JP3762475B2 - ワイヤボンディング方法及び半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はワイヤボンディング方法及び半導体装置及びワイヤボンディング用キャピラリー及びボールバンプの形成方法に関する。
一般に、半導体装置に設けられる半導体素子は、ワイヤにより外部接続端子となるリードに電気的に接続された構成とされている。このワイヤは、ワイヤボンディング装置を用いて半導体素子に形成された電極パッドとリードのインナーリード部との間に配設される。
【０００２】
このワイヤは、半導体素子に配設された電極パッド数と同数配設されるものであり、また近年の半導体素子の高度化に伴い電極パッド数も増大する傾向にある。これに伴い、電極パッドとインナーリード部との間に配設されるワイヤ数も増大する傾向にある。
【０００３】
一方、半導体装置は生産性の向上及び小型化が望まれている。従って、半導体装置の生産性を向上させる面からは個々のワイヤをワイヤボンディングするのにに要する時間を短縮することが、また半導体装置の小型化を図る面からはワイヤのループを低くすることが重要である。
【０００４】
【従来の技術】
図２２及び図２３は、従来のワイヤボンディング方法を用いて配設されたワイヤを示しており、また図２４及び図２５は具体的なワイヤボンディング方法を示している。
【０００５】
図２２は、最も一般的に行われているワイヤボンディング方法を用いて配設されたワイヤ１を示している。尚、同図においては、半導体素子２に形成された電極パッド２ａとリードフレーム３のインナーリード部３ａとの間にワイヤ１を配設した構成を示している。
【０００６】
電極パッド２ａとインナーリード部３ａとの間にワイヤ１を配設するには、先ずワイヤ１を電極パッド２ａに接合する（これを１ｓｔボンディングという）。この１ｓｔボンディングは、図２４に示されるボールボンディングを用いて行われる。
【０００７】
同図に示されるようにボールボンディングを行うには、ワイヤボンディング装置に設けられているキャピラリー７（ワイヤ１となる金線が挿通されている）を用い、先ず図２４（Ａ）に示されるように、キャピラリー７の先端から突出しているワイヤ１にスパーク放電を用いてボール部４を形成する。次に、図２４（Ｂ）に示されるように、形成されたボール部４を電極パッド２ａにキャピラリー７を用いて押圧し、超音波溶接法等により接合を行う。
【０００８】
続いて、図２４（Ｃ）に示されるように、キャピラリー７を移動させることによりワイヤ１をインナーリード部３ａの上部まで引出し、ワイヤ１とインナーリード部３ａとを接合する（これを１ｓｔボンディングという）。この１ｓｔボンディングは、図２５に示されるステッチボンディングを用いて行われる。
【０００９】
同図に示されるようにステッチボンディングを行うには、キャピラリー７を用い、先ず図２５（Ａ）に示されるように、キャピラリー７の先端をインナーリード部３ａのボンディング位置まで移動させる。続いて、図２５（Ｂ）に示されるように、キャピラリー７の先端をインナーリード部３ａに押圧し超音波溶接法等によりワイヤ１とインナーリード部３ａに接合させる。この押圧処理によりワイヤ１のキャピラリー７により押圧された部位は押し潰された状態となる。
【００１０】
続いて、キャピラリー７を上動させるが、この際にワイヤボンディング装置に設けられているクランパ８はワイヤ１を固定した状態となっている。従って、キャピラリー７が上動することにより、上記のように押し潰され機械的強度が低下している部位においてワイヤ１は切断される。
【００１１】
上記のように、従来において最も一般的に行われているワイヤボンディング方法では、１ｓｔボンディングにおいてボールボンディングを行い、また２ｎｄボンディングにおいてステッチボンディングを行うことにより、図２２に示されるように、ワイヤ１を半導体素子２の電極パッド２ａとリードフレーム３のインナーリード部３ａとの間に配設する方法が採用されていた（尚、上記したワイヤ１の接続方法を、以下順打ちボンデイングという）。
【００１２】
ここで、図２６及び図２７を用いてボールボンディング及びステッチボンディングの特性について説明する。
図２６（Ａ）はボールボンディングを用いてワイヤ１を電極パッド２ａに接合した状態を示す斜視図であり、また図２６（Ｂ）は接合位置を平面視した状態を示している。上記したように、ボールボンディングでは、予めワイヤ１にスパーク放電等を用いてボール部４を形成した上で、このボール部４を電極パッド２ａに接合する構成であるため、平面視した状態における接合位置形状は略円形であり、その接合面積も小さいため電極パッド２ａ内にボンディングされている。
【００１３】
一方、図２７（Ａ）はステッチボンディングを用いてワイヤ１をインナーリード３ａに接合した状態を示す斜視図であり、また図２７（Ｂ）は接合位置を平面視した状態を示している。同図に示されるように、ステッチボンディングではキャピラリー７によりワイヤ１を押圧するため、ボンディング部９は押しつぶされて平面的な面積が広くなっている。比較のために、同図に破線で電極パッド２ａの大きさを示している。これからも判るように、ステッチボンディングはボールボンディングに比べて広いボンディングエリアを必要とするという特性を有する。
【００１４】
ところで、上記した順打ちボンデイングでは、ワイヤ１を電極パッド２ａに接合した後にワイヤ１を上方に引き上げ、その後にインナーリード部３ａに接合する必要があるため、半導体素子２の上面に対してワイヤ１のループの最上部が高くなってしまう。
【００１５】
図２２に示す例では、ワイヤ１の最上部は半導体素子２の上面に対して矢印Ｈで示す寸法だけ高くなってしまう。このため、順打ちボンデイングでは半導体装置の薄型化を図ることができないという問題点があった。
図２３は、順打ちボンデイングで発生する問題点を解決するために提案されたボンディング方法により配設されたワイヤ５を示している。尚、図２３において図２２に示した構成と同一構成については同一符号を付している。
【００１６】
