JP2535687B2 - 金細線の接合方法と半導体装置 - Google Patents

金細線の接合方法と半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金細線を用いた半導体
素子との接合方法および半導体装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】現在、半導体素子の電極とリードフレー
ムとの接合には、金細線を用いたボンディング方法が多
用されている。即ち、金細線先端をアーク入熱で溶融さ
せ、これを凝固させてボール部を形成し、このボール部
をアルミ電極上にボール・ボンディングする方法であ
る。現在の接合技術としては超音波併用熱圧着方式が一
般的である。この様な方法によれば高速性、生産性、作
業性などの向上が可能となり、今後も前記の金細線によ
るボンディング方式が主流であると考えられる。
【０００３】しかし、金細線を用いた場合、半導体素子
上のアルミ電極との接合部の長期信頼性などが問題視さ
れている。例えば半導体素子の高密度実装により使用時
に発生する熱が無視できなくなり、また高温環境で使用
される場合もある。この様な状況下では電極部材である
アルミと金が相互拡散して金属間化合物の生成やボイド
が発生することがあり、これらに起因する接合部で剥離
や電気的導通不良などが生じることが問題として指摘さ
れている。
【０００４】最近、半導体素子の高集積化、薄型化の傾
向により、即ち金細線には長尺化、低ループ化などが要
求されている。半導体素子上の電極とリードフレームと
の接合間の距離としては約３mm以上、ループの最高高さ
としては約１５０μｍ以下を満足させることが望まれる
が、従来の金細線を用いるとこれを達成させることは困
難とされていた。そこで長尺化、低ループ化に対応する
ため、数種の合金化元素を添加した金細線の開発が進め
られ、例えば特開昭６１−２９６７３１号公報や特開昭
６１−１７２３４３号公報などが開示されている。しか
し、元素の添加量が多くなるとボール部が硬化する傾向
にあるため、硬いボール部を電極上に接合すると、ボー
ル部直下の半導体素子にクラックなどの損傷を与えるこ
とが無視できなくなる。損傷を抑える目的で接合条件で
ある荷重や超音波振動などを低くすると、ボンディング
直後の接合強度が低下することになり、樹脂封止時およ
び半導体素子の使用時の信頼性が得られない。
【０００５】従って、金細線とアルミ電極との接合にお
いては、十分な接合強度と接合部の長期信頼性の両者の
要求を満足することが必要とされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、金細線を用
いて半導体素子上の電極部とのリードの接合をボールボ
ンディング法で接合するボール接合部において、半導体
素子が破壊などの損傷を受けることなく接合し、しかも
金細線と電極部との接合部の良好な長期信頼性が得られ
る金細線の接合方法および半導体装置を提供することを
目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】半導体素子の信頼性の評
価の一つである加速加熱試験としては、ボンディング終
了後に樹脂封止した素子の熱処理が一般的である。ま
た、樹脂封止していないボンディング直後の試料を熱処
理して試験する場合には、熱処理雰囲気としては大気
中、あるいはアルミの酸化の影響を考慮して窒素ガスや
アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行った報告が
あり、これらの熱処理を施すと、金ボール部とアルミ電
極との接合強度が減少することが記述されている。そし
て、この熱処理後の接合部断面の観察により、金とアル
ミの相互拡散が進行することによる金属間化合物の成長
やボイドの発生が確認されている。
【０００８】本発明者らは金ボール部とアルミ電極との
接合部を拡散熱処理した断面を観察するために種々の実
験を行った結果、熱処理雰囲気が異なると金属間化合物
の成長やボイドの発生に関して違いが認められることを
知見し、特に真空中で熱処理することにより接合部の長
期信頼性が向上することを確認した。本発明は、この様
な知見に基づくものであって半導体素子上の電極部に金
細線を接合する工程において、金ボール部を電極部に接
合した後、真空中で接合部を１３０〜３５０℃の温度範
囲で０．１〜２０時間加熱することを特徴とする半導体
素子への金細線の接合方法である。
【０００９】金細線を接合した半導体素子の好ましい熱
処理条件としては、半導体素子を１０-1Torr以下の真空
