KR101496997B1 - 특수 와이어 접합성 마감부를 제거하고 기판의 본딩 피치를감소시키는 와이어 본딩 구조체와 방법 - Google Patents

특수 와이어 접합성 마감부를 제거하고 기판의 본딩 피치를감소시키는 와이어 본딩 구조체와 방법 Download PDF

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훈 택 이
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    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85009—Pre-treatment of the connector or the bonding area
    • H01L2224/85051—Forming additional members, e.g. for "wedge-on-ball", "ball-on-wedge", "ball-on-ball" connections
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
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Abstract

반도체 패키지는 기판(12)에 배치된 반도체 다이(14)를 구비한다. 본드 와이어(26)는 반도체 다이(14)상의 제1 접합 부위(22)와 기판(12)상의 제2 접합 부위(32) 사이에 연결된다. 제1 접합 부위(22)는 다이 본드 패드이다. 제2 접합 부위(32)는 스티치 본드(54)이다. 제2 접합 부위(32)는, 기판(12)에 형성된 본드 핑거(32)와, 본드 핑거(32)와 물리적으로 직접 접촉하는 전도 레이어(252)와, 전기 신호를 반도체 다이(14)로부터 본드 핑거(32)로 전달하기 위하여 전도 레이어(252)와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어(26)에 결합된 본드 스터드(252)를 구비한다. 본드 핑거(32)는 구리로 제작된다. 전도 레이어(252)는 구리 또는 금으로 제작된다. 본드 스터드(252)는 금으로 제작되고 구리 레이어(212)의 측부와 상부를 덮는다.
기판, 반도체 다이, 접합 부위, 본드 와이어, 본드 핑거, 반도체 패키지

Description

특수 와이어 접합성 마감부를 제거하고 기판의 본딩 피치를 감소시키는 와이어 본딩 구조체와 방법{WIRE BONDING STRUCTURE AND METHOD THAT ELIMINATES SPECIAL WIRE BONDABLE FINISH AND REDUCES BONDING PITCH ON SUBSTRATES}
관련 출원의 상호 참조
본 발명은, 2004년 11월 12일에 출원된 가출원 제60/627,650호에 대한 우선권을 주장하는 2005년 11월 14일에 출원된 발명의 명칭이 "와이어 본드 상호연결부"인 미국 특허 출원 제11/273,635호에 대한 우선권을 주장하는 일부 계속 출원이다.
본 발명은 일반적으로 반도체 장치, 보다 구체적으로는 와이어 본딩 마감부(wire bonding finish)를 필요 없게 하고 기판의 본딩 피치(bonding pitch)를 감소시키는 와이어 본딩 구조체를 구비한 반도체 장치에 관한 것이다.
현대 사회에서 사용되는 많은 제품들에서 반도체 장치가 발견된다. 반도체는 오락, 통신 및 가정 용품 시장 등의 소비재 품목에 적용되고 있다. 산업 시장 또는 상업 시장에서, 반도체는 군사, 항공, 자동차, 공업 제어기 및 사무용 장비에서 사용되고 있다.
반도체 장치 제조는 다수의 다이를 구비한 웨이퍼를 형성하는 것으로부터 시작한다. 각각의 다이는 수백 또는 수천의 트랜지스터와 하나 이상의 전기적 기능을 수행하기 위한 다른 전기 장치를 포함한다. 주어진 웨이퍼에 대해서, 그 웨이퍼의 각각의 다이는 동일한 전기적 기능을 수행한다. 프론트-엔드 제작(front-end manufacturing)은 일반적으로 웨이퍼에 트랜지스터를 형성하는 것을 가리킨다. 백-엔드 제작(back-end manufacturing)은 완성된 웨이퍼를 개개의 다이로 절삭 또는 싱귤레이팅(singulating)하고 나서 구조적 지지 및 주변 격리를 위하여 다이를 패키징 하는 것을 가리킨다.
패키지는 전기적 신호를 다이 안팎으로 전달하기 위하여 외부 금속 접촉부를 가지고 있다. 다이는 와이어 본드(wire bond)들에 의해서 패키지의 외부 접촉부에 연결되는 다수의 본딩 패드(bonding pad)를 구비한다. 와이어 본딩(Wire bonding)은 반도체 장치와 반도체 패키지 외측의 다른 회로(circuitry) 사이에 전기적 상호연결부를 제공한다. 와이어 본드는 다이의 활성 표면(active surface)에 있는 패드들과 기판상의 본드 핑거(bond finger) 또는 리드 프레임(lead frame)상의 접합 부위(bond site)들 사이를 연결하는 데 사용된다.
