专利名称：低回路导线邦定的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及半导体领域，且更明确地说，涉及一种用于低回路导线邦定的系统和方法。
背景技术：
集成电路制造中的典型导线邦定工艺使用常规导线，其邦定到晶粒的衬垫的末端处具有邦定球。在所述球邦定到所述衬垫之后，导线的另一端邦定到引线框的引线，从而在导线中产生“回路”。导线回路的高度直接影响半导体封装的高度。随着半导体封装变得更紧凑，例如具有薄封装或堆叠的封装，最小化封装尺寸且确保可靠性变成半导体设计中愈加重要的考虑因素。因此，最小化回路高度对减小半导体封装的尺寸来说很重要。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种用于低回路导线邦定的方法。所述方法包括在设置在第一导线的一端处的第一邦定球与耦合到具有一个或一个以上引线的引线框的晶粒的邦定衬垫之间形成第一邦定。所述方法还包括在所述导线的一部分与所述引线框的引线之间形成第二邦定。所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有第一回路高度的导线中形成回路。所述方法进一步包括将第二邦定球设置在所述第一邦定球的顶部上，所述回路的一部分压缩在所述第一与第二邦定球之间。所述压缩回路具有小于所述第一回路高度的第二回路高度。所述方法还包括在所述第二邦定球、所述导线与所述第一邦定球之间形成第三邦定。
在本发明的另一实施例中，半导体装置包括耦合到引线框的晶粒，所述晶粒具有一个或一个以上邦定衬垫。所述引线框具有一个或一个以上引线。所述系统进一步包括一端处设置有邦定球的第一导线，所述邦定球在第一邦定处邦定到晶粒的邦定衬垫，导线的一部分在第二邦定处邦定到引线框的引线。所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有第一回路高度的导线中形成回路。所述系统还包括形成在第二邦定球、导线与第一邦定球之间的第三邦定，所述第二邦定球设置在所述第一邦定球的顶部上。回路的一部分压缩在第一与第二邦定球之间。所述压缩回路具有小于所述第一回路高度的第二回路高度。
在本发明的另一实施例中，提供一种用于低回路导线邦定的方法。所述方法包括在邦定头内设置金导线。所述金导线包括设置在所述导线一端处的第一邦定球。第一邦定球从邦定头的一端延伸。所述方法还包括相对于引线框而定位所述邦定头，以便相对于作为第一邦定将形成之处的邦定衬垫来定位第一邦定球；和在第一邦定球与邦定衬垫之间形成第一邦定。所述方法还包括相对于引线框而定位邦定头，以便相对于作为第二邦定将形成之处的引线框的引线来定位导线的一部分。所述方法进一步包括在导线的所述部分与引线之间形成第二邦定。所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有第一回路高度的导线中形成回路。所述方法还包括切断接近第二邦定的导线，和在切断的导线的尖端处形成第二邦定球。所述方法还包括在第一邦定球的顶部上设置第二邦定球。回路的一部分压缩在第一与第二邦定球之间。所压缩的回路具有小于第一回路高度的第二回路高度，且第二回路高度约小于52μm。所述方法还包括在所述第二邦定球、所述导线与所述第一邦定球之间形成第三邦定。通过使用选自由热压邦定和热超声波邦定组成的群组的邦定方法来形成所述第一、第二和第三邦定。
本发明的一个或一个以上实施例的技术优点可包括减小的导线邦定回路高度，其允许减小半导体封装的总尺寸。本发明的一个或一个以上实施例的另一技术优点是通过增加回路导线的拉伸强度来增加半导体组合件的可靠性的能力。
某些实施例可提供这些技术优点中的所有技术优点、一些技术优点或不提供所述技术优点。某些实施例可提供一个或一个以上其它技术优点，从本文所包括的附图、实施方式和权利要求书中，所属领域的技术人员可易于了解所述技术优点中的一者或一者以上。
