JP2024004896A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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浩一 長谷川
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Abstract

【課題】半導体装置の性能を向上させる。【解決手段】半導体チップ10のMOSFETのソースに接続され、かつ、断面視においてリード30Sよりも低い位置に配置されているソースパッドSEは、このソースパッドSEに接合された導電性部材50と、この導電性部材50に接合されたワイヤ(導電性部材)12とを介して、ソース用のリード30Sと電気的に接続する。【選択図】図7

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、例えば、電力制御用の回路に組み込まれるパワー半導体装置に適用して有効な技術に関する。
特開2018-73970号公報(特許文献1)には、MOSFETを備える半導体チップと、半導体チップが搭載されたダイパッドと、ダイパッドよりも高い位置に配置されたリードと、半導体チップのソースパッドとリードとを電気的に接続するワイヤと、を有する半導体装置が記載されている。
また、特開2009-147103号公報(特許文献2)には、ボンディングツールであるウェッジツールを用いて、半導体チップのソースパッドの複数個所にアルミニウムリボンが接合された半導体装置が記載されている。
特開2018-73970号公報 特開2009-147103号公報
近年では、半導体装置(特に、出力となるソースパッドとソースリードとの間の電流経路)の低オン抵抗化(すなわち、大電流化)の要求がある。低オン抵抗を実現するには、上記した各特許文献のように、1)ソースパッドとソースリードとの間を複数の導電性部材を介して接続する、2)ソースパッドとソースリードとの間を接続するソース用の導電性部材の径を太くする、あるいは、3)ソース用の導電性部材をソースパッドに複数箇所で接続する、といったことが考えられる。そして、本願発明者の検証によれば、ソース用の導電性部材をソースパッドに接合する位置によって、さらにオン抵抗を改善できることが判った。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態による半導体装置の製造方法は、(a)ダイパッド、および上記ダイパッドよりも上方に位置する第1リードを有するリードフレームを準備する工程を含んでいる。また、半導体装置の製造方法は、(b)上記(a)工程の後、MOSFETのソースと電気的に接続されたソースパッドを有する半導体チップを、上記ダイパッドの上記第1面上に搭載する工程を含んでいる。また、半導体装置の製造方法は、(c)上記(b)工程の後、第1ボンダを用いて、第1導電性部材を上記ソースパッドに接合する工程、(d)上記(c)工程の後、第2ボンダを用いて、第2導電性部材を上記第1導電性部材および上記第1リードに接合する工程、および(e)上記(d)工程の後、上記ダイパッドの上記第2面が露出するように、上記半導体チップ、上記第1導電性部材および上記第2導電性部材を樹脂で封止する工程を含んでいる。ここで、上記第1ボンダは、上記第1導電性部材を切断可能なカッタと、上記第1導電性部材を供給可能なガイドと、上記カッタの隣に位置し、かつ、上記第1導電性部材をプレスすることが可能なウェッジツールと、を備えている。上記(c)工程では、上記第1ボンダの上記ガイドが上記第1ボンダの上記ウェッジツールよりも上記第1リードから遠くに位置するように、上記第1ボンダを配置する。上記(c)工程は、(c1)上記第1導電性部材の第1部分を上記ソースパッドの第1パッド接合部に接合する工程と、(c2)上記(c1)工程の後、上記第1導電性部材の第2部分を、上記ソースパッドの上記第1パッド接合部よりも上記第1リードから遠くに位置する上記ソースパッドの第2パッド接合部に接合する工程と、を有する。
上記一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
一実施の形態の半導体装置が備える回路の一例を模式的に示す説明図である。 図1に示す電界効果トランジスタの素子構造例を示す要部断面図である。 図1に示す半導体装置の上面図である。 図3に示す半導体装置の下面図である。 図3に示す封止体を取り除いた状態で、半導体装置の内部構造を示す透視平面図である。 図5のA-A線に沿った断面図である。 図6に示すソースパッドとワイヤとの接続部分の周辺の拡大断面図である。 図7に対する検討例を示す拡大断面図である。 ソースパッドと、複数の接続部との平面的な位置関係を模式的に示す説明図である。 図9に対する変形例を示す説明図である。 図1~図10を用いて説明した半導体装置の製造工程の概要を示す説明図である。 図11に示すリードフレーム準備工程で準備するリードフレームの一部を示す拡大平面図である。 図12に示すダイパッド上に半導体チップを搭載した状態を示す拡大平面図である。 図13に示す半導体チップのソースパッド上に導電性部材を接合した状態を示す拡大平面図である。 図11に示すパッド上導電性部材接合工程において、ウェッジボンダを用いて第1のリボンをソースパッドの第1パッド接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図15に続いてウェッジボンダを第1パッド接合部上から移動させる状態を示す拡大断面図である。 図16に続いて第1のリボンをソースパッドの第2パッド接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図17に続いて第1のリボンを切断する状態を示す拡大断面図である。 ウェッジボンダを用いて第2のリボンを第1のリボンの第1リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図19に続いてウェッジボンダを第1リボン接合部上から移動させる状態を示す拡大断面図である。 図20に続いて第2のリボンを第1のリボンの第2リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図21に続いて第2のリボンを切断する状態を示す拡大断面図である。 ウェッジボンダを用いて第3のリボンを第2のリボンの第3リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図23に続いてウェッジボンダを第3リボン接合部上から移動させる状態を示す拡大断面図である。 図24に続いて第3のリボンを第2のリボンの第4リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図25に続いて第3のリボンを切断する状態を示す拡大断面図である。 図13に示す半導体チップと、リードとを、ワイヤを介して電気的に接続した状態を示す拡大平面図である。 図11に示すリボン接合工程において、ウェッジボンダを用いてワイヤを第3のリボンの第5リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図28に続いてワイヤを第3のリボンの第6リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図29に続いてワイヤをソースリードのリード接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図30に続いてワイヤを切断する状態を示す拡大断面図である。 図27に示す半導体チップおよびワイヤを封止する封止体を形成した状態を示す拡大平面図である。 図11に示す個片化工程で、複数のデバイス形成部のそれぞれを分離した状態を示す拡大平面図である。 図28に対する変形例であって、図11に示すリボン接合工程において、ウェッジボンダを用いてワイヤをソースリードのリード接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図34に続いてワイヤを第3のリボンの第6リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図35に続いてワイヤを第3のリボンの第5リボン接合部に接合する状態を示す拡大断面図である。 図36に続いてワイヤを切断する状態を示す拡大断面図である。 図5に対する変形例を示す拡大平面図である。 図38のC-C線に沿った拡大断面図である。 図5に対する変形例を示す拡大平面図である。 図40のD-D線に沿った拡大断面図である。
(本願における記載形式・基本的用語・用法の説明)
本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクション等に分けて記載するが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、記載の前後を問わず、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しの説明を省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、A以外の要素を含むものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe(シリコン・ゲルマニウム)合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。また、金めっき、Cu層、ニッケル・めっき等といっても、そうでない旨、特に明示した場合を除き、純粋なものだけでなく、それぞれ金、Cu、ニッケル等を主要な成分とする部材を含むものとする。
さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。
また、実施の形態の各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するため、あるいは領域の境界を明示するために、ハッチングやドットパターンを付すことがある。
以下の説明において、「接触」、「接着」、「接合」、「剥離」、および「接続」という用語を用いるが、以下の意味で用いる。「接触」とは、分離可能な二つの部材の少なくとも一部分が互いに接している状態を言う。「接着」とは、分離可能な二つの部材(被着材)の少なくとも一部分が接着剤を介して互いに結合し、固定された状態を言う。また、「接合」とは、分離可能な二つの部材(被着材)の少なくとも一部分が互いに結合し、固定された状態を言う。上記した「結合」には、アンカー効果などの機械的な結合、分子間力などの物理的相互作用による結合、および共有結合などの化学的相互作用による結合が含まれる。また、「接合」には、被着材の間に他の部材(例えば接着剤)が介在している場合の他、他の部材が介在していない場合も含まれる。すなわち、「接合された状態」には「接着された状態」が含まれる。また、「剥離」とは、上記した「結合」状態が解除され、分離可能な状態に変化することを言う。また、単に「剥離」と記載した場合には、二つの部材の接合部分の全体において結合が解除された場合の他、接合部分の一部において結合が解除された状態も含む。また、「接続」とは、二つの部材が連通した状態(接続経路が途中で分断されず、連続的に繋がった)を言う。二つの部材の間に別の部材が介在しているかどうかは問わない。例えば「A部材とB部材とが電気的に接続された状態」とは、A部材とB部材とが電気的に導通可能な状態を意味し、A部材とB部材との間にC部材が介在している場合も含まれる。また、単に、「A部材とB部材とが接続された状態」とは、A部材とB部材とが固定された状態を意味し、A部材とB部材との間にC部材が介在している場合も含まれる。また例えば、「A部材とB部材とが接続された状態」には、A部材とB部材とが分離できない一体物として形成され、形状的または機能的に区別されている場合も含まれる。このように、A部材とB部材とが一体物として形成された状態のことを「連結」と記載する場合もある。
また、以下の説明において、半田、半田材、半田材料、あるいは半田成分と記載した場合には、例えば、鉛(Pb)入りのSn-Pb半田、あるいは、Pbを実質的に含まない、所謂、鉛フリー半田を指す。鉛フリー半田の例としては、例えば錫(Sn)のみ、錫-ビスマス(Sn-Bi)、または錫-銅-銀(Sn-Cu-Ag)、錫-銅(Sn-Cu)などが挙げられる。ここで、鉛フリー半田とは、鉛(Pb)の含有量が0.1wt%以下のものを意味し、この含有量は、RoHS(Restriction of Hazardous Substances)指令の基準として定められている。
本実施の形態では、半導体装置の例として、電源回路等の電力制御回路に組み込まれる、パワーデバイス、あるいはパワー半導体装置と呼ばれる半導体装置を取り上げて説明する。以下で説明する半導体装置は、電力変換回路に組み込まれ、スイッチング素子として機能する。
