JPWO2014083805A1 - 発光装置および発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
第1の電極に第1のボンド部を形成し、この第1のボンド部から配線したワイヤ(6)に対して、第2の電極に形成されたバンプ(B)にキャピラリ(C)の先端を押圧して、キャピラリ(C)の先端の押圧面(S1)の形状が転写された第2のボンド部(62)を形成する。ワイヤ(6)が細くなり始める第2のボンド部(62)の基端(P1)を、接合面(S2)の長さに対して10%以上、一端P21からバンプ(B)側に入り込ませて、キャピラリ(C)によりワイヤ(6)を切断する。
Description
本開示は、電極同士がワイヤにより接続された半導体装置、およびワイヤボンディング配線方法に関するものである。
離間した電極同士を導通接続するために、金属細線により形成されたワイヤが用いられる。このワイヤは、一方の電極にボールバンプを形成した後に、他方の電極からボールバンプまで配線するものである。このようなワイヤの配線技術に関するものとして特許文献1、2に記載されたものが知られている。
特許文献1には、ボンディングワイヤ及びボールバンプは銅を主成分とし、接合部の界面に銅以外の金属の濃度がボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有し、且つ、ボールバンプと電極との接合界面に金属の濃度が、ボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有するボンディングワイヤの接合構造が記載されている。
特許文献2には、第2ボンド点にワイヤを折り曲げ積層してバンプを形成し、バンプに向かってワイヤをルーピングしてキャピラリ先端によってワイヤをバンプに押し付け、ワイヤをバンプに接合すると共に、インナチャンファ部によってワイヤを第1ワイヤ折り曲げ凸部へ押し付けて、弓形断面形状のワイヤ押し潰し部を形成した半導体装置およびワイヤボンディング方法が記載されている。
特許文献1に記載のボンディングワイヤの接合構造では、ワイヤ配線材料の主成分として銅が使用されているが、ワイヤ配線材料が銅であったり、一般的に用いられる金であったりすると、ワイヤが断線するときの荷重である破断荷重が比較的大きい。従って、ワイヤをバンプ上の傾斜面にウエッジボンドする際に、ワイヤを細径とするための押し潰し開始位置がバンプの端部に位置すると、押し潰し断面が細くならず、キャピラリを引き上げたときに切断しきれずにウエッジから細線が伸長しながら引き上げられた状態となり、ワイヤ曲がりなどが生じてしまうことがある。
また、特許文献2に記載の半導体装置およびワイヤボンディング方法では、ワイヤをバンプの凸部上で押し潰して切断しワイヤ押し潰し部を形成することで、ワイヤの接合性と切断性を向上させているが、このワイヤボンディング方法では、ウエッジの先端部分がバンプの上面の中央方向に寄っているため、反対に押し潰し開始位置(ウエッジ起点)がバンプ端に近付き過ぎてしまい、ワイヤとバンプのより強い接合が得られるワイヤの太い部分で接合することができないという課題がある。
半導体装置は、電極同士を接続するワイヤが樹脂により封止されている。半導体装置に熱が加わると、金属細線により形成されたワイヤと封止樹脂との熱膨張の差により、バンプに接続されたワイヤが外れたり、バンプの接続部分が断線したりする。従って、ワイヤは、バンプへの高い接合性が要求される。
そこで本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる半導体装置およびワイヤボンディング方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様では、半導体装置は、第1の電極と、バンプが形成された第2の電極とを導通接続する、少なくとも1つのワイヤを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
本開示の他の態様では、半導体装置において、第1電極と第2電極とを、銀を主材とする合金により形成されたワイヤによって導通接続するワイヤボンディング配線方法は、キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、前記第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から金属材料を出しながら前記第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成する第3工程とを備え、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
本開示によると、第2のボンド部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができるため、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる。
本開示における第1態様は、半導体装置は、第1の電極と、バンプが形成された第2の電極とを導通接続する、少なくとも1つのワイヤを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
第1態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して切断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状であり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込んでいるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第2態様は、第1態様において、半導体素子と、リード電極とを備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記リード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の天面に形成されており、前記リード電極より高い位置にある第1の素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第2態様によれば、低位置にあるリード電極から、高位置にある半導体素子の素子電極にワイヤを配線することで、ワイヤの配線高さが低い低ループとすることができる。
本開示の第3態様は、第2態様において、第2のリード電極を備え、前記半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記第1の素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤを含む。
第3態様によれば、第2のリード電極に配置した半導体素子の一対の素子電極から、リード電極と第2のリード電極とのそれぞれに、ワイヤを配線した半導体装置を構成することができる。
本開示の第4態様は、第1態様において、第1および第2の半導体素子を備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての、前記第1の半導体素子の天面に形成された素子電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の天面に形成され、前記第1の半導体素子の前記素子電極と同じ高さの位置にある素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第4態様によれば、第1の半導体素子と第2の半導体素子との素子電極が、同じ高さに位置していても、ワイヤの接合性を向上させることができる。
本開示の第5態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1および第2の半導体素子は、それぞれ、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第5態様によれば、第2のリード電極上に第1および第2の半導体素子が配置された半導体装置において、第1の半導体素子の素子電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の半導体素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第6態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1の半導体素子は、前記第1のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記第2の半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第6態様によれば、第1のリード電極上に第1の半導体素子が配置され、第2のリード電極上に第2の半導体素子が配置された半導体装置において、第1の半導体素子の素子電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の半導体素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第7態様は、半導体装置において、第1電極と第2電極とを、銀を主材とする合金により形成されたワイヤによって導通接続するワイヤボンディング配線方法であって、 キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、前記第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から金属材料を出しながら前記第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成する第3工程とを備え、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
第7態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して破断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状になり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込むよう、キャピラリの位置が制御されるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第8態様は、第7態様において、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の供給口の縁部が、前記接合面から外れないように、前記キャピラリの位置を制御する。
第8態様によれば、ワイヤの第2のボンド部の先端を接合面上で切断して形成できる。
(実施の形態)
実施の形態に係る半導体装置を、発光装置を例にとって、図面に基づいて説明する。
実施の形態に係る半導体装置を、発光装置を例にとって、図面に基づいて説明する。
図1(A)および(B)に示す発光装置1は、基体であるリードフレーム2と、半導体素子の一例である発光素子3と、パッケージ部4と、封止部5とを備えている。
