JP3055511B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子(半導体
チップまたは半導体ペレットなど)等を搭載する半導体
装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図2は側面からみた従来のワイヤーボン
ディング工程と各工程位置でのブロックの温度或いは雰
囲気温度を示している。まず、トレー1からリードフレ
ーム3が搬送方向4で示されるように搬出され、ヒータ
ー8aにより温度調整されている予熱ブロック5の上で
リードフレーム3を予熱温度Tpまで加熱する。なお、
リードフレーム3には、図5に示されているように半導
体素子14(以下単にICチップという)が搭載されて
おり(図5において、リードフレームは符号15で示さ
れており、ボンディングワイヤーは符号16で示されて
いる)、ICチップもリードフレームと同様に温度Tp
まで加熱される。次にヒーター8bにより温度調整され
ているヒートブロック6の上までリードフレーム3の搬
送が行われ、リードフレームとICチップをボンディン
グ温度Tbまで加熱した後、ICチップ上の電極とリー
ドフレーム側の電極であるリードを電気的に接合するた
めのワイヤーボンディングが行われる。1枚のリードフ
レームには通常数個のICチップが搭載されており、リ
ードフレーム上の全ICチップのボンディング終了後、
リードフレームは収納トレー2に搬送されボンディング
工程は終了する。各位置での予熱ブロックとヒーターブ
ロック及び雰囲気の温度は図2で示されるようになって
おり、ボンディング後のICチップは雰囲気温度Taま
で自然冷却されることになる。このときリードフレーム
及びICチップの温度は図4に示すような履歴12を示
すことが、本発明者の評価により明らかになっており、
雰囲気温度Taが25℃、ボンディング温度Tbが20
0℃であるとき、該ボンディング温度Tbから雰囲気温
度Ta+5℃に達するまでの時間t0はICチップとリ
ードフレームの種類に依存するが約15秒〜30秒であ
り、(Ta+5−Tb)/t0であらわされる平均温度
勾配は約−6℃/秒〜−12℃/秒となっている。
【0003】また、最近はパッケージの熱抵抗低下を目
的とし銅合金製のリードフレーム等が用いられている
が、銅合金製リードフレームでは熱膨張率が大きく加熱
時のリードフレームの熱変化が大きいため、搬送時のト
ラブル防止を目的として乾燥空気や窒素等でボンディン
グ中やボンディング後のリードフレームの冷却が行われ
ている。その場合リードフレームに搭載されたICチッ
プは図4で示した温度履歴12よりもさらに急激な温度
降下を示すことになる。
【0004】このように温度勾配が激しいと、接合部に
生じる圧着ボールと電極の熱膨張差によって生じる熱応
力が電極の表層を構成するアルミニウム膜内で充分に緩
和されず、最悪の場合アルミニウム膜下のバリア層や層
間膜、あるいはシリコンで剥離やクラックが発生し、電
極にダメージが生じるという問題が生じるようになって
きている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】近年、ICチップの微
細加工技術が進み、同一規模の回路構成ではICチップ
の大きさは小さくなりつつあり、回路を構成する配線の
幅が細くなるに伴い、配線並びに電極を構成するアルミ
ニウム膜の厚さも薄くなりつつある。
【0006】一方、従来のワイヤーボンディング工程で
は図6(A),(B)で示されるように、アルミニウム
膜18a,18b上に圧着ボール17の接合が行われる
が、ICチップは前述のように自然冷却、或いは乾燥空
気等により強制冷却されているため、電極の接合部は図
4の温度履歴12で示されるような急冷状態となり21
a,21bに示されるような熱応力が圧着ボールとアル
ミニウム膜18a,18bの界面に生じる。ここで図6
(A)はアルミニウム膜厚が充分に厚い場合であり、図
6(B)はアルミニウム膜厚が薄い場合を示す。アルミ
ニウム膜厚が厚い場合は21aで示される応力は、アル
ミニウム膜内の塑性変形により十分緩和されるため、ア
ルミニウム膜とバリア層19との界面での熱応力22a
ならびにバリア層19と層間膜20の界面での熱応力2
