(57)【要約】【課題】リードフレームのリード部へのボール接合時の接合強度を高めることで、逆ボンディングを適用した半導体装置の製造歩留りや信頼性等を向上させる。【解決手段】リードフレーム２のリード部４に、Ａｕ線のようなボンディングワイヤ１２の先端に形成された予備接合用ボール１３を圧接し、これをリード部４の表面に擦り付けながら移動させて、ボンディングワイヤ１２と同一材料の堆積層１４を形成する。次に、ワイヤ１２の先端に形成された接合用ボールを、リード部４の表面に形成された堆積層１４上にボール接合した後、リードフレーム２の素子マウント部に実装された半導体素子の電極パッドにステッチ接合する。【選択図】図２
2008085094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレーム上に半導体素子を実装して半導体装置を製造するにあたり、
前記リードフレームのリード部に、ボンディングワイヤの先端に形成された予備接合用ボールを圧接する工程と、
前記予備接合用ボールを前記リード部の表面に擦り付けながら移動させ、前記ボンディングワイヤと同一材料の堆積層を前記リード部上に形成する工程と、
前記ボンディングワイヤの先端に形成された接合用ボールを、前記リード部の表面に形成された前記堆積層上にボール接合する工程と、
前記ボンディングワイヤを繰り出してワイヤリングした後、前記ボンディングワイヤを前記リードフレームの素子マウント部に実装された前記半導体素子の電極パッドにステッチ接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記予備接合用ボールを、その圧接後の厚さが前記接合用ボールの接合後の厚さより厚くなるように、前記リード部に圧接することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記予備接合用ボールに加える荷重および超音波の少なくとも一方を、前記予備接合用ボールの変形量に応じて制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の半導体装置の製造方法において、
前記予備接合用ボールに加える荷重および超音波の少なくとも一方を、前記接合用ボールの接合時における荷重および超音波より小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法において、
前記ボンディングワイヤはＡｕ線であり、前記Ａｕ線の先端に形成された前記予備接合用ボールを前記リード部に形成されたＡｇメッキ層上に圧接することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリードフレーム上に実装された半導体素子の接続にワイヤボンディングを適用した半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リードフレームに実装された半導体素子とリードフレームのリード部とをワイヤで接続する方法としては、半導体素子側にボール接合する正ボンディングと、リードフレーム側にボール接合する逆ボンディングとが知られている。これらのうち、一般的には正ボンディングが使用されているが、半導体素子の小型・高精細化等に対応するために、逆ボンディングの適用が増加している（例えば特許文献１参照）。また、複数の半導体素子を積層した半導体装置ではリード部のファインピッチ化が進んだ結果として、逆ボンディングを適用しないとパッケージデザイン自体が成立しないものもでてきている。
【０００３】
逆ボンディングを実施するにあたっては、まずリードフレームのＡｇメッキされたリード部に対してＡｕ線の先端に形成されたＡｕボールを接合する。この際、Ａｇメッキ層とＡｕボールとの接合強度が低いため、逆ボンディングを適用する場合にはＡｕボールの接合強度を高める必要がある。Ａｇメッキ層に対するＡｕボールの接合強度を高める方法としては、例えばＡｕボールの圧着後のボール径を大きくする方法が知られている。
【０００４】
