JP3902640B2 - ワイヤボンディング方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置内のワイヤボンディング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の半導体装置のワイヤボンド構造を示したものである。金属、樹脂、セラミック等でできたフレーム２の上に、接着材料を用いて半導体チップ１を装着し、半導体チップ１上のボンディングパッド３とフレーム２上のボンディング電極４を金ワイヤ５によって接続した構造をしている。図７はこの構造を実現する方法を示したものである。
【０００３】
（１）キャピラリ６を貫通する金ワイヤ５の先端に、放電または水素炎を用いて微小金ボール８を形成する（図７（１））。
（２）キャピラリ６を下降し微小金ボール８を半導体チップ１上のボンディングパッド３に圧接し第一ボンディングを形成する（図７（２））。通常このボンディング方法はボールボンディング法と呼ばれ、熱圧着または熱圧着に超音波振動を加えて、微小金ボール８とボンディングパッド３の金属間で合金を形成して接合強度を確保している。
（３）キャピラリ６をわずかに上昇させた後横方向に移動させ、フレーム２上のボンディング電極４に金ワイヤ５を圧接し、第二ボンディングを形成する（図７（３））。この際、キャピラリ６の先端部によって、金ワイヤ５を押し潰すため金ワイヤ５に亀裂が入る。通常このボンディング方法はウェッジボンディング法と呼ばれ、ボールボンディング法の場合と同様に熱、圧力、振動を組み合わせて金ワイヤ５とボンディング電極４上の金属間で合金を形成して接合強度を確保している。
（４）キャピラリ６をわずかに上昇させた後、ワイヤクランパ９で金ワイヤ５をクランプし、そのままキャピラリ６、ワイヤクランパ９を上昇させ、金ワイヤ５を亀裂が生じている部位から切断する（図７（４））。
以上の動作を繰り返すことにより、図６の構造が形成される。
【０００４】
このウェッジボンディング法を用いる第二ボンディング部の接合はボールボンディング法を用いる第一ボンディング部の接合に比較して一般に接合面積が小さいため、接合強度が弱い点及び、接合に必要なボンディングエリアが大きくなる点が知られている。
例えば、図６の構造でボンディング電極４の表面が、Ｃｕ、Ｎｉ、フラッシュ金メッキ等の場合、ウェッジボンディング法による接合では接合強度が得られない場合がある。
【０００５】
そのような場合のボンディング方法の一例を図８に示す。
（１）図７（１）、（２）で説明した手順によりフレーム２上のボンディング電極４にボールボンディングを行う（図８（１））。ここで、金ワイヤ５の先端に形成された微小金ボール８は溶融後再結晶化して形成されているため、ボールネック部は部分的に脆い性質を有している。
（２）キャピラリ６をわずかに上昇させた後、ワイヤクランパ９で金ワイヤ５をクランプし、そのままキャピラリ６、ワイヤクランパ９を上昇させ、金ワイヤ５を微小金ボール８のネック部から切断し、ボールボンディング法による金バンプ１０を形成する（図８（２））。
（３）図７（１）〜（４）で説明した手順で、第一ボンディング、第二ボンディングを行う（図８（３）〜（６））。このとき、特に第二ボンディングは図８（２）で形成した金バンプ１０の上に行う。
【０００６】
この方法では、予め、ボンディング電極４にボールボンディング法により十分接合強度のある金バンプ１０を形成し、その後金バンプ１０と金ワイヤ５を接合しているため、第二ボンディングの接合強度が得られている。
【０００７】
図９はいわゆる、リバースボンドと呼ばれるボンディング方法を示したものである。通常のボンディング方法では、第一ボンディングを半導体チップ１上のボンディングパッド３に行い、第二ボンディングをフレーム２上のボンディング電極４に行うのが一般的であるが、リバースボンディング法では、第一、第二ボンディングを逆に行う。このリバースボンディング法は、ワイヤループ高さを低くしたり、隣接するワイヤとの接触を避けたりする必要がある場合に使用される。この方法を使う場合の課題は、一般に半導体チップ１上のボンディングパッド３は、ウェッジボンディング用に設計されていないため、そのパッドサイズが小さい点にある。そのためリバースボンディング法を行う際には、次のようにする。
【０００８】
（１）図８（１）、（２）を用いて説明した方法と同一手順で、予め半導体チップ１上のボンディングパッド３上にボールボンディング法により金バンプ１０を形成する（図９（１））。
