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JP3965354B2 - 素子パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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JP3965354B2
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JP
Japan
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diameter
wire
small
ball
optical element
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JP2002342257A
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English (en)
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Inventor
誠 神田
康成 白石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to US10/720,200 priority patent/US6998295B2/en
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、光素子等の各種素子上の電極と、外部配線基板上の素子外配線等とを金属ワイヤで接続した素子パッケージと、その製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子等の電極は、外部配線基板の配線パターン等の素子外配線に、ワイヤボンド装置を用いて金線等で電気的に接続される（例えば、特許文献１参照）。かかる従来のワイヤボンド手法においては、通常、まず金線の先端部に形成されたボールが、荷重、熱あるいは超音波の印加により半導体素子の電極に接合される。次に、金線が、キャピラリでガイドされ、上方に膨らんだ所定の湾曲形状（ループ形状）を形成しながら、素子外配線の上方に移動させられる。そして、金線は、素子外配線上に着地させられ、キャピラリによって印加される荷重、熱あるいは超音波により素子外配線に接合される。この後、キャピラリが上方に退避し、ワイヤボンドが完了する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−９０３２０号公報（段落［００１３］、図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来のワイヤボンド手法では、上方に膨らんだ湾曲形状をなす金線の頂部の高さがかなり高くなるので、金線が、半導体素子の上側への他の部材の配置を妨げる。このため、該部材を半導体素子に近接させて配置することができず、該部材のレイアウトの自由度が低くなるといった問題がある。
【０００５】
とくに、光素子パッケージないし光システムでは、受光素子の上側に、光信号を伝達する導光路（ファイバ線など）が配置されるが、受光素子と導光路との間の距離が短いほど光素子パッケージの性能ないし特性が良くなる。このため、光素子パッケージでは、導光路と受光素子間との距離を可及的に短くするため、受光素子と素子外配線とを接続する金線の頂部の高さを低くすることが、とくに強く求められている。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、金属ワイヤの頂部の高さを低くすることができ、素子の上側への他の部材のレイアウト性を良くすることができる素子パッケージの製造方法を提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる素子パッケージの製造方法は、素子（例えば、半導体素子、受光素子等の光素子）と素子外配線（例えば、配線パターン）とを金属ワイヤ（例えば、金線）で電気的に接続した素子パッケージの製造方法であって、小径の金属ワイヤを用いて小径のボールを形成し、該小径のボールを素子に接合した後、小径の金属ワイヤを小径のボールから分離し、）大径の金属ワイヤを用いて大径のボールを形成し、該大径のボールを素子外配線に接合し、大径のボールとつながっている大径の金属ワイヤをステッチ接合により小径のボールに接合した後、大径の金属ワイヤを小径のボールから分離することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１は、本発明にかかるワイヤボンド方法を用いるワイヤボンド装置と、該ワイヤボンド装置を用いて製造された光素子パッケージとを示している。図１に示すように、光素子１（例えば、受光素子）と外部配線基板２とを金線で電気的に接続するためのワイヤボンド装置は、第１キャピラリ３と、第１キャピラリ３を保持してこれに（ないし金線に）超音波振動を印加する第１超音波ホーン４と、普通の太さ（直径）の第１金線５（大径の金属ワイヤ）とを備えている。