しかしながら、この方法では圧着後のボール径が本来求められる円形から逸脱したり、圧着後のＡｕボールの厚さが薄くなりすぎる等、品質的に好ましくないボール形状となる傾向がある。さらに、ファインピッチ化が進められたリード部ではボール径の増大に限界がある。また、リードフレームに施すメッキをＡｇメッキからＡｕメッキに変えることによっても、リード部に対するＡｕボールの接合強度を高めることができる。しかし、Ａｕメッキは高コストであるため、リードフレームの製造コストの上昇を招いてしまう。
【０００５】
なお、ステッチ接合側の接合強度を高める方法として、例えばＸ−Ｙテーブルを振動させる等のスクラブ手段を用いてキャピラリを擦り付けて、ワイヤと配線基材（薄膜配線テープ等）の内部リードとを接合する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。キャピラリを擦り付ける方法は、ステッチ接合側には有効であるものの、ボール接合側は接合面積が大きいことから必ずしも十分な効果を得ることはできない。
【０００６】
特許文献３には、ボール接合時にキャピラリを垂直方向に移動させると同時に水平方向に移動させることによって、ボールに斜め方向の荷重を加える方法が記載されている。この方法はボールをランドに擦り付けて接合強度を高める方法であるが、あくまでもボール接合に使用するボール自体をランドに擦り付けているため、ボールの擦り付けによる接合強度の向上効果には限界がある。従って、この方法をＡｇメッキされたリード部にＡｕボールを接合する工程で適用したとしても、十分に接合強度を高めることはできない。
【特許文献１】特開2004-056021号公報
【特許文献２】特開平11-238753号公報
【特許文献３】特開2000-357700号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、逆ボンディングを適用した半導体装置の製造歩留りや信頼性等を高めることを可能にした半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様に係る半導体装置の製造方法は、リードフレーム上に半導体素子を実装して半導体装置を製造するにあたり、前記リードフレームのリード部に、ボンディングワイヤの先端に形成された予備接合用ボールを圧接する工程と、前記予備接合用ボールを前記リード部の表面に擦り付けながら移動させ、前記ボンディングワイヤと同一材料の堆積層を前記リード部上に形成する工程と、前記ボンディングワイヤの先端に形成された接合用ボールを、前記リード部の表面に形成された前記堆積層上にボール接合する工程と、前記ボンディングワイヤを繰り出してワイヤリングした後、前記ボンディングワイヤを前記リードフレームの素子マウント部に実装された前記半導体素子の電極パッドにステッチ接合する工程とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様に係る半導体装置の製造方法は、リードフレームのリード部に予備接合用ボールを擦り付けてボンディングワイヤと同一材料の堆積層を形成し、この堆積層を介してリード部と接合用ボールとを接合しているため、接合用ボールの接合強度を高めることができる。従って、逆ボンディングを適用した半導体装置の製造歩留りや信頼性等を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１１】
図１は本発明の実施形態による製造方法を適用して作製した半導体装置の構成例を示す断面図である。同図に示す半導体装置１は、素子搭載用基材としてリードフレーム２を具備している。リードフレーム２は、半導体素子が接合搭載される素子マウント部３と、その周囲に配置されたリード部４とを有している。リード部４は素子マウント部３上に搭載された半導体素子との接続部（インナーリード部）と外部接続端子（アウターリード部）とを兼ねるものであり、複数のリードで構成されている。
【００１２】
リードフレーム２は、例えばＣｕやＣｕ合金等からリードフレーム基材２ａと、その表面に形成されたＡｇメッキ層２ｂとを有している。このようなリードフレーム２の素子マウント部３上には、半導体素子５が接着材層６を介して接着されている。半導体素子５の上面側に設けられた電極パッド７は、ボンディングワイヤ８を介してリードフレーム２のリード部４と接続されている。ボンディングワイヤ８は逆ボンディング（リバースボンディング）を適用してリード部４および電極パッド７に接合されている。
