(57)【要約】【課題】  金属細線を用い、頂部を低くした薄型の半導体装置を提供する事である。【解決手段】  １ｓｔボンドから湾曲部５７をえがき、端部の第１の曲折部５９を介して垂直に第２の延在部６０を設ける。そして第２の曲折部６１は、頂部５８よりも下方に配置する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャピラリ、前記キャピラリの端部近傍に位置するスパーク手段およびクランパを少なくとも有するボンディング装置を使い、半導体チップと前記半導体チップの周囲に配置される電極とを金属細線を使って電気的に接続する半導体装置の製造方法に於いて、
前記スパーク手段で前記キャピラリの端部に金属ボールを形成する際、前記スパーク手段に流れる電流の時間を制御する事で、前記金属ボールから延在される金属細線の再結晶部分から成る硬質部の長さを制御し、
前記金属ボールを前記半導体チップのボンディングパッドに接続し、
前記金属ボールと一体の金属細線は、頂部が上に配置された湾曲した軌跡を描いた湾曲部を有する第１の延在部と、前記第１の延在部の終端部に曲折部が設けられた後に、前記電極に向かって実質直線状に延在される第２の延在部とを有し、前記硬質部の終端領域が前記曲折部、または前記曲折部の前後に位置するように、前記キャピラリを使って前記金属細線を延在させる事を特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記硬質部の長さは、およそ１００μｍ〜２００μｍである請求項１に記載の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、金属細線を採用した半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＤＡ、ＤＶＣ、ＤＳＣといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっている。しかも地球温暖化の中、できる限り資源の使用を削減し、環境負荷を与えないものが求められている。当然、半導体装置も軽薄短小で更に材料の削減が求められている。
【０００３】
一方、半導体装置は、薄型が求められる事から金属細線の採用を否定し、フリップチップ実装、金属細線の代わりに導電板を用いる場合がある。しかし金属細線のボンディング技術は、長い歴史に培われ、信頼性の高い技術であることから、未だに採用し続けられている。
【０００４】
例えば、図８は、典型的な半導体装置１００の断面図であり、アイランド１０１の上に固着された半導体チップ１０２と、アイランド１０１の周囲に一端が近接して配置されたリード１０３と、半導体チップ１０２のボンディングパッドと前記リード１０３とを電気的に接続する金属細線１０４と、前記アイランド１０１、半導体チップ１０２、リード１０３、金属細線１０４を封止する樹脂１０５とにより構成されている。
【０００５】
ここで金属細線１０４は、二種類示してあり、点線で示すものは、古くから採用されている三角ループの金属細線１０４Ａで、実線で示すＭ型のループの金属細線１０４Ｂである。
【０００６】
前者の三角ループ１０４Ａは、頂部１０６までかなり高い。そのため、薄型パッケージに対応すれば、その頂部までの高さを低くしようとする。しかし低くしようとすると、頂部から斜めに延在される金属細線１０４Ａは、半導体チップ１０２とショートする可能性があった。
そのため、ワイヤループの高さを低くし、しかも半導体チップ１０２と短絡しないような形状が発明されている。これがＭループと呼ばれるもので、例えば、特許第３２７６８９９号公報に記載されている。
【０００７】
図７Ａは、キャピラリ１５０の軌跡を描き、図７Ｂ〜図７Ｈは、前記軌跡によって、金属細線がどの様な形状を描いていくかを説明している。また図７Ｂのキャピラリに配置された矢印は、図７Ａ符号および矢印の向きを示している。例えば、図７Ｂの矢印５７は、図７Ａの３番目の矢印で、そこにも同じ符号を付した。つまりここの上昇の過程を描いているわけである。
【０００８】
１．キャピラリ１５０は、例えば半導体チップのボンディングパッド１５１に１ｓｔボンドした後、矢印１５５、１５６、１５７の様に移動する。
それにより図７Ｂに示す様に、金属細線は、右斜めに延在した後、上昇する金属細線を形作る。
【０００９】
２．図７Ａに示す矢印１５８の様に右側に移動させる。
図７Ｃに示す様に、金属細線は、左に凸の放物線を形作る。
【００１０】
３．図７Ａの矢印１５９の様に一定の高さまで上昇さ、その後に矢印１６０の様に水平方向に移動し、更に矢印１６１の様に垂直方向で下降させる。
【００１１】