图1A说明已制成的半导体晶片；图1B说明图1A的晶片的放大部分；图2示范性说明引线框组合件；图3A-3I说明用于低回路导线邦定的示范性系统的横截面图；和图4说明用于低回路导线邦定的示范性方法。
具体实施例方式
参看附图中的图1到4，将最佳地理解本发明的实施例及其优点，相似数字用于各个附图中的相似和对应部分。
半导体制造工艺分成两个主要工艺(1)晶片制造和(2)晶片测试、组装和封装。晶片制造的工艺是一系列步骤，其在空白硅晶片中和空白硅晶片上构造连续的材料层，以形成半导体装置，例如集成电路。这些步骤的实例尤其包括氧化、光刻、沉积、金属化和化学机械平面化。这些晶片制造步骤在此项技术中众所周知，且不进一步详细描述。
图1A和1B说明通常由晶片制造产生的产品。此产品为制成的晶片10，其包含形成在空白半导体晶片12中和空白半导体晶片12上的网格晶粒20。每个晶粒20包含个别半导体装置(例如集成电路)，其在制造阶段期间形成。制成的晶片10可含有任何数目的晶粒20，取决于它们的复杂性和尺寸。每个晶粒20都包括许多邦定衬垫(bond pad或bonding pad)22，其排列在晶粒20的边缘。邦定衬垫22为导电区域，其耦合到集成电路的各个部分，使得电信号可供应到所述电路。邦定衬垫22可由任何合适的导电材料制成，例如金属；可具有任何合适的尺寸和形状；且可以任何合适的图案形成在晶粒20上。晶粒20在制成的晶片10上通过划线沟道30(或者称为划线或锯线)而分离。划线沟道30包含位于每个晶粒20的周边之间的区域(其上尚未制造有电路或其它结构的空白晶片12的部分)。
在已制成晶片10之后，可在功能上测试晶片10，在此时间期间，可根据测试结果将每个晶粒20标记为合格(accepted)或不合格(rejected)。晶片测试在此项技术中众所周知，且不进一步详细描述。从测试阶段得出的晶片10通常具有以墨点标记的不合格晶粒或伴有晶粒中任何缺陷的位置的地图，所述缺陷可能已经导致晶粒不合格。组装阶段中的第一步骤是通过使用精密锯条切割下划线沟道30来使晶粒20分离(或者，可通过划线来分离晶粒)。标记为不合格的晶粒20被丢弃，且通过测试阶段的晶粒20每一者都附接到用于封装的框架(通常称为引线框)，如参看图2更详细地描述。在封装阶段，晶粒20的一个或一个以上邦定衬垫22经由薄金属导线(例如金导线)而耦合到封装引线框上的对应导线，如参看图3A-3I进一步详细描述。
图2说明示范性引线框组合件100。引线框组合件100包括引线框110、附接到引线框110的晶粒20和将晶粒20电耦合到引线框110的导线120。例如引线框110的引线框可由任何适当导电材料(例如金属)制成。在某些实施例中，引线框110可包括晶粒附接区域112。在封装期间，通过使用金-硅共晶层、环氧树脂粘合材料或将晶粒20附接到晶粒附接区域112的任何其它适当方法将晶粒20附接到晶粒附接区域112。一旦晶粒20附接到晶粒附接区域112，可使用自动导线邦定工具将导线120附接到邦定衬垫22和引线114，以将晶粒20电耦合到引线114，如参看图3A-3I更详细地描述。在某些实施例中，导线120可由任何合适的导电材料(例如铝或金)制成，且导线120的直径小于人类头发的直径。举例来说，导线120可具有约25微米(μm)的直径。在晶粒20与引线框110之间已经建立适当电连接之后，可将引线框组合件110的一部分包封在塑料或环氧树脂块中。所述包封工艺众所周知，且不进一步详细描述。
由于技术的进步要求减小半导体封装尺寸，所以由导线120使用的空间体积变成重要因素。根据本发明的教示，提供用于低回路导线邦定的系统和方法，其允许减小半导体封装尺寸，同时维持或改进半导体可靠性。