【００１３】
すなわち、ボンディングワイヤ８の一方の端部８ａは、リード部４に対してボール接合（ボールボンディング）されている。このボンディングワイヤ８のボール接合部８ａは、図１では図示を省略したボンディングワイヤ８と同一材料の堆積層（後に詳述する）を介して、リード部４表面のＡｇメッキ層２ｂと接続されている。なお、この実施形態ではリード部４表面のＡｇメッキ層２ｂ上に堆積層を形成しているが、リード部４の表面はこれに限られるものではなく、各種のメッキ層等の表面層を適用することができる。ボンディングワイヤ８と同一材料からなる堆積層は、リード部４がＡｇメッキ層２ｂのようなボール接合性に劣る表面層を有する場合に効果的である。
【００１４】
ボンディングワイヤ８の他方の端部８ｂは、リードフレーム２の素子マウント部３に実装された半導体素子５の電極パッド７に対してステッチ接合（ステッチボンディング）されている。半導体素子５の電極パッド７上には例えばＡｕバンプ９が予め形成されており、このＡｕバンプ９に対してボンディングワイヤ８がステッチ接合されている。なお、ステッチ接合部８ｂは電極パッド７に対して直接接合されていてもよい。
【００１５】
そして、リード部４の素子接続側（インナーリード部）を含めて半導体素子５を、例えばエポキシ樹脂のような封止樹脂１０を用いて封止することによって、リードフレーム２を用いた半導体装置１が構成されている。なお、図１では1個の半導体素子５をリードフレーム２の素子マウント部３上に実装した構造について説明したが、半導体素子の実装数はこれに限られるものではない。素子マウント部３上には複数個（2個もしくはそれ以上）の半導体素子を積層して実装することができ、そのようなスタック型マルチチップパッケージに対しても本発明は適用可能である。
【００１６】
上述した実施形態の半導体装置１は、例えば以下のようにして作製される。まず、リードフレーム２の素子マウント部３上に接着材層６を用いて半導体素子５を接着する。続いて逆ボンディング工程を実施して、ボンディングワイヤ８でリードフレーム２のリード部４と半導体素子５の電極パッド７とを電気的に接続する。この逆ボンディング工程について以下に詳述する。ここでは本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を適用した逆ボンディング工程について図２および図３を参照して説明する。
【００１７】
ボンディングワイヤ８による逆ボンディング工程を実施する前に、ボンディング用のワイヤの先端に形成された予備接合用ボールを用いて、ワイヤと同一材料からなる堆積層を形成する。ボンディング用のワイヤとしてＡｕ線を使用する場合には、その先端に予備接合用Ａｕボールを形成し、この予備接合用Ａｕボールを用いてＡｕの堆積層を形成する。Ａｕ堆積層の形成工程について、図２を参照して説明する。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、キャピラリ１１に支持されたＡｕワイヤ１２の先端に、予備接合用のＡｕボール１３を形成する。次いで、図２（ｂ）に示すように、キャピラリ１１を下降させて予備接合用Ａｕボール１３をリード部４表面のＡｇメッキ層２ｂに接触させ、さらに予備接合用Ａｕボール１３に荷重を加えて圧接する。
【００１９】
ここで、通常のワイヤボンディングにおけるボール接合工程では、例えば数10mNから数100mN前後の荷重を加えながら超音波振動を印加することによって、Ａｕボールの接合強度を高めている。これに対して、予備接合用Ａｕボール１３の圧接工程は、Ａｕボール１３を変形させる程度の荷重を加える必要があるものの、あまり接合性が向上しないように条件を設定する。具体的には、Ａｕボール１３に加える荷重や超音波を、後述する接合用Ａｕボール（ボール接合部８ａを形成するＡｕボール）の接合時より低減する。超音波については印加せずに予備接合用Ａｕボール１３の接合を実施してもよい。
【００２０】