통상적으로 와이어 본딩은 금 레이어(약 0.5 마이크론)를 니켈 레이어(약 5 내지 10 마이크론) 위에 적용하기 위하여 도금 버스(plating buss)를 사용하는 전해 도금(electrolytic plating) 공정을 포함한다. 아쉽게도, 도금 버스는 공간을 많이 차지하고, 이것은 고밀도 디자인에는 문제가 된다. 또한, 도금 버스는 원하지 않는 기생 효과를 유발하고 버스를 제거하기 위한 또 다른 가공 단계를 필요로 한다. 와이어 본딩 요건으로부터 도금 버스와 니켈 기반 전기도금 공정을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명은 기판과, 기판에 배치된 반도체 다이를 포함하는 반도체 패키지이다. 본드 와이어는 반도체 다이상의 제1 접합 부위와 기판상의 제2 접합 부위와의 사이에 연결된다. 제2 접합 부위는 기판 상에 형성된 본드 핑거와, 본드 핑거와 물리적으로 직접 접촉하는 구리 레이어(copper layer)와, 전기 신호를 반도체 다이로부터 본드 핑거로 전달하기 위하여 구리 레이어와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어에 결합된 본드 스터드(bond stud)를 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명은 기판과 기판 상에 배치된 반도체 다이를 포함하는 반도체 패키지이다. 본드 와이어는 반도체 다이상의 제1 접합 부위와 기판상의 제2 접합 부위 사이에 연결된다. 제2 접합 부위는 기판 상에 형성된 본드 핑거와, 본드 핑거와 물리적으로 직접 접촉하는 전도 레이어(conductive layer)와, 전기 신호를 반도체 다이로부터 본드 핑거로 전달하기 위하여 전도 레이어와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어에 결합된 본드 스터드를 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명은 본드 와이어와, 본드 핑거와, 본드 핑거와 접촉하는 전도 레이어와, 전기 신호를 전달하기 위하여 전도 레이어와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어에 결합된 본드 스터드를 포함하는 반도체 패키지 접합 부위이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명은, 기판을 형성하는 단계와, 반도체 다이를 기판에 배치하는 단계와, 반도체 다이상의 제1 접합 부위와 기판상의 제2 접합 부위 사이에 본드 와이어를 연결하는 단계를 포함하는 반도체 패키지 제작 방법이다. 본드 와이어를 연결하는 단계는, 본드 핑거를 기판에 형성하는 단계와, 본드 핑거와 물리적으로 직접 접촉하는 전도 레이어를 형성하는 단계와, 전기 신호를 반도체 다이로부터 본드 핑거로 전달하기 위하여 전도 레이어와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어에 결합된 본드 스터드를 형성하는 단계를 포함한다.
스티치 본드 스터드를 구리 레이어에 직접적으로 적용하는 것은 여전히 최적의 방법이며 이것은 또한 기판의 도금 타이바(tie bar)를 제거하는데, 이것은 라우팅(routing)을 위한 점유 영역을 자유롭게 하고 상기 타이바로부터 발생하는 전기적 기생성분을 방지하고 와이어 길이를 단축하고 패키지 크기를 축소할 수 있게 되는 와이어 본딩을 위한 유효 본드 핑거 피치를 감소시킨다. 본 명세서에서 개시된 본딩 공정은 밀도를 극대화하고 최종 본드 핑거 피치를 최소화하며, 제작 비용을 감소시킨다. 이와 같은 기술은 래미네이트 기판(laminate substrate)들에 가장 매력적이다. 그러나 선택적인 은 도금 단계들이 제거될 수 있는 리드프레임(leadframe)에 적용될 수 있다.
도면을 참고하여 이하에 기재된 하나 이상의 실시예를 통해서 본 발명을 기술하며, 상기 도면들에서는 유사한 도면 부호는 동일하거나 비슷한 요소들을 지칭한다. 본 발명이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 최상의 형태에 관해서 기술되지만, 당업자라면 첨부된 청구항에서 한정된 본 발명의 사상과 범위에 포함될 수 있는 대체, 수정 및 등가물과, 이하의 개시 내용과 도면을 통해서 뒷받침되는 등가물이 포함된다는 것을 알 수 있다.
반도체 장치 제조는 다수의 다이를 구비한 웨이퍼를 형성하는 것으로부터 시작한다. 각각의 다이는 수백 또는 수천의 트랜지스터와 하나 이상의 전기적 기능을 수행하기 위한 다른 전기 장치를 포함한다. 주어진 웨이퍼에 대해서, 그 웨이퍼의 각각의 다이는 동일한 전기적 기능을 수행한다. 프론트-엔드 제작(front-end manufacturing)은 일반적으로 웨이퍼에 트랜지스터를 형성하는 것을 가리킨다. 백-엔드 제작(back-end manufacturing)은 완성된 웨이퍼를 개개의 다이로 절삭 또는 싱귤레이팅(singulating)하고 나서 구조적 지지 및 주변 격리를 위하여 다이를 패키징 하는 것을 가리킨다.
패키지는 전기적 신호를 다이 안팎으로 전달하기 위하여 외부 금속 접촉부를 가지고 있다. 다이는 와이어 본드(wire bond)들에 의해서 패키지의 외부 접촉부에 연결되는 다수의 본딩 패드(bonding pad)를 구비한다. 와이어 본딩은 반도체 장치와 반도체 패키지 외측의 다른 회로(circuitry) 사이에 전기적 상호연결부를 제공한다. 와이어 본드는 다이의 활성 표면(active surface)에 있는 패드들과 기판상의 본드 핑거 또는 리드 프레임상의 접합 부위(bond site)들 사이를 연결하는 데 사용된다.
도 1에는, 종래의 와이어 본드 상호연결부(wire bond interconnect)가 도시되어 있다. 반도체 다이(14)는 활성 부분(active side)을 위쪽에 있게 해서 기판(12)의 다이 부착 표면에 장착 되어서는 다이 부착 접착제(13)를 사용하여 부착된다. 다이(14)의 활성 부분에는 상호연결된 다이 패드(22)가 제공된다. 기판(12)은 적어도 하나의 레이어의 유전체 재료와 적어도 하나의 패터닝(patterning)된 금속 레이어를 포함한다. 기판(12)의 다이 부착 부분의 금속 레이어는 본드 핑거(32)를 포함하여 적절한 회로 트레이스(circuit trace)를 제공하기 위하여 패터닝 된다. 다이(14)는 다이 패드(22)와 본드 핑거(32) 사이에 형성된 와이어(26)에 의해서 기판(12)의 회로와 전기적으로 상호연결된다.
