JPH088290A - ワイヤボンディング方法及びその装置と半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ネールヘッド方式のワイヤボンディング方法
及び装置と前記方法及び装置を用いて形成された半導体
装置に関し、ボンディングパッドの高密度配置を可能に
し且つボンディングの歩留り及び信頼性の向上を図る。 【構成】 一次元方向に並んで配設された複数のボンデ
ィングパッド2A、2B、2C等の各々にネールヘッド方式に
よりリード線のボンディングを行うに際し、該リード線
のボンディング部４を、該一次元方向で狭い幅Ａを有し
該一次元方向に直交する方向で広い幅Ｂを有する形状に
形成するワイヤボンディング方法、及び先端面に該先端
面と同心の円形開孔面を有する凹部が設けられ、且つ該
凹部の側壁の対向する２個所に該凹部の内部から該キャ
ピラリーの外面に達する切り欠き部が形成されたボンデ
ィングキャピラリーを具備せしめたネールヘッド方式の
ワイヤボンディング装置、と前記方法または装置を用い
て形成した半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はネールヘッド方式のワイ
ヤボンディング方法とそれに用いるワイヤボンディング
装置、及び上記ワイヤボンディング方法を用いて形成さ
れる半導体装置に関する。

【０００２】ネールヘッド方式のワイヤボンディング
は、微細組立において一般的な接続方法であるが、近
年、半導体装置の高密度・高集積化に伴って半導体チッ
プに配設されるボンディングパッドの間隔は極度に狭め
られてきており、ボール径のばらつきやボンディング位
置のばらつきにより、隣接するボール（ネールヘッド
部）とボンディングパッドあるいはボール（ネールヘッ
ド部）同士がショートするという問題が起こっており、
改善が望まれている。

【０００３】

【従来の技術】図５は従来のネールヘッド方式のワイヤ
ボンディング品を模式的に示す斜視図で、図中の51は半
導体チップ、52はボンディングパッド、53はリード線
（ボンディングワイヤ）、54はボールボンディング（ネ
ールヘッドボンディング）部、55は図示しないパッケー
ジ、リードフレーム等の内部リード上へのクレセント状
の第２ボンディング部を示す。

【０００４】上記ボンディング品を形成するボールボン
ディングに際し、用いられていた従来のボンディングキ
ャピラリーは図６に示すように、先端面56S に、該キャ
ピラリー56の中心に形成されているワイヤ（リード線）
挿通孔57及びキャピラリー56の先端面56S と同心の開孔
面を有する凹部58が形成された構造を有していた。

【０００５】そして上記ボンディングキャピラリー56を
用い例えば超音波によるボールボンディングのなされた
ワイヤボンディング部54は、図７に模式的に示す斜視図
のように、ボンディングパッド52(52A) に接する円形の
底面を有する擬似半球状に形成され、例えば、ボンディ
ングワイヤに直径ｄ＝25μｍのアルミニウム（Ａｌ）ワ
イヤ53を用いた場合には、ボールボンディング部54の直
径Ｄ（底面とほぼ等しくなる）が80〜100 μｍ程度の大
きさになるように押し潰し十分なボンディング強度が得
られる状態でパッド52上へのボンディングがなされてい
た。なお図７において、52A 、52B 、52C はボンディン
グパッドを示し、他の符号は図５と同一対象物を示す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方、前記のように半
導体装置の高密度・高集積化に伴って、チップの周辺部
に並んで配設されるボンディングパッドの大きさ及び間
隔はより一層縮小されることが要求されるが、上記円形
のボンディング面を有する従来方式のネールヘッドボン
ディングを用いる限りにおいては、十分なボンディング
強度が最低の専有面積で得られる角形のパッド形状は正
方形に限られ、且つその大きさは、一辺の長さが前記の
ボンディング強度が十分に得られるボンディング部54の
直径Ｄ以上に限定される。そこで、上記高密度・高集積
化を達成するために、図８の従来の問題点を示す模式平
面図に示したように従来の半導体装置においては、半導
体チップ51の周辺部に並んで配設される複数のボンディ
ングパッド52A 、52B 、52C等の配設間隔(l) を縮小す
る方法によらざるを得ず、その配設間隔(l) は、例えば
20μｍ程度に極度に縮小されてきている。