图3A-3I说明用于低回路导线邦定的示范性系统的示范性横截面图。图3A-3C说明邦定到晶粒20的邦定衬垫22的导线120。在图3A中，导线120包括设置在导线120的末端处的邦定球122。在某些实施例中，可通过使用瞬时电火花或小氢火焰熔化导线120的尖端形成邦定球122来形成邦定球122。所属领域的技术人员众所周知例如邦定球122的邦定球的常规成形和用途。导线120设置在自动导线邦定工具的邦定头140中且由其夹住。邦定头140可具有任何合适尺寸和形状，且可由任何合适材料形成。在某些实施例中，邦定头140可由陶瓷材料形成。邦定头140包括导线通道142(也称为“毛细管”)，其经配置以容纳合适的导线120。导线通道142可具有任何合适的轮廓且可以任何合适的方式形成在邦定头140中。尽管图3A说明单个邦定头140，但可使用任何适当数目的邦定头140，以便可将一个或一个以上导线120同时邦定到晶粒20的邦定衬垫22。
在某些实施例中，可通过使用计算机控制的设备(例如机器人臂)定位邦定头140，来将邦定头140定位在晶粒20上方，且因此将导线120和邦定球122定位在邦定衬垫22上方。在替代实施例中，可通过使用计算机控制的设备将晶粒20定位在邦定头140下方。如图3A中所说明，邦定头140朝着邦定衬垫22移动，如方向箭头150所指示。在某些实施例中，将热量施加到邦定球122以软化球122。在图3B中，邦定头140已经朝着邦定衬垫22下降，从而按压经加热的邦定球122使其抵靠邦定衬垫22，导致邦定球122至少部分地被压平，抵靠邦定衬垫22，从而在导线120与衬垫22之间形成邦定。此类型的邦定称为“热压”邦定。在替代实施例中，超声波能量的脉冲可施加到球122。此附加能量足以提供软化邦定球122所需要的热量，使得其可被按压以抵靠衬垫22并与衬垫22邦定。此类型的邦定称为“热超声波”邦定。尽管上文论述了热压和热超声波邦定方法，但可实施用于邦定衬垫22和邦定球122的任何其它适当方法。
在图3C中，邦定头140释放其作用在导线120上的夹力，且远离晶粒20而上升，如方向箭头152所指示。当邦定头140上升预备的“回路高度”(图3D中示为回路高度190)时，邦定头140定位在引线114上方(或引线114可定位在邦定头114下方)。通常，常规导线邦定工艺要求某一最小的回路高度，以便减小作用在导线邦定上的机械应变，且防止由机械应变导致的对导线的损坏，例如“颈”损坏。此类导线损坏可降低邦定的完整性，并且影响邦定的电性能。举例来说，当使用常规回路邦定时，与本发明关联而进行的实验已经展示用于常规回路邦定的典型平均回路高度190可约为65μm。用于常规回路邦定的回路高度190的典型范围可约为59μm到72μm。如图3G到3I中将说明，本发明的实施例比常规技术允许更低的回路高度，同时减小对导线的损害的效应。
图3D说明邦定头140横向移动以定位在引线114上方，如方向箭头155所指示。在替代实施例中，引线框组合件100可横向移动，使得引线114定位在邦定头140下方，如方向箭头154所指示。在某些实施例中，常规导线回路邦定工艺的一个结果是在常规回路邦定期间在与衬垫22的邦定点处施加到导线120的机械张力可能对邦定球122附近的导线120造成损害。由常规回路邦定导致的损坏通常称为“颈损坏”，因为其发生在导线120与邦定球122之间的接点或“颈”附近。此类损坏可限制导线120与衬垫22之间的邦定的拉伸强度，这会消极地影响邦定的性能。举例来说，与本发明关联而进行的实验已经展示常规回路邦定可导致在约1.6克-力到约6.3克-力的范围中的导线拉伸强度。因此，当使用常规回路邦定技术时，实验已经指示可用施加到导线120的仅仅1.6克-力的张力将导线120拉离晶粒20。下文参看图3G-3I论述用于抵制颈损坏并增加导线120的拉伸强度的方法。