これにより図７Ｆの如く、Ｍループの真ん中の溝１６５が形成される。
【００１２】
４．図７Ａに矢印１６２の如く垂直方向に上昇し、キャピラリ１５０と一緒に備えられているクランパで金属細線を保持し、矢印１６３の様に、ループを描いてセカンドボンドする。
【００１３】
これにより、図７Ｈの様に、Ｍループを形作ることが可能となる。
【特許文献１】特許第３２７６８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述した従来技術であれば、図７Ｈの曲折部６６がチップ端１１０の外側に位置されるように形成され、金属細線の高さを低くできると同時に、チップ端１１０と金属細線１０４Ｂとの離間距離を保つことができる。
【００１５】
つまりパッケージの厚みを薄くできると同時に金属細線の短絡を防止できるものである。
【００１６】
しかしながら、携帯機器の進歩により、より以上の軽薄短小が求められ、このループ高さより更に低い接続方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、前述した問題点を解決するものであり、
スパーク手段で前記キャピラリの端部に金属ボールを形成する際、前記スパーク手段に流れる電流の時間を制御する事で、前記金属ボールから延在される金属細線の再結晶部分から成る硬質部の長さを制御し、
前記金属ボールを前記半導体チップのボンディングパッドに接続し、
前記金属ボールと一体の金属細線は、頂部が上に配置された湾曲した軌跡を描いた湾曲部を有する第１の延在部と、前記第１の延在部の終端部に曲折部が設けられた後に、前記電極に向かって実質直線状に延在される第２の延在部とを有し、前記硬質部の終端領域が前記曲折部、または前記曲折部の前後に位置するように、前記キャピラリを使って前記金属細線を延在させる事で解決するものである。
【発明の効果】
【００１８】
半導体チップのボンディングパッドと電極との間の金属細線に於いて、１ｓｔボンド及びその近傍で、実質的に円を切った形状または半楕円（楕円を途中で切った上半分）の軌跡が設けられた湾曲部を形付けると、湾曲部の端に曲折部を形付けられる。
【００１９】
このことから、曲折部より２ｎｄボンド側に、水平でしかも頂部よりも低い水平部を延在できるため、金属細線のループ高さを低くでき、結局は、半導体装置の厚みを薄くする事ができる。
【００２０】
これは、過去からの歴史に積まれた信頼性の高いワイヤボンディング法で実現できるため、薄型パッケージであっても信頼の高いパッケージを実現できる。
【００２１】
またこの曲折部は、ボンディグ装置の金属ボールを形成するスパーク手段により調整が可能である。つまりこのスパーク手段により、再結晶部分の硬質部を長くも短くもでき、短くすれば湾曲部の高さを低く抑えられ、しかも硬質部とこれより軟らかな軟質部の境界およびその近傍は、曲折部の形成が容易であることから、図１、図２の金属細線の形状が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
一般に金属細線を使ったワイヤのループは、図８の点線で示され、三角ループを描く。これは、１ｓｔボンド２００の部分でボールボンドした後、金属細線を上方に延在させ、その後、頂部１０６において曲折部を設け、その後で、斜め下方に延在させているため、一般には三角ループを描く。
【００２３】
また図８の実線も同様である。簡単に考えれば、三角ループ１０４Ａの頂部を上から押し下げれば、頭部をＭ字形状にすることができる。しかし曲折部２０２から２ｎｄボンドに到る金属細線１０４Ｂの軌跡は、三角ループ１０４Ａと同様に、斜め下に実質直線状の軌跡（以下直線状の延在部と呼ぶ）を描く。そのため、三角ループ、Ｍループにおいて、直線状の延在部、具体的には符号１０４Ａ、１０４Ｂの引出し線が指している部分は、程度の差はあるだろうが、チップのコーナーと接触する可能性がある。
【００２４】
しかしこの直線状の延在部１０４Ａ、１０４Ｂの途中で水平に延在されたら、どうであろう。例えば、金属細線１０４Ａでは、黒丸Ａ、金属細線１０４Ｂでは、黒丸Ｂの部分で水平に延在されれば、チップの周囲、つまりチップのコーナーでのショートは、抑止できる。
【００２５】
本発明は、この点が考慮され、しかも頂部の低いワイヤループが形成される。
図１および図３は、本発明を適用した半導体装置の構造を示し、図２、図４〜図６は、その具体的構造またはその製造方法について説明するものである。
まず金属細線５１の形状について図２を参照して説明する。ここで、金属細線５１と電気的に接続される電極は、リードフレームのインナーリード、実装基板５２に設けられた電極等が考えられるが、図面では、実装基板を採用した。
