DE3506264A1

DE3506264A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE3506264A1
Application number: DE19853506264
Authority: DE
Inventors: Wahei Kodaira Tokio/Tokyo Kitamura; Hiroshi Tachikawa Tokio/Tokyo Mikino; Susumu Ohme Tokio/Tokyo Okikawa; Daiji Yonago Tottori Sakamoto; Hiromichi Tokio/Tokyo Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1985-08-29
Also published as: HK94990A; SG82790G; MY101028A; FR2561446B1; GB2155036A; GB2155036B; GB8504656D0; GB2199846B; GB8803057D0; IT1183375B; GB2200135B; IT8519571A0; GB2199846A; GB8803056D0; HK95090A; FR2561446A1; GB2200135A; HK95190A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Technik, die sich wirkungsvoll auf eine Halbleitervorrichtung mit einer Verdrahtung aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung anwenden läßt.

In der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 51-140567 ist eine Halbleitervorrichtung gezeigt, in der an einem Ende eines Aluminiumdrahts mittels einer elektrischen Schweißvorrichtung oder ähnlichem ein Kügelchen gebildet ist, um Kugelbonden durchzuführen.

Der Aluminiumdraht ist zwar kostengünstig, hat jedoch eine schlechte Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere bei Anwendung der sogenannten Harz-Verkapselung korrodiert der Draht, wodurch die Zuverlässigkeit verschlechtert wird. Ein weiteres Problem liegt darin, daß der Aluminiumdraht, verglichen mit einem Golddraht, eine geringere mechanische Festigkeit aufweist.

Bezüglich des Kugelbondens des Aluminiumdrahts stießen die Erfinder auf das Problem, daß insbesondere auf der Seite des Bonde-Anschlusses eines Chips oder einer Tablette ein Abschälen des Bonde-Drahts auftritt, so daß sich die Wirksamkeit des Bondens verschlechtert.

Die Erfinder stellten fest, daß im Falle der Ausbildung des kugelförmigen Bereichs am Aluminiumdraht die Härte der Kugel einen großen Einfluß auf die Wirksamkeit des Bondens ausübt. Ist beim Schritt des Ausbildens des Aluminiumkügelchens dieses zu weich, wirkt die Ultraschall-Energie nicht hinreichend auf einen Bonde-Bereich, wenn der Aluminiumfilm des Bonde-Anschlusses und der kugelförmige Bereich des Aluminiumdrahts beispielsweise einem Ultraschall-Bondeverfahren unter-

zogen werden. Aus diesem Grund wird die Aluminiumebene mit einem aktiven Oberflächen-Energiezustand nicht freigelegt, so daß das Abschälen oder Ablösen des Bonde-Drahts auftritt. Ist das Aluminiumkügelchen andererseits zu hart, wird beim Bondeschritt eine große Kraft auf eine Siliziumschicht, eine Siliziumdioxidschicht usw. ausgeübt, die unter dem Aluminium-Anschlußbereich liegen. Aus diesem Grund können in diesen Schichten Bonde-Schäden, wie z.B. Sprünge, auftreten.

Bei Untersuchungen auf Grundlage der oben genannten Erkenntnisse entwickelten die Erfinder eine Zusammensetzung für einen Aluminiumdraht, bei der sowohl ein entsprechendes Kugelbonden durchgeführt als auch die Korrosion des Aluminiumdrahts wirkungsvoll verhindert werden kann«,

Die Erfinder stellten weiterhin fest, daß beim Kugelbonden des Aluminiumdrahts eine Verschlechterung der Festigkeit des Drahts aufgrund einer hohen Temperatur auftreten kann, die z.B. beim Erhitzen eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt für den Verschluß der Verkapselung aufgenommen wird, so daß die Gefahr der Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung besteht.

Wenn der Draht beim Bonden nicht die geeignete Festigkeit aufweist, kompliziert sich die Bonde-Operation, so daß eine Schlingenform verschlechtert oder eine zu hohe oder zu niedrige Schlinge gebildet wird, was die Ursache für ein Brechen oder Fließen des Drahtes, einen Kurzschluß usw. bildet.

Nach Durchführung weiterer Studien entwickelten die Erfinder eine Technik, mit der die Festigkeit des Aluminiumdrahts auf einem geeigneten Wert gehalten werden kann, während die Korrosion des Drahts verhindert wird.

Die generelle Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine

Halbleitervorrichtung mit einer Verdrahtung anzugeben, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise tiberwunden werden.