3aは小さなものとなるが、アルミニウム膜厚が薄い場
合は21bの熱応力がアルミニウム膜内で充分に緩和さ
れないために、それぞれの界面での応力22b,23b
は22a,23aと比較して大きなものとなる。
【0007】このように電極の表層を構成するアルミニ
ウム膜が薄くなるにつれて、圧着ボールとアルミニウム
膜間で発生する熱応力が緩和されずに直接アルミニウム
膜下の層間膜やさらにその下のシリコン層に及ぶように
なってきている。そのため、従来技術でボンディングさ
れた最近のICチップにおいては層間膜の剥離やシリコ
ンにマイクロクラックが発生するなど、ボンディング後
の電極にダメージが入る現象が目につくようになってき
た。電極のダメージは、導電抵抗の増加やシリコンと端
子の間でリーク電流を引き起こすばかりでなく、これら
の不良が発生しない場合でも電極を構成する層間の接着
強度の低下を招くため、信頼性に大きな問題が残ること
になる。
【0008】本発明は以上の問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、熱応力による電極の破壊を生ずるこ
となくボンディングし、ボンディング後の電極を構成す
る層間の接着信頼性の向上を実現させることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、以上の
如き目的を達成するものとして、半導体素子及び該半導
体素子と外部との電気的接続のために用いられる部材を
含む半導体装置を製造する方法において、前記半導体素
子の電極と前記外部との電気的接続のために用いられる
部材とを加熱下でボンディングする工程と、該ボンディ
ング工程後に前記半導体素子を徐冷する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法、が提供され
る。半導体素子と外部との電気的接続のために用いられ
る部材としては、金属製リードフレーム(のリード)が
例示されるが、この部材は金属製のリードフレームに限
らず、例えばポリイミド樹脂に配線パターンを施したフ
ィルム状のものや、ICチップが搭載される配線基盤な
どであっても良い。また、この部材は、ボンディング工
程及び徐冷工程では最終的な半導体装置における形態と
必ずしも同一である必要はなく、徐冷工程後に適宜の整
形あるいは加工が施されて最終的な半導体装置となるも
のであってもよい。
【0010】本発明の一態様においては、前記徐冷工程
におけるボンディング温度から室温+5℃までの平均温
度勾配を−2.0℃/秒またはそれより緩やかにする。
【0011】本発明の一態様においては、前記ボンディ
ング工程に続いて前記徐冷工程を行う。本発明の一態様
においては、前記徐冷工程をヒータープレートを用いて
行う。
【0012】本発明の一態様においては、前記ボンディ
ング工程に続いて保温工程を行い、該保温工程に続いて
前記徐冷工程を行う。本発明の一態様においては、前記
保温工程をヒータープレートを用いて行う。本発明の一
態様においては、前記徐冷工程を収納手段内で行う。本
発明の一態様においては、前記徐冷工程をホットエアー
噴射を用いて行う。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照しながら説明する。
【0014】[第1の実施形態]本発明の第1の実施の
形態を図1に示す。トレー1より、ヒーター8aによっ
て温度調整された予熱ブロック5上にリードフレーム3
が矢印4で示される搬送方向に搬送され、雰囲気温度T
aと同じ温度であったリードフレームとリードフレーム
に搭載されたICチップは予熱温度Tpまで加熱され
る。なお予熱ブロックについてはリードフレームとIC
チップに予熱を与えるのが目的であるためリードフレー
ムに接触させても非接触でも構わない。その後ヒーター
8bによって温度調整されたヒーターブロック6上にリ
ードフレームの搬送が行われ、ボンディング温度Tbま
で加熱が行われた後、ICチップ上の電極とリードフレ
ーム側の電極であるリードとの間でワイヤーボンディン
グが行われる。
【0015】ボンディング終了後、ヒーターブロックと
収納トレー2の間に位置する徐冷ブロック(ヒータープ
レートからなる)7へリードフレームの搬送が行われる
ことになるが、通常ヒーターブロックはボンディング時
