JP2007035863A - 半導体装置 - Google Patents

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wire
semiconductor device
stud bump
wiring board
semiconductor chip
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Susumu Harada
享 原田
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

【課題】エッジショートの発生を防止し、小型化と信頼性の向上を共に実現し得る半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体装置１においては、配線基板２上に半導体チップ３が実装され、これらが封止樹脂４で封止されている。配線基板２のボンディングパッド５と、半導体チップ３の電極６とは、ボンディングパッド５に形成されたスタッドバンプ９を介してＡｕ線等のワイヤ７で結線されている。配線基板２裏面（マザーボード実装面側）には、配線基板２の所定位置を貫通して導体が設けられたスルーホールを介して、外部接続端子８が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に係り、特にワイヤボンディング方法を用いた半導体装置に関する。
一般に、ワイヤボンディング方法を用いた半導体装置では、先に、半導体チップにボールボンディングして、その後、半導体チップを実装する配線基板やインナーリードにステッチボンディングする構造、或いは、配線基板やインナーリードに対しボールボンディングして、その後、半導体チップに形成したスタッドバンプ上にステッチボンディングする構造が知られている。
例えば、特許文献１には、ワイヤが半導体チップの電極にボールボンディングされるとともに、リードフレームのボンディングパッドにステッチボンディングされた半導体装置が記載されている。
特開２００１−１１８８７７号公報
しかしながら、近年の半導体装置の小型化、薄型化に伴い、ワイヤの長さを短くしてループ高さを低くすると、従来のワイヤボンディング方法を用いた半導体装置では、ワイヤと半導体チップのコーナー部分（チップエッジ）との間隔が狭くなり、ワイヤとチップエッジが接触してエッジショートが発生し易くなるという問題があった。
また、複数の半導体チップを積層して封止した積層型の半導体装置では、該装置の小型化にともない、半導体チップ間の接着剤層の厚みを薄くすると、最上部以外の半導体チップにおいて、そのチップエッジにワイヤが接触し易くなるという問題があった。
さらに、配線基板やリードフレームのボンディングパッド密度を向上させて、該パッドピッチを狭ピッチ化することが求められているが、ワイヤの接続信頼性を得るための該パッドの幅の確保が、該パッドの高密度化を妨げていた。
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、エッジショートの発生を防止し、小型化と信頼性の向上を共に実現し得る半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る半導体装置は、電極を有する半導体チップと、前記半導体チップが実装され、ボンディングパッドを有する基材と、前記ボンディングパッド上に形成されたスタッドバンプと、前記スタッドバンプを介して、前記基材のボンディングパッドと前記半導体チップの電極とを電気的に接続するワイヤと、前記半導体チップと前記ワイヤを封止する封止樹脂とを具備することを特徴とする。
本発明の一態様による半導体装置は、基材上のボンディングパッドにスタッドバンプを形成し、このスタッドバンプを介して前記ボンディングパッドと半導体チップの電極とをワイヤボンディングしている。これによって、エッジショートの発生を防止し、半導体装置の小型化と信頼性の向上をともに実現することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
図１に示すように、半導体装置１は、ワイヤボンディング構造を有するＢＧＡ型半導体装置である。配線基板２上に半導体チップ３が実装され、これらが封止樹脂４で封止されている。配線基板２にはボンディングパッド５が設けられ、半導体チップ３には電極６が設けられており、ボンディングパッド５と電極６とは、Ａｕ線等のワイヤ７で結線されている。配線基板２裏面（マザーボード実装面側）には、配線基板２の所定位置を貫通して導体が設けられたスルーホールを介して、外部接続端子８が形成されている。
配線基板２のボンディングパッド５上には、小球状のＡｕ等からなるスタッドバンプ９が形成されている。ワイヤ７は、このスタッドバンプ９上にボールボンディングされるとともに、半導体チップ３の電極６上にステッチボンディングされている。このとき、少なくとも１個のスタッドバンプ９がボンディングパッド５に形成され、好ましくは、１個又は２個形成される。なお、スタッドバンプ９は、ワイヤボンディングする際に使用するワイヤボンディング装置によって作製される。
