(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に入出力用の接続電極が設けられた半導体ベアチップと、ボンディングワイヤ用パッドが設けられた配線基板とから成り、前記配線基板上に前記半導体ベアチップを搭載すると共に、直径が１００〜５００μｍのアルミニウムを主成分とするボンディングワイヤにより前記接続電極とボンディングワイヤ用パッドとの間を容着接続して成る混成集積回路装置において、前記ボンディングワイヤの端部を断面三角形状にして前記接続電極及びボンディングワイヤ用パッドにその平面を容着接続するとともに、前記ボンディングワイヤが接続電極及びボンディングワイヤ用パッドの双方から立ち上げた立ち上がり部を形成し、かつ、前記接続電極とボンディングワイヤ用パッドとの間に複数の折曲部を形成したことを特徴とする混成集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ベアチップと配線基板とがアルミニウムを主成分とするボンディングワイヤを介して接続された混成集積回路装置に関し、特に、自動車のエンジンルームのような熱や振動の過酷な環境下で使用しても、ボンディングワイヤの接続信頼性を高めることができる混成集積回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、混成集積回路装置は、配線基板上に１又は複数の半導体ベアチップを搭載して構成され、その電気的接続については、半導体ベアチップの主面に形成した入出力用の接続電極と、配線基板の主面に形成したボンディングワイヤ用パッドにボンディングワイヤを介して接続されている。
【０００３】
このような混成集積回路装置を、例えば、自動車のエンジンルームのように稼働雰囲気が高温で、かつ、温度変化，機械的な振動も激しい環境下で使用させる場合には、熱的・機械的振動にも強いアルミニウムを主成分とするボンディングワイヤが使用されていた。
【０００４】
このようなボンディングワイヤの接続構造を図４に基づいて説明する。即ち、１００は混成集積回路装置であり、混成集積回路装置１００は半導体ベアチップ１１の表面に入出力用の接続電極１２が、また、配線基板１０の表面にボンディングワイヤ用パッド１３が形成され、配線基板１０上に半導体ベアチップ１１を搭載して構成されている。この半導体ベアチップ１１上の接続電極１２から配線基板１０上のボンディングワイヤ用パッド１３にかけて所定量湾曲させたボンディングワイヤ１４が接続されている。
【０００５】
このボンディングワイヤ１４を、例えば、接続電極１２，ボンディングワイヤ用パッド１３に溶着接続するには、ボンディングワイヤ１４の一方の先端１４ａから立ち上がり部１４ｂにかけて線接触した状態で接続電極１２に当接し、当接部位を超音波溶着により接続させ、また、ボンディングワイヤ１４の立ち上り部１４ｄから他方の先端１４ｃにかけて線接触した状態でボンディングワイヤ用パッド１３に当接し、当接部位を超音波溶着により接続させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボンディングワイヤ１４の立ち上り部１４ｂ，１４ｄを形成する構造では、立ち上り部１４ｂ，１４ｄの形成時に歪みが生じやすく、時には亀裂が入ることがあった。
【０００７】
また、ボンディングワイヤ１４の接続時に歪みが生じていなくても稼働雰囲気が高温になり、温度変化，機械的振動が激しい環境下（以下、過酷な環境下という）で長期に亘って使用する場合には、半導体ベアチップ１１と配線基板１０間の熱膨張係数の差，ボンディングワイヤ１４自身の熱膨張係数の大きさ，機械的振動などによって立ち上り部１４ｂ，１４ｃに繰り返し熱的・機械的応力がかって歪みが発生し、これによっても立ち上り部１４ｂ，１４ｃに亀裂が生じて断線に至る場合があった。
【０００８】
本発明は上述の課題に鑑みて案出されたものであり、いかなる環境下で使用したとしてもボンディングワイヤの接続信頼性を有した混成集積回路装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の混成集積回路装置は、表面に入出力用の接続電極が設けられた半導体ベアチップと、ボンディングワイヤ用パッドが設けられた配線基板とから成り、前記配線基板上に前記半導体ベアチップを搭載すると共に、直径が１００〜５００μｍのアルミニウムを主成分とするボンディングワイヤにより前記接続電極とボンディングワイヤ用パッドとの間を容着接続して成る混成集積回路装置において、前記ボンディングワイヤの端部を断面三角形状にして前記接続電極及びボンディングワイヤ用パッドにその平面を容着接続するとともに、前記ボンディングワイヤが接続電極及びボンディングワイヤ用パッドの双方から立ち上げた立ち上がり部を形成し、かつ、前記接続電極とボンディングワイヤ用パッドとの間に複数の折曲部を形成した構成とする。
