JP2012160554A - ボンディングワイヤの接合構造及び接合方法 - Google Patents

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徳大 戸ヶ崎
Mitsuhiro Nakao
光博 中尾
Yosuke Morita
洋輔 森田
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    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48476—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area
    • H01L2224/48477—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being a pre-ball (i.e. a ball formed by capillary bonding)
    • H01L2224/48478—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being a pre-ball (i.e. a ball formed by capillary bonding) the connecting portion being a wedge bond, i.e. wedge on pre-ball
    • H01L2224/48479—Connecting portions connected to auxiliary connecting means on the bonding areas, e.g. pre-ball, wedge-on-ball, ball-on-ball between the wire connector and the bonding area being a pre-ball (i.e. a ball formed by capillary bonding) the connecting portion being a wedge bond, i.e. wedge on pre-ball on the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/48499—Material of the auxiliary connecting means
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48799—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48817—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48824—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/494—Connecting portions
    • H01L2224/4941—Connecting portions the connecting portions being stacked
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    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/783—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
    • H01L2224/78301—Capillary
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85009—Pre-treatment of the connector or the bonding area
    • H01L2224/8503—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector
    • H01L2224/85035—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball"
    • H01L2224/85045—Reshaping, e.g. forming the ball or the wedge of the wire connector by heating means, e.g. "free-air-ball" using a corona discharge, e.g. electronic flame off [EFO]
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85009—Pre-treatment of the connector or the bonding area
    • H01L2224/85051—Forming additional members, e.g. for "wedge-on-ball", "ball-on-wedge", "ball-on-ball" connections
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8512—Aligning
