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JP2558976B2 - 電子部品の電極とリードとの接合方法 - Google Patents

電子部品の電極とリードとの接合方法

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JP2558976B2
JP2558976B2 JP3292765A JP29276591A JP2558976B2 JP 2558976 B2 JP2558976 B2 JP 2558976B2 JP 3292765 A JP3292765 A JP 3292765A JP 29276591 A JP29276591 A JP 29276591A JP 2558976 B2 JP2558976 B2 JP 2558976B2
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JP
Japan
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bonding
lead
electrode
semiconductor chip
leads
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信逸 竹橋
賢造 畑田
博昭 藤本
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＴＡＢパッケージの製造
方法に関し、特にフィルムリードとＬＳＩチップの電極
との接合方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器は複数部品のＬＳＩチッ
プ化と高密度実装技術の向上で小型・高機能・低コスト
化がはかられている。なかでもポリイミド等の可塑性フ
ィルムを基板とし、表面に導体配線を形成、導出した接
続リードをバンプを介して半導体チップの素子電極と接
合するフィルムキャリアによる半導体チップの実装方式
が多く用いられている。しかし、フィルムキャリアで半
導体チップを実装するためには半導体チップの素子電極
上にＡｕ、はんだ等からなるバンプを形成する必要があ
る。
【０００３】バンプの形成方法にはいくつかの方式があ
り、（図７）にウェハバンプ方式におけるバンプの形成
方法を示す。半導体ウェハ３０の全面に電解めっきの電
極と、素子電極６０とバンプ界面の接触抵抗の増加を防
ぐためのバリアメタルと称する導電層３１を蒸着法によ
り形成する（同図Ａ）。導電層３１の材料としてはＴ
ｉ、Ｐｄ等が用いられる。導電層１３を形成後、素子電
極６０の上に選択的にＡｕバンプを形成するための感光
性絶縁材料からなる絶縁層３３を塗布する（同図Ｂ）。
感光性絶縁材料にはフォトレジスト等が使用できる。次
に半導体ウェハ３０の素子電極６０の配置パターンと相
対したフォトマスク（図示せず）で絶縁層３３を選択的
に除去して素子電極３２の上に開口部３４を形成する
（同図Ｃ）。絶縁層３３に開口部３４を形成後、めっき
液中に半導体ウェハ３０を浸漬させ、導電層３１に電界
を印加させ、開口部３４にＡｕバンプ５４をめっき成
長、形成する（同図Ｄ）。バンプ５４形成後、フォトリ
ソグラフィーで素子電極６０以外の絶縁層３３および、
導電層３１をエッチングにより除去し、半導体ウェハ３
０上の素子電極６０のすべてにバンプ５４を形成するも
のである（同図Ｅ）。
【０００４】（図８）でこれら素子電極６０上にバンプ
５４が形成された半導体チップ５９のフィルムキャリァ
キャリア実装工程について説明する。半導体ウェハ３０
は個々の半導体チップ５９に切断され、加熱ステージ６
７上に仮固定する。半導体チップ５９上にフィルムキャ
リア５６を位置させ、リード５５と半導体チップ５９の
素子電極６０すなわち、バンプ５４と位置合わせを行う
（同図Ａ）。リード５５の位置合わせ後、加熱された圧
接治具６１でリード５５を圧接５８し、半導体チップ５
９の素子電極６０とリード５５をバンプ５４を介して接
合する（同図Ｂ）。接合後加圧治具６１による加圧を解
除する。これにより半導体チップ５９の素子電極６０と
リード５５は一括でギャングボンディングされる。
【０００５】（図９）は他の方法によるバンプ形成方法
