JP2012199484A - ワイヤボンディング方法、ワイヤボンディング装置、及び半導体装置 - Google Patents

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康 佐々木
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Abstract

【課題】隣接する電極パッド間のショート不良を起こすことが無く、安定的にボンディングする。
【解決手段】まず、キャピラリ３００の先端部からボンディングワイヤ４００を延出させる（延出ステップ）。次いで、キャピラリ３００をボンド点（例えば半導体チップ１０）に近づけるように移動させる（移動ステップ）。次いで、ボンディングワイヤ４００の先端を、キャピラリ３００の先端面（非図示）でボンド点（例えば半導体チップ１０）に接触させて圧着する（圧着ステップ）。このとき、延出ステップにおいて、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成せずに、圧着ステップを行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワイヤボンディング方法、ワイヤボンディング装置、及び半導体装置に関する。
半導体チップの電極パッド等の接続には、Ａｕワイヤが用いられている。近年では、コスト削減のために、Ａｕワイヤの代わりにＣｕワイヤを用いることが検討されている。そのＣｕワイヤを用いてボンディングする方法としては、キャピラリの先端から送り出されたワイヤの先端を溶融し、キャピラリの先端にボールを形成してからボンディングする方法が検討されている。
しかし、Ｃｕワイヤの硬度は、Ａｕワイヤの硬度の１．２倍ほど高い。このため、Ｃｕワイヤのボールが硬くなりすぎて半導体チップを破損させてしまう課題が生じていた。そこで、例えば、特許文献１（特開２０１０−１７１２３５号公報）には、ＣｕワイヤにＰ（リン）を添加してボールの硬度を調整する方法が記載されている。
特開２０１０−１７１２３５号公報
しかし、特許文献１の方法を用いても、キャピラリの先端にボールを形成するワイヤボンディング方法では、上記した課題が十分に解決できない。特に、ＣｕワイヤによりＡｌ電極パッド上にボンディングする際に、ＡｌがＣｕボールの周辺に波打つような現象（スプラッシュアウト）が起きる可能性がある。
本発明によれば、
キャピラリの先端部からボンディングワイヤを延出させる延出ステップと、
前記キャピラリをボンド点に近づけるように移動させる移動ステップと、
前記ボンディングワイヤの先端を、前記キャピラリの先端面で前記ボンド点に接触させて圧着する圧着ステップと、
を備え、
前記延出ステップにおいて、前記ボンディングワイヤの先端にボールを形成せずに、前記圧着ステップを行うワイヤボンディング方法、が提供される。
本発明によれば、
ボンディングワイヤをボンド点に接触させて圧着するキャピラリと、
前記キャピラリを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記キャピラリの先端部から前記ボンディングワイヤを延出させ、
前記キャピラリを、前記ボンド点に近づけるように移動させ、
前記ボンディングワイヤの先端にボールを形成せずに、前記キャピラリにより、前記ボンディングワイヤを前記ボンド点に圧着させるワイヤボンディング装置、が提供される。
本発明によれば、
電極パッドを有する半導体チップと、
前記半導体チップを搭載する配線基板と、
前記半導体チップの前記電極パッドと前記配線基板を接続するボンディングワイヤと、
を備え、
前記ボンディングワイヤの先端部が第一の方向に折り曲げられており、かつ、折り曲げられた部分が前記電極パッドに圧着している半導体装置、が提供される。
本発明によれば、ボンディングワイヤを圧着するときに、ボンディングワイヤの先端にボールを形成しないため、スプラッシュアウトが起きず、隣接する電極パッド間のショート不良を起こすことが無い。よって、安定的にボンディングすることができる。
本発明によれば、隣接する電極パッド間のショート不良を起こすことが無く、安定的にボンディングすることができる。
