CN1104046C

CN1104046C - 半导体装置及其丝焊方法与丝焊设备

Info

Publication number: CN1104046C
Application number: CN97111464A
Authority: CN
Inventors: 堀部裕史; 中村和子; 丰崎真二
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2003-03-26
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: KR100255435B1; US6105848A; CN1180929A; DE19717368A1; JPH10125711A; KR19980032070A; JP3504448B2; US5838071A; US6112969A; TW328158B

Abstract

目的在于提高微小丝焊焊接部的可靠性。在金属球3b接触压焊区2后，将第1键合压力大幅度地提高到120gf，在金属丝3a与压焊区2的接合界面处使其相互迅速产生塑性流动。接着将第2键合压力控制为40gf的低值，以确保与焊接核6a有关的金属球3b与压焊区2的接触。其次，超声振动施加后，以10～20gf施加第3键合压力约10ms，能够均匀地生长出多个岛状焊接部6b。最后，以25～40gf施加第4键合压力约3～5ms，这样就能形成带状焊接部7。

Description

半导体装置及其丝焊方法与丝焊设备

本发明涉及提高微细丝焊焊接部的可靠性的丝焊方法与丝焊，以及用上述丝焊方法与设备形成的半导体装置。

以往，在半导体装置的组装工序中广泛使用热压焊和超声振动并用的方法，将金属丝压焊在半导体元件上的压焊区上。近年来随着压焊区的尺寸和间距的缩小，确立更加可靠的焊接牢固的丝焊方法是必要的。例如，图24给出了特开平4-279040号公报中所述的丝焊方法中的压力和超声加载时间与焊接时间的关系。此例中，在高压力和低压力B之间插入低压力A，低压力A是比低压力B较轻的另一压力，超声是在高压力时开始加上的。

如上所述，在以往的丝焊方法中，从金属丝接触在压焊区上开始到加上超声之前的一段时间内焊接压力值是一定的。此方法存在如下问题：如果将此时的压力设定为能形成焊接结那样的高值，金属丝的变形就会过大，如果将压力设定为能够抑制金属丝变形那样的低值，焊接结就不能充分形成。还有，在施加荷重时，还要同时施加超声振动，金属丝的变形过大问题就会更加严重，存在微细丝焊焊接部不能形成的问题。

本发明是为了解决上述问题而提出的，且以下述内容为目的：提供一种金属丝和压焊区的焊接部能充分形成焊接结、金属丝的变形能控制在适当范围、能提高微小丝焊焊接部的可靠性的丝焊方法及其装置，同时利用上述方法和装置能得到具有高可靠性焊接的高质量的半导体装置。

与本发明有关的半导体装置由如下各部分组成：半导体元件；通过管心键合剂与此半导体元件相连接的引线框；以及将半导体元件与引线框导电性连接的金属丝。半导体元件上设置的压焊区与金属丝的焊接部由多个岛状焊接部和包围全体岛状焊接部的带状焊接部构成。

另外，引线框以Cu为主要成分，管心键合剂以树脂为主要成分。

还有，金属丝以Au为主要成分，压焊区以AL为主要成分。

本发明的丝焊方法是用压力和超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上。具体步骤是：从金属丝接触压焊区开始到施加超声振动之前连续施加第一键合压力和比第一次键合压力轻的第二次键合压力，接着，在施加超声振动后，连续施加比第二次键合压力重约50％的第3键合压力，比第1键合压力轻但比第3次键合压力重的第4键合压力。

另外，金属丝在与压焊区连接的末端形成金属球。

另外，设定焊接压力值用金属球变形前的截面积除得的值如下：第l键合压力为40～50mgf/μm²，第二键合压力为10～20mgf/μm²，第3键合压力为4～10mgf/μm²，第4键合压力为10～20mgf/μm²。

