JP2010251374A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Hitohisa Sato
仁久 佐藤
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    • H01L2224/45117Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/45147Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
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    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73221Strap and wire connectors
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    • H01L2224/732Location after the connecting process
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    • H01L2224/73263Layer and strap connectors
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    • H01L2224/838Bonding techniques
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Abstract

【課題】半導体チップのパッドに金属リボンをボンディングする工程を伴う半導体装置の製造において、半導体チップのサイズ縮小に伴って金属リボンの厚さが薄くなった場合においても、ボンディング強度を保ちながら、金属リボンの断線を防止する。
【解決手段】半導体チップのパッドの表面に位置決めしたAlリボンに超音波振動を印加しながらウェッジツール10の圧着面を圧接してボンディングを行うに際して、ウェッジツール10の圧着面の両端部に凹部10aを設けておき、パッドにボンディングされたAlリボンの幅方向の両端部がウェッジツール10の圧着面と接触しないようにする。
【選択図】図10

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、半導体チップのボンディングパッドとリードフレームを金属リボンで接続する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。
携帯情報機器の電力制御スイッチや充放電保護回路スイッチなどに使用されるパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が形成された半導体チップは、フラットリードパッケージ(Flat Lead Package)やSOP−8などの小型面実装パッケージに封止されている。
上記半導体チップは、その裏面がパワーMOSFETのドレインを構成しており、Agペーストなどの導電性接着剤を介してリードフレームのダイパッド部上に接合されている。半導体チップの主面の最上層には、パワーMOSFETのソースに接続されたソースパッドと、ゲート電極に接続されたゲートパッドが形成されている。ソースパッドは、パワーMOSFETのオン抵抗を低減するために、ゲートパッドよりも広い面積で形成されている。
上記半導体チップが封止されたモールド樹脂の外部には、外部接続端子を構成する複数本のリードが露出している。これらのリードは、ソースリード、ドレインリードおよびゲートリードからなる。ドレインリードは、ダイパッド部と一体に形成されており、このダイパッド部上に搭載された半導体チップの裏面(パワーMOSFETのドレイン)と電気的に接続されている。
近年、上記のような構造の面実装パッケージにおいては、パワーMOSFETのオン抵抗を低減するために、可撓性のある金属リボンを使ってソースパッドとソースリードを接続する技術が実用化されている。
金属リボンは、例えば厚さが数百μm程度のAl(アルミニウム)箔やCu(銅)箔などで構成されており、その幅はソースパッドの幅によっても異なるが、一般的には1mm前後である。ソースパッドおよびソースリードに金属リボンを接続するには、超音波振動を利用したウェッジボンディング法が用いられる。
上記金属リボンの利点は、リボンの幅がAu(金)ワイヤの直径に比べて遙かに大きいので、1本の金属リボンでもソースパッドに対して十分な接続面積を確保でき、ソースパッドとソースリードを複数本のAuワイヤで接続した場合に比べてパワーMOSFETのオン抵抗を大幅に低減できることにある。また、Auよりも安価なAlでリボンを構成するので、パッケージの材料原価を低減できるという効果もある。
特許文献1は、上記した金属リボンの接続に用いるウェッジツールの改良技術を開示している。この公報に記載されたウェッジツールの下面には、金属リボンの延在方向と平行な方向に沿って複数の溝または切り欠きが設けられている。そのため、半導体チップ上に配置した金属リボンにこのウェッジツールを圧接すると、ツールの下面の一部だけが金属リボンと接触する。これにより、ウェッジツールから半導体チップの表面に過大な超音波振動エネルギーが伝わるのを防止できるので、半導体チップに亀裂や割れなどの破損が生じる不具合が軽減される。
特許文献2には、圧着面に複数の突起と前記突起の間の複数の溝とを設けたリボンボンディング用のウェッジツールが開示されている。
特許文献3には、圧着面に複数の突起部が形成されたリボンボンディング用のウェッジツールが開示されている。複数の突起部の各々は、対向する二側面が前記圧着面に対して傾斜し、これら二側面に隣接する他の二側面が前記圧着面に対して略垂直となっている。