图3E说明朝着引线144下降的邦定头140，如方向箭头156所指示。尽管在图3E中将邦定头140朝着引线114的下降说明为由于图3D中所说明的邦定头140相对于引线114的横向定位而发生的明显移动，但在某些实施例中，这些定位移动可同时发生。可使用任何适当的邦定技术(例如热压或热超声波邦定)将导线120邦定到引线114。随着导线120与引线114的表面接触，邦定头140使导线120变形，抵靠引线114，这产生了可具有到导线120中的逐渐过渡的楔形邦定124。
图3F说明导线120与邦定124的分离。可使用电火花或小氢火焰从邦定124切断导线120。此相同电火花或火焰可用来同时在设置在导线通道142内的导线120的尖端处形成新的邦定球122，以便为导线120邦定到另一衬垫22作准备。
图3G-3I说明将钉头凸点(stud bump)邦定到邦定球120的工艺。在图3G中，将常规回路邦定之后的引线框组合件100的总高度或厚度示为封装高度192。导线160设置在自动导线邦定工具的邦定头170中且由其夹住。在某些实施例中，邦定头170可由陶瓷材料形成。邦定头170可具有任何合适尺寸和形状，且可由任何合适材料形成。邦定头170在结构和功能方面可大体上类似于图3A-3F的邦定头140。此外，在某些实施例中，相同的自动导线邦定工具可用作邦定头140，170两者。在一替代实施例中，独立的自动导线邦定工具可用于邦定头140，170中的每一者。尽管图3G说明单个邦定头170，但可使用任何适当数目的邦定头，以便可将一个或一个以上邦定球162同时定位在晶粒20上方。
邦定头170包括导线通道172(也称为“毛细管”)，其经配置以容纳合适的导线160。导线160包括设置在导线160的末端处的邦定球162。导线160和邦定球162在结构方面可大体上类似于导线120和邦定球122。在某些实施例中，导线160可为在图3A-3F中所说明的初始邦定工艺中使用的相同导线(导线120)。用于形成邦定球162的方法可与用于形成邦定球122的方法相同或大体上类似。
在某些实施例中，可使用计算机控制的设备(例如机器人臂)定位邦定头170来将邦定头170定位在晶粒20上方，且因此将导线160和邦定球162定位在已与导线120附接的邦定衬垫22上方。在某些实施例中，邦定头170可与用于将导线120附接到邦定衬垫22的邦定头140相同或大体上类似。
如图3G中所说明，邦定头160朝着邦定衬垫22移动，如方向箭头180所指示。在某些实施例中，将热量或超声波能量施加到邦定球162以软化球162。在图3H中，邦定头170已经朝着邦定衬垫22下降，从而将邦定球162压靠在导线120和邦定球122上，这导致导线120变形，从而将回路高度190减小为较低回路高度195。邦定球162至少部分地靠在导线120和邦定球122上被压平。类似于上文的论述，可使用热压缩或热超声波邦定，但也可实施用于将球162邦定到导线120和球122的任何其它适当方法。
在图3H中，邦定头170释放其作用在导线160上的夹力，且远离晶粒20而上升，如方向箭头182所指示。通过使用适合的闪蒸工艺，或任何其它合适的技术，将球162与导线160的其余部分分离，从而形成“钉头凸点”164。
与图3A-3F中所说明的使用常规回路邦定的约65μm相比，与本发明关联而进行的实验已经展示本发明实施例的回路邦定方法的典型平均回路高度可为约47μm，平均回路高度减小了15μm以上(例如，约18μm)。与使用常规回路邦定的约59μm到约72μm相比，本发明的回路邦定技术的回路高度195的典型范围实验上已经展示为约40μm到约52μm。此导致比通过使用常规回路邦定而达到的高度192更低的总引线框组合件高度197。图3G-3I中所说明的工艺减小了导线邦定的回路高度，从而在包封之前降低了引线框组合件100的总高度，这进而减小了半导体封装的高度或厚度。发生回路高度减少是因为在钉头凸点163邦定到邦定球122之后，导线120从邦定延伸的角度减小，从而减小了回路的高度。如图3G中所说明，在将钉头凸点169添加到邦定之前，导线120大体上从邦定球122垂直延伸。然而，如图3H-3I中所说明，在钉头凸点164邦定到邦定球122之后，导线120并非从邦定垂直延伸，从而减小回路高度。
