JP2008282941A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】接着層に起因する半導体素子のワイヤボンディング性を改善することによって、金属ワイヤの接続信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置1は、配線基板2の素子搭載部3に接着層6を介して接着された半導体素子5を具備する。半導体素子5の電極パッド7は、配線基板2の接続パッド4と金属ワイヤ8を介して電気的に接続されている。接着層6は第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との積層構造を備える。第1の接着剤層9は半導体素子5の側面に回り込んだフィレット部9bを有する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置1は、配線基板2の素子搭載部3に接着層6を介して接着された半導体素子5を具備する。半導体素子5の電極パッド7は、配線基板2の接続パッド4と金属ワイヤ8を介して電気的に接続されている。接着層6は第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との積層構造を備える。第1の接着剤層9は半導体素子5の側面に回り込んだフィレット部9bを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は半導体装置に関する。
半導体素子と配線基板やリードフレーム等の回路基材との電気的な接続にワイヤボンディングを適用した半導体パッケージを作製するにあたっては、まず半導体素子の裏面に接着剤層を形成し、この接着剤層を介して半導体素子を回路基材上に接着する。また、1つのパッケージ内に複数の半導体素子を収容する場合には、複数の半導体素子を順に接着して積層する。各半導体素子に対してワイヤボンディング工程を実施し、回路基材の接続部と各半導体素子の電極パッドとを金属ワイヤを介して電気的に接続する。
金属ワイヤの接続は熱と超音波振動を併用して、電極パッド等のボンディング部と金属ワイヤの端部とを結合させることが一般的である。この際、半導体素子を固着する接着剤層が軟らかすぎると、ボンディング部に印加した超音波振動が吸収され、金属ワイヤの接続強度が低下するという問題がある。このような点に対して、接着剤層を硬くすることで超音波振動の吸収を抑制することができるものの、この場合には接着剤層の濡れ性が低下し、接着剤の濡れ不良箇所を起点にして半導体素子が剥離することが懸念される。
特に、ロジック素子は高機能化や高集積化により、世代が進むごとに小型化する傾向がある。小型化された半導体素子の電極パッドと基板との接続にワイヤボンディングを適用した場合、超音波振動が軟らかい接着剤層に吸収されることに加えて、ボンディング時に小型の半導体素子(特に細長形状の半導体素子)が動くことで超音波振動がさらに吸収されやすくなる。このため、金属ワイヤの接続強度が低下しやすいという問題がある。
なお、特許文献1には半導体素子の接着剤層の厚さを確保することを目的として、2層構造の接着剤層を適用することが記載されている。ここでは、1層目の接着剤層がある程度硬化した状態で2層目の接着剤層を形成することによって、厚さを厚くした接着剤層を得ている。単に接着剤層を2層構造にして厚くしただけでは、ワイヤボンディング時に印加される超音波振動の吸収を抑制することはできない。
また、特許文献2には半導体素子の反り等を防止しつつ金属ワイヤの接続不良を抑制することを目的として、半導体素子の四隅を含む領域を低弾性率の樹脂ペーストでリードフレームのダイパッドに接着し、半導体素子の中央部を含む領域を高弾性率の樹脂ペーストでダイパッドに接着することが記載されている。この場合、ワイヤボンディング時の超音波振動は低弾性率の樹脂ペーストで形成された接着層に印加されることになるため、接着層による超音波振動の吸収に起因する金属ワイヤの接続不良を抑制することはできない。
特開2000−100836号公報
特開2004−356455号公報
本発明の目的は、接着層に起因する半導体素子のワイヤボンディング性を改善することによって、金属ワイヤの接続信頼性を向上させた半導体装置を提供することにある。
本発明の一態様に係る半導体装置は、素子搭載部と接続部とを有する回路基材と、前記回路基材の前記素子搭載部に接着層を介して接着され、電極パッドを有する半導体素子と、前記回路基材の前記接続部と前記半導体素子の前記電極パッドとを電気的に接続する金属ワイヤとを具備し、前記接着層は第1の接着剤層と第2の接着剤層との積層構造を備え、かつ前記第1および第2の接着剤層の一方は前記半導体素子の側面に回り込んだフィレット部を有することを特徴としている。