Eine speziellere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Technik anzugeben, mit der die Korrosionsbeständigkeit eines Aluminiumdrahts erhöht und die Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung gesteigert wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Technik anzugeben, die nicht nur die Korrosionsbeständigkeit, sondern auch die mechanische Festigkeit eines Aluminiumdrahts erhöht, womit die Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung weiter gesteigert werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Technik zu schaffen, mit der bei Durchführung des Kugelbondens an einem Draht aus einer korrosionsbeständigen Aluminium-Legierung die Härte des Kugelbereichs in einem optimalen Bereich festgesetzt wird, womit eine günstige Bonde-Wirksamkeit erzielt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Technik anzugeben, bei der ein Aluminiumdraht mit einer Zusammensetzung Anwendung findet, die die Korrosion verhindert und einen optimalen Ablauf des Kugelbondens zuläßt„

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Technik, die eine hinreichende Leiterfestigkeit sicherstellt und die Zuverlässigkeit steigert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bonde-Draht anzugeben, der Korrosion verhindern kann und zu einer hinreichenden Festigkeit führt.

Q _

Die genannten und weitere Aufgaben sowie neuartige Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele deutlich, die unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erfolgt.

Im folgenden werden die wesentlichen Merkmale der Erfindung kurz dargestellt:

Ein Aluminiumdraht enthält einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente Eisen und Palladium.

Daneben enthält ein bevorzugter Aluminiumdraht einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer Gruppe aus Nickel, Eisen und Palladium und einen Anteil von 0,5 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer zweiten Gruppe aus Magnesium, Mangan und Siliziunu

Ein Aluminiumdraht nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält Nickel, wobei die Vickers-Härte des kugelförmigen Bereichs bei 35 bis 45 liegt.

Daneben werden die Werte der Bruchfestigkeit eines Aluminiumdrahts vor und nach dem Verschluß einer Verkapselung jeweils geeignet festgesetzt.

Die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung erfolgt anhand der anliegenden Zeichnungen» In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht eines Draht-Bondebereichs in der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3

und 4 Darstellungen zur Erläuterung der Bildung eines Kü-

gelchens an einem Aluminiumdraht bzw. von dessen Zustand beim Ultraschall-Bonden; Fig. 5 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Zusammensetzungen der Drähte und deren Bruchlasten; Fig. 6 eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung nach

einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 7 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Zusammen-Setzungen der Drähte und der Härte der kugelförmigen

Bereiche der Drähte; und

Fig. 8 ein Diagramm des Verlaufs des prozentualen Anteils der Bonde-Beschädigungen und der Ablöseerscheinungen über der Vickers-Härte der kugelförmigen Drahtbereiche.

In einer in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung ist ein Chip oder eine Tablette 3, beispielsweise aus Silizium, durch eine Verbindungsschicht 4 auf einer Sockellasche 2 angebracht. Die Verbindungsschicht 4 ist beispielsweise aus einem Gold-Silizium-Eutektikum oder einem Binder, wie z.B. einer Silberpaste, hergestellt.

Der Anschlußbereich des Chips 3 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, auf einer Aluminiumauflage 5 gebildet.

Als ein Bonde-Draht 6 dient ein Draht auf Aluminiumbasis, der entweder aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung hergestellt ist. Der Bonde-Draht 6 wird für die elektrische Verbindung der Aluminium-Auflage 5 des Chips 3 mit einer Aluminiumschicht 14 verwendet, die auf dem inneren Teil 7 einer Zuleitung 1 gebildet ist.

Nachdem das Bonden des Drahtes abgeschlossen ist, werden der Chip 3, der Bonde-Draht 6 usw. unter Verwendung eines Kunstharzes 8 verkapselt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird beim Bonden des Drahtes 6 nach vorliegendem Ausführungsbeispiel an dem einen Drahtende ein kugelförmiger Bereich 6a gebildet, indem eine elektrische Entladung zwischen diesem Ende des von einem nicht gezeigten Bonde-Werkzeug gehaltenen Drahtes 6 und der Elektrode 9 des Bonde-Werkzeugs erfolgt. Da das Material des Drahtes wie später beschrieben gewählt wird, hat der kugelförmige Bereich 6a eine für das Bonden geeignete Härte.

Unmittelbar nach Ausbildung des kugelförmigen Bereiches 6a kann dieser durch Anblasen mit einem Edelgas, beispielsweise Argon, mit niedriger Temperatur abgeschreckt werden. Damit läßt sich eine günstige Kugelhärte erzielen» Unabhängig von der Zusammensetzung des Drahtes ist Abschrecken ein gutes Mittel für die Erreichung einer vorgegebenen Härte,

Unter Verwendung eines Ultraschall-Bondewerkzeugs 10, wie es beispielsweise in Fig.4 dargestellt ist, wird der kugelförmige Bereich 6a gegen die Aluminium-Auflage 5 auf dem Chip 3 gepreßt und durch Ultraschall-Schwingungen fest damit verbunden. Ein auf der Oberfläche des kugelförmigen Bereichs 6a erzeugter Al₃O₃-FiIm wird beim Bonden aufgebrochen, womit eine günstige Drahtverbindung erfolgt. Der kugelförmige Bereich 6a wird zusammengepreßt, um einen Bonde-Bereich 6b au bilden. Der Bonde-Bereich 6b bedeckt die Aluminium-Auflage 5, die durch die öffnung eines abschließenden Passivierfilms 13 freigelegt ist.

