接合線的接合方法、半導體裝置、半導體裝置的制造方法

專利名稱：接合線的接合方法、半導體裝置、半導體裝置的制造方法
技術領域：
實施例涉及接合線的接合方法、半導體裝置及半導體裝置的制造方法。
背景技術：
傳統的半導體裝置中，由以貴金屬(例如金(Au))為主要成分的接合線(以下，稱為貴金屬線)電氣地連接半導體芯片上的電極(襯墊(pad))和引線框的引線(lead)。但是，伴隨近年的貴金屬價格的高漲，開始使用以廉價的非貴金屬(例如銅(Cu))為主要成分的接合線(以下，稱為非貴金屬線)來連接半導體芯片上的電極和引線框的電極。

發明內容
實施例的接合線(bonding wire)的接合方法,將具有以非貴金屬為主要成分的芯材及包覆上述芯材的貴金屬層的接合線經由貴金屬層楔形接合(wedge bonding)到在半導體元件的電極上形成的凸起(bump)。將接合線楔形接合到凸起時可以獲得充分的接合強度，提高接合的可靠性。結果，在連續接合操作時等可以抑制接合剝離和/或接合線破斷等的故障發生。


圖I是實施例的半導體裝置的截面圖。圖2是接合線的截面圖。圖3A 圖3G是逆接合工序的說明圖。圖4A 圖4E是第I毛細管動作的說明圖。圖5A是由毛細管的第I動作形成的凸起的SEM圖像。圖5B是由毛細管的第I動作形成的凸起的放大圖。圖5C是由毛細管的第I動作形成的凸起的截面SEM圖像。圖是由毛細管的第I動作形成的凸起的截面SEM圖像。圖6A 圖6G是毛細管的第2動作的說明圖。圖7A是由毛細管的第2動作形成的凸起的SEM圖像。圖7B是由毛細管的第2動作形成的凸起的放大圖。圖8A、圖8B是接合線的切斷方法的說明圖。圖9是其他實施例的半導體裝置的截面圖的一例。圖10是其他實施例的半導體裝置的截面圖的其他例。圖IlA是在楔形接合上進行接合的狀態的SEM圖像。
圖IlB是在楔形接合上進行接合的狀態的放大圖。圖12是其他實施例的半導體裝置的截面圖的其他例。圖13A是實施例的凸起及接合線的截面SEM圖像。圖13B是比較例的凸起及接合線的截面SEM圖像。
具體實施例方式以下，參照

實施例。(實施例)圖I是實施例的半導體裝置I的截面圖。以下，參照圖1，說明實施例的半導體裝置I的構成。(半導體裝置I的構成)實施例的半導體裝置I具備半導體芯片10 ;用于安裝半導體芯片10的安裝基板20 ;密封半導體芯片10的密封樹脂(成型樹脂)30。半導體芯片10通過焊料等的安裝材料40接合到安裝基板20的表面上。在半導體芯片10形成的信號輸入輸出用的電極(襯墊)IOa通過接合線50與在安裝基板20形成的表面布線20a連接。接合線50的連接方法將參照圖3A 圖3G后述。圖2是接合線50的截面。圖2所示接合線50具備廉價非貴金屬(例如，銅(Cu)、鋁(Al)或鎳(Ni))為主要成分的導電性優的芯材50a;以耐氧化性優的貴金屬(例如，鈀(Pd)、鉬(Pt)或金(Au))為主要成分的包覆芯材50a的貴金屬層50b。若為芯材50a，主要成分意味著可以包含非貴金屬以外的不可避雜質。若為貴金屬層50b，主要成分意味著可以包含貴金屬以外的不可避雜質。安裝基板20例如是FR4 (Flame Retadant Type 4)等的印刷布線基板(玻璃環氧樹脂片)。作為安裝基板20的主要成分，除了 FR4以外，也可以使用四氟乙烯樹脂等的樹脂基板和/或氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)等的陶瓷基板。在安裝基板20形成金屬布線即表面布線20a及背面布線20b、連接表面布線20a和背面布線20b的通孔20c。通孔20c的內面由金屬等的導電體包覆，表面布線20a和背面布線20b電氣連接。在安裝基板20的背面,形成BGA(ball grid array :球柵陣列)60。BGA60經由背面布線20b、通孔20c、表面布線20a及接合線50，與半導體芯片10的電極IOa電氣連接。也可以取代BGA60,在安裝基板20的背面形成LGA(land grid array :柵格陣列)。(接合工序)圖3A 圖3G是連接實施例的半導體裝置I所具備的半導體芯片10的電極IOa和安裝基板20的表面布線20a的接合工序的說明圖。以下，參照圖3A 圖3G，說明半導體芯片10的電極IOa和安裝基板20的表面布線20a的接合工序。該實施例中，在半導體芯片10的電極IOa上形成凸起BI后,通過將一端與安裝基板20的表面布線20a接合的接合線50楔形接合到在半導體芯片10的電極IOa上形成的凸起BI即所謂的逆接合，將半導體芯片10的電極IOa和安裝基板20的表面布線20a電氣連接。(第I工序參照圖3A)
