JP2015106602A - 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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Abstract

【課題】プロファイルが低く、ワイヤの破断を抑制することができる、透明樹脂により封止された半導体装置を提供する。
【解決手段】ワイヤ３０は、電極パッドに接合される第１ボンディング部３１と、接続端子２１に接合される第２ボンディング部３３と、第１ボンディング部３１に接続され、第２ボンディング部３３とは反対方向に折り返し部が形成されたループ部３２とを有する。ループ部３２は、第１ボンディング部３１との間、およびワイヤ３０の別の部分との間に、それぞれ隙間Ｓが設けられている。半導体チップ１０は、ワイヤ３０および回路基板２０の一面と共に透明樹脂４０により封止されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、半導体チップと接続端子とがワイヤにより接続され、透明樹脂により封止された半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
例えば、主面に受光素子等が形成された半導体装置では、受光素子の周囲に形成された電極パッドを、回路基板に設けられた接続端子にワイヤボンディングにより電気的に接続し、ワイヤおよび半導体チップを透明樹脂により封止する。
半導体チップと接続端子とをワイヤボンディングする半導体装置において、半導体装置のプロファイルを低くするために、半導体チップの電極パッドにワイヤの一端をボールボンディングし、このボンディング部に連続して接続端子とのボンディング部とは反対方向に延出されたループ部を形成する技術が知られている。
すなわち、前記ループ部は、接続端子とのボンディング部とは反対方向に折り返し部を有しており、このループ部は、ボンディングにより形成されたボール部に押圧されて上部中央部に凹部が形成されるようにつぶされ、かつ、ループ部の中央部下面がボール部上に形成されたループ部の他の部分に接触する（例えば、特許文献１参照、図５参照）。
特表２００８−５２９２７８号公報
特許文献１に記載された方法により、半導体装置のプロファイルを低くすることができる。しかし、半導体チップを樹脂により封止する半導体装置では、半導体チップと、半導体チップを支持する基板と、封止樹脂との熱膨張係数の差により、ワイヤに熱ストレスによる応力がかかり、ワイヤが破断する可能性がある。特に、受光素子等を有する半導体装置では、透明な封止樹脂の透光性を確保する必要性があることから、半導体チップの線膨張係数に近づけるために、シリカ等のような熱膨張係数が小さいフィラーを、透明樹脂に混入することができない。このため、ワイヤにかかる熱ストレスは一層大きくなる。
この発明による半導体装置は、接続端子と、一面に電極パッドを有する半導体チップと、接続端子と半導体チップの電極パッドとを接続するワイヤと、半導体チップの一面を覆い、接続端子とワイヤとを封止する透明樹脂とを備え、ワイヤは、電極パッドに接合される第１ボンディング部と、接続端子に接合される第２ボンディング部と、第１ボンディング部に連続して形成され、第２ボンディング部とは反対側に折り返し部を有するループ部とを備え、ループ部は、第１ボンディング部との間、およびワイヤの別の部分との間に、それぞれ、所定の間隔が設けられている。
この発明の半導体装置の製造方法は、接続端子が形成された基板を準備する工程と、基板上に、電極パッドが形成された半導体チップを搭載して各接続端子と各電極パッドとをワイヤにてボンディングする工程と、半導体チップの主面、ワイヤ、および半導体チップから露出する基板の部分を透明樹脂で封止する工程とを備え、各接続端子と各電極パッドとをワイヤボンディングする工程は、電極パッド上にワイヤの一端をボールボンディングして、電極パッド上にボール部を形成する工程と、ワイヤに、ボール部に連続して形成され、電極パッドよりも半導体チップの内側に折り返し部を有するループ部を形成する工程と、ワイヤを接続端子にボンディングする工程と、半導体チップとワイヤとを透明樹脂により封止する工程と、を備え、ワイヤにループ部を形成する工程は、ボール部との間、およびワイヤの別の部分との間に、それぞれ、所定の間隔が設けられるように形成する工程である。