本実施形態におけるワイヤボンディング装置の構成を示す図である。 本実施形態におけるキャピラリの断面図である。 本実施形態におけるワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。 本実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 本実施形態の効果を説明するための図である。 第二の実施形態におけるワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態におけるワイヤボンディング装置の構成を示す図である。このワイヤボンディング装置２００は、ボンディングワイヤ４００をボンド点（非図示）に接触させて圧着するキャピラリ３００と、キャピラリ３００を制御する制御部７００と、を備える。制御部７００は、まず、キャピラリ３００からボンディングワイヤ４００を延出させ、キャピラリ３００を、ボンド点（非図示）に近づけるように移動させる。次いで、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成せずに、キャピラリ３００により、ボンディングワイヤ４００をボンド点（非図示）に圧着させる。以下、詳細を説明する。
図１のように、ワイヤボンディング装置２００は、キャピラリ３００と、制御部７００と、を備える。その他、キャピラリ３００等を移動させる移動機構（非図示）、ボンディングワイヤ４００を保持するカットクランプ５００、また、半導体チップ１０などを載置するステージ８００などを備えていても良い。また、制御部７００は、配線７２０によって、キャピラリ３００と、カットクランプ５００と、振動部６００などに信号を伝達する。
図２は、本実施形態におけるキャピラリの断面図である。図２のように、キャピラリ３００は、ボンディングワイヤ４００を挿通させる穴（非図示）と、ボンディングワイヤ４００をボンド点（後述）と圧着させる先端面３２０と、ボンディングワイヤ４００を延出させる先端部の外壁に、少なくとも一つ以上のテーパ３４０とを備える。
ここで、ボンド点とは、ボンディングワイヤ４００を圧着する接続点のことを言う。ボンディングワイヤ４００を圧着する少なくとも一方のボンド点は、例えば、半導体チップ１０における絶縁膜１４で囲まれた電極パッド１２である。本実施形態によって、半導体チップ１０を搭載した半導体装置１００については、詳細を後述する。
また、キャピラリ３００の先端部のうち、穴の内壁における傾斜の高さ（いわゆるチャンファー）は、例えば、少なくともボンディングワイヤ径以下である。さらには、先端部における穴の内壁角は、直角であることが好ましい。すなわち、先端部における穴の内壁には、チャンファー加工が施されていないことが好ましい。このようなキャピラリ３００の内壁形状にすることで、ボンディングワイヤ４００の圧着するステップ（後述する圧着ステップ）において、有効に荷重および超音波をかけることが出来る。
また、図２のように、キャピラリ３００の先端面３２０の第一の直径ｒ１と、先端部の外壁における第二の直径ｒ２と、外壁のテーパ角θ（先端面３２０とテーパ３４０のなす角）は、下式（１）及び下式（２）を満たす。
Figure 2012199484
Figure 2012199484
ただし、ＰＷは電極パッド１２周辺における絶縁膜１４の開口部の幅、ＰＨは絶縁膜１４の高さである。
このようなキャピラリ３００の形状にすることで、ボンディングワイヤ４００の圧着するステップ（後述する圧着ステップ）において、電極パッド１２周辺における絶縁膜１４に干渉することが無い、または、絶縁膜１４を損傷させることが無い。
また、制御部７００は、たとえば、キャピラリ３００を超音波振動させる振動部６００を備えている。制御部７００は、キャピラリ３００を超音波振動および荷重を印加することにより、ボンディングワイヤ４００をボンド点に圧着させる。このとき、振動部６００は、キャピラリ３００を超音波振動させる。振動部６００は、少なくともボンディングワイヤ４００をボンド点と圧着するのに必要な温度まで超音波振動により加熱する。
以上のワイヤボンディング装置２００におけるキャピラリ３００、振動部６００等は、制御部７００によって制御され、後述するようなワイヤボンディング方法が実行される。
次に、図３を用いて、本実施形態のワイヤボンディング方法について説明する。図３は、本実施形態におけるワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。本実施形態のワイヤボンディング方法は、以下のステップを備える。まず、キャピラリ３００の先端部からボンディングワイヤ４００を延出させる（延出ステップ）。次いで、キャピラリ３００をボンド点（例えば半導体チップ１０）に近づけるように移動させる（移動ステップ）。次いで、ボンディングワイヤ４００の先端を、キャピラリ３００の先端面（３２０）でボンド点（例えば半導体チップ１０）に接触させて圧着する（圧着ステップ）。このとき、延出ステップにおいてボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成せずに、圧着ステップを行う。以下、詳細に説明する。
