JP2023030046A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Motoharu Haga
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Abstract

【課題】ワイヤの接合強度のばらつきを抑制する半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置A1は、半導体チップ11(半導体素子)と、アルミニウムワイヤ31と、陽極酸化皮膜4と、樹脂パッケージ5(封止樹脂)と、を備える。アルミニウムワイヤ31は、一端が半導体チップ1に接合されている。陽極酸化皮膜4は、ワイヤ被覆部41を有する。ワイヤ被覆部41は、アルミニウムワイヤ31を覆う。樹脂パッケージは、半導体チップおよび陽極酸化皮膜4を覆う。また、半導体装置A1の製造方法は、アルミニウムワイヤ31の一端を半導体チップ11(半導体素子)に接合することと、アルミニウムワイヤ31を覆う陽極酸化皮膜4を形成することと、半導体チップ11および陽極酸化皮膜4を覆う樹脂パッケージ(封止樹脂)を形成することと、を有する。【選択図】図22

Description

本開示は、ワイヤを用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
特許文献1は、従来の半導体装置の一例を開示している。同文献に開示された半導体装置は、リードフレーム、半導体素子、および、複数のワイヤを備えている。前記複数のワイヤは、互いに材質の異なる2種類のワイヤを含んでいる。ワイヤと当該ワイヤを接続する部分との接合強度は、互いに材質の組み合わせによって異なりうる。このため、複数のワイヤの接合強度にばらつきが生じ、いずれかの接合強度が、相対的に弱くなる場合があるという問題があった。たとえば、上記特許文献1においては、ワイヤの材質に応じて、リードフレームのめっきの材質を変更するという方策を採用している。この場合、リードフレームの製造効率が低下しコストが増大することが懸念され、十分な改善には至っていない。
特開2003-209132号公報
本開示は、より好適な半導体装置およびその製造方法を提供することをその課題の一つとする。たとえば、本開示は、複数種類のワイヤを用いる場合に、これらのワイヤの接合強度のばらつきを抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することをその課題の一つとする。
本開示の第1の側面によると、半導体装置が提供される。前記半導体装置は、半導体素子と、被接合体と、第1ワイヤと、ワイヤ片と、第2ワイヤと、を含む。前記被接合体は、前記半導体素子に導通する。前記第1ワイヤの材質は、第1金属である。前記第1ワイヤは、前記被接合体に接合された第1ボンディング部および当該第1ボンディング部から延びる第1線状部を含む。前記ワイヤ片は、材質が前記第1金属である。前記ワイヤ片は、前記被接合体に接合されている。前記第2ワイヤの材質は、前記第1金属とは異なる第2金属である。前記第2ワイヤは、前記ワイヤ片を介して前記被接合体に接合された第2ボンディング部および当該第2ボンディング部から延びる第2線状部を含む。
本開示の第2の側面によると、半導体装置の製造方法が提供される。前記製造方法は、材質が第1金属である第1配線材の一部を被接合体に接合することによりワイヤ片を形成することと、前記第1配線材を用いて、前記被接合体に接合された第1ボンディング部および当該第1ボンディング部から延びる第1線状部を含む第1ワイヤを形成することと、材質が前記第1金属とは異なる第2金属である第2配線材を用いて、前記ワイヤ片に接合された第2ボンディング部および当該第2ボンディング部から延びる第2線状部を含む第2ワイヤを形成することと、を有する。
本開示の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置を示す側面図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の部分拡大断面図である。 本開示の実施形態に係る製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態に係る製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態で用いられるウェッジツールの一例を示す図である。 ワイヤ片が形成される様子を示す図である。 図8A-Cに示すワイヤ片形成工程における第1配線材およびワイヤ片の断面図である。 本開示の実施形態に係る製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態に係る第2ワイヤ形成工程において、第2ワイヤが形成される様子を示す図である。 本開示の実施形態に係る製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置のワイヤボンディング構造を示す各種断面図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置のワイヤボンディング構造を示す平面図である。 本開示の変形例に係る半導体装置を示す平面図である。 本開示の変形例に係る半導体装置のワイヤボンディング構造を示す各種断面図である。 本開示の変形例に係る半導体装置のワイヤボンディング構造を示す平面図である。 変形例に係るウェッジツールを示している。 ウェッジツールによって形成されたワイヤ片を示す図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置を示す側面図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の部分拡大断面図である。 陽極酸化皮膜の積層構造を説明するための図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程(陽極酸化処理工程)を示す図である。 本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。 本開示の変形例に係る封孔処理を示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図1~図4は、本開示の実施形態に係る半導体装置A1を示している。本開示の半導体装置A1は、たとえば自動車や電子機器などの電装回路基板に実装される。半導体装置A1は、複数の半導体チップ1、リードフレーム2、複数のワイヤ3、ワイヤ片4、および、樹脂パッケージ5を備えている。図1は、半導体装置A1の斜視図である。図2は、半導体装置A1の平面図である。図3は、半導体装置A1の側面図であり、図2における左側から見たときの側面を示している。図4は、半導体装置A1の部分拡大断面図である。なお、図1~図3においては、樹脂パッケージ5を想像線で示している。また、図4においては、樹脂パッケージ5の図示を省略している。以下において、理解の便宜上、互いに直交するx方向、y方向、z方向で規定された直交座標系を定義して説明する。当該z方向は半導体装置A1の厚さ方向とする。
複数の半導体チップ1の各々は、半導体を材料とする回路素子であり、半導体装置A1の機能の中枢となる電子部品である。本実施形態においては、半導体装置A1は、複数の半導体チップ1として、複数の第1半導体チップ11および第2半導体チップ12を有する。
複数の第1半導体チップ11の各々は、平面視矩形状を呈する。各第1半導体チップ11は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ダイオードなどのパワーチップである。なお、各第1半導体チップ11は、上記したものに限定されない。本実施形態においては、半導体装置A1は、2つの第1半導体チップ11を有する。各第1半導体チップ11は、チップ主面111およびチップ裏面112を有する。チップ主面111は、z1方向を向く面である。チップ裏面112は、z2方向を向く面である。各第1半導体チップ11は、電極パッド113を有している。
各電極パッド113は純アルミニウムからなる。なお、各電極パッド113は、アルミニウム合金であってもよい。各電極パッド113は、パッド主面113a、パッド裏面113b、および、パッド側面113cを有する。パッド主面113aは、z1方向を向く面である。本実施形態においては、パッド主面113aは、平面視において矩形状をなす。パッド裏面113bは、z2方向を向く面である。パッド側面113cは、x1方向を向く面、x2方向を向く面、y1方向を向く面、および、y2方向を向く面を有する。各第1半導体チップ11において、パッド主面113aは、チップ主面111の一部をなす。すなわち、パッド主面113aはチップ主面111とz方向において同じ位置である。なお、パッド主面113aとチップ主面111とはz方向において異なる位置であってもよい。当該パッド主面113aには、ワイヤ3(後述する第1ワイヤ31)が接合されている。
第2半導体チップ12は、平面視矩形状を呈する。第2半導体チップ12は、たとえばコントロールICなどのLSIチップである。なお、第2半導体チップ12は、上記したものに限定されない。本実施形態においては、半導体装置A1は、1つの第2半導体チップ12を有する。第2半導体チップ12は、チップ主面121およびチップ裏面122を有する。チップ主面121は、z1方向を向く面である。チップ裏面122は、z2方向を向く面である。チップ主面121には、複数のワイヤ3(後述する第2ワイヤ32および後述する第3ワイヤ33)が接合されている。なお、詳細には、チップ主面121は、電極パッドを有しており、複数のワイヤ3は、当該電極パッドに接合されている。当該電極パッドの表層の材質は、たとえば、アルミニウム、ニッケル・パラジウム、ニッケル・パラジウム金などがあるが、これらに限定されない。
リードフレーム2は、導電性材料よりなる。このような導電性材料としては、たとえばCuが挙げられる。リードフレーム2は、電装回路基板に接合されることにより、複数の半導体チップ1と電装回路基板との導通経路をなす。リードフレーム2は、すべての面にNiめっきが施されている。当該リードフレーム2が、「被接合体」の一例に相当する。リードフレーム2は、その機能的な構成要素として、複数のダイボンディング部21、複数のワイヤボンディング部22、複数の端子部23、および、複数の放熱部24を有する。
複数のダイボンディング部21はそれぞれ、半導体チップ1を支持する部分である。各ダイボンディング部21は、x-y平面に沿う板状である。本実施形態においては、複数のダイボンディング部21には、複数の第1ダイボンディング部211および第2ダイボンディング部212を含む。
複数の第1ダイボンディング部211の各々は、第1半導体チップ11が接合されている。各第1ダイボンディング部211は、z方向視において、第1半導体チップ11の外形より大に形成されている。本実施形態においては、リードフレーム2は、2つの第1ダイボンディング部211を有する。第2ダイボンディング部212は、第2半導体チップ12が接合されている。第2ダイボンディング部212は、z方向視において、第2半導体チップ12の外形より大に形成されている。本実施形態においては、リードフレーム2は、1つの第2ダイボンディング部212を有する。第2ダイボンディング部212は、各第1ダイボンディング部211よりz1方向に位置する。
本実施形態においては、各第1ダイボンディング部211とこれに支持される各第1半導体チップ11との間には接合層91が介在している。接合層91は、導電性材料よりなる。このような導電性材料は、たとえばハンダあるいは銀ペーストである。ハンダは熱伝導率が比較的大きい。接合層91としてハンダを用いると、第1半導体チップ11から第1ダイボンディング部211に熱を効率よく伝えることができる。なお、第2ダイボンディング部212とこれに支持される第2半導体チップ12との間にも所定の接合層が介在しているが、図示を省略している。
複数のワイヤボンディング部22はそれぞれ、ワイヤ3を支持する部分である。本実施形態においては、複数のワイヤボンディング部22は、複数の第1ワイヤボンディング部221および複数の第2ワイヤボンディング部222を含む。
複数の第1ワイヤボンディング部221の各々には、第1ワイヤ31(後述)が接合されている。本実施形態おいては、リードフレーム2は、2つの第1ワイヤボンディング部221を有する。複数の第2ワイヤボンディング部222の各々には、ワイヤ片4が接合されている。各第2ワイヤボンディング部222は、接合されたワイヤ片4を介して、第2ワイヤ32(後述)と導通している。本実施形態においては、上記するようにリードフレーム2全体にめっき処理が施されているため、各第1ワイヤボンディング部221および各第2ワイヤボンディング部222は、z1方向を向くめっき面を有している。本実施形態においては、リードフレーム2は、7つの第2ワイヤボンディング部222を有する。第1ワイヤボンディング部221が、「被第1ボンディング部」の一例に相当する。また、第2ワイヤボンディング部222が、「被第2ボンディング部」の一例に相当する。