【０００７】そのために、ワイヤボンディングに際して
のボール径のばらつきや、ボンディング位置のばらつき
によって図示のように隣接するボールボンディング部例
えば54B 、54C 同士のショートや、ボールボンディング
部と隣接するボンディングパッドとのショート（図示せ
ず）が発生し、ワイヤボンディングの歩留りが低下する
と共に、上記ショート不良を以後の製造工程に送らない
ための顕微鏡等による外観検査に大きな工数を費やして
いた。

【０００８】従来、上記問題を解決する手段として、ボ
ンディングした際のボール径を小さくする方法も試みら
れたが、この方法は、ボンディング強度の不足による信
頼性の低下が問題になり、実施が不可能であった。

【０００９】そこで本発明は、ボンディングパッドの配
列に沿う方向のボンディングパッドの幅をより一層縮小
し、且つ十分なボンディング強度が得られるネールヘッ
ド方式のワイヤボンディング方法及びそれに用いるワイ
ヤボンディング装置と、上記ワイヤボンディング方法を
用いて形成される半導体装置の構造を提供し、前記ボン
ディングパッド幅の縮小によって半導体装置の一層の高
密度・高集積化を達成させながらその製造歩留り及び信
頼性を向上することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決は、一次
元方向に並んで配設された複数のボンディングパッドの
各々にネールヘッド方式によりリードのボンディングを
行うに際して、該リード線のボンディング部を、該一次
元方向で狭い幅を有し該一次元方向に直交する方向で広
い幅を有する形状に形成する本発明によるワイヤボンデ
ィング方法、若しくは、ネールヘッド方式のワイヤボン
ディング装置であって、先端面に該先端面と同心の円形
開孔面を有する凹部が設けられ、且つ該凹部の側壁の対
向する２個所に該凹部の内部から該キャピラリーの外面
に達する切り欠き部が形成されてなるボンディングキャ
ピラリーを具備せしめた本発明によるワイヤボンディン
グ装置、若しくは、周辺部に辺に沿って複数のボンディ
ングパッドが並んで配設された半導体チップを有し、該
ボンディングパッドに対してネールヘッドボンディング
によってリード線のボンディングがなされる半導体装置
において、該リード線のボンディング部が、該ボンディ
ングパッドの配列に沿う第１の方向で狭い幅を有し該第
１の方向と９０度異なる第２の方向で広い幅を有する形
状に形成されている本発明による半導体装置によって達
成される。

【００１１】

【作用】図１は本発明の原理を示す本発明の方法の一実
施例の斜視模式図である。図において、１は半導体チッ
プ、2A、2B、2Cはボンディングパッド、３はリード線
（ボンディングワイヤ）、４は変形ボールボンディング
部、５は第２ボンディング（クレセント）部を示す。

【００１２】この図に示されるように本発明のワイヤボ
ンディング方法においては、ボンディングパッド（例え
ば2A）上へのボンディングワイヤ３の接続を、ボンディ
ングワイヤの先端部に形成された、ボンディングパッド
2A、2B、2Cの配列に沿う第１の方向にＡで示すように狭
い幅を有し、該第１の方向に直交する第２の方向にＢで
示すように広い幅を有する（近時的に矩形若しくは楕円
形状の）変形ボールボンディング部４によって行う。

【００１３】そしてその際、変形ボールボンディング部
のパッド2A、2B、2C等の配列の高密度化を阻害しないパ
ッド配列に直交する方向の上記Ｂの幅を、Ａの幅を上記
のように狭めても従来の円形底面を有するボンディング
部と同等あるいはそれ以上のボンディング強度が得られ
る十分に広い幅にすることにより、ボンディング強度の
保証がなされる。

【００１４】本発明においては、上記のようにボンディ
ング部がパッド2A、2B、2C等の配列に沿う方向で狭い幅
Ａに形成されるので、それに伴ってパッド配列方向に沿
うパッドの幅を狭く形成することができ、パッド配置の
高密度化が図れる。

【００１５】また、上記のような矩形若しくは楕円形状
を有する変形ボールボンディング部４は、ボンディング
ワイヤの先端に形成したボールをキャピラリー先端部に
よってパッド上に圧接してボンディングを行う際、ボー
ル上部の幅をＢで示すように広げようとする方向のみを
選択的に押し潰すことにより形成する。従って、ボンデ
ィングに際してのボールの上記Ｂに直交するＡの方向へ
の拡がりは殆どなく、ボンディング後のＡの幅はほぼボ
ール形成時のままで均一に保たれる。従ってパッド間隔
が縮小された際にもボール潰れのばらつきによって生ず
る隣接ボール間及びボールとパッド間のショート障害は
殆ど皆無になり一層のパッド配置の高集積化高密度化が
可能になり、且つ従来行われていたワイヤボンディング
後の全数外観検査を廃止することも可能になる。