（２）フレーム２上のボンディング電極４に第一ボンディングを行う（図９（２））。
（３）半導体チップ１上の金バンプ１０上に第二ボンディングを行う（図９（３）、（４））。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第二ボンディングとして予め形成している金バンプ１０上にウェッジボンドを行う従来の方法については、いくつかの課題がある。以下図を用いて説明する。
【００１０】
（Ａ）図１０は金バンプ１０上にウェッジボンディング法により第二ボンディングを行う状況を拡大した図である。同図（１）は金バンプ１０上にキャピラリ６で金ワイヤ５を圧接しているところであるが、金ワイヤ５と金バンプ１０は同一硬度を有しているため、金ワイヤ５の潰れ量は小さく、金ワイヤ５を切断するのに十分な亀裂１１が金ワイヤ５に生じない。そのため、同図（２）、（３）で示すように金ワイヤ５をクランプして上方に引っ張り上げた際、金バンプ１０側の金ワイヤ５に上方へ延びるテール残り１２が発生し、このテール残り１２が、他の隣接する金ワイヤ５、ボンディングパッド３とショートする可能性がある。また、最近は電子機器の小型化、薄型化に伴い、半導体装置そのものの薄型化が進んでいるためワイヤボンディングも低ループの要求が強まっているが、このテール残り１２が問題である。
【００１１】
（Ｂ）金ワイヤ５に十分な亀裂１１が生じていない状態で金ワイヤ５を無理やり引きちぎった場合、キャピラリ６側の金ワイヤ５が伸びるとともに引きちぎられるときにワイヤ変形１３が生じる。このように金ワイヤ５が伸びて変形した状態のまま、引き続きワイヤボンディング動作を行った場合、半導体チップ１上のボンディングパッド３とフレーム２上のボンディング電極４を接続するワイヤの直進性が確保できないため、隣接金ワイヤ間でショートする可能性がある。図１２はこのようなワイヤ直進性に問題がある金ワイヤ５の状態を示したものである。
【００１２】
（Ｃ）図１１は従来方式の他の課題を示す図である。金ワイヤ５に十分な亀裂が生じない状態で、金ワイヤ５を引きちぎった場合、金ワイヤ５の切断箇所は一定しないため、金ワイヤ５切断後のキャピラリ６の先端より飛び出しているワイヤリード１５の長さがばらつく。ボールボンディング法を用いたワイヤボンディングの場合、通常この後、放電電極１４と金ワイヤ５の先端で放電を行い微小金ボール８を形成するが、ワイヤリード１５の長さがばらつくと放電距離が異なるため、形成される微小金ボール８のサイズがばらつくことになり、後続のボールボンディングの接合強度がばらつくおそれがある。
【００１３】
本発明の目的は、上記課題を解決し、金属バンプ上方に延びるテール残りの発生を低減するとともにボンディングを安定的に行うことができるワイヤボンディング方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のワイヤボンディング方法は、半導体チップ上のボンディングパッドと、該半導体チップを装着するフレーム上のボンディング電極とのいずれか一方を第一ボンディング点、他方を第二ボンディング点とし、キャピラリにより前記第一ボンディング点に金属ワイヤを接続した後、前記第二ボンディング点に予め形成された金属バンプに前記金属ワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面に押しつけて該金属バンプに前記金属ワイヤを圧接する段階と、前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面と略等しい高さまで上昇させる段階と、前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面に沿って、前記第一ボンディング点の方向とは逆方向にわずかに移動させる段階と、金属ワイヤをクランプした状態で上方に引き上げる段階とを含んでいる。
【００１５】
前記「わずかに移動させる」距離としては、特に限定されないが、金属ワイヤの直径の約４０〜１２０％とすることを例示する。
【００１６】
この方法によれば、キャピラリ先端部により前記「金属ワイヤを圧接する段階」で前記金属ワイヤに小さな亀裂を生じさせ、前記「移動させる段階」で該亀裂を拡大させるようにしているので、前記「引き上げる段階」では大きな亀裂が生じている部位で前記金属ワイヤが無理なく簡単に切断される。これにより、次の作用効果が得られる。