この発明によれば、ワイヤに、電極パッドとのボンディング部との間、およびワイヤの別の部分との間に、それぞれ、所定の隙間を有し、接続端子とは反対側に折り返し部を有するループ部を形成した。このため、ワイヤのループ部が変形することにより熱ストレスを吸収することができ、透明樹脂により封止される半導体装置のプロファイルを低くし、かつ、ワイヤの破断を抑制することができる。
この発明の一実施の形態としての半導体装置を示し、（ａ）は半導体装置の断面図、（ｂ）は半導体装置を上方から観た平面図。 図１に図示された半導体装置の要部拡大図。 図２に図示されたループ部を有するワイヤを形成する際の、キャピラリの移動方向を説明するための図。 （ａ）〜（ｅ）は、図３に図示されたキャピラリの移動に対応して形成されるワイヤの形状を説明するための図。
（半導体装置１００の全体構造）
以下、この発明の半導体装置および半導体装置の製造方法の一実施の形態を図面と共に説明する。
図１は、この発明の半導体装置１００の一実施の形態を示し、図１（ａ）は半導体装置１００の断面図であり、図１（ｂ）は、半導体装置１００を上方から観た平面図である。
一実施の形態として示す半導体装置１００は、半導体チップ１０と、回路基板（基板）２０と、ワイヤ３０と、透明樹脂４０とを備えている。
半導体チップ１０は、平面視で矩形形状を有し、主面（上面）側の中央に、複数の受光素子１２ａ、１２ｂからなる受光部１２を有している。
受光部１２の周囲には、一対の側辺１１のそれぞれに沿って、複数の電極パッド１０ａが配列されている。
回路基板２０には、一面（上面）に、半導体チップの一対の側辺１１に沿って配列された、半導体チップ１０の各電極パッド１０ａに対応する接続端子２１を有する配線パターン（図示せず）が形成されている。図１（ｂ）において、左右二列に配列された一対の接続端子２１は、半導体チップ１０の各側辺１１に沿って配列されている。この左右二列に配列された一対の接続端子２１の列間のほぼ中央に、半導体チップ１０がダイボンド材５１によりダイボンディングされている。
回路基板２０の他面には、各接続端子２１に対向する位置に外部端子２２が形成されており、各接続端子２１と、各外部端子２２とは、スルーホール２３により接続されている。
ワイヤ３０は、例えば、金線または銅系の金属線等により形成されている。
複数のワイヤ３０のそれぞれは、一端部が半導体チップ１０の電極パッド１０ａにボンディングされ、他端部が回路基板２０の接続端子２１にボンディングされている。ワイヤ３０と回路基板２０の接続端子２１との接続部は、スルーホール２３の領域外とすることが好ましい。但し、スルーホール２３内に導電材が充填されている構造であれば、スルーホール２３上であっても差し支えない。
ワイヤ３０には、半導体チップ１０の電極パッド１０ａに接合されたボンディング部３１（図２）の近傍に、ループ部３２が形成されている。ワイヤ３０の詳細については、後述する。
透明樹脂４０は、半導体チップ１０の主面、半導体チップ１０の電極パッド１０ａとのボンディング部３１（図２）および接続端子２１とのボンディング部３３（図２）を含む各ワイヤ３０の全体、および半導体チップ１０から露出する回路基板２０の一面を覆っている。すなわち、透明樹脂４０は、半導体チップ１０を封止する封止部材である。透明樹脂４０は、例えば、エポキシ樹脂やシリコン樹脂により形成されており、モールド法や、ポッティング等により形成される。ポッティングによる封止は、金型作製の必要がなく、安価に、かつ、能率的に行うことができるが、ワイヤ３０が形成されている半導体チップ１０に対しては、樹脂表面に凹凸ができる点が難点である。しかし、ワイヤ３０に、半導体チップ１０の主面にほぼ平行なループ部３２が形成されている構造では、ポッティングにより形成した場合でも、透明樹脂４０の表面は、ほぼ平坦に形成される。このため、上記一実施の形態に示す半導体装置１００では、透明樹脂４０をポッティングにより形成することが好ましい。また、透明樹脂４０の透光性を確保するために、透明樹脂４０には、シリカ等の線膨張係数を低下させるフィラーを混入しない方が好ましい。但し、透明樹脂４０が所定の透光性を確保できる程度に極微少量ならば、混入させてもよい。
（ワイヤ３０によるボンディング構造）
図２は、図１における半導体装置１００の要部拡大図である。
ワイヤ３０は、一端部が半導体チップ１０の電極パッド１０ａにボンディングされた第１ボンディング部３１を有する。第１ボンディング部３１は、キャピラリ７１（図４参照）により、ワイヤ３０の一端部を溶融してボールを形成し、このボールを電極パッドに接合するボールボンディング部である。ワイヤ３０は、他端部に、回路基板２０の接続端子２１にボンディングされた第２ボンディング部３３を有する。