特許文献4には、リボンボンディング用のウェッジツールの圧着面にローレット加工で突起を形成しておき、超音波接合の際に前記突起を金属リボン上に押し当てて押圧荷重、超音波振動を印加し、ヒートスプレッダ/金属リボン間の重なり面域に分散して所要の通電容量に対応した超音波接合部を形成する技術が開示されている。
特許文献5には、金属リボンのボンディングに際し、金属リボンに1つまたは複数のループを形成する技術を開示している。
特開2006−196629号公報 特表2008−529303号公報 特開2006−165518号公報 特開2006−135270号公報 特開2004−336043号公報
パワーMOSFETが形成された半導体チップのソースパッドに金属リボンをボンディングするには、まず、金属リボンの先端部を半導体チップのソースパッド上に位置決めした後、ウェッジツールの底面(圧着面)を金属リボンに圧接し、超音波振動を印加する。これにより、ウェッジツールの底面と接している領域の金属リボンが潰されてソースパッドの表面に接合される。
ところがコスト低減のため、半導体ウエハからの取得数を向上させようとすると半導体チップの外形寸法が小さくなり、これに伴いソースパッドの面積も小さくなる。このような面積が小さくなったソースパッドに安定したループを形成しながらボンディングを行うためには、金属リボンの厚さを薄くしなければならない。
しかし、金属リボンの厚さを薄くすると、ソースパッドの表面に金属リボンをボンディングした時に、ウェッジツールによって潰された箇所の厚さが極めて薄くなるために、金属リボンが断線し易くなる。
このような金属リボンの断線を防止するためには、ウェッジツールに何らかの工夫が必要となるが、前述した特許文献1〜5には、このような微細なパッドに安定して金属リボンをボンディングする技術については記載されていない。
本発明の目的は、半導体チップのパッドに金属リボンをボンディングする工程を伴う半導体装置の製造において、半導体チップのサイズ縮小に伴って金属リボンの厚さが薄くなった場合においても、ボンディング強度を保ちながら、金属リボンの断線を防止することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本願の一発明は、半導体チップと、前記半導体チップの近傍に配置された第1導体と、前記半導体チップの主面に形成されたパッドと前記第1導体とを電気的に接続する金属リボンとを有する半導体装置であって、前記半導体チップの前記パッドに接続された前記金属リボンは、その幅方向の両端部の厚さが前記両端部の内側の部分の厚さよりも厚いものである。
本願の他の一発明は、半導体チップの主面に形成されたパッドに金属リボンをボンディングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記ボンディング工程で用いるウェッジツールは、前記金属リボンの幅方向の両端部に対向する圧着面の両端部に凹部が設けられているものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
半導体チップのサイズ縮小に伴って金属リボンの厚さが薄くなった場合においても、ボンディング強度を保ちながら、金属リボンの断線を防止することが可能となる。
(a)は、本発明の実施の形態1である半導体装置の上面を示す平面図、(b)は、この半導体装置の短辺側の側面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の裏面(実装面)を示す平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の内部構造を示す平面図である。 図3のA−A線に沿った断面図である。 半導体チップに形成されたトレンチゲート型のnチャネルパワーMOSFETを示す要部断面図である。 半導体チップに形成されたゲート引出し電極、ゲートパッドおよびソースパッドのレイアウトを示す平面図である。 図6の符号Bで示す領域におけるゲート電極のレイアウトを示す斜視図である。 一般的なリボンボンディング装置のウェッジツールを使ったリボンボンディング方法を説明する斜視図である。 一般的なリボンボンディング装置のウェッジツールを使ったリボンボンディング方法を説明する斜視図である。 (a)は、本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法で使用するウェッジツールを下方から見た平面図、(b)は、このウェッジツールの圧着面を示す平面図である。 (a)は、本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法で使用するウェッジツールの先端部を示す斜視図、(b)は、このウェッジツールの先端部を示す側面図である。 (a)は、本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法で使用するウェッジツールの先端部の別例を示す斜視図、(b)は、このウェッジツールの先端部を示す側面図である。 (a)は、本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法で使用するウェッジツールの先端部の別例を示す斜視図、(b)は、このウェッジツールの先端部を示す側面図である。 リボンボンディング装置に装着されたウェッジツールの先端部近傍を示す側面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程を示す全体フロー図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図16に続く半導体装置の製造工程を示す斜視図である。 