DE10261436A1 - Halbleitergehäuse mit einem oxidationsfreien Kupferdraht - Google Patents

Halbleitergehäuse mit einem oxidationsfreien Kupferdraht

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DE10261436A1
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wire
copper wire
semiconductor package
oxidation
semiconductor chip
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English (en)
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Sang-Do Lee
Yong-Suk Kwon
Jong-Jin Shin
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Fairchild Korea Semiconductor Ltd
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Publication date
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Abstract

Ein Halbleiter-Package mit einem oxidationsfreien Kupferdraht, der einen Halbleiterchip und ein Pad verbindet, ist vorgesehen. Der Kupferdraht wird mit einer oxidationsfreien Schicht bzw. einer Oxidationsschutzschicht beschichtet. Der Kupferdraht sieht neben den Vorteilen eines Golddrahtes gute elektrische Eigenschaften und eine Zuverlässigkeit vor.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitergehäuse, und insbesondere ein Halbleitergehäuse mit einem oxidationsfreien bzw. oxidfreien Kupferdraht.
    • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Im allgemeinen umfaßt ein Halbleitergehäuse bzw. ein Halbleiter-Package (semiconductor package), ein Chip-Pad eines Halbleiterchips, der mit einem Die-Pad eines Verbindungsrahmens (Lead-Frame) verbunden ist, und einen externen Anschluß, d. h., eine innere Leitung des Verbindungsrahmens, der mit dem Chip-Pad über einen Draht elektrisch verbunden ist. Als Draht wird gewöhnlicherweise Gold (Au) verwendet. Wie jedoch allgemein bekannt, ist ein Golddraht teuer und verliert überdies bei hoher Temperatur seine Zuverlässigkeit. Zudem kann der Golddraht durch äußere Kräfte aufgrund seiner Weichheit leicht deformiert werden.
  • Im Zusammenhang mit jüngsten Bestrebungen, die Halbleitervorrichtungen mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit, einer geringen Verlustleistung und niedrigen Kosten erfordern, ist die Verwendung eines Kupferdrahtes, der bessere elektrische Eigenschaften als ein Golddraht aufweist, in einem Halbleiter-Package Gegenstand von intensiven Forschungsbemühungen. Ein Kupferdraht weist einen geringeren elektrischen Widerstand als ein Golddraht auf, wodurch beispielsweise die Betriebsgeschwindigkeit eines Halbleiter-Packages verbessert wird. Außerdem ist ein Kupferdraht billiger als ein Golddraht. Zudem weist ein Kupferdraht eine höhere thermische Leitfähigkeit als ein Golddraht auf, wodurch Wärme leichter abgeführt wird.
  • Obwohl der Kupferdraht die vorhergehend beschriebenen zahlreichen Vorteile aufweist, besitzt er jedoch den Nachteil, daß er leicht oxidiert, wenn er während der Herstellung, beispielsweise während eines Draht-Bonding-Verfahrens, der äußeren Umgebung ausgesetzt wird. Dementsprechend verschlechtert sich seine Zuverlässigkeit und seine elektrischen Eigenschaften. Mit anderen Worten, falls die Oberfläche des Kupferdrahtes oxidiert wird, steigt der Widerstandswert des Drahtes an, die elektrischen Eigenschaften verschlechtern sich, die Verbindungsintensität verringert sich und somit verschlechtert sich die Zuverlässigkeit des Drahtes allgemein. Insbesondere falls eine Kugel an einem Endabschnitt einer Kapillare während des Draht-Bonding-Verfahrens oxidiert, kann es den Endabschnitt der Kapillare teilweise beim Entladen blockieren und somit kann die Kugel nicht in einer Kreisform ausgebildet werden. Aber auch wenn die Kugel in einer Kreisform ausgebildet wird, kann ihre Haftkraft nach dem Draht- Bonding-Verfahren verringert sein.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Halbleiter-Package vorzusehen, das einen oxidfreien Kupferdraht durch ein Verhindern der Oxidation des Drahtes enthält, so daß die Zuverlässigkeit und die elektrischen Eigenschaften sich nicht verschlechtern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne deren Wortlaut zu wiederholen.
