(57)【要約】【課題】リードフレームおよび回路基板のボンディングリード部において、コストを低減し、良好なワイヤボンディングを可能とすることである。【解決手段】回路基板１０は、設計パターンに従って銅層が所定のパターン形状にエッチングされる。銅層のパターンが形成された後、ボンディングリード部１４の領域の部分を開口したメタルマスクで覆い、次にＣＶＤ法またはＰＶＤ法により厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層を形成する。このようにして下地銅層２０の表面に、厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層２６を付着させたボンディングリード部１４を有する回路基板を得ることができる。錫の薄膜層は、ワイヤボンディング時の超音波エネルギにより溶融等し、銅を主成分とする下地金属層と良好なワイヤボンディングが可能となる。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームに設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、
銅を主成分とする下地金属層と、
前記下地金属層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、
を含むことを特徴とするボンディングリード部。
【請求項２】
リードフレームに設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、
銅を主成分とする下地金属層と、
前記下地金属層の上に設けられた金属めっき層と、
前記金属めっき層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、
を含むことを特徴とするボンディングリード部。
【請求項３】
回路基板に設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、
銅を主成分とする下地金属層と、
前記下地金属層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、
を含むことを特徴とするボンディングリード部。
【請求項４】
回路基板に設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、
銅を主成分とする下地金属層と、
前記下地金属層の上に設けられた金属めっき層と、
前記金属めっき層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、
を含むことを特徴とするボンディングリード部。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１に記載のボンディングリード部において、
前記低融点金属薄膜層は、厚みが１ナノメートル以上５０ナノメートル以下であることを特徴とするボンディングリード部。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１に記載のボンディングリード部において、
前記低融点金属薄膜層は、前記下地金属層の表面に点在する薄膜層であることを特徴とするボンディングリード部。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１に記載の半導体装置において、
前記低融点金属薄膜層は、融点が１１０度以上２４０度以下の低融点材料からなることを特徴とするボンディングリード部。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
前記低融点金属薄膜層は、錫またはインジウムを主成分とすることを特徴とするボンディングリード部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部に係り、特にリードフレームに設けられたボンディングリード部および回路基板に設けられたボンディングリード部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リードフレームあるいは回路基板等、ＬＳＩチップ等の半導体装置を搭載する半導体装置搭載用基板部品においては、ＬＳＩチップ等に設けられたボンディングパッドと接続できるようにボンディングリード部が設けられる。そして、ワイヤボンディング技術を用いて、ＬＳＩチップ等のボンディングパッドと、ボンディングリード部との間が細い金属ワイヤで接続される。
【０００３】
ボンディング用ワイヤとしては、例えば金ワイヤが用いられる。リードフレームあるいは回路基板のボンディングリード部は、銅を下地金属層として、ニッケルメッキを中間層とし、その上に金ワイヤと相性のよい金メッキあるいは銀メッキが施される。この構造をとることで、ワイヤボンディング時の加熱等で下地銅層が酸化するのを防止し、さらに金ワイヤとのワイヤボンディング性を改善することができる。したがって、ボンディングリード部におけるワイヤボンディングは、金−金間または金−銀間で行われている。
【０００４】
