JP3122523B2 - 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】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、ワイヤーボンディング方法を改良した半
導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置は、一般に、図6に示すよう
に、珪素からなる半導体素子1が銅合金またはFe−4
2%Ni(42合金)からなるリードフレーム2のダイ
パッド21に固定され、また銅または金からなる金属ワ
イヤー3を介してリードフレーム2のインナーリード2
2に接続された構造を有している。即ち、半導体素子1
は、その表面に酸化珪素からなる絶縁膜11と、この絶
縁膜11上に形成された多種類の能動素子(図示せず)
と、これらの能動素子間を接続するAl合金膜で形成さ
れた電極パッド12と、これらを被覆して保護する酸化
珪素あるいは窒化珪素からなる保護膜13と、この保護
膜13とは反対側の裏面に形成されたTi−Ni−Au
合金からなるメタライズ膜14とを備えている。また、
上記リードフレーム2は、その表面に同図に示すように
銀メッキ膜23が施されている。そして、この半導体素
子1は、同図に示すように、半田4を介して上記ダイパ
ッド21の銀メッキ膜23に接着、固定され、その電極
パッド12が金属ワイヤー3を介してワイヤーボンディ
ングによってリードフレーム2のインナーリード22の
銀メッキ膜23に接続されている。
【0003】また、半導体装置は、図7に示すように、
半導体素子1が半田4よりも低弾性のエポキシ樹脂等の
合成樹脂5を介してリードフレーム2のダイパッド21
に接着、固定されたものもある。この場合、リードフレ
ーム2の表面には銅メッキ膜24が施されている。その
他は上記のものに準じて構成されている。
【0004】而して、上記各半導体装置を製造する際
に、半導体素子1の電極パッド12とインナーリード2
2とをワイヤーボンディングする場合には、図8に示す
ように、金属ワイヤー3を供給するキャピラリ6をボン
ド面である電極パッド12に位置合せした後、キャピラ
リ6を降下させて加熱溶融した金属ボール31を電極パ
ッド12に図9に示すように押し付けて金属ワイヤー3
を電極パッド12に接続させ、然る後、キャピラリ6を
引き上げてインナーリード22へキャピラリ6を移行さ
せて同様に接続するようにしている。この際の従来のワ
イヤーボンディングの制御方法を図10を参照しながら
詳述する。
【0005】即ち、従来のワイヤーボンディングでは、
図10の(a)、(b)に示すように、キャピラリ6が
サーチレベルの位置までダンパー(DUMPER)の設
定荷重で等速運動し、サーチレベル位置からボンド面ま
ではフォース(FORCE)の設定荷重で等速運動して
金属ボール31を電極パッド12へ降下させるが、この
時ダンパー(D)とフォース(F)とはD≧Fの関係に
設定してある。この状態を示すのが図8である。然る
後、キャピラリ6が更に降下して金属ボール31を介し
て金属ワイヤー3が電極パッド12に着地してから図1
0の(a)に示すようにΔZ(例えば、ΔZ≦70μ
m)あるいは時間t4(例えば、t4≦5ms)のいずれ
かの沈み込み量でキャピラリ6を更に降下させて金属ボ
ール31を図9に示すように塑性変形させる。その後、
図10の(c)、(d)に示すように、実荷重と超音波
振動エネルギーを金属ボール31に時間t3だけ印加し
て金属ボール31と電極パッド12との間に金属間化合
物を形成して金属ワイヤー3と電極パッド12との接続
を図9に示すように完了させる。引き続いてキャピラリ
6の先端から金属ワイヤー3を繰り出してインナーリー
ド22上の銀メッキ膜23(または銅メッキ膜24)と
金属ワイヤー3との金属間化合物を同様にして作り、電