와이어 본드(26)는 모세관 접합 기구(capillary bonding tool), 장치가 와이어 접합되도록 하기 위한 지지부(support), 열원, 상기 모세관 접합 기구에 초음파 진동을 가하기 위한 소스(source)와 변환기, 및 이러한 기계 요소들의 움직임과 기능을 조화시키기 위한 자동화된 제어부를 포함하여 기계장치를 사용하여 형성된다. 통상 알루미늄이나 금으로 제작되는 와이어는 모세관의 관강(lumen)에서 이동되고, 기계장치는 모세관 첨단을 통해서 와이어의 이동을 제어한다. 예를 들어 도 1에 도 시된 바와 같은 와이어 본드를 형성하기 위하여, 다이가 기판에 부착되고나서 다이와 기판이 지지단(support stage)에 장착된다. 지지부는 기판과 다이를 가열함으로써 제공된다. 모세관은 다이와 기판 위에서 균형 잡히고, 와이어가 모세관 첨단으로부터 선택된 범위까지 돌출하도록 와이어는 모세관 내강을 통해서 주입된다.
볼 본드를 형성하기 위해서, 와이어의 돌출 단부에 용융된 볼을 형성하도록 전기 아크(electronic arc)가 가해진다. 모세관은 그 첨단이 타깃 접합 부위(target bonding site), 예를 들어 다이 패드 위의 x-y 평면에 정렬되도록 다이와 기판 위에서 움직인다. 모세관을 내려서 볼을 타깃 접합 부위와 접촉시킬 때, 와이어에 인장이 가해져서는 볼이 모세관 첨단의 챔퍼(chamfer)에 뒤로 잡아당겨진다. 모세관이 "z"방향에서 이동되어서는 볼을 접합 부위에 대해서 압착하고, 모세관에 초음파 진동을 가하기 위하여 변환기가 가동된다. 모세관 첨단, 및 특히 볼을 파지하는 챔퍼는 타깃에 대해서 압착될 때 볼에 진동을 가한다. 야금 본드(metallurgic bond)가 볼과 타깃(target) 사이에 형성 되서는 볼 본드를 완성한다.
와이어 루프(wire loop)를 형성하기 위하여, 와이어가 모세관을 통해서 주입되는데, 상기 모세관은 타깃으로부터 융기 되고 나서, 완성된 와이어 본드의 최종 형상을 제어하기 위하여 상기 모세관이 제2 타깃 접합 부위 위의 x-y 평면에서 정렬되는 지점을 향해서 다이와 기판에 대해서 제어된 경로로 모세관이 이동된다.
본드 핑거(32)에 스티치 본드(stitch bond)를 형성하기 위하여, 모세관을 내려서 와이어를 본딩 핑거 부위에 대해서 압착하고, 또한 와이어가 타깃 부위에 대 해서 짓눌릴 때 와이어에 진동을 가하기 위하여 변환기가 가동되고 와이어와 타깃 부위 사이에 야금 본드를 형성한다. 모세관은 본드 부위를 따라서 이동되고나서 융기되며 모세관 첨단으로부터 돌출하는 와이어의 말단을 형성한다. 최종적으로, 모세관이 더 융기될 때 와이어가 파지되고, 와이어가 제2 본드 부근에서 절단되도록 하며 모세관 첨단으로부터 돌출한 와이어 말단이 와이어 단부에서 전기 아크에 의해서 다음 볼을 형성할 준비가 되게 한다.
도 2a와 도 2b에서 볼 본드가 두 방향으로 도시되어 있고, 스티치 본드는 도 3a와 도 3b에서 두 방향으로 도시되어 있다. 완성된 볼 본드는 다이 패드(22)에 야금 접합된 압축된 볼(24)을 포함한다. 완성된 스티치 본드는 본드 핑거(32)상의 평탄부 또는 패드에 야금 접합된 짓눌린 와이어 단부(34)를 포함한다. 와이어의 잔류물은 영역(35)으로 표시된 패드상의 위치에 남아있을 수 있다. 모세관 첨단의 형상 및 치수와 여러 다른 공정 파라미터가 변경됨에 따라서 본드들 형상의 변경이 가능하다는 점은 당연하다. 특히, 와이어는 스티치 본드를 완성하기 위하여 절단되어야하기 때문에 주어진 기계 및 가공 파라미터들의 사용에 따라 스티치 본드에 몇 가지 변경이 있을 수 있다.
도 3a에 구체적으로 도시된 바와 같이, 전형적으로 본드 핑거 또는 본드 패드는 때때로 "평탄부"로 불리는 대체적으로 평탄한 착지 표면(landing surface)에 접합 부위를 구비하고 있으며, 상기 착지 표면상에서 본드가 형성되며 이 착지 표면은 위에서 설명한 바와 같이, 그 위에 형성된 완성된 스티치 본드보다 상당히 폭이 넓다.
상기한 공정은 종종 리버스 와이어 본딩 공정과는 대조적으로 포워드 와이어 본딩 공정으로 불린다. 리버스 와이어 본딩 공정에서는, 볼 본드가 리드 핑거 평탄부 또는 패드에 형성되고, 스티치 본드는 다이 패드에 형성된다. 리버스 와이어 본딩 공정이 기판을 다이와 연결하는 경우에, 와이어가 다이의 부착 표면과 접촉하는 것을 방지하기 위하여, 스티치 본드 부근에서 와이어의 제2 단부를 올리는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 리버스 와이어 본딩 공정에서 볼은, 스티치 본드가 형성된 다이 패드 상에 형성될 수 있다. 이와 같은 절차는 미국 특허 제6561411호에 도시되어 있다.