複数の端子部23は、電装回路基板と電気的な接続を行う端子である。すなわち、複数の端子部23は、半導体装置A1のコネクタピンとして機能する。複数の端子部23の各々は、樹脂パッケージ5から露出している。複数の端子部23は、y方向に並んでいる。また、複数の端子部23は、樹脂パッケージ5より、x2方向に位置する。各端子部23は、屈曲している。本実施形態においては、リードフレーム2は、9つの端子部23を有する。
複数の放熱部24はそれぞれ、半導体チップ1にて発生した熱を外部に放出する部分である。各放熱部24は、樹脂パッケージ5から露出している。本実施形態においては、各放熱部24は、各第1ダイボンディング部211に繋がる。複数の放熱部24は、平面視において、y方向に並んでおり、かつ、樹脂パッケージ5よりx1方向に位置する。本実施形態においては、第1半導体チップ11は、パワーチップであるため、発熱量が多い。そこで、複数の放熱部24は主に第1半導体チップ11にて発生した熱を放出するために設けられている。本実施形態においては、リードフレーム2は、2つの放熱部24を有する。なお、複数の放熱部24は、リードフレーム2の一部であってもよいし、リードフレーム2とは異なる部材が接合されたものであってもよい。
リードフレーム2は、複数のリードを含んで構成される。本実施形態においては、半導体装置A1は、リードフレーム2として、互いに離間した9本のリード(第1~第9リード2A~2I)を有する。
第1リード2Aは、端子部23、第1ダイボンディング部211、および、放熱部24を有している。第1リード2Aにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第1リード2Aは、図1および図3に示すように、端子部23と第1ダイボンディング部211とを連結する部分において屈曲している。第1リード2Aは、第1半導体チップ11を支持している。
第2リード2Bは、端子部23および第2ワイヤボンディング部222を有している。第2リード2Bにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第2リード2Bにはワイヤ片4を介して第2ワイヤ32が接合されている。なお、第3リード2C、第5リード2E、第6リード2F、および、第7リード2Gも、第2リード2Bと同様である。
第4リード2Dは、端子部23、第2ワイヤボンディング部222、および、第2ダイボンディング部212を有している。第4リード2Dにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第4リード2Dは、第2半導体チップ12を支持している。また、第4リード2Dにはワイヤ片4を介して第2ワイヤ32が接合されている。
第8リード2Hは、端子部23、第1ワイヤボンディング部221、および、第2ワイヤボンディング部222を有している。第8リード2Hにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第8リード2Hには、第1ワイヤ31が接合され、また、ワイヤ片4を介して第2ワイヤ32が接合されている。
第9リード2Iは、端子部23、第1ダイボンディング部211、第1ワイヤボンディング部221、および、放熱部24を有している。第9リード2Iにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第9リード2Iは、図1および図3に示すように、端子部23と第1ダイボンディング部211とを連結する部分において屈曲している。第9リード2Iは、第1半導体チップ11を支持している。また、第9リード2Iには、第1ワイヤ31が接合されている。
複数のワイヤ3の各々は、第1半導体チップ11および第2半導体チップ12と、リードフレーム2とを接続するものである。本実施形態においては、複数のワイヤ3は、複数の第1ワイヤ31、複数の第2ワイヤ32、および、複数の第3ワイヤ33を含む。
複数の第1ワイヤ31の各々は、主成分が第1金属からなる。複数の第2ワイヤ32の各々および複数の第3ワイヤ33の各々は、主成分が第2金属からなる。第1金属は、被接合体としてのリードフレーム2との金属接合において、接合強度が比較的良好なものである。第2金属は、被接合体としてのリードフレーム2との金属接合において、接合強度が比較的に劣るものであり、かつ、第1金属との金属接合において、接合強度が良好なものである。本実施形態においては、リードフレーム2はNiめっきされているので、Niとの金属接合の相性に基づいて、第1金属および第2金属を選定すればよい。このような第1金属としては、主成分がアルミニウムであるものがあり、第2金属としては、主成分が金あるいは銅であるものがある。本実施形態においては、各第1ワイヤ31は、鉄、ケイ素、ニッケルのいずれかが添加されたアルミニウム合金としている。なお、各第1ワイヤ31は、純アルミニウムであってもよい。また、各第2ワイヤ32および各第3ワイヤ33はともに、金としている。
各第1ワイヤ31は、一端が第1半導体チップ11に接合されており、他端がリードフレーム2に接合されている。なお、各第1ワイヤ31は、後述するウェッジツール6を用いて形成される。本実施形態において、半導体装置A1は、2つの第1ワイヤ31を有する。各第1ワイヤ31は、一対のウェッジ接合部311,312および第1線状部313を含んでいる。
一対のウェッジ接合部311,312はともに、ウェッジツール6によるウェッジボンディングによって形成された部位である。ウェッジ接合部311は、第1半導体チップ11(電極パッド113)に接合されている。ウェッジ接合部312は、リードフレーム2(第1ワイヤボンディング部221)に接合されている。第1線状部313は、ウェッジ接合部311とウェッジ接合部312とを繋ぐ部位である。第1線状部313は、一対のウェッジ接合部311,312からそれぞれ延びている。第1線状部313は、長軸方向に垂直な断面形状が円形であり、その径は300~400μmである。すなわち、各第1ワイヤ31のワイヤ径は、300~400μmである。なお、各第1ワイヤ31のワイヤ径は、これに限定されない。本実施形態においては、ウェッジ接合部312が、「第1ボンディング部」の一例に相当する。
複数の第2ワイヤ32の各々は、一端がワイヤ片4を介してリードフレーム2(第2ワイヤボンディング部222)に接合されており、他端が第2半導体チップ12(チップ主面121)に接合されている。各第2ワイヤ32は、後述するキャピラリ7を用いて形成される。本実施形態においては、半導体装置A1は、8つの第2ワイヤ32を有している。各第2ワイヤ32は、ボール接合部321、ステッチ接合部322、および、第2線状部323を含んでいる。
ボール接合部321は、キャピラリ7によるボールボンディングによって形成された部位である。ボール接合部321は、ワイヤ片4に接合されている。ステッチ接合部322は、キャピラリ7によるステッチボンディングによって形成された部位である。ステッチ接合部322は、第2半導体チップ12(チップ主面121)に接合されている。第2線状部323は、ボール接合部321とステッチ接合部322とを繋ぐ部位である。第2線状部323は、ボール接合部321およびステッチ接合部322からそれぞれ延びている。本実施形態においては、第2線状部323は、直線状に形成されている。第2線状部323は、長軸方向に垂直な断面形状が円形であり、その径は40~100μmである。すなわち、各第2ワイヤ32のワイヤ径は、40~100μmである。なお、各第2ワイヤ32のワイヤ径は、これに限定されない。本実施形態においては、ボール接合部321が、「第2ボンディング部」の一例に相当する。
複数の第3ワイヤ33の各々は、一端が第1半導体チップ11(チップ主面111)に接合されており、他端が第2半導体チップ12(チップ主面121)に接合されている。各第3ワイヤ33は、後述するキャピラリ7を用いて形成される。本実施形態においては、半導体装置A1は、3つの第3ワイヤ33を有している。各第3ワイヤ33は、ボール接合部331、ステッチ接合部332、および、第3線状部333を含んでいる。
ボール接合部331は、キャピラリ7によるボールボンディングによって形成された部位である。ボール接合部331は、第1半導体チップ11(チップ主面111)に接合されている。ステッチ接合部332は、キャピラリ7によるステッチボンディングによって形成された部位である。ステッチ接合部332は、第2半導体チップ12(チップ主面121)に接合されている。第3線状部333は、ボール接合部331とステッチ接合部332とを繋ぐ部位である。第3線状部333は、ボール接合部331およびステッチ接合部332からそれぞれ延びている。本実施形態においては、第3線状部333は、直線状に形成されている。第3線状部333は、長軸方向に垂直な断面形状が円形であり、その径は40~100μmである。すなわち、各第3ワイヤ33のワイヤ径は、40~100μmである。なお、各第3ワイヤ33のワイヤ径は、これに限定されない。
複数のワイヤ片4の各々は、前記複数の第1ワイヤ31と同じ材質である。すなわち、複数のワイヤ片4は、主成分が第1金属である。本実施形態においては、各ワイヤ片4は、鉄、ケイ素、ニッケルのいずれかが添加されたアルミニウム合金である。なお、各第1ワイヤ31が純アルミニウムの場合、各ワイヤ片4も純アルミニウムである。各ワイヤ片4は、細長い形状であり、平面視矩形状をなす。各ワイヤ片4は、第2ワイヤボンディング部222に接合されている。また、複数のワイヤ片4の各々には、z1方向から第2ワイヤ32が接合されている。各ワイヤ片4は、後述するウェッジツール6を用いて形成される。各ワイヤ片4は、上記第1ワイヤ31のウェッジ接合部311と略同じ大きさである。
樹脂パッケージ5は、複数の半導体チップ1、リードフレーム2の一部、複数のワイヤ3、および、複数のワイヤ片4を覆う。樹脂パッケージ5は、電気絶縁性を有する熱硬化性の合成樹脂である。本実施形態においては、黒色のエポキシ樹脂である。また、樹脂パッケージ5は平面視において矩形状をなす。
次に、本開示の実施形態に係る半導体装置A1の製造方法について、説明する。本実施形態に係る製造方法は、リードフレーム前工程、ダイボンディング工程、ワイヤボンディング工程、樹脂成型工程、および、リードフレーム後工程を有する。半導体装置A1は、上記複数の工程を経て、製造される。本実施形態においては、上記する各工程を上記の順序で行う。
リードフレーム前工程では、上記構成のリードフレーム2を形成するための下準備を行う。具体的には、リードフレーム前工程において、銅の金属板を用意し、当該銅の金属板を打ち抜き加工する。なお、当該打ち抜き加工は、周知の方法を用いればよい。これにより、図5に示すリードフレーム200が得られる。当該リードフレーム200は、フレーム201とフレーム201に支持された複数のリード(第1~第9リード2A~2I)とを含む。第1~第9リード2A~2Iには、上記するダイボンディング部21、ワイヤボンディング部22、端子部23、および、放熱部24に相当する部分が形成されている。なお、この段階では、当該リードフレーム200は、板状であり、屈曲していない。
次に、リードフレーム200に対して折り曲げ加工を施す。当該折り曲げ加工では、複数の第1ダイボンディング部211がz2方向に平行移動するように、リードフレーム200を折り曲げる。これにより、第2ダイボンディング部212に対して、複数の第1ダイボンディング部211がz2方向に位置する。なお、リードフレーム前工程において、打ち抜き加工と折り曲げ加工とを同時に行ってもよい。
その後、めっき処理が施される。本実施形態においては、リードフレーム2の全体にNiめっきする。なお、各第1ワイヤボンディング部221および各第2ワイヤボンディング部222にのみめっき処理を施してもよい。
続いて、ダイボンディング工程では、リードフレーム200のダイボンディング部21に複数の半導体チップ1をダイボンディングする。本実施形態においては、各第1半導体チップ11を各第1ダイボンディング部211に接合層91を介して配置する。これにより、各第1半導体チップ11は、各第1ダイボンディング部211に接合される。また、第2半導体チップ12を第2ダイボンディング部212に接合層(図示略)を介して配置する。これにより、第2半導体チップ12は、第2ダイボンディング部212に接合される。なお、ダイボンディング工程において、複数の半導体チップ1を所定の位置にダイボンディングできれば、その手法は限定されない。当該ダイボンディング工程を行うことで、図6に示すリードフレーム200が得られる。
