JP2015144199A - 半導体装置 - Google Patents

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政信 末石
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Abstract

【課題】エポキシ樹脂と銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を、安価に提供する。

【解決手段】本発明の半導体装置は、半導体チップ上に形成された電極パッドにボンディングワイヤが接続された構造がモールド層中に封止された構成を具備する半導体装置であって、電極パッドは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）を含む合金で形成され、ボンディングワイヤは、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成され、モールド層は、ハロゲン含有の樹脂材料で構成されている。また、ボンディングワイヤの表面に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはこれら合金からなる表面層を形成されている。

【選択図】図１

Description

本発明は、モールド層中にボンディングワイヤが接続された構造を具備する半導体装置に関する。
例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子（スイッチング素子）が形成されたパワー半導体チップが使用される際には、この半導体素子を長期間にわたり安全に、かつ高い信頼性をもって使用するために、半導体チップがモールド層中に封止された形態の半導体モジュール（半導体装置）とされる。この場合、半導体チップ上の電極パッドとリード端子となるリードフレームとがボンディングワイヤで接続され、このリードフレームがモールド層から突出する形態とされる。
こうした半導体装置の具体的構成は、例えば特許文献１に記載されている。図１は、この半導体装置の断面図である。この半導体装置においては、半導体チップ１１がダイパッド２１（リードフレーム）にはんだ等（図示せず）によって接合されて搭載されており、ダイパッド２１の両側には、リード端子（リードフレーム）２２、２３が配される。ダイパッド２１、リード端子２２、２３は銅等からなる金属板で一体成型されて製造されて構成され、これらは製造工程の途中においては図示された範囲外で結合されている。
半導体チップ１１の上面には、電極パッド１２、１３が設けられ、これらは半導体チップ１１内に形成された半導体素子の電極端子と接続される。電極パッド１２はリード端子２２と、電極パッド１３はリード端子２３と、それぞれボンディングワイヤ３０で接続される。半導体チップ１１の上面における電極パッド１２、１３が形成された以外の箇所は、ポリイミド層１４で覆われている。ボンディングワイヤ３０の端部には略球状とされたイニシャルボール３１が形成され、このイニシャルボール３１が電極パッド１３等と直接接合される。
図１の構造においては、半導体チップ１１（電極パッド１２、１３を含む）、ダイパッド２１、ボンディングワイヤ３０は、樹脂材料（封止樹脂）で構成されたモールド層４０中に封止され、このモールド層４０の左右において、リード端子２２、２３がそれぞれ突出し、この半導体装置のリードとして使用される。モールド層４０によって、この半導体装置の耐環境性（耐湿性等）、耐衝撃性等が確保され、かつ半導体素子の電極端子間の絶縁性も確保される。
この半導体装置を製造する際には、まず、図１の構造においてモールド層４０のみが形成されていない形態の構造体を製造する。このためには、ダイパッド２１の上に半導体チップ１１を搭載してから、電極パッド１２、１３とリード端子２２、２３とをボンディングワイヤ３０で接合して、この構造体を製造する。その後、例えばトランスファーモールド等の方法を用いて、熱硬化製樹脂等でモールド層４０を形成する。その後、図１に示されるように、ダイパッド２１、リード端子２２、２３を分離することによって、半導体装置（半導体モジュール）が得られる。
この構造の半導体装置の高温保管時における信頼性は、ボンディングワイヤ３０と電極パッド１２（１３）、リード端子２２、２３との間の接合特性に影響を受ける。ここで、リード端子２２、２３が厚い金属板で構成される一方で、電極パッド１２、１３は、半導体素子が形成された半導体チップ１１上に薄い絶縁層等を介して形成される。このため、ボンディングワイヤ３０を電極パッド１２、１３に接合する際の条件（印加圧力等）においては、ボンディングワイヤ３０をリード端子２２、２３に接合する際の条件と比べて、その許容範囲が狭くなる。このため、一般には、ボンディングワイヤ３０と電極パッド１２、１３との間の接合特性が信頼性に与える影響が大きくなる。
図２にボンディングワイヤ３０と電極パッド１２（１３）との接合部近辺を拡大して示すように、接合直後においては、ボンディングワイヤ３０と電極パッド１２（１３）との間に、これらを構成する材料を主成分とした薄い合金層１５が形成される。ボンディングワイヤ３０（イニシャルボール３１）と電極パッド１２（１３）の間の接合特性は、この合金層１５によって大きく左右される。この合金層１５が形成されるために、ボンディングワイヤ３０と電極パッド１２（１３）とが接合される。
しかしながら、特許文献１には、高温保管時において、この合金層１５が成長することによって、接合強度が低下する、抵抗が上昇する等の問題が発生することが記載されている。更に、モールド層４０中に含まれる物質（特に臭素等のハロゲン）がこの合金層１５を腐食させることによって、合金層１５中にボイドや高抵抗層を形成させることが、接合強度の低下や抵抗の上昇をもたらすことも記載されている。ボンディングワイヤ３０の材質としては、金（Ａｕ）や、これよりも安価である銅（Ｃｕ）を主成分としたものが用いられるが、こうした問題は、どちらの場合においても発生する。
