专利名称：接合线的接合方法、半导体装置、半导体装置的制造方法
技术领域：
实施例涉及接合线的接合方法、半导体装置及半导体装置的制造方法。
背景技术：
传统的半导体装置中，由以贵金属(例如金(Au))为主要成分的接合线(以下，称为贵金属线)电气地连接半导体芯片上的电极(衬垫(pad))和引线框的引线(lead)。但是，伴随近年的贵金属价格的高涨，开始使用以廉价的非贵金属(例如铜(Cu))为主要成分的接合线(以下，称为非贵金属线)来连接半导体芯片上的电极和引线框的电极。
发明内容
实施例的接合线(bonding wire)的接合方法,将具有以非贵金属为主要成分的芯材及包覆上述芯材的贵金属层的接合线经由贵金属层楔形接合(wedge bonding)到在半导体元件的电极上形成的凸起(bump)。将接合线楔形接合到凸起时可以获得充分的接合强度，提高接合的可靠性。结果，在连续接合操作时等可以抑制接合剥离和/或接合线破断等的故障发生。
图I是实施例的半导体装置的截面图。图2是接合线的截面图。图3A 图3G是逆接合工序的说明图。图4A 图4E是第I毛细管动作的说明图。图5A是由毛细管的第I动作形成的凸起的SEM图像。图5B是由毛细管的第I动作形成的凸起的放大图。图5C是由毛细管的第I动作形成的凸起的截面SEM图像。图是由毛细管的第I动作形成的凸起的截面SEM图像。图6A 图6G是毛细管的第2动作的说明图。图7A是由毛细管的第2动作形成的凸起的SEM图像。图7B是由毛细管的第2动作形成的凸起的放大图。图8A、图8B是接合线的切断方法的说明图。图9是其他实施例的半导体装置的截面图的一例。图10是其他实施例的半导体装置的截面图的其他例。图IlA是在楔形接合上进行接合的状态的SEM图像。
图IlB是在楔形接合上进行接合的状态的放大图。图12是其他实施例的半导体装置的截面图的其他例。图13A是实施例的凸起及接合线的截面SEM图像。图13B是比较例的凸起及接合线的截面SEM图像。
具体实施例方式以下，参照
实施例。(实施例)图I是实施例的半导体装置I的截面图。以下，参照图1，说明实施例的半导体装置I的构成。(半导体装置I的构成)实施例的半导体装置I具备半导体芯片10 ;用于安装半导体芯片10的安装基板20 ;密封半导体芯片10的密封树脂(成型树脂)30。半导体芯片10通过焊料等的安装材料40接合到安装基板20的表面上。在半导体芯片10形成的信号输入输出用的电极(衬垫)IOa通过接合线50与在安装基板20形成的表面布线20a连接。接合线50的连接方法将参照图3A 图3G后述。图2是接合线50的截面。图2所示接合线50具备廉价非贵金属(例如，铜(Cu)、铝(Al)或镍(Ni))为主要成分的导电性优的芯材50a;以耐氧化性优的贵金属(例如，钯(Pd)、钼(Pt)或金(Au))为主要成分的包覆芯材50a的贵金属层50b。若为芯材50a，主要成分意味着可以包含非贵金属以外的不可避杂质。若为贵金属层50b，主要成分意味着可以包含贵金属以外的不可避杂质。安装基板20例如是FR4 (Flame Retadant Type 4)等的印刷布线基板(玻璃环氧树脂片)。作为安装基板20的主要成分，除了 FR4以外，也可以使用四氟乙烯树脂等的树脂基板和/或氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等的陶瓷基板。在安装基板20形成金属布线即表面布线20a及背面布线20b、连接表面布线20a和背面布线20b的通孔20c。通孔20c的内面由金属等的导电体包覆，表面布线20a和背面布线20b电气连接。在安装基板20的背面,形成BGA(ball grid array :球栅阵列)60。BGA60经由背面布线20b、通孔20c、表面布线20a及接合线50，与半导体芯片10的电极IOa电气连接。也可以取代BGA60,在安装基板20的背面形成LGA(land grid array :栅格阵列)。(接合工序)图3A 图3G是连接实施例的半导体装置I所具备的半导体芯片10的电极IOa和安装基板20的表面布线20a的接合工序的说明图。以下，参照图3A 图3G，说明半导体芯片10的电极IOa和安装基板20的表面布线20a的接合工序。该实施例中，在半导体芯片10的电极IOa上形成凸起BI后,通过将一端与安装基板20的表面布线20a接合的接合线50楔形接合到在半导体芯片10的电极IOa上形成的凸起BI即所谓的逆接合，将半导体芯片10的电极IOa和安装基板20的表面布线20a电气连接。(第I工序参照图3A)
