JP2005019468A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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semiconductor device
bonding
die pad
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Shuichi Ogata
秀一 尾方
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】小型薄型化を容易に出来る半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】ポリイミド膜（８）を形成した半導体素子（３ａ）をダイパッド（１）上に搭載し、その上に別の半導体素子（３ｂ）が積層されたスタック構造に対し、積層された半導体素子（３ａ）のボンディングパッド（９ａ）にスタッドバンプ（１０）を形成し、ダイパッド（１）上に搭載された半導体素子（３ａ）から接続する第１のワイヤー（４ｄ）とインナーリード（５）に接続する第２のワイヤー（４ｃ）が交互に接続され、各インナーリード（５）にそれぞれ一体的に連結された各アウターリード（６）と、搭載面、半導体素子、前記第１のワイヤー及び前記第２のワイヤー、前記インナーリード群を樹脂封止する４辺形の平板状に成形された封止樹脂体（７）とを備え、アウターリード（６）群を封止樹脂体（７）の少なくとも２辺からそれぞれ引き出す。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報記録再生装置等の電子機器に用いられる半導体素子を積層して使用されるシステム化された半導体装置に適した半導体装置及びその製造方法に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の多機能化、小型化、高密度化に対応するために、半導体装置などの半導体部品の高密度、高機能化、システム化が要求され、それに伴って、半導体部品に対してもシステム化され且つ小型、薄型であることが要望されている。以下、従来の半導体装置について説明する。一般にシステム化に用いられる半導体装置は半導体素子を積層し、電気的接続は、リードを介すか、素子同士を直接接続するよう構成されている。図１５は、従来の半導体装置の断面を示す図であり、図１６は代表的な半導体装置の配線図である。図１５及び図１６に示すように、従来の半導体装置はダイパッド１に接着剤２ａを塗布して、その上に半導体素子３ａを固着している。更に、その上に半導体素子３ｂを同じく接着剤２ｂで固着している。その半導体素子３ａには半導体素子３ｂから直接３ａに接続するワイヤー４ｂとその為の専用のボンディングパッド９ｂ及びワイヤー３ａからダイパッド１にある複数本のインナーリード５に接続するワイヤー４ｃが接続されている。また、半導体素子３ｂにはインナーリード５と接続するワイヤー４ａが接続されている。各インナーリード５と一体的に連結された各アウターリード６は封止樹脂体７から導出され、ダイパッド１、接着剤２、半導体素子３、ワイヤー４およびインナーリード５は封止樹脂体７で封止されている。また、封止樹脂体７は４辺形の平板状に形成されているとともに、アウターリード６は封止樹脂体７の４辺からそれぞれ引き出されている。
【０００３】
この半導体装置は、通常、半導体素子３ａと半導体素子３ｂを積層し、半導体素子３間を直接ワイヤーで接続している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−４３３５７号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平５−２９９４２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の半導体装置では、図１６及び図１７に示すように、半導体素子３ａに通常ボンディングパッド９ａよりも大きなボンディングパッド９ｂを設ける必要があり、半導体素子３の小型化が困難となっている。たとえ通常ボンディングパッド９ａと同サイズであっても図１８の矢印Ｘに示すように、ポリイミド膜８にワイヤー４ｂが接触する場合があり、強度低下を招き信頼性に大きな影響がある。また、ワイヤー４ａやワイヤー４ｂにより半導体装置の薄型化が困難となっている。