同図に示されるようにワイヤ５を配設するには、キャピラリを用い、先ずキャピラリ先端から突出しているワイヤ１にスパーク放電を用いてボール部４を形成し、次にボール部４をリードフレーム３のインナーリード部３ａに押圧することにより接合を行う（ボールボンディング）。
【００１７】
続いて、キャピラリを半導体素子２の高さより若干高い位置まで上動させると共に水平移動させて電極パッド２ａの上部までワイヤ５を引出し、次にキャピラリを電極パッド２ａに押圧してワイヤ３５をステッチボンディングにより電極パッド２ａに接合する（ステッチボンディング）。この際、電極パッド２ａの上部には、予め金等によりボールバンプ６が配設されており、ワイヤ５はこのボールバンプ６に接合される。
【００１８】
即ち、図２３に示されるボンデイング方法は図２２に示したボンディング方法とボンディングの順番が逆であり、先ず１ｓｔボンディングをインナーリード部３ａに対して行い、その後に２ｎｄボンディングを電極パッド２ａ（正確には電極パッド２ａ上のボールバンプ６）に対して行う構成とされている。（尚、上記したワイヤ５の接続方法を、以下逆打ちボンデイングという）。
【００１９】
この逆打ちボンデイングでは、半導体素子２の上面より高さが低いインナーリード部３ａに先ずワイヤ５を接合し、半導体素子２の高さと略等しい位置までワイヤ５を引き上げ、その後に水平方向にキャピラリを移動させてワイヤ５を電極パッド２ａ（ボールバンプ６）に接合する。
【００２０】
このため、電極パッド２ａとインナーリード部３ａとの間に配設されるワイヤ５のループ形状は、図２３に示されるように略直角に折曲された形状（逆Ｌ字形状）となるため、ワイヤ５のループ高さを低くすることができ、よって半導体装置の薄型化を図ることができる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記した逆打ちボンデイングでは、ワイヤ５のループ高さを低くすることができ半導体装置の薄型化を図ることができるものの、電極パッド２ａの上部に予め金等によりボールバンプ６を形成しておく必要がある。
【００２２】
このボールバンプ６は、ワイヤ５を電極パッド２ａにステッチボンディングする際に、キャピラリの押圧力が半導体素子２に直接印加されるのを防止する緩衝材として機能する。また、ボールバンプ６はワイヤ５の接続強度を向上させる機能をも奏する。
【００２３】
よって、仮にボールバンプ６を設けることなく、直接ワイヤ５を電極パッド２ａにステッチボンディングした場合には、キャピラリの押圧力により半導体素子２に損傷が発生するおそれがあり、またワイヤ５と電極パッド２ａとの接合強度が不十分なことにより、ワイヤ５が電極パッド２ａから剥離するおそれがある。上記の理由により、逆打ちボンデイングの場合にはボールバンプ６を電極パッド２ａ上に必ず配設する必要がある。
【００２４】
このため、従来の逆打ちボンデイングでは、ワイヤ５の配設工程と別個にボールバンプ６の配設工程が必要となり、ワイヤボンディングに要する工程が多く、半導体装置の製造効率が悪いという問題点があった。
また、このボールバンプ６の形成は一般にボールボンディングを用いており、具体的には金ワイヤの先端に金ボールを形成し、この金ボールを電極パッド２ａ上に接合した上でワイヤを切断することにより形成している。この金ボールのボンディング時においても半導体素子２には押圧力が印加される。
【００２５】
また上記したように、ワイヤ５をボールバンプ６に接合する際にも押圧処理が行われるため、半導体素子２はボールバンプ６の形成時及びワイヤ５の接合時の２回にわたり押圧力が印加される。このため、ボールバンプ６を配設しても、ワイヤボンディング処理の全工程を通しては、やはり半導体素子２に損傷を与えるおそれがあるという問題点がある。
【００２６】
また、図２６及び図２７を用いて説明したように、ステッチボンディングはボールボンデイングに比べて広いボンディング領域を必要とするため、逆打ちボンデイングでは、半導体素子２の上面に高密度にワイヤ５をボンディングすることができず、高密度化されることにより多数の電極パッド２ａを有した半導体素子２に対してはステッチボンディングを採用することができない。
【００２７】
このため、このように高密度化された半導体素子２に対しては図２２に示す順打ちボンディングしか採用することができず、前述したと同様の理由により半導体装置が大型化してしまうという問題点があった。
一方、上記した逆打ちボンデイングは電極パッド２ａの配設密度がさほど高くない半導体素子２に対しては有効であるが、上記のようにボールバンプ６の形成はボールボンディングを用いて行うため、図２８に示されるように、ボールバンプ６の上面６ａ（即ち、ワイヤ５が接合される面）は金ワイヤの切断面であるため凹凸が多く発生した面となっている。このため、ワイヤ５をボールバンプ６の上面６ａに接合した際、ワイヤ５とボールバンプ６との接合強度が弱くなりワイヤボンディングの信頼性が低下してしまうという問題点があった。
【００２８】
更に、図２９に示されるように、ボールバンプ６の上面６ａに特に大きな突起６ｂが形成されているような場合には、ワイヤ５の接合位置がボールバンプ６の中心からずれてしまい、ワイヤ５のキャピラリー７により押し潰されたエッジ部５ａ（このエッジ部は強度が弱い）がボールバンプ６の上面端部と一致してしまい、この部位においてワイヤ５が断線してしまうおそれがある。
【００２９】
本発明は上記の点に鑑みてなさたれものであり、ボンディング処理の効率化，被接続体に対する損傷の軽減，及び半導体素子の薄型化を図ったワイヤボンディング方法及び半導体装置及びワイヤボンディング用キャピラリー及びボールバンプの形成方法を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、下記の各手段を講じたことを特徴とするものである。
請求項１記載のワイヤボンディング方法では、
ワイヤに第１のボール部を形成すると共に、前記第１のボール部をリードフレームに接合する第１の接合工程と、
前記リードフレームに対する接合位置より前記ワイヤを、略垂直方向に引き出し、続いて前記ワイヤを略直角に屈曲されるように水平方向に引き出した後、前記ワイヤの所定位置に第２のボール部を形成するボール部形成工程と、