插入毛細管70的接合線50的前端通過火花棒(spark rod) 80發出火花,形成球50a。(第2工序參照圖3B)將毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，在電極IOa上形成凸起BI并接
入
口 ο(第3工序參照圖3C)在凸起BI接合后，以線夾90挾持接合線50的狀態，使毛細管70上升，切斷接合線50。(第4工序參照圖3D)切斷的接合線50的前端通過火花棒80發出火花，形成球50a。(第5工序參照圖3E)將毛細管70向安裝基板20的表面布線20a上移動后下降，在表面布線20a上形成凸起B2并接合。(第6工序參照圖3F)在凸起B2接合后，將毛細管70向半導體芯片10的電極IOa上移動。然后，將毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，將接合線50楔形接合到在電極IOa上形成的凸起BI。(第7工序參照圖3G)
在接合線50與凸起BI接合后，以線夾90挾持接合線50的狀態，使毛細管70上升，切斷接合線50。與第I 第7的工序同樣，半導體芯片10的剩余電極IOa與表面布線20a通過接合線50接合。(毛細管70的第I動作)圖4A 圖4E是凸起BI形成時的毛細管70的第I動作的說明圖。圖4A是毛細管70如端的軌跡的不意圖。圖4A的箭頭的編號表不毛細管70的動作的順序。另外，圖4B 圖4E是箭頭的編號2 5中的毛細管70和凸起BI的狀態的示意圖。以下，參照圖4A 圖4E，說明毛細管70的第I動作。(第I工序參照圖4B)毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，在電極IOa上形成凸起BI并接合后，毛細管70上升。(第2工序參照圖4C)毛細管70向作為連接處的安裝基板20的表面布線20a的相反側(圖4C的右側)水平移動。(第3工序參照圖4D)毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，用毛細管70前端的左側在通過上述第I工序接合了接合線50的凸起BI頂面，將接合線50以合并(折疊)方式進行按壓及接合。(第4工序參照圖4E)在未圖示的線夾挾持接合線50的狀態下，毛細管70上升，切斷接合線50。
(凸起BI的形狀)圖5A是由參照圖4A 圖4E說明的第I動作形成的凸起BI的SEM圖像。圖5B是由參照圖4A 圖4E說明的第I動作形成的凸起BI的放大圖。另外，圖5B中，凸起BI中包覆芯材50a的貴金屬層50b存在的部分用粗實線記載，貴金屬層50b不存在的部分用虛線記載。參照圖4A 圖4E說明的第I動作，以在由第I工序接合的凸起BI頂面合并(折疊)接合線50的方式進行按壓及接合，因此，在頂面F的至少一部分由貴金屬層50b包覆的狀態下，在半導體芯片 10的電極IOa上形成凸起BI。圖5C是由圖4A 圖4E說明的第I動作形成的凸起BI的截面SEM圖像。圖5C中，凸起BI的頂面的貴金屬層(圖5C中，鈀(pd))存在的部分用點劃線表示。圖是圖5C的區域X的放大圖像。從圖5C及圖所示SEM圖像可知，通過合并接合線50，可以在頂面F的至少一部分由貴金屬層50b包覆的狀態下形成凸起BI。如上所述，通過由第I動作使毛細管70動作而形成凸起BI，凸起BI頂面F的至少一部分由貴金屬層50b覆蓋。因而，在返回的接合線50楔形接合到凸起BI上時，不是以非貴金屬為主要成分的芯材50a，而是以貴金屬為主要成分的貴金屬層50b彼此接合。