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技術 ワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造

出願人 ハイソル株式会社
発明者 生稲新太郎
出願日 2019年4月19日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-079850
公開日 2020年10月29日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-178059
状態 特許登録済
技術分野 半導体の電極 ボンディング 有機半導体材料 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード 金属パーツ 空気吸入孔 ボトルネック型 軟ろう材 シリコン素材 冶金結合 軟質素材 接合ステップ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年10月29日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

半導体チップに形成された電極金属線とを強固に接合する。

解決手段

カドミウムテルル又は有機半導体軟質素材を有した半導体チップ10に形成された電極15に導電性ペースト30を塗布する塗布ステップと、導電性ペースト30の表面に金属片40を載置する載置ステップSP4と、金属片40と金属線50とを超音波接合する接合ステップSP6とを備える。また、金属線50を吸着しつつ金属片40まで搬送する搬送ステップで使用される吸着ノズルと、金属片40を吸着する吸着ノズルとは、同一とすることができる。

概要

背景

従来から、半導体チップ電極金属細線を接続するワイヤボンディングが行われている。例えば、特許文献1には、パワーMOSチップと、そのパワーMOSチップの上面側に塗布された半田等の軟ろう材又は導電性接着剤と、その導電性接着剤に接着された金属片と、金属片にワイヤボンディング接続された細線とを備えた実装構造が開示されている。

概要

半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合する。カドミウムテルル又は有機半導体軟質素材を有した半導体チップ10に形成された電極15に導電性ペースト30を塗布する塗布ステップと、導電性ペースト30の表面に金属片40を載置する載置ステップSP4と、金属片40と金属線50とを超音波接合する接合ステップSP6とを備える。また、金属線50を吸着しつつ金属片40まで搬送する搬送ステップで使用される吸着ノズルと、金属片40を吸着する吸着ノズルとは、同一とすることができる。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合することができるワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

軟質素材を有した半導体チップに形成された電極導電性接着剤を塗布する塗布ステップと、前記導電性接着剤の表面に金属片を載置する載置ステップと、前記金属片と金属線とを超音波接合する接合ステップとを備えることを特徴とするワイヤボンディング方法

請求項2

請求項1に記載のワイヤボンディング方法であって、前記軟質素材は、カドミウムテルル又は有機半導体であり、前記電極は、前記軟質素材に形成されていることを特徴とするワイヤボンディング方法。

請求項3

請求項1に記載のワイヤボンディング方法であって、前記軟質素材は、有機半導体であり、前記電極は、前記有機半導体に形成されており、前記載置ステップと前記接合ステップとの間に前記導電性接着剤が硬化する硬化ステップを備え、前記硬化ステップでの温度は、前記有機半導体の耐熱温度に応じて設定されることを特徴とするワイヤボンディング方法。

請求項4

請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のワイヤボンディング方法であって、前記接合ステップの前に、前記金属線を吸着しつつ前記金属片まで搬送する搬送ステップをさらに備え、前記搬送ステップで使用される吸着ノズルは、前記金属片を吸着する吸着ノズルと同一であることを特徴とするワイヤボンディング方法。

請求項5

電極が形成された有機半導体チップ又はカドミウムテルル化合物半導体チップと、前記電極の上に積層された導電性接着剤と、前記導電性接着剤に接合する金属片と、前記金属片に金属接合された金属線と、を備えたことを特徴とする半導体チップ配線構造

技術分野

0001

本発明は、ワイヤボンディング方法及び半導体チップ配線構造に関する。

背景技術

0002

従来から、半導体チップの電極金属細線を接続するワイヤボンディングが行われている。例えば、特許文献1には、パワーMOSチップと、そのパワーMOSチップの上面側に塗布された半田等の軟ろう材又は導電性接着剤と、その導電性接着剤に接着された金属片と、金属片にワイヤボンディング接続された細線とを備えた実装構造が開示されている。

先行技術

0003

実開昭60−116239号公報(第6図)

