JP3833136B2 - Semiconductor structure and bonding method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッケージの薄型化、小型化が可能な半導体構造とボンディング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6に、従来の半導体構造を示す。図において、1はプリント基板,フィルム基板,リードフレームなどの半導体チップ実装用の基板、2は基板1上に実装された半導体チップ、3は半導体チップ2の上面周縁に形成された電極パッド、4は基板1上に形成された配線用の電極パッド、5は電極パッド3,4間にボンディングされた金線などの金属ワイヤである。
【0003】
この図6に示した半導体構造は、まず最初に半導体チップ2上の電極パッド3に金属ワイヤ5を1次ボンディングした後、基板1上の電極パッド4に2次ボンディングする、いわゆるフォワード法と呼ばれるワイヤボンディング方法によって配線したものである。
【0004】
すなわち、フォワード法は、金属ワイヤ5を挿通したキャピラリー(図示せず)を半導体チップ2の電極パッド3の直上に位置させ、放電電極からの放電によりキャピラリー先端から突出した金属ワイヤ5の先端にボールを形成した後、キャピラリーを下降させて電極パッド3に押圧することにより溶融したボールを電極パッド3に1次ボンディングし、次いで、キャピラリーを所定の軌跡に沿って基板1上の電極パッド4の直上まで移動させた後、該位置で電極パッド4に向けて下降させ、押圧すると同時に超音波などを印加することにより金属ワイヤ5をキャピラリー先端位置で電極パッド4に2次ボンディングするものである。
【0005】
ところで、上記のようなボンディング方法においては、金属ワイヤ5に十分な接続強度を与えるため、金属ワイヤ5は1次ボンディング位置で一度所定距離だけ垂直方向に立ち上がらせた後、2次ボンディング位置に向けて折り曲げ配線する必要がある。このため、半導体チップ2上の電極パッド3が1次ボンディング点となるフォワード法の場合、チップ表面からのワイヤ高さhがその分だけ高くなってしまい、それ以上薄型化することができず、完成後の半導体パッケージの厚さが厚くなってしまうという欠点があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来、上記欠点をなくすための1つの方法として、図7に示すように、まず最初に基板1上の電極パッド4に金属ワイヤ5を1次ボンディングした後、半導体チップ2の電極パッド3に2次ボンディングする、いわゆるリバース法と呼ばれるワイヤボンディング方法が利用されている。
【0007】
しかしながら、近時における半導体チップの高密度化、多電極化に伴い、電極パッドは、半導体チップの上面周縁に沿って1列に並ぶだけでなく、その内側にも二重あるいは三重に並んだ多重配列電極が採用されるようになった。このような多重配列電極を備えた半導体チップの場合、前記フォワード法やリバース法を利用してワイヤボンディングしても、たとえば図8、図9に示すように、外側の電極パッド3aにボンディングされた金属ワイヤ5aについてはそれほど問題ないが、内側の電極パッド3bに接続された金属ワイヤ5bについては、外側の電極パッド3aにボンディングされた金属ワイヤ5aとの接触を避けるため、ワイヤ間距離を十分にとる必要があり、ワイヤ間距離を大きく取れるフォワード法によってボンディングせざるを得なかった。このため、チップ面からのワイヤ高さhをある程度以下に低くすることが難しかった。
【0008】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、多重配列電極の場合であってもチップ面からのワイヤ高さを低くでき、パッケージの薄型化、小型化を可能にした半導体構造とボンディング方法を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のような手段を採用した。
すなわち、請求項1に係る半導体構造は、基板上に実装された半導体チップの電極パッド上に金属バンプが1つまたは複数個積み重ねた状態で形成されており、該積み重ねられた金属バンプの最上段の金属バンプ上面と基板上の電極パッド、または該積み重ねられた金属バンプの最上段の金属バンプ上面と他の半導体チップの電極パッドの間が金属ワイヤでボンディングされているとともに、前記金属バンプ上面にボンディングされた金属ワイヤの上にさらに金属バンプが形成され、この金属バンプに対してフリップチップ型半導体チップの電極パッドが接合されていることを特徴とするものである。
【0010】
また、請求項2に係るボンディング方法は、基板上に実装された半導体チップの電極パッド上に金属バンプを形成し、これを1回また複数回繰り返すことによって半導体チップの電極パッド上に1つまたは複数個の金属バンプを積み重ねた状態で形成した後、該積み重ねられた金属バンプの最上段の金属バンプ上面を2次ボンディング点、基板上の電極パッドまたは他の半導体の電極パッドを1次ボンディング点としてこれらの間を金属ワイヤでボンディングし、次いで、前記金属バンプ上面にボンディングされた金属ワイヤの上にさらに金属バンプを形成し、この金属バンプに対してフリップチップ型半導体チップの電極パッドを接合することを特徴とするものである。
【0011】
