JP4330435B2 - スタッドバンプ形成方法、スタッドバンプを含む半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＶＤ、携帯電話、ＤＳＣ等で半導体素子を積層して使用されるシステム化された半導体装置に適したスタッドバンプ形成方法、スタッドバンプを含む半導体装置及び製造方法に関するものである。
近年、電子機器の多機能化、小型化、高密度化に対応するために、半導体装置などの半導体部品の高密度、高機能化、システム化が要求され、それに伴って、半導体部品に対してもシステム化され且つ小型、薄型であることが要望されている。
以下、従来のスタッドバンプ形成方法及び従来の半導体装置について説明する。
一般にシステム化に用いられる半導体装置は、半導体素子を積層し電気的接続の方法にはリードを介すか、素子同士を直接接続するよう構成されている。図１５は従来のスタッドバンプを形成する工程を説明する為の工程断面図であり、図１６は従来の半導体装置の断面図、図１７はスタッドバンプの拡大断面図である。
図１５に示す従来のスタッドバンプ形成方法は、図１５（ａ）に示すように、キャピラリー２から導出したスタッドバンプ用ワイヤー３の先端に膨頭部１を形成した後、図１５（ｂ）に示すように、キャピラリー２によって膨頭部１を半導体素子４Ｂのボンディングパッド５に押し当ててベース部６を形成し、図１５（ｃ）に示すように、キャピラリー２でベース部６の上部を水平方向に馴らし、図１５（ｄ）に示すように、最後にスタッドバンプ用ワイヤー３を切断してスタッドバンプ８ａを形成する。
また、図１６、図１７に示す従来の半導体装置は、ダイパッド１１に接着剤１２Ａを塗布して、その上に半導体素子４Ａを固着している。更に、半導体素子４Ａの上に半導体素子４Ｂを同じく接着剤１２Ｂで固着している。半導体素子４Ｂにはスタッドバンプ８ａが形成され、このスタッドバンプ８ａに半導体素子４Ａからのワイヤー３Ａが接続され、更に半導体素子４Ａには、ダイパッド１１にある複数本のインナーリード１３に接続するワイヤー３Ｃが接続されている。ダイパッド１１、接着剤１２Ａ，１２Ｂ、半導体素子４Ａ，４Ｂ、ワイヤー３Ａ，３Ｃおよびインナーリード１３は封止樹脂体１０で封止され、そして各インナーリード１３と一体的に連結された各アウターリード１４は封止樹脂体１０から導出されている。また、封止樹脂体１０は４辺形の平板状に形成されているとともに、アウターリード１４は封止樹脂体１０の４辺からそれぞれ引き出されている。
この半導体装置は、通常、半導体素子４Ａと半導体素子４Ｂを積層すること、半導体素子４Ａ，４Ｂ間を直接ワイヤー３Ａで接続することで小型・薄型化が可能となった。
特開平７−１８３３０３号公報（第３−４頁、第１−２図） 特開平８−１８１１４５号公報（第３頁、第２図）
しかしながら、上述した従来のスタッドバンプ形成方法では、半導体素子４Ｂに接続されたワイヤー３Ａとスタッドバンプ８ａの接合が不十分の為、不着が発生する。更に、スタッドバンプ８ａの高さが充分でない為、半導体素子４Ｂの端部でワイヤー３Ａが垂れてショートが発生するといった信頼性に大きな影響がある。また、ワイヤー３Ａやワイヤー３Ｃのような配線方向の複雑さが半導体装置の小型・薄型化を非常に困難なものにしている。
本発明は、上述の課題を解決するもので、製造上の信頼性を充分に確保し、小型、薄型化を容易にできるスタッドバンプの形成方法とそれを含む半導体装置および製造方法を提供することを目的とする。
本発明のスタッドバンプ形成方法は、キャピラリーをループ状に動くよう制御して、ワイヤーの進入方向側あるいは逆方向側に環状形状部を設けることにより、充分な接合面積の確保、及びワイヤーの垂れを防止することができる。また、スタッドバンプの高さはワイヤー径の２〜３倍であることが望ましい。
