JPH063818B2 - ワイヤレスボンディング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ワイヤレスボンディング方法に関する。

＜従来の技術＞ 半導体装置用リードフレームに半導体チップをボンディ
ングする従来の代表的な方法として、ワイヤボンディン
グ方式とワイヤレスボンディング方法とが知られてい
る。

前者のワイヤボンディング方式は、第７図(A),(B)に示
すように、リードフレームＲＦのパッド31に半導体チッ
プｍを熱圧着もしくは導電性接着剤等により固着し、こ
の半導体チップｍのボンディングパッド32とリードフレ
ームＲＦのインナーリード33の先端とを金線等のボンデ
ィングワイヤ34を用いて順次１つずつ電気的に接続する
ものである。

後者のワイヤレスボンディング方式は、第８図に示すよ
うに、ポリイミドテープ44に貼り付けられた銅箔をエッ
チングして形成したテープキャリヤ型のリードフレーム
41に対して、そのインナーリード先端に付着形成のバン
プ42へ、半導体チップｍのボンディングパッド43を接合
するものであり、例えば、特開昭60−130147号公報（発
明の名称「半導体装置の製造方法」）には、かかるワイ
ヤレスボンディング方式におけるインナーリードの幅等
に関する技術が記載されている。

後者のワイヤレスボンディング方式は、前者のワイヤボ
ンディング方式のようにボンディングワイヤ34を用いて
１本ずつ順次にボンディングするのではなく、半導体チ
ップｍの多数のボンディングパッド43に対してインナー
リード先端のバンプ42のすべてを同時に接続できるので
ボンディング時間の大幅な短縮化を図ることができる。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかし、ワイヤレスボンディング方式は、インナーリー
ド先端のバンプ42を半導体チップｍのボンディングパッ
ド43に接合する際に、インナーリードが接合するための
熱を吸収するのを少なく抑えるように、およびインナー
リードが接合時の形状にしなやかに対応するように、イ
ンナーリードを薄くすることが要求され、銅箔を母材に
してリードフレーム41を形成していた。このため、かか
るリードフレーム単独では、その取り扱い強度に問題が
あるので、ポリイミドテープ44に貼り付けて支持させて
いた。ところが、ポリイミドテープは非常に高価である
から、コスト高につくという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、ボンディングの生産性および信頼性の向上ならびに
コストの低減化を図る上で有利なワイヤレスボンディン
グ方法を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明に係るワイヤレスボンディング方法は、半導体装
置用リードフレームのインナーリードの先端と、当該先
端に形成されたバンプの厚みを、ともにこのインナーリ
ードの素材の厚さよりも充分薄く形成し、 前記リードフレームに半導体チップを供給し、 前記リードフレームと半導体チップとを押圧しながら、
前記リードフレームのボンディング面の裏面から前記リ
ードフレームと半導体チップとの界面を加熱することを
特徴とするものである。

＜作用＞ 本発明による作用は次のとおりである。

すなわち、リードフレームにおけるインナーリード先端
に半導体チップのボンディングパッドを押圧し、かつ、
加熱によつてインナーリード先端とボンディングパッド
とを接合する。すなわち、単に１度の押圧加熱によっ
て、すべてのインナーリード先端とすべてのボンディン
グパッドとを同時的に接続する。

インナーリードの先端の厚さと先端に形成されたバンプ
の厚さとをともにインナーリードの素材の厚さよりも充
分薄くしているので、半導体チップのボンディングパッ
ドをインナーリード先端に直接的に接合するに当たって
必要とされる薄さを確保しながらも、リードフレーム全
体としてはその取り扱い上必要とされる所要の強度をも
つだけの厚さを確保することができ、上記の直接接合を
実現性のあるものとしている。したがって、高価なポリ
イミドテープにリードフレームを貼り付けて支持する必
要がない。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