リードフレーム2は、金属薄板から形成され、カソード端子(リード電極)21と、アノード端子(第2のリード電極)22とから構成されている。カソード端子21はワイヤ6aによって発光素子3に導通接続されており、アノード端子22はワイヤ6bによって発光素子3に導通接続される。以降の説明では、ワイヤ6a,6bをまとめてワイヤ6という場合がある。
発光素子3は、青色発光ダイオードや赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードなどと、用途に応じて適宜採用することができる。発光素子3は、絶縁性基板に半導体層が設けられ、天面に、陰極となるn側電極と陽極となるp側電極とが一対の素子電極として設けられたLEDである。発光層、およびp型半導体層とn型半導体層の一部とをエッチングすることで露出したn型半導体層上に形成されたn側電極と、n側電極を形成するときにエッチングされた残余のp型半導体層上の領域に形成されたp側電極とが、天面に形成され、n側電極とp側電極とのそれぞれにワイヤ6が配線されている。以下、n側電極およびp側電極を電極パッドと称することがある。
パッケージ部4は、封止部5を形成するための凹部41が形成されている。パッケージ部4は、リードフレーム2のカソード端子21とアノード端子22との表面部を、ワイヤ6のボンド部として露出させ、カソード端子21とアノード端子22とに跨るように形成されている。パッケージ部4は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの樹脂材により形成することができる。
封止部5は、パッケージ部4の凹部41に形成されていることで、発光素子3およびワイヤ6を封止している。封止部5には、樹脂またはガラスといった主材である透明媒体中に、発光素子3からの光に励起されて波長を変換する蛍光体を含有させることができる。例えば、発光素子3が青色を発光するものであれば、黄色光を発光する蛍光体を封止部5に含有させることで、発光素子3からの青色光と蛍光体からの黄色光とが混色するので、白色光とすることができる。蛍光体としては、珪酸塩蛍光体やYAG系蛍光体を使用することができる。
ワイヤ6は、リードフレーム2への外部からの電源を発光素子3へ供給するための配線である。ワイヤ6は、銀を主材とする合金により形成されている。この合金は、例えばCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が10%重量以下含まれており、またはAuを含有させたものとすることができる。
第1のワイヤとしてのワイヤ6aは、第1の電極としてのカソード素子21と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのn型電極とを導通接続する。ワイヤ6aは、カソード素子21との接合部に第1のボンド部61aが形成されるとともに、発光素子3のn型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62aが形成されている。第2のワイヤとしてのワイヤ6bは、第1の電極としてのアノード素子22と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのp型電極とを導通接続する。ワイヤ6bは、カソード素子22との接合部に第1のボンド部61bが形成されるとともに、発光素子3のp型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62bが形成されている。以降の説明では、第1のボンド部61a,61bをまとめて第1のボンド部61といい、第2のボンド部62a,62bをまとめて第2のボンド部62という場合がある。
ここで、ワイヤ6のワイヤボンディング配線方法について、図面に基づいて説明する。ここでは、カソード素子21と発光素子3のn側電極とを導通接続するワイヤ6aを形成する場合を例にとって説明を行う。なお、アノード素子22と発光素子3のp側電極とを導通接続するワイヤ6bを形成する場合も、同様の方法を行えばよい。
まず、図2(A)に示すように、キャピラリCを発光素子3のn側電極上に降下させてバンプBを形成する。
次に、キャピラリCを上昇させ、カソード端子21の上方に水平移動させた後に、カソード端子21の上面に降下させる。そして、キャピラリCの先端の供給口Xからワイヤの金属材料を突出させ、カソード端子21に押し付け、第1のボンド部61aを形成する。次に、供給口Xから金属材料を押し出してワイヤ6aを形成しながらキャピラリCを引き上げ、アノード端子22の方向へ移動させることで、図2(B)に示すように、ワイヤループが形成される。
そして、キャピラリCの先端をバンプBまで移動させ、バンプBの接合面に押し当てる。これにより、キャピラリCの供給口の周囲面である円弧面に形成された押圧面S1とバンプBとの間で、ワイヤ6aの先端が押し潰され、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状がワイヤ6aの先端部に転写される。押し潰されたワイヤ6aの先端は、第2のボンド部62aとなる。このようにして、ワイヤ6aがバンプBの接合面に接合されて配線される。
ワイヤ6aの第2のボンド部62aは、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状が転写されることで、均一の太さで配線されていたワイヤ本体の断面形状が、凹状の円弧面となって、後述する基端から先端に向かって徐々に細くなっている。すなわち、第2のボンド部62aは先細形状になっている。
このように、低位置にあるカソード端子21から、発光素子3の天面に形成され、カソード端子21より高い位置にあるn側電極へワイヤ6aが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6aを形成することができる。また同様の方法によって、低位置にあるアノード端子22から、発光素子3の天面に形成され、アノード端子22より高い位置になるp側電極へワイヤ6bが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6bを形成することができる。
次に、図3を用いて、ワイヤ6の先端部とバンプBの接合面との形状の関係について説明する。
図3(A)に示すように、ワイヤ6が徐々に細くなり始める第2のボンド部62の基端となるウエッジ起点P1は、バンプBの接合面S2の一端P21から、接合面S2上に入り込んでいる。すなわち、平面視において、ウエッジ起点P1が接合面S2内に位置している。
このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いは、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、10%以上、例えば15%以上とするのが望ましい。すなわち、ワイヤ6が延びる方向において、接合面S2の一端P21からウェッジ起点P1までのワイヤ6の長さは、接合面S2の長さの10%以上であるのが望ましい。これにより、ワイヤ6の太さが徐々に細くなる第2のボンド部62の基端(ウエッジ起点P1)がバンプBの接合面S2の他端P22側へ寄る。このため、ワイヤ6の線径の太い部分をバンプBの接合面S2の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部62を含むワイヤ6の先端部とバンプBの接合面S2とをしっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部5や金属製のワイヤ6の熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、低ループとしたワイヤ6の信頼性を向上させることができる。
また、このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いを、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、20%以上とすると、温度の変化が激しい環境にも耐久性を著しく向上させることができるので望ましい。
なお、ウエッジ起点P1のバンプBの接合面S2上の位置は、図3(B)に示すように、キャピラリCの押圧面S1における供給口Xの縁部が、バンプBの接合面S2から外れないように、すなわちバンプBの接合面S2の他端P22の位置を超えないように、制御するのが望ましい。これにより、第2のボンド部62を、接合面S2上でワイヤ6の先端を切断して形成できる。
本実施の形態では、バンプBの接合面S2の輪郭形状が略円形であるため、接合面S2の配線方向の長さはバンプBの直径に対応する。本実施の形態の一例では、バンプBの直径が約80μm、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さが約16μmとしている。この場合、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さとバンプBの直径との比率は、約20%となる。
本実施の形態に係る発光装置1について、熱応力のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をヤング率15MPa、ポアソン比0.49のシリコーン樹脂と設定して、−45℃および+125℃の両方の温度において、ワイヤ6による萎縮伸長、および封止部5の収縮膨張による第2のボンド部62に掛かる相当応力を測定した。測定値は相対値である。
シミュレーションの結果、図4に示すように、−45℃および+125℃のいずれでも、ウエッジ起点P1がバンプBの手前に位置する−2%、バンプB上に位置する6%より、ウエッジ起点を10%、15%、20%とした方が相当応力が大きく減少していることがわかる。従って、ウエッジ起点は10%以上とするのが望ましい。
次に、シミュレーションを行った発光装置1を実際に製造して、熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験は、−40℃から100℃までを1サイクルとして繰り返し、100サイクル毎に常温状態(25℃)と高温状態(100℃)とにおいて点灯状態を試験した。ここで、常温状態と高温状態との2つの状態で点灯状態を試験する理由は、ワイヤ6の接合状態を確実に確認するためである。例えば、第2のボンド部62が、バンプBから外れているものの、バンプBに接触している場合がある。この場合、発光素子3は点灯するため、第2のボンド部62がバンプBから外れていることを確認できない。高温状態にすると、封止部5の樹脂が熱膨張してワイヤ6がバンプBから浮き上がりやすくなるため、常温状態と比較して第2のボンド部62の外れが確認しやすい。従って、高温状態と常温状態との2つの状態で試験を行っている。
図4に示すように、ウエッジ起点P1をバンプBの手前に位置する−2%とした場合は、常温点灯で600サイクルにてワイヤ6の開放が確認され、また高温点灯では、200サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を6%とした場合は、常温点灯で500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。また高温点灯では、300サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を10%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を15%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を20%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯し、高温点灯では500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。
