FR2561446A1 - Fils de connexion d'une pastille semiconductrice,notamment encapsulee sous resine - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF A SEMI-CONDUCTEURS. DANS CE DISPOSITIF QUI COMPORTE UNE PASTILLE 3 RELIEE PAR DES CONDUCTEURS 6 A DES PARTIES EXTERIEURES CONDUCTRICES 1, CHAQUE FIL EST CONSTITUE PAR DE L'ALUMINIUM QUI CONTIENT AU MOINS UN ELEMENT CHOISI DANS LE GROUPE INCLUANT 0,05 A 3 EN POIDS DE FER ET 0,05 A 3 EN POIDS DE PALLADIUM. APPLICATION NOTAMMENT A LA FABRICATION DE DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEURS ENCAPSULES DANS UNE RESINE ET FORMES MOYENNANT L'UTILISATION DE LA TECHNIQUE DU SOUDAGE A BOULE ECRASEE.

Description

La présente invention concerne un dispositif à semiconducteurs et plus
particulièrement une technique qui est efficace lorsqu'elle est appliquée à un dispositif
à semiconducteurs utilisant des fils ou conducteurs d'alu-
minium ou constitués en un alliage d'aluminium.
La demande de brevet japonais publiée n'51-
140.567 décrit un dispositif à semiconducteurs dans lequel
une boule est formée sur l'extrémité distale d'un fil d'alu-
minium au moyen d'un chalumeau électrique ou analogue de
manière & réaliser un soudage à boule écrasée.
Bien que le fil d' aluminium soit d'un coût
réduit, il présente une résistance inférieure à la corro-
sion. En particulier lorsqu'il est appliqué à ce qu'on appelle un boîtier ou un module moulé dans la résine, le
fil se corrode, ce qui affecte la fiabilité du dispositif.
Un autre problème réside dans le fait que le fil d'alumi-
nium possède une résistance mécanique plus faible qu'un
fil d'or.
En ce qui concerne la soudure à boule écra-
sée du fil d'aluminium, les auteurs à la base de la pré-
sente invention ont établi qu'il se pose comme problème
le fait que l'écaillage ou le détachement du fil de liai-
son se produit notamment sur le caeé d'une pastille portant le plot de connexion ou e fixation, si bien que cette
liaison ou fixation s'altère.
Les auteurs à la base de la présente invention ont découvert que la dureté de la boule dans le cas de la formation de la partie en forme de 'Doule dans le fil d'aluminium exerce une grande influence sur l'état de cette fixation ou de cette liaison. De façon spécifique, lorsque la boule est trop molle lots de la phase opératoire de formation de la boule d'aluminium, l'énergie ultrasonique n'agit pas suffisamment sur une partie de jonction ou de liaison lorsque l'on soumet par exemple le fil d'aluminium du plot de connexion et la partie formant boule du fil
d'aluminium à une opération de liaison ou de jonction ultra-
sonique. C'est pour cette raison que le plan de l'aluminium possédant un état d'énergie de surface active n'est pas exposé, en sorte qu'il se produit un décollement du fil de liaison. D'autre part, lorsque la boule d'aluminium est trop dure, la mise en oeuvre de la phase opératoire de fixation ou de liaison provoque l'application de forces
intenses dues à une couche de silicium, une couche de bioxy-
de de silicium, etc, qui sont situées au-dessous du plot
en aluminium. C'est pour cette raison que ces couches subis-
sent des endommagements liés a l'opération de fixation,
c'est-à-dire qu'il se forme des fissures.
Lors d'études effectuées sur la base des con-
naissances mentionnées précédemment, les auteurs a la base de la présente invention ont découvert une composition
d'un fil d'aluminium qui permet de réaliser de façon appro-
priée la fixation ou soudure à boule écrasée, tout en empê-
chant de façon efficace la corrosion du fil d'aluminium.
Les auteurs à la base de l'invention ont éga-
lement trouvé que, dans le cas de la fixation ou soudure
à boule écrasée du fil d'aluminium, il se produit une dimi-
nution de la résistance mécanique du fil, par suite de l'application d'une température élevée, par exemple le
chauffage d'un verre à bas point de fusion pour le scelle-
ment du boîtier, de sorte qu'il est a craindre que la fiabi-
lité du dispositif à semiconducteurs s'en trouve réduite.
En 0ou-- les auteurs a la base de la présente
invention ont trouvé que, lor l e -' ossède une résis-
tance incorrecte dans le cas de sa soudure ou de sa fixa-
tion, l'opération de soudure devient difficile a mettre
en oeuvre avec la formation défectueuse d'une boucle, c'est-
â-dire la formation d'une boucle trop élevée ou trop basse,
ce qui entraîne la rupture et le fluage du fil, l'opé-
ration d'un court-circuit, etc. Lors d'études ultérieures effectuées sur la base des connaissances mentionnées précédemment, les auteurs à la base de la présente invention ont créé une technique qui permet de conserver de façon correcte la résistance
du fil d'aluminium, tout en empêchant sa corrosion.