ワイヤレスボンディング方法の実施例 まず、インナーリード先端にバンプ付きパターンを形成
する工程を、第１図に基づいて説明する。

第１図（Ａ）は、半導体装置用リードフレームの一例と
してクワッド形のリードフレームの半製品状態を示して
いる。同図に示すように、リードフレーム素材ＲＦ_０に
対するプレスの打抜き加工によって、後工程で形成され
るべきインナーリードの先端相当箇所の直ぐ内側の４つ
のスリツト状の逃げ窓１と、アウターリード２とを同時
に形成する。

次に、後工程でバンプ付きパターンが形成されるべきイ
ンナーリード先端相当箇所（ハッチングを施した箇所）
に、コイニングによってその厚さがインナーリード素材
ＲＦ_０よりも充分薄い薄肉部３を形成する。この状態を
第１図（Ｂ）に示す。この図は、第１図（Ａ）のＥ−Ｅ
線矢視断面の拡大図である。なお、逃げ窓１は、コイニ
ングの際にリードフレーム素材ＲＦ_０が延伸する空間を
確保するためのものである。

次いで、第１図（Ｃ），（Ｄ）に示すように、プレスの
打抜き加工によりリードフレーム素材ＲＦ_０にインナー
リード４を形成した後、このインナーリード４の先端の
薄肉部３において、半導体チップのボンディングパッド
と接合すべき位置にボンディング用のバンプ６をエッチ
ングにより形成する。すなわち、エッチングにより、第
１図（Ｄ）においてハッチングを施した部分３ａが除去
され、その先端に凸部すなわちバンプ６が形成される。

この形成されたバンプ６は、インナーリード素材ＲＦ_０
より充分薄く形成された薄肉部３をエッチングして形成
されるので、薄肉部３と同様に厚さがインナーリード素
材ＲＦ_０より充分薄い。

なお、エッチングによって形成されるインナーリード４
の先端の間隔と、エッチングされる板厚とは密接な関係
がある。インナーリード４の先端のバンプ６のように半
導体チップのボンディングパッドに直接的に接続される
ものにあっては、例えばワイヤボンディング方式の場合
のボンディングワイヤの径（25μｍ）の約２〜３倍程
度、すなわち50〜75μｍ程度の板厚が望ましい。

リードフレームＲＦ_１は取り扱い上、薄過ぎると所要の
強度を確保することができない。そのため、50〜200μ
ｍの板厚のリードフレーム素材を使用している。

しかし、この板厚のリードフレーム素材を使用すると、
半導体チップのボンディングパッドに対しインナーリー
ドの先端のバンプを直接的に接続する上で支障を来す。
このため、前述のようにインナーリード先端相当箇所を
予めコイニングによりリードフレーム素材の厚さより充
分薄く形成しているのである。

次に、インナーリード４の先端におけるバンプ６に金メ
ッキを施した後、リードフレーム素材ＲＦ_０の中央のパ
ッド７を取り除く。

以上によって、リードフレームＲＦ_１の作製が完了す
る。

次ぎに、ボンディング作業の手順を第２図に基づいて説
明する。

第２図（Ａ）に示すように、バンプ６が下向きとなる状
態でリードフレームＲＦ_１をボンディング箇所において
固定する。次いで、電極形成面を上向き（フェイスアッ
プ）にした状態で半導体チップｍをリードフレームＲＦ
_１に対して供給する。その供給は、まず、バンプ６に対
して半導体チップｍのボンディングパッド８が微小寸法
ｌだけ離れた状態での供給である。

次に、マイクロスコープで半導体チップｍのボンディン
グパッド８と、リードフレームＲＦ_１のバンプ６との相
対的位置関係を撮像し、それをモニタディスプレイに映
し出す。そして、モニタディスプレイを見ながら、すべ
てのバンプ６に対してすべてのボンディングパッド８を
位置合わせする。この位置合わせは、半導体チップｍの
方を移動させることによって行ってもよいし、リードフ
レームＲＦ_１の方を移動させることによって行ってもよ
い。また、その移動は、手動操作によってもよいし、自
動的に行ってもよい。

