(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（３）と回路基板（１）上に形成された複数個の配線（４）とをワイヤボンディングで形成されたＡｕよりなる導線（１０）によって電気的に接続する方法であって、
前記複数個の配線（４）におけるワイヤボンディングを行う全ての部分に、前記回路基板（１）の加熱を伴わずにウェッジボンディングを行ってＡｕよりなるランド（５）を形成し、
その後、ボールボンディング用のワイヤボンダを用いて前記半導体素子（３）と前記ランド（５）との間をワイヤボンドすることにより前記導線（１０）を形成することを特徴とする半導体素子と回路基板との接続方法。
【請求項２】
前記ランド（５）を形成した後、前記回路基板（１）を加熱することにより、前記ランド（５）を構成するＡｕと前記配線（４）を構成する金属とを相互に拡散させることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子と回路基板との接続方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の電極と回路基板の配線とをワイヤボンディングで形成されたＡｕよりなる導線によって電気的に接続する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製品の高機能化とともに、例えばハイブリッドＩＣに実装される半導体素子（ベアチップＩＣ）の電極は、狭ピッチおよび多端子化の傾向にある。このため、半導体素子の電極と回路基板上の配線との間を狭ピッチ化に対応できるＡｕ（金）ワイヤボールボンディング手法を用いる必要性がでてきた。また、回路基板の低コスト化のために回路基板の配線にはコストの高いＡｕ等の貴金属ではなく、Ｃｕ（銅）等の卑金属を用いる必要性がある。
【０００３】
しかし、回路基板上のＣｕ配線にＡｕワイヤボールボンディング手法を実施する場合は回路基板を加熱する必要性があり、この加熱によりＣｕ配線が酸化してＡｕワイヤのボンディング接合性が低下するといった不具合がある。そこで、このような不具合に対して、回路基板上のＡｕワイヤをボンディングする部分（ボンディングランド部）を工夫することにより上述の不具合を解決する様々な提案がなされている。
【０００４】
例えば、特開昭５７−１３０４４３号公報に記載の発明においては、この発明の接続方法を用いた回路基板の模式的な断面図である図６に示すように、回路基板Ｊ１上のＣｕ配線Ｊ２のうちボンディングランド部Ｊ３をＡｕ厚膜などの貴金属を用いて予め形成しておく。そして、その後、上述の半導体素子Ｊ４の電極部Ｊ４ａと回路基板Ｊ１のボンディングランド部Ｊ３とを、Ａｕワイヤを用いてワイヤボンディングすることにより、半導体素子Ｊ４と回路基板Ｊ１とを導線Ｊ５によって電気的に接続するという手法を用いている。
【０００５】
また、特開平３−９１２５１号公報に記載の発明の接続方法を用いた回路基板の模式的な断面図を図７（ａ）に示す。この発明では、Ａｕ厚膜などを回路基板Ｊ１上に形成せずに、予め回路基板Ｊ１のＣｕ配線Ｊ２上にＡｕパッドＪ６を溶接してボンディングランド部を形成する。その後、特開昭５７−１３０４４３号公報と同様にＡｕワイヤからなる導線Ｊ５によって接続する。
【０００６】
さらに、特開平１０−１１２４７１号公報に記載の発明では、この発明の接続方法を用いた回路基板の模式的な断面図である図８（ａ）に示すように、予め回路基板Ｊ１のＣｕ配線Ｊ２上にＡｕワイヤボールボンディングを行ってボール状のバンプＪ７を形成しておき、その後は、特開昭５７−１３０４４３号公報と同様にＡｕワイヤからなる導線Ｊ５によって接続するという手法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開昭５７−１３０４４３号公報に記載の発明では、Ａｕ厚膜等の貴金属を用いるため回路基板のコストが高くなるという不具合がある。また、特開平３−９１２５１号公報に記載の発明では、ＡｕリボンからなるＡｕパッドＪ６をパラレルギャップ溶接等の手法で溶接する場合、このＡｕパッドＪ６の寸法は少なくとも１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさが必要である。図７（ｂ）はこの発明を用いた場合の回路基板の模式的な上面図である。
【０００８】
このＡｕパッドＪ６の大きさで、例えば、１００をこえる電極端子数をもつ半導体素子Ｊ４を回路基板Ｊ１に組み付け、ＡｕパッドＪ６を回路基板Ｊ１上にレイアウトした場合には、図７（ｂ）に示す様に、ワイヤボンディング部の実装面積が大きくなってしまう。そして、それにより、Ａｕワイヤからなる導線Ｊ５のボンディング長が長くなりすぎてＡｕワイヤボンディングができないといった不具合も生じる。従って、本公報に記載の発明では、近年の半導体素子の電極の狭ピッチ化および多端子化に対応できない。
【０００９】
