(57)【要約】【課題】ワイヤーの接合強度を維持しつつ、ワイヤーの高さをさらに低くできるようにした半導体装置及びワイヤーボンディング方法を提供する。【解決手段】半導体チップ１と、リードと、半導体チップ１が有するパッド電極２に一端１１ａが接合され、リードに他端１１ｂが接合されたワイヤー１１と、を備える。ワイヤー１１の一端１１ａと他端１１ｂとの間の最も高い位置であるワイヤートップ１１ｃは、ワイヤー１１の一端１１ａの直上の位置となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子から離れて配置されたリードと、
前記半導体素子が有する第１の領域に一端が接合され、前記リードに他端が接合されたワイヤーと、を備え、
前記ワイヤーの一端と他端との間の最も高い位置であるワイヤートップは、前記ワイヤーの一端の直上の位置であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ワイヤートップの前記第１の領域の表面からの高さは、前記ワイヤーの直径の２から３倍の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ワイヤーは、前記第１の領域に接合された圧着ボールと、前記圧着ボール上に形成されたボールネックとを有し、
前記ワイヤーの一部が前記ボールネックに押しつけられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体素子が有する第１の領域にワイヤーの一端を接合する工程と、
前記第１の領域に一端が接合された前記ワイヤーを、前記半導体素子から離れて配置されたリードまで繰り出す工程と、
前記ワイヤーの他端を前記リードに接合する工程と、を含み、
前記ワイヤーを繰り出す工程では、
前記ワイヤーの一端と他端との間の位置であって、前記ワイヤーの他端が前記リードに接合された時点で最も高い位置となるワイヤートップが、前記ワイヤーの一端の直上の位置となるように、前記第1の領域と前記リードとの位置関係に基づいてワイヤーの繰り出し方向と繰り出し量を制御することを特徴とするワイヤーボンディング方法。
【請求項５】
前記第１の領域に前記ワイヤーの一端を接合する工程は、
前記ワイヤーの一端の側に形成されたボールを前記第１の領域に接合させて圧着ボールとボールネックとを形成し、前記ボールネックに前記ワイヤーを押しつける工程であることを特徴とする請求項４に記載のワイヤーボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びワイヤーボンディング方法に関し、特に、ワイヤーの接合強度を維持しつつ、ワイヤーの高さをさらに低くできるようにした技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造技術の組立技術の中で、半導体素子であるチップ（即ち、半導体チップ）と、半導体チップから離れて配置されたリードとを電気的に接続する方法として、ワイヤーボンディングが一般的に行われている。
通常、ワイヤーボンディングといえば図８に示すように、圧着ボール９３の直上へワイヤー９１が伸びるようなボールネック９５を備える正ボンドと呼ばれる方法で、半導体チップ１とリード２０とを電気的に接合する。この場合、ワイヤー９１の高さｈ１は１２０μｍ程度（ワイヤー９１の直径が２５μｍの場合）あり、薄型デバイスには不適である。ここで、「ワイヤーの高さ」とは、半導体チップ１のパッド電極２上面を原点にした場合の、ワイヤーの最も高い位置での高さのことである。また、半導体チップ１のパッド電極２上面を原点にした場合のワイヤーの最も高い位置を、「ワイヤートップ」ともいう。
従来、ワイヤーの高さを低くするために、、図９に示すようにすれば、ワイヤー９１の高さｈ２は８０μｍ（ワイヤー９１の直径が２５μｍの場合）となり、低いループ形状が得られる
しかし、この図９に示す形状ではボールネック９５に過剰な負荷がかかり、プル強度測定を実施すると、ボールネック９５の近傍で破断が起き、その強度も２ｇｆ（ワイヤー９１の直径が２０μｍの場合）に低下する。そこで、ボールネック９５に過剰な負荷をかけないワイヤーボンディング方法として、１ｓｔボンド時にキャピラリーの先端でワイヤー９１をボールネック９５に押しつける方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