<回路構成例>
図1は、本実施の形態の半導体装置が備える回路の一例を模式的に示す説明図である。また、図2は、図1に示す電界効果トランジスタの素子構造例を示す要部断面図である。
パワー半導体装置と呼ばれる電力制御用の半導体装置には、例えばダイオード、サイリスタ、あるいは、トランジスタなどの半導体素子を有するものがある。トランジスタは、様々な分野に利用されているが、本実施の形態のように、例えば1A(アンペア)以上の大電流が流れる電力制御回路内に組み込まれ、スイッチング素子として動作するトランジスタは、パワートランジスタと呼ばれる。本実施の形態の半導体装置PKG1は、図1に示すように、パワートランジスタであるトランジスタQ1が形成された半導体チップ10を有している。図1および図2に示す例では、半導体チップ10に形成されているトランジスタQ1は、電界効果トランジスタ、詳しくは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。パワー半導体装置では、トランジスタは例えばスイッチング素子として利用される。パワー半導体装置に用いられるMOSFETは、パワーMOSFETと呼ばれる。
上記したMOSFETは、ゲート絶縁膜上に導電性材料からなるゲート電極が配置された構造の電界効果トランジスタを広く表わす用語として記載している。したがって、MOSFETと記載した場合でも、酸化膜以外のゲート絶縁膜を除外するものではない。また、MOSFETと記載した場合でも、例えばポリシリコンなど、金属以外のゲート電極材料を除外するものではない。
また、図1に示すトランジスタQ1は、例えば、図2に示すようなnチャネル型の電界効果トランジスタにより形成されている。図2は、図1に示す電界効果トランジスタの素子構造例を示す要部断面図である。
図2に示す例では、例えばn型単結晶シリコンから成る半導体基板WHの主面WHt上に、n型のエピタキシャル層EPが形成されている。この半導体基板WHおよびエピタキシャル層EPは、MOSFETのドレイン領域(図1に示すドレインDに相当する領域)を構成する。このドレイン領域は、半導体チップ10の裏面側に形成されたドレイン電極DEと電気的に接続されている。
エピタキシャル層EP上には、p型の半導体領域であるチャネル形成領域CHが形成され、このチャネル形成領域CH上には、n型の半導体領域であるソース領域(図1に示すソースSに相当する領域)SRが形成されている。ソース領域SRは、引出配線を介して、半導体チップ10の主面側に形成されたソースパッド(電極、ソース電極パッド)SEと電気的に接続されている。また、半導体基板WH上に積層された半導体領域には、ソース領域SRの上面からチャネル形成領域CHを貫通し、エピタキシャル層EPの内部に達するトレンチ(開口部、溝)TR1が形成されている。
また、トレンチTR1の内壁にはゲート絶縁膜GIが形成されている。また、ゲート絶縁膜GI上には、トレンチTR1を埋め込むように積層されたゲートGが形成されている。ゲートGは、引出配線を介して、半導体チップ10のゲートパッド(電極、ゲート電極パッド)GEと電気的に接続されている。
また、トランジスタQ1は、チャネル形成領域CHを挟んで、厚さ方向にドレイン領域とソース領域SRが配置されるので、厚さ方向にチャネルが形成される(以下、縦型チャネル構造と呼ぶ)。この場合、主面WHtに沿ってチャネルが形成される、横型チャネル構造の電界効果トランジスタと比較して、平面視における、素子の占有面積を低減できる。このため、半導体チップ10の平面サイズを低減できる。
また、上記した縦型チャネル構造の場合、平面視において、単位面積当たりのチャネル幅を増加できるので、オン抵抗を低減することができる。なお、図2は、電界効果トランジスタの素子構造を示す図であって、図1に示す半導体チップ10では、例えば図2に示すような素子構造を有する複数(多数)のトランジスタQ1が、並列接続されている。これにより、例えば1アンペアを越えるような大電流が流れるパワーMOSFETを構成することができる。
上記のように、縦型チャネル構造の複数のトランジスタQ1を並列接続してMOSFETを構成する場合、MOSFETの電気的特性(主に耐圧特性、オン抵抗特性、容量特性)は、半導体チップ10の平面サイズに応じて変化する。例えば、半導体チップ10の平面積を大きくすれば、並列接続されたトランジスタQ1のセル数(すなわち素子の数)が増加するので、オン抵抗は低下し、容量は増大する。
なお、図1および図2では、パワー半導体装置が備えるパワートランジスタの例として、MOSFETを例示したが、種々の変形例を適用できる。例えば、MOSFETに代えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT;Insulated Gate Bipolar Transistor)を備えている場合がある。
<半導体装置>
次に、図1に示す半導体装置PKG1のパッケージ構造について説明する。図3は、図1に示す半導体装置の上面図である。また、図4は、図3に示す半導体装置の下面図である。また、図5は、図3に示す封止体を取り除いた状態で、半導体装置の内部構造を示す透視平面図である。また、図6は、図5のA-A線に沿った断面図である。
本実施の形態の半導体装置PKG1は、半導体チップ10(図5、図6参照)、半導体チップ10が搭載されるダイパッド(金属板、チップ搭載部、放熱板)20(図3~図6参照)、および外部端子である複数のリード(端子)30を有している。半導体チップ10と複数のリード30とは、ワイヤ12Sおよび複数のワイヤ(導電性部材)12(図5、図6参照)を介して電気的に接続されている。また、半導体チップ10、ダイパッド20の上面20tおよび複数のリード30のインナ部(インナリード部、被封止部)30M(図5、図6参照)は、封止体(樹脂封止体、樹脂体、モールド樹脂)40により、封止されている。ワイヤ12Sの詳細については後述する。
図5に示すように、平面視において、複数のリード30のそれぞれは、Y方向に延び、かつ、Y方向に沿ってダイパッド20と並んで配置されている。また、複数のリード30は、Y方向と交差(図5の例では直交)するX方向に沿って互いに隣あって並ぶように配列されている。図5に示す例では、平面視において、X方向に沿って、複数のソース用のリード(ソースリード、ソース端子)30S、ドレイン用のリード(ドレインリード、ドレイン端子)30D、およびゲート用のリード(ゲートリード、ゲート端子)30Gが順に並ぶように配列されている。複数のリード30のそれぞれは、封止体40に封止されるインナ部30Mと、封止体40から露出するアウタ部(アウタリード部、露出部)30Xと、を備えている。また、図6に示すように複数のリード30のそれぞれは、上面30tおよび上面30tの反対側の下面30bを有している。
複数のリード30のうち、ドレイン用のリード30Dは、ダイパッド20と一体に形成されている。詳細は後述するが、半導体装置PKG1の製造工程において、ドレイン用のリード30Dは、ダイパッド20を支持する吊りリードとして機能する。吊りリードとしてのリード30Dは、断面視においてダイパッド20がリード30Sよりも下方に位置するように、折り曲げ加工が施されている。
また、図6に示すように、半導体チップ10は、表面(面、上面)10tと、表面10tの反対側に位置する裏面(面、下面)10bを有している。また、図5に示すように半導体チップ10の表面10t(および図6に示す裏面10b)は平面視において四角形を成し、周縁部に四つの側面10sを有している。図5に示す例では半導体チップ10は平面視において長方形を成し、長辺がX方向に沿って延びている。
また、図5に示すように半導体チップ10の表面10tには、ゲートG(図1参照)と電気的に接続されるゲートパッドGEと、ソースS(図1参照)と電気的に接続されるソースパッドSEが形成されている。また、図6に示すように、半導体チップ10の裏面10bには、ドレインD(図1参照)と電気的に接続されるドレイン電極(電極)DEが形成されている。図6に示す例では、半導体チップ10の裏面10b全体が、ドレイン電極DEになっている。
図2に示すように、半導体チップ10を縦型チャネル構造とした場合、半導体チップ10の厚さを薄く(図6に示す表面10tと裏面10bの距離を小さく)することにより、オン抵抗を低減することができる。一方、ダイパッド20の熱容量を大きくする観点、あるいは、電流が流れる導電経路の断面積を大きくする観点からは、ダイパッド20の厚さは厚い方が好ましい。このため、図6に示す例では、ダイパッド20の厚さはリード30(詳しくは図5に示すソース用のリード30S)の厚さよりも厚い。例えば、リード30の厚さ(上面30tから下面30bまでの距離)は0.4mm~0.6mm程度であり、ダイパッド20の厚さ(上面20tから下面20bまでの距離)は、0.5mm~1.3mm程度である。
また、半導体装置PKG1は、半導体チップ10が搭載されるダイパッド(金属板、チップ搭載部、放熱板)20を有する。図6に示すように、ダイパッド20は、半導体チップ10がダイボンド材11を介して搭載された上面(面、主面、表面、チップ搭載面)20tと、上面20tとは反対側の下面(面、主面、裏面、露出面、実装面)20bを有している。図5に示す例では、半導体チップ10の平面サイズ(表面10tの面積)は、ダイパッド20の平面サイズ(上面20tの面積)よりも小さい。また、図4に示すようにダイパッド20は、周縁部に下面20bに連なる複数の側面20sを有している。
また、図5に示すように、ダイパッド20は、ドレイン端子であるリード30Dと一体に形成されている。リード30Dは、図1に示すドレインDと電気的に接続される外部端子である。図6に示すように、半導体チップ10の裏面10bには、MOSFETであるトランジスタQ1(図1参照)のドレインDに接続されるドレイン電極DEが形成されている。ドレイン電極DEは、導電性材料から成るダイボンド材11を介してダイパッド20と電気的に接続される。ダイボンド材11は、例えば半田、あるいは、銀(Ag)粒子などの導電性粒子と樹脂との混合物の硬化物である、導電性樹脂である。リード30Dは、ダイパッド20に接続されており、ダイパッド20およびダイボンド材11を介して半導体チップ10のドレイン電極DEと電気的に接続される。また、リード30Dは、ダイパッド20に接続(連結)されており、後述する半導体装置の製造工程において、ダイパッド20を支持する吊りリードとしての機能を備えている。
なお、本実施の形態では、ダイパッド20の下面20bが封止体40から露出しているので、ダイパッド20自身を、ドレイン端子として扱うことができる。また、本実施の形態では、パワートランジスタの例として、MOSFETを利用した実施態様を取り上げて説明しているので、リード30およびダイパッド20は、回路上では、半導体装置PKG1のドレイン端子として動作する。ただし、変形例として、パワートランジスタにIGBTを用いる場合には、半導体チップの裏面には、コレクタ電極が形成される。このため、パワートランジスタがIGBTである場合には、リード30およびダイパッド20は、回路上では、半導体装置PKG1のコレクタ端子として動作する。
また、図5に示すように、ダイパッド20の複数の側面20sは、平面視において、複数のリード30のそれぞれと対向した状態で設けられ、封止体40により封止された側面20s1を含む。また、複数の側面20sは、側面20s1の反対側に設けられ、封止体40から露出し、かつ、金属膜22(図6参照)に覆われた側面20s2を含む。
また、図4および図6に示すように、ダイパッド20の下面20bは、封止体40の下面40b側において、封止体40から露出している。図4に示す例では、ダイパッド20の下面20bの面積は、封止体40の下面40bの面積以上である。また、図3に示すように、ダイパッド20の一部分は、ダイパッド20の上面20t側から視た平面視において、封止体40が有する複数の側面40sのうちの一つの側面40sから外側に向かって突出している。そして、図3および図6に示すように、ダイパッド20の上面20tの一部分、および複数の側面20sのうちの一部(少なくとも側面20s2)は、封止体40から露出している。本実施の形態のようにダイパッド20の平面サイズを大きくし、かつ、ダイパッド20の一部を封止体40から露出させることにより、半導体チップ10で発生した熱の放熱効率を向上させることができる。なお、図示は省略するが、本実施の形態に対する変形例として、ダイパッド20の下面20bが封止体40から露出しない場合がある。また、別の変形例としてダイパッド20の一部分のみが封止体40から露出し、他の部分が封止体40に封止されている場合がある。