図17に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図18に続く半導体装置の製造工程を示す斜視図である。 図19に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 (a)は、ソースパッドにボンディングされたAlリボンの平面図、(b)は、ウェッジツールの先端部の形状を示す側面図と、(a)のB−B’線およびC−C’線に沿ったAlリボンの断面図である。 図21に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図23に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図24に続く半導体装置の製造工程を示す斜視図である。 図25に続く半導体装置の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施の形態2である半導体装置の内部構造を示す平面図である。 本発明の実施の形態3である半導体装置の製造方法を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置の上面を示す平面図である。 図29に示す半導体装置の内部構造を示す平面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置の内部構造を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。以下の実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。
また、以下の実施の形態において、Alリボンとは、Alを主成分とする導電材料で構成された帯状の結線材料を意味している。通常、Alリボンは、スプールに巻かれた状態でボンディング装置に設置される。Alリボンは、極めて薄いため、リードフレームや半導体チップのパッドに接続する際には、長さやループ形状を任意に設定することができるという特徴がある。
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体装置は、面実装パッケージの一種のフラットリードパッケージ(Flat Lead Package:以下、FLPという)に適用したものである。図1(a)は、このFLPの上面を示す平面図、(b)は、短辺側の側面図、図2は、裏面(実装面)を示す平面図、図3は、内部構造を示す平面図、図4は、図3のA−A線に沿った断面図である。
FLPは、リードフレームのダイパッド部3D上に搭載した半導体チップ1をモールド樹脂2で封止した小型面実装パッケージであり、その外形寸法は、長辺=6.1mm、短辺=5.3mm、厚さ=0.8mmである。
シリコンフィラーを含浸させたエポキシ系樹脂からなるモールド樹脂2の短辺側の側面には、FLPの外部接続端子を構成する8本のリード3(♯1〜♯8)が露出している。これらのリード3のうち、図1および図2に示す1番リード(♯1)から3番リード(♯3)はソースリード、4番リード(♯4)はゲートリード、5番リード(♯5)から8番リード(♯8)はドレインリードである。また、モールド樹脂2の裏面には、半導体チップ1で発生した熱の放熱およびパッケージの放熱性向上のために、8本のリード3の裏面とダイパッド部3Dの裏面とが外部に露出している。ダイパッド部3Dおよび8本のリード3は、Cu(銅)またはFe−Ni(鉄−ニッケル)合金からなり、その表面には、Ni(ニッケル)膜、Pd(パラジウム)膜およびAu(金)膜を積層した3層構造のメッキが施されている。
上記8本のリード3のうち、3本のソースリード(♯1〜♯3)は、モールド樹脂2の内部で互いに連結されている。すなわち、3本のソースリード(♯1〜♯3)は、電気的に接続されている。以下、モールド樹脂2の内部に位置するソースリードをソースポスト3Sと称する。また、ゲートリード(♯5)のうち、モールド樹脂2の内部に位置する部分をゲートポスト3Gと称する。一方、4本のドレインリード(♯5〜♯8)は、モールド樹脂2の内部でダイパッド部3Dと一体に構成されている。
ダイパッド部3D上には、Agペーストや半田などの導電性接着剤4を介して半導体チップ1が搭載されている。半導体チップ1は単結晶シリコンからなり、その主面には、例えば携帯情報機器の電力制御スイッチや充放電保護回路スイッチなどに使用される複数個のパワーMOSFET(パワー素子)が形成されている。半導体チップ1の裏面は、これらのパワーMOSFETに共通のドレインを構成しており、導電性接着剤4およびダイパッド部3Dを介してドレインリード(♯5〜♯8)と電気的に接続されている。
また、半導体チップ1の主面には、パワーMOSFETのゲート電極と電気的に接続された1個のゲートパッド5と、パワーMOSFETのソースと電気的に接続された2個のソースパッド6とが形成されている。そして、ゲートパッド5は、Auワイヤ7を介してゲートポスト3Gと電気的に接続されている。一方、2個のソースパッド6のそれぞれは、パワーMOSFETのオン抵抗を低減するために、ゲートパッド5よりも広い面積で構成されており、かつAuワイヤ7よりも広い面積を有するAlリボン8を介してソースポスト3Sと電気的に接続されている。
図5は、半導体チップ1に形成されたトレンチゲート型のnチャネルパワーMOSFETを示す要部断面図である。
型単結晶シリコン基板30の主面には、n型単結晶シリコン層31が形成されており、n型単結晶シリコン層31の上部には、p型半導体領域32が形成されている。また、p型半導体領域32の表面には、n型半導体領域33が形成されている。n型単結晶シリコン基板30およびn型単結晶シリコン層31は、パワーMOSFETのドレインを構成する半導体領域であり、n型半導体領域33は、パワーMOSFETのソースを構成する半導体領域である。また、p型半導体領域32は、パワーMOSFETのチャネルが形成される半導体領域である。