리버스 와이어 본드 상호연결부의 도해적 예시가 도 4에 도시되어 있다. 도 1의 포워드 와이어 본드 예에서와 같이, 반도체 다이(14)는 활성 부분을 위로해서는 기판(12)의 다이 부착 표면에 장착되고 다이 부착 접착제(13)를 사용하여 이에 부착된다. 다이(14)의 활성 부분에는 상호연결된 다이 패드(22)가 제공된다. 기판(12)은 적어도 하나의 레이어의 유전체 재료와 적어도 하나의 패터닝(patterning)된 금속 레이어를 포함한다. 기판(12)의 다이 부착 부분의 금속 레이어는 본드 핑거(32)를 포함하여 적절한 회로 트레이스(circuit trace)를 제공하기 위하여 패터닝 된다. 다이(14)는 다이 패드(22)들과 본드 핑거(32)들 사이에 형성된 와이어(26)에 의해서 기판(12)의 회로와 전기적으로 상호연결된다. 리버스 와이어 본드 구성에서, 볼 본드(24)는 본드 핑거(32)의 평탄부 또는 패드에 형성되고 스티치 본드(54)는 다이 패드(22)에 미리 놓여 있는 볼로서 형성된 받침대(56)상에 형성된다. 다이 패드(22)에 형성된 받침대(56)에 형성된 스티치 본드(54)가 도 5에 보다 상세하게 도시되어 있다.
포워드 와이어 본딩이 채용되는 경우, 접합 부위의 폭을 감소시켜서 기판의 상호연결부의 피치를 축소시키는 것이 원칙적으로 가능할 수 있다. 도 6a와 도 6b에는 좁은 폭의 본드 핑거와 스티치 본드를 적절하게 정렬한 경우와, 이들을 정렬하지 않은 경우의 결과가 도시되어 있다. 이 경우, 본드 핑거는 스티치 본드보다 폭이 좁고 동일한 모세관을 사용하여 제작된 볼 본드의 압축된 볼의 직경과 대비될 수 있다.
도 6a의 이상적 경우에서와 같이 충분히 정확하게 정렬한 경우, 스티치 본드는 용인할 수 있을 정도로 튼튼할 수 있다. 이 때, 제2 와이어 단부(66)의 부분(64)과 협폭 본드 핑거(62) 사이의 야금 본드가 충분히 양호할 수 있으나, 이것은 파선(65)으로 윤곽을 나타낸 신뢰할 수 없는 형상의 평탄화된 와이어의 평탄화된 잔존부가 어느 정도 양호한 전도성의 상호연결부를 제공하는 데 조력할 수 있는지에 따라 달라진다.
도 6b에 도시된 바와 같이 정렬이 완벽하지 않은 경우, 제2 본딩 공정은 본드 핑거(62)와의 연결을 양호하게 할 수 없을 수 있다. 와이어 단부(66)의 귀착 부분(66)과 제2 본딩 공정의 잔존물(65)의 구성이 무엇이 될 수 있는지 불명확지만, 어느 경우에도 일정하거나 또는 신뢰할 수 있거나 또는 튼튼한 본드를 적절하게 보장할 수 없다. 따라서 리드 핑거상의 평탄한 폭을 좁힘으로써 리드 핑거 피치를 감소시키려는 시도는 일반적으로 용인될 수 없다.
본드 핑거는 스티치 접합 부위에서 폭이 좁고, 받침대는 좁은 접합 부위에 형성되며, 스티치 본드는 받침대에 형성된다. 받침대는 스터드 범프(stud bump)를 형성하는 방식으로 볼로서 형성될 수 있다. 즉, 마치 볼 본드 상호연결부를 형성하는 것처럼 좁은 본드 핑거 상에 볼을 형성하기 위하여 와이어 본딩 장치가 채용되지만, 이 때 루프를 형성하기 위하여 와이어를 인발하는 대신에, 와이어는 모세관이 위로 이동될 때 클램핑(clamping)되어서 와이어가 볼 바로 위에서 끊어지고 말단(tail)을 남긴다. 와이어 말단을 포함해서 볼의 상부는 스티치 본드가 형성되기 전에 대체적으로 평탄한 표면을 형성하기 위하여 압인(coining)처리해서 평탄해질 수 있다. 스티치 본드가 본드 핑거(32)의 평탄한 착지 표면이 아닌 받침대(72)의 평탄 표면에 형성되는 것을 제외하고, 일반적으로 스티치 본드는 도 3a와 도 3b를 참조해서 상기한 것과 같이 형성된다. 완성된 스티치 본드는 받침대(72)에 야금 접합된 짓눌린 와이어 단부(74)를 포함하고, 와이어의 잔존물은 영역(75)으로 표시한 것과 같은 패드 상의 위치에 남아 있을 수 있다. 모세관 첨단의 형상 및 치수와 다양한 다른 공정 파라미터가 달라짐에 따라서 제1 본드 및 제2 본드의 형상이 변경되는 것을 예상할 수 있다. 특히, 와이어는 제2 본드를 완성하기 위하여 절단되기 때문에, 주어진 기계 및 가공 파라미터들의 사용에 따라 제2 본드 외형에 몇 가지 변경이 있을 수 있다.