また、ワイヤ３０は、第１ボンディング部３１に連続して形成されたループ部３２を有する。
ループ部３２は、第１ボンディング部３１から、第２ボンディング部３３とは反対側に引き出され、折り返し部３２ａで折り返されて、第２ボンディング部３３側に向けて延出される形状を有している。ループ部３２は、第１ボンディング部３１から隙間Ｓをもって離間して形成されると共に、ワイヤ３０の別の部分との間にも隙間Ｓをもって離間して形成されている。すなわち、ループ部３２は、第１のボンディング部３１との間、およびワイヤ３０の別の部分との間に、それぞれ、所定の隙間Ｓが設けられている。隙間Ｓは、ワイヤ３０の直径の０.３〜１．５倍程度が好ましい。隙間Ｓが大きくなるに比例して、半導体装置１００のプロファイルが高くなる。しかし、隙間Ｓをワイヤ３０の直径の０．３倍以下にすると、ループ部３２が、第１ボンディング部３１またはワイヤ３０の別の部分に接触して、ワイヤ３０の変形に支障が生じる。
透明樹脂４０と、シリコン等からなる半導体チップ１０と、回路基板２０とは、線膨張係数が異なるので、温度の上昇または下降により、半導体装置１００の上部側が凸状または凹状となるように変形する。この半導体装置１００の変形により、ワイヤ３０に熱ストレスがかかる。
ワイヤ３０にはループ部３２が形成されているため、このループ部３２が変形することにより、熱ストレスを軽減することができる。しかし、ループ部３２が第１ボンディング部３１またはワイヤ３０の別の部分に接触していると、ループ部３２の変形に支障が生じ、ワイヤ３０の破断の可能性が大きくなる。
上記一実施の形態では、ループ部３２と、第１ボンディング部３１との間には、僅かに、例えば、ワイヤ３０の直径の０．３〜１．５倍程度の隙間Ｓが設けられている。従って、半導体装置１００のプロファイルを低くする構造でありながら、熱ストレスに起因するワイヤ３０の破断を抑制する効果を得ることができる。
（半導体装置１００の製造方法）
半導体装置１００の製造方法を説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に図示されるように、接続端子２１、スルーホール２３、外部端子２２が二列に配列された回路基板２０を準備する。
主面に受光部１２が形成され、受光部１２の周囲と相対向する一対の側辺１１との間に、電極パッドが設けられた半導体チップ１０を、回路基板２０の二列に配列された接続端子２１の列間に配置して、ダイボンディングする。これにより、半導体チップ１０の底面が回路基板２０の一面上にダイボンド材５１により固定される。
次に、半導体チップ１０の各電極パッド１０ａと回路基板２０の各接続端子２１とを、ワイヤ３０を用いたワイヤボンディングにより接続する。ワイヤボンディング方法の詳細は後述する。
そして、モールド法またはポッティング法等により、透明樹脂４０により半導体チップ１０を封止する。透明樹脂４０による封止は、透明樹脂４０が、半導体チップ１０の主面、半導体チップ１０の電極パッドに接合された第１ボンディング部３１および接続端子２１に接合された第２ボンディング部３３を含む各ワイヤ３０の全体、および半導体チップ１０から露出する回路基板２０の一面を覆うように行う。
これにより、図１（ａ）、（ｂ）に図示される半導体装置１００が作製される。
次に、ワイヤボンディング方法の詳細について説明する。
（ワイヤボンディング方法）
図３は、図２に図示されたループ部を有するワイヤを形成する際の、キャピラリの移動方向を説明するための図であり、図４（ａ）〜（ｅ）は、図３に図示されたキャピラリの移動に対応して形成されるワイヤの形状を説明するための図である。
以下、図３および図４（ａ）〜（ｅ）を参照して、ワイヤボンディング方法について説明する。
キャピラリ７１によりワイヤ３０の一端を加熱してボール状にし、半導体チップ１０の電極パッド１０ａにボールボンディングする。半導体チップ１０の電極パッド１０ａ上に、ワイヤ３０の第１ボンディング部３１が形成される（図４（ａ）参照）。
不図示のワイヤクランパによるワイヤ３０の保持を開放し、キャピラリ７１を、矢印１０１に示すように、ほぼ垂直方向に移動し、ワイヤ３０の一端部を第１ボンディング部３１から、ほぼ垂直に延在させる（図４（ｂ）参照）。
キャピラリ７１を、矢印１０２に示すように、ボンディングする接続端子２１の反対側に、水平方向に移動する。ワイヤ３０の一端部は、第１ボンディング部３１から、ボンディングする接続端子２１の反対側に向けて傾斜する（図４（ｃ）参照）。