p型半導体領域32の一部には、底部がn型単結晶シリコン層(ドレイン)31に達する溝34が形成されており、溝34の内部には、パワーMOSFETのゲート絶縁膜35およびゲート電極36が形成されている。ゲート絶縁膜35は酸化シリコン膜からなり、ゲート電極36はn型多結晶シリコン膜からなる。ゲート電極36の上端部は溝34の上方に突出しており、その両側には酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ37が形成されている。また、ゲート電極36の上部には、窒化シリコン膜38および酸化シリコン膜39が形成されている。
酸化シリコン膜39の上部には、ソース電極41およびゲート引出し電極42が形成されている。ソース電極41およびゲート引出し電極42は、Ti膜とTiN膜の積層膜からなるバリアメタル膜43の上部にAl合金膜44を堆積した導電膜で構成されている。ソース電極41は、窒化シリコン膜38および酸化シリコン膜39に形成された接続孔45を通じてパワーMOSFETのソース(n型半導体領域33)と電気的に接続されている。また、ゲート引出し電極42は、図には示さない領域の窒化シリコン膜38および酸化シリコン膜39に形成された接続孔を通じて、パワーMOSFETのゲート電極36と電気的に接続されている。
ソース電極41およびゲート引出し電極42の上部には、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜からなる表面保護膜46が形成されている。ソース電極41は、その上部を覆う表面保護膜46の一部が除去され、半導体チップ1の表面に露出している。また、ゲート引出し電極42は、その上部を覆う表面保護膜46の一部が除去され、半導体チップ1の表面に露出している。ソース電極41のうち、半導体チップ1の表面に露出した領域は、前記ソースパッド6を構成しており、ゲート引出し電極42のうち、半導体チップ1の表面に露出した領域は、前記ゲートパッド5を構成している。図5には示さないが、ソースパッド6の表面には前記Alリボン8がボンディングされており、ゲートパッド5の表面には前記Auワイヤ7がボンディングされている。
図6は、上記半導体チップ1に形成されたゲート引出し電極42、ゲートパッド5およびソースパッド6のレイアウトを示す平面図である。
この半導体チップ1の平面形状は、長辺=1.6mm、短辺=1.0mmの長方形である。また、2個のソースパッド6(6a、6b)のそれぞれの平面形状は、長辺=1.02mm、短辺=0.225mmの長方形であり、ゲートパッド5の平面形状は、1辺=0.12mmの正方形である。
ゲート引出し電極42は、半導体チップ1の主面の外周部と中央部とに配置されており、ゲートパッド5は、半導体チップ1の中央部に配置されたゲート引出し電極42の一端に配置されている。半導体チップ1の主面上でゲート引出し電極42およびゲートパッド5をこのように配置した場合は、図7(図6の符号Bで示す領域におけるゲート電極36のレイアウトを示す斜視図)に示すように、パワーMOSFETのそれぞれのゲート電極36の一端がゲート引出し電極42に向かって直線状に延在し、ゲート引出し電極42と電気的に接続される。これにより、半導体チップ1の全体でゲート電極36の長さを最短化することができるので、例えば半導体チップ1の中央部に1個のソースパッド6を配置し、周辺部にゲートパッド5を配置したレイアウトに比べてゲート抵抗(Rg)が半分以下に低減され、パワーMOSFETのスイッチング特性が向上する。
一方、半導体チップ1の中央部にゲート引出し電極42を配置したことにより、このゲート引出し電極42と同層の導電膜で構成されるソース電極41は、このゲート引出し電極42を挟んでその両側に形成される。従って、ソースパッド6もこのゲート引出し電極42を挟んでその両側に1個ずつ配置される。
このように、本実施の形態のFLPは、パワーMOSFETのスイッチング特性を向上させるために、半導体チップ1の中央部にゲート引出し電極42を配置し、このゲート引出し電極42に接続されるゲート電極36の長さを最短化することによって、ゲート抵抗(Rg)の低減を図っている。また、これにより、ソースパッド6は、ゲート引出し電極42を挟んでその両側に1個ずつ配置される。従って、ソースポスト3Sと半導体チップ1とを電気的に接続するAlリボン8の一端は、2個のソースパッド6のそれぞれの表面にボンディングされている。
ここで、一般的なリボンボンディング装置のウェッジツールを使って、上記半導体チップ1の2個のソースパッド6にAlリボン8をボンディングする場合の問題点について説明する。
2個のソースパッド6にAlリボン8をボンディングするには、まず、図8に示すように、Alリボン8の先端部を半導体チップ1の第1のソースパッド6上に位置決めした後、ウェッジツール20の圧着面をAlリボン8に圧接し、数W程度のエネルギーの超音波振動を印加する。これにより、ウェッジツール20の圧着面と接する領域のAlリボン8が潰されて第1のソースパッド6の表面にボンディングされる。次に、ウェッジツール20を第2のソースパッド6上に移動させた後、図9に示すように、ウェッジツール20の圧着面をAlリボン8に圧接し、数W程度のエネルギーの超音波振動を印加する。これにより、ウェッジツール20の底面と接する領域のAlリボン8が潰されて第2のソースパッド6の表面にボンディングされる。