Un but de la présente invention est de fournir une technique qui permet d'accroître la résistance d'un fil d'aluminium à la corrosion et qui permet d'améliorer
la fiabilité d'un dispositif à semiconducteurs.
Un autre but de la présente invention consis-
te à fournir une technique qui permet d'accroître non seu-
lement la résistance à la corrosion, mais également la
résistance mécanique d'un fil d'aluminium et permet d'amé-
liorer plus encore la fiabilité d'un dispositif à semicon-
ducteurs.
Un autre but de la présente invention con-
siste à fournir une technique selon laquelle, lors de la
réalisation d'une soudure a boule écrasée avec un fil cons-
titué en un alliage d'aluminium résistant à la corrosion, on règle la dureté de la partie formant boule écrasée dans une gamme optimale, de manière à obtenir ainsi la mise
en oeuvre d'une fixation par soudage avantageuse.
Un autre but de la présente invention consiste à fournir une technique qui utilise un fil d'aluminium possédant une composition empêchant la corrosion et qui permet de réaliser de façon optimale une soudure à boule écrasée. Un autre but de la présin-e-vention consiste
à fournir une technique permet de garantir une résis-
tance suffisante du fil et qui permet d'améliorer la fia-
bilité.
Un autre but de la présente invention consiste à fournir un fil de connexion ou de liaison qui permet d'empêcher une corrosion et permet d'obtenir une résistance suffisante.
Les buts mentionnés plus haut ainsi que d'au-
tres objectifs et de nouvelles caractéristiques de la pré-
sente invention ressortiront à l'évidence de la description
qui va suivre.
On va expliquer ci-après brièvement, dans ses grandes lignes, les aspects typiques de mise en oeuvre
de la présente invention.
Le problème à la base de l'invention est réso-
lu dans un dispositif à semiconducteurs qui comporte une pastille, des fils conducteurs et des parties extérieures
conductrices, qui sont raccordées à ladite pastille à l'ai-
de desdits fils, caractérisé en ce que chaque fil est cons-
titué par de l'aluminium qui contient au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant 0,05 à 3 % en poids de
fer et 0,05 à 3 % en poids de palladium.
Par ailleurs, selon un autre aspect de l'inven-
tion, il est prévu un dispositif à semiconducteurs, dans lequel une pastille et des parties conductrices extérieures sont raccordées grâce à l'utilisation de fils contenant comme constituant principal de l'aluminium, caractérisé en ce que chaque fil en aluminium contient au moins un élément choisi parmi le premier groupe incluant 0,05 à 3 % en poids de nickel, 0,05 à 3 % en poids de fer et 0,05 à 3 % en poids de palladium, et au moins un élément choisi parmi le second groupe et incluant 0,5 à 3 % en poids de magnésium, 0,5 à 3 % en poids de manganèse et 0,05 à
3 % en poids de silicium.
En outre, le fil d'aluminium contient du nickel et la dureté Vickers d'une partie en forme de boule est
comprise entre 35 et 45.
De plus les résistances d'un fil d'aluminium à la rupture avant et après le scellement d'un module ou d'un boîtier. sont réglées respectivement à des valeurs appropriées. D'autres caractéristiques et avantages de
la présente invention ressortiront de la description donnée
ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur les-
quels
- la figure 1 est une vue en coupe d'un dispo-
sitif à semiconducteurs selon une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe partielle
à plus grande échelle d'une partie de soudage ou de conne-
xion d'un fil dans le dispositif à semiconducteurs de la figure 1;
- les figures 3 et 4 sont des vues explicati-
ves montrant respectivement la formation d'une boule dans un fil d'aluminium et l'état de fixation ou de soudage ultrasonique de cette boule
- la figure 5 est un schéma montrant les rela-
tions entre les compositions des fils et les charges de rupture de ces derniers
- la figure 6 est une vue en coupe d'un dispo-
sitif à semiconducteurs selon une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 7 est un diagramme montrant les relations entre les compositions des fils et la dureté des parties en boule des fils; et
- la figure 8 est un diagramme montrant lPen-
dommagement de la soudure ou de la liaison et l'apparition d'un décollement ou d'un détachement, en pourcentage, en fonction de la dureté Vickers des parties en boule des fils.
Ci-après on va donner une description des
formes de réalisation préférée de l'invention.
Dans un dispositif à semiconducteurs représen-
të sur la figure 1, une pastille 3 constituée par exemple
en silicium est disposée sur un support 2 moyennant l'inter-
position d'une couche de liaison 4 qui est constituée par exemple par un eutectique or-silicium ou par un liant ou
un agent de fixation tel qu'une p9te d'argent.
