JP2011233667A - 半導体装置の製造方法、ワイヤーボンディング装置及び半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、ワイヤーボンディング装置及び半導体装置 Download PDF

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wire
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Makoto Tsubonoya
誠 坪野谷
Toshimori Negishi
寿守 根岸
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On Semiconductor Trading Ltd
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Abstract

【課題】金属細線として銅線を用いることで、材料コストが低減される手段を提供する。
【解決手段】半導体チップ１１の周囲のアイランド５上面にプレボンディング領域１０を形成し、プレボンディング領域１０を利用してキャピラリ１９先端のイニシャルボール２６を変形させた後に、電極パッド１２上にワイヤーボンディングを行う。この製造方法により、銅線によるワイヤーボンディング性が向上し、スプラッシュの発生量が大幅に低減し、電極パッド１２間がスプラッシュによりショートすることが防止される。
【選択図】図６

Description

本発明は、ボンディング性を向上させる半導体装置の製造方法、ワイヤーボンディング装置及び半導体装置に関する。
従来の半導体装置の製造方法の一実施例として、下記の製造方法が知られている。図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
先ず、図１４（Ａ）に示す如く、リードフレームのダイパッド７１上に半導体チップ７２を固着した後、リードフレームをワイヤーボンディング装置に設置する。半導体チップ７２の電極パッド７３を約２００℃に加熱し、キャピラリ７４が電極パッド７３上へと移動する。そして、キャピラリ７４の先端からは所望の長さの金属細線７５が導出し、キャピラリ７４近傍に位置するトーチ（図示せず）から放電し、キャピラリ７４の先端に金属ボール７６を形成する。
次に、図１４（Ｂ）に示す如く、半導体チップ７２の電極パッド７３に対し金属ボール７６を押し付け、電極パッド７３上にて金属ボール７６を変形させる。このとき、キャピラリ７４から金属ボール７６へと加えられる荷重は、例えば、３０〜６０ｇｆ程度である。そして、超音波振動併用の熱圧着技術により、金属ボール７６を電極パッド７３へと接続する。一般にこれをボールボンディングと言う。
次に、図１４（Ｃ）に示す如く、キャピラリ７４が外部リード７７の先端部上方へ移動し、外部リード７７のインナーリード部分に対し金属細線７５を、例えば、１００〜１５０ｇｆ程度の荷重にて押し付ける。このとき、外部リード７７を約２００℃に加熱し、外部リード７７に対し超音波振動併用の熱圧着技術により金属細線７５を接続する。その後、ワイヤークランパー７８を閉じた状態にてキャピラリ７４が上昇し、金属細線７５を外部リード７７の接続箇所にて破断する。一般にこれをステッチボンディングと言う。
そして、図１４（Ａ）〜（Ｃ）にて説明したワイヤーボンディング作業を繰り返すことで、半導体チップ７２の全ての電極パッド７３と外部リード７７とを金属細線７５にて電気的に接続する（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２９９４３号公報（第４−５頁、第１図）
前述したように、金属細線７５は、ワイヤーボンディング作業中は高温状態下に置かれる。このとき、従前の技術では、金属細線７５として金線を用い、外部リード７７には銀メッキが施されることで、特に、酸化の問題は重要視されなかった。しかしながら、金線は銅線と比較して材料費が高く、原価コストを引き上げる問題がある。
ここで、金属細線７５として銅線を用いることで、前述した原価コストの問題は解決される。一方、前述したように、ボールボンディング作業では、先ず、金属ボール７６が一定の荷重にて電極パッド７３に押し付けられる。そして、銅線は金線と比較して硬いため、例えば、アルミから成る電極パッドに対して、直接、銅ボールをボールボンディングした場合、銅線よりも軟らかい電極パッドが銅ボールの周囲に追いやられ、銅ボールの周囲にスプラッシュが発生する。そして、そのスプラッシュにより隣り合う電極パッドがショートするという新たな問題が発生する。
特に、銅ボールが良好な球形となることで、銅ボールと電極パッドとは、最初の当接時には点接触に近い状態となる。そして、銅ボールが、電極パッドに当接した後キャピラリから荷重を受け、電極パッド上にて変形するため、その変形が完了する前に、銅ボールが、電極パッド内に深く入り込んでしまう。その結果、銅ボールの周囲に追いやられる電極パッドの量が増大し、スプラッシュが大きく形成され易くなる。同様に、銅ボールと電極パッドとが点接触に近い状態となることで、キャピラリからの押し付け荷重が集中し、ボールボンディング時の衝撃により、電極パッド下方の絶縁層にクラック等のダメージが発生する。