このようにして、配線基板２のボンディングパッド５上に、スタッドバンプ９を形成することにより、スタッドバンプ９を積層しない場合と比べてワイヤ７の始端の高さを高くすることができる。スタッドバンプ９が、ワイヤ７の始端の高さを調整することが可能なスペーサとして機能するため、ワイヤ７の長さが短くてもワイヤ７とチップエッジとの接触を回避することができる。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１は、例えば、以下のようにして作製される。
図２は、本実施形態に係る半導体装置１のワイヤボンディング工程の一例を示している。
まず、半導体チップ３を実装する配線基板２を用意する。配線基板２は、片面銅張り積層板を使用し、銅箔上に配線パターンを形成する。次いで、ボンディングパッド５を設け、配線基板２の所定位置を貫通させて、スルーホールを形成し導体を配置する。
続いて、電極６を有する半導体チップ３をエポキシ樹脂等の接着剤で配線基板２に実装する。
この後、キャピラリ１０を用いて、配線基板２のボンディングパッド５上にスタッドバンプ９を形成する。キャピラリ１０は、図２（ａ）に示すように、その中央にＡｕ線などのワイヤ７を挿通する挿通孔が設けられている。挿通孔から引き出されたワイヤ７の先端に、スパーク放電等によってボール１１を形成し、キャピラリ１０を配線基板２のボンディングパッド５上に下降させる。キャピラリ１０の先端に形成されたボール１１を一定の圧力（荷重）でボンディングパッド５上に押し付けるとともに、キャピラリ１０を超音波振動させて、ボンディングパッド５に超音波溶接させる。
そして、図２（ｂ）に示すように、キャピラリ１０とともにワイヤ７を上方に引き上げて切り離し、ボンディングパッド５にスタッドバンプ９を形成する。スタッドバンプ９を積層する場合も同様にして順次形成する。なお、ワイヤ７の始端の高さは、配線基板２から３０μｍ以上とすることが好ましい。このため、スタッドバンプ９は、１〜２個形成することが好ましい。スタッドバンプ９の大きさは、スパーク放電時の電流と時間をコントロールして、３０μｍ程度の一定の大きさにすることが好ましい。
再び、キャピラリ１０の挿通孔からワイヤ７を引き出して、その先端にスパーク放電等によりボール１１を形成する。キャピラリ１０をスタッドバンプ９上に下降させて、キャピラリ１０先端のボール１１をスタッドバンプ９に一定の圧力で押し付ける。その際、キャピラリ１０に超音波振動を与えることで、スタッドバンプ９にボールボンディングする。
図２（ｃ）に示すように、スタッドバンプ９上にボールボンディングした後、ワイヤ７をキャピラリ１０から引き出し、キャピラリ１０を半導体チップ３の電極６上に移動させる。そして、キャピラリ１０を下降させて、図２（ｄ）に示すように、ワイヤ７の終端を電極６上に押し付けるとともに、キャピラリ１０を超音波振動させて、電極６にステッチボンディングする。キャピラリ１０が半導体チップ３の電極６に接触する際、衝撃が強いと該チップ３に損傷を与えるため、下降速度を下げてソフトランディングさせることが好ましい。
以上の工程を経て、ボンディングパッド５と電極６とを結線するワイヤボンディングが完了する。
次に、半導体チップ３を実装してワイヤボンディングされた配線基板２を、モールド型内に配置して封止樹脂４を該型内に供給する。半導体チップ３とワイヤ７を含む配線基板２表面の略全域が樹脂封止されて、半導体パッケージの外形が作製される。
その後、配線基板２の裏面に、外部接続端子８を配線基板２のスルーホールに対応する位置に形成する。外部接続端子８は金属バンプからなり、この金属バンプを形成する方法としては種々あるが、例えばスクリーン印刷などによって、低融点合金（バンプ材料）を所定厚さに印刷した後、加熱し、低融点合金の表面張力を利用して、ボール状の金属バンプを形成する。低融点合金としては、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系などが挙げられる。
以上の工程を経て、半導体装置１が作製される。
以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置１によれば、配線基板２のボンディングパッド５上に、スタッドバンプ９を少なくとも１個形成することにより、スタッドバンプ９を配線基板２に積層しない場合と比べてワイヤ７の始端の高さが高くなる。これによって、ワイヤ７と半導体チップ３のチップエッジとの間に間隙を設けることができ、ワイヤ７とチップエッジとの接触を回避することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。なお、図１と同一の部分には、同一符号を付し、その説明を一部省略する。
半導体装置３１は、上述した第１の実施形態に係る半導体装置において、半導体チップ３の電極６上にスタッドバンプ３２が形成されている。ワイヤ７は、配線基板２のスタッドバンプ９にボールボンディングされるとともに、半導体チップ３の電極６上のスタッドバンプ３２にステッチボンディングされている。
