JP2002009218A - 半導体パッケージ及びそのリード端子部材 - Google Patents

半導体パッケージ及びそのリード端子部材

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wire
alloy
semiconductor
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Kazutoshi Ito
和利 伊藤
Takeya Ohashi
健也 大橋
Katsuo Arai
克夫 新井
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、150℃以上の高温領域におい
て、封止樹脂より発生するガスによる腐食に対してNiめ
っきレスでNiめっきしたリード端子と同等の耐食性を有
し、接続信頼性が高い、銅合金からなるリード端子とＡ
ｌワイヤとを備えた半導体パッケージおよびそのリード
端子を提供することにある。 【解決手段】本発明は、Ｃｕ合金のダイ上に搭載された
半導体素子と、前記半導体素子に設けられた電極端子と
リードフレームの接続端子とを接続したAlワイヤと、前
記半導体素子の少なくとも一部を樹脂によってモールド
された半導体パッケージ又はそのリード端子において、
前記ワイヤとリード端子との接続部近傍のリード端子表
面に、Cr、Fe、Mg、Ni、Sn及びZnよりなる群より選択し
た1種の前記接続部を構成する金属よりも卑な金属から
なる金属層を密着させたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規な半導体パッ
ケージとそれに用いるリードフレームに係り、好ましく
は半導体素子上の電極とCu合金リード端子とをAlワイヤ
のボンディングによって電気的に接続したAlワイヤとCu
合金との接合部の腐食を抑制した半導体パッケージとそ
れに用いるリード端子部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体パッケージでは半導体素子で発生
する熱を外部に効率良く放散するため、リードフレーム
材料として熱伝導率の高いCu合金が用いられている。し
かし、Cu合金は大気中で容易に酸化し、その酸化膜厚が
数十Å以上と厚くなるとAlワイヤの超音波ボンディング
が不安定になるという欠点がある。このため、リードフ
レームのワイヤボンディング面にはAlワイヤの接合性を
安定に保つ目的でNiめっきが施されていた。近年、低価
格化のためにリードフレーム上のNiめっき省略しためっ
きレスリードフレームの適用が重要課題となっている。
このめっきレスリードフレームを用いた半導体装置の実
装構造は、ワイヤボンディング部が半導体素子側でAlパ
ット/Alワイヤ、リードフレーム側でAlワイヤ/Cu合金リ
ードの組み合わせとなる。そして、ボンディング部の周
囲は高熱伝導タイプのエポキシ樹脂で覆われている。従
来、ワイヤボンディング部の信頼性の向上に関する技術
として、リードフレームの材質に関するものが多く、例
えば特開平8-78459号公報に記載のように、リードフレ
ームはCuを主成分としたCu-Zr合金又はCu-Cr合金で構成
することにより、ワイヤボンディング部の信頼性を高め
る方法あるいは特願平9-183620号公報に記載のようにリ
ードフレームの接続端子部に耐酸化性あるいは耐食性に
優れたCu合金皮膜を形成し、ワイヤボンディング部の信
頼性を高める方法等が提案されている。更に、特開平8-
78459号公報にはリードフレームの外部リードのボンデ
ィングワイヤとの接続部部分に卑な金属を形成して防食
することが記載されている。特開平3-169057号公報に
は、銅合金のリードフレームと半導体素子の電極パッド
部とを金ワイヤによって接続する際にリードフレーム上
に卑な金属を設けることが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術はリードフレームの材質に関するもので、リード
フレームの価格の点には全く配慮されておらず、場合に
よってはNiめっきリードフレームより高いなど実用性の
点で難点があった。また、消費電力1〜100W級の半導体
製品は自動車制御用などの使用環境がより厳しい条件で
の用途が拡大する傾向にあり、高温での高い信頼性が要
求されている。このように、半導体パッケージでは低コ
ストで高温領域での高い信頼性のある製品の開発が望ま
れている。又、特開平3-169057号公報においては、Ａｌ
ワイヤと銅合金からなるリード端子との接続及び卑な金
属について具体的な金属が示されていない。
【０００４】本発明の目的は、150℃以上の高温領域に
おいて、封止樹脂より発生するガスによる腐食に対して
NiめっきレスでNiめっきしたリード端子と同等の耐食性