その一方で、例えば、スプラッシュによるショートを防止するため、電極パッド自体を薄くした場合には、前述したように電極パッド下方の絶縁層へのダメージが更に大きくなる。また、銅ボール底面の電極パッドの大部分がスプラッシュとして移動し、銅ボールと電極パッドの接続領域が低減し、接続抵抗値が増大し、あるいは接続不良が起こるという問題も発生する。尚、逆に、電極パッド自体を厚くした場合には、前述したようにスプラッシュの問題が顕著となる。
最後に、金属細線７５として銅線を用いることで、銅線は酸化し易く、酸化した銅線では良好な銅ボールが形成され難く、半導体チップの電極パッドに対して接続不良が発生する。そのため、金属細線７５として銅線を用いる場合には、銅線の酸化を防止しつつ、電極パッドに対する接続性を向上させる方法及びワイヤーボンディング装置の機構が求められる。
前述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置の製造方法では、少なくとも半導体層の一主面側が絶縁層に被覆され、前記絶縁層に形成された開口領域を介して、前記半導体層に形成された半導体素子と電気的に接続する電極パッドを有する半導体チップを準備し、ワイヤーボンディング装置のキャピラリの先端に銅線から成るイニシャルボールを形成し、前記イニシャルボールを前記電極パッド以外のプレボンディング領域に当接させ、前記イニシャルボールに荷重を加えることで前記イニシャルボールに当接面を形成した後、前記イニシャルボールの当接面側から前記電極パッドと前記イニシャルボールとを接続させることを特徴とする。
また、本発明のワイヤーボンディング装置では、リードフレームが配置される載置台と、前記載置台上を覆い、前記リードフレームの搭載部が露出する開口部が設けられたクランパーと、前記クランパーの上方に配置されるキャピラリと、前記キャピラリ近傍に配置されるトーチとを有するワイヤーボンディング装置において、前記キャピラリ近傍にはプレボンディング部が配置され、前記プレボンディング部の上面にはプレボンディング領域が形成され、前記キャピラリの先端にイニシャルボールを形成し、前記イニシャルボールを前記プレボンディング領域に当接させ、前記キャピラリを介して前記イニシャルボールに荷重を加えることで前記イニシャルボールに当接面を形成した後、前記イニシャルボールの当接面側からワイヤーボンディングを行うことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置では、半導体チップと、前記半導体チップの周囲に配置された導電パターンと、前記半導体チップの一主面側に配置された電極パッドと前記導電パターンとを電気的に接続する銅線とを有する半導体装置において、前記銅線から成るイニシャルボールは、前記電極パッドと接続し、前記電極パッドと当接する前記イニシャルボールの当接面は、平坦面と前記平坦面に対して突出した突出部とを有することを特徴とする。
本発明では、銅線を用いてワイヤーボンディングが行われることで、金線が用いられる場合と比較して材料コストが低減される。
また、本発明では、プレボンディング領域を利用してイニシャルボールを変形させた後、電極パッド上に接続させることで、電極パッドでのスプラッシュ発生が大幅に低減される。
また、本発明では、イニシャルボールの当接面に凹凸形状を形成することで、電極パッドの自然酸化膜を破壊し易く、接続性が向上し、接続抵抗値も低減される。
また、本発明では、アイランド上にプレボンディング領域を配置することで、キャピラリの移動が効率化し、ワイヤーボンディング性が向上される。
また、本発明では、不活性ガスを効率的に流すことで、銅線の酸化が防止される。
また、本発明では、ワイヤーボンディング装置にプレボンディング部を設けることで、銅線等の硬い金属線を用いた場合でも、電極パッドでのスプラッシュ発生が大幅に低減される。
また、本発明では、イニシャルボールの形成部近傍にプレボンディング部を配置することで、効率的なワイヤーボンディング作業を実現できる。
本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する平面図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤーボンディング装置を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤーボンディング装置を説明する（Ａ）側面図、（Ｂ）平面図、（Ｃ）断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）平面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置を説明する（Ａ）斜視図、（Ｂ）斜視図、（Ｃ）断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）断面図である。 本発明の実施の形態におけるワイヤーボンディング装置を説明する（Ａ）側面図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）断面図である。 本発明の他の実施の形態における半導体装置を説明する断面図である。 従来の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）断面図である。
以下に、図１〜図８を用いて本発明の半導体装置の製造方法について説明する。図１及び図２は、リードフレームを説明する平面図である。図３は、ダイボンディング工程を説明する平面図である。図４〜図７は、ワイヤーボンディング工程を説明する図である。図８（Ａ）は、樹脂モールド工程を説明する平面図である。図８（Ｂ）は、ダイシング工程を説明する断面図である。