因而，在接合線50楔形接合到凸起BI頂面時可以獲得充分的接合強度，提高接合的可靠性。結果，連續接合操作時，可以抑制接合剝離和/或接合線50破斷等的故障發生。貴金屬層50b的膜厚優選在IOnm以上。如參照圖4A 圖4E所說明，該實施例中，使接合線50合并，在半導體芯片10的電極IOa上形成凸起BI。此時，毛細管70的前端部壓碎(壓壞、壓塌)接合線50，因此若貴金屬層50b薄則有芯材50a露出的危險。在芯材50a露出的場合，由于不是貴金屬，因此表面氧化，在將接合線50楔形接合到凸起BI上時，無法獲得充分的接合強度，成為線剝離等的故障發生的原因。第I動作中，第3工序(參照圖4D)中，以合并接合線50的方式進行按壓及接合，該合并的接合面R中，也是以貴金屬為主要成分的貴金屬層50b彼此接合。因而，可以獲得充分接合強度，連續接合操作時等中，可以抑制接合剝離和/或接合線50破斷等的故障發生。通過以合并接合線50的方式按壓及接合而形成的凸起BI的頂面F的面積廣，因此楔形接合的接合強度更高。另外，為了抑制線剝離，不必增加接合時的能量(例如，溫度和/或超聲波輸出)，因此，可抑制對半導體芯片10的損壞。通過以合并接合線50的方式按壓及接合而形成的凸起BI高。而且，使接合線50在作為連接處的安裝基板20的表面布線20a側的相反側，即接合線50架設側的相反側合并，形成凸起BI。因而，可以有效降低從安裝基板20的表面布線20a返回(回轉)的接合線50與半導體芯片10的頂面端部接觸的危險。在半導體芯片10的電極IOa上形成凸起BI時，接合線50的貴金屬層50b的主要成分即貴金屬(例如，鈀(Pd)、鉬(Pt)、金(Au))和電極IOa的主要成分即金屬(例如，Cu、Al、Al-Si、Al-Si-Cu)的合金在電極IOa上形成與凸起BI的界面。該合金化學穩定，因此，即使在半導體芯片10的密封材料中采用Br等的鹵素系的成型樹脂，也可以提高半導體芯片10的電極IOa和凸起BI的接合可靠性。(毛細管70的第2動作)
圖6A 圖 6G是凸起BI形成時的毛細管70的第2動作的說明圖。圖6A是毛細管70如端的軌跡的不意圖。圖6A的箭頭的編號表不毛細管70的動作的順序。另外，圖6B 圖6G是箭頭的編號2 4、6 8中的毛細管70和凸起BI的狀態的示意圖。以下，參照圖6A 圖6G，說明毛細管70的第2動作。(第I工序參照圖6B)毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，在電極IOa上形成凸起BI并接合后，毛細管70上升。(第2工序參照圖6C)毛細管70向連接處即安裝基板20的表面布線20a的方向(圖6C左側)水平移動。(第3工序參照圖6D)毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，由毛細管70前端的右側在通過上述第I工序接合了接合線50的凸起BI頂面，以接合線50合并的方式進行按壓及接合。(第4工序參照圖6E)毛細管70上升后，向連接處即安裝基板20的表面布線20a的相反側(圖6E右偵D水平移動。(第5工序參照圖6F)毛細管70下降到半導體芯片10的電極IOa上，由毛細管70前端的左側在通過上述第3工序接合了接合線50的接合線50上,進一步以接合線50合并的方式按壓及接合。(第6工序參照圖6G)在以未圖示線夾挾持接合線50的狀態下，毛細管70上升，切斷接合線50。(凸起BI的形狀)圖7A是參照圖6A 圖6G說明的第2動作形成的凸起BI的SEM圖像。圖7B是參照圖6A 圖6G說明的第2動作形成的凸起BI的放大圖。另外，圖7B中，凸起BI中的包覆芯材50a的貴金屬層50b存在的部分用粗實線記載，貴金屬層50b不存在的部分用虛線記載。 參照圖6A 圖6G說明的第2動作中，在第I工序接合的凸起BI頂面以接合線50兩次合并的方式進行按壓及接合。因而，與參照圖4A 圖4E說明的第I動作相比，形成的凸起BI的頂面F的面積廣。因而，在所謂逆接合時的楔形接合中，可以獲得更高接合強度。由于以接合線50兩次合并的方式進行按壓及接合，因此形成的凸起BI更高。