また、本発明の半導体装置は、ポリィミド膜を施した半導体素子をダイパッド上に搭載し、更にその上に別の半導体素子を積層したスタック構造に対し、前記積層された半導体素子のボンディングパッドに環状形状部が施されたスタッドバンプを形成し、ダイパッド上に搭載された半導体素子に接続する第１のワイヤーと、インナーリードに接続する第２のワイヤーと、各インナーリードにそれぞれ一体的に連結された各アウターリードと、搭載面、半導体素子、第１のワイヤー及び第２のワイヤーとを有するとともに、これらを樹脂封止する４辺形の平板状に成形された封止樹脂体とを備え、アウターリード群を封止樹脂体の少なくとも２辺からそれぞれ引き出す構成である。
この構成により、半導体素子からダイパッド上のインナーリードに接続するワイヤーを無くすことができる為、半導体装置の小型・薄型化が可能となる。更に、上記半導体装置は、前記構成によりボンディングパッドの配置に制約がなくなり、半導体素子の更なる小型化が可能となる。
本発明の半導体装置の製造方法は、ダイパッドと、ダイパッドの周辺に配置される複数本のインナーリードと、そのインナーリードにそれぞれ連結された各アウターリードとを、金属板を型抜きして構成したリードフレームを準備する第１の工程と、次に前記ダイパッドに半導体素子を搭載した後、前記半導体素子上に別の半導体素子を積層する第２の工程と、前記積層された半導体素子にスタッドバンプを形成した後、前記積層された半導体素子のボンディングパッドにダイパッドに搭載された半導体素子から前記スタッドバンプ上にワイヤーを接続し、続いてインナーリードから前記スタッドバンプ上にワイヤーを接続する第３の工程と、この第３工程を経た途中のリードフレームのアウターリードを封止金型に型締めし、その状態で樹脂封止を行う第４の工程とを有したものである。
この方法によれば、ワイヤー同士のショートも無くワイヤーの高さを低くすることが出来、半導体装置の小型・薄型化が可能となる。
上記した本発明のスタッドバンプ形成方法及び半導体装置は、積層される半導体素子上に環状形状部を施したスタッドバンプを形成することで、ワイヤーとスタッドバンプの接合強度を充分に確保でき、従来に比べスタッドバンプの高さを充分に確保できるので、ワイヤーと半導体素子のショートを防止できる。また、インナーリードからスタッドバンプに接続することで配線の複雑さが解消でき、安定生産が可能となる。これら２つのことから、本発明により、半導体装置の更なる小型・薄型化が容易となり、且つ接合強度が充分確保できる品質の優れた半導体装置を提供できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ワイヤーボンド工程において既存設備を活用し、ワイヤーの形成順序を指定することで効率の良い製造が可能となる。
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
以下に、本発明によるスタッドバンプ形成方法の実施形態について説明する。
図１は、スタッドバンプ形成方法の工程断面図である。図１に示す実施形態１によるスタッドバンプ形成方法は、スタッドバンプ８を形成するために、まず図１（ａ）に示すように、キャピラリー２の先端から導出した金属製のスタッドバンプ用ワイヤー３の先端に、溶融後、再結晶化された球状の膨頭部１を形成する。次にキャピラリー２を垂直に下降ａさせて、形成された膨頭部１をキャピラリー２の先端部で半導体素子４Ｂ上に形成されたボンディングパッド５に押し当てて押しつぶすことで、膨頭部１とボンディングパッド５を圧着し、以て図１（ｂ）に示すように、押しつぶされた膨頭部１によりスタッドバンプ８のベース部６を形成する。