従って、熱衝撃という観点から、ウエッジ起点P1を20%以上とするのが望ましい。
次に、図5を用いて、ワイヤ6の切断荷重について説明する。
本実施形態では、ワイヤ6は主材が銀により形成されている。図5はワイヤを銀合金、銅および金とした場合の破断荷重の測定値の例を示す。ワイヤの太さ(直径)は、図5(A)では23μm、図5(B)では25μmとしている。また、常温の25℃で引張試験を行った場合と、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った場合との測定結果を示す。
図5(A)に示すように、ワイヤの線径が23μmである場合、銀合金は、25℃では、破断荷重が銅より少し高い値であるものの、250℃では、金および銅より低い値を示す。また図5(B)に示すように、ワイヤの線径が25μmである場合、銀合金は、25℃、250℃の両方で、金および銅より低い値を示す。従って、ワイヤ6に銀合金を使用することによって、ワイヤ6の第2のボンド部62を形成して切断するときに、容易に切断することができる。図4および図5に示す例では、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をシリコーン樹脂としたが、ワイヤ6を銀を主材とする銀合金とし、封止部5を膨張率の異なる樹脂性としたりガラス製としたりしても、同様の傾向にあるものと思われる。
このように、本実施形態によると、ワイヤ6の接合性と切断性とを向上させることができるので、発光装置1の信頼性を向上させることができる。
また、直径25μmの銀合金において、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った結果、破断荷重が金の9.8cNより小さい8cNのAg線を使用した場合も、同様に切断性が良好である。その理由は、一般的に銀の快削性は金に比べて高く、Ag合金においても主成分が銀であるため、金に比べて切断性が高いからである。
さらにAg純度が94%以上である銀合金を使用することにより、ワイヤ6の中のCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が含まれる量が増加するため、例えば−40〜100℃の熱衝撃試験などにおいて接合性が高くなり、また銀の純度も高いため、反射率が高くなるので高輝度の発光装置を実現でき、高輝度、高信頼性の両立が可能である。
(他の構成例)
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図6に示す発光装置1xは、2個の発光素子3すなわち、第1の半導体素子としての第1の発光素子31および第2の半導体素子としての第2の発光素子32が、アノード端子(第2のリード電極)22上に配置されている。そして、カソード端子(第1のリード電極)21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極へワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に2個の発光素子3が搭載された発光装置1xにおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点を10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
図7に示す発光装置1yは、2個の発光素子3のうち、第1の半導体素子としての第1の発光素子31がアノード端子(第1のリード電極)22に配置され、第2の発光素子32がカソード端子(第2のリード電極)21に配置されている。そして、カソード端子21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極ワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に第1の発光素子31が配置され、カソード端子21に第2の発光素子32が配置されて、2個の発光素子3が別々の端子に配置された発光装置1yおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点が10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができることにより、半導体装置の信頼性を向上させることができるので、電極同士がワイヤにより接続された半導体装置およびワイヤボンディング配線方法に好適である。
1,1x,1y 発光装置(半導体装置)
2 リードフレーム
3 発光素子(半導体素子)
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子(第1の半導体素子)
32 第2の発光素子(第2の半導体素子)
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
2 リードフレーム
3 発光素子(半導体素子)
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子(第1の半導体素子)
32 第2の発光素子(第2の半導体素子)
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
本開示は、電極同士がワイヤにより接続された半導体装置、およびワイヤボンディング配線方法に関するものである。
離間した電極同士を導通接続するために、金属細線により形成されたワイヤが用いられる。このワイヤは、一方の電極にボールバンプを形成した後に、他方の電極からボールバンプまで配線するものである。このようなワイヤの配線技術に関するものとして特許文献1、2に記載されたものが知られている。
特許文献1には、ボンディングワイヤ及びボールバンプは銅を主成分とし、接合部の界面に銅以外の金属の濃度がボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有し、且つ、ボールバンプと電極との接合界面に金属の濃度が、ボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有するボンディングワイヤの接合構造が記載されている。
特許文献2には、第2ボンド点にワイヤを折り曲げ積層してバンプを形成し、バンプに向かってワイヤをルーピングしてキャピラリ先端によってワイヤをバンプに押し付け、ワイヤをバンプに接合すると共に、インナチャンファ部によってワイヤを第1ワイヤ折り曲げ凸部へ押し付けて、弓形断面形状のワイヤ押し潰し部を形成した半導体装置およびワイヤボンディング方法が記載されている。
特許文献1に記載のボンディングワイヤの接合構造では、ワイヤ配線材料の主成分として銅が使用されているが、ワイヤ配線材料が銅であったり、一般的に用いられる金であったりすると、ワイヤが断線するときの荷重である破断荷重が比較的大きい。従って、ワイヤをバンプ上の傾斜面にウエッジボンドする際に、ワイヤを細径とするための押し潰し開始位置がバンプの端部に位置すると、押し潰し断面が細くならず、キャピラリを引き上げたときに切断しきれずにウエッジから細線が伸長しながら引き上げられた状態となり、ワイヤ曲がりなどが生じてしまうことがある。
また、特許文献2に記載の半導体装置およびワイヤボンディング方法では、ワイヤをバンプの凸部上で押し潰して切断しワイヤ押し潰し部を形成することで、ワイヤの接合性と切断性を向上させているが、このワイヤボンディング方法では、ウエッジの先端部分がバンプの上面の中央方向に寄っているため、反対に押し潰し開始位置(ウエッジ起点)がバンプ端に近付き過ぎてしまい、ワイヤとバンプのより強い接合が得られるワイヤの太い部分で接合することができないという課題がある。
半導体装置は、電極同士を接続するワイヤが樹脂により封止されている。半導体装置に熱が加わると、金属細線により形成されたワイヤと封止樹脂との熱膨張の差により、バンプに接続されたワイヤが外れたり、バンプの接続部分が断線したりする。従って、ワイヤは、バンプへの高い接合性が要求される。
そこで本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる半導体装置およびワイヤボンディング方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様では、半導体装置は、第1の電極と、バンプが形成された第2の電極とを導通接続する、少なくとも1つのワイヤを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
本開示の他の態様では、半導体装置において、第1電極と第2電極とを、銀を主材とする合金により形成されたワイヤによって導通接続するワイヤボンディング配線方法は、キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、前記第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から金属材料を出しながら前記第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成する第3工程とを備え、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
本開示によると、第2のボンド部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができるため、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる。
本開示における第1態様は、半導体装置は、第1の電極と、バンプが形成された第2の電極とを導通接続する、少なくとも1つのワイヤを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
第1態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して破断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状であり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込んでいるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第2態様は、第1態様において、半導体素子と、第1のリード電極とを備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の天面に形成されており、前記第1のリード電極より高い位置にある第1の素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第2態様によれば、低位置にあるリード電極から、高位置にある半導体素子の素子電極にワイヤを配線することで、ワイヤの配線高さが低い低ループとすることができる。