を示したものである。バンプは既存のボールボンディン
グでキャピラリツール７２より導出したＡｕワイヤ７０
の先端部を放電スパークによってＡｕボール７１を形成
し（同図Ａ）、キャピラリツール７２で半導体チップ５
９の素子電極６０に圧接５８させる。圧接５８後、Ａｕ
ワイヤ７０のＡｕボール部７１のみを半導体チップ５９
の素子電極６０の上に残してＡｕワイヤ７０を切断す
る。これを繰り返して半導体チップ５９の素子電極６０
すべてにＡｕボールバンプ７３を形成させるものである
（同図Ｂ）。このＡｕボールバンプ７３でフィルムキャ
リアのリードと素子電極とを接合できるものである。
【０００６】この方式は従来のＡｕボールボンダーが使
用でき、前記ウェハバンプ方式と比べ容易にバンプ形成
が行えるといった特徴を有する。
【０００７】（図１０）はさらに他のバンプ形成方法を
示したもので、フィルムキャリア５６のリード５５の先
端部をエッチングによりメサ状７５に加工し、これをバ
ンプとして半導体チップ５９の素子電極６０とを接合し
ようとするものである。しかし、リード５５の材質はＣ
ｕのため硬度がＡｕを材料としたバンプより高いため、
リード５５を半導体チップ５９の素子電極６０に圧接し
た際、素子電極６０下の酸化膜にダメージをあたえ、半
導体チップ５９を不良に至らせ、信頼性を著しく低下さ
せるものであった。
【０００８】一方、近年、半導体チップの多機能、高性
能化のため素子の高集積化よってチップ寸法が大型化
し、さらに電極は多端子化の傾向にある。さらにマイク
ロプロセッサ、ゲートアレーのような開発サイクルが短
く、またユーザー仕様で設計される少量多品種な半導体
チップにおいてのＴＡＢパッケージ化を容易にできる方
式として（図１１）に示すようなフィルムキャリア５６
のリード５５とバンプの形成された半導体チップ５９の
電極６０との接合をワイヤボンディングと同様に一点々
個々に、半導体チップの電極寸法に近い圧接面を有した
ボンディングツール６１で加圧５８して行なうシングル
ポイント法が用いられている。
【０００９】（図１２）にシングルポイント法によるリ
ードと半導体チップの電極との接合方法を示す。（同図
Ａ）は素子電極上にバンプを形成した半導体チップを加
熱ステージに仮固定し、フィルムキャリアのリードを素
子電極とを位置合わせを行なう。位置合わせ後、リード
５５を一本ずつボンディングツール６１で半導体チップ
の電極数分すなわち、リード５５の本数分に圧接５８、
超音波を印加し、バンプ５４を塑性変形させ、リード５
５を半導体チップ５９の素子電極６０に接合されるもの
であった（同図Ｂ，Ｃ）。なお、この方式による接合は
半導体チップの素子電極上に形成されるバンプの形成方
法に関係なく行なうことができ、ウェハバンプ方式でも
ボールバンプにおいても適用が可能なものであった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記方法
によれば、下記に示す問題点を有するものである。
【００１１】フィルムキャリアＴＡＢ技術においてはリ
ードと半導体チップの電極と接合を行なうため従来のウ
ェハバンプ方式では半導体チップの電極上に、一方、転
写バンプ方式ではリード側にそれぞれバンプを形成する
必要がある。このため、下記の重大な問題点がある。 １）ウェハバンプ方式においては半導体ウェハ時の半導
体素子電極上に蒸着、フォトリソグラフィー等のバンプ
形成プロセスを必要とする。このため、バンプ形成時基
板上にリードおよび、半導体チップの電極の位置と相対
した配置でメッキプロセスによるバンプ形成とリードへ
のバンプ形成のためのフォトマスクの作製が必要でま
た、フォトマスクは品種ごとに作製しなければならな
く、バンプ形成コストの増加、生産性に支障をきたし、
少量多品種な半導体チップへのＴＡＢパッケージ化が著
しく困難であった。さらには、これらバンプ形成工程が
複雑かつ、多くの工程を必要とするため、それに使用す
る高額な製造設備を必要とした。これにより、バンプ形
成コストが著しく高騰するものである。そして、半導体
ウェハの半導体素子電極上にＴｉ、Ｐｄ等のバリアメタ
ルの蒸着、フォトリソグラフィー、エッチング等のバン
プ形成工程によって半導体素子の不良が発生し、歩留ま
りが著しく低下する。 ２）転写バンプ方式においては半導体チップの電極と相