  • Um diese Aufgabe zu erzielen, wird ein Halbleiter-Package mit einem Halbleiterchip-Pad und einem Anschluß, der mit dem Halbleiterchip-Pad über einen Draht verbunden ist, vorgesehen, wobei der Draht ein Kupferdraht ist, der mit einer oxidfreien Schicht bzw. einer Oxidationsschutzschicht beschichtet ist.
  • Es wird bevorzugt, daß die Oxidationsschutzschicht aus einem metallischen Material hergestellt wird. Das metallische Material kann aus Palladium oder Platin ausgebildet sein. Es wird bevorzugt, daß die Dicke der Oxidationsschutzschicht zwischen 0,01 µm und 0,5 µm variiert. Es wird außerdem bevorzugt, daß das Halbleiter-Package ferner einen Halbleiterchip mit einem Halbleiterchip-Pad; ein Lead-Frame-Pad, welches an dem Halbleiterchip befestigt ist; und ein Form- bzw. Gußmaterial aufweist, welches den Halbleiterchip vollständig und einen Teil eines Anschlusses des Verbindungsrahmens umschließt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die vorhergehenden Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eingehende Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser ersichtlich, in welcher:
  • Fig. 1 eine Querschnittsansicht ist, die ein Halbleiter-Package mit einem oxidationsfreien Kupferdraht darstellt;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht: ist, die einen teilweise geschnittenen Kupferdraht des Halbleiter-Package der Fig. 1 darstellt;
  • Fig. 3a und 3b sind Querschnittsansichten, die Formen darstellen, mit welcher ein Golddraht und eine Kupferdraht auf einem metallischen Elektroden-Pad des Halbleiterchips gebondet werden;
  • Fig. 4 ist ein Graph, der Einzugsdicken eines Alluminium-Elektroden- Pads gemäß Veränderungen der Temperatur bei Verwendung eines Kupferdrahtes und eines Golddrahtes zeigt;
  • Fig. 5 ist ein Graph zum Vergleichen von Widerstandswerten gemäß der Wärmebehandlungszeit bei Verwendung von Kupferdraht bzw. Golddraht;
  • Fig. 6 ist eine Ansicht, die ein Draht-Bonding-Verfahren bei der Herstellung des Halbleiter-Package der Fig. 1 zeigt.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, eingehender beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verkörpert sein und sollte nicht als auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Halbleiter-Package mit einem oxidfreien Kupferdraht zeigt, und Fig. 2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die einen Kupferdraht des Halbleiter-Package der Fig. 1 zeigt.
  • Gemäß Fig. 1 wird ein Halbleiterchip 120 auf die Oberseite eines Verbindungsrahmens bzw. Lead-Frames 110 durch ein Haftmittel, wie beispielsweise einem Epoxidharz 130, haftend angebracht. Auf der vorderen Oberfläche des Halbleiterchips 120 ist ein Aluminium-(Al)-Elektrodenpad 122 ausgebildet. In dem Bereich, in dem kein Aluminium-Elektrodenpad 122 ausgebildet ist, ist eine Schutzschicht 124 auf der vorderen Oberfläche des Halbleiterchips 120 ausgebildet. Das Aluminium-Elektrodenpad 122 und eine innere Leitung 140 des Lead-Frames werden mit einem oxidfreien Kupfer-(Cu)-Draht 150 elektrisch verbunden. Obgleich in den Figuren nicht gezeigt, ist ein oberer Abschnitt des Lead-Frame-Pads 110, der Halbleiterchip 120, die innere Leitung 140 des Lead-Frames und der oxidfreie Kupferdraht 150 mit einer Epoxidformverbindung (epoxy molding compound = EMC) bedeckt.