先ず、図１に示す如く、例えば、銅を主材料とするリードフレーム１を準備する。リードフレーム１としては、Ｆｅ−Ｎｉを主材料とするフレームの場合でも良く、他の金属材料から成る場合でも良い。このリードフレーム１には、一点鎖線で示すように、複数の搭載部２が形成される。リードフレーム１の長手方向（紙面Ｘ軸方向）は、スリット３により一定間隔に区切られる。そして、スリット３にて区切られたリードフレーム１の１区間には、例えば、４つの搭載部２の集合から成る１つの集合ブロックが形成される。そして、この集合ブロックが、リードフレーム１の長手方向に複数形成される。また、リードフレーム１の長手方向には、その上下端部領域にインデックス孔４が一定の間隔で設けられ、各工程での位置決めに用いられる。
次に、図２（Ａ）に示す如く、搭載部２は、主に、アイランド５と、アイランド５の４隅を支持する吊りリード６と、アイランド５の４側辺の近傍に位置する複数のリード７と、複数のリード７を支持するタイバー８とから構成される。そして、吊りリード６は、アイランド５の４つのコーナー部から延在し、タイバー８の交差する支持領域９と連結する。支持領域９は、リードフレーム１と一体となり、アイランド５がリードフレーム１に支持される。
次に、斜線のハッチングにて示すように、アイランド５には、その外周端部近傍に複数のプレボンディング領域１０が形成される。プレボンディング領域１０は、例えば、プレス加工またはエッチング加工により形成され、アイランド５の平坦面に凹凸形状が形成される。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、プレボンディング領域１０は、例えば、リードフレーム１の表面に対して複数の半球状の窪みが形成された模様１０ａ、リードフレーム１の表面に対して格子状の窪みが形成された模様１０ｂ、リードフレーム１の表面が梨地加工された模様１０ｃまたはリードフレーム１の表面に対して複数の波状の窪みが並列して形成された模様１０ｄ等に加工される。詳細は後述するが、ワイヤーボンディング工程の際、キャピラリの先端に形成されたイニシャルボールが、プレボンディング領域１０を介して変形した後、電極パッド上に接続される。そして、イニシャルボールの当接面が平坦化し、その平坦面にプレボンディング領域１０の凹凸形状が形成されることで、スプラッシュの量が大幅に低減され、電極パッドとの接続性が向上される。
次に、図３に示す如く、リードフレーム１の搭載部２毎に、アイランド５の上面に半導体チップ１１を固着する。そして、接着材としては、半田、導電性ペースト等の導電性接着材またはエポキシ樹脂等の絶縁性接着材が用いられる。このとき、加熱機構が組み込まれたダイボンド装置が用いられ、その作業領域内が、例えば、２５０〜２６０℃程度に保たれることで、その作業性が向上される。そして、ダイボンド装置の作業領域内が、不活性ガスにより充填されることで、リードフレーム１が、長時間に渡り高温状態下に配置されるが、その酸化が防止される。
前述したように、プレボンディング領域１０は、半導体チップ１１により被覆されない領域のアイランド５上面に配置される。そして、プレボンディング領域１０は、半導体チップ１１の電極パッド１２（またはリード７）と同数だけ配置され、例えば、アイランド５の各側辺に沿って７個ずつ配置される。尚、ワイヤーボンディング時の認識方法に応じて、アイランド５の各側辺に沿って配置されるプレボンディング領域１０の数は任意の設計変更が可能である。例えば、３個の電極パッド１２（またはリード７）に対して１個のプレボンディング領域が配置される場合でも良く、キャピラリの移動距離等、効率的なワイヤーボンディング作業が考慮され、プレボンディング領域１０の数や配置箇所が設計される。
次に、図４及び図５を用いてワイヤーボンディング装置について説明する。
図４（Ａ）に示すように、ワイヤーボンディング装置の載置台１３上にリードフレーム１が配置され、リードフレーム１上方を覆うようにクランパー１４が配置される。リードフレーム１は、載置台１３とクランパー１４との間の空間部をその長手方向に移動し、各搭載部２毎にワイヤーボンディングが行われる。そして、クランパー１４には、前述したリードフレーム１の集合ブロック（４つの搭載部２から成るブロック）に対応した４つの開口部１５が形成される。開口部１５は、クランパー１４を貫通し、前述した空間部へと連通し、開口部１５の側面は傾斜面となる。
図４（Ｂ）に示すように、ワイヤーボンディング領域の載置台１３は突出し、その突出領域上にリードフレーム１の搭載部２が配置される。そして、クランパー１４が、ワイヤーボンディング時に下降し、リードフレーム１は、クランパー１４と載置台１３との間に押圧固定される。また、載置台１３の突出領域には加熱機構１６が内蔵され、リードフレーム１や電極パッド１２（図３参照）は、例えば、２５０〜２６０℃程度に加熱された状態にてワイヤーボンディングが行われる。
次に、クランパー１４の開口部１５近傍には、ノズル１７が配置され、ノズル１７から送風された不活性ガスは、開口部１５内へと吹き込む。銅線１８の径が４５μｍの場合には、例えば、１．９リットル／分の窒素ガス（若干の水素ガスが含まれる）が用いられる。そして、銅線１８は、高温状態の作業領域内に置かれることで酸化し易い状態となるが、上記不活性ガスの存在により銅線１８の酸化が防止される。図示したように、開口部１５の側面が、上方側へと広がる傾斜面となり、作業領域が広がるだけでなく、不活性ガスがワイヤーボンディング領域へと流れ込み易くなる。また、ワイヤーボンディング領域へと吹き込まれた不活性ガスは、開口部１５の傾斜面に沿って形成部２０側へと流れることで、イニシャルボールの形成領域でも銅線１８の酸化が防止される。