ダイパッド20は、複数のリード30と同じ金属材料、例えば、銅(Cu)、または銅(Cu)を主要な成分とする合金材料から成る基材21を有する。また、複数のリード30のそれぞれは、ダイパッド20と同じ金属材料、例えば、銅(Cu)、または銅(Cu)を主要な成分とする合金材料から成る基材31を有する。
また、ダイパッド20のうち、封止体40から露出する部分(アウタ部、露出部)は、金属膜22に覆われている。同様に、リード30のうち、封止体40から露出する部分(アウタ部30X)は、金属膜32に覆われている。この金属膜22および金属膜32は、半導体装置PKG1を実装基板に実装する際に、接続材料として用いる半田材の濡れ性を向上させるための金属膜である。金属膜22および金属膜32は、例えば、電解めっき法により形成されためっき金属膜である。詳細は後述するが、金属膜22および金属膜32は、例えば、錫(Sn)を含む半田材料から成る。
また、図5および図6に示すダイボンド材(接着材)11は、半導体チップ10をダイパッド20上に固定し、かつ半導体チップ10とダイパッド20を電気的に接続するための導電性部材(ダイボンド材)である。ダイボンド材11は例えば、半田材料を用いる場合がある。あるいは、ダイボンド材11は、複数の銀(Ag)粒子(Agフィラ)を含有する所謂、銀(Ag)ペーストと呼ばれる導電性の樹脂接着材である場合がある。なお、図示は省略するが、ダイパッド20の基材である銅(Cu)または銅合金よりもダイボンド材11との接着性が高い金属膜(図示は省略)がダイパッド20の上面20tの一部分に形成されている場合もある。この場合、ダイボンド材11とダイパッド20との接着強度を向上させることができる。
また、図5に示すように、半導体チップ10のゲートパッド(ゲート電極パッド)GEとリード30Gは、ワイヤ12(詳しくはワイヤ(ゲートワイヤ)12G)を介して電気的に接続されている。一方、半導体チップ10のソースパッドSEとリード30Sは、ワイヤ12(詳しくはワイヤ(ソースワイヤ)12S)およびワイヤ12Sを介して電気的に接続されている。ワイヤ12は、半導体チップ10の表面10t側の電極パッドとリード30とを接続する導電性部材(金属線)であって、例えばアルミニウム(Al)を主成分としている。なお、ワイヤ12の構成材料には種々の変形例があり、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、あるいは金(Au)などの金属材料を主成分として用いる場合がある。
図5に示すように、ワイヤ12Gの一端は、半導体チップ10のゲートパッドGEに接合される。一方、ワイヤ12Gの上記一端とは反対側の他端は、リード30Gの一部に形成されたリード接合部(リードポスト、ボンディングパッド)30Wの上面30tに接合される。
一方、図5および図6に示すように、ソースパッドSE上には、ワイヤ12Sが接合されている。ワイヤ12Sの一端は、半導体チップ10のソースパッドSE上に接合された、ワイヤ12Sに接合されている。ワイヤ12Sの上記一端とは反対側の他端は、リード30Sの一部に形成されたリード接合部30Wの上面30tに接合されている。
パワー半導体装置では、ソースパッドSEに接続される配線経路(電力供給経路)には、ゲートパッドGEに接続される配線経路(電力供給経路)より大きな電流が流れる。このため、本実施の形態では、ソースパッドSEを含む電力供給経路におけるオン抵抗を低減させる観点から、ワイヤ12とソースパッドSEとの間に、ワイヤ12Sを介在させている。ワイヤ12Sを設けることにより、ソースパッドSEを含む電力供給経路のオン抵抗が低減できる理由の詳細は後述する。ゲートパッドGEに接続される電力経路は、ソースパッドSEを含む電力供給経路と比較して、流れる電流の値が小さいので、ゲートパッドGEとリード30Gとは、ワイヤ12Sを介さずに電気的に接続されている。
なお、図5に示す例では、ワイヤ12Sの太さは、ワイヤ12Gの太さよりも太い。なお、ワイヤ12の形状や本数は、図5に示す態様には限定されず、種々の変形例がある。例えば、ワイヤ12Gとワイヤ12Sの太さが同じである場合がある。また例えば、ソースパッドSEとリード30Sとが、複数のワイヤ12Sを介して電気的に接続されている場合がある。本実施の形態では、半導体チップ10のソースパッドSEには、複数のワイヤ12Sが接続されている。
また、半導体チップ10、複数のリード30、および複数のワイヤ12は、封止体40により封止される。封止体40は、半導体チップ10、ワイヤ12S、および複数のワイヤ12を封止する樹脂体である。封止体40は、上面40t(図3、図6参照)および上面40tの反対側に位置する下面(実装面)40b(図4、図6参照)を有する。また、図3および図4に示すように封止体40の上面40t(図3参照)および下面40b(図4参照)のそれぞれは、周縁部に複数の側面40sを有している。また、封止体40は、例えば、主としてエポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂により構成されている。また、本実施の形態では、封止体40の特性(例えば熱影響による膨張特性)を向上させるため、例えば、シリカ(二酸化珪素;SiO)粒子などのフィラ粒子が樹脂材料中に混合されている。
<ワイヤと電極パッドとの接続部分の詳細>
次に、半導体チップの電極パッドと、ワイヤとが接続される部分の詳細について説明する。図7は、図6に示すソースパッドとワイヤとの接続部分の周辺の拡大断面図である。図8は、図7に対する検討例を示す拡大断面図である。また、図9および図10は、ソースパッドと、複数の接続部との平面的な位置関係を模式的に示す説明図である。なお、図9では、図7に示すワイヤ12Sは図示を省略しているが、図9は、図7に示すワイヤ12Sの接続部12B1および接続部12B2と、ソースパッドSEとの位置関係に対応している。図10は、図8に示すワイヤ12Sの接続部12B1および接続部12B2と、ソースパッドSEとの位置関係に対応している。
まず、検討例である図8に示すワイヤ接続のモデルを用いて、電極パッドとワイヤとを電気的に接続する部分の詳細について説明する。図8に示す例では、ワイヤ12がソースパッドSEに直接的に接続されている点で図7に示す本実施の形態の例と相違する。
図8に示すように半導体チップ10の表面10tには、絶縁膜13が形成されている。絶縁膜13は、半導体チップ10の表面10t側を保護する保護膜である。絶縁膜13は、例えば、ポリイミド樹脂などの有機材料から成る有機膜である場合、あるいは、二酸化珪素(SiO)や窒化珪素(SiN)などの無機絶縁膜である場合がある。
絶縁膜13には、複数の開口部が形成されている。図8では、複数の開口部のうち、ソースパッドSEの一部分を絶縁膜13から露出させる開口部13H1を図示している。絶縁膜13の複数の開口部は、図8に示す開口部13H1の他、図5に示すゲートパッドGEを露出させる開口部を含んでいる。また、図9および図10に示すように、本実施の形態の場合、絶縁膜13(図8参照)の複数の開口部は、ソースパッドSEの別の一部分を露出させる開口部13H2を含んでいる。
図8に示すように、開口部13H1において、ソースパッドSEの一部分である接合面(露出面、接合部)SEt1が絶縁膜13から露出している。接合面SEt1にはワイヤ(ソースワイヤ)12Sが接合されている。ワイヤ12Sは、接合面SEt1に接合された接続部(ステッチ部、部分)12B1、接合面SEt1に接合された接続部(ステッチ部、部分)12B2、および平面視のY方向において、接続部12B1と接続部12B2の間に位置するループ部(部分)12L1を有している。接続部12B1および接続部12B2のそれぞれは、半導体チップ10の電極パッドに超音波を用いて接合された部分であって、接続部12B1および接続部12B2のそれぞれの下面が同一の接合面SEt1に接合されている。また、ループ部12L1は、接続部12B1と接続部12B2とを連結する部分であって、接合面SEt1と離間している。また、ワイヤ12Sは、図5に示すリード30Sのリード接合部30Wに接合される部分である接続部(接合部、ステッチ部)12B3を有する。また、ワイヤ12Sは、図7に示す接続部12B2と接続部12B3(図5参照)の間に位置し、接続部12B2と接続部12B3とを連結するループ部12L2を有している。
詳細は後述するが、図8に示す例では、ワイヤ12は、ソースパッドSEとの接続部分を第1ボンドとし、リード30との接続部分を第2ボンドとする、所謂、順ボンド方式によりボンディングされている。この場合、ワイヤボンドを行うためのボンダのうち、ワイヤを供給するためのガイドがリード30と干渉する事を回避するため、ループ部12L2のY方向における距離を長くする必要がある。この結果、図8に示すように、接続部12B1および接続部12B2は、リード30の先端から遠い位置に配置される。なお、図示は省略するが、リード30との接続部分を第1ボンドとし、ソースパッドSEとの接続部分を第2ボンドとする、所謂、逆ボンド方式の場合、後述するようにガイドとリード30との干渉を回避することができる。ただし、リード30とソースパッドSEとの高低差が大きい場合には、ループ部12L2の傾斜角度が急峻になることによるワイヤ12の断線を回避する必要がある。このため、逆ボンド方式の場合にも、図8に示す例と同様に、接続部12B1および接続部12B2は、リード30の先端から遠い位置に配置される。
仮に、図8に示す例において逆ボンド方式を採用し、かつ、第2ボンドの位置を図8に示すソースパッドSE上のリード30に近い位置とした場合、ループ部12L2の傾斜角度が急峻になる。この場合、接合された直後には断線しなかったとしても、後述する封止工程で断線するリスクがある。あるいは、封止工程で断線しなかったとしても、製品として継続利用されている途中で、継続的な電流印加に起因して断線が発生する可能性がある。したがって、図8に示すようにソースパッドSE上に直接的にワイヤ12が接合されている場合、ワイヤ12の接続部12B1および接続部12B2は、リード30の先端から遠い位置に配置される。
ここで、本願発明者は、ワイヤ12とソースパッドSEとの電気的な接続部分における抵抗(以下、オン抵抗と記載する)を低減させる観点から、ワイヤの接続部とソースパッドSEとの好ましい位置関係について検討を行った。この検討の結果、以下の事が判った。
まず第1に、ワイヤ12とソースパッドSEとの接合面積を増やすことにより、オン抵抗を低減させることができる。言い換えれば、ソースパッドSEに接続されるワイヤ12の接続部12B(図9参照)の数を増加させることにより、オン抵抗を低減させることができる。例えば、図9および図10に示す複数の接続部12BのそれぞれのソースパッドSEとの接合面積が同じである場合、一つのソースパッドSEに対して接続されるワイヤの本数が増加すれば、接続部12Bの数が増加することになるのでオン抵抗を低減させることができる。また、変形例として後述するように、ワイヤ12を帯状の導体部材であるリボンに置き換えることも、オン抵抗を低減させる観点から有効な方法である。
第2に、接続部の数(接合面積の大きさ)を同じとした場合、全ての接続部を結んだ領域の面積に比例してオン抵抗を低減させることができる。例えば、図9に示す例では、ソースパッドSEの周縁部に沿って6個の接続部12Bが設けられている。一方、図10に示す例では、ソースパッドSEの一部分(上辺側)に6個の接続部12Bが集約して配置されている。図9に示す6個の接続部12Bの外縁を結んだ領域RB1の面積は、図10に示す6個の接続部12Bの外縁を結んだ領域RB2の面積よりも大きい。本願発明者の検討によれば、図9に示す例と図10に示す例とを比較した場合、図9に示す例の方が、オン抵抗が低いことが判った。これは、接続部12Bを広く分布させることにより、ソースパッドSEの全体を電流経路として有効活用できているためと考えられる。
ソースパッドSEは例えば、四角形であって、接続部12B1および接続部12B2の配列方向(図9ではY方向)と交差する方向(図9ではX方向)に沿って延びた辺SEs1、および辺SEs1の反対に位置し、X方向に延びた辺SEs2を有している。この場合、オン抵抗を低減させる観点からは、以下の態様が好ましい。すなわち、接続部12B1から辺SEs1までの距離D1は、接続部12B1と接続部12B2との距離(離間距離)D2よりも短く、かつ、接続部12B2から辺SEs2までの距離D3は、接続部12B1と接続部12B2との距離D2よりも短い。この場合、複数の接続部12Bを結ぶ領域RB1の面積を広くすることができるので、オン抵抗を低減させることができる。