ここで、本実施形態のボンディングワイヤ４００は、例えば、Ｃｕワイヤである。Ｃｕワイヤの硬度はＡｕワイヤの硬度の１．２倍ほど高いため、本実施形態のワイヤボンディング方法は特に有効である。本実施形態の効果については、詳細を後述する。
まず、図３（ａ）のように、キャピラリ３００の先端部からボンディングワイヤ４００を延出させる（延出ステップ）。このとき、図３（ａ）の延出ステップにおいて、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成しない。このため、本実施形態のワイヤボンディング装置２００は、例えば、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成するための放電スパークなどの治工具を必要としない。また、放電スパークによってボンディングワイヤ４００が酸化されることを防止するための不活性ガス（Ｎ２またはＨ２）を導入する必要が無い。すなわち、装置導入のイニシャルコスト、製造工程のランニングコストを削減することができる。
次いで、図３（ｂ）のように、圧着ステップの前において、キャピラリ３００より手前で、ボンディングワイヤ４００をカットクランプ５００により保持しても良い。本実施形態では、ボンディングワイヤ４００先端にボールを形成しないため、次の移動ステップや圧着ステップなどにおいて、下降、荷重、または超音波などを実行する際に、ボンディングワイヤ４００がキャピラリ３００から抜けてしまう可能性がある。したがって、図３（ｂ）のように、ボンディングワイヤ４００をカットクランプ５００により保持することで、ボンディングワイヤ４００がキャピラリ３００から抜けることを防ぐことが出来る。
次いで、図３（ｃ）において、キャピラリ３００をボンド点（例えば半導体チップ１０）に近づけるように移動させる（移動ステップ）。
次いで、図３（ｄ）において、ボンディングワイヤ４００の先端を、キャピラリ３００の先端面（図２の３２０）でボンド点（例えば半導体チップ１０）に接触させて圧着する（圧着ステップ）。このとき、図３（ａ）の延出ステップにおいてボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成しない状態のまま、図３（ｄ）の圧着ステップを行う。
また、図３（ｄ）において、ボンディングワイヤ４００を延出させたまま、ボンド点（例えば半導体チップ１０）に接触させるため、キャピラリ３００の移動機構（非図示）を用いて、いずれかの方向に折り曲げてから圧着しても良い。この折り曲げる方向は、例えば、次のボンド点（非図示）への向かう方向と逆の方向に折り曲げておいても良い。
ここで、前述した振動部６００によって、キャピラリ３００を超音波振動させ、荷重をかけながら、ボンディングワイヤ４００を圧着する。
次いで、図３（ｅ）のように、カットクランプ５００を開放し、キャピラリ３００を引き上げる。次いで、ボンディングワイヤ４００を挿通させた状態で、キャピラリ３００を次のボンド点（例えば配線基板のパッド（非図示））へ移動させ、次の圧着ステップを行う。
図４は、本実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。本実施形態のワイヤボンディング方法を用いた半導体装置１００は、以下のような構成となる。半導体装置１００は、電極パッド１２を有する半導体チップ１０と、半導体チップ１０を搭載する配線基板２０と、半導体チップ１０の電極パッド１２と配線基板２０を接続するボンディングワイヤ４００と、を備えている。ボンディングワイヤ４００は、先端部が第一の方向に折り曲げられており、かつ、折り曲げられた部分が電極パッド１２に圧着されている。
半導体装置１００は、例えば、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）などのパッケージをとることが出来る。図４（ａ）のように、半導体装置１００は、例えば、半導体チップ１０と、インターポーザ（配線基板２０）と、それらを本実施形態によって接続するボンディングワイヤ４００と、それらを封止する封止樹脂３０と、半田ボール４０と、を備える。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ部の拡大図である。図４（ｂ）のように、ボンディングワイヤ４００の先端部が第一の方向に折り曲げられている。ここで、折り曲げられた部分が電極パッド１２に圧着されている。
