JP4255442B2 - ワイヤ・ボンド・インダクタを有する半導体装置および方法 - Google Patents

ワイヤ・ボンド・インダクタを有する半導体装置および方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に半導体装置に関し、より詳しくは、同一の半導体パッケージに収容された半導体ダイおよびインダクタにより形成された集積回路に関する。
電子システムの製作者は、機能レベルが高く、かつ、物理的サイズがより小さい集積回路を求め続けている。かかる要求は、特に携帯無線通信装置に関して顕著であるが、典型的には何百個もの個別の受動素子を用いるために装置のサイズが制限され、２．５ギガヘルツ以上の周波数で動作させるには、これらの素子が未だ首尾よく集積されていない。高周波用インダクタは、寄生基板容量および渦電流による性能劣化を生じることから、半導体ダイ上に集積するのが特に難しいことが判明している。
インダクタの集積に関する従来のアプローチの１つは、同一の半導体ダイ上に、平面スパイラル・インダクタおよび関連する回路類を形成するというものである。しかしながら、平面スパイラル・インダクタのＱ値は、主に上述の寄生基板容量および渦電流のために低減する。さらに、追加の処理工程を要すること、および、平面インダクタが広いダイ・エリアが占めることによって製造コストが高くなり、その結果、このアプローチを採用する多くのアプリケーションは非経済的なものなる。
他のアプローチは、同一の集積回路パッケージ内に個別のチップ・インダクタおよび半導体ダイを収容するというものである。チップ・インダクタは高いＱ値を有するが、コンポーネントの配置およびインダクタの実装に必要なリフローはんだ付け処理工程のために、全体として製造コストが高くなる。さらに、既存の個別のチップ・インダクタの物理的サイズが大きいため、パッケージされた集積回路の外形が大きくなり、多くのアプリケーション内での使用を妨げている。
従って、製造コストが安く、物理的サイズが小さく、かつ高性能である、インダクタを集積する集積回路およびその方法に対する要求がある。
図面において、同一の参照番号を有する要素は、同様の機能を有する。
図１は、集積回路（ＩＣ）１０として構成された半導体装置の等角図であり、半導体ダイ２０およびワイヤ・ボンド・インダクタ３０，５０を含み、これらは全て半導体パッケージ４０内に収容されている。ある実施例において、集積回路１０は、デュアルバンドの無線通信装置（図示せず）で使用される高周波発振器として機能する。従って、集積回路１０は、約８００メガヘルツまたは約２．４ギガヘルツのいずれかで動作する高周波信号を生成する。
半導体パッケージ４０は、半導体ダイ２０を実装するためのダイ接合フラッグ４２を含む。複数のリード４４は、外部回路類（図示せず）へ電気的な接続を提供する。複数のワイヤ・ボンド４６およびワイヤ・ボンド４６Ａは、リード４４と複数のボンディング・パッド２５との間に接合され、外部回路類と半導体ダイ２０との間で信号を経由させる。パッケージ４０は、損傷および腐食から集積回路１０を保護するために、モールドされた封止剤４５を含む。
半導体ダイ２０は単結晶シリコン・チップであり、その上部表面２１は、１対の電圧可変キャパシタ２３，２４を有する電圧制御発信器（ＶＣＯ）２２で形成される。キャパシタ２３とインダクタ３０とは並列に接続されて、ＶＣＯ２２の動作周波数を２．４ギガヘルツに設定する第１タンク回路として動作し、一方、キャパシタ２４とインダクタ５０とは並列に接続されて、８００メガヘルツの動作周波数を設定する第２タンク回路として動作する。
ワイヤ・ボンド４６，４６Ａは標準的なワイヤ・ボンドであり、ボンディング・パッド２５とリード４４との間において、それぞれの接合点または接続点間に形成される。ワイヤ・ボンド４６，４６Ａのそれぞれは、ワイヤ・ボンディング・ツールを使用して形成され、そのツールがボンディング・ワイヤをボンディング・パッド２５の１つの上面にある第１接合点に接合または溶接する。その後、ボンディング・ワイヤがキャピラリを通って供給され、リード４４の１つの上面にある第２接合点に移動する。ワイヤ・ボンディング・ツールは、第１および第２接合点の位置を決め、かつ、半導体ダイ、パッケージ、およびボンディング・ワイヤの物理的性質によって決定される最適の高さにボンディング・ワイヤをループするようにプログラムされる。
