JP6562436B1 - ワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合する。【解決手段】カドミウムテルル又は有機半導体の軟質素材を有した半導体チップ１０に形成された電極１５に導電性ペースト３０を塗布する塗布ステップと、導電性ペースト３０の表面に金属片４０を載置する載置ステップＳＰ４と、金属片４０と金属線５０とを超音波接合する接合ステップＳＰ６とを備える。また、金属線５０を吸着しつつ金属片４０まで搬送する搬送ステップで使用される吸着ノズルと、金属片４０を吸着する吸着ノズルとは、同一とすることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、ワイヤボンディング方法及び半導体チップ配線構造に関する。

従来から、半導体チップの電極に金属細線を接続するワイヤボンディングが行われている。例えば、特許文献１には、パワーＭＯＳチップと、そのパワーＭＯＳチップの上面側に塗布された半田等の軟ろう材又は導電性接着剤と、その導電性接着剤に接着された金属片と、金属片にワイヤボンディング接続された細線とを備えた実装構造が開示されている。

実開昭６０−１１６２３９号公報（第６図）

特許文献１に記載のパワーＭＯＳチップは、シリコン素材なので剛性が高い。しかしながら、半導体チップは、シリコン等の剛質素材のみならず、有機半導体のポリマーや太陽電池等で使用されるカドミウムテルル等のように、軟質素材のものもある。また、有機半導体は、柔軟性に富む樹脂基板に搭載されることがある。このような半導体チップに超音波を印加しても、軟質素材が超音波を吸収して、電極と金属線とを十分な強度で金属接合することができない問題点があった。

また、有機半導体の研究開発、信頼性評価、試作の段階では、テストサンプルとなる半導体チップの電極が一般的なものと異なることがある。このテストサンプルの電極の状態や材質によっては、ワイヤボンディングが成功しないことがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合することができるワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造を提供することを目的とする。

前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、軟質素材（例えば、カドミウムテルル、有機半導体）を有した半導体チップ（１０）に形成された電極（１５）に導電性接着剤（３０）を塗布する塗布ステップ（ＳＰ２）と、前記導電性接着剤（３０）の表面に金属片（４０）を載置する載置ステップ（ＳＰ４）と、前記金属片（４０）と金属線（５０）とを超音波接合する接合ステップ（ＳＰ６）とを備えることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態である半導体チップの配線構造を示す図であり、（ｂ）はその写真である。 半導体チップの一例を示す構成図である。 本発明の第１実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図（１）である。 本発明の第１実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図（２）である。 吸着ノズルの構造を示す構造図である。 半導体チップの電極に導電性接着剤と塗布した状態を示す写真である。 導電性接着剤に金属ブロックを載置した状態を示す写真である。 本発明の第２実施形態で使用されるダイボンダの構成図である。 本発明の比較例であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

（実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である半導体チップ配線構造を示す図であり、（ｂ）はその写真である。また、図２は、半導体チップの一例を示す構造図である。
半導体チップ配線構造１００は、第１電極１５が形成された半導体チップ１０と、半導体チップ１０を搭載する基板１１と、導電性接着剤３０と、金属片４０と、金属線５０と、第２電極１６とを備える。導電性接着剤３０は、第１電極１５の上に積層され、金属片４０は、導電性接着剤３０の上に搭載されている。つまり、第１電極１５と導電性接着剤３０と金属片４０とは、電気的に接続されている。金属線５０の一端は、金属片４０に超音波接合（金属接合）される。第２電極１６は、基板１１に設けられており、金属線５０の他端に接続される。

半導体チップ１０は、例えば、基板１１に搭載された有機トランジスタ１０ａ（図２）であるが、放射線測定器や太陽電池等で使用されるカドミウムテルル（Ｃｄ−Ｔｅ）の化合物半導体チップであっても構わない。基板１１は、例えば、透明樹脂やガラスであるが、金属（鉄）であっても構わない。有機トランジスタ１０ａ（図２）は、例えば、基板１１に形成されたゲート電極１３と、基板１１の表面であって、ゲート電極１３の周囲に堆積された高分子ゲート絶縁膜１２と、高分子ゲート絶縁膜１２の表面に積層された有機半導体１４と、有機半導体１４の表面の一部に形成されたソース電極１５ａ及びドレイン電極１５ｂとを備える。なお、ソース電極１５ａ及びドレイン電極１５ｂで電極１５と称する。

有機半導体１４は、例えば、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンのような様々な直鎖状ポリマーであり、シリコンよりも柔軟性に富む軟質素材である。つまり、半導体チップ１０は、シリコンよりも軟らかい軟質素材を有している。高分子ゲート絶縁膜１２は、例えば、ポリイミドやポリカーボネートである。ソース電極１５ａやドレイン電極１５ｂは、例えば、金やアルミ等の金属膜である。ゲート電極１３は、例えば、ＩＴＯ膜である。