実装基板５２としては、プリント基板やフレキシブルシート等から成る樹脂基板、セラミック基板、ガラス基板、金属基板およびＳｉ基板等が考えられる。樹脂基板としては、主にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等が採用されるが、この限りではない。またセラミック基板としては、アルミナ焼結体が主として採用されるが、絶縁材料であれば、材料に限定されない。更に金属基板は、アルミニウム基板、またはＣｕ基板が採用され、導電パターンとの絶縁が考慮されて、基板の表面には絶縁膜が施されている。更にＳｉ基板は、一般にはＳｉインターポーザと呼ばれ、載置される半導体チップとの熱膨張係数を一致させるために、基板自体がＳｉである。またＳｉは、半導体材料であることから、一般には、Ｓｉ酸化膜等が熱酸化、ＣＶＤ、スパッタリング等で形成されている。
【００２６】
また全ての実装基板において、スルーホールが多用された導電パターンが多層に形成されても良い。この場合、図で示す電極５３Ａ、５３Ｂは、Ｃｕを主材料とし最上層に形成されたものと考えればよい。
ここで、５３Ａは、半導体チップ５４が実装されていることから、ここではアイランドとして機能している。しかしながら、接着剤であっても、導電ペーストでも良い。半導体チップ５４裏面が所定の電圧に固定されるのであれば、５３Ａは、導電材料からなり、ＩＣ等では、裏面がフローティングの場合があり、この場合、絶縁性の接着剤で良い。５３Ｂは、例えばＣｕから成る電極で、２ｎｄボンド対応のために、表面には、例えばＮｉ、その上にＡｕが被覆されている。
【００２７】
また半導体チップ５４は、ディスクリート、ＩＣ等でよく、最表面には、ボンディングパッド５５が露出している。この金属細線のボンディングパッドが１ｓｔボンド５６Ａで、金属細線５１の一端がボールボンドで接続されている。一方、金属細線５１の他端は、２ｎｄボンド５６Ｂに接続され、スティッチボンドされている。
この一端がボールボンドされた部分の付け根から、実質的に湾曲部５７を描き、その頂部５８を含めて上に凸で形成される。ワイヤの軌跡形状としては、実質的に、円を途中で切った形状または楕円を途中で切った形状である。つまり１ｓｔボンドから前記湾曲部５７の一端が始まり、湾曲部の他端５９で第１の延在部が形成される。ここでこの湾曲部は、三角でも良い。
【００２８】
この湾曲部の他端５９が、金属細線５１の曲折部でもあり、そこから第２の延在部として水平に延在されている。具体的には、電極５３Ｂの高さが、第２の延在部６０の位置よりも下方に位置しているため、第２の延在部の他端６１は、ここで第２の曲折部６１が形成され、ここから電極５３Ｂへと下降し、２ｎｄボンドされている。
ここで金属ボールから第１の曲折部５９までの線に沿った長さは、約１００μｍ±１０μｍ、ボンディングパッド５５の表面から湾曲部の頂部５８までの高さは、約６０μｍ〜７０μｍである。具体的に説明すれば、湾曲部の矢印ラインＣが１００±１０で、矢印Ｄライン（頂部からパッド表面までの高さ）が６０〜７０μｍであるため、完全な円ではなく、どちらかと言えば楕円である。また円や楕円の頭の部分を切った様にも見える。
【００２９】
本発明は、この湾曲部５７を形成することに意味がある。つまりこの湾曲部の他端５９に金属の癖をつける事が可能となり、そこから水平、または直線状に第２の延在部６０が設けられる事に意味がある。この第２の延在部６０は、例えば、頂部５８の高さを超えるまで延在されることなく、２ｎｄボンドされれば、この一連のワイヤループは、頂部５８で決定付けられる。
例えば図１の左側の金属細線７０を参照して欲しい。右側の金属細線７１と同一ワイヤを採用しているが、位置関係を説明するため、細線で示している。点線の細線７２は、第２の延在部６０が実質直線状に延在されている事を説明し、第３の延在部６２は、どちらにしても下降するため、この境界である第２の曲折部６１が頂部５８の高さよりも低く設定されれば、金属細線の高さは、頂部５８で決定付けられる。この様に、第２の曲折部６１の位置が湾曲部５７の頂部５８よりも下方に位置する範囲内でよく、直線状の第２の延在部６０は、やや斜め上に延在されても良い。当然であるが、水平または下降されても良い。
【００３０】
そして必要によってであるが、本半導体装置として樹脂封止が必要であれば、基板５２全体が絶縁樹脂で封止される。これは、ポッディング、トランスファーモールド、インジェクションモールド等で実現される。またケースで封止する場合は、その中が中空であったりする。よって基板の表面に樹脂が設けられない場合もある。
