JP2015530759A - ワイヤボンディングのための傾斜した金属端子を有するリードフレーム - Google Patents

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和宣 早田
和宣 早田
雅彦 後藤
雅彦 後藤
翔太 氏家
翔太 氏家
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日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
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Abstract

半導体デバイスをアセンブルする方法（１００）が、溶媒内に金属粒子を含む金属ペーストを、リードフレームの複数の金属端子のボンディングエリア上にディスペンスすること（１０１）を含む。ディスペンスすることは、変化する厚みをボンディングエリアの上に提供する。溶媒は、気化されて（１０２）第１の傾斜した頂部面と第２の傾斜した頂部面とを含む傾斜した金属被覆を形成する。第１の傾斜した頂部面は、第２の傾斜した頂部面に比してダイパッドに一層近く、第２の傾斜した頂部面は、ダイパッドに対する距離が低減するにつれて被覆厚みが増大し、第１の傾斜した頂部面は、ダイパッドに対する距離が低減するにつれて被覆厚みが低減する。複数の頂部側ボンドパッドを含む半導体ダイの底部側が、ダイパッドに取り付けられる（１０３）。ボンドパッドと第２の傾斜した頂部面との間にボンドワイヤが接続される（１０４）。

Description

開示される実施例は、集積回路（ＩＣ）パッケージのためのリードフレームに関し、更に特定して言えば、ベース金属上の金属被覆を含む金属端子を有するリードフレームに関する。
半導体集積回路（ＩＣ）の製造において、半導体ＩＣダイ（又はチップ）がリードフレーム上に搭載され、その後、ＩＣパッケージを形成するためにＩＣダイとリードフレームの一部とをプラスチックケースに封入することが続く。ＩＣパッケージは、ＩＣダイ上の電子デバイスの、外部回路要素との相互接続のため印刷回路基板（ＰＣＢ）上にマウントされ得る。リードフレームは、それがパッケージングプロセスを促進し得るように、良好なボンディング特性、モールディング化合物特性、及びはんだ付け性を提供すべきである。これらの特性を提供するため、種々の被覆がリードフレーム表面上に形成され得る。
ボンド配線とリードフレームのボンディングエリアとの間の相互接続のための改善されたボンディング特性を提供するための従来の方法の一つは、ワイヤボンディング前のパッケージ内の金属端子上を含むボンディングエリア上に銀（Ａｇ）などの金属をはんだ付けすることである。ワイヤボンディングは概して、キャピラリをキャピラリから外に伸びるワイヤのボールを備えたＩＣダイボンドパッドの上に配置することによりボールボンドを形成する第１のボンディングと、その後、ボールをボンドパッドにボンディングするための第２のボンディングとによって実施される。キャピラリはその後、キャピラリボアに対して進むワイヤと共に第２のボンドが成されるべきリードフレームの金属端子（例えば、リードフィンガー）に移され、キャピラリを用いてワイヤでその金属端子（例えば、リードフィンガー）にスティッチボンドが成され、ワイヤはその後破断されて、キャピラリから外に伸びる小さなワイヤピグテールが残る。
半導体ＩＣがプラスチックケースにシーリングされた後、リード付き（leaded）プラスチックパッケージの場合、封止された内部リード部分を有するリードを端子が含んでおり、外部リード部分は、はんだ付けによるＰＣＢ上の取り付けの容易さを可能にするためにＩＣパッケージの外部リード部分のための適切なはんだ付け性を提供するため、錫／鉛（Ｓｎ／Ｐｂ）の合金の層でめっきされ得る。めっきは概して、スムーズで一定の厚みの金属被覆を提供する。
開示される実施例は、リードフレームの金属端子（例えば、リード又はリードフィンガー）のボンディングエリア上の金属被覆が、インクジェットのような金属ペーストディスペンス装置により提供されるとき、金属被覆の表面が、電気めっきされた金属被覆に比して著しく粗くなることを認識している。このような粗い／不均一な表面は、第２のボンディングプロセスの間のキャピラリ及びボンドワイヤによる接触エリアを低減させ得、印加される圧力を低減し、及びその結果、ボンドワイヤと金属端子との間のスティッチボンドの接触エリアを低減し、これは、スティッチボンドの引っ張り強度を低減することにつながる。