極パッド12とインナーリード22間の金属ワイヤー3
による結線を完了する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体装置の製造方法では、サーチレベルからボンド面
に到達するまでに要する時間が短く、キャピラリ6の沈
み込みが完了した時に電極パッド12が受ける実荷重が
図10の(c)に示すようにそのまま衝撃荷重となって
金属ボール31が効率よく塑性変形できず、超音波振動
エネルギーを効率よく伝達できないため、金属ボール3
1が電極パッド12から剥離し易くなったり、パッドク
レーターなどの接合不良を発生するという課題があっ
た。また、図7に示すようにエポキシ樹脂等の合成樹脂
からなる低弾性のダイボンド材を用いてダイボンドした
半導体装置の場合には、半導体素子1に銅ワイヤー等の
高硬度の金属ワイヤー3を接続する時、ボンディング条
件の安定領域が狭く、量産に向かず、更には、例えば、
特開平3−20855号公報に記載されているように高
温保存性及び耐湿性の面での信頼性に劣るという課題が
あった。
【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、金属ワイヤーを電極パッドに接続する際
に、電極パッドが受ける実荷重の衝撃荷重を設定荷重と
略同程度に抑制すると共に超音波振動エネルギーを効率
よく伝達して金属ワイヤーを効率よく且つ確実に接合す
ることができる半導体装置の製造方法を提供することを
目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の半導体装置の製造方法では、金属ボールをボンド面に
押し付ける荷重は、荷重発生部で生成荷重を測定しなが
ら常に一定荷重を印加する荷重制御を用い、上記金属ボ
ールがボンド面に接触しこの金属ボールの塑性変形完了
した後であって、しかも、衝撃荷重測定器で実荷重の衝
撃荷重を測定しその測定された衝撃荷重の変動が静定し
たことを検知した直後に低荷重から高荷重へ切り替え、
この高荷重の印加と同時に上記金属ボールに超音波振動
を印加するようにしたものである。
【0009】また、本発明の請求項2に記載の半導体装
置の製造方法は、金属ワイヤーが銅ワイヤー又は金ワイ
ヤーであって、金属ボールをボンド面に押し付ける荷重
のうち、切り替え前の低荷重をF 1 (その印加時間をt 1
+t 4 )、切り替え後の高荷重をF 2 (その印加時間をt
2 )とし、かつ、r 1 =F 2 /F 1 、r 2 =t 2 /(t 1
4 )とした場合に、上記銅ワイヤー又は金ワイヤーが
それぞれ下記条件(1)〜(3)を満足するようにした
ものである。 銅ワイヤーの場合 (1)1.2≦r1≦5 (2)r2≦−(80/19)r1+(476/19) (3)r2≦−(40/19)r1+(238/19) 金ワイヤーの場合 (1)1.125≦r1≦2.3 (2)r2≦−(640/47)r1+(1660/4
7) (3)r2≧−(320/47)r1+(830/47)
【0010】本発明の請求項1に記載の半導体装置の製
造方法によれば、ワイヤーボンディングする際に、金属
ボールをボンド面に押し付ける時に、この荷重を低荷重
を印加してから高荷重へ切り替えるため、電極パッドが
低い衝撃荷重を受けてその後キャピラリを一定の速度で
降下させて高荷重に切り替えた時の衝撃荷重を軽減して
金属ボールを効率よく塑性変形させることができ、しか
も、この時に金属ボールに超音波振動を印加するため、
超音波振動を金属ボールの平面方向へ効率よく伝達して
金属ワイヤーを電極パッドに確実に接続し、タクト時間
を短縮することができる。
【0011】また、本発明の請求項2に記載の半導体装
置の製造方法によれば、ワイヤーボンディングする際
に、金属ボールをボンド面に押し付ける時に、その荷重
を低荷重を印加してから高荷重へ切り替えるため、電極