上記した検討結果を踏まえ、図7に示すワイヤ12SとソースパッドSEとの接続構造を以下に説明する。半導体装置PKG1が備えるソースパッドSEは、リード30Sよりも下方に位置している。また、半導体装置PKG1の場合、ワイヤ12の接続部12B1および接続部12B2のそれぞれは、ソースパッドSE上に接合された導電性部材50を構成するリボン(帯状導電性部材)53)に接合されている。導電性部材50の総厚(あるいは、導電性部材50を構成する各リボン51~53の厚さ)により、リード30のリード接合部30Wと、ワイヤ12Sの接続部12B2との高低差を小さくすることができる。このため、後述するリード接合工程において、ワイヤ12Sを順ボンド方式で接続した場合でも、リード30とボンダとの干渉を防止することができる。また、ワイヤ12SをソースパッドSEに接合させる工程では、逆ボンド方式を採用することによりリード30とワイヤ12S用のボンダとの干渉を防止できるので、リード30の近傍にワイヤ12Sを配置することができる。この結果、図9に示すように、平面視において、複数の接続部12Bを結んだ領域RB1の面積を大きくすることができるので、オン抵抗を低減させることができる。
図7では、導電性部材50は、導電性を備え、かつ、ソースパッドSE上に積層されたリボン(帯状導電性部材)51、リボン(帯状導電性部材)52、およびリボン(帯状導電性部材)53から成る。ただし、導電性部材50を構成するリボンの枚数および厚さには種々の変形例がある。例えば、1枚のリボン51でリード接合工程におけるボンダとリードとの干渉を回避できる場合には、1枚のリボン51でワイヤ12Sが構成される場合がある。また、リード30のリード接合部30WとソースパッドSEとの高低差によっては、導電性部材50が、2枚のリボンから構成される場合、あるいは、4枚以上のリボンから構成される場合がある。
<半導体装置の製造方法>
次に、図1~図10を用いて説明した半導体装置PKG1の製造工程について説明する。半導体装置PKG1は、図11に示すフローに沿って製造される。図11は、図1~図10を用いて説明した半導体装置の製造工程の概要を示す説明図である。以下の説明では、半導体装置PKG1の構成部品の説明に際し、必要に応じて既に説明した図1~図10を参照して説明する場合がある。
<半導体チップ準備工程>
図11に示す半導体チップ準備工程では、図5および図6を用いて説明した半導体チップ10を準備する。図2等を用いて既に説明した通り、半導体チップ10は、MOSFET(図1および図2に示すトランジスタQ1)、およびMOSFETのソース(図2に示すソース領域SR)と電気的に接続されたソースパッドSEを有している。
本工程で準備する半導体チップ10は、絶縁膜13(図7および図9参照)および絶縁膜13から一部分が露出するソースパッド(電極)SEが形成された表面10tを有している。ソースパッドSEは、絶縁膜13に形成された開口部13H1(図9参照)において絶縁膜13から露出する接合面SEt1(図9参照)と、絶縁膜13に形成された開口部13H2(図9参照)において絶縁膜13から露出する接合面SEt2(図9参照)と、を有している。
また、図5に示すように、半導体チップ10の表面10tには、ゲートパッド(電極)GEが形成されている。ゲートパッドGEは、絶縁膜13(図7参照)に形成された開口部(後述する図13の開口部13H3)において、絶縁膜から露出する接合面(後述する図13の接合面GEt)を有している。また、半導体チップ10は、図6に示すように、表面10tの反対側にある裏面10bを有している。半導体チップ10の裏面10bには、ドレインD(図1参照)と電気的に接続されるドレイン電極(電極)DEが形成されている。図6に示す例では、半導体チップ10の裏面10b全体が、ドレイン電極DEになっている。
半導体チップ10は、例えば以下のように製造される。例えばn型単結晶シリコンから成る半導体基板WH(図2参照)の主面WHt(図2参照)上に、n型のエピタキシャル層EPが形成された半導体ウエハ(図示は省略)を準備して、エピタキシャル層EP上に複数のトランジスタQ1を形成する。半導体ウエハには多数のチップ領域が含まれており、複数のチップ領域の夫々に対して複数のトランジスタQ1が形成される。また、トランジスタQ1上にソースパッドSEおよびゲートパッドGEを形成する。ソースパッドSEは、複数のソース領域SRに接続され、ゲートパッドGEは、複数のゲート(ゲート電極)Gに接続される。次に、ソースパッドSEおよびゲートパッドGEの全体を覆うように絶縁膜13(図7参照)を形成する。その後、絶縁膜13に開口部13H1(図9参照)、13H2(図9参照)、およびゲートパッド用開口部(後述する図13の開口部13H3)を形成し、ソースパッドSEの一部分(接合面SEt1、SEt2)およびゲートパッドGEの一部分(後述する図13の接合面GEt)を絶縁膜13から露出させる。その後、回路に対する電気的試験など、必要な試験(ウエハテスト)を行った後、ウエハを複数の半導体チップ10に分割する。なお、図6に示すドレイン電極DEとして、裏面10bに金属膜が形成される場合には、ドレイン電極DEとして利用される金属膜は、半導体ウエハを準備する工程から半導体ウエハを分割する工程の間の任意のタイミングで形成される。ドレイン電極DEとして金属膜を用いない場合には、この工程は省略できる。
<リードフレーム準備工程>
また、図11に示すリードフレーム準備工程では、図12に示すリードフレームLFを準備する。また、図12は、図11に示すリードフレーム準備工程で準備するリードフレームの一部を示す拡大平面図である。
図12に示すように、本工程で準備するリードフレームLFは、枠部(フレーム部)LFfに接続されるデバイス形成部LFdを備えている。一つのデバイス形成部LFdは、図5に示す一つの半導体装置PKG1に相当する。図12では、1個分のデバイス形成部LFdを図示しているが、リードフレームLFは、枠部LFfを介して連結される複数のデバイス形成部LFdを備えている。このように、複数のデバイス形成部LFdを備えるリードフレームLFを用いることで、複数の半導体装置PKG1(図旧3参照)を一括して製造することができるので、製造効率を向上させることができる。
リードフレームLFは、例えば銅(Cu)を主成分とする金属材料から成る。また、複数のデバイス形成部LFdのそれぞれは、枠部LFfに接続されている。枠部LFfは、図11に示すリード分離工程までの間、デバイス形成部LFd内に形成された各部材を支持する支持部である。なお、本実施の形態の場合、例えば、リード30の厚さ(上面30tから下面30bまでの距離)は0.4mm~0.6mm程度であり、ダイパッド20の厚さ(上面20tから下面20bまでの距離)は、0.5mm~1.3mm程度である。
また、図12に示すようにデバイス形成部LFdには、ダイパッド20および複数のリード30が形成されている。ダイパッド20は複数のリード30のうち、吊りリードとして機能するリード30Dを介して枠部LFfと連結され、枠部LFfに支持されている。また、ダイパッド20は、チップ搭載面である上面20tを備えている。
また、複数のリード30は、それぞれ枠部LFfに連結され、枠部LFfに支持されている。複数のリード30のそれぞれは、Y方向に沿って延び、X方向において互いに隣り合うように並んで配列されている。複数のリード30のそれぞれは、タイバーLFtを介して互いに連結されている。
複数のリード30にはソース用のリードである複数のリード30Sが含まれている。複数のリード30Sのそれぞれは、X方向において互いに隣り合って並ぶように配列され、リード接合部30Wに連結されている。また、複数のリード30には、ゲート用のリードであるリード30Gが含まれている。リード30Gのダイパッド20側の先端部分には、リード接合部30Wが設けられている。また、複数のリード30には、ドレイン用のリードであるリード30Dが含まれている。リード30Dは、X方向においてリード30Gとリード30Sの間に配置され、Y方向においてダイパッド20側の先端はダイパッド20に連結されている。
本実施の形態ではダイパッド20の上面20tは、リード30のリード接合部30Wの上面30tとは異なる高さに配置されている。ダイパッド20を支持する吊りリードとしてのリード30D、およびダイパッド20と枠部LFfとを接続する部分には曲げ加工が施され、ダイパッド20はオフセットされている。本実施の形態では、ダイパッド20は、リードフレームLFの他の部材に対してダウンセットされている。このため、図6に示すように、ダイパッド20の上面20tはリード30Sの上面30tより下方に配置されている。言い換えれば、吊りリードであるリード30Dは、断面視においてダイパッド20がリード30Sよりも下方に位置するように、折り曲げ加工が施された曲げ加工部30BDを有している。このようにダイパッド20をダウンセットすることにより、図6に示すようにダイパッド20の下面20bが封止体40から露出する。
<半導体チップ搭載工程>
次に、図11に示す半導体チップ搭載工程では、図13に示すように、リードフレームLFのダイパッド20に半導体チップ10を搭載する。図13は、図12に示すダイパッド上に半導体チップを搭載した状態を示す拡大平面図である。
本工程では、ダイパッド20の上面20tにダイボンド材11を介して半導体チップ10を搭載(接着固定)する。また、半導体チップ10はドレイン電極DE(図6参照)が形成された裏面10b(図6参照)が、ダイパッド20のチップ搭載面である上面20tと対向するように、ダイボンド材11を介して接着固定される。これにより、半導体チップ10のドレイン電極DEは、導電性の接続材料であるダイボンド材11を介してダイパッド20と電気的に接続される。
本工程では、ダイパッド20の上面20t上にダイボンド材11を塗布した後、ダイボンド材11上に半導体チップ10を配置する。そして、ダイボンド材を硬化させることで半導体チップ10とダイパッド20とを固定する。
ダイボンド材11は例えば、半田材料を用いる場合がある。あるいは、ダイボンド材11は、複数の銀(Ag)粒子(Agフィラ)を含有する所謂、銀(Ag)ペーストと呼ばれる導電性の樹脂接着材である場合がある。ダイボンド材11が半田材料である場合、ダイボンド材を硬化させる方法としてリフロー処理を行う。また、ダイボンド材11が導電性の樹脂接着材である場合、ダイボンド材11に含まれる熱硬化性樹脂成分を加熱して硬化させる。
<パッド上導電性部材接合工程>
次に、図11に示すパッド上導電性部材接合工程では、図14は、図13に示す半導体チップのソースパッド上に導電性部材を接合した状態を示す拡大平面図である。上記したように、断面視においてソースパッドSEはリード30(詳しくはソース用のリード30S)よりも下方に位置している。本実施の形態の場合、リード30と半導体チップ10のソースパッドSEとの高低差を低減させるため、ソースパッドSE上にワイヤ12Sを接合する工程を含んでいる。以下、ワイヤ12Sを接合する工程の詳細について説明する。なお、上記したように、本実施の形態では、ワイヤ12Sとして帯状導電性部材であるリボン51、リボン52、およびリボン53を接合する実施態様を取り上げて説明するが、帯状導電性部材の積層数には種々の変形例がある。
図15~図26は、図11に示すパッド上導電性部材接合工程において、ウェッジボンダを用いて導電性部材を接合する状態を工程ごとに示す拡大断面図である。本工程では、図15~図26に示すボンダ(ウェッジボンダ)70を用いて接合工程を実施する。図14に示す例のように、ソースパッドSEの接合面として接合面SEt1および接合面SEt2の2箇所が存在する場合には、以下で説明するプロセスを接合面SEt1および接合面SEt2のそれぞれに対して行う。以下の説明では、代表的に接合面SEt1上にワイヤ12Sを接合する工程を取り上げて説明する。
ボンダ70は、ワイヤ12Sを切断可能なカッタ71と、ワイヤ12Sを供給可能なガイド72と、ガイド72の隣に位置し、かつ、ワイヤ12Sをプレスすることが可能なウェッジツール73と、を備えている。なお、図15~図26に示す例では、カッタ71は、ガイド72とウェッジツール73との間に配置されている。ただし、変形例として、ウェッジツール73がガイド72とカッタ71との間に配置される場合がある。
ガイド72は、ワイヤ12Sの原料である帯状の金属部材を連続的に供給することが可能なツールである。図26に示すリボン51、リボン52、およびリボン53のそれぞれは、ガイド72の先端から順次繰り出され、ガイド72の動作に応じてソースパッドSE上に配置される。
ウェッジツール73は、その先端を接合物(本実施の形態の場合はワイヤ12S)に押し付けて、さらに超音波を接合物に印加することにより、接合物と被接合物とを接合させるツールである。
本実施の形態のパッド上導電性部材接合工程において、リード30Sと遠い位置からボンディングを開始した場合には、リード30とガイド72との干渉が発生し得る。リード30Sから遠い位置からボンディングを開始した場合、ボンダ70をリード30Sに向かって動作させる必要があるので、接合部とリード30Sとの距離が近すぎるとガイド72とリード30Sとが衝突してしまうからである。