対した配置でバンプが形成されたバンプ形成基板とこれ
らバンプをリードに転写する工程および、設備が必要と
なる。また、半導体チップの品種変更の際には品種ごと
にバンプ形成基板がその都度必要でこれによりバンプ形
成コストが増加し、生産性に多大な支障をきたし、少量
多品種の半導体チップへのＴＡＢパッケージ化がきわめ
て困難となる。 ３）半導体チップの電極にボールボンディングでバンプ
を形成するボールバンプにおいては半導体チップの電極
をバンプ形成時とリード接合時の２回にわたって接合の
際の衝撃荷重および熱圧着ストレスが加わる。そのため
電極の下地酸化膜へのクラックや素子の静電破壊による
不良が発生し、半導体チップの歩留りが低下する。 ４）ウェハバンプ、転写バンプおよび、ボールバンプに
おいてバンプ材料には主に高価なＡｕ（Ａｕめっき液、
Ａｕワイヤ）が用いられる。そのためバンプ形成の材料
コストは著しく増大するものである。 ５）フィルムキャリアのリードをエッチングによって突
起状のバンプ形成する場合においては専用のリードのエ
ッチング工程、設備が必要となりフィルムキャリアの価
格が高額となる。また、リードの材質は銅で硬度はＡｕ
と比較すると３倍近く高い。そのため半導体チップの電
極へ接合する際の加圧によって電極の下地酸化膜にクラ
ックが発生する。また、接合は突起状のバンプの塑性変
形で行なわれる。そして硬度が高いリードバンプのため
電極と十分な塑性変形が行なわれないため接合強度が低
くなり、接合不良等による歩留り低下が生じる。
【００１２】以上のように本発明は上記問題点に鑑み、
ＴＡＢパッケージ化に際し、フィルムリードおよび、半
導体チップの電極に不可欠であったバンプ形成が不要
で、多品種の半導体チップへも迅速かつ、低コストで対
応でき、従来のバンプ形成方式によるリードと電極との
接合方法おける従来の問題点を一掃し、ＴＡＢ技術の汎
用性をさらに高め、低コストで信頼性の高いＴＡＢパッ
ケージを極めて容易に実現できることを提供するもので
ある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明の電子部品の電極とリードとの接合方法は、離
間したフィルムキャリアのリードと電子部品の電極間
に、接合材を設置し、治具により前記リードと前記接合
材および、前記電極を加圧して前記接合材を介して前記
リードと電極を接続し、前記接合材を切断するものであ
る。さらに望ましくは接合材を電極とを位置合わせ後、
リードを前記電極と位置合わせする。また、接合材の先
端形状が球状であること、接合材の切断を、冶具を除去
した後、加圧されていない領域にて切断するという方法
を本発明は提供するものである。
【００１４】
【作用】本発明は上記手段、すなわち離間したリードと
素子電極の間に、バンプの代替えとなる接合材を設置し
てリードを加圧治具で加熱、加圧してリードと素子電極
を圧接、接合し、接合後接合材を切断することによっ
て、半導体ウェハおよび、半導体チップの素子電極上へ
のバンプ形成工程が不要となる。さらに、これらのリー
ドの加工設備が不要となり、少量多品種生産を迅速に行
えることとなる。従ってむ、半導体チップのＴＡＢパッ
ケージ技術の汎用性が極めてたかまるものである。
【００１５】
【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。
【００１６】図１は本発明の電子部品の電極とリードと
の接合方法におけるボンディング装置の一実施例を示し
たものである。ボンディングヘッド１には超音波発振コ
イル２から導出した超音波ホーン３が設けられ、超音波
ホーン３の先端にはボンディングツール４が取り付けら
れている。ボンディングツール４の軸にはボンディング
ツールを加熱するための加熱装置５が設けられている。
接合材６は超音波ホーン３の上部に収納リール７に巻か
れて固定され、収納リール７より超音波ホーン３の軸方
向のボンディングツール４の先端部に導かれる。接合材
６の導出経路途中には接合材６の保持と接合後接合材を
引きちぎるためのクランプ８が設けられている。接合材
６の先端部は常にボンディングツール４の先端部の直下
にくるように保持されるものである。ボンディング動作
機構は従来と同様、θ方向の回転機構と石英板からなる
熱吸収板１７を具備した加熱ステージ９に半導体チップ