尚、集合ブロック毎にワイヤーボンディングが行われ、クランパー１４が上下方向へと可動することで、リードフレーム１が、ワイヤーボンディング装置の空間部を移動し、また、リードフレーム１が、載置台１３上に押圧固定される。このとき、前述した不活性ガスが、クランパー１４の動作に合わせて空間部へと流れ込むことで、空間部内を移動するリードフレーム１の酸化が抑止される。また、図示していないが、クランパー１４に不活性ガスを送り込むパイプを配設し、常時、リードフレーム１が移動する空間部へと不活性ガスを流し込む構造とする場合でも良い。
次に、図５（Ａ）に示す如く、イニシャルボールの形成に用いられる形成部２０は、セラミック等の無機材料から成り、外形形状は紙面上にて横方向に細長い直方体形状となる。形成部２０の内部には、点線にて示すように、その長手方向に内部を貫通して設けた導通孔２１と、その厚み方向に円形に貫通して設けた貫通孔２２が形成される。そして、導通孔２１と貫通孔２２とは連通する。
図示したように、導通孔２１の内部にはトーチ２３が配置され、トーチ２３の先端部は貫通孔２２の内部に露出する。また、トーチ２３の直径は、導通孔２１の内径よりも小さくなる。そして、矢印２４にて示すように、トーチ２３と導通孔２１との間の間隙を利用して、前述した不活性ガスが、貫通孔２２へと供給される。
次に、図５（Ｂ）に示す如く、貫通孔２２は、一点鎖線にて示すキャピラリ１９の外形よりも大きく設計される。そして、ワイヤーボンディングを行う際には、キャピラリ１９は、貫通孔２２を経由し、形成部２０と接触しないように上下方向に可動する。
次に、図５（Ｃ）に示す如く、キャピラリ１９の上方に配置されたワイヤークランパー２５が開放し、キャピラリ１９の先端からは所望の長さの銅線１８が導出し、キャピラリ１９近傍に位置するトーチ２３から放電され、キャピラリ１９の先端にはイニシャルボール（銅ボール）２６が形成される。このとき、矢印２４にて示すように、不活性ガスが貫通孔２２内に供給されるため、銅線１８の酸化が防止され、球形状に近い理想的な形状のイニシャルボール２６が形成される。また、イニシャルボール２６が形成された後も、イニシャルボール２６の表面に酸化被膜が形成されることが抑止される。そして、出荷後にセット製品に組み込まれ、製品化された後に酸化被膜に起因する接続不良を招くことが防止される。
次に、図６及び図７を用いてワイヤーボンディング工程について説明する。尚、その説明の際に図４及び図５を、適宜、参照する。
先ず、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて説明したように、ワイヤーボンディング装置の載置台１３上にリードフレーム１を配置し、ワイヤーボンディング領域までリードフレーム１を移動させ、クランパー１４を用いて載置台１３の突出領域上にリードフレーム１を押圧固定する。そして、ノズル１７から不活性ガスを送風し、クランパー１４の開口部１５内及びその周辺領域を不活性ガスにて満たされた状態とする。
次に、図５（Ｃ）に示す如く、形成部２０にて、キャピラリ１９の先端にイニシャルボール２６が形成される。その後、図６（Ａ）に示す如く、ワイヤークランパー２５（図５（Ｃ）参照）にて銅線１８を挟持した状態にて、キャピラリ１９が、アイランド５のプレボンディング領域１０に向けて下降する。そして、イニシャルボール２６が、アイランド５のプレボンディング領域に対して、例えば、３０〜６０ｇｆ程度の荷重にて押し付けられる。
図６（Ｂ）に示すように、イニシャルボール２６の下面側は、プレボンディング領域１０により変形し、その上面側はキャピラリ１９により変形する。前述したように、プレボンディング領域１０には、例えば、アイランド５の表面に対して複数の半球状の窪みが形成された模様１０ａが施され、イニシャルボール２６の当接面２６ａは、その模様１０ａに沿って変形する。具体的には、図６（Ｃ）に示すように、イニシャルボール２６の当接面２６ａは、主に、平坦面として変形し、その平坦面には複数の半球状の突出部２７が形成される。
尚、前述したように、キャピラリ１９の先端にイニシャルボール２６を形成した後、連続してイニシャルボール２６がプレボンディング領域１０に押し付けられることで、高温状態のイニシャルボール２６を加工でき、その加工が容易となる。また、ワイヤーボンディング領域が不活性ガスにて満たされた状態であり、イニシャルボール２６の当接面２６ａを含む全体の酸化が抑止される。
次に、図７（Ａ）に示す如く、イニシャルボール２６を変形させた後、キャピラリ１９の先端に変形したイニシャルボール２６を維持した状態にて、キャピラリ１９が半導体チップ１１の電極パッド１２上に移動し、変形したイニシャルボール２６を電極パッド１２上面に当接させる。そして、超音波振動併用の熱圧着技術により、キャピラリ１９の先端に形成されたイニシャルボール２６が電極パッド１２と接続する。尚、イニシャルボール２６へ加える荷重や荷重を加える時間等の諸条件を調整し、イニシャルボール２６が、アイランド５のプレボンディング領域１０に接続しない条件にて、イニシャルボール２６の変形作業は行われる。
つまり、従来のワイヤーボンディング工程と異なり、予め、プレボンディング領域１０にてイニシャルボール２６を加工した後、イニシャルボール２６と電極パッド１２とを接続させる。この製造方法により、電極パッド１２上面にてイニシャルボール２６に荷重を加え、イニシャルボール２６を変形させる工程を省略することができる。そして、イニシャルボール２６よりも軟らかい電極パッド１２が、イニシャルボール２６の周囲に追いやられ、スプラッシュとなる量が大幅に低減される。