【００１０】
本発明の構成によれば、１００〜５００μｍのボンディングワイヤを用いることにより、ボンディングワイヤを溶着接続させた位置から立ち上がる部分（立ち上り部）に生じる歪みを抑制できると共に、配線に複数の凹又は凸状の折曲部を形成することで、過酷な環境下で長期に亘って使用しても、立ち上り部に熱的・機械的応力が集中するのが分散でき、立ち上り部に亀裂が生じて断線するのを防止できる。この結果、ボンディングワイヤの長期に亘る接続信頼性を向上することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の混成集積回路装置を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の混成集積回路装置１の斜視図であり、図２はボンディングワイヤの接続状態を説明する図である。
図１において、混成集積回路装置１は、配線基板２上に半導体ベアチップ３が搭載され、半導体ベアチップ３表面からボンディングワイヤ４を介して配線基板２に接続されている。以下に図２に基づいて配線基板２，半導体ベアチップ３，ボンディングワイヤ４について詳細に説明する。
【００１２】
配線基板２は、過酷な環境下においても優れた耐久性と信頼性を高める上で、セラミックスから成ることが望ましく、具体的には、アルミナ（Ａｌ２  Ｏ３  ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化珪素（Ｓｉ３  Ｎ４  ），ムライト（３Ａｌ２  Ｏ３  ・２ＳｉＯ２  ）等のセラミック材料，これらセラミック材料とガラスとを混在させたガラスセラミック等が好適に使用される。
【００１３】
また、配線基板２の表面にはボンディングワイヤ用パッド２０が被着形成されている。ボンディングワイヤ用パッド２０の材質としては、Ａｕ，Ｃｕ、ＡｇＰｔ，ＡｇＰｄ，Ａｇ等の厚膜電極や、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｏ‐Ｍｎ等の金属によって構成され、さらに、それらの表面には、ＮｉメッキやＡｕメッキが施されても良い。特に後述の接続電極３０の表面やボンディングワイヤ４との接続性の点でＮｉメッキを施し、さらにＡｕメッキが施されていることが望ましい。
【００１４】
半導体ベアチップ３は、シリコーン・ガリヒ素から成る。また、半導体ベアチップ３の上側主面には入出力用の接続電極３０が被着形成されており、その材質としてはＡｌ等が例示できる。
【００１５】
ボンディングワイヤ４は、その一方端が半導体ベアチップ３の上面側に形成した接続電極３０に接続され、他方端は、配線基板２の上面に形成したボンディングワイヤ用パッド２０に接続され、全体として湾曲状を呈している。
【００１６】
このボンディングワイヤ４による接続はウエッジボンディング法により行われる。このウエッジボンディング法は以下のように接続される。即ち、ツール５の先端部５ａは断面三角状の凹部を有している（図５（ａ）参照）。この先端部５ａでボンディングワイヤ４を押さえて接続電極３０に当接し、超音波溶着を行うことでボンディングワイヤ４が断面三角形状に変形され（図５（ｂ）参照）、その平面状で溶着接続される。その後、ボンディングワイヤ４を所定量湾曲させながらボンディングワイヤ用パッド２０に上述と同様の方法で溶着接続させてなる。
【００１７】
このようにして接続されるウエッジボンディング法により、ボンディングワイヤ４の端部付近は接続電極３０，ボンディングワイヤ用パッド２０から立ち上げた立ち上がり部４１，４２が形成される。
【００１８】
この各立ち上がり部４１，４２間に形成されたボンディングワイヤ４の配線は、全体として上に凸状に湾曲して形成される。この立ち上がり部４１，４２間に湾曲した配線を湾曲部４３と称し、湾曲部４３の所定位置に凸状に折り曲げられた折曲部４３ａ〜４３ｃが形成させている。なお、折曲部４３ａ〜４３ｃは湾曲部４３の外方に向いた凸状に折り曲げているがこれに限定されず、折曲部４３ａ〜４３ｃを湾曲部４３の内方に折り曲げた凹状に形成しても構わない。
【００１９】
湾曲部４３に形成する折曲部４３ａ〜４３ｃの最低数としては、過酷な環境下で使用する場合、１つだけ形成すると立ち上り部４１，４２の２ヶ所に集中する歪みを有効に分散させることができないため、少なくとも２つ以上は必要である。なお、湾曲部４３に形成する折曲部４３ａ〜４３ｃの最高数としては特に限定されないが、ボンディングワイヤ３０から接続電極３０までの距離や湾曲部４３の高さによって決定される。