插入毛细管70的接合线50的前端通过火花棒(spark rod) 80发出火花,形成球50a。(第2工序参照图3B)将毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，在电极IOa上形成凸起BI并接
入
口 ο(第3工序参照图3C)在凸起BI接合后，以线夹90挟持接合线50的状态，使毛细管70上升，切断接合线50。(第4工序参照图3D)切断的接合线50的前端通过火花棒80发出火花，形成球50a。(第5工序参照图3E)将毛细管70向安装基板20的表面布线20a上移动后下降，在表面布线20a上形成凸起B2并接合。(第6工序参照图3F)在凸起B2接合后，将毛细管70向半导体芯片10的电极IOa上移动。然后，将毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，将接合线50楔形接合到在电极IOa上形成的凸起BI。(第7工序参照图3G)
在接合线50与凸起BI接合后，以线夹90挟持接合线50的状态，使毛细管70上升，切断接合线50。与第I 第7的工序同样，半导体芯片10的剩余电极IOa与表面布线20a通过接合线50接合。(毛细管70的第I动作)图4A 图4E是凸起BI形成时的毛细管70的第I动作的说明图。图4A是毛细管70如端的轨迹的不意图。图4A的箭头的编号表不毛细管70的动作的顺序。另外，图4B 图4E是箭头的编号2 5中的毛细管70和凸起BI的状态的示意图。以下，参照图4A 图4E，说明毛细管70的第I动作。(第I工序参照图4B)毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，在电极IOa上形成凸起BI并接合后，毛细管70上升。(第2工序参照图4C)毛细管70向作为连接处的安装基板20的表面布线20a的相反侧(图4C的右侧)水平移动。(第3工序参照图4D)毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，用毛细管70前端的左侧在通过上述第I工序接合了接合线50的凸起BI顶面，将接合线50以合并(折叠)方式进行按压及接合。(第4工序参照图4E)在未图示的线夹挟持接合线50的状态下，毛细管70上升，切断接合线50。
(凸起BI的形状)图5A是由参照图4A 图4E说明的第I动作形成的凸起BI的SEM图像。图5B是由参照图4A 图4E说明的第I动作形成的凸起BI的放大图。另外，图5B中，凸起BI中包覆芯材50a的贵金属层50b存在的部分用粗实线记载，贵金属层50b不存在的部分用虚线记载。参照图4A 图4E说明的第I动作，以在由第I工序接合的凸起BI顶面合并(折叠)接合线50的方式进行按压及接合，因此，在顶面F的至少一部分由贵金属层50b包覆的状态下，在半导体芯片 10的电极IOa上形成凸起BI。图5C是由图4A 图4E说明的第I动作形成的凸起BI的截面SEM图像。图5C中，凸起BI的顶面的贵金属层(图5C中，钯(pd))存在的部分用点划线表示。图是图5C的区域X的放大图像。从图5C及图所示SEM图像可知，通过合并接合线50，可以在顶面F的至少一部分由贵金属层50b包覆的状态下形成凸起BI。如上所述，通过由第I动作使毛细管70动作而形成凸起BI，凸起BI顶面F的至少一部分由贵金属层50b覆盖。因而，在返回的接合线50楔形接合到凸起BI上时，不是以非贵金属为主要成分的芯材50a，而是以贵金属为主要成分的贵金属层50b彼此接合。因而，在接合线50楔形接合到凸起BI顶面时可以获得充分的接合强度，提高接合的可靠性。结果，连续接合操作时，可以抑制接合剥离和/或接合线50破断等的故障发生。