    • H01L2224/85148—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus
    • H01L2224/85169—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus being the upper part of the bonding apparatus, i.e. bonding head, e.g. capillary or wedge
    • H01L2224/8518—Translational movements
    • H01L2224/85186—Translational movements connecting first outside the semiconductor or solid-state body, i.e. off-chip, reverse stitch
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/852—Applying energy for connecting
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    • H01L2224/85205—Ultrasonic bonding
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    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
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    • H01L2225/06555—Geometry of the stack, e.g. form of the devices, geometry to facilitate stacking
    • H01L2225/06562—Geometry of the stack, e.g. form of the devices, geometry to facilitate stacking at least one device in the stack being rotated or offset
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    • H01L2225/06568—Geometry of the stack, e.g. form of the devices, geometry to facilitate stacking the devices decreasing in size, e.g. pyramidical stack
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies
    • H01L24/78—Apparatus for connecting with wire connectors
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Abstract

【課題】非貴金属を主成分とするボンディングワイヤを使用した接合の信頼性を向上できるボンディングワイヤの接合構造及び接合方法を提供する。
【解決手段】ボンディングワイヤ５０の接合構造は、半導体素子１０の電極１０ａ上に形成されたバンプ上にボンディングワイヤを接合するボンディングワイヤの接合構造であって、ボンディングワイヤは、非貴金属を主成分とする芯材と、芯材を被覆する貴金属層とからなり、半導体素子の電極上に形成されたバンプ及びバンプ上にウエッジ接合されたボンディングワイヤが貴金属層を介して接合されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、非貴金属を主成分とするボンディングワイヤの接合構造及び接合方法に関する。
従来の半導体装置では、半導体チップ上の電極（パッド）とリードフレームのリードは、貴金属（例えば金（Ａｕ））を主成分とするボンディングワイヤ（以下、貴金属ワイヤと称する）により電気的に接続されている。しかしながら、近年の貴金属価格の高騰に伴い、より安価な非貴金属（例えば銅（Ｃｕ））を主成分とするボンディングワイヤ（以下、非貴金属ワイヤと称する）が半導体チップ上の電極とリードフレームの電極との接続に使用され始めている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−１５３５３９号公報
しかしながら、リードフレームの電極に一端が接合されたボンディングワイヤを半導体チップの電極上に形成したバンプ（Ｂｕｍｐ）上へウエッジ接合する逆ボンディングとよばれる手法に非貴金属ボンディングワイヤを使用した場合、半導体チップの電極上に形成したバンプ表面が酸化してしまうため、このバンプ上への非貴金属ワイヤの接合がうまくいかず、いわゆるワイヤ剥がれが発生し、接合の信頼性が低下してしまう。
一方、このワイヤ剥がれを抑制するために、非貴金属ワイヤをバンプ上に接合する際のエネルギー（例えば、温度や超音波出力）を増加させると反対にワイヤ切れが発生してしまったり、半導体チップにダメージを与える虞がある。
本発明が解決しようとする課題は、非貴金属を主成分とするボンディングワイヤを使用した接合の信頼性を向上できるボンディングワイヤの接合構造及び接合方法を提供することである。