形成された第２のボール部を半導体素子の電極パッドに接合する第２の接合工程と
を具備することを特徴とするものである。
【００３１】
また、請求項２記載の発明では、
前記請求項１記載のワイヤボンディング方法において、
前記ボール部形成工程で前記第２のボール部を形成する際、前記ワイヤが連続した状態を維持させつつ前記第２のボール部を形成することを特徴とするものである。
【００３２】
また、請求項３記載の発明では、
請求項１または２記載のワイヤボンディング方法において、
少なくとも前記第２のボール部をスパーク放電を用いて形成したことを特徴とするものである。
【００３４】
また、請求項４記載の発明のワイヤボンディング方法では、
請求項１乃至３のいずれかに記載のワイヤボンディング方法により第１のワイヤを配設した後に、
第２のワイヤに第３のボール部を形成すると共に前記第３のボール部を前記半導体素子の第２の電極パッドに接合し、
続いて、前記第２の電極パッドに対する接合位置より前記第２のワイヤを前記第１のワイヤの上部にループを形成するよう引き出すと共に、前記リードフレームにステッチボンディングすることを特徴とするものである。
【００３７】
また、請求項５記載の発明では、
請求項１乃至４のいずれかに記載のワイヤボンディング方法において、
前記ワイヤとして金細線を用いると共に、少なくとも第２のボール部と第２の被接続部材とをボールボンディングを用いて接合したことを特徴とするものである。
【００３８】
また、請求項６記載の発明では、
半導体素子と、リードと、前記半導体素子と前記リードとを接続するワイヤとを具備する半導体装置において、
前記リードと前記ワイヤとが、前記ワイヤに形成された第１のボール部により直接接合されると共に、
前記半導体素子に形成された電極部と前記ワイヤとが、前記ワイヤに形成された第２のボール部により直接接合された構成とされており、
かつ、前記ワイヤが前記リードとの接合位置より略垂直に延在する垂直部と、前記半導体素子と前記ワイヤとの接合位置より略水平方向に延在する水平部とを有する略Ｌ字状のループ形状を有することを特徴とするものである。
【００４３】
上記の各手段は、下記のように作用する。
請求項１記載のワイヤボンディング方法によれば、
第１の接合工程において第１のボール部を第１の被接続部材に接合した後、ボール部形成工程において形成された第２のボール部を第２の接合工程において第２の被接続部材に接合することにより、ワイヤを第１の被接続部材と第２の被接続部材との間に配設することができる。
【００４４】
この第２の接合工程においてワイヤを第２の被接続部材に接合する際、ボール部形成工程においてワイヤに形成される第２のボール部は、逆打ちボンディングのボールバンプと同等の機能を奏する。従って、ワイヤを第２の被接続部材に接合しても半導体素子が損傷するようなことはない。
【００４５】
また、第２のボール部はワイヤに形成されるため、ワイヤボンディング処理と別個にボールバンプを形成するための処理を行う必要はなくなり、ワイヤボンディング処理を効率良く行うことが可能となる。
更に、第２のボール部を第２の被接続部材に接合する処理は、いわゆるボールボンディング処理となるためボンディングに必要な領域は小さくて済み、高密度化され多数の電極を有する半導体素子に対し、確実にワイヤボンディング処理を行うことができる。
【００４６】
また、請求項２記載の発明によれば、
ボール部形成工程で第２のボール部を形成する際、ワイヤが連続した状態を維持させつつ第２のボール部は形成されるため、第２のボール部の形成後もワイヤはキャピラリーと接続された状態を維持する。このため、第２の接合工程において、第２のボール部を電極パッド上に確実に位置決めすることが可能となり、よって第２のボール部を電極パッドに確実に接合することができる。
【００４７】
また、請求項３記載の発明によれば、
少なくとも第２のボール部をスパーク放電を用いて形成したことにより、第２のボール部を容易に形成することができる。また、一般にスパーク放電は第１のボール部の形成方法として行われているものであり、従ってワイヤボンディング装置に特に構成の変更を加えることなく、請求項１記載のワイヤボンディング方法を行うことが可能となる。
【００４９】
また、請求項４記載のワイヤボンディング方法によれば、
第１のワイヤを低く配設することができるため、第１のワイヤの上部に容易に第２のワイヤを形成することが可能となり、ワイヤ配置の高密度化を図ることができると共に、第１及び第２のワイヤが干渉することを防止することができる。
【００５２】
また、請求項５記載の発明によれば、
ワイヤとして比較的柔らかい金細線を用いると共に、少なくとも第２のボール部と第２の被接続部材との接合をダメージの少ないボールボンディングを用いて接合したことにより、ワイヤボンディング時において第２の被接続部材に対するダメージの軽減を図ることができる。
【００５３】
また、請求項６記載の発明によれば、
半導体素子に形成された電極部とワイヤとがワイヤに形成された第２のボール部により直接接合されることにより、半導体素子に印加されるダメージの軽減を図ることができる。また、ワイヤが略Ｌ字状のループ形状を形成するよう配設されることにより、半導体装置の薄型化を図ることができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１乃至図６は、本発明の一実施例であるワイヤボンディング方法を説明するための図である。尚、本実施例では、ワイヤボンディング方法を半導体製造工程に用いた例について説明するが、本発明の適用は半導体製造工程に限定されるものではない。
【００５９】
先ず、図１を用いてワイヤボンディングを行うために用いる各構成要素について説明する。図１において、１０は半導体素子であり、その上部には電極パッド１１が配設されている。この半導体素子１０はリードフレーム１２上に搭載されている。また、半導体素子１０の近傍にはリードフレーム１２の一部を構成するリード２２（図８参照）のインナーリード部１３が延在している。
【００６０】