上述したように、予備接合用Ａｕボール１３に加える荷重や超音波を低減することによって、予備接合用Ａｕボール１３の圧接後の厚さを厚くする。具体的には、予備接合用Ａｕボール１３の圧接後の厚さｈ1が、後述する接合用Ａｕボールの圧着後の厚さＨより厚くなる（ｈ1＞Ｈ）ように、予備接合用Ａｕボール１３に加える荷重や超音波出力を制御する。これら荷重および超音波の印加条件はいずれか一方のみを制御するようにしてもよい。このように、予備接合用Ａｕボール１３は荷重や超音波出力等を制御することによって、リード部４のＡｇメッキ層２ｂに対してボール底部（変形により生じた底部）が密着する程度の接合性を維持して圧接される。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に示すように、予備接合用Ａｕボール１３への加圧状態（例えば低荷重での加圧状態）を維持しつつ、キャピラリ１１をリード部４の表面に沿って移動させる。このキャピラリ１１の水平移動に伴って、予備接合用Ａｕボール１３をリード部４のＡｇメッキ層２ｂに擦り付けながら移動させる。予備接合用Ａｕボール１３の移動距離は、例えば数10μmから数100μm程度でよい。Ａｇメッキ層２ｂの表面には微細な凹凸が存在するため、予備接合用Ａｕボール１３はＡｇメッキ層２ｂに徐々に削り取られて体積（厚さ）が減少し、キャピラリ１１の移動を停止した位置では予備接合用Ａｕボール１３の厚さｈ2が当初の厚さｈ1より薄くなる（ｈ1＞ｈ2）。
【００２２】
このように、予備接合用Ａｕボール１３をリード部４のＡｇメッキ層２ｂに擦り付けながら移動させることによって、Ａｇメッキ層２ｂ上にＡｕの堆積層１４を形成する。このＡｕ堆積層１４はＡｇメッキ層２ｂの表面凹凸でＡｕボール１３を徐々に削り取って堆積させたものであるため、Ａｇメッキ層２ｂに対してアンカー効果を示す機械的な接合形態を有している。従って、Ａｕ堆積層１４は通常のＡｕ／Ａｇ間の拡散接合に比べて、Ａｇメッキ層２ｂに対する接合強度をアンカー効果等に基づいて高めることができる。すなわち、Ａｇメッキ層２に対する接合強度を高めたＡｕ層（Ａｕ堆積層１４）を、Ａｕメッキのような高コストの工程を適用することなく容易に得ることができる。
【００２３】
Ａｕ堆積層１４の厚さはＡｇメッキ層２ｂの表面がＡｕで覆われた状態を実現できればよく、数μm（例えば1〜3μm）程度の厚さを有していればよい。また、Ａｕ堆積層１４は必ずしもＡｇメッキ層２ｂの表面を均一に覆わなければならないものではなく、後述する接合用Ａｕボールに対する接合層としての機能を維持し得る範囲内で、部分的にＡｕを堆積させたもの（部分的に途切れたＡｕ堆積層１４）であってもよい。Ａｕ堆積層１４の長さは上述したように数10μmから数100μm程度あればよく、接合用Ａｕボールの圧着領域を確保することが可能な長さを有していればよい。
【００２４】
予備接合用Ａｕボール１３に対する加圧条件や移動条件は、キャピラリ１１の停止位置にＡｕボール１３の一部が残るように設定することが好ましい。そして、図２（ｄ）に示すように、移動停止位置に残存したＡｕボール１３に通常のボール接合に準じた荷重と超音波を印加してＡｕバンプ１３ａを形成した後、図示を省略したクランパでＡｕワイヤ１２をクランプした状態でキャピラリ１１を上昇させてＡｕワイヤ１２を切断する。Ａｕバンプ１３ａは移動停止位置に残存するが、逆ボンディング工程やその後の工程に悪影響を及ぼすこともないため、そのままの状態で残置しておいてよい。
【００２５】
次に、Ａｇメッキ層２ｂ上にＡｕ堆積層１４を形成したリード部４に対して通常の逆ボンディング工程を実施して、リード部４と半導体素子５の電極パッド７との間をボンディングワイヤ８で電気的に接続する。ボンディングワイヤ８による接続工程について、図３を参照して説明する。まず、Ａｕ堆積層１４の形成工程が終了したＡｕワイヤ１２の先端に接合用Ａｕボール１５を形成した後、図３（ａ）に示すように接合用Ａｕボール１５をリード部４のＡｕ堆積層１４上に圧着する。Ａｕボール１５の接合工程は、通常のボール接合工程と同様に荷重と超音波を加えて実施する。
【００２６】
リード部４に対するＡｕボール１５の接合工程において、Ａｕボール１５はＡｕ堆積層１４上に圧着されているため、それらの界面での接合形態はＡｕ／Ａｕ間の拡散接合となる。従って、Ａｇメッキ層２ｂとＡｕボール１５とによるＡｇ／Ａｕ間の拡散接合に比べて接合性を高めることができるため、例えばＡｕボール１５の圧着後のボール径（潰れ径）を大きくすることなく、Ａｕボール１５をリード部４に対して良好に接合することができる。すなわち、Ａｕボール１５の潰れ径や厚さ等を変更することなく、リード部４に対するＡｕボール１５の接合強度を高めることが可能となる。
