半導体装置およびワイヤボンディング方法

【課題】基板に固定された半導体素子の第２電極に対してステッチボンディングをする場合に、半導体素子の電極を大きくする必要がない手段を提供する。
【解決手段】基板１１の表面に形成された第１電極９に、キャピラリによりワイヤ６をボールボンディングした後、キャピラリからワイヤ６を繰り出しつつ、キャピラリを基板１１の表面に固定された半導体素子１２の表面に形成された矩形の第２電極１０に移動させ、第２電極１０にワイヤ６をステッチボンディングするワイヤボンディング方法において、基板１１の厚さ方向から見たときに、キャピラリは、ステッチボンディングの際に基板１１の表面に形成された第１電極９に付いたキャピラリの跡４の略中心５と、第２電極１０の１つの角１７を結んだ直線１８上を移動するようにした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に形成された第１電極および基板上の半導体素子に形成された第２電極をワイヤボンディングした半導体装置並びにワイヤボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基板の電極と、半導体素子の電極とを金、銅等で形成された直径１０μｍ〜１５０μｍのワイヤで相互に接続するワイヤボンディング方法が行われている。
【０００３】
ここで、ワイヤボンディング方法とは、移動可能なキャピラリの中心に形成された貫通孔を通ってキャピラリの先端から突出したワイヤを一方の電極に超音波併用熱圧着方式で接続した後、貫通孔からワイヤを繰り出しながらキャピラリを他方の電極まで移動させ、この他方の電極にワイヤおよびキャピラリを押し付けて超音波併用熱圧着方式によりワイヤを電極に接続すると同時に切断する方法をいう（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
かかるワイヤボンディング方法として、基板の一方の電極にキャピラリを用いてワイヤをボールボンディングした後、キャピラリからワイヤを繰り出しつつ、キャピラリを半導体素子の他方の電極に移動させ、この他方の電極にワイヤをステッチボンディングする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１２５７０７号公報
【特許文献２】特開２００４−１１１６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、半導体素子の電極に対してステッチボンディングをする場合は、半導体素子の電極を大きくする必要があるため、半導体素子自体の大きさが大きくなり、１枚のウェハーから取れる半導体素子の数が少なくなるという問題があった。
【０００７】
なぜなら、半導体素子の電極が小さいと、ステッチボンディングはワイヤおよびキャピラリを半導体素子の電極に押し付けるため、半導体素子の電極が変形して突出し、ワイヤと半導体素子が短絡（ショート）するからである。また、半導体素子の電極が小さいと、キャピラリが半導体素子の表面に衝突して半導体素子を傷つける可能性も大きくなる。
【０００８】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、基板の厚さ方向から見たときに、半導体素子の電極に付いたキャピラリの跡の略中心と、半導体素子の電極の１つの角を結んだ直線上にワイヤを位置させるという簡単な構成により、半導体素子の電極の大きさを小さくし、半導体素子自体の大きさを小さくした半導体装置等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】
【０００９】
（第１発明）
第１発明は、表面に第１電極を備えた基板と、この基板の表面に裏面が固定され、表面に矩形の第２電極を備えた半導体素子と、キャピラリにより、一端を第１電極にボールボンディングし、他端を第２電極にステッチボンディングしたワイヤとを備えた半導体装置に関するものである。
【００１０】
そして、基板の厚さ方向から見たときに、ワイヤは、ボールボンディングの際に第１電極に形成された接続部の略中心と、第２電極における４つの角の内、接続部との間に第２電極が位置する角とを結んだ直線上に位置したことを特徴とする。
【００１１】
ここで、ボールボンディングとは、キャピラリに保持されたワイヤの下端部を放電電極によって溶融し、溶融形成されたボールを電極に固着するボンディング方法をいう。ボールボンディングについてさらに詳述すると、キャピラリの先端から突出したワイヤの下端部は、放電電極（トーチ）との間に電圧が印加されるとスパークが生じ、その熱でワイヤが溶融し、ボールとなる。そして、このボールは、キャピラリによって電極に押し付けられ、電極にワイヤが接続（超音波＆熱圧着）する。
【００１２】
また、ステッチボンディングとは、キャピラリの先端周縁の一部をワイヤに圧接することでワイヤを電極に固着するボンディング方法をいう。ステッチボンディングについてさらに詳述すると、キャピラリの先端から出たワイヤをキャピラリによって電極に押し付け、電極にワイヤを接続（超音波＆熱圧着）すると同時に、ワイヤを切断する。
【００１３】