ボンディングリード部と金ワイヤの接合は、押し付け圧と加熱温度と加える超音波エネルギを適正条件にすることで、所定のワイヤボンディング強度、例えば剥離強度を得ることができる。加熱による熱エネルギは、接合に必要な超音波エネルギを少なくできる機能を持ち、例えば加熱が十分高温にできるときは、超音波エネルギを与えなくても接合することが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
銅は、比導電率が高い等の優れた電気特性や、材料としての加工性の良さ等の理由から、リードフレームや回路基板等において配線材料として用いられる。
【０００６】
しかし、銅はその表面酸化膜の性質から直接金ワイヤ等をワイヤボンディングすることが困難である。すなわち、銅の酸化は銅の内部にむけてどんどん進行し続ける。また、銅の酸化膜は、その酸化の程度により膜厚も物質的性質もばらつきが大きい。さらに、銅表面を加熱すると表面の金属色が著しく変化するほど酸化が激しく起こる。したがって、何ら酸化防止策をとらない銅の生地の表面には、例えばＬＳＩチップのボンディングパッドにおけるアルミの表面酸化膜と比較にならないほどの、分厚く、物質的性質等のばらつきの大きい銅酸化膜が存在する。そして、ワイヤボンディング時の加熱により一層表面酸化膜は分厚くなる。このように、銅生地の表面酸化膜の存在が、銅生地への直接ワイヤボンディングを困難にしているのである。
【０００７】
そこで、従来技術においては、ワイヤボンディング時の加熱等で下地銅層が酸化するのを防止し、さらに金ワイヤとのワイヤボンディング性を改善するために、ニッケルメッキ、金メッキあるいは銀メッキ等のメッキ工程を多用し、工数増、コスト高となっていた。
【０００８】
また、近年、半導体素子プロセスの低温化、ワイヤボンディングに用いられる材料の低温化等が進んできて、ワイヤボンディングの加熱温度の低温化が要求されている。例えば、ワイヤボンディングに用いられるガラスエポキシ樹脂については、約１５０度以上で軟化する。したがって、ガラスエポキシ樹脂を用いる工程を含むワイヤボンディングでは、加熱温度に制限が出る。
【０００９】
しかし、メッキ工程の多用の結果、メッキ工程において不純物がボンディング層である金メッキまたは銀メッキ層に混入することが起こり、ワイヤボンディング時における加熱温度が制限されると、その不純物混入のために接合強度が不安定になる問題があった。また、不純物の混入を避けるために洗浄工程をさらに追加するときは、工数増、コスト増になっていた。
【００１０】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、コストを低減し、良好なワイヤボンディングを可能とする、リードフレームおよび回路基板のボンディングリード部を提供することである。本発明の他の目的は、常温下のワイヤボンディングを可能にするリードフレームおよび回路基板のボンディングリード部を提供することである。本発明のさらなる他の目的は、メッキ工程を削減でき、良好な接合を可能とする、リードフレームおよび回路基板のボンディングリード部を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
１．本発明の基礎となる知見
本発明は、銅の表面に低融点の材料をごく薄く付着させることで、そのボンディングリード部に金ワイヤを容易に接合できるとの知見を得たことに基づく。以下に、下地金属が銅で、その表面に低融点の材料をごく薄く付着させたボンディングリード部と、金ワイヤとの間の接合実験の内容を説明する。以下の説明はリードフレームについて行うが、回路基板についても同様の接合実験を行うことができる。
【００１２】
最初に、下地金属が銅であるリードフレームを周知のリードフレーム製造技術あるいは回路基板製造技術で製作する。一般的なリードフレーム製造技術では、銅板を所定のリードフレーム形状にエッチングした後、ニッケルメッキ、金メッキあるいは銀メッキを施すが、ここではリードフレーム形状のエッチング工程で止め、その後のニッケルメッキ、金メッキあるいは銀メッキを行わない。
【００１３】
得られた銅生地が露出したままのリードフレームの表面に、一般的な成膜法であるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長法）あるいは　ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理的気相成長法）により、錫をごく薄く付着させた。付着した錫の様子を観察すると、所々薄い個所あるいは空孔部があり、いわば点在に近い状態で下地銅の表面に薄膜層が形成されている。その付着した部分の平均的な厚みは１〜１０ｎｍ（１０〜１００オングストローム）の厚みであった。
【００１４】