（ａ）従来とは異なり前記金属ワイヤが無理に引きちぎられることがないので、前記金属バンプ上方に延びるテール残りを抑えることが可能になる。従って、テール残りによる隣接端子間の接触が防止できる。しかも、テール残りがないため第二ボンディング部の高さを低く抑えることが可能になり、薄型半導体装置に最適なボンディング方法を提供できる。
（ｂ）前記金属ワイヤの切断時に過度の引っ張り応力を与えることがないので、該金属ワイヤの変形が防止でき、直進性のよいワイヤボンディングが可能になる。その結果、隣接ワイヤ間の接触が防止できる。
（ｃ）亀裂が生じている部位で安定的に前記金属ワイヤが切断されるので、該切断後に前記キャピラリ先端より飛び出しているワイヤリードの長さが略一定になる。このため、該金属ワイヤの先端に形成する微小金ボールの大きさが安定するので、第一ボンディングを安定的に行うことができる。
【００１７】
また、前記ワイヤボンディング方法としては、特に限定されないが、次の態様を例示する。
（１）前記移動させる段階の次に、キャピラリ先端部を下降させて金属バンプを押し潰す段階を含んだ態様。
（２）前記移動させる段階の次に、前記第一ボンディング点の方向にわずかに逆移動させる段階を含んだ態様。
（３）前記移動させる段階の次に、前記キャピラリをわずかに上昇させる段階と、前記金属ワイヤをクランプした状態で前記キャピラリを第一ボンディング点の方向にわずかに逆移動させる段階とを含んだ態様。
【００１８】
ここで、前記「わずかに逆移動させる」距離としては、特に限定されないが、金属ワイヤの直径の約４０〜１２０％とすることを例示する。また、前記「わずかに上昇させる」距離としては、特に限定されないが、約０．５〜１ｍｍとすることを例示する。
【００１９】
以上の態様によれば、前記金属ワイヤがさらに無理なく簡単に切断されるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態例のワイヤボンディング方法について図面を参照しながら説明する。
図１及び図２は、本発明の第一実施形態のワイヤボンディング方法の工程を図示した断面図である。本例で使用するワイヤボンディング装置は、中心に金ワイヤ５を通すための貫通穴が形成され、該貫通穴から先方に突出する金ワイヤ５を先端部でボンディング点に押し付けるキャピラリ６と、該キャピラリ６の上方で金ワイヤ５をクランプしたり開放したりするワイヤクランパ９と、キャピラリ６及びワイヤクランパ９を水平及び昇降移動させる駆動機構（図示略）とを備えている。本例では、金属、樹脂、セラミック等でできたフレーム２の上に、接着材料を用いて半導体チップ１を装着し、フレーム２上のボンディング電極４を第一ボンディング点とし、半導体チップ１上のボンディングパッド３を第二ボンディング点として、金ワイヤ５で接続する場合を工程順に説明する。
【００２１】
（１）従来例と同一手順（図７（１）、（２）参照）により、予め第二ボンディング点としてのボンディングパッド３上にボールボンディング法で金バンプ１０を形成する（図１（１））。
【００２２】
（２）第一ボンディング点としてのボンディング電極４に第一ボンディングを行う（図１（２））。
【００２３】
（３）キャピラリ６を上昇させながら第二ボンディング点としてのボンディングパッド３の方向に移動させる（図１（３））。
【００２４】
（４）金バンプ１０の第一ボンディング側の縁部に、キャピラリ６の先端で金ワイヤ５を圧接する（図１（４））。金ワイヤ５と金バンプ１０とは同一硬度を有しているため、この段階では、図２（ａ）に示すように金ワイヤ５のつぶれ量は小さく、小さな亀裂１１が生じるが、金ワイヤ５を切断するのに十分なものが確実には生じない。
【００２５】
（５）金ワイヤ５をクランプせずに、金バンプ１０の高さもしくはわずかに高い位置までキャピラリ６を上昇させる（図１（５））。
【００２６】
（６）キャピラリ６の先端を金バンプ１０上を滑らせるように第一ボンディング点の方向と逆の方向へ移動させる（図１（６））。本例では、このときの移動距離は、金ワイヤ５の直径の約４０〜１２０％分（例えば直径２５μｍの金ワイヤ５の場合であれば１０〜３０μｍ）としている。このとき、図２（ｂ）に示すようにキャピラリ６の先端により、金ワイヤ５が金バンプ１０上に擦りつけられ、金ワイヤ５の亀裂１１が拡大して切断されるか、又は金ワイヤ５が簡単に切断可能な大きさの亀裂１１となる。
【００２７】
（７）次のボンディング用に微小金ボール８を形成するために必要なワイヤリード１５の長さ分だけキャピラリ６を上昇させる（図１（７））。
【００２８】