本開示の第3態様は、第2態様において、第2のリード電極を備え、前記半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記第1の素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤを含む。
第3態様によれば、第2のリード電極に配置した半導体素子の一対の素子電極から、リード電極と第2のリード電極とのそれぞれに、ワイヤを配線した半導体装置を構成することができる。
本開示の第4態様は、第1態様において、第1および第2の半導体素子を備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての、前記第1の半導体素子の天面に形成された素子電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の天面に形成され、前記第1の半導体素子の前記素子電極と同じ高さの位置にある素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第4態様によれば、第1の半導体素子と第2の半導体素子との素子電極が、同じ高さに位置していても、ワイヤの接合性を向上させることができる。
本開示の第5態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1および第2の半導体素子は、それぞれ、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第5態様によれば、第2のリード電極上に第1および第2の半導体素子が配置された半導体装置において、第1の半導体素子の素子電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の半導体素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第6態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1の半導体素子は、前記第1のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記第2の半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第6態様によれば、第1のリード電極上に第1の半導体素子が配置され、第2のリード電極上に第2の半導体素子が配置された半導体装置において、第1の半導体素子の素子電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の半導体素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の半導体素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第7態様は、半導体装置において、第1電極と第2電極とを、銀を主材とする合金により形成されたワイヤによって導通接続するワイヤボンディング配線方法であって、 キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、前記第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から金属材料を出しながら前記第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成する第3工程とを備え、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
第7態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して破断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状になり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込むよう、キャピラリの位置が制御されるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第8態様は、第7態様において、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の供給口の縁部が、前記接合面から外れないように、前記キャピラリの位置を制御する。
第8態様によれば、ワイヤの第2のボンド部の先端を接合面上で切断して形成できる。
(実施の形態)
実施の形態に係る半導体装置を、発光装置を例にとって、図面に基づいて説明する。
実施の形態に係る半導体装置を、発光装置を例にとって、図面に基づいて説明する。
図1(A)および(B)に示す発光装置1は、基体であるリードフレーム2と、半導体素子の一例である発光素子3と、パッケージ部4と、封止部5とを備えている。
リードフレーム2は、金属薄板から形成され、カソード端子(リード電極)21と、アノード端子(第2のリード電極)22とから構成されている。カソード端子21はワイヤ6aによって発光素子3に導通接続されており、アノード端子22はワイヤ6bによって発光素子3に導通接続される。以降の説明では、ワイヤ6a,6bをまとめてワイヤ6という場合がある。
発光素子3は、青色発光ダイオードや赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードなどと、用途に応じて適宜採用することができる。発光素子3は、絶縁性基板に半導体層が設けられ、天面に、陰極となるn側電極と陽極となるp側電極とが一対の素子電極として設けられたLEDである。発光層、およびp型半導体層とn型半導体層の一部とをエッチングすることで露出したn型半導体層上に形成されたn側電極と、n側電極を形成するときにエッチングされた残余のp型半導体層上の領域に形成されたp側電極とが、天面に形成され、n側電極とp側電極とのそれぞれにワイヤ6が配線されている。以下、n側電極およびp側電極を電極パッドと称することがある。
パッケージ部4は、封止部5を形成するための凹部41が形成されている。パッケージ部4は、リードフレーム2のカソード端子21とアノード端子22との表面部を、ワイヤ6のボンド部として露出させ、カソード端子21とアノード端子22とに跨るように形成されている。パッケージ部4は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの樹脂材により形成することができる。
封止部5は、パッケージ部4の凹部41に形成されていることで、発光素子3およびワイヤ6を封止している。封止部5には、樹脂またはガラスといった主材である透明媒体中に、発光素子3からの光に励起されて波長を変換する蛍光体を含有させることができる。例えば、発光素子3が青色を発光するものであれば、黄色光を発光する蛍光体を封止部5に含有させることで、発光素子3からの青色光と蛍光体からの黄色光とが混色するので、白色光とすることができる。蛍光体としては、珪酸塩蛍光体やYAG系蛍光体を使用することができる。
ワイヤ6は、リードフレーム2への外部からの電源を発光素子3へ供給するための配線である。ワイヤ6は、銀を主材とする合金により形成されている。この合金は、例えばCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が10%重量以下含まれており、またはAuを含有させたものとすることができる。
第1のワイヤとしてのワイヤ6aは、第1の電極としてのカソード素子21と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのn型電極とを導通接続する。ワイヤ6aは、カソード素子21との接合部に第1のボンド部61aが形成されるとともに、発光素子3のn型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62aが形成されている。第2のワイヤとしてのワイヤ6bは、第1の電極としてのアノード素子22と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのp型電極とを導通接続する。ワイヤ6bは、アノード素子22との接合部に第1のボンド部61bが形成されるとともに、発光素子3のp型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62bが形成されている。以降の説明では、第1のボンド部61a,61bをまとめて第1のボンド部61といい、第2のボンド部62a,62bをまとめて第2のボンド部62という場合がある。
ここで、ワイヤ6のワイヤボンディング配線方法について、図面に基づいて説明する。ここでは、カソード素子21と発光素子3のn側電極とを導通接続するワイヤ6aを形成する場合を例にとって説明を行う。なお、アノード素子22と発光素子3のp側電極とを導通接続するワイヤ6bを形成する場合も、同様の方法を行えばよい。
まず、図2(A)に示すように、キャピラリCを発光素子3のn側電極上に降下させてバンプBを形成する。
次に、キャピラリCを上昇させ、カソード端子21の上方に水平移動させた後に、カソード端子21の上面に降下させる。そして、キャピラリCの先端の供給口Xからワイヤの金属材料を突出させ、カソード端子21に押し付け、第1のボンド部61aを形成する。次に、供給口Xから金属材料を押し出してワイヤ6aを形成しながらキャピラリCを引き上げ、アノード端子22の方向へ移動させることで、図2(B)に示すように、ワイヤループが形成される。
そして、キャピラリCの先端をバンプBまで移動させ、バンプBの接合面に押し当てる。これにより、キャピラリCの供給口の周囲面である円弧面に形成された押圧面S1とバンプBとの間で、ワイヤ6aの先端が押し潰され、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状がワイヤ6aの先端部に転写される。押し潰されたワイヤ6aの先端は、第2のボンド部62aとなる。このようにして、ワイヤ6aがバンプBの接合面に接合されて配線される。
ワイヤ6aの第2のボンド部62aは、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状が転写されることで、均一の太さで配線されていたワイヤ本体の断面形状が、凹状の円弧面となって、後述する基端から先端に向かって徐々に細くなっている。すなわち、第2のボンド部62aは先細形状になっている。
このように、低位置にあるカソード端子21から、発光素子3の天面に形成され、カソード端子21より高い位置にあるn側電極へワイヤ6aが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6aを形成することができる。また同様の方法によって、低位置にあるアノード端子22から、発光素子3の天面に形成され、アノード端子22より高い位置になるp側電極へワイヤ6bが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6bを形成することができる。
次に、図3を用いて、ワイヤ6の先端部とバンプBの接合面との形状の関係について説明する。
