JPH10261645A - 半導体素子、突起電極の形成方法およびワイヤボンディング方法 - Google Patents

半導体素子、突起電極の形成方法およびワイヤボンディング方法

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JPH10261645A
JPH10261645A JP34944897A JP34944897A JPH10261645A JP H10261645 A JPH10261645 A JP H10261645A JP 34944897 A JP34944897 A JP 34944897A JP 34944897 A JP34944897 A JP 34944897A JP H10261645 A JPH10261645 A JP H10261645A
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JP
Japan
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wire
ball
metal
electrode
foil
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JP34944897A
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English (en)
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Satoru Zama
悟 座間
Yasuhisa Kaga
靖久 加賀
Junya Hirano
潤也 平野
Hitoshi Yuzawa
均 湯沢
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極パッド上に高い接合強度の突起電極を具
備する半導体素子を提供すること、半導体素子を損傷す
ることなく、高い接合強度の突起電極を半導体素子の電
極上に形成すること、および高い接合強度のワイヤボン
ディングを行うことを可能とする方法を提供することを
目的とする。 【解決手段】 電極パッドと、この電極パッドに接合さ
れた金属スタッドとを有し、金属スタッドは、金属箔を
間に介して電極パッドに接合されていることを特徴とす
る半導体素子。ワイヤの先端部を溶融してボールを形成
する工程と、半導体素子の電極上に金属箔を間に介して
前記ボールを配置する工程と、前記ボールを電極に押圧
して、前記電極、金属箔およびボールを接合する工程と
を具備することを特徴とする突起電極の形成方法および
ワイヤボンディング方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、突起
電極の形成方法およびワイヤボンディング方法、並びに
それらの方法を実施するための超音波接合装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体素子を配線基板に実装する
方法として、半導体チップの電極と外部リードとを金か
らなるボンディングワイヤにより接続するワイヤボンデ
ィング法、および半導体チップの電極パッド上に突起電
極、いわゆるバンプを形成し、このバンプを半田や導電
性ペースト等を介して配線基板に直接実装する表面実装
法が知られている。
【０００３】表面実装法におけるバンプとしては、メッ
キや蒸着により形成されたもの以外に、金属スタッドを
電極パッド上に接合形成したスタッドバンプが知られて
いる。スタッドバンプは、例えば金属ワイヤを加熱溶融
してボール状としたものを金属スタッドとして用いて、
超音波ボンディング法により金属スタッドを電極パッド
上に接合した後、ボール付近でワイヤを切断することに
より形成される。また、形成されたスタッドバンプ上に
半田層を形成したバンプ構造も知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述のワイヤボンディ
ング法やスタッドバンプの形成においては、ボンディン
グワイヤあるいは金属スタッド材として通常は金が用い
られている。これは、銅やパラジウム等の硬度の高い金
属を用いると、ボンディングワイヤや金属スタッドを電
極上に接合する際の押圧力や超音波エネルギーの影響
で、半導体素子にストレスが加わって素子内部に亀裂や
割れを生じたり、半導体素子の信頼性が低下するなどの
問題が生じるためである。
【０００５】しかし、硬度の低い金を用いても、接合時
にある程度のダメージを半導体素子に与えてしまうの
で、よりダメージの少ないワイヤボンディング法やスタ
ッドバンプの形成法が望まれていた。
【０００６】また、金は高価であり、より安価な金属を
使用することによりコストダウンを図ることが必要とさ
れていた。更に、特にスタッドバンプの場合は、実装時
に素子上に形成したバンプと実装基板を半田により接合
するために、金属スタッド材として金を用いると、半田
食われを生じて、接合信頼性が低下するおそれがあると
いう問題もあった。
【０００７】一方、スタッドバンプをメッキや蒸着によ
り形成する方法を用いれば、半導体素子内部の亀裂等や
防げるが、実装性を高めるためにはバンプ高さを高くす
る必要があり、メッキや蒸着で十分な高さのバンプを得
ることは技術的に困難であり、またコストアップともな
ってしまう。
【０００８】なお、電極上に予め金属スタッドを接合し
ておいて、この金属スタッド上に更に半田層を形成する
ことで、スタッドバンプの高さを高くして実装性を高め
る方法も知られているが、金属スタッドの接合時に半導