而且，將接合線50在連接處即安裝基板20的表面布線20a側的相反側，即接合線50架設側的相反側進行第2次合并。因而，可以進一步有效降低從安裝基板20的表面布線20a返回的接合線50接觸半導體芯片10的頂面端部。合并的接合面R1、R2中，也是以貴金屬為主要成分的貴金屬層50b彼此接合，因此可以獲得充分的接合強度。其他效果與第I動作相同。(接合線50的切斷方法)這里，參照圖8A及圖SB說明凸起BI形成后的接合線50的切斷方法。首先，參照圖8A說明毛細管70的動作。圖8A的箭頭的編號表示毛細管70的動作的順序。圖8A所示箭頭I 箭頭4的動作與參照圖4A及圖4B 圖4D說明的第I工序到第3工序的動作相同，因此重復說明省略。圖4D的第3工序中，在凸起BI頂面以接合線50合并的方式進行按壓及接合后，如圖8A的箭頭5所示，毛細管70向右斜下移動，在以未圖示線夾挾持接合線50的狀態下，使圖8A的箭頭6所示毛細管70上升。接著，參照圖8B說明毛細管70的動作。圖8B所述的數字表示毛細管70的動作的順序。圖8B所示箭頭I 箭頭7的動作與參照圖6A 圖6F說明的第I工序到第5工序的動作相同，因此重復說明省略。圖6F的第5工序中，在凸起BI頂面以接合線50合并的方式進行按壓及接合后，如圖8B的箭頭8所示，使毛細管70向右斜下移動，在以未圖示線夾挾持接合線50的狀態下，使圖8B的箭頭9所示毛細管70上升。參照圖4A 圖4E及圖6A 圖6G說明的第I、第2動作中，在半導體芯片10的電極IOa上形成凸起BI后，直接在該位置使毛細管70上升切斷接合線50。但是，如上所述，使毛細管70向右斜下(或者左斜下)移動后，通過使毛細管70上升切斷接合線50，可以減小在凸起BI的頂面形成的切截面的面積。因而，可以擴大楔形接合了接合線50的凸起BI的頂面中的貴金屬層50b存在的面積，獲得更強接合強度。結果，連續接合操作等時可以更有效抑制接合剝離和/或接合線50破斷等的故障發生。(其他實施例)實施例中，實施例的半導體裝置I (參照圖I)中，說明了將從安裝基板20的表面布線20a返回(回轉)的接合線50楔形接合到在半導體芯片10的電極IOa上形成的凸起BI的形態，但是也可以適用于其他接合形態。例如，可以適用于將多個半導體芯片橫向排列的多芯片構造的半導體裝置2。該場合，如圖9所示，將從一方的半導體芯片IOB返回的接合線50楔形接合到在另一方的半導體芯片IOA的電極IOa上形成的凸起BI。凸起BI可以由圖4A 圖4E說明的第I動作或圖6A 圖6G說明的第2動作形成。即使這樣的構成，也可以獲得與上述實施例說明的效果相同的效果。也可以適用于多個半導體芯片縱向層疊的堆疊構造的半導體裝置3。該場合，如圖10所示，將從半導體芯片IOA返回的接合線楔形接合到在半導體芯片IOB的電極IOa上形成的凸起B2，而且，使凸起B3形成于在凸起B2上楔形接合的接合線50上，將從該凸起B3返回的接合線50楔形接合到在半導體芯片IOC的電極IOa上形成的凸起B4。進行楔形接合的凸起B2、B4可以由圖4A 圖4E說明的第I動作或圖6A 圖6G說明的第2動作形成。圖IlA是圖10說明的凸起B2、B3的SEM圖像。圖IlB是圖10說明的凸起B2、B3的放大圖。另外，圖IlB中，凸起B2中的包覆芯材50a的貴金屬層50b存在的部分用粗實線記載，貴金屬層50b不存在的部分用虛線記載。
如圖IlB所示，凸起B2的頂面的至少一部分由貴金屬層50b包覆,接合線50也由貴金屬層50b包覆。因而，在凸起B2上楔形接合接合線50時，在凸起B2的頂面和接合線50的接合面Rl中，不是以非貴金屬為主要成分的芯材50a，而是以貴金屬為主要成分的貴金屬層50b彼此接合。將凸起B3接合到在凸起B2上楔形接合的接合線50上時，也是由貴金屬層50b包覆接合線50，因此，在凸起B3的底面和接合線50的接合面R2中，不是以非貴金屬為主要成分的芯材50a，而是以貴金屬為主要成分的貴金屬層50b彼此接合。結果，即使進行圖10說明的接合，也可以獲得充分接合強度，提高接合的可靠性。