にはリードフレームに接触させており、搬送時にはリー
ドフレームとのクリアランスを得るために降下動作を行
う。このヒーターブロックの降下時にはリードフレーム
はヒーターブロックと非接触になり、ICチップの温度
降下が発生するので、ホットエアー10aをノズル9a
を用いてICチップ表面に噴射するなどして徐冷ブロッ
ク7へICチップが到達するまでの温度降下を防止する
ことが望ましい。また、ホットエアーの噴射のタイミン
グはボンディング後にのみ行う。あるいはホットエアー
でなくても温度低下を防止するためであれば赤外線等を
ICチップ表面に照射しても良い。
【0016】この後リードフレームとリードフレームに
搭載された複数のICチップはヒーター8c,8d,8
eでそれぞれ温度調整されている各徐冷ブロック7上に
順次搬送され、ICチップの徐冷が行われる。徐冷ブロ
ックは図1で示すように複数の徐冷ブロック上に温度差
を設けたものである。徐冷ブロックとリードフレームの
間隔については、接触させても、非接触としても本発明
の目的は達成できるが、リードフレームと徐冷ブロック
とは若干のクリアランスを設け、非接触とすることが徐
冷ブロック間の温度差に起因する温度変化をより緩やか
なものにするためにも望ましい。実際のICチップの温
度履歴はリードフレームの搬送タイミングとの組み合わ
せで決まり、例えばステップ状に搬送を行った場合、I
Cチップの図4で示されるような温度履歴13が決定さ
れる。また、その際電極のダメージ防止に効果のあるボ
ンディング温度から室温+5℃に至るまでの平均温度勾
配は−2.0℃/秒またはそれより緩やかにすることが
望ましいことが、表1に示すように本発明者らの評価に
より判明している。
【0017】
【表1】 このように徐冷ブロックで十分に徐冷が行われた後、リ
ードフレームは収納トレーに収納される。
【0018】なお、本実施の形態では徐冷ブロックの温
度勾配は8c〜8eに示されるような3本のヒーター等
を用いることで温度設定を行っており、また図1では徐
冷ブロックはヒーター毎に分割され3つからなるように
示されているが、ヒーターの本数と徐冷ブロックの数に
制限はなく、徐冷ブロック間の温度差を小さくするため
にさらに増やしても良い。また逆にヒーターや徐冷ブロ
ックは単一のものとし、徐冷ブロックの一部を冷却する
などして温度勾配を同一徐冷ブロック上に設定するよう
なものであっても当然良い。
【0019】また、本発明の目的はICチップの徐冷で
あるから、ICチップの徐冷と同時にリードフレームの
熱変形防止のためリードフレームの冷却を乾燥空気等で
行っても良く、本発明による効果を妨げるものではな
い。
【0020】なお、本実施の形態ではリードフレーム上
のICチップの徐冷について説明を行ったが、本発明の
主旨はICチップの徐冷であるから、金属製のリードフ
レームに限らず、例えばポリイミド樹脂に配線パターン
を施したフィルム状のものや、基盤上にICチップが搭
載されたようなものであっても同様の効果が得られる。
【0021】実施例1 以下、本発明の実施例を示して第1の実施の形態を更に
説明する。
【0022】室温25℃の環境下においてワイヤーボン
ディング前のリードフレームが収納されているトレーよ
り搬送方向の長さ150mm、幅50mm、厚さ125
μmである銅合金製のリードフレームとリードフレーム
にAgペーストを用いて搭載されたICチップ(5.0
0mm□、厚さ300μm)を幅50mm、搬送方向の
長さ50mmのステンレス製の予熱ブロック上に搬送す
る。予熱ブロック表面は内蔵されたセラミックヒーター
によりTp:100℃に温度調整されている。なお、リ
ードフレーム1枚当たりには3つのICチップが等間隔
で搭載されており、予熱、ボンディング、徐冷はステッ
プ状にICチップ毎に行われる。
【0023】予熱後、リードフレームは内蔵のセラミッ
クヒーターにより表面がTb:200℃に調整され、ス
テンレス製で長さ40mm、幅40mmであるヒーター
ブロック上に搬送され、線径30μmの金線を用いてI
Cチップ上の電極とリードを結合するワイヤーボンディ
ングが圧着ボール径:55μmで行われる。このとき1
つのICチップ当たりのワイヤー数は300であり、1
ICチップのボンディングが終了するまでの時間は2分
である。