前述した様に、図１は、図２の変形例である。１ｓｔボンドの位置よりも２ｎｄボンドの高さを高くしている。これは、電極５３Ｂの厚みを、ボンディングパッドの高さよりも高くして、第１の曲折部５９を半導体チップ５４、または半導体チップのコーナーから遠ざけている。これは、前述した様に、湾曲部５７、第１の曲折部５９、斜め上ではあるが直線状の第２の延在部、更には第２の曲折部、第３の延在部が設けられている。
【００３１】
そして第２の曲折部６１が頂部５８よりも下に位置するように設けられて、そこから２ｎｄボンドへと下降している。よって全体のパッケージの厚みは、この湾曲部のサイズにより決定付けられる。
続いて、この湾曲部のサイズの決定方法について説明する。図４は、その決定方法について説明するものである。図４Ａ、図４Ｂは、ワイヤボンディング装置７０に金属細線７１が取り付けられた構図を示すものである。キャピラリ７２は、ボンディングするためのヘッドであり、クランパ７３は、金属細線７１を切断する際、金属細線を保持するものである。更に金属細線の端部に位置する符号７４は、スパーク手段である。これら３つの手段は、一般にはボンディング装置に一体で取り付けられている。
キャピラリ７２の中心にある中空部は金属細線７１が通過しており、キャピラリの端部から所定の長さが繰り出されてある。そして、スパーク手段は、溶融手段で、金属細線の端部を図４Ｂの如く、ボールに形成している。
ポイントは、スパーク電流の値、通電時間により、金属ボールが形成される点である。この溶融した部分は、高温になった後に、冷やされる。よって図４Ｂの如く、点でハッチングされている様に多結晶状態の再結晶部が形成される。この部分は、一般に加熱して冷却させるため、焼入れに相当する部分である。例えば田中電子工業株式会社の製品カタログでは、Ｈｅａｔ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅ（熱影響部）とよび、頭文字をとりＨＡＺと呼んでおり、通常のボンディング装置であれば、必ず発生するものである。
図４Ｃに示す様に、以下に示す材料、ＧＬＦ、ＧＭＧのＡｕ線で以下の実験をしてみた。スパーク電流の値を２７．５ｍＡ、通電時間を０．５ｍｓｅｃと一定にして、ＨＡＺの長さを調べてみた。材料は、線径は、２３μｍである。加熱・冷却条件は、装置が同じため、同一条件であるとみなした。
【００３２】
その結果、ＧＬＦの場合、１１０〜１３０μｍ、ＧＭＧの場合、１５０〜１７０μｍとなり、そのループ高さは、６２μｍ、７０μｍと成った。
ここでＡｕ線等の金属細線は、色々なタイプに分けられ、カタログでは、例えば以下のようなタイプにより分けられている。簡単にそのカタログに沿って説明すれば、ＧＭＧ、ＧＭＨは、高強度Ａｕ線、ＧＬＦは、超低ループ用Ａｕ線、ＧＦＣ、ＧＦＤは、ファインピッチ用Ａｕ線と色々なタイプに分けられる。
【００３３】
これは、ＧＭＧは、高硬度であり、ＧＬＦよりも硬質であることから、結晶構造も密で熱伝導率が高いのではないかと推察される。
またこのＨＡＺは、通電時間を一定にし、スパーク電流を変えたり、スパーク電流を一定にして、通電時間を変えたり、両者を変えることにより変えることも可能である、さらには、キャピラリの放熱性を変えるために、材料の選択をしたり、冷却または保温性能を別途機械的なものに頼ってみても良い。これは、溶かすときのエネルギーの量、その後の冷却スピードで調整できる。
図４Ｃの様に、ＨＡＺが短ければ、ループ高さも短くなることがわかる。これは、一概には言えないが、以下のことも説明できる。つまり同一材料で、ＨＡＺの長さが異なるものを用意したら、ＨＡＺの長い方が、ループ高さは高くなると考えられる。つまり硬いと加工癖が付けにくく、その分高さが高くなってしまうことが一因として考えられる。
【００３４】
ここで硬質部である再結晶部と、前記再結晶部よりも軟質の非再結晶部の二領域に分けられるため、境界をＺとして説明する。極端であるが、繊維から成る綴り紐を２０ｃｍだけ用意し、右端から５ｃｍだけ、接着剤を含浸させたとする。つまり右側５ｃｍは、硬く、左１５ｃｍは、軟らかい状態の紐が用意され、軟らかな部分の紐を持ち上げたなら、その境界Ｚで折れ曲がるだろう。また金属細線であるため、塑性変形が可能であることから、Ｚと近接しているがその近傍で折り曲げやすい。
実際にこのＺの部分がどこに位置するのか、その位置を見てみると、図２に示した矢印に成る。つまり矢印Ａの部分が、再結晶部であり、Ｚの位置は、太線ＣＲ１までだったり、ＣＲ２であったりする。これは、後述するキャピラリにより第１の曲折部が形付けられるため、境界Ｚよりも若干２ｎｄボンド側にずれている。
【００３５】