また、図中１４はキャピラリーであり、また１５はスパーク電極であり、共にワイヤボンディング装置の一部を構成するものである。このキャピラリー１４及びスパーク電極１５は、共に従来から用いられているワイヤボンディング装置に設けられているものであり、本実施例に係るワイヤボンディング方法を実施するために新たに設けられたものではない。
【００６１】
キャピラリー１４は、内部にワイヤ１６となる金細線を挿通した構成とされており、図示しない移動装置により自在に移動しうる構成とされている。また、このキャピラリー１４には超音波振動子が接続されており、この超音波振動子が発生する超音波振動により、ワイヤ１６を被接続部材（本実施例の場合には、電極パッド１１及びインナーリード部１３）に超音波溶接しうる構成となっている。一方、スパーク電極１５も図示しない移動装置により自在に移動しうる構成とされている。
【００６２】
続いて、本発明の一実施例であるワイヤボンディング方法について説明する。電極パッド１１とインナーリード部１３とをワイヤ１６で接続するには、先ず図１に示されるようにキャピラリー１４に挿通されその先端部から下方に突出したワイヤ１６に第１のボール部１７を形成する。この第１のボール部１７の形成は、スパーク電極１５にスパーク放電を起こすことにより形成する。
【００６３】
ワイヤ１６のキャピラリー１４から突出した先端部に第１のボール部１７が形成されると、キャピラリー１４は移動装置によりインナーリード部１３に近接するよう移動し、図２に示されるように第１のボール部１７をインナーリード部１３に押圧する。続いて、超音波振動子が超音波振動を発生させ、これによりキャピラリー１４は第１のボール部１７を第１の被接続部材となるインナーリード部１３に超音波溶接する。これにより、ワイヤ１６はインナーリード部１３にボールボンディングされる（以上の処理を第１の接合工程という）。
【００６４】
上記のようにインナーリード部１３にワイヤ１６（第１のボール部１７）が接合されると、キャピラリー１４は垂直上方に移動すると供に、続いて水平方向に移動する。この際、キャピラリー１４の垂直上方移動は、半導体素子１０の上面より若干高い位置まで行われ、また水平方向はキャピラリー１４が半導体素子１０の上面に形成された電極パッド１１の上部位置に至るまで行われる。また、この移動中、ワイヤ１６は順次キャピラリー１４に送り込まれる構成となっている。
【００６５】
従って、上記のようにキャピラリー１４を移動することにより、ワイヤ１６は図３に示されるように、インナーリード部１３より垂直上方に延出した垂直部と水平方向に延出した水平部とを有した略逆Ｌ字状のループ形状となる。
上記のようにワイヤ１６が電極パッド１１の上部位置まで引き出されると、スパーク電極１５がキャピラリー１４の下方位置まで移動し、図４に示されるように、スパーク放電を起こすことによりキャピラリー１４から下方に送り出されたワイヤ１６に第２のボール部１８を形成する（以上が、ボール部形成工程）。この際、スパーク放電により形成された第２のボール部１８は、第１のボール部１７から引き出されたワイヤ１６の中間部に形成される。
【００６６】
続いて、キャピラリー１４を下動して第２のボール部１８を電極パッド１１に押圧すると共に超音波振動子に超音波振動を発生させる。よって図５に示されるように、第２のボール部１８はキャピラリー１４により第２の被接続部材となる電極パッド１１に超音波溶接される（以上の処理を第２の接合工程という）。
【００６７】
上記のように第２のボール部１８が電極パッド１１に接合されると、キャピラリー１４は上動し図６に示す状態となる。このキャピラリー１４が上動する際、ワイヤ１６は図示しないクランパにより送り出しが規制されるため、キャピラリー１４の上動によりワイヤ１６は接合位置で切断される。これにより、１本のワイヤ１６に対するボンディング処理が終了する。
【００６８】
続いて、図１に示す第１のボール部１７の形成が再び行われ、その後は上記してきた図１乃至図５に示す処理が繰り返し行われることにより、連続的にワイヤ１６のワイヤボンディング処理が行われる。これにより、各電極パッド１１とインナーリード部１３との間にワイヤ１６が配設される。
【００６９】
上記したワイヤボンディング方法によれば、ワイヤ１６を電極パッド１１に接合する際、ワイヤ１６に形成された第２のボール部１８が逆打ちボンディングのボールバンプ６（図１３参照）と同等の機能を奏する。従って、ワイヤ１６を電極パッド１１に直接接合しても、第２のボール部１８が緩衝機能を発生するため半導体素子１０に損傷が発生するようなことはない。
【００７０】
また、第２のボール部１８はワイヤ１６に形成されるため、従来のようにワイヤボンディング処理と別個にボールバンプ６を形成するための処理を行う必要はなくなり、ワイヤボンディング処理を簡単にかつ効率良く行うことができる。
また、第２のボール部１８を電極パッド１１に接合する処理は、いわゆるボールボンディング処理となるため、そのボンディング形状は図２６（Ｂ）に示したように平面視した状態で略円形であり、またその接合面積も小さいくなっている。よって、ボンディングに必要な領域は小さくて済み、高密度化され多数の電極パッド１１を有する半導体素子１０に対し、確実にワイヤボンディング処理を行うことができる。
【００７１】
また、上記のように図４に示した第２のボール部１８を形成する工程において、ワイヤ１６はキャピラリー１４と接続された状態を維持する。このため、図５に示す第２の接合工程において、第２のボール部１８を電極パッド１１上に確実に位置決めすることが可能となり、よって第２のボール部１８を電極パッド１１に確実に接合することができる。
【００７２】
更に、本実施例に係るワイヤボンディング方法を用いることにより、ワイヤ１６のループを低背化することができる。これについて図７を用いて説明する。図７は、本実施例に係るワイヤボンディング方法を用いて配設されたワイヤ１６と、従来のワイヤボンディング方法（順打ちボンディング）を用いて配設されたワイヤ１とを比較するために同一図面に記載したものである。
【００７３】
