JP3537417B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関するものである。
【従来の技術】半導体装置、特に半導体集積回路は、一
般にリードフレームを用いて製造される。リードフレー
ムの典型的な形状を図６に示す。このリードフレーム１
００は全体の強度を確保するための外枠１０１と、この
外枠にタイバー１０２と称される連結部材で連結され、
中央部に設けられるダイパッド部（アイランド部ともい
う）１０３、その周囲に配設された複数のリード１０４
を有している。この複数のリード１０４のダイパッド１
０３側の内端部はダイパッド１０３から離隔しており、
各リードの途中でダムバー１０５と称される連結部材で
外枠１０１と連結されている。ダムバー１０５よりも外
側のリード部分は後述する樹脂封止後外に露出する部分
であり、アウタリード１０４ａと称され、それよりも内
側の部分は樹脂封止される部分でインナリード１０４ｂ
と称される。リードフレームの材料としてはニッケル合
金、コバールなども用いられるが、近年は銅あるいは銅
を主成分とする銅合金などが主流となっている。このよ
うなリードフレーム１００のダイパッド部１０３に半導
体チップを銀ペースト等の導電性接着剤やはんだリボン
等で固着し、この半導体チップ上の電極とリードの内端
部とをワイヤボンディングによりワイヤで接続し、全体
を樹脂で封止し、樹脂封止体の外に残存しているダムバ
ー１０５の切断後、この樹脂封止体より突出したアウタ
リード１０４ａの折り曲げ等の成形を行い、アウタリー
ドの実装時の接続特性を向上させるために通常はんだめ
っき等が施されて半導体装置の完成品を得る。このリー
ドフレームについては、ワイヤとの接続特性、完成品と
してのアウタリードのプリント基板等への接続特性に優
れていることが必要となる。これらの接続特性を劣化さ
せるのはリードフレーム自体の酸化による酸化膜形成で
ある。これは、素材製造・保管工程並びに半導体組立工
程での熱履歴によりリードフレーム表面に生ずる。銅は
電気的特性は良好であるが、酸化しやすいのが欠点で酸
化膜を発生させないように、通常、打ち抜きやエッチン
グ等によるリードフレーム製造直後に防錆被膜が表面に
形成される。この防錆被膜としては、ベンゾトリアゾー
ル（ＢＴＡ）系のものが通常使用される。また、前述し
たように、インナリードと半導体チップとはワイヤによ
り接続される。このワイヤについては長期にわたって腐
食がないこと、展延性に優れ加工が容易であること、大
気中でのボールアップ（ボール化）が容易であることな
どが要求され、これらを満たすものとして金線が通常使
用されている。さらに、このワイヤとインナリードとの
接続の信頼性を向上させるため、インナリードのワイヤ
ボンディング箇所には銀やパラジウム等の貴金属めっき
が施されるのが通常である。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来酸
化防止のためにリードフレーム製造工程でリードフレー
ムに塗布されるベンゾトリアゾール系の防錆剤による被
膜は耐熱温度が高く、良好なダイ並びにワイヤボンディ
ング性を確保するためにはダイボンディング工程で３５
０℃以上の温度をかけて完全に分解させる必要がある。
ワイヤボンディングではこのような高温にはできないた
め、ベンゾトリアゾール系の防錆剤は、ダイボンディン
グ工程で３５０℃以上の温度をかける高温ダイボンディ
ング方式、例えば４００℃付近の雰囲気温度で行われる
はんだダイボンディング方式を採用した半導体装置にし
か適用できなかった。なお、このような防錆剤には種々
の成分が含まれており、そのうちには２００℃台後半で
も分解されるものがあり、このため酸化被膜が一部形成