このようにしてベース部６を形成した後、キャピラリー２をスタッドバンプ８の中心位置で垂直上方に移動ｂさせる。続いて、まず図１（ｃ）に示すように、キャピラリー２によってベース部６の上部を、リード電極からのワイヤー（第１のワイヤーの一例）３Ａ，ワイヤー（第２のワイヤーの一例）３Ｂの進入方向側に水平方向に移動ｃさせる。その後にキャピラリー２を、図１（ｄ）に示すように、ベース部６の中心位置で垂直に上昇ｄさせたのち、ワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向と逆方向側に水平に移動ｅして、スタッドバンプ用ワイヤー３をループ状に動作させる。
更に図１（ｅ）に示すように、キャピラリー２をワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向と逆方向側にベース部６の中心付近まで水平に移動ｅさせたのち、キャピラリー２をスタッドバンプ用ワイヤー３どうしが少し潰れる位まで垂直下方に移動ｆさせる。これにより、ベース部６から延びるスタッドバンプ用ワイヤー３をベース部６に向かって折り返すことで、スタッドバンプ用ワイヤー３によりワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向側に環状形状部７を形成する。
その後に図１（ｆ）に示すように、キャピラリー２を垂直上方に移動ｇさせたのち、更にワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向と逆方向側に水平に移動ｈさせ、そして図１（ｇ）に示すように、キャピラリー２を、環状形状部７がベース部６の高さ方向が３分の１程度潰れるまで垂直下方に移動ｉさせる。これにより、折り返されたスタッドバンプ用ワイヤー３を、スタッドバンプ８の中心よりずらした位置でキャピラリー２の先端部をベース部６に押し当てて圧着させる。最後に図１（ｈ）に示すように、キャピラリー２を更にワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向と逆方向側に水平に移動ｊさせたのち、垂直上方に移動ｋさせることで、圧着部からさらに延びるスタッドバンプ用ワイヤー３を切断してスタッドバンプ８を形成し得、以て工程が終了する。
図２は、実施形態１によるスタッドバンプ８の拡大断面図である。スタッドバンプ形成方法により形成された環状形状部７（スタッドバンプ８）に、他の半導体素子４Ａからのワイヤー３Ａあるいはインナーリード１３からのワイヤー３Ｂを接続する。このとき環状形状部７は、ワイヤー３Ａ，３Ｂとの接続面積の確保、及び半導体素子４Ｂとの距離を充分保つ為に使用され、強度の確保及びワイヤー３Ａ，３Ｂの垂れを防止できる。また、環状形状部７を含むスタッドバンプ８の高さは、スタッドバンプ用ワイヤー３の径の２〜３倍に形成するのが望ましい。なお、９はポリィミドを示す。
（実施の形態２）
図３は、実施形態２によるスタッドバンプ８の拡大断面図である。この実施形態２は前述の実施形態１と殆ど変わらないが、図３にもあるように、環状形状部７がワイヤー３Ａ，３Ｂの進入方向と逆方向側に形成され、かかる環状形状部７（スタッドバンプ８）にワイヤー３Ａ，３Ｂを接続する。このとき環状形状部７は、ワイヤー３Ａ，３Ｂとの接続面積の確保、及びワイヤー３Ａ，３Ｂの滑走距離を確保する為に使用され、強度の確保及びワイヤー３Ａ，３Ｂの垂れを防止できる。
（実施の形態３）
図４は実施形態１による半導体装置の断面図である。ダイパッド１１に接着剤１２Ａを塗布して、その上にポリィミド９の膜が施された半導体素子４Ａを固着し、この半導体素子４Ａ上に接着剤１２Ｂを塗布して、その上にポリィミド９が施された別の半導体素子４Ｂを積層している。前記半導体素子４Ｂのボンディングパッド５上にはスタッドバンプ８が形成され、このスタッドバンプ８に、半導体素子４Ａからのワイヤー３Ａが電気的に接続されるとともに、ダイパッド１１の周辺にある複数本のインナーリード１３からのワイヤー３Ｂが電気的に接続されている。