従来の順打ちボンディングを用いて配設されたワイヤ１は、同図に示されるように半導体素子１０の上面より高く延出したループ形状を有している。これに対し、本実施例に係るワイヤボンディング方法により配設されたワイヤ１６は、先ずインナーリード部１３にワイヤ１６を接続し、続いてワイヤ１６を略Ｌ字状のループ形状で引出し電極パッド１１に接続する、いわゆる逆打ちボンディングによりワイヤ１６を配設している。このため、ワイヤ１６のループを低くすることができる。
【００７４】
また、本実施例に係るワイヤボンディング方法では、逆打ちボンディングと同様の工程によりワイヤ１６を配設するが、上記したように第２のボール部１８はスパーク電極１５を用いてワイヤ１６にスパーク放電により直接形成されるため、少ない工程で逆打ちボンディングと同様の低いループ形状でワイヤ１６を配設しすることが可能となる。
【００７５】
図８は、本発明の一実施例である半導体装置２０を示している。同図に示した半導体装置２０は、上記したワイヤボンディング方法によりワイヤ１６を配設したものである。尚、図８では上記したワイヤボンディング方法を、プラスチックパッケージ構造の半導体装置に適用した例を示している。
【００７６】
半導体装置２０は、大略すると半導体素子１０，ワイヤ１６，リード２２，封止樹脂２１等により構成されている。半導体素子１０はリードフレームの一部を構成するステージ２３上に搭載されている。また、半導体素子１０の上面に形成された電極パッド１１とリード２２のインナーリード部１３との間には、上記したワイヤボンディング方法によりワイヤ１６が配設されている。
【００７７】
また、封止樹脂２１は半導体素子１０及びワイヤ１６を内部に封止するよう配設されており、半導体素子１０及びワイヤ１６を保護する機能を奏している。従って、封止樹脂２１は少なくともワイヤ１６を覆うように配設する必要があり、ワイヤのループが高いとこれに伴い封止樹脂も厚さも大となり、半導体装置が大型化してしまう。
しかるに、上記したように本実施例に係るワイヤボンディング方法を用いることにより、ワイヤ１６のループを低くすることができる。従って、封止樹脂２１の厚さを小さくすることが可能となり、半導体装置２０の低背化を図ることができる。
【００７８】
図９は本発明に係るワイヤボンディング方法の変形例を示している。同図では、上記した本発明に係るワイヤボンディング方法を第１のワイヤ１６と第２のワイヤ２４を上下方向に離間させた状態で重ねた状態で配設するワイヤ接続構造に適用した例を示している。
【００７９】
近年、半導体素子の高密度化に伴う電極パッド数の増大に伴い、図９に示されるように半導体素子１０上に２列となるよう電極パッド１１，２５を配設した構造のものが提供されている（平面的に見ると、この電極パッド１１，２５は直線状に２列或いは千鳥状となるよう２列に配設される場合が多い）。
【００８０】
この種の半導体素子１０においては、各パッド１１，２５から２本のワイヤ１６，２４を引き出す必要があり、従って第１のワイヤ１６及び第２のワイヤ２４を上下方向に離間させた状態で重ねた状態で配設するワイヤ接続構造を取る必要がある。
【００８１】
図９に示す例では、半導体素子１０はベース基板２７に設けられたダイボンディング層２８上に搭載されている。また、ベース基板２７は、上部より第１の配線層２９，第１の絶縁層３０，第２の配線層３１，第２の絶縁層３２をベース材３３に積層配設した積層基板とされている。電極パッド１１は第１のワイヤ１６により第２の配線層３１と電気的に接続され、また電極パッド２５は第２のワイヤ２４により第１の配線層２９と電気的に接続された構成とされている。
【００８２】
上記構成において、第１のワイヤ１６は本発明に係るワイヤボンディング方法により配設されており、また第２のワイヤ２４は従来の順打ちボンディングにより配設されている。上記したように、本発明に係るワイヤボンディング方法により配設される第１のワイヤ１６は、順打ちボンディングにより配設される第２のワイヤ２４のループ高さに比べてそのループ高さが低いため、第１及び第２のワイヤ１６，２４が上下方向を重ねた状態で配設しても、各ワイヤ１６，２４が干渉し短絡してしまうことを確実に防止することができる。
【００８３】
また、従来においては順打ちボンディングにより配設されたループ高さの高いワイヤの上部に、更に離間させてワイヤを配設する必要があったため、全体としてのループ高さは非常に高いものであった。しかるに、第１のワイヤ１６の配設に本発明に係るワイヤボンディング方法を採用することにより、各ワイヤ１６，２４全体としてのループ高さを低くすることができる。
【００８４】
図１０は、本発明に係るワイヤボンディング方法をマルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）に採用した例を示している。マルチ・チップ・モジュールでは、基板３７の上部に複数（図には２個示している）の半導体素子１０，３５を配設した構成とされている。
【００８５】
このように、本発明に係るワイヤボンディング方法は、前記した実施例のように半導体素子１０とインナーリード部１３とを接続するのに限らず、半導体素子１０，３５を直接接続するマルチ・チップ・モジュールにも適用することができる。更に、例えば複数のリード同志をワイヤを用いて接続する等、ワイヤを用いて被接続部材を接合する各種構成において用いることが可能である。
【００８６】
ところで、先に図２３を用いて説明した逆打ちボンデイングは、ステッチディングが行われる電極パッド２ａの配設密度がさほど高くない場合には有効でありワイヤ５のループを低背化することができる。しかるに、図２８及び図２９を用いて説明したように、従来のボールバンプ６の形成方法では、ボールバンプ６の形成時に上面６ａに凹凸や突起６ｂが発生し、これに起因して逆打ちボンデイングを実施することができなかった。従って、ボールバンプ６の形成時に上面６ａを平坦化できれば逆打ちボンデイングを有効に利用することが可能となる。
【００８７】
以下、ボールバンプ６の形成時に上面６ａを平坦化しうるボールバンプ形成方法について、図１１乃至図１６を用いて説明する。尚、図１１乃至図１６において、図１乃至図６に示した構成と同一構成については同一符号を附し、その説明を省略する。