Der Draht 6 ist nach vorliegendem Ausführungsbeispiel aus einer Aluminium-Legierung hergestellt, bei der zur Erhöhung der Beständigkeit gegen Feuchtigkeit zum Hauptbestandteil Aluminium ein Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% zumindest eines der Elemente Eisen (Fe) und Palladium (Pd) zugegeben ist.

Der Grund für die Erhöhung der Feuchtigkeits-Beständigkeit

des Drahtes durch Hinzufügen von zumindest einem der Elemente Eisen und Palladium in dem vorgegebenen Verhältnis zum Aluminium liegt im folgenden:

Bei einem Testverfahren mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, wie z.B. dem Testverfahren MIL883B als typischem Testverfahren für die Korrosionsbeständigkeit, wird der Wasserstoff eines Wasseranteils H-O zu atomarem Wasserstoff H. Da der atomare Wasserstoff H klein ist, durchdringt er leicht die Aluminium-Korngrenzen. Wenn die Wasserstoffatome H zu gasförmigem Wasserstoff H₂ reagieren, findet eine Volumenausdehnung statt, die die Korngrenzen erweitert. Die Korrosion geht von diesen erweiterten Korngrenzen aus. Im Aluminiumdraht, der Eisen oder Palladium enthält, wird andererseits die Bindungsreaktion des atomaren Wasserstoffs H durch die katalytische Wirkung des in den Aluminium-Kristallkörnern enthaltenen Eisens oder Palladiums unterstützt. Als Folge davon wird der atomare Wasserstoff H an der Oberfläche des Aluminiums zu gasförmigem Wasserstoff H₂* ohne die Aluminium-Korngrenzen zu durch-

setzen. Dementsprechend wird die Korrosion des Drahtes erschwert. Es ist in anderen Worten davon auszugehen, daß durch die Wirkung des Eisens oder Palladiums der Einschluß von H_ in den Draht aus der Aluminium-Legierung unterdrückt und damit die Korngrenzen-Korrosion verhindert wirdo

Die Erfinder führten experimentelle Untersuchungen über die Beziehungen zwischen den Zusammensetzungen und den Eigenschaften von Drähten durch. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

In Tabelle 1 ist in der linken Spalte die Zusammensetzung der Drähte angegeben. Ein Aluminiumdraht, der 0,05 Gew.-% Fe enthält, ist beispielsweise mit Al - 0,05 Fe bezeichnet. In den anderen Spalten der Tabelle ist für die jeweiligen Test-Zeiträume die Anzahl der korrodierten Proben an-

gegeben, wobei zehn Proben jedes Drahtes bei 121⁰C unter einem Dampfdruck von 2 Atmosphären gehalten wurden. Als Ausgangsmaterial wurde Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 Gew.-% verwendet.

Tabelle 1

Zeitdauer

Zusammensetzung

20 40 60 80 100 200 400 600

(Stunden)

Al	0,05	Fe
Al -	0,1	Fe
Al -	0,5	Fe
Al -	1,0	Fe
Al -	2,0	Fe
Al -	3,0	Fe
Al -	0,05	Pd
Al -	0,1	Pd
Al -	0,5	Pd
Al -	1,0	Pd
Al -	2,0	PD
Al -	3,0	Pd
Al -

2	10	—	—	—	—	—	—
2	5	10	-	-	-	-	-
0	0	0	0	0	2	3	4
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	1	3	4
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0

Aus Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiumdrahts durch die Zugabe von Eisen oder Palladium verbessert wird. Mit einem Eisenanteil von 0,05 Gew.-% ist keine große Verbesserung zu erwarten» Das ist darauf zurückzuführen, daß die katalytische Wirkung aufgrund des geringen enthaltenen Eisenanteils nicht hinreichend ist. Palladium ist diesbezüglich wirkungsvoller als

Eisen. Ein Aluminiumdraht, der zumindest 0/5 Gew.-% Eisen oder 0,1 Gew.-% Palladium enthält, korrodiert selbst nach Ablauf von 600 Stunden nicht.

Gleichzeitig mit der Steigerung der Korrosionsbeständigkeit kann die mechanische Festigkeit des Aluminiumdrahts verbessert werden. Zu diesem Zweck wird der Draht 6 aus einer Aluminium-Legierung gebildet, die einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer ersten Gruppe aus Nickel, Eisen und Palladium und einen Anteil von 0,5 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer zweiten Gruppe aus Magnesium, Mangan und Silizium enthält.