【００１６】以上のことから本発明によれば、ボンディ
ングパッドの配設密度向上による半導体装置の高密度高
集積化が図れると共に、ワイヤボンディングに関連した
製造工数を従来に比べ低減し、且つ製造歩留り及び信頼
性の向上が図れる。

【００１７】

【実施例】以下本発明を、以下の図を参照して実施例に
より具体的に説明する。図１は本発明の原理を示すワイ
ヤボンディング方法の一実施例の斜視模式図、図２は本
発明に係るワイヤボンディング装置の一実施例が具備す
るボンディングキャピラリーの模式図で(a) は斜視図、
(b) は正面図、(c) は側面図、図３は本発明に係るワイ
ヤボンディング装置の他の実施例が具備するボンディン
グキャピラリーの側面図、図４は本発明に係る半導体装
置の一実施例の模式平面図である。全図を通じ同一対象
物は同一符合で示す。

【００１８】ネールヘッド方式のワイヤボンディングに
おいては、例えば、セラミックス等からなり中心にワイ
ヤ（リード線）の挿通孔を有するキャピラリーを用い、
このキャピラリーに挿通された例えばアルミニウム(Al)
のワイヤの先端にトーチ加熱等によりボールを形成し、
このボールをキャピラリーの先端部でボンディングパッ
ド上に圧接しキャピラリーに超音波を印加しながら押し
潰して上記Alワイヤのボール部と例えばAl薄膜からなる
ボンディングパッドとのボールボンディングがなされ
る。

【００１９】本発明を適用した上記ネールヘッド方式の
超音波ワイヤボンディング方法においては、図１に示す
ように、例えば半導体チップ１の周辺部上にチップ１の
辺に沿って一方向に並んで配設されるボンディングパッ
ド2A、2B、2C等の各々に前記超音波ボンダによって接続
される前記Alからなるボンディングワイヤ（リード線）
３の前記パッド例えば2A上へのボンディングが、チップ
１の辺に沿う一次元方向に配列されるボンディングパッ
ド2A、2B、2C等の配列方向に沿う方向の幅Ａが狭く、上
記パッド2A、2B、2C等の配列方向に直交する方向の幅Ｂ
が広い近時的に矩形若しくは楕円形状の変形ボール形状
を有する変形ボールボンディング部４によってなされ
る。

【００２０】このような変形ボールボンディング部４の
形成を可能にするネールヘッド方式のワイヤボンダは、
キャピラリーの構造以外は従来から用いられている通常
の超音波圧着方式あるいは熱圧着方式のネールヘッドボ
ンダ（図略）と同様である。

【００２１】そして、ボンディングキャピラリー６は、
図２に示すように、キャピラリー６の軸方向の中心に通
常通りワイヤ挿通孔７が形成されており、先端部には通
常通り基部6aから順次細くなるテーパ部6bが形成されて
いる。そしてテーパ部6bにより所定の直径に縮小された
先端面6Sには、従来同様にボンディングワイヤに形成す
るボールの径の１／２程度の深さを有する前記ワイヤ挿
通孔７及びキャピラリー先端面6Sと同心の曲面上の凹部
８が形成され、且つこの凹部８の側壁8Sの対向する１方
向（図２(a) では横方向）のみに、例えば前記テーパ部
6bの側面を削り取ることによって、前記凹部８の深さの
１／２〜２／３程度の深さの切り欠き部9A、9Bが形成さ
れた構造を有する。

【００２２】なおここで、通常の25μｍφのボンディン
グワイヤを用いる場合には、例えば、キャピラリー先端
面6Sの径は 150μｍφ程度、ワイヤ挿通孔７の径は35μ
ｍφ程度、キャピラリー先端の凹部８の開口径は60〜80
μｍφ程度、凹部８の深さは30〜40μｍ程度、先端面6S
の凹部側壁8Sの厚さ45〜35μｍ程度とし、変形ボンディ
ング部４の形状を規定する前記凹部８の側壁8Sにおける
対向する切り欠き部9A、9Bの間の残り幅は8A、8Bは各々
50μｍ程度、前記切り欠き部9A、9Bの深さは20〜30μｍ
程度とする。