を有し、接続信頼性が高い銅合金からなるリード端子と
Ａｌワイヤとを備えた半導体パッケージおよびそのリー
ド端子部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、Cu合金のダイ
上に半導体素子を搭載し、該半導体素子上の電極パッド
とCu合金からなるリード端子とをＡｌワイヤを用いてボ
ンディングし、半導体素子の少なくとも一部を封止する
樹脂とを備えた半導体パッケージにおいて、前記リード
端子のＡｌワイヤ接続部近傍にFe、Mg、Ni、Sn及びZnの
金属群より選択した1種の前述のＣｕ合金およびＡｌワ
イヤよりも卑な金属からなる金属層を設けたことを特徴
とする。卑な金属として、特にSn及びZnが好ましい。前
記卑な金属は少なくともリード端子とＡｌワイヤとの接
続部近傍のリード端子表面に所望の大きさの蒸着、スパ
ッタリング又は厚さ１０〜２００μｍの箔を接続部に接
触しないように設けるものである。箔は剥離しないよう
に機械的に押圧して密着させて設けられる。
【０００６】又、本発明は、樹脂封止型の半導体パッケ
ージにおいて、モールド樹脂にほう酸亜鉛を含有させる
ことによっても達成できる。前記ほう酸亜鉛の含有量は
モールド樹脂全体に対し、10〜50容量部の割合で含有さ
せるのが好ましい。
【０００７】本発明は、Ａｌワイヤとの接続部近傍に予
め、Fe、Mg、Ni、Sn、Znよりなる群より選択した1種の
金属層を形成したCu合金から成る半導体パッケージ用リ
ード端子部材にある。
【０００８】即ち、本発明は、１５０℃以上の高温に晒
されたときに発生するガスに対するAlワイヤとCu合金リ
ード端子との接続部における腐食を特定の卑な金属を設
けること又は、封止樹脂中にほう酸亜鉛を含有させるこ
とにより、ガルバノ電池作用によって犠牲陽極として機
能し、銅合金リード端子とＡｌワイヤとの接続部を構成
する金属がカソード防食され、リード端子の腐食を著し
く抑制されると共に、Ａｌワイヤとリード端子との接続
に対して高信頼化を図ることができることを見出しなさ
れたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】（実施例１）発明者等は、樹脂封
止型半導体パッケージが高温下で長時間放置すると不良
品が発生するので、この解決のため、先ずその原因につ
いて検討した。半導体パッケージの一種であるパワート
ランジスタでCu合金からなるリード端子にAlワイヤを接
合した状態で高温に放置し、接合強度の変化を調べた。
図１は９０°ピール強度と１６０℃℃の高温で加熱した
放置時間との関係を示す線図である。接合強度は放置時
間500ｈで最小となり、以後は上昇する傾向を示した。
これは接合部の金属間化合物がある厚さになるまでは金
属間化合物自体の強度まで低下するが、それ以後は低下
せず、拡散あるいは残留応力の緩和によって強度が上昇
するためと推測される。すなわち、時間と共に不良発生
率が増加する従来の傾向とは一致せず、不良発生には別
の要因が作用しているものと考えられた。そこで、モー
ルド樹脂から発生するガスが接合界面に何らかの作用を
及ぼしているのではないかと考え、高温放置している雰
囲気中に樹脂から出るガスを導入し、接合強度の変化を
調べた。図２は樹脂の有無による１６０℃で５００時間
加熱後の９０°ピール強度を示す図である。樹脂の種類
によって強度低下にレベルに差があるものの、樹脂が無
い場合に比較して樹脂が有る場合にはいずれも強度の低
下が著しいことがわかった。このことから、高温放置に
おける不良の発生原因は、樹脂から出るガスの作用によ
って接合強度が大きく低下したものと考えられた。
【００１０】以上の結果から、めっきレスで高温信頼性
の高い半導体パッケージを作るにはCu合金リード端子と
Alワイヤの接続部に、接合部を構成する金属よりも卑な
金属層を設けることによって、ガス発生による接合部が
防食できると考えた。そこで、パワートランジスタのCu
合金リード端子とAlワイヤを接合し、接合部にAl及びCu
合金よりも卑な金属層を電気的に接触させて、樹脂から
出るガス雰囲気中に曝して強度を調べた。図３は樹脂が
存在し、卑な金属層を有するときの１６０℃の高温に放
置した９０°ピール強度を示す図である。Al/Cu合金接
合部にZn、Mg及びFeを接触した場合は樹脂の無い場合と
同等レベルの強度が得られた。実際にモールドと半田め
っき処理まで行った製品レベルのパッケージを高温放置
した結果、本発明を用いたパッケージでは高温放置によ
る接合部の断線不良が175℃-2000hで認められず、従来
パッケージに比べて著しい高温信頼性の向上が確認され
た。この現象は、Al/Cu接合部に電気的に接触している
卑金属がガルバノ電池作用によって犠牲陽極として機能
し、接合部がカソード防食されたものと考えられる。
【００１１】（実施例２）図４は、以上の検討をベース