導電性接着剤３０は、例えば、金ペーストや銀ペースト等の導電性ペースト（導電性フィラー入り接着剤）であり、溶融・固化が必要な半田ペーストを含まない。金属片４０は、縦０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、横０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、厚さ０．０２５ｍｍ〜０．１ｍｍの金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の金属ブロックである。つまり、金属片４０は、薄膜で形成された電極１５よりも質量が極めて大きい。なお、金属片４０は、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）の合金でも構わない。金属線５０は、例えば、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）の細線であり、金属片４０と同質素材であることが好ましいが、異質素材でも構わない。また、金属線５０の線径は、１３μｍφ〜５０μｍφである。

図３，４は、本発明の第１実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。
まず、作業者は、基板１１に搭載された半導体チップ１０を用意する（ＳＰ１）。ＳＰ１の後、作業者は、導電性接着剤３０を、塗布針（不図示）を用いて第１電極１５に塗布する（ＳＰ２）。導電性接着剤３０を塗布した状態を示す写真を図６に示す。なお、図６の写真は、塗布量を３段階に変えたものであり、サイズを比較するために、φ３０μｍ、アルミニウムの金属線５０も示している。

ＳＰ２の後、作業者は、塗布された導電性接着剤３０の上まで、金属片４０を吸着ノズル２０（図５）及びＸＹＺステージ（不図示）を用いて搬送し（ＳＰ３）、搬送された金属片４０を導電性接着剤３０の上に載置する。そして、作業者は、導電性接着剤３０を硬化させる（ＳＰ４（図４））。導電性接着剤３０の加熱条件（加熱温度、加熱時間）は、例えば、１６０℃、１時間３０分程度であるが、常温で２〜３日放置しても硬化する。金属片４０を載置した状態を示す写真を図７に示す。なお、図７の写真には、金属片４０を載置することなく、導電性接着剤３０を塗布した状態のものも示している。

図５は、吸着ノズルの構造を示す構造図である。
金属片４０が小片であるので、本実施形態では、半導体チップ１０やワイヤフレーム等の電子部品を真空吸着するフラットフェースツールよりも先端が細いボトルネック型の吸着ノズル２０を使用する。吸着ノズル２０は、円柱状の軸部２１と、円錐台部２２と、首部２３と、先端部２４とを備える。吸着ノズル２０は、孔径φ１（例えば、φ１＝０．０３８ｍｍ）の空気吸入孔２５が形成されている。なお、空気吸入孔２５は、段差２５ａを有している。

円錐台部２２は、稜線２６同士がテーパ角度θ１（例えば、θ１＝３０°）を成している。首部２３は、曲率半径Ｒ（例えば、Ｒ＝２５４μｍ）で形成されており、円錐台部２２と先端部２４とを接続する。また、先端部２４は、稜線２７同士がテーパ角度θ２（例えば、θ２＝１０°）を成した、先端径φ２（例えば、φ２＝０．１ｍｍ）、高さＨ（例えば、Ｈ＝３０５μｍ）の略円錐台形状である。

金属片４０の載置後、作業者は、導電性接着剤３０を硬化させる（ＳＰ４（図４））。このとき、有機半導体１４の耐熱温度（例えば、５０℃〜１５０℃）を考慮して、導電性接着剤３０の加熱温度を設定するのが好ましい。また、導電性接着剤３０が室温硬化可能モデルであれば、加熱不要である。ＳＰ４の後、作業者は、吸着ノズル２０及びＸＹＺステージ（不図示）を用いて、金属線５０の一端を金属線４０の上まで搬送する（ＳＰ５）。結果的に、ボトルネック型の吸着ノズル２０は、金属片４０の搬送（ＳＰ３）と、金属線５０の搬送（ＳＰ５）との双方で使用される。言い換えれば、金属片４０と金属線５０とは、同程度の幅であるので、同一の吸着ノズル２０を使用することができる。

金属線５０の一端の搬送後、作業者は、超音波発生器６０で金属線５０の一端に超音波を印加させ、ワイヤボンディングを行う（ＳＰ６）。このとき、超音波振動により接合界面の酸化被膜や汚れが取り除かれ、結晶粒同士が原子間距離になるまで接近する。これにより、金属パーツ間で強力な引力が働き、冶金結合が生成される。なお、超音波の周波数は、６０ｋＨｚである。さらに、作業者は、金属線５０の他端を基板１１の電極１６にワイヤボンディングする（図１（ａ）参照）。これにより、半導体チップ配線構造１００が構成される。

（第２実施形態）
前記実施形態の層状物質劈開方法は、ＸＹＺステージ（不図示）が吸着ノズル２０を移動させたが、ＸＹＺθステージの代わりに３軸マニュピレータを用いて、吸着ノズル２０を移動させることもできる。