多種多様な半導体パッケージ上にワイヤ・ボンドを形成するために、ワイヤ・ボンディング・ツールは、３つの軸運動、すなわち、上部表面２１と共面の基準平面７１によって示されるようなＸおよびＹ軸運動、および、平面７１に垂直なＺ軸運動、が可能なメカニズム有する。現代のワイヤ・ボンディング・ツールは、接合点の位置を決め、かつ、ポイント・ツー・ポイント方式でワイヤを接合するようにプログラムされる。しかしながら、多数のピンを有する装置において丈夫かつ信頼できるワイヤ・ボンディングを形成するためには、ワイヤ・ボンド・インダクタンスを最小限にすることに加えて、ワイヤ・ボンディング・ツールは、標準的なワイヤ・ボンドがＸまたはＹ方向において接合点間のラインから横方向に逸脱するのを防止するような制御ソフトウェアを用いてプログラムされる。標準的なワイヤ・ボンドは、所要のループ高さを設定するために、垂直あるいはＺ軸方向の逸脱のみで形成される。従って、標準的なワイヤ・ボンドの平面図も長さに沿った図も、いずれも直線として現われる。例えば、標準的なワイヤ・ボンドの接合点がＸ軸に沿って存在すれば、その点はすべて実質的に０のＹ値を持ち、平面図はＸ軸に沿った直線として現われるであろう。このことは、図１の視点によれば、ワイヤ・ボンド４６Ａは、その接合点がライン内にあるために直線として現われることから理解される。
インダクタ３０は、典型的には円形の断面を有するボンディング・ワイヤで形成され、標準的な方法でボンディング・パッド３２，３４に接合される。ワイヤ・ボンド４６，４６Ａとは対照的に、インダクタ３０は、ボンディング・パッド３２，３４との接合点を通るライン３８から距離Ｌ３０だけ横方向に張り出すように形成される。この横方向への張り出しは、集積回路１０の物理的な高さを増加することなく、標準的なワイヤ・ボンディングよりも高い値のインダクタンスを達成する。インダクタ３０を形成するために使用されるボンディング・ワイヤには、好ましくは、金または銅のようなワイヤ・ボンディングに適した低抵抗の金属が含まれるが、アルミニウムまたは他の金属または合金も同様に使用することができる。ある実施例において、インダクタ３０は、金で作られた約５０マイクロメータの直径を有するボンディング・ワイヤで形成される。インダクタ３０は、典型的には、約０．５から３．０ナノヘンリーの範囲のインダクタンス値を有する。
インダクタ５０は、典型的には円形断面を有するワイヤ・ボンディング用のワイヤで形成される。インダクタ５０は、同様にボンディング・パッド５１，５３に接合され、インダクタ・コア５７を取り巻くコイル５２で形成される。集積回路１０の製作費を低減するために、インダクタ５０は、典型的には、インダクタ３０と同様の組成のボンディング・ワイヤで形成される。しかしながら、適切なアプリケーションにおいては、インダクタ５０のボンディング・ワイヤは、異なる直径、あるいは異なる材料組成を有してもよい。インダクタ５０は、典型的には約２ナノヘンリーより大きいインダクタンス値を有する。１５ナノヘンリー以上のインダクタンス値に対しては、多数の緊密な巻回を形成するときに生じる短絡を回避するために、絶縁されたボンディング・ワイヤを使用することが有利であろう。
インダクタ３０，５０は、ワイヤ・ボンディング・ツールを用いて形成されるが、その制御ソフトウェアは、ツールのメカニズムに固有のＸ，ＹおよびＺ軸運動を利用するために修正される。図１に示す実施例では、横またはＸＹ方向への逸脱機能によって、インダクタ３０は半導体ダイ２０のエッジ３５を越えて横方向に張り出す。同様の結果はインダクタ５０についても得られ、エッジ３９を越えた張り出しに加えて、横方向の変位を使用してコイル５２を形成する。
図１Ａは、インダクタ３０をさらに詳細に示した、図１の実施例における集積回路１０の部分側面図である。インダクタ３０は、高いインダクタンスおよびＱ値、ならびに低いパッケージ・プロファイルを提供するために、片持ばりに類似する方法によって、エッジ３５上で横方向に張り出すように形成されることがわかる。インダクタ３０は、標準的なボンディング・ワイヤ材料で形成される場合には自立しているが、特定のアプリケーションで必要な場合には、インダクタ３０を形成するために使用される材料は、剛性を増加し、かつ、ボンディング中およびその後においてその形状と位置を維持するバネのような弾性または金属「記憶(memory)」を提供するために、ベリリウムまたは他の材料で合金され、あるいはドープされてもよい。