在某些实施例中，本发明的用于低回路邦定的方法不仅减小半导体封装的总厚度，而且将钉头凸点164邦定到导线120和邦定球122的工艺还可改进导线120的拉伸强度。这种情况发生，是因为通过添加钉头凸点164而产生的邦定比常规邦定更坚固，部分是因为可能含有颈损坏的导线120的部分已经与邦定球122和钉头凸点164一起并入邦定中，从而增加了邦定的强度。实验已经指示，当与在图3A-3F中所说明的常规回路邦定工艺之后的导线120的拉伸强度相比时，在钉头凸点164已经邦定到导线120和球122之后的导线120的拉伸强度增加。举例来说，在某些实施例中，实验指示，在邦定钉头凸点164之后，导线120的拉伸强度范围为约4.3克-力到约6.5克-力，平均拉伸强度为约5.9克-力。因此，通过使用参看图3G-3I而描述的回路邦定方法，通过实验，展示导线120的最小拉伸强度(在某些实施例中)从约1.6克-力增加到约4.3克-力。
图4说明用于低回路导线邦定的示范性方法200。所述方法开始于步骤202，其中附接到导线(例如导线120)的邦定球(例如邦定球122)邦定到晶粒20的衬垫22。如上文参看图3A-3C所论述，例如热压或热超声波邦定的任何适当的邦定方法都可用于将球122邦定到衬垫22。在步骤204中，导线120定位在引线114上，从而产生具有回路高度190的回路，如图3D中所说明。在步骤206处，导线邦定到引线114，从而形成邦定124。接着通过使用电火花或小氢火焰从邦定124切断导线120，所述电火花或小氢火焰在导线120的末端上产生另一邦定球。在步骤208处，邦定球162定位在衬垫22上且邦定到先前邦定到衬垫22的导线120和邦定球122。如图3H中所说明，此步骤压缩导线120的原始回路，从而将回路高度从回路高度190减小为回路高度195。最终，在步骤210处，从导线160切断邦定球162，留下邦定到导线120和邦定球122的钉头凸点164。如上文所论述，在某些实施例中，钉头凸点164“堆叠”在导线120和邦定球122的邦定到衬垫22的顶部上不仅减小了半导体封装的厚度(通过减小回路高度)，此“堆叠”还用于改进导线120的拉伸强度，且因此改进半导体装置的可靠性。
尽管说明了示范性方法，但本发明涵盖大体上同时发生或以不同次序发生的两个或两个以上步骤。另外，本发明涵盖通过使用具有附加步骤、更少步骤或不同步骤的方法，只要所述步骤仍然适用于低回路导线邦定。
权利要求
1.一种用于低回路导线邦定的方法，其包含在设置在一导线的一端处的一第一邦定球与一晶粒的一邦定衬垫之间形成一第一邦定，所述晶粒耦合到一具有一个或一个以上引线的引线框；在所述导线的一部分与所述引线框的一引线之间形成一第二邦定，所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有一第一回路高度的所述导线中形成一回路；在所述第一邦定球的顶部上设置一第二邦定球，所述回路的一部分被压缩在所述第一与第二邦定球之间，所述压缩回路具有一小于所述第一回路高度的第二回路高度；和在所述第二邦定球、所述导线与所述第一邦定球之间形成一第三邦定。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在一邦定头内设置所述导线，所述第一邦定球从所述邦定头的一端延伸。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包含切断接近所述第二邦定的所述导线；在所述切断的导线的尖端处形成所述第二邦定球；在形成所述第三邦定之后，从所述导线切断所述第二邦定球。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包含切断接近所述第二邦定的所述导线；在一第二导线的尖端处形成所述第二邦定球；和在形成所述第三邦定之后，从所述第二导线切断所述第二邦定球。
