JP2576426B2 - 半導体装置のボンディング方法及びボンディング装置 - Google Patents

半導体装置のボンディング方法及びボンディング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置のボンディ
ング方法及びそのボンディング装置に係わり、特にフィ
ルムキャリア型半導体装置のインナーリードボンディン
グ(以下、ILB、と称す)の方法及びそのボンディン
グ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来フィルムキャリア型半導体装置は搬
送及び位置決め用のスプロケットホールと半導体チップ
が入るデバイスホールを有するポリイミドやポリエステ
ル、ガラスエポキシ等の絶縁フィルムをベースフィルム
とし、このベースフィルム上に接着材を介して銅等の金
属箔を接着し、この金属箔をエッチング等により所望の
形状のリード(インナーリードおよびアウターリード)
を形成し、インナーリードと半導体チップ上の金属突起
物状の電極であるバンプ電極とを熱圧着法又は共晶法に
よるILBにより接続し、フィルムキャリアテープの状
態で電気的選別やBT試験を実施し、次にアウターリー
ドを所望の長さに切断する。
【0003】このとき、リードの数が多い多数ピンの場
合はリードのアウターリードボンディング部の変形を防
止するためにフィルムキャリアテープを構成しているポ
リイミド等の絶縁フィルムをアウターリードの外端に残
す方法が用いられること多いい。ついで、例えばプリン
ト基板や一般リードフレーム上のボンディングパッドに
アウターリードボンディングを行なう。
【0004】このようなフィルムキャリア型半導体装置
はボンディング等の組立と電気的選別作業の自動化が容
易で、量産性が優れている等の利点を有している。
【0005】次に半導体チップのバンプ電極とフィルム
キャリアテープ上のインナーリードとの接続、すなわち
ILBの方法について説明する。
【0006】図7(A)は従来のフィルムキャリアテー
プの一例の上面図であり、図7(B)は図7(A)のA
−A部の断面図である。
【0007】半導体チップ1上に形成された多数のバン
プ電極2上にフィルムキャリアテープのインナーリード
3をそれぞれ位置合わせし、熱圧着治具であるボンディ
ングツール4を当接して熱と荷重を負荷して多数のバン
プ電極2と多数のインナーリード3とを同時に接続す
る。
【0008】このような方法はバンプ電極の数と無関係
に一度で同時に行なうため、熱と荷重が負荷されるボン
ディングツールは熱分布の均一性と荷重を均一に負荷す
る必要からインナーリードに接触する面は均一な面、つ
まり平坦度が要求され、半導体チップ上のバンプ電極は
その高さのバラツキを小さくすること、またフィルムキ
ャリアテープのインナーリードもその高さのバラツキを
小さくすることが要求される。
【0009】一方でICは高集積化、高機能化が進んで
そのICチップ、すなわち半導体チップの外形サイズが
大型化されており、これに伴ないバンプ電極数も例えば
300〜600個にのぼるものが開発されつつある。
【0010】このようなICのフィルムキャリア型半導
体装置を従来のILB方法で行なう場合には、多数のバ
ンプ電極とインナーリードとの接続もこの接続数にかか
わらず一度で同時に行なう方法であるため、1電極(1
接続点)当りの必要な荷重はほとんど同じで多数ピン化
に比例してボンディングツールに必要な荷重が大きくな
ってしまい、例えば1接続当り0.1kgとすると60
0ピンのICでは60kgも必要となる。
【0011】また接続に必要なボンディングツールの熱
分布は、半導体チップの外形サイズが10〜15mm□
(すなわち一辺が10〜15mmの平方形)と大型化さ
れても均一であることが必要とされ、その要求精度は±
5〜7℃である。
【0012】このようにICの高集積化、高機能化によ
るその半導体チップの大型化・多ピン化に伴って、熱圧
着時の荷重の増大、ボンディングツールの熱分布の均一
性の向上、ボンディングツールの平坦度の向上が必要と
なるため、以下の欠点が顕著化してくる。
【0013】すなわち、半導体チップのバンプ電極の製
造上の精度、特に厚さのバラツキおよびボンディングツ
ールやILB装置の精度が必要とされ、特に傾き又は平
坦度、平行度などの不備からILB時に数個から数十個
のバンプ電極のみに瞬時的に荷重や熱が集中して強大な
ストレスを受けてバンプ電極が隣りのバンプ電極と短絡
をおこしたり、シリコン基板または絶縁膜とバンプ電極
界面からバンプ電極が剥離をおこし下面側の接続強度の
低下やICそのものの破壊となる。
【0014】また一方では、ILB時の荷重や熱が不足