そこで、本実施の形態では、ワイヤ12Sは、逆ボンド方式により接合される。本実施の形態のパッド上導電性部材接合工程は、図18に示すようにソースパッドSEにリボン51を接合する工程と、図22に示すようにリボン51上にリボン52を接合する工程と、図26に示すようにリボン52上にリボン53を接合する工程と、を含んでいる。以下、最下層に配置されるリボン51を接合する工程から順に説明する。
リボン51を接合する工程は、図15に示すように、ワイヤ12Sのうちのリボン51の部分51AをソースパッドSEのパッド接合部SEAに接合する工程を含んでいる。また、リボン51を接合する工程は、図17に示すようにリボン51の部分51Aを接合した後、リボン51の部分51Bを、ソースパッドSEのパッド接合部SEAよりもリード30Sから遠くに位置するソースパッドSEのパッド接合部SEBに接合する工程を含んでいる。また、リボン51を接合する工程は、部分51Aを接合する工程の後、かつ、部分51Bを接合する工程の前に、図16に示すようにボンダ70をパッド接合部SEA上からパッド接合部SEB上に移動させる工程を含んでいる。また、リボン51を接合する工程は、リボン51の部分51BをソースパッドSEに接合した後、図18に示すように、リボン51の部分51Cをカッタ71により切断し、部分51Aおよび部分51Bを含むリボン51をガイド72から切り離す工程を有している。
図15に示す部分51Aを接合する工程では、パッド接合部SEAとウェッジツール73の先端面との間にリボン51の部分51Aを挟んだ状態でウェッジツール73を押し付ける。この時、ウェッジツールからリボン51に対して荷重および超音波を印加することにより、部分51Aをパッド接合部SEAに接合する。また、この時、ウェッジツール73から超音波を印加することにより、リボン51の部分51AとソースパッドSEとを接合させ易くなる。
図16に示すボンダ70をパッド接合部SEA上からパッド接合部SEB上に移動させる工程では、ウェッジツール73を部分51Aの上方に引き上げた後、あるいは部分51Aの上方に引き上げながらパッド接合部SEB上に移動させる。この時、リボン51上にリボン52(図22参照)を接合する際に安定的に接合させる観点からは、図18に示す部分51Aと部分51Bとの間に形成されるループの高さはできる限り低い方が好ましい。
図17に示す部分51Bを接合する工程では、図15を用いて説明した部分51Aを接合する方法と同様の方法で、部分51Aをパッド接合部SEAに熱圧着する。
図18に示すリボン51を切断する工程では、ウェッジツール73の位置をリボン51の部分51Bよりも部分51Aから遠くなる方向に移動させた状態でリボン51を切断している。この場合、後述する図22に示す部分52Bの位置を図18に示す部分51Bよりもリード30Sから遠い位置に配置し易い点で好ましい。これにより、図22に示す距離D52を図18に示す距離D51よりも長くすることができる。詳細は後述するが、部分51Aと部分51Bとの間にループが形成された場合、図22に示す距離D52を図18に示す距離D51よりも長くすることにより接合を安定させることができる。
ただし、変形例として、図17に示すように部分51Bを接合した後、ウェッジツール73を移動させることなく、リボン51を切断する場合がある。この場合、図18に示す例と比較して、距離D51を長くすることができる。例えば、本実施の形態に対する変形例として、リボン51のみをワイヤ12Sとする場合には、リボン51を切断した後、図11に示すリード接合工程に移行する。この場合には、部分51Bを接合した後、ウェッジツール73を移動させずにカットする方法を適用した方が、オン抵抗を低減させる観点から有効である。
本実施の形態のように、相対的にリード30Sに近いパッド接合部SEAに先にボンディングを行う場合、ボンダ70のガイド72がボンダ70のウェッジツール73よりもリード30Sから遠くに位置するように、ボンダ70が配置される。この場合、最初に接合されるリボン51の部分51Aからリード30Sまでの距離が短い場合でも、ガイド72とリード30Sの干渉は発生しない。したがって、本実施の形態によれば、リボン51の部分51Aとリード30Sとの距離を近づけることができる。言い換えれば、本実施の形態によれば、図9に示す距離D3を短くすることができる。
本実施の形態では、リボン51を切断した後、図19~図22に示すようにリボン51上にリボン52を接合する。リボン52を接合する工程は、以下の各工程を含んでいる。まず、図18に示すようにリボン51を切断した後、図19に示すように、ワイヤ12Sのうちのリボン52の部分52Aを、リボン51のリボン接合部51Dに接合する工程を有している。また、リボン52を接合する工程は、部分52Aを接合した後、リボン52の部分52Bを、リボン51のリボン接合部51Dよりもリード30Sから遠くに位置するリボン51のリボン接合部51Eに接合する工程を有している。また、リボン52を接合する工程は、部分52Aを接合する工程の後、かつ、部分52Bを接合する工程の前に、ボンダ70をリボン接合部51D上からリボン接合部51E上に移動させる工程を含んでいる。また、リボン52を接合する工程は、部分52Bを接合した後、図22に示すように、リボン52の部分52Cをカッタにより切断し、部分52Aおよび部分52Bを含むリボン52をガイド72から切り離す工程を含んでいる。
図19に示す部分52Aを接合する工程では、図15を用いて説明した部分51AをソースパッドSEのパッド接合部SEAに接合する工程と同様の方法で、リボン52の部分52Aをリボン51のリボン接合部51Dに熱圧着する。この時、ウェッジツール73から超音波を印加する場合、図19に示すように、リボン52の部分52Aの位置は、リボン51の部分51Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていることが好ましい。言い換えれば、部分52Aを接合する工程において、リボン接合部51Dは、リボン51の部分51Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていることが好ましい。超音波を印加することにより接合を行う場合、図18に示す部分51Aと部分51Bとの間のループ部にリボン52が接合されることを回避することが好ましい。リボン51のうち、部分51Aと部分51Bとの間のループ部以外の部分にリボン52を接合することにより、超音波による接合を安定させることができる。
図20に示すボンダ70をリボン接合部51D上からリボン接合部51E上に移動させる工程は、図16を用いて説明した工程と同様なので、重複する説明は省略する。図22に示す部分52Aと部分52Bとの間に形成されるループ部のループ高さを低くすることが好ましい点、およびその対策についても既に説明した通りである。
図21に示す部分52Bを接合する工程では、図15を用いて説明した部分51Aを接合する方法と同様の方法で、部分51Aをパッド接合部SEAに熱圧着する。この時、ウェッジツール73から超音波を印加する場合、図21に示すように、リボン52の部分52Bの位置は、リボン51の部分51Bよりもリード30Sから遠い位置に配置されていることが好ましい。言い換えれば、部分52Bを接合する工程において、リボン接合部51Eは、リボン51の部分51Bよりもリード30Sから遠い位置に配置されていることが好ましい。上記したように、図18に示す部分51Aと部分51Bとの間のループ部にリボン52が接合されることを回避することで、超音波による接合を安定させるためである。
図22に示すリボン52を切断する工程では、ウェッジツール73の位置をリボン52の部分52Bよりも部分52Aから遠くなる方向に移動させた状態でリボン52を切断している。この場合、後述する図26に示す部分53Bの位置を図22に示す部分52Bよりもリード30Sから遠い位置に配置し易い点で好ましい。これにより、図26に示す距離D53を図22に示す距離D52よりも長くすることができる。
ただし、変形例として、図21に示すように部分51Bを接合した後、ウェッジツール73を移動させることなく、リボン52を切断する場合がある。この場合、図22に示す例と比較して、距離D52を長くすることができる。例えば、本実施の形態に対する変形例として、リボン51およびリボン52のみをワイヤ12Sとする場合には、リボン52を切断した後、図11に示すリード接合工程に移行する。この場合には、部分52Bを接合した後、ウェッジツール73を移動させずにカットする方法を適用した方が、オン抵抗を低減させる観点から有効である。
本実施の形態では、リボン52を切断した後、図23~図26に示すようにリボン52上にリボン53を接合する。リボン53を接合する工程は、以下の各工程を含んでいる。まず、図22に示すようにリボン52を切断した後、図23に示すように、ワイヤ12Sのうちのリボン53の部分53Aを、リボン52のリボン接合部52Dに接合する工程を有している。また、リボン53を接合する工程は、部分53Aを接合した後、リボン53の部分53Bを、リボン52のリボン接合部52Dよりもリード30Sから遠くに位置するリボン52のリボン接合部52Eに接合する工程を有している。また、リボン53を接合する工程は、部分53Aを接合する工程の後、かつ、部分53Bを接合する工程の前に、ボンダ70をリボン接合部52D上からリボン接合部52E上に移動させる工程を含んでいる。また、リボン53を接合する工程は、部分53Bを接合した後、図26に示すように、リボン53の部分53Cをカッタにより切断し、部分53Aおよび部分53Bを含むリボン53をガイド72から切り離す工程を含んでいる。
図23に示す部分53Aを接合する工程では、図15を用いて説明した部分52AをソースパッドSEのパッド接合部SEAに接合する工程と同様の方法で、リボン53の部分53Aをリボン52のリボン接合部52Dに熱圧着する。この時、ウェッジツール73から超音波を印加する場合、図23に示すように、リボン53の部分53Aの位置は、リボン52の部分52Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていることが好ましい。言い換えれば、部分53Aを接合する工程において、リボン接合部52Dは、リボン52の部分52Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていることが好ましい。超音波を印加することにより接合を行う場合、図18に示す部分52Aと部分52Bとの間のループ部にリボン53が接合されることを回避することが好ましい。リボン52のうち、部分52Aと部分52Bとの間のループ部以外の部分にリボン53を接合することにより、超音波による接合を安定させることができる。
図24に示すボンダ70をリボン接合部52D上からリボン接合部52E上に移動させる工程は、図16を用いて説明した工程と同様なので、重複する説明は省略する。図26に示す部分53Aと部分53Bとの間に形成されるループ部のループ高さを低くすることが好ましい点、およびその対策についても既に説明した通りである。
図25に示す部分53Bを接合する工程では、図15を用いて説明した部分52Aを接合する方法と同様の方法で、部分52Aをパッド接合部SEAに熱圧着する。この時、ウェッジツール73から超音波を印加する場合、図25に示すように、リボン53の部分53Bの位置は、リボン52の部分52Bよりもリード30Sから遠い位置に配置されていることが好ましい。言い換えれば、部分53Bを接合する工程において、リボン接合部52Eは、リボン52の部分52Bよりもリード30Sから遠い位置に配置されていることが好ましい。上記と同様に、図22に示す部分52Aと部分52Bとの間のループ部にリボン53が接合されることを回避することで、超音波による接合を安定させるためである。
図26に示すリボン53を切断する工程では、図25に示すように部分52Bを接合した後、ウェッジツール73を移動させることなく、リボン53を切断する。この場合、図26に示す距離D53を長くすることができる。本実施の形態の例では、図26に示す部分53Aと部分53Bとの距離(離間距離)D53は、図22に示す部分52Aと部分52Bとの距離(離間距離)D52よりも長い。また、図22に示す部分52Aと部分52Bとの距離(離間距離)D52は、図18に示す部分51Aと部分51Bとの距離(離間距離)D51よりの長い。これにより、上層に配置されるリボンの接合部分が下層のリボンのループ部に重なることを回避し易くなる。
ただし、変形例として、図25に示すように部分52Bを接合した後、図18や図22を用いて説明した例と同様に、ウェッジツール73の位置をリボン53の部分53Bよりも部分53Aから遠くなる方向に移動させた状態でリボン53を切断する場合もある。例えば、リボン53上にさらにワイヤ12Sとしての図示しないリボンを積層する場合には、ループ部へのボンディングを回避する観点からこの変形例が有効である。
<リード接合工程>