【００２３】25μｍφのボンディングワイヤを用いた場
合、トーチ等による溶融でワイヤの先端に形成されるボ
ールの径は60〜80μｍφ程度になる。従って、このボー
ルを上記キャピラリー６先端面6Sでパッド上に押し潰す
場合、前記凹部８の側壁8Sが選択的に残留しせしめられ
ている8A、8Bの部分では、ボールはこの側壁8Sの残留部
分即ち残り幅8A、8Bの部分で押し潰されてボールはこの
側壁残留部分の下部へ、図１にＢで示されたように例え
ば 120〜150 μｍ程度の幅(B) に大きく伸び拡がり、前
記凹部側壁8Sに切り欠き部9A、9Bを形成した部分ではボ
ールが殆ど押し潰されないで図１にＡで示されたように
その方向にはボンディング部の幅は殆ど拡がらず、60〜
80μｍ程度当初のボール径に対応する狭い幅(A) が確保
される。

【００２４】なお上記キャピラリーを用いた場合、上記
のように変形ボールボンディング部は、図１におけるＡ
の幅が80μｍ、Ｂの幅が 150μｍ程度の矩形に近い楕円
形状に形成されるので、ボンディング部のパッドとの接
触面積は 12000μｍ² 程度となり、円形接触面を有する
従来のボールボンディングにおいてボンディングの径を
120μｍφ程度(11300μｍ²)まで押し潰したのと同等程
度の十分に高いボンディング強度が得られている。

【００２５】半導体装置においては、通常半導体チップ
の周辺部にその４辺に沿って複数のボンディングパッド
が配列形成される。そのためにボンディングパッド２の
配列方向は横(X) 方向と、縦(Y) 方向との２種類にな
る。従って前記変形ボールボンディング部４を狭い幅Ａ
に形成する方向が、横(X) 方向に沿って配列されたボン
ディングパッドと縦(Y) 方向に沿って配列されたボンデ
ィングパッドとで90度異なってくる。

【００２６】そこで半導体チップを90度回転して新たに
位置合わせしてワイヤボンディングを行う手間を省き、
１回の位置合わせで縦方向及び横方向に配列されたボン
ディングパッド上への上記変形ボールボンディングを可
能にするには、図３の斜視模式図に示すように、前記実
施例の変形ボールボンディング用のキャピラリー６を切
り欠き部9A、9Bの向きが横方向に位置するように設置し
た横列用キャピラリー6Xと、前記キャピラリー６を切り
欠き部9A、9Bの向きが前後方向に位置するように設置し
た縦列用キャピラリー6Yをそれぞれ具備した２基のボン
ディングヘッドを有するワイヤボンディング装置を用い
ればよい。なお図中、10は超音波ホーンを示す。

【００２７】図４は本発明に係る半導体装置の一実施例
のワイヤボンディング面を模式的に示す平面図である。
この図に示されるように本発明に係る半導体装置におい
ては、例えば半導体チップ１の周辺部上に、チップ１の
４辺に沿って複数のボンディングパッド2X_A 、2Y_A 、2X
_B 、2Y_B がそれぞれ整列配設されている。

【００２８】そして、それぞれのボンディングパッドは
その配列方向に沿った幅Ａ_XA、Ａ_YA、Ａ_XB、Ａ_YBの幅を
それぞれ狭く形成することにより、ボンディングパッド
の配設密度を高め、且つパッドの高密度配置を阻害しな
い上記ボンディングパッドの配列方向に直交する方向の
幅Ｂ_XA、Ｂ_YA、Ｂ_XB、Ｂ_YBをそれぞれ十分に広く形成す
ることによって所要のボンディング強度の得られるボン
ディング面積の確保がなされている。このボンディング
パッド2X_A 、2Y_A 、2X_B 、2Y_B 等は通常Al若しくはその
合金の薄膜により形成される。

【００２９】またボンディングワイヤ（リード線）3A、
3B、3C等は上記ボンディングパッド上に、前記実施例に
示したワイヤボンディング方法あるいはワイヤボンディ
ング装置を用い、それぞれボンディングパッドの配列に
沿う方向でボンディングパッドからはみ出さないような
狭い幅を有し、ボンディングパッドの配列に直交する方
向で少なくとも前記パッド幅Ｂ_XA、Ｂ_YA、Ｂ_XB、Ｂ_YB以
上の幅をそれぞれ有する変形ボール4A、4B、4C等によっ
てボンディングされている。なお、図中の5A、5B、5C等
は図示しないパッケージやリードフレームの内部リード
に接続された第２ボンディング部を示す。またボンディ
ングワイヤ（リード線）3A、3B、3C等には従来同様にA
l、Au等が用いられる。