尚、変形したイニシャルボール２６を電極パッド１２上面に当接させる際に、若干の荷重を加え、両者の接続性を向上させる場合でも良い。この場合でも、イニシャルボール２６の当接面２６ａは、主に、平坦面として形成されることで、キャピラリ１９から加えられる荷重は分散し、イニシャルボール２６の周囲に発生するスプラッシュの量は大幅に低減される。また、銅線は金線と比較して硬いというデメリットが前述した製造方法により解決されることで、製品品質が悪化することなく、材料コストの低減が実現される。
次に、図７（Ｂ）に示す如く、ワイヤークランパー２５（図５（Ｃ）参照）が開放された状態にて、一定のループを描きながらキャピラリ１９がリード７上面に移動する。そして、ワイヤークランパー２５にて銅線１８を挟持した後、キャピラリ１９がリード７上に下降し、銅線１８をリード７上面に押し付ける。そして、超音波振動併用の熱圧着技術により銅線１８がリード７と接続し、切断されることで、電極パッド１２とリード７とが銅線１８により接続される。その後、キャピラリ１９が上昇し、形成部２０の貫通孔２２内へと戻り、イニシャルボールとなる長さの銅線１８がキャピラリ１９の先端から導出し、前述したようにイニシャルボール２６へと加工される。
その後、リードフレーム１の全ての搭載部２に対して前述したワイヤーボンディング作業が繰り返される。
次に、図８（Ａ）に示す如く、リードフレーム１上の集合ブロック毎に樹脂モールドし、共通の樹脂パッケージ２８を形成する。例えば、リードフレーム１の裏面側に樹脂モールド用のシート２９を樹脂性接着材等により貼り合せた後、リードフレーム１を樹脂封止金型内に配置する。そして、樹脂封止金型内に絶縁性樹脂を充填することで、集合ブロック毎に共通の樹脂パッケージ２８を形成する。
次に、図８（Ｂ）に示す如く、リードフレーム１から搭載部２毎に共通の樹脂パッケージ２８を切断して、個々の樹脂パッケージに個片化する。切断にはダイシング装置のダイシングブレード２９を用い、ダイシングライン３０に沿って共通の樹脂パッケージ２８とリードフレーム１とを同時にダイシングする。このとき、シート２９は、その一部のみが切断されることで、個片化された個々の樹脂パッケージはシート２９上に支持される。
尚、本実施の形態では、プレボンディング領域１０が、アイランド５上面に配置される場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、リード７上面にプレボンディング領域１０が配置される場合でも良い。この場合には、先ず、ワイヤーボンディング時の位置認識をし、リード７のプレボンディング領域１０に対してイニシャルボール２６を変形させた後、電極パッド１２にイニシャルボール２６を接続させる。その後、リード７のプレボンディング領域１０に対してステッチボンディングを行い、プレボンディング領域１０の凹凸を利用して銅線１８を接続させることで接続面積が増大し、その接続性が向上される。また、この場合には、プレボンディング領域１０がリード７上面に形成され、アイランド５の面積が縮小され、パッケージサイズが縮小される。
また、ＭＡＰ（Ｍａｔｒｉｘ Ａｒｒａｙ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｍｅｔｏｄ）方式の樹脂パッケージの製造方法について説明したが、このパッケージの製造方法に限定するものではない。例えば、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）方式のパッケージやＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）方式のパッケージ等のように、個別モールド型のパッケージにおいても、プレボンディング領域１０を設けることで、銅線によるワイヤーボンディング性が向上し、前述した効果と同様な効果が得られる。
また、銅線１８を用いてワイヤーボンディング工程が行われる場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、金線、銀線、被覆線等の金属線を用いてワイヤーボンディング工程が行われる場合についても、プレボンディング領域１０を利用することで、同様な効果が得られる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
次に、図９及び図１０を用いて前述した製造方法により形成される半導体装置について説明する。図９（Ａ）及び（Ｂ）は、樹脂パッケージを説明する斜視図である。図９（Ｃ）は、樹脂パッケージを説明する断面図である。図１０（Ａ）は、イニシャルボールが電極パッドに接続する前の断面図を示す。図１０（Ｂ）は、イニシャルボールが電極パッドに接続した後の断面図を示す。尚、以下の説明では、図１〜図８を用いて説明した半導体装置の製造方法の説明を、適宜、参照し、同一の構成部材には同一の符番を付す。
図９（Ａ）に示す如く、半導体装置３１は、例えば、ＭＡＰ方式の樹脂パッケージ３２から成る。前述したように、例えば、４つの搭載部２から成る共通の樹脂パッケージ２８（図８（Ａ）参照）をダイシングにより個片化するため、樹脂パッケージ３２の側面３３からリード７が露出する。そして、リード７の露出面は、樹脂パッケージ３２の側面３３と、実質、同一面を形成する。