【００８８】
図１１は、本実施例に係るボールバンプ形成方法に用いるキャビラリー４０を示している。図１１（Ａ）はキャビラリー４０の全体を示す正面図であり、図１１（Ｂ）はキャビラリー４０の先端（下端）を拡大して示す断面図である。
キャビラリー４０は、略円筒形状とされたキャピラリー本体４１の先端部（図中、下端）を凸状形状としたことを特徴とするものである。具体的には、キャピラリー本体４１の最先端部の中央位置には接合部４２が突出するよう形成されており、またこの接合部４２と段差を有した位置には平坦面とされた圧接部４３が形成されている。また、キャビラリー４０の中央部には、ワイヤ１６が挿通される挿通孔４４が貫通形成されている。
【００８９】
上記の接合部４２は後述するようにボール部５０を電極パッド１１に接合するのに用いられるものであり、また圧接部４３は後述するように電極パッド１１に形成されたボールバンプ５１を整形処理するのに用いられるものである。
また、図１１に矢印Ｌ１〜Ｌ５で示される各寸法は、例えばＬ１＝9.525,Ｌ２＝1.588,Ｌ３＝0.15〜0.25, Ｌ４＝0.2 〜0.4,Ｌ５＝0.2 〜0.3 のように設定されている（単位はｍｍ）。但し、キャビラリー４０の形状はこれに限定されるものではない。
【００９０】
上記構成とされたキャビラリー４０は、従来のキャビラリー７（図２４及び図２５参照）に比べ単にその先端形状を変更したものであり、また接合部４２及び圧接部４３の形成は、例えば機械加工（切削加工等）により容易に行うことができる。よって、キャビラリー４０に接合部４２及び圧接部４３を形成しても、キャビラリー４０のコストが徒に上昇してしまうようなことはない。
【００９１】
続いて、上記構成とされたキャビラリー４０を用いたボールバンプ形成方法について図１２乃至図１６を用いて説明する。尚、図示の便宜上、図１２乃至図１６におけるキャビラリー４０の形状は図１１に示したキャビラリー形状と異なっているが、実際は同じものを用いている。
【００９２】
ボールバンプ５１を電極パッド１１上に形成するには、先ず図１２に示されるようにキャピラリー４０に挿通され接合部４２から下方に突出したワイヤ１６（金ワイヤ）にボール部５０を形成する。このボール部５０の形成は、先に図１に示したと同様に、スパーク電極（図１２には図示せず）にスパーク放電を起こすことにより形成する。
【００９３】
ワイヤ１６の接合部４２から突出した先端部にボール部５０が形成されると、キャピラリー４０は移動装置により電極パッド１１に近接するよう下動し、図１３に示されるように、キャピラリー４０に形成された接合部４２はボール部５０を電極パッド１１に押圧する。
【００９４】
続いて、超音波振動子が超音波振動を発生させ、これによりキャピラリー４０に形成された接合部４２はボール部５０を被接続部材となる電極パッド１１に超音波溶接する。これにより、ボール部５０は電極パッド１１にボールボンディングされる（以上の処理を接合工程という）。
【００９５】
上記のように電極パッド１１にボール部５０が接合されると、キャピラリー４０は垂直上方に移動する。この際、図示しないクランパはワイヤ１６の送りを規制するため、よってワイヤ１６はボール部５０の上部位置で切断され、図１４に示されるようにボールバンプ５１が形成される（以上の処理をボールバンプ形成工程という）。
【００９６】
しかるに、ボールバンプ形成工程が終了した状態のボールバンプ５１は、その上面５１ａに凹凸や突起が形成されており、よってこの状態のボールバンプ５１に逆打ちボンディング処理を行っても、良好なボンディング処理を行うことができないことは前述した通りである。
【００９７】
そこで、本実施例に係るボールバンプ形成方法では、ボールバンプ形成工程が終了した後に、ボールバンプ５１の整形工程を実施することを特徴とするものである。
整形工程では、先ず図１５に示されるように、キャピラリー４０を水平方向に若干量移動させ、キャピラリー４０に形成されている圧接部４３がボールバンプ５１と対向するよう位置決めを行う。
【００９８】
尚、キャピラリー４０は、電極パッド１１とインナーリード部１３との間にワイヤ１６を配設するものであり、よって上下方向及び水平方向に移動可能な構成とさてれいる。従って、キャピラリー４０を水平方向に移動させる際し、ワイヤボンディング装置の構成を変更する必要はない。
【００９９】
続いて、上記のように圧接部４３がボールバンプ５１と対向した状態を維持しつつキャピラリー４０は下動され、図１５に示されるように圧接部４３はボールバンプ５１を押圧する。
この際、圧接部４３は平坦面とされているため、この圧接部４３を用いてボールバンプ５１を押圧することにより、ボールバンプ形成工程が終了した時点でボールバンプ５１の上面５１ａに形成された凹凸及び突起は圧接部４３により潰されて平坦面に整形される。続いて、キャピラリー４０は再び上動し圧接部４３はボールバンプ５１から離間し、これにより図１６に示されるように上面５１ａが平坦面に整形されたボールバンプ５１が形成される（（以上の処理を整形工程という）。
【０１００】
上記のように、本実施例に係るボールバンプ形成方法によれば、形成工程においてボールバンプ５１の上面５１ａをキャピラリー４０の圧接部４３で押圧整形することにより、ボールバンプ５１の上面５１ａを平坦面とすることができる。よって、その後に逆打ちボンディング処理を実施し、ボールバンプ５１上にワイヤ１６をボンディングしようとした場合、ボールバンプ５１とワイヤ１６との接合性を向上させることができ、強度の高いボンディングを行うことができる。
【０１０１】
また整形工程において、図１１に示した先端部に接合部４２及び圧接部４３が形成されたキャピラリー４０を用いることにより、接合工程，ボールバンプ形成工程，及び形成工程をひとつのキャピラリー４０で連続的に行うことが可能となり、よってボールバンプ５１の形成処理を効率的に行うことができる。
【０１０２】