本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの接合構造は、半導体素子の電極上に形成されたバンプ上にボンディングワイヤを接合するボンディングワイヤの接合構造であって、ボンディングワイヤは、非貴金属を主成分とする芯材と、芯材を被覆する貴金属層とからなり、半導体素子の電極上に形成されたバンプ及びバンプ上にウエッジ接合されたボンディングワイヤが貴金属層を介して接合されていることを特徴とする。
実施形態に係る半導体装置の断面図である。 ボンディングワイヤの断面図である。 逆ボンディング工程の説明図である。 逆ボンディング工程の説明図である。 逆ボンディング工程の説明図である。 第１のキャピラリ動作の説明図である。 第１のキャピラリ動作の説明図である。 第１のキャピラリ動作により形成されたバンプのＳＥＭ画像である。 第１のキャピラリ動作により形成されたバンプの拡大図である。 第１のキャピラリ動作により形成されたバンプの断面ＳＥＭ図である。 第２のキャピラリ動作の説明図である。 第２のキャピラリ動作の説明図である。 第２のキャピラリ動作で形成したバンプのＳＥＭ画像である。 第２のキャピラリ動作により形成されたバンプの拡大図である。 ボンディングワイヤの切断方法の説明図である。 その他の実施形態に係る半導体装置の断面図の一例である。 その他の実施形態に係る半導体装置の断面図の他の例である。 ウエッジ接合上にボンディングを行った際のＳＥＭ画像である。 ウエッジ接合上にボンディングを行った状態の拡大図である。 その他の実施形態に係る半導体装置の断面図の他の例である。 実施例に係るバンプ及びボンディングワイヤの断面ＳＥＭ画像である。 比較例に係るバンプ及びボンディングワイヤのＳＥＭ画像である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る半導体装置１の断面図である。以下、図１を参照して、実施形態に係る半導体装置１の構成について説明する。
（半導体装置１の構成）
実施形態に係る半導体装置１は、半導体チップ１０（半導体素子）と、半導体チップ１０を実装するための実装基板２０とを備え、半導体チップ１０が封止樹脂（モールド樹脂）３０により封止された構造を有する。
半導体チップ１０は、半田等のマウント材４０で実装基板２０の表面上に接合される。また、半導体チップ１０に形成されている信号入出力用の電極１０ａ（パッド）は、ボンディングワイヤ５０で実装基板２０上に形成された表面配線２０ａと接続される。接続方法については、図３Ａ〜図３Ｃを参照して後述する。
図２は、ボンディングワイヤ５０の断面である。図２に示すようにボンディングワイヤ５０は、安価な非貴金属（例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ））を主成分とした導電性に優れる芯材５０ａと、耐酸化性に優れた貴金属（例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ））を主成分とし、芯材５０ａを被覆する貴金属層５０ｂから構成される。
なお、ここでいう主成分とは、芯材５０ａであれば、非貴金属以外の不可避不純物が含まれていてもよいとの意味である。また、貴金属層５０ｂであれば、非貴金属以外の不可避不純物が含まれていてもよいとの意味である。
実装基板２０は、例えば、ＦＲ４(Flame Retadant Type4)等のプリント配線基板（ガラスエポキシシート）である。実装基板２０の主成分として、ＦＲ４以外にも、四フッ化エチレン樹脂などの樹脂基板や、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）等のセラミックス基板を使用してもよい。
実装基板２０には、金属配線である表面配線２０ａ及び裏面配線２０ｂ、表面配線２０ａと裏面配線２０ｂとを接続するスルーホール２０ｃが形成されている。スルーホール２０ｃの表面は、金属等の導電体で被覆されており、表面配線２０ａと裏面配線２０ｂとを電気的に接続する。
実装基板２０の裏面には、ＢＧＡ（ball grid array）６０が形成されており、このＢＧＡ６０は、裏面配線２０ｂ、スルーホール２０ｃ、表面配線２０ａ及びボンディングワイヤ５０を介して、半導体チップ１０の電極１０ａと電気的に接続されている。なお、ＢＧＡ６０の代わりにＬＧＡ（land grid array）を実装基板２０の裏面に形成するように構成してもよい。
（ボンディング工程）
図３Ａ〜図３Ｃは、実施形態に係る半導体装置１が備える半導体チップ１０の電極１０ａと実装基板２０の表面配線２０ａとを接続するボンディング工程を説明するための図である。以下、図３Ａ〜図３Ｃを参照して、半導体チップ１０の電極１０ａと実装基板２０の表面配線２０ａとのボンディング工程について説明する。
なお、この実施形態では、半導体チップ１０の電極１０ａ上にバンプ（Ｂｕｍｐ）を形成した後、実装基板２０の表面配線２０ａに一端を接合したボンディングワイヤを半導体チップ１０の電極１０ａ上に形成したバンプにウエッジ接合するいわゆる逆ボンディングにより半導体チップ１０の電極１０ａと実装基板２０の表面配線２０ａとを電気的に接続するものとする。
（第１工程：図３Ａ（ａ）参照）
初めに、キャピラリ７０に挿入されたボンディングワイヤ５０の先端がスパークロッド８０によりスパークされボール５０ａが形成される。
（第２工程：図３Ａ（ｂ）参照）