図９（Ｂ）に示す如く、樹脂パッケージ３２の裏面３４にはアイランド５が露出し、アイランド５の露出面は、樹脂パッケージ３２の裏面３４と、実質、同一面を形成する。
図９（Ｃ）は図９（Ｂ）に示す樹脂パッケージ３２のＡ−Ａ線方向の断面図を示すが、アイランド５上には、例えば、Ａｇペースト、半田等の接着材３５により半導体チップ１１が固着される。半導体チップ１１の電極パッド１２（図３参照）とリード７とは銅線３６により電気的に接続される。そして、銅線３６は、例えば、径が３３〜５０μｍ、９９．９〜９９．９９ｗｔ％の銅から成る。
次に、図１０（Ａ）に示す如く、半導体チップ１１のシリコン基板３７上には絶縁層３８が形成される。絶縁層３８は、例えば、シリコン酸化膜、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｓｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）膜またはＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜等から少なくとも１つの材料が選択される。そして、絶縁層３８上には電極パッド１２が形成され、電極パッド１２の膜厚は、例えば、０．４〜３．０μｍである。電極パッド１２は、例えば、Ａｌ層やＡｌを主体とする合金層（以下、Ａｌ合金層と呼ぶ。）により形成される。そのＡｌ合金層は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜等である。そして、絶縁層３８上には、例えば、シリコン窒化膜から成るシールド層３９が形成され、電極パッド１２上のシールド層３９には開口部４０が形成される。
図６を用いて前述したように、イニシャルボール２６には、電極パッド１２に当接する前に、予め、当接面２６ａが形成される。そして、イニシャルボール２６を変形させるために、電極パッド１２上にてイニシャルボール２６へ荷重を加える工程が省略される。あるいは、イニシャルボール２６へ荷重を加えるが、その荷重が従前の工程に比べて大幅に低減される。その結果、丸印４１にて示すように、イニシャルボール２６の周囲に発生するスプラッシュの量は大幅に低減され、スプラッシュにより電極パッド１２間がショートすることが防止される。これは、イニシャルボール２６の当接面２６ａが、主に、平坦面となることで、電極パッド１２との当接面積が増大し、キャピラリ１９からの荷重の分散が図られるからである。
更に、前述したように、予め、イニシャルボール２６に当接面２６ａが形成されることで、金線を用いる場合と比較して、電極パッド１２の厚みＴ１を厚くする必要がない。また、電極パッド１２下方の絶縁層３８にクラック等のダメージが発生することも防止でき、電極パッド１２下方のシリコン基板３７も素子形成領域として用いることができ、素子の集積化や半導体チップ１１の縮小化が実現される。
次に、図１０（Ｂ）に示す如く、イニシャルボール２６は、超音波振動併用の熱圧着技術により、電極パッド１２へ接続される。そして、ワイヤーボンディング工程時には、電極パッド１２の表面に自然酸化膜が形成されている。前述したように、イニシャルボール２６の当接面２６ａには、突出部２７等の凹凸形状が形成され、自然酸化膜は、突出部２７等の凹凸形状により破壊され易くなる。その結果、イニシャルボール２６は、自然酸化膜下面のＡｌ層やＡｌ合金層と接続することで、接続性が向上されるだけでなく、接続抵抗値も低減される。また、丸印４２にて示すように、超音波振動併用の熱圧着技術により、若干、スプラッシュは大きくなるが、隣り合う電極パッド１２同士が、ショートすることはない。これは、イニシャルボール２６が、広い当接面２６ａにて電極パッド１２に接続することで、イニシャルボール２６が電極パッド１２深くまで入り込むことが抑止され、イニシャルボール２６の周囲に追いやられるＡｌ層やＡｌ合金層の量が低減するからである。
尚、変形したイニシャルボール２６を電極パッド１２上面に当接させる際に、若干の荷重を加え、接続性を向上させる場合でも良い。この場合でも、イニシャルボール２６の当接面２６ａは、主に、平坦面となることで、キャピラリ１９から加えられる荷重は分散し、イニシャルボール２６の周囲に発生するスプラッシュの量は大幅に低減される。
次に、図１１及び図１２を用いて、ワイヤーボンディング装置及びそのワイヤーボンディング装置を用いた半導体装置の製造方法について説明する。尚、その説明の際には、前述した図１〜図１０の説明を、適宜、参照し、同一の構成部材には同一の符番を付す。そして、ワイヤーボンディング工程時のプレボンディングを行う方法以外の製造方法は、前述した製造方法と同一であり、以下の製造方法においても同様な効果が得られる。
先ず、図１１に示すワイヤーボンディング装置は、図４及び図５を用いて説明したワイヤーボンディング装置に対し、プレボンディング部４３が追加されたものである。
図１１（Ａ）に示す如く、プレボンディング部４３は、例えば、セラミック等の無機材料から成り、形成部２０近傍に配置され、矢印４４にて示すように形成部２０の下方を水平方向に移動する。そして、斜線のハッチングにて示すように、プレボンディング部４３の表面側には、プレボンディング領域４５が形成される。プレボンディング領域４５には、プレボンディング領域１０と同様に、図２（Ｂ）を用いて説明した様々な凹凸形状から成る模様１０ａ〜１０ｄが形成される。
図１１（Ｂ）に示す如く、図５を用いて前述した場合と同様に、矢印２４にて示すように、不活性ガスにより充填された貫通孔２２内に、その先端から所望の長さの銅線１８が導出したキャピラリ１９を配置する。そして、キャピラリ１９近傍に位置するトーチ２３から放電し、キャピラリ１９の先端にイニシャルボール（銅ボール）２６を形成する。