し、バンプ電極とインナーリードとの界面からの剥離が
発生し、これは上面側の接続強度の低下となる。この傾
向は半導体チップの大型化、多ピン化に伴なって顕著化
して、その信頼性を著しく低下させることになる。
【0015】このように多数のバンプ電極とインナーリ
ードとを同時に接続する方法では接続信頼性を低下させ
る問題があり、バンプ電極およびインナーリードの特に
厚さ方向の精度向上やボンディングツールおよびILB
装置の特に平行度に対する精度向上の対策は半導体チッ
プの大型化、多ピン化と共に困難となっている。
【0016】この問題に対して半導体チップ上に配設さ
れた複数個のバンプ電極とこのバンプ電極のそれぞれと
一対に対応する複数個のフィルムキャリアテープのイン
ナーリードとの接続を複数回に分割して熱圧着する方法
が開発されている。この方法をシングルポイントILB
と称している。
【0017】図8はシングルポイントILBを示す図で
あり、図8(A)は上面図、図8(B)は図8(A)の
B−B部の断面図である。
【0018】半導体チップ1上に形成された多数のバン
プ電極2上にフィルムキャリアテープのインナーリード
3をそれぞれ位置合わせしてから熱と荷重が負荷された
ボンディングツール41により、各バンプ電極2と各イ
ンナーリード3の一対ずつを順次繰り返し接続する。
【0019】このようなバンプ電極とインナーリードの
一組ずつのILB、すなわちシングルポイントILBの
方法では、ILB装置には複雑な機械的な機構が不要
で、これによりILB装置の小型化、低価格化が可能と
なる。また、半導体チップの外形寸法に対してボンディ
ングツールの外形寸法が非常に小さくなる。例えば半導
体チップの外形寸法が15mm□でもボンディングツー
ルの先端外形寸法は0.1mm□となり、このためにボ
ンディングツールの先端部の熱分布は±1℃以内に納ま
り、またボンディングツールに負荷される荷重も100
gから数100gですむようになる。さらにボンディン
グツールと半導体チップ上のバンプ電極との平行度も容
易に調整することができる。
【0020】しかしながらこのように熱と荷重のみに依
存する方法では、高温、高荷重を必要とするから、下地
の絶縁膜あるいはその下のシリコン基板にクラックが発
生する危険を有する。
【0021】このために超音波振動を付加することによ
り比較的低温、低荷重で接続する方法が開発されてい
る。
【0022】図9は超音波振動によるシングルポイント
ILB方法を行なう従来のボンディング装置の概略図で
ある。同図において、シングルポイントILB用ボンデ
ィング装置本体5に超音波振動部11と結合したホーン
7を有するボンディングヘッド6が載置され、ホーン7
がY方向に超音波振動するようになっている。またデバ
イスホール9が配列されたフィルムキャリアテープ8が
リール10からリール10′に順次搬送される。
【0023】図10の上面図および図11の断面図を参
照して、ホーン7の先端部下に位置したデバイスホール
9内に載置された半導体チップ1の各電極(バンプ電極
あるいはボンディングパッド)2とインナーリード3の
先端部とが、ホーン7に取り付けられ超音波振動が印加
されたボンディングツール42により順次接続される。
接続においてヒータ台座16上の半導体チップ1は例え
ば150℃と低温加熱されており、またボンディングツ
ール42により例えば30gの低荷重が印加される。
【0024】そしてすべての電極のボンディングの際
に、半導体チップ1の端辺と垂直もしくは平行のY方向
14に例えば60kHzの超音波振動が印加される。す
なわち半導体チップ1はフィルムキャリアテープが搬送
されるの長尺方向のX方向に直線状に延在する端辺10
1,103と短尺方向のY方向に直線状に延在する端辺
102,104により囲まれた四辺平面形状であり、超
音波の振動方向14は端辺101,103と垂直で端辺
102,104と平行である。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】図12は図10のボン
ディング中の状態を示す図であり、(A)は図10のA
−A′部の拡大断面図、(B)は図10のB−B′部の
拡大断面図である。
【0026】ホーン7に取り付けられたボンディングツ
ール42はホーン7が延在する方向のY方向(方向1
4)にのみに超音波振動する。
【0027】したがってインナーリード3がY方向に延
在する図12(A)に示す箇所においてはインナーリー
ド3の長手方向に超音波が印加され、インナーリード3
がX方向に延在する図12(B)に示す箇所においては
インナーリード3の幅方向に超音波が印加される。
【0028】このような超音波ボンディング方法ではボ