体チップにダメージを与えてしまう点は通常のスタッド
バンプの場合と同様であり、更に、金属スタッド上に設
けた半田層が高さ方向よりも幅方向に形成される傾向が
あって、十分な高さのスタッドバンプを形成することが
難しいという問題があった。
【０００９】本発明は、このような事情の下になされ、
電極パッド上に高い接合強度の突起電極を具備する半導
体素子を提供することを目的とする。本発明の他の目的
は、半導体チップを損傷することなく、高い接合強度の
突起電極を、半導体チップの電極上に形成することを可
能とする、突起電極の形成方法を提供することを目的と
する。
【００１０】本発明の更に他の目的は、半導体チップを
損傷することなく、高い接合強度のワイヤボンディング
を行うことを可能とするワイヤボンディング方法を提供
することにある。
【００１１】本発明の更に他の目的は、半導体チップを
損傷することなく、高い接合強度の突起電極を、効率よ
く半導体チップの電極上に形成することを可能とする超
音波接合装置を提供することにある
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明（請求項１）は、電極パッドと、この電極パ
ッドに接合された金属スタッドとを有する半導体素子で
あって、前記金属スタッドは、金属箔を間に介して前記
電極パッドに接合されていることを特徴とする半導体素
子を提供する。
【００１３】即ち、本発明では、電極上に金属箔を介し
て金属スタッドが接合されて突起電極（スタッドバン
プ）が形成されており、接合部分に金属箔が介在してい
るがために、接合時に素子に加わるストレスが緩和さ
れ、これにより素子中のダメージが非常に低減された突
起電極を有する半導体素子が得られる。
【００１４】このとき金属箔は、金属スタッドを構成す
る材料よりも硬度の低い材料、例えばアルミニウム、
銀、金、半田、これらの積層箔、またはこれらを被覆し
た箔などを用いると、接合時に素子に加わるストレスを
小さくでき、好適である。また、このとき使用する金属
箔はその純度が高い方がより硬度が低くなって好適であ
り、例えばアルミニウムの場合には純度９９％以上のも
のを用いることが好ましいことが確認されている。
【００１５】また、金属箔は５〜１００μｍの厚さのも
のを用いるのが好ましく、１０〜５０μｍの厚さのもの
が特に好ましい。金属箔の厚さが５μｍ未満では、十分
な緩衝効果を得ることが出来ないため、半導体チップの
損傷が生じやすく、一方、１００μｍを越えると金属ス
タッドと電極の接合強度を十分とすることが難しくなる
からである。なお、ここでいう金属箔の厚みは接合前の
金属箔の厚みであり、接合後の厚みではない。
【００１６】本発明では、接合の際のストレスが緩和さ
れているために、金属スタッドの材料として、金の他に
銅やアルミニウム、パラジウムを使用することも可能で
あり、銅やパラジウムを使用した場合には、金食われの
ような現象を生じないスタッドバンプを構成することが
でき、中でも９９．９９％以上の銅を用いることが最良
である。
【００１７】電極上に金属スタッドを接合する方法とし
ては、超音波ボンディング装置を用いて、金属ワイヤを
溶融して金属ボールを形成し、これを電極上に超音波接
合する方法が知られているが、本発明における金属スタ
ッドはこれに限るものではなく、他の方法で形成しても
良く、また、形状もボール形状に限るものではなく、例
えば金属スタッドの電極との接合予定部を偏平形状とし
ておくことで、より素子内部のストレスが軽減された半
導体素子を得ることができる。
【００１８】なお、本発明においても、電極上に金属箔
を介して接合した金属スタッド上に半田層を形成して、
より実装性を高めることができる。金属箔としてアルミ
箔のように半田に濡れない金属を使用し、金属スタッド
と金属箔の接合部から外方に金属箔を展出するように構
成すれば、展出した金属箔部分が半田をはじく作用をし
て、スタッド上に形成した半田層が上方に盛り上がるた
め、極めて実装性の高いスタッドバンプを得ることがで
きる。
【００１９】また、第２の発明（請求項２）は、電極上
に金属箔を介してボンディングワイヤが接合されている
ことを特徴とする半導体素子を提供する。上述の発明
（請求項１）と同様、金属箔による応力緩和作用によっ
て、素子中のダメージが非常に低減された接合部を有す
る半導体素子を得ることが出来る。
【００２０】本発明では、接合の際のストレスが緩和さ
れているために、ボンディングワイヤの材料として、金
の他に銅やアルミニウム、パラジウムを使用することも
可能であり、銅やアルミニウム、パラジウムを使用すれ
ば、安価でかつ金食われのような現象を生じないワイヤ
ボンディングを構成することが可能となる。
【００２１】第３の発明（請求項３）は、金属材料から
なるワイヤの先端部を溶融してボールを形成する工程
と、半導体チップの電極上に金属箔を間に介して前記ボ
ールを配置する工程と、前記電極、金属箔およびボール
を相互に接合する工程と、前記ボールからワイヤを切断
して、前記電極上にスタッドバンプを形成する工程とを
具備することを特徴とする突起電極の形成方法を提供す
る。
【００２２】第３の発明においては、以下の態様があ
る。 （１）前記金属箔が、前記ボールを接合する前にあらか
じめ前記電極上に押圧され、前記電極に接合される。
【００２３】（２）前記金属箔が、前記ワイヤを構成す
る金属材料よりも軟質の金属材料からなる。 （３）前記金属箔が、アルミニウム、銀、金、半田、こ
れらの積層箔、およびこれらを被覆した箔からなる群か
ら選ばれた１種である。
【００２４】（４）前記金属箔の厚さが、５〜１００μ