１０を真空吸着等１１で固定する。その上部にフィルム
キャリア１２を保持し、リード１３と半導体チップ１０
の素子電極１４とは所定の間隔Ｈを保って離間され、位
置合わせする保持機構１５が設けられている。間隔Ｈは
用いる接合材６の形状寸法によるが５０〜１００ミクロ
ン程度である。ボンディングは所定のリード位置にボン
ディングヘッド１をＸ−Ｙ−θ方向に位置移動させリー
ド１３と素子電極１４の間に接合材６を挿入して、ボン
ディングツール４を降下、圧接１６、クランプ８で接合
材６を接合部より引きちぎりフィルムキャリア１２のリ
ード１３ごと個々にボンディングするものである。
【００１７】図２は他の実施例による本発明のボンディ
ングツール構造を示したものである。ボンディングツー
ル４の後方には貫通穴１７が設けられこの貫通穴１７か
ら接合材６を通すことにより接合材６の先端部をつねに
ボンディングツール４の先端部直下に位置させることが
可能となる。また、接合材６の供給経路が一定となるた
めクランプ８の開閉Ａおよび、引きちぎりＢの切断動作
が確実となるため安定した接合が可能となる。なお、接
合時圧接領域に接合材を設置できる構造であればボンデ
ィングツール４に貫通穴１７を設ける必要はない。
【００１８】次に本発明におけるリードと半導体チップ
の素子電極との接合方法について説明する。図３におい
て加熱ステージ９に半導体チップ１０を固定させ、半導
体チップ１０の素子電極１４とフィルムキャリア１２の
リード１３とを位置合わせを行う（同図Ａ）。この時、
リード１３と半導体チップ１０の素子電極１４との間隔
は接合材を挿入できる所定の間隔Ｈを設ける。フィルム
キャリア１２のリード１３と素子電極１４との位置合わ
せ後、接合材６をリード１３と素子電極１４の間に挿入
１８させ位置固定する（同図Ｂ）。そして、加熱したボ
ンディングツール４を接合材６の先端部が挿入されたリ
ード１３の上より圧接１６し、リード１３を素子電極１
４に接合する（同図Ｃ）。次に図４−Ａにおいてリード
１３をボンディングツール４で圧接した状態でクランプ
８をＡ方向に閉め、接合材６を横方向Ｂに引張り、接合
部で接合材６を切断する。その後ボンディングツール４
の加圧を解除し（同図Ｂ）、この動作を繰り返しを全リ
ード１３に対して行い、リード１３と素子電極１４との
接合を行う（同図Ｃ）。
【００１９】なお、上記で使用する接合材は従来のワイ
ヤボンディングで使用している金、アルミ、銅、銀等の
線径が２０〜２００ミクロンのボンディングワイヤが使
用できるものである。使用するボンディングワイヤの直
径はリード幅と同等かもしくは１０〜２０％太いものが
適正である。また、接合材の形状は従来のボンディング
ワイヤをそのまま使用したり、図５−Ａに示すようたと
えば、接合材の先端を球状に加工しても同様に使用する
ことが可能である。さらには図５−Ｂに示すように平板
状（リボン状）に加工された金、アルミ、銅、銀等の材
料も接合材として使用することができる。このように本
発明における接合方法の接合材は既存の材料を無加工で
そのまま使用できるものである。また、接合材がはんだ
等の低融点金属材料でも同様に使用することができる。
この場合、リードはすずめっきやニッケルめっきが施さ
れたものでＡｕめっきリードの場合より低コストでの接
合が可能である。この場合の接合方法はボンディングツ
ールを加熱させ、一定時間加圧させることにより低融点
金属の接合材を溶解させてリード接合が行われるもので
ある。さらに接合材として導電性材料を含有した有機材
料、たとえば導電性接着剤をスティック状または棒状に
加工したものを用い（図示せず）、加熱したボンディン
グツールで加圧させ接合することもできる。
【００２０】図６は本発明における接合方法によるアル
ミ電極へ接合を行なった接合状態を走査型電子顕微鏡で
観察したイメージ写真をもとに描いた模写図である。こ
こで用いたリードはＡｕめっき処理しており、リード幅
は５０ミクロン、接合材は線径５０ミクロンのＡｕワイ
ヤを使用した。ボンディング装置は既存の装置を使用し
た。接合強度は従来のＴＡＢリードの接合強度と遜色の
ない１０〜１３Ｋｇ／平方ミリの接合強度が確認され
た。
【００２１】このように本発明は半導体ウェハおよび、
半導体チップの素子電極上へのバンプ形成が不必要で、
それにともなう設備、工程が一切不要となり少量多品種