開示される実施例はまた、インクジェット及びディスペンスすることが、ディスペンスされる量と位置との両方を制御するための柔軟性を有することを認識している。傾斜した頂部面を含む傾斜した金属端子被覆が、位置の関数として、ディスペンスされる金属被覆量を制御することにより提供される。ワイヤボンディングの間、端子表面とキャピラリ／キャピラリから外のボンドワイヤとの間の角度を低減するように頂部金属端子表面の角度を制御することにより、頂部金属端子表面へのキャピラリとボンドワイヤの接触エリアが増大される。その結果、ワイヤボンド能力、引っ張り強度、剪断強度、及び破断モードが全て改善される。
例示の一実施例に従った、リードフレームの金属端子上の傾斜した金属被覆を含む半導体デバイスをアセンブルする例示の方法における工程を示すフローチャートである。
例示の一実施例に従った、図の右からボンドワイヤを受け取るパッケージにおける金属端子位置のための傾斜した金属被覆を有するリードフレームの開示される金属端子の断面図であり、傾斜した金属被覆は、第１の傾斜した頂部面と、第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面とを含む。
例示の一実施例に従った、図の左からボンドワイヤを受け取るパッケージにおける金属端子位置のための傾斜した金属被覆を有するリードフレームの開示される金属端子の断面図であり、傾斜した金属被覆は、第１の傾斜した頂部面と、第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面とを含む。
例示の一実施例に従って、傾斜した金属被覆を有する開示される金属端子を形成するためにインクジェットを用いる一つの方法を示す。
例示の一実施例に従った、傾斜した金属端子を含むリードフレームを有する、封止された半導体パッケージの断面図である。
例示の一実施例に従った、傾斜した金属端子を含むリードレスリードフレームの略上面図である。
例示の一実施例に従った、傾斜した金属端子を含むリード付きのリードフレームの略上面図である。
開示される傾斜した金属端子を含む金属端子の金属被覆された表面の引っ張り強度対厚み差のグラフである。
図１は、例示の一実施例に従って、傾斜した金属被覆を含む半導体デバイスをリードフレームの金属端子上にアセンブルする例示の方法１００における工程を示す。開示される実施例は、リードフィンガーを含む内部端子を有するリードレスパッケージ、及び、複数の金属端子が、内部リード部と外部リード部分とを含む複数のリード（又はピン）を含む、リード付きパッケージの両方に適用され得る。
ステップ１０１は、溶媒内に金属粒子を含む金属ペーストを、ベース金属と中央ダイパッドとを含むリードフレームの複数の金属端子のボンディングエリア上にディスペンスすることを含む。ディスペンスすることは、２ μｍ〜８ μｍの間の範囲の厚みを典型的に付与する、少なくとも１ μｍの溶媒除去（ステップ１０２）後の厚みの範囲で、変化するディスペンスされた厚み（及びそのため変化する量）をボンディングエリアの上に提供する。リードフレームのベース金属は概して、合金１９４、Ｃ７０２５、ＫＣＦ１２５、ＥＦＴＥＣを含む銅又は銅合金であり、又はニッケル／フェライト合金（例えば、Ｎｉ−Ｆｅ４２合金）などを含む銅以外であってもよい。ベース金属のための典型的な厚みは０．１５ ｍｍ〜０．３０ ｍｍである。金属ペーストにおける金属粒子は、銀、銅、アルミニウム又は金、又はそれらの合金などの金属を含み得る。
ディスペンスのために、コンピュータ制御されたインクジェット装置を用いることができる。他のディスペンス装置には、コンピュータ制御されたニードルディスペンサ（エアー、メカニカル）及びジェットディスペンサが含まれ得る。これらの方法はすべて、溶媒（金属ペースト）内の金属粒子をディスペンスし、ペーストを高解像度でプリントし得る。
インクジェットプリントの場合、インクジェットプリント動作は、圧電性又はサーマルインクジェットプリンタを含む、当業界で既知の種々の技術により誘導され得る。インクジェットプリントは、高精度で表面上に液体の小滴を吐出するために一連のノズルを介して動作する。ノズルは、プリントされる表面に対して（例えば、ステッパモーターにより）前後に移動され得るプリントヘッドの一部である。また、プリントされる表面がプリントヘッドに関連して移動され得る。
傾斜した（角度を付けられた）頂部面を有する開示される被覆が、位置の関数として、ディスペンスされる金属被覆量のコンピュータ制御によって達成され得る。例えば、一定のペースト流量に対して、一層遅い移行又は一層長い時間は、一層速い移行／一層短い時間に比して一層高い厚みをもたらす。ディスペンスされる厚みを及びそのためディスペンスされる量を制御するために、ディスペンスされるドットサイズが用いられてもよい。
ステップ１０２は、第１の傾斜した頂部面と第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面とを含む、傾斜した金属被覆を形成するために溶媒を気化することを含む。第１の傾斜した頂部面は、第２の傾斜した頂部面に比してダイパッドに一層近く、第２の傾斜した頂部面は、ダイパッドに対する距離が低減するにつれて被覆厚みが増大し、第１の傾斜した頂部面は、ダイパッドに対する距離が低減するにつれて被覆厚みが低減する。溶媒を気化するために熱及び／又は紫外線光が用いられ得る。