（８）ワイヤクランパ９を閉じ、金ワイヤ５をクランプした状態でキャピラリ６とワイヤクランパ９を上昇させる（図１（８））。すると、金ワイヤ５は大きな亀裂１１が生じている部位で無理なく簡単に切断される。
【００２９】
以上を繰り返すことにより、半導体装置のワイヤボンド構造を形成する。
【００３０】
このように本発明のワイヤボンディング方法によれば、キャピラリ６先端部により、前記（４）の段階（金属ワイヤを圧接する段階）で金ワイヤ５に小さな亀裂１１を生じさせ、前記（６）の段階（移動させる段階）で亀裂１１を拡大させるようにしているので、前記（８）の段階（引き上げる段階）では大きな亀裂１１が生じている部位で金ワイヤ５が無理なく簡単に切断される。これにより、次の作用効果が得られる。
（ａ）従来とは異なり金ワイヤ５が無理に引きちぎられることがないので、金バンプ１０上方に延びるテール残りを抑えることが可能になる。従って、テール残りによる隣接端子間の接触が防止できる。しかも、テール残りがないため第二ボンディング部の高さを低く抑えることが可能になり、薄型半導体装置に最適なボンディング方法を提供できる。
（ｂ）金ワイヤ５の切断時に過度の引っ張り応力を与えることがないので、金ワイヤ５の変形が防止でき、直進性のよいワイヤボンディングが可能になる。その結果、隣接ワイヤ間の接触が防止できる。
（ｃ）亀裂１１が生じている部位で安定的に金ワイヤ５が切断されるので、該切断後にキャピラリ６先端より飛び出しているワイヤリード１５の長さが略一定になる。このため、金ワイヤ５の先端に形成する微小金ボール８の大きさが安定するので、第一ボンディングを安定的に行うことができる。
【００３１】
次に、図３は本発明を具体化した第二実施形態のワイヤボンディング方法を示している。本実施形態は、第一実施形態の（７）、（８）に代えて、次の段階を行うようにしている点において、主に第一実施形態と相違している。従って、第一実施形態と共通する部分については、同実施形態と同一符号を付することにより重複説明を省く（他の実施形態についても同様）。
【００３２】
具体的には、本実施形態では、第一実施形態の（１）〜（６）に引き続いて、次の段階を行う。
（１）キャピラリ６を下降させて、金ワイヤ５とともに金バンプ１０（具体的には金バンプ１０の頂部）を押し潰す（図３（１））。
（２）第一実施形態の（７）と同様に、微小金ボール８を形成するために必要なワイヤリード１５の長さ分だけキャピラリ６を上昇させる（図３（２））。
（３）第一実施形態の（８）と同様に、ワイヤクランパ９を閉じ、金ワイヤ５をクランプした状態でキャピラリ６とワイヤクランパ９を上昇させ、金ワイヤ５を亀裂１１が生じている部位で切断する（図３（３））。
【００３３】
本実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果に加え、金ワイヤ５がさらに無理なく簡単に切断されるようになる。さらに、本実施形態の（１）では、金ワイヤ５とともに金バンプ１０を押し潰すようにしているので、金バンプ１０及び金ワイヤ５間におけるウェッジボンディングの接合強度が安定する。
【００３４】
次に、図４は本発明を具体化した第三実施形態のワイヤボンディング方法を示している。本実施形態は、第一実施形態の（７）、（８）に代えて、次の段階を行うようにしている点において、主に第一実施形態と相違している。
【００３５】
具体的には、本実施形態では、第一実施形態の（１）〜（６）に引き続いて、次の段階を行う。
（１）キャピラリ６を、金ワイヤ５の直径分程度第一ボンディング点の方向に逆移動させて、金ワイヤ５上の亀裂１１をさらに確実にする（図４（１））。
（２）第一実施形態の（７）と同様に、微小金ボール８を形成するために必要なワイヤリード１５の長さ分だけキャピラリ６を上昇させる（図４（２））。
（３）第一実施形態の（８）と同様に、ワイヤクランパ９を閉じ、金ワイヤ５をクランプした状態でキャピラリ６とワイヤクランパ９を上昇させ、金ワイヤ５を亀裂１１が生じている部位で切断する（図４（３））。
【００３６】
本実施形態によっても、第一実施形態と同様の効果に加え、金ワイヤ５がさらに無理なく簡単に切断されるようになる。
【００３７】
次に、図５は本発明を具体化した第四実施形態のワイヤボンディング方法を示している。本実施形態は、第一実施形態の（７）（８）に代えて、次の段階を行うようにしている点において、主に第一実施形態と相違している。
【００３８】
具体的には、本実施形態では、第一実施形態の（１）〜（６）に引き続いて、次の段階を行う。