インダクタ３０は、エッジ３５の上方で横に張り出しているので、エッジ３５の直上または垂直線上にある２つの位置３６，３７を有する。インダクタ３０は、上部表面２１に対して実質的に垂直な軸３０Ａに沿って中心のあるインダクタ・コア３１を画定するように形成され、電流がインダクタ３０を通って流れるときに磁束を囲む。高いＱ値を達成するために、コア３１は絶縁コアとして形成されるが、それは、封止剤４５が熱可塑性樹脂またはエポキシのような絶縁成形材料で作られるという構成に由来する当然の結果である。誘電性または絶縁性のコアは、内側に導電材料が存在しないコアの一つである。キュアリングの前、封止剤は粘性が低いので、封止剤がパッケージ型に導入されるときに、インダクタ３０が事実上乱されることはない。キュアリングの後、封止剤は硬化し、インダクタ３０の位置および形状が固定される。集積回路１０が封止されない実施例では、空気がコア材料の代替物として優れた絶縁性を提供する。
半導体ダイ２０の導電領域のローディング効果を最小限にするために、インダクタ３０は、その横方向の距離Ｌ３０が、上部表面２１からの高さＨ３０よりも長くなるように形成される。ある実施例において、距離Ｌ３０は約６００マイクロメータであり、一方、高さＨ３０は約２００マイクロメータである。軸３０Ａは、典型的には、ライン３８から約Ｌ３０／２の距離で形成される。与えられたインダクタンスの値のために、このアレンジメントによって軸３０Ａが半導体ダイ２０から十分に離れていることが保証されるので、Ｑ値を低減するような寄生渦電流は、半導体ダイ２０内に殆どまたは全く流れない。さらに、半導体ダイ２０から軸３０Ａを分離することによって寄生容量が最小化し、その結果、高周波応答が可能となる。
図１Ｂは、集積回路１０の一部およびインダクタ５０の詳細を示す等角図である。上述のように、インダクタ５０は、高いＱ値および低いパッケージ形状を維持しつつインダクタンスを増加させるために、コイル５２で形成される。コイル５２は、典型的には円筒状の輪郭を有するが、さらに組立て方法に依存して、楕円形や多角形の形状を有してもよい。本実施例では、インダクタ５０が、ボンディング・パッド５１，５３上の接合点を通るライン５４から横方向に張り出していることに注意されたい。インダクタ５０は自立しているが、いくつかのアプリケーションでは、そのボンディング・ワイヤ材料は、その形状および位置を維持するような剛性を増加するために、ベリリウムまたは他の材料で合金され、あるいはドープされてもよい。
インダクタ３０の場合と同様に、コイル５２は、エッジ３９に対して平行に走る軸５０Ａに沿って実質的に中心があり、かつ、コア３１と類似の組成を有する誘電性または絶縁性のインダクタ・コア５７を囲む。コイル５２に流れる電流Ｉ５０は、コア５７内で軸５０Ａを中心とする磁束を発生させる。コア５７は、場合に応じて、典型的には空気または封止剤のいずれかで形成される。
低いパッケージ形状は、横方向の距離Ｌ５０が、上部表面２１上に構成されたボンディング・ワイヤの高さＨ５０よりも長くなるようにインダクタ５０を形成することにより達成される。従って、コア５７が半導体ダイ２０の導電領域から十分に離れていることにより、寄生容量の影響によってインダクタ５０の性能が低下することが殆どなくなる。ある実施例において、距離Ｌ５０は約６００マイクロメータであり、一方、高さＨ５０は約２００マイクロメータである。軸５０Ａは、典型的には約３００マイクロメータの距離でライン５４と平行に形成される。
図２は、他の実施例における集積回路１０の等角図である。本実施例は、ボンディング・ワイヤ・インダクタ５０がリード５８，５９に亘って接合されていることを除き、同様の要素および機能性を有する。インダクタ５０は、リード５８，５９とボンディング・パッド５１，５３との間に接合された１対のボンディング・ワイヤ７１，７２を介して、それぞれＶＣＯ２２と電気的に結合される。かかるリード接合によって低いパッケージ形状が達成され、また、インダクタ５０と半導体ダイ２０との間に付加的なスペースがあることで、いくつかのワイヤ・ボンディング・ツールを用いた製造を促進することができる。キャパシタ２４の両端に結合されたインダクタンスの合計は、インダクタ５０のインダクタンス、および、ボンディング・ワイヤ７１，７２によって寄与された各インダクタンスを含むことに注意されたい。
図３は、第２の他の実施例における集積回路１０の等角図であり、ボンディング・ワイヤ・インダクタ５０が、ボンディング・パッド５３とリード５８との間に接合されている。