その後、キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降し、電極１０ａ上にバンプＢ１が形成・接合される。
（第３工程：図３Ａ（ｃ）参照）
バンプＢ１の接合後、ワイヤクランプ９０がボンディングワイヤ５０を挟持して上へ引き上げることによりボンディングワイヤ５０が切断される。
（第４工程：図３Ｂ（ｄ）参照）
切断されたボンディングワイヤ５０の先端がスパークロッド８０によりスパークされボール５０ａが形成される。
（第５工程：図３Ｂ（ｅ）参照）
キャピラリ７０が実装基板２０の表面配線２０ａ上に移動した後、下降して表面配線２０ａ上にバンプＢ２が形成・接合される。
（第６工程：図３Ｂ（ｆ）参照）
バンプＢ２が接合されると、キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上へ移動した後、半導体チップ１０の電極１０ａ上へ下降し、ボンディングワイヤ５０が電極１０ａ上に形成されたバンプＢ１へウエッジ接合される。
（第７工程：図３Ｃ（ｇ）参照）
バンプＢ１へボンディングワイヤ５０が接合されると、ワイヤクランプ９０がボンディングワイヤ５０を挟持して上へ引き上げることによりボンディングワイヤ５０が切断される。
第１〜第７の工程と同様にして、半導体チップ１０が備える全ての電極１０ａが表面配線２０ａとボンディングワイヤ５０により接合される。
（キャピラリ７０の動作）
（第１の動作）
図４Ａ，図４Ｂは、バンプＢ１を形成する際のキャピラリ７０の第１の動作を示す説明図である。以下、図４Ａ，図４Ｂを参照して、キャピラリ７０の第１の動作について説明する。なお、図４Ａ，図４Ｂでは、キャピラリ７０の動作とバンプＢ１の形成を左側に記載し、キャピラリ７０先端の軌跡を右側に記載した。また、図４Ａ、４Ｂ右側のカッコ内の数字は、キャピラリ７０の動作の順序を表している。
（第１工程：図４Ａ（ａ）参照）
キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降して、電極１０ａ上にバンプＢ１を形成・接合した後、キャピラリ７０が上昇する。
（第２工程：図４Ａ（ｂ）参照）
キャピラリ７０が、接続先である実装基板２０の表面配線２０ａとは反対側（図４Ａでは右側）に水平移動する。
（第３工程：図４Ａ（ｃ）参照）
キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降して、キャピラリ７０先端の左側でボンディングワイヤ５０を上記第１工程で接合したバンプＢ１上面に、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合する。
（第４工程：図４Ｂ（ｄ）参照）
図示しないワイヤクランプがボンディングワイヤ５０を挟持した状態で、キャピラリ７０が上昇してボンディングワイヤ５０が切断される。
（バンプＢ１の形状）
図５Ａは、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明した第１の動作で形成したバンプＢ１のＳＥＭ画像である。図５Ｂは、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明した第１の動作で形成したバンプＢ１の拡大図である。なお、図５Ｂでは、バンプＢ１を、芯材５０ａを被覆する貴金属層５０ｂが存在する部分を太い実線で記載し、貴金属層５０ｂが存在しない部分を破線で記載した。
図４Ａ、図４Ｂで説明した第１の動作では、第１工程で接合したバンプＢ１上面にボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合しているため、上面Ｆの少なくとも一部が貴金属層５０ｂで被覆された状態でバンプＢ１が半導体チップ１０の電極１０ａ上に形成されることとなる。
図５Ｃ（ａ）は、図４Ａ、図４Ｂで説明した第１の動作により形成されたバンプの断面ＳＥＭ画像である。図５Ｃ（ａ）では、バンプの上面の貴金属層（図５Ｃ（ａ）では、パラジウム（ｐｄ））が存在する部分を鎖線で示した。図５Ｃ（ｂ）は、図５Ｃ（ａ）の丸で囲った部分の拡大ＳＥＭ画像である。図５Ｃ（ａ）及び図５Ｃ（ｂ）の断面ＳＥＭ画像から、ボンディングワイヤ５０を折りたたむことにより上面Ｆの少なくとも一部が貴金属層５０ｂで被覆された状態でバンプを形成できることがわかる。
以上のように、上記第１の動作でバンプＢ１を形成することにより、バンプＢ１上面Ｆの少なくとも一部が貴金属層５０ｂで覆われるので、ルーピングされたボンディングワイヤ５０をバンプＢ１上にウエッジ接合する際に、非貴金属を主成分とする芯材５０ａではなく、貴金属を主成分とする貴金属層５０ｂ同士が接合されることになる。このため、バンプＢ１上面へのボンディングワイヤ５０をウエッジ接合する際に十分な接合強度を得ることができ接合の信頼性が向上する。その結果、連続ボンディング作業時等において接合剥離やボンディングワイヤ５０の破断等の不具合発生を抑制することができる。
なお、貴金属層５０ｂの膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。図４Ａ、図４Ｂを参照して説明したように、この実施形態では、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして半導体チップ１０の電極１０ａ上にバンプを形成している。この時、キャピラリ７０の先端部でボンディングワイヤ５０を押しつぶすこととなるため、貴金属層５０ｂが薄いと芯材５０ａが露出する虞がある。芯材５０ａが露出した場合、貴金属でないために表面が酸化してボンディングワイヤ５０をバンプＢ１上にウエッジ接合する際に十分な接合強度を得ることができず、ワイヤ剥がれ等の不具合が発生する原因となることが考えられる。