前述したように、2個のソースパッド6の間には、ゲートパッド5に接続されるゲート引出し電極42が配置されている。従って、上記ウェッジツール20を使って2個のソースパッド6にAlリボン8をボンディングする際は、図9に示すように、2個のソースパッド6の間のAlリボン8にループを形成し、ゲート引出し電極42にボンディングダメージが及ばないようにする。なお、この時にループの高さを低くすると、半導体チップ1をモールド樹脂2で封止する際に、半導体チップ1の表面とAlリボン8との隙間にモールド樹脂2が入り込めず、空隙(ボイド)が生じる恐れがある。このようなボイドは、そこに水分が溜まり、本半導体装置を配線基板に実装する際の半田付けリフローで水分が体積膨張することで、パッケージクラック等の不具合を引き起こす原因となることが多い。従って、このような不具合を避けるためには、半導体チップ1とAlリボン8との間にモールド樹脂2が入り込めるように、ループの高さを調整する必要がある。
ところが、本実施の形態のFLPは、半導体チップ1の外形寸法が非常に小さいために、2個のソースパッド6の間隔が非常に狭くなっている。従って、2個のソースパッド6を跨ぐAlリボン8にループを形成するためには、Alリボン8の厚さを0.1mm以下、好ましくは0.05mm程度まで薄くしなければならない。
しかし、Alリボン8をこのように薄くすると、ソースパッド6の表面にAlリボン8をボンディングした時に、ウェッジツール20によって潰された箇所の厚さが極めて薄くなるために、Alリボン8の幅方向の両端部(図9の矢印で示す箇所)に亀裂が発生し、この亀裂が両端部から内側に進行してAlリボン8が断線することがある。
また、間隔が狭い2個のソースパッド6の間にループを形成すると、ループの立ち上がりが非常に急峻になるために、ループが立ち上がる領域のAlリボン8に強い曲げ応力が加わる。従って、近接して配置された2個のソースパッド6に極めて薄いAlリボン8をボンディングする場合は、特に、第1のソースパッド6上でAlリボン8が断線し易い。
そこで、本実施の形態では、次のようなウェッジツールを使ってAlリボン8のボンディングを行う。
図10(a)は、本実施の形態で使用するウェッジツールを下方から見た平面図、(b)は、このウェッジツールの圧着面を示す平面図、図11(a)は、このウェッジツールの先端部を示す斜視図、(b)は、このウェッジツールの先端部を示す側面図である。また、図11(b)には、このウェッジツールが圧接された時のAlリボンの断面構造も示されている。
本実施の形態で使用するウェッジツール10は、ステンレス鋼(SUS304)などの金属で構成されており、その圧着面は、長方形の平面形状を有している。圧着面の長辺の長さはAlリボン8の幅よりも大きく、かつソースパッド6の長辺よりも短い(例えば0.89mm〜0.9mm程度)。また、短辺の長さは、ソースパッド6の短辺よりも短い(例えば0.09mm程度)。
また、本実施の形態で使用するウェッジツール10は、圧着面の長辺方向の両端部に凹部10a(第1の凹部)が設けられている。一方、圧着面の中央部には、2つの浅い凹溝10b(第2の凹部)を挟んで3つの凸部10cが設けられている。ここで、図11(b)に示す凸部10cと凹部10aとの段差Laは、Alリボン8の厚さよりも大きくなるように設定されており、例えばAlリボン8の厚さを0.05mmとした場合、凸部10cと凹部10aとの段差は、0.06mm程度である。従って、このウェッジツール10の圧着面をAlリボン8に圧接した時に、圧着面の両端部は、Alリボン8と接触しない。
つまり、図11(b)に示すように、ウェッジツール10の圧着面の両端部に設けられている凹部10aは、Alリボン8の幅方向の両端部(厚膜部8a)に対向する領域である。従って、ウェッジツール10の圧着面をAlリボン8に圧接した時、Alリボン8の幅方向の両端部(厚膜部8a)は、ウェッジツール10と接触しないということになる。
ウェッジツール10の圧着面の中央部に設けられた2つの浅い凹溝10bは、この圧着面をAlリボン8に圧接した時に、Alリボン8の中央部(薄膜部8c)に加わる応力を周囲(厚膜部8a、8b)に逃がすための溝である。この浅い凹溝10bの溝の深さ、すなわち図11(b)に示す凸部10cと凹部10bとの段差Lbは、前述の凸部10cと凹部10aとの段差Laよりも段差量が小さい(段差La>段差Lb)。すなわち、Alリボン8の厚膜部8bおよび薄膜部8cは、それぞれウェッジツール10の浅い凹溝10bおよび凸部10cによって形成された部分であり、Alリボン8の厚さは、厚膜部8a>厚膜部8b>薄膜部8cの順となっている。
なお、圧着面の浅い凹溝10bは、必須のものではなく、例えば図12に示すように、中央部全体を凸部10cにしてもよい。あるいは、図13に示すように、中央部に一箇所だけ浅い凹溝10bを設けてもよい。いずれの場合においても、圧着面の両端部に凹部10aを設けることにより、Alリボン8の両端部(厚膜部8a)に亀裂が入らなくなるので、亀裂がリボンの内側に進行して、Alリボン8が断線することを防止することができる。
図14は、リボンボンディング装置に装着された上記ウェッジツール10の先端部近傍を示す側面図である。図14に示すように、ウェッジツール10の一方の側面には、Alリボン8をウェッジツール10の圧着面に送り出すためのリボンガイド11が取り付けられる。また、ウェッジツール10のもう一方の側面には、ボンディング完了後にAlリボン10を切断するためのカッター12が上下動可能に取り付けられる。
次に、上記ウェッジツール10を使ったAlリボン8のボンディング工程を含むFLPの製造方法を説明する。図15は、FLPの製造工程を示す全体フロー図である。
本実施の形態のFLPを製造するには、まず、図16および図17に示すように、Agペーストや半田などの導電性接着剤4を使用してリードフレームLFのダイパッド部3D上に半導体チップ1を搭載する(ダイボンディング)。