本発明の他の態様に係る半導体装置は、素子搭載部と接続部とを有する回路基材と、前記回路基材の前記素子搭載部に第1の接着層を介して接着され、第1の電極パッドを有する第1の半導体素子と、前記第1の半導体素子上に第2の接着層を介して接着され、第2の電極パッドを有する第2の半導体素子と、前記回路基材の前記接続部と前記第1の半導体素子の前記第1の電極パッドとを電気的に接続する第1の金属ワイヤと、前記回路基材の前記接続部と前記第2の半導体素子の前記第2の電極パッドとを電気的に接続する第2の金属ワイヤとを具備し、前記第2の接着層は第1の接着剤層と第2の接着剤層との積層構造を備え、かつ前記第1および第2の接着剤層の一方は前記第2の半導体素子の側面に回り込んだフィレット部を有することを特徴としている。
本発明の態様に係る半導体装置においては、2層構造の接着剤層のうちの一方に半導体素子の側面に回り込んだフィレット部を設けているため、半導体素子の固定性を高めることができる。これによって、ワイヤボンディング時に超音波振動が効率よく印加されるため、金属ワイヤの接続信頼性に優れる半導体装置を提供することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。同図に示す半導体装置1は、素子搭載用の回路基材として配線基板2を有している。回路基材は半導体素子を搭載することが可能で、かつ回路部を有するものであればよく、配線基板2に代えて素子搭載部と回路部とを一体化したリードフレーム等を適用してもよい。
配線基板2を構成する基板には、樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板、あるいは半導体基板を適用することができる。配線基板2の具体例としては、ガラス−エポキシ樹脂やBT樹脂(ビスマレイミド・トリアジン樹脂)等を使用したプリント配線基板が挙げられる。配線基板2の上面には素子搭載部3が設けられており、その周囲にはワイヤ接続時のボンディング部(接続部)となる接続パッド4が形成されている。図示を省略したが、配線基板2の下面側には外部接続端子(半田バンプ等)が設けられる。
配線基板2の素子搭載部3には、半導体素子5が接着層6を介して接着されている。半導体素子5はトランジスタを含む回路等が形成された素子本体の表面(上面)に配置された電極パッド7を有している。電極パッド7はAuワイヤ等の金属ワイヤ8を介して配線基板2の接続パッド4と電気的に接続されている。半導体素子5は図示を省略した封止樹脂(エポキシ樹脂等)で金属ワイヤ8と共に封止される。これらによって、半導体パッケージとして用いられる半導体装置1が構成される。
接着層6は第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との積層構造を有している。半導体素子5側に配置された第1の接着剤層9は、配線基板2と半導体素子5との間に存在する層形状部9aに加えて、半導体素子5の側面に回り込んだフィレット部9bを有している。これに対して、配線基板2側に配置された第2の接着剤層10は、配線基板2と半導体素子5との間に存在する層形状部のみで構成されている。第1および第2の接着剤層9、10の配置はこれに限られるものではなく、図2に示すように第1の接着剤層9を配線基板2側に配置し、第2の接着剤層10を半導体素子5側に配置してもよい。
第1の接着剤層9には、半導体素子5の接着工程でフィレット部9bが形成されるような接着性の絶縁樹脂が用いられる。具体的には、半導体素子5の接着工程の熱処理温度(例えば100〜200℃)で一旦軟化してフィレット部9bを形成し、接着工程後には接着層と機能する硬化状態が得られる絶縁樹脂が用いられる。接着工程でフィレット部9bを形成するにあたって、第1の接着剤層9は接着時の弾性率が1×105Pa未満の絶縁樹脂で構成することが好ましい。絶縁樹脂の接着時の弾性率が1×105Paを超えると、接着工程における半導体素子5の側面へのはみ出し量が不足し、良好なフィレット部9bを形成することが困難になるおそれがある。
第1の接着剤層9を構成する絶縁樹脂としては、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。特に、耐熱性、電気絶縁性、取り扱い性等の点からエポキシ系樹脂が好適である。第1の接着剤層9は、熱硬化性樹脂組成物(樹脂ワニス)を半導体素子5の裏面(あるいは第2の接着剤層10の表面)に塗布し、この塗布層を熱処理して硬化させた熱硬化層であることが好ましい。熱硬化性樹脂組成物の塗布層は、接着工程前に予備加熱して半硬化状態(Bステージ)としてもよい。これによって、半導体装置1の製造工程における熱硬化前の第1の接着剤層9の取り扱い性が向上する。
第2の接着剤層10には、半導体素子5の接着工程で層形状が維持される、言い換えると接着工程の熱処理温度(例えば100〜200℃)に対してある程度の硬さが維持される接着性の絶縁樹脂が用いられる。接着工程における層形状の維持機能を得る上で、第2の接着剤層10は接着時の弾性率が1×105Pa以上の絶縁樹脂で構成することが好ましい。第2の接着剤層10を構成する絶縁樹脂としては、ポリイミド系樹脂やフッ素系樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。特に、耐熱性や接着性等の点からポリイミド系樹脂が好適である。第2の接着剤層10は熱可塑性樹脂フィルムとして用いることが好ましい。