ｍである。 （５）前記ワイヤを構成する金属材料は、パラジウム、
銅および金からなる群から選ばれた１種である。
【００２５】第４の発明（請求項４）は、第１の金属材
料からなる第１のワイヤの先端部または先端部を溶融し
て得た第１のボールを半導体チップの電極に押圧する工
程と、前記第１のワイヤの先端部または第１のボールか
ら第１のワイヤを切断して、金属緩衝層を形成する工程
と、前記第１の金属材料および金よりも硬質の第２の金
属材料からなる第２のワイヤの先端部を溶融して得た第
２のボールを前記金属緩衝層に押圧する工程と、前記第
２のボールから第２のワイヤを切断して、前記電極上に
スタッドバンプを形成する工程とを具備することを特徴
とする突起電極の形成方法を提供する。
【００２６】第４の発明においては、以下の態様があ
る。 （１）前記第１の金属材料が、アルミニウムまたは金で
ある。 （２）前記第２の金属材料が、パラジウム、銅および金
からなる群から選ばれた１種である。
【００２７】第５の発明（請求項５）は、金属材料から
なるワイヤの先端部を溶融してボールを形成する工程
と、半導体チップの電極上に金属箔を間に介して前記ボ
ールを配置する工程と、前記電極、金属箔およびボール
を接合する工程と、前記ワイヤをループ状に導いて、外
部リードに接続する工程とを具備することを特徴とする
ワイヤボンディング方法を提供する。
【００２８】第５の発明においては、以下の態様があ
る。 （１）前記金属箔が、前記ボールを接合する前にあらか
じめ前記電極上に押圧され、前記電極に接合される。
【００２９】（２）前記金属箔が、前記ワイヤを構成す
る金属材料よりも軟質の金属材料からなる。 （３）前記金属箔が、アルミニウム、銀、金、半田、こ
れらの積層箔、およびこれらを被覆した箔からなる群か
ら選ばれた１種である。
【００３０】（４）前記金属箔の厚さが、５〜１００μ
ｍである。 （５）前記ワイヤを構成する金属材料が、パラジウム、
銅および金からなる群から選ばれた１種である。
【００３１】第６の発明（請求項６）は、第１の金属材
料からなる第１のワイヤの先端部または先端部を溶融し
て得た第１のボールを半導体チップの電極に押圧する工
程と、前記第１のワイヤの先端部または第１のボールか
ら第１のワイヤを切断して、金属緩衝層を形成する工程
と、前記第１の金属材料および金よりも硬質の第２の金
属材料からなる第２のワイヤの先端部を溶融して得た第
２のボールを前記金属緩衝層に押圧する工程と、前記ワ
イヤをループ状に導いて、外部リードに接続する工程と
を具備することを特徴とするワイヤボンディング方法を
提供する。
【００３２】第６の発明においては、以下の態様があ
る。 （１）前記第１の金属材料は、アルミニウムまたは金で
ある。 （２）前記第２の金属材料が、パラジウム、銅および金
からなる群から選ばれた１種である。
【００３３】第７の発明（請求項７）は、半導体チップ
を載置するステージと、金属材料からなるワイヤを供給
および保持し、水平および垂直方向に移動可能なボンデ
ィングヘッドとを備えた超音波接合装置において、枠体
の開口部に金属箔を取付けてなる金属箔テープを前記ス
テージ上に供給するユニットを備えたことを特徴とする
超音波接合装置を提供する。
【００３４】以上挙げた第１〜第７の発明の他に、更に
次の発明がある。 （１）金属箔テープを半導体チップの電極上に供給する
工程と、金属材料からなるワイヤの先端部を溶融してボ
ールを形成する工程と、半導体チップの電極上に前記金
属箔テープを間に介して前記ボールを配置する工程と、
前記電極、金属箔テープおよびボールを接合する工程
と、前記ボールからワイヤを切断して、前記電極上にス
タッドバンプを形成する工程と、前記金属箔テープと前
記半導体チップとを相対移動させて、前記金属箔テープ
を前記電極との接合部の周辺において切断する工程とを
具備することを特徴とする突起電極の形成方法。
【００３５】（２）金属箔テープを半導体チップの電極
上に供給する工程と、金属材料からなるワイヤの先端部
を溶融してボールを形成する工程と、半導体チップの電
極上に前記金属箔テープを間に介して前記ボールを配置
する工程と、前記電極、金属箔テープおよびボールを接
合する工程と、前記金属箔テープと前記半導体チップと
を相対移動させて、前記金属箔テープを前記電極との接
合部の周辺において切断する工程と、前記ワイヤをルー
プ状に導いて、外部リードに接続する工程とを具備する
ことを特徴とするワイヤボンディング方法。
【００３６】以上のように、本発明の突起電極の形成方
法は、ワイヤの先端部に形成されたボールを、金属箔ま
たは金属緩衝層を間に介して、半導体チップの電極に押
圧して接合した後、ボールからワイヤを切断して、スタ
ッドバンプを形成することを特徴とする。
【００３７】また、本発明のワイヤボンディング方法
は、ワイヤの先端部に形成されたボールを、金属箔また
は金属緩衝層を間に介して、半導体チップの電極に押圧
して接合した後、ワイヤをループ状に導いて、外部リー
ドに接続することを特徴とする。
【００３８】本発明の方法において使用される金属箔
は、ワイヤよりも軟質の材料、即ちアルミニウム、銀、
金、半田からなることが好ましい。また、これらの積層
箔、およびこれらを被覆した箔であってもよい。これら
の材料が好ましい理由は、軟質であるため、素子へのダ
メージが小さく、ボール接合時の衝撃を吸収する役目を
するからである。
【００３９】金属箔の厚さは、５〜１００μｍであるこ
とが好ましく、１０〜５０μｍが特に好ましい。金属箔
の厚さが５μｍ未満では、十分な緩衝効果を得ることが
出来ないため、半導体チップの損傷が生じ易く、一方、
