JP2016138784A - 半導体集積回路の寿命予測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のチップがワイヤボンディングされている場合でも適切に半導体集積回路の寿命（即ち接合部の寿命）が予測できるようにする。【解決手段】 複数のチップがチップ間ワイヤによりボンディング接続されてなる半導体集積回路の寿命を予測する寿命予測装置に、チップ間ワイヤと同一構成により形成されて、当該チップ間ワイヤの接続形態を模擬する状態探知部と、状態探知部の抵抗値を計測して、該抵抗値の時間変化から半導体装置の寿命を予測する予測部と、を設ける。【選択図】 図４

Description

本発明は、２つ以上のチップがワイヤボンディングされた半導体集積回路の寿命を予測する寿命予測装置に関する。
２つ以上のチップで構成された半導体集積回路が知られている。
このような半導体集積回路では、各チップに形成されたアルミニュームの電極パッドに金のワイヤをボンディングすることで、チップ間の電気的接続が行われている。しかし、アルミニュームと金との接合部分には、金属間化合物（パープルプレーグ）が生じる。この金属間化合物は、高温環境下で成長するため、接合強度の低下や接合抵抗の増大が発生する。
接合強度の低下は、外部振動やモールド樹脂とワイヤとの膨張係数の違い等による応力によって、接合部の剥離原因となってしまう。
このような金属間化合物の成長過程又は成長度合いの直接的な監視は不可能なため、動作異常の発生を待つしかなかった。
このような接合部等における経年的な組成変化の他の例としてエレクトロマイグレーションがある。特開平７−２１８５９５号公報においては、エレクトロマイグレーションによる故障を未然に防止できるように、チップ内に劣化予測素子を設けて駆動させることで、本来の機能素子の劣化度合いを予測できるようにした半導体集積回路が開示されている。
特開平７−２１８５９５号公報
しかしながら、特開平７−２１８５９５号公報にかかる構成では、チップ間を接続する接合状態に関する知見は得られない問題があった。
即ち、特開平７−２１８５９５号公報にかかる劣化予測素子はエレクトロマイグレーションによる劣化を想定して、同一チップ内に設けられているので（異なるチップ間に設けない）、外部振動や各部材の熱膨張係数の違いによる剥離は予測することができない。
そこで、本発明の主目的は、複数のチップがワイヤボンディングされている場合でも適切に半導体集積回路の寿命（即ち接合部の寿命）が予測できるようにした寿命予測装置を提供することである。
上記課題を解決するため、複数のチップがチップ間ワイヤによりボンディング接続されてなる半導体集積回路の寿命を予測する寿命予測装置にかかる発明は、チップ間ワイヤと同一構成により形成されて、当該チップ間ワイヤの接続形態を模擬する状態探知部と、状態探知部の抵抗値を計測して、該抵抗値の時間変化から半導体装置の寿命を予測する予測部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、複数のチップからなる半導体集積回路であっても、接合箇状態の剥離が予測できるようになる。
第１実施形態にかかる寿命予測装置を備えた半導体集積回路の側面図である。 チップ間ボンディングの手順を示した図で、（ａ）はボンディング開始前、（ｂ）はファーストボンディング時、（ｃ）はセカンドボンディング開始前、（ｄ）はセカンドボンディング時、（ｅ）はボンディング終了時を示す図である。 金属間化合物による接合強度の劣化を説明する図で、（ａ）金属間化合物が発生し始めた接合状態、（ｂ）は金属間化合物が成長した接合状態、（ｃ）はカーケンダルボイドが発生した接合状態を示す図である。 状態探知部の構成を説明する斜視図である。 予測部のブロック図である。 第２実施形態にかかるチップ内で温度の高くなる場所の近傍に状態探知部を設けた状態を説明する図である。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態にかかる寿命予測装置４を備えた半導体集積回路２の側面図である。この半導体集積回路２は、２つ以上のチップ１０（図１では２つのチップ１０Ａ，１０Ｂを示す）が、ワイヤで接続され、これを樹脂１４によりモールド成形して形成されている。