还有，第1键合压力的施加时间在3ms以下，第3键合压力的施加时间是5～15ms，第4键合压力的施加时间是1～5ms。

本发明的丝焊装置用压力和超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上，装置包括：放置含有半导体元件的半导体装置的载物台；一边夹持金属丝一边使其在压焊区上定位，且施加压力和超声波的焊头；监视焊头的压力随时间变化的监视器；以及有表示压力值随时间变化和焊接部的强度以及变形量的关系的变换函数和变换表，根据监视器的结果计算其后的压力及超声振动的振幅，控制焊头的压力控制器及超声振幅控制器。

〔图1〕表示说明本发明实施例1的丝焊方法用的半导体装置的结构，a是断面图，b是焊接部的局部断面图。

〔图2〕是表示本发明实施例1的丝焊方法中施加压力及超声振动的时间与焊接时间之间的关系图。

〔图3〕是表示实施例1中，210℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图4〕是表示实施例1中，230℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图5〕是表示实施例1中，250℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图6〕是表示实施例1中，280℃温度下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图7〕是表示实施例1中，210℃温度下，将超声振动的振幅减小40％的情况下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图8〕是表示实施例1中，280℃温度下，将超声振动的振幅减小40％的情况下第3压力施加后的焊接状态图。

〔图9〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为3ms时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图10〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为5ms时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图11〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为10ms时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图12〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为30ms时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图13〕是表示实施例1中，210℃温度下，将第3压力施加时间设定为50ms时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图14〕是表示实施例1中，将第1压力和第2压力分别减小到100gf和30，时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图15〕是表示实施例1中，将第3压力增大到30gf时第3压力施加后的焊接状态图。

〔图16〕是表示将图3中的210℃温度下焊接的样品在150℃高温下存放15个小时后的焊接状态图。

〔图17〕是表示将图3中的280℃温度下焊接的样品在150℃高温下存放15个小时后的焊接状态图。

〔图18〕是表示本发明实施例1的丝焊方法中第4压力施加后的焊接状态图。

〔图19〕是表示图18中的焊接状态之一的模式图。

〔图20〕是表示本发明实施例2的丝焊方法的焊接状态图。

〔图21〕是表示本发明实施例2的丝焊方法的焊接状态图。

〔图22〕是表示本发明实施例3的丝焊方法中，压力施加时间与焊接部金属化合物的形成状态之间的关系图。

〔图23〕是表示本发明实施例4的丝焊装置的结构图。

〔图24〕是表示以往丝焊方法中压力及超声振动施加时间与焊接时间之间的关系图。

实施例1

以下，结合图来说明本发明的实施例1。图1-a是说明本发明实施例1的丝焊方法的半导体装置结构的截面图，图1-b是焊接部的部分截面图。图2是本实施例的丝焊方法中压力及超声振动施加时间与焊接时间之间的关系图。图中，1是半导体元件，2是半导体元件上设置的压焊区，3a是金属丝，3b是金属丝3a末端形成的金属球，4是引线框，5是连接半导体元件与引线框的管心键合剂，8是焊头的毛细管。

在本实施例中，利用以聚酰亚胺及环氧树脂为主要成分，苯酚为硬化剂并添加银粉构成的管心键合剂，将半导体元件1和以Cu为主要成分的引线框4进行机械与电连接。以下将说明如何通过使用毛细管8提供压力与60KHz左右的超声振动能量及从半导体元件1的下面提供热量来将直径30μm以Au为主要成分的金属丝3a末端熔化并凝固成直径55μm的金属球3b，然后将其键合在半导体元件1上形成的以AL为主要成分的单边长为80μm的压焊区2上。还有，图3～图19是金属球3b与压焊区2的焊接部的金属化合物的形成状态。图中，6a是作为焊接起点的焊接核，6b是岛状焊接部，7是将岛状焊接部6b都包围起来形成的带状焊接部。