Nickel erhöht die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Aluminiumdrahts aus denselben Gründen wie Eisen oder Palladium. Die Korngrenzen-Korrosion des Aluminiumdrahts kann durch Zugabe des vorgegebenen Nickelanteils verhindert werden.

In Tabelle 2 ist gezeigt, daß die Korrosionsbeständigkeit der Nickel enthaltenden Aluminiumdrähte verbessert ist. Die Meß- und Testverfahren für die in dieser Tabelle aufgeführten Werte entsprechen denen für die Werte in Tabelle 1.Als Ausgangsmaterial dient wieder Aluminium mit einer Reinheit von 99,999 %.

Tabelle 2

	0,01 Ni	2,	0	Mg	■ 10	20	30	40	50	100	200	300	—	—	500
·*. Zeitdauer	0,02 Ni	ο,	1	Ni						(Stunden)	-	-
Zusammensetzung	0,03 Ni	0,	1	Ni	0	2	6	10	—	—	10	-	—
Al	0,04 Ni	ο,	1	Fe	0	0	5	8	10	-	10	-	-
Al -	0,05 Ni	ο,	25	Cr	0	0	0	0	2	5	5	10	-
Al -	0,075 Ni			0	0	0	0	0	5	0	2	-
Al -	0,10 Ni			0	0	0	0	0	0	0	0	-
Al -	1 ,0 Ni			0	0	0	0	0	0	0	0	5
Al -	2,0 Ni			0	0	0	0	0	0	0	0	0
Al -	3,0 Ni			0	0	0	0	0	0	0	0	0
Al -	4,0 Ni			0	0	0	0	0	0	0	0	0
Al -	0,05 bis			0	0	0	0	0	0	0	0	0
Al -	1,5 Mg -			0	0	0	0	0	0	-	-	0
Al -	1,0 Mn -			0	0	0	0	0	0	0	0	0
Al -	1,0 Mg -			0	2	2	5	10	-	0	0	-
Al -	1,5 Mg -			0	0	0	0	0	0	5	10	0
Al -				0	0	0	0	0	0	—	—	0
Al -				0	0	0	0	0	0	-
Al -		0	10	—	■-	—	—	—
Al -

Andere Substanzen als Nickel, beispielsweise Magnesium und Chrom, sind für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nicht wirkungsvoll. Mit einem Nickelanteil von 0,02 Gew.-% ist keine große Verbesserung zu erwarten. Das ist wiederum darauf zurückzuführen, daß die katalytische Wirkung aufgrund des geringen enthaltenen Nickelanteils nicht hinreichend ist. Ein Aluminiumdraht, der zumindest 0,075 Gew.-% Nickel enthält, korrodiert selbst nach Ablauf von 500 Stunden nicht«

Wie aus den Tabellen 1 und 2 deutlich wird, zeigt Nickel eine größere Wirkung für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit als Eisen oder Palladium. Wie in Tabelle 2 angegeben, zeigt ein Draht, der Nickel und eines der EIemente Magnesium und Mangan enthält, eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Während nur durch Zugabe von Magnesium die Korrosionsbeständigkeit nicht verbessert wird, zeigen die Nickel enthaltenden Drähte hervorragende Ergebnisse.

Die mechanische Festigkeit eines Nickel, Eisen oder Palladium enthaltenden Aluminiumdrahts wird durch Zugabe eines bestimmten Anteils eines der Elemente Magnesium, Mangan und Silizium erhöht. Die Steigerung der mechanischen Festigkeit verhindert Defekte, wie Aufbrechen der Verbindüngen und Kurzschlüsse, die auf das Brechen des Drahtes, das Fließen des Drahtes durch die Injektion des Kunstharzes usw. zurückzuführen sind.

In Fig. 5 sind die Festigkeiten von verschiedenen Aluminiumdrähten angegeben, die die oben genannten Fremdstoffe enthalten.

In Fig. 5 ist auf der Abszissenachse die Verbindung oder Zusammensetzung der Drähte angegeben. Mit "0,5 Pd" ist beispielsweise ein Draht gekennzeichnet, der aus Aluminium hergestellt ist, das 0,5 Gew.-% Pd enthält. Auf der Ordinatenachse sind die Zugkräfte oder Belastungen (g) zu den Zeitpunkten angegeben, bei denen die mit der entsprechenden Zugkraft beaufschlagten Drähte brechen. Der Durchmesser der Drähte betrug in jedem Fall 30 μπι. Zusätzlich ist in der grafischen Darstellung in der unteren Hälfte von Fig. 5 die Anfangsfestigkeit der Drähte angegeben. Mit Anfangsfestigkeit ist die Festigkeit eines von einem Aluminiumblock gezogenen Drahts bezeichnet,der keiner Ausheilbehandlung unterzogen wurde. Die grafische Darstellung

in der oberen Hälfte von Fig. 5 gibt die Festigkeit der Drähte nach dem Ausheilen an. "Ausheilen" bedeutet hier, daß der Draht 6 beispielsweise zwei bis zehn Minuten einer hohen Temperatur von 400 bis 500⁰C ausgesetzt wird. Die Festigkeit des Drahtes 6 nimmt aufgrund des Ausheilens ab.