次に、図11に示すリード接合工程では、図27に示すように、半導体チップ10のソースパッドSEと複数のリード30Sとを、ワイヤ12Sおよびワイヤ(導電性部材)12Sを介して電気的に接続する。また、本工程では、半導体チップ10のゲートパッドGEとリード30Gとを、ワイヤ(導電性部材)12Gを介して電気的に接続する。図27は、図14に示す半導体チップとリードとを、ワイヤを介して電気的に接続した状態を示す拡大平面図である。
図27に示すように、本工程では、半導体チップ10のゲートパッドGEとリード30Gとをワイヤ12Sを介さず、かつ、ワイヤ12Gを介して電気的に接続する。また、本工程では、半導体チップ10のソースパッドSEとリード30Sとを、ワイヤ12Sおよびワイヤ12Sを介して電気的に接続する。ゲートパッドGEを含む伝送経路は、ソースパッドSEを含む伝送経路と比較して伝送経路の抵抗値が半導体装置の性能(特にオン抵抗を低減させる観点での性能)に与える影響が小さい。このため、ゲートパッドGE上にはワイヤ12Sが接合されず、ゲートパッドGEにワイヤ12Gが直接的に接合される。
一方、ソースパッドSEを含む伝送経路は、上記したように、オン抵抗を低減させる観点からワイヤ12Sは、ワイヤ12Sに接合される。詳しくは、ソースパッドSEに接合されたワイヤ12Sにワイヤ12Sの接続部(部分)12B1および接続部(部分)12B2を接合し、リード30Sのリード接合部30Wの上面(接合面)30tにワイヤ12Sの接続部12B3を接合する。また、ソースパッドSEの他の一部分である接合面SEt2(図7参照)にワイヤ12S(図7参照)の接続部12B1および接続部12B2を接合し、リード30Sのリード接合部30Wの上面(接合面)30tにワイヤ12Sの接続部12B3を接合する。以下、図27~図31を用いてリード接合工程のうち、ソースパッドSEとソース用のリード30Sとを電気的に接続する工程について説明する。
図28~図31は、図11に示すリード接合工程において、ウェッジボンダを用いて導電性部材(本実施の形態ではワイヤ)をパッド上の導電性部材に接合する状態を工程ごとに示す拡大断面図である。本工程では、図28~図31に示すボンダ(ウェッジボンダ)80を用いてリード接合工程を実施する。本実施の形態の場合、図27に示すように6本のワイヤ12Sがワイヤ12Sに接合される。以下では、6本のワイヤ12Sのうちの1本を代表的に取り上げて説明する。
ボンダ80は、導電性部材であるワイヤ12Sを切断可能なカッタ81と、ワイヤ12Sを供給可能なガイド82と、ガイド82の隣に位置し、かつ、ワイヤ12Sをプレスすることが可能なウェッジツール83と、を備えている。なお、図28~図31に示す例では、ボンダ80とボンダ70とは以下の点で図15~図26を用いて説明したボンダ70と構造が異なる。ウェッジツール83は、カッタ81とガイド82との間に配置されている。また、ボンダ80のウェッジツール83の先端面(ワイヤを押圧する面)の面積は、図15に示すボンダ70のウェッジツール73の先端面(リボン51を押圧する面)の面積よりも小さい。このため、ボンダ80は全体としてボンダ70よりも小型になっている。ただし、変形例として、図15~図26を用いて説明したボンダ70を用いてリード接合工程を実施することもできる。
ガイド82は、ワイヤ12Sの原料である金属線を連続的に供給することが可能なツールである。図28に示すワイヤ12Sは、ガイド82の先端から順次繰り出され、ガイド82の動作に応じて導電性部材50の上面(本実施の形態の場合にはリボン53の上面)上に配置される。
ウェッジツール83は、その先端を接合物(本実施の形態の場合はワイヤ12S)に押し付けて、熱および超音波を接合物と被接合物(本実施の形態の場合は導電性部材
50)に伝達することにより、接合物と被接合物とを熱圧着させるツールである。
本実施の形態のリード接合工程の場合、ソースパッドSE上には、既に導電性部材50が接合されているので、導電性部材50の上面とリード30Sの上面との高低差が小さい。このため、ボンダ80、あるいはボンダ70を用いた場合でも、リード30Sとボンダのガイドとの干渉は発生し難い。したがって、本実施の形態のリード接合工程では、順ボンド方式を適用することもできるし、逆ボンド方式を適用することもできる。以下では、代表的に順ボンド方式を適用した場合について説明した後、変形例として逆ボンド方式を適用した場合について説明する。
リード接合工程は、図28に示すように、ワイヤ12Sの接続部12B1をリボン53のリボン接合部53Eに接合する工程を含んでいる。また、リード接合工程は、図29に示すようにワイヤ12Sの接続部12B1を接合した後、ワイヤ12Sの接続部12B2を、リボン53のリボン接合部53Eよりもリード30Sの近くに位置するリボン53のリボン接合部53Dに接合する工程を含んでいる。また、図示は省略するが、リード接合工程は、接続部12B1を接合する工程の後、かつ、接続部12B2を接合する工程の前に、ボンダ80をリボン接合部53E上からリボン接合部53D上に移動させる工程を含んでいる。また、リード接合工程は、図30に示すようにワイヤ12Sの接続部12B2を接合した後、ワイヤ12Sの接続部12B3を、リード30Sのリード接合部30Wに接合する工程を含んでいる。また、図示は省略するが、リード接合工程は、接続部12B2を接合する工程の後、かつ、接続部12B3を接合する工程の前に、ボンダ80をリボン接合部53D上からリード接合部30W上に移動させる工程を含んでいる。さらに、リード接合工程は、ワイヤ12Sの接続部12B3をリード接合部30Wに接合した後、図31に示すように、ワイヤ12Sの部分12Cをカッタ81により切断し、接続部12B1、接続部12B2および接続部12B3を含むワイヤ12Sをガイド82から切り離す工程を有している。
図28に示す接続部12B1を接合する工程では、リボン53のリボン接合部53Eとウェッジツール83の先端面との間にワイヤ12Sの接続部12B1を挟んだ状態でウェッジツール83を押し付ける。この時、ウェッジツールからワイヤ12Sに対して圧力および熱を印加することにより、接続部12B1をリボン接合部53Eに熱圧着する。また、この時、ウェッジツール83から超音波を印加することにより、ワイヤ12Sの接続部12B1とソースパッドSEとを接合させ易くなる。
ウェッジツール83から超音波を印加する場合、図28に示すように、ワイヤ12Sの接続部12B1の位置は、リボン53の部分53Bよりもリード30Sから遠い位置配置されていることが好ましい。言い換えれば、ワイヤ12Sの接続部12B1を接合する工程において、リボン接合部53Eは、リボン52の部分52Bよりもリード30Sから遠い位置に配置されていることが好ましい。超音波を印加することにより接合を行う場合、図26に示す部分53Aと部分53Bとの間のループ部にワイヤ12Sが接合されることを回避することが好ましい。リボン53のうち、部分53Aと部分53Bとの間のループ部以外の部分にリボン53を接合することにより、超音波による接合を安定させることができる。
ただし、本実施の形態のように、ウェッジツール83の先端面の面積が図26に示すウェッジツール73の先端面の面積よりも小さい場合、仮に、リボン53の部分53Bの中心とワイヤ12Sの接続部12B1の中心とが重なっていた場合でもループ部へのボンディングを回避することができる。
次に、ボンダ80をリボン接合部53E上からリボン接合部53D上に移動させる工程では、ウェッジツール83を接続部12B1の上方に引き上げた後、あるいは接続部12B1の上方に引き上げながらリボン接合部53D上に移動させる。ワイヤ12Sの場合、ワイヤ12S上に更に導電性部材が積層されるわけではない。このため、リード接合工程では、図31に示す接続部12B1と接続部12B2との間に形成されるループの高さは特に問われない。本実施の形態の例では、図31に示す接続部12B1と接続部12B2との間に形成されるループの高さは、図18に示す部分51Aと部分51Bとの間のループ高さよりも高い。
次に、図29に示す接続部12B2を接合する工程では、図28を用いて説明した接続部12B1を接合する方法と同様の方法で、接続部12B1をリボン接合部53Dに熱圧着する。
ウェッジツール83から超音波を印加する場合、ワイヤ12Sの接続部12B2の位置は、リボン53の部分53Aよりもリード30Sに近い位置配置されていることが好ましい。言い換えれば、ワイヤ12Sの接続部12B2を接合する工程において、リボン接合部53Dは、リボン52の部分52Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていることが好ましい。これにより、リボン53のうち、部分53Aと部分53Bとの間のループ部以外の部分にリボン53を接合できるので、超音波による接合を安定させることができる。ただし、図29に示すように、リボン53の部分53Aと部分53Bとの間のループ部と、ワイヤ12の接続部12B2とが重なっていない場合には、リボン52の部分52Aよりもリード30Sに近い位置に配置されていなくても超音波による接合を安定化させることができる。
本実施の形態のワイヤ12Sの接続部12B2を接合する工程では、リボン53の上面とリード30Sの上面との高低差が小さいので、リード30Sとワイヤ12Sの接続部12B2との距離が近かったとしても、図29に示すようにガイド82とリード30Sとの干渉を回避することができる。言い換えれば、本実施の形態によれば、リード30Sの近くにワイヤ12Sの接続部12B2を接合することができる。この結果、上記したオン抵抗を低減させることが可能となる。
次に、ボンダ80をリボン接合部53D上からリード接合部30W上に移動させる工程では、ウェッジツール83を接続部12B2の上方に引き上げた後、あるいは接続部12B2の上方に引き上げながらリボン接合部53D上に移動させる。
図30に示すワイヤ12Sの接続部12B3をリード接合部30Wに接合する工程、および図31に示すワイヤ12Sを切断する工程は、少なくとも、図30に示すステージ85によりワイヤ30Sの下面を固定し、かつ、クランパ86のワイヤ12Sの上面を固定した状態で実施する。クランパ86の位置は、ガイド82との干渉を回避可能な範囲において、出来る限りリード30Sの先端面(導電性部材50と対向する面)に近い位置に配置することが好ましい。なお、本実施の形態の場合、リード接合工程の全体(すなわち、図28に示す接続部12B1を接合する工程から)が、ステージ85上にリードフレームLF(図27参照)が配置され、かつ、リード30Sの一部がクランパ86により抑えられた状態で実施される。
ワイヤ12Sの接続部12B3をリード接合部30Wに接合する工程では、図28を用いて説明した接続部12B1を接合する方法と同様の方法で、接続部12B1をリード接合部30Wに熱圧着する。本工程でもウェッジツール83からワイヤ12Sの接続部12B3に超音波を印加する場合もある。本工程では、ステージ85とクランパ86とによりリード30Sを挟んだ状態で実施することで、接合強度を安定化させることができる。
図31に示すワイヤ12Sを切断する工程では、ウェッジツール83の位置をワイヤ12Sの接続部12B3よりも接続部12B1から遠くなる方向に移動させた状態でワイヤ12Sを切断している。ボンダ80を用いる場合には、図31に示すように、ボンダ80を移動させる必要がある。一方、図18に示すボンダ70と同様の構造のボンダを用いる場合には、図30に示す接続部12B3をリード接合部30Wに接合した後、ボンダを移動させることなく切断することもできる。
なお、図28~図31では、導電性部材50にワイヤ12Sを接合する工程を取り上げて説明したが、本実施の形態では、図28に示すワイヤ12Gは、図28に示すボンダ80を利用して接続されている。ワイヤ12Gを用いたウェッジボンディング方法の場合、図28に示す工程を省略できるが、図28~図31を用いて説明したウェッジボンディング方法と同様なので、重複する説明は省略する。ただし、ワイヤ12Gは、ゲートパッドGEに一箇所が接合されていれば良いので、ウェッジボンディング方法に変えて、ボールボンディング方法を利用する場合がある。ボールボンディング方法の場合、ワイヤの先端を熱溶融させてボール部を形成し、ボール部をゲートパッドGEに熱圧着することにより接合される。
本実施の形態のように、順ボンド方式でリード接合工程を実施する場合には、図31に示すように、リード30S上でワイヤ12Sを切断する。一方、変形例として後述するように、逆ボンド方式でワイヤ12Sを接合する場合には、ワイヤ12Sを導電性部材50上で切断することになる。ワイヤ12Sの強度によってはワイヤ12Sを切断する際に印加する荷重により、被接合部に傷が残る場合がある。特に、リボン51、リボン52、およびリボン53の材料であるアルミニウムより硬度が高い銅または銅合金から成るワイヤをワイヤ12Sとして用いる場合、切断時に強い荷重が必要になる。本実施の形態の場合、銅または銅合金から成るリード30S上でワイヤ12Sを切断するので、仮に銅または銅合金から成るワイヤ12Sを用いたとしても、被接合部(本実施の形態の場合にはリード30S)の損傷を抑制できる。また、導電性部材50上ではワイヤ12Sの切断は実施されないので導電性部材50の損傷も防止できる。