Le plot de connexion ou de soudage de la pas-
tille 3 est constitué par un plot ou une plaque d'aluminium comme cela est représenté sur la figure 2. D'autre part un fil de connexion 6 est un fil a base d'aluminium qui est constitué par de l'aluminium
ou un alliage d'aluminium. Le fil de connexion 6 est utili-
sé pour réaliser le raccordement électrique de la plaque d'aluminium 5 de la pastile 3 a une couche d'aluminium 4 qui est formée sur la partie conductrice intérieure 7
d'un fil 1.
Une fois que la liaison par soudage du fil est terminée, la pastille 3, le fil de connexion 6, etc sont enrobés par moulage grâce à l'utilisation d'une résine
plastique 8.
Lors du soudage ou de la réunion du fil de connexion 6, conformément a la présente invention, comme représenté sur la figure 3, on forme une partie en forme de boule 6a sur l'extrémité distale du fil 6 au moyen d'une décharge électrique effectuée entre l'extrémité distale du fil 6 obtenue par un appareil de soudage & boule écrasée,
non représenté, et l'électrode 9 de cet appareil. En spé-
cifiant le matériau du fil de la manière décrite ci-après, on arrive à ce que la partie en forme de boule 6a possède
une dureté convenant pour le soudage A boule écrasée.
Aussitôt après que la partie en forme de boule 6a a été formée, il est parfaitement possible de lui faire subir une trempe en soufflant sur elle un gaz inerte, par exemple de l'argon à une basse température. On obtient ainsi une boule possédant une dureté favorable. Quelle que soit la composition que le fil puisse posséder, la
trempe est l'une des bonnes solutions permettant d'obte-
nir une dureté prédéterminée.
En utilisant un outil 10 de soudage aux ultra-
sons, tel que représenté sur la figure 4 a titre d'exemple, on presse la partie en forme de boule 6a contre la plaque d'aluminium 5 située sur la pastille 3 et on la soude et
on l'applique fermement au moyen des vibrations ultrasoni-
ques. Une pellicule de A1203 produite à la surface de la partie en forme de boule 6a est rompue lors de la fixation par soudage, et un raccordement approprié du fil est effec- tu6. La partie en forme de boule 6a est aplatie de manière
à former un élément de connexion 6b. Cet élément de conne-
xion 6b recouvre la plaque ou le plot d'aluminium 5 qui
est exposé à partir de l'ouverture d'une une couche de pas-
sivation finale 13.
Le fil 6 conforme à la présente invention est constitué par un alliage d'aluminium dans lequel, afin d'accroître la résistance à l'humidité, au composant principal formé par l'aluminium se trouve ajouté au moins
un élément, ce ou ces éléments étant choisis parmi le grou-
pe incluant 0,05 à 3 % en poids de fer (Fe) et 0,05 a 3 %
en poids de palladium (Pd).
La raison pour laquelle la résistance à l'hu-
midité du fil peut être améliorée par l'inclusion d'au moins un élément formé par du fer et du palladium dans la proportion prédéterminée dans le fil d'aluminium va
être indiquée ci-après.
Lors d'un essai effectué à haute température et avec une humidité élevée, telle qu'indiquée dans la norme américaine MIL 883B, qui est une procédure d'essai
typique pour tester la résistance à la corrosion, l'hydro-
gène contenu dans l'eau H20 passe à l'état d'hydrogène atomique H. Etant donné que l'hydrogène atomique H a
de faibles dimensions, il traverse aisément la limite inters-
ticielle des grains d'aluminium. Lorsque les atomes d'hydro-
gène H réagissent ensemble pour former de l'hydrogène gazeux H2, le volume augmente en provoquant un étalement de la limite des grains. La corrosion se propage à partir de la limite des grains étendus. D'autre part, dans le fil
d'aluminium qui contient du fer et du palladium, la réac-
tion de fixation de l'hydrogène atomique H est favorisée par l'action catalytique du fer ou du palladium contenu dans les grains de cristal d'aluminium. Il en résulte que l'hydrogène atomique H passe à l'état d'hydrogène gazeux H2 au niveau de la surface de l'aluminium, sans traverser les limites des grains de l'aluminium. Par conséquent le
fil se corrode difficilement. En d'autres termes on consi-
dère que l'occlusion de H2 dans le fil en alliage d'alumi-
nium est supprimée par l'action du fer ou du palladium, si bien que la corrosion au niveau de la limite des grains
est empêchée.
Les auteurs à la base de la présente invention ont effectué une expérience concernant les relations entre
les compositions des fils et leurs propriétés et les résul-
tats obtenus ont été recensés dans le tableau 1.