続いて、ワイヤボンディング工程では、リードフレーム200およびリードフレーム200に接合された複数の半導体チップ1に複数のワイヤ3およびワイヤ片4を接合する。本実施形態においては、ワイヤボンディング工程は、ワイヤ片形成工程、第1ワイヤ形成工程、第2ワイヤ形成工程、および、第3ワイヤ形成工程を含んでおり、この順で行われる。なお、ワイヤ片形成工程と第1ワイヤ形成工程との順序を逆に行ってもよい。また、第2ワイヤ形成工程と第3ワイヤ形成工程との順序を逆に行ってもよい。
まず、ワイヤ片形成工程では、ウェッジボンディング装置を用いて、第1配線材301から複数のワイヤ片4を形成する。当該第1配線材301は、主成分が導電性を有する金属である。本実施形態においては、第1配線材301は、主成分がアルミニウムであり、当該アルミニウムに鉄、ケイ素、ニッケルのいずれかが添加されたアルミニウム合金である。また、第1配線材301のワイヤ径は、300~400μm程度である。図7A-Cは、本実施形態において使用するウェッジボンディング装置のウェッジツール6の一例を示している。ウェッジツール6は、ウェッジ61、ワイヤガイド62、および、カッタ63を有している。その他、これらを支持し、超音波振動を付加するホーン、ホーンを支持する本体、第1配線材301を巻回するワイヤリールなどを備えているが、これらの図示および説明は省略する。図7Aは、ウェッジツール6の全体を示す正面図である。図7Bは、ウェッジ61を示す斜視図である。図7Cは、図7Bに示すVII-VII線に沿う断面図である。
ウェッジ61は、第1配線材301を押し付けるとともに、超音波振動によって接合対象に第1配線材301を接合するものである。ウェッジ61は、たとえばタングステンカーバイドからなる。図7A-Cに示すように、ウェッジ61には、ガイド溝611が形成されている。ガイド溝611は、ウェッジ61の下端に設けられている。本実施形態においては、図7Cに示すように、ガイド溝611の断面形状はV字状である。ワイヤガイド62は、ウェッジ61に対して固定されており、上記ワイヤリールに巻回された第1配線材301をウェッジ61へと導くためのものである。カッタ63は、第1配線材301を切断するためのものである。カッタ63はウェッジ61に隣接して配置されている。ワイヤガイド62とカッタ63とは、ウェッジ61を挟んで反対側に配置されている。
図8A-Cおよび図9A-Bは、上記のように構成されたウェッジツール6を用いて、ワイヤ片4を形成する様子を示している。図8A-Cは、ウェッジツール6の正面図である。図9A-Bは、ウェッジ61の先端において、第1配線材301が延びる方向(ワイヤ片4の長手方向)から見た断面図である。図9Aは、図8Aに示す時点における第1配線材301の断面図である。図9Bは、図8Cに示す時点におけるワイヤ片4の断面図である。
まず、図7Aに示すように、あらかじめウェッジボンディング可能な状態とされたウェッジツール6のウェッジ61の先端を第2ワイヤボンディング部222の直上に位置させる。そして、ウェッジ61の先端を第2ワイヤボンディング部222に向かわせる。このとき、第1配線材301の先端部分は、ガイド溝611に嵌っている。
次いで、図8Aに示すように、ウェッジツール6を用いてウェッジボンディングを行う。具体的には、ウェッジ61を第2ワイヤボンディング部222に押し付けつつ、超音波振動を付加する。このとき、図9Aに示すように、第2ワイヤボンディング部222への第1配線材301の押し付けによって当接面412が形成される。当該当接面412は、断面が円弧上の外周面413から第1配線材301の中心軸Ox側に退避した面となる。本実施形態においては、第2ワイヤボンディング部222の表面が平坦であるため、当接面412は平坦となっている。また、第2ワイヤボンディング部222への第1配線材301の押し付けの際、2つの被押圧面411が形成される。各被押圧面411は、ガイド溝611の内面611aに押し付けられた部分である。各被押圧面411は、断面が円弧状の外周面413から第1配線材301の中心軸Ox側に退避した面となる。当該各被押圧面411は、外観上において、ウェッジツール6による押圧痕43としてあらわれる。そして、超音波振動によりさらに第1配線材301の先端部分が押しつぶされる。これにより、第1配線材301の先端部分と第2ワイヤボンディング部222とが超音波溶接される。
次いで、ウェッジツール6を図左方(図8Aの黒色矢印参照)に移動させる。この移動により、図8Bに示すように、カッタ63は、当接面412の図左方の端と、第2ワイヤボンディング部222の図左方の端との間に位置する。次いで、図8Bに示すように、カッタ63を下降させ(図8Bの黒色矢印参照)、当該カッタ63の下降により第1配線材301に切れ目が付けられる。カッタ63の下降量は、カッタ63が第1配線材301を完全に切断してしまわない程度に設定されている。この後は、図8Cに示すように、ウェッジ61とともに第1配線材301を第2ワイヤボンディング部222から離間させる。これにより、切れ目がつけられた第1配線材301は切断され、ワイヤ片4が形成される。このように形成されたワイヤ片4は、図9Bが示すように、その断面形状において、上記被押圧面411、上記当接面412、および、上記外周面413を有するやまなりの形状となる。さらに、ワイヤ片4は、断面形状において最もz1方向に位置する部分が長手方向に連続する。すなわち、ワイヤ片4は、長手方向に尾根が連続した形状となる。また、ワイヤ片4は、外観上、被押圧面411が上記押圧痕43(ウェッジ押圧痕)としてあらわれる。そして、第1配線材301を切断したことで、ワイヤ片4の長手方向の一方の端縁に破断面42が形成される。このような工程を経ることにより、ワイヤ片形成工程が行われる。なお、ワイヤ片4は、第1配線材301から形成されているため、ワイヤ片4のワイヤ径(断面寸法)は、ウェッジ61により多少押しつぶされているものの、第1配線材301のワイヤ径(300~400μm)と略同じである。
続いて、第1ワイヤ形成工程では、上記ウェッジボンディング装置を用いて、複数の第1ワイヤ31を形成する。すなわち、第1ワイヤ形成工程は、ワイヤ片形成工程と同じウェッジツール6が用いられる。
第1ワイヤ形成工程においては、上記ワイヤ片形成工程のウェッジボンディング(図8A参照)と同様に、ウェッジツール6を用いて、第1配線材301を、まず第1半導体チップ11(電極パッド113)にウェッジボンディングする。具体的には、ガイド溝611に第1配線材301が嵌った状態のウェッジ61を、第1半導体チップ11(電極パッド113)に押し付けつつ、超音波振動を付加する。これにより、第1配線材301の先端部分と電極パッド113とが超音波溶接される。この溶接された部分が第1ワイヤ31のウェッジ接合部311となる。
次いで、上記ワイヤ片形成工程と異なり、第1配線材301を切断せず、第1配線材301を引き出しながら、ウェッジツール6を移動させる(ルーピング)。これにより、第1ワイヤ31の第1線状部313が形成される。このルーピングによって、第1ワイヤボンディング部221の直上にウェッジ61を位置させる。
次いで、ウェッジツール6を用いて、第1配線材301を第1ワイヤボンディング部221にウェッジボンディングする。具体的には、ウェッジ61の先端を第1ワイヤボンディング部221に向かわせ、ウェッジ61を第1ワイヤボンディング部221に押し付けつつ、超音波振動を付加する。これにより、第1配線材301と第1ワイヤボンディング部221とが超音波溶接される。この溶接された部分が第1ワイヤ31のウェッジ接合部312となる。なお、ウェッジ接合部312の形状は、ウェッジ接合部311の形状と略同じである。その後は、上記ワイヤ片形成工程と同様に、図8Bおよび図8Cに示すように、第1配線材301を切断して、第1ワイヤ31が形成される。
このような工程を経て、第1ワイヤ形成工程が行われる。なお、第1ワイヤ形成工程において、第1配線材301を、まず第1ワイヤボンディング部221に対してウェッジボンディングし、ルーピングした後に電極パッド113に対してウェッジボンディングしてもよい。
上記ワイヤ片形成工程を、複数回(必要なワイヤ片4の数と同数)行い、その後、第1ワイヤ形成工程を、複数回(必要な第1ワイヤ31の数と同数)行うことで、図10に示すリードフレーム200が得られる。
続いて、第2ワイヤ形成工程では、ボールボンディング装置を用いて、第2配線材302から複数の第2ワイヤ32を形成する。当該第2配線材302は、主成分が導電性を有する金属であり、上記第1配線材301とは異なる金属である。本実施形態においては、第2配線材302は、主成分が金である。また、第2配線材302のワイヤ径は、40~100μm程度である。上記ボールボンディング装置は、キャピラリ7を有している。
図11は、キャピラリ7を用いて第2ワイヤ32を形成する様子を示している。
まず、キャピラリ7を用いて第2配線材302をワイヤ片4に対してボールボンディングする。具体的には、キャピラリ7の先端から第2配線材302を突出させて、突出させた第2配線材302の先端部分を溶解させる。これにより、溶融ボール71が形成される。その後、当該溶融ボール71をワイヤ片4に押し付ける。そして、溶融ボール71をワイヤ片4に押し付けつつ、超音波振動を付加し、ボール状の第2配線材302がワイヤ片4に接合する。これにより、第2ワイヤ32のボール接合部321が形成される。なお、当該ボールボンディングにおいて、超音波振動を付加するとき、ワイヤ片4の長手方向に振動させるとよい。この超音波振動により、ワイヤ片4は、図4に示すように、振動が加えられた方向において、第2ワイヤ32(ボール接合部321)が接合された部分の両端がz1方向に突出する。
次いで、キャピラリ7から第2配線材302を引き出しつつ、キャピラリ7を移動させる(ルーピング)。これにより、第2ワイヤ32の第2線状部323が形成される。このルーピングで、第2半導体チップ12のチップ主面121の接合位置の直上にキャピラリ7を位置させる。本実施形態においては、ワイヤ片4から第2半導体チップ12まで直線的に移動させている。
次いで、キャピラリ7を用いて第2配線材302を第2半導体チップ12に対してステッチボンディングする。具体的には、キャピラリ7をチップ主面121に向かわせ、第2配線材302をチップ主面121に押し付けつつ、超音波振動を付加する。これにより、第2配線材302がチップ主面121に接合し、第2ワイヤ32のステッチ接合部322が形成される。そして、キャピラリ7が第2配線材302を保持しつつ、キャピラリ7を上昇させる。これにより、第2配線材302が切断され、第2ワイヤ32が形成される。なお、第2半導体チップ12に対して、第2配線材302(第2ワイヤ32)をステッチボンディングするとき、当該ステッチボンディング時の押圧力や超音波振動などにより、第2半導体チップ12が損傷する可能性がある。このような損傷を抑制するためには、たとえば、第2配線材302を用いて、第2半導体チップ12上にバンプを形成してから、第2ワイヤ32を接合するとよい。
続いて、第3ワイヤ形成工程では、第2ワイヤ形成工程と同様に、ボールボンディング装置を用いて、第2配線材302から複数の第3ワイヤ33を形成する。すなわち、第3ワイヤ33も、上記キャピラリ7を用いて形成される。第3ワイヤ33の場合、第1半導体チップ11(チップ主面111)に第2配線材302をボールボンディングする。これにより、ボール接合部331が形成される。その後、ルーピングし、第3線状部333を形成する。本実施形態においては、第1半導体チップ11から第2半導体チップ12まで直線的に移動させている。そして、第2半導体チップ12(チップ主面121)に第2配線材302をステッチボンディングする。これにより、ステッチ接合部332が形成される。そして、キャピラリ7が第2配線材302を保持しつつ、キャピラリ7を上昇させる。これにより、第2配線材302が切断され、第3ワイヤ33が形成される。
上記のような工程を経て、第2ワイヤ形成工程および第3ワイヤ形成工程が行われる。そして、上記第2ワイヤ形成工程を、複数回(必要な第2ワイヤ32の数と同数)行い、また、第3ワイヤ形成工程を複数回(必要な第3ワイヤ33の数と同数)行うことで、図12に示すリードフレーム200が得られる。すなわち、図12は、ワイヤボンディング工程後のリードフレーム200の状況を示している。
また、上記ワイヤ片形成工程および上記第2ワイヤ形成工程を経ることで、第2ワイヤボンディング部222、ワイヤ片4、第2ワイヤ32によって、図13A-Cおよび図14に示すワイヤボンディング構造が形成される。図13A-Cは、ワイヤ片4の長手方向に垂直な平面による各種断面図である。図14は、第2ワイヤ形成工程後のワイヤ片4をz1方向から見た図(平面図)である。なお、図14においては、ワイヤ片4の断面が後述する図13Aであるときを示している。