この位置合わせの完了の後、リードフレームＲＦ_１に対
して半導体チップｍをさらに接近移動させ、第２図
（Ｂ）に示すように、バンプ６に対してボンディングパ
ッド８を接触させる。

次いで、第２図（Ｃ）に示すように、インナーリード４
におけるバンプ６と半導体チップｍにおけるボンディン
グパッド８とを所要の圧力Ｐで押圧しながら、インナー
リード４のボンディング面の裏面から所要温度の熱Ｈを
与えて、バンプ６とボンディングパッド８との界面を加
熱する。この押圧加熱によってバンプ６とボンディング
パッド８との界面に共晶結合が形成される等によって両
者が接合され電気的に接続される。

なお、リードフレームとしては、第３図に示すように、
バンプ６を尖鋭なものに形成し、この尖鋭なバンプ６を
ボンディングパッド８に突き刺すことによって接合をよ
り強固に行うようにしてもよい。

また、上記実施例では、半導体チップｍをフェイスアッ
プの状態でボンディングしたが、フェイスダウンの状態
でボンディングするようにしてもよい。

また、上記実施例では、リードフレームＲＦ_１のインナ
ーリード４を、その先端における半導体チップｍのボン
ディングパッド８との接合位置に、バンプ６が形成され
たバンプ付きのインナーリードとしたが、バンプ６が形
成されていないバンプなしのインナーリードとしてもよ
い。

ワイヤレスボンディング装置の実施例 第４図はワイヤレスボンディング装置の正面図、第５図
はボンディング箇所におけるガイドレール部分の断面図
である。

断面がほぼＬ形をし、段差部の上面がリードフレームＲ
Ｆ_２を載置して案内する案内面10ａとなっているガイド
レール10が左右に対向して（第５図参照）設けられ、そ
の両ガイドレール10の長さ方向の中央部がボンディング
箇所ＢＰ（第４図参照）として定められている。このボ
ンディング箇所ＢＰは、Ｙ方向（左右方向）において両
ガイドレール10の中央部分にあり、上下方向ではガイド
レール10の案内面10ａと同一高さ位置にある。

リードフレームＲＦ_２としては、先に説明したリードフ
レームＲＦ_１と同様の構造をもつものを使用する。ただ
し、先のリードフレームＲＦ_１がクワッド形であったの
に対し、本実施例のリードフレームＲＦ_２は短冊状のも
のである。ガイドレール10は、この短冊状のリードフレ
ームＲＦ_２を、そのボンディング面すなわちバンプ６を
下向きにして載置案内する。

ボンディング箇所ＢＰに対して、リードフレームＲＦ_２
の搬送方向Ｘの上手側に、リードフレームＲＦ_２をステ
ップ送りするリードフレーム搬送手段Ａが設けられてい
る。

ボンディング箇所ＢＰの下方には、電極形成面すなわち
ボンディングパッド８を上向き（フェイスアップ）にし
て半導体チップｍを載置し、上昇することによってリー
ドフレームＲＦ_２に半導体チップｍを供給する半導体チ
ップ支持手段Ｂが設けられている。

また、ボンディング箇所ＢＰの上方には、下降すること
により、下端面がリードフレームＲＦ_２のボンディング
面の裏面に接し、リードフレームＲＦ_２と半導体チップ
ｍとを半導体チップ支持手段Ｂとの間で挟んで押圧し、
かつ、リードフレームＲＦ_２のボンディング面の裏面か
ら加熱する押圧加熱手段Ｃが設けられている。