一方、特開平１０−１１２４７１号公報に記載の発明を用いた場合、回路基板の模式的な上面図である図８（ｂ）に示す様に、Ａｕワイヤの接合性を確保し、かつ、例えば３００μｍピッチ程度の狭ピッチなＡｕワイヤボンディング用のランドを形成することができる。しかし、最初にＣｕ配線Ｊ２上にバンプＪ７を形成する手法はＡｕワイヤボールボンディングであるため、ボンディング時に回路基板Ｊ１を加熱する必要がある。これにより、回路基板Ｊ１上へのＡｕワイヤボンディングの本数が多い場合には、加熱時間が長くなるためにＣｕ配線Ｊ２の酸化が生じてしまい、バンプＪ７をうまく接合することができないといった不具合がある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み、半導体素子と回路基板上に形成された複数個の配線とをワイヤボンディングで形成されたＡｕよりなる導線によって電気的に接続する方法において、回路基板に形成された卑金属よりなる配線の酸化により、Ａｕワイヤボンディングの接合性が低下することを回避するとともに、狭ピッチ化に対応したワイヤボンディング用のランドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、回路基板（１）上に形成された複数個の配線（４）のワイヤボンディングを行う全ての部分に、回路基板（１）の加熱を伴わずにウェッジボンディングを行ってＡｕよりなるランド（５）を形成し、その後、ボールボンディング用のワイヤボンダを用いて半導体素子（３）とランド（５）との間をワイヤボンドすることによりＡｕよりなる導線（１０）を形成することを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、回路基板（１）の加熱を伴わずにウェッジボンディングを行ってランド（５）を形成しているので、回路基板（１）の配線（４）上にランド（５）を形成する際に配線（４）が酸化することを防ぎ、適切にランド（５）を形成することができる。また、ウェッジボンディングによりランド（５）を形成したことにより、ランド（５）の大きさはＡｕワイヤ（６）を少しつぶした程度の大きさにすることができる。そのため、複数個の配線（４）を狭ピッチ化しても、それに対応してランド（５）を形成できる。従って、回路基板に形成された卑金属よりなる配線の酸化により、Ａｕワイヤボンディングの接合性が低下することを回避するとともに、狭ピッチ化に対応したワイヤボンディング用のランドを提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、ランド（５）を形成した後、回路基板（１）を加熱することにより、ランド（５）を構成するＡｕと配線（４）を構成する金属とを相互に拡散させることを特徴としている。これにより、ランド（５）と配線（４）との接合性を向上させることができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、回路基板上に対するＡｕワイヤを用いたワイヤボンディングの方法であり、主にハイブリッドＩＣの実装に用いて好適である。図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体素子と回路基板との接続方法を示す工程図であり、本接続方法は、図３に示す本実施形態のフローチャートに示すように、ウェッジボンディングを行った後に、ボールボンディングを行うものことにより、最終的に図２（ｄ）に示す接続構造（部分断面図）を得るものである。なお、図１および図２（ａ）〜（ｃ）は、図２（ｄ）に対応した断面にて各接続工程の状態を示している。以下、接続工程順に説明する。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示す様に、回路基板（セラミック基板やプリント基板などの基板もしくはリードフレーム）１を用意する。この回路基板１の一面上には、ダイマウント材（例えばはんだやＡｇペースト）２により半導体素子３がダイマウントされ、半導体素子３上には、半導体素子３の内部回路と電気的に接続された複数の電極３ａが設けられている。一方、回路基板１の一面上のうち半導体素子３の設置領域と異なる部分には、Ｃｕ等の卑金属からなる配線材料を用いた複数の配線４が形成されており、本実施形態ではＣｕを用いている。
【００１７】
そして、ウェッジボンディング用のワイヤボンダを用いて、図１（ａ）〜（ｃ）に示す様に、この配線４上に、Ａｕよりなる複数個のＡｕランド５を、Ａｕワイヤ６を用いて室温において、つまり、回路基板１を加熱することなくウェッジボンディングにより形成する。ここで、本発明でいうウェッジボンディングとは、周知の様に、超音波振動をするウェッジボンディング用のワイヤボンドツール（以下、ウェッジツールとする）先端で、ボンディングワイヤを非接触物に押し付け、超音波振動と荷重により接合するという手法である。初めに、図１（ａ）に示す様に、ウェッジツール７の先端にボンディングワイヤとしてのＡｕワイヤ６があるような状態にする。ここで用いるＡｕワイヤ６の直径は、例えば、３０μｍ、５０μｍあるいは１００μｍ程度のものである。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示す様に、ウェッジツール７を配線４上に位置させてウェッジボンディングを行いＡｕランド５を形成する。具体的には、Ａｕワイヤ６をウェッジボンドした後、Ａｕワイヤ６をクランプして、図１（ｂ）のＡの部分で引きちぎるか、あるいは、カッター等で切ることによりＡｕランド５を形成することができる。ここで、Ａｕランド５の幅は、後述のボールボンディングを行う時に用いるＡｕワイヤ６の直径の１．５倍程度以上あるようにする。次に、図１（ｃ）に示す様に、次のＡｕランド５の形成に備える。以上これら図１（ａ）〜（ｃ）の工程を順次繰り返し、必要とされる全てのＡｕランド５を形成する。ここまでが、図３に示すＡｕワイヤウェッジボンディング工程Ｓ１である。