次に、図18および図19に示すように、リボンガイド11から送り出されたAlリボン8の先端部を半導体チップ1の第1のソースパッド6上に位置決めした後、ウェッジツール10の圧着面をAlリボン8に圧接し、数W程度のエネルギーの超音波振動を印加する。これにより、ウェッジツール10の圧着面に形成された凸部10cと接する領域のAlリボン8が潰されて第1のソースパッド6の表面にボンディングされる。前述したように、ウェッジツール10の圧着面の両端部には凹部10aが設けられているので、ソースパッド6にボンディングされたAlリボン8の幅方向の両端部は、ウェッジツール10の圧着面と接触しない。そのため、Alリボン8の両端部に亀裂が入らなくなるので、亀裂がリボンの内側に進行して、Alリボン8が断線することを防止することができる。
次に、ウェッジツール10を第2のソースパッド6上に移動させながら、2個のソースパッド6の間のAlリボン8にループを形成した後、図20および図21に示すように、ウェッジツール10の圧着面をAlリボン8に圧接し、数W程度のエネルギーの超音波振動を印加する。これにより、ウェッジツール10の圧着面に形成された凸部10cと接する領域のAlリボン8が潰されて第2のソースパッド6の表面にボンディングされる。この時も、第2のソースパッド6にボンディングされたAlリボン8の幅方向の両端部は、ウェッジツール10の圧着面と接触しない。そのため、第2のソースパッド6におけるボンディングにおいても、Alリボン8の両端部に亀裂が入らなくなるので、亀裂がリボンの内側に進行して、Alリボン8が断線することを防止することができる。
前述したように、2個のソースパッド6の間でAlリボン8にループを形成すると、ループの立ち上がりが非常に急峻になるために、ループが立ち上がる領域のAlリボン8に強い曲げ応力が加わる。Alリボン8は、この強い曲げ応力がかかることにより、断線する場合もある。この曲げ応力を緩和する対策として、図22に示すように、ウェッジツール10の圧着面に形成された凹溝10bのうち、ソースポスト3Sに近い側(ループに近い側)に位置する角部の曲率半径(R1)を、Alリボン8の先端側に位置する角部の曲率半径(R2)よりも大きくする(R1>R2)ことが有効である。このようにした場合は、Alリボン8の厚膜部8bの角部のうち、ソースポスト3Sに近い側(ループに近い側)に位置する角部の曲率半径が、対向する側(Alリボン8の先端側)に位置する角部の曲率半径よりも大きくなるので、Alリボン8に加わる曲げ応力が分散される。一方、Alリボン8の先端側に位置する角部の曲率半径(R2)を小さくすることにより、Alリボン8とソースパッド6の接合面積を確保することができる。
次に、図23に示すように、ウェッジツール10をリードフレームLFのソースポスト3S上に移動させた後、ウェッジツール10の圧着面をAlリボン8に圧接し、上記の同様の方法でAlリボン8をソースポスト3Sの表面にボンディングする。続いて、図24に示すように、Alリボン8をカッター12で切断することにより、ソースポスト3Sと2個のソースパッド6をAlリボン8によって電気的に接続するリボンボンディング工程が完了する。
このようにして、上記のリボンボンディング工程を繰り返し、図25に示すように、リードフレームLF上に搭載された全ての半導体チップ1のソースパッド6とソースポスト3SをAlリボン8によって電気的に接続した後、図26に示すように、周知のボールボンディング装置を用いて、リードフレームLF上に搭載された全ての半導体チップ1のゲートパッド5とゲートポスト3GとをAuワイヤ7によって電気的に接続する。
なお、Alリボン8のボンディング工程とAuワイヤ7のボンディング工程は、上記と逆の順序で行うこともできる。すなわち、Auワイヤ7のボンディング後にAlリボン8のボンディングを行うこともできる。ただし、Alリボン8のリボン幅およびリボン厚は、Auワイヤ7のワイヤ径よりも大きいので、Alリボン8のボンディング時に半導体チップ1に加わる振動エネルギーは、Auワイヤ7のボンディング時に半導体チップ1に加わる振動エネルギーよりも大きい。従って、Auワイヤ7のボンディング後にAlリボン8のボンディングを行うと、Alリボン8のボンディング時の振動エネルギーによって、Auワイヤ7とゲートパッド5との接着強度が低下し、場合によっては、Auワイヤ7がゲートパッド5から外れてしまう恐れがある。また、Alリボン8のボンディングに使用するウェッジツール10がAuワイヤ7に接触し、ワイヤに傷を付けたり、切断したりする恐れもある。従って、Alリボン8とAuワイヤ7のボンディング順序は、Alリボン8のボンディング後にAuワイヤ7のボンディングを行うことが望ましい。
次に、半導体チップ1、Alリボン8、Auワイヤ7、リード3の一部、およびダイパッド部3Dの一部をモールド樹脂2で封止し、続いて、モールド樹脂2の表面にレーザーマーキング法で製品名などを印刷した後、モールド樹脂2の外部に露出した不要なリードフレームLFの切断と樹脂バリの除去を行い、最後に、製品の良・不良を判別する選別工程を経ることにより、前記図1〜図4に示す本実施の形態のFLPが完成する。
このように、本実施の形態では、ウェッジツール10の圧着面の両端部に凹部10aを設け、Alリボン8の幅方向の両端部がウェッジツール10の圧着面と接触しないようにしたので、近接して配置された2個のソースパッド6に極めて薄いAlリボン8をボンディングした場合においても、Alリボン8とソースパッド6との接続強度を保ちながら、Alリボン8の断線を防止することが可能となる。
また、ウェッジツール10の圧着面の角部の曲率半径(R1)を大きくしたことにより、ループの急峻な立ち上がりに起因してAlリボン8に加わる曲げ応力を抑制することができるので、Alリボン8の断線をより確実に防止することができる。
また、ウェッジツール10の圧着面の両端部をAlリボン8と非接触にしたことにより、ウェッジツール10を繰り返し使用した場合でも、Alリボン8から発生するAl粉末の付着に起因する圧着面の劣化が抑制されるので、ウェッジツール10の長寿命化を図ることができる。