このようにして得た、下地金属が銅で、その表面に低融点の材料をごく薄く付着させたリードフレームにＬＳＩチップを搭載し、一般的な超音波方式のボンディング装置のボンディングテーブルにセットした。ボンディング装置のキャピラリに直径が２０ミクロン（μｍ）の金ワイヤを挿通し、周知のようにキャピラリから突き出たワイヤの先端を放電により溶融して丸め、イニシャルボールを形成する。そして、イニシャルボールを保持したキャピラリを移動させてＬＳＩチップのボンディングパッドに押し付け超音波エネルギを供給し、通常のいわゆる第１ボンディングを行う。次に、ワイヤをキャピラリ内で滑らせながらキャピラリを移動させてさきほどの表面に錫が１〜１０ｎｍ付着している下地金属が銅のボンディングリード部に押し付け、超音波エネルギ供給手段により、金ワイヤとボンディングリード部とに超音波エネルギを与え、いわゆる第２ボンディングを行った。なお、ＬＳＩチップを搭載したリードフレーム等に対し加熱は行わず、常温下での接合を試みた。
【００１５】
押し付け力は４００ｍＮ（およそ４０グラム重）で、この押し付け力によりワイヤが変形した後の平面寸法である圧着径は、およそ５０ミクロン（μｍ）の直径であった。超音波エネルギの大きさは、通常のアルミパッドへの金ワイヤのワイヤボンディングに用いる大きさと同じとした。その結果、金ワイヤとボンディングパッドとの間が接合され、その剥離強度は実用上十分であった。
【００１６】
このように、表面に錫が１〜１０ｎｍ付着している下地金属が銅のボンディングリード部に金ワイヤを押し付け、超音波エネルギを加えることで、下地金属が銅のボンディングリード部と金ワイヤとの間で、常温下で、十分な剥離強度（およそ２００ｍＮ、２０グラム重）を有する接合を得ることができた。
【００１７】
接合のメカニズムとしては、例えば、超音波エネルギによって低融点の錫が溶融し、溶融した錫に超音波が作用してキャビテーション現象、すなわち真空状態の泡を生じさせるモデルを考えることができる。すなわち、このモデルによれば、真空状態の泡が破裂するときに衝撃波が発生し、その衝撃波により、厚い銅の酸化膜が破壊され、その下の銅の新生面とイニシャルボールとの間で接合が行われることになる。なお、超音波エネルギにより、金属固体中に熱を生ずることはよく知られており、また、超音波エネルギにより、液体中にキャビテーションが発生することがあることも周知である。
【００１８】
このように、表面に錫が１〜１０ｎｍ付着している下地金属が銅のボンディングリード部を用いることで、厚い銅の酸化膜があっても、ＬＳＩチップを搭載したリードフレームを加熱することなく、金ワイヤと下地金属が銅のボンディングリード部とを接合することができることがわかった。
【００１９】
２．課題解決手段
本発明に係るボンディングリード部は、リードフレームに設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、銅を主成分とする下地金属層と、前記下地金属層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
この構成により、基礎となる知見の項で説明したように、低融点金属薄膜層は、ワイヤボンディング時の超音波エネルギにより溶融等し、銅の表面酸化膜によるボンディング性低下を抑え、銅を主成分とする下地金属層と良好なワイヤボンディングが可能となる。したがって、ニッケルメッキ工程を削減でき、コストを低減して、良好なワイヤボンディングを得ることができる。また、常温下のワイヤボンディングが可能になる。
【００２１】
また、本発明に係るボンディングリード部は、リードフレームに設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、銅を主成分とする下地金属層と、前記下地金属層の上に設けられた金属めっき層と、前記金属めっき層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、を含むことを特徴とする。この構造により、基礎となる知見の項で説明したように、常温下のワイヤボンディングが可能になる。
【００２２】
また、本発明に係るボンディングリード部は、回路基板に設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、銅を主成分とする下地金属層と、前記下地金属層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係るボンディングリード部は、回路基板に設けられワイヤボンディングに用いられるボンディングリード部であって、銅を主成分とする下地金属層と、前記下地金属層の上に設けられた金属めっき層と、前記金属めっき層の表面に配設され、厚みが１ナノメートル以上１０ナノメートル以下の低融点金属薄膜層と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
また、前記低融点金属薄膜層は、厚みが１ナノメートル以上５０ナノメートル以下であることが好ましい。また、前記低融点金属薄膜層は、前記下地金属層の表面に点在する薄膜層であることを特徴とする。
【００２５】