特許文献１に開示された方法によれば、図１０のように、ワイヤー９１の高さｈ３を７０μｍ（ワイヤー９１の直径が２０μｍの場合）に抑えたワイヤールーピングを実現することができる。また、この場合のプル強度は５ｇｆ（ワイヤー９１の直径２０μｍの場合）であり、ボールネック９５の近傍で破断が生じない、強固な接合を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０３４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された方法では、ワイヤートップ９１ｃは、ワイヤー９１の一端９１ａと他端９１ｂとの間にあり、ワイヤー９１の高さｈ３を７０μｍに抑えることができた。
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、ワイヤー９１の高さｈ３を７０μｍよりもさらに低くすることは難しく、７０μｍを下回るような超低ループ化を実現することは困難であった。一方で、携帯端末等の電子機器においては、より一層の薄型化、小型化が進みつつあり、これらの機器に搭載される半導体装置にも更なる薄型化（例えば、ワイヤーの高さが７０μｍを下回るような薄型デバイスの実現）が求められていた。
【０００６】
そこで、この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ワイヤーの接合強度を維持しつつ、ワイヤーの高さをさらに低くできるようにした半導体装置及びワイヤーボンディング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子から離れて配置されたリードと、前記半導体素子が有する第１の領域に一端が接合され、前記リードに他端が接合されたワイヤーと、を備え、前記ワイヤーの一端と他端との間の最も高い位置であるワイヤートップは、前記ワイヤーの一端の直上の位置であることを特徴とする。
【０００８】
このような構成であれば、第１の領域に対するワイヤーの接合強度（即ち、プル強度）を維持しつつ、ワイヤーの高さをさらに低くすることができ、ワイヤーの低ループ化をさらに進展させることができる。即ち、従来技術に対して超低ループ化を実現することができる。これにより、半導体素子とワイヤーとを封止する封止樹脂（パッケージ）の厚みを小さくすることができるので、半導体装置の更なる薄型化が可能となる。
【０００９】
なお、本発明の「半導体装置」としては、例えば、後述する半導体チップ１が該当する。「第１の領域」としては、例えば、後述するパッド電極２が該当する。
また、上記の半導体装置において、前記ワイヤートップの前記第１の領域の表面からの高さは、前記ワイヤーの直径の２から３倍の大きさであることを特徴としてもよい。このような構成であれば、ワイヤー径が細くなるほどワイヤーの高さを低くすることができる。
【００１０】
また、上記の半導体装置において、前記ワイヤーは、前記第１の領域に接合された圧着ボールと、前記圧着ボール上に形成されたボールネックとを有し、前記ワイヤーの一部が前記ボールネックに押しつけられていることを特徴としてもよい。このような構成であれば、ワイヤーの接合強度を高く維持することができる。
本発明の別の態様に係るワイヤーボンディング方法は、半導体素子が有する第１の領域にワイヤーの一端を接合する工程と、前記第１の領域に一端が接合された前記ワイヤーを、前記半導体素子から離れて配置されたリードまで繰り出す工程と、前記ワイヤーの他端を前記リードに接合する工程と、を含み、前記ワイヤーを繰り出す工程では、前記ワイヤーの一端と他端との間の位置であって、前記ワイヤーの他端が前記リードに接合された時点で最も高い位置となるワイヤートップが、前記ワイヤーの一端の直上の位置となるように、前記第１の領域と前記リードとの位置関係に基づいて前記ワイヤーの繰り出し方向と繰り出し量を制御することを特徴とする。このような方法であれば、ワイヤーの接合強度を維持しつつ、ワイヤーの高さをさらに低くすることができる。
【００１１】