Dans le tableau 1, la colonne située la plus à gauche indique les compositions des fils. Par exemple Al-0,05 Fe désigne un fil d'aluminium contenant 0,05 % en poids de Fe. Les autres colonnes indiquent, pour des
intervalles de temps respectifs d'essais, les nombres cumu-
lés d'échantillons qui se sont corrodés, lesdits échantil-
lons de chaque fil ayant été soumis à une température de 121 C sous une pression de vapeur de 2.105 Pa. L'aluminium utilisé était un aluminium possédant une pureté de 99,999 %
en poids.
On comprendra, d'après le tableau 1, que la résistance du fil d'aluminium à la corrosion est améliorée par la jonction du fer ou du palladium. Avec une teneur de fer d'une valeur de 0,05 % en poids, on ne s'attend pas à une grande amélioration. Ceci est dû au fait que
l'action catalytique est insuffisante en raison de la fai-
ble quantité.de fer contenu. Le palladium fournit une amé-
lioration plus conséquent que le fer. Le fil d'aluminium contenant au moins 0,5 % en poids de fer ou au moins 0,1 % en poids de paladium ne se corrode pas même au bout d'une
durée de 600 heures.
Intervalle de temps i.
[ hr] 20 40 60 80 100 200 400 600 Composition
A1 2 10 -..
A1 - 0, 95Fe 2 5 10 - - - -
A1 - 0,1 Fe O O O O 0 2 3 4
AI - 0,5 F6 0 0 0 0 0 0 0 0O
A1 - 1 Fe 0 0 O0 0 0 O 0 A1 - 2 Fe 0 0 0 0 0 0 0 0 A1 - 3 Fe 0 0 0 0 0 0 0 O O A1 - 0,05 Pd 0 0 O 0 O 1. 3 4 A1 - 0,1 Pd j O O O 0 0 0 0 0 A1 - 0, 5Pd 0 0 0 0 0 0 O O Al - 1 Pd 0 0 0 0 0 0 0 A1 - 2 Pd 0 0 0 0 O O 0 0 i A 1- 3 P d | O 01 0 O iO 0:,0 La résistance mécanique du fil d'aluminium
peut être accrue en même temps que sa résistance a la cor-
rosion. A cet effet le fil 6 est un fil d'aluminium qui contient au moins un élément choisi. parmi le premier groupe comprenant 0,05 à 3 % en poids de nickel. 0,05 à 3 % en poids de fer et 0,05 à 3 % en poids de palladium,
et au moins un élément choisi parmi le second groupe compre-
nant 0,5 à 3 % en poids de magnésium, 0,05 à 3 % en poids
de manganèse et 0,05 à 3 % en poids de silicium.
-Le nickel accroit la résistance du fil -d'alu-
minium à l'humidité, pour la même raison que le fer ou le palladium. La corrosion de la limite des grains du fil d'aluminium peut être empêchée par l'adjonction de nickel
selon la proportion prédéterminée.
Le tableau indique que, lorsque les fils d'alu-
minium contiennent du nickel, leur résistance à la corro-
sion est améliorée. La méthode d'analyse et la méthode d'essais recenséesdans ce tableau sont les mêmes que celles recensées dans le tableau 1. La pureté de l'aluminium était
égale à 99,999 %.
On comprendra d'après le tableau 2 que la résistance à la corrosion du fil d'aluminium est améliorée
par le fait qu'il contient du nickel.
Tableau 2
ntervalle de temps I [hr]J: Co --o---in 10 20 30 40;50 100 200 300 500 Composition i i_
A1 0 2 6110 - - - -
Al - 0,01 Ni 01 5o 8 10 -
Ai - 0,02 Ni Qi 0! o! O 2 5 10 -
Al - 0,03 Ni 0- 0Q 0i 0 0 5 10 - -
.
Ai - 0,04 Ni 0. 0 05 0 0 0 5 10 -
Al - 0,05 Ni 0 01 O 0 0 0 2 5 A1 - 0,075 Ni 0O 0 0 OO O 00 0 0 Ai - 0,10 Ni 0 0i 0O O 0 0 0 0 0 Al - i Ni 0.': 0 0' 0 0 0 0 0 Ai - 2 Ni _: 00 0 0O O 0 Q Al - 3 Ni 0 0 0 0 0 0 Ai - 4 Ni 0 0 0O 0 0 0 0 0 0
Al - 0,05 to 2 Mg 0 2 2 5 10 - - - -
Al - 1,5 Mg - 0.1 Ni 0 0 00 0 0 0 0 Ai - i Mn - 0,1 Ni I 0 0 0 0 0 0 0 0
!Al - i Mg - 0.1 Fe Oi 0 O i 0 0 5 10 -
Ai - 1,5 MR - 0,25 Cr I 0 0 - I - i - - - i
Des substances autres que le nickel, par exem-
ple le magnésium et le chrome, ne fournissent pas l'amé-
lioration de la résistance à la corrosion. Avec une teneur en nickel de 0, 02 % en poids, il ne faut pas s'attendre à une grande amélioration. Ceci est dé au fait que l'action
catalytique est insuffisante en raison de la faible quanti-
té de nickel contenu. Le fil d'aluminium contenant au moins 0,075 % en poids de nickel ne se corrode pas même au bout
d'une durée de 500 heures.