贵金属层50b的膜厚优选在IOnm以上。如参照图4A 图4E所说明，该实施例中，使接合线50合并，在半导体芯片10的电极IOa上形成凸起BI。此时，毛细管70的前端部压碎(压坏、压塌)接合线50，因此若贵金属层50b薄则有芯材50a露出的危险。在芯材50a露出的场合，由于不是贵金属，因此表面氧化，在将接合线50楔形接合到凸起BI上时，无法获得充分的接合强度，成为线剥离等的故障发生的原因。第I动作中，第3工序(参照图4D)中，以合并接合线50的方式进行按压及接合，该合并的接合面R中，也是以贵金属为主要成分的贵金属层50b彼此接合。因而，可以获得充分接合强度，连续接合操作时等中，可以抑制接合剥离和/或接合线50破断等的故障发生。通过以合并接合线50的方式按压及接合而形成的凸起BI的顶面F的面积广，因此楔形接合的接合强度更高。另外，为了抑制线剥离，不必增加接合时的能量(例如，温度和/或超声波输出)，因此，可抑制对半导体芯片10的损坏。通过以合并接合线50的方式按压及接合而形成的凸起BI高。而且，使接合线50在作为连接处的安装基板20的表面布线20a侧的相反侧，即接合线50架设侧的相反侧合并，形成凸起BI。因而，可以有效降低从安装基板20的表面布线20a返回(回转)的接合线50与半导体芯片10的顶面端部接触的危险。在半导体芯片10的电极IOa上形成凸起BI时，接合线50的贵金属层50b的主要成分即贵金属(例如，钯(Pd)、钼(Pt)、金(Au))和电极IOa的主要成分即金属(例如，Cu、Al、Al-Si、Al-Si-Cu)的合金在电极IOa上形成与凸起BI的界面。该合金化学稳定，因此，即使在半导体芯片10的密封材料中采用Br等的卤素系的成型树脂，也可以提高半导体芯片10的电极IOa和凸起BI的接合可靠性。(毛细管70的第2动作)
图6A 图 6G是凸起BI形成时的毛细管70的第2动作的说明图。图6A是毛细管70如端的轨迹的不意图。图6A的箭头的编号表不毛细管70的动作的顺序。另外，图6B 图6G是箭头的编号2 4、6 8中的毛细管70和凸起BI的状态的示意图。以下，参照图6A 图6G，说明毛细管70的第2动作。(第I工序参照图6B)毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，在电极IOa上形成凸起BI并接合后，毛细管70上升。(第2工序参照图6C)毛细管70向连接处即安装基板20的表面布线20a的方向(图6C左侧)水平移动。(第3工序参照图6D)毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，由毛细管70前端的右侧在通过上述第I工序接合了接合线50的凸起BI顶面，以接合线50合并的方式进行按压及接合。(第4工序参照图6E)毛细管70上升后，向连接处即安装基板20的表面布线20a的相反侧(图6E右侦D水平移动。(第5工序参照图6F)毛细管70下降到半导体芯片10的电极IOa上，由毛细管70前端的左侧在通过上述第3工序接合了接合线50的接合线50上,进一步以接合线50合并的方式按压及接合。(第6工序参照图6G)在以未图示线夹挟持接合线50的状态下，毛细管70上升，切断接合线50。(凸起BI的形状)图7A是参照图6A 图6G说明的第2动作形成的凸起BI的SEM图像。图7B是参照图6A 图6G说明的第2动作形成的凸起BI的放大图。另外，图7B中，凸起BI中的包覆芯材50a的贵金属层50b存在的部分用粗实线记载，贵金属层50b不存在的部分用虚线记载。 参照图6A 图6G说明的第2动作中，在第I工序接合的凸起BI顶面以接合线50两次合并的方式进行按压及接合。因而，与参照图4A 图4E说明的第I动作相比，形成的凸起BI的顶面F的面积广。因而，在所谓逆接合时的楔形接合中，可以获得更高接合强度。由于以接合线50两次合并的方式进行按压及接合，因此形成的凸起BI更高。而且，将接合线50在连接处即安装基板20的表面布线20a侧的相反侧，即接合线50架设侧的相反侧进行第2次合并。