なお、本発明では、例えば、後述の第１リバースの角度θ、屈曲部１２の形成位置Ｌ、ワイヤーの繰り出し量Ｍを、「前記ワイヤーの繰り出し方向と繰り出し量を制御する」ための制御パラメータとすることができる。具体的には、第１の領域とリードとの位置関係として、後述するパッド電極２とリード２０の距離が５００μｍの場合を想定する。このとき、制御パラメータとして、後述の第１リバースの角度θを１０〜３０°、屈曲部１２の形成位置Ｌを２０〜５０％、ワイヤー１１の繰り出し量Ｍを−１０〜−３０μｍの範囲にそれぞれ設定する。これにより、後述の図４（ｄ）に示すように、圧着ボール１３の直上の位置をワイヤートップ１１ｃとすることができる。
【００１２】
また、上記のワイヤーボンディング方法において、前記第１の領域に前記ワイヤーの一端を接合する工程は、前記ワイヤーの一端の側に形成されたボールを前記第１の領域に接合させて圧着ボールとボールネックとを形成し、前記ボールネックに前記ワイヤーを押しつける工程であることを特徴としてもよい。このような方法であれば、ワイヤーの接合強度を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ワイヤーの接合強度を維持しつつ、半導体装置の更なる薄型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るワイヤーボンディング方法（１ｓｔボンド）を示す図。
【図２】本発明の実施形態に係るワイヤーボンディング方法（２ｎｄボンド）を示す図。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置１００の構成例を示す図。
【図４】本発明の実施例に係るワイヤーループの形成条件を示す図。
【図５】本発明の超低ループ形状を撮影した写真図。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体装置１００の変形例を示す図。
【図７】比較例に係るワイヤーループの形成条件を示す図。
【図８】従来例に係るワイヤーボンディング方法を示す図（その１）。
【図９】従来例に係るワイヤーボンディング方法を示す図（その２）。
【図１０】従来例に係るワイヤーボンディング方法を示す図（その３）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明による実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合もある。
（１）実施形態
図１（ａ）〜図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るワイヤーボンディング方法を示す図である。ここでは、ワイヤーボンディング装置として、例えば、（株）新川製ＵＴＣ１０００を用いる場合について説明する。
【００１６】
図１（ａ）では、まず、ワイヤー１１の一端１１ａにスパーク放電により球状のボールを形成し、このボールを半導体チップ１のパッド電極２に接合させて、圧着ボール１３とボールネック１５とを形成する。ワイヤー１１は、例えば金（Ａｕ）からなる。圧着ボール１３は球状のボールがキャピラリー５０の先端（即ち、フェイス）５２によって潰されて円板状になったものであり、ボールネック１５はボールの一部がキャピラリー５０の内部５１に入り込むことによって形成されたものである。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、キャピラリー５０を上昇させてリード（図示せず）の反対側へ動かす。なお、リードとは、リードフレームの一部であって、ワイヤー１１の他端が接合される部分のことである。続けて、キャピラリー５０を下降させて、図１（ｃ）に示すように、キャピラリー５０の先端５２であってリード側の部分５２ａを用いて、ボールネック１５にワイヤー１１を押しつけて、ボールネック１５を変形させる。
【００１８】
さらに、キャピラリー５０を再度上昇させてワイヤー１１を折り返す動作を行う。その後、図１（ｄ）に示すように、キャピラリー５０の先端５２であってリードとは反対側の部分５２ｂを用いて、再びボールネック１５にワイヤー１１を押しつける。つまり、ボールネック１５にワイヤー１１を２回押しつける。これにより、ワイヤー１１の一端（即ち、圧着ボール１３とボールネック１５とを含む部分）１１ａを、半導体チップ１のパッド電極２に強度高く接合することができる。図１（ａ）〜（ｄ）に示した工程を、１ｓｔボンドという。
【００１９】