とした本発明の半導体パッケージの断面図である。本実
施例は1〜50W級パワートランジスタパッケージの一構造
例であり、図４(Ａ)は半導体の断面図、(Ｂ)は（Ａ）の
平面図及び、（Ｃ）は（Ａ）のＡｌワイヤをボンディン
グした部分を拡大した拡大図である。リード端子1、2、
ダイ7及びダイリード8は0.12％Snを有するＣｕ合金（12
SnOFC）で構成されている。トランジスタチップ5の裏面
にはTi、Ni、Agが層状に順次メタライズされ、ダイ7に
半田6で裏面全面が接合されている。樹脂9は高熱伝導タ
イプのもので、石英粉とエポキシ樹脂を混合したもので
ある。ボンディングワイヤ3、4の材質はNiを０．０５％
以下、好ましくは１０〜２００ｐｐｍ含むＡｌ合金から
なり、直径125μmのソフトタイプであり、超音波振動を
加えながら、めっきレスのリード端子に接合される。チ
ップのサイズは4mm角で、パットサイズは350μm×600μ
mである。また、リード側の接合部端子サイズは1mm×1.
5mmである。本発明はリード端子部の防食のためにリー
ド端子1、2上の接続部に、本実施例では所望の大きさの
Ｚｎの保護膜10をマスキングして蒸着、スパッタリング
又は、箔を機械的に押圧して密着させて形成したもので
ある。この保護膜10は各ワイヤボンディング部に設け
た。尚、実環境中における金属の耐食性（卑金属と貴金
属との関係）は次のような関係にある。 (卑)Mg、Zn、Pb、Sn、Co、Ni、Fe、Cr、Al、Cu、Ag、P
d、Ti、Au（貴）。
【００１２】卑金属と貴金属は離れるほど効果は顕著に
なるが、本発明におけるAlワイヤとCu合金リード端子と
の接合部の場合、保護膜10にはFe、Mg、Znが作業性の点
から好ましい。このような組み合わせにより、ガルバノ
電池作用によって卑金属側であるFe、Mg、Znが陽極とし
て機能し、Al/Cu接合部が陰極として機能し、陰極を防
食する。また、図４の構成では保護膜10をAl/Cu接合部
の周辺に設けるものとし、保護膜10の形成法として予め
保護膜を形成したCu合金リード端子を用いても良いし、
ワイヤボンディング後に保護膜10を形成しても良い。保
護膜10の形成法としてはめっき、蒸着、スパッタ等によ
り形成する。保護膜10の厚さは前述の通りであるが、半
導体パッケージの使用される環境を考慮し、決められ
る。
【００１３】（実施例３）図５は本発明の他の例を示す
半導体パッケージの断面図である。本実施例は、Alワイ
ヤとCu合金リード端子との接合部近傍の全表面に卑な金
属としてＺｎの保護膜10をマスキングして蒸着によって
約１０μｍの厚さで設けたものである。この構成ではAl
/Cuの露出面が保護膜10によって直接に覆われるので、
ガルバノ電池作用による防食効果は最も高くなる。ま
た、実施例として、Cu合金リードフレームの接続端子部
以外のリード1、2の外表面に保護膜10を設けるようにし
ても効果がある。この場合、Al/Cu接合部と保護膜10が
直接的に接していないが、電気的な導通が得られるため
問題ない。
【００１４】（実施例４）図６は本発明の他の例を示す
半導体パッケージの断面図である。本実施例は、モール
ド樹脂９中に、卑な金属から成る保護膜成分を含有させ
たものである。本実施例では、主成分のエポキシ樹脂中
にほう酸亜鉛を含有させた樹脂組成物によって半導体素
子をモールドしたもので、AlワイヤとCu合金リード端子
との接合部ににほう酸亜鉛が接触し、ガルバノ電池作用
によりほう酸亜鉛自身が陽極となり、両者の接合部をカ
ソード防食するものである。表１はモールド樹脂中のほ
う酸亜鉛含有量（容量部）と樹脂特性及び１６０℃の高
温放置劣化特性を調べた結果である。ほう酸亜鉛含有量
が多いと樹脂硬化性及び電気的絶縁性が悪く、ほう酸亜
鉛含有量が少ないと高温放置特性が悪くなるという結果
であった。表から、モールド樹脂中の最適なほう酸亜鉛
含有量は１０〜５０容量部の範囲であることがわかる。
このように、モールド樹脂中にほう酸亜鉛を含有させる
と、Al/Cu接続部の腐食を抑制できるので、ワイヤボン
ディング部の高信頼化を図ることができる。
【００１５】
【表１】 以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本
発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまで
もない。例えば、上記実施例内の複数の組み合わせとす
ることも可能である。
【００１６】ペレットが半田接合される基板は、ヘッタ
に限らず、一般的なリードフレームにおけるタブであっ
てもよいし、また、以上の説明では、主としてその背景
となった利用分野であるパワートランジスタに適用した
場合について説明したが、それに限定されるものでなく
表面実装型の半導体装置の接続部やマイクロ・チップ・