5.根据权利要求1中任一权利要求所述的方法，其中所述导线以及所述第一和第二邦定球由金形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述导线为一具有一约25μm的直径的金导线。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其中所述第二回路高度比所述第一回路高度小15μm以上。
8.根据权利要求1或6所述的方法，其中所述第二回路高度在约40μm与约52μm之间。
9.一种半导体装置，其包含一耦合到一引线框的晶粒，所述晶粒具有一个或一个以上邦定衬垫，所述引线框具有一个或一个以上引线；一在一端处设置有一邦定球的导线，所述邦定球在一第一邦定处邦定到所述晶粒的一邦定衬垫，所述导线的一部分在一第二邦定处邦定到所述引线框的一引线；一形成在一第二邦定球、所述导线与所述第一邦定球之间的第三邦定，所述第二邦定球设置在所述第一邦定球的顶部上，所述回路的一部分被压缩在所述第一与第二邦定球之间。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其中所述导线以及所述第一和第二邦定球由金形成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述导线为一具有一约25μm的直径的金导线。
12.根据权利要求9或11所述的方法，其中被压缩的回路高度在约40μm与约52μm之间。
13.一种用于低回路导线邦定的方法，其包含在一邦定头内设置一金导线，所述金导线包含一设置在所述导线的一端处的第一邦定球，所述第一邦定球从所述邦定头的一端延伸；相对于所述引线框定位所述邦定头，以便相对于一其上将形成一第一邦定的邦定衬垫来定位所述第一邦定球；在所述第一邦定球与所述邦定衬垫之间形成所述第一邦定；相对于所述引线框而定位所述邦定头，以便相对于一其上将形成一第二邦定的所述引线框的一引线来定位所述导线的一部分；在所述导线的所述部分与所述引线之间形成所述第二邦定，所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有一第一回路高度所述导线中形成一回路；切断接近所述第二邦定的所述导线；在所述切断的导线的所述尖端处形成一第二邦定球；在所述第一邦定球的顶部上设置所述第二邦定球，所述回路的一部分被压缩在所述第一与第二邦定球之间，所述压缩回路具有一小于所述第一回路高度的第二回路高度，其中所述第二回路高度小于59μm；和在所述第二邦定球、所述导线与所述第一邦定球之间形成一第三邦定；其中通过使用一选自由热压邦定和热超声波邦定组成的群组的邦定方法来形成所述第一、第二和第三邦定。
全文摘要
提供一种用于低回路导线邦定的方法。所述方法包括在设置在一第一导线(120)的一端处的一第一邦定球(122)与一耦合到一具有一个或一个以上引线(114)的引线框(110)的晶粒(20)的一邦定衬垫(22)之间形成一第一邦定。所述方法还包括在所述导线的一部分与所述引线框(114)的一引线之间形成一第二邦定(124)。所述第一与第二邦定之间的导线的长度在具有一第一回路之高度(190)的导线中形成一回路。所述方法进一步包括将一第二邦定球(164)设置在所述第一邦定球(122)的顶部上，所述回路的一部分被压缩在所述第一与第二邦定球(122，162)之间。所述压缩回路具有一小于所述第一回路高度(190)的第二回路高度(195)。所述方法还包括在所述第二邦定球(162)、所述导线(120)与所述第一邦定球(122)之间形成一第三邦定。
文档编号B23K31/00GK1946504SQ200580012863
公开日2007年4月11日 申请日期2005年4月22日 优先权日2004年4月28日
发明者矢岛薰 申请人:德州仪器公司