続いて、上記のように電極パッド１１上に形成されたボールバンプ５１とインナーリード部１３との間に逆打ちボンディングを行う方法について図１７乃至図２１を用いて説明する。尚、図１７乃至図２１においても、図１乃至図６に示した構成と同一構成については同一符号を附し、その説明を省略する。
【０１０３】
ボールバンプ５１（電極パッド１１）とインナーリード部１３とをワイヤ１６で接続するには、先ず図１７に示されるようにキャピラリー４０の接合部４２から下方に突出したワイヤ１６にボール部１７を形成する。このボール部１７はスパーク電極１５にスパーク放電を起こすことにより形成する。
【０１０４】
ワイヤ１６の先端部にボール部１７が形成されると、キャピラリー４０は移動装置によりインナーリード部１３に近接するよう移動し、図１８に示されるようにボール部１７をインナーリード部１３に押圧する。続いて、超音波振動子が超音波振動を発生させ、接合部４２はボール部１７をインナーリード部１３に超音波溶接する（ボールボンディングによる１ｓｔボンディング）。
【０１０５】
上記のようにインナーリード部１３にワイヤ１６（ボール部１７）が接合されると、キャピラリー４０は垂直上方に移動すると供に、続いて水平方向に移動する。この際、キャピラリー４０の垂直上方移動は、半導体素子１０の上面より若干高い位置まで行われ、また水平方向はキャピラリー４０がボールバンプ５１の上部位置に至るまで行われる。これにより、ワイヤ１６は図１９に示されるように、インナーリード部１３より垂直上方に延出した垂直部と水平方向に延出した水平部とを有した略逆Ｌ字状のループ形状となる。
【０１０６】
上記のようにワイヤ１６がボールバンプ５１の上部位置まで引き出されると、続いてキャピラリー４０は下動し、接合部４２はワイヤ１６をボールバンプ５１に押圧すると共に超音波振動子に超音波振動を発生させる。よって図２０に示されるように、ワイヤ１６は接合部４２によりボールバンプ５１に超音波溶接される（ステッチボンディングによる２ｎｄボンディング）。
【０１０７】
この際、上記したように、ボールバンプ５１の上面５１ａは平坦面とされているため、ワイヤ１６をボールバンプ５１に確実に接合することができ、ワイヤ１６とボールバンプ５１との接合強度は増大し、ワイヤボンディング処理の信頼性を向上させることができる。
【０１０８】
上記のようにワイヤ１６がボールバンプ５１（電極パッド１１）に接合されると、キャピラリー４０は上動し図２１に示す状態となる。このキャピラリー４０が上動する際、ワイヤ１６は図示しないクランパにより送り出しが規制されるため、キャピラリー４０の上動によりワイヤ１６は接合位置で切断される。これにより、１本のワイヤ１６に対する逆打ちボンディング処理が終了する。
【０１０９】
続いて、図１７に示すボール部１７の形成が再び行われ、その後は上記してきた図１７乃至図２１に示す処理が繰り返し行われることにより、連続的にワイヤ１６のワイヤボンディング処理が行われる。これにより、各ボールバンプ５１とインナーリード部１３との間にワイヤ１６が配設される。
【０１１０】
上記した逆打ちボンディング処理では、前記したボールバンプ形成処理で使用したキャピラリー４０をそのまま用いて逆打ちボンディング処理を行えるため、ボールバンプ５１の形成とワイヤ１６の逆打ちボンディング処理を連続的に行うことが可能となり、ワイヤボンディング処理全体としての効率化を図ることができる。また、ワイヤボンディング装置もひとつの装置でボールバンプ形成処理及び逆打ちボンディング処理を行えるため、設備の簡単化を図ることもできる。
【０１１１】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、下記の種々の効果を実現することができる。
請求項１記載のワイヤボンディング方法によれば、第２の接合工程においてワイヤを第２の被接続部材に接合する際、ボール部形成工程においてワイヤに形成される第２のボール部は、逆打ちボンディングのボールバンプと同等の機能を奏するため、ワイヤを第２の被接続部材に接合しても半導体素子に損傷が発生することを防止することができる。
【０１１２】
また、第２のボール部はワイヤに形成されるため、ワイヤボンディング処理と別個にボールバンプを形成するための処理を行う必要はなくなり、ワイヤボンディング処理を効率良く行うことが可能となる。
更に、第２のボール部を第２の被接続部材に接合する処理は、いわゆるボールボンディング処理となるためボンディングに必要な領域は小さくて済み、高密度化され多数の電極を有する半導体素子に対し、確実にワイヤボンディング処理を行うことができる。
【０１１３】
また、請求項２記載の発明によれば、第２のボール部の形成後もワイヤはキャピラリーと接続された状態を維持するため、第２の接合工程において、第２のボール部を電極パッド上に確実に位置決めすることが可能となり、よって第２のボール部を電極パッドに確実に接合することができる。
【０１１４】
また、請求項３記載の発明によれば、第２のボール部を容易に形成することができる。また、一般にスパーク放電は第１のボール部の形成方法として行われているものであるため、ワイヤボンディング装置に特に構成の変更を加えことなく請求項１記載のワイヤボンディング方法を行うことが可能となる。
【０１１６】
また、請求項４記載のワイヤボンディング方法によれば、第１のワイヤを低く配設することができることにより、第１のワイヤの上部に容易に第２のワイヤを形成することが可能となる。よって、ワイヤ配置の高密度化を図ることができると共に、第１及び第２のワイヤが干渉することを防止することができる。
【０１１８】
また、請求項５記載の発明によれば、ワイヤとして比較的柔らかい金細線を用いると共に少なくとも第２のボール部と第２の被接続部材との接合をダメージの少ないボールボンディングを用いて接合したことにより、ワイヤボンディング時において第２の被接続部材に対するダメージの軽減を図ることができる。
【０１１９】
また、請求項６記載の発明によれば、
半導体素子に形成された電極部とワイヤとがワイヤに形成された第２のボール部により直接接合されることにより、半導体素子に印加されるダメージの軽減を図ることができる。また、ワイヤが略Ｌ字状のループ形状を形成するよう配設されることにより、半導体装置の薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１のボール部の形成方法を説明するための図である。