また、第１の動作では、第３工程において、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合しているが、この折りたたんだ接合面Ｒにおいても、貴金属を主成分とする貴金属層５０ｂ同士が接合されることになるため、十分な接合強度を得ることができ、連続ボンディング作業時等において接合剥離やボンディングワイヤ５０の破断等の不具合発生を抑制することができる。
さらに、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合することにより形成されたバンプＢ１の上面Ｆの面積を広くすることができるためウエッジ接合の接合強度がより高くなる。また、ワイヤ剥がれを抑制するために、接合の際のエネルギー（例えば、温度や超音波出力）を増加させる必要がないため、半導体チップ１０へ与えるダメージを抑制できる。
また、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合することにより、形成されるバンプＢ１が高くなる。加えて、ボンディングワイヤ５０を接続先である実装基板２０の表面配線２０ａ側とは反対側、すなわちボンディングワイヤ５０を張架される側とは反対側に折りたたんでバンプＢ１を形成しているため、実装基板２０の表面配線２０ａからルーピング（引き回し）されたボンディングワイヤ５０が半導体チップ１０の上面端部に接触する虞を効果的に低減することができる。
さらに、半導体チップ１０の電極１０ａ上にバンプＢ１を形成する際に、ボンディングワイヤ５０の貴金属層５０ｂの主成分である貴金属（例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ））と電極１０ａの主成分である金属（例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）との合金が電極１０ａ上にバンプＢ１との界面に形成される。この合金は、化学的に安定であるため、半導体チップ１０の封止材料にＢｒ等のハロゲン系のモールド樹脂を用いた場合でも半導体チップ１０の電極１０ａとバンプＢ１との接合信頼性を高くすることができる。
（第２の動作）
図６Ａ，図６Ｂは、バンプＢ１を形成する際のキャピラリ７０の第２の動作を示す説明図である。以下、図６Ａ，図６Ｂを参照して、キャピラリ７０の第２の動作について説明する。なお、図６Ａ，図６Ｂでは、キャピラリ７０の動作とバンプＢ１の形成を左側に記載し、キャピラリ７０先端の軌跡を右側に記載した。また、図６Ｂ右側のカッコ内の数字は、キャピラリ７０の動作の順序を表している。
（第１工程：図６Ａ（ａ）参照）
キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降して、電極１０ａ上にバンプＢ１を形成・接合した後、キャピラリ７０が上昇する。
（第２工程：図６Ａ（ｂ）参照）
キャピラリ７０が、接続先である実装基板２０の表面配線２０ａの方向（図５Ａでは左側）に水平移動する。
（第３工程：図６Ａ（ｃ）参照）
キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降して、キャピラリ７０先端の右側でボンディングワイヤ５０を上記第１工程で接合したバンプＢ１上面に、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合する。
（第４工程：図６Ｂ（ｄ）参照）
キャピラリ７０が上昇した後、接続先である実装基板２０の表面配線２０ａと反対側（図５Ｂでは右側）に水平移動する。
（第５工程：図６Ｂ（ｅ）参照）
キャピラリ７０が半導体チップ１０の電極１０ａ上に下降して、キャピラリ７０先端の左側でボンディングワイヤ５０を上記第３工程で接合したボンディングワイヤ５０上に、更にボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合する。
（第６工程：図６Ｂ（ｆ）参照）
図示しないワイヤクランプがボンディングワイヤ５０を挟持した状態で、キャピラリ７０が上昇してボンディングワイヤ５０が切断される。
（バンプＢ１の形状）
図７Ａは、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明した第２の動作で形成したバンプＢ１のＳＥＭ画像である。図７Ｂは、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明した第２の動作で形成したバンプＢ１の拡大図である。なお、図７Ｂでは、バンプＢ１を、芯材５０ａを被覆する貴金属層５０ｂが存在する部分を太い実線で記載し、貴金属層５０ｂが存在しない部分を破線で記載した。
図６Ａ、図６Ｂで説明した第２の動作では、第１工程で接合したバンプＢ１上面にボンディングワイヤ５０を２回折りたたむようにして押圧・接合している。このため、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明した第１の動作に比べて、形成されたバンプＢ１の上面Ｆの面積が広くなる。このため、いわゆる逆ボンディング時におけるウエッジ接合において、より高い接合強度を得ることができる。