パッドが低い衝撃荷重を受けてその後キャピラリを一定
の速度で降下させて高荷重に切り替えた時の衝撃荷重を
軽減して銅ボールまたは金ボールを効率よく塑性変形さ
せることができ、しかも、この時に銅ボールまたは金ボ
ールに超音波振動を印加するため、超音波振動を銅ボー
ルまたは金ボールの平面方向へ効率よく伝達して銅ワイ
ヤーまたは金ワイヤーを電極パッドに確実に接続でき、
タクト時間を短縮することができる。
【0012】
【実施例】以下、図1〜図5に示す実施例に基づいて従
来と同一または相当部分には同一符号を付して本発明を
説明する。尚、各図中、図1は本発明の半導体装置の製
造方法の好ましい一実施態様におけるワイヤーボンディ
ングの方法を説明するためのグラフであり、同図(a)
はキャピラリの降下位置とそれに要する時間との関係を
示す図、同図(b)は(a)に対応してキャピラリに印
加される設定荷重を示すタイミングチャート、同図
(c)はボンド面にキャピラリが到達した後のボンド面
が受ける実荷重のタイミングチャートで、衝撃荷重測定
器で測定した荷重を示す図、同図(d)は実荷重を印加
した時に、キャピラリを通じて金属ボールに印加する超
音波振動エネルギーを示すタイミングチャート、図2は
図1に示す条件で金属ワイヤーを接続した接続部の状態
を説明する状態図、図3は図2に示す各条件で製造した
接合状態を示す図で、同図(a)は図2のA領域の条件
での(c)は図2のB及びB’領域の条件での接合状態
を示す平面図、(d)は図2のB及びB’領域の条件で
の接合状態を示す断面図、(e)は図2のC領域の条件
での接合状態を示す平面図、(f)は図2のC領域の条
件での接合状態を示す断面図、図4は銅ワイヤーを用い
た場合における低荷重と高荷重の比率と低荷重の負荷イ
ンターバルと高荷重の負荷インターバルとの関係を示す
相関図、図5は金ワイヤーを用いた場合における低荷重
と高荷重の比率と低荷重の負荷インターバルと高荷重の
負荷インターバルとの関係を示す相関図である。
【0013】本発明の半導体装置の製造方法の好ましい
一実施態様におけるワイヤーボンディングの方法を図1
の(a)〜(d)を参照しながら説明する。尚、本実施
態様で用いる装置としては従来と同様のものを用いる。
【0014】まず、本実施態様に用いられる半導体素子
1及びリードフレーム2について説明すると、この半導
体素子1は、図7に示す構造を有し、本体の厚さが40
0μm、酸化珪素からなる絶縁膜11の厚さが1μm、
Alからなる電極パッド12の厚さが1μmで、このよ
うな半導体素子1をリードフレーム2のダイパッド21
に対してエポキシ樹脂5によってダイ付けする。ダイ付
けによって形成された、エポキシ樹脂5の厚さは約10
μmである。
【0015】次いで、半導体素子1を取り付けたリード
フレーム2をヒートブロック上に固定し、全体を280
℃に昇温する。然る後、先端から銅ワイヤー3の先端が
突出したキャピラリ6を窒素−水素雰囲気中で電気トー
チによって加熱して銅ワイヤー3の先端に直径が55±
5μmの銅ボール31を作った後、銅ボール31が15
0ms以内に電極パッド12に到達するようにキャピラ
リ6を降下させ、銅ボール31の高さが25μm以下に
なるようにキャピラリ6の降下位置を制御する。この
時、図1の(a)、(b)に示すようにサーチレベルか
らボンド面に低荷重で到達させ、図1の(c)に示すよ
うに電極パッド12に低い衝撃荷重を負荷してその後キ
ャピラリを一定の速度で降下させて銅ボール31を効率
よく塑性変形させ、ボンド面に到達後(t1+t4)時間
経過するまでは低荷重のまま保持し、然る後、同図の
(b)に示すように高荷重へ切り替えて実荷重を電極パ
ッド12に負荷すると共に同図の(d)に示すように超
音波振動エネルギーを銅ボール31へ印加して塑性変形
した銅ボール31の平面方向へのみそのエネルギーを伝