  • Gemäß Fig. 2 weist der oxidationsfreie Kupferdraht 150 eine Struktur auf, die einen Kupferdraht 152 und eine oxidationsfreie Schicht Oxidationsschutzschicht 154 enthält, die den Umfang des Kupferdrahts 152 umgibt. Die Oxidationsschutzschicht 154 wird aus metallischen Materialien wie beispielsweise Palladium oder Platin hergestellt. Die Dicke (d1) der Oxidationsschutzschicht 154 reicht von 0,01 bis 05 µm. Da der Golddraht aufgrund seiner Weichheit seine Form nicht bewahren kann, ist es im Fall des Golddrahtes schwierig, Golddrähte mit einem Durchmesser von weniger als 0,9 mm einzusetzen. Im Fall eines Kupferdrahts 152, der einen inneren Kupferdraht 150, der mit einer oxidfreien Schicht bzw. Oxidationsschutzschicht beschichtet ist, aufweist, ist es möglich, einen Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,4 mm bis 0,9 mm zu verwenden. Beispielsweise ist verglichen mit dem Golddraht das Elastizitätsmodul des Kupferdrahtes höher, welches ein Barometer ist, das eine Drahtsteifigkeit angibt, wenn die Drahtform durch externe Kräfte verändert wirdl. Genauer gesagt weist der Kupferdraht ein Elastizitätsmodul von 8, 8 × 1010N/M2 auf, während der Golddraht ein Elastizitätsmodul von 13,6 × 1010N/m2 aufweist. Außerdem kostet der Kupferdraht 152 nur etwa 40 bis 50% im Vergleich zu dem Golddraht und auf wenn der Golddraht 150 mit einer Oxidationsschutzschicht 150 beschichtet ist, kostet er lediglich 50 bis 60% des Golddrahts.
  • Fig. 3a und 3b sind Querschnittsansichten, die Formen zeigen, mit welcher ein Golddraht und ein Kupferdraht auf einem metallischen Elektroden-Pad des Halbleiterchips gebondet sind.
  • Falls der Golddraht 330 auf der oberen Oberfläche des Aluminium-Elektroden- Pads 320 auf dem Silizium-Halbleiterchip 310 gebondet ist, tritt gemäß Fig. 3a ein intermetallisches Wachsturn zwischen dem Aluminium (Al) und dem Gold (Au) auf, wodurch Aluminium des Aluminium-Elektroden-Pads 320 in den Golddraht 330 hineinwächst. Daher wird ein Abschnitt (ein Abschnitt, der in Fig. 3a als "A" bezeichnet ist) des Aluminium-Elektroden-Pads 320 in den Golddraht 330 hineingezogen und somit wird eine Kontaktfläche zwischen dem Aluminium-Elektroden-Pad 320 und dem Golddraht 330 vergrößert. Falls die Kontaktfläche vergrößert wird, wird aber auch ein Kontaktwiderstand zwischen dem Aluminium-Elektroden-Pad 320 und dem Golddraht 330 vergrößert, so daß eine elektrische Eigenschaft des Package verschlechtert wird.
  • Insbesondere vergrößert sich eine Dicke (d2) eines Einzugs des Aluminium-Elektroden-Pads 320 mit ansteigender Temperatur und eine Anstiegsrate der Einzugsdicke erhöht sich rasch oberhalb einer bestimmten Temperatur.
  • Falls der Kupfer-(Cu)-Draht 350 auf der oberen Oberfläche des Aluminium-Elektroden-Pads 340 auf dem Silizium-Halbleiterchip 310 gebondet wird, tritt gemäß Fig. 3b zwischen dem Kupfer (Cu) und dem Aluminium (Al) ein wesentlich geringeres Wachstum auf, als zwischen Gold (Au) und Aluminium (Al), womit ein oberer Abschnitt des Aluminium-Elektroden-Pads 340 kaum in den Golddraht 350 hineinwächst. Daher wird verhindert, daß die Kontaktfläche zwischen dem Aluminium-Elektroden- Pad 320 und dem Golddraht 330 sich anormal vergrößert.
  • Fig. 4 ist ein Graph, der eine Einzugsdicke eines Aluminium-Elektroden-Pads gemäß den Temperaturveränderungen bei Verwendung eines Kupferdrahts und eines Golddrahts zeigt.