また、前記低融点金属薄膜層は、融点が１１０度以上２４０度以下の低融点材料からなることが好ましい。また、前記低融点金属薄膜層は、錫またはインジウムを主成分とすることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、実施の形態に係る回路基板１０にＬＳＩチップ１２が搭載され、回路基板１０のボンディングリード部１４と、ＬＳＩチップ１２のボンディングパッド１６との間が金ワイヤ１８で接続される様子を示す図である。回路基板は例えば材質にガラスエポキシ樹脂を含むものを用いることができるが、その他の材質の回路基板であってもよい。また、説明は単層基板について行うが、多層基板であってもよい。また、回路基板は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）に用いる基板のように、さらに他の回路基板等へ実装される基板であってもよい。
【００２７】
回路基板１０の１つのボンディングリード部１４の周辺を拡大した様子を図２に平面図、図３に断面模式図で示す。これらの図を用いて、銅の内部配線を行う回路基板チップにおいて、下地銅の表面にごく薄の低融点金属薄膜層を付着させる工程を説明する。
【００２８】
回路基板１０は、所定の設計パターンにしたがって、周知の銅配線技術を用いて、銅を主成分とした材料で内部配線１９が行われる。内部配線１９は途中から引き出され、ＬＳＩチップの外周部の周りに、ボンディングリード部１４が配置される。ボンディングリード部１４の配置は、ＬＳＩチップのボンディングパッドの位置に対応して行われる。次に、銅層を所定のパターン形状にエッチングする。一般的な回路基板製作技術で用いられるニッケルメッキ、金メッキ等は行わない。
【００２９】
この状態の回路基板の上面を、例えばボンディングリード部１４の領域の部分を開口したメタルマスクで覆い、次に上面全体に厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層を形成する。薄膜層の形成は、ＣＶＤ法により錫化合物の反応を用いて行うこともでき、ＰＶＤ法によりスパッタ、蒸着、イオンプテーティング等を用いて行うこともできる。成膜時に、回路基板は加熱しないほうが望ましい。
【００３０】
その後メタルマスクを除去すれば、下地銅層２０の表面に、厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層２６を付着させたボンディングリード部１４を有する回路基板１０を得ることができる。
【００３１】
図４は、このようにして得られた下地銅層２０の表面に錫のごく薄の薄膜層２６を付着させたボンディングリード部１４を有する回路基板１０に、金ワイヤ１８を押し付け、接合する様子を示す図である。キャピラリを介し、錫のごく薄の薄膜層２６が付着した下地銅層２０のボンディングリード部１４と、金ワイヤ１８とに超音波エネルギを供給することで、基礎となる知見の項で説明した接合メカニズムにより、常温下で良好な接合を得ることができる。
【００３２】
図５は、他の実施の形態を説明する図で、ボンディングリード部１４の部分の模式断面図が示されている。この実施の形態では、下地銅層２０の上に、周知のメッキ技術を用いてニッケルメッキ、金メッキの金属メッキ層２８を設け、その表面に厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層を形成する。すなわち、一般的な回路基板製造技術によって製作された回路基板の、ボンディングリード部１４の表面に、図２および図３で説明した方法に従って、ごく薄の低融点金属薄膜層を形成する。この構造により、基礎となる知見の項で説明した接合メカニズムにより、常温下で良好な接合を得ることができる。
【００３３】
図６は、実施の形態に係るリードフレーム４０にＬＳＩチップ１２が搭載され、リードフレーム４０のボンディングリード部４４と、ＬＳＩチップ１２のボンディングパッド１６との間が金ワイヤ１８で接続される様子を示す図である。図に示すように、リードフレーム４０は、銅板をエッチング等で所定のパターンに形成し、ＬＳＩチップ１２を搭載する部分と、その周辺に配置したボンディングリード部４４と、外部に向けて設けられたアウターリード部４５を備える部材である。
【００３４】
リードフレーム４０の１つのボンディングリード部４４の周辺を拡大した様子を図７に平面図、図８に断面模式図で示す。これらの図を用いて、銅を用いるリードフレームにおいて、下地銅の表面にごく薄の低融点金属薄膜層を付着させる工程を説明する。
【００３５】
リードフレーム４０は、所定の設計パターンにしたがって、ボンディングリード部４４とアウターリード部４５との間の配線４９等が行われる。ＬＳＩチップの外周部の周りに、ボンディングリード部４４が配置される。ボンディングリード部４４の配置は、ＬＳＩチップのボンディングパッドの位置に対応して行われる。つぎに銅板を所定のパターン形状にエッチング等する。一般的なリードフレーム製作技術で用いられるニッケルメッキ、金メッキ等は行わない。
【００３６】
この状態のリードフレームの上面を、例えばボンディングリード部４４の領域の部分を開口したメタルマスクで覆い、次に上面全体に厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層を形成する。薄膜層の形成は、ＣＶＤ法により錫化合物の反応を用いて行うこともでき、ＰＶＤ法によりスパッタ、蒸着、イオンプテーティング等を用いて行うこともできる。成膜時に、回路基板は加熱しないほうが望ましい。