図3(A)に示すように、ワイヤ6が徐々に細くなり始める第2のボンド部62の基端となるウエッジ起点P1は、バンプBの接合面S2の一端P21から、接合面S2上に入り込んでいる。すなわち、平面視において、ウエッジ起点P1が接合面S2内に位置している。
このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いは、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、10%以上、例えば15%以上とするのが望ましい。すなわち、ワイヤ6が延びる方向において、接合面S2の一端P21からウェッジ起点P1までのワイヤ6の長さは、接合面S2の長さの10%以上であるのが望ましい。これにより、ワイヤ6の太さが徐々に細くなる第2のボンド部62の基端(ウエッジ起点P1)がバンプBの接合面S2の他端P22側へ寄る。このため、ワイヤ6の線径の太い部分をバンプBの接合面S2の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部62を含むワイヤ6の先端部とバンプBの接合面S2とをしっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部5や金属製のワイヤ6の熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、低ループとしたワイヤ6の信頼性を向上させることができる。
また、このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いを、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、20%以上とすると、温度の変化が激しい環境にも耐久性を著しく向上させることができるので望ましい。
なお、ウエッジ起点P1のバンプBの接合面S2上の位置は、図3(B)に示すように、キャピラリCの押圧面S1における供給口Xの縁部が、バンプBの接合面S2から外れないように、すなわちバンプBの接合面S2の他端P22の位置を超えないように、制御するのが望ましい。これにより、第2のボンド部62を、接合面S2上でワイヤ6の先端を切断して形成できる。
本実施の形態では、バンプBの接合面S2の輪郭形状が略円形であるため、接合面S2の配線方向の長さはバンプBの直径に対応する。本実施の形態の一例では、バンプBの直径が約80μm、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さが約16μmとしている。この場合、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さとバンプBの直径との比率は、約20%となる。
本実施の形態に係る発光装置1について、熱応力のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をヤング率15MPa、ポアソン比0.49のシリコーン樹脂と設定して、−45℃および+125℃の両方の温度において、ワイヤ6による萎縮伸長、および封止部5の収縮膨張による第2のボンド部62に掛かる相当応力を測定した。測定値は相対値である。
シミュレーションの結果、図4に示すように、−45℃および+125℃のいずれでも、ウエッジ起点P1がバンプBの手前に位置する−2%、バンプB上に位置する6%より、ウエッジ起点を10%、15%、20%とした方が相当応力が大きく減少していることがわかる。従って、ウエッジ起点は10%以上とするのが望ましい。
次に、シミュレーションを行った発光装置1を実際に製造して、熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験は、−40℃から100℃までを1サイクルとして繰り返し、100サイクル毎に常温状態(25℃)と高温状態(100℃)とにおいて点灯状態を試験した。ここで、常温状態と高温状態との2つの状態で点灯状態を試験する理由は、ワイヤ6の接合状態を確実に確認するためである。例えば、第2のボンド部62が、バンプBから外れているものの、バンプBに接触している場合がある。この場合、発光素子3は点灯するため、第2のボンド部62がバンプBから外れていることを確認できない。高温状態にすると、封止部5の樹脂が熱膨張してワイヤ6がバンプBから浮き上がりやすくなるため、常温状態と比較して第2のボンド部62の外れが確認しやすい。従って、高温状態と常温状態との2つの状態で試験を行っている。
図4に示すように、ウエッジ起点P1をバンプBの手前に位置する−2%とした場合は、常温点灯で600サイクルにてワイヤ6の開放が確認され、また高温点灯では、200サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を6%とした場合は、常温点灯で500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。また高温点灯では、300サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を10%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を15%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を20%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯し、高温点灯では500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。
従って、熱衝撃という観点から、ウエッジ起点P1を20%以上とするのが望ましい。
次に、図5を用いて、ワイヤ6の破断荷重について説明する。
本実施形態では、ワイヤ6は主材が銀により形成されている。図5はワイヤを銀合金、銅および金とした場合の破断荷重の測定値の例を示す。ワイヤの太さ(直径)は、図5(A)では23μm、図5(B)では25μmとしている。また、常温の25℃で引張試験を行った場合と、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った場合との測定結果を示す。
図5(A)に示すように、ワイヤの線径が23μmである場合、銀合金は、25℃では、破断荷重が銅より少し高い値であるものの、250℃では、金および銅より低い値を示す。また図5(B)に示すように、ワイヤの線径が25μmである場合、銀合金は、25℃、250℃の両方で、金および銅より低い値を示す。従って、ワイヤ6に銀合金を使用することによって、ワイヤ6の第2のボンド部62を形成して切断するときに、容易に切断することができる。図4および図5に示す例では、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をシリコーン樹脂としたが、ワイヤ6を銀を主材とする銀合金とし、封止部5を膨張率の異なる樹脂製としたりガラス製としたりしても、同様の傾向にあるものと思われる。
このように、本実施形態によると、ワイヤ6の接合性と切断性とを向上させることができるので、発光装置1の信頼性を向上させることができる。
また、直径25μmの銀合金において、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った結果、破断荷重が金の9.8cNより小さい8cNのAg線を使用した場合も、同様に切断性が良好である。その理由は、一般的に銀の快削性は金に比べて高く、Ag合金においても主成分が銀であるため、金に比べて切断性が高いからである。
さらにAg純度が94%以上である銀合金を使用することにより、ワイヤ6の中のCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が含まれる量が増加するため、例えば−40〜100℃の熱衝撃試験などにおいて接合性が高くなり、また銀の純度も高いため、反射率が高くなるので高輝度の発光装置を実現でき、高輝度、高信頼性の両立が可能である。
(他の構成例)
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図6に示す発光装置1xは、2個の発光素子3すなわち、第1の半導体素子としての第1の発光素子31および第2の半導体素子としての第2の発光素子32が、アノード端子(第2のリード電極)22上に配置されている。そして、カソード端子(第1のリード電極)21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極へワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に2個の発光素子3が搭載された発光装置1xにおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点を10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
図7に示す発光装置1yは、2個の発光素子3のうち、第1の半導体素子としての第1の発光素子31がアノード端子(第1のリード電極)22に配置され、第2の発光素子32がカソード端子(第2のリード電極)21に配置されている。そして、カソード端子21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極ワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に第1の発光素子31が配置され、カソード端子21に第2の発光素子32が配置されて、2個の発光素子3が別々の端子に配置された発光装置1yおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点が10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができることにより、半導体装置の信頼性を向上させることができるので、電極同士がワイヤにより接続された半導体装置およびワイヤボンディング配線方法に好適である。
1,1x,1y 発光装置(半導体装置)
2 リードフレーム
3 発光素子(半導体素子)
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子(第1の半導体素子)
32 第2の発光素子(第2の半導体素子)
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
2 リードフレーム
3 発光素子(半導体素子)
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子(第1の半導体素子)
32 第2の発光素子(第2の半導体素子)
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
本開示は、電極同士がワイヤにより接続された発光装置、およびその製造方法に関するものである。
離間した電極同士を導通接続するために、金属細線により形成されたワイヤが用いられる。このワイヤは、一方の電極にボールバンプを形成した後に、他方の電極からボールバンプまで配線するものである。このようなワイヤの配線技術に関するものとして特許文献1、2に記載されたものが知られている。