Die Erfinder machten deutlich, daß die Anfangsfestigkeit des Drahtes bei einem Durchmesser von 30 μΐη zumindest etwa 20 Gramm (g) betragen muß.

Die Festigkeit von nicht unter 20 Gramm ist erforderlich, wenn der Aluminiumblock zur Bildung des Aluminiumdrahts gezogen wird, wenn das Bonden des Drahtes unter Verwendung des Bonde-Werkzeugs 10 in Fig. 4 durchgeführt wird usw.. Ein Draht mit einer Festigkeit unter 20 Gramm neigt zum Bruch.

Nach Feststellungen der Erfinder wird die Zuverlässigkeit einer Halbleitervorrichtung durch die oben genannte Tatsache beeinflußt, daß sich die Festigkeit des Drahtes durch das Ausheilen verschlechtert.

Die oben beschriebene Wärmebehandlung bei 400 bis 500⁰C für 2 bis 10 Minuten ist für Halbleitervorrichtungen unvermeidlich, die mit keramischen Verkapselungen verschlossen sind, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Das heißt, unabhängig von der verwendeten Verschlußmasse 16 nehmen die Temperatur und die Zeitdauer für den Verschlußvorgang die genannten Werte oder Werte an, die in dieser Größenordnung liegen«

Wird beispielsweise ein Glas mit niedrigem Erweichungspunkt als Verschlußmittel 16 verwendet, liegen die genannten Werte bei 400 bis 500⁰C und 2 bis 10 Minuten. Auch bei Anwen-

dung eines Fritteglas-Verschlusses liegen die Werte bei 400 bis 500⁰C und 2 bis 10 Minuten. Wird Gold-Zinn (Au - Sn) verwendet, um die Halbleitervorrichtung mit einer metallischen Kappe zu verschließen, liegen die genannten Werte beim Verschlußvorgang bei 200 bis 300⁰C und bei 2 bis 10 Minuten.

Damit wird der Aluminiumdraht unvermeidlich einer Wärmebehandlung unterzogen. Die genannten Temperaturen erreichen den Rekristallisationspunkt des Aluminiumdrahts, der auch vom Material des Drahts abhängt, oder Werte in dessen Nähe.

Nach Untersuchungen der Erfinder hängt die Festigkeit des Drahtes vor der Wärmebehandlung von seiner Verarbeitbarkeit und seinem Material ab« Die Festigkeit des Drahtes nach der Wärmebehandlung hängt nur vom Material ab. Sie hängt nicht von der Hysterese des Drahtes ab, da der Draht einer Wärmebehandlung auf einer Temperatur nahe seinem Rekristallisationspunkt unterzogen wurde. Die Festigkeit des Drahtes nach der Wärmebehandlung, d.h. nach dem Verschluß, muß bei einem Durchmesser von 30 μΐη zumindest 6 Gramm betragen. Ein Draht mit einer Festigkeit unter 6 Gramm neigt zum Bruch.

In Fig. 6 ist mit Bezugsziffer 14 eine keramische Grundplatte und mit Bezugsziffer 15 eine Kappe bezeichnet.

Bei der Halbleitervorrichtung mit der keramischen Verkapselung wird der Draht unter Berücksichtigung der Drahtfe-'stigkeit vor und nach dem Ausheilen gewählte In einer mit Harz verkapselten Halbleitervorrichtung ist die Verschlußtemperatur mit etwa 170 bis 180⁰C verhältnismäßig niedrig, so daß die Drahtfestigkeit nach dem Verschluß nur geringfügig abnimmt. Die Drahtfestigkeit nach der Ausheil- bzw.

Wärmebehandlung stellt demnach meistens kein Problem dar. Soll jedoch eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden, sollten die Festigkeitswerte des Drahtes vor und nach dem Ausheilen berücksichtigt werden.

Wenn dem Nickel, Eisen oder Palladium enthaltenden Aluminiumdraht weiterhin Magnesium, Mangan oder Silizium zugegeben werden, ergibt sich ein Draht mit hoher Korrosionsbeständigkeit, dessen Festigkeit verbessert ist, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Wie aus Fig. 5 deutlich wird, zeigt insbesondere der Palladium oder Magnesium enthaltende Draht eine hohe Bruchfestigkeit. Die Bruchfestigkeit ist auch hoch, wenn zusätzlich zu Palladium oder Magnesium Silizium oder Mangan enthalten ist. Hervorragende Werte zeigen die Drähte, die in Aluminium Eisen und Magnesium, Nickel und Magnesium oder Palladium und Magnesium enthalten.