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するもので、小型、薄型化を容易に出来る半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、ポリイミド膜を形成した半導体素子をダイパッド上に搭載し、更にその上に別の半導体素子が積層されたスタック構造に対し、前記積層された半導体素子のボンディングパッドにスタッドバンプを形成し、ダイパッド上に搭載された前記半導体素子から接続する第１のワイヤーとインナーリードに接続する第２のワイヤーが交互に接続され、各インナーリードにそれぞれ一体的に連結された各アウターリードと、搭載面、前記半導体素子、前記第１のワイヤー及び前記第２のワイヤー、前記インナーリード群を樹脂封止する４辺形の平板状に成形された封止樹脂体とを備え、前記アウターリード群を前記封止樹脂体の少なくとも２辺からそれぞれ引き出す構成である。
【０００９】
この構成により、半導体素子間を接続する為に設けていた専用のボンディングパッドを無くせるため、半導体素子及び半導体装置の小型化が可能となる。また、ワイヤーを交互に接続することによりワイヤー間のショートを防止することが出来る。更に前記第１のワイヤーにより積層された前記半導体素子上の封止樹脂厚を薄くすることが出来る為、前記半導体装置の薄型化が容易となる。
【００１０】
上記半導体装置は、積層された半導体素子のボンディングパッド上に予め金バンプを形成しておくかあるいは、Ｃｕ配線と金で構成されたワイヤーボンディングパッド用のランドを形成されたものでもよい。
【００１１】
また、スタッドバンプ及び金バンプはポリイミド膜より高く形成されることが望ましい。
【００１２】
更に、上記半導体装置は前記構成によりボンディングパッドの配置に制約がなくなり更なる小型化が可能となる。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法は、ダイパッドと、ダイパッドの周辺に配置される複数本のインナーリードと、そのインナーリードにそれぞれ連結された各アウターリードとを、金属板を型抜きして構成したリードフレームを準備する第１の工程と、次に前記ダイパッドに半導体素子を搭載した後、前記半導体素子上に別の半導体素子を積層する第２の工程と、前記ダイパッドに搭載された半導体素子からインナーリードにワイヤーを接続し、その後前記積層された半導体素子のボンディングパッドにスタッドバンプを形成した後、ダイパッドに搭載された半導体素子から前記スタッドバンプ上にワイヤーを接続する第３の工程と第３工程を経た途中のリードフレームのアウターリードを封止金型に型締めし、その状態で樹脂封止を行う第４の工程とを有したものである。
【００１４】
また、ダイパッドと、ダイパッドの周辺に配置される複数本のインナーリードと、そのインナーリードにそれぞれ連結された各アウターリードとを、金属板を型抜きして構成したリードフレームを準備する第１の工程と、前記ダイパッドに半導体素子を搭載した後、前記半導体素子上に予めボンディングパッド上に金バンプが施された半導体素子あるいはボンディング用ランドが施された半導体装置を積層する第２の工程と、前記ダイパッドに搭載された半導体素子からインナーリードにワイヤーを接続し、その後、ダイパッドに搭載された半導体素子から金バンプあるいはボンディング用ランド上にワイヤーを接続する第３の工程と第３工程を経た途中のリードフレームのアウターリードを封止金型に型締めし、その状態で樹脂封止を行う第４の工程とを有したものである。
【００１５】
この方法によれば、ワイヤー同士のショートも無くワイヤーの高さを低くすることが出来、半導体装置の薄型が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による半導体装置の実施形態について説明する。
【００１７】
図１（ａ）は第１の実施形態による半導体装置の断面図、図１（ｂ）は要部拡大断面図である。図１に示すように、第１の実施形態による半導体装置は、ダイパッド１に接着剤２ａを塗布して、その上にポリイミド膜８が施された半導体素子３ａを固着し、その半導体素子３ａ上に接着剤２ｂを塗布して、その上にポリイミド８が施された別の半導体素子３ｂを積層している。その半導体素子３ｂのボンディングパッド９ａ上にはスタッドバンプ１０が形成され、半導体素子３ａとダイパッド１周辺にある複数本のインナーリード５とそれぞれ電気的に接続されたワイヤー４ｃと半導体素子３ａとスタッドバンプ１０がワイヤー４ｄで接続されている。各インナーリード５と一体的に連結された各アウターリード６は封止樹脂体７から導出され、ダイパッド１、接着剤２、半導体素子３、ワイヤー４及びインナーリード５は封止樹脂体７で封止されている。また、封止樹脂体７は４辺形の平板状に成形されているとともに、アウターリード６は封止樹脂体７の４辺からそれぞれ引き出されている。スタッドバンプ１０の材料は金などを使用して５〜２０μｍの厚さ、面積は７５０〜３０００μｍ２の範囲に形成するのが好ましい。