こうした状況を考慮し、特許文献１には、モールド層４０を構成する材料をハロゲンフリーとし、かつ電極パッド１２、１３をアルミニウム（Ａｌ）を主成分とし銅（Ｃｕ）を含む合金で構成することが記載されている。また、ボンディングワイヤ３０を、Ｃｕを主成分とし燐（Ｐ）を含む合金で構成して、これらの電極パッド１２、１３、モールド層４０と組み合わせて使用することが特に好ましいことが記載されている。この場合には、合金層１５はＣｕとＡｌを主成分とした合金で構成され、かつその組成は均一ではなく、電極パッド１２（１３）側からボンディングワイヤ３０（イニシャルボール３１）側に向かってＡｌリッチからＣｕリッチとなる。こうした構成の合金層１５が形成されることにより、高温保管時における合金層１５の成長が抑制され、かつハロゲンの悪影響も低減されるために、特に高い信頼性が得られる。ここで、ハロゲンフリーとは、ハロゲン（Ｂｒ等）の濃度が１０００ｐｐｍ以下、更に好ましくは１００ｐｐｍ以下であることを意味する。
特開２００９−１７７１０４号公報
しかしながら、Ｃｕを主成分とするボンディングワイヤを電極パッドに接合するには、ハロゲンを含まないモールド層が必要であり、この構成では、モールド材が高価であり低価格製品への対応が難しい。
例えば、ボンディングワイヤ３０を接続する際には、キャピラリと呼ばれる筒状の部品の中にボンディングワイヤ３０が通される。その後、ボンディングワイヤ３０の先端に高電圧を印加し、アーク放電による発熱によってその先端部を溶融させることによって、その先端部にイニシャルボール３１が形成される。このイニシャルボール３１が電極パッド１２（１３）等に直接接合されて、ボンディングワイヤ３０が接続される。この際、酸化しやすいＣｕを主成分とするボンディングワイヤ３０においては、イニシャルボール３１を形成するための雰囲気に要求される条件が厳しく、例えば還元剤となる水素を導入することが必須とされる。Ｃｕは非常に酸化しやすい材料であるため、イニシャルボール３１を形成する場合のみならず、ボンディングワイヤ３０を電極パッド１２（１３）に接合する際においても、Ｃｕの酸化を抑制する必要があるのは同様である。このため、ボンディング工程の雰囲気に水素を導入することが必須となる。周知のように、水素を含むガスは爆発性があるため、その取り扱いは容易ではなく、ボンディング工程を行うために必要となる設備が大規模となった。
また、Ｃｕは非常に硬い材料であるため、イニシャルボール３１の変形が生じにくく、これを電極パッド１２（１３）等に接合するためには、高い圧力を印加する必要がある。一方で、半導体チップ１１上の電極パッド１２（１３）にこれを接合する際の圧力が高すぎた場合には、半導体チップ１１に形成された半導体素子に損傷を与えるおそれがある。このため、ボンディングワイヤ３０を電極パッド１２（１３）等に接合する際の印加圧力の許容範囲は狭く、その制御も難しかった。
このため、一般的に使用されるエポキシ樹脂（ハロゲン、アンチモン含有）を用いた半導体装置を製造することは困難であった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体チップ上に形成された電極パッドにボンディングワイヤが接続された構造がモールド層中に封止された構成を具備する半導体装置であって、電極パッドは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）を含む合金で形成され、ボンディングワイヤは、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成され、モールド層は、ハロゲン含有の樹脂材料で構成されたことを特徴とする。
また、ボンディングワイヤは、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成され、さらに金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはこれら合金からなる表面層を形成されたことを特徴とする。
本発明は以上のように構成されているので、エポキシ樹脂と銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を、安価に提供することができる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置における、電極パッドとボンディングワイヤとの間の接合部分付近の構造を拡大して示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置（半導体モジュール）の構成は、図１に示されたものと同様である。すなわち、電極パッド１２、１３をその上面に具備する半導体チップ１１が、モールド層４０中に封止されている。この際、ボンディングワイヤ３０及びボンディングワイヤ３０とその電極パッド１２、１３、リード端子２２、２３との接合部も、モールド層４０中に封止される。
ここで、モールド層４０は、一般的なエポキシ樹脂で、ハロゲン、アンチモンが含有した樹脂材料で構成される。この樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化製樹脂等を用いることができる。これによって、図１の構成のモールド層４０を例えばトランスファーモールド法等によって容易に形成することができる。
電極パッド１２、１３は、特許文献１に記載の技術と同様に、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）を含む合金で形成される。ここで、Ａｌを主成分とするとは、Ａｌの含有量が５０％以上９９．９％以下であることを意味する。また、Ｃｕの含有量は０．５％以上８％以下であることを意味する。この電極パッド１２、１３は、例えばスパッタリング等によって半導体チップ１１（Ｓｉ）上に容易に形成することができる。
ボンディングワイヤ３０は、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成される。例えば、線径１０〜７０μｍのＰｄ被覆Ｃｕワイヤが使える。