ンディングに必要な熱と荷重を低く設定することが可能
であるが、インナーリードがX方向に延在する図12
(B)に示す箇所においては、電極2に対してインナー
リード3の位置ずれが起こり易くILB不良が発生する
確率が大きくなるという欠点がある。
【0029】その理由は、X方向のインナーリード中心
に対してわずかに(例えば±10μm程度)ボンディン
グツールの先端位置がズレた場合、インナーリードが電
極に完全に密着する前に超音波方向14に移動してしま
うからである。
【0030】最近、半導体チップ1の外形サイズが大型
化になり、これに伴ない半導体チップの電極2の数も例
えば200〜600個さらには700〜1000個にの
ぼるものが開発されつつあるが、このような多数ピンに
なるとインナーリードの幅が狭くなるので上記X方向の
インナーリードの位置ずれがさらに発生しやすくなり、
その接続信頼性を低下させる問題が顕著化してくる。
【0031】本発明の目的は、電極に対するインナーリ
ードの位置ずれによるILB不良が電極の配列方向に起
因して発生することが無い半導体装置のボンディング方
法及びそのボンディング装置を提供することである。
【0032】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、平面形
状が4辺形の半導体チップの直線状の端辺に平行に配列
された多数の電極、すなわち多数のバンプ電極あるいは
多数のボンディングパッドのそれぞれにインナーリード
をボンディングツールにより逐次接続する半導体装置の
ボンディング方法において、前記ボンディングツールに
前記端辺に対して斜め方向に振動を与えながら前記電極
と前記インナーリードとを接続し、かつ、前記電極が前
記端辺に平行な第1および第2の配列に分布した千鳥配
列となっており、第1および第2の配列にそれぞれに属
しかつたがいに近くに位置する一対の電極とそれぞれの
インナーリードとを同時に接続する半導体装置のボンデ
ィング方法にある。この場合は前記ボンディングツール
の先端部に前記一対の電極に対応する一対の突起が形成
されていることが好ましい。
【0033】本発明の他の特徴は、半導体チップの直線
状の端辺に平行に配列されて該半導体チップに形成され
た電極にインナーリードを押しつけるボンディングツー
ルを具備する半導体装置のボンディング装置において、
前記ボンディングツールは前記端辺に対して斜め方向に
超音波振動し、かつ、前記ボンディングツールの先端部
に一対の電極に対応する一対の突起が形成されて一対の
電極とそれぞれのインナーリードを同時に接合できるよ
うにした半導体装置のボンディング装置にある。
【0034】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を説明する。
【0035】図1および図2は本発明に関係のある技術
説明する図であり、図1はボンディング装置を示す概
略図、図2はボンディング方法を示す上面図である。
【0036】図1において、シングルポイントILB用
ボンディング装置本体5に超音波振動部11に結合した
ホーン7を具備したボンディングヘッド6が載置されて
いる。圧電振動子(水晶など)や電歪振動子(BaTi
3 など)が設けられた超音波振動部11によりホーン
7に例えば60kHzの超音波振動をその延在方向にあ
たえる。
【0037】またデバイスホール9が配列されたフィル
ムキャリアテープ8がリール10からリール10′にX
方向を順次搬送される。
【0038】ホーン7の先端部下に位置したデバイスホ
ール9内に載置された半導体チップ1の各電極(半導体
チップ内のICに接続されたバンプ電極やボンディング
パッド)2とインナーリード3の先端部とが、ホーン7
の先端部に取り付けられ超音波振動がホーンを通して超
音波振動部から印加されたボンディングツール42によ
り順次接続される。接続においてヒータ台座(図1,2
では図示省略)上の半導体チップ1は例えば150℃と
低温加熱されており、またボンディングツール42によ
り例えば30gの低荷重が印加される。
【0039】図1、図2において、フィルムキャリアテ
ープ8が搬送される方向(X方向)に対してボンディン
ッド6が角度θ1 傾斜して載置されホーン7が角度
θ1傾斜して延在しているから、超音波が角度θ1 方向
に傾斜して振動する。
【0040】図2を参照して、半導体チップ1はフィル
ムキャリアテープが搬送される長尺方向のX方向に直線
状に延在する端辺101,103と短尺方向のY方向に
直線状に延在する端辺102,104により囲まれた四
辺平面形状であり、各端辺に平行にそってたとえば10
0μm□(すなわち一辺が100μmの平方形)の電極