上記のような半導体構造ならびにボンディング方法を採用した場合、金属バンプの積み重ね段数によってチップ面からのワイヤ高さを自在に調整することができる。このため、多重配列電極の場合であってもチップ面からのワイヤ高さを金属バンプの数によって調整することができ、半導体パッケージの薄型化、小型化を図ることができる。また、金属バンプ上面にボンディングされた金属ワイヤの上にさらに金属バンプを形成し、この金属バンプに対してフリップチップ型半導体の電極パッドを接合したので、ワイヤボンディング構造とフリップチップ構造を備えた複合タイプの半導体装置を簡単に製造することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
まず最初に、本発明の実施の形態について説明する前に、本発明の半導体構造とボンディング方法を実現するために必要な参考形態について説明する。
【0013】
図1は、本発明に係る半導体構造を実現するための第1の参考形態である。この第1の参考形態は、本発明に係る半導体構造を実現するために必要な半導体構造の基本形態を示すもので、半導体チップ2の電極パッド3の上に3個の金属バンプ7を3段に積み重ねて形成し、この3段に積み重ねられた3個の金属バンプ7の最上段の金属バンプの上面を2次ボンディング点、基板1上の電極パッド4を1次ボンディング点として金属ワイヤ5をボンディングしたものである。なお、前述した従来例と同一の部分には同一の符号を付して示した。
【0014】
このような半導体構造とした場合、金属バンプ7の段数を変えることにより、チップ表面からのワイヤ高さhを自在に変えることが可能となり、半導体チップ2の電極パッド3が半導体チップ2の上面周縁に沿って1列に並ぶだけでなく、その内側にも二重あるいは三重に並んだ多重配列電極の場合でも、チップ表面からのワイヤ高さhを最小に押さえることが可能となる。なお、金属バンプ7の積み重ね段数は図示の3段に限られものではなく、製造する半導体装置の仕様に応じて決定されるものである。
【0015】
上記図1の半導体構造を得るためのボンディング方法を図2に示す。なお、この図2に示すボンディング方法は、以下に示すように、従来から用いられている既設のワイヤボンディング装置を用いて実現することができる。
【0016】
まず最初に、(a)に示すように、金線などの金属ワイヤ5を挿通したキャピラリー8を半導体チップ2の電極パッド3の直上に位置させ、放電電極9からの放電により、キャピラリー先端から突出した金属ワイヤ5の先端にボール6を形成する。
【0017】
次いで、(b)に示すように、キャピラリー8を下降させ、溶融したボール6を電極パッド3に押圧して融着させた後、(c)に示すように、図示しないクランプによって金属ワイヤ5をつかんだ状態でキャピラリー8を上方へ引き上げ、金属ワイヤ5を引きちぎることによって金属パッド3上に金属バンプ7を形成する。上記操作を必要回数、例えば図2の例の場合には3回繰り返すことにより、(d)に示すように、金属パッド3上に3段重ねされた3個の金属バンプ7が形成される。
【0018】
次いで、基板1上の電極パッド4を1次ボンディング点、前記3段に積み重ねられた3個の金属バンプ7の最上段の金属バンプの上面を2次ボンディング点として、前述したリバース法によって金属ワイヤ5をボンディングする。
【0019】
すなわち、まず(e)に示すように、金属ワイヤ5を挿通したキャピラリー8を基板1の電極パッド4の直上に位置させ、放電電極9からの放電により、キャピラリー先端から突出した金属ワイヤ5の先端にボール6を形成する。
【0020】
次いで、(f)に示すように、キャピラリー8を下降させ、溶融したボール6を電極パッド4に押圧して融着させた後、キャピラリー8を所定距離だけ垂直方向に立ち上がらせ、(g)に示すように、所定の軌跡に沿って2次ボンディング点である半導体チップ2の電極パッド3の方向に向けて移動させる。そして、電極パッド3の直上に達したら、再びキャピラリー8を下降させ、金属ワイヤ5を3個の金属バンプ7の最上段の金属バンプ上面に所定の圧力で押しつけながら超音波などを加えることにより、金属ワイヤ5をキャピラリー先端位置で最上段の金属バンプ7の上面に2次ボンディングする。
【0021】
次いで、(h)に示すように、図示しないクランプによって金属ワイヤ5をつかんだ状態でキャピラリー8を上方へ引き上げることにより、金属ワイヤ5を引きちぎり、2次ボンディングを終了する。このようにして、図1に示したワイヤボンディング構造が完成する。
【0022】
図3は、同じく本発明の半導体構造を実現するための第2の参考形態を示すものである。この第2の参考形態は、半導体チップ2の金属パッド3a,3bが内外2列配置されている半導体装置の場合の例を示すものである。
【0023】
この例の場合、半導体チップ2の上面周縁の外側に位置する第1の電極パッド3aと基板1上の対応する電極パッド4aについては、従来と同様に、基板1の電極パッド4aを1次ボンディング点、半導体チップ2の電極パッド3aを2次ボンディング点とするリバース法によってワイヤボンディングされている。
【0024】
一方、半導体チップ2の上面周縁の内側に位置する第2の電極パッド3bと基板1上の対応する電極パッド4bについては、半導体チップ2の電極パッド3b上に金属バンプ7を2段に重ねて形成した後、基板1上の電極パッド4bを1次ボンディング点、前記2段に積み重ねられた金属バンプ7の最上段の金属バンプ上面を2次ボンディング点として金属ワイヤ5bをリバース法によってワイヤボンディングしたものである。
【0025】