中において１５０〜２５０℃の温度範囲で０．２〜１０
時間加熱することが好ましい。
【００１０】
【作用】以下に、本発明に関する金細線の接合方法につ
いて詳細に説明する。真空中で熱処理した接合部では、
化合物層は均一に成長しており、接合強度の低下を促進
するようなボイドの生成は認められない。しかも接合界
面近傍において拡散層の成長するに従い接合強度は上昇
する傾向を示し、例えば真空中において３００℃で１０
０時間の熱処理を施した試料においても、接合部断面に
ボイドは形成されておらず、接合強度も劣化しない結果
が得られた。
【００１１】大気中および不活性ガス中で熱処理した場
合は、拡散層の成長が不均一で、しかも接合界面近傍に
多数のボイドが生成しており、ボイドの大きさは最大１
０μｍ程度まで成長する。シェアテスト法で測定した破
断荷重は、ボイドの生成・成長するに従い低下する傾向
にあり、その破断面を観察するとボイド部近傍における
破断が認められた。
【００１２】熱処理雰囲気がボール接合界面における拡
散挙動に及ぼす影響を考慮すると、金細線とアルミ電極
との接合部の加熱方法としては、半導体素子を真空中
で、１３０〜３５０℃の温度範囲で０．１〜２０時間加
熱することにより、接合部の長期信頼性を向上させるも
のである。真空度が１０-1Torr以下であれば、接合部の
信頼性の向上が図れる。この熱処理により、接合強度は
ボンディング直後の値（初期接合強度）に対して１０〜
１００％の上昇が図られる。熱処理雰囲気が真空中であ
ることにより、接合強度の低下に寄与するようなボイド
の生成を抑えることができ、アルミ表面の酸化の心配も
ない。加熱温度が１３０℃未満では拡散層の成長速度が
遅いことから、接合強度を上昇させるために必要な加熱
時間が非常に長くなり生産性の面からも現実的ではな
く、一方温度が３５０℃超では半導体素子に及ぼす熱影
響が無視できない。また、加熱時間が０．１時間以上で
接合強度の上昇が認められ、２０時間を越えて加熱して
も接合強度は一定値を示し、それ以上加熱しても強度の
上昇は期待できない。従って、金細線のボール部と電極
との接合部の信頼性を向上させるためには、熱処理する
際の加熱温度および加熱時間について、上記の範囲とす
る。
【００１３】真空熱処理の目的は、接合部の長期信頼性
の向上であり、必ずしも熱処理後の接合強度をある一定
値に達するまで加熱する必要はない。真空熱処理によ
り、拡散層を均一に成長させておけば、後工程および動
作中に任意の雰囲気で加熱されてもボイドの発生が抑制
される。ボイドの発生は拡散初期の接合界面の状態に大
きく左右されるためである。例えば、１５０℃で１時間
だけ真空加熱した接合部の強度の上昇は１０％程度であ
る。しかし、この試料をアルゴン中で３００℃２時間の
熱処理を施すと強度はむしろ上昇する傾向にあり、アル
ゴンガス中だけで熱処理をした場合に観察されたような
ボイドの発生および強度劣化は見られなかった。
【００１４】図１は金とアルミの接合部における熱処理
温度（℃）と熱処理時間ｔ（hr）の関係を示す図であ
り、縦軸は時間ｔの平方根で表した。本発明に係わる熱
処理範囲を図中に斜線部で示してある。曲線は光学顕
微鏡で化合物層の生成が十分に観察される熱処理条件に
相当し、矢印で示したように曲線より高温側または長
時間側の熱処理を施した接合部においては長期信頼性の
向上が認められた。また曲線は熱処理後の接合強度が
１０％以上増加する熱処理条件ともほぼ一致する。アル
ミ膜が薄いことから拡散中に化合物層の成長が停止する
条件を曲線に示した。曲線より高温または長時間の
熱処理を施しても、接合強度の上昇は認められない。従
って、曲線との間の範囲内（太線で囲まれた範囲）
が好ましい熱処理条件であることを示している。
【００１５】真空熱処理した接合部における接合強度
は、金属間化合物層の成長に比例して増加する傾向を示
す。化合物層の層厚Ｘは次式で表される。
【００１６】
【数１】
【００１７】ここで、ｋは比例定数、Ｑは活性化エネル
ギー、Ｒは気体定数、は絶対温度（Ｋ）、ｔは熱処理時
間を表す。金とアルミの接合対における活性化エネルギ
ーＱの値は１８〜２５kcalであると報告されおり、本発
明者らの実験でも約２０kcalの値が得られている。図１
で示した曲線、は、上式においてＱ＝２０kcalとし
たときの曲線とほぼ一致するものである。
【００１８】熱処理が半導体素子に及ぼす熱影響は極力
低く抑える必要があることや生産性などを考慮すると、
加熱温度を低く、また加熱時間を短くすることが望まれ
る。図１より、１５０〜２５０℃の温度範囲で０．２〜