図１１（Ｃ）に示す如く、キャピラリ１９の先端にイニシャルボール２６を形成し、プレボンディング部４３は、形成部２０の貫通孔２２下方に移動する。そして、ワイヤークランパー２５にて銅線１８を挟持した状態にて、キャピラリ１９が、貫通孔２２内を下降し、イニシャルボール２６が、プレボンディング部４３のプレボンディング領域４５に対して、例えば、３０〜６０ｇｆ程度の荷重にて押し付けられる。この作業により、前述したように、イニシャルボール２６の当接面２６ａは、主に、平坦面として変形し、その平坦面にはプレボンディング領域４５の模様に沿った凹凸形状が形成される。
尚、形成部２０近傍の下方にプレボンディング部４３を移動させ、高温状態のイニシャルボール２６を変形させることで、その加工が容易となる。また、貫通孔２２の近傍領域は、形成部２０やワイヤーボンディング領域からの不活性ガスにて満たされた状態となる。そして、イニシャルボール２６は酸化し易い状態であるが、その不活性ガスにより当接面２６ａを含むイニシャルボール２６全体の酸化が抑止される。
次に、図１２（Ａ）に示す如く、イニシャルボール２６を変形させた後、プレボンディング部４３は、形成部２０の貫通孔２２下方から最初の位置に移動する。そして、キャピラリ１９が電極パッド１２上に下降し、変形したイニシャルボール２６を電極パッド１２上面に当接させ、超音波振動併用の熱圧着技術により、イニシャルボール２６が電極パッド１２と接続する。
次に、図１２（Ｂ）に示す如く、一定のループを描きながらキャピラリ１９がリード７上面に移動した後、キャピラリ１９がリード７上に下降し、銅線１８をリード７上面に押し付ける。そして、超音波振動併用の熱圧着技術により銅線１８がリード７と接続し、切断されることで、電極パッド１２とリード７とが銅線１８により接続される。その後、キャピラリ１９が上昇し、形成部２０の貫通孔２２内へと戻り、キャピラリ１９の先端にイニシャルボール２６を形成する。そして、前述したように、プレボンディング部４３を利用しイニシャルボール２６が加工される。
その後、リードフレーム１の全ての搭載部２に対して前述したワイヤーボンディング作業が繰り返される。
尚、図１１に示すワイヤーボンディング装置では、形成部２０近傍にプレボンディング部４３を配置する場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、開口部１５近傍のクランパー１４の上面側にプレボンディング領域４５を配置する場合でも良い。この場合には、搭載部１３に内蔵された加熱機構１６によりクランパー１３自体も高温状態となり、イニシャルボール２６の加工性も向上される。また、クランパー１４の開口部１５近傍は不活性ガスにより満たされた領域であり、イニシャルボール２６の酸化も防止される。また、クランパー１４の近傍に新たにプレボンディング部が配置される場合でも良い。
また、図６（Ａ）に示すように、リードフレーム１のアイランド５にプレボンディング領域１０が配置され、キャピラリ１９がプレボンディング領域１０対して移動する場合でも良く、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、プレボンディング部４３のプレボンディング領域４５が、キャピラリ１９の動作領域に対して移動する場合でも良い。つまり、イニシャルボール２６に当接面２６ａを形成する際に、作業効率の良いワイヤーボンディング動作が実現されれば良く、キャピラリ１９とプレボンディング領域１０、４５のどちらか一方が移動する場合でも、両者が移動する場合でも良い。
また、図１３に示すように、Ｃｕ配線層５７上に形成された電極パッド６０に対して、図１１〜図１２を用いて前述したイニシャルボール２６をワイヤーボンディングする場合でも良い。具体的には、シリコン基板（半導体ウエハ）５１を準備し、シリコン基板５１上に絶縁層５２を形成する。次に、絶縁層５２上にＡｌ金属膜等から成る配線層５３を形成し、絶縁層５２上面に、例えば、ＴＥＯＳ酸化膜やＳＯＧ膜から成る平坦化膜５４と、シリコン窒化膜５５を形成する。次に、配線層５３と電気的に接続するメッキ用金属層５６をパターン形成し、メッキ用金属層５６上に電解メッキ法により、Ｃｕ配線層５７を形成する。次に、絶縁層５２上面に、例えば、スピンコート法により、ＰＢＯ膜や感光性ポリイミド樹脂膜等から成る樹脂膜５８を形成する。次に、樹脂膜５８の開口領域５９から露出するＣｕ配線層５７表面に、例えば、Ａｌ膜から成る電極パッド６０を形成する。このとき、３００℃程度のベーク処理を行い、Ｃｕ配線層５７と電極パッド６０との間に合金層６１を形成する場合でも良い。次に、シリコン基板５１（半導体ウエハ）を個片化し、個片化された半導体チップをリードフレーム等の基板（導電パターン）上にダイボンディングし、半導体チップの電極パッド６０に銅線１８から成るイニシャルボール２６をワイヤーボンディングする。
１ リードフレーム
２ 搭載部
５ アイランド
７ リード
１０ プレボンディング領域
１１ 半導体チップ
１２ 電極パッド
１４ クランパー
１５ 開口部
１８ 銅線
１９ キャピラリ
２０ 形成部
２６ イニシャルボール
４３ プレボンディング部
４５ プレボンディング領域

Claims (12)

  1. アイランドと、前記アイランドの周囲に配置された複数のリードと、前記アイランドから延在された吊りリードとを有する搭載部が形成されたリードフレームを準備し、