【図２】第１のボール部をリードフレームに接合する方法を説明するための図である。
【図３】ワイヤを電極パッドまで引き出した状態を示す図である。
【図４】第２のボール部の形成方法を説明するための図である。
【図５】第２のボール部を電極パッドに接合する方法を説明するための図である。
【図６】第２のボール部が電極パッドに接合された状態を示す図である。
【図７】本発明に係るワイヤボンディング方法によるワイヤのループと、従来のワイヤボンディング方法によるワイヤのループとを比較して示す図である。
【図８】本発明に係る半導体装置の断面図てある。
【図９】本発明に係るワイヤボンディング方法の変形例を説明するための図である。
【図１０】本発明に係るワイヤボンディング方法をＭＣＭに適用した例を示す図である。
【図１１】本発明に係るキャピラリーを説明するための図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は先端部近傍を拡大して示す断面図である。
【図１２】ボールバンプを形成する方法を示す図であり、金ボールを形成した状態を示す図である。
【図１３】金ボールを電極パッドに接合した状態を示す図である。
【図１４】ボールバンプが形成された状態を示す図である。
【図１５】ボールバンプを整形する処理を示す図である。
【図１６】整形されたボールバンプを示す図である。
【図１７】ボールバンプにワイヤを接合するワイヤボンディング処理を示しており、ワイヤにボール部を形成する方法を説明するための図である。
【図１８】ボール部をリードフレームに接合する方法を説明するための図である。
【図１９】ワイヤをボールバンプまで引き出した状態を示す図である。
【図２０】ワイヤをボールバンプに接合している状態を示す図である。
【図２１】ワイヤがボールバンプに接合された状態を示す図である。
【図２２】従来の順打ちボンディングを説明するための図である。
【図２３】従来の逆打ちボンディングを説明するための図である。
【図２４】ボールボンディングを説明するための図である。
【図２５】ステッチボンディングを説明するための図である。
【図２６】（Ａ）はボールボンディングを用いてワイヤを電極パッドに接合した状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は接合位置を平面視した状態を示す図である。
【図２７】（Ａ）はステッチボンディングを用いてワイヤをインナーリードに接合した状態を示す斜視図であり、（Ｂ）は接合位置を平面視した状態を示す図である。
【図２８】従来の逆打ちボンディングの問題点を説明するための図である。
【図２９】従来の逆打ちボンディングの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，３５ 半導体素子
１１，２５，３６ 電極パッド
１２ リードフレーム
１３ インナーリード部
１４，４０ キャピラリー
１５ スパーク電極
１６，２４ ワイヤ
１７ 第１のボール部
１８ 第２のボール部
２０ 半導体装置
２１ 封止樹脂
２２ リード
２６ 第３のボール部
２７ ベース基板
３７基板
４２ 接合部
４３ 圧接部
５０ ボール部
５１ ボールバンプ

Claims (6)

  1. ワイヤに第１のボール部を形成すると共に、前記第１のボール部をリードフレームに接合する第１の接合工程と、
    前記リードフレームに対する接合位置より前記ワイヤを、略垂直方向に引き出し、続いて前記ワイヤを略直角に屈曲されるように水平方向に引き出した後、前記ワイヤの所定位置に第２のボール部を形成するボール部形成工程と、
    形成された第２のボール部を半導体素子の電極パッドに接合する第２の接合工程と
    を具備することを特徴とするワイヤボンディング方法。
  2. 請求項１記載のワイヤボンディング方法において、
    前記ボール部形成工程で前記第２のボール部を形成する際、前記ワイヤが連続した状態を維持させつつ前記第２のボール部を形成することを特徴とするワイヤボンディング方法。
  3. 請求項１または２記載のワイヤボンディング方法において、 少なくとも前記第２のボール部をスパーク放電を用いて形成したことを特徴とするワイヤボンディング方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のワイヤボンディング方法により第１のワイヤを配設した後に、
    第２のワイヤに第３のボール部を形成すると共に前記第３のボール部を前記半導体素子の第２の電極パッドに接合し、
    続いて、前記第２の電極パッドに対する接合位置より前記第２のワイヤを前記第１のワイヤの上部にループを形成するよう引き出すと共に、前記リードフレームにステッチボンディングすることを特徴とするワイヤボンディング方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のワイヤボンディング方法において、
    前記ワイヤとして金細線を用いると共に、少なくとも第２のボール部と第２の被接続部材とをボールボンディングを用いて接合したことを特徴とするワイヤボンディング方法。
  6. 半導体素子と、リードと、前記半導体素子と前記リードとを接続するワイヤとを具備する半導体装置において、
    前記リードと前記ワイヤとが、前記ワイヤに形成された第１のボール部により直接接合されると共に、
    前記半導体素子に形成された電極部と前記ワイヤとが、前記ワイヤに形成された第２のボール部により直接接合された構成とされており、
    かつ、前記ワイヤが前記リードとの接合位置より略垂直に延在する垂直部と、前記半導体素子と前記ワイヤとの接合位置より略水平方向に延在する水平部とを有する略Ｌ字状のループ形状を有することを特徴とする半導体装置。
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