首先，金属球3b接触在压焊区2上后，让第1键合压力以120gf左右的梯度急剧上升，在金属丝3a与压焊区2的焊接界面处，使其相互产生急剧的塑性流动。压力的急剧上升可以通过毛细管8的快速下降来实现。由于这种塑性流动，在接触界面处不会出现滑动能量，仅由压力就可将材料表面的氧化膜局部地除去，在接触界面内就会形成均匀的作为焊接起点的焊接核6a。此时，在压焊区2表面，最好先形成几个μm的凸起，以便容易形成焊接核6a。由于凸起的存在，例如在对压焊区进行热处理时，就可以用来作为使AL单晶生长的方法。

此后，将超声振动施加前的第2键合压力值设定为40gf这样较低的值，以便抑制夹持毛细管8上部的悬臂的振动。这样，可以确保焊接核6a处的金属球3b与压焊区2的接触，并能抑制焊接核6a表面氧化等引起的再次污染。

其次，加超声振动时，为了将超声振动的能量集中在以各焊接核6a为中心的数μm以下的区域，要将第3压力设定为10～20gf，加压时间为10ms，这样就可以抑制金属球3b与压焊区2的接触界面上的剩余滑动，能够使以焊接核6a为中心的大致为椭圆形的多个岛状焊焊接部6b均匀地生长。图3～图6是在210、230、250、280℃各焊接温度下，施加上述第1～第3压力时焊接部的状态。不同焊接温度所形成的岛状焊接部6b的尺寸不同，在本实验的温度范围内，温度越低岛状焊接部6b的尺寸越小。另外，即使在210℃也能充分形成岛状焊接部6b。

图7及图8是在210℃及280℃焊接温度下，将超声振动的振幅减小40％，其他条件与图3～图6的样品相同的情况下所做的实验。将两者相比就会发现超声振动的振幅越大(图3～图6)，岛状焊接部6b就越大。图9～图13是在210℃将第3键合压力的施加时间按3、5、10、30、50ms改变而做的实验，施加时间越长岛状焊接部6b生长得越大。由图3～图13可以看出岛状焊接部6b每个的大小可以通过超声振动的振幅和第3键合压力的施加时间来控制。

另外，图14是将第1压力及第2压力分别降低到100gf、30gf，第3压力设定为10～20gf时焊接部的状态，即使在这种情况下也能形成岛状焊接部6b。可是，如图15所示，将第1及第2压力又分别设定为120gf和40gf，将第3压力提高到30gf，但在焊接核6a附近不加足够大的超声能量，这时得到不充分的焊接部。还有，图16和图17是将图3所示的焊接温度为210℃及280℃的样品在150℃下保存15小时后的状态，在高温保存后也还可以看到焊接部6b。

还有，在最后阶段，在金属球3b的焊接部四周集中施加超声振动能量，将第4键合压力设为25～40gf的高值，施加时间为3～5ms，这样在金属球3b四周就会产生金属球3b与压焊区2的塑性形变，如图18和图19所示，能够形成将多个岛状焊接部6b全部包围起来的带状焊接部7。

以上，本实施例中第1～第4键合压力值是对应于直径30μm的金属丝3a的末端形成的直径55μm的金属球3b的值，当金属球3b的大小不同时，有必要根据其尺寸改变键合压力。即，将键合压力值用金属球3b变形前的截面积除得的值依次取为：第1键合压力值40～50mgf/μm²，第2键合压力10～20mgf/μm²，第3键合压力4～10mgf/μm²，第4键合压力10～20mgf/μm²，此时同样能够得到与本实施例相同的多个岛状焊接部6b及包围此岛状焊接部6b全体的带状焊接部7，能进行高可靠性的丝焊。此时第1键合压力施加时间在3ms以下，第3键合压力施加时间为5～15ms，第4键合压力施加时间为1～5ms。

