ（図示せず）の先端から導出されたワイヤ９３の先端部が溶融されてボール形状に形成される。その後、電極パッド９０ａにワイヤ９３の先端部が押しつけられるとともに、キャピラリ（図示せず）に超音波振動が印加されて電極パッド９０ａとワイヤ９３の先端部とが接合される。次いで、ワイヤ９３を導出させつつキャピラリ（図示せず）を移動させた後、ワイヤ９３の他端がリード端子９２の端部９２ａに押しつけられつつ、キャピラリ（図示せず）に超音波振動が印加されることにより、ワイヤ９３の他端がリード端子９２の端部９２ａに接合される。
特開２００１−７１４６号公報
しかしながら、上述のワイヤボンディング法によりリード端子９２の端部９２ａに接合されたワイヤ９３のテール部９３ａは、図１２に示すように、厚みが薄くなっている。そのため、リード端子９２の端部９２ａのワイヤ９３との間にできる隙間に樹脂が入り込む場合、封止樹脂層形成時の熱応力、あるいは半導体装置９使用時の熱応力によって、リード端子９２の端部９２ａとワイヤ９３のテール部９３ａとの接合界面に亀裂が生じ、ひいてはワイヤ９３のテール部９３ａがリード端子９２の端部９２ａ表面から剥がれてしまい、導通不良を起こすといった問題が生じる。
本発明は、製造時における熱応力や温度サイクルによる熱応力によって、リード端子にワイヤボンディングされたワイヤが断線することを阻止可能な半導体装置、およびその製造方法を提供することを課題としている。
本発明の第1の側面では、一方表面上に複数の電極部が形成された半導体チップと、前記半導体チップ側に一方端部が配置された複数のリード端子と、前記各電極部と前記各リード端子とを電気的に接続する複数のワイヤと、少なくとも前記半導体チップ、前記リード端子の一方端部および前記ワイヤを封止する封止樹脂層とを備え、前記ワイヤは、前記リード端子における一方端部の表面に接続された第１圧着部と、前記リード端子における一方端部の表面において、前記リード端子の他方端部側に離間した第２圧着部とを有することを特徴とする半導体装置が提供される。
前記ワイヤは、たとえば前記第１圧着部と前記第２圧着部との間に、前記第１圧着部および前記第２圧着部の厚みよりも厚みが大きい肉厚部を有する。
前記肉厚部は、前記リード端子における一方端部の表面と接しているのが好ましい。
本発明の第２の側面では、半導体チップの一方表面上に形成された複数の電極部とワイヤの一方端部とを接続させる第１ボンディング工程と、前記半導体チップ側に一端部が配置されたリード端子と前記ワイヤの他方端部とを接続する第２ボンディング工程と、少なくとも前記半導体チップ、前記リード端子の一方端部および前記ワイヤを封止樹脂により封止する樹脂封止工程とを備える半導体装置の製造方法において、前記第２ボンディング工程は、前記ワイヤと前記リード端子の一方端部表面とが接続する第１圧着部を形成する第１圧着工程と、前記第１圧着部より前記リード端子の他方端部側に離間した位置で前記ワイヤと前記リード端子の一方端部表面とが接続する第２圧着部を形成する第２圧着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が提供される。
前記第２ボンディング工程は、たとえば前記第１圧着部と前記第２圧着部との間に、前記第１圧着部および前記第２圧着部よりも厚みが大きい肉厚部を形成する工程を含む。
前記肉厚部は、前記リード端子における一方端部の表面と接するように形成されるのが好ましい。
以下に、本発明について、図面を参照しつつ説明する。
図１および図2に示した半導体装置１は、樹脂封止型の半導体装置の一例であるＱＦＰ型の半導体装置であり、半導体チップ２と、半導体チップ２を固定するためのアイランド３と、複数のリード端子４と、半導体チップ２とリード端子４とを電気的に接続するための複数のワイヤ５と、封止樹脂層６とを備えている。
半導体チップ２は、たとえば、シリコン基板から構成されており、主面２０に集積回路などが形成されている。この半導体チップ２は、図1および図２に示したように、半田などからなる接着層３１を介して、アイランド３の上面に固定されている。また、半導体チップ２は複数の電極パッド２１を有している。
電極パッド２１は、リード端子４と導通接続されるものであり、たとえば、半導体チップ２の主面２０において、周縁に沿って所定間隔を隔てて並ぶように形成されている。
アイランド３は、半導体チップ２を固定するためのものである。アイランド３は、図２および図４に示したように、平面的に見て、略矩形状に形成されているとともに、一体的に連結された４つの吊りリード３２を有している。吊りリード３２は、アイランド３の４つの角部の各々に１つずつ配置されており、平面的に見て、放射状に拡がるように形成されている。また、これらの４つの吊りリード３２は、後述するリードフレーム４０にアイランド３を保持するために設けられている。これらの吊りリード３２の各々は、たとえば、アイランド３がダウンセットされるように折り曲げられている。したがって、本実施形態のアイランド３は、後述するインナーリード部４ｂ（リード端子の一方端部）よりも下方側に配置されている。