【０００９】
さらに、ワイヤボンド装置は、第２キャピラリ１１と、第２キャピラリ１１を保持してこれに（ないし金線に）超音波振動を印加する第２超音波ホーン１４と、第１金線５よりも直径（太さ）が小さい第２金線１５（小径の金属ワイヤ）とを備えている（図２（ａ）参照）。
【００１０】
このワイヤボンド装置によってワイヤボンドが施された光素子パッケージにおいて、光素子１は、外部配線基板２の上面に取り付けられている。そして、光素子１の上面に配設された電極７（チップ電極）は、略球状の小径ボール８（ボールバンプ）と、ボンディングワイヤ９と、略球状の大径ボール１０（ボールバンプ）とを介して、外部配線基板２の上面に形成された配線パターン６（素子外配線）に電気的に接続されている。
【００１１】
ここで、ボンディングワイヤ９の直径（太さ）は、光素子１ないし光素子パッケージの電気的特性に適合するように、かつボンディングワイヤ９が所定の湾曲形状を安定して保持できるように、好ましく設定される。なお、後で説明するように、ボンディングワイヤ９は第１金線５から形成されるので、ボンディングワイヤ９の直径は第１金線５の直径と同一である。また、第２金線１５の直径は、該第２金線１５の先端に形成される小径ボール８の直径がボンディングワイヤ９ないし第１金線５の直径とほぼ同一となるように、好ましく設定されている。
【００１２】
以下、このワイヤボンド装置を用いて光素子１の電極７と、外部配線基板２の配線パターン６とを電気的に接続するためのワイヤボンド方法ないし光素子パッケージの製造方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、このワイヤボンド工程においては、まず、第２キャピラリ１１によって保持されている第２金線１５の下端部に略球状の小径ボール８を形成した後、この小径ボール８に第２超音波ホーン１４で超音波を印加し、該小径ボール８を光素子１の電極７（図１参照）に接合する。第２金線１５の直径が前記のように好ましく設定されているので、小径ボール８の直径は、第１金線５ないしボンディングワイヤ９の直径とほぼ等しくなる。続いて、第２金線１５を小径ボール８から分離して、第２キャピラリ１１を退避させる。
【００１３】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１キャピラリ３によって保持されている第１金線５の下端部に大径ボール１０を形成した後、この大径ボール１０に第１超音波ホーン４で超音波を印加し、該大径ボール１０を外部配線基板２の配線パターン６（図１参照）に接合する。続いて、第１キャピラリ３を、キャピラリ下端部が小径ボール８の上下方向の位置（光素子１の上面の高さ）ないしこれより若干高いところに位置するように上向きに移動させた後、小径ボール８に向かってほぼ水平方向に移動させる。これにより、第１金線５は第１キャピラリ３によってガイドされ、配線パターン６に接合された大径ボール１０とつながっている（連続している）第１金線５は、所定の湾曲形状を備えたボンディングワイヤ９を形成する。
【００１４】
そして、図２（ｃ）に示すように、第１金線５（ボンディングワイヤ９）を、ステッチ接合により小径ボール８に接合した後、第１金線５を小径ボール８から分離して、第１キャピラリ３を退避させる。これにより、光素子１の電極７が、小径ボール８とボンディングワイヤ９と大径ボール１０とを介して、外部配線基板２の配線パターン６に電気的に接続される。
【００１５】
ここで、ボンディングワイヤ９は、大径ボール１０から上向きに立ち上がり、光素子側に湾曲して伸長方向を約９０度変えた後、小径ボール８に向かってほぼ水平に伸長する湾曲形状（ループ形状）を有する。したがって、ボンディングワイヤ９の頂部（最も高い部分）の上下方向の位置は、小径ボール８の上下方向の位置とほぼ等しい（若干高い）。
【００１６】
なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１キャピラリ３及び第１超音波ホーン４（図１参照）のみを用い、第１金線５の下端部に大径ボール１２を形成してこれを光素子１の電極７（図１参照）に接合した後、大径ボール１２につながっている第１金線５ないしボンディングワイヤ９を、外部配線基板２の配線パターン６（図１参照）にステッチ接合した場合は、湾曲形状を有するボンディングワイヤ９の頂部は、光素子１の上面ないし大径ボール１２よりかなり高いところに位置することになる。