还有，在本实施例中，管心键合剂是以聚酰亚胺及环氧树脂为主要原料，以苯酚为硬化剂，并添加银粉形成的，但并不限定树脂材料的成分。

如上所述，根据本实施例中的丝焊方法在金属球3b与压焊区2的焊接部能充分形成焊接核6a，且能适当控制金属球3b的变形量，能够显著提高压焊区间距小的、管脚多的塑料封装中有代表性的微小丝焊焊接部的可靠性，能提供廉价的质量高的半导体装置。

实施例2

以下，阐述本发明实施例2的丝焊方法。另外，本实施例用的半导体装置的结构与实施例1相同，将引用图1加以说明。使用以焊锡为主要成分的管心键合剂5将半导体元件1焊接在以Fe及Ni为主要成分的引线框4上。以下将说明如何通过使用毛细管8提供压力与60 KHz的超声振动能量及从半导体元件1的下面提供热量来将直径30μm以Au为主要成分的金属丝3a末端熔化并凝固成直径55μm的金属球3b，然后将其键合在半导体元件1上形成的以AL为主要成分的每边长为80μm的压焊区2上。

在本实施例中，管心键合剂5为焊锡，与树脂相比其杨氏模量大1个数量级，因此其超声振动的传导效率高。所以即使在同样的温度条件下，与树脂管心键合剂相比，在较小的超声振动能量下也很容易形成与金属球3b变形有关的带状焊接部7。因此可以将第3键合压力施加时的超声振动的振幅控制在实施例1所示的以Cu为主要成分的引线框时的60％左右，如图20及图21所示，在整个接合面上能够形成岛状焊接部6b。在本实施例中，焊接温度为210℃(图20)和280℃(图21)，低温时每个岛状焊接部6b的尺寸将减小。此后，与实施例1相同施加第4键合压力，能够形成包围多个岛状焊接部6b全体的带状焊接部7。另外，与实施例1相同，高温保存后焊接部形态保持不变。

在上述实施例1及2中，第1～第4各键合压力在各键合压力所说明的范围内，可进一步细分成任意的波形。另外，虽已将超声振动的频率设定为60KHz左右，但也可以设为100KHz左右。另外，在一个焊接部形成期间可以改变频率和振幅。另外，虽然举例说明了将以Au为主要成分的金属丝3a焊接到以AL为主要成分的压焊区2上的情况，但作为金属丝3a及压焊区2的材料，也可以使用Au，Ag，Cu，Al，Pt等金属及其合金和化合物。另外，也没有限定金属丝的直径及压焊区的大小。另外，在上述实施例1及2中，虽然阐述了将金属丝3a末端熔化，凝固成金属球3b后将其焊接到压焊区2上的球焊技术，但本发明也适用于将金属丝3a直接焊接到压焊区2上的楔型键合技术。另外本发明也适用于常温焊接。

实施例3

以下将说明本发明实施例3的丝焊方法，本实施例是按照压焊区2的焊接性来控制金属球3b和压焊区2的接合界面处形成的带状焊接部7与多个椭圆状的岛状焊接部6b的比率。此比率的控制是通过调整第3及第4键合压力及超声振动的施加时间来实现的。例如，当压焊区2较薄时，如图22-a所示，通过提高第3键合压力施加时间的比率，可在不产生大的塑性形变造成的压焊区2的排斥的情况下来完成焊接。在其截面处，岛状焊接部6b的比率提高，而带状焊接部的比率降低。另外，对于焊接性低的压焊区2，如图22-b所示，通过提高第4键合压力施加时间的比率，利用大的塑性形变来完成焊接。在其截面处，岛状焊接部6b的比率降低，而带状焊接部的比率提高了。

实施例4

图23是说明本发明实施例4的丝焊装置的结构图。这是一个用压力及超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上的装置，本装置由以下部分构成：放置由半导体元件及引线框构成的半导体装置的工作台(图中没有画出)；一边夹持金属丝一边将其定位于半导体元件压焊区上的焊头11；监视焊头11的压力分布的压力分布监视装置12；表示压力分布和丝焊焊接部的强度及变形量相关的变换函数以及变换表13，接收压力分布监视器12的结果并计算其后的压力及超声振动的振幅，控制焊头的压力控制装置14及超声振幅控制装置15。