図13A-Cに示すワイヤボンディング構造は、第2ワイヤ32のボールボンディング時における押圧力や環境温度、第2ワイヤ32とワイヤ片4との相対的な硬さなど各種条件によって、図13A~図13Cに示す断面形状のいずれかとなる。なお、理解の便宜上、図13A~図13Cにおいて、第2ワイヤ32が接合される前のワイヤ片4(図9B参照)を点線で示している。
図13Aおよび図14は、第2ワイヤ32によってワイヤ片4が押しつぶされた場合のワイヤボンディング構造を示している。この場合、ワイヤ片4は、図13Aに示すように、第2ワイヤ32が形成される前のワイヤ片4と比較して、その上面がくぼみ、第2ワイヤ32(ボール接合部321)の一部を包み込むような形状となっている。また、当該くぼんだ部分の両端が突出している。また、ボール接合部321は、溶融ボール71の状態であるときと比較して、ワイヤ片4によって下面の湾曲度合い(曲率)が緩やかになっている。さらに、ワイヤ片4は、図14に示すように、被押圧面411の一部が、ボール接合部321によって押しつぶされて、変形している。なお、図4においては、当該図13Aに示すワイヤボンディング構造の場合を示している。図13Bは、第2ワイヤ32とワイヤ片4とが互いに押しつぶし合った場合のワイヤボンディング構造を示している。この場合、図13Bに示すように、第2ワイヤ32(ボール接合部321)の下面とワイヤ片4の上面とが略同等に押しつぶされ、ボール接合部321の下面もワイヤ片4の上面も平坦になっている。図13Cは、ワイヤ片4が変形しなかった場合のワイヤボンディング構造を示している。この場合、図13Cに示すように、第2ワイヤ32(ボール接合部321)の下面がワイヤ片4の上面の形状に沿って湾曲している。さらに、図13A~図13Cの各図において、第2ワイヤ32は、ワイヤ片4上に形成されており、第2ワイヤ32は、第2ワイヤボンディング部222から離間している。なお、図13A~図13Cに示すワイヤボンディング構造は、同図に示したものに限定されるものではなく、定性的にそのような形状であればよい。
樹脂成型工程では、樹脂パッケージ5を形成する。本実施形態においては、モールド成型により形成する。樹脂成型工程においては、上記ワイヤボンディング工程後のリードフレーム200(図12参照)を金型(図示略)により押さえつけ、当該金型のキャビティ内に樹脂材を注入する。そして、当該樹脂材を硬化させて、樹脂パッケージ5を形成する。
リードフレーム後工程では、樹脂成型工程後のリードフレーム200を図1~図3に示す半導体装置A1にするための処理が行われる。そのため、リードフレーム後工程では、切断加工(切り抜き加工)および折り曲げ加工が行われる。切断加工においては、図12に示す切断線CL(点線)で切断するなどして、第1~第9リード2A~2Iとフレーム201とが連結された部分を取り除く。そして、折り曲げ加工において、第1~第9リード2A~2Iのうち、樹脂パッケージ5から突出した部分(端子部23)に対して、x2方向の先端部分がz2方向に平行移動するように折り曲げる。これにより、複数の端子部23が屈曲した形状をなす。
以上に示す各工程を順に行うことで、図1~図4に示す半導体装置A1を製造できる。
本実施形態のリードフレーム2は、その全体がNiめっきされている。そのため、主成分が金である第2ワイヤ32と、Niめっきされた第2ワイヤボンディング部222とを直接接合した場合、接合強度が低下しやすい。本実施形態によれば、第2ワイヤ32(ボール接合部321)は、ワイヤ片4を介して、第2ワイヤボンディング部222と接合されている。ワイヤ片4は、主成分が第1ワイヤ31と同一のアルミニウムである。このため、第2ワイヤ32とワイヤ片4との接合強度は、第2ワイヤ32を第2ワイヤボンディング部222に直接接合した場合の接合強度よりも強い。したがって、単一種類のNiによってめっきされたリードフレーム2に、異なる種類の金属からなる第1ワイヤ31および第2ワイヤ32を接合する場合に、第1ワイヤ31(ウェッジ接合部312)の接合強度と、第2ワイヤ32(ボール接合部321)の接合強度とのばらつきを抑制することができる。また、リードフレーム2に複数種類のめっきを施す必要が無いため、半導体装置A1の製造効率が低下することを回避することができる。
本実施形態によれば、ワイヤ片4および第1ワイヤ31をともにリードフレーム2にウェッジボンディングし、かつ、ワイヤ片4および第1ワイヤ31を同じ第1配線材301から形成した。したがって、ワイヤ形成工程と第1ワイヤ片形成工程を同じウェッジボンディング装置(ウェッジツール6)を用いることができる。すなわち、新たなボンディング装置を用いたり、ワイヤボンディングに用いる配線材を変えたりするなど、製造上の煩雑さを低減することができる。
本実施形態によれば、ワイヤ片4の断面寸法はおよそ300~400μmであり、第2ワイヤ32のワイヤ径は40~100μmである。すなわち、ワイヤ片4の断面寸法は、第2ワイヤ32のワイヤ径より大きい。したがって、第2ワイヤ32をワイヤ片4上に確実にボールボンディングすることができる。すなわち、第2ワイヤ32のボール接合部321をワイヤ片4上に形成することができる。
次に、本実施形態に係る半導体装置A1およびその製造方法についての各種変形例について説明する。
本実施形態において、第1金属(第1ワイヤ31およびワイヤ片4)は主成分がアルミニウムであり、第2金属(第2ワイヤ32)は主成分が金である場合を説明したが、これに限定されない。被接合体としてのリードフレーム2(の表層)との金属接合の相性によって、適宜変更すればよい。具体的には、リードフレーム2と第1金属と第2金属との組み合わせが以下の条件となるようにすればよい。すなわち、第1金属とリードフレーム2との接合強度が第2金属とリードフレーム2とを直接接合した場合の接合強度よりも高く、かつ、第1金属と第2金属との接合強度が第2金属とリードフレーム2とを直接接合した場合の接合強度よりも高くなることを条件とする。たとえば、上記実施形態において、第2ワイヤ32として、主成分が金である金属の代わりに主成分が銅である金属を用いてもよい。また、上記実施形態において、リードフレーム2にNiめっきを施さず、リードフレーム2の表層が銅であってもよい。ただし、リードフレーム2にNiめっきを施さない場合、自然酸化などの劣化を考慮して、樹脂パッケージ5から露出する部分においては、劣化保護のためにめっき処理しておくとよい。このような場合であっても、上記効果を奏することができる。
上記実施形態においては、第2ワイヤ形成工程において、第2配線材302(第2ワイヤ32)を、ワイヤ片4に対してボールボンディングし、第2半導体チップ12(チップ主面121)に対してステッチボンディングして、第2ワイヤ32を形成した場合を説明したが、反対にしてもよい。すなわち、第2配線材302(第2ワイヤ32)を、第2半導体チップ12(チップ主面121)に対してボールボンディングし、ワイヤ片4に対してステッチボンディングして、第2ワイヤ32を形成してもよい。この場合、第2ワイヤ32において、ボール接合部321が第2半導体チップ12に接合され、ステッチ接合部322がワイヤ片4に接合される。よって、当該変形例においては、ステッチ接合部322が、「第2ボンディング部」の一例に相当する。
このように、第2ワイヤ32を、ワイヤ片4に対してステッチボンディングする場合、次のような点を考慮するとよい。すなわち、上記実施形態においては、第2ワイヤ32を、ワイヤ片4に対して、ボールボンディングしている。よって、第2ワイヤ32のボール接合部321がワイヤ片4に接合している。当該ボール接合部321は、その形状がボール状であるため、ボールボンディング時に付加した超音波振動の方向に対して、その後のルーピングにおけるキャピラリ7の移動方向は特に制限されない。すなわち、ボール接合部321に対して第2線状部323を任意の方向に形成することができる。しかし、第2ワイヤ32を、ワイヤ片4に対して、ステッチボンディングする際は、当該ステッチボンディング時に付加する超音波振動の方向が、ルーピングにおいてキャピラリ7が移動してきた方向に制限される。すなわち、ステッチボンディング時に付加する超音波振動の方向が、ステッチ接合部322から第2線状部323が延びる方向に制限される。そのため、ワイヤ片4の長手方向に沿って、ステッチ接合部322から第2線状部323が延びるように、第2ワイヤ32を形成するとよい。このようにすることで、ワイヤ片4の尾根が延びる方向とステッチボンディング時に付加する超音波振動の方向を一致させることができる。したがって、ステッチボンディング時の押圧力を効率よく、第2ワイヤ32に伝えることができる。これにより、第2ワイヤ32をワイヤ片4にステッチボンディングする場合において、第2ワイヤ32とワイヤ片4との接合強度を高めることができる。なお、第2ワイヤ32の形成において、第2線状部323が延びる方向が予め決まっている場合には、その方向にワイヤ片4の長手方向が一致するように、ワイヤ片4を形成しておくとよい。
図15は、第2ワイヤ32をワイヤ片4にステッチボンディングした場合の半導体装置A1’を示している。図15は、半導体装置A1’の平面図である。また、図16A-Cおよび図17は、半導体装置A1’におけるワイヤボンディング構造を示している。図16A-Cは、当該ワイヤボンディング構造において、ワイヤ片4の長手方向に垂直な平面による各種断面図である。図16A-Cはそれぞれ、上記図13A~Cと同様の条件としている。すなわち、図16Aは、第2ワイヤ32によってワイヤ片4が押しつぶされた場合のワイヤボンディング構造を示している。図16Bは、第2ワイヤ32とワイヤ片4とが互いに押しつぶし合った場合のワイヤボンディング構造を示している。図16Cは、ワイヤ片4が変形しなかった場合のワイヤボンディング構造を示している。図17は、当該ワイヤボンディング構造をz1方向から見た図(平面図)である。図17においては、ワイヤ片4の断面が図16A示す断面であるときを示している。
半導体装置A1’においては、図15および図17が示すように、各ワイヤ片4の長手方向と、各ワイヤ片4に接合された各第2ワイヤ32においてステッチ接合部322から第2線状部323が延びる方向とが一致している。すなわち、ワイヤ片4の長手方向に沿って、ステッチ接合部322から第2線状部323が延びるように、第2ワイヤ32を形成している。なお、本実施形態においては、第2リード2Bの第2ワイヤボンディング部222において、2つの第2ワイヤ32が接合されており、これらの第2ワイヤ32において、ステッチ接合部322から第2線状部323が延びる方向は異なるため、2つの第2ワイヤ32毎にワイヤ片4を形成している。また、半導体装置A1’のワイヤボンディング構造において、第2ワイヤ32(ステッチ接合部322)とワイヤ片4とは、図16A~図16Cに示すように、図13A~図13Cと同様に変形している。すなわち、ワイヤ片4に対して、第2ワイヤ32をステッチボンディングした場合も、第2ワイヤ32をボールボンディングした場合と同様に変形している。なお、図16A~図16Cに示すワイヤボンディング構造においても、同図に示したものに限定されるものではなく、定性的にそのような形状であればよい。
以上に示した本変形例のように、第2ワイヤ32をワイヤ片4に対してステッチボンディングした場合も、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第2ワイヤ32を被接合体(第2ワイヤボンディング部222)に直接ステッチボンディングすると、当該ステッチボンディング時の押圧力や超音波振動により、被接合体を損傷させる可能性がある。しかし、本変形例では、ワイヤ片4を介して被接合体にステッチボンディングしている。すなわち、ワイヤ片4にステッチボンディングしている。当該ワイヤ片4は、第1ワイヤ31と同じ線径であるため、めっき層よりも厚みがある。したがって、ステッチボンディング時に、被接合体に加わる押圧力や超音波振動をワイヤ片4によって緩和できる。これにより、被接合体の損傷を抑制できる。また、ワイヤ片4によって、ステッチボンディング時の押圧力や超音波振動を緩和できるため、バンプなどを形成する必要がない。さらに、ステッチボンディング時の押圧力や超音波振動を低下させることで、被接合体への損傷を抑制することも可能であるが、その反面、接合強度の低下を招く。しかし、本変形例のように、ワイヤ片4にステッチボンディングする場合には、押圧力や超音波振動を低下させる必要がないため、接合強度の低下を抑制できる。