まず、リードフレーム搬送手段Ａについて説明する。

ガイドレール10の下方において、ステップ送り用のステ
ッピングモータ11にボールネジを介して取り付けられ、
Ｘ方向に沿って往復移動する可動ベース12に縦姿勢の昇
降用エアシリンダ13が立設され、そのピストンロッドに
水平な送り板14が固定され、この送り板14の端部の２箇
所に上方に向けてテーパーピン15が立設されている。こ
れら各テーパーピン15は、両ガイドレール10の案内面10
ａにおいて上下方向に貫通形成された長孔10ｂに挿通さ
れている。

テーパーピン15は、その上端のテーパー部が両ガイドレ
ール10の案内面10ａ上に載置されたリードフレームＲＦ
_２の左右一対のパーフォレーション30に対し、その下側
から挿入されるように構成されている。

ステッピングモータ11および昇降用エアシリンダ13は、
ステッピングモータ11の正転によるテーパーピン15の
前進、昇降用エアシリンダ13の収縮によるテーパーピ
ン15の下降、ステッピングモータ11の逆転によるテー
パーピン15の後退、昇降用エアシリンダ13の伸長によ
るテーパーピン15の上昇の順でシーケンシャルに制御さ
れるように構成されている。

昇降用エアシリンダ13が収縮のストロークエンドにある
とき、テーパーピン15のテーパー部は、ガイドレール10
の案内面10ａよりも下方に位置し、昇降用エアシリンダ
13が伸長のストロークエンドにあるときは、テーパー部
はガイドレール10の案内面10ａよりも上方に位置するよ
うに構成されている。

上記のシーケンス制御により、テーパーピン15のテーパ
ー部が四角形の軌跡を描いてタクト運動し、リードフレ
ームＲＦ_２をステップ送りするように構成されている。

ボンディング箇所ＢＰにおいてガイドレール10に切欠き
10ｃが形成され、その切欠き10ｃの箇所を送り板14の昇
降に連動して昇降し、下降時にリードフレームＲＦ_２の
両側縁部をガイドレール10の案内面10ａに挟持固定する
左右一対のリードフレーム押え板16が設けられている。
その連動のための機構については適宜のものを採用して
よいから、図示および説明を省略する。

次に、半導体チップ支持手段Ｂについて説明する。

Ｘ方向ステッピングモータ17によってＸ方向に往復移動
するＸテーブル18と、Ｘテーブル18上に設けられ、Ｙ方
向ステッピングモータ19によってＹ方向に往復移動する
Ｙテーブル20と、Ｙテーブル20上に設けられたステージ
ボックス21と、ステージボックス21内に設けられたＺ方
向ステッピングモータ22と、このＺ方向ステッピングモ
ータ22によって上下動するボンディングステージ23等か
ら構成されている。ボンディングステージ23にはその上
面に開口する真空吸引路が形成され、上面に載置した半
導体チップｍを吸着保持するように構成してある。

Ｘ方向ステッピングモータ17，Ｙ方向ステッピングモー
タ19は、図示しないＸ−Ｙジョイスティクによって駆動
操作されるように構成されている。

押圧加熱手段Ｃは、ボンディング箇所ＢＰの上方におい
て縦姿勢で設けられた押圧用エアシリンダ24と、そのピ
ストンロッドに取り付けられたツール保持ブロツク25
と、ツール保持ブロツク25の下面に設けられたボンディ
ングツール26と、ボンディングツール26に内蔵されたヒ
ータ27と、押圧用エアシリンダ24の伸長に伴うツール保
持ブロツク25の下降に対して反力を与える緩衝用の引張
バネ28等から構成されている。ボンディングツール26は
半導体チップｍとほぼ同じ大きさに構成され、ボンディ
ングステージ23の真空吸着口の真上に位置している。

なお、リードフレームＲＦ_２におけるインナーリード４
のバンプ６とボンディングステージ23上の半導体チップ
ｍのボンディングパッド８との相対的位置関係を撮影す
るためのマイクロスコープ（図示せず）や、このマイク
ロスコープが撮影した像を映し出すモニタディスプレイ
（図示せず）が設けられている。