１００μｍを越えると、ボールの電極への接合が十分行
われないためである。
【００４０】金属箔テープと半導体チップの相対移動の
形としては、金属箔テープを、水平方向に張力をかけた
状態で垂直方向に移動させること、金属箔テープと電極
との接合部を中心に、金属箔テープと半導体チップとを
相対的に回転または振動させることが挙げられる。
【００４１】なお、金属箔テープと半導体チップの相対
移動に際しては、金属箔テープの接合部の周辺にあらか
じめ切り欠きを形成しておくことにより、切断の容易に
かつ確実に行うことができる。
【００４２】また、金属箔に均一に張力をかける他の方
法として、金属箔に張力をかけた状態で、フレームで保
持する方法がある。なお、スタッドバンプの形成におい
ては、上述した金属箔を介してのボール接合および金属
箔の切断の工程は、必ずしも各スタッドバンプ毎に繰り
返して行う必要はない。
【００４３】一般的な半導体装置においては、複数個
（一般的には十〜数十個）のバンプ形成場所が直線的に
配列されたパターンを有している場合が多く、このよう
な場合は、金属箔を介してのボール接合を当該複数個の
バンプ形成場所に対して連続的に行い、しかる後に金属
箔の切断をまとめて行うことが能率的であり、好まし
い。
【００４４】この場合は、当該複数個のバンプ形成場所
に対するボール接合を行った後、直線状に配列した接合
部分の両サイドから金属箔にテンションを加えた状態
で、バンプの配列方向と平行、あるいは垂直方向に振動
を加える、ないしは、金属箔の、直線状に配列した接合
部分の両サイドを持ち上げるようにした状態で、バンプ
の配列方向と平行、あるいは垂直方向に振動を加えるこ
とにより、金属箔の切断を行うと、良好な切断結果を得
ることができる。
【００４５】金属緩衝層は、アルミニウム、金からなる
ことが好ましい。これらの材料が好ましい理由は、軟質
であり、変形し易いこと、大気中での接合が可能である
こと、特にアルミニウムは常温にて接合できるからであ
る。
【００４６】金属緩衝層の厚さは、０．１〜１０μｍで
あることが好ましい。金属緩衝層の厚さが０．１μｍ未
満では、十分な緩衝効果を得ることが出来ないため、半
導体チップの損傷が生じ易く、一方、１０μｍを越える
と、十分な接合状態を得ることができない。
【００４７】本発明の突起電極の形成方法およびワイヤ
ボンディング方法において、金属緩衝層として、金属粉
末層を用いることもできる。金属粉末は、例えば、金属
粉末と液体の混合物の形で半導体チップ上に供給され、
次いで液体を蒸発させることにより、金属粉末層を形成
することができる。使用可能な液体としては、金属粉末
を均一に分散させることができるとともに、蒸発が容易
なように、沸点が低いものであることが好ましい。その
ような液体としては、エタノール、アセトン、ヘキサン
等を挙げることができる。なお、余分な金属粉末層は、
金属スタッドもしくはボンディングワイヤを接合した後
に、容易に除去することが出来る。
【００４８】ワイヤを構成する材料としては、安価な銅
やパラジウムを用いることが好ましいが、金を用いるこ
とも可能である。以上のように、本発明の方法による
と、半導体チップの電極とボールとの間に金属箔または
金属緩衝層を介在させているため、これら金属箔または
金属緩衝層がボールを電極に押圧する際の衝撃を吸収
し、それによって、半導体チップの損傷が防止されるの
で、高い接合強度のバンプを容易に形成することが可能
である。また、それによって、スタッドバンプの形成お
よびワイヤーボンディングの信頼性の向上を図ることが
できる。
【００４９】また、金属箔または金属緩衝層の存在のた
め、ボールのつぶれが小さくて済み、高いバンプ高を得
ることがが可能である。このことは、半導体素子と基板
との接合に非常に有利である。
【００５０】更に、特に、スタッドバンプおよびボンデ
ィングワイヤとして銅やパラジウムを用いた場合には、
コストを下げることが出来るとともに、半田との間で金
属間化合物を形成して接合が脆化する現象を防止するこ
とが可能である。
【００５１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
種々の実施例について説明する。最初に、以下の実施例
で使用されたワイヤボンディング装置（超音波接合装
置）について説明する。図２０は、本発明に使用される
ワイヤボンディング装置の概要を示す図である。図２０
に示すワイヤボンディング装置では、ステージ２０１上
に半導体チップ２０２が載置され、ボンディングヘッド
２０３には、キャピラリ２０４、トランスジューサ２０
５、ワイヤクランパ２０６が取り付けられている。
【００５２】ボンディングヘッド２０３は、ＸＹテーブ
ル２０７上に取付けられ、ＸＹテーブル２０７がＸ方向
およびＹ方向に移動することにより、ボンディングの位
置合せが行われる。キャピラリ２０４は、Ｚ駆動モータ
２０８により上下動し、位置合せはカメラ２０９により
行われる。
【００５３】ワイヤ２１０は、スプール２１１からワイ
ヤクランパ２０６によりキャピラリ２０４へ供給され、
その先端部には、電気トーチによる放電によりボールが
形成される。バンプの形成に際しては、ステージ２０１
上に載置された半導体チップ２０２の上方に金属箔を配
置し、このボールを金属箔を間に介して半導体チップ２
０２の電極パッドに押しつけることにより接合する。こ
のとき、トランスジューサ２０５により、超音波と荷重
を加えることによりバンプを形成する。なお、図２０に
示すワイヤボンディング装置では、後述する、図６に示
すような、フレームの開口部に金属箔を接着したユニッ