Comme cela ressort des tableaux 1 et 2, le
nickel a une action plus efficace que le fer ou le pala-
dium pour fournir une amélioration de la résistance a la corrosion. Comme indiqué dans le tableau 2, un fil contenant du nickel et un fil contenant du magnésium ou du manganèse sont également excellents du point de vue de la résistance à la corrosion. Lorsque seul est présent du magnésium, la résistance a la corrosion n'est pas améliorée. Les fils contenant du nickel présentent une excellente résistance
à la corrosion.
Un fil d'aluminium contenant du nickel, du fer ou du palladium, voit sa résistance mécanique accrue grâce à l'adjonction de l'un quelconque des éléments que
sont le magnésium, le manganèse et le silicium, en un pour-
centage prédétermine. L'accroissement de la résistance mécanique empêche des défauts tels que des ruptures,des
déconnexions ou des courts-circuits imputables a la rup-
ture du fil, au fluage du fil sous l'effet de l'injection de la résine, etc. La figure 5 indique les résistances mécaniques des différents fils d'aluminium contenant les impuretés
mentionnées plus haut.
Sur la figure 5 l'axe des abscisses représente les composés des compositions des fils. Par exemple "0,5 Pd" signifie que le fil est constitué par du Al contenant 0,5 % en poids de Pd. L'axe des ordonnées représente les forces ou charges de traction (g) intervenant lorsque les fils
sont tirés au moyen d'un étrier appliquant une force fixée.
Le diamètre de l'un quelconque des fils était de 30 ym.
En outre le graphique situé à la partie basse de la figure 5 indique les résistances initiales des fils. Le terme de résistances initiales désigne la résistance du fil qui a été tiré à partir d'un lingot d'aluminium et qui n'a subi aucun recuit. Le graphique de la partie supérieure de la figure 5 indique les résistances des fils après le recuit. Ici le terme de "recuit' signifie que le fil 6 est soumis à titre d'exemple à l'action d'une température de 400 C à 500 C pendant 2-10 minutes. La résistance du
fil 6 diminue en raison du recuit.
Les auteurs à la base de l'invention ont éta-
bli que la résistance initiale du fil doit être égale à au moins 20 grammes (g) pour le fil possédant un diamètre
de 20 microns.
La résistance non inférieure à 20 g est requi-
se lorsque le lingot d'aluminium est étiré pour former le fil d'aluminium, lorsque le soudage à boule écrasée est exécuté en utilisant l'outil de soudage de la figure 4,
et ainsi de suite. Le fil, dont la résistance est inférieu-
re à 20 g, est susceptible de se rompre.
Conformément à la découverte effectuée par
les auteurs à la base de la présente invention, la fiabi-
lité d'un dispositif à semiconducteurs est affectée par le fait indiqué plus haut que la résistance du fil est
réduite par le recuit.
Le recuit effectué à 400-500 C pendant 2-
10 minutes, mentionné précédemment, est inévitable pour des dispositifs à semiconducteurs scellés avec des bottiers en céramique. et incluant un dispositif à semiconducteurs représenté sur la figure 6. C'est-à-dire que, quel que soit l'agent de scellement 16 qui puisse être utilisé, la température et l'intervalle de temps nécessaires pour le scellement prennent des valeurs absolues ou des valeurs
proches de ces valeurs.
Par exemple, dans le cas o l'on utilise en tant qu'agent de scellement 16 un verre à bas point de ramollissement, les conditions de scellement sont 400-
5000 C et 2-10 minutes; dans le cas oO l'on adopte un scel-
lement utilisant une fritte de verre, les conditions de scellement sont 400-500 C et 2-10 minutes de façon analogue dans le cas o l'on utilise de l'or-étain (Au-Sn) pour réaliser le scellement du dispositif à semiconducteurs avec un capot métallique, les conditions de scellement
sont 200-300 C et 2-10 minutes.
Par conséquent il se produit inévitablement un recuit du fil d'aluminium. Alors la température indiquée ci-dessus devient le point de recristallisation, qui dépend également des matériaux du fil, pour le fil d'aluminium,
ou une température proche de ce point de recristallisation.
Conformément aux études effectuées par les auteurs à la base de la présente invention, la résistance du fil avant le recuit dépend de l1usinabilité du fil et du matériau de ce dernier. Par ailleurs la résistance du
fii après le recuit dépend uniquement du matériau du fil.
Il ne dépend pas de l'hystérisis du fil étant donné que ce dernier a été recuit a la température proche du point de recristallisation. En outre la résistance du fil après le recuit, c'est-à-dire apres le scellement, doit être égale à au moins 6 g pour un diamètre de 30 rm. Le fil, dont la résistance est inférieure à 6 g, est susceptible
de se rompre.