【００２０】
次に折曲部４３ａ〜４３ｃの形成方法を図３に基づいて説明する。まず、ツール５によってクランプ５１に保持されたボンディングワイヤ４を接続電極３０に超音波溶着させる。次にツール５を接続位置ＡからＢに向けて±Ｘ  ・±Ｙ方向に各々移動させながら湾曲部４３を形成する。この時、ツール５の動きを制御するパラメータ（Ｘ・Ｙ方向移動量、移動速度）を微妙にコントロールして、折曲部４３ａ，４３ｂを形成する。即ち、接続位置Ａにボンディングワイヤ４の端部を線接続及び超音波溶着する。その後、ボンディングワイヤ４の接続部分を支点としてボンディングワイヤ４を＋Ｙ方向へ上昇して立ち上がり部４１を形成する。次に、立ち上がり部４１の＋Ｙ方向の高さで−Ｘ方向にツール５を大きく移動させる。そして、その位置より＋Ｙ方向へ低速度で少量上昇させながら、＋Ｘ方向へ移動させて折曲部４３ａを形成する。さらに、＋Ｙ方向へ低速度で上昇させながら、＋Ｘ方向へ高速移動させ、所定量上昇させた後に接続位置Ｂに向かってＸ・Ｙ方向に等速で降下させ４３ｂを形成する。次に、接続電極３０の接続位置Ｂでボンディングワイヤ４の他方端となる部位に超音波溶着を施すことで立ち上がり部４２を形成し、端部を切断する。なお、ツール５による接続順序としては、ボンディングワイヤ用パッドから接続させても構わない。
【００２１】
以上が２ケ所の折曲部４３ａ、４３ｂを持つ湾曲部４３の形成方法であり、３ケ所の折曲部４３ａ〜４３ｃを設けるためには、折曲部４３ｂから折曲部４３ｃに降下する時に、大きく接続位置Ｂを超えてツール５を＋Ｘ方向へ移動させることで行われる。
【００２２】
本発明に用いられるボンディングワイヤ４はアルミニウムを主成分とする金属線からなる。
ワイヤの直径が５００μｍよりも大きいと、ボンディングワイヤ４自体の剛性が高くなってしまい、過酷な環境下では半導体ベアチップ３と配線基板２間の熱膨張係数の差でボンディングワイヤ４が断線する可能性が高くなるだけでなく、ボンディングワイヤ用パッド２０を構成する電極が接続時のストレスにより破壊する。
【００２３】
また、ボンディングワイヤ４の直径が１００μｍよりも細すぎると、所望の剛性が得られず、接続時に立ち上り部４１，４２に歪みが発生しやすくなる。即ち、図５（ｂ）（ｃ）に示すようにボンディング用のツール５は溶着接続時にボンディングワイヤ４を断面三角形状に変形させて溶着接着するが、ボンディングワイヤの直径が１００μｍよりも細すぎるとボンディングワイヤ４の頂部４ａが細くなり、立ち上り部４１，４２で歪みが起きやすくなる。
【００２４】
従って、所望の剛性により立ち上り部４１，４２の歪みが抑制でき、しかも、良好な接続性を得るためにもボンディングワイヤ４の直径が１００〜５００μｍの配線を使用すると良い。
【００２５】
また、ボンディングワイヤ４の湾曲部４３の高さ  （頂点）が低すぎると装置的に所定量湾曲させることが困難であるため、１ｍｍ以上であることが望ましい。一方、湾曲部４３の最大高さが高すぎると、混成集積回路装置１の外形上が大きくなる他、ボンディングワイヤ４の腐食防止に用いる保護ゲルの量が多くなり、コスト高につながるといった問題が生じるために、この高さは５ｍｍ以下が適当である。
【００２６】
さらに、ボンディングワイヤ４をつなぐ距離はボンディングワイヤ用パッド２０と接続電極３０の距離が短かすぎるとボンディング用ツールの干渉が発生する恐れが生じやすく、距離が長すぎると混成集積回路装置１の外形が大きくなるため、ボンディングワイヤ用パッド２０と接続電極３０の距離は３〜２０ｍｍが適当である。
【００２７】
本発明の構成によれば、ボンディングワイヤ４の直径が１００〜５００μｍのものが用いられために溶着接続時にボンディングワイヤ４の立ち上がり部４１，４２に生じる歪みを抑制することができる。
また、過酷な環境下で混成集積回路装置１を使用する場合、半導体ベアチップ３と配線基板２間の熱膨張係数の差，ボンディングワイヤ４自身の熱膨張係数の大きさ，機械的振動などによって、立ち上り部４１，４２に熱的・機械的応力が集中するのを凹又は凸状の折曲部４３ａ〜４３ｃにより分散させることができ、この結果、ボンディングワイヤ４の立ち上り部４１，４２に亀裂，ワイヤボンディングの壁の剥がれが生じるのを抑制することができる。
【００２８】
【実施例】
本発明の作用効果を確認するために、以下の試作装置を作成した。
（試作装置の製作）
アルミナセラミックスから成る配線基板の表面に形成したダイヤタッチ及びボンディングワイヤ用パッドを形成し、その表面に無電解Ｎｉメッキを施し、さらにその上に無電解Ａｕメッキを施して配線基板を製作した。次に、Ａｌの接続電極を形成した半導体ベアチップを用意し、クリーンルーム内において半導体ベアチップを実装させる銀ペーストを印刷し、半導体ベアチップを所定の部位に実装しオーブン中で硬化処理を行った。