ト７０を用いて、連続的に金属箔を供給出来るようにし
ている。
【００５４】実施例１ 図１に示す手順に従って、突起電極を形成した。即ち、
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンチップ１に形
成された、１００μｍ角、厚さ１μｍのアルミニウム電
極２の上に、厚さ１５μｍのアルミ箔３を配置した。次
いで、４０μｍの線径のパラジウム線４をキャピラリ５
に通し、放電によって８０μｍ径の金属スタッド（パラ
ジウムボール）６を形成した。なお、図ではシリコンチ
ップ１上にアルミニウム電極２が突出しているように描
かれているが、実際には、アルミニウム電極２の周囲に
は絶縁膜が形成されていて、アルミニウム電極２は絶縁
膜に埋め込まれた形となっている。
【００５５】次に、シリコンチップ１を３００℃に加熱
し、図１（ｂ）に示すように、キャピラリ５を下降させ
ることにより、パラジウムボール６をアルミニウム電極
２の上に１５０ｇｆの加重で押圧し、パラジウムボール
６に、１．５Ｗの出力の超音波振動を１５０ｍ秒間与え
た。その結果、パラジウムボール６は、アルミ箔３を圧
延しながら変形し、アルミ箔３を間に介在した状態でア
ルミニウム電極２と接合された。即ち、パラジウムボー
ル６とアルミ箔３、アルミ箔３とアルミニウム電極２が
それぞれ同時に接合された。
【００５６】その後、パラジウム線４を上方に引っ張っ
て、パラジウムボール６の近傍で切断し、更に、アルミ
箔３を斜め上方に持ち上げるように力を加えることによ
り剥離し、図１（ｃ）に示すように、スタッドバンプ８
を形成した。この場合、アルミ箔３は、押圧部との境界
付近において切断され易くなっているため、押圧部以外
の部分は容易に除去可能である。なお、振動を与えるこ
とにより、バンプ８の周辺でアルミ箔３をより剥離しや
すくすることも可能である。
【００５７】以上のように形成された突起電極について
接合強度を試験し、かつシリコンチップの割れの有無を
観察した。接合強度の試験は、ボールに対し剪断力（シ
ェア）を加え、引き剥がすのに必要な力を測定すること
により行った。その結果を下記表に示す。また、シリコ
ンチップの割れは、シェア試験後の破断面を観察し、破
断面がシリコンチップの内部ならば割れの可能性ありと
判断したが、本実施例では、割れ、陥没ともに観察され
なかった。
【００５８】なお、研磨により接合部の断面を露出し、
接合界面を観察することによっても、シリコンチップの
割れの有無を判断することができる。 実施例２ 実施例１において、金属スタッド（パラジウムボール）
６を、アルミ箔３を間に介してアルミニウム電極２と接
合した後、パラジウム線４を切断することなく、ループ
状に外部に導き、外部リード（図示せず）と接続した。
形成されたワイヤボンディングについて接合強度を試験
し、かつシリコンチップの割れの有無を観察したとこ
ろ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００５９】実施例３ 図２に示す手順に従って、突起電極を形成した。即ち、
まず、図２（ａ）に示すように、シリコンチップ１に形
成された、１００μｍ角、厚さ１μｍのアルミニウム電
極２の上に、厚さ３５μｍのアルミ箔１１を載置した。
次いで、シリコンチップ１を３００℃に加熱し、中空の
キャピラリ１２を下降させて、アルミ箔１１をアルミニ
ウム電極２に、１５０ｇｆの加重で押圧して、１．５Ｗ
の出力の超音波振動を１５０ｍ秒間与え、アルミ箔１１
をアルミニウム電極２に接合した。
【００６０】その後、アルミ箔１１を斜め上方に持ち上
げるように力を加えることにより剥離し、図２（ｂ）に
示すように、圧延層１３を形成した。次に、実施例１と
同様にして、金属スタッド（パラジウムボール）６（図
示せず）をアルミニウム電極２の上に、５５ｇｆの加重
で押圧し、パラジウムボール６に０．５５Ｗの出力の超
音波振動を５５ｍ秒間与えた。その結果、パラジウムボ
ール６は変形して、圧延層１３を間に介在した状態でア
ルミニウム電極２と接合された。その後、パラジウム線
（図示せず）を上方に引っ張って、パラジウムボール６
の近傍で切断し、図１（ｃ）に示すようなバンプ８を形
成し、突起電極とした。
【００６１】なお、アルミ箔１１を押圧するキャピラリ
１２は、中空のものに限らず、棒状のものを用い、図２
（ｃ）に示すような平坦な圧延層１４を形成することも
可能である。
【００６２】以上のように形成された突起電極につい
て、実施例１と同様にして、接合強度を試験し、かつシ
リコンチップの割れの有無を観察した。接合強度の測定
結果を下記表に示す。また、シリコンチップの割れ、陥
没ともに観察されなかった。
【００６３】実施例４ 実施例３において、金属スタッド（パラジウムボール）
６を、圧延層１３を間に介してアルミニウム電極２と接
合した後、パラジウム線４を切断することなく、ループ
状に外部に導き、外部リード（図示せず）と接続した。
形成されたワイヤボンディングについて接合強度を試験
し、かつシリコンチップの割れの有無を観察したとこ
ろ、実施例３と同様の結果が得られた。
【００６４】実施例５ 図３に示す手順に従って、突起電極を形成した。即ち、
まず、シリコンチップ１を３００℃に加熱し、図３
（ａ）に示すように、シリコンチップ１に形成された、
１００μｍ角、厚さ１μｍのアルミニウム電極２に、７
０μｍ径のアルミニウム線２１の先端部をキャピラリ２
２によって超音波をかけて押圧した。加重は１５０ｇ
ｆ、超音波の出力は１．５Ｗ、時間は１５０ｍ秒間であ
った。その結果、アルミニウム線２１の先端部は、アル
ミニウム電極２に接合された。