Sur la figure 6, la référence 14 désigne une base en céramique et la référence 15 un capuchon.o -Dans le dispositif à semiconducteurs utilisant le bottier céramique, on choisit le fil en tenant compte des résistances des fils avant et après le recuit. Dans un dispositif & semiconducteurs moulé dans la résine, la température de scellement est comparativement aussi basse qu'environ 170-180 C et par conséquent la résistance du
fil s'abaisse d'une certaine quantité après le recuit.
Par conséquent la résistance du fil après le recuit ne pose souvent pas de problème. Cependant, en particulier lorsque l'on recherche l'obtention d'une fiabilité élevée, il faut considérer les résistances du fil avant et après
le recuit.
* Lorsque l'on ajoute en supplément soit du
magnésium, soit du manganèse, soit du silicium au fil d'alu-
minium contenant soit du nickel, soit du fer, soit du pal-
ladium, on obtient un fil dont la résistance à la corrosion est élevée et dont la résistance mécanique est améliorée
comme cela est indiqué sur la figure 5.
Comme cela ressort de la figure 5, en particu-
lier le fil contenant du palladium ou du magnésium possède une résistance élevée à la rupture. De même la résistance a la rupture est élevée lorsque du silicium, du manganèse ou du magnésium sont contenus dans le fil, en supplément
du paladium ou du magnésium.
Un filtre en aluminium contenant du fer et du magnésium, un fil en aluminium contenant du nickel et
du magnésium et un fil en aluminium contenant du palla-
dium et du magnésium ont des caractéristiques particulié-
rement excellentes.
En ce aui concerne le fil d'aluminium contenant 1,5 % en poids de magnésium et 0,1 % en poids de nickel (Al-l,5 Mg-0,1 Ni) et le fil d'aluminium contenant 1 %
en poids de manganèse et 0,1 % en poids de nickel (A1-
1 Mn-0,1 Ni) répertoriés dans le tableau 2, le premier de ces fils possède une résistance a la rupture, qui est supérieure au second, bien que ces deux fils possèdent des caractéristiques excellentes semblables du point de
vue de la résistance à la corrosion.
C'est-à-dire que le fil d'aluminium contenant du magnésium et du nickel est excellent à la fois du point de vue de la résistance à la corrosion et du point de vue
de la résistance mécanique.
Conformément aux études effectuées par les auteurs a la base de la présente invention, il est recom- mandé de régler la résistance mécanique dans une gamme appropriée, pour laquelle le magnésium, le manganèse et le silicium sont contenus dans l'aluminium dans une gamme
comprise entre 0,5 % en poids et 3 % en poids.
Dans le cas d'un fil qui est constitué par une composition de matériaux recristallisés, a savoir un fil qui a été recuit & des températures situées dans une gamme allant depuis au moins le point de recristallisation du fil jusqu'au point de recristallisation + 150 C environ,
on forme une boucle d'une manière très favorable, et l'ap-
parition de défauts tels qu'un court-circuit entre une prise et des fils peut être empêchée, outre le fait que
la résistance à la rupture est accrue.
Lorsque le fil 6 est un fil d'aluminium qui contient du nickel et l'un quelconque des éléments que sont le magnésium, le manganèse et le silicium, la dureté Vickers de la boule 6a prend une valeur telle qu'indiquée
sur la figure 7.
Sur la figure 7, l'axe des ordonnées représen-
te la dureté Vickers et l'axe des abscisses représente chaque composé dans le fil ou la composition de chaque matériau. La dureté Vickers de chaque matériau est indiquée
de telle sorte que la valeur de par exemple A1 est 18.
En outre "0,5 Ni" désigne le fil constitué par du A1 conte-
nant 0,5 % en poids de Ni.
Les auteurs à la base de la présente invention ont répété des expériences concernant les relations entre la dureté de la partie d'aluminium en forme de boule 6a, le pourcentage (%) d'apparitions d'un décollement entre le fil de connexion 6 et le plot ou la plaque d'aluminium et le pourcentage (%) d'apparitions d'endommagements
de la soudure ou de la fixation, se traduisant par l'appari-
tion de fissures dans une couche de bioxyde de silicium située au-dessous de la plaque d'aluminium 5. On a alors obtenu le résultat tel quereprésenté sur la figure 8. Une valeur admissible pour le pourcentage
d'apparitions de défauts dans la soudure est égale à envi-
ron 10 %. Compte tenu de ceci, on voit d'après la figure
8 que le pourcentage d'apparitions d'un décollement (indi-
qué par des repères x) est élevé lorsque la dureté Vickers
est inférieure à environ 30. En outre le pourcentage d'appa-
ritions des endommagements de la liaison ou de la soudure (repérés par des repères o) est élevé lorsque la dureté Vickers est supérieure à environ 50. Comme gamme optimale on choisit en particulier une gamme de duretés Vickers
comprise entre 35 et 45.