また、ボンディングワイヤ５０を２回折りたたむようにして押圧・接合しているため、形成されるバンプＢ１がより高くなる。加えて、ボンディングワイヤ５０を接続先である実装基板２０の表面配線２０ａ側とは反対側、すなわちボンディングワイヤ５０を張架される側とは反対側に２回目の折りたたみを行っているため、実装基板２０の表面配線２０ａからルーピングされたボンディングワイヤ５０が半導体チップ１０の上面端部に接触する虞をより効果的に低減することができる。
なお、折りたたみによる接合面Ｒ１，Ｒ２においても、貴金属を主成分とする貴金属層５０ｂ同士が接合されることになるため十分な接合強度を得ることができる。その他の効果については、第１の動作と同じである。
（ボンディングワイヤ５０の切断方法）
ここでは、バンプＢ１形成後のボンディングワイヤ５０の切断方法について図８を参照して説明する。初めに、図８（ａ）について説明する。なお、図８（ａ）右側のカッコ内の数字は、キャピラリ７０の動作の順序を表している。また、図８（ａ）に示す（１）から（４）までの動作は、図４Ａ（ａ）から図４Ａ（ｃ）を参照して説明した第１工程から第３工程の動作と同じであるため重複した説明を省略する。
図４Ａ（ｃ）の第３工程において、バンプＢ１上面に、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合した後、図８（ａ）の（５）に示すように、キャピラリ７０を右斜め下に移動させた後、図示しないワイヤクランプでボンディングワイヤ５０を挟持した状態で、図８（ａ）の（６）に示すようにキャピラリ７０を上昇させる。
次に、図８（ｂ）について説明する。なお、図８（ｂ）右側のカッコ内の数字は、キャピラリ７０の動作の順序を表している。また、図８（ｂ）に示す（１）から（７）までの動作は、図６Ａ（ａ）及び図６Ｂ（ｅ）を参照して説明した第１工程から第５工程の動作と同じであるため重複した説明を省略する。
図６Ｂ（ｅ）の第５工程において、バンプＢ１上面に、ボンディングワイヤ５０を折りたたむようにして押圧・接合した後、図８（ｂ）の（８）に示すように、キャピラリ７０を右斜め下に移動させた後、図示しないワイヤクランプでボンディングワイヤ５０を挟持した状態で、図８（ｂ）の（９）に示すようにキャピラリ７０を上昇させる。
図４Ａ、図４Ｂ及び図６Ａ、図６ｂを参照して説明した第１、第２の動作では、半導体チップ１０の電極１０ａ上にバンプＢ１を形成した後、そのままの位置でキャピラリ７０を上昇させてボンディングワイヤ５０を切断していたが、上述したように、キャピラリ７０を右斜め下（もしくは左斜め下）に移動させた後、キャピラリ７０を上昇させてボンディングワイヤ５０を切断することで、バンプＢ１の上面に形成される切断面の面積を小さくすることができる。
このため、ボンディングワイヤ５０がウエッジ接合されるバンプＢ１の上面における貴金属層５０ｂが存在する面積をより広くすることができ、より強い接合強度を得ることができる。その結果、連続ボンディング作業時等において接合剥離やボンディングワイヤ５０の破断等の不具合発生をより効果的に抑制することができる。
（その他の実施形態）
実施形態では、実施形態に係る半導体装置１（図１参照）では、実装基板２０の表面配線２０ａからルーピングされたボンディングワイヤ５０を、半導体チップ１０の電極１０ａ上に形成したバンプＢ１へウエッジ接合する形態について説明したが、他の接合形態にも適用が可能である。
例えば、複数の半導体チップを横に配列させるマルチチップ構造の半導体装置２に適用することができる。この場合、図９に示すように、一方の半導体チップ１０Ｂからルーピングしてきたボンディングワイヤ５０を、他方の半導体チップ１０Ａの電極１０ａ上に形成したバンプＢ１へウエッジ接合する。なお、バンプＢ１は、図４Ａ，図４Ｂで説明した第１の動作、または図６Ａ，図６Ｂで説明した第２の動作のどちらで形成してもかまわない。このような構成であっても、上記実施形態で説明した効果と同じ効果を得ることができる。
また、複数の半導体チップを縦に積層するスタック構造の半導体装置３に適用することもできる。この場合、図１０に示すように、半導体チップ１０Ａからルーピングしてきたボンディングワイヤを半導体チップ１０Ｂの電極１０ａ上に形成したバンプＢ２へウエッジ接合し、さらに、バンプＢ２上にウエッジ接合されたボンディングワイヤ５０上へバンプＢ３を形成し、該バンプＢ３からルーピングされたボンディングワイヤ５０を半導体チップ１０Ｃの電極１０ａ上に形成したバンプＢ４へウエッジ接合する。なお、ウエッジ接合を行うバンプＢ２，Ｂ４は、図４Ａ，図４Ｂで説明した第１の動作、または図６Ａ，図６Ｂで説明した第２の動作のどちらで形成してもかまわない。
図１１Ａは、図１０で説明したバンプＢ２、Ｂ３のＳＥＭ画像である。図１１Ｂは、図１０で説明したバンプＢ２，Ｂ３の拡大図である。なお、図１１Ｂでは、バンプＢ２を、芯材５０ａを被覆する貴金属層５０ｂが存在する部分を太い実線で記載し、貴金属層５０ｂが存在しない部分を破線で記載した。
図１１Ｂに示すように、バンプＢ２の上面の少なくとも一部には、貴金属層５０ｂで被覆されており、ボンディングワイヤ５０も貴金属層５０ｂで覆われている。このため、ボンディングワイヤ５０をバンプＢ２上にウエッジ接合する際に、バンプＢ２の上面とボンディングワイヤ５０との接合面Ｒ１では、非貴金属を主成分とする芯材５０ａではなく、貴金属を主成分とする貴金属層５０ｂ同士が接合されることになる。また、バンプＢ２上へウエッジ接合されたボンディングワイヤ５０上へ、バンプＢ３を接合する際にも、ボンディングワイヤ５０が貴金属層５０ｂで覆われているためバンプＢ３の下面とボンディングワイヤ５０との接合面Ｒ２では、非貴金属を主成分とする芯材５０ａではなく、貴金属を主成分とする貴金属層５０ｂ同士が接合されることになる。結果、図１０で説明したような接合を行う場合でも十分な接合強度を得ることができ接合の信頼性が向上する。