次に、この実施例のワイヤレスボンディング装置の動作
を説明する。

昇降用エアシリンダ13を伸長させテーパーピン15のテー
パー部をガイドレール10の案内面10ａよりも上方に突出
した状態とすると、これに連動してリードフレーム押え
板16が案内面10ａから上方に離間する。なお、押圧加熱
手段Ｃにおけるヒータ27には常時的に通電してあり、ボ
ンディングツール26が所定温度にコントロールされてい
る。

この状態でリードフレームＲＦ_２の先頭の単位リードフ
レーム部分における左右一対のパーフォレーション30を
最初に手作業によってテーパーピン15のテーパー部に係
合する。

次に、リードフレーム搬送手段Ａにおけるステッピング
モータ11が正転駆動され、可動ベース12,昇降用エアシ
リンダ13，送り板14および一対のテーパーピン15が一体
となってＸ方向に前進移動する。各テーパーピン15は、
ガイドレール10の長孔10ｂ内を移動し、ボンディング箇
所ＢＰに達したときにステッピングモータ11が停止され
る。これによって、先頭の単位リードフレーム部分がボ
ンディング箇所ＢＰまで搬送される。

次いで、昇降用エアシリンダ13が収縮し、送り板14，テ
ーパーピン15が一体となって下降する。この下降によっ
てテーパーピン15のテーパー部がガイドレール10の案内
面10ａよりも下方に引退する。テーパーピン15を下方に
引退するとき、リードフレーム押え板16が連動して下降
し、リードフレームＲＦ_２の両側縁部をガイドレール10
の案内面10ａとの間で挟持しリードフレームＲＦ_２を固
定する（第５図参照）。

次に、ステッピングモータ11が逆転駆動され、送り板1
4，テーパーピン15が一体となって後退移動し、原点位
置に達して停止し、次のステップ送りまで待機する（第
４図参照）。

図示しないプリアライメント部でＸ方向，Ｙ方向および
θ方向のプリアライメントが完了した半導体チップｍ
を、図示しないトラバースアームによって吸着して搬送
し、第６図（Ａ）に示すように、その半導体チップｍを
ボンディングステージ23の上面の真空吸着口の上に載置
し、真空吸引によって半導体チップｍをボンディングス
テージ23上にフェイスアップの状態で吸着保持する。

次いで、Ｚ方向ステッピングモータ22の正転駆動によっ
てボンディングステージ23が上昇し、その上の半導体チ
ップｍのボンディングパッド８が第６図（Ｂ）に示すよ
うにインナーリード４のバンプ６から下方に微小間隔ｌ
（例えば、0.５mm）を隔てた位置にきたときにＺ方向ス
テッピングモータ22が停止される。

次に、マイクロスコープによって撮影されたリードフレ
ームＲＦ_２におけるインナーリード４の先端のバンプ６
と半導体チップｍのボンディングパッド８との相対的位
置関係がモニタディスプレイに映し出されているが、オ
ペレータがモニタディスプレイの画面を見ながらＸ−Ｙ
ジョイスティクを操作しＸ方向ステッピングモータ17，
Ｙ方向ステッピングモータ19を駆動して、各バンプ６と
各ボンディングパッド８とをＸ，Ｙ両方向で位置合わせ
する。

この位置合わせの完了の後、図示しないスタートスイッ
チをオンすると、半導体チップ支持手段ＢのＺ方向ステ
ッピングモータ22が再び正転駆動され、ボンディングス
テージ23が再上昇し、半導体チップｍのボンディングパ
ッド８がインナーリード４のバンプ６に接触したときに
Ｚ方向ステッピングモータ22が停止される（第６図
（Ｃ）参照）。

次いで、押圧加熱手段Ｃの押圧用エアシリンダ24が伸長
されてツール保持ブロック25が下降し、ヒータ27によっ
て所定温度に加熱されているボンディングツール26が、
第６図（Ｄ）に示すように、バンプ６とボンディングパ
ッド８とを接合する。