図４は、第３の他の実施例における集積回路１０の等角図であり、接合点と交差するライン５４の直上に位置する軸５０Ａを有するボンディング・ワイヤ・インダクタ５０を示す。本実施例では、半導体パッケージ４０はより高い形状を有するが、特定のパッケージ構造においては、インダクタ５０を本実施例のように組立てることがより容易な場合がある。
図５は、インダクタ５０の組立ての第１ステージにおける集積回路１０の側面図を示す。ボンディング・ワイヤ８０は、ワイヤ・ボンディング・ツールのキャピラリ８２を通って供給される。シェーパ８６は、導管またはチューブ８４を通って供給され、図示のように半導体ダイ２０に隣接して配置される。ある実施例において、シェーパ８６およびチューブ８４は、テフロン（登録商標）のような低摩擦材料で作られる。
キャピラリ８２は、ボンディング・パッド５１への第１接合ワイヤ８０についてプログラムされ、そして、シェーパ８６に対して浅い角度でワイヤ８０を供給するが、それはチューブ８４を延長した範囲内である。その後、キャピラリ８２は、円を描くようなＸＹ運動で移動しながらＺ方向によりゆっくりと動き、ボンディング・ワイヤをシェーパ８６に１回以上巻きつけてコイル５２を形成する。巻数は、インダクタ５０が必要とするインダクタンスによって決定される。コイル５２は、シェーパ８６の中心にある軸５０Ａに沿って垂直またはＺ方向に巻かれることに注意されたい。
図５Ａは、インダクタ５０の組立ての第２ステージにおける集積回路１０の側面図を示す。キャピラリ８２がボンディング・ワイヤ８０を掴む間に、シェーパ８６はチューブ８４内の収納位置に移動し、図示のようにコイル５２が半導体ダイ２０に隣接して懸垂する。シェーパ８６およびチューブ８４の形成に使用された低摩擦材料によって、シェーパ８６は、コイル５２を変形または妨害することなく容易に収納される。
図５Ｂは、インダクタ５０の組立ての第３ステージにおける集積回路１０の側面図である。キャピラリ８２は、さらなるワイヤの供給を防ぐためにボンディング・ワイヤ８０を掴みながらＸ方向に移動し、半導体ダイ２０上に伸びる水平位置へコイル５２を引っ張る。その後、ボンディング・ワイヤ８０はボンディング・パッド５３に接合され、切断されて、図示のようなインダクタ５０を形成する。
ボンディング・ワイヤを第１接合点に接合し、それをシェーパ８６の周囲に巻きつけて垂直方向にコイル５２を形成し、その後、コイル５２を第２接合点にボンディングするために水平位置に引っ張るという方法と同様の方法によって、上記以外にもインダクタ５０の実施例を構成し得ることが理解されるであろう。
図６は、インダクタ５０を形成する他の方法の選択された製造ステージにおける集積回路１０を示す。ボンディング・ワイヤ８０は加熱され、キャピラリ８２の内部のスレッド８８を通って供給される。スレッドは、ボンディング・ワイヤ８０がバネのような形状になるように予め調整されており、その結果、ボンディング・ワイヤ８０がキャピラリ８２から出現して冷えたときに、コイル５２は必要な形状を有する。その後、図５Ｂに関して前述したように接合が進む。この方法では、ボンディング・ワイヤ８０は、好ましくは、スレッドされた形状を保つようなスプリング状の金属「記憶」を提供するために、ベリリウムまたは類似の材料でドープされる。
以上を要約すると、本発明は、半導体ダイと共に半導体パッケージ内に収容された１つ以上のワイヤ・ボンド・インダクタを含む半導体装置の構造および製造方法を提供する。ワイヤ・ボンド・インダクタは、半導体ダイの上部表面に接合されたボンディング・ワイヤにより形成される。ボンディング・ワイヤは、インダクタの絶縁コアを画定するために、ボンディング・ワイヤの高さよりも横方向の距離が長い。
本発明に従って形成されたインダクタは、高いＱ値および高周波応答を有しつつ、低い形状の半導体パッケージを提供する。コイルを組立てるためのいくつかの方法が示されているが、他の方法によっても同様のワイヤ・ボンド・インダクタを提供することができることが理解されるべきである。例えば、インダクタは、その金属「記憶」を保持するような材料でドープされた、予めコイル状にされたボンディング・ワイヤを利用することにより形成することができる。ボンディング・ワイヤは、それがインダクタ形成中に形状を保持するのと同様の方法で、ワイヤ・ボンディング・ツールを通って供給される。従って、予め画定した長さの予めコイル状にされたボンディング・ワイヤがキャピラリを通って供給されるとき、キャピラリから出現するワイヤは、既にコイルの形状を有している。