上記実施形態においては、第2ワイヤ形成工程でキャピラリ7を用いた場合を説明したが、これに限定されず、ウェッジツール6を用いてもよい。この場合、第2ワイヤ32を、ワイヤ片4および第2半導体チップ12に対して、ウェッジボンディングする。よって、第2ワイヤ32は、ボール接合部321およびステッチ接合部322の代わりに、一対のウェッジ接合部を有する。当該一対のウェッジ接合部は、第2線状部323によって繋がっている。当該ウェッジボンディングにおいても、キャピラリ7を用いたステッチボンディングと同様に、超音波振動を付加する方向がルーピングにおける移動方向に制限される。したがって、ワイヤ片4の長手方向とウェッジボンディングによって超音波振動を付加する方向とが一致するように、ルーピングするとよい。すなわち、第2ワイヤ形成工程において、第2ワイヤ32のワイヤ片4に接合されるウェッジ接合部から第2線状部323が延びる方向とワイヤ片4の長手方向が一致するように、第2ワイヤ32を形成するとよい。これにより、ワイヤ片4の尾根が延びる方向と、第2ワイヤ32のワイヤ片4に接合されるウェッジ接合部から第2線状部323が延びる方向とを一致させることができる。したがって、第2ワイヤ32とワイヤ片4との接合強度を高めることができる。また、本変形例においても、第2ワイヤ32を被接合体(第2ワイヤボンディング部222)に直接ウェッジボンディングすると、ステッチボンディング時と同様に、ウェッジボンディング時の押圧力や超音波振動によって、被接合体が損傷する可能性がある。しかし、本変形例のように、ワイヤ片4を介してウェッジボンディングすることで、ステッチボンディング時と同様に、バンプなどを形成することなく、被接合体の損傷を抑制できる。さらに、接合強度の低下を抑制することもできる。
上記実施形態においては、ウェッジツール6のウェッジ61において、ガイド溝611の断面形状をV字状としたが、これに限定されない。たとえば、図18Aに示すように、ガイド溝611の断面形状が台形状であってもよい。このようにすることで、図18Aに示すように、第1配線材301をウェッジ接合する際に、断面台形状のガイド溝611に沿って、第1配線材301が押しつぶされる。したがって、このようなウェッジ61を用いて形成されるワイヤ片4は、図18Bに示すように、上面(z1を向く面)が平坦な形状となる。これにより、ワイヤ片4への第2ワイヤ32のボンディングが容易なものとなる。
上記実施形態においては、第1配線材301として、長軸方向に垂直な断面が円形である配線材を用いているが、リボン状の配線材を用いてもよい。この場合、ワイヤ片4がリボン状の配線材によって形成されるため、z1方向を向く面が平坦となる。したがって、ワイヤ片4への第2ワイヤ32のボンディングが容易なものとなる。
上記実施形態においては、ワイヤ片4は、ウェッジツール6を用いたウェッジボンディングによって、形成された場合を説明したがこれに限定されない。たとえば、ワイヤ片4を、キャピラリ7を用いて形成してもよい。たとえば、ワイヤ片4を、第2ワイヤボンディング部222上に、フリップチップ接合などで用いられるバンプと同様の形状に形成する。また、ワイヤ片4を、ステッチボンディングで第2ワイヤボンディング部222に接合してもよい。
上記実施形態においては、第1ワイヤ形成工程でウェッジツール6を用いた場合を説明したが、これに限定されず、キャピラリ7を用いてもよい。この場合、第1ワイヤ形成工程において、第1配線材301を用いて、第1半導体チップ11に対してボールボンディングし、ルーピング後に、リードフレーム2(第1ワイヤボンディング部221)に対してステッチボンディングする。よって、第1ワイヤ31は、ウェッジ接合部311の代わりに、ボールボンディングによって形成されたボール接合部を有し、ウェッジ接合部312の代わりに、ステッチボンディングによって形成されたステッチ接合部を有する。この場合、当該ステッチ接合部が、「第1ボンディング部」の一例に相当する。また、反対に、第1ワイヤ形成工程において、第1配線材301を用いて、リードフレーム2(第1ワイヤボンディング部221)に対してボールボンディングし、ルーピング後に、第1半導体チップ11に対してステッチボンディングしてもよい。よって、第1ワイヤ31は、ウェッジ接合部311の代わりにステッチボンディングによって形成されたステッチ接合部を有し、ウェッジ接合部312の代わりにボールボンディングによって形成されたボール接合部を有する。この場合、当該ボール接合部が、「第1ボンディング部」の一例に相当する。なお、以上のように第1ワイヤ31をキャピラリ7で形成する場合には、ワイヤ片4もキャピラリ7を用いて形成するとよい。
上記実施形態において、ワイヤボンディング工程と樹脂成型工程との間に、陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化処理工程をさらに行ってもよい。このようにすることで、主成分がアルミニウムである部位(電極パッド113、第1ワイヤ31、ワイヤ片4)の表面に陽極酸化皮膜が形成されるため、これらの耐腐食性を向上させることができる。
上記実施形態においては、半導体チップ1として、複数の第1半導体チップ11と第2半導体チップ12とを有する場合を説明したが、これに限定されない。また、リードフレーム2として、第1~第9リード2A~2I(9本のリード)を有する場合を例に説明したが、これに限定されない。すなわち、複数種類のワイヤを用いるものであれば、様々な形状の半導体装置に適用可能であり、半導体チップ1の個数や種類、また、リードフレーム2の形状やリードの本数など、半導体装置A1の目的とする機能に応じて適宜変更すればよい。また、リードフレーム構造ではなく、表面実装用のチップ型の半導体装置であってもよい。
本開示に係る半導体装置および当該半導体装置の製造方法は、上記した実施形態に限定されるものではない。本開示の半導体装置の各部の具体的な構成および本開示の製造方法の各工程の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
本開示は以下の付記を含む。
[付記A1]
半導体素子と、
前記半導体素子に導通する被接合体と、
材質が第1金属である第1ワイヤであって、前記被接合体に接合された第1ボンディング部および当該第1ボンディング部から延びる第1線状部を含む、第1ワイヤと、
材質が前記第1金属であり、かつ、前記被接合体に接合されたワイヤ片と、
材質が前記第1金属とは異なる第2金属である第2ワイヤであって、前記ワイヤ片を介して前記被接合体に接合された第2ボンディング部および当該第2ボンディング部から延びる第2線状部を含む、第2ワイヤと、を備える、半導体装置。
[付記A2]
前記第2ボンディング部は、前記被接合体から離間している、
付記A1に記載の半導体装置。
[付記A3]
前記第1ボンディング部および前記ワイヤ片は、ウェッジツールを用いたウェッジボンディングによって接合されており、当該接合時に形成された押圧痕を有する、
付記A1または付記A2に記載の半導体装置。
[付記A4]
前記ワイヤ片の形状は、前記第1ボンディング部と略同じ形状である、
付記A3に記載の半導体装置。
[付記A5]
前記第2ボンディング部は、ボールボンディングによって接合されたボール接合部である、
付記A1ないし付記A4のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記A6]
前記第2ボンディング部は、ステッチボンディングによって接合されたステッチ接合部である、
付記A1ないし付記A4のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記A7]
前記ワイヤ片は、細長形状であり、
前記第2線状部が前記ステッチ接合部から延びる方向と、前記ワイヤ片の長手方向とが一致する、
付記A6に記載の半導体装置。
[付記A8]
前記第1ワイヤおよび前記ワイヤ片の各々と前記被接合体との接合強度は、前記第2ワイヤを前記被接合体に直接接合した場合の前記第2ワイヤと前記被接合体との接合強度より高く、
前記ワイヤ片と前記第2ワイヤとの接合強度は、前記第2ワイヤを前記被接合体に直接接合した場合の前記第2ワイヤと前記被接合体との接合強度より高い、
付記A1ないし付記A7のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記A9]
前記第1ワイヤのワイヤ径は、前記第2ワイヤのワイヤ径より大きい、
付記A1ないし付記A8のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記A10]
前記被接合体は、前記第1ボンディング部が接合された被第1ボンディング部と、前記第2ボンディング部が前記ワイヤ片を介して接合された被第2ボンディング部と、を含み、
前記被第1ボンディング部および前記被第2ボンディング部は、互いに同じ材質の表層を有する、
付記A1ないし付記A9のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記A11]
前記被第1ボンディング部と前記被第2ボンディング部とはニッケルめっきされている、
付記A10に記載の半導体装置。
[付記A12]
前記第1金属は、主成分がアルミニウムであり、
前記第2金属は、主成分が金あるいは銅である、
付記A11に記載の半導体装置。
[付記A13]
半導体装置の製造方法であって、
材質が第1金属である第1配線材の一部を被接合体に接合することによりワイヤ片を形成することと、
前記第1配線材を用いて、前記被接合体に接合された第1ボンディング部および当該第1ボンディング部から延びる第1線状部を含む第1ワイヤを形成することと、
材質が前記第1金属とは異なる第2金属である第2配線材を用いて、前記ワイヤ片に接合された第2ボンディング部および当該第2ボンディング部から延びる第2線状部を含む第2ワイヤを形成することと、を有する、製造方法。
[付記A14]
前記ワイヤ片を形成することにおいては、ワイヤガイドと、当該ワイヤガイドから送られてくる前記第1配線材を接合対象に対して押し付けるウェッジと、前記第1配線材を切断するカッタとを備えたウェッジツールを用いて、前記ワイヤ片を形成し、
前記第1ワイヤを形成することにおいては、前記ウェッジツールを用いて、前記第1ワイヤを形成する、
付記A13に記載の製造方法。
[付記A15]
前記ワイヤ片を形成することは、
前記ウェッジによって前記被接合体に対して前記第1配線材の一部を押し付けた状態で超音波振動を付加して、前記第1配線材の一部を前記被接合体に接合することと、
前記第1配線材の一部を残すように前記第1配線材を切断することで、前記ワイヤ片を形成することと、を含む、
付記A14に記載の製造方法。
[付記A16]
前記第2ワイヤを形成することにおいては、キャピラリを用いて、前記第2ワイヤを形成し、
前記第2ワイヤを形成することは、
前記キャピラリの先端から突き出た前記第2配線材を溶融させて溶融ボールを形成することと、
当該溶融ボールを前記ワイヤ片に押し付けて接合することで、前記第2ボンディング部を形成するボールボンディングと、
当該ボールボンディング後に、前記第2配線材を引き出しつつ、前記キャピラリを移動することで、前記第2線状部を形成するルーピングと、
当該ルーピング後に、前記第2配線材を半導体素子に対して押し付けて接合するステッチボンディングと、を含む、
付記A13ないし付記A15のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記A17]
前記第2ワイヤを形成することにおいては、キャピラリを用いて、前記第2ワイヤを形成し、
前記第2ワイヤを形成することは、
前記キャピラリの先端から突き出た前記第2配線材を溶融させて溶融ボールを形成し、当該溶融ボールを半導体素子に押し付けて接合するボールボンディングと、
当該ボールボンディング後に、前記第2配線材を引き出しつつ、前記キャピラリを移動することで、前記第2線状部を形成するルーピングと、
当該ルーピング後に、前記第2配線材を前記ワイヤ片に対して押し付けて接合することで、前記第2ボンディング部を形成するステッチボンディングと、を含む、
付記A13ないし付記A15のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記A18]
前記ワイヤ片は、細長形状であり、
前記第2ワイヤを形成することにおいて、前記第2ボンディング部から前記第2線状部が延びる方向と、前記ワイヤ片の長手方向とを一致させて、前記第2ワイヤを形成する、付記A17に記載の製造方法。
[付記A19]
前記第1金属として、前記被接合体との接合強度が前記第2金属と前記被接合体との接合強度より高く、かつ、前記第2金属との接合強度が前記第2金属と前記被接合体との接合強度より高いものを用いる、
付記A13ないし付記A18のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記A20]