    前記アイランド上に半導体チップを固着し、前記半導体チップの電極パッドと前記リードとを銅線によりワイヤーボンディングした後、前記搭載部を樹脂で被覆し、樹脂パッケージを形成する半導体装置の製造方法において、
    前記ワイヤーボンディング工程では、ワイヤーボンディング装置のキャピラリの先端に前記銅線から成るイニシャルボールを形成し、前記イニシャルボールを前記電極パッド以外のプレボンディング領域に当接させ、前記イニシャルボールに荷重を加えることで前記イニシャルボールに当接面を形成した後、前記イニシャルボールの当接面側から前記電極パッドと前記イニシャルボールとを接続させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記搭載部内の前記リードフレームには前記プレボンディング領域が配置され、前記リードフレームの平坦面に凹凸形状の加工を行うことで前記プレボンディング領域を形成し、前記イニシャルボールの当接面には、前記リードフレームの平坦面と前記凹凸形状が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記プレボンディング領域は、前記半導体チップの外周部に位置する前記アイランド上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記イニシャルボールの当接面を前記電極パッド上面に当接させた後、前記イニシャルボールを変形させる荷重を加えることなく、熱圧着技術を用い、前記電極パッドと前記イニシャルボールを接続させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記リードフレームは、前記ワイヤーボンディング装置のクランパーにより押圧固定され、前記クランパーの開口部から前記搭載部が露出し、前記開口部近傍に配置されたノズルにより前記開口部内に不活性ガスが吹き込まれる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. リードフレームが配置される載置台と、前記載置台上を覆い、前記リードフレームの搭載部が露出する開口部が設けられたクランパーと、前記クランパーの上方に配置されるキャピラリと、前記キャピラリ近傍に配置されるトーチとを有するワイヤーボンディング装置において、
    前記キャピラリ近傍にはプレボンディング部が配置され、前記プレボンディング部の上面にはプレボンディング領域が形成され、前記キャピラリの先端にイニシャルボールを形成し、前記イニシャルボールを前記プレボンディング領域に当接させ、前記キャピラリを介して前記イニシャルボールに荷重を加えることで前記イニシャルボールに当接面を形成した後、前記イニシャルボールの当接面側からワイヤーボンディングを行うことを特徴とするワイヤーボンディング装置。
  7. 前記プレボンディング部の平坦面に凹凸形状の加工を行うことで前記プレボンディング領域を形成し、少なくとも前記キャピラリまたは前記プレボンディングを移動させることで、前記イニシャルボールの当接面に前記プレボンディング部の平坦面と前記凹凸形状が形成されることを特徴とする請求項６に記載のワイヤーボンディング装置。
  8. 前記キャピラリには銅線が挿通され、前記トーチは、イニシャルボール形成部の貫通孔内にその一部が露出するように配置され、前記プレボンディング部は、前記イニシャルボール形成部の貫通孔の下方へ移動可能に配置されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のワイヤーボンディング装置。
  9. 前記開口部近傍にノズルが配置され、前記ノズルを介して前記開口部内に不活性ガスが吹き込まれることを特徴とする請求項８に記載のワイヤーボンディング装置。
  10. 少なくとも半導体層の一主面側が絶縁層に被覆され、前記絶縁層に形成された開口領域を介して、前記半導体層に形成された半導体素子と電気的に接続する電極パッドを有する半導体チップを準備し、
    ワイヤーボンディング装置のキャピラリの先端に銅線から成るイニシャルボールを形成し、前記イニシャルボールを前記電極パッド以外のプレボンディング領域に当接させ、前記イニシャルボールに荷重を加えることで前記イニシャルボールに当接面を形成した後、前記イニシャルボールの当接面側から前記電極パッドと前記イニシャルボールとを接続させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 半導体ウエハに前記半導体素子を形成し、前記半導体ウエハ上に前記半導体素子と電気的に接続する銅配線層を形成し、
    前記銅配線層を被覆するように前記半導体ウエハ上に前記絶縁層を形成した後、前記絶縁層の前記開口領域から露出する前記銅配線層と電気的に接続する前記電極パッドを形成し、前記半導体ウエハを個片化し、複数の前記半導体チップを形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 半導体チップと、前記半導体チップの周囲に配置された導電パターンと、前記半導体チップの一主面側に配置された電極パッドと前記導電パターンとを電気的に接続する銅線とを有する半導体装置において、
    前記銅線から成るイニシャルボールは、前記電極パッドと接続し、前記電極パッドと当接する前記イニシャルボールの当接面は、平坦面と前記平坦面に対して突出した突出部とを有することを特徴とする半導体装置。
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