キャリア型の接続部等に適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、樹脂モールドタイプの
半導体パッケージのCu合金リード端子とAlワイヤとが接
続される接続部に、AlとCu合金よりも卑な特定の金属を
リード端子の接続部に密着して設けることにより、接合
部での樹脂から発生したガスによる腐食が抑制される。
従って、１５０℃以上のより高い温度に晒される半導体
パッケージにおけるワイヤボンディング部の高信頼化を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のワイヤボンディング部の高温劣化特性を
示す線図。
【図２】従来のモールド樹脂材とAl/Cu接合部の高温劣
化特性の関係を示す線図。
【図３】本発明の犠牲陽極材をAl/Cu接合部に接触した
場合の高温劣化特性の関係を示す線図。
【図４】本発明の半導体パッケージの一実施例を示す断
面図。
【図５】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図６】本発明の他の実施例を示す断面図。
【符号の説明】 １、2…リード端子、3、4…ボンディングワイヤ、5…ト
ランジスタチップ、6…半田、7…ダイ、8…ダイリー
ド、9…モールド樹脂、10、11…保護膜（犠牲陽極）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/31 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/50 (72)発明者 新井 克夫 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Ｆターム(参考） 4J002 AA001 CD001 DK006 GQ05 4M109 AA01 BA01 EB12 EC02 5F067 AA00 AB01 DC16

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Ｃｕ合金のダイ上に搭載された半導体素子
    と、該半導体素子に設けられた電極端子とＣｕ合金のリ
    ード端子とを電気的に接続したAlワイヤと、前記半導体
    素子の少なくとも一部を封止する樹脂とを備えた半導体
    パッケージにおいて、前記ワイヤとリード端子との接続
    部近傍のリード端子表面に、Fe、Mg、Ni、Sn及びZnより
    なる群より選択した1種の金属からなる卑な金属層を密
    着させたことを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 【請求項２】前記卑な金属層の厚さは５〜２００μｍで
    あることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケー
    ジ。
  3. 【請求項３】前記卑な金属層はスパッタリング、蒸着又
    は、箔であり、該箔は前記リード端子表面に押圧接着さ
    れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導
    体パッケージ。
  4. 【請求項４】Ｃｕ合金のダイ上に搭載された半導体素子
    と、前記半導体素子に設けられた電極端子とリード端子
    とを接続したAlワイヤと、前記半導体素子の少なくとも
    一部を封止した樹脂とを備えた半導体パッケージにおい
    て、前記樹脂にほう酸亜鉛が含有されていることを特徴
    とする半導体パッケージ。
  5. 【請求項５】前記ほう酸亜鉛はモールド樹脂全体に対し
    て、10〜50容量部の割合で含有させたことを特徴とする
    請求項５に記載の半導体パッケージ。
  6. 【請求項６】前記リード端子は、めっきレス銅合金から
    なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
    半導体パッケージ。
  7. 【請求項７】前記半導体素子は電力容量が１Ｗ以上又は
    電流容量が３Ａ以上であることを特徴とする請求項１〜
    ６のいずれかに記載の半導体パッケージ。
  8. 【請求項８】Cu合金から成り、少なくともＡｌワイヤと
    の接続部近傍にFe、Mg、Ni、Sn及びZnの群より選択され
    た1種の金属層が固着されていることを特徴とする半導
    体パッケージ用リード端子部材。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023063064A1 (ja) * 2021-10-13 2023-04-20 ローム株式会社 半導体装置

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