この場合、押圧用エアシリンダ24が伸長するに従って緩
衝用の引張バネ28が次第に伸長し押圧用エアシリンダ24
の伸長力に対する反力として働き、ボンディングツール
26の下降速度が次第に低下するためボンディングツール
26が半導体チップｍに衝撃を与えることが回避される。

押圧用エアシリンダ24がその伸長のストロークエンドに
達した時点から所定時間が経過すると、押圧用エアシリ
ンダ24が収縮され、ボンディングツール26が上昇する。
これと同時に、ボンディングステージ23の真空吸着口に
かけていた負圧が解除され、半導体チップｍに対するボ
ンディングステージ23による吸着保持が解かれる。この
吸着保持の解除の後に、Ｚ方向ステッピングモータ22が
逆転駆動され、ボンディングステージ23が下降する。

次に、リードフレーム搬送手段Ａにおける昇降用エアシ
リンダ13が伸長すると、原点位置で待機していたテーパ
ーピン15が上昇し、次のボンディング対象である単位リ
ードフレーム部分における所定のパーフォレーション30
にテーパーピン15のテーパー部が係合することとなる。

以上によって、単位リードフレーム部分についてのボン
ディング作業の１サイクルが完了する。以降は、前述同
様の動作の繰り返しが行われる。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、インナーリード先端に半導体チップの
ボンディングパッドを押圧し、かつ、加熱することによ
ってバンプとボンディングパッドとを接続するため、単
に１度の押圧加熱によって、すべてのインナーリードと
すべてのボンディングパッドとを同時的に接続するので
生産性を向上することができる。そして、接続箇所が半
導体チップのボンディングパッドの数と同数となり、ワ
イヤボンディング方式に比べて半減しているので、ボン
ディングの信頼性を向上することができる。

また、インナーリードの先端と当該先端に形成されたバ
ンプは、ともにインナーリードの素材の厚さよりも充分
薄く形成されているので、熱伝導性が高く、ボンディン
グ性が良好である。

さらに、高価なポリイミドテープを使用しなくてもよい
ことから、コストダウンを促進することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明に係るワイヤレスボンディン
グ方法の実施例を説明するもので、第１図はリードフレ
ームの製作工程の説明図、第２図はボンディング工程の
説明図、第３図はリードフレームの別の態様を示す図で
ある。 第４図から第６図は本発明に係るワイヤボンディング方
法を好適に実施することができる装置の一例を説明する
もので、第４図はワイヤレスボンディング装置の一部破
断の正面図、第５図はガイドレール部分の断面図、第６
図は動作説明図である。 第７図および第８図は従来例の説明図である。 ４…インナーリード ６…バンプ ８…ボンディングパッド 27…ヒータ Ａ…リードフレーム搬送手段 Ｂ…半導体チップ支持手段 Ｃ…押圧加熱手段 ｍ…半導体チップ ＲＦ_１，ＲＦ_２…リードフレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹下 治 京都府京都市伏見区羽束師古川町322番地 大日本スクリーン製造株式会社洛西工場 内 (72)発明者 岩井 孝之 京都府京都市伏見区羽束師古川町322番地 大日本スクリーン製造株式会社洛西工場 内 (72)発明者 寺内 健一 京都府京都市伏見区羽束師古川町322番地 大日本スクリーン製造株式会社洛西工場 内 (56)参考文献 特開 昭51−87964（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−81074（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−25066（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体装置用リードフレームのインナーリ
   ードの先端と、当該先端に形成されたバンプの厚みを、
   ともにこのインナーリードの素材の厚さよりも充分薄く
   形成し、 前記リードフレームに半導体チップを供給し、 前記リードフレームと半導体チップとを押圧しながら、
   前記リードフレームのボンディング面の裏面から前記リ
   ードフレームと半導体チップとの界面を加熱することを
   特徴とするワイヤレスボンディング方法。