さらに、図１２に示すように、半導体チップ１０をリードフレーム１００に実装した半導体装置４に適用してもよい。この場合、リードフレーム１００からルーピングされたボンディングワイヤを半導体チップ１０の電極１０ａ上に形成されたバンプＢ１へウエッジ接合する。このような構成であっても、上記実施形態で説明した効果と同じ効果を得ることができる。
次に、上記実施形態で説明したボンディングワイヤ５０を使用して、いわゆる逆ボンディングを行った場合の試験結果について説明する。該実施例では、銅（Ｃｕ）の芯材を、パラジウム（Ｐｄ）層で被覆した外径２０μｍのボンディングワイヤを使用した。なお、パラジウム層の平均厚みは１００ｎｍである。また、比較例として、貴金属で被覆されていない外径２０μｍの銅ボンディングワイヤを使用した場合についても試験を行った。
試験は、同一の条件（例えば、キャピラリの動作スピード、押し付け圧、温度等）でボンディングを行い、不良が発生した割合（不良率＝不良数／ワイヤ数）で評価した。以下の表１に実施例及び比較例の試験結果を記載する。なお、ボンディング中にボンディング装置が停止した回数を不良数とした。また、キャピラリの動作は、図６Ａ，図６Ｂで説明した第２の動作とした。
Figure 2012160554
表１に示すように、実施例では、１７６７６本のワイヤをボンディングしたが、ボンディング中にボンディング装置が不具合により停止することはなかった。一方、比較例では、１６０本のワイヤをボンディング中に、ボンディング装置が不具合により４回停止した。
図１３Ａに、実施例に係るバンプ及びボンディングワイヤの断面ＳＥＭ画像を示す。また、図１３Ｂに、比較例に係るバンプ及びボンディングワイヤのＳＥＭ画像を示す。図１３Ａに示す実施例では、バンプとボンディングワイヤとの界面に貴金属であるパラジウムが存在するため、バンプとボンディングワイヤとが隙間なく確実に接合されていることがわかる。一方、図１３Ｂに示す比較例では、バンプとボンディングワイヤとの界面に貴金属が存在せずバンプとボンディングワイヤの表面が酸化した状態で接合されるため、バンプとボンディングワイヤとの間に隙間が生じ、いわゆるワイヤ剥がれが発生していることがわかる。
以上のように、貴金属であるパラジウムで被覆されたボンディングワイヤを使用し、ウエッジ接合されるバンプの形成時にボンディングワイヤを折りたたむようにして押圧・接合することで、該バンプ上にボンディングワイヤをウエッジ接合する際の接合信頼性を向上できることがわかる。
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上記実施形態は、例示であり、本発明を上記実施形態に限定することを意図するものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１〜４…半導体装置（半導体素子）、１０…半導体チップ、１０ａ…電極、２０…実装基板、２０ａ…表面電極、２０ｂ…裏面電極、２０ｃ…スルーホール、３０…封止樹脂（モールド樹脂）、４０…マウント材、５０…ボンディングワイヤ、５０ａ…芯材、５０ｂ…貴金属層、６０…ＢＧＡ（Ball Grid Array）、７０…キャピラリ、８０…スパークロッド、９０…ワイヤクランプ、１００…リードフレーム。

Claims (5)

  1. 半導体素子の電極上に形成されたバンプ上にボンディングワイヤを接合するボンディングワイヤの接合構造であって、
    前記ボンディングワイヤは、非貴金属を主成分とする芯材と、前記芯材を被覆する貴金属層とからなり、
    前記半導体素子の電極上に形成されたバンプ及び前記バンプ上にウエッジ接合されたボンディングワイヤが前記貴金属層を介して接合されていることを特徴とするボンディングワイヤの接合構造。
  2. 前記バンプは、前記ボンディングワイヤを折りたたむようにして前記半導体素子の電極上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボンディングワイヤの接合構造。
  3. 前記バンプ上にウエッジ接合されたボンディンワイヤ上に、前記貴金属層を介してボンディンワイヤがさらに接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボンディングワイヤの接合構造。
  4. 前記貴金属層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のボンディングワイヤの接合構造。
  5. 半導体素子の電極上に形成されたバンプ上にボンディングワイヤを接合するボンディングワイヤの接合方法であって、
    前記ボンディングワイヤは、非貴金属を主成分とする芯材と、前記芯材を被覆する貴金属層とからなり、
    前記半導体素子の電極上に形成されたバンプ及び前記バンプ上にウエッジ接合されたボンディングワイヤを前記貴金属層を介して接合することを特徴とするボンディングワイヤの接合方法。
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