결과적인 제2 본드가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 리드 핑거(lead finger) 상의 좁은 접합 부위(62)는 횡단면이 사다리꼴이거나, 또는 대략적으로 삼각형이거나 정점이 면처리 되거나, 또는 둥근 정점을 가지는 대략적으로 삼각형이다(도 7c 내지 도 7e 참조). 리드 핑거의 접합 부위 부분(62)이 상부가 대략적으로 평탄한 대체적으로 사다리꼴인 횡단면을 가지는 경우, 접합 부위의 본드 핑거의 평탄한 상부(71)의 폭(WP)은 지지 받침대(72)의 폭(WB)보다 작다. 보통, 평탄한 상부(71)의 폭(WP)보다 다소 큰 접합 부위의 본드 핑거의 기부(73)의 폭(WF)도 지지 받침대(72)의 폭(WB)보다 작다. 전형적으로, 본드 핑거의 접합 부위 부분의 상부(71)는 완벽하게 평탄하지는 않고, 그 가장자리가 날카롭게 형성되지는 않는다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 본드 핑거의 접합 부위 부분의 상부(77)가 라운딩(rounding)될 수 있다. 본드 핑거의 접합 부위 부분의 상부는 받침대 직경보다 좁고, 지지 받침대(72)를 본드 핑거의 접합 부위 부분에 형성하는 공정은 볼이 접합 부위의 리드 핑거 둘레에서 변형되게 한다. 따라서 본드 핑거는 도 7e에 도시된 바와 같이 받침대 직경(WB)보다 비례해서 훨씬 좁게 형성될 수 있고, 접합 부위의 본드 핑거는 그 횡단면 형상이 도 7e에 예시적으로 도시된 바와 같이, 정점(79)을 가지는 거의 삼각형에 가깝게 되도록 폭이 좁아질 수 있다. 도 7c 내지 도 7e의 단면도에 도시되어 있는 바와 같이, 접합 부위의 리드 핑거가 대체적으로 평탄하거나 또는 둥근 플래토(plateau)를 구비하든지, 또는 뾰족하거나 또는 둥근 정점을 구비하든지 간에, 지지 받침대(72)의 형상은 플래토 또는 정점의 형상에 적합하다. 즉, 지지 받침대가 형성될 때, 이 지지 받침대는 리드 핑거의 측부들 중 적어도 한 측부의 적어도 상부 부분에 적합하게 된다. 지지 받침대는 형성 중에 접합 부위와 함께 정확하게 정렬되어서 지지 받침대가 리드 핑거에 대칭적으로 배열되고, 결국 받침대의 부분들이 리드 핑거의 양측에서 동일하게 변형된다. 지지 받침대가 완벽하게 정렬될 필요는 없으며, 실제적으로 변형은 어느 정도 비대칭일 수 있다. 또한, 예를 들어 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 리드 핑거가 "z" 방향에서 충분하게 얇은 경우, 지지 받침대(82)의 부분들은 리드 핑거(63)의 기부와 나란하게 기판(12)의 표면과 접촉할 수 있다. 리드 핑거의 상대적으로 좁은 접합 부위 부분과 볼 사이에 튼튼한 전기적 연결부가 형성될 수 있고, 이와 같이 형성된 지지 받침대(72, 82)에 도 7c 내지 도 7e와 도 8에 도시된 바와 같이 스티치 본드(75)가 신뢰성 있게 형성될 수 있다.
와이어 길이와 기판 면적이 리드 핑거 본드 피치에 따라 달라지는 한, 본드 피치의 감소는 결과적으로 상당한 와이어 길이의 단축과 기판 면적의 감소를 가져올 수 있다.
특징부의 폭이 기판의 여러 리드들과 리드 핑거들을 사이에서 변화될 수 있고 또한 주어진 리드 또는 리드 핑거의 길이를 따라서 변화될 수 있다는 점이 이해될 수 있으며, 리드 핑거는 접합 부위, 즉 지지 받침대가 형성되는 리드의 길이를 따라 있는 곳에서 지지 받침대 직경보다 작다. 원하는 리드 핑거 밀도와 리드 핑거 본드 피치가 얻어진다면 트레이스는 다른 지점들에서 협폭이 되거나 광폭이 될 수 있다.
도 9a와 도 9b는 두 리드 핑거 배열을 명료하게 도시하고 있는데, 상기 도면들에서는 다이 패드 피치(PDP: die pad pitch)가 리드 핑거 본드 피치(PLF: lead finger bond pitch)와 동일해서, 리드 핑거 본드 피치가 다이 패드 피치보다 큰 경우 리드 핑거 배열이 펼쳐져야하는 것과 달리 와이어가 평행하게 연장할 수 있다. 이러한 배열은 때때로 "직교성(orthogonal)"으로 불리며 와이어 길이와 기판 면적이 최소한이 되게 한다. 다이 패드(22)는 다이(14)의 가장자리(15)를 따라서 한 열로 배열된다. 접합 부위들에서 폭이 좁아지는 리드 핑거(62)들은 본드 핑거들이 대응하는 다이 패드들과 함께 대체적으로 정렬되게 해서는 한 열로 기판(12)의 다이 부착 표면에 배열된다. 지지 받침대, 즉 도 9a의 도면 부호 72와 도 9b의 도면 부호 72, 72'는 각 리드 핑거의 리드 핑거 접합 부위에 형성된다. 도 9a에서 지지 받침대들은 하나의 선에 배열되는 반면에, 도 9b에서는 지지 받침대들이 두 개의 엇갈린 열에 배열되어 있다. 도 9b의 배열은 가장 근접한 지지 받침대들 사이의 거리를 보다 크게 하면서, 다이 패드 피치 (PDP')와 리드 핑거 본드 피치(PLF')를 참조하면 동일한 피치를 유지한다.