達して銅ボール31を効率よく電極パッド12に接合す
ることができる。この時の荷重及び負荷時間等は例え
ば、低荷重(F1)が30〜50gでその負荷時間t1
1〜5ms、高荷重(F2)が60〜180gでその負
荷時間t2が10〜20msであり、超音波振動エネル
ギーの印加時間が10〜20msである。
【0016】そして、超音波振動エネルギーのパワー
は、銅ボール31と電極パッド12の接合構造に応じて
決定することができる。そこで、上記実施例の製造条件
のうち高荷重(F2)と超音波振動エネルギーのパワー
との関係について検討した結果、これら両者の製造条件
と銅ボール31と電極パッド12の接合構造との間には
図2及び図3に示す関係にあることが判った。尚、図3
での正面図は接合部の銅ボールを硝酸でエッチングした
状態を示すものであり、同図の断面図は接合部の断面を
研磨した状態を示すものである。
【0017】即ち、図2のA領域では図3の(a)、
(b)に示すように銅ボール31の電極パッドへの接合
が十分でなく銅ボールが電極パッドから剥がれることが
判った。これは銅ボール31の塑性変形が十分でなく、
電極パッド12のAl膜の破壊が十分に進行せず、延い
ては超音波振動エネルギーが不足して銅とアルミニウム
との相互拡散が不十分になってCu−Al間の金属間化
合物が得られないことに起因する。また、図2のB及び
B’領域では図3の(c)、(d)に示すように銅ボー
ルが電極パッドに正常な接合構造を得ることができ、特
開平1−143332号公報及び特開平3−20835
5号公報に記載のように高温保存性耐湿性の寿命が長
く、高い信頼性を得ることができた。このことから図2
のB及びB’領域では銅ボールの塑性変形量と超音波振
動エネルギーが共に最適であることが判る。また、図2
のC領域では図3の(e)、(f)に示すように銅ボー
ルが電極パッドに接合している反面、銅ボールの直下の
Al、特に銅ボール周辺のAlが排斥されて下地の酸化
珪素膜に銅ボールが直接接合してパッドクレーターが生
じ、信頼性に劣るという結果が得られた。このことは超
音波振動エネルギーが過度に付与された結果と考えられ
る。
【0018】以上説明したように本実施態様によれば、
キャピラリ6を降下させる際に、低荷重を設定して電極
パッド12が低い衝撃荷重を受けてその後一定の速度で
キャピラリ6を降下させた後、高荷重に設定するため、
荷重の切り替え時の衝撃荷重が少なく銅ボール31を効
率よく塑性変形させることができ、実荷重(F2±10
g)で超音波振動エネルギーを印加でき、銅ボール31
の平面方向へ超音波振動エネルギーも効率よく伝達し、
パッドクレーターなどを生じさせることなく銅ボール3
1を電極パッド12に確実に接合するとができ、しかも
接合時の実荷重の安定領域が従来のB領域からB’領域
に拡張し量産を安定化できる。
【0019】また更に、低荷重と高荷重との比(F2
1)をr1とし、低荷重の負荷インターバルと高荷重の
負荷インターバルの比(t2/(t1+t4))をr2とし
た場合、銅ワイヤーの場合には、F1=30〜50g、
2=60〜150g、及びt1=1〜5ms、t2=1
0〜20msであるから、r1−r2は1.2≦r1≦5の
範囲で、下記数1を及び数2を満足する(図4参照)。 (数1) r2≦−(80/19)r1+476/19 (数2) r2≧−(40/19)r1+238/19
【0020】また、金ワイヤーの場合には、F1=30
〜50g、F2=45〜70g、及びt1=1〜5ms、
2=10〜20msであるから、r1−r2は1.125
≦r1≦2.3の範囲で、下記数3を及び数4を満足する
(図5参照)。 (数3) r2≦−(640/47)r1+1660/47 (数4) r2≧−(320/47)r1+830/47
【0021】このような条件下では絶縁膜11及び電極
パッド12の厚さが共に0.4〜1.0μmの高密度、高