C'est-à-dire que chaque fil 6 conforme à la présente forme de réalisation est choisi de telle sorte que la dureté Vickers (Hv) de la boule dans l'opération de soudure a boule écrasée, peut se situer dans la gamme
allant de 35 à 45 comme indiqué sur la figure 7.
Les compositions du matériau des fils 6 tom-
bant dans cette gamme optimale de duretés, sont diverses.
A titre d'exemples des compositions de fils en alliage d'aluminium aptes à permettre le soudage à boule écrasée le plus favorable, on mentionne un composé contenant 1 % en poids de nickel et 0,5 % en poids de manganèse, un composé contenant 1 % en poids de nickel et 1 % en poids de manganèse, un composé contenant 0,5 % en poids de nickel et 1 % en poids de manganèse, un composé contenant 0,01%
en poids de nickel et 1,5 % en poids de magnésium, un com-
posé contenant 1,7 % en poids de magnésium, 0,3-0,5 % en poids de nickel et 0,3 % de fer, un composé contenant 2 % en poids de nickel et un - 2 % en poids de silicium, etc. Les auteurs a la base de la présente invention ont étudié ces résultats expérimentaux. Il s'est avéré que le Ni contribue de façon essentielle à l'amélioration de la résistance à la corrosion, tandis que le Mg, le Mn ou le Si ont une contribution essentielle permettant de
régler la dureté. Il s'est également avéré que le Ni n'al-
tère pas les effets de réglage de dureté grâce au Mg, etc,
tandis que, au contraire, le Mg, etc ne réduit pas l'accrois-
sement de la résistance à la corrosion qui est lié au Ni.
Il s'est également averé que le Ni et le Mg, ou le Mn ou le Si coexistent de facon stable dans le Al sans altérer
les caractéristiques mécaniques et électriques du fil.
Conformément à l'invention décrite dans la
présente demande, on obtient les effets indiqués ci-après.
En utilisant un fil d'aluminium contenant au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant 0,05 à 3 % en poids de fer et 0,05 à 3 % en poids de palladium,
de l'hydrogène atomique (H) ne peut pas pénétrer à l'inté-
rieur du fil par l'intermédiaire de la limite entre les
grains d'aluminium du fil, par suite d'une action catalyti-
que que présente un tel élément, si bien que la résistance
du fil à l'humidité peut être accrue.
En utilisant un fil d'aluminium contenant au moins un élément choisi parmi le groupe incluant 0,05 à 3 % en poids de nickel, 0,05 à 3 % en poids de fer et 0,05 à 3 % en poids de palladium et au moins un élément choisi dans le groupe comprenant 0,5 a 3 % en poids de magnésium, 0,5 à 3 % en poids de manganèse et 0,5 à 3 %
en poids de silicium, il est possible d'accroître la résis-
tance mécanique du fil en même temps que sa résistance
à l'humidité, et l'apparition de défauts tels qu'une décon-
nexion et un court-circuit imputables à la rupture du fil, au fluage du fil sous l'effet de l'injection d'une résine,
etc, peut être empêchée.
Même lorsque l'on applique un fil, dont le composant principal est de l'aluminium, à un dispositif à semiconducteurs moulé dans la résine, il est possible
d'obtenir une fiabilité élevée. Ceci rend possible d'uti-
liser de façon efficace l'avantage du faible coût du fil à base d'aluminium. La technique de soudage & boule écrasée d'un fil d'aluminium peut être aisément appliquée à un dispositif
à semiconducteurs moulé dans la résine.
La résistance du fil à la rupture après seule-
ment avec un boîtier est réglée à environ & 6 grammes ou au-dessus pour le fil possédant un diamètre de 30 microns,
ce qui a pour effet d'empêcher la rupture du fil et d'amé-
liorer la fiabilité du produit.
La résistance d'un fil à la rupture avant
le scellement dans un boîtier est réglée à environ 20 gram-
mes ou plus pour le fil possédant un diamètre de 30 microns, ce qui permet de garantir d'une manière suffisante des
résistances nécessaires pour le c&blage, etc, et une décon-
nexion peut être empêchée.
Dans le cas o le matériau du fil a été recris-
tallisé, on peut mettre normalement le fil sous la forme d'une boucle et des défauts tels qu'un court-circuit peuvent être empêchés, en-dehors d'une résistance suffisante à
la rupture.
En choisissant correctement le matériau d'un fil, il est possible de régler la résistance du fil à la
rupture à une valeur prédéterminée ou à une valeur supérieu-
re et en-dehors de cela, il est possible d'améliorer la résistance à la corrosion et la résistance mécanique du
fil.