特許文献1には、ボンディングワイヤ及びボールバンプは銅を主成分とし、接合部の界面に銅以外の金属の濃度がボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有し、且つ、ボールバンプと電極との接合界面に金属の濃度が、ボールバンプにおける金属の平均濃度の10倍以上である濃化層を有するボンディングワイヤの接合構造が記載されている。
特許文献2には、第2ボンド点にワイヤを折り曲げ積層してバンプを形成し、バンプに向かってワイヤをルーピングしてキャピラリ先端によってワイヤをバンプに押し付け、ワイヤをバンプに接合すると共に、インナチャンファ部によってワイヤを第1ワイヤ折り曲げ凸部へ押し付けて、弓形断面形状のワイヤ押し潰し部を形成した半導体装置およびワイヤボンディング方法が記載されている。
特許文献1に記載のボンディングワイヤの接合構造では、ワイヤ配線材料の主成分として銅が使用されているが、ワイヤ配線材料が銅であったり、一般的に用いられる金であったりすると、ワイヤが断線するときの荷重である破断荷重が比較的大きい。従って、ワイヤをバンプ上の傾斜面にウエッジボンドする際に、ワイヤを細径とするための押し潰し開始位置がバンプの端部に位置すると、押し潰し断面が細くならず、キャピラリを引き上げたときに切断しきれずにウエッジから細線が伸長しながら引き上げられた状態となり、ワイヤ曲がりなどが生じてしまうことがある。
また、特許文献2に記載の半導体装置およびワイヤボンディング方法では、ワイヤをバンプの凸部上で押し潰して切断しワイヤ押し潰し部を形成することで、ワイヤの接合性と切断性を向上させているが、このワイヤボンディング方法では、ウエッジの先端部分がバンプの上面の中央方向に寄っているため、反対に押し潰し開始位置(ウエッジ起点)がバンプ端に近付き過ぎてしまい、ワイヤとバンプのより強い接合が得られるワイヤの太い部分で接合することができないという課題がある。
発光装置は、電極同士を接続するワイヤが樹脂により封止されている。発光装置に熱が加わると、金属細線により形成されたワイヤと封止樹脂との熱膨張の差により、バンプに接続されたワイヤが外れたり、バンプの接続部分が断線したりする。従って、ワイヤは、バンプへの高い接合性が要求される。
そこで本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様では、発光装置は、発光素子と、第1の電極と、前記発光素子上のバンプが形成された第2の電極とを導通接続する、ワイヤと、前記発光素子および前記ワイヤを封止するシリコーン樹脂とを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
本開示の他の態様では、発光装置の製造方法は、キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から前記金属材料を出しながら発光素子の天面に形成された第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成し、前記第1電極と前記第2電極とを導通接続するワイヤを形成する第3工程と、前記発光素子および前記ワイヤをシリコーン樹脂で封止する第4工程とを備え、前記金属材料は銀を主材とする合金であって、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
本開示によると、第2のボンド部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができるため、ワイヤの接合性と切断性を向上させることで、信頼性の向上を図ることができる。
本開示における第1態様は、発光装置は、発光素子と、第1の電極と、前記発光素子上のバンプが形成された第2の電極とを導通接続する、ワイヤと、前記発光素子および前記ワイヤを封止するシリコーン樹脂とを備え、前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である。
第1態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して破断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状であり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込んでいるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、発光装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第2態様は、第1態様において、第1のリード電極を備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記発光素子の天面に形成されており、前記第1のリード電極より高い位置にある第1の素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第2態様によれば、低位置にあるリード電極から、高位置にある発光素子の素子電極にワイヤを配線することで、ワイヤの配線高さが低い低ループとすることができる。
本開示の第3態様は、第2態様において、第2のリード電極を備え、前記発光素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記第1の素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記発光素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤを含む。
第3態様によれば、第2のリード電極に配置した発光素子の一対の素子電極から、リード電極と第2のリード電極とのそれぞれに、ワイヤを配線した発光装置を構成することができる。
本開示の第4態様は、第1態様において、前記発光素子として、第1および第2の発光素子を備え、前記ワイヤは、前記第1の電極としての、前記第1の発光素子の天面に形成された素子電極と、前記第2の電極としての、前記第2の発光素子の天面に形成され、前記第1の発光素子の前記素子電極と同じ高さの位置にある素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む。
第4態様によれば、第1の発光素子と第2の発光素子との素子電極が、同じ高さに位置していても、ワイヤの接合性を向上させることができる。
本開示の第5態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1および第2の発光素子は、それぞれ、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の発光素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の発光素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第5態様によれば、第2のリード電極上に第1および第2の発光素子が配置された発光装置において、第1の発光素子の素子電極と第2の発光素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の発光素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の発光素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第6態様は、第4態様において、第1および第2のリード電極を備え、前記第1の発光素子は、前記第1のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記第2の発光素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の発光素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の発光素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む。
第6態様によれば、第1のリード電極上に第1の発光素子が配置され、第2のリード電極上に第2の発光素子が配置された発光装置において、第1の発光素子の素子電極と第2の発光素子の素子電極とを接続するワイヤに加え、第1のリード電極と第1の発光素子の素子電極とを接続する第2のワイヤ、および、第2のリード電極と第2の発光素子の素子電極とを接続する第3のワイヤについて、接合性を向上させることができる。
本開示の第7態様は、発光装置の製造方法であって、キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、前記キャピラリを、前記供給口から前記金属材料を出しながら発光素子の天面に形成された第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成し、前記第1電極と前記第2電極とを導通接続するワイヤを形成する第3工程と、前記発光素子および前記ワイヤをシリコーン樹脂で封止する第4工程とを備え、前記金属材料は銀を主材とする合金であって、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記第1のボンド部側に位置する前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する。
第7態様によれば、ワイヤが銀を主材とする合金により形成されているため、銅や金と比較して破断荷重を小さいものとすることができる。また、第2のボンド部が先細形状になり、かつ、ワイヤが延びる方向において、ワイヤが細くなり始める基端が、接合面の長さに対して10%以上バンプ側に入り込むよう、キャピラリの位置が制御されるため、ワイヤの線径の太い部分をバンプの接合面の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部を含むワイヤの先端部とバンプの接合面とを、しっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部や金属製のワイヤの熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができるので、発光装置の信頼性を向上させることができる。
本開示の第8態様は、第7態様において、前記第3の工程において、前記キャピラリの先端の供給口の縁部が、前記接合面から外れないように、前記キャピラリの位置を制御する。
第8態様によれば、ワイヤの第2のボンド部の先端を接合面上で切断して形成できる。
(実施の形態)
実施の形態に係る発光装置について、図面に基づいて説明する。
実施の形態に係る発光装置について、図面に基づいて説明する。
図1(A)および(B)に示す発光装置1は、基体であるリードフレーム2と、発光素子3と、パッケージ部4と、封止部5とを備えている。
リードフレーム2は、金属薄板から形成され、カソード端子(リード電極)21と、アノード端子(第2のリード電極)22とから構成されている。カソード端子21はワイヤ6aによって発光素子3に導通接続されており、アノード端子22はワイヤ6bによって発光素子3に導通接続される。以降の説明では、ワイヤ6a,6bをまとめてワイヤ6という場合がある。