前記第1ワイヤのワイヤ径は、前記第2ワイヤのワイヤ径より大きい、
付記A13ないし付記A19のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記A21]
前記被接合体は、前記第1ボンディング部が接合された被第1ボンディング部と、前記第2ボンディング部が前記ワイヤ片を介して接合された被第2ボンディング部と、を含み、
前記被第1ボンディング部および前記被第2ボンディング部は、互いに同じ材質の表層を有する、
付記A13ないし付記A20のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記A22]
前記被第1ボンディング部と前記被第2ボンディング部とにニッケルめっきを施すことをさらに有する、
付記A21に記載の製造方法。
[付記A23]
前記第1金属として、主成分がアルミニウムである金属を用い、
前記第2金属として、主成分が金あるいは銅である金属を用いる、
付記A22に記載の製造方法。
A1,A1’:半導体装置
1 :半導体チップ
11 :第1半導体チップ
111 :チップ主面
112 :チップ裏面
113 :電極パッド
12 :第2半導体チップ(半導体素子)
121 :チップ主面
122 :チップ裏面
2 :リードフレーム(被接合体)
2A~2I:第1~第9リード
21 :ダイボンディング部
211 :第1ダイボンディング部
212 :第2ダイボンディング部
22 :ワイヤボンディング部
221 :第1ワイヤボンディング部(被第1ボンディング部)
222 :第2ワイヤボンディング部(被第2ボンディング部)
23 :端子部
24 :放熱部
200 :リードフレーム(被接合体)
201 :フレーム
3 :ワイヤ
301 :第1配線材
302 :第2配線材
31 :第1ワイヤ
311 :ウェッジ接合部
312 :ウェッジ接合部(第1ボンディング部)
313 :第1線状部
32 :第2ワイヤ
321 :ボール接合部(第2ボンディング部)
322 :ステッチ接合部(第2ボンディング部)
323 :第2線状部
33 :第3ワイヤ
331 :ボール接合部
332 :ステッチ接合部
333 :第3線状部
4 :ワイヤ片
411 :被押圧面
412 :当接面
413 :外周面
42 :破断面
43 :押圧痕
5 :樹脂パッケージ
6 :ウェッジツール
61 :ウェッジ
611 :ガイド溝
611a:内面
62 :ワイヤガイド
63 :カッタ
7 :キャピラリ
71 :溶融ボール
91 :接合層
図19~図22は、本開示の他の実施形態に係る半導体装置A1を示している。本開示の半導体装置A1は、たとえば自動車や電子機器などの電装回路基板に表面実装される形式のものである。半導体装置A1は、複数の半導体チップ1、リードフレーム2、複数のワイヤ3、陽極酸化皮膜4、および、樹脂パッケージ5を備えている。図19は、半導体装置A1の斜視図である。図20は、半導体装置A1の平面図である。図21は、半導体装置A1の側面図であり、図20における左側の側面を示している。図22は、半導体装置A1の部分拡大断面図である。なお、図19~図21においては、陽極酸化皮膜4にハッチングを付し、樹脂パッケージ5を想像線で示している。また、図22においては、樹脂パッケージ5の図示を省略している。以下において、理解の便宜上、互いに直交するx方向、y方向、z方向で規定された直交座標系を定義して説明する。当該z方向は半導体装置A1の厚さ方向とする。
複数の半導体チップ1の各々は、半導体を材料とする回路素子であり、半導体装置A1の機能の中枢となる電子部品である。本実施形態においては、半導体装置A1は、複数の半導体チップ1として、複数の第1半導体チップ11および第2半導体チップ12を有する。
複数の第1半導体チップ11の各々は、平面視矩形状を呈する。各第1半導体チップ11は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ダイオードなどのパワーチップである。なお、これに限定されない。本実施形態においては、半導体装置A1は、2つの第1半導体チップ11を有する。各第1半導体チップ11は、チップ主面111およびチップ裏面112を有する。チップ主面111は、z1方向を向く面である。チップ裏面112は、z2方向を向く面である。各第1半導体チップ11は、電極パッド113を有している。
各電極パッド113は純アルミニウムからなる。なお、各電極パッド113は、アルミニウム合金であってもよい。電極パッド113は、各電極パッド113は、パッド主面113a、パッド裏面113b、および、パッド側面113cを有する。パッド主面113aは、z1方向を向く面である。本実施形態においては、パッド主面113aは、平面視において矩形状をなす。パッド裏面113bは、z2方向を向く面である。パッド側面113cは、x1方向を向く面、x2方向を向く面、y1方向を向く面、および、y2方向を向く面を有する。各第1半導体チップ11において、パッド主面113aは、チップ主面111の一部をなす。すなわち、パッド主面113aはチップ主面111とz方向において同じ位置である。なお、パッド主面113aとチップ主面111とはz方向において異なる位置であってもよい。当該パッド主面113aには、ワイヤ3(後述するアルミワイヤ31)が接合されている。
第2半導体チップ12は、平面視矩形状を呈する。第2半導体チップ12は、たとえばコントロールICなどのLSIチップである。なお、これに限定されない。本実施形態においては、半導体装置A1は、1つの第2半導体チップ12を有する。第2半導体チップ12は、チップ主面121およびチップ裏面122を有する。チップ主面121は、z1方向を向く面である。チップ裏面122は、z2方向を向く面である。チップ主面121には、複数のワイヤ3(後述する金ワイヤ32)が接合されている。
リードフレーム2は、導電性材料よりなる。このような導電性材料としては、たとえばCuが挙げられる。リードフレーム2は、電装回路基板に接合されることにより、複数の半導体チップ1と電装回路基板との導通経路をなす。リードフレーム2は、その機能的な構成要素として、複数のダイボンディング部21、複数のワイヤボンディング部22、複数の端子部23、および、複数の放熱部24を有する。
複数のダイボンディング部21はそれぞれ、半導体チップ1を支持する部分である。各ダイボンディング部21は、x-y平面に沿う板状である。本実施形態においては、複数のダイボンディング部21には、複数の第1ダイボンディング部211および第2ダイボンディング部212がある。
複数の第1ダイボンディング部211の各々は、第1半導体チップ11がボンディングされている。各第1ダイボンディング部211は、z方向視において、第1半導体チップ11の外形より大に形成されている。本実施形態においては、リードフレーム2は、2つの第1ダイボンディング部211を有する。第2ダイボンディング部212は、第2半導体チップ12がボンディングされている。第2ダイボンディング部212は、z方向視において、第2半導体チップ12の外形より大に形成されている。本実施形態においては、リードフレーム2は、1つの第2ダイボンディング部212を有する。第2ダイボンディング部212は、各第1ダイボンディング部211よりz1方向に位置する。
本実施形態においては、各第1ダイボンディング部211とこれに支持される各第1半導体チップ11との間には接合層91が介在している。接合層91は、導電性材料よりなる。このような導電性材料は、たとえばハンダあるいは銀ペーストである。ハンダは熱伝導率が比較的大きい。接合層91としてハンダを用いると、第1半導体チップ11から第1ダイボンディング部211に熱を効率よく伝えることができる。なお、第2ダイボンディング部212とこれに支持される第2半導体チップ12との間にも所定の接合層が介在しているが、図示を省略している。
複数のワイヤボンディング部22はそれぞれ、ワイヤ3を支持する部分である。本実施形態においては、複数のワイヤボンディング部22は、複数の第1ワイヤボンディング部221および複数の第2ワイヤボンディング部222を含む。
複数の第1ワイヤボンディング部221の各々には、アルミワイヤ31(後述)がボンディングされている。各第1ワイヤボンディング部221には、アルミワイヤ31との接合を考慮して、Niめっきが施されている。本実施形態おいては、リードフレーム2は、2つの第1ワイヤボンディング部221を有する。複数の第2ワイヤボンディング部222の各々には、金ワイヤ32(後述)がボンディングされている。各第2ワイヤボンディング部222には、金ワイヤ32との接合を考慮して、Agめっきが施されている。本実施形態においては、リードフレーム2は、7つの第2ワイヤボンディング部222を有する。
複数の端子部23は、電装回路基板と電気的な接続を行う端子である。すなわち、複数の端子部23は、半導体装置A1のコネクタピンとして機能する。複数の端子部23の各々は、樹脂パッケージ5から露出している。複数の端子部23は、y方向に並んでいる。また、複数の端子部23は、樹脂パッケージ5より、x1方向に位置する。各端子部23は、屈曲している。本実施形態においては、リードフレーム2は、9つの端子部23を有する。
複数の放熱部24はそれぞれ、半導体チップ1にて発生した熱を外部に放出する部分である。各放熱部24は、樹脂パッケージ5から露出している。本実施形態においては、各放熱部24は、各第1ダイボンディング部211に繋がる。複数の放熱部24は、平面視において、y方向に並んでおり、かつ、樹脂パッケージ5よりx2方向に位置する。本実施形態においては、第1半導体チップ11は、パワーチップであるため、発熱量が多い。そこで、複数の放熱部24は主に第1半導体チップ11にて発生した熱を放出するために設けられている。本実施形態においては、リードフレーム2は、2つの放熱部24を有する。なお、複数の放熱部24は、リードフレーム2の一部であってもよいし、リードフレーム2とは異なる部材が接合されたものであってもよい。
リードフレーム2は、複数のリードを含んで構成される。本実施形態においては、半導体装置A1は、リードフレーム2として、互いに離間した9本のリード(第1~第9リード2A~2I)を有する。
第1リード2Aは、端子部23、第1ダイボンディング部211、および、放熱部24を有している。第1リード2Aにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第1リード2Aは、図19および図21に示すように、端子部23と第1ダイボンディング部211とを連結する部分において屈曲している。第1リード2Aは、第1半導体チップ11を支持している。
第2リード2Bは、端子部23および第2ワイヤボンディング部222を有している。第2リード2Bにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第2リード2Bには金ワイヤ32が接合されている。なお、第3リード2C、第5リード2E、第6リード2F、および、第7リード2Gも、第2リード2Bと同様である。
第4リード2Dは、端子部23、第2ワイヤボンディング部222、および、第2ダイボンディング部212を有している。第4リード2Dにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第4リード2Dは、第2半導体チップ12を支持している。また、第4リード2Dには金ワイヤ32が接合されている。
第8リード2Hは、端子部23、第1ワイヤボンディング部221、および、第2ワイヤボンディング部222を有している。第8リード2Hにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第8リード2Hには、アルミワイヤ31および金ワイヤ32が接合されている。
第9リード2Iは、端子部23、第1ダイボンディング部211、第1ワイヤボンディング部221、および、放熱部24を有している。第9リード2Iにおいて、これらは繋がっており、一体的に形成されている。第9リード2Iは、図19および図21に示すように、端子部23と第1ダイボンディング部211とを連結する部分において屈曲している。第9リード2Iは、第1半導体チップ11を支持している。また、第9リード2Iには、アルミワイヤ31が接合されている。
複数のワイヤ3の各々は、第1半導体チップ11および第2半導体チップ12とリードフレーム2とを接続するものである。本実施形態においては、複数のワイヤ3は、複数のアルミワイヤ31と複数の金ワイヤ32とを含む。