【００１７】
図４（ａ）に示すように、本発明にかかるワイヤボンド手法を用いて組み立てられた（製造された）光素子パッケージ（受光素子パッケージ）では、ボンディングワイヤ９の頂部の上下方向の位置（高さ）が、光素子１の上面ないし小径ボール８の上下方向の位置（高さ）とほぼ等しいので、光素子１の上面とボンディングワイヤ９の頂部との間の上下の距離Ｈ１は非常に小さくなる。このため、光素子１の上側ないし周辺に配置され、あるいは光素子パッケージに組み込まれる導光路１３（光ファイバなど）等を、光素子１の上面に近づけて配置することができ、該光素子パッケージの性能ないし特性を十分に高めることができる。
【００１８】
なお、図４（ｂ）に示すように、前記の図３（ａ）〜（ｃ）に示すようなワイヤボンド手法により光素子１と外部配線基板２とに対してワイヤボンドを行った場合は、ボンディングワイヤ９の頂部が、光素子１の上面ないし大径ボール１２よりもかなり高いところに位置するので、光素子１の上面とボンディングワイヤ９の頂部との間の上下の距離Ｈ２はかなり大きくなる。このため、導光路１３を、光素子１の上面に十分に近づけて配置することができず、該光素子パッケージの性能ないし特性はかなり悪くなる。
【００１９】
前記のとおり、この実施の形態にかかるワイヤボンド手法によれば、小径の第２金線１５を用いて光素子１側に小径ボール８のみを形成・接合し、次に大径の第１金線５を用いて外部配線基板２側に大径ボール１０を形成・接合し、この後大径ボール１０につながっている第１金線５をガイドして小径ボール８にステッチ接合するようにしているので、上記作用・効果に加えて、さらに次のような種々の作用・効果も生じる。
【００２０】
（１）一般的に、光素子１側と外部配線基板２側とを電気的に接続するボンディングワイヤ９は、光素子１ないし光素子パッケージの電気的な特性に適合させ、あるいはボンディングワイヤ９の湾曲形状を安定させるために、その直径をある程度大きくしなければならないといった制約を受ける。しかし、この実施の形態にかかるワイヤボンド手法においては、光素子１側に小径ボール８を形成するための第２金線１５は、ボンディングワイヤ９を形成するための第１金線５とは別のものであるので、このような制約は受けず、任意の太さのもの（より細いもの）を用いることができる。
【００２１】
したがって、第２金線１５の太さを好ましく設定することにより、光素子１上に任意の直径の小径ボール８を形成することができる。そこで、この実施の形態では、前記のとおり、小径ボール８の直径を、ボンディングワイヤ９（第１金線５）の直径とほぼ同一にしている。これにより、小径ボール８の直径を必要最小限としつつ、小径ボール８とボンディングワイヤ９とを確実に接合することができる。このため、、ボンディングワイヤ９の頂部の高さを、より有効に低減することができる。また、安定した電気配線を実現することができる。
【００２２】
（２）この実施の形態では、外部配線基板２側の大径ボール１０及びボンディングワイヤ９を形成するための第１金線５は、光素子１側の小径ボール８の形状とは無関係であるので、第１金線５の直径を必要かつ十分に大きくすることができる。このため、ボンディングワイヤ９を光素子１ないし光素子パッケージの電気的な特性に適合させることができ、かつボンディングワイヤ９の湾曲形状を安定させることができる。さらに、大径ボール１０と外部配線基板２との接合強度を高める（安定させる）ことができる。
【００２３】
（３）また、一般的に、ステッチ接合では、接合部分でキャピラリが接合対象物に直接的に接触するので、接合対象物に与えるダメージが大きいといった問題がある。しかし、この実施の形態にかかるワイヤボンド手法においては、比較的大型の第１キャピラリ３は、光素子１上に形成された小径ボール８に対してステッチ接合を行うので、接合対象物である光素子１には接触しない。このため、光素子１にダメージを与えない。
【００２４】
（４）この実施の形態にかかるワイヤボンド手法においては、光素子１上に小径ボール８を形成するための第２金線１５は、ボンディングワイヤ９を形成するための普通の太さの第１金線５よりも細いので、小径ボール８を形成するための光素子１上のスペースは狭くてもよい。このため、光素子１上の電極７の寸法（サイズ）を小さくすることができ、ひいては光素子１の寸法を小さくすることができる。
【００２５】
（５）さらに、この実施の形態にかかるワイヤボンド手法においては、光素子１の電極７及び外部配線基板２の配線パターン６の両方とも、ボールボンド接合によりボンディングワイヤ９に接続されるので、これらとボンディングワイヤ９との接合強度が高くなり、光素子パッケージの品質が安定する。
【００２６】