本第１発明は、前記した構成により、矩形の第２電極の一辺の大きさが小さくても、矩形の第２電極の斜め方向にステッチボンディングするため、ステッチボンディングに必要な電極の長さを確保することができる。つまり、第２電極が一辺の長さがＬの正方形である場合、一辺に対して４５度の角度でステッチボンディングすると、ステッチボンディングで使用できる電極の長さが約１．４倍（１．４×Ｌ）となる。
【００１４】
このため、前記した半導体素子の電極の変形突出による短絡（ショート）および半導体素子の表面の損傷を防止することができ、ウェハー１枚当たりの半導体素子の採り数を増やすことができる。
【００１５】
（第２発明）
第２発明は、基板の表面に形成された第１電極に、キャピラリによりワイヤをボールボンディングした後、キャピラリからワイヤを繰り出しつつ、キャピラリを基板の表面に固定された半導体素子の表面に形成された矩形の第２電極に移動させ、この第２電極にワイヤをステッチボンディングするワイヤボンディング方法に関するものである。
【００１６】
そして、基板の厚さ方向から見たときに、ワイヤがボールボンディングの際に第１電極に形成された接続部の略中心と、第２電極における４つの角の内、接続部との間に第２電極が位置する角とを結んだ直線上に位置するように、キャピラリを移動させることを特徴とする。
【００１７】
かかる構成により、矩形の第２電極の一辺（半導体素子の短手方向）の大きさが小さくても、斜め方向にステッチボンディングするため、ステッチボンディングに必要な電極の長さを確保することができる。このため、前記した半導体素子の電極の変形突出による短絡（ショート）および半導体素子の表面の損傷を防止することができ、ウェハー１枚当たりの半導体素子の採り数を増やすことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、半導体素子の表面に形成された矩形のパッド（第２電極）の大きさを小さくできるので、半導体素子の大きさを小さくできる。このため、１枚のウェハー当たりの半導体素子の採り数を多くでき、半導体素子のコストを安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】キャピラリの側部断面図である（実施例１）
【図２】キャピラリの側面図である（実施例１）
【図３】キャピラリの側面図である（実施例１）
【図４】キャピラリの側面図である（実施例１）
【図５】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図６】図１を基板の厚さ方向（上方）から見た図である（実施例１）
【図７】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図８】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図９】図８を基板の厚さ方向（上方）から見た図である（実施例１）
【図１０】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図１１】図１０を基板の厚さ方向（上方）から見た図である（実施例１）
【図１２】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図１３】ワイヤボンディング方法を説明するための側面図である（実施例１）
【図１４】図１３を基板の厚さ方向（上方）から見た図である（実施例１）
【図１５】半導体装置の平面図である（実施例１）
【図１６】図１５の半導体装置の端部Ｗを拡大した斜視図である（実施例１）
【図１７】キャピラリの側面図である（実施例２）
【図１８】キャピラリ先端の拡大図である（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明に係る第１実施例を、図１〜１５を用いて説明する。
尚、本実施例１で用いたワイヤ６は、直径２０μｍの金線であるが、説明を分かりやすくするため各図においてワイヤ６を太く図示している。また、キャピラリは３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向に移動可能な３軸ロボットを備えた一般に市販されているワイヤボンディング装置の一部品であるが、説明を簡単にするため、図４〜１５においてキャピラリのみ図示している。
【００２２】
（キャピラリ）
図１および図２に示すように、本発明において用いられるキャピラリ１は、先端３の直径が８０ミクロンであり、中心部に直径２０ミクロンのワイヤ６を供給するための直径３０ミクロンの貫通孔２が形成されている。キャピラリ１の材質は、金属、セラミック、ルビー、酸化ジルコニウム等を用いることができる。
【００２３】
（ワイヤボンディング方法）
このキャピラリ１の先端３から所定長さのワイヤ６が供給される（図２）。そして、ワイヤボンディング装置の一部を構成するトーチ７が、キャピラリ１の先端３から突出したワイヤ６の近傍に位置決めされ、ワイヤ６とトーチ７間に電圧が印加される（図３）。その結果生じたスパークによって、キャピラリ１の先端３から突出したワイヤ６が溶融し、ボール８が形成される（図４）。
【００２４】