傾斜した金属被覆の典型的な平均厚みは、一つの特定の実施例において約５ μｍなど、３ μｍ〜１０ μｍである。上述のように、金属被覆にわたる厚み差は、４ μｍの厚み差に対して最大厚として８ μｍ及び最小厚で４ μｍなど、典型的に２ μｍ〜８ μｍである。
ステップ１０３は、頂部側アクティブ表面上に複数のボンドパッドを含む半導体ダイの底部側をダイパッドに取り付けることを含む。この取り付けのために、銀充填エポキシなどの接着剤／接着性が用いられ得る。
ステップ１０４は、複数のボンドパッドと第２の傾斜した頂部面のそれぞれとの間に複数のボンド配線を接続することを含む。このボンディング接続は概して直接的接続である（即ち、はんだが必要とされない）。このボンディングプロセスにおいて、相互接続のために金又はアルミニウム配線などの複数のボンドワイヤが用いられ、複数のボンドワイヤは各々、半導体ダイ上の１つのボンドパッド（図示せず）にボンディングされる一つの端部と、金属端子（リード付きパッケージのための内部リード）上の金属被覆にボンディングされる他の端部とを有する。既知のワイヤボンディング手法が用いられ得る。
ステップ１０５は、ポリマーなどの封止材料に半導体デバイスを封止することを含む。この封止ステップにおいてパッケージの上に非導電性（誘電体）封止ポリマーがモールディングされ得る。パッケージングされた半導体デバイスはその後、概して電気的にテストされる。
図２Ａは開示される金属端子２００を示し、金属端子２００は、図の右からボンドワイヤを受け取るパッケージングされた半導体デバイスにおける位置のためベース金属２１０上の傾斜した金属端子被覆２０５を有する。傾斜した金属被覆２０５は、第１の傾斜した頂部面２０５ａと、第１の傾斜した頂部面２０５ａに対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面２０５ｂとを含む。図３の封止された半導体パッケージ３００に示されるように、金属端子２００の第１の傾斜した頂部面２０５ａは、第２の傾斜した頂部面２０５ｂに比してダイパッド３２２に一層近く、第２の傾斜した頂部面２０５ｂは、ダイパッド３２２に対する距離が低減するにつれて被覆厚みが増大し、第１の傾斜した頂部面２０５ａは、ダイパッド３２２に対する距離が低減するにつれて被覆厚みが低減する。
図２Ｂは開示される金属端子２５０を示し、金属端子２５０は、図の左からボンドワイヤを受け取るパッケージングされた半導体デバイスにおける位置のためベース金属２１０上の傾斜した金属端子被覆２５５を有する。傾斜した金属被覆２５５は、第１の傾斜した頂部面２５５ａと、第１の傾斜した頂部面２５５ａに対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面２５５ｂとを含む。図３に示すように、金属端子２５０の第１の傾斜した頂部面２５５ａは、第２の傾斜した頂部面２５５ｂに比してダイパッド３２２に一層近く、第２の傾斜した頂部面２５５ｂは、ダイパッド３２２に対する距離が低減するにつれて被覆厚みが増大し、第１の傾斜した頂部面２５５ａは、ダイパッド３２２に対する距離が低減するにつれて被覆厚みが低減する。
図２Ｃは、例示の実施例に従って、傾斜した金属被覆を有する開示される金属端子を形成するためにインクジェットを用いる例示の方法を示す。一層厚い被覆を有するように設計されるエリアでは、ディスペンスされる量が増大される。一層薄い被覆を必要とするエリアでは、図２Ｃに示すように量を低減するためドットサイズを最小化することになどより、ディスペンスされる量が低減される。
図３は、例示の実施例に従った、封止された半導体パッケージ３００を図示し、半導体パッケージ３００は、傾斜した金属端子被覆を含む開示される金属端子２００、２５０を有する。半導体パッケージ３００は、ボンドパッド３１３を有する半導体ダイ３１２、リードフレーム３１４、複数のボンド配線３１６、及び複数のスティッチボンド３１８を含む。リードフレーム３１４は、幾つかの金属端子２００、２５０（リード付きパッケージのためのリード、及びリードレスパッケージのためのリードフィンガー）と、半導体ダイ３１２を支持するために上にダイ取り付け接着性３２３を有するダイパッド３２２とを含む。半導体デバイスは、ボンドワイヤ３１６により金属端子２００、２５０に接続される幾つかの電極を含む。パッケージ３００の上に非導電性封止ポリマー３４２がモールディングされる。
図４Ａは、例示の実施例に従った、傾斜した金属端子を含むデュアルフラット・ノーリード（ＤＦＮ）リードフレームとして示されるリードレスリードフレーム４００を図示する。リードフレーム４００は、ダイパッド３２２の左側の金属端子２００、及びダイパッド３２２の右側の金属端子２５０を含み、これらは、ダイパッド３２２上に搭載される半導体ダイ３１２に直接的に接続されることになる。