下面说明本实施例的丝焊装置的运作。本装置具有判断当金属球3b接触压焊区2后，在第1键合压力以大的梯度上升阶段焊接核6a形成量的能力。其判断方法是，由放在键合台下面的压力计测量压力分布，根据此压力分布，参照预先存储的压力分布和形变量、焊接强度的相关变换函数或者变换表13，计算给出判断结果。将该比较，计算结果送给压力控制装置14及超声振幅控制装置15，来实现焊头的控制。此时，为了提高判断的精度，可以同时使用监视金属球3b直径的装置。金属球3b直径监视器例如可以采用金属球3b形成时消耗的电力的监视等。

另外，当压力计设置有困难时，可以使用金属球变形速度的监视结果。作为变形速度的监视装置，可以使用能够非接触式地测量毛细管位移的激光位移计等。另外，在使毛细管位移的装置中有编码器等位移测量装置时，可以用它读取位移速度。根据此位移速度信息，及预先存储的位移速度和变形量、焊接强度的相关变换函数或者换算表，能够决定其后合适的第3、第4键合压力和超声振幅。

如上所述，如果采用本发明的丝焊方法及丝焊装置，则能够在任意时间施加第1～第4键合压力，在金属丝和压焊区的焊接部充分形成焊接核，且能适当控制金属丝的变形量，因此能够显著提高微小丝焊焊接部的可靠性，使低成本地提供高质量的半导体装置成为可能。

Claims

1、一种半导体装置，备有半导体元件、通过管心键合剂与此半导体元件相连接的引线框、以及将半导体元件与引线框导电性地连接起来的金属丝，其特征在于：上述半导体元件上设置的压焊区与金属丝的焊接部由多个岛状焊接部和包围全体岛状焊接部的带状焊接部构成。

2、根据权利要求1记述的半导体装置，其特征在于：引线框以Cu为主要成分，管心键合剂以树脂为主要成分。

3、根据权利要求1或权利要求2记述的半导体装置，其特征在于：金属丝以Au为主要成分，压焊区以Al为主要成分。

4、一种用压力及超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上的丝焊方法，其特征在于：从上述金属丝接触到上述压焊区后开始到施加超声振动之前，连续施加第1键合压力和比第1键合压力小的第2键合压力，接着，在施加超声振动后，连续施加比上述第2键合压力小50％的第3键合压力和比上述第1键合压力小但比上述第3键合压力大的第4键合压力。

5、根据权利要求4记述的丝焊方法，其特征在于：金属丝与压焊区相连接的末端形成金属球。

6、根据权利要求5记述的丝焊方法，其特征在于：将键合压力用金属球变形前的截面积除得的值依次是：第1键合压力为40～50mgf/μm²，第2键合压力是10～20mf/μm²，第3键合压力是4～10mgf/μm²，第4键合压力是10～20mgf/μm²。

7、根据权利要求4～权利要求6任意一项记述的丝焊方法，其特征在于：第1键合压力的施加时间小于3ms，第3键合压力的施加时间是5～15ms，第4键合压力施加的时间是1～5ms。

8、一种用压力及超声振动将金属丝焊接到半导体元件上设置的压焊区上的丝焊装置，其特征在于包括以下各部分：

放置包含半导体元件的半导体装置的台子；

一边夹持金属丝一边将其定位于上述压焊区上，并施加压力及超声振动的焊头；

监视上述焊头的压力随时间变化的装置；

具有表示上述压力随时间变化和焊接部强度及变形量关系的换算函数或换算表，接收上述监视器的结果并计算其后的压力及超声振动的振幅，控制上述焊头的压力控制装置及超声波振幅控制装置。