【0024】ボンディング終了後、200℃に加熱され
たホットエアーをノズルよりICチップ表面に噴射し、
ボンディング済みのICチップ表面温度をボンディング
温度に保ったまま、3つのブロックから構成されるステ
ンレス製の徐冷ブロック上へとリードフレームの搬送が
1ICチップ分行われる。3つの各徐冷ブロックは搬送
方向の長さ50mm、幅20mmと形状は同一のもので
あり、ブロックの幅をリードフレームの幅より30mm
狭めることでICチップの徐冷のみを行い、リードフレ
ーム周辺部分の変形を防止するようになっている。
【0025】まず、190℃にブロック表面が加熱され
た第1の徐冷ブロック上にボンディング済みのICチッ
プが搬送されるが、0.3mmの間隙がリードフレーム
底面と徐冷ブロックの間に設けられているために、IC
チップの温度は緩やかな温度勾配をたどりながら170
℃程度まで降下する。その後第2の徐冷ブロックへIC
チップは移動するが、ここでのブロックの表面温度は1
20℃に設定されており、実際のICチップの温度は緩
やかに降下しながら100℃程度となる。さらに第3の
徐冷ブロック上に搬送されるが、第3の徐冷ブロックの
表面温度は60℃であり、ICチップの温度は40℃程
度となる。以上の3ブロック上で徐冷が行われた後、収
納トレーへ搬送されるが、収納中或いは収納後にICチ
ップは雰囲気温度近くまで冷却される。
【0026】また、徐冷ブロック間のリードフレームの
搬送は、ボンディング時間に合わせステップ状に行わ
れ、1つの徐冷ブロックに一つのICチップがある時間
はボンディング時間と同じ2分とする。つまり本実施例
では1ICチップ当たり3徐冷ブロック合計で6分の徐
冷時間があることになり、このときのボンディング温度
から室温+5℃までの平均温度勾配は−0.45℃/秒
となる。
【0027】[第2の実施形態]図3を示し、本発明の
第2の実施の形態について説明する。トレー1からリー
ドフレーム3の搬送(搬送方向4)が行われ、予熱ブロ
ック5でリードフレーム及びICチップの予熱が行われ
た後、ヒーターブロック6上でワイヤーボンディングが
行われ、ホットエアー10aを用いてボンディング直後
の搬送時のICチップの温度低下防止が行われるまでは
第1の実施の形態と同じである。
【0028】その後、リードフレームはヒーターブロッ
クと収納トレー2の間に位置する保温ブロック11上に
搬送され、収納トレーへリードフレームを収納するまで
ICチップの保温が行われる。このときリードフレーム
と保温ブロックは接触させても非接触としても良い。な
お保温ブロックの温度については、ヒーター8c,8
d,8eにより調整が行われるが、ボンディングの行わ
れるヒーターブロックと同じ温度かICチップの急激な
温度降下が起きない程度、例えば第1の実施の形態で示
した最初の徐冷ブロックと同じ温度に低下させておく。
【0029】保温ブロックでの保温後、リードフレーム
は収納トレーに収納されるが、保温ブロックと収納トレ
ーとの間に隙間がある場合には、そこでのICチップの
温度低下も予想されるのでノズル9bからホットエアー
10bを噴射して温度低下を防止することが効果的であ
る。
【0030】収納トレーへ収納後、ICチップの徐冷が
行われることになるが、本実施形態では複数の温度に設
定されたホットエアーをトレー内部に噴射することによ
り、徐冷を行う場合を説明する。通常、収納トレーはリ
ードフレームが収納されるにつれて図3で示されるよう
に下方向へ移動し、次のリードフレーム収納に備える。
そこで、図3に示すようにZ軸方向の各位置にノズル9
c,9d,9eを設置し、複数の温度に設定されたホッ
トエアー10c,10d,10eをそれぞれ平行に収納
トレー内部に噴射する。このときホットエアーの温度は
下方向に進むに従いつまりZ0,Z1,Z2となるに従
って低くなるように設定する。つまり、実際の収納トレ
ー内部の雰囲気温度は図3に示したようにZ軸位置が下
ほど低くなる。すなわち収納トレーがリードフレームを
収納し、下方向に移動するに従ってリードフレームに搭
載されたICチップは徐冷されることになる。
【0031】ところで第2の実施の形態ではヒーターブ
ロックから収納トレーへの搬送中に保温ブロックを設
け、ICチップの温度降下を防止するという形態を説明
したが、収納トレーに収納されるまでのICチップの急