次に、図２（ａ）に示すように、キャピラリー５０の先端５２からワイヤー１１を繰り出しながら、キャピラリー５０を半導体チップ１の上方から、半導体チップ１から離れて配置されているリード２０の上方へ移動させる。そして、図２（ａ）の矢印で示すように、キャピラリー５０の先端５２をリード２０の側へ押圧する。これにより、図２（ｂ）に示すように、ワイヤー１１の他端１１ｂをリード２０に接合することができる。図２（ａ）及び（ｂ）に示した工程を、２ｎｄボンドという。
【００２０】
１ｓｔボンド及び２ｎｄボンドを経て、ワイヤー１１は、リード２０の延伸方向に対して平行となるような軌跡をもつループ形状となる。以下では、一端１１ａがパッド電極２に接合され、他端１１ｂがリード２０に接合された状態のワイヤー１１を、ワイヤーループともいう。また、この状態におけるワイヤー１１の長さを、ワイヤーループ長ともいう。さらに、ワイヤーループを形成することをワイヤールーピングともいう。
【００２１】
なお、２ｎｄボンドにおけるボンディング条件のうち、キャピラリー５０に付加する超音波（ｐｏｗｅｒ）は例えば１５０、加重（ｆｏｒｃｅ）は例えば７０ｇｆ（ワイヤー径２５μｍの場合）である。
図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の構成例を示す断面図である。上記のように、１ｓｔボンド及び２ｎｄボンドを行った後は、図３に示すように、半導体チップ１、リード２０及びワイヤー１１を封止樹脂（例えば、モールド樹脂）３０で封止する。これにより、半導体装置１００が完成する。
【００２２】
ところで、上記の半導体装置１００において、ワイヤートップ（即ち、半導体チップ１のパッド電極２上面を原点にした場合のワイヤーの最も高い位置）１１ｃは、ワイヤー１１の一端１１ａの直上の位置である。即ち、ワイヤートップ１１ｃは、１ｓｔボンドの位置である。これにより、ワイヤー１１のプル強度を高く維持しつつ、ワイヤー１１の高さを（即ち、ワイヤートップ１１ｃの高さ）さらに低くすることができ、ワイヤー１１の低ループ化をさらに進展させることができる。
【００２３】
例えば、図２（ｂ）又は図３に示すように、ワイヤー１１の高さをｈ４とする。ワイヤートップ１１ｃがワイヤー１１の一端１１ａの直上の位置である場合、上記の高さｈ４を、ワイヤー１１の直径の２から３倍（一例として、中間値である２．５倍程度）の大きさにすることができる。具体的には、ワイヤー１１の直径が２５μｍの場合、高さｈ４を６３μｍ、ワイヤー１１の直径が２０μｍの場合、高さｈ４を５０μｍの値にすることができる。その結果、封止樹脂３０の厚みをより小さくすることができる。
【００２４】
例えば、図３に示すように、半導体チップ１の表面から封止樹脂３０の表面までの厚さをＤとし、ワイヤートップ１１ｃから封止樹脂３０の表面までの厚さをｄ１としたとき、上記の厚さＤは、式（１）で示される。
Ｄ＝ｈ４＋ｄ１…（１）
厚さｄ１は、封止樹脂３０がワイヤー１１を信頼性高く覆うための厚さのマージンであり、例えばワイヤーの直径が２０μｍの場合、２５μｍ程度である。図３に示す半導体装置１００では、高さｈ４を５０μｍまで小さくすることができるので、Ｄを例えば７５μｍまで小さくすることができる。このため、半導体装置の更なる薄型化が可能であり、薄型デバイスを実現することが可能となる。
【００２５】
（１．１）実施例
上記の実施形態では、１ｓｔボンドと２ｎｄボンドとの間で、キャピラリー５０の先端５２から繰り出すワイヤー１１の長さを調整することで、ゆるみのないループ形状を形成することが可能である。また、ループ形状の屈曲部１２をループ長の中央部にすることで、リード２０の延伸方向に対してより平行なループ形状を形成することができる。これにより、圧着ボール１３の直上の位置をワイヤートップとすることが可能である。以下では、ワイヤールーピングに関して、本発明者が調整（制御）した各パラメータを、具体的に数値を挙げて説明する。
【００２６】
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係るワイヤーループの形成条件を示す図である。図４（ａ）は、ワイヤー１１の一端１１ａをキャピラリー５０で２回押圧した後で、キャピラリー５０を斜め上方であってリード２０の反対側へ移動させる際の角度（即ち、第１リバースの角度）θを示す図である。この角度θの好適な数値範囲は、半導体チップ１の表面と垂直に交わる方向（即ち、垂線の方向）に対して、１０〜３０°である。本発明者は、第１リバースの角度θを、θ＝１５°とした。