このようにして、半導体チップ３の電極６上に予めスタッドバンプ３２を設けてから、このスタッドバンプ３２上にステッチボンディングすることで、キャピラリが直に半導体チップ３の電極６に接触することがないため、半導体チップ３に与える損傷を回避することができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の断面図である。なお、図１と同一部分には、同一符号を付し、その説明を一部省略する。
半導体装置４１は、上述した第１の実施形態に係る半導体装置において、配線基板２のボンディングパッド５上にスタッドバンプ９が形成されている。ワイヤ７は、半導体チップ３の電極６上にボールボンディングされるとともに、配線基板２のスタッドバンプ９にステッチボンディングされている。
このようにして、配線基板２のボンディングパッド５上に、スタッドバンプ９を少なくとも１個形成することにより、スタッドバンプ９を形成しない場合と比べてワイヤ７の終端の高さを高くすることができ、ワイヤ７の長さが短くても、ワイヤ７とチップエッジとの接触を回避することができる。
さらに、予め配線基板２のボンディングパッド５上にスタッドバンプ９を設けてから、このスタッドバンプ９にステッチボンディングすることで、細いワイヤ７を使用することができ、ボンディングパッド５の幅を狭くしても、ワイヤ７の接続信頼性を確保することができる。
本発明の第３の実施形態に係る半導体装置４１は、例えば、以下のようにして作製される。図５は、本実施形態に係る半導体装置４１のワイヤボンディング工程の一例を示している。
まず、半導体チップ３を接着剤で配線基板２に実装する。このとき、配線基板２にボンディングパッド５を配置し、半導体チップ３に電極６を設置する。
次に、図５（ａ）に示すように、キャピラリ１０の挿通孔から延出されたワイヤ７の先端に、スパーク放電等によってボール１１を形成し、キャピラリ１０を配線基板２のボンディングパッド５上に下降させる。キャピラリ１０の先端に形成されたボール１１を一定の圧力でボンディングパッド５上に押し付けて、同時にキャピラリ１０を超音波振動させて、ボンディングパッド５に超音波溶接させる。
そして、キャピラリ１０とともにワイヤ７を上方に引き上げて、ボンディングパッド５上にスタッドバンプ９を形成する。スタッドバンプ９を積層する場合も同様にして順次形成する。なお、スタッドバンプ９は、ワイヤ７の終端の高さを配線基板から３０μｍ以上とすることが好ましいため、１〜２個形成することが好ましい。
続いて、図５（ｂ）に示すように、半導体チップ３の電極６上にキャピラリ１０を移動させて、ワイヤ７の先端にボール１１を形成し、キャピラリ１０を下降させて、キャピラリ１０先端のボール１１を電極６上に一定の圧力で押し付ける。同時に、キャピラリ１０を超音波振動させて、電極６にボールボンディングする。
図５（ｃ）に示すように、電極６にボールボンディングした後、ワイヤ７をキャピラリ１０から引き出して、キャピラリ１０を配線基板２のスタッドバンプ９上に移動させる。そして、図５（ｄ）に示すように、キャピラリ１０を下降させて、ワイヤ７の終端をスタッドバンプ９上に押し付けるとともに、キャピラリ１０を超音波振動させて、スタッドバンプ９にステッチボンディングする。
以上の工程を経て、ボンディングパッド５と電極６に対するワイヤ７の結線が完了する。
次に、半導体チップ３、ワイヤ７を含む配線基板２表面の略全域を、樹脂封止する。
その後、配線基板２の裏面に、外部接続端子８を配線基板２のスルーホールに対応する位置に形成する。
以上の工程を経て、ボンディングパッド５と電極６とを結線するワイヤボンディングが完了する。
以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置４１によれば、配線基板２のボンディングパッド５上に、スタッドバンプ９を少なくとも１個形成することにより、スタッドバンプ９をボンディングパッド５に形成しない場合と比べてワイヤ７の終端の高さが高くなる。これによって、ワイヤ７とチップエッジとの間に間隙を形成することができ、ワイヤ７とチップエッジとの接触を回避することができる。
また、ワイヤ７の長さを短くしても、エッジショートが発生するおそれがないため、半導体装置４１内に設けるワイヤーループの配設領域を小さく、且つ低くすることができる。
すなわち、第1の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態に係る半導体装置によれば、半導体パッケージの高さを、半導体チップ３から１２０μｍ程度まで小型化（低背化）することが可能である。
さらに、ボンディングパッドのスタッドバンプ上にステッチボンディングすることにより、該パッドの幅を狭くすることができるため、パッドピッチを狭ピッチ化して高密度にすることが可能である。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置について、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態では、上述した第１の実施形態において、配線基板に複数の半導体チップを積層した場合について説明する。なお、図１と同一部分には、同一符号を付し、その説明を一部省略する。