激な温度降下を防止することが目的であるので、保温ブ
ロックのかわりにヒーターブロックと収納トレーの間に
ノズルを設置し、リードフレーム搬送中にICチップ表
面にホットエアーを噴射しても良いし、赤外線をICチ
ップ表面に照射することでICチップの急激な温度降下
を防止しても良い。
【0032】一方、前述の第1の実施の形態との大きな
違いは、第1の実施の形態が収納トレーへの搬送中にI
Cチップの徐冷を行うのに対し、第2の実施の形態は収
納トレーの中で徐冷を行うことである。第1の実施の形
態が1つのICチップ当たりのワイヤー数が多いためボ
ンディング時間が長く、後続のICチップのボンディン
グ中に徐冷がボンディング装置の処理能力の低下なく十
分に行われる場合に適し、第2の実施の形態は1つのI
Cチップ当たりのワイヤー数が少ないためにボンディン
グ時間が短く、第1の実施の形態が示すようにリードフ
レームの搬送中に徐冷を行おうとするとボンディング装
置の処理能力が犠牲となる場合に適する。
【0033】また、更に別の実施の形態としてICチッ
プの保温をトレー全体をヒーター等で加熱することでト
レー収納後も行い、収納トレーにボンディング予定の全
リードフレームを収納後、恒温層等の温度調節のできる
環境下にボンディング済みのICチップが収納されたト
レーを置き、トレーごと徐冷を行うのも本発明の目的を
達成するために有効的な手段である。
【0034】実施例2 以下、本発明の実施例を示して第2の実施の形態を更に
説明する。
【0035】室温25℃の環境下においてワイヤーボン
ディング前のリードフレームが収納されているトレーよ
り搬送方向の長さ200mm、幅30mm、厚さ150
μmである42合金製のリードフレームとリードフレー
ムにAgペーストを用いて搭載されたICチップ(2.
00mm□、厚さ400μm)を搬送方向の長さ30m
m、幅30mmのステンレス製の予熱ブロック上に搬送
する。予熱ブロック表面は内蔵されたセラミックヒータ
ーによりTp:100℃に温度調整されている。なお、
リードフレーム1枚当たりには10個のICチップが等
間隔で搭載されており、予熱、ボンディングはステップ
状に1ICチップ毎に行われる。
【0036】予熱後、リードフレームは内蔵のセラミッ
クヒーターにより表面がTb:200℃に調整され、ス
テンレス製で搬送方向の長さ40mm、幅20mmであ
るヒーターブロック上に搬送され、線径30μmの金線
を用いてICチップ上の電極とリードを結合するワイヤ
ーボンディングが圧着ボール径:55μmで行われる。
このとき1つのICチップ当たりのワイヤー数は20で
あり、1ICのボンディングが終了するまでの時間は1
0秒である。
【0037】ボンディング終了後、ICチップ表面に2
00℃に加熱されたホットエアーが噴射され、保温ブロ
ックにボンディング済みのICチップが搬送される。
【0038】保温ブロックは1ブロックからなり搬送方
向の長さ200mm、幅30mmのステンレス製であ
る。保温ブロックは3本のセラミックヒーターにより2
20℃に一様に加熱されているが、実施例1と同様リー
ドフレーム底面と保温ブロックとの間には0.3mm程
度のクリアランスがあるため実際のICチップの温度は
200℃となる。1枚のリードフレームに搭載された全
ICチップ(10個)のボンディングが終了し、保温ブ
ロック上に全ICチップが搬送された後、収納トレーに
リードフレームは収納されるが、保温ブロックと収納ト
レーの間で温度低下を防止するために200℃に加熱さ
れたホットエアーをICチップ表面に噴射する。
【0039】収納トレーへリードフレームを収納後IC
チップの徐冷が行われるが、収納トレー後方に設置され
た4つのノズルから温度の違うホットエアーを噴射する
ことによって行われる。図7に詳細を示すが、ノズルは
Z方向に等間隔に設置されており、その間隔は収納され
ているリードフレーム2ピッチ分とし、それぞれの温度
は200℃、150℃、100℃、50℃とし、1つの
ノズルから噴射されるホットエアー25a〜25dを2
枚のリードフレームの隙間に通す。26は収納トレーノ
移動方向を示す。すなわち、1つのノズルで2枚のリー
ドフレームを同時に加熱し、各リードフレームはリード
フレームが収納トレーに収納される周期が100秒(1