機能の半導体素子1であっても高い信頼性のあるワイヤ
ーボンディングを行なうことができる。
【0022】また、上記実施態様では、銅ワイヤーとエ
ポキシ樹脂からなるダイボンドとの組み合わせについて
のみ説明したが、ダイボンドとしてPb−5Sn、Pb
−Ag、Pb−In、Sn−Ag、Pb−Ag−Sn、
Pb−Ag−In等からなる半田を用いた場合について
も適用することができ、また、金ワイヤーの場合も半田
ダイボンドを同様に適用することができる。
【0023】また、上記実施態様では、絶縁膜11が酸
化珪素で電極パッド12がAlの場合についてのみ説明
したが、Alに代えてAl−Si系合金、Al−Si−
Cu系合金、Al−Cu系合金等のアルミニウム系合金
を用いてもよく、特に、Al−Si系合金の場合には、
Siノジュールの下地膜への打ち込みによるダメージが
報告されており(例えば、「赤外線顕微鏡を用いたPE
Dにおける金ボールの金属間結合形成の研究」P.K.フ
ットナー他,IEEE/IRPS(1986)P.P.1
02〜108、「SMDにおけるワイヤークレータ」,
月刊セミコンダクターワールド,6(1988))、特
に本実施態様が有効である。また、酸化珪素に代えてこ
れと同等の、PSG/SiO2、BPSG/SiO2、P
SG/ポリSi/SiO2、BPSG/ポリSi/Si
O2を用いてもよく、また、電極パッド12の下地とし
てTi−Ni、Ti−W、Pt−W等からなるバリア膜
を設けてもよい。
【0024】
【発明の効果】請求項1に記載の本発明によれば、金属
ボールをボンド面に押し付ける荷重は、荷重発生部で生
成荷重を測定しながら常に一定荷重を印加する荷重制御
を用い、上記金属ボールがボンド面に接触しこの金属ボ
ールの塑性変形完了した後であって、しかも、衝撃荷重
測定器で実荷重の衝撃荷重を測定しその測定された衝撃
荷重の変動が静定したことを検知した直後に低荷重から
高荷重へ切り替え、この高荷重の印加と同時に上記金属
ボールに超音波振動を印加するようにしたため、金属ワ
イヤーを電極パッドに接続する際に、電極パッドが受け
る実荷重の衝撃荷重を設定荷重と略同程度に抑制すると
共に超音波振動エネルギーを効率よく伝達して金属ワイ
ヤーを効率よく且つ確実に電極パッドに接合し、また、
タクト時間を短縮することができる。
【0025】また、請求項2に記載の本発明によれば、
銅ワイヤーまたは金ワイヤーのボールをボンド面に押し
付ける荷重を所定の条件で低荷重から高荷重へ切り替
え、この高荷重の印加と同時に上記ボールに所定の条件
で超音波振動を印加するようにしたため、銅ワイヤーま
たは金ワイヤーを電極パッドに接続する際に、電極パッ
ドが受ける実荷重の衝撃荷重を設定荷重と略同程度に抑
制すると共に超音波振動エネルギーを効率よく伝達して
銅ワイヤーまたは金ワイヤーを効率よくかつ確実に電極
パッドに接合し、また、タクト時間を短縮することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法の好ましい一実
施態様におけるワイヤーボンディングの方法を説明する
ためのグラフであり、同図(a)はキャピラリの降下位
置とそれに要する時間との関係を示す図、同図(b)は
(a)に対応してキャピラリに印加される設定荷重を示
すタイミングチャート、同図(c)はボンド面にキャピ
ラリが到達した後のボンド面が受ける実荷重のタイミン
グチャートで、衝撃荷重測定器で測定した荷重を示す
図、同図(d)は実荷重を印加した時に、キャピラリを
通じて金属ボールに印加する超音波振動エネルギーを示
すタイミングチャートである。
【図2】図1に示す条件で金属ワイヤーを接続した接続
部の状態を説明する状態図である。
【図3】図2に示す各条件で製造した接合状態を示す図
で、同図(a)は図2のA領域の条件での接合状態を示
す平面図、(b)は図2のA領域の条件での接合状態を