【００３０】このような本発明にかかる半導体装置にお
いては、ボンディングパッドの配列方向に沿うボールボ
ンディング部の幅を従来に比べ縮小できるので、ボンデ
ィングパッドの配設密度を従来より高密度化することが
可能である。また前記のようにボールボンディングに際
し、ワイヤ先端に形成したボールが隣接してパッドが配
設されるパッド配列に沿う方向へは殆ど拡がらないの
で、この方向の変形ボールボンディング部４の幅Ａはほ
ぼ均一に形成され、ボンディング部の幅Ａのばらつきに
より、隣接するボンディング部同士、或いはボンディン
グ部と隣接するボンディングパッド間のショート障害は
防止される。

【００３１】更にまた、本発明に係る半導体装置におい
ては、上記のように隣接するワイヤボンディング部同士
或いはワイヤボンディング部と隣接するボンディングパ
ッド間のショート障害が防止されることから、該ショー
ト不良を除去する全数外観検査の工程が不要になり、製
造工数の削減が図れると同時に、製造歩留り及び信頼性
も向上する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体チップをパッケージ或いはリードフレーム等に接続
するワイヤボンディングのボンディング強度を損なわず
に半導体チップに形成されるワイヤボンディング用のパ
ッドの配設密度を高めることができると共に、ワイヤボ
ンディング位置のばらつき及びボンディング形状のばら
つきによる隣接ボンディング部間のショート障害が防止
されるので該ショート不良検出のための全数外観検査が
省略できる。

【００３３】従って本発明は、高密度高集積化される半
導体装置の歩留り、信頼性の向上、及び製造工数の低減
に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理を示す本発明の方法の一実施例
の斜視模式図

【図２】 本発明に係るワイヤボンディング装置の一実
施例が具備するボンディングキャピラリーの模式図

【図３】 本発明に係るワイヤボンディング装置の他の
実施例が具備するボンディングキャピラリーの斜視模式
図

【図４】 本発明に係る半導体装置の一実施例の模式平
面図

【図５】 従来のネールヘッド方式のワイヤボンディン
グ品の斜視模式図

【図６】 従来のボンディングキャピラリーの斜視模式
図

【図７】 従来のワイヤボンディング部の斜視模式図

【図８】 従来の問題点を示す模式平面図

【符号の説明】

１ 半導体チップ 2A、2B、2C ボンディングパッド ３ ボンディングワイヤ（リード線） ４ 変形ボールボンディング部 ５ 第２ボンディング部 ６ ボンディングキャピラリー ７ ワイヤ挿通孔 ８ 凹部 8S 凹部の側壁 9A、9B 切り欠き部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次元方向に並んで配設された複数のボ
   ンディングパッド(2A,2B,2C)の各々にネールヘッド方式
   によりリード線(3) のボンディングを行うに際して、 該リード線のボンディング部(4) を、該一次元方向で狭
   い幅(A) を有し該一次元方向に直交する方向で広い幅
   (B) を有する形状に形成することを特徴とするワイヤボ
   ンディング方法。
2. 【請求項２】 ネールヘッド方式のワイヤボンディング
   装置であって、 先端面(6S)に該先端面(6S)と同心の円形開孔面を有する
   凹部(8) が設けられ、且つ該凹部(8) の側壁(8S)の対向
   する２個所に該凹部(8) の内部から該キャピラリー(6)
   の外面に達する切り欠き部(9A)(9B)が形成されてなるボ
   ンディングキャピラリー(6) を具備せしめたことを特徴
   とするワイヤボンディング装置。
3. 【請求項３】 前記切り欠き部(9A)(9B)の対向方向が９
   ０度異なる２種類のボンディングキャピラリー(6) を具
   備せしめてなることを特徴とする請求項２記載のワイヤ
   ボンディング装置。
4. 【請求項４】 周辺部に辺に沿って複数のボンディング
   パッド(2A 〜2C) が並んで配設された半導体チップ(1)
   を有し、該ボンディングパッド(2A 〜2C) に対してネー
   ルヘッドボンディングによってリード線(3) のボンディ
   ングがなされる半導体装置において、 該リード線(3) のボンディング部(4) が、該ボンディン
   グパッド(2A 〜2C) の配列に沿う第１の方向で狭い幅
   (A) を有し該第１の方向と９０度異なる第２の方向で広
   い幅(B) を有する形状に形成されていることを特徴とす
   る半導体装置。