도 10a와 도 10b를 참조하면, 와이어 본드들이 다이 패드들과 각각의 본드 핑거들 사이에 형성되는데, 이것은 볼 본드(24)를 다이 패드(22)에 형성하고 와이어(66, 166)를 각각의 리드 핑거(71, 171) 접합 부위로 끌어오고 도 7a 내지 도 7e 및 도 8을 참고하여 설명한 바와 같이 스티치 본드(74, 174)를 지지 받침대(72, 172)에 형성함으로써 수행된다.
실제에 있어서는, 접합 부위의 리드 핑거 폭이 도 7e와 도 8에 도시된 바와 같이 최소화된 경우에도, 실제의 가공 기술의 한계로 인해서 인접한 리드 핑거들 사이의 간격을 최소화 할 수 있는 정도가 제한된다. 표준 프로세싱을 사용하는 경우, 약 40 ㎛ 간격이 실제적인 최소치일 수 있다. 50 ㎛ 또는 그 이하와 같은 초정밀 다이 패드 피치의 경우, 도 9a 또는 도 9b에 도시된 바와 같은 장치에서 직교성 와이어 본딩을 달성하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 초정밀 다이 패드 피치의 경우 직교성 와이어 본딩을 달성하기 위하여, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 단이 형성된 기판(tiered substrate)이 사용될 수 있다. 이 때, 도 9a, 도 9b에서와 같이, 다이 패드들은 다이(14)의 가장자리를 따라서 한 열로 배열된다. 좁은 접합 부위(62)들을 가지는 리드 핑거들은, 리드 핑거들이 다이 패드들의 대응해서 번갈아 있는 패드(제1, 제3, 제5 등)들과 대체적으로 정렬되어서, 제1 열의 하부 기판(12)의 다이 부착 표면에 배열된다. 그리고 좁은 접합 부위(62')들을 구비한 리드 핑거들은, 리드 핑거들이 제1 기판의 리드 핑거들과 대응하지 않는 다이 패드들 중 번갈아 있는 패드(제2, 제4, 제6 등)들과 대체적으로 정렬되어서, 제2 열의 상부 기판(112)의 표면에 배열된다. 상부 기판의 가장자리는 하부 기판의 리드 핑거들의 접합 부위들이 노출되도록 셋백(set back)되어 있다.
지지 받침대(72)의 제1 열은 기판(112)의 하부 단(tier)의 리드 핑거(71)들의 노출된 리드 핑거 접합 부위들에 형성되고, 지지 받침대(171)의 제2 열은 기판(112)의 상부 단의 리드 핑거(171)들의 리드 핑거 접합 부위들에 형성된다. 볼 본드(24)를 다이 패드(22)에 형성하고 와이어(66, 166)를 각각의 리드 핑거(71, 171) 접합 부위로 끌어오며 도 7a 내지 도 7e와 도 8을 참고하여 기술된 바와 같이 스티치 본드(74, 174)를 지지 받침대(72, 172)에 형성함으로써 와이어 본드들이 다이 패드(22)들과 번갈아서 도면 부호 71, 171인 각각의 본드 핑거들과의 사이에 형성된다. 리드 핑거들의 상부 열과 하부 열 둘 모두의 리드 핑거 본드 피치(PLF'')는 다이 패드 피치(PDP') 크기의 두 배이다. 각각의 리드 핑거들 열에서 약 80 ㎛와 약 100 ㎛ 사이의 범위에 있는 정밀한 리드 핑거 본드 피치가 얻어질 수 있고, 두 개 열의 리드 핑거들이 엇갈려 있기 때문에, 결합된 유효 리드 핑거 본드 피치 크기는 각 열의 반절이며, 이것은 약 40 ㎛와 약 50 ㎛만큼 작은 범위의 패드 피치를 가지는 다이의 직교성 와이어 본드 상호연결부를 제공할 수 있고, 약 1 mm 또는 그 이하의 크기의 와이어 길이가 가능해질 수 있다.
와이어 바인드 상호연결부(wire bind interconnect)를 제작하기 위한 일반화된 공정의 단계들이 도 11a 내지 도 11d에 도시되어 있다. 도 11a는, 다이 부착 접착제(13)를 사용하여 기판(12)의 다이 부착 부분에 장착된 다이 패드(22)가 제공되는 단계를 도시하고 있다. 전기적 상호연결된 다이 패드(22)들은 다이의 활성 부분에 위치된다. 좁은 접합 부위(62)들을 구비한 리드 핑거들이 기판의 금속 레이어에 패터닝 된다. 와이어 본드 장치를 사용하여, 볼(72)은 도 11b에 도시된 바와 같이 리드 핑거(62)의 접합 부위에 스터드 범핑(stud bumping) 공정에 의해 형성된다. 그리고 볼은 도 11c에 도시된 바와 같이 리드 핑거의 접합 부위에 지지 받침대(72)를 형성하기 위하여 압인함으로써 평탄하게 된다. 볼 본드(24)가 다이 패드(22)에 형성되고, 와이어(26)는 리드 핑거(62)의 접합 부위로 끌려오고, 스티치 본드(74)는 지지 받침대(72)에 형성된다.