(実施の形態2)
図27に示すように、本実施の形態のFLPは、パワーMOSFETのオン抵抗をさらに低減するために、半導体チップ1のソースパッド6とソースポスト3Sを複数本のAlリボン8で接続してもよい。ここでは、ソースパッド6とソースポスト3Sを2本のAlリボン8で接続した例を示している。なお、ソースパッド6とソースポスト3Sを接続するAlリボン8の本数は、3本以上であってもよい。
FLPは、品種あるいは世代によって半導体チップ1の寸法が異なり、これに伴ってソースパッド6の寸法も異なってくる。しかし、ソースパッド6の寸法に応じて、その都度、幅の異なる複数種類のAlリボン8を用意すると、Alリボン8の管理が煩雑になる。これに対して、本実施の形態のように、比較的幅の狭いAlリボン8を1種類用意し、ソースパッド6の寸法に応じてAlリボン8の接続本数を変えるようにした場合は、Alリボン8の管理が煩雑になることはない。
本実施の形態のFLPを製造する場合でも、Alリボン8のボンディング工程において前述したウェッジツール10を使用することにより、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態3)
一般に、FLPを含む樹脂封止型半導体装置の製造工程では、前記図16に示したような、複数のダイパッド部3Dを設けたリードフレームLFが使用される。
このようなリードフレームLFに搭載された複数個の半導体チップ1のソースパッド6とソースポスト3PをAlリボン8で接続する際には、図28に示すように、複数本のウェッジツール10を連結し、複数個の半導体チップ1のソースパッド6に同時にAlリボン8を接続することにより、ボンディング時間を短縮することができる。
この場合も、前記実施の形態1と同様、前述したウェッジツール10を使用することにより、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
前記実施の形態では、ソースパッドとソースポストを接続する導電材料としてAlリボンを用いたが、AuあるいはCu合金のような電気抵抗の小さい他の金属材料で構成されたリボンを用いる場合にも適用することができる。また、ゲートポストとゲートパッドを接続する導電材料として、Auワイヤ以外の材料、例えばAlワイヤやCuワイヤを用いてもよい。
また、前記実施の形態では、Agペーストを使ってダイパッド部上に半導体チップを搭載したが、Agペースト以外のペレット付け材料、例えば半田ペーストや半田リボンなどを使うこともできる。また、ダイパッド部3Dのチップを搭載する部分に、半田メッキを施してもよい。半田リボンや半田メッキで半田付けを行う場合は、フラックス等の活性剤を併用することで、半田濡れ性を確保できる。なお、半導体チップを半田で接続させる場合、半田付け面(チップの裏面)にNi/Au等のメタライズを施しておくことにより、半田の濡れ性および半田との接続性を確保できる。
前記実施の形態では、パワーMOSFETが形成された半導体チップを封止する樹脂パッケージとしてFLPを例示したが、例えばSOP−8などに適用することもできる。
図29は、SOP−8の上面を示す平面図である。SOP−8は、FLPと同じく小型面実装パッケージの一種であり、モールド樹脂22の外部に露出した8本のリード23のピン配置もFLPと同じであるが、リード23のそれぞれがガルウィング状に成形されている。図30は、前記実施の形態1で使用した半導体チップ1をモールド樹脂22で封止したSOP−8の内部構造を示す平面図である。この場合も、ソースパッド6とソースポスト23SをAlリボン8で接続する際に前記実施の形態のウェッジツールを使用することにより、Alリボン8のボンディング強度を保ちつつ、Alリボン8の断線を防止することができる。
また、前記実施の形態では、2個(複数個)のソースパッドを有する半導体チップにAlリボンをボンディングする場合について説明したが、図31に示すように、1個のソースパッド6を有する半導体チップ1にAlリボン8をボンディングする場合にも適用することができる。すなわち、半導体チップのサイズが極めて小さくなると、ソースパッドとソースポストの間隔も狭くなり、かつソースパッドとソースポストの間に形成されるAlリボンのループも急峻になるので、Alリボンのボンディング強度を保ちつつ、Alリボンの断線を防止するためには、前記実施の形態のウェッジツールを使用することが有効である。
また、前記実施の形態では、パワーMOSFETが形成された半導体チップのソースパッドにAlリボンをボンディングしたが、Alリボンをボンディングすることのできるパッドを有する半導体チップであれば、パワーMOSFET以外の素子が形成された半導体チップであっても使用することができる。例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)が形成された半導体チップの場合は、IGBTのオン抵抗を低減するために、エミッタパッドをゲートパッドよりも広い面積で構成するので、エミッタパッドにAlリボンをボンディングする場合にも、本発明を適用することができる。
本発明は、半導体チップのボンディングパッドとリードフレームを金属リボンで接続する半導体装置に適用することができる。
1 半導体チップ
2 モールド樹脂
3 リード
3D ダイパッド部
3G ゲートポスト
3S ソースポスト
4 導電性接着剤
5 ゲートパッド
6 ソースパッド
7 Auワイヤ
8 Alリボン
8a 厚膜部
8b 厚膜部
8c 薄膜部
10 ウェッジツール
10a 凹部
10b 凹溝
10c 凸部
11 リボンガイド
12 カッター
20 ウェッジツール
22 モールド樹脂
23 リード
23S ソースポスト
30 n型単結晶シリコン基板