ここで、接着時の弾性率とは半導体素子5の接着工程(熱処理工程)における最低弾性率を示すものとする。例えば、熱硬化性樹脂は加熱過程で一旦軟化し、さらに加熱を続けることにより熱硬化する。従って、熱硬化性樹脂からなる接着剤層の接着時の弾性率とは、加熱当初に軟化した時点での弾性率を示す。また、熱可塑性樹脂は加熱すると軟化し、加熱を止めて冷却すると元の状態に戻る。従って、熱可塑性樹脂からなる接着剤層の接着時の弾性率とは、加熱で軟化したときの弾性率を示す。
絶縁樹脂の種類や組成等にもよるが、一般的には熱硬化性樹脂の加熱過程での軟化状態における弾性率より熱可塑性樹脂の加熱時の弾性率の方が高い。従って、熱硬化性樹脂の塗布層(もしくは半硬化層)で第1の接着剤層9を構成し、熱可塑性樹脂フィルムで第2の接着剤層10を構成することによって、半導体素子5の接着工程で第2の接着剤層10の層形状を維持しつつ、第1の接着剤層9を軟化させてフィレット部9bを形成することができる。第1の接着剤層9は接着工程後には硬化した状態となり、また第2の接着剤層10も接着機能を発揮するため、接着層6自体の機能を損なうことはない。
図1に構造を示した半導体装置1では、接着工程で加熱しつつ半導体素子5を加圧した際に、軟化した第1の接着剤層9が半導体素子5と第2の接着剤層10とで挟み込まれるため、第1の接着剤層9の一部を半導体素子5の側面に良好にはみ出させることができる。フィレット部9bを形成した後の接着層6の厚さは第2の接着剤層10で維持することができる。さらに、フィレット部9bの大きさ(面方向の幅)は、半導体素子5の側面に回り込んだときの高さに対応するため、第2の接着剤層10で高さを維持することでフィレット部9bの大きさを増大させることができる。これらによって、良好な形状を有するフィレット部9bを得ることが可能となる。
図2に構造を示した半導体装置1では、接着工程で加熱しつつ半導体素子5を加圧した際に、軟化した第1の接着剤層9が半導体素子5と第2の接着剤層10に加圧されるため、半導体素子5と第2の接着剤層10との合計厚に基づいて、第1の接着剤層9の一部を半導体素子5の側面に良好にはみ出させることができる。フィレット部9bの形状や大きさは、図1に構造を示した半導体装置1と同様とすることができる。さらに、フィレット部9bを形成した後の接着層6の厚さは第2の接着剤層10で維持することができる。
第1の接着剤層9を単層で用いた場合には、フィレット部9bの形成範囲は半導体素子5の厚さ内に限られるため、フィレット部9bの大きさが限定されることになる。さらに、フィレット部9bを形成した後の第1の接着剤層9のみで接着層が構成されるため、フィレット部9bの形成量を増大させるにしたがって接着層の厚さが薄くなる。これでは半導体素子5の接着性自体が低下し、半導体素子の剥離不良等が生じるおそれがある。
第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との2層構造を有する接着層6の厚さは、半導体素子5の厚さにもよるが、5〜40μmの範囲とすることが好ましい。接着層6の厚さが5μm未満であると、フィレット部9bを良好に形成することができないおそれがある。接着層6の厚さを40μmを超えて厚くしてもそれ以上の効果が得られないだけでなく、接着層6の厚さを含む半導体素子5の積層厚が増大するため、半導体装置1の薄型化を阻害するおそれがある。第1の接着剤層9の厚さは5〜20μmの範囲とすることが好ましい。これによって、半導体装置1としての厚さの再現性を高めることができる。
このように、第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との2層構造を有する接着層6を適用することによって、半導体素子5の側面を良好な形状を有するフィレット部9bで固定することができる。半導体素子5を配線基板2との間に配置された接着層6に加えて、側面に回り込んだフィレット部9bで固定することで、半導体素子5の固定状態を高めることができる。特に、フィレット部9bは半導体素子5の面方向へのずれを抑制するため、ワイヤボンディング時に超音波振動を金属ワイヤ8に効率よく伝えることができる。
すなちわ、ワイヤボンディングは一般的に荷重(また必要に応じて熱)を加えつつ超音波振動を半導体素子の面方向に印加することによって実施される。この際、半導体素子の固定力が不十分で、超音波振動の印加と共に半導体素子が面方向にずれると、超音波振動が吸収されて印加が不十分となり、金属ワイヤの接合力や接合信頼性が低下する。超音波振動の印加に伴う半導体素子の面方向へのずれは、超音波振動の印加方向と平行な方向に対する半導体素子の長さ(一辺の長さ)が3mm以下である場合に顕著となる。