示す断面図、(c)は図2のB及びB’領域の条件での
接合状態を示す平面図、(d)は図2のB及びB’領域
の条件での接合状態を示す断面図、(e)は図2のC領
域の条件での接合状態を示す平面図、(f)は図2のC
領域の条件での接合状態を示す断面図である。
【図4】銅ワイヤーを用いた場合における低荷重と高荷
重の比率と低荷重の負荷インターバルと高荷重の負荷イ
ンターバルとの関係を示す相関図である。
【図5】金ワイヤーを用いた場合における低荷重と高荷
重の比率と低荷重の負荷インターバルと高荷重の負荷イ
ンターバルとの関係を示す相関図である。
【図6】半導体装置の一例の要部を示す断面図である。
【図7】半導体装置の他の例の要部を示す断面図であ
る。
【図8】半導体装置の製造方法におけるワイヤーボンデ
ィングを行なう際のキャピラリの降下途上の状態を拡大
して示す断面図である。
【図9】図8に示すからキャピラリが降下して金属ワイ
ヤーを半導体素子の電極パッドに接続した瞬間の状態を
拡大して示す断面図である。
【図10】従来の半導体装置の製造方法の一例における
ワイヤーボンディングの方法を説明するための図1に相
当するグラフであり、同図(a)は図1(a)相当図、
同図(b)は図1(b)相当図、同図(c)は図1
(c)相当図、同図(d)は図1(d)相当図である。
【符号の説明】
1 半導体素子 2 リードフレーム 3 銅ワイヤーまたは金ワイヤー(金属ワイヤー) 6 キャピラリ 11 絶縁膜 12 電極パッド 13 保護膜 21 ダイパッド 22 インナーリード 23 銀メッキ膜 24 銅メッキ膜 31 銅または金ボール(金属ボール)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/607 H01L 21/60 301

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リードフレームのダイパッドに固定され
    た半導体素子の電極パッドとインナーリードとをキャピ
    ラリから供給する金属ワイヤーで結線するに際し、この
    金属ワイヤーの先端を加熱してその金属ボールを作り、
    この金属ボールで上記金属ボールをボンド面に押し付け
    る荷重は、荷重発生部で生成荷重を測定しながら常に一
    定荷重を印加する荷重制御を用い、上記金属ボールがボ
    ンド面に接触しこの金属ボールの塑性変形完了した後で
    あって、しかも、衝撃荷重測定器で実荷重の衝撃荷重を
    測定しその測定された衝撃荷重の変動が静定したことを
    検知した直後に低荷重から高荷重へ切り替え、この高荷
    重の印加と同時に上記金属ボールに超音波振動を印加す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造方法に
    おいて、金属ワイヤーが銅ワイヤー又は金ワイヤーであ
    って、金属ボールをボンド面に押し付ける荷重のうち、
    切り替え前の低荷重をF 1 (その印加時間をt 1
    4 )、切り替え後の高荷重をF 2 (その印加時間を
    2 )とし、かつ、r 1 =F 2 /F 1 、r 2 =t 2 /(t 1
    4 )とした場合に、上記銅ワイヤー又は金ワイヤーが
    それぞれ下記条件(1)〜(3)を満足することを特徴
    とする半導体装置の製造方法。 銅ワイヤーの場合 (1)1.2≦r1≦5 (2)r2≦−(80/19)r1+(476/19) (3)r2≦−(40/19)r1+(238/19) 金ワイヤーの場合 (1)1.125≦r1≦2.3 (2)r2≦−(640/47)r1+(1660/4
    7) (3)r2≧−(320/47)r1+(830/47)
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