  • Gemäß Fig. 4 beginnt im Fall eines Draht-Bonding-Verfahrens unter Verwendung eines Golddrahtes (durch Bezugszeichen "410" angedeutet) ein Aluminium-Elektroden- Pad bei ungefähr 150°C in Richtung des Golddrahtes eingezogen werden, und eine Dicke (d2 in Fig. 3a) des Einzugs des Aluminium-Elektroden-Pads 320 vergrößert sich bei Temperaturen oberhalb von 200°C rasch. Im Gegensatz dazu wird für den Fall eines Draht-Bonding-Verfahrens unter Verwendung eines Kupferdrahtes (durch Bezugszeichen "420" angedeutet) ein Aluminium-Elektroden-Pad bei 150°C kaum in Richtung des Golddrahtes eingezogen, und eine Dicke des Einzugs des Aluminium-Elektroden- Pads 320 erhöht sich erst bei Temperaturen über 400°C rasch.
  • Fig. 5 ist ein Graph, der Widerstandswerte gemäß einer Wärmebehandlungszeit bei Verwendung eines Kupferdrahtes und eines Golddrahtes zeigt.
  • Gemäß Fig. 5 wird für den Fall eines Durchführens einer Wärmebehandlung bei ungefähr 200°C nach Durchführen eines Draht-Bonding-Verfahrens auf dem Aluminium-Elektroden-Pad unter Verwendung eines Golddrahtes (durch Bezugszeichen "511" angedeutet) ein maximaler Widerstandswert erzielt; dies bedeutet, daß hierbei das aktivste intermetallische Wachstum zwischen Gold und Aluminium auftritt. Für den Fall des Durchführens einer Wärmebehandlung nach Durchführen eines Draht-Bonding-Verfahrens auf dem Aluminium-Elektroden-Pad, welches Kupfer und Silizium enthält unter Verwendung eines Golddrahtes (durch Bezugszeichen "512" angedeutet), beträgt der Widerstand annähernd den gleichen Wert, wie der Widerstand für den Fall eines Durchführens eines Draht-Bonding-Verfahrens auf dem Aluminium-Elektroden-Pad unter Verwendung eines Golddrahtes vor einem bestimmten Zeitpunkt, d. h. ungefähr 300 Stunden, jedoch beträgt der Widerstandswert weniger als der Widerstandswert für den Fall des Durchführens eines Draht-Bonding-Verfahrens auf dem Aluminium- Elektroden-Pad unter Verwendung eines Golddrahtes.
  • Für den Fall der Durchführung einer Wärmebehandlung bei 200°C nach Durchführen eines Draht-Bonding-Verfahrens auf dem Aluminium-Elektroden-Pad unter Verwendung eines Kupferdrahtes (durch das Bezugszeichen "521" angedeutet), verringert sich der Widerstandswert ununterbrochen während einer bestimmten Zeitdauer, verändert sich jedoch nach der bestimmten Zeitdauer kaum. Für den Fall eines Durchführens einer Wärmebehandlung nach Durchführen eines Draht-Bonding- Verfahrens auf dem Aluminium-Elektroden-Pad, das Kupfer und Silizium enthält, unter Verwendung eines Kupferdrahtes (durch Bezugszeichen "522" angedeutet), wird ein minimaler Widerstandswert erzielt.
  • Das Phänomen, daß allgemein ein Widerstandswert bei Einsatz eines Kupferdrahtes kleiner ist, als bei Einsatz eines Golddrahtes, beruht auf zwei Ursachen. Erstens: Ein intermetallisches Wachsen zwischen Kupfer und Aluminium oder Kupfer und Aluminium, das Kupfer und Silizium enthält, tritt bei Einsatz des Kupferdrahtes weniger auf, als bei Einsatz des Golddrahtes. Zweitens: Während ein Nicht-Widerstand (nonresistance) des Kupfers bei 1,67 u Ωcm bei einer Temperatur von 20°C gemessen wird, wird ein Nicht-Widerstand von Gold bei 2,4 u Ωcm bei einer Temperatur von 20°C gemessen.
  • Fig. 6 ist eine Ansicht, die ein Draht-Bonding-Verfahren bei der Herstellung des Halbleiter-Package der Fig. 1 zeigt.