以下、チップ間を接続するワイヤをチップ間ワイヤ１１と記載し、リード１３とチップ１０とを接続するワイヤをリードワイヤ１２と記載する。また、チップ間を接続する処理をチップ間ボンディングと記載する。
チップ間ボンディングは、一方のチップ１０Ａに形成された電極パッド１５Ａ（１５）にチップ間ワイヤ１１の一端を圧着し（以下、ファーストボンディングと記載）、当該チップ間ワイヤ１１の他端を他方のチップ１０Ｂに形成された電極パッド１５Ｂ（１５）に圧着する（以下、セカンドボンディングと記載）、処理である。
図２は、チップ間ボンディングの手順を示した図で、（ａ）はボンディング開始前、（ｂ）はファーストボンディング時、（ｃ）はセカンドボンディング開始前、（ｄ）はセカンドボンディング時、（ｅ）はボンディング終了時を示す。
ファーストボンディングとセカンドボンディングとは同じ手順であるが、セカンドボンディングでは、ワイヤの切断が行われるため、ボンディングボールの形状（接合部分の形状）は、ファーストボール１６Ａ（１６）とセカンドボール１６Ｂ（１６）とで異なる。即ち、ファーストボール１６Ａは概ね等しい高さの鏡餅形状になる。一方、セカンドボール１６Ｂは、ワイヤ切断の影響で概ね水滴形状になる。
このようにワイヤ切断の際の力により、ファーストボール１６Ａとセカンドボール１６Ｂとの形状に違いが生じ、この形状に違いは接合部の接合強度にアンバランス状態が発生していることを示している。
ところで、アルミニュームの電極パッドと金のワイヤとが圧着されると、圧着面に金属間化合物（パープルプレーグ）が生成される。そして、金属間化合物が成長すると、カーケンダルボイドが発生する。金属間化合物の成長は、高温ほど大きい。カーケンダルボイドは、接合部が剥離する主要因となる。
従って、半導体集積回路が動作して発熱すると、この熱で金属間化合物が成長し、接合抵抗の増大を経て接合強度の低下をもたらす。
図３は、この金属間化合物による接合強度の劣化を説明する図で、（ａ）金属間化合物Ｋ１が発生し始めた接合状態、（ｂ）は金属間化合物Ｋ１が成長した接合状態、（ｃ）はカーケンダルボイドＫ２が発生した接合状態を示す。
電極パッド１５Ｂのアルミニューム（Ａｌ）とワイヤ１１の金（Ａｕ）とが反応してＡｕＡｌ２が形成され、このＡｕＡｌ２がＡｕ５Ａｌ２の金属間化合物Ｋ１に成長する（図３（ａ））。金属間化合物は、半導体集積回路の動作に伴い成長し（図３（ｂ））、最終的にＡｕ５Ａｌ２が生成されてカーケンダルボイドＫ２が発生する（図３（ｃ））。
このような、金属間化合物Ｋ１の成長度合いは、温度に強く依存するので、チップ１０内で高温になる場所に設けられているチップ間ボンディングの接合状態は、他の場所のチップ間ボンディングの接合状態より早く劣化する。
そこで、本実施形態では、チップ間ボンディングを模擬する寿命予測装置４を設けている。この寿命予測装置４は、状態探知部２０、予測部３０を備える。
図４は、状態探知部２０の構成を説明する斜視図である。状態探知部２０は、アルミニュームの電極パッド２１（２１Ａ、２１Ｂ）に金のワイヤ２２をボンディングして作成されている。即ち、状態探知部２０は、チップ間ボンディングと同じ構成、同じ手順で作成される。
この電極パッド２１は、チップ１０内の配線（図示しない）を経由してリード１３に接続されて、外部から状態探知部２０の抵抗値が測定できるようになっている。
そして、半導体集積回路２の動作に伴う状態探知部２０の抵抗値変化から接合状態を監視する。なお、状態探知部２０は、半導体集積回路２の動作に影響を与えないように、電気的に独立して設けられている。
このような状態探知部２０は、チップ間ワイヤ１１の近傍で、かつ、チップ１０内で温度の高くなる場所に複数設けられている。特に、少なくともセカンドボンディング位置は、当該セカンドボンディングが行われた前記チップ内で、他の場所より温度の高い場所に設定されている。これは、ファーストボールに対して接合力の弱いカンドボールを、最もカーケンダルボイドが発生しやすい位置に形成することを意味している。
予測部３０は、測定器３１、記憶器３２、予測器３３を備える。図５に、予測部３０のブロック図を示す。そして、測定器３１は、状態探知部２０に接続されているリード１３に接続されて、所定時間毎に（常時又は定期的）に状態探知部２０の抵抗値を計測する。この測定器３１で測定された抵抗値は、測定時間と共に計測情報として記憶器３２に記憶される。予測器３３は、記憶器３２から計測情報を取得して、半導体集積回路２の寿命を予測する。