【００６５】次いで、接合部の近傍においてアルミニウ
ム線２１を切断し、図３（ｂ）に示すように、台座状の
突起からなる緩衝層２３を形成した。以下、実施例２と
同様の条件で、パラジウムボールを緩衝層２３に接合
し、その上に図１（ｃ）に示すようなバンプ８を形成し
た。
【００６６】以上のように形成されたバンプについて、
実施例１と同様にして、接合強度を試験し、かつシリコ
ンチップの割れの有無を観察した。接合強度の測定結果
を下記表に示す。また、シリコンチップの割れ、陥没と
もに観察されなかった。
【００６７】なお、緩衝層２３を形成するワイヤとして
は、アルミニウムに限らず、金を用いることも可能であ
る。金ワイヤを用いる場合には、放電によって金ワイヤ
の先端にボールを形成し、これをアルミニウム電極に押
圧して緩衝層２３を形成してもよい。
【００６８】実施例６ 実施例５において、パラジウムボールを、緩衝層２３を
間に介してアルミニウム電極２と接合した後、パラジウ
ム線を切断することなく、ループ状に外部に導き、外部
リード（図示せず）と接続した。形成されたワイヤボン
ディングについて接合強度を試験し、かつシリコンチッ
プの割れの有無を観察したところ、実施例５と同様の結
果が得られた。
【００６９】比較例 図４に示す手順に従って、突起電極を形成した。即ち、
まず、図４（ａ）に示すように、４０μｍの線径のパラ
ジウム線３１をキャピラリ３２に通し、放電によって８
０μｍ径のパラジウムボール３３を形成した。次いで、
図４（ｂ）に示すように、シリコンチップ１を３００℃
に加熱し、キャピラリ３２を下降させることにより、パ
ラジウムボール３３をアルミニウム電極２の上に５５ｇ
ｆの加重で押圧し、パラジウムボール３３に、０．５５
Ｗの出力の超音波振動を５５ｍ秒間与えた。その結果、
パラジウムボール６は変形し、アルミニウム電極２と接
合された。
【００７０】その後、パラジウム線３１を上方に引っ張
って、パラジウムボール３３の近傍で切断し、図４
（ｃ）に示すように、バンプ３４を形成した。以上のよ
うに形成されたバンプについて接合強度を試験し、かつ
シリコンチップの割れの有無を観察した。接合強度の試
験結果を下記表に示す。また、シリコンチップの割れに
ついては、本比較例では、図４（ｃ）に示すように、割
れ３５が観察された。
【００７１】
【表１】
【００７２】上記表から明らかなように、従来のボール
ボンディング法による比較例では、平均３５．２ｇｆの
剪断力によりバンプが剥がれたが、実施例１、３、５で
は、それぞれ平均１２１．３ｇｆ、７６．８ｇｆ、７
３．９ｇｆの剪断力によりバンプが剥がれ、本発明の方
法により得たバンプは、高い接合強度を有することがわ
かる。
【００７３】なお、一般に、バンプは５０ｇｆ以上のシ
ェア強度を有することが望ましいとされており、従来の
方法では安定して５０ｇｆ以上のシェア強度を得ること
が困難であるが、本発明の方法では、安定して５０ｇｆ
を越えるシェア強度を得ることが可能である。また、比
較例では、実施例１よりも低い加重および超音波出力の
条件を用いたが、この条件よりも高い条件を採用する
と、シリコンチップの割れがひどくなってしまう。
【００７４】実施例７ 実施例１にて作製した突起電極に、図５（ａ）に示すよ
うに、半田５５を接合したところ、金属箔を用いないと
きに比べ、半田高さが高くなった。これは、金属箔を用
いた突起電極では、図５（ａ）のＡ部を拡大して示す図
５（ｂ）に示すように、バンプ４８とＡｌ電極２との間
に金属箔４１が噛み込んだ形となり、その結果、半田は
Ａｌ電極には到達せず、金属箔４１により下で支えられ
た形となり、半田層が高くなったものである。
【００７５】実施例８ 図６に示すように、ユニット７０により、Ａｌ箔テープ
６２を、ワイヤボンディング装置のステージ６３上に載
置された半導体チップ６１上に固定した。Ａｌ箔テープ
６２は、図７に示すように、厚さ０．２ｍｍの、開口部
６５を有する銅製フレーム６４の一方の面に、厚さ１５
μｍのＡｌ箔６６を張力を加えた状態で接着したものを
用いた。また、Ａｌ箔テープ６２の幅は２０ｍｍ、開口
部６５の径は１０ｍｍであった。なお、フレーム６４
は、銅製に限らず、鉄、樹脂等でもよい。
【００７６】次いで、図８に示すように、半導体チップ
６１のＡｌ電極パッド６７上に、Ａｌ箔テープ６２の開
口部６５がくるように、Ａｌ箔テープ６２を配置した。
そして、ワイヤボンディング法により、キャピラリ７１
の先端に形成した１００μｍ径の銅ボール７２を、Ａｌ
箔６６を間に介してＡｌ電極パッド６７に押しつけ、ス
テージ温度２５０℃、超音波出力１．５Ｗ、荷重１５０
ｇｆで接合した。なお、金属ボール７２は、銅に限ら
ず、金、パラジウム等でもよい。
【００７７】その後、図９に示すように、ワイヤを引上
げ、ボール接続部７３においてワイヤを切断し、バンプ
６８を形成した。なお、キャピラリ７１の先端の周囲を
ボール７２に衝突させることにより、ワイヤを切断して
もよい。次に、Ａｌ箔テープ６２をユニット７０ととも
に真上に５ｍｍ引上げ、図１０に示すように、バンプ６
８の周囲において、Ａｌ箔テープ６２を切断した。
【００７８】これらの工程、即ち、フレーム６４の開口
部６５の位置合わせのためのＡｌ箔テープ６２の供給、
バンプ６８の形成、Ａｌ箔テープ６２の引上げは連続し
て行われる。そして、これらの工程の繰り返しにより、
複数のバンプの形成が可能であった。
【００７９】その後、図１１に示すように、半田６９を
上記のようにして形成したバンプ６８に供給して、バン
プ６８を有する半導体チップ６１を、基板８１にフェー
スダウンで一括して接続した。