31 n型単結晶シリコン層
32 p型半導体領域
33 n型半導体領域(ソース)
34 溝
35 ゲート絶縁膜
36 ゲート電極
37 サイドウォールスペーサ
38 窒化シリコン膜
39 酸化シリコン膜
41 ソース電極
42 ゲート引き出し電極
43 バリアメタル膜
44 Al合金膜
45 接続孔
46 表面保護膜
LF リードフレーム
La、Lb 段差

Claims (20)

  1. 主面と、前記主面とは反対側の裏面とを有する半導体チップと、
    前記半導体チップの前記主面に形成されたパッドと、
    前記半導体チップの近傍に配置された第1導体と、
    前記パッドと前記第1導体とを電気的に接続する金属リボンと、を有する半導体装置であって、
    前記半導体チップの前記パッドに接続された前記金属リボンの幅方向における両端部の厚さは、前記両端部の内側のいずれの部分の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記金属リボンの前記両端部の内側には、前記両端部よりも厚さが薄い薄膜部が設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記薄膜部は、複数設けられていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. それぞれの前記薄膜部に挟まれた厚膜部分の前記第1導体に近い側の角部の曲率半径は、対向する角部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップの前記主面には、前記パッドが複数個形成されており、前記金属リボンは、前記複数個のパッドのそれぞれと電気的に接続されていることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップの前記主面には、パワー素子が形成されていることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記パワー素子は、パワーMOSFETであり、前記複数個のパッドのそれぞれは、前記パワーMOSFETのソースパッドであることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
  8. 前記半導体チップの前記主面には、前記ソースパッドよりもパッド面積が小さいゲートパッドがさらに形成され、
    前記半導体チップの近傍には、第2導体がさらに配置され、
    前記ゲートパッドと前記第2導体は、金属ワイヤを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
  9. 前記ゲートパッドは、前記複数個のソースパッドの間に形成されたゲート引き出し配線を介して前記パワーMOSFETのゲート電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
  10. 前記複数個のソースパッドのそれぞれを接続する前記金属ワイヤには、ループが形成されていることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。
  11. 前記半導体チップが搭載されたダイパッド部をさらに有し、
    前記第1および第2導体は、リードであって、
    前記半導体チップ、前記金属リボン、前記金属ワイヤ、前記リードの一部、および前記ダイパッド部の一部は、樹脂によって封止されていることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
  12. 前記金属リボンは、アルミニウムからなることを特徴とする請求項11記載の半導体装置。
  13. 半導体チップの主面に形成されたパッドに金属リボンをボンディングする工程を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記ボンディング工程で用いるウェッジツールは、前記金属リボンの幅方向の両端部に対向する圧着面の両端部に第1の凹部が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  14. 前記圧着面の両端部の内側には、さらに第2の凹部が設けられていることを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記第1の凹部の段差量は、前記第2の凹部の段差量よりも大きいことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記第2の凹部は、前記金属リボンの幅方向に延在する2辺を有し、
    前記2辺に沿った前記圧着面の端部は、それらの曲率半径が互いに異なっていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記圧着面の両端部の内側には、前記第2の凹部が複数個設けられていることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記半導体チップの前記主面には、前記パッドが複数個形成されており、前記金属リボンは、前記複数個のパッドのそれぞれと電気的に接続されることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記複数個のパッドのそれぞれの前記金属リボンにループを形成することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記金属リボンをボンディングする工程の後に、さらに金属ワイヤをボンディングする工程を有することを特徴とする請求項19に記載の半導体装置の製造方法。
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