【００１８】
図２は、第２の実施形態による半導体装置の断面図（ａ）と要部拡大断面図（ｂ）である。実施形態は前述の第１の実施形態と殆ど変わらないが、図２にもあるように、スタッドバンプ１０の変わりに金バンプ１１を形成することにより、第１の実施形態より工程を減らすことが出来る。金バンプ１１は２〜５μｍの厚さ、面積は１０００〜４０００μｍ２の範囲に形成するのが好ましい。
【００１９】
図３は、第３の実施形態による半導体装置の断面図（ａ）と要部拡大断面図（ｂ）である。実施形態は前記の第１及び第２の実施形態と殆ど変わらないが、スタッドバンプ１０および金バンプ１１の変わりにワイヤーボンディング用のランド１２を形成することによりボンディングパッドの配置に制約が無くなり、更なる小型化が可能となる。ランド１２の材料は銅あるいは金などを使用して１〜２μｍの厚さ、面積は１５００〜２０００μｍ２の範囲に形成するのが好ましい。
【００２０】
図４は、第１〜３の実施形態による半導体装置の要部拡大平面図である。図４にもあるように、半導体素子３ａのボンディングパッド９ａを一列に配置し、ワイヤー４ｃとワイヤー４ｄを交互に接続することで、半導体素子３ａをより小さくすることができる。更に、ワイヤーを接続する工程にて、ワイヤー間のショートを防ぐことが可能となる。また、スタッドバンプ１０、金バンプ１１はボンディング時の接合強度を保ちながら接続することが出来るので、信頼性への影響を低減できる。
【００２１】
図５は、第１〜３の実施形態による半導体装置の要部拡大断面図である。図５にもあるように、ボンディングパッド９ａを一列に配置しているため、ボンディングが容易に行なうことができる。
【００２２】
次に、図１〜図３に示した半導体装置を製造する方法を図６〜図１５に基づいて説明する。図６はダイボンディングの前工程を説明するための工程断面図、図７はダイパッド１に搭載する半導体素子３ａのダイボンディング工程を説明するための工程断面図であり、図８は積層する半導体素子３ｂのダイボンディング工程を説明する為の工程断面図である。図９及び図１０はダイパッド１に搭載された半導体素子３ａからインナーリード５にワイヤーボンディングする工程を説明する為の工程断面図であり、図１１はスタッドバンプ１０を形成する工程を説明する為の工程断面図、図１２及び図１３はダイパッド１に搭載された半導体素子３ａから積層された半導体素子３ｂにワイヤーボンディングする工程を説明する為の工程断面図である。
【００２３】
まず、図６に示すように、半導体素子ボンディング装置（図示せず）のステージ１４上において、ダイパッド１上に半導体素子３ａを固着するための接着剤２ａを塗布する。接着剤２ａの塗布はディスペンサ１５を用いて、接着剤２ａを滴下することにより行う。接着剤２ａは一例として熱硬化性のエポキシ樹脂にＡｇ粉を混合させたＡｇペーストからなる。
【００２４】
次に、図７に示すように、接着剤２ａを塗布したダイパッド１上にコレット１６ａを用いて半導体素子３ａを搭載した後、ヒートステージ（図示せず）上で加熱し、接着剤２ａを硬化させる。一例として、半導体素子３ａは、外形寸法が７ｍｍ角、厚さが０．２ｍｍ程度のシリコン単結晶である。また、加熱条件は１８０〜２５０℃、３０秒から６０秒程度である。なお、接着剤２ａの硬化はキュア炉を用いても良い。
【００２５】
次に、図８に示すように、ダイパッド１に固着された半導体素子３ａの上にコレット１６ｂを用い予め接着材２ｂが施された半導体素子３ｂを積層した後、キュア炉で加熱し、接着剤２ｂを硬化させる。一例として、接着剤２ｂは熱硬化性のポリイミドテープの表裏に接着剤が施されたＬＥテープ、半導体素子３ｂは、外形寸法が４ｍｍ角、厚さが０．２ｍｍ程度のシリコン単結晶である。
【００２６】
次に、図９及び図１０に示すように、ボンディングパッド９ａとインナーリード５とをワイヤー４ｃを用いて電気的に接続する。ワイヤーボンド装置（図示せず）のヒートステージ１７には、ダイパッド１が入る逃がし部が形成されており、インナーリード５のワイヤーボンディング領域外周部を固定治具（図示せず）によって固定しながら行う。一例として、ワイヤーは、直径２０〜３５μｍのＡｕワイヤーを用いる。
【００２７】
次に、図１１、図１２及び図１３に示すように、半導体素子３ｂのボンディングパッド９ａ上にスタッドバンプ１０を形成した後、半導体素子３ａのボンディングパッド９ａとスタッドバンプ１０とをワイヤー４ｂを用いて電気的に接続する。この際に使用するワイヤー及び設備は他のワイヤーボンド工程と同一のものを使用する。
【００２８】