【００２７】
続いて、図３（ｂ）に示すように、Ａｕワイヤ１２を繰り出してワイヤリングしつつ、キャピラリ１１を所定の位置まで移動させる。図３では図示を省略したが、キャピラリ１１は半導体素子５の電極パッド７の上方まで移動させる。なお、電極パッド７上には必要に応じてＡｕバンプ９を形成しておく。そして、Ａｕワイヤ１２を電極パッド７（予めＡｕバンプ９を形成しておいた場合にはＡｕバンプ９）に対してステッチ接合（ステッチボンディング）する。ステッチ接合は通常と同様に荷重と超音波を加えて実施する。この後、図示を省略したクランパでＡｕワイヤ１２をクランプした状態で引き上げて切断することによって、逆ボンディングによるボンディングワイヤ８を形成する。
【００２８】
上述した実施形態による半導体装置１の製造方法においては、逆ボンディング工程の前工程としてリード部４の表面にＡｕ堆積層１４を形成しているため、Ａｇメッキ層２ｂを有するリード部４に対するＡｕワイヤ１２（ボンディングワイヤ８）のボール接合性を高めることができる。このＡｕワイヤ１２のボール接合性の向上効果は、Ａｕボール１５の潰れ径等を通常の接合条件より増大させることなく得ることができる。また、Ａｕ堆積層１４の形成工程は、逆ボンディング工程の前工程としてボンディング装置内で実施することができるため、Ａｕメッキのように製造コストの大幅な増大を招くこともない。
【００２９】
従って、例えばファインピッチ化されたリード部４に対しても、圧着後のＡｕボール１５（ボール接合部８ａ）の品質低下や製造コストの増大等を招くことなく、健全な接合強度でＡｕワイヤ１２（ボンディングワイヤ８）をボール接合することが可能となる。また、半導体素子５の大型化に伴ってリード部４の押え治具を使用することができず、超音波が下方に逃げるような場合においても、Ａｕワイヤ１２（ボンディングワイヤ８）を良好にボール接合することができる。これらによって、各種形状の半導体装置１の製造歩留りや信頼性等を高めることが可能となる。
【００３０】
なお、上記した実施形態ではリード部表面のＡｇメッキ層上にＡｕ堆積層を形成した例について説明したが、リード部表面はＡｇメッキ層に限られるものではなく、またリード部上に形成する堆積層も必ずしもＡｕ堆積層に限られるものではない。リード部の表面にボンディングワイヤと同一材料からなる堆積層を形成することによって、ボンディングワイヤのボール接合性を高めることができる。
【００３１】
本発明は逆ボンディングを適用した各種の半導体装置の製造工程に適用することができる。また、半導体装置の構成も特に限定されるものではなく、例えば複数の半導体素子を積層して構成した半導体装置の製造工程等にも適用可能である。さらに、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態による製造方法を適用して作製した半導体装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体装置の製造工程を示す図であって、逆ボンディング工程の前工程としてのＡｕ堆積層の形成工程を示す断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の製造工程を示す図であって、逆ボンディング工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体装置、２…リードフレーム、２ａ…リードフレーム基材、２ｂ…Ａｇメッキ層、３…素子マウント部、４…リード部、５…半導体素子、６…接着材層、７…電極パッド、８…ボンディングワイヤ、８ａ…ボール接合部、８ｂ…ステッチ接合部、１１…キャピラリ、１２…Ａｕワイヤ、１３…予備接合用Ａｕボール、１３ａ…Ａｕバンプ、１４…Ａｕ堆積層、１５…接合用Ａｕボール。
【図１】
2008085094.tif 000003
【図２】
2008085094.tif 000004
【図３】
2008085094.tif 000005