前記ダイパッド１１、接着剤１２Ａ，１２Ｂ、半導体素子４Ａ，４Ｂ、ワイヤー３Ａ，３Ｂおよびインナーリード１３は封止樹脂体１０で封止され、そして各インナーリード１３と一体的に連結された各アウターリード１４は封止樹脂体１０から導出されている。また、封止樹脂体１０は４辺形の平板状に成形されているとともに、アウターリード１４は封止樹脂体１０の４辺からそれぞれ引き出されている。
（実施の形態４）
次に、実施の形態３（図４）に示した半導体装置を製造する方法を、図５〜図１４に基づいて説明する。
図５はダイボンディングの前工程を説明するための工程断面図、図６はダイパッド１１に搭載する半導体素子４Ａのダイボンディング工程を説明するための工程断面図、図７は積層する半導体素子４Ｂのダイボンディング工程を説明する為の工程断面図である。図８は積層された半導体素子４Ｂのボンディングパッド５にスタッドバンプ８を形成する工程を説明する工程断面図。図９及び図１０はダイパッド１１に搭載された半導体素子４Ａからスタッドバンプ８にワイヤーボンディングする工程を説明する為の工程断面図、図１１、図１２及び図１３はインナーリード１３から積層された半導体素子４Ｂにワイヤーボンディングする工程を説明する為の工程断面図、図１４は樹脂封止工程を説明する工程要部拡大断面図である。
まず、図５に示すように、半導体素子ボンディング装置（図示せず）のステージ１６上において、ダイパッド１１上に半導体素子４Ａを固着するための接着剤１２Ａを塗布する。接着剤１２Ａの塗布はディスペンサ１７を用いて、接着剤１２Ａを滴下することにより行う。ここで接着剤１２Ａは、一例として熱硬化性のエポキシ樹脂にＡｇ粉を混合させたＡｇペーストからなる。
次に、図６に示すように、接着剤１２Ａを塗布したダイパッド１１上にコレット１８Ａを用いて半導体素子４Ａを搭載した後、ヒートステージ（図示せず）上で加熱し、接着剤１２Ａを硬化させる。ここで半導体素子４Ａは、一例として外形寸法が７ｍｍ角、厚さが０．２ｍｍ程度のシリコン単結晶である。また加熱条件は、１８０〜２５０℃、３０秒から６０秒程度である。なお、接着剤１２Ａの硬化はキュア炉を用いても良い。
次に、図７に示すように、ダイパッド１１に固着された半導体素子４Ａの上に、予め接着材１２Ｂが施された半導体素子４Ｂを、コレット１８Ｂを用いて積層した後、キュア炉で加熱し、接着剤１２Ｂを硬化させる。ここで接着剤１２Ｂは、一例として熱硬化性のポリィミドテープの表裏に接着剤が施されたＬＥテープであり、また半導体素子４Ｂは、一例として外形寸法が４ｍｍ角、厚さが０．２ｍｍ程度のシリコン単結晶である。
次に、図８に示すように、ボンディングパッド５上にスタッドバンプ８を形成する。ワイヤーボンド装置（図示せず）のヒートステージ１９には、ダイパッド１１が入る逃がし部が形成されており、インナーリード１３のワイヤーボンディング領域外周部を固定治具（図示せず）によって固定しながら行う。ここでスタッドバンプ用ワイヤー３は、一例として直径２０〜３５μｍのＡｕワイヤーを用いる。
次に、図９及び図１０に示すように、ダイパッド１１に固着された半導体素子４Ａのボンディングパッド５と半導体素子４Ｂのスタッドバンプ８とを、ワイヤー３Ａを用いて電気的に接続する。次に、図１１、図１２及び図１３に示すように、インナーリード１３とスタッドバンプ８とを、ワイヤー３Ｂを用いて電気的に接続する。この際に、使用するワイヤー及び設備は他のワイヤーボンド工程と同一のものを使用する。
このようにして、各単位のリードフレーム１５毎にダイボンディング、ワイヤーボンディングされた後、単位リードフレーム群を一括して樹脂封止して、封止樹脂体１０群が同時成形される。
次に、図１４を参照しながら、樹脂封止工程について説明する。図１４は、トランスファ成形装置を示しており、シリンダ装置（図示せず）によって型締めされる一対の上型２１と下型２２とを備えており、キャビティー上２３とキャビティー下２４とで、キャビティー単体を形成するように、それぞれ複数組みが埋設されている。上型２１の合わせ面にはポット２５が開設されており、このポット２５には、シリンダ装置（図示せず）により進退されるプランジャー２６が、成形材料としての樹脂を送給し得るように挿入されている。