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に記載のパワーMOSチップは、シリコン素材なので剛性が高い。しかしながら、半導体チップは、シリコン等の剛質素材のみならず、有機半導体ポリマー太陽電池等で使用されるカドミウムテルル等のように、軟質素材のものもある。また、有機半導体は、柔軟性に富む樹脂基板に搭載されることがある。このような半導体チップに超音波印加しても、軟質素材が超音波を吸収して、電極と金属線とを十分な強度で金属接合することができない問題点があった。

0005

また、有機半導体の研究開発信頼性評価試作の段階では、テストサンプルとなる半導体チップの電極が一般的なものと異なることがある。このテストサンプルの電極の状態や材質によっては、ワイヤボンディングが成功しないことがあった。

0006

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合することができるワイヤボンディング方法、及び半導体チップ配線構造を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

前記目的を達成するために、本発明のワイヤボンディング方法は、軟質素材(例えば、カドミウムテルル、有機半導体)を有した半導体チップ(10)に形成された電極(15)に導電性接着剤(30)を塗布する塗布ステップ(SP2)と、前記導電性接着剤(30)の表面に金属片(40)を載置する載置ステップ(SP4)と、前記金属片(40)と金属線(50)とを超音波接合する接合ステップ(SP6)とを備えることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

発明の効果

0008

本発明によれば、半導体チップに形成された電極と金属線とを強固に接合することができる。

図面の簡単な説明

0009

(a)は本発明の一実施形態である半導体チップの配線構造を示す図であり、(b)はその写真である。
半導体チップの一例を示す構成図である。
本発明の第1実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図(1)である。
本発明の第1実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図(2)である。
吸着ノズルの構造を示す構造図である。
半導体チップの電極に導電性接着剤と塗布した状態を示す写真である。
導電性接着剤に金属ブロックを載置した状態を示す写真である。
本発明の第2実施形態で使用されるダイボンダの構成図である。
本発明の比較例であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。

実施例

0010

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」と称する)につき詳細に説明する。なお、各図は、本実施形態を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

0011

(実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態である半導体チップ配線構造を示す図であり、(b)はその写真である。また、図2は、半導体チップの一例を示す構造図である。
半導体チップ配線構造100は、第1電極15が形成された半導体チップ10と、半導体チップ10を搭載する基板11と、導電性接着剤30と、金属片40と、金属線50と、第2電極16とを備える。導電性接着剤30は、第1電極15の上に積層され、金属片40は、導電性接着剤30の上に搭載されている。つまり、第1電極15と導電性接着剤30と金属片40とは、電気的に接続されている。金属線50の一端は、金属片40に超音波接合(金属接合)される。第2電極16は、基板11に設けられており、金属線50の他端に接続される。

0012

半導体チップ10は、例えば、基板11に搭載された有機トランジスタ10a(図2)であるが、放射線測定器や太陽電池等で使用されるカドミウムテルル(Cd−Te)の化合物半導体チップであっても構わない。基板11は、例えば、透明樹脂ガラスであるが、金属(鉄)であっても構わない。有機トランジスタ10a(図2)は、例えば、基板11に形成されたゲート電極13と、基板11の表面であって、ゲート電極13の周囲に堆積された高分子ゲート絶縁膜12と、高分子ゲート絶縁膜12の表面に積層された有機半導体14と、有機半導体14の表面の一部に形成されたソース電極15a及びドレイン電極15bとを備える。なお、ソース電極15a及びドレイン電極15bで電極15と称する。

0013

有機半導体14は、例えば、ポリアセチレンポリピロールポリアニリンのような様々な直鎖状ポリマーであり、シリコンよりも柔軟性に富む軟質素材である。つまり、半導体チップ10は、シリコンよりも軟らかい軟質素材を有している。高分子ゲート絶縁膜12は、例えば、ポリイミドポリカーボネートである。ソース電極15aやドレイン電極15bは、例えば、金やアルミ等の金属膜である。ゲート電極13は、例えば、ITO膜である。