【００３７】
その後メタルマスクを除去すれば、下地銅層５０の表面に、厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層５６を付着させたボンディングリード部１４を有するリードフレーム４０を得ることができる。
【００３８】
図９は、このようにして得られた下地銅層５０の表面に錫のごく薄の薄膜層５６を付着させたボンディングリード部４４を有するリードフレーム４０に、金ワイヤ１８を押し付け、接合する様子を示す図である。キャピラリを介し、錫のごく薄の薄膜層５６が付着した下地銅層５０のボンディングリード部４４と、金ワイヤ１８とに超音波エネルギを供給することで、基礎となる知見の項で説明した接合メカニズムにより、常温下で良好な接合を得ることができる。
【００３９】
図１０は、他の実施の形態を説明する図で、ボンディングリード部４４の部分の模式断面図が示されている。この実施の形態では、下地銅層５０の上に、周知のメッキ技術を用いてニッケルメッキ、金メッキの金属メッキ層５８を設け、その表面に厚みがおよそ１ｎｍから１０ｎｍの錫のごく薄の薄膜層を形成する。すなわち、一般的なリードフレーム製造技術によって製作されたリードフレームの、ボンディングリード部４４の表面に、図７および図８で説明した方法に従って、ごく薄の低融点金属薄膜層を形成する。この構造により、基礎となる知見の項で説明した接合メカニズムにより、常温下で良好な接合を得ることができる。
【００４０】
下地銅層の表面に配設する薄膜層の材料は、融点が約２３０度の錫を主成分とする低融点材料を用いることができる。他に、融点が約１５０度のインジウムを主成分とする低融点材料を用いることができる。
【００４１】
下地銅層の表面に配設する薄膜層の厚みは、ワイヤボンディングに用いる超音波エネルギの大きさに応じて設定することができる。たとえば１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で設定することもできる。
【００４２】
下地銅層の表面に配設する薄膜層の下地銅層の表面への付着状態は、膜厚により変化する。膜厚が１ｎｍ程度の薄さのときは、所々薄い個所あるいは空孔部が増え、いわば点在に近い状態に近くなる。逆に膜厚を厚くし５０ｎｍ程度に近くなると、薄い個所あるいは空孔部が減り、いわば連続あるいは均一の状態に近くなる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係るリードフレームおよび回路基板のボンディングリード部によれば、コストを低減し、良好な接合が可能となる。本発明に係るリードフレームおよび回路基板のボンディングリード部によれば、常温下のワイヤボンディングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回路基板のボンディングリード部と、ＬＳＩチップのボンディングパッドとの間のワイヤボンディングの様子を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の回路基板におけるボンディングリード部の周辺を拡大した様子を示す平面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の回路基板におけるボンディングリード部の周辺を拡大した様子を示す断面模式図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の回路基板におけるボンディングリード部に、金ワイヤを押し付け接合する様子を示す図である。
【図５】他の実施の形態を説明する断面模式図である。
【図６】リードフレームのボンディングリード部と、ＬＳＩチップのボンディングパッドとの間のワイヤボンディングの様子を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態のリードフレームにおけるボンディングリード部の周辺を拡大した様子を示す平面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態のリードフレームにおけるボンディングリード部の周辺を拡大した様子を示す断面摸式図である。
【図９】本発明に係る実施の形態のリードフレームにおけるボンディングリード部に、金ワイヤを押し付け接合する様子を示す図である。
【図１０】他の実施の形態を説明する断面模式図である。
【符号の説明】
１０　回路基板
１２　ＬＳＩチップ
１４，４４　ボンディングリード部
１６　ボンディングパッド
１８　金ワイヤ
２０，５０　下地銅層
２６，５６　薄膜層
２８，５８　金属メッキ層
４０　リードフレーム
【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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【図９】
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【図１０】
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