<封止工程>
次に、図11に示す封止工程では、図27に示す、半導体チップ10、ダイパッド20の一部、導電性部材30、複数のリード30のそれぞれの一部分、および複数のワイヤ12を絶縁樹脂で封止し、図32に示す封止体40を形成する。図32は、図27に示す半導体チップおよびワイヤを封止する封止体を形成した状態を示す拡大平面図である。
本工程では、例えば、図示しない成形金型内にリードフレームLFを配置した状態で、所謂トランスファモールド方式により封止体40を形成する。本工程では、図4および図6に示すように、ダイパッド20の下面20bが露出するように、半導体チップ10(図6参照)、導電性部材50(図6参照)およびワイヤ12(図6参照)を樹脂で封止する。
なお、図示は省略するが、本実施の形態に対する変形例として、ダイパッド20の下面20bが封止体40から露出しない場合がある。また、別の変形例としてダイパッド20の一部分のみが封止体40から露出し、他の部分が封止体40に封止されている場合がある。
図32に示すように、リードフレームLFにおいて、複数のリード30を連結するタイバーLFtは、後述する個片化工程で切断されるので、封止体40は、タイバーLFtが露出するように形成される。
封止体40が成形された後、封止体40に含まれる熱硬化性樹脂の一部が硬化するまで加熱される(仮硬化と呼ぶ)。この仮硬化によりリードフレームLFを成形金型から取り出すことが可能になったら、リードフレームLFを成形金型から取り出す。そして、加熱炉に搬送してさらに加熱処理(キュアベイク)を行う。これにより、熱硬化性樹脂の残部が硬化して、図32に示す封止体40が得られる。
また、封止体40は、絶縁性の樹脂を主体として構成されるが、例えば、シリカ(二酸化珪素;SiO)粒子などのフィラ粒子を熱硬化性樹脂に混合することで、封止体40の機能(例えば、反り変形に対する耐性)を向上させることができる。
<めっき工程>
次に、図11に示すめっき工程では、リードフレームLFを図示しないめっき溶液に浸し、封止体40から露出した金属部分(アウタ部)の表面に金属膜(図6に示す金属膜22および金属膜32)を形成する。
本工程では、電解めっき法により、樹脂から露出した金属部材の表面に、例えば半田からなる金属膜22、32(図6)を形成する。図示は省略するが、電解めっき法では、被めっき加工物であるリードフレームLF(図32参照)を、めっき液が入っためっき槽内に配置する。このとき、被加工物をめっき槽内のカソードに接続する。例えば、リードフレームLFの枠部LFf(図32参照)をカソードと電気的に接続する。そして、このカソードと、同じくめっき槽内に配置されたアノードとの間に例えば直流電圧をかけることによって、リードフレームLFの枠部LFfと接続された金属部材の露出面に金属膜22、32を形成する。本実施の形態では所謂、電解めっき法により金属膜22、32を形成する。
本実施の形態の金属膜22、32は、上記したように、鉛(Pb)を実質的に含まない、所謂、鉛フリー半田からなり、例えば錫(Sn)のみ、錫-ビスマス(Sn-Bi)、または錫-銅-銀(Sn-Cu-Ag)などである。このため、本めっき工程で使用するめっき液は、例えばSn2+、あるいはBi3+などの金属塩が含まれる、電解めっき液である。なお、以下の説明では、鉛フリー半田めっきの例としてSn-Biの合金化金属めっきについて説明するが、ビスマス(Bi)を銅(Cu)や銀(Ag)などの金属に置き換える、あるいは、ビスマス(Bi)だけでなく銅(Cu)や銀(Ag)を加えた電解めっき液に置き換えることができる。
本実施の形態では、図32に示すダイパッド20(図28参照)が、リード30を介して枠部LFfと電気的に接続された状態で、めっき工程を行う。リードフレームLFをめっき液に浸した状態で、アノードとカソードの間に電圧をかけると、カソードに接続されたリード30およびダイパッド20と、アノードとの間は、めっき液を介して通電する。この時、めっき液中のSn2+、およびBi3+が所定の割合でリード30およびダイパッド20のうちの封止体40からの露出面に析出し、図6に示す金属膜22、32が形成される。
<個片化工程>
次に、図11に示す個片化工程では、図33に示すように、半導体装置PKG1(図3参照)に相当する組立体PKG0をリードフレームLFの枠部LFfおよびタイバーLFtから分離して、個片化する。図33は、図11に示す個片化工程で、複数のデバイス形成部のそれぞれを分離した状態を示す拡大平面図である。
本工程では、ダイパッド20に連結されている枠部LFfを切断し、枠部LFfを介して連結された複数のダイパッド20をそれぞれ分割する。また、本工程では、タイバーLFtを切断し、かつ、複数のリード30と枠部LFfとの境界を切断することで、複数のリード30のそれぞれを分離させる。
タイバーLFt、枠部LFf、およびリード30の切断方法には、切断治具を被切断箇所に押し付けることによりせん断する、加工方法(プレス加工)を用いることができる。本工程は、めっき工程の後に行うので、本工程で切断されることにより新たに形成された側面は、めっき膜(図6に示す金属膜22、32)から露出している。
本工程の後、外観検査、電気的試験など、必要な検査、試験を行い、合格したものが、図3に示す完成品の半導体装置PKG1となる。そして、半導体装置PKG1は出荷され、あるいは図示しない実装基板に実装される。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態や上記実施の形態内で説明した変形例のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。以下では、代表的な変形例について説明する。
<変形例1>
まず、変形例1として、図28~図31を用いて説明したリード接合工程を、逆ボンド方式で実施する方法について説明する。図34~図37は、図28~図31に対する変形例を示す拡大断面図である。
本工程では、図34~図37に示すボンダ(ウェッジボンダ)90を用いてリード接合工程を実施する。本実施の形態の場合、図27に示すように6本のワイヤ12Sがワイヤ12Sに接合される。以下では、6本のワイヤ12Sのうちの1本を代表的に取り上げて説明する。
ボンダ90は、以下の点を除き、図15~図26を用いて説明したボンダ70と同様な構造を備えている。カッタ91は、ウェッジツール93とガイド92との間に配置されている。また、ボンダ90のウェッジツール93の先端面(ワイヤを押圧する面)の面積は、図15に示すボンダ70のウェッジツール73の先端面(リボン51を押圧する面)の面積よりも小さい。このため、ボンダ90は全体としてボンダ70よりも小型になっている。ただし、変形例として、図15~図26を用いて説明したボンダ70、あるいは、図28~図31を用いて説明したボンダ80を用いてリード接合工程を実施することもできる。
以下で説明するように、本変形例は、逆ボンド方式によりワイヤ12Sをリード30Sおよび導電性部材50に接合する点で、図28~図31を用いて説明した実施態様と相違する。本変形の場合、リード30Sのリード接合部30Wに最初にワイヤ12Sを接合するので、図31を用いて説明した実施態様のようにクランパ86とボンダ80のガイド82との干渉の懸念がない。このため、図30と図36を比較して判るように、ワイヤ12Sの部分12B3をリード12Sに接合する際に、クランパ86を、部分12B3の近傍に配置することができる。このように、接合箇所の近傍をクランパ86で抑えることができるので、本変形例の場合、ワイヤ12Sとリード12Sとの接合状態を安定させることができる。以下、本変形例の詳細について説明する。
リード接合工程は、図34に示すように、ワイヤ12Sの接続部12B3をリード30Sのリード接合部30Wに接合する工程を含んでいる。また、リード接合工程は、図35に示すように、ワイヤ12Sの接続部12B3を接合した後、ワイヤ12Sの接続部12B2を、リボン53のリボン接合部53Dに接合する工程を含んでいる。また、図示は省略するが、リード接合工程は、接続部12B3を接合する工程の後、かつ、接続部12B2を接合する工程の前に、ボンダ90をリード接合部30W上からリボン接合部53D上に移動させる工程を含んでいる。また、リード接合工程は、図36に示すようにワイヤ12Sの接続部12B2を接合した後、ワイヤ12Sの接続部12B2を、リボン53のリボン接合部53Eに接合する工程を含んでいる。また、図示は省略するが、リード接合工程は、接続部12B2を接合する工程の後、かつ、接続部12B1を接合する工程の前に、ボンダ90をリボン接合部53D上からリボン接合部53E上に移動させる工程を含んでいる。さらに、リード接合工程は、ワイヤ12Sの接続部12B1をリボン接合部53Eに接合した後、図37に示すように、ワイヤ12Sの部分12Cをカッタ91により切断し、接続部12B1、接続部12B2および接続部12B3を含むワイヤ12Sをガイド92から切り離す工程を有している。
本変形例は、接合する順序が異なっている点、およびクランパ86の位置が異なっている点を除き、ワイヤの接合方法は、図28~図30を用いて説明したワイヤボンディング方法と同様なので、重複する説明は省略する。
<変形例2>
図38は、図5に対する変形例を示す拡大平面図である。図39は図38のC-C線に沿った拡大断面図である。図38および図39に示す半導体装置PKG2は、導電性部材50とリード30Sとを電気的に接続するための導電性部材が、リボン(帯状導電性部材)14である点で図5に示す半導体装置PKG1と相違する。
リボン14は、帯状の導電性部材であって、例えばアルミニウムから成る。より具体的には、ワイヤ12の場合、半導体チップのパッドまたはリードとの接合部以外の部分の断面形状が円形状であるが、半導体チップのパッドまたはリードとの接合部の断面形状は楕円形状(または帯状)である。一方、リボン14の場合は、半導体チップのパッドまたはリードとの接合部だけでなく、半導体チップのパッドまたはリードとの接合部以外の部分についても、その断面形状が帯状である。また、リボン14の幅(または断面積)は、ワイヤ12の幅(または断面積)よりも太い(大きい)。図5に示すワイヤ12をリボン14に置き換えた場合でも、上記したリード接合工程と同様に製造することができる。リード接合では、リボン接合用のウェッジボンダを使用することになるが、幅の広いリボン14を接合するため、カッタ、ガイド、およびウェッジツールのそれぞれが図38に示すX方向に幅が広くなっている点を除き、図28~図31に示すボンダ80または図34~図37に示すボンダ90と同様なので重複する説明は省略する。
図5および図6に示すワイヤ12Sを図38および図9に示すリボン14に置き換えた場合、以下の点が相違する。
まず、リボン14はワイヤ12Sと比較して幅が広いので、延在方向を屈曲させることが難しい。このため、リード接合部30Wの位置に対応して屈曲させる必要がある場合にはワイヤ12が好ましい。
一方、リボン14はワイヤ12と比較して幅が広いので、導電性部材50との接合面積が大きい。接合面積が大きくなることは、オン抵抗を低減させる観点から好ましい。
<変形例3>
図40は、図5に対する他の変形例を示す拡大平面図である。図41は図40のD-D線に沿った拡大断面図である。図40および図41に示す半導体装置PKG3は、Y方向において、互いに離間して配置された導電性部材50Aおよび導電性部材50BのそれぞれがソースパッドSEに接合されている点で図5に示す半導体装置PKG1と相違する。図41に示すように、導電性部材50Aと導電性部材50Bとの間には絶縁膜13が形成され、ソースパッドSEは絶縁膜13により覆われている。導電性部材50Aおよび導電性部材50Bのそれぞれは、リボン51、リボン52、およびリボン53から成る。この点は、図6に示す導電性部材50と同様である。
図6に示すソースパッドSEと封止体40との剥離を抑制する観点からは、ソースおパッドSEの露出面積を低減させることが好ましい。本変形例のように、ワイヤ12Sが接合される部分に選択的に導電性部材50Aおよび導電性部材50Bが配置され、導電性部材50Aと導電性部材50Bとの間において、ソースパッドSEの一部分が絶縁膜13に覆われている場合、図5に示す半導体装置PKG1と比較してソースパッドSEの露出面積を低減させることができる点で好ましい。
本変形例の場合、上記したパッド上導電性部材接合工程において、導電性部材50Bの一部であるリボン51を接合した後、かつ、導電性部材50Aの一部であるリボン51を接合する前に、リボン51を切断する工程が必要になる。したがって、製造工程の効率化という観点からは、図5に示す半導体装置PKG1や図38に示す半導体装置PKG2の製造方法の方が製造工程数を低減できる点で好ましい。