2が配列されている。したがってホーン7の先端部に取
り付けられたボンディングツール42により角度θ1
斜した方向14に60kHzの超音波振動が印加されて
150℃の低温加熱、30gの低加重によりこれらの電
極2とその上のインナーリ−3とが接続される。
【0041】この半導体チップ1上に配設された電極2
とそれぞれ一対に対応するインナーリード3をボンディ
ング装置内に設けられた機械的な位置出し機構やパター
ンマッチング等の認識機構により位置合わせし、ボンデ
ィングツール42により電極2とインナーリード3とを
順次接続する。
【0042】図2に示すように半導体チップ1上に配設
されている電極2が各端辺101〜104に単列状の場
合、ボンディングツール42をホーン7とともに回転さ
せる等のことは不要で任意の電極2とインナーリード3
の対のILBによる接続を全て完了する。
【0043】ボンディングツール42はILB中はイン
ナーリード3の上面に接触し、ボンディングツール42
に印加される超音波振動、加重およびヒーター台座(図
1,2では図示省略)からの熱によりILBが行われる
が、ホーン7の傾斜θ1 が約45度であるときには、図
2に示すように、全てのインナーリ−ド3と電極2との
対において超音波振動の方向14は約45度となる。
【0044】これによりX方向およびY方向にそれぞれ
延在するインナーリードにはX方向、Y方向にかかわら
ず同じ方向の超音波振動が印加され同じ接続条件とな
る。
【0045】以上説明したように半導体チップ上の電極
とインナーリードとのボンディング方法、つまりILB
の方法において、半導体チップの各端辺に対して45°
の斜めに超音波振動を与えて電極とインナーリードとを
接合することにより、従来の問題点であるX方向のイン
ナーリードとY方向のインナーリードとによりリードの
位置ずれ具合が異なり特に超音波振動が幅方向に印加さ
れるリード位置ずれが発生するという不都合な現象を防
止し、信頼性の低下および製造歩留の低下を防止するこ
とが可能となる。
【0046】図3は本発明に関係のある他の技術を説明
するための上面図である。尚、図3において図1および
図2と同一もしくは類似の箇所は同じ符号を付けてある
から重複する説明は省略する。
【0047】図3では、ホーン7の延在方向θが45°
に限定しないある範囲θ2 〜θ3 、例えば30°〜60
°でもよいことを示している。すなわち従来のILBで
はX方向に延在するインナーリード3に対する超音波振
動の方向がθ=90°であったのに対し、このθが90
°よりも少さくなればなる程、X方向に延在するインナ
ーリードのILBにおけるリード位置ずれ発生率が少な
くなるからである。このことは図3に示すような平面形
状が正方形の半導体チップ1に限らず平面形状が長方形
の半導体チップ1においても同様である。
【0048】また図3において、配列を構成しかつ半導
体チップの角部近傍に位置する電極に接続されるインナ
ーリード31のように前記端辺に対して斜め方向に延在
している場合もあるが、図3に示す2本のインナーリー
ド31のようにその延在方向が例えば約45°のときは
インナーリード対して平行に超音波振動が印加されリー
ド位置ずれが発生しにくいので問題となることはない。
【0049】次に図4〜図6を参照して本発明の実施例
を説明する。図4は上面図、図5は図4のILBボンデ
ィング部12の拡大断面図、図6はボンディングツール
の側面図である。尚、図4〜図6において図1および図
2と同一もしくは類似の箇所は同じ符号を付けてあるか
ら重複する説明は省略する。
【0050】図4においてθ4 =θ5 =45°となるよ
うに配置し、図4の千鳥配置電極間距離D1 と図5のボ
ンディングツール42の先端部突起13間の距離D2
を等しく(D1 =D2 )するように配置する。
【0051】このように配置することにより、第1の実
施例で説明したようにヒータ台座16上のILBにおい
て、X方向、Y方向のインナーリードにかかわらず同一
方向の超音波振動が各インナーリードに印加されるので
位置ずれを防止できる。さらにこの実施例ではワンポイ
ントずつの接続(ILB)ではなく2個ずつの接続が可
能となるからILBの全体の作業時間が短縮される。例
えば、ワンポイントずつの接続に0.1秒必要である場
合に、2個ずつ接続することにより1個の接続は相対的
に半分の0.05秒で良いことになる。
【0052】すなわち例えば500リードの接続を要す
る多数ピンのICの半導体チップでは50秒必要であっ
た作業時間を25秒にすることが可能となり、ICのピ
ン数が多数になればなるほど作業性、生産性が向上した