如圖12所示，也可以適用于將半導體芯片10安裝于引線框100的半導體裝置4。該場合，將從引線框100返回的接合線楔形接合到在半導體芯片10的電極IOa上形成的凸起BI。這樣的構成也可以獲得與上述實施例說明的效果相同的效果。(實例) 接著，說明使用上述實施例說明的接合線50進行所謂逆接合時的試驗結果。該實例中，使用由鈀(Pd)層包覆銅(Cu)的芯材的外徑20 μ m的接合線。另外，鈀層的平均厚度為lOOnm。另外，作為比較例，進行使用沒有由貴金屬包覆的外徑20μπι的銅接合線的試驗。試驗在同一的條件(例如，毛細管的動作速度、按壓壓力、溫度等)下進行接合，評價不良發生的比例(不良率=不良數/線數)。以下的表I記載了實例及比較例的試驗結果。另外，接合中接合裝置停止的次數設為不良數。另外，毛細管的動作設為參照圖6Α 圖6G說明的第2動作。表I
線數不良數不良率 實例(有包覆)17676 O0%
比較例(無包覆) 160 42.5%~如表I所示，實例中，接合17676根線，接合中接合裝置沒有因為故障而停止。另一方面，比較例中，在160根線的接合中，接合裝置因為故障4次停止。圖13Α表示實例的凸起及接合線的截面SEM圖像。另外，圖13Β表示比較例的凸起及接合線的SEM圖像。圖13Α所示實例中，在凸起和接合線的界面存在貴金屬鈀，因此，凸起和接合線可以無間隙地可靠接合。另一方面，圖13Β所示比較例中，凸起和接合線的界面不存在貴金屬，凸起和接合線以表面氧化的狀態接合，因此凸起和接合線之間產生間隙，發生所謂線剝離。以上可知，使用貴金屬鈕包覆的接合線，在楔形接合的凸起形成時以接合線合并的方式進行按壓及接合，可以提高在該凸起上楔形接合接合線時的接合可靠性。雖然說明了本發明的幾個實施例，但是這些實施例只是示例而不是限定發明的范圍。這些新穎的實施例可以各種形態實施，在不脫離發明的要旨的范圍，可以進行各種省略、置換、變更。這些實施例及其變形是發明的范圍和要旨所包含的，也是權利要求的范圍所述的發明及其均等的范圍所包含的。
權利要求
1.一種接合線的接合方法，其將具有以非貴金屬為主要成分的芯材及包覆上述芯材的貴金屬層的接合線經由上述貴金屬層楔形接合到在半導體元件的電極上形成的凸起。
2.如權利要求I所述的接合線的接合方法，其特征在于， 使上述接合線合并，在上述半導體元件的電極上形成上述凸起。
3.如權利要求I所述的接合線的接合方法，其特征在于， 進一步經由上述貴金屬層將接合線接合到在上述凸起上楔形接合的接合線上。
4.一種半導體裝置，其具備 具有電極的半導體芯片； 在上述半導體元件的電極上形成的凸起；和 具有以非貴金屬為主要成分的芯材及包覆上述芯材的貴金屬層的接合線； 其中，上述接合線經由上述貴金屬層被楔形接合到上述凸起。
5.如權利要求4所述的半導體裝置，其特征在于， 上述凸起以使上述接合線合并的方式在上述半導體元件的電極上形成。
6.如權利要求4所述的半導體裝置，其特征在于， 接合線進一步經由上述貴金屬層被接合到在上述凸起上楔形接合的接合線上。
7.如權利要求4所述的半導體裝置，其特征在于， 上述貴金屬層的厚度在IOnm以上。
8.一種半導體裝置的制造方法，其包括 使具有以非貴金屬為主要成分的芯材及包覆上述芯材的貴金屬層的接合線以合并方式在半導體芯片的電極上形成凸起的步驟；和 經由上述貴金屬層將上述接合線楔形接合到上述凸起的步驟。
9.如權利要求8所述的半導體裝置的制造方法，還包括 進一步經由上述貴金屬層將接合線接合到在上述凸起上楔形接合的接合線上的步驟。
全文摘要
本發明提供接合線的接合方法、半導體裝置、半導體裝置的制造方法。本發明的接合線的接合方法，將具有以非貴金屬為主要成分的芯材及包覆上述芯材的貴金屬層的接合線經由上述貴金屬層楔形接合到在半導體元件的電極上形成的凸起。
文檔編號H01L23/488GK102623363SQ201210018298
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月19日 優先權日2011年1月31日
發明者中尾光博, 戶崎德大, 森田洋輔 申請人:株式會社東芝