なお、接続端子２１の反対側とは、接続端子２１に対して、ほぼ１８０°異なる方向が好ましいが、これに限られるものではなく、半導体チップ１０の内側に向かう方向であればよい。
また、キャピラリ７１を、矢印１０１および矢印１０２の二方向に移動させる方法を、図３の矢印１０１ａに示すように、キャピラリ７１を斜め上方に移動させる方法としてもよい。
キャピラリ７１を、矢印１０３に示すように、ボンディングする接続端子２１側に向けて、斜め下方に移動する。これにより、ワイヤ３０に、折り返し部３２ａで折り返されたループ部３２が、第１ボンディング部３１に連続して形成される（図４（ｄ）参照）。
ループ部３２は、第１ボンディング部３１またはワイヤ３０の別の部分に接触しないように、つまり、第１ボンディング部３１との間に隙間Ｓが存在するように形成する。隙間Ｓは、上述したように、ワイヤ３０の直径の０．３〜１．５倍程度が好ましいが、これに限定されるものではない。
また、折り返し部３２ａは、第１ボンディング部３１からみて、ボンディングする接続端子２１の反対側に、位置するように形成される。ループ部３２の折り返し部３２ａが、第１ボンディング部３１の垂直上乃至ボンディングする接続端子２１と同じ側に位置する構造では、ワイヤ３０のプロファイル、換言すれば、半導体装置１００のプロファイルが高くなる。
ワイヤ３０にループ部３２を形成するには、キャピラリ７１を、ワイヤ３０の延在部に対して折り返すように移動する必要がある。従って、図４（ｃ）に図示されるように、ワイヤ３０が斜め上方に延在している状態では、キャピラリ７１を斜め下方に移動することが好ましい。
キャピラリ７１を、矢印１０４に示すように、ほぼ垂直方向に移動し、ワイヤ３０に、ループ部３２に連続する延在部分を形成する（図４（ｅ）参照）。
キャピラリ７１を、矢印１０５に示すように、ボンディングする接続端子２１に向けて移動する。
キャピラリ７１は、斜め下方に移動してもよいし、水平方向の移動と下方への移動との２つの移動としてもよい。
キャピラリ７１によりワイヤ３０を加熱して、ワイヤ３０の溶融した部分を、接続端子２１にボンディングし、ワイヤ３０を切断する。ワイヤ３０の他端部により、接続端子２１に接合された第２ボンディング部３３が形成される。
第２ボンディング部３３は、ボールボンディング部としてもよい。
以上説明した通り、上記一実施の形態では、ワイヤ３０における電極パッド１０ａとの第１ボンディング部３１に、該第１ボンディング部３１と、ワイヤ３０の別の部分とのいずれからも離間し、接続端子２１とは反対側に折り返し部３２ａを有するループ部３２を形成した。このため、ワイヤ３０のループ部３２が変形することにより熱ストレスを吸収することができ、透明樹脂４０により封止される半導体装置１００のプロファイルを低くし、且つ、ワイヤ３０の破断を抑制することができる。
なお、上記一実施の形態では、半導体チップ１０を回路基板２０上にマウントした構造として例示した。しかし、回路基板２０に代えて、リードフレームを用いるようにしてもよい。すなわち、半導体チップ１０をリードフレーム本体のダイにボンディングし、半導体チップ１０の各電極パッドを、リードフレーム本体から分離された各接続端子に、ワイヤ３０により接続する構造とすることができる。
上記一実施の形態では、半導体チップ１０の電極パッド１０ａと回路基板２０の接続端子２１とを接続するすべてのワイヤ３０にループ部３２を形成した構造として例示した。矩形形状の半導体装置１００では、各角部に最も大きい熱ストレスが作用する。このため、各角部に最も近い位置に設けられたワイヤ３０のみにループ部３２を形成するようにしてもよい。
上記一実施の形態では、回路基板２０と透明樹脂４０とが同じ外形・サイズを有する構造として例示されている。しかし、回路基板が、半導体チップ１０以外の電子部品を有する大きな形状の場合にも本発明を適用することができる。大きな回路基板の場合には、透明樹脂４０は、半導体チップ１０とワイヤ３０とを封止する形状・サイズを有していればよく、回路基板の他の領域は透明樹脂４０から露出してもよい。
上記一実施の形態では、デュアルフラットタイプの半導体装置１００として例示したが、クォードフラットタイプの半導体装置とすることもできる。また、シングルライン型の半導体装置としたり、ＬＥＤや有機ＥＬ等のソリッド型の半導体装置に適用したりすることも可能である。