その後、ボール８が形成されたキャピラリ１を、図示しないワイヤボンディング装置の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）ロボットにより、基板１１の第１電極としてのパッド９の真上に移動させる（図５、図６）。そして、ワイヤボンディング装置の３軸ロボットの内のＺ軸ロボットを用いてキャピラリ１を下降させ、キャピラリ１により溶融したボール８をパッド９に押し付け、ワイヤ６とパッド９をボールボンディングで接続する（図７）。
【００２５】
その後、ワイヤボンディング装置を用いてワイヤ６をキャピラリ１の先端３から繰り出しながら、接続先である半導体素子１２の表面に形成された第２電極としての素子パッド１０に向けて移動させる（図８、図９）。この際、ＸＹの２方向に着目すれば（基板１１の厚さ方向であるＺ方向の上方から見ると）、素子パッド１０の短手方向（Ｘ方向）の幅が小さいので、キャピラリ１をＸ方向のみに移動させたのでは短絡等の前記した問題が発生する。そこで、キャピラリ１を斜め（Ｘ方向とＹ方向同時）に移動させ、斜めからキャピラリ１を素子パッドに押し付けるように移動させる。
【００２６】
より具体的には、キャピラリ１は、基板１１の厚さ方向であるＺ方向の上方から見ると、第１電極の接続部４の中心５と、当該第１電極とワイヤ６で電気的に接続する対象である素子パッド１０における前記中心５から最も離れた角１７とを結んだ直線１８上を移動させる。別言すると、キャピラリ１は、第１電極の接続部４の中心５と、当該第１電極と電気的に接続すべき素子パッド１０における４つの角の内、第１電極の接続部４との間に当該素子パッド１０が位置する角１７とを結んだ直線１８上を移動させる。
【００２７】
そうすると、半導体素子の短手方向（Ｘ方向）の幅がステッチボンデイングに必要な長さに達していなくても、キャピラリ１は第２電極の斜め方向にステッチボンディングするので、ステッチボンディングに必要な長さを確保することができる（図１０〜図１４）。
【００２８】
図１３および図１４は、前記した一連の動作を終えた後の状態を示した図である。図１４を見ると分かるように、ステッチボンディングの際には、キャピラリ１の先端３を素子パッド１０に押し付けるので、素子パッド１０にはキャピラリ１の先端３の跡１５が残る。キャピラリ１は、ＸＹの２方向については、素子パッド１０の角１７に向けて移動してきたので、跡１５におけるキャピラリ１の先端３の跡の中心１６と、角１７を結んだ直線は、前記した直線１８と同一となる。
【００２９】
つまり、基板１１の厚さ方向であるＺ方向から見たときに、キャピラリ１は、ステッチボンディングの際に第２電極としての素子パッド１０に付いたキャピラリ１の先端３の跡１５の略中心１６と、素子パッド１０の１つの角１７とを結んだ直線１８上を移動しているともいえる。さらに別言すると、キャピラリ１は、パッド９にワイヤ６をボールボンディングした結果形成された接続部４の略中心５と、当該ワイヤ６を接続する半導体素子１２の表面に形成された素子パッド１０の１つの角１７とを結んだ直線１８上を移動しているといえる。
【００３０】
（半導体装置）
かかるワイヤボンディング方法を実施する一例として、図１５および図１６の半導体装置１４を示す。この半導体装置１４として、例えば、画像形成装置のプリントヘッド等で用いられるＬＥＤ基板装置１４を挙げることができる。尚、図１５および図１６において基板１１の表面に形成されたパッド９の図示を省略しているが、図１３、図１４等に図示したものと同一のパッド９が形成されている。
【００３１】
図１５及び図１６に示したＬＥＤ基板装置１４は、表面に第１電極を備えた基板１１と、基板１１の表面に裏面が固定され、表面に矩形の第２電極としての素子パッド１０を備えた半導体素子としての発光素子アレイ１２と、キャピラリ１により、一端を第１電極としてのパッド９にボールボンディングし、他端を素子パッド１０にステッチボンディングしたワイヤ６とを備えている。
【００３２】
そして、基板１１の厚さ方向（Ｚ方向）から見たときに、ワイヤ６は、ボールボンディングの際にパッド９に形成された接続部４の略中心５と、素子パッド１０における４つの角の内、接続部４との間に素子パッド１０が位置する角１７とを結んだ直線１８上に位置したものである。
【００３３】
発光素子アレイ１２は、端部に素子パッド１０が形成され、中央部に一直線状に発光点（ＬＥＤ）が複数（例えば１２８個）形成されたものである。そして、この発光素子アレイ１２は、基板１１の表面に形成されたベタパターン１３の上に、接着剤を用いて複数（例えば２０個）千鳥状に固定されている。
【００３４】
図１４に示した素子パッド１０（紙面下から２つ目）の短手方向（Ｘ方向）の幅は８０ミクロンであり、ステッチボンディングに必要な長さ（８５ミクロン）以下である。しかし、半導体素子の短手方向（Ｘ方向）と直線１８の成す角度を約４５度にした本実施例１においては、ステッチボンディングに使える素子パッド１０の長さを１００ミクロン以上確保することができる。
【００３５】
すなわち、本発明は、以下のように把握することもできる。