【００８０】なお、製品によっては、上述のように、ワ
イヤボンディングにより銅ボール７２をＡｌ箔６６を間
に介してＡｌ電極パッド６７に接合したのち、ワイヤを
切断することなく、Ａｌ箔テープ６２を切断し、ワイヤ
を外部リードに接続してもよい。
【００８１】実施例９ 図１２に示すように、２０μｍの厚さのＡｌ箔９１の片
面に、１μｍの厚さの銅メッキ層９２を形成し、テープ
９３を作製した。このテープ９３を、図１３に示すよう
に、棒状のキャピラリ９４を用いて、ステージ温度１５
０℃、超音波１Ｗ、荷重１２０ｇｆで、テープ９３を半
導体チップ９５のＡｌパッド９６に押し当て、テープ９
３をＡｌ電極パッド９６に接合した。
【００８２】なお、テープ９３は、Ａｌ箔に限らず、
銅、半田、金等の箔を用いても、またこれらの箔の多層
膜を用いて作製してもよい。また、テープ９３は、図１
４に示すように、Ａｌ箔９１の片面に、ニッケル層９７
および銅層９８を順次メッキにより形成したものでもよ
い。即ち、半田との濡れ性の良好な金属である銅とＡｌ
箔との間に、半田の拡散を防止する高融点金属であるニ
ッケルを介在させてもよい。
【００８３】次いで、図１５に示すように、支持ロール
９９によりテープ９３に張力を加え、この状態で、テー
プ９３の接合部１００を中心に時計方向に、支持ロール
９９を９０°回転させた後、逆方向に９０°回転させ、
接合部１００の周辺部でテープ９３を切断した。
【００８４】この一連の動作を繰り返して、複数の突起
電極を形成した。なお、本実施例では、支持ロール９９
を接合部１００を中心に回転させることによりテープ９
３を切断したが、支持ロール９９に水平方向または垂直
方向に振動を与えて、テープ９３を半導体チップと相対
的に移動させることにより、テープ９３を切断してもよ
い。
【００８５】実施例１０ 図１６に示すように、１０μｍの厚さのＡｌ箔テープ１
０１をエッチングし、１００μｍ径の一対の半環状切り
欠き部１０２を複数対形成した。なお、切り欠き部１０
２は、エッチングに限らず、スタンピング等により形成
してもよい。
【００８６】次いで、図１７（ａ）に示すように、この
テープ１０１を半導体チップ１０３上に設置し、半導体
チップ１０３のＡｌパッド１０４上に切り欠き部１０２
の中心を合わせた。そして、図１７（ｂ）に示すよう
に、キャピラリ１１１の先端に形成した１００μｍ径の
銅ボール１１２を、テープ１０１を間に介してＡｌ電極
パッド１０４に押しつけ、接合した。
【００８７】その後、ワイヤを引上げ、ボール接続部に
おいてワイヤを切断し、バンプを形成した。次に、テー
プ１０１を軽く上方に移動させることにより、テープ１
０１を切り欠き部１０２において切断した。
【００８８】なお、切り欠き部は、図１８に示すように
一対の半環状切り欠き部に限らず、一対の直線状切り欠
き部１２１であってもよい。また、切り欠き部は、貫通
しているものに限らず、溝状のものであってもよい。更
に、切り欠き部は、半導体チップ上に設置する前に、あ
らかじめ形成しておき、半導体チップのＡｌ電極パッド
上に切り欠き部の中心を合わせて、接合してもよいが、
図２３に示すように、切り欠き部が形成されていないテ
ープ１０１を半導体チップ１０３上に設置した後、爪１
０５により、切り欠き部を形成し、次いで、接合を行っ
てもよい。
【００８９】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の方法によ
ると、半導体素子の電極とボールとの間に金属箔、また
は金属緩衝層を介在させているため、これらがボールを
電極に押圧する際の衝撃を吸収し、それによって、半導
体素子が損傷することなく、高い接合強度の突起電極お
よびワイヤボンディングを容易に形成することが可能で
ある。
【００９０】また、金属箔、または金属緩衝層の存在の
ため、ボールのつぶれが小さくて済み、高い突起電極高
を得ることがが可能であるため、半導体素子と基板との
接合に非常に有利である。更に、特にスタッドバンプお
よびボンディングワイヤーとして銅やパラジウムを用い
た場合には、コストを下げることが出来るとともに、半
田との間で金属間化合物を形成して接合が脆化する現象
を防止することが可能である。
【００９１】また、金属箔を用いる場合には、金属箔に
均一に張力をかけて切断することにより、または金属箔
テープの接合部の周辺にあらかじめ切り欠きを形成して
おくことにより、切断の容易にかつ確実に行うことが可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図２】実施例３に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図３】実施例５に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図４】比較例に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図５】実施例１により得た突起電極を従来例と比較し
て示す断面図。
【図６】実施例８で用いたＡｌ箔テープ供給ユニットを
備えたワイヤボンディング装置を示す図。
【図７】実施例８で用いたＡｌ箔テープを示す図。
【図８】実施例８に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図９】実施例８に係る突起電極の形成工程を示す断面
図。
【図１０】実施例８に係る突起電極の形成工程を示す断
面図。
【図１１】実施例８により得た半導体チップを基板にフ
ェースダウンで一括して接続した状態を示す断面図。
【図１２】実施例９で用いたＡｌ箔テープを示す図。