次に、半導体ベアチップ上の接続電極と配線基板上のパッドを、超音波ボンディング用のツールを用いてボンディングワイヤを超音波溶着させた。その際に折曲部を形成しない場合，折曲部を１ヵ所形成する場合，２ヵ所形成する場合，３ヵ所形成する場合の各々について、ボンディングワイヤ径の条件を変化させることでボンディングワイヤの接続信頼性の評価を行った。
【００２９】
（評価内容）
接続するボンディングワイヤの接続信頼性を評価するため、温度範囲−４０℃〜１２５℃の環境下、各環境下について各試料を３０分保持させた気槽温度サイクル試験を２０００サイクル行いワイヤ断線の有無を確認した。
また、ボンディングワイヤの立ち上がり部の接続状態を走査型電子顕微鏡で評価しプル強度も確認した。ここで、プル強度の確認は、ワイヤープルテスターを用いテスターのロードセル先端部にφ５００μｍ  程の金属棒をＬ字型に曲げたフックを取り付け、そのフックにてボンディングワイヤの長さ方向中央部を基板に対し垂直方向へ０．５ｍｍ／ｓｅｃの速度にて引っ張り上げ、ボンディングワイヤが破断した時の強度を測定した。この実験についての結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
0003631633.tif 000002
【００３１】
（実験結果）
表１の結果から明らかなように、ボンディングワイヤの直径が１００〜５００μｍで折曲部を複数（２以上）有したボンディングワイヤの場合（試料２，５，６，９，１０，１３，１４，１７，１８）には、温度サイクル試験後の断線は認められていない。また、温度サイクル試験後においても、十分な接続強度が保たれ、接続信頼性に優れていることが判った。
【００３２】
これに対して、折曲部がないか又は単数（１つ）の場合（試料３，４，７，８，１１，１２，１５，１６）は、亀裂が生じて断線に至ることが確認された。特に、折曲部が１個の場合は、亀裂の発生は折曲部がない場合に比べて少ないが１個の折曲部のみを形成するだけでは２つの立ち上がり部にかかる負荷が軽減できないことがわかった。
【００３３】
さらに、直径が１００〜６００μｍのボンディングワイヤについて（試料２〜２０）、接続時にその立ち上り部を走査型電子顕微鏡で観察したが支障を起こす歪みは見つからなかった。しかし、接続時に直径が８０μｍのボンディングワイヤ（試料１）の立ち上り部を走査型電子顕微鏡で観察したら歪みが観測された。なお、直径６００μｍのボンディングワイヤ（試料１９，２０）では、試験後にボンディングワイヤ用パッドを構成する電極が溶着接続時のストレスにより破壊した。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、１００〜５００μｍのアルミ線を利用したボンディングワイヤを用いることにより、ボンディングワイヤを溶着接続させた位置から立ち上り部に生じる歪みを抑制できると共に、配線に複数の凹又は凸状の折曲部を形成することで、過酷な環境下で長期に亘って使用しても、立ち上り部に熱的・機械的応力が集中するのが分散でき、立ち上り部に亀裂が生じて断線するのを防止できる。
【００３５】
また、自動車のエンジンルーム等の過酷な環境下で使用される場合に、ボンディングワイヤ自身がバネ的役割により機械的振動を吸収し、機械的負荷にも耐え得る構造を有し、接続信頼性を向上させた混成集積回路装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の混成集積回路装置の全体を説明する図である。
【図２】本発明のボンディングワイヤ接続状態を説明する図である。
【図３】超音波ボンディング用のツールを用いてボンディングワイヤを接続する説明図である。
【図４】従来のボンディングワイヤ接続状態を説明する図である。
【図５】ウエッジボンディングによるボンディングワイヤを説明する図であり、（ａ）は接続前のツールとボンディングワイヤの説明図、（ｂ）は接続後のボンディングワイヤの説明図、（ｃ）は接続後に立ち上げ部を形成することを説明する図である。
【符号の説明】
１：混成集積回路装置
２：配線基板
２０：ボンディングワイヤ用パッド
３：半導体ベアチップ
３０：接続電極
４：ボンディングワイヤ
４１，４２：立ち上がり部
４３ａ〜４３ｃ：折曲部
５：ツール
【図１】
0003631633.tif 000003
【図２】
0003631633.tif 000004
【図３】
0003631633.tif 000005
【図４】
0003631633.tif 000006
【図５】
0003631633.tif 000007