上記のような半導体構造とした場合、半導体チップ2の電極パッド3a,3bが内外2列に配置とされているにもかかわらず、チップ面からのワイヤ高さhを低くすることができ、従来の半導体装置に比べてパッケージの薄型化、小型化を図ることができる。
【0026】
図4は、本発明の半導体構造を実現するための第3の参考形態を示すものである。この第3の参考形態は、前記第2の実施の形態と同様な構造において、半導体チップ2と基板1上の電極パッド4aとの間に高さの高い電子部品10が実装されている場合の例を示すものである。
【0027】
このように半導体チップ2と基板1上の電極パッド4aとの間に高さの高い電子部品10が実装されているような場合には、通常のリバース法では金属ワイヤ5aが電子部品10に接触するおそれがあるが、第3の参考形態のような構造とした場合には、図示するように、半導体チップ2の上面周縁の外側に位置する第1の電極パッド3a上に金属バンプ7を所定段数(図示例では1段)形成した後、基板1上の電極パッド4aを1次ボンディング点、前記電極パッド3a上に形成された金属バンプ7の上面を2次ボンディング点として金属ワイヤ5aをボンディングすればよい。
【0028】
上記のような半導体構造とした場合、半導体チップと基板上の電極パッドとの間に他の電子部品が実装されているような場合でも、この電子部品を避けながら、チップ面からのワイヤ高さhを可能な限り低く設定することができる。
【0029】
次に、上記各参考形態を基礎として実現される本発明の半導体構造の一実施の形態を図5に示す。この実施の形態は、前記図2に例示したボンディング方法によってワイヤボンディングされた半導体チップ2上に、さらに金属バンプを利用して他の半導体チップをフリップチップ実装したものである。
【0030】
すなわち、基板1上に実装されている半導体チップ2の電極パッド3上に金属バンプ7を形成し、基板1上の電極パッド4を1次ボンディング点、前記金属バンプ7を2次ボンディング点として金属ワイヤ5をボンディングした後、この2次ボンディング点の上にさらに金属バンプ7を2段に積み重ねて形成し、この全体として3段重ねした金属バンプ7の上に、フリップチップ型の半導体チップ11をその電極パッド12が金属バンプ7に接触した状態で載せ、この状態で熱などを加えることによって半導体チップ2上に半導体チップ11をフリップチップ実装したものである。このような半導体構造とした場合、ワイヤボンディング構造とフリップチップ構造を備えた複合タイプの半導体装置を簡単に製造することができる。
【0031】
なお、上記実施の形態は、半導体チップ2の電極パッド3と基板1上の電極パッド4間を接続する場合を例に採って説明したが、ボンディング点はこれらの間に限定されるものではなく、基板上に実装された半導体チップ同士の電極パッド間を接続することもできる。この場合、前記金属バンプを積み重ねられた半導体チップの電極パッドが2次ボンディング点、他の半導体チップの電極パッドが1次ボンディング点となる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体チップの電極パッド上に金属バンプを形成し、この金属バンプの上に電極ワイヤをボンディングするようにしたので、チップ面からのワイヤ高さを自在に調整することができる。このため、半導体チップの電極パッドが多重配列されているような場合であっても、チップ面からのワイヤの高さを可能な限り低くでき、半導体パッケージの薄型化、小型化を図ることができる。また、金属バンプ上面にボンディングされた金属ワイヤの上にさらに金属バンプを形成し、この金属バンプに対してフリップチップ型半導体の電極パッドを接合するようにしたので、ワイヤボンディング構造とフリップチップ構造を備えた複合タイプの半導体装置を簡単に製造することができる。さらに、既設のワイヤボンディング装置を利用してボンディングを行うことができるので、設備投資が少なく済み、コスト増を抑えながら半導体パッケージの薄型化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る半導体構造を実現するために必要な半導体構造の第1の参考形態を示す略示側面図である。
【図2】 (a)〜(h)は図1の参考形態に係る半導体構造を得るためのボンディング方法の説明図である。
【図3】 本発明に係る半導体構造を実現するために必要な半導体構造の第2の参考形態を示す略示側面図である。
【図4】 本発明に係る半導体構造を実現するために必要な半導体構造の第3の参考形態を示す略示側面図である。
【図5】 本発明に係る半導体構造の一実施の形態を示す略示側面図である。
【図6】 従来の半導体構造の第1の例を示す略示側面図である。
【図7】 従来の半導体構造の第2の例を示す略示側面図である。
【図8】 従来の半導体構造の第3の例を示す略示側面図である。
【図9】 従来の半導体構造の第4の例を示す略示側面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 半導体チップ
3,3a,3b 半導体チップの電極パッド
4,4a,4b 基板の電極パッド
5,5a,5b 金属ワイヤ
6 ボール
7 金属バンプ
8 キャピラリー
9 放電電極
10 電子部品
11 フリップチップ型の半導体チップ