複数のアルミワイヤ31の各々は、その材質が鉄、ケイ素、ニッケルのいずれかが添加されたアルミニウム合金である。なお、各アルミワイヤ31は、純アルミニウムであってもよい。各アルミワイヤ31は、一端が第1半導体チップ11にボンディングされており、他端がリードフレーム2にボンディングされている。本実施形態においては、各アルミワイヤ31は、その形状が、長手方向に垂直な断面が円形とする線状としているが、リボン状であってもよい。また、各アルミワイヤ31のワイヤ径を300~400μmとしているが、これに限定されない。各アルミワイヤ31は、陽極酸化皮膜4で覆われている。ただし、各アルミワイヤ31において、電極パッド113と当接する面および第1ワイヤボンディング部221に当接する面は、陽極酸化皮膜4に覆われていない。本実施形態において、半導体装置A1は、2つのアルミワイヤ31を有する。
複数の金ワイヤ32の各々は、金からなる。各金ワイヤ32は、一端が第2半導体チップ12(チップ主面121)にボンディングされており、他端がリードフレーム2(第2ワイヤボンディング部222)あるいは第1半導体チップ11(チップ主面111)にボンディングされている。本実施形態において、半導体装置A1は、11つの金ワイヤ32を有する。
陽極酸化皮膜4は、積層構造をなす。図23は、当該陽極酸化皮膜4の積層構造を示している。陽極酸化皮膜4は、その積層構造において、バリア層4Bとポーラス層4Cとを有する。バリア層4Bは、アルミ素地4Aとしてのアルミワイヤ31および電極パッド113上に積層されている。ポーラス層4Cは、バリア層4B上に積層されている。ポーラス層4Cは、複数の微細な孔(ボア)4Dを有する。
陽極酸化皮膜4は、ワイヤ被覆部41およびパッド被覆部42を有する。ワイヤ被覆部41は、アルミワイヤ31を覆う。ワイヤ被覆部41は、アルミワイヤ31の全長にわたり形成されている。パッド被覆部42は、第1半導体チップ11の電極パッド113(パッド主面113a)を覆う。パッド被覆部42は、z方向視においてパッド主面113aと一致する。ワイヤ被覆部41とパッド被覆部42とは一体的に形成されている。ワイヤ被覆部41は、後述する陽極酸化処理工程において、アルミワイヤ31の表面から成長して形成されている。よって、ワイヤ被覆部41は、アルミワイヤ31と一体的である。パッド被覆部42は、陽極酸化処理工程において、電極パッド113の表面から成長して形成されている。よって、パッド被覆部42は、電極パッド113と一体的である。本実施形態においては、陽極酸化皮膜4は、その膜厚が1000~2000Åである。
樹脂パッケージ5は、複数の半導体チップ1、リードフレーム2の一部、複数のワイヤ3、および、陽極酸化皮膜4を覆う。なお、陽極酸化皮膜4はアルミワイヤ31を覆っているので、樹脂パッケージ5はアルミワイヤ31を覆っているといえる。樹脂パッケージ5は、電気絶縁性を有する熱硬化性の合成樹脂である。本実施形態においては、黒色のエポキシ樹脂である。また、樹脂パッケージ5は平面視において矩形状をなす。
次に、本開示の実施形態に係る半導体装置A1の製造方法について図24~図27を用いて説明する。本実施形態に係る製造方法は、リードフレーム前工程、ダイボンディング工程、ワイヤボンディング工程、陽極酸化処理工程、樹脂成型工程、および、リードフレーム後工程を有する。半導体装置A1は、上記複数の工程を経て、製造される。本実施形態においては、上記する各工程を上記の順序で行う。
リードフレーム前工程では、上記構成のリードフレーム2を形成するための下準備を行う。具体的には、リードフレーム前工程において、銅の金属板を用意し、当該銅の金属板を打ち抜き加工する。なお、当該打ち抜き加工は、周知の方法を用いればよい。これにより、図24に示すリードフレーム200が得られる。当該リードフレーム200は、フレーム201とフレーム201に支持された複数のリード(第1~第9リード2A~2I)とを含む。第1~第9リード2A~2Iには、上記するダイボンディング部21、ワイヤボンディング部22、端子部23、および、放熱部24に相当する部分が形成されている。なお、この段階では、当該リードフレーム200は、板状であり、屈曲していない。
次に、リードフレーム200に対して折り曲げ加工を施す。当該折り曲げ加工では、複数の第1ダイボンディング部211がz2方向に平行移動するように、リードフレーム200を折り曲げる。これにより、第2ダイボンディング部212に対して、複数の第1ダイボンディング部211がz2方向に位置する。その後、必要な部分に各種めっき処理が施される。本実施形態においては、第1ワイヤボンディング部221にNiめっきを、第2ワイヤボンディング部222にAgめっきを施す。なお、リードフレーム前工程において、打ち抜き加工と折り曲げ加工とを同時に行うようにしてもよい。
続いて、ダイボンディング工程では、リードフレーム200のダイボンディング部21に複数の半導体チップ1をダイボンディングする。本実施形態においては、各第1半導体チップ11を各第1ダイボンディング部211に接合層91を介して配置する。これにより、各第1半導体チップ11は、各第1ダイボンディング部211に接合する。また、第2半導体チップ12を第2ダイボンディング部212に接合層(図示略)を介して配置する。これにより、第2半導体チップ12は、第2ダイボンディング部212に接合する。なお、ダイボンディング工程において、複数の半導体チップ1を所定の位置にダイボンディングできれば、その手法は限定されない。
続いて、ワイヤボンディング工程では、リードフレーム200およびリードフレーム200に接合された複数の半導体チップ1に複数のワイヤ3をワイヤボンディングする。当該ワイヤボンディングは、周知のワイヤボンダを用いて行われる。当該ワイヤボンディング工程において、各アルミワイヤ31の一端を第1半導体チップ11の電極パッド113(パッド主面113a)にボンディングし、他端を第1ワイヤボンディング部221にボンディングする。また、各金ワイヤ32の一端を第2半導体チップ12にボンディングし、他端を第2ワイヤボンディング部222あるいは第1半導体チップ11のチップ主面111にボンディングする。本実施形態においては、ウェッジボンディング法を用いてアルミワイヤ31を接合し、ボールボンディング法を用いて金ワイヤ32を接合する。上記ダイボンディング工程およびワイヤボンディング工程により、図25に示すリードフレーム200が得られる。
続いて、陽極酸化処理工程では、ワイヤボンディング工程後のリードフレーム200(図25参照)を陽極酸化処理し、上記陽極酸化皮膜4を形成する。図26は、当該陽極酸化処理の一例を示している。具体的には、陽極としての当該リードフレーム200と陰極71とを電解液72に浸し、陽極と陰極71との間に電圧を印加する。そうすると、アルミニウム素材であるアルミワイヤ31および電極パッド113が露出した部分において化学反応が起こり、アルミワイヤ31および電極パッド113が溶解しながら、酸化皮膜(陽極酸化皮膜4)が成長する。当該酸化皮膜の成長により、アルミ素地4Aとしてのアルミワイヤ31および電極パッド113上に、バリア層4Bおよびポーラス層4Cがこの順に形成される。このとき、アルミワイヤ31および電極パッド113の双方において同時に酸化皮膜が成長し、ワイヤ被覆部41とパッド被覆部42とが一体的に形成される。なお、銅素材であるリードフレーム2や金素材である金ワイヤ32においては反応が起こらない。すなわち、リードフレーム2や金ワイヤ32には、陽極酸化皮膜4は形成されない。本実施形態においては、上記陽極酸化処理工程によって、図27に示すリードフレーム200が得られる。図27において、陽極酸化皮膜4が形成された部分にハッチングを付している。陽極酸化皮膜4の膜厚は、処理時間(電解液72に浸している時間)や上記印加電圧などの条件に応じて変化する。
陽極酸化処理の方法としては、たとえば電解液72の種類により分けられる。電解液72の種類による分類としては、酸性浴型、アルカリ性浴型、有機酸浴型、および、硬質皮膜型などがある。本実施形態においては、電解液72として、アルカリ性の溶液を用いているが、これに限定されない。このようなアルカリ性の溶液(電解液72)としては、アンモニア-フッ化物やアルカリ-過酸化物、リン酸ナトリウムなどが挙げられる。なお、酸性浴型などで用いられる酸性の溶液としては、硫酸やシュウ酸、クロム酸、ホウ酸などが挙げられる。また、陽極および陰極71に印加する電圧の種類(直流電圧あるいは交流電圧など)によっても分けられる。本実施形態においては、直流電圧を印加する。
樹脂成型工程では、樹脂パッケージ5を形成する。本実施形態においては、モールド成型により形成する。樹脂成型工程においては、陽極酸化処理工程後のリードフレーム200(図27参照)を金型(図示略)により押さえつけ、当該金型のキャビティ内に樹脂材を注入する。そして、当該樹脂材を硬化させて、樹脂パッケージ5を形成する。
リードフレーム後工程では、樹脂成型工程後のリードフレーム200を図19~図21に示す半導体装置A1にするための処理が行われる。そのため、リードフレーム後工程では、切断加工(切り抜き加工)および折り曲げ加工が行われる。切断加工においては、図27に示す切断線CL(点線)で切断するなどして、第1~第9リード2A~2Iとフレーム201とが連結された部分を取り除く。そして、折り曲げ加工において、第1~第9リード2A~2Iのうち、樹脂パッケージ5から突出した部分(端子部23)に対して、x2方向の先端部分がz2方向に平行移動するように折り曲げる。これにより、複数の端子部23が屈曲した形状をなす。
以上に示す各工程を順に行うことで、図19~図22に示す半導体装置A1が得られる。
本実施形態によれば、各アルミワイヤ31を陽極酸化皮膜4(ワイヤ被覆部41)が覆っている。これにより、各アルミワイヤ31は陽極酸化皮膜4によって保護される。発明者の試験により、陽極酸化皮膜4によって、温度サイクルに対する孔食の発生を抑えることができるという知見が得られた。したがって、アルミワイヤ31の損傷による接合不良や断線を抑制することができる。すなわち、半導体装置A1の温度サイクルに対する信頼性を向上させることができる。また、アルミニウムは空気に触れることで自然酸化膜(酸化アルミニウム皮膜)が形成され、当該自然酸化膜により、耐腐食性が向上できる。しかし、当該自然酸化膜は非常に薄く、それ以上膜厚を大きくすることができない。たとえば、自然酸化膜は、その膜厚が50~200Å程度である。したがって、耐腐食性の向上は限定的である。一方、陽極酸化皮膜4は、その膜厚が上記するように1000~2000Å程度であり、当該自然酸化膜と比較して非常に厚い。したがって、アルミワイヤ31に、自然酸化膜が形成された場合よりも、耐腐食性をさらに向上できる。
本実施形態によれば、陽極酸化処理工程において、ダイボンディング工程およびワイヤボンディング工程後のリードフレーム200全体を電解液72に浸している(図26参照)。これにより、アルミワイヤ31だけでなく、主成分がアルミニウムである電極パッド113にも陽極酸化皮膜4(パッド被覆部42)が形成される。したがって、電極パッド113のパッド主面113aも陽極酸化皮膜4により保護できるため、パッド主面113aの腐食を抑制することもできる。また、電極パッド113のパッド主面113aの腐食は、電極パッド113の界面を伝い、パッド側面113cおよびパッド裏面113bに到達しうる。その結果、電極パッド113の接合強度が低下して、電極パッド113が第1半導体チップ11から剥がれてしまう可能性がある。よって、陽極酸化皮膜4(パッド被覆部42)による電極パッド113のパッド主面113aの保護により、パッド側面113cおよびパッド裏面113bへの腐食の浸食を抑制することができる。すなわち、電極パッド113の剥離を抑制できる。
本実施形態によれば、陽極酸化皮膜4において、ワイヤ被覆部41とパッド被覆部42とが一体的に形成される。これにより、アルミワイヤ31と第1半導体チップ11(電極パッド113)との接合強度を向上させることができる。
本実施形態によれば、陽極酸化処理工程の前にワイヤボンディング工程を行っている。たとえば陽極酸化処理を行ったアルミワイヤ31(陽極酸化皮膜4に覆われたアルミワイヤ31)は、陽極酸化皮膜4の影響によりボンディングができないため、陽極酸化皮膜4を除去する必要がある。よって、煩わしい処理が必要となる。したがって、陽極酸化皮膜4が形成される前にアルミワイヤ31をワイヤボンディングすることで、従来のアルミワイヤ31のボンディングと同じ方法を用いることができる。これにより、上記煩わしい処理が不要となる。
本実施形態によれば、陽極酸化処理工程において、アルカリ性の電解液72を用いている。陽極酸化処理工程において、図26に示すようにリードフレーム200全体を電解液72に浸しているため、アルミワイヤ31以外の部位も電解液72に浸る。すなわち、リードフレーム200(2)も電解液72に浸る。リードフレーム200(2)は銅からなるため、酸性の電解液72を用いると、リードフレーム200(2)の劣化を招く恐れがある。したがって、アルカリ性の電解液72を用いることで、酸性の電解液72に比べて、リードフレーム200(2)の腐食を低減することができる。