複数のリード端子４は、たとえば、図１に示したような配線基板７と半導体チップ２との電気的信号を伝達するためのものである。複数のリード端子４は、たとえば、燐青銅や無酸素銅などの銅系（銅または銅合金）材料から構成される。また、複数のリード端子４は、図１および図３に示したように、封止樹脂層６から導出された部分であるアウターリード部４ａと、半導体チップ２とともに封止樹脂層６に覆われているインナーリード部４ｂとを有している。アウターリード部４ａは、図１に示したように、リード端子４がガルウイング形状となるように折り曲げられており、たとえば、半田層７０を介して配線基板７に表面実装される。
また、複数のリード端子４は、図２に示したように、互いに分離されているとともに、アイランド３を４方向から囲むように配置されている。具体的には、複数のリード端子４は、所定数のリード端子４をそれぞれ含む４つのグループに分けられている。そして、その所定数のリード端子４をそれぞれ含む４つのグループは、アイランド３を４方向から囲むように配置されている。また、複数のリード端子４の各々は、そのインナーリード部４ｂが半導体チップ２と対向するように配置されている。上記のようにリード端子４を配置することにより、ガルウイング形状の複数のリード端子４が４方向に所定数ずつ取り出される。
ワイヤ５は、半導体チップ２とリード端子とを電気的に接続するためのものであり、図１および図２に示したように、ワイヤ５の一方端部５０が電極パッド２１に接続されおり、ワイヤ５の他方端部５１がリード端子４のインナーリード部４ｂに接続されている。このワイヤ５は、たとえば、金、銅、あるいはアルミニウムの金属材料により形成されている。また、ワイヤ５は、たとえば、径が１０μｍ〜５０μｍとされている。
ワイヤ５は、図３に良く表れているように、他方端部５１において、半導体チップ２側にインナリード部４ｂに圧着された第１圧着部５１ａと、この第１圧着部５１ａからアウターリード部４ａ側に離間した位置においてインナーリード部４ｂに圧着された第２圧着部５１ｂと、第１圧着部５１ａおよび第２圧着部５１ｂとの間に位置し、第１圧着部５１ａおよび第２圧着部５１ｂよりも厚い厚みを有する肉厚部５１ｃとを備えている。また、肉厚部５１ｃは、図３に示したように、インナーリード部４ｂの表面に接するように形成されている。好ましくは、肉厚部５１ｃは、インナーリード部４１ｂとの間に隙間が生じない程度に圧力をかけずに形成されている。
封止樹脂層６は、たとえば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂によって構成されており、半導体チップ２やワイヤ５などを封止することにより、ガスや水分などから半導体チップ２やワイヤ５などを保護する機能を有している。また、封止樹脂層６は、図２に示したように、平面的に見て、４つの辺を有している。この四角形状の封止樹脂層６の４つの辺からは、それぞれ、所定数のリード端子４（アウターリード部４ａ）が突出している。
次に、図１ないし図４を参照して説明した半導体装置１の製造方法を図５ないし図９を参照しつつ説明する。
まず、図５に示したように、燐青銅や無酸素銅などの銅系（銅または銅合金）材料から構成される薄板に、打ち抜きプレス加工またはエッチング加工などを施すことによって、リードフレーム４０を一体的に形成する。この際、リードフレーム４０は、複数のリード端子４、ダム部４１、および位置決め孔４２などを含むように構成する。なお、リードフレーム４０は、アイランド３を含まないように構成する。
次に、燐青銅や無酸素銅などの銅系（銅または銅合金）材料から構成される薄板に、打ち抜きプレス加工またはエッチング加工などを施すことによって、リードフレーム４０とは別体でアイランド３を形成する。この際、アイランド３は、平面的に見て、四角形状に形成するとともに、図４および図６に示したように、アイランド３の４つの角部に、平面的に見て、放射状に拡がる吊りリード３２をそれぞれ一体的に形成する。
続いて、図４に示したように、半導体チップ２を、たとえば、半田からなる接着層３２を介してアイランド３の上面上に固定する。
次いで、４つの吊りリード３２を折り曲げるとともに、図６に示したように、吊りリード３２の先端部をリードフレーム４０の所定位置にそれぞれ接続する。
これにより、アイランド３がインナーリード部４ｂより下方側に配置された状態でリードフレーム４０に接続される。
次に、図７および図８に示したように、半導体チップ２の電極パッド２１とインナーリード部４ｂとを、金、銅あるいはアルミニウムなどの金属材料からなるワイヤ５を介して互いに電気的に接続する。具体的には、まず、キャピラリ８から導出されたワイヤ５の先端部（一方端部）５０を溶融させてボール形状とする。次いで、図７（ａ）に示したように、ボール形状に形成されたワイヤ５の先端部５０は、半導体チップ２の電極パッド２１に押しつけられて接合される。この工程では、たとえば、半導体チップ２がヒーターブロック（図示せず）により加熱されつつ、ワイヤ５の先端部５０が電極パッド２１に押しつけられて熱圧着される。このとき、キャピラリ８からワイヤ５の先端部５０に加えられる荷重は、たとえば、３０〜６０ｇｆ程度とされる。また、このとき、ワイヤ５の先端部５０へのキャピラリ８からの押圧と同時に超音波振動が付与されてもよい。