12 フリップチップ型半導体チップの電極パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor structure and a bonding method capable of reducing the thickness and size of a package.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a conventional semiconductor structure. In the figure, 1 is a substrate for mounting a semiconductor chip such as a printed circuit board, a film substrate, and a lead frame, 2 is a semiconductor chip mounted on the
[0003]
The semiconductor structure shown in FIG. 6 is referred to as a so-called forward method in which a
[0004]
That is, in the forward method, a capillary (not shown) through which the
[0005]
By the way, in the bonding method as described above, in order to give the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, as one method for eliminating the above-described drawbacks, first, as shown in FIG. 7, first, a
[0007]
However, with recent increases in the density and multi-electrodes of semiconductor chips, electrode pads are not only arranged in a single line along the upper surface periphery of the semiconductor chip, but also in a double or triple array on the inner side. Array electrodes have been adopted. In the case of a semiconductor chip having such multiple array electrodes, even if wire bonding is performed using the forward method or the reverse method, it is bonded to the
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and it is possible to reduce the height of the wire from the chip surface even in the case of multiple array electrodes, and to reduce the package thickness and size. An object of the present invention is to provide a bonding method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
That is, the semiconductor structure according to
[0010]
According to a second aspect of the present invention , there is provided a bonding method in which a metal bump is formed on an electrode pad of a semiconductor chip mounted on a substrate, and this is repeated once or a plurality of times. After forming a plurality of metal bumps in a stacked state, the upper surface of the stacked metal bumps has a secondary bonding point on the upper surface of the metal bump and a primary bonding point on an electrode pad on the substrate or another semiconductor electrode pad. These are bonded with a metal wire, then a metal bump is further formed on the metal wire bonded to the upper surface of the metal bump, and an electrode pad of a flip chip type semiconductor chip is bonded to the metal bump. It is characterized by this.