下型２２の合わせ面には、カル２７がポット２５と対向位置に配されて埋設されているとともに、ランナー２８がポット２７とそれぞれ接続されている。更に、各ランナー２８の他端部はキャビティー下２４にそれぞれ接続されており、その接続部にはゲート２９が、樹脂をキャビティー内に注入し得るよう形成されている。また、下型２２の合わせ面には、逃がし部３０がリードフレーム重合体２０におけるリードフレーム１５の厚み分を逃げ得るように、その外形も若干大きめの長方形で、その厚さよりも若干浅い深さに成形されている。このような構成のトランスファ成形装置を用いて、樹脂封止は以下の方法で行われる。
１８０℃程度に加熱された上記トランスファ装置の封止金型の逃がし部３０に、リードフレーム重合体２０を装着し封止金型を型締めする。次に、円錐形に打錠された樹脂（図示せず）をポット２５に挿入し、プランジャー２６により樹脂を、カル２７、ランナー２８、ゲート２９を通じて各キャビティーに圧入させる。注入後、樹脂が熱硬化されて封止樹脂体１０が形成されると、上型２１及び下型２２は型開きされるとともに、エジェクタ・ピン（図示せず）により封止樹脂体１０群が離型され、樹脂成形されたリードフレーム重合体２０はトランスファ成形装置から脱装される。
このようにして、樹脂成形された封止樹脂体１０の内部には、ダイパッド１１、接着剤１２Ａ，１２Ｂ、半導体素子４Ａ，４Ｂ、ワイヤー３Ａ，３Ｂ、インナーリード１３が樹脂封止されることとなる。
次に、樹脂成形されたリードフレーム重合体２０の封止樹脂体１０以外の部分に半田外装めっきを施す（図示せず）。なお、リードフレーム１５の少なくとも半導体装置の完成品となる部分にＰｄめっきが施されている場合は、半田外装めっきは必要としない。半田外装めっきを経た後、あるいは半田外装めっきされる前の樹脂成形されたリードフレーム重合体２０を、切断装置（図示せず）によって、各単位リードフレーム毎に順次、ダムバー（図示せず）を切断する。
次に、リード成形装置（図示せず）によって、アウターリード１４に先端と内枠の一部を切断した後、アウターリード１４をガルウイング形状に屈曲成形し、内枠の一部を切断し、半導体装置を外枠から切り離す。以上のようにして、図４に示す半導体装置を完成することができる。
本発明のスタッドバンプ形成方法、スタッドバンプを含む半導体装置及び製造方法は、半導体素子を積層する構造の半導体装置の小型、薄型化に有効で且つ、安定生産に有用である。
本発明の実施形態１に係る工程断面図であり、（ａ）は膨頭部を形成する工程を説明する為の工程断面図、（ｂ）は膨頭部をボンディングパッドに押し付けスタッドバンプのベースを成形する工程を説明する為の工程断面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は環状形状を形成する工程を説明する為の工程断面図、（ｈ）はワイヤーを切断する工程を説明する為の工程断面図。 同スタッドバンプの拡大断面図。 本発明の実施形態２に係るスタッドバンプの拡大断面図。 本発明の実施形態３に係る半導体装置を示す断面図。 実施形態４に係る半導体装置のダイボンディング工程の前工程を説明するための工程断面図。 同ダイボンディング工程の前工程を説明するための工程断面図。 同ダイボンディング工程の前工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同ワイヤーボンディング工程を説明するための工程断面図。 同半導体装置の樹脂封止工程を説明する為の工程断面図。 従来のスタッドバンプを形成する工程を説明する為の工程断面図。 従来の半導体装置を示す断面図。 同スタッドバンプに係る拡大断面図。