され、そのような酸化被膜が後の工程で剥離して製造上
悪影響を与えることがある。また、この防錆剤は組立工
程における熱履歴を受けることにより分解して残留物を
生成させるため、樹脂封止工程における樹脂とリードフ
レームの密着性を劣化させ、半導体装置の信頼性の低下
も招いている。一方、半導体装置に対するコストダウン
要求は日増しに強まっているが、前述したような半導体
装置における貴金属のコストのしめる割合はきわめて大
きく、コストダウンの障害となっている。例えば、ワイ
ヤボンディング工程に採用している配線材としての金は
高価であるとともに、市場の価格変動も大きく、金線購
入価格の大半は地金代であるため、コスト削減は限界に
近づいている。他の貴金属についても廃止の努力がなさ
れているが、代替材料や貴金属を使用しない製造方法に
はそれぞれ欠点もあり、決定的なものはない。さらに、
ダイボンディングにおいて使用される銀ペーストは価格
が高く価格変動が懸念される貴金属の銀が使用され、は
んだリボンには鉛が含有されている。鉛は環境問題から
有害物資へ指定されつつあり、使用しないことが望まれ
ており、銀やビスマス（Ｂｉ）などの材料への置換が検
討されているものの、価格面・特性面・作業性において
はんだに勝るものは現時点ではみつかっていない。さら
に、アウタリード（外部リード）には通常Ｓｎ−Ｐｂは
んだめっきやパラジウム（Ｐｄ）めっきが施されてい
る。前述したように、はんだめっきに含有されている鉛
は有害物資へ指定されつつあり、パラジウムは高価な貴
金属であり、いずれも使用を避けることが望まれてい
る。本発明はこのような種々の問題を解決するためにな
されたもので、貴金属を用いることなく高信頼性を得る
ことができ、コストを低減できる半導体装置を提供する
ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体装
置の製造方法の一態様によれば、ダイパッド部とその周
囲に内端が位置するように配設された複数のリードとを
有する銅系リードフレームを準備し、前記リードフレー
ムの表面に非ベンゾトリアゾール系防錆剤を塗布し、１
００〜１３０℃の低温加熱雰囲気中で前記非ベンゾトリ
アゾール系防錆剤を残存させた状態で前記ダイパッド上
に卑金属系ペーストを用いて半導体チップを固着させる
ダイボンディングを行い、前記半導体チップ上の電極と
前記リードフレームのリード内端部とを銅ワイヤを用い
て２５０℃以上の加熱雰囲気中で接続するワイヤボンデ
ィングを行い、リードの一部を除き樹脂で封止して樹脂
封止体を形成し、前記樹脂封止体より突出したリードの
成形を行い、前記樹脂封止体より突出したリードに水溶
性防錆剤を塗布する半導体装置の製造方法が提供され
る。
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につき
詳細に説明する。 図１は本発明にかかる半導体装置の
製造方法の一実施の形態により製造された半導体装置の
一例を示す素子断面図である。この半導体装置１０は、
半導体チップ１１が銅あるいは銅合金のリードフレーム
のダイパッド部１２に固着され、半導体チップ上の電極
とリードフレームのインナリード１３とは銅ワイヤ１４
で接続されている。ここで使用されているリードフレー
ムは銅あるいは銅を主成分とする合金でなる。銅系のリ
ードフレームの材料としては例えば、次のようなものが
知られている（単位は重量％）。 ＫＦＣ：Ｆｅ０．１，Ｐ０．０３，残りＣｕ ＡＬＬＯＹ１９４：Ｆｅ２．４、Ｚｎ０．１２，Ｐ０．
０３，残りＣｕ ＫＬＦ−１：Ｎｉ３．２、Ｓｉ０．７、Ｚｎ０．３，残
りＣｕ ＫＬＦ−１２５：Ｎｉ３．２，Ｓｉ０．７、Ｚｎ０．