図４Ｂは、例示の実施例に従った、傾斜した金属端子を含むリード付きのリードフレーム４５０を図示する。リードフレーム４５０は、ダイパッド３２２上に搭載される半導体ダイ３１２に直接的に接続されるべき多数の内部リード４５４、内部リード４５４に接続される多数の対応するリードショルダ４５６、及び印刷回路基板（図示せず）上の外部回路要素への接続のためリードショルダ４５６に接続される、多数の対応する外部リード４５８を含むリード部を含む。
機能的に、リードフレーム４５０は、参照符号４６２により示される破線ボックスにより囲まれるエリアとして、パッケージエリアに分割され、パッケージエリアは、その中の、参照符号４６０により破線ボックスにより囲まれるエリアとして、ボンディングエリア（又は、コインエリアと呼ばれる）と、内部リード４５４とを含む。ボンディングエリア４６０は、ダイパッド３２２と、内部リード４５４のフリー（free）端部（コイン・リードティップと呼ばれる）４６４とを含む。内部リード４５４のコイン・リードティップ４６４は、開示される傾斜した金属端子被覆が提供される箇所である。
図４Ｂに示すように、ダイパッド３２２の右側のコイン・リードティップ４６４上に被覆２５５（図２Ｂ参照）があり、ダイパッド３２２の左側のコイン・リードティップ４６４上に被覆２０５（図２Ａ参照）がある。図示していないが、全てのコイン・リードティップ４６４が、開示される傾斜した金属端子被覆を含み得る。リードフレーム４５０上のパッケージエリア４６２を超えたエリアは、リードショルダ４５６及び外部リード４５８を含む。
図５は、開示される傾斜した金属端子を含む金属端子の被覆された表面の引っ張り強度対厚み差（絶対値）のグラフを図示する。位置の関数としてインクジェット量を変えることにより、金属被覆傾斜（金属端子２００、２５０）の異なる方向、及びパッド傾斜の大きさが金属端子上に用意された。引っ張り強度は、被覆厚み差を一層大きくすること（一層大きなパッド傾斜）で増大することが分かる。６ｇＦ引っ張り強度が、平坦な金属被覆を有する従来の金属端子のための（金属端子から）リフトされたスティッチに関与する破断モードにより制限されることが分かった。これに対し、傾斜した金属被覆を有する開示される金属端子では、（ＩＣダイ上のボンドパッドからの）ヒール破断／リフトに関与する破断モードにより制限されることが分かった、ほぼ７．８ｇＦ引っ張り強度（従来の平坦な金属被覆より３０％増）が提供される。
開示される実施例は、種々の異なる半導体ＩＣデバイス及び関連製品を形成するために種々のアッセンブリフローに統合され得る。アッセンブリは、単一半導体ダイ、又は、複数のスタックされた半導体ダイを含むＰｏＰ構成などのマルチプル半導体ダイを含み得る。半導体ダイは、その中に種々の要素を、及び／又は、その上の層を含み得、それらには、障壁層、誘電体層、デバイス構造、及び、ソース領域、ドレイン領域、ビット線、ベース、エミッタ、コレクタ、導電性ライン、導電性ビアなどを含む能動要素及び受動要素が含まれる。また、半導体ダイは、バイポーラ、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳ、及びＭＥＭＳを含む、種々のプロセスから形成され得る。
本開示に関連する技術に習熟した者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、他の実施例及び実施例の変形が可能であること、及び本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、説明した実施例に更なる付加、削除、代替、及び変更が成され得ることが分かるであろう。

Claims (15)

  1. 半導体デバイスを組み立てる方法であって、
    溶媒内に金属粒子を含む金属ペーストを、ベース金属を含むリードフレームの複数の金属端子のボンディングエリア上にディスペンスすることであって、前記リードフレームが中央ダイパッドを有し、前記ディスペンスすることが、変化するディスペンスされた厚みを前記ボンディングエリアの上に提供すること、
    第１の傾斜した頂部面と前記第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面とを含む、傾斜した金属被覆を形成するために前記溶媒を気化することであって、
    前記第１の傾斜した頂部面が、前記第２の傾斜した頂部面に比して前記ダイパッドに一層近く、
    前記第２の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減するにつれて増大し、前記第１の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減するにつれて低減し、