Etant donné qu'un fil d'aluminium contient du nickel et que sa partie en forme de boule possède une dureté Vickers comprise entre 35 et 45, il est possible d'accroître la résistance du fil à la corrosion et en outre la résistance du fil pour le soudage peut être garantie
de façon suffisante et l'aplatissement excessif de la par-
tie en boule ainsi que tout endommagement à un plot ou à une plaque de connexion peuvent être empêchés, si bien que la fiabilité est accrue. Etant donné qu'un fil contient de l'aluminium comme composant principal, son- utilisation permet de réduire fortement les coûts comparativement &
un fil d'or.
La soudure à boule écrasée d'un fil, dont
le composant principal est de l'aluminium, peut être effec-
tuée d'une manière stable et aisée, et la caractéristique de faible coût, qui est l'un des avantages du fil & base
d'aluminium, peut être mise à profit.
L'usinabilité ou le traitement d'un fil, dont le composant principal est l'aluminium, peut être facilité
]5 grâce au réglage d'une dureté appropriée de la boule.
Dans un fil qui possède une des capacités excellentes de soudabilité et qui possède également une
excellente résistance a la corrosion, la résistance mécani-
que et la résistance à la rupture peuvent être obtenues
grâce à un choix approprié du matériau du fil.
Bien que, ci-dessus, l'invention ait été dé-
crite concrètement en liaison avec les formes de réalisa-
tion indiquées, il va sans dire que la présente inven-
tion n'est en aucune manière limitée aux formes de réali-
sation précédentes et qu'elle peut faire l'objet de diffé-
rentes variantes sans pour autant sortir du cadre de l'in-
vention. Par exemple la composition du matériau d'un fil n'est pas limitée à celles mentionnées plus haut, mais
il est possible d'utiliser d'autres compositions diffé-
rentes. *La résistance d'un fil à la rupture varie
en fonction de son diamètre. A ce sujet, la présente inven-
tion n'est pas limitée uniquement à un fil possédant un diamètre de 30 microns, mais s'applique également & des
fils possédant différents diamètres, moyennant une égali-
sation de la résistance a la rupture par unité de surface.
Un fil d'aluminium conforme à la présente invention est efficace non seulement lors de la mise en oeuvre du soudage à boule écrasée, mais également dans
le cas du soudage ultrasonique usuel utilisant un coin.
Avec un fil qui a été recristallisé au moyen d'un recuit à des températures situées dans une gamme allant par exemple du point de recristallisation d'un alliage d'aluminium jusqu'à ce point de recristallisation + 150 C, la formation en boucle normale sans pliage du fil est mieux garantie. Dans ce qui précède, l'invention a été décrite
essentiellement en rapport avec le cas o elle est appli-
quée à un dispositif à semiconducteurs utilisant un boitier ou module du type DILP, c'est-à-dire à double rangée
de connexionsen ligne, comme domaine de base de son uti-
lisation. Cependant la présente invention n'est pas limitée à ce dispositif à semiconducteurs, mais peut être largement appliquée à des dispositifs à semiconducteurs utilisant différents boîtiers, comme par exemple des dispositifs
du type connu sous l'appellation "SURDIP", de type à cérami-
que stratifiée et le type support de microplaquettes, tant que l'on utilise un fil contenant de l'aluminium comme
composant principal.
21 2 2561446

Claims (8)

REVENDICATIONS
1 - Dispositif à semiconducteurs, comportant une pastille (3) des fils (6) et des parties extérieures conductrices (1) qui sont raccordées à ladite pastille au moyen desdits fils, caractérisé en ce que chaque fil contient du nickel et possède une partie en forme de boule (6a) possédant une dureté Vickers comprise entre et 45 et formée au moins à l'une desdites extrémités
de chaque fil (6).
2 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 1, caractérisé en ce que ledit nickel est contenu en
une proportion égale à au moins 0,75 % en poids.
3 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 2, caractérisé en ce que chaque fil (6) contient au moins un élément choisi parmi le groupe incluant 0,5 à 3 % en poids de magnésium, 0,5 à 3 % en poids de manganèse et
0,5 à 3 % en poids de silicium.
4 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 1 %
en poids de nickel et 0,5 % en poids de manganèse.
- Dispositif à semiconducteurs selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que chaque fil (6) contient
1 % en poids de nickel et 1 % en poids de manganese.
6 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 0,5 %
en poids de nickel et 1 % en poids de manganèse.
7 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 1,7 % en poids de magnésium, 0,5 % en poids de nickel et 0,5 %
en poids de fer.
8 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendica-
tion 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 2 %
en poids de nickel et 2 % en poids de silicium.
9 - Dispositif à semiconducteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 2 % en poids de nickel et 1% en poids de silicium.
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- Dispositif à semicondicteurs selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque fil contient 0,1 % en poids de nickel et 1,5 % en poids
de magnésium.
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GB2155036B (en) 1988-11-09
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