３、残りＣｕ。また、銅ワイヤ１３が接続されるインナ
リード部１４には従来のような貴金属めっきは一切行わ
れていない。また、半導体チップ１１をダイパッド部１
２に固着するダイボンディングにおいても好ましくは貴
金属を含まないペースト、例えば銅ペースト１５が用い
られている。これら全体はリードの一部を除き樹脂１６
で封止され、この樹脂封止体から突出したリード部分で
あるアウタリード１７は折り曲げ等の成形がおこなわれ
ている。そして、アウタリードの表面には水溶性防錆剤
の被膜１８あるいは鉛を含有しない鉛フリーのはんだめ
っき膜１８’が形成されている。このような半導体装置
では、貴金属の使用は最小限となっており、コストの低
減が実現されている。次に、このような半導体装置の製
造方法について詳述する。図２は本発明にかかる半導体
装置の製造方法を示すフローチャートである。まずリー
ドフレームを準備する（ステップＳ１）。リードフレー
ムは銅板あるいは銅合金の板の打ち抜きあるいはエッチ
ングで得られる。この作業終了時点でリードフレームに
は直ちに防錆剤が塗布され、防錆被膜が形成される（ス
テップＳ２）。この防錆被膜は２５０℃前後の加熱によ
り完全分解し、残留物を生成しないものであり、非ＢＴ
Ａ系の脂肪酸エステル系あるいはアミン系の防錆剤が最
適である。この防錆剤を採用すると、後の工程における
熱履歴により完全に分解し、悪影響を与えることはな
い。次に半導体チップがリードフレームのダイパッド部
にダイボンディングされる（ステップＳ３）。前述した
処理を行ったリードフレームを使用することにより、１
００〜１３０℃程度、好ましくは１００℃の還元加熱雰
囲気で低温ペーストダイボンディング方式の適用が可能
となる。この温度では非ＢＴＡ系防錆剤は分解せずその
まま残存する。ダイボンディング用のペーストとしては
貴金属を含まず熱伝導率の高い、例えば銅を含むぺース
トであることが好ましい。このペーストは貴金属を使用
しないために製造コストを低減できるとともに鉛のよう
な有害物資の排除が可能となる。続いてワイヤボンディ
ングが行われる（ステップＳ４）。このワイヤボンディ
ングでは、半導体チップとインナリード間は銅ワイヤを
用いて接続が行われ、約２８５℃の雰囲気で行われる。
この温度では防錆被膜は分解するため、銅の素地が露出
し、信頼性の高いワイヤボンディングが可能となる。す
なわち、リードフレーム上の防錆皮膜は低温ダイボンデ
ィング工程では分解しておらず、ワイヤボンディング時
の加熱雰囲気およびボンディングヘッドの熱で完全に分
解するため、接合直前までリードフレームの酸化を防止
しており、良好なワイヤ接続が可能である。銅は金等の
貴金属と異なって安価であり市場の価格変動も少ないの
で、製造コストの低減に寄与する。また、銅は金よりも
比抵抗が小さく電気的特性が良好であるだけでなく、ヤ
ング率が高いため樹脂封止の際にワイヤ流れが少なく、
拡散スピードが早いため温度サイクルにおいても有利と
いう特性を有しており、性能や信頼性の上でも金線より
優位となる。しかしながら、銅線が不利な点としては硬
度が高く、ワイヤボンディング時にボンディングパッド
へのダメージを与え、ボンディングヘッドの寿命を短縮
化することが懸念される。すなわち、一般的な金線のボ
ール硬度はマイクロビッカース硬度Ｈｖが５１程度であ
るのに対して、一般的な銅線のそれはＨｖが８５程度と
高い。この問題に対しては、素材である高純度の銅に添
加元素材料としてＰ(リン)を５０ｐｐｍ程度の含有率で
添加するようにした。なお、このリン濃度は高ければ良
いというものではなく、５０ｐｐｍの場合、３００ｐｐ
ｍの場合よりも低い硬度となった。これにより銅のボー
ル硬度をＨｖで５７程度に抑制することが可能となる。