（１）第一実施形態の（７）と同様に、微小ボールを形成するために必要なワイヤリード１５の長さ分だけキャピラリ６を上昇させる（図５（１））。
（２）ワイヤクランパ９を閉じ、金ワイヤ５クランプする（図５（２））。
（３）キャピラリ６を金ワイヤ５の直径分程度第一ボンディングの方向に逆移動させて、金ワイヤ５上の亀裂１１をさらに確実にする（図５（３））。
（４）第一実施形態の（８）と同様に、金ワイヤ５をクランプした状態でキャピラリ６とワイヤクランパ９を上昇させ、金ワイヤ５を亀裂１１が生じている部位で切断する（図５（４））。
【００３９】
本実施形態によっても、第一実施形態と同様の効果に加え、金ワイヤ５がさらに無理なく簡単に切断されるようになる。
【００４０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）半導体チップ１上のボンディングパッド３を第一ボンディング点とし、フレーム２上のボンディング電極４を第二ボンディング点とすること。
（２）金ワイヤ５に代えて、他の材質の金属ワイヤを使用すること。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係るワイヤボンディング方法によれば、金属バンプ上方に延びるテール残りの発生を低減するとともにボンディングを安定的に行うことができるという優れた効果を奏する。
【００４２】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施形態に係るワイヤボンディング方法の手順を説明する図である。
【図２】 同ワイヤボンディング方法の途中の段階における状態を示す拡大図である。
【図３】 本発明の第二実施形態に係るワイヤボンディング方法の手順を説明する図である。
【図４】 本発明の第三実施形態に係るワイヤボンディング方法の手順を説明する図である。
【図５】 本発明の第四実施形態に係るワイヤボンディング方法の手順を説明する図である。
【図６】 従来の半導体装置のワイヤボンド構造を示した図である。
【図７】 従来の半導体装置のワイヤボンド構造を実現する手順を示した図である。
【図８】 従来の金バンプ上へのウェッジボンディング法の手順を示した図である。
【図９】 従来の金バンプ上へのウェッジボンディング法の手順を示した図である。
【図１０】 従来の金バンプ上へのウェッジボンディング法の拡大図である。
【図１１】 微小金ボールの大きさがばらつく原理を説明した図である。
【図１２】 金ワイヤの変形を示した図である。
【符号の説明】
１ 半導体チップ
２ フレーム
３ ボンディングパッド
４ ボンディング電極
５ 金ワイヤ
６ キャピラリ
８ 微小金ボール
９ ワイヤクランパ
１０ 金バンプ
１１ 亀裂
１２ テール残り
１３ ワイヤ変形
１４ 放電電極
１５ ワイヤリード

Claims (4)

  1. 半導体チップ上のボンディングパッドと、該半導体チップを装着するフレーム上のボンディング電極とのいずれか一方を第一ボンディング点、他方を第二ボンディング点とし、キャピラリにより前記第一ボンディング点に金属ワイヤを接続した後、前記第二ボンディング点に予め形成された金属バンプに前記金属ワイヤを接続するワイヤボンディング方法であって、
    前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面に押しつけて該金属バンプに前記金属ワイヤを圧接する段階と、
    前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面と略等しい高さまで上昇させる段階と、
    前記キャピラリ先端部を前記金属バンプ上面に沿って、前記第一ボンディング点の方向とは逆方向にわずかに移動させる段階と、
    金属ワイヤをクランプした状態で上方に引き上げる段階とを含むワイヤボンディング方法。
  2. 前記移動させる段階の次に、キャピラリ先端部を下降させて金属バンプを押し潰す段階を含む請求項１記載のワイヤボンディング方法。
  3. 前記移動させる段階の次に、前記第一ボンディング点の方向にわずかに逆移動させる段階を含む請求項１記載のワイヤボンディング方法。
  4. 前記移動させる段階の次に、前記キャピラリをわずかに上昇させる段階と、
    前記金属ワイヤをクランプした状態で前記キャピラリを第一ボンディング点の方向にわずかに逆移動させる段階とを含む請求項１記載のワイヤボンディング方法。
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