  • Gemäß Fig. 6 bedeckt der Kupferdraht 150, auf welchem die Oxidationsschutzschicht (154 in Fig. 2) beschichtet ist, eine Drahtspule 310 in dem Innenraum, der durch die Abdeckung 320 innerhalb eines Drahtspeicherbehälters definiert ist. Die Drahtspule 310 ist drehbar. Der herkömmliche Drahtspeicherbehälter enthält die Abdeckung 320 und einen Sticksroffgasimplantierer, welcher durch die Abdeckung hindurchführt und den Raum, in dem sich der Kupferdraht befindet zur Verhinderung der Oxidation mit Stickstoffgas (N2) versorgt. Die vorliegende Erfindung benötigt jedoch nicht diese Art von Stickstoffgasimplantierer, da der Umfang des Kupferdrahtes bereits mit einer Oxidationsschutzschicht umgeben ist. Außerdem weist die Abdeckung einen Öffnungsabschnitt auf, so daß der Kupferdraht 150, welcher mit einer Oxidationsschutzschicht beschichtet ist, nach außen geführt werden kann. Der Kupferdraht 150, der mit einer Oxidschicht beschichtet ist, wird in einer Kapillare 350 über die erste Rolle 331, die zweite Rolle 332 und den Träger 340 vorgesehen. Der Kupferdraht 150, der mit einer Oxidationsschutzschicht beschichtet ist, bildet außerhalb der Kapillare 350 durch einen starken Ausfluß eine Kugel. Der Kupferdraht 150 mit einer Kugel, der mit einer Oxidationsschutzschicht beschichtet ist, wird gemäß einem herkömmlichen Verfahren auf der Oberfläche des Aluminium-Elektroden-Pads 120 auf der oberen Oberfläche des Halbleiterchips 120 gebondet. Andererseits tritt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Ausfluß an einem Endabschnitt der Kapillare 350 statt und bewirkt, daß Kupfer und die Oxidationsschutzschicht schmelzen und oxidieren, womit eine zusätzliche Gasdüse 360 zur Verhinderung des Oxidationsverfahrens verwendet wird.
  • Es ist festzuhalten, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es ist offensichtlich, daß Abwandlungen und Modifikationen durch den Fachmann innerhalb des gedanklichen Grundkonzepts und dem Umfang der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.
  • Wie vorangehend beschrieben sieht das Halbleiter-Package gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile vor. Erstens: Der Kupferdraht sieht Effekte wie beispielsweise einen niedrigen elektrischen Widerstand, eine hohe Steifigkeit, gering Kosten, vergrößerte Lebenserwartung bei hohen Temperaturen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmeerzeugung u. s. w. vor. Zweitens: Der Kupferdraht sieht die Effekte, wie etwa verbesserte elektrische Eigenschaften und Zuverlässigkeit des Halbleiter-Package durch Verhinderung der Oxidation vor und vergrößert die Haftintensität verglichen zum Einsatz eines Golddrahtes.

Claims (5)

1. Halbleiter-Package mit einem Halbleiterchip-Pad und einem Anschluß, der mit dem Halbleiterchip-Pad über einen Draht verbunden ist, wobei der Draht ein mit einer Oxidationsschutzschicht beschichteter Kupferdraht ist.
2. Halbleiter-Package nach Anspruch 1, wobei die Oxidationsschutzschicht aus einem metallischen Material hergestellt ist.
3. Halbleiter-Package nach Anspruch 2, wobei das metallische Material aus Palladium oder Platin ausgebildet ist.
4. Halbleiter-Package nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Oxidationsschutzschicht zwischen 0,01 µm und 0,5 µm variiert.
5. Halbleiter-Package nach Anspruch 1, das ferner aufweist:
einen Halbleiterchip mit einem Halbleiterchip-Pad;
ein Lead-Frame-Pad, an welchem der Halbleiterchip befestigt ist; und
ein Gußmaterial, welches den Halbleiterchip vollständig und einen Teil des Anschlusses des Lead-Frame-Pads umgibt.
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