【００１９】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す様に、ボールボンディング用のワイヤボンダを用いて、回路基板１を加熱しつつ、半導体素子３の複数の電極３ａを１次側、回路基板１の配線４上に形成された複数のＡｕランド５を２次側として、ボールボンディングによって半導体素子３と回路基板１とをワイヤボンドする。まず、図２（ａ）に示すように、キャピラリ８の貫通孔にＡｕワイヤ６を挿通した状態で、トーチ電極９からの放電によりキャピラリ８から突出したＡｕワイヤ６の先端にＡｕボール６ａを形成する。ここで用いるＡｕワイヤ６の直径は、例えば、３０μｍ、５０μｍあるいは１００μｍ程度のものを用いることができる。
【００２０】
そして、図２（ｂ）に示すように、キャピラリ８を半導体素子３の電極３ａ上に位置させ、１次ボンディングを行う。次に、図２（ｃ）に示すように、Ａｕワイヤ６をルーピングしてキャピラリ８をＡｕランド５上に位置させ２次ボンディングを行い、Ａｕよりなる導線１０を形成する。そして、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を順次繰り返し、全てのＡｕランド５と対応する半導体素子３の電極３ａとを導線１０によって接続する。ここまでが、図３に示すＡｕワイヤボールボンディング工程Ｓ２である。以上、各工程Ｓ１およびＳ２を行うことにより、図２（ｄ）に示すように、半導体素子３の電極３ａと回路基板１の全てのＡｕランド５との間にＡｕワイヤ６よりなる導線１０が形成され、半導体素子３と回路基板１とが電気的に接続される。
【００２１】
ところで、本実施形態によれば、Ａｕランド５の形成をウェッジボンディングによって行っており、ウェッジボンディングは回路基板１の加熱を伴わずに行うことができるため、回路基板１の配線４上にＡｕランド５を形成する際に配線４が酸化することを防ぎ、適切にＡｕランド５を形成することができる。また、予め必要とされる全てのＡｕランド５を形成し、その後、そのＡｕランド５を２次側としてＡｕワイヤ６を用いてボールボンディングを行っており、２次ボンディングはＡｕどうしの接合であるため、Ａｕワイヤ６を用いたワイヤボンディングの接合性が低下することはない。
【００２２】
また、ウェッジボンディングによりＡｕランド５を形成するため、Ａｕワイヤ６を少しつぶした程度の大きさである小さなＡｕランド５を形成することができる。詳しくは、Ａｕランド５の上面図である図４に示すように、つぶれ幅ＷをＡｕワイヤ６のワイヤ径の１．５〜３倍程度にし、つぶれ長さＬをＡｕワイヤ６のワイヤ径の２〜５倍程度にすることができる。従って、回路基板に形成された卑金属よりなる配線の酸化により、Ａｕワイヤボンディングの接合性が低下することを回避するとともに、狭ピッチ化に対応したワイヤボンディング用のランドを提供することができる。
【００２３】
なお、Ａｕランド５を形成するのに用いるＡｕワイヤ６と、その後ボールボンディングを行うのに用いるＡｕワイヤ６との直径は同じであってもよいし異なっていてもよいが、Ａｕランド５に対して２次ボンディングを行った際にＡｕワイヤがＡｕランド５からはみ出さない様にする必要がある。また、本実施形態の接続方法では、回路基板１の配線４に形成されたＡｕランド５をボールボンディングの２次側としたが、これとは逆に、半導体素子３の電極３ａをボールボンディングの２次側としてもよい。
【００２４】
（他の実施形態）
本実施形態のフローチャートを図５に示す。本実施形態は、上述の実施形態におけるＡｕワイヤウェッジボンディング工程Ｓ１とＡｕワイヤボールボンディング工程Ｓ２との間に、加熱工程Ｓ３を行うものである。具体的には、この加熱工程Ｓ３では、回路基板１を、例えば、１５０℃程度の温度に加熱することができる。本実施形態によれば、回路基板１を加熱することにより、Ａｕランド５を構成するＡｕと配線４を構成するＣｕとを相互に拡散させ、Ａｕランド５の配線４への接合性を向上させることができる。
【００２５】
なお、この加熱工程Ｓ３は、Ａｕワイヤボールボンディング工程Ｓ２を行った後に行ってもよい。また、Ａｕワイヤボールボンディング工程Ｓ２においても回路基板１を加熱しているが、その時の温度は、例えば、１００〜１１０℃程度の温度であり、本実施形態の加熱工程Ｓ３における加熱温度よりも低い。従って、Ａｕランド５の配線４への接合性を向上させるためには、本実施形態の様に加熱工程Ｓ３を行うことが有効である。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子と回路基板との接続方法を示す工程図である。
【図２】図１に続く接続方法を示す工程図である。
【図３】本発明の実施形態のフローチャートである。
【図４】Ａｕランドの上面図である。
【図５】本発明の他の実施形態のフローチャートである。
【図６】従来の半導体素子と回路基板との接続方法を示す模式的な断面図である。
【図７】その他の従来の接続方法を示す模式的な図である。
【図８】もう一つのその他の従来の接続方法を示す模式的な図である。
【符号の説明】
１…回路基板、３…半導体素子、４…配線、５…Ａｕランド、１０…導線。
【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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