このような点に対して、フィレット部9bで半導体素子5の面方向へのずれを抑制することによって、ワイヤボンディング時に印加する超音波振動を金属ワイヤ8に効率よく伝えることができる。さらに、第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との2層構造の接着層6においては、特に第2の接着剤層10が硬度を保持する層として機能するため、接着層6自体による超音波振動の吸収も抑制される。これらによって、金属ワイヤ8の半導体素子5に対する接続性やその信頼性を高めることができる。すなわち、接続信頼性に優れた半導体装置1を提供することが可能となる。
次に、本発明の第2の実施形態による半導体装置について、図3および図4を参照して説明する。なお、前述した第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して、その説明を一部省略する。図3および図4に示す積層型半導体装置11は第1の実施形態と同様に、回路基材として配線基板2を有している。配線基板2の素子搭載部3には、第1の半導体素子12が第1の接着層13を介して接着されている。さらに、第1の半導体素子12上には第2の半導体素子14が第2の接着層15を介して接着されている。
第1および第2の半導体素子12、14は、例えば矩形状でかつ同一の形状を有し、それぞれ第1および第2の電極パッド16、17を備えている。第2の半導体素子14は第1の半導体素子12の電極パッド16が露出するように、第1の半導体素子12上に階段状に積層されている。第2の半導体素子14上には第3の半導体素子18が第3の接着層19を介して接着されている。第3の半導体素子18は第1および第2の半導体素子12、14より小型の形状を有し、第3の電極パッド20を備えている。
第1および第2の半導体素子12、14の具体例としては、例えばNAND型フラッシュメモリのような半導体メモリ素子が挙げられる。また、第3の半導体素子18の具体例としては、例えば半導体メモリ素子のコントローラ素子が挙げられる。ここでは2個の半導体素子12、14を積層し、その上に小型の半導体素子18を積層しているが、積層構造はこれに限られるものではない。小型の半導体素子18は1層の半導体素子12上に積層してもよいし、また3層以上積層した半導体素子12上に積層してもよい。
第1の半導体素子12の第1の電極パッド16は、Auワイヤ等からなる第1の金属ワイヤ21を介して配線基板2の接続パッド4と電気的に接続されている。同様に、第2の電極パッド17は第2の金属ワイヤ22を介して配線基板2の接続パッド4と電気的に接続されており、第3の電極パッド20は第3の金属ワイヤ23を介して配線基板2の接続パッド4と電気的に接続されている。第1ないし第3の半導体素子12、14、18は図示を省略した封止樹脂(エポキシ樹脂等)で金属ワイヤ21、22、23と共に封止される。これらによって、半導体パッケージとして用いられる半導体装置11が構成される。
第3の接着層19は第1の実施形態における接着層6と同様に、第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との積層構造を有している。第3の半導体素子18側に配置された第1の接着剤層9は、第2の半導体素子14と第3の半導体素子18との間に存在する層形状部9aに加えて、第3の半導体素子18の側面に回り込んだフィレット部9bを有している。第2の半導体素子14側に配置された第2の接着剤層10は、第2の半導体素子14と第3の半導体素子18との間に存在する層形状部のみで構成されている。
第1および第2の接着剤層9、10の構成、すなわち接着剤層の形成材料、形成方法、接着時の弾性率、厚さ等に関しては、第1の実施形態と同様とすることが好ましい。第1および第2の接着剤層9、10は図3に示した配置位置に限られるものではなく、図4に示すように第1の接着剤層9を第2の半導体素子14側に配置し、第2の接着剤層10を第3の半導体素子18側に配置してもよい。
図3に構造を示した半導体装置11では、接着工程で加熱しつつ第3の半導体素子18を加圧した際に、軟化した第1の接着剤層9が第3の半導体素子18と第2の接着剤層10とで挟み込まれるため、第1の接着剤層9の一部を第3の半導体素子18の側面に良好にはみ出させることができる。さらに、第2の接着剤層10で接着層19の厚さを維持することで、フィレット部9bの大きさを増大させることができる。これらによって、良好な形状を有するフィレット部9bを得ることが可能となる。図4に構造を示した半導体装置11も同様であり、良好な形状を有するフィレット部9bを得ることができる。
このように、第1の接着剤層9と第2の接着剤層10との2層構造を有する第3の接着層19を適用することによって、第3の半導体素子18の側面を良好な形状を有するフィレット部9bで固定することができる。第3の半導体素子18を第2の半導体素子14との間に配置された接着層19に加えて、側面に回り込んだフィレット部9bで固定することによって、第3の半導体素子18の固定状態を高めることができる。特に、フィレット部9bは第3の半導体素子18の面方向へのずれを抑制するため、ワイヤボンディング時に超音波振動を金属ワイヤ8に効率よく伝えることができる。