その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において、種々変形して適用することが可能であり、要は、半導体チップの電極パッドと接続端子とをワイヤにより接続し、透明樹脂により封止した半導体装置において、ワイヤに接続端子とは反対側に折り返し部が形成され、かつ、電極パッドとのボンディング部と、ワイヤの別の部分とのいずれからも離間するループ部を形成したものであればよい。
１０ 半導体チップ
２０ 回路基板（基板）
２１ 接続端子
３０ ワイヤ
３１ 第１ボンディング部
３２ ループ部
３２ａ 折り返し部
３３ 第２ボンディング部
４０ 透明樹脂
１００ 半導体装置

Claims (9)

  1. 接続端子と、
    一面に電極パッドを有する半導体チップと、
    前記接続端子と前記半導体チップの前記電極パッドとを接続するワイヤと、
    前記半導体チップの前記一面を覆い、前記接続端子と前記ワイヤとを封止する透明樹脂とを備え、
    前記ワイヤは、前記電極パッドに接合される第１ボンディング部と、前記接続端子に接合される第２ボンディング部と、前記第１ボンディング部に連続して形成され、前記第２ボンディング部とは反対側に折り返し部を有するループ部とを備え、
    前記ループ部は、前記第１ボンディング部との間、および前記ワイヤの別の部分との間に、それぞれ、所定の間隔が設けられている、半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記ループ部と前記第１ボンディング部とが離間された部分の隙間は、前記ワイヤの直径の０．３〜１．５倍程度である、半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
    さらに、基板を有し、前記接続端子は前記基板に形成され、前記半導体チップは、前記基板上にダイボンディングされている、半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    前記透明樹脂には、シリカにより形成されたフィラーが含まれていない、半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    前記半導体チップは、前記一面が矩形形状とされ、前記一面の周縁の相対向する少なくとも一対の側辺のそれぞれに沿って配列された複数の前記電極パッドを有し、
    前記接続端子は、前記各電極パッドに対応して配列され、
    前記各接続端子と前記各電極パッドとは、それぞれ、１本の前記ワイヤにより接続され、
    少なくとも前記半導体チップの角部に最も近い位置に設けられた前記ワイヤには、前記ループ部が形成されている、半導体装置。
  6. 請求項５に記載された半導体装置において、
    前記ワイヤのすべてに前記ループ部が形成されている、半導体装置。
  7. 接続端子が形成された基板を準備する工程と、
    前記基板上に、電極パッドが形成された半導体チップを搭載して前記各接続端子と前記各電極パッドとをワイヤにてボンディングする工程と、
    前記半導体チップの主面、前記ワイヤ、および前記半導体チップから露出する前記基板の部分を透明樹脂で封止する工程とを備え、
    前記各接続端子と前記各電極パッドとをワイヤボンディングする工程は、
    前記電極パッド上に前記ワイヤの一端をボールボンディングして、前記電極パッド上にボール部を形成する工程と、
    前記ワイヤに、前記ボール部に連続して形成され、前記電極パッドよりも前記半導体チップの内側に折り返し部を有するループ部を形成する工程と、
    前記ワイヤを前記接続端子にボンディングする工程と、
    前記半導体チップと前記ワイヤとを透明樹脂により封止する工程と、を備え、
    前記ワイヤにループ部を形成する工程は、前記ボール部との間、および前記ワイヤの別の部分との間に、それぞれ、所定の間隔が設けられるように形成する工程である、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体チップと前記ワイヤとを透明樹脂により封止する工程は、ポッティングにより封止する工程である、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記透明樹脂には、シリカにより形成されたフィラーが含まれていない、半導体装置の製造方法。
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