また、パラジウム（Ｐｄ）めっきの表面に、パラジウムよりも硬度と融点の低い金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはこれら合金からなる表面層を形成する。例えば、１から９ｎｍの超極薄表面層とする。
上記の組み合わせで図１の構成の半導体装置を製造した場合には、特許文献１に記載の技術と同様に、高温保管における高い信頼性が得られる。この理由について、以下に説明する。
特許文献１に記載の技術においては、ボンディングワイヤ３０の主成分をＣｕ、電極パッド１２（１３）の主成分をＡｌとした場合において、ＣｕとＡｌを主成分とする合金層１５が形成される。この合金層１５における厚さ方向の組成分布を最適化することによって、高温保管時の信頼性を高めていた。
これに対して、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成されたボンディングワイヤ３０を用いた場合においては、ＰｄとＡｌを主成分とする合金層１５が形成される。このため、高温保管時における、ＰｄとＡｌを主成分とする合金層１５の成長が抑制されることが好ましいことは明らかである。この点において、ＡｌとＰｄの反応速度が遅いので、Ｐｄは、高温保管時における合金層１５の成長を抑制する。また、ＰｄとＡｌを主成分とする合金層１５は、ＣｕとＡｌを主成分とする合金層１５よりも、ハロゲン（Ｂｒ等）による腐食の影響を受けにくい。ワイヤ表面のＰｄめっきがエポキシ樹脂内のハロゲン成分による化合物成長速度を抑制するためである。
また、ボンディングワイヤ３０にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはこれらの合金をＰｄ表面に極薄く形成することにより、ボンディングワイヤ３０自身や、イニシャルボール３１の酸化が抑制される。
すなわち、上記の組成のボンディングワイヤ３０を用いることにより、特許文献１に記載の技術と同様に、高温保管時における合金層１５の成長、腐食が抑制されるため、一般的な安価なエポキシ樹脂（ハロゲン、アンチモン含有）で樹脂封した半導体装置の高い信頼性が得られる。また、コストも抑制できる。
また、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成されたボンディングワイヤ３０を電極パッド１２（１３）に接合する際に、ＰｄはＣｕと比べて酸化しにくい材料であるため、その雰囲気に還元剤（例えば水素１０％）を含む必要はない。このため、水素を含まない不活性ガス（窒素等）を用いて容易かつ爆発の危険性がなく、安全にボンディング工程を行うことができる。
更に、ＰｄはＣｕと比べて硬い材料であるが、ボンディング工程において、ボンディング時のイニシャルボール３１の形成時には、Ｎ２ガス雰囲気で、放電を数回放電させ（融点が高くなるため）、イニシャルボール３１の表面にＰｄ層を残し、真球とすることができる。作製したボールを超音波熱圧着方式で、熱と超音波と加重のパラメーターを設定し、電極パッド１２（１３）に接合させる。ボンディング装置の設定の許容範囲で可能である。
以上により、上記のボンディングワイヤ３０を用いた場合には、ボンディング工程を容易に行うことができ、接合強度もＣｕワイヤより高くすることができる。
具体的には、例えば、電極パッド１２（１３）を、Ａｌ：９９．５重量％、Ｃｕ：０．５重量％の合金（厚さ５μｍ）で構成し、ボンディングワイヤ３０をＣｕにＰｄを被覆したもの（５０μｍ径）とし、これらの間の接合（イニシャルボール形成を含む）を、２００℃、窒素雰囲気で行うことができる。その後、エポキシ樹脂で、ハロゲン、アンチモンが含有したエポキシ樹脂で樹脂封止を行うことができる。この場合、１７５℃、１０００時間の高温保管後においても、劣化のない接合特性が得られる。
更に、半導体の主流であるＡｕを主成分とするボンディングワイヤを用いる場合と比べると、上記の組成のボンディングワイヤ３０は、より低コストであることも明らかである。
１１ 半導体チップ
１２、１３ 電極パッド
１４ ポリイミド層
１５ 合金層
２１ ダイパッド（リードフレーム）
２２、２３ リード端子（リードフレーム）
３０ ボンディングワイヤ
３１ イニシャルボール（ボンディングワイヤ）
４０ モールド層

Claims (2)

  1. 半導体チップ上に形成された電極パッドにボンディングワイヤが接続された構造がモールド層中に封止された構成を具備する半導体装置であって、前記電極パッドは、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし、銅（Ｃｕ）を含む合金で形成され、前記ボンディングワイヤは、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成され、前記モールド層は、ハロゲン含有の樹脂材料で構成されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ボンディングワイヤは、銅（Ｃｕ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ）めっきで形成され、さらに金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはこれら合金からなる表面層を形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017117832A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 トヨタ自動車株式会社 銅線の接合方法
US10622531B2 (en) 2017-09-28 2020-04-14 Nichia Corporation Light-emitting device
WO2022130906A1 (ja) * 2020-12-18 2022-06-23 ローム株式会社 半導体装置

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