発光素子3は、青色発光ダイオードや赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオードなどと、用途に応じて適宜採用することができる。発光素子3は、絶縁性基板に半導体層が設けられ、天面に、陰極となるn側電極と陽極となるp側電極とが一対の素子電極として設けられたLEDである。発光層、およびp型半導体層とn型半導体層の一部とをエッチングすることで露出したn型半導体層上に形成されたn側電極と、n側電極を形成するときにエッチングされた残余のp型半導体層上の領域に形成されたp側電極とが、天面に形成され、n側電極とp側電極とのそれぞれにワイヤ6が配線されている。以下、n側電極およびp側電極を電極パッドと称することがある。
パッケージ部4は、封止部5を形成するための凹部41が形成されている。パッケージ部4は、リードフレーム2のカソード端子21とアノード端子22との表面部を、ワイヤ6のボンド部として露出させ、カソード端子21とアノード端子22とに跨るように形成されている。パッケージ部4は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの樹脂材により形成することができる。
封止部5は、パッケージ部4の凹部41に形成されていることで、発光素子3およびワイヤ6を封止している。封止部5には、樹脂またはガラスといった主材である透明媒体中に、発光素子3からの光に励起されて波長を変換する蛍光体を含有させることができる。例えば、発光素子3が青色を発光するものであれば、黄色光を発光する蛍光体を封止部5に含有させることで、発光素子3からの青色光と蛍光体からの黄色光とが混色するので、白色光とすることができる。蛍光体としては、珪酸塩蛍光体やYAG系蛍光体を使用することができる。
ワイヤ6は、リードフレーム2への外部からの電源を発光素子3へ供給するための配線である。ワイヤ6は、銀を主材とする合金により形成されている。この合金は、例えばCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が10%重量以下含まれており、またはAuを含有させたものとすることができる。
第1のワイヤとしてのワイヤ6aは、第1の電極としてのカソード素子21と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのn型電極とを導通接続する。ワイヤ6aは、カソード素子21との接合部に第1のボンド部61aが形成されるとともに、発光素子3のn型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62aが形成されている。第2のワイヤとしてのワイヤ6bは、第1の電極としてのアノード素子22と、発光素子3の天面に形成された第2の電極としてのp型電極とを導通接続する。ワイヤ6bは、アノード素子22との接合部に第1のボンド部61bが形成されるとともに、発光素子3のp型電極のバンプBとの接合部に第2のボンド部62bが形成されている。以降の説明では、第1のボンド部61a,61bをまとめて第1のボンド部61といい、第2のボンド部62a,62bをまとめて第2のボンド部62という場合がある。
ここで、ワイヤ6のワイヤボンディング配線方法について、図面に基づいて説明する。ここでは、カソード素子21と発光素子3のn側電極とを導通接続するワイヤ6aを形成する場合を例にとって説明を行う。なお、アノード素子22と発光素子3のp側電極とを導通接続するワイヤ6bを形成する場合も、同様の方法を行えばよい。
まず、図2(A)に示すように、キャピラリCを発光素子3のn側電極上に降下させてバンプBを形成する。
次に、キャピラリCを上昇させ、カソード端子21の上方に水平移動させた後に、カソード端子21の上面に降下させる。そして、キャピラリCの先端の供給口Xからワイヤの金属材料を突出させ、カソード端子21に押し付け、第1のボンド部61aを形成する。次に、供給口Xから金属材料を押し出してワイヤ6aを形成しながらキャピラリCを引き上げ、アノード端子22の方向へ移動させることで、図2(B)に示すように、ワイヤループが形成される。
そして、キャピラリCの先端をバンプBまで移動させ、バンプBの接合面に押し当てる。これにより、キャピラリCの供給口の周囲面である円弧面に形成された押圧面S1とバンプBとの間で、ワイヤ6aの先端が押し潰され、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状がワイヤ6aの先端部に転写される。押し潰されたワイヤ6aの先端は、第2のボンド部62aとなる。このようにして、ワイヤ6aがバンプBの接合面に接合されて配線される。
ワイヤ6aの第2のボンド部62aは、キャピラリCの先端の押圧面S1の形状が転写されることで、均一の太さで配線されていたワイヤ本体の断面形状が、凹状の円弧面となって、後述する基端から先端に向かって徐々に細くなっている。すなわち、第2のボンド部62aは先細形状になっている。
このように、低位置にあるカソード端子21から、発光素子3の天面に形成され、カソード端子21より高い位置にあるn側電極へワイヤ6aが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6aを形成することができる。また同様の方法によって、低位置にあるアノード端子22から、発光素子3の天面に形成され、アノード端子22より高い位置になるp側電極へワイヤ6bが配線されるので、配線高さが低い低ループのワイヤ6bを形成することができる。
次に、図3を用いて、ワイヤ6の先端部とバンプBの接合面との形状の関係について説明する。
図3(A)に示すように、ワイヤ6が徐々に細くなり始める第2のボンド部62の基端となるウエッジ起点P1は、バンプBの接合面S2の一端P21から、接合面S2上に入り込んでいる。すなわち、平面視において、ウエッジ起点P1が接合面S2内に位置している。
このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いは、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、10%以上、例えば15%以上とするのが望ましい。すなわち、ワイヤ6が延びる方向において、接合面S2の一端P21からウェッジ起点P1までのワイヤ6の長さは、接合面S2の長さの10%以上であるのが望ましい。これにより、ワイヤ6の太さが徐々に細くなる第2のボンド部62の基端(ウエッジ起点P1)がバンプBの接合面S2の他端P22側へ寄る。このため、ワイヤ6の線径の太い部分をバンプBの接合面S2の十分内側に位置させることができる。従って、第2のボンド部62を含むワイヤ6の先端部とバンプBの接合面S2とをしっかりと接合させることができるので、樹脂製の封止部5や金属製のワイヤ6の熱膨張の差に対する耐久性を向上させることができる。よって、低ループとしたワイヤ6の信頼性を向上させることができる。
また、このウエッジ起点P1の接合面S2上への入り込み度合いを、バンプBの接合面S2の配線方向における長さに対して、20%以上とすると、温度の変化が激しい環境にも耐久性を著しく向上させることができるので望ましい。
なお、ウエッジ起点P1のバンプBの接合面S2上の位置は、図3(B)に示すように、キャピラリCの押圧面S1における供給口Xの縁部が、バンプBの接合面S2から外れないように、すなわちバンプBの接合面S2の他端P22の位置を超えないように、制御するのが望ましい。これにより、第2のボンド部62を、接合面S2上でワイヤ6の先端を切断して形成できる。
本実施の形態では、バンプBの接合面S2の輪郭形状が略円形であるため、接合面S2の配線方向の長さはバンプBの直径に対応する。本実施の形態の一例では、バンプBの直径が約80μm、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さが約16μmとしている。この場合、バンプBの接合面S2の一端P21からウエッジ起点P1までの長さとバンプBの直径との比率は、約20%となる。
本実施の形態に係る発光装置1について、熱応力のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をヤング率15MPa、ポアソン比0.49のシリコーン樹脂と設定して、−45℃および+125℃の両方の温度において、ワイヤ6による萎縮伸長、および封止部5の収縮膨張による第2のボンド部62に掛かる相当応力を測定した。測定値は相対値である。
シミュレーションの結果、図4に示すように、−45℃および+125℃のいずれでも、ウエッジ起点P1がバンプBの手前に位置する−2%、バンプB上に位置する6%より、ウエッジ起点を10%、15%、20%とした方が相当応力が大きく減少していることがわかる。従って、ウエッジ起点は10%以上とするのが望ましい。
次に、シミュレーションを行った発光装置1を実際に製造して、熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験は、−40℃から100℃までを1サイクルとして繰り返し、100サイクル毎に常温状態(25℃)と高温状態(100℃)とにおいて点灯状態を試験した。ここで、常温状態と高温状態との2つの状態で点灯状態を試験する理由は、ワイヤ6の接合状態を確実に確認するためである。例えば、第2のボンド部62が、バンプBから外れているものの、バンプBに接触している場合がある。この場合、発光素子3は点灯するため、第2のボンド部62がバンプBから外れていることを確認できない。高温状態にすると、封止部5の樹脂が熱膨張してワイヤ6がバンプBから浮き上がりやすくなるため、常温状態と比較して第2のボンド部62の外れが確認しやすい。従って、高温状態と常温状態との2つの状態で試験を行っている。
図4に示すように、ウエッジ起点P1をバンプBの手前に位置する−2%とした場合は、常温点灯で600サイクルにてワイヤ6の開放が確認され、また高温点灯では、200サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を6%とした場合は、常温点灯で500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。また高温点灯では、300サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を10%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を15%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯したが、高温点灯では、300サイクルでワイヤ6の開放が確認された。ウエッジ起点P1を20%とした場合は、常温点灯で600サイクルでも点灯し、高温点灯では500サイクルにてワイヤ6の開放が確認された。
従って、熱衝撃という観点から、ウエッジ起点P1を20%以上とするのが望ましい。
次に、図5を用いて、ワイヤ6の破断荷重について説明する。
本実施形態では、ワイヤ6は主材が銀により形成されている。図5はワイヤを銀合金、銅および金とした場合の破断荷重の測定値の例を示す。ワイヤの太さ(直径)は、図5(A)では23μm、図5(B)では25μmとしている。また、常温の25℃で引張試験を行った場合と、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った場合との測定結果を示す。