【００２７】
図４（ｂ）は、屈曲部１２の形成位置を示す図である。第１リバースを行った後のキャピラリー５０の移動の方向は、上記の垂線に平行な上方向である。キャピラリー５０の移動の方向が斜めの方向から、垂線の方向に変化することにより、ワイヤー１１には屈曲部１２が形成される。屈曲部１２の形成位置（即ち、ワイヤー１１の一端１１ａからの長さ）Ｌの好適な数値範囲は、ワイヤー１１の一端１１ａを起点にして、ループ長の２０〜５０％である。本発明者は、屈曲部１２の位置Ｌを、Ｌ＝３５％とした。
【００２８】
図４（ｃ）は、ワイヤー１１の繰り出し量を示す図である。ワイヤー１１の繰り出し量Ｍの好適な数値範囲は−１０〜−３０μｍである。このときパッド電極２とリード２０の距離が５００μｍであった。本発明者は、ワイヤー１１の繰り出し量Ｍを、Ｍ＝−２０μｍとした。
本発明者は、第１リバースの角度θ、屈曲部１２の形成位置Ｌ、ワイヤーの繰り出し量Ｍをそれぞれ上記のように設定することで、図４（ｄ）に示すように、圧着ボール１３の直上の位置をワイヤートップ１１ｃとすることができる、ということを確認した。また、その高さｈ４を５０μｍ（ワイヤーの直径が２０μｍの場合）にすることができる、ということを確認した。この実施例において、ワイヤー１１の高さｈ４は、圧着ボール１３の厚さとボールネック１５の厚さ、及び、これらに押し当てられたワイヤー１１の厚さを足した値であり、超低ループ形状を実現することができた。
【００２９】
図５は、ワイヤー１１の超低ループ形状を撮影した写真図である。ワイヤールーピングにおいて、各パラメータθ、Ｌ、Ｍを実施例で示した数値範囲に設定することにより、図５に示すような超低ループ形状を実現することができた。かつ低ループを維持したまま
プル強度が低下することがなかった。（５ｇｆ）
【００３０】
（１．２）変形例
上記の実施形態及び実施例では、屈曲部１２がワイヤーループの中間の位置に形成される場合を例示した（例えば、図３参照。）。しかしながら、本発明において、屈曲部１２の位置は、ワイヤーループの中間ではなく、この中間よりも一端１１ａ、又は、他端１１ｂに近い位置に形成されていてもよい。例えば、図６に示すように、屈曲部１２は、ワイヤー１１の一端１１ａに近い位置に形成されていてもよい。
このような場合であっても、ワイヤートップ１１ｃが、ワイヤー１１の一端１１ａの直上の位置であることにより、上記の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３１】
（２）比較例
図７（ａ）〜（ｄ）は、比較例に係るワイヤーループの形成条件を示す図である。図７（ａ）は、ワイヤー９１の一端９１ａをキャピラリー５０で２回押圧した後の、第１リバースの角度θ´を示す図である。図７（ａ）に示すように、この比較例では、第１リバースの角度θ´を、θ´＝２５°とした。
図７（ｂ）は、屈曲部９２の形成位置を示す図である。図７（ｂ）に示すように、この比較例では、屈曲部９２の形成位置Ｌ´を、ワイヤー１１の一端１１ａを起点にして、ループ長の３０％とした。即ち、Ｌ´＝３０％とした。
図７（ｃ）は、ワイヤー９１の繰り出し量を示す図である。この比較例では、ワイヤー９１の繰り出し量Ｍ´を、Ｍ´＝＋１２０μｍとした。
【００３２】
このように、比較例では、θ´＝２５°とし、Ｌ´＝３０％、Ｍ＝＋１２０とした。その結果は、図７（ｄ）に示す通りである。本発明の実施例とは異なり、この比較例では、ワイヤートップ９１ｃを圧着ボール９３の直上の位置とすることができなかった。また、この比較例において、ワイヤートップの高さｈ´は７０μｍ(ワイヤー径２０μｍの場合)であり、実施例のｈ４と比べて大きい値となった。
【符号の説明】
【００３３】
１  半導体チップ
２  パッド電極
１１  ワイヤー
１１ａ  一端
１１ｂ  他端
１１ｃ  ワイヤートップ
１２  屈曲部
１３  圧着ボール
１５  ボールネック
２０  リード
３０  封止樹脂
５０  キャピラリー
５１  内部
５２  先端
１００  半導体装置
【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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