表面に第１電極９を備えた基板１１と、該基板１１の表面に裏面が固定され、表面に矩形の第２電極１０を備えた半導体素子１２と、キャピラリ１により、一端を前記第１電極９にボールボンディングし、他端を前記第２電極１２にステッチボンディングしたワイヤ６とを備えた半導体装置１４において、前記第２電極１０の一辺の長さは前記ステッチボンディングに必要な長さより短く、前記基板１１の厚さ方向（Ｚ方向）から見たときに、前記ワイヤ６は、前記ボールボンディングの際に前記第１電極９に形成された接続部４の略中心５と、前記第２電極１０における４つの角の内、前記接続部４との間に前記第２電極１０が位置する角１７とを結んだ直線１８上に位置したことを特徴とする半導体装置。
【００３６】
かかる構成により、矩形の第２電極１０の一辺の長さをステッチボンディングに必要な長さ（８５ミクロン）よりも短く（８０ミクロン）しても、第２電極に対するステッチボンディングに支障がないので、半導体素子１２の一辺の長さを小さく（１２５ミクロン）することができ、１枚のウェハから採る半導体素子１２の数を増やすことができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明の他の実施例を図１７及び図１８を用いて詳細に説明する。
図１７はキャピラリの側面図であり、図１８は図１７に示したキャピラリを下方（Ｂ方向）から見たときの拡大図である。尚、実施例１と同一の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
本実施例２の実施例１との相違点は、キャピラリ１９の先端部２０にダイヤモンド状炭素硬質皮膜２１を施した点のみである。ここで、ダイヤモンド状炭素硬質皮膜とは、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＴＡＣ（テトラヘデラルアモルファスカーボン）等の炭素を主成分とする表面被膜のことをいう。
【００３９】
かかる皮膜をセラミックから構成されたキャピラリの先端部２０の表面に施すことにより、キャピラリ１９の寿命が長くなるだけではなく、キャピラリ１９の先端３に金属カスが付着し難くなると共に、先端３に付着した金属カスの剥離性が向上する。
【００４０】
前記した実施例は、説明のために例示したものであって、本発明としてはそれに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明及び図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更、削除および付加が可能である。
【００４１】
本発明に係るワイヤボンディング方法は、１つの半導体装置における全ての素子パッド１０に対して実施しても良いが、素子パッドのＸ方向またはＹ方向の寸法がステッチボンディングに必要な寸法よりも小さい素子パッドについてのみ実施しても良い。
【００４２】
例えば、図１４等において紙面下から１番目の素子パッド１０のワイヤボンディングを省略しているが、当該紙面下から１番目の素子パッド１０についても実施例１で説明した本発明に係るワイヤボンディング方法を実施しても良いし、当該紙面下から１番目の素子パッド１０の短手方向（Ｘ方向）の寸法が８５ミクロン以上あれば、ＸＹ方向についてＸ方向にのみキャピラリ１を移動させて斜め方向ではなくＸ方向にワイヤ６を用いて電極同士を接続しても良い。
【００４３】
また、実施例１においては素子パッド１０としてＸ方向に短く、Ｙ方向に長い長方形のものを示したが、これに限定するものではなく、正方形であっても良い。
【００４４】
また、実施例１において、ステッチボンディングに必要な素子パッドの長さとして８５ミクロンを示したが、この数字はワイヤの直径、キャピラリの先端形状等により決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、半導体素子が実装された半導体装置およびワイヤボンディング方法に適用される。
【符号の説明】
【００４６】
１キャピラリ
３先端
６ワイヤ
９第１電極
１０第２電極
１１基板
１２半導体素子
１５キャピラリの跡
１６キャピラリの跡の中心
１７角

【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に第１電極を備えた基板と、
該基板の表面に裏面が固定され、表面に矩形の第２電極を備えた半導体素子と、
キャピラリにより、一端を前記第１電極にボールボンディングし、他端を第２電極にステッチボンディングしたワイヤとを備えた半導体装置であって、
前記基板の厚さ方向から見たときに、前記ワイヤは、前記ボールボンディングの際に前記第１電極に形成された接続部の略中心と、前記第２電極における４つの角の内、前記接続部との間に前記第２電極が位置する角とを結んだ直線上に位置したことを特徴とする半導体装置
【請求項２】
基板の表面に形成された第１電極に、キャピラリによりワイヤをボールボンディングした後、
前記キャピラリからワイヤを繰り出しつつ、前記キャピラリを前記基板の表面に裏面が固定された半導体素子の表面に形成された矩形の第２電極に移動させ、
該第２電極に前記ワイヤをステッチボンディングするワイヤボンディング方法において、
前記基板の厚さ方向から見たときに、前記ワイヤが前記ボールボンディングの際に前記第１電極に形成された接続部の略中心と、前記第２電極における４つの角の内、前記接続部との間に前記第２電極が位置する角とを結んだ直線上に位置するように、前記キャピラリを移動させることを特徴とするワイヤボンディング方法

【図１】