因而，可以进一步有效降低从安装基板20的表面布线20a返回的接合线50接触半导体芯片10的顶面端部。合并的接合面R1、R2中，也是以贵金属为主要成分的贵金属层50b彼此接合，因此可以获得充分的接合强度。其他效果与第I动作相同。(接合线50的切断方法)这里，参照图8A及图SB说明凸起BI形成后的接合线50的切断方法。首先，参照图8A说明毛细管70的动作。图8A的箭头的编号表示毛细管70的动作的顺序。图8A所示箭头I 箭头4的动作与参照图4A及图4B 图4D说明的第I工序到第3工序的动作相同，因此重复说明省略。图4D的第3工序中，在凸起BI顶面以接合线50合并的方式进行按压及接合后，如图8A的箭头5所示，毛细管70向右斜下移动，在以未图示线夹挟持接合线50的状态下，使图8A的箭头6所示毛细管70上升。接着，参照图8B说明毛细管70的动作。图8B所述的数字表示毛细管70的动作的顺序。图8B所示箭头I 箭头7的动作与参照图6A 图6F说明的第I工序到第5工序的动作相同，因此重复说明省略。图6F的第5工序中，在凸起BI顶面以接合线50合并的方式进行按压及接合后，如图8B的箭头8所示，使毛细管70向右斜下移动，在以未图示线夹挟持接合线50的状态下，使图8B的箭头9所示毛细管70上升。参照图4A 图4E及图6A 图6G说明的第I、第2动作中，在半导体芯片10的电极IOa上形成凸起BI后，直接在该位置使毛细管70上升切断接合线50。但是，如上所述，使毛细管70向右斜下(或者左斜下)移动后，通过使毛细管70上升切断接合线50，可以减小在凸起BI的顶面形成的切截面的面积。因而，可以扩大楔形接合了接合线50的凸起BI的顶面中的贵金属层50b存在的面积，获得更强接合强度。结果，连续接合操作等时可以更有效抑制接合剥离和/或接合线50破断等的故障发生。(其他实施例)实施例中，实施例的半导体装置I (参照图I)中，说明了将从安装基板20的表面布线20a返回(回转)的接合线50楔形接合到在半导体芯片10的电极IOa上形成的凸起BI的形态，但是也可以适用于其他接合形态。例如，可以适用于将多个半导体芯片横向排列的多芯片构造的半导体装置2。该场合，如图9所示，将从一方的半导体芯片IOB返回的接合线50楔形接合到在另一方的半导体芯片IOA的电极IOa上形成的凸起BI。凸起BI可以由图4A 图4E说明的第I动作或图6A 图6G说明的第2动作形成。即使这样的构成，也可以获得与上述实施例说明的效果相同的效果。也可以适用于多个半导体芯片纵向层叠的堆叠构造的半导体装置3。该场合，如图10所示，将从半导体芯片IOA返回的接合线楔形接合到在半导体芯片IOB的电极IOa上形成的凸起B2，而且，使凸起B3形成于在凸起B2上楔形接合的接合线50上，将从该凸起B3返回的接合线50楔形接合到在半导体芯片IOC的电极IOa上形成的凸起B4。进行楔形接合的凸起B2、B4可以由图4A 图4E说明的第I动作或图6A 图6G说明的第2动作形成。图IlA是图10说明的凸起B2、B3的SEM图像。图IlB是图10说明的凸起B2、B3的放大图。另外，图IlB中，凸起B2中的包覆芯材50a的贵金属层50b存在的部分用粗实线记载，贵金属层50b不存在的部分用虚线记载。
如图IlB所示，凸起B2的顶面的至少一部分由贵金属层50b包覆,接合线50也由贵金属层50b包覆。因而，在凸起B2上楔形接合接合线50时，在凸起B2的顶面和接合线50的接合面Rl中，不是以非贵金属为主要成分的芯材50a，而是以贵金属为主要成分的贵金属层50b彼此接合。将凸起B3接合到在凸起B2上楔形接合的接合线50上时，也是由贵金属层50b包覆接合线50，因此，在凸起B3的底面和接合线50的接合面R2中，不是以非贵金属为主要成分的芯材50a，而是以贵金属为主要成分的贵金属层50b彼此接合。结果，即使进行图10说明的接合，也可以获得充分接合强度，提高接合的可靠性。如图12所示，也可以适用于将半导体芯片10安装于引线框100的半导体装置4。该场合，将从引线框100返回的接合线楔形接合到在半导体芯片10的电极IOa上形成的凸起BI。这样的构成也可以获得与上述实施例说明的效果相同的效果。(实例) 接着，说明使用上述实施例说明的接合线50进行所谓逆接合时的试验结果。该实例中，使用由钯(Pd)层包覆铜(Cu)的芯材的外径20 μ m的接合线。另外，钯层的平均厚度为lOOnm。另外，作为比较例，进行使用没有由贵金属包覆的外径20μπι的铜接合线的试验。试验在同一的条件(例如，毛细管的动作速度、按压压力、温度等)下进行接合，评价不良发生的比例(不良率=不良数/线数)。以下的表I记载了实例及比较例的试验结果。另外，接合中接合装置停止的次数设为不良数。另外，毛细管的动作设为参照图6Α 图6G说明的第2动作。表I