도 12a는 종래의 스티치 본드의 측면도를 도시하고 있다. 구리(Cu) 레이어(212)가 리드 핑거(213)에 형성된다. 니켈(Ni) 레이어(214)는 전기 도금 공정에 의해서 구리 레이어(212)에 형성된다. 금(Au) 레이어(216)는 전기 도금에 의해서 니켈 레이어(214)에 형성된다. 금 와이어 본드(218)는 다이 본드 패드와 리드 핑거(213) 사이의 전기 접촉을 형성하기 위하여 금 레이어(216)에 연결된다. 도 12b 는 스티치 본드의 횡단면을 보여준다. 구리 레이어(212), 니켈 레이어(214), 및 금 레이어(216)는 전기 도금에 의해서 인접한 레이어 위에 형성되고, 이들 각각은 리드 핑거(213)와 접촉하게 된다. 종래의 와이어 본딩은 스티치 본드를 형성하기 위하여 구리 표면에 전해질 니켈 및 금 도금을 필요로 했다. 선택적으로, 스티치 본드는 구리 레이어 위에 은(Ag) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 또 다른 마감부(finish)를 사용한다.
상기 스티치 본드는, 니켈 레이어를 도금하기 위한 추가 제작 단계들 내지는, 표면 와이어가 접착성이 있도록 하기 위하여 구리 레이어 위에 은(Ag) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 다른 마감부를 필요로 한다. 스티치 본드는 도금 공정용의 도금 버스(plating buss)를 필요로 하는데, 이것은 이후에 제거되어야만 한다. 니켈 레이어는, 측벽을 도금하고 그리고 도금 버스로부터 남은 스터브(stub)를 형성함으로써 본드 핑거 피치를 증가시킨다. 와이어 본딩 공정으로부터의 도금 버스뿐만 아니라 전해질 니켈-금속 도금을 제거해서 제작 단계를 감소시키고 공간 요건을 완화하며, 본딩 핑거 피치 및 기생 효과를 줄일 수 있다.
도 13에서, 반도체 다이(232)와 본드 핑거(234) 사이에 와이어 본드 전기 상호연결부(236)를 구비하고 있는 반도체 장치(230)가 도시되어 있다. 본드 핑거(234)는 구리로 제작된다. 와이어 본드(236)는 본드 핑거(234)와 반도체 다이(232)의 활성 장치들 사이를 전기적으로 연결한다. 반도체 다이(232)는 다이 부착 접착제를 사용하여 기판(238)의 표면에 장착된다. 제1 상호연결 패드(240)는 다이(232)의 활성 장치 부분에 형성된다. 제2 상호연결 패드(242)는 본드 핑거(234) 에 형성된다. 와이어 본드(236)는 패드들 사이(도면부호 240과 242 사이)를 전기적으로 연결한다. 본드 핑거(234)는 전도 매개부(conductive via)(244)들을 통해서 솔더 볼(248)들과 전기적으로 접촉한다. 또한 반도체 다이(232)는 전도 매개부(246)를 통해서 솔더 볼(248)들과 전기적으로 접촉할 수 있다.
상호연결 패드(242)의 추가적인 상세가 도 14a와 도 14b에 도시되어 있다. 도 14a에서는, 구리 레이어(250)가 본드 핑거(234)에 형성된다. 그리고 금 스티치 본드 스터드(252)는 본드 핑거(234)의 표면이 접착성이 되도록 하기 위하여 중간의 도금 레이어 내지는 다른 처치의 필요성 없이도 베어 구리 레이어(bare copper layer)(250)에 직접 연결된다. 선택적으로, 스티치 본드 스터드(252)는 이머션 골드 레이어(immersion gold layer) 또는 유리 패시베이션 코팅(glass passivation coating)에 직접 연결될 수 있다. 도 14b는 본드 핑거(234)상에 형성된 구리 레이어(250)에 직접 연결된 스티치 본드 스터드(252)의 측면도를 도시하고 있다.
베어 구리 레이어(250)로 접합하는 것이 여전히 바람직한 실시예이면서, 이러한 접합은 전기 도금에 의하지 않더라도 일부 경우에 본드 핑거(234)에 아주 얇은 보호 마감부를 추가하는 것을 선택으로 남겨두고 있다. 보호 마감부는 무전해 공정 또는 이머션 공정에 의해 증착된 주석(Sn), 금, 니켈, 납 또는 이들을 조합한 것일 수 있으며, 상기 공정은 여전히 도금 버스가 필요 없도록 한다. 또한 보호 마감부는 산화물 레이어일 수 있는데, 산화물 레이어는 얇은 필름으로서 증착되거나 구리 표면상에서 성장된다. 예를 들어서, 이러한 산화물은 블랙 옥사이드(black oxide) 또는 주석 첨가 산화 인듐(indium tin oxide, ITO)일 수 있다. 보호 마감 부(protective finish)의 두께는 0.005 마이크론(micron)에서 0.05 마이크론이다.
그럼에도 불구하고, 스티치 본드 스터드(252)를 구리 레이어(250)에 직접적으로 적용하는 것은 여전히 최적의 방법이며 이것은 또한 기판의 도금 타이바(tie bar)를 제거하는데, 이것은 라우팅(routing)을 위한 점유 영역을 자유롭게 하고 상기 타이바로부터 발생하는 전기적 기생성분을 방지하고 와이어 길이를 단축하고 패키지 크기를 축소할 수 있게 되는 와이어 본딩을 위한 유효 본드 핑거 피치를 감소시킨다. 본 명세서에서 개시된 본딩 공정은 밀도를 극대화하고 최종 본드 핑거 피치를 최소화하며, 제작 비용을 감소시킨다. 이와 같은 기술은 래미네이트 기판(laminate substrate)들에 가장 매력적이다. 그러나 선택적인 은 도금 단계들이 제거될 수 있는 리드프레임(leadframe)에 적용될 수 있다.