次に、図７（ｂ）に示したように、ワイヤ５をキャピラリ８から導出させつつ、キャピラリ８をインナーリード部４ｂの上方に移動させる。その後、ワイヤ５の他方端部５１を、あらかじめ加熱しておいたインナーリード４ｂの上面に対して２０〜５０ｇｆ程度の荷重で押付けることにより第１圧着部５１ａが形成される。
次いで、図７（ｃ）に示したように、ワイヤ５をキャピラリ８から導出させつつ、キャピラリ８をアウターリード部４ａ側に水平移動させるとともに、上昇および下降させることにより肉厚部５１ｃが形成される。このとき、好ましくは、肉厚部５１ｃはインナーリード部４ｂの上面に接するように形成される。この場合、キャピラリ８からワイヤ５に加える荷重は、０〜１０ｇｆ程度とされる。
続いて、図７（ｃ）に示したように、ワイヤ５をキャピラリ８から導出させつつ、キャピラリ８をアウターリード部４ａ側に移動させた後、ワイヤ５の他方端部５１を、インナーリード４ｂの上面に対して１００〜１５０ｇｆ程度の荷重で押付けることにより、第２圧着部５１ｂが第１圧着部からアウターリード部４ａ側に所定距離だけ離間した位置に形成される。
次いで、図７（ｄ）に示したように、ワイヤクランパ（図示せず）を閉じてキャピラリ８を上昇させることによりワイヤ５が切断されて、ワイヤ５のリード端子４へのワイヤボンディングが終了する。これらの一連の工程を繰り返すことにより複数の電極パッド２１と対応するリード端子４との電気的接続が行われる。
続いて、トランスファ成形装置などを用いて、図９に示したように、封止樹脂層６で、半導体チップ２、アイランド３、リード端子４のインナーリード部４ｂ、およびワイヤ５を樹脂封止する。
その後、吊りリード３２の封止樹脂層６からの突出部、リード端子４（アウターリード部４ａ）、およびダム部４１をそれぞれ切断する。最後に、アウターリード部４ａを樹脂封止層６の外部でガルウイング形状に折り曲げる。このようにして、図１に示した本発明の一実施形態による半導体装置が製造される。
本実施形態では、上述のように、ワイヤ５の他方端部５１において、半導体チップ２側にインナーリード部４ｂと圧着された第１圧着部５１ａと、この第１圧着部５１ａからアウターリード部側に離間した位置においてインナーリード部４ｂに圧着された第２圧着部とを備えている。そのため、インナーリード部４ｂとワイヤ５の他方端部５１との間にできる隙間に封止樹脂が入り込んだ場合であっても、封止樹脂工程時の熱応力あるいは半導体チップ２の配線基板７に実装後の熱応力に起因するリード端子４からのワイヤ５の剥がれを阻止することができる。具体的には、ワイヤ５の他方端部５１における第１圧着部５１ａおよび第２圧着部５１ｂのいずれかがインナーリード部４ｂから剥がれた場合でも、もう一方の圧着部がインナーリード部４ｂと圧着接続されているために、ワイヤ５とリード端子４との接続状態が保持され、ワイヤ５がリード端子４から剥がれてしまうことを阻止することができる。したがって、リード端子４からのワイヤ５の断線を阻止することができ、ひいては半導体チップ２とリード端子４とが導通不良してしまうという問題を阻止することができる。
さらに、本実施形態においては、第１圧着部５１ａと第２圧着部５１ｂとの間に肉厚部が、インナーリード部４ｂと接するように形成されている。そのため、第１圧着部５１ａと第２圧着部５１ｂとの間に隙間が生じないために、樹脂が隙間に入り込まず、第１圧着部５１ａと第２圧着部５１ｂとのインナーリード部４ｂからの熱応力に起因する剥がれを抑制することができる。加えて、肉厚部５１ｃは、インナーリード部４ｂに対して圧力がかからないように形成されているために、ワイヤ５における第１圧着部５１ａおよび第２圧着部５１ｂのいずれか一方が剥がれても、剥がれた際の応力が剥がれていない他方の圧着部に伝わることを抑制することができ、剥がれていない他方の圧着部のインナーリード４ｂに対する接続状態を保持することができるために、よりワイヤ５のリード端子４からの断線を阻止することができる。
本発明は、上述した半導体装置には限定されない。たとえば、ＱＦＰ型の半導体装置の代わりにＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｉｄ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置やＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の半導体装置を本発明に適用してもよい。また、半導体装置を、ＱＦＰ型、ＱＦＮ型およびＢＧＡ型以外のパッケージ形態に構成してもよい。
また、上記実施形態においては、ワイヤ５が第１圧着部５１ａおよび第２圧着部５１ｂの２つの圧着部を有するように構成されているが、圧着部を３以上設けるように構成してもよい。なお、このような構成にした場合は、よりワイヤ５のリード端子４からの剥がれを阻止することができる。さらに、各圧着部の間に肉厚部をインナーリード部４ｂの上面上に接するように形成すれば、ワイヤ５のリード端子４からの断線を阻止するという効果をより発揮することができる。