0014

導電性接着剤30は、例えば、金ペースト銀ペースト等の導電性ペースト導電性フィラー入り接着剤)であり、溶融固化が必要な半田ペーストを含まない。金属片40は、縦0.1mm〜0.2mm、横0.1mm〜0.2mm、厚さ0.025mm〜0.1mmの金(Au)やアルミニウム(Al)の金属ブロックである。つまり、金属片40は、薄膜で形成された電極15よりも質量が極めて大きい。なお、金属片40は、金(Au)及びアルミニウム(Al)の合金でも構わない。金属線50は、例えば、金(Au)やアルミニウム(Al)の細線であり、金属片40と同質素材であることが好ましいが、異質素材でも構わない。また、金属線50の線径は、13μmφ〜50μmφである。

0015

図3,4は、本発明の第1実施形態であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。
まず、作業者は、基板11に搭載された半導体チップ10を用意する(SP1)。SP1の後、作業者は、導電性接着剤30を、塗布針(不図示)を用いて第1電極15に塗布する(SP2)。導電性接着剤30を塗布した状態を示す写真を図6に示す。なお、図6の写真は、塗布量を3段階に変えたものであり、サイズを比較するために、φ30μm、アルミニウムの金属線50も示している。

0016

SP2の後、作業者は、塗布された導電性接着剤30の上まで、金属片40を吸着ノズル20(図5)及びXYZステージ(不図示)を用いて搬送し(SP3)、搬送された金属片40を導電性接着剤30の上に載置する。そして、作業者は、導電性接着剤30を硬化させる(SP4(図4))。導電性接着剤30の加熱条件加熱温度、加熱時間)は、例えば、160℃、1時間30分程度であるが、常温で2〜3日放置しても硬化する。金属片40を載置した状態を示す写真を図7に示す。なお、図7の写真には、金属片40を載置することなく、導電性接着剤30を塗布した状態のものも示している。

0017

図5は、吸着ノズルの構造を示す構造図である。
金属片40が小片であるので、本実施形態では、半導体チップ10やワイヤフレーム等の電子部品真空吸着するフラットフェースツールよりも先端が細いボトルネック型の吸着ノズル20を使用する。吸着ノズル20は、円柱状の軸部21と、円錐台部22と、首部23と、先端部24とを備える。吸着ノズル20は、孔径φ1(例えば、φ1=0.038mm)の空気吸入孔25が形成されている。なお、空気吸入孔25は、段差25aを有している。

0018

円錐台部22は、稜線26同士がテーパ角度θ1(例えば、θ1=30°)を成している。首部23は、曲率半径R(例えば、R=254μm)で形成されており、円錐台部22と先端部24とを接続する。また、先端部24は、稜線27同士がテーパ角度θ2(例えば、θ2=10°)を成した、先端径φ2(例えば、φ2=0.1mm)、高さH(例えば、H=305μm)の略円錐台形状である。

0019

金属片40の載置後、作業者は、導電性接着剤30を硬化させる(SP4(図4))。このとき、有機半導体14の耐熱温度(例えば、50℃〜150℃)を考慮して、導電性接着剤30の加熱温度を設定するのが好ましい。また、導電性接着剤30が室温硬化可能モデルであれば、加熱不要である。SP4の後、作業者は、吸着ノズル20及びXYZステージ(不図示)を用いて、金属線50の一端を金属線40の上まで搬送する(SP5)。結果的に、ボトルネック型の吸着ノズル20は、金属片40の搬送(SP3)と、金属線50の搬送(SP5)との双方で使用される。言い換えれば、金属片40と金属線50とは、同程度の幅であるので、同一の吸着ノズル20を使用することができる。

0020

金属線50の一端の搬送後、作業者は、超音波発生器60で金属線50の一端に超音波を印加させ、ワイヤボンディングを行う(SP6)。このとき、超音波振動により接合界面の酸化被膜汚れが取り除かれ、結晶粒同士が原子間距離になるまで接近する。これにより、金属パーツ間で強力な引力が働き、冶金結合が生成される。なお、超音波の周波数は、60kHzである。さらに、作業者は、金属線50の他端を基板11の電極16にワイヤボンディングする(図1(a)参照)。これにより、半導体チップ配線構造100が構成される。