符号の説明
１ 膨頭部
２ キャピラリー
３ スタッドバンプ用ワイヤー
３Ａ ワイヤー（第１のワイヤー）
３Ｂ ワイヤー（第２のワイヤー）
４Ａ 半導体素子
４Ｂ 半導体素子
５ ボンディングパッド
６ ベース部
７ 環状形状部
８ スタッドバンプ
９ ポリィミド
１０ 封止樹脂体
１１ ダイパッド
１２Ａ 接着剤
１２Ｂ 接着剤
１３ インナーリード
１４ アウターリード
１５ リードフレーム
１６ ステージ
１７ ディスペンサ
１８Ａ コレット
１８Ｂ コレット
１９ ヒートステージ
２０ リードフレーム重合体
２１ 上型
２２ 下型
２５ ポット
２６ プランジャー
３０ 逃がし部

Claims (5)

  1. スタッドバンプの形成方法であって、
    キャピラリーから導出されたスタッドバンプ用ワイヤーの先端に、溶融後、再結晶化された球状の膨頭部を形成する工程、
    前記膨頭部を前記キャピラリーの先端部で半導体素子上に形成されたボンディングパッドに押し当てて押しつぶすことで、前記膨頭部と前記ボンディングパッドを圧着し、押しつぶされた前記膨頭部によりスタッドバンプのベース部を形成する工程、
    前記キャピラリーを前記ベース部へのリード電極からのワイヤーの進入側上方でループ状に動かして、前記ベース部から延びるスタッドバンプ用ワイヤーを前記ベース部に向かって折り返すことで、前記スタッドバンプ用ワイヤーで環状形状部を形成する工程、
    前記折り返された前記スタッドバンプ用ワイヤーを、前記スタッドバンプの中心よりずらした位置で前記キャピラリーの先端部を前記ベース部に押し当てて圧着する工程、
    前記圧着部からさらに延びる前記スタッドバンプ用ワイヤーを切断する工程、
    とからなり、
    ベース部を形成した後における前記キャピラリーのループ状の動きが、前記スタッドバンプの中心位置で垂直上方に移動し、水平移動後、ループ状に動き、更に、水平移動後、垂直下方に移動し、続けて垂直上方に移動した後、水平移動し、垂直下方に移動することを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
  2. 請求項１に記載のスタッドバンプの形成方法において、
    前記環状形状部が、前記リード電極からのワイヤーの進入方向側に形成されることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
  3. 請求項１に記載のスタッドバンプの形成方法において、
    前記環状形状部が、前記リード電極からのワイヤーの進入方向と逆方向側に形成されることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
  4. 請求項１に記載のスタッドバンプの形成方法において、
    前記スタッドバンプの高さがワイヤー径の２〜３倍に形成されることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
  5. スタッドバンプを含む半導体装置の製造方法であって、
    半導体素子のボンディングパッド上に、請求項１に記載のスタッドバンプの形成方法で、ベース部と前記ベース部上の環状形状部とからなるスタッドバンプを形成する工程、
    前記スタッドバンプに、他の前記ボンディングパッドからのワイヤーと、リード電極からのワイヤーとを圧着して、電気的接合を行う工程、
    樹脂により少なくとも前記半導体素子および前記電気的接合部を覆うとともに、前記リード電極の他端が導出するよう樹脂部を形成する工程、
    とからなることを特徴とするスタッドバンプを含む半導体装置の製造方法。
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