线数不良数不良率 实例(有包覆)17676 O0%
比较例(无包覆) 160 42.5%~如表I所示，实例中，接合17676根线，接合中接合装置没有因为故障而停止。另一方面，比较例中，在160根线的接合中，接合装置因为故障4次停止。图13Α表示实例的凸起及接合线的截面SEM图像。另外，图13Β表示比较例的凸起及接合线的SEM图像。图13Α所示实例中，在凸起和接合线的界面存在贵金属钯，因此，凸起和接合线可以无间隙地可靠接合。另一方面，图13Β所示比较例中，凸起和接合线的界面不存在贵金属，凸起和接合线以表面氧化的状态接合，因此凸起和接合线之间产生间隙，发生所谓线剥离。以上可知，使用贵金属钮包覆的接合线，在楔形接合的凸起形成时以接合线合并的方式进行按压及接合，可以提高在该凸起上楔形接合接合线时的接合可靠性。虽然说明了本发明的几个实施例，但是这些实施例只是示例而不是限定发明的范围。这些新颖的实施例可以各种形态实施，在不脱离发明的要旨的范围，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施例及其变形是发明的范围和要旨所包含的，也是权利要求的范围所述的发明及其均等的范围所包含的。
权利要求
1.一种接合线的接合方法，其将具有以非贵金属为主要成分的芯材及包覆上述芯材的贵金属层的接合线经由上述贵金属层楔形接合到在半导体元件的电极上形成的凸起。
2.如权利要求I所述的接合线的接合方法，其特征在于， 使上述接合线合并，在上述半导体元件的电极上形成上述凸起。
3.如权利要求I所述的接合线的接合方法，其特征在于， 进一步经由上述贵金属层将接合线接合到在上述凸起上楔形接合的接合线上。
4.一种半导体装置，其具备 具有电极的半导体芯片； 在上述半导体元件的电极上形成的凸起；和 具有以非贵金属为主要成分的芯材及包覆上述芯材的贵金属层的接合线； 其中，上述接合线经由上述贵金属层被楔形接合到上述凸起。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 上述凸起以使上述接合线合并的方式在上述半导体元件的电极上形成。
6.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 接合线进一步经由上述贵金属层被接合到在上述凸起上楔形接合的接合线上。
7.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 上述贵金属层的厚度在IOnm以上。
8.一种半导体装置的制造方法，其包括 使具有以非贵金属为主要成分的芯材及包覆上述芯材的贵金属层的接合线以合并方式在半导体芯片的电极上形成凸起的步骤；和 经由上述贵金属层将上述接合线楔形接合到上述凸起的步骤。
9.如权利要求8所述的半导体装置的制造方法，还包括 进一步经由上述贵金属层将接合线接合到在上述凸起上楔形接合的接合线上的步骤。
全文摘要
本发明提供接合线的接合方法、半导体装置、半导体装置的制造方法。本发明的接合线的接合方法，将具有以非贵金属为主要成分的芯材及包覆上述芯材的贵金属层的接合线经由上述贵金属层楔形接合到在半导体元件的电极上形成的凸起。
文档编号H01L23/488GK102623363SQ201210018298
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月19日 优先权日2011年1月31日
发明者中尾光博, 户崎德大, 森田洋辅 申请人:株式会社东芝