하나 이상의 본 발명의 실시예들이 상세하게 개시되었지만, 당업자라면 이와 같은 실시예를 수정 및 변경하는 것이 이하의 청구항에 개시된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 가능할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 기판에 부착된 반도체 다이로서 다이와 기판 사이에 공지된 포워드 와이어 본드 상호연결부(forward wire bond interconnection)를 구비한 것을 도시한 도면.
도 2a는 다이상의 패드로의 와이어의 제1 접합부를 보여주고 있는 도 1에서와 같은 종래의 포워드 와이어 본드 상호연결부를 도시한 도면.
도 2b는 도 2a와 같은 종래 제1 접합부를 도시한 도면.
도 3a는 기판상의 본드 핑거로의 와이어의 제2 접합부를 보여주고 있는 도 1에서와 같은 종래의 포워드 와이어 본드 상호연결부를 도시한 도면.
도 3b는 도 3a에서와 같은 종래의 제2 접합부를 도시한 도면.
도 4는 기판에 부착된 반도체 다이로서 다이와 기판 사이에 공지의 리버스 와이어 본드 상호연결부(reverse wire bond interconnection)를 가지고 있는 것을 도시한 도면.
도 5는 다이 패드상의 볼로 와이어가 접합되는 종래의 제2 접합부를 도시한 도면.
도 6a는 기판상의 좁은 본드 핑거로 적합하게 정렬된 와이어의 제2 접합부를 보여주고 있는 도 1에서와 같은 포워드 와이어 본드 상호연결부를 도시한 도면.
도 6b는 기판상의 좁은 본드 핑거에 접합된 와이어의 비정렬 제2 접합부를 보여주는 도 1에서와 같은 포워드 와이어 본드 상호연결부를 도시한 도면.
도 7a는 좁은 본드 핑거로의 포워드 와이어 본드 상호연결부를 도시한 도면 으로서, 기판의 좁은 본드 핑거상의 받침대로 와이어가 접한된 제2 접합부를 보여주는 도면.
도 7b는 도 7a에 같은 제2 접합부를 도시한 도면.
도 7c는 7c-7c를 따라 절단한 도 7a, 도 7b에서와 같은 제2 접합부를 도시한 도면.
도 7d 내지 도 7e는 여러 좁은 본드 핑거 구성들의 단면도.
도 8은 제2 접합부의 단면도.
도 9a와 도 9b는 다이가 기판으로 고밀도 상호연결되는 것을 도시한 도면.
도 10a와 도 10b는 다이가 단이 형성된 기판(tiered substrate)으로 고밀도 상호연결되는 것을 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11d는 다이와 기판과의 제1 상호연결부 및 제2 상호연결부가 형성되는 단계를 도시한 단면도.
도 12a와 도 12b는 구리, 니켈 및 금의 중간 레이어와 리드 핑거의 종래의 와이어 본드를 측면도와 횡단면도로 나타낸 도면.
도 13은 기판에 부착된 반도체 다이를 구비한 반도체 패키지를 도시한 것으로서, 다이와 기판 사이에 와이어 본드 상호연결부가 구비된 도면.
도 14a와 도 14b는 구리 레이어와 물리적으로 직접 접촉하는 금 레이어와 리드 핑거와의 와이어 본드의 측면도와 횡단면도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
12: 기판
14: 반도체 다이
22: 다이 패드
26: 본드 와이어
252: 본드 스터드
212: 구리 레이어
32: 본드 핑거
54: 스티치 본드

Claims (10)

  1. 기판(12)과;
    기판(12)에 배치된 반도체 다이(14)와;
    반도체 다이(14)상의 제1 접합 부위(bonding site)와 기판(12)상의 제2 접합 부위 사이에 연결된 본드 와이어(bond wire)(26)를 포함하며,
    상기 제2 접합 부위는 (a) 기판(12)에 형성된 본드 핑거(bond finger)(32)와, (b) 본드 핑거(32)와 물리적으로 직접 접촉하는 구리 레이어(copper layer)(250)와, (c) 전기 신호를 반도체 다이(14)로부터 본드 핑거(32)로 전달하기 위하여 구리 레이어(250)와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어(26)에 결합되는 본드 스터드(bond stud)(252)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    본드 핑거(32)는 구리로 제작되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    본드 스터드(252)는 금으로 제작되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    본드 스터드(252)는 구리 레이어(250)의 측부와 상부를 덮는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 접합 부위는 다이 본드 패드(die bond pad)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    제2 접합 부위는 스티치 본드(stitch bond)(54)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    구리 레이어(250)는 유리 패시베이션 코팅(glass passivation coating)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  8. 제1항에 있어서,
    구리 레이어(250)는 이머젼 골드 레이어(immersion gold layer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
  9. 기판(12)을 형성하는 단계와;
    기판(12)에 반도체 다이(14)를 배치하는 단계와;
    (a) 기판(12)에 본드 핑거(32)를 형성하고, (b) 본드 핑거(32)와 물리적으로 직접 접촉하는 구리 레이어(250)를 형성하고, (c) 전기 신호를 반도체 다이(14)로부터 본드 핑거(32)로 전달하기 위하여 구리 레이어(250)와 물리적으로 직접 접촉하고 본드 와이어(26)에 결합된 본드 스터드(252)를 형성해서, 반도체 다이(14)상의 제1 접합 부위와 기판(12)상의 제2 접합 부위 사이에 본드 와이어(26)를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    구리 레이어(250)는 이머젼 골드 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제작 방법.
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