図８は、本発明の第２実施形態で使用されるダイボンダの外観図であり、図８（ａ）は、実体顕微鏡を除いた平面図であり、図８（ｂ）は、実体顕微鏡を２点鎖線で示した側面図である。
ダイボンダ９０は、実体顕微鏡７０と、ステージ７２と、ワークホルダ７３と、３軸マニュピレータ８０とを備える。３軸マニュピレータ８０は、ヘッド部８１と操作部８２とを備える。ヘッド部８１には、吸着ノズル２０が取り付けられ、ワークホルダ７３には、半導体チップ１０が固定される。３軸マニュピレータ８０は、操作部８２をＸＹＺ方向に動かすことにより、ヘッド部８１をＸＹＺ方向に１／Ｎ（例えば、Ｎ＝８）の変位量で移動させるものである（米国特許第５８７１１３６号明細書、米国特許第５９３１３７２号明細書参照）。回転ノブ８６は、吸着ノズル２０を１対１の回転量で回転させるノブである。

この本実施形態の層状物質劈開方法によれば、ヘッド部８１に取り付けられている吸着ノズル２０が操作部８２の１／Ｎの変位量で移動させられる。このため、作業者は、実体顕微鏡で確認しながら、金属片４０と金属線５０との搬送を操作部８２の操作速度よりも低速で行うことができる。

（比較例）
図９は、本発明の比較例であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。
図９（ａ）は、半導体チップ１０の電極１５と金属線５０の一端とを超音波接合する図である。つまり、作業者は、導電性接着剤３０の塗布（ＳＰ２（図３））や金属片４０の載置（ＳＰ３）を行うことなく、金属線５０の一端と電極１５とを直接、ワイヤボンディングする。

半導体チップ１０は、柔軟性に富んだ軟質素材を用いているので、超音波印加時に、超音波エネルギを吸収してしまう。言い換えれば、金属線５０の一端と電極１５との接触面に超音波エネルギが集中しない。このため、金属線５０の一端と電極１５との接合強度が十分に得られない。

また、電極１５の成膜状態が悪く、電極１５と有機半導体１４との接合強度が低いときには、図９（ｂ）のように、電極１５が有機半導体１４から剥離してしまう。このようなときには、超音波周波数や超音波強度の修正等のボンディング条件の変更だけでは、対処することが困難である。そのため、比較例では、電極１５の材質や成膜条件の変更を伴うことがある。

また、半導体チップ１０の評価サンプルは、洗浄されていないものが多く、電極１５の表面状態が悪い。例えば、電極１５の表面が汚染されている場合、図９（ｃ）のように、金属線５０の一端と電極１５との超音波接合が成功しないことがある。このようなときには、接合工程の前に、電極１５を洗浄する洗浄工程を追加する必要がある。また、電極１５の材質によっては、比較例では、大気中での酸化や加熱環境下での変質によっても、超音波接合が成功しないことがある。このようなときには、電極１５や金属線５０の材質変更を行う必要がある。

この比較例に対して、第１，２実施形態のワイヤボンディング方法では、電極１５に導電性接着剤３０を塗布し（ＳＰ２）、その導電性接着剤３０の上に金属片４０を載置し（ＳＰ４）、金属片４０と金属線５０とを超音波接合している（ＳＰ６）。つまり、金属片４０の質量が電極１５の質量よりも極めて大きいので、超音波印加時の金属片４０の振幅（位置変動）が小さくなる。このため、超音波発生器６０が発生する超音波エネルギの多くが金属片４０と金属線５０との接合に使われる。したがって、金属片４０と金属線５０との金属接合が強固になる。また、第１，２実施形態のワイヤボンディング方法によれば、超音波印加時の金属片４０の振幅が小さいので、電極１５と有機半導体１４との剥離（図９（ｂ））が減少する。

１０ 半導体チップ
１１ 基板
１３ ゲート電極
１４ 有機半導体
１５，１５ａ，１５ｂ，１６ 電極
２０ 吸着ノズル
２５ 空気吸入孔
３０ 導電性接着剤
４０ 金属片
５０ 金属線
６０ 超音波発生器
８０ ３軸マニュピレータ
９０ ダイボンダ
１００ 半導体チップ配線構造

Claims (4)

1. 軟質素材を有した半導体チップに形成された電極に導電性接着剤を塗布する塗布ステップと、
   前記導電性接着剤の表面に金属片を載置する載置ステップと、
   前記金属片と金属線とを超音波接合する接合ステップと
   を備え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に記載のワイヤボンディング方法であって、
   前記軟質素材は、カドミウムテルル又は有機半導体であり、
   前記電極は、前記軟質素材に形成されている
   ことを特徴とするワイヤボンディング方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のワイヤボンディング方法であって、
   前記接合ステップの前に、前記金属線を吸着しつつ前記金属片まで搬送する搬送ステップをさらに備え、
   前記搬送ステップで使用される吸着ノズルと前記載置ステップで使用される吸着ノズルとは、同一である
   ことを特徴とするワイヤボンディング方法。
4. 電極が形成された有機半導体チップ又はカドミウムテルル化合物半導体チップと、
   前記電極の上に積層された導電性接着剤と、
   前記導電性接着剤に接合する金属片と、
   前記金属片に金属接合された金属線と、
   を備えたことを特徴とする半導体チップ配線構造。