Die in Tabelle 2 aufgeführten Aluminiumdrähte, die 1,5 Gew.-% Magnesium und 0,1 Gew.-% Nickel (Al - 1,5 Mg 0,1 Ni) bzw. 1,0 Gew.-% Mangan und 0,1 Gew.-% Nickel (Al - 1,0 Mn - 0,1 Ni) enthalten, zeigen beide eine ähnlich hervorragende Korrosionsbeständigkeit, wobei der erstere eine höhere Bruchfestigkeit aufweist.

Grundsätzlich zeigen die Magnesium und Nickel enthaltenden Aluminiumdrähte hervorragende Werte sowohl der Korrosionsbeständigkeit als auch der Festigkeit.

Für die Einstellung der Festigkeit in einem geeigneten Bereich empfiehlt es sich nach Untersuchungen der Erfinder, daß Magnesium, Mangan und Silizium in Aluminium mit einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% enthalten sind.

Mit einem aus einer rekristallisierten Materialzusammensetzung hergestellten Draht, d.h. mit einem Draht, der einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen zumindest seinem Rekristallisationspunkt und dem Rekristallisationspunkt plus etwa 150⁰C unterzogen wurde, ist sehr vorteilhaft eine Schlinge zu bilden, so daß das Auftreten von Defekten, wie z.B. einem Kurzschluß zwischen einem Sockel und Drähten, vermieden werden kann. Daneben wird auch die Bruchfestigkeit erhöht.

Dient als Draht 6 ein Aluminiumdraht, der Nickel und eines der Elemente Magnesium, Mangan und Silizium enthält, nimmt die Vickers-Härte des Kügelchens 6a einen in Fig. 7 gezeigten Wert an.

In Fig. 7 ist auf der Ordinatenachse die Vickers-Härte und auf der Abszissenachse die Drahtverbindung oder die Materialzusammensetzung aufgetragen. Die Vickers-Härte der jeweiligen Materialien ist so angegeben, daß z.B. der Wert von Al 18 ist. Mit der Bezeichnung "0,5 Ni" ist ein Draht angegeben, der aus Al hergestellt ist, das 0,5 Gew.-% Ni enthält.

Die Erfinder untersuchten wiederholt experimentell Beziehungen zwischen der Härte des kugelförmigen Aluminiumbereichs 6a und dem prozentualen Anteil von Ablöseerscheinungen zwischen dem Bonde-Draht und der Aluminium-Auflage 5 sowie dem prozentualen Anteil der Bonde-Beschädigungen, durch die in einer Siliziumdioxidschicht 12 unter der Aluminium-Auflage 5 Sprünge hervorgerufen werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Fig. 8 dargestellt.

Ein zulässiger Wert für das Auftreten von Bonde-Defekten liegt bei etwa 10 %. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist aus Fig. 8 zu entnehmen, daß der prozentuale

Anteil der Ablöseerscheinungen (durch die Markierungen χ gekennzeichnet) hoch ist, wenn die Vickers-Härte unter 30 liegt. Zusätzlich ist der prozentuale Anteil der Bonde-Beschädigungen (durch die Markierungen ο gekennzeichnet) hoch, wenn die Vickers-Härte über etwa 50 liegt. Als Optimum ergibt sich damit ein Bereich für die Vickers-Härte zwischen 35 und 45.

Das heißt, jeder Draht 6 in vorliegender Ausführungsform wird so gewählt, daß die Vickers-Härte (Hv) des Kügelchens im Bonde-Bereich in den Bereich zwischen 35 und 45 fällt, wie in Fig. 7 angegeben.

Die in den optimalen Härtebereich fallenden Drähte 6 können verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen. Als Beispiele der Zusammensetzungen für Drähte aus Aluminium-Legierungen, die für das bevorzugte Kugelbonden geeignet sind, seien folgende Verbindungen genannt: eine Verbindung mit 1,0 Gew.-% Nickel und 0,5 GeWe-% Mangan, eine Verbindung mit 1,0 Gew.-% Nickel und 1,0 Gew.-% Mangan, eine Verbindung mit 0,5 Gew.-% Nickel und 1,0 Gew„-% Mangan, eine Verbindung mit 0,1 Gew.-% Nickel und 1,5 Gew.-% Magnesium, eine Verbindung mit 1,7 Gew.-% Magnesium, 0,3 bis 0,5 Gew.-% Nickel und 0,3 Gew.-% Eisen, eine Verbindung mit 2 Gew.-% Nickel und 1,0 bis 2,0 Gew.-ΐ Silizium usw..