次に別の方法を説明する。図８で説明した工程にて予め金バンプ１１あるいはワイヤーボンディング用のランド１２が施された積層される半導体素子３ｂを用いることにより、図１１に示したスタッドバンプ１０を形成する工程を省くことが出来る。
【００２９】
このようにして、各単位のリードフレーム毎にダイボンディング、ワイヤーボンディングされた後、単位リードフレーム群を一括して樹脂封止して封止樹脂体７群が同時成形される。
【００３０】
次に、樹脂封止工程を説明するための工程要部拡大断面図である図１４を参照しながら、樹脂封止工程について説明する。
【００３１】
図１４は、トランスファ成形装置を示しており、シリンダ装置（図示せず）によって型締めされる一対の上型１９と下型２０とを備えており、キャビティー上２１とキャビティー下２２とで、キャビティー単体を形成するように、それぞれ複数組み埋設されている。上型１９の合わせ面にはポット２３が開設されており、ポット２３にはシリンダ装置（図示せず）により進退されるプランジャー２４が成形材料としての樹脂を送給し得るように挿入されている。下型２０の合わせ面にはカル２５がポット２３と対向位置に配されて埋設されているとともに、ランナー２６がポット２３とそれぞれ接続されている。更に各ランナー２６の他端部はキャビティー下２２にそれぞれ接続されており、その接続部にはゲート２７が樹脂をキャビティー内に注入し得るよう形成されている。また、下型２０の合わせ面には、逃がし部２８がリードフレーム重合体１８におけるリードフレーム１３の厚み分を逃げ得るように、その外形も若干大きめの長方形で、その厚さよりも若干浅い深さに成形されている。このような構成のトランスファ成形装置を用いて、樹脂封止は以下の方法で行われる。
【００３２】
１８０℃程度に加熱された上記トランスファ装置の封止金型の逃がし部２８にリードフレーム重合体１８を装着し封止金型を型締めする。次に、円錐形に打錠された樹脂（図示せず）をポット２３に挿入し、プランジャー２４により樹脂がカル２５、ランナー２６、ゲート２７を通じて各キャビティーに圧入される。注入後、樹脂が熱硬化されて封止樹脂体７が形成されると、上型１９及び下型２０は型開きされるとともに、エジェクタ・ピン（図示せず）により封止樹脂体７群が離型され、樹脂成形されたリードフレーム重合体１８はトランスファ成形装置から脱装される。
【００３３】
このようにして、樹脂成形された封止樹脂体７の内部には、ダイパッド１、接着剤２、半導体素子３、ワイヤー４、インナーリード５が樹脂封止されることとなる。
【００３４】
次に、樹脂成形されたリードフレーム重合体１８の封止樹脂体７以外の部分に半田外装めっきを施す（図示せず）。リードフレーム１３の少なくとも半導体装置の完成品となる部分にＰｄめっきが施されている場合は、半田外装めっきは必要としない。
【００３５】
半田外装めっきを経た後、あるいは半田外装めっきされる前の樹脂成形されたリードフレーム重合体１８を、切断装置（図示せず）によって、各単位リードフレーム毎に順次、ダムバー（図示せず）を切断する。
【００３６】
次に、リード成形装置（図示せず）によって、アウターリード６に先端と内枠の一部を切断した後、アウターリード６をガルウイング形状に屈曲成形し、内枠の一部を切断し、半導体装置を外枠から切り離す。
【００３７】
以上のようにして、図１〜図３に示す半導体装置を完成することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の半導体装置は、積層される半導体素子上にスタッドバンプ、金バンプあるいはワイヤーボンディング用のランドを形成することで、ダイパッドに搭載される半導体素子上に専用のパッドを設けなくて良くなり、ボンディングパッドを直列配置できるので半導体素子の小型化が可能になる。また、ワイヤーをインナーリードへと積層された半導体素子へと交互に接続することにより、ワイヤー間のショートを防止することが出来る。更に、スタッドバンプ及び金バンプを介してワイヤーボンディングすることで樹脂厚を薄くすることができ半導体装置の薄型化が容易となり且つ接合強度が充分確保できる品質の優れた半導体装置である。
【００３９】
また、本発明の半導体装置の製造方法では、ワイヤーボンド工程において既存設備を活用し、ワイヤーの形成順序を指定することで効率の良い製造が可能となることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す図であり、（ａ）は半導体装置の要部拡大断面図、（ｂ）は半導体装置の要部拡大要部拡大断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す図であり、（ａ）は半導体装置の要部拡大断面図、（ｂ）は半導体装置の要部拡大要部拡大断面図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す図であり、（ａ）は半導体装置の要部拡大断面図、（ｂ）は半導体装置の要部拡大要部拡大断面図