【図１３】実施例９に係る突起電極の形成工程を示す断
面図。
【図１４】Ａｌ箔テープの他の例を示す図。
【図１５】実施例９に係る突起電極の形成工程を示す
図。
【図１６】実施例１０で用いたＡｌ箔テープを示す図。
【図１７】実施例１０に係る突起電極の形成工程を示す
断面図。
【図１８】Ａｌ箔テープの他の例を示す図。
【図１９】実施例１０に係る突起電極の形成工程の他の
例を示す断面図。
【図２０】本発明に使用されるワイヤボンディング装置
（超音波接合装置）の概要を示す図。
【符号の説明】
１，６１，９５，１０３…シリコンチップ ２，９６，６７，１０４…電極パッド ３，１１，４１…金属箔 ４，２１，３１，４４，２１０…ワイヤ ５，１２，２２，３２，７１，２０４…キャピラリ ６，３３，４６，７２…ボール ８，３４，４８，６８…スタッドバンプ ５１…型 ５３…ホットプレート ５５…半田層 ６１，９５，１０３，２０２…半導体チップ ６２，９３…Ａｌ箔テープ ６４…銅製フレーム ７０…ユニット ７３…ボール接続部 ８１…基板 ９９…支持ロール １０２，１２１…切り欠き部 １０５…爪 ２０１…ステージ ２０３…ボンディングヘッド ２０５…トランスジューサ ２０６…ワイヤクランパ ２０７…ＸＹテーブル ２０８…Ｚ駆動モータ ２０９…カメラ ２１０…ワイヤ ２１１…スプール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯沢 均 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極パッドと、この電極パッドに接合さ
    れた金属スタッドとを有する半導体素子であって、前記
    金属スタッドは、金属箔を間に介して前記電極パッドに
    接合されていることを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項２】 電極パッドと、この電極パッドに接合さ
    れたボンディングワイヤとを有する半導体素子であっ
    て、前記ボンディングワイヤは、金属箔を間に介して前
    記電極パッドに接合されていることを特徴とする半導体
    素子。
  3. 【請求項３】 金属材料からなるワイヤの先端部を溶融
    してボールを形成する工程と、半導体チップの電極上に
    金属箔を間に介して前記ボールを配置する工程と、前記
    電極、金属箔およびボールを相互に接合する工程と、前
    記ボールからワイヤを切断して、前記電極上にスタッド
    バンプを形成する工程とを具備することを特徴とする突
    起電極の形成方法。
  4. 【請求項４】 第１の金属材料からなる第１のワイヤの
    先端部または先端部を溶融して得た第１のボールを半導
    体チップの電極パッドに押圧する工程と、前記第１のワ
    イヤの先端部または第１のボールから第１のワイヤを切
    断して、金属緩衝層を形成する工程と、前記第１の金属
    材料および金よりも硬質の第２の金属材料からなる第２
    のワイヤの先端部を溶融して得た第２のボールを前記金
    属緩衝層に押圧する工程と、前記第２のボールから第２
    のワイヤを切断して、前記電極上にスタッドバンプを形
    成する工程とを具備することを特徴とする突起電極の形
    成方法。
  5. 【請求項５】 金属材料からなるワイヤの先端部を溶融
    してボールを形成する工程と、半導体チップの電極上に
    金属箔を間に介して前記ボールを配置する工程と、前記
    電極、金属箔およびボールを接合する工程と、前記ワイ
    ヤをループ状に導いて、外部リードに接続する工程とを
    具備することを特徴とするワイヤボンディング方法。
  6. 【請求項６】 第１の金属材料からなる第１のワイヤの
    先端部または先端部を溶融して得た第１のボールを半導
    体チップの電極に押圧する工程と、前記第１のワイヤの
    先端部または第１のボールから第１のワイヤを切断し
    て、金属緩衝層を形成する工程と、前記第１の金属材料
    および金よりも硬質の第２の金属材料からなる第２のワ
    イヤの先端部を溶融して得た第２のボールを前記金属緩
    衝層に押圧する工程と、前記ワイヤをループ状に導い
    て、外部リードに接続する工程とを具備することを特徴
    とするワイヤボンディング方法。
  7. 【請求項７】 半導体チップを載置するステージと、金
    属材料からなるワイヤを供給および保持し、水平および
    垂直方向に移動可能なボンディングヘッドとを備えた超
    音波接合装置において、枠体の開口部に金属箔を取付け
    てなる金属箔テープを前記ステージ上に供給するユニッ
    トを備えたことを特徴とする超音波接合装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6902101B2 (en) 2001-11-16 2005-06-07 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Bump bonding method apparatus
US9601466B2 (en) 2014-09-04 2017-03-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor package and method of manufacturing the same

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