この様に、境界よりも２ｎｄボンド側にずれた柔らかな部分で、第１の曲折部を設ければ、この加工に使われる外力（応力）が少なくてすみ、１ｓｔボンドへの応力が少なくてすみ、信頼性が向上する。
どちらにしても硬質である再結晶部で湾曲部５７を形成し、この湾曲部の他端で曲折部５９を形成する事で、第２の延在部、第３の延在部は、頂部５８よりも下方に位置させることができる。
【００３６】
図５は、キャピラリ１５０の軌跡を示し、その結果、形成される金属細線の形状を図６に示した。
【００３７】
１．図５に示す様に、キャピラリ１５０は、例えば半導体チップのボンディングパッドに１ｓｔボンドした後、斜め右上に延在された後、曲折部８０を介して、ある角度を持って斜め左上に移動する。
それにより図６Ａに示す様に、金属細線は、右にと凸の放物線を形作る。
【００３８】
２．図５に示す様に、曲折部８１を介して斜め右上に移動した後、曲折部８２を介して下方に移動し、更に、曲折部８２‘を介して左斜め上に移動させる。ここで曲折部８２、８２’の間隔は、非常に短くしてある。
図６Ｂに示す様に、金属細線は、湾曲部の他端で曲折部８２を介して直線の第２の延在部を描き、まるで釣り針の如き形状を呈する。
【００３９】
３．図５の様に直線部分の長さを長くした状態で、矢印８３の如く下降させる。
【００４０】
これにより図６Ｃの如く、斜め左上に持ち上がっていた端部が、下降し図２の如き、形状ができる。
【００４１】
以上説明した如く、釣り針の如き湾曲部と直線状の延在部が設けられることで、頂部が湾曲部で決定つけられる。よってこの湾曲部をできるだけ小さくすれば、頂部を更に低くできる。
図３は、この釣り針形状のワイヤループをリードフレームを採用したパッケージに適用したものである。アイランド３１の上には、半導体チップ３２が固着され、アイランド３１の近傍には、一端が近接配置されたインナーリード３３が配置されている。そして半導体チップ３２のボンディングパッド３４を１ｓｔボンド、インナーリード３３を２ｎｄボンドされる金属細線３５が形成される。そしてアイランド表面、半導体チップ、金属細線およびインナーリードを封止する樹脂３６が設けられている。
金属細線は、図２の形状でなり、ワイヤループの高さを低く設定できるため、パッケージ厚みを薄くする事ができる。
【００４２】
図４は、同様にこの釣り針形状のワイヤループをセラミック基板に適用したものである。
アルミナから成るセラミック基板４０、４１が積層されている。下方のセラミック基板４０の中央は、半導体チップ４２の配置領域となるように、上方のセラミック基板４１は、設けられていない。この配置領域には、絶縁性または導電性の接着剤が設けられて、半導体チップ４２が固着されている。また半導体チップの配置領域の周囲には、上方のセラミック基板４１が位置し、電極４３が設けられている。ここでは、下からＮｉ、Ａｕが焼結されている。またこの電極４３の下方には、スルーホール４４が設けられ、ここにはＷが埋め込まれている。下方のセラミック基板４０の端部には、このＷが露出しており、Ｗの裏面と側部を覆うようにＡｕからなる電極４５が形成されている。
【００４３】
また半導体チップ４２のボンディングパッドと前記電極４３は、本発明の金属細線が接続されている。これも金属細線は、図２の形状でなり、ワイヤループの高さを低く設定できるため、パッケージ厚みを薄くする事ができる。
ここで２枚の積層されたセラミック基板は、若干上に凸で反るため、半導体チップ表面は、電極４３よりも下方に設定されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の半導体装置を説明する図である。
【図２】本発明に採用される金属細線のワイヤループを説明する図である。
【図３】本発明の半導体装置を説明する図である。
【図４】本発明の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の製造方法を説明する図である。
【図７】従来のワイヤループを説明する図である。
【図８】従来の半導体装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
５１：金属細線
５２:実装基板
５３：電極
５４:半導体チップ
５５：ボンディングパッド
５６Ａ:１ｓｔ  ボンド
５６Ｂ：２ｎｄ  ボンド
５７：湾曲部
５８:頂部
５９:第１の曲折部
６０:第２の延在部
６１：第２の曲折部
６２：第３の延在部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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