に迅速に対応でき、半導体チップのＴＡＢパッケージ化
が極めて容易に行えるものである。また、既存の設備を
小規模な改良によって行うことができ、きわめて実現性
が高いものである。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明は １）半導体ウェハや半導体チップの素子電極にバンプを
形成する必要がなく、半導体チップの素子電極とリード
を接合時にバンプ形成と接合を瞬時に行うことができ、
製造工程が著しく簡素化され、製造コストの低減を図る
ことができる。 ２）半導体チップ、半導体ウェハの素子電極上へのバン
プ形成工程とそれに必要な設備が不要となり、バンプ形
成コストが発生しない。 ３）バンプ形成工程がないため半導体ウェハおよび、半
導体チップ上に形成された半導体素子の不良が発生せ
ず、歩留まりの低下が皆無となる。 ４）無処理の半導体ウェハおよび、半導体チップが使用
できるため、バンプ形成による特別な設備、技術、工程
を必要としないためセットメーカーにおいても容易にＴ
ＡＢパッケージ技術を用いることができ、ＴＡＢ技術の
汎用性がきわめて向上する。 ５）接合領域がリード幅と同等以下にすることができ、
微小ピッチでの接合が可能となる。そして多端子な半導
体チップへのＴＡＢパッケージ化にも容易に対応でき
る。 ６）既存の材料を接合材として使用でき、バンプ材料コ
ストを低く押さえることができる。また、はんだ等の低
融点金属によるリードの接合も従来と比べ極めて容易に
行うことができる。また、導電性の有機材料をも同様に
使用可能で低コスト化を確実に行える。
【００２３】以上のように本発明は半導体チップのＴＡ
Ｂパッケージ化に際して多大な効果を確実に発揮するも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における、ボンディング装置
の構成図
【図２】本発明の一実施例における、ボンディング装置
のボンディングツールを示した斜視図
【図３】本発明の一実施例における、リードと半導体チ
ップの素子電極との接合工程断面図
【図４】本発明の一実施例における、リードと半導体チ
ップの素子電極との接合工程断面図
【図５】本発明の一実施例における、接合材の先端形状
例を示した斜視図
【図６】本発明の接合方法によるリードの接合状態を走
査型電子顕微鏡で観察したイメージ写真から描いた模写
図
【図７】従来のウェハバンプ方式における半導体ウェハ
へのバンプ形成工程を示した工程断面図
【図８】従来のリードと半導体チップの素子電極との接
合工程断面図
【図９】従来のボールバンプの形成方法を示した斜視図
【図１０】従来のリードへのバンプ形成法を示したリー
ドの断面図および、斜視図
【図１１】従来のシングルポイントボンディング方式を
示した斜視図
【図１２】従来のシングルポイントボンディング方式に
よるボンディングを示した工程断面図
【符号の説明】
４ ボンディングツール ５ 加熱装置 ６ 接合材 ７ 収納リール ８ クランプ ９ 加熱ステージ １０ 半導体チップ １２ フィルムキャリァ １３ リード １４ 素子電極 Ｈ 間隔

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】離間したフィルムキャリアのリードと電子
    部品の電極間に、保持部材に保持された接合材を設置す
    る工程と治具により前記リードと前記接合材および前記
    電極を加圧して前記接合材を介して前記リードと電極を
    接続する工程と、前記接合材を切断する工程を備えたこ
    とを特徴とする電子部品の電極とリードとの接合方法。
  2. 【請求項２】接合材を電極とを位置合わせ後、リードを
    前記電極と位置合わせすることを特徴とする請求項１記
    載の電子部品の電極とリードとの接合方法。
  3. 【請求項３】接合材の先端形状が球状であることを特徴
    とする請求項１記載の電子部品の電極とリードとの接合
    方法。
  4. 【請求項４】接合材の切断を、冶具を除去した後、加圧
    されていない領域にて切断することを特徴とする請求項
    １記載の電子部品の電極とリードとの接合方法。
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