半導体集積回路２の寿命予測は、チップ間ボンディングの抵抗値が、予め設定された許容値に達する時刻を予測することで行われる。例えば、半導体集積回路２の運用を開始した直後に測定した抵抗値を基準値として、経過時間ごとに抵抗値を測定し経年劣化傾向を監視する。そして、許容値（基準値に対して○○％増大）に達する時刻を予測する。このとき、許容値を注意喚起のレベル、交換喚起のレベルとうのように複数設定することも可能である。
以上により、金属間化合物Ｋ１（パープルプレーグ）の成長による接合特性の劣化が予測できるようになる。
なお、上記説明では、金属間化合物の成長は、チップの温度に依存することを述べたが、実際のチップ間ワイヤには電流が流れているため、自己発熱による影響もある。このような自己発熱の影響を取り込んで、高精度の寿命予測を行うために、抵抗値を計測していない時に、チップ間ワイヤには電流が流れている電流を模擬した模擬電流を流しておくことも可能である。
なお、模擬電流を流しているときの電圧から抵抗値を算出しても良い。この構成では、模擬電流を流すため、エレクトロマイグレーションが及ぼす接合状態への影響も取り込めるため、寿命予測精度がさらに向上する利点がある。
＜第２実施形態＞
次に、本発明にかかる第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を用い説明を適宜省略する。
第１実施形態においては、状態探知部２０は、チップ間ボンディングの抵抗値が監視できるように、当該チップ間ボンディングに近接した場所に設けた。しかし、かかる場所に状態探知部２０を形成することが困難な場合もある。また、より温度の高い場所がチップ内に存在するような場合もある。
そこで、本実施形態では、チップ内で温度の高くなる場所の近傍に状態探知部２０を設けることが好ましい。図６はこの様子を示す図である。チップ内で温度の高くなる場所Ｐの近傍に状態探知部２０が設けられているので、スペース的な理由等によりチップ間ボンディングの近辺に設けることができない場合であっても、当該チップ間ボンディングの接合状態をモニタすることが可能になる。
２ 半導体集積回路
４ 寿命予測装置
１０（１０Ａ，１０Ｂ） チップ
１１ チップ間ワイヤ
１２ リードワイヤ
１３ リード
１５（１５Ａ，１５Ｂ），２１（２１Ａ，２１Ｂ） 電極パッド
１６Ａ ファーストボール
１６Ｂ セカンドボール
２０ 状態探知部
２２ ワイヤ
３０ 予測部
３１ 測定器
３２ 記憶器
３３ 予測器
Ｋ１ 金属間化合物
Ｋ２ カーケンダルボイド

Claims (5)

  1. 複数のチップがチップ間ワイヤによりボンディング接続されてなる半導体集積回路の寿命を予測する寿命予測装置であって、
    前記チップ間ワイヤと同一構成により形成されて、当該チップ間ワイヤの接続形態を模擬する状態探知部と、
    前記状態探知部の抵抗値を計測して、該抵抗値の時間変化から前記半導体装置の寿命を予測する予測部と、
    を備えることを特徴とする寿命予測装置。
  2. 請求項１に記載の寿命予測装置であって、
    前記状態探知部は、前記チップに設けられ、かつ、外部との接続端子をなすリードに接続されたアルミニュームの電極パッドに、金のワイヤを圧着して形成されて、前記リードを介して電気抵抗が測定可能に形成されていることを特徴とする寿命予測装置。
  3. 請求項２に記載の寿命予測装置であって、
    前記状態探知部は、最初に圧着された位置をファーストボンディング位置とし、次に圧着された位置をセカンドボンディング位置とした際に、少なくとも前記セカンドボンディング位置は、当該セカンドボンディングが行われた前記チップ内で、他の場所より温度の高い場所であることを特徴とする寿命予測装置。
  4. 請求項３に記載の寿命予測装置であって、
    前記状態探知部は、複数設けられていることを特徴とする寿命予測装置。
  5. 請求項４に記載の寿命予測装置であって、
    前記状態探知部に模擬電流が流せるようにしたことを特徴とする寿命予測装置。
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