１０時間の熱処理条件（即ち二重斜線の領域）がさらに
好ましい。
【００１９】
【実施例】細線素材としては純度が約９９．９９％以上
の高純度金とし、線径が２５μｍまで伸線加工した細線
を使用した。ボンディングは市販ワイヤボンディング装
置を使用した。細線先端に直径が７０μｍの金ボール部
を形成し、そのボール部を半導体素子上の純アルミの電
極（膜厚：１μｍ）に接合した。ボンディング直後の接
合強度（初期強度）について、シェアテストにより測定
した破断荷重として５０gf前後の値が得られるように接
合条件を設定した。
【００２０】ボンディングした後、真空中あるいはアル
ゴンガスおよび窒素ガス雰囲気中において熱処理した試
料について、さらに信頼性試験により接合部の信頼性を
評価した結果を表１に示す。信頼性試験としては、大気
中において２５０℃で１００時間の熱処理を実施した。
熱処理後にボール接合部の断面を研磨して、光学顕微鏡
あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで観察するこ
とにより、研磨面においてボイドの面積がボール部の断
面積に占める割合をボイドの発生率として、平均発生率
が０〜１％の範囲内の場合を信頼性良好として○で示
し、平均発生率が１〜５％の範囲内の場合と５％以上の
場合をそれぞれ△、×で表示した。信頼性試験後の接合
強度の変化については、２００個の平均シェア強度が初
期強度に対して２０％以上上昇した場合を○で示し、強
度の上昇率が０〜２０％を△、強度が低下したものを×
で示した。
【００２１】
【表１】
【００２２】実施例１〜１９は、本発明に係わる範囲内
において真空熱処理したものであり、真空度、温度、熱
処理時間などが異なる条件の場合である。何れも接合部
断面にボイドは観察されなかった。また、シェア強度の
増加は顕著であり、２０〜１００％程度の範囲内で上昇
しており、接合部の長期信頼性が高い結果が得られた。
比較例１、２は真空熱処理であるが、本発明に係わる熱
処理条件よりも低温あるいは短時間の場合である。シェ
ア強度の上昇は十分でなくボイドも少しではあるが認め
られた。また、図１に破線で示した熱処理条件よりも低
温側または短時間側においては、信頼性試験によりボイ
ドが確認された。比較例３〜１１は熱処理雰囲気として
大気あるいは不活性ガスを用いた場合であり、比較例１
２は拡散促進熱処理をしないでボンディング後に信頼性
試験をした結果であるが、いずれもボイドの発生率は高
く、強度は低下あるいは増加してもその傾向は小さい。
また、本実施例３、６、８の条件で拡散促進熱処理を施
した試料については、信頼性試験として上記の大気中加
熱の代わりに、樹脂封止した状態で熱処理した場合にお
いても、ボイドは見られず、十分な信頼性の結果が得ら
れた。
【００２３】現在の半導体の接合に使用されている金細
線は、所望するループ形状を得るために微量の合金元素
が添加されたものであり、またアルミ電極もシリコンや
銅元素などが添加されたものが多用されている。本実施
例においては、本発明の効果を明確にするために高純度
の金細線と純アルミ電極膜との接合の場合についてのみ
示したが、合金化された金細線およびシリコンや銅元素
などが添加されたアルミ電極膜を使用した場合について
も真空熱処理により同様の傾向を確認した。
【００２４】
【発明の効果】本発明に係わる金細線を半導体素子上の
電極部に接合する方法として、ボンディング後に接合部
を真空中で熱処理して接合界面における拡散を促進する
ことにより、接合部の長期信頼性を向上させるものであ
り、また、本発明の接合方法で金細線を使用した接合部
信頼性の高い半導体製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金細線のボール部と半導体素子上の電極との接
合部について、本発明に関する真空熱処理の条件を斜線
部で示したものである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子上の電極部に金細線を接合す
    る工程において、金ボール部を電極部に接合した後、真
    空中で接合部を１３０〜３５０℃の温度範囲で０．１〜
    ２０時間加熱することを特徴とする半導体素子と金細線
    との接合方法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の方法により、金細線と半
    導体上の電極部とが接合されていることを特徴とする半
    導体装置。
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