    頂部側アクティブ表面上の複数のボンドパッドを含む半導体ダイの底部側を前記ダイパッドに取り付けること、及び
    前記複数のボンドパッドと前記第２の傾斜した頂部面のそれぞれとの間に複数のボンド配線を接続すること、
    を含む、方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記第２の傾斜した頂部面が、前記第１の傾斜した頂部面のエリアに比して一層大きなエリアを有する、方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、前記複数のボンド配線が、前記第２の傾斜した頂部面のそれぞれに直接的に接続される、方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、前記傾斜した金属被覆が、銀、銅、アルミニウム又は金、又はそれらの合金を含む、方法。
  5. 請求項１に記載のリードフレームであって、前記傾斜した金属被覆にわたる厚み差が２ μｍ〜８ μｍである、リードフレーム。
  6. 請求項１に記載のリードフレームであって、前記ディスペンスすることが、コンピュータ制御されたインクジェットをディスペンスすることを含む、リードフレーム。
  7. リードフレームであって、
    半導体ダイを取り付けるためのダイパッドであって、前記半導体ダイが、その上に複数のボンドパッドを有する頂部側アクティブ表面を含む、前記ダイパッド、及び
    前記ダイパッド外側の複数の金属端子であって、ベース金属とその上の傾斜した金属被覆とを含む、前記複数の金属端子、
    を含み、
    前記傾斜した金属被覆が、
    第１の傾斜した頂部面と、前記第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面と、
    を含み、
    前記第１の傾斜した頂部面が、前記第２の傾斜した頂部面に比して前記ダイパッドに一層近く、
    前記第２の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減するにつれて増大し、前記第１の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減するにつれて低減する、
    リードフレーム。
  8. 請求項７に記載のリードフレームであって、前記第２の傾斜した頂部面が、前記第１の傾斜した頂部面のエリアに比して一層大きなエリアを有する、リードフレーム。
  9. 請求項７に記載のリードフレームであって、前記傾斜した金属被覆が、銀、銅、アルミニウム又は金、又はそれらの合金を含む、リードフレーム。
  10. 請求項７に記載のリードフレームであって、前記傾斜した金属被覆にわたる厚み差が２ μｍ〜８ μｍである、リードフレーム。
  11. 半導体デバイスアッセンブリであって、
    ダイパッドであって、上に複数のボンドパッドを有する頂部側アクティブ表面を含む半導体ダイがその上に取り付けられる、前記ダイパッド、
    前記ダイパッド外側の複数の金属端子であって、ベース金属とその上の傾斜した金属被覆とを含む、前記複数の金属端子であって、
    前記傾斜した金属被覆が、
    第１の傾斜した頂部面と、前記第１の傾斜した頂部面に対して角度を付けられた第２の傾斜した頂部面と、
    を含み、
    前記第１の傾斜した頂部面が、前記第２の傾斜した頂部面に比して前記ダイパッドに一層近く、
    前記第２の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減につれて増大し、前記第１の傾斜した頂部面の被覆厚みが、前記ダイパッドに対する距離が低減するにつれて低減し、
    前記複数のボンドパッドと、前記第２の傾斜した頂部面のそれぞれとの間に直接的にボンド配線を接続すること、
    を含む、半導体デバイスアッセンブリ。
  12. 請求項１１に記載の半導体デバイスアッセンブリであって、前記第２の傾斜した頂部面が、前記第１の傾斜した頂部面のエリアに比して一層大きなエリアを有する、半導体デバイスアッセンブリ。
  13. 請求項１１に記載の半導体デバイスアッセンブリであって、前記傾斜した金属被覆が、銀、銅、アルミニウム又は金、又はそれらの合金を含む、半導体デバイスアッセンブリ。
  14. 請求項１１に記載の半導体デバイスアッセンブリであって、前記傾斜した金属被覆にわたる厚み差が２ μｍ〜８ μｍである、半導体デバイスアッセンブリ。
  15. 請求項１１に記載の半導体デバイスアッセンブリであって、前記ボンドワイヤが、前記第２の傾斜した頂部面のそれぞれに直接的に接続される、半導体デバイスアッセンブリ。
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