なお、さらなる変形例として、図4に示す半導体装置PKG1の構成において、上記した図38に示す半導体装置PKG2と同様に、ワイヤ12Sをリボン14に置き換える場合もある。
導電性部材50とリード30Sとを電気的に接続するための導電性部材が、リボン14である点で図5に示す半導体装置PKG1と相違する。
<変形例4>
また、図示は省略するが、図5に対する他の変形例として、複数のワイヤ12Sのそれぞれが、三箇所以上で一つの導電性部材50に接合されている場合がある。この場合、ワイヤ12Sと導電性部材50の接合面積が増えるので、ワイヤ12Sおよび導電性部材50を介する導電経路のインピーダンスを低減できる。
<変形例5>
また、例えば、上記の通り種々の変形例について説明したが、上記で説明した各変形例同士を組み合わせて適用することができる。また、各変形例の一部分を抽出して組み合わせても良い。
10 半導体チップ
10b 裏面(面、主面、下面)
10s 側面(面)
10t 表面(面、主面、上面)
11 ダイボンド材(接着材)
12、12G、12S ワイヤ(金属ワイヤ、導電性部材、金属線)
12B1,12B2,12B3 接続部(部分、接合部、ステッチ部)
12L1,12L2 ループ部(延在部)
13 絶縁膜(保護膜)
13H1,13H2,13H3,13H4 開口部
13R1,13R2 領域
14,51,52,53 リボン(帯状導電性部材)
20 ダイパッド(金属板、チップ搭載部、放熱板)
20b 下面(面、主面、裏面、露出面、実装面)
20s,20s1,20s2 側面
20t 上面(面、主面、表面、チップ搭載面)
21 基材
22,32 金属膜(めっき膜)
30,30D,30G,30S リード(端子)
30b 下面(面)
30M インナ部(インナリード部、被封止部)
30s 側面
30t 上面(面、ワイヤボンディング面)
30W リード接合部((リードポスト、パッド、ボンディングパッド、接合部)
30X アウタ部(アウタリード部、露出部)
31 基材
40 封止体(樹脂封止体、樹脂体、モールド樹脂)
40b 下面(実装面)
40s 側面
40t 上面
50,50A,50B 導電性部材(リボン積層体)
51A,51B,52A,52B,53A,53B 部分(接続部)
51D,51E,52D,52E,53D,53E リボン接合部
70,80,90 ボンダ(ウェッジボンダ)
71,81,91 カッタ
72,82,92 ガイド
73,83,93 ウェッジツール
85 ステージ
86 クランパ
CH チャネル形成領域
D ドレイン
D1,D2,D3,D51,D52,D53 距離(離間距離)
DE ドレイン電極(電極)
EP エピタキシャル層
G ゲート(ゲート電極)
GE ゲートパッド(電極、ゲート電極)
GEt,SEt1,SEt2 接合面(露出面、接合部)
GI ゲート絶縁膜
GW 配線(ゲート配線)
LF リードフレーム
LFd デバイス形成部
LFf 枠部(フレーム部)
LFt タイバー
PKG0 組立体
PKG1,PKG2,PKG3 半導体装置
Q1 トランジスタ
S ソース(ソース電極)
SE,SE1 ソースパッド(電極、ソース電極パッド)
SEA,SEB パッド接合部
SEs1,SEs2 辺
SR ソース領域
SW 配線(ソース配線)
TR1 トレンチ(開口部、溝)
WH 半導体基板

Claims (16)

  1. 以下の工程を含む半導体装置の製造方法:
    (a)ダイパッド、および前記ダイパッドから離間した第1リードを有するリードフレームを準備する工程、
    ここで、
    前記ダイパッドは、第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有し、
    (b)前記(a)工程の後、MOSFET、および前記MOSFETのソースと電気的に接続されたソースパッドを有する半導体チップを、前記ダイパッドの前記第1面上に搭載する工程;
    (c)前記(b)工程の後、第1ボンダを用いて、第1導電性部材を、断面視において前記第1リードよりも下方に位置する前記ソースパッドに接合する工程;
    (d)前記(c)工程の後、第2ボンダを用いて、第2導電性部材を前記第1導電性部材および前記第1リードに接合する工程;
    (e)前記(d)工程の後、前記半導体チップ、前記第1導電性部材および前記第2導電性部材を樹脂で封止する工程、
    ここで、
    前記第1ボンダは、
    前記第1導電性部材を切断可能なカッタと、
    前記第1導電性部材を供給可能なガイドと、
    前記カッタの隣に位置し、かつ、前記第1導電性部材をプレスすることが可能なウェッジツールと、
    を備え、
    前記(c)工程では、前記第1ボンダの前記ガイドが前記第1ボンダの前記ウェッジツールよりも前記第1リードから遠くに位置するように、前記第1ボンダを配置し、
    前記(c)工程は、
    (c1)前記第1導電性部材の第1部分を前記ソースパッドの第1パッド接合部に接合する工程;
    (c2)前記(c1)工程の後、前記第1導電性部材の第2部分を、前記ソースパッドの前記第1パッド接合部よりも前記第1リードから遠くに位置する前記ソースパッドの第2パッド接合部に接合する工程;
    を有する。
  2. 請求項1において、
    前記第1導電性部材は、前記ソースパッド上に積層された複数のリボンから成り、
    前記(c)工程は、
    (c1)前記第1導電性部材のうちの第1リボンの前記第1部分を前記ソースパッドの前記第1パッド接合部に接合する工程;
    (c2)前記(c1)工程の後、前記第1リボンの前記第2部分を、前記ソースパッドの前記第1パッド接合部よりも前記第1リードから遠くに位置する前記ソースパッドの前記第2パッド接合部に接合する工程;
    (c3)前記(c2)工程の後、前記第1リボンの第3部分を前記カッタにより切断し、前記第1部分および前記第2部分を含む前記第1リボンを前記ガイドから切り離す工程;
    (c4)前記(c3)工程の後、前記第1導電性部材のうちの第2リボンの第4部分を、前記第1リボンの第1リボン接合部に接合する工程;
    (c5)前記(c4)工程の後、前記第2リボンの第5部分を、前記第1リボンの前記第1リボン接合部よりも前記第1リードから遠くに位置する前記第1リボンの第2リボン接合部に接合する工程;
    (c6)前記(c5)工程の後、前記第2リボンの第6部分を前記カッタにより切断し、前記第4部分および前記第5部分を含む前記第2リボンを前記ガイドから切り離す工程;
    を有する、半導体装置の製造方法。
  3. 請求項2において、
    前記(c)工程は、
    (c7)前記(c6)工程の後、前記第1導電性部材のうちの第3リボンの第7部分を、前記第2リボンの第3リボン接合部に接合する工程;
    (c8)前記(c7)工程の後、前記第3リボンの第8部分を、前記第2リボンの前記第3リボン接合部よりも前記第1リードから遠くに位置する前記第2リボンの第4リボン接合部に接合する工程;
    (c9)前記(c8)工程の後、前記第3リボンの第9部分を前記カッタにより切断し、前記第7部分および前記第8部分を含む前記第3リボンを前記ガイドから切り離す工程;
    を更に有する、半導体装置の製造方法。
  4. 請求項2において、
    前記(c6)工程において、前記第2リボンの前記第4部分と前記第5部分との離間距離は、前記第1リボンの前記第1部分と前記第2部分との離間距離より長い、半導体装置の製造方法。
  5. 請求項3において、
    前記(c6)工程において、前記第2リボンの前記第4部分と前記第5部分との離間距離は、前記第1リボンの前記第1部分と前記第2部分との離間距離より長く、
    前記(c9)工程において、前記第3リボンの前記第7部分と前記第8部分との離間距離は、前記第2リボンの前記第4部分と前記第5部分との離間距離より長い、半導体装置の製造方法。
  6. 請求項2において、
    前記(c4)工程では、前記第1リボンの前記第1リボン接合部は、前記第1リボンの前記第1部分よりも前記第1リードに近い位置に配置されている、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項6において、
    前記(c6)工程では、前記第1リボンの前記第2リボン接合部は、前記第1リボンの前記第2部分よりも前記第1リードから遠い位置に配置されている、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項1において、
    前記(d)工程では、前記第2ボンダを用いて、第2導電性部材を前記第1導電性部材と接合した後、前記第2導電性部材を前記第1リードに接合する、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項8において、
    前記第2導電性部材は、銅または銅合金から成るワイヤである、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項1において、
    前記(d)工程では、前記第2ボンダを用いて、第2導電性部材を前記ソースリードと接合した後、前記第2導電性部材を前記第1導電性部材に接合する、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項1において、
    前記(d)工程は、
    (d1)前記第2導電性部材の第1接続部を前記第1導電性部材の一部分に接合する工程;
    (d2)前記(d1)工程の後、前記第2導電性部材の第2接続部を、前記第1導電性部材の前記一部分とは異なる他の部分に接合する工程;
    を含み、
    前記ソースパッドは例えば、前記第1接続部および前記第2接続部の配列方向に交差する第1方向に沿って延びた第1辺、および第1辺の反対に位置し、前記第1方向に延びた第2辺を有し、
    前記第1接続部から前記第1辺までの第1距離は、前記第1接続部と前記第2接続部との第2距離よりも短く、かつ、前記第2接続部から前記第2辺までの第3距離は、前記第2距離よりも短い、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項1において、
    前記リードフレームは、さらに、前記ダイパッドを支持し、かつ、断面視において前記ダイパッドが前記第1リードよりも下方に位置するように折り曲げ加工が施された第2リードを有している、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項1において、
    前記(e)工程を施すことにより形成される封止体は、上面と、前記上面とは反対側の下面と、前記上面と前記下面との間に位置する側面と、を有し、
    前記(e)工程では、前記第1リードが前記封止体の前記側面から露出し、かつ、前記ダイパッドの前記第2面が前記封止体の下面から露出するように、前記半導体チップ、前記第1導電性部材および前記第2導電性部材を前記樹脂で封止する、半導体装置の製造方法。
  14. 第1面、および前記第1面とは反対側の第2面を有するダイパッドと、
    前記ダイパッドから離間した第1リードと、
    表面、前記表面とは反対側の裏面、MOSFET、および前記表面に形成され、かつ、前記MOSFETのソースと電気的に接続されたソースパッドを有し、前記裏面が前記ダイパッドと対向するように前記ダイパッドの前記第1面上に搭載された半導体チップと、
    前記半導体チップの前記ソースパッドに接合された第1導電性部材と、
    前記第1導電性部材および前記第1リードのそれぞれに接合された第2導電性部材と、
    前記半導体チップ、前記第1導電性部材および前記第2導電性部材を封止する封止体と、
    を含み、
    断面視において、前記半導体チップの前記ソースパッドは、前記第1リードよりも下方に位置しており、
    前記半導体チップの前記ソースパッドは、前記第1導電性部材および前記第2導電性部材を介して、前記第1リードと電気的に接続されている、半導体装置。
  15. 請求項14において、
    前記第1導電性部材は、前記ソースパッド上に積層された複数のリボンから成り、
    前記半導体チップの前記ソースパッドに、前記複数のリボンのうちの第1リボンが接合されており、
    前記複数のリボンのうち、前記第1リボン上に位置する第2リボンに、前記第2導電性部材が接合されている、半導体装置。
  16. 請求項14において、
    前記第2導電性部材は、前記第1導電性部材の一部分に接合された第1接続部と、前記第1導電性部材の前記一部分とは異なる他の部分に接合された第2接続部と、を有する、半導体装置。
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