Bei Würdigung dieser experimentellen Ergebnisse ergab sich, daß Ni hauptsächlich zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beiträgt, während die Einstellung der Härte hauptsächlich Mg, Mn oder Si zuzuschreiben ist« Es zeigte sich weiterhin, daß Ni die Wirkungen der Härteeinstellung durch Mg usWo nicht beeinträchtigt, während andererseits Mg usw. die Steigerung der Korrosionsbeständigkeit aufgrund von Ni

nicht unterbinden. Daneben stellte sich heraus, daß Ni und Mg oder Mn und Si in Al stabil nebeneinander existieren, ohne die mechanischen oder elektrischen Charakteristika des Drahtes zu beeinträchtigen.

Nach der im vorhergehenden beschriebenen Erfindung lassen sich folgende Wirkungen erzielen:

Bei Verwendung eines Aluminiumdrahts, der einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% zumindest eines der Elemente Eisen und Palladium enthält, kann aufgrund der katalytischen Wirkung dieser Elemente das Eindringen von atomarem Wasserstoff

(H) durch die Aluminium-Korngrenzen in den Draht verhindert werden, so daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit des Drahtes erhöht wird.

Bei Verwendung eines Aluminiumdrahtes, der einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer ersten Gruppe aus Nickel, Eisen und Palladium und einen Anteil von 0,5 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer zweiten Gruppe aus Magnesium, Mangan und Silizium enthält, kann gleichzeitig mit der Feuchtigkeitsbeständigkeit des Drahtes dessen mechanische Festigkeit erhöht werden, so daß sich Defekte wie Lösen der Verbindungen und Kurzschlüsse verhindern lassen, die auf das Brechen des Drahtes, das Fließen des Drahtes bei Injektion eines Harzes usw. zurückzuführen sind«

Selbst bei Anwendung eines Drahtes mit dem Hauptbestandteil Aluminium für eine harz-verkapselte Halbleitervorrichtung läßt sich eine hohe Zuverlässigkeit erzielen. Dadurch ist es möglich, den Kostenvorteil eines Drahtes auf Aluminiumbasis wirkungsvoll auszunutzen.

Die Technik des Kugelbondens eines Aluminiumdrahts läßt

sich ohne weiteres auf eine harz-verkapselte Halbleitervorrichtung anwenden.

Die Bruchfestigkeit eines Drahtes nach dem Verschluß mit einer Verkapselung oder einem Gehäuse wird für einen Drahtdurchmesser von 30 μπι auf etwa 6 Gramm oder darüber festgesetzt, wodurch der Bruch des Drahtes verhindert und die Zuverlässigkeit eines Produkts gesteigert werden kann.

Die Bruchfestigkeit eines Drahtes vor dem Verschluß mit einer Verkapselung oder einem Gehäuse wird für einen Drahtdurchmesser von 30 μπι auf etwa 20 Gramm oder darüber festgesetzt, wodurch die für das Ziehen des Drahtes usw. erforderlichen Festigkeitswerte hinreichend sichergestellt sind, und ein Lösen der Verbindung verhindert werden kann.

Falls das Material eines Drahtes rekristallisiert wurde, kann die Ausbildung einer Drahtschlinge normal durchgeführt werden, womit sich bei einer hinreichenden Bruchfestigkeit Defekte, wie z.B. Kurzschlüsse, vermeiden lassen.

Bei geeigneter Wahl des Materials eines Drahtes kann die Bruchfestigkeit des Drahtes auf einen vorgegebenen Wert oder darüber festgesetzt und daneben die Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit des Drahtes erhöht werden.

Wenn ein Aluminiumdraht Nickel enthält und sein kugelförmiger Bereich eine Vickers-Härte von 35 bis 45 aufweist, kann die Korrosionsbeständigkeit des Drahtes erhöht werden. Darüberhinaus ist eine hinreichende Bonde-Festigkeit des Drahtes sichergestellt, und ein übermäßiges Zusammendrücken des kugelförmigen Bereiches sowie Beschädigungen einer Bonde-Unterlage lassen sich verhindern, so daß die Zuverlässigkeit gesteigert wird.

Da der erfindungsgemäße Draht Aluminium als Hauptbestandteil enthält, ergibt sich im Vergleich zu einem Golddraht eine beträchtliche Kostenreduzierung.

Das Kugelbonden eines Drahtes mit Aluminium als Hauptbestandteil kann stabil und einfach durchgeführt werden, womit die niedrigen Kosten als ein Vorteil des Drahtes auf Aluminiumbasis zum Tragen kommen.

Die Bearbeitbarkeit eines Drahtes mit Aluminium als Hauptbestandteil wird durch eine geeignete Härte des kugelförmigen Bonde-Bereiches erleichtert.

Durch geeignete Wahl des Drahtmaterials läßt sich damit ein Draht schaffen, der sowohl eine hervorragende Bondefähigkeit als auch hervorragende Werte der Korrosionsbeständigkeit ,der mechanischen Festigkeit und der Bruchfestigkeit aufweist.