本発明はさらに、図１０に示したように、ワイヤ５の第２圧着部５１ｂ上に接続補助部５１ｄを形成してもよい。この接続補助部５１ｄは、たとえば、ワイヤ５の先端部を溶融させてボール形状とし、第２圧着部５１ｂに圧着することにより形成することができる。このような接続補助部５１ｄを形成した場合には、第２圧着部５１ｂのインナーリード部４ｂに対する接合強度が向上するため、ワイヤ５のリード端子４からの断線をさらに阻止することができる。
また、上記実施形態においては、アイランドを、リードフレームと同じ材料から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、アイランドをリードフレームと異なる材料から構成してもよい。たとえば、４２Ａｌｌｏｙ合金やコバール（Ｋｏｖａｒ）合金から構成してもよい。
本発明に係る半導体装置の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る半導体装置の一例を説明するための平面図である。 本発明に係る半導体装置の一例を説明するための部分断面図である。 本発明に係る半導体装置のアイランド構造を説明するための斜視図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。 図７Ａは、本発明に係る半導体装置のワイヤボンディング方法を説明するための模式的な断面図である。 図７Ｂは、図７Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。 図７Ｃは、図７Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。 図７Ｄは、図７Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。 本発明に係る半導体装置の他の例を説明するための部分断面図である。 従来の半導体装置の一例を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の一例を説明するための部分断面図である。
符号の説明
１ 半導体装置
２ 半導体チップ
２０ 一方表面（主面）
２１ 電極部
４ リード端子
４ａ リード端子の他方端部（アウターリード部）
４ｂ リード端子の一方端部（インナーリード部）
５ ワイヤ
５０ ワイヤの一方端部
５１ ワイヤの他方端部
５１ａ 第１圧着部
５１ｂ 第２圧着部
５１ｃ 肉厚部
６ 封止樹脂層

Claims (6)

  1. 一方表面上に複数の電極部が形成された半導体チップと、
    前記半導体チップ側に一方端部が配置された複数のリード端子と、
    前記各電極部と前記各リード端子とを電気的に接続する複数のワイヤと、
    少なくとも前記半導体チップ、前記リード端子の一方端部および前記ワイヤを封止する封止樹脂層とを備え、
    前記ワイヤは、前記リード端子における一方端部の表面に接続された第１圧着部と、前記リード端子における一方端部の表面において、前記リード端子の他方端部側に離間した第２圧着部とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ワイヤは、前記第１圧着部と前記第２圧着部との間に、前記第１圧着部および前記第２圧着部の厚みよりも厚みが大きい肉厚部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記肉厚部は、前記リード端子における一方端部の表面と接することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 半導体チップの一方表面上に形成された複数の電極部とワイヤの一方端部とを接続させる第１ボンディング工程と、
    前記半導体チップ側に一端部が配置されたリード端子と前記ワイヤの他方端部とを接続する第２ボンディング工程と、
    少なくとも前記半導体チップ、前記リード端子の一方端部および前記ワイヤを封止樹脂により封止する樹脂封止工程とを備える半導体装置の製造方法において、
    前記第２ボンディング工程は、前記ワイヤと前記リード端子の一方端部表面とが接続する第１圧着部を形成する第１圧着工程と、前記第１圧着部より前記リード端子の他方端部側に離間した位置で前記ワイヤと前記リード端子の一方端部表面とが接続する第２圧着部を形成する第２圧着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。
  5. 前記第２ボンディング工程は、前記第１圧着部と前記第２圧着部との間に、前記第１圧着部および前記第２圧着部よりも厚みが大きい肉厚部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記肉厚部は、前記リード端子における一方端部の表面と接するように形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
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