0021

(第2実施形態)
前記実施形態の層状物質劈開方法は、XYZステージ(不図示)が吸着ノズル20を移動させたが、XYZθステージの代わりに3軸マニュピレータを用いて、吸着ノズル20を移動させることもできる。

0022

図8は、本発明の第2実施形態で使用されるダイボンダの外観図であり、図8(a)は、実体顕微鏡を除いた平面図であり、図8(b)は、実体顕微鏡を2点鎖線で示した側面図である。
ダイボンダ90は、実体顕微鏡70と、ステージ72と、ワークホルダ73と、3軸マニュピレータ80とを備える。3軸マニュピレータ80は、ヘッド部81と操作部82とを備える。ヘッド部81には、吸着ノズル20が取り付けられ、ワークホルダ73には、半導体チップ10が固定される。3軸マニュピレータ80は、操作部82をXYZ方向に動かすことにより、ヘッド部81をXYZ方向に1/N(例えば、N=8)の変位量で移動させるものである(米国特許第5871136号明細書、米国特許第5931372号明細書参照)。回転ノブ86は、吸着ノズル20を1対1の回転量で回転させるノブである。

0023

この本実施形態の層状物質劈開方法によれば、ヘッド部81に取り付けられている吸着ノズル20が操作部82の1/Nの変位量で移動させられる。このため、作業者は、実体顕微鏡で確認しながら、金属片40と金属線50との搬送を操作部82の操作速度よりも低速で行うことができる。

0024

(比較例)
図9は、本発明の比較例であるワイヤボンディング方法を説明する説明図である。
図9(a)は、半導体チップ10の電極15と金属線50の一端とを超音波接合する図である。つまり、作業者は、導電性接着剤30の塗布(SP2(図3))や金属片40の載置(SP3)を行うことなく、金属線50の一端と電極15とを直接、ワイヤボンディングする。

0025

半導体チップ10は、柔軟性に富んだ軟質素材を用いているので、超音波印加時に、超音波エネルギを吸収してしまう。言い換えれば、金属線50の一端と電極15との接触面に超音波エネルギが集中しない。このため、金属線50の一端と電極15との接合強度が十分に得られない。

0026

また、電極15の成膜状態が悪く、電極15と有機半導体14との接合強度が低いときには、図9(b)のように、電極15が有機半導体14から剥離してしまう。このようなときには、超音波周波数超音波強度修正等のボンディング条件の変更だけでは、対処することが困難である。そのため、比較例では、電極15の材質や成膜条件の変更を伴うことがある。

0027

また、半導体チップ10の評価サンプルは、洗浄されていないものが多く、電極15の表面状態が悪い。例えば、電極15の表面が汚染されている場合、図9(c)のように、金属線50の一端と電極15との超音波接合が成功しないことがある。このようなときには、接合工程の前に、電極15を洗浄する洗浄工程を追加する必要がある。また、電極15の材質によっては、比較例では、大気中での酸化加熱環境下での変質によっても、超音波接合が成功しないことがある。このようなときには、電極15や金属線50の材質変更を行う必要がある。

0028

この比較例に対して、第1,2実施形態のワイヤボンディング方法では、電極15に導電性接着剤30を塗布し(SP2)、その導電性接着剤30の上に金属片40を載置し(SP4)、金属片40と金属線50とを超音波接合している(SP6)。つまり、金属片40の質量が電極15の質量よりも極めて大きいので、超音波印加時の金属片40の振幅位置変動)が小さくなる。このため、超音波発生器60が発生する超音波エネルギの多くが金属片40と金属線50との接合に使われる。したがって、金属片40と金属線50との金属接合が強固になる。また、第1,2実施形態のワイヤボンディング方法によれば、超音波印加時の金属片40の振幅が小さいので、電極15と有機半導体14との剥離(図9(b))が減少する。

0029

10半導体チップ
11基板
13ゲート電極
14有機半導体
15,15a,15b,16電極
20吸着ノズル
25空気吸入孔
30導電性接着剤
40金属片
50金属線
60超音波発生器
80 3軸マニュピレータ
90ダイボンダ
100 半導体チップ配線構造

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