【図４】図１の要部拡大平面図
【図５】図１の要部拡大要部拡大断面図
【図６】本発明の第１〜第３の実施形態のダイボンディング工程の前工程を説明する為の工程断面図
【図７】本発明の第１〜第３の実施形態のダイボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図８】本発明の第１〜第３の実施形態のダイボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図９】本発明の第１〜第３の実施形態のワイヤーボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図１０】本発明の第１〜第３の実施形態のワイヤーボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図１１】本発明の第１の実施形態でのスタッドバンプ形成工程を説明する為の工程断面図
【図１２】本発明の第１〜第３の実施形態のワイヤーボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図１３】本発明の第１〜第３の実施形態のワイヤーボンディング工程を説明する為の工程断面図
【図１４】本発明の第１〜第３の実施形態の樹脂封止工程を説明する為の工程断面図
【図１５】従来の半導体装置を示す半導体装置の断面図
【図１６】従来の半導体装置を示す半導体装置の要部拡大平面図
【図１７】従来の半導体装置を示す半導体装置の要部拡大平面図
【図１８】従来の半導体装置を示す半導体装置の要部拡大平面図
【符号の説明】
１ ダイパッド
２，２ａ，２ｂ 接着剤層
３，３ａ，３ｂ 半導体素子
４，４ａ〜４ｄ ワイヤー
５ インナーリード
６ アウターリード
７ 封止樹脂体
８ ポリイミド膜
９ ボンディングパッド
９ａ 通常のボンディングパッド
９ｂ 専用のボンディングパッド
１０ スタッドバンプ
１１ 金バンプ
１２ ワイヤーボンディング用ランド
１３ リードフレーム
１４ ステージ
１５ ディスペンサ
１６ コレット
１６ａ，１６ｂ コレット
１７ ヒートステージ
１８ リードフレーム重合体
１９ 上型
２０ 下型
２１，２２ キャビティー上
２３ ポット
２４ プランジャー
２５ カル
２６ ランナー
２７ ゲート
２８ 逃がし部

Claims (3)

  1. ボンディングパッドを露出するように覆ったポリイミド膜を含み、複数個積層された半導体素子のボンディングパッドに形成され、
    前記ポリイミド膜の厚さよりも大きい高さを有するバンプと前記半導体素子が設置されるダイパッドを有したリードフレームと、
    前記ボンディングパッドと前記スタッドバンプを電気的に接続した第１のワイヤーと前記ボンディングパッドと前記リードフレームを接続した第２のワイヤーを封止し、
    前記第１のワイヤーと前記第２のワイヤーが交互に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. ボンディングパッドを露出するように覆ったポリイミド膜を有し、複数個積層された半導体素子及び少なくとも積層された１以上の前記ポリイミド膜上に形成された前記ボンディングパッドと電気的に接続されたワイヤーボンディング用のランドと前記半導体素子が設置されるダイパッドを含むリードフレームと、前記ボンディングパッドと前記ボンディング用ランドを電気的に接続した第１のワイヤーと前記ボンディングパッドと前記リードフレームを接続した第２のワイヤーを封止する樹脂を備えた半導体装置。
  3. 前記ダイパッドの周辺に配置される複数本のインナーリードと、そのインナーリードにそれぞれ連結された各アウターリードとを、金属板を型抜きして構成したリードフレームを準備する第１の工程と、
    前記ダイパッドに前記半導体素子を搭載する第２ａの工程と、前記半導体素子上に別の半導体素子を積層する第２ｂの工程と、
    前記第２のワイヤーを接続しその後前記スタッドバンプを形成し第１のワイヤーを接続する第３の工程と、
    第３工程を経た途中のリードフレームのアウターリードを封止金型に型締めし、その状態で樹脂封止を行う第４の工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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