半導体パッケージに収容されたインダクタを有する半導体装置の等角図である。 半導体装置の第１部分の側面図である。 半導体装置の第２部分の等角図である。 第１の他の実施例における半導体装置の等角図である。 第２の他の実施例における半導体装置の等角図である。 第３の他の実施例における半導体装置の等角図である。 第１組立てステージ後の半導体装置の側面図である。 第２組立てステージ後の半導体装置の側面図である。 第３組立てステージ後の半導体装置の側面図である。 他の組立て方法を示す半導体装置の側面図である。

Claims (12)

  1. 半導体ダイと、
    前記半導体ダイの上部表面に接合され、かつ、絶縁コアを画定するためにボンディング・ワイヤの高さよりも横方向の距離が長い第１ボンディング・ワイヤを含むインダクタと、から構成され、
    前記第１ボンディング・ワイヤは、前記上部表面上の第１および第２ボンディング・パッドにそれぞれ接合された第１および第２の終端を有し、かつ前記第１ボンディング・ワイヤは、前記第１および第２ボンディング・パッドから伸長し、前記上部表面のエッジの上方に張り出す、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１ボンディング・ワイヤは、前記絶縁コアを取り巻くコイルで形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記コイルは、複数の巻数を有して形成されることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
  4. 前記半導体ダイおよび前記インダクタを収容するための半導体パッケージをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記半導体ダイの第３ボンディング・パッドと前記半導体パッケージのリードとの間に接合された第２ボンディング・ワイヤをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記半導体パッケージは、前記絶縁コアを提供し、かつ、前記コイルの位置を維持するための封止剤を含むことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  7. 前記第１ボンディング・ワイヤはインダクタンスを提供し、かつ、前記半導体ダイは前記インダクタンスによって決定された周波数で動作するために構成された発振器を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  8. 前記ボンディング・ワイヤは、円形の断面を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  9. 表面を有する半導体ダイと、
    前記半導体ダイに電気的に結合され、かつ、誘電性コアを囲むコイル内に形成された第１部分を有するボンディング・ワイヤと、から構成され、
    前記ボンディング・ワイヤは、前記表面上の第１および第２ボンディング・パッドにそれぞれ接合された第１および第２の終端を有し、かつ前記ボンディング・ワイヤは、前記第１および第２ボンディング・パッドから伸長し、前記半導体ダイのエッジの上方に張り出す、
    ことを特徴とする半導体装置。
  10. 前記ボンディング・ワイヤは、ラインを定義する前記第１および第２ボンディング・パッドに接合され、かつ、前記誘電性コアの軸は、前記ラインと平行であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
  11. 前記軸は、前記エッジと平行であることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
  12. 集積回路を動作する方法であって、
    表面、エッジ、および、誘電性コアを囲むコイル内に形成されたボンディング・ワイヤを有する半導体ダイを提供する段階であって、前記ボンディング・ワイヤは、前記表面上の第１および第２ボンディング・パッドにそれぞれ接合された第１および第２の終端を有し、かつ前記ボンディング・ワイヤは、前記第１および第２ボンディング・パッドから伸長し、前記エッジの上方に張り出す、段階と、
    前記半導体ダイ上で電流を発生させる段階と、
    前記電流をボンディング・ワイヤを通して流し、誘電性コア内に磁束を生成する段階と、
    から構成されることを特徴とする方法。
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