ボンディングワイヤ４００の先端部が折り曲げられる第一の方向とは、前述のように、例えば、次のボンド点（非図示）への向かう方向と逆の方向をいう。
図４（ｂ）のように、ボンディングワイヤ４００が電極パッド１２と圧着された長さＬは、例えば、ボンディングワイヤ径の２倍以下である。これにより、ボンディングワイヤ４００は電極パッド１２と確実に固着される。したがって、その後の製造工程において、ボンディングワイヤ４００にテンションが掛かっても、電極パッド１２から分離されにくい。
図４（ｃ）のように、ボンディングワイヤ４００が電極パッド１２と圧着された幅Ｄは、例えば、ボンディングワイヤ径の１．５倍以下である。上記のように、ボンディングワイヤ４００は、先端にボールを形成しないで圧着されている。このため、上記のように圧着範囲を狭くすることができる。さらに、隣接する電極パッド１２と接触することがない。
次に、図５を用いて、本実施形態の効果について説明する。図５は、本実施形態の効果を説明するための図である。本発明によれば、ボンディングワイヤ４００を圧着するときに、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成しないため、スプラッシュアウト１６が起きず、隣接する電極パッド１２間のショート不良を起こすことが無い。よって、安定的にボンディングすることができる。以下、本実施形態と比較例とを対比しながら、本実施形態の効果を詳細に説明する。
図５（ａ）は、比較例として、ボンディングワイヤ４００を圧着する前にボールを形成して、ボンディングワイヤ４００を電極パッド１２と圧着した例を示している。この場合、電極パッド１２がボールの周辺に波打つような現象（スプラッシュアウト１６）が起きることがある。特に、Ａｕワイヤより硬度の高いＣｕワイヤを用いた場合に、Ａｌの電極パッド１２上にボンディングするときにおいて顕著に発生する。
図５（ａ）のように、スプラッシュアウト１６の高さは、ボールの直径に対して、約２／５倍の高さ、または、横方向の範囲まで到達する可能性がある。例えば、ボンディングワイヤ径が２０μｍのとき、ボール径は約２倍の４０μｍ程度に形成される。この場合、スプラッシュアウト１６の高さ、または、横方向の範囲は、約１６μｍまで到達する可能性がある。緻密な設計ルールのもと、隣接する電極パッド１２間の距離が短い場合などにおいては、このスプラッシュアウト１６によって、隣接する電極パッド１２間のショート不良を起こすことがある。
一方、図５（ｂ）は、本実施形態によって、ボンディングワイヤ４００を圧着した形状を示している。本実施形態では、ボンディングワイヤ４００を圧着するときに、ボンディングワイヤ４００の先端にボールを形成しない。このとき、振動部６００によって、キャピラリ３００を例えば超音波により加熱し、荷重をかけながら、ボンディングワイヤ４００を圧着する。これにより、ボンディングワイヤ４００が圧着された断面の高さは、例えばボンディングワイヤ径の１／５倍以下になるので、スプラッシュアウト１６は起こらない。または、スプラッシュアウト１６の大きさは小さい。例えば、ボンディングワイヤ径が２０μｍのとき、圧着された断面の高さは４μｍ以下となる。この場合、スプラッシュアウト１６の高さは、約２μｍ以下となり、隣接する電極パッド１２にまで達するようなことはない。
以上のように、本実施形態では、隣接する電極パッド１２間のショート不良を起こすことが無く、安定的にワイヤボンディングすることが出来る。
（第二の実施形態）
図６は、第二の実施形態におけるワイヤボンディング方法を説明するための断面図である。第二の実施形態は、キャピラリの先端部の形状を除いて、第一の実施形態と同じである。
図６（ａ）のように、キャピラリ３００の先端部のうち、穴の内壁のボンディングワイヤ４００を屈曲させる側の一部において、傾斜（片側チャンファー３６０）が形成されている。また、その傾斜の高さ（片側チャンファー３６０の高さ）は、ボンディングワイヤ径以上であっても良い。このとき、キャピラリ３００の先端面３２０と片側チャンファー３６０のなす角は、例えば１３５度である。
図６（ｂ）は、第二の実施形態におけるキャピラリ３００の先端部を、圧着側から見た図である。図６（ｂ）のように、穴の内壁のボンディングワイヤ４００を屈曲させる側の一部において、片側チャンファー３６０が形成されている。このような形状を有するキャピラリ３００は、例えば、金型によって成型されている。