0秒×10ICチップ)となるため、同じ温度のホット
エアーに200秒ずつさらされることになる。従って、
1枚のリードフレームならびにリードフレームに搭載さ
れたICチップが4つのノズルから噴射されるホットエ
アーにさらされる合計時間は800秒となり、ボンディ
ング温度から室温+5℃以下になるまでの平均温度勾配
は−0.2℃/秒程度になる。
【0040】
【発明の効果】以上の様な本発明によれば、半導体素子
のの徐冷を行い、電極接合部においての熱応力を緩和す
ることで、層間膜の剥離やシリコンでのクラックなどの
電極のダメージを防止することができ、それにより層間
膜の剥離やシリコンでのクラックを防止することが可能
となり、電極を構成する層間の高い接着信頼性を得るこ
とができる。
【0041】また、本発明によれば、電極にダメージを
与えないボンディングが可能となるため、電極アルミニ
ウム膜厚の薄いICチップへのボンディングが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す説明図であ
る。
【図2】従来のボンディング工程を示す説明図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態を示す説明図であ
る。
【図4】ICチップの温度履歴を示す説明図である。
【図5】リードフレームへのICチップの搭載方法を示
す説明図である。
【図6】圧着ボールの電極への接合状態を示す断面図で
ある。
【図7】実施例2において収納トレーに収納されている
リードフレームとホットエアーの位置関係を示す説明図
である。
【符号の説明】
1 トレー 2 収納トレー 3 リードフレーム 4 リードフレーム搬送方向 5 予熱ブロック 6 ヒーターブロック 7 徐冷ブロック 8a〜8e ヒーター 9a〜9e ノズル 10a〜10e ホットエアー 11 保温ブロック 12 自然冷却によるICチップの温度履歴 13 徐冷を行うことによるICチップの温度履歴 14 ICチップ 15 リードフレーム 16 ワイヤー 17 圧着ボール 18a,18b アルミニウム膜 19 バリア層 20 層間膜 21a〜21b 圧着ボールとアルミニウム膜間の熱
応力 22a〜22b アルミニウム膜とバリア層間での熱
応力 23a〜23b バリア層と層間膜間での熱応力 24 リードフレーム 25a〜25d ホットエアー 26 収納トレー移動方向

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体素子及び該半導体素子と外部との電
    気的接続のために用いられる部材を含む半導体装置を製
    造する方法において、前記半導体素子の電極と前記外部
    との電気的接続のために用いられる部材とを加熱下でボ
    ンディングする工程と、該ボンディング工程後に前記半
    導体素子を徐冷する工程とを有しており、前記ボンディ
    ング工程に続いて保温工程を行い、該保温工程に続いて
    前記徐冷工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記保温工程をヒータープレートを用いて
    行うことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 前記徐冷工程を収納手段内で行うことを特
    徴とする、請求項1〜2のいずれかに記載の半導体装置
    の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記徐冷工程をホットエアー噴射を用いて
    行うことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載
    の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記徐冷工程におけるボンディング温度か
    ら室温+5℃までの平均温度勾配を−2.0℃/秒また
    はそれより緩やかにすることを特徴とする、請求項1〜
    のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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