半導体装置のボンディング方法となる。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体チ
ップのバンプ電極やボンディングパッドの電極にインナ
ーリードをダブルポイントボンディングツールで押し付
け、このボンディングツールで半導体チップの直線状の
端辺に対して斜め方向に超音波振動を与えて半導体チッ
プの電極とインナーリードとを接続する工程を有するボ
ンディング方法である。したがって、電極に対するイン
ナーリードのILBによる位置ずれを小さくすることが
可能となり、これにより接続信頼性の低下や製造歩留の
低下を防止することができる。
【0054】さらに本発明のILB方法は、ダブルポイ
ントボンディングツールを用いるからボンディング時間
を約半分に減少させることになり、生産性を大幅に向上
させることができるという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に関係のある技術におけるボンディング
装置を示す概略図である。
【図2】本発明に関係のある技術のボンディング方法を
示す上面図である。
【図3】本発明に関係のある他の技術のボンディング方
法を示す上面図である。
【図4】本発明の実施例のボンディング方法を示す上面
図である。
【図5】本発明の実施例のボンディング部を拡大して示
断面図である。
【図6】本発明の実施例のボンディングツールを示す側
面図である。
【図7】従来技術を示す図であり、(A)は上面図、
(B)は(A)のA−A部の断面図である。
【図8】他の従来技術を示す図であり、(A)は上面
図、(B)は(A)のB−B部の断面図である。
【図9】別の従来技術におけるボンディング装置を示す
概略図である。
【図10】別の従来技術のボンディング方法を示す上面
図である。
【図11】図10の断面を示す断面図である。
【図12】図10のボンディング中の状態を示す図であ
り、(A)は図10のA−A′部の一部を拡大した断面
図、(B)は図10のB−B′部の一部を拡大した断面
図である。
【符号の説明】
1 半導体チップ 2 電極(バンプ電極やボンディングパッド) 3,31 インナーリード 4,41,42 ボンディングツール 5 ILB用ボンディング装置本体 6 ボンディングヘッド 7 ホーン 8 フィルムキャリアテープ 9 デバイスホール 10,10′ リール 11 超音波振動部 12 ILB部 13 ボンディングツール先端部の突起 14 超音波振動の方向 15 ボンディングツールの先端部 16 ヒータ台座 101,102,103,104 半導体チップの端
辺 θ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 半導体チップの端辺に対す
るホーンの傾き θ5 半導体チップの端辺に対する千鳥配列電極の中
心間を結ぶ線の傾き D1 千鳥配列電極の中心間の距離 D2 ボンディングツールの先端部の一対の突起間の
距離

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平面形状が4辺形の半導体チップの直線
    状の端辺に平行に配列された多数の電極のそれぞれにイ
    ンナーリードをボンディングツールにより逐次接続する
    半導体装置のボンディング方法において、前記ボンディ
    ングツールに前記端辺に対して斜め方向に超音波振動を
    与えながら前記電極と前記インナーリードを接続し、か
    つ、前記電極は前記端辺に平行な第1および第2の配列
    に分布した千鳥配列となっており、第1および第2の配
    列にそれぞれに属しかつたがいに近くに位置する一対の
    電極とそれぞれのインナーリードとを同時に接続する
    とを特徴とする半導体装置のボンディング方法。
  2. 【請求項2】 前記ボンディングツールの先端部には前
    記一対の電極に対応する一対の突起が形成されているこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体装置のボンディン
    グ方法。
  3. 【請求項3】 半導体チップの直線状の端辺に平行に配
    列されて該半導体チップに形成された電極にインナーリ
    ードを押しつけるボンディングツールを具備する半導体
    装置のボンディング装置において、前記ボンディングツ
    ールは前記端辺に対して斜め方向に超音波振動し、か
    つ、前記ボンディングツールの先端部には一対の電極に
    対応する一対の突起が形成されていることを特徴とする
    半導体装置のボンディング装置。
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