本実施形態によれば、キャピラリ３００の先端部のうち、穴の内壁のボンディングワイヤ４００を屈曲させる側の一部において、傾斜（片側チャンファー３６０）が形成されていることにより、ボンディングワイヤ４００の屈曲側に対して、有効に荷重および超音波をかけることが出来る。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
１０ 半導体チップ
１２ 電極パッド
１４ 絶縁膜
１６ スプラッシュアウト
２０ インターポーザ
３０ 封止樹脂
４０ 半田ボール
１００ 半導体装置
２００ ワイヤボンディング装置
３００ キャピラリ
３２０ 先端面
３４０ テーパ
３６０ 片側チャンファー
４００ ボンディングワイヤ
５００ カットクランプ
６００ 振動部
７００ 制御部
７２０ 配線
８００ ステージ

Claims (10)

  1. キャピラリの先端部からボンディングワイヤを延出させる延出ステップと、
    前記キャピラリをボンド点に近づけるように移動させる移動ステップと、
    前記ボンディングワイヤの先端を、前記キャピラリの先端面で前記ボンド点に接触させて圧着する圧着ステップと、
    を備え、
    前記延出ステップにおいて、前記ボンディングワイヤの先端にボールを形成せずに、前記圧着ステップを行うワイヤボンディング方法。
  2. 請求項１に記載のワイヤボンディング方法において、
    前記ボンディングワイヤは、Ｃｕワイヤであるワイヤボンディング方法。
  3. 請求項１または２に記載のワイヤボンディング方法において、
    前記圧着ステップの前において、前記キャピラリより手前で前記ボンディングワイヤをカットクランプにより保持するワイヤボンディング方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法において、
    少なくとも一方の前記ボンド点は、半導体チップにおける絶縁膜で囲まれた電極パッドであり、
    前記キャピラリの先端部のうち、穴の内壁における傾斜の高さは少なくとも前記ボンディングワイヤ径以下であり、
    前記キャピラリの先端面の第一の直径ｒ１と、前記先端部の外壁における第二の直径ｒ２と、前記外壁のテーパ角θは、下式（１）及び下式（２）を満たすワイヤボンディング方法。
    Figure 2012199484
    Figure 2012199484
     （ただし、ＰＷは前記電極パッド周辺における前記絶縁膜の開口部の幅、ＰＨは前記絶縁膜の高さである。）
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法において、
    前記キャピラリの先端部のうち、穴の内壁角は直角であるワイヤボンディング方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のワイヤボンディング方法において、
    前記キャピラリの先端部のうち、穴の内壁の前記ボンディングワイヤを屈曲させる側の一部において、傾斜の高さが前記ボンディングワイヤ径以上であるワイヤボンディング方法。
  7. ボンディングワイヤをボンド点に接触させて圧着するキャピラリと、
    前記キャピラリを制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記キャピラリの先端部から前記ボンディングワイヤを延出させ、
    前記キャピラリを、前記ボンド点に近づけるように移動させ、
    前記ボンディングワイヤの先端にボールを形成せずに、前記キャピラリにより、前記ボンディングワイヤを前記ボンド点に圧着させるワイヤボンディング装置。
  8. 請求項７に記載のワイヤボンディング装置において、
    前記制御部は、前記キャピラリを超音波振動させる振動部を備え、
    前記キャピラリを超音波振動および荷重を印加することにより、前記ボンディングワイヤを前記ボンド点に圧着させるワイヤボンディング装置。
  9. 電極パッドを有する半導体チップと、
    前記半導体チップを搭載する配線基板と、
    前記半導体チップの前記電極パッドと前記配線基板を接続するボンディングワイヤと、
    を備え、
    前記ボンディングワイヤの先端部が第一の方向に折り曲げられており、かつ、折り曲げられた部分が前記電極パッドに圧着されている半導体装置。
  10. 請求項９に記載の半導体装置において、
    前記ボンディングワイヤが前記電極パッドと圧着された幅は、前記ボンディングワイヤ径の１．５倍以下である半導体装置。
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