ここで、第3の半導体素子18にコントローラ素子を適用した場合、その形状は第1および第2の半導体素子12、14としての半導体メモリ素子に比べて小形となる。コントローラ素子は細長い形状を有する場合もある。このようなコントローラ素子の超音波振動の印加方向と平行な方向の辺の長さが3mm以下の場合、超音波振動の印加に伴う半導体素子の面方向へのずれが顕著となる。このため、金属ワイヤの接合性が低下しやすい。
このような点に対して、フィレット部9bで第3の半導体素子18の面方向へのずれを抑制することによって、ワイヤボンディング時に印加する超音波振動を金属ワイヤ23に効率よく伝えることができる。さらに、第3の接着層19自体による超音波振動の吸収も抑制することができる。これらによって、金属ワイヤ23の第3の半導体素子18に対する接続性やその信頼性を高めることができる。すなわち、接続信頼性に優れた半導体装置11を提供することが可能となる。2層構造を有する第3の接着層19は、特に超音波印加方向と平行な方向の辺の長さが3mm以下の半導体素子18に有効である。
なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、半導体素子の接続にワイヤボンディングを適用した各種の半導体装置に適用することができる。そのような半導体装置も本発明に含まれるものである。本発明の半導体装置の具体的な構造は、本発明の基本構成を満足するものであれば種々に変形が可能である。さらに、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。
1,11…半導体装置、2…配線基板、3…素子搭載部、4…接続パッド、5…半導体素子、6…接着層、7…電極パッド、8…金属ワイヤ、9…第1の接着剤層、10…第2の接着剤層、12…第1の半導体素子、13…第1の接着層、14…第2の半導体素子、15…第2の接着層、16…第1の電極パッド、17…第2の電極パッド、18…第3の半導体素子、19…第3の接着層、20…第3の電極パッド、21…第1の金属ワイヤ、22…第2の金属ワイヤ、23…第3の金属ワイヤ。
Claims (5)
- 素子搭載部と接続部とを有する回路基材と、
前記回路基材の前記素子搭載部に接着層を介して接着され、電極パッドを有する半導体素子と、
前記回路基材の前記接続部と前記半導体素子の前記電極パッドとを電気的に接続する金属ワイヤとを具備し、
前記接着層は第1の接着剤層と第2の接着剤層との積層構造を備え、かつ前記第1および第2の接着剤層の一方は前記半導体素子の側面に回り込んだフィレット部を有することを特徴とする半導体装置。 - 素子搭載部と接続部とを有する回路基材と、
前記回路基材の前記素子搭載部に第1の接着層を介して接着され、第1の電極パッドを有する第1の半導体素子と、
前記第1の半導体素子上に第2の接着層を介して接着され、第2の電極パッドを有する第2の半導体素子と、
前記回路基材の前記接続部と前記第1の半導体素子の前記第1の電極パッドとを電気的に接続する第1の金属ワイヤと、
前記回路基材の前記接続部と前記第2の半導体素子の前記第2の電極パッドとを電気的に接続する第2の金属ワイヤとを具備し、
前記第2の接着層は第1の接着剤層と第2の接着剤層との積層構造を備え、かつ前記第1および第2の接着剤層の一方は前記第2の半導体素子の側面に回り込んだフィレット部を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または請求項2記載の半導体装置において、
前記第1および第2の接着剤層の一方は前記半導体素子の接着時に軟化して形成されるフィレット部を有し、他方は前記半導体素子の接着時に維持された層形状を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の半導体装置において、
前記第1および第2の接着剤層の一方は前記半導体素子の接着時における弾性率が1×105Pa未満であり、他方は前記半導体素子の接着時における弾性率が1×105Pa以上であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載の半導体装置において、
前記第1および第2の接着剤層の一方は絶縁樹脂組成物の塗布層からなり、他方は絶縁樹脂フィルムからなることを特徴とする半導体装置。
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2007
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WO2021009970A1 (ja) * | 2019-07-17 | 2021-01-21 | 株式会社村田製作所 | 半導体モジュール |
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