[0011]
When the semiconductor structure and bonding method as described above are employed, the wire height from the chip surface can be freely adjusted by the number of stacked metal bumps. For this reason, even in the case of multiple array electrodes, the wire height from the chip surface can be adjusted by the number of metal bumps, and the semiconductor package can be made thinner and smaller. In addition, a metal bump is further formed on the metal wire bonded to the upper surface of the metal bump, and an electrode pad of a flip chip type semiconductor is bonded to the metal bump, so that a composite having a wire bonding structure and a flip chip structure is provided. A type of semiconductor device can be easily manufactured.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, before describing embodiments of the present invention, reference forms necessary for realizing the semiconductor structure and bonding method of the present invention will be described.
[0013]
FIG. 1 is a first reference embodiment for realizing a semiconductor structure according to the present invention. This first reference embodiment shows a basic form of a semiconductor structure necessary for realizing a semiconductor structure according to the present invention. Three
[0014]
When such a semiconductor structure, by changing the number of
[0015]
The ball bindings method for obtaining the semiconductor structure of FIG 1 shown in FIG. The bonding method shown in FIG. 2 can be realized by using an existing wire bonding apparatus that has been conventionally used, as described below.
[0016]
First, as shown in (a), a
[0017]
Next, as shown in (b), the
[0018]
Next, using the
[0019]
That is, first, as shown in (e), the
[0020]
Next, as shown in (f), the
[0021]
Next, as shown in (h), by pulling up the
[0022]
FIG. 3 also shows a second reference form for realizing the semiconductor structure of the present invention. The second reference form shows an example in the case of a semiconductor device in which the
[0023]
In the case of this example, the
[0024]
On the other hand, with respect to the
[0025]
In the case of the semiconductor structure as described above, the wire height h from the chip surface can be reduced despite the fact that the
[0026]
FIG. 4 shows a third reference embodiment for realizing the semiconductor structure of the present invention. The third reference embodiment is the same as the second embodiment in the case where a high
[0027]
As described above, when the
[0028]
In the case of the semiconductor structure as described above , even when other electronic components are mounted between the semiconductor chip and the electrode pads on the substrate, the wire height from the chip surface is avoided while avoiding this electronic component. h can be set as low as possible.
[0029]
Next, FIG. 5 shows an embodiment of the semiconductor structure of the present invention realized on the basis of each of the above reference embodiments. In this embodiment, another semiconductor chip is flip-chip mounted on the
[0030]
That is, the metal bumps 7 is formed on the
[0031]
In the above embodiment, the case where the
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the metal bumps are formed on the electrode pads of the semiconductor chip, and the electrode wires are bonded on the metal bumps, so that the wire height from the chip surface can be freely set. Can be adjusted. For this reason, even when the electrode pads of the semiconductor chip are arranged in multiple layers, the height of the wire from the chip surface can be made as low as possible, and the semiconductor package can be made thinner and smaller. . In addition, a metal bump is further formed on the metal wire bonded to the upper surface of the metal bump, and an electrode pad of a flip chip type semiconductor is bonded to the metal bump. The composite type semiconductor device provided can be easily manufactured. Furthermore, since bonding can be performed using an existing wire bonding apparatus, the capital investment can be reduced, and the semiconductor package can be made thinner and smaller while suppressing an increase in cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view showing a first reference form of a semiconductor structure necessary for realizing a semiconductor structure according to the present invention.
2A to 2H are explanatory views of a bonding method for obtaining a semiconductor structure according to the reference embodiment of FIG.
FIG. 3 is a schematic side view showing a second reference form of the semiconductor structure necessary for realizing the semiconductor structure according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic side view showing a third embodiment of a semiconductor structure necessary for realizing a semiconductor structure according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic side view showing an embodiment of a semiconductor structure according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic side view showing a first example of a conventional semiconductor structure.
FIG. 7 is a schematic side view showing a second example of a conventional semiconductor structure.
FIG. 8 is a schematic side view showing a third example of a conventional semiconductor structure.
FIG. 9 is a schematic side view showing a fourth example of a conventional semiconductor structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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