次に、本実施形態に係る半導体装置A1およびその製造方法についての各種変形例について説明する。
上記実施形態において、陽極酸化処理工程後に、上記ポーラス層4Cに形成された複数の孔4Dを封孔する処理をさらに追加してもよい。当該封孔処理は、陽極酸化処理工程によってアルミ素地4A(アルミワイヤ31および電極パッド113)上に積層されたポーラス層4Cの複数の孔4Dを封じる処理である。このような封孔処理の方法としては、水和封孔法や無機物充填封孔法などがある。水和封孔法は、孔4D内に水分子を取り込み、孔4D中での体積膨張で多孔質の孔4Dを塞ぐ方法であり、加圧水蒸気封孔型(温度:110~140℃)や沸騰水封孔型(温度:95℃以上)がある。無機物充填封孔法は、ニッケル、コバルト、クロム等の金属塩やこれら金属塩のフッ化物が、孔4Dの開口部付近に金属塩の水酸化物として吸着されて孔4Dを塞ぐ方法であり、金属塩を用いた二段封孔型および金属塩にフッ化物を共存させた低温封孔型とがある。図28は、水和封孔法による封孔処理後の陽極酸化皮膜4の積層構造を示している。図28が示すように、図23と比較して、封孔処理により、水和物6が形成されている。水和物6は、たとえば水酸化アルミニウムからなる。水和物6は、図28に示すように、複数の孔4Dそれぞれの開口部付近に充填され、複数の孔4Dの開口部を閉じている。なお、各孔4Dの開口部が完全に閉じておらず、狭くなっている程度であっても「封孔」に含む。水和物6は、上記するように開口部付近に充填されているため、陽極酸化処理とこれに封孔処理を行った場合とでは厚さは変わらない。なお、水和物6は、ポーラス層4Cの上に層状に形成されていてもよい。以上のような封孔処理を行うことにより、陽極酸化皮膜4の表面は化学的にさらに安定(不活性)し、酸素や他の化学物質と簡単には反応しなくなる。したがって、アルミワイヤ31の耐腐食性がさらに向上する。
上記実施形態においては、陽極酸化皮膜4は複数の孔4Dが形成されたポーラス層4Cを有する場合を説明したが、陽極酸化処理の方法によっては、当該ポーラス層4Cが形成されない場合もある。したがって、陽極酸化皮膜4は上記ポーラス層4Cを有していなくてもよい。
上記実施形態においては、半導体チップ1として、複数の第1半導体チップ11と第2半導体チップ12とを有する場合を説明したが、これに限定されない。また、リードフレーム2として、第1~第9リード2A~2I(9本のリード)を有する場合を例に説明したが、これに限定されない。半導体チップ1の個数や種類、また、リードフレーム2の形状やリードの本数など、半導体装置A1の目的とする機能に応じて適宜変更すればよい。たとえば半導体装置A1がMOSFETのディスクリート半導体である場合、上記半導体チップ1として、1つのMOSFETをリードフレーム2に接合する。そして、リード(端子部23)の本数は3本あればよい。
上記実施形態においては、リードフレーム構造の半導体装置A1を説明したが、主成分がアルミニウムであるワイヤを用いた各種半導体装置に適用することが可能である。たとえば、リードフレーム構造ではなく、表面実装用のチップ型の半導体装置であっても、主成分がアルミニウムであるワイヤを用いているものであれば、適用可能である。
本開示に係る半導体装置およびその製造方法は、上記した実施形態に限定されるものではない。本開示の半導体装置の各部の具体的な構成およびその製造方法の各工程の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
本開示は以下の付記を含む。
[付記B1]
半導体素子と、
一端が前記半導体素子に接合されたアルミニウムワイヤと、
前記アルミニウムワイヤを覆うワイヤ被覆部を有する陽極酸化皮膜と、
前記半導体素子および前記陽極酸化皮膜を覆う封止樹脂と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
[付記B2]
前記半導体素子は、主成分がアルミニウムである電極パッドを有しており、
当該電極パッドは、前記アルミニウムワイヤの一端が接合されたパッド主面を有しており、
前記陽極酸化皮膜は、前記パッド主面を覆うパッド被覆部をさらに有する、
付記B1に記載の半導体装置。
[付記B3]
前記陽極酸化皮膜は、前記ワイヤ被覆部と前記パッド被覆部とが一体的に形成されている、
付記B2に記載の半導体装置。
[付記B4]
前記陽極酸化皮膜は、複数の孔が形成されたポーラス層を有しており、
前記複数の孔を封孔する水和物をさらに備える、
付記B1ないし付記B3のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記B5]
前記アルミニウムワイヤには、鉄、ケイ素、あるいは、ニッケルが添加されている、
付記B1ないし付記B4のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記B6]
前記半導体素子と電気的に接続された電極をさらに備えており、
当該電極は、前記封止樹脂の内側で前記半導体素子が接合されたダイボンディング部と前記封止樹脂から露出する端子部とを有する、
付記B1ないし付記B5のいずれか一項に記載の半導体装置。
[付記B7]
前記電極は、リードフレームである、
付記B6に記載の半導体装置。
[付記B8]
アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することと、
前記アルミニウムワイヤを覆う陽極酸化皮膜を形成することと、
半導体素子および前記陽極酸化皮膜を覆う封止樹脂を形成することと、
を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
[付記B9]
前記半導体素子は、主成分がアルミニウムである電極パッドを有しており、
前記ワイヤボンディング工程において、前記アルミニウムワイヤの一端を前記電極パッドに接合し、
前記陽極酸化皮膜を形成することにおいて、前記電極パッドを覆う陽極酸化皮膜を形成する、
付記B8に記載の製造方法。
[付記B10]
前記陽極酸化皮膜を形成することは、前記アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することの後であり、かつ、前記封止樹脂を形成することの前に行われる、
付記B9に記載の製造方法。
[付記B11]
前記アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することにおいては、ウェッジボンディング法を用いる、
付記B8ないし付記B10のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記B12]
前記陽極酸化皮膜は、複数の孔が形成されたポーラス層を有し、
前記複数の孔を水和物により封孔することをさらに有する、
付記B8ないし付記B11のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記B13]
前記半導体装置は、前記半導体素子と電気的に接続される電極をさらに備えており、
前記半導体素子を前記電極に接合することをさらに有する、
付記B8ないし付記B12のいずれか一項に記載の製造方法。
[付記B14]
前記陽極酸化皮膜を形成することにおいては、陽極としての前記電極と陰極とを電解液に浸し、前記陽極および前記陰極に直流電圧を印加する、
付記B13に記載の製造方法。
[付記B15]
前記陽極酸化皮膜を形成することにおいて、前記電解液にアルカリ性の溶液を用いる、付記B14に記載の製造方法。
A1 :半導体装置
1 :半導体チップ
11 :第1半導体チップ
111 :チップ主面
112 :チップ裏面
113 :電極パッド
113a:パッド主面
113b:パッド裏面
113c:パッド側面
12 :第2半導体チップ
121 :チップ主面
122 :チップ裏面
2 :リードフレーム
2A~2I:第1~第9リード
21 :ダイボンディング部
211 :第1ダイボンディング部
212 :第2ダイボンディング部
22 :ワイヤボンディング部
221 :第1ワイヤボンディング部
222 :第2ワイヤボンディング部
23 :端子部
24 :放熱部
200 :リードフレーム
201 :フレーム
3 :ワイヤ
31 :アルミワイヤ
32 :金ワイヤ
4 :陽極酸化皮膜
4A :アルミ素地
4B :バリア層
4C :ポーラス層
4D :孔
41 :ワイヤ被覆部
42 :パッド被覆部
5 :樹脂パッケージ
6 :水和物
71 :陰極
72 :電解液
91 :接合層

Claims (15)

  1. 半導体素子と、
    一端が前記半導体素子に接合されたアルミニウムワイヤと、
    前記アルミニウムワイヤを覆うワイヤ被覆部を有する陽極酸化皮膜と、
    前記半導体素子および前記陽極酸化皮膜を覆う封止樹脂と、を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子は、主成分がアルミニウムである電極パッドを有しており、
    当該電極パッドは、前記アルミニウムワイヤの一端が接合されたパッド主面を有しており、
    前記陽極酸化皮膜は、前記パッド主面を覆うパッド被覆部をさらに有する、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記陽極酸化皮膜は、前記ワイヤ被覆部と前記パッド被覆部とが一体的に形成されている、請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記陽極酸化皮膜は、複数の孔が形成されたポーラス層を有しており、
    前記複数の孔を封孔する水和物をさらに備える、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記アルミニウムワイヤには、鉄、ケイ素、あるいは、ニッケルが添加されている、請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体素子と電気的に接続された電極をさらに備えており、
    当該電極は、前記封止樹脂の内側で前記半導体素子が接合されたダイボンディング部と前記封止樹脂から露出する端子部とを有する、請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記電極は、リードフレームである、請求項6に記載の半導体装置。
  8. 半導体装置の製造方法であって、
    アルミニウムワイヤの一端を半導体素子に接合することと、
    前記アルミニウムワイヤを覆う陽極酸化皮膜を形成することと、
    前記半導体素子および前記陽極酸化皮膜を覆う封止樹脂を形成することと、
    を有することを特徴とする、製造方法。
  9. 前記半導体素子は、主成分がアルミニウムである電極パッドを有しており、
    前記アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することにおいて、前記アルミニウムワイヤの一端を前記電極パッドに接合し、
    前記陽極酸化皮膜を形成することにおいて、前記電極パッドを覆う陽極酸化皮膜を形成する、請求項8に記載の製造方法。
  10. 前記陽極酸化皮膜を形成することは、前記アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することの後であり、かつ、前記封止樹脂を形成することの前に行われる、請求項9に記載の製造方法。
  11. 前記アルミニウムワイヤの一端を前記半導体素子に接合することにおいては、ウェッジボンディング法を用いる、請求項8ないし請求項10のいずれか一項に記載の製造方法。
  12. 前記陽極酸化皮膜は、複数の孔が形成されたポーラス層を有し、
    前記複数の孔を水和物により封孔することをさらに有する、請求項8ないし請求項11のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. 前記半導体装置は、前記半導体素子と電気的に接続される電極をさらに備えており、
    前記半導体素子を前記電極に接合することをさらに有する、請求項8ないし請求項12のいずれか一項に記載の製造方法。
  14. 前記陽極酸化皮膜を形成することにおいては、陽極としての前記電極と陰極とを電解液に浸し、前記陽極および前記陰極に直流電圧を印加する、請求項13に記載の製造方法。
  15. 前記陽極酸化皮膜を形成することにおいて、前記電解液にアルカリ性の溶液を用いる、請求項14に記載の製造方法。
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