図5(A)に示すように、ワイヤの線径が23μmである場合、銀合金は、25℃では、破断荷重が銅より少し高い値であるものの、250℃では、金および銅より低い値を示す。また図5(B)に示すように、ワイヤの線径が25μmである場合、銀合金は、25℃、250℃の両方で、金および銅より低い値を示す。従って、ワイヤ6に銀合金を使用することによって、ワイヤ6の第2のボンド部62を形成して切断するときに、容易に切断することができる。図4および図5に示す例では、ワイヤ6を純度95%の銀合金、封止部5をシリコーン樹脂としたが、ワイヤ6を銀を主材とする銀合金とし、封止部5を膨張率の異なる樹脂製としたりガラス製としたりしても、同様の傾向にあるものと思われる。
このように、本実施形態によると、ワイヤ6の接合性と切断性とを向上させることができるので、発光装置1の信頼性を向上させることができる。
また、直径25μmの銀合金において、高温の250℃で20秒間の加熱をした後に引張試験を行った結果、破断荷重が金の9.8cNより小さい8cNのAg線を使用した場合も、同様に切断性が良好である。その理由は、一般的に銀の快削性は金に比べて高く、Ag合金においても主成分が銀であるため、金に比べて切断性が高いからである。
さらにAg純度が94%以上である銀合金を使用することにより、ワイヤ6の中のCu、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Ca、Sr、Y、La、Ce、Eu、Be、Ge、In、Snの1種類または2種類以上が含まれる量が増加するため、例えば−40〜100℃の熱衝撃試験などにおいて接合性が高くなり、また銀の純度も高いため、反射率が高くなるので高輝度の発光装置を実現でき、高輝度、高信頼性の両立が可能である。
(他の構成例)
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図1に示す発光装置1では、リードフレーム2と発光素子3とを、ワイヤ6により導通接続していた。そしてワイヤ6では、リードフレーム2との接合部に形成された第1のボンド部61が低位置にあり、発光素子3の電極のバンプBとの接合部に形成された第2のボンド部62が高位置にあった。しかしながら、本実施形態に係るワイヤは、図1で示した構成以外の構成、例えば、図6および図7に示す発光装置でも採用することができる。なお、図6および図7においては、図1と共通の構成要素には同一の符号を付しており、ここでは説明を省略する場合がある。
図6に示す発光装置1xは、2個の発光素子3すなわち、第1の発光素子31および第2の発光素子32が、アノード端子(第2のリード電極)22上に配置されている。そして、カソード端子(第1のリード電極)21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極へワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に2個の発光素子3が搭載された発光装置1xにおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点を10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
図7に示す発光装置1yは、2個の発光素子3のうち、第1の発光素子31がアノード端子(第1のリード電極)22に配置され、第2の発光素子32がカソード端子(第2のリード電極)21に配置されている。そして、カソード端子21から第2の発光素子32の一方の電極であるn電極へワイヤ6aが配線されており、また、アノード端子22から第1の発光素子31の一方の電極であるp電極ワイヤ6bは配線されている。そして、第1の発光素子31の他方の素子電極であるn電極から第2の発光素子32の他方の素子電極であるp電極へワイヤ7が配線されている。
第1のワイヤとしてのワイヤ7は、第1の発光素子31のn電極との接合部に第1のボンド部61cが形成されるとともに、第2の発光素子32のp電極との接合部に第2のボンド部62cが形成されている。つまり、ワイヤ7は、同じ高さの位置にある電極同士を接続している。そしてワイヤ7は、第2および第3のワイヤとしてのワイヤ6a,6bと同一構成を有している。すなわち、第2のボンド部62cは先細形状になっており、かつ、ワイヤ7が延びる方向において、ワイヤ7が細くなり始めるウェッジ起点の位置が、第2の発光素子32のp電極に形成されたバンプBとの接合面の一端から、接合面の長さの10%以上バンプB側に入り込んでいる。
このように、アノード端子22に第1の発光素子31が配置され、カソード端子21に第2の発光素子32が配置されて、2個の発光素子3が別々の端子に配置された発光装置1yおいて、発光素子3間を接続するようなワイヤ7であっても、バンプBの接合面の長さに対して、ウエッジ起点が10%以上バンプB側に入れ込むことによって、ワイヤ7とバンプBとの接合強度を向上させることができる。
本開示は、ワイヤの接合性と切断性を向上させることができることにより、発光装置の信頼性を向上させることができるので、電極同士がワイヤにより接続された発光装置およびワイヤボンディング配線方法に好適である。
1,1x,1y 発光装置
2 リードフレーム
3 発光素子
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子
32 第2の発光素子
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
2 リードフレーム
3 発光素子
4 パッケージ部
5 封止部
6,6a,6b,7 ワイヤ
21 カソード端子
22 アノード端子
31 第1の発光素子
32 第2の発光素子
61,61a,61b,61c 第1のボンド部
62,62a,62b,62c 第2のボンド部
B バンプ
P1 ウエッジ起点(基端)
P21 一端
P22 他端
C キャピラリ
X 供給口
S1 押圧面
S2 接合面
Claims (8)
- 第1の電極と、バンプが形成された第2の電極とを導通接続する、少なくとも1つのワイヤを備え、
前記ワイヤは、銀を主材とする合金により形成され、かつ、前記第1の電極との接合部に第1のボンド部が形成されるとともに、前記第2の電極のバンプとの接合部に第2のボンド部が形成されており、
前記第2のボンド部は、先細形状になっており、かつ、
平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が、前記ワイヤと前記バンプとの接合面内に位置しており、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さは、前記接合面の長さの10%以上である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
半導体素子と、リード電極とを備え、
前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記リード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の天面に形成されており、前記リード電極より高い位置にある第1の素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
第2のリード電極を備え、
前記半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記第1の素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、
前記ワイヤは、前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤを含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
第1および第2の半導体素子を備え、
前記ワイヤは、前記第1の電極としての、前記第1の半導体素子の天面に形成された素子電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の天面に形成され、前記第1の半導体素子の前記素子電極と同じ高さの位置にある素子電極とを、導通接続する第1のワイヤを含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
第1および第2のリード電極を備え、
前記第1および第2の半導体素子は、それぞれ、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、
前記ワイヤは、
前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、
前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
第1および第2のリード電極を備え、
前記第1の半導体素子は、前記第1のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、
前記第2の半導体素子は、前記第2のリード電極上に配置されており、かつ、天面に、前記素子電極を含む一対の素子電極が形成されており、
前記ワイヤは、
前記第1の電極としての前記第1のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第1の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第2のワイヤと、
前記第1の電極としての前記第2のリード電極と、前記第2の電極としての、前記第2の半導体素子の一対の素子電極のうち前記第1のワイヤに接続されていない方の素子電極とを、導通接続する第3のワイヤとを含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体装置において、第1電極と第2電極とを、銀を主材とする合金により形成されたワイヤによって導通接続するワイヤボンディング配線方法であって、
キャピラリの先端の供給口から金属材料を出し、前記第1電極に押しつけることによって、第1のボンド部を形成する第1工程と、
前記キャピラリを、前記供給口から金属材料を出しながら前記第2電極の方へ移動させることによって、ワイヤループを形成する第2工程と、
前記キャピラリの先端を、前記第2電極に形成されたバンプの接合面に押し当てることによって、第2のボンド部を形成する第3工程とを備え、
前記第3工程において、
前記キャピラリの先端の押圧面の形状が前記第2のボンド部に転写されて、前記第2のボンド部が先細形状になり、かつ、
平面視において、前記ワイヤが細くなり始める基端が前記接合面内に位置し、かつ、前記ワイヤが延びる方向において、前記接合面の端から前記基端までの前記ワイヤの長さが前記接合面の長さの10%以上になるように、前記キャピラリの位置を制御する
ことを特徴とするワイヤボンディング配線方法。 - 請求項7記載のワイヤボンディング配線方法において、
前記第3工程において、前記キャピラリの先端の供給口の縁部が、前記接合面から外れないように、前記キャピラリの位置を制御する
ことを特徴とするワイヤボンディング配線方法。
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