Die Erfindung wurde im vorhergehenden unter Bezugnahme auf einzelne Ausführungsbeispiele konkret beschrieben. Sie läßt sich jedoch vielfach abwandeln, ohne vom grundlegenden Erfindungsgedanken abzuweichen.

Die Materialzusammensetzung eines Drahtes ist beispielsweise nicht auf die genannten Zusammensetzungen beschränkt, sondern läßt sich verschiedenartig modifizieren.

Die Bruchfestigkeit eines Drahtes ändert sich in Abhängigkeit von seinem Durchmesser. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Draht mit einem Durchmesser von 30 μπι beschränkt, sondern läßt sich auf Drähte mit unterschiedlichen Durchmessern anwenden, wenn die Bruchfestigkeit pro Flächeneinheit zugrunde gelegt wird.

Ein erfindungsgemäßer Aluminiumdraht ist nicht nur bei Durchführung des Kugelbondens, sondern auch beim gewöhnlichen Ultraschall-Bonden unter Verwendung eines Keiles wirkungsvoll.

Mit einem Draht, der durch eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich beispielsweise zwischen dem Rekristallisationspunkt einer Aluminium-Legierung und etwa 15O⁰C darüber rekristallisiert wurde, ist mit noch größerer Sicherheit eine normale Schlingenbildung ohne ein Knicken des Drahtes durchführbar.

Im vorhergehenden wurde hauptsächlich die Anwendung der Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung mit einer DILP-Verkapselung beschrieben, die eine grundlegende Anwendungsmöglichkeit darstellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Halbleitervorrichtungen beschränkt, sondern ist darüberhinaus auf Halbleitervorrichtungen mit verschiedenartigen Verkapseiungen anwendbar, z.B. auf den sogenannten Surdip-Typ, den laminierten Keramiktyp und den Chipträger-Typ, solange ein Draht verwendet wird, der Aluminium als Hauptbestandteil enthält.

Ah/bi

- LeersPe'ite -

Claims

FAT E N Γ A M WA LT E

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3506264

WIDENMAYERSTKASSE 17. D-BOOO MÜNCHEN 22

HITACHI, LTD.

DEA-26928

22. Februar 1985

Halbleitervorrichtung

/1/. Halbleitervorrichtung mit einen: Chip (3), Drähten (6) und externen Leiterteilen (1), die mit dem Chip durch die Drähte verbunden sind, ~

dadurch gekennzeichnet, '

daß jeder Draht (6) als Hauptkomponente Aluminium aufweist, das einen Anteil von 0,05 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer ersten Gruppe aus Nickel, Eisen und Palladium enthält.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, ο dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium weiterhin einen Anteil von 0,5 bis 3,0 Gew.-% von zumindest einem der Elemente einer zweiten Gruppe aus Magnesium, Mangan und Silizium enthält.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Aluminium als Element der ersten Gruppe Nickel enthält.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel-Anteil zumindest 0,075 Gew.-% beträgt.
5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium als Element der ersten Gruppe Eisen mit einem Anteil von zumindest 0,5 Gew.-% enthält.

* 1o
6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium als Element der ersten Gruppe Palladium mit einem Anteil von zumindest 0,1 Gew.-% enthält.
7 ο Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium als Element der zweiten Gruppe Magnesium enthält.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) einen kugelförmigen Teil (6a) mit einer Vickers-Härte von 35 bis 45 aufweist, der zumindest an einem

Drahtende gebildet ist.
9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennze ichnet, daß jeder Draht (6) 1,0 Gew.-% Nickel und 0,5 Gew.-% Mangan enthält.
10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) 1,0 Gew.-% Nickel und 1,0 Gew_o-% Mangan enthalte
11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6)' 0,5 Gew.-% Nickel und 1,0 Gew.-% Mangan enthält.
12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) 1,7 Gew.-% Magnesium, 0,5 Gew.-% Nickel und 0,5 Gew.-% Eisen enthält.
13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) 2 Gew.-% Nickel und 2 Gew.-% Silizium enthält.
14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) 2 Gew.-% Nickel und 1 Gew.-% Silizium enthält.
15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) 0,1 Gew.-% Nickel und 1,5 Gew.-% Magnesium enthält.
16. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) eine Bruchfestigkeit von zumindest etwa 6 Gramm für einen Durchmesser von 30 μπι hat.
17. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) vor dem Verschluß der Vorrichtung mit einer Verkapselung eine Bruchfestigkeit von zumindest etwa 20 Gramm für einen Durchmesser von 30 μπι hat.
18. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Draht (6) zumindest bis zu seinem Rekristallisationspunkt erhitzt wird.
19. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Harz (8) verkapselt ist.
20. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennz eichnet, daß sie mit einer keramischen Verkapselung (14, 15, 16) verschlossen ist.