半導体装置６１は、配線基板２に複数の半導体チップ３ａ、３ｂ、３ｃが積層され、これらが封止樹脂４で封止されている。配線基板２にはボンディングパッド５が設けられ、複数の半導体チップ３ａ、３ｂ、３ｃには電極６ａ、６ｂ、６ｃがそれぞれ設けられている。ボンディングパッド５と各電極６ａ、６ｂ、６ｃとは、Ａｕ線等のワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃでそれぞれ結線されている。配線基板２裏面（マザーボード実装面側）には、配線基板２の所定位置を貫通して導体が設けられたスルーホールを介して、外部接続端子８が形成されている。
配線基板２のボンディングパッド５上には、複数のスタッドバンプ積層体６２ａ、６２ｂ、６２ｃが形成されている。ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃは、スタッドバンプ積層体６２ａ、６２ｂ、６２ｃにそれぞれボールボンディングされるとともに、半導体チップ上の各電極６ａ、６ｂ、６ｃにステッチボンディングされている。なお、スタッドバンプ積層体における該バンプの積層数は、ワイヤボンディングする半導体チップの高さに応じて、調整することが好ましい。
このように基板のスタッドバンプ積層体にボールボンディングしてから、半導体チップの電極にステッチボンディングすることで、半導体チップ間の接着剤層の厚みを薄くしても、最上部の半導体チップ以外の該チップコーナー部分へのワイヤの接触を回避することができる。
本実施形態の半導体装置６１によれば、各ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃのループ高さをそれぞれ低く配設することができるため、半導体パッケージの高さを半導体チップ３ｃから７０μｍ程度まで小型化（低背化）することが可能である。
また、ワイヤ７ａ、７ｂ、７ｃのレイアウトに自由度を持たせることができるため、各ワイヤ間における接触の発生を回避することができる。
なお、本実施形態では、一例として、３個の半導体チップを積層した半導体装置６１を示したが、半導体チップの積層数はこれに限定されるものではない。
上述した実施形態の半導体装置６１によれば、ワイヤボンディングする際に用いるキャピラリ１０を、スタッドバンプの形成に使用することで１台のワイヤボンディング装置で連続的に行うことができ、半導体装置６１の製造効率を向上させることができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、例えばＱＦＰ（Quad Flat Package)型の半導体装置、基材にリードフレームを用いた場合についても適用することができる。そのような半導体装置についても、本発明に含まれるものである。
また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図１に示す半導体装置の製造方法におけるワイヤボンディング工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図４に示す半導体装置の製造方法におけるワイヤボンディング工程を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
符号の説明
１…半導体装置、２…配線基板、３…半導体チップ、４…封止樹脂、５…ボンディンパッド、６…電極、７…ワイヤ、８…外部接続端子、９…スタッドバンプ、３１…半導体装置、３２…スタッドバンプ、４１…半導体装置、６１…半導体装置。

Claims (5)

  1. 電極を有する半導体チップと、
    前記半導体チップが実装され、ボンディングパッドを有する基材と、
    前記ボンディングパッド上に形成されたスタッドバンプと、
    前記スタッドバンプを介して、前記基材のボンディングパッドと前記半導体チップの電極とを電気的に接続するワイヤと、
    前記半導体チップと前記ワイヤを封止する封止樹脂と
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記スタッドバンプは、前記基材のボンディングパッド上に少なくとも１個形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ボンディングパッド上に形成されたスタッドバンプの高さは、前記基材から３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記ワイヤは、前記スタッドバンプ上にボールボンディングされ、且つ前記半導体チップの電極上にステッチボンディングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記ワイヤは、前記半導体チップの電極上にボールボンディングされ、且つ前記スタッドバンプ上にステッチボンディングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
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