ところで、この実施の形態では、光素子１と外部配線基板２とを電気的に接続する場合について、本発明にかかるワイヤボンド手法を説明している。しかし、本発明にかかるワイヤボンド手法は、電気的な接続を必要とするその他の素子、例えば光素子以外の半導体素子と、外部配線基板とを電気的に接続する場合にも用いることができる。
【００２７】
この場合も、ボンディングワイヤ９の頂部の高さを低くすることができ、種々の部材を素子の上面に近づけて配置することができるので、基本的には、前記の光素子１の場合と同様の作用・効果が得られる。なお、光素子以外の半導体素子に対して上記ワイヤボンドを行った後、該半導体素子を樹脂でモールドしてモールドパッケージを形成する場合は、半導体素子上面の樹脂モールドの厚みを薄くすることができるので、小型ないし薄型のモールドパッケージが得られる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明にかかる素子パッケージの製造方法によれば、互いに直径が異なる小径及び大径の２種類の金属ワイヤを用いてワイヤボンドが行われる。具体的には、小径の金属ワイヤを用いて素子側に小径のボールを形成・接合した後、大径の金属ワイヤを用いて素子外配線側に大径のボールを形成・接合し、この後大径のボールとつながっている大径の金属ワイヤをステッチ接合により小径のボールに接合するなどといった手順でワイヤボンドが行われる。このため、金属ワイヤの頂部の高さを低くすることができ、種々の部材を素子の上面に近づけて配置することができる。
【００２９】
また、金属ワイヤの頂部の高さを低くすることができ、他の部材を半導体素子又は光素子の上面に近づけて配置することができるので、該部品のレイアウト性が良くなり、素子パッケージの製造が容易となる。とくに、光素子パッケージの場合は、導光路等を光素子の上面に近づけて配置することができるので、光素子パッケージの性能ないし特性を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるワイヤボンド手法によりワイヤボンドを行うワイヤボンド装置、及び、該ワイヤボンド装置によって光素子と外部配線基板とが電気的に接続された光素子パッケージの斜視図である。
【図２】 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、２種の金線を用いた本発明にかかるワイヤボンドの操作手順を示す図である。
【図３】 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、１種の金線を用いたワイヤボンドの操作手順を示す図である。
【図４】 （ａ）は、図２（ａ）〜（ｃ）にかかるワイヤボンド手法により製造された光素子パッケージの側面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）〜（ｃ）にかかるワイヤボンド手法により製造された光素子パッケージの側面図である。
【符号の説明】
１ 光素子（受光素子）、 ２ 外部配線基板、 ３ 第１キャピラリ、 ４第１超音波ホーン、 ５ 第１金線、 ６ 配線パターン、 ７ 電極、 ８小径ボール、 ９ ボンディングワイヤ、 １０ 大径ボール、 １１ 第２キャピラリ、 １２ 大径ボール、 １３ 導光路（光ファイバ）、 １４ 第２超音波ホーン、 １５ 第２金線。

Claims (4)

  1. 素子と素子外配線とを金属ワイヤで電気的に接続した素子パッケージの製造方法であって、
    小径の金属ワイヤを用いて小径のボールを形成し、該小径のボールを素子に接合した後、小径の金属ワイヤを小径のボールから分離し、
    大径の金属ワイヤを用いて大径のボールを形成し、該大径のボールを素子外配線に接合し、
    大径のボールとつながっている大径の金属ワイヤをステッチ接合により小径のボールに接合した後、大径の金属ワイヤを小径のボールから分離することを特徴とする素子パッケージの製造方法。
  2. 大径の金属ワイヤの直径が小径のボールの直径とほぼ同一であることを特徴とする請求項１に記載の素子パッケージの製造方法。
  3. 大径の金属ワイヤを、その頂部の高さが小径のボールの高さとほぼ等しくなるようにして、小径のボールに接合することを特徴とする請求項２に記載の素子パッケージの製造方法。
  4. 素子と素子外配線とを金属ワイヤで電気的に接続した素子パッケージであって、
    素子に小径ボールが接合され、素子外配線に大径ボールが接合され、小径ボールと大径ボールとが金属ワイヤで接続され、小径ボールの高さと金属ワイヤの高さとがほぼ同一であり、金属ワイヤの直径と小径のボールの直径とがほぼ同一であることを特徴とする素子パッケージ。
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