従って、ボンディングパッドへのダメージや工具に対す
る影響は金線と同等レベルになると考えられる。続いて
トランスファモールド法等で全体を樹脂で封止する（ス
テップＳ５）。このときにもリードフレーム上の防錆被
膜がすでに分解除去されているので、樹脂の密着性はき
わめて良好であり、信頼性の高い封止が可能である。こ
の封止の良好性を判定する方法として超音波探傷装置
（ＳＡＴ：Scanning Acoustic Tomograph）がある。こ
の超音波探傷法は、異なる物質間の接合界面の状態を超
音波の反射波形によって観察する非破壊検査方法であ
る。具体的には、モールド樹脂とリード間の密着性が悪
いときには両者間に空気層が発生し、この空気層が超音
波を１００％反射させることから、反射波形による画像
が密着している部分の画像とは異なって表示されること
を利用する。図３は従来のＢＴＡ系防錆剤を使用しワイ
ヤボンディング箇所に銀めっきを行ったリードフレーム
を使用して樹脂封止を行ったＳＡＴ画像（図３（ａ））
と、本発明の実施の形態による非ＢＴＡ系防錆剤を使用
し、銀めっきを行わなかったリードフレームを使用して
樹脂封止を行ったＳＡＴ画像（図３（ｂ））とを比較し
たものである。図３（ａ）によれば、剥離が生じている
部分２０は白く表示されており、剥離面積はダイパッド
面積の２０％程度と認められる。発明者らの実験によれ
ば、従来のリードフレームを用いた樹脂封止では初期状
態からかなりの率で剥離が認められるのに対し、本発明
の実施の形態によるリードフレームを用いて樹脂封止を
行ったものは剥離がほとんど認められないという顕著な
差が認められた。図４はこの剥離の発生の状況を示すグ
ラフであって、銀めっきを行わないリードフレームを用
いて樹脂封止を行った半導体装置において、（ａ）は本
発明により非ＢＴＡ系防錆剤を用いたもの、（ｂ）は従
来のＢＴＡ系防錆剤を用いたものを示しており、各３０
個のサンプルについて剥離率が００〜４０％、２０〜４
０％、４０〜６０％、６０〜８０％の範囲にあったサン
プル数をヒトスグラム化したものである。このグラフか
ら本発明の実施の形態では剥離しているものが少なく、
剥離していてもその面積が小さいことがわかる。次にダ
ムバーの切断およびアウタリードの折り曲げ成形が行わ
れ、半導体装置が得られる（ステップＳ６）。このアウ
タリードの酸化を防止するために、この時点でアウタリ
ード部に水溶性防錆剤が塗布される（ステップＳ７）。
銅用の水溶性防錆剤としてはモノエタノールアミンを主
成分とするものが使用される。この水溶性防錆剤を使用
することにより、Ｓｎ−ＰｂはんだめっきやＰｄめっき
と比較して、防錆効果・変色効果・半田付け性等におい
て遜色の無い特性が得られ、半導体価格の低減を図るこ
とができた。また、水溶性であることにより、通常の外
装めっきと比較して廃液、排水処理などが不要となり、
さらに取り扱いや作業性も向上して、コスト低減にも貢
献する。なお、水溶性防錆剤の代わりに鉛を含有しな
い、例えばＳｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ
−Ｉｎ，Ｓｎ−Ｚｎ組成のはんだ膜あるいは錫のみの膜
をアウタリードの表面に形成するようにしても良い。こ
の被膜形成は通常溶融はんだにディップする方法により
行われる。このような鉛フリーのはんだめっきを施す際
にも非ＢＴＡ系防錆剤を採用することに伴う生産性の向
上が見られた。図５はこのような様子を示すもので、従
来のＢＴＡ系防錆剤を使用しワイヤボンディング箇所に
銀めっきを行ってリードフレームと、本発明の実施の形
態による非ＢＴＡ系防錆剤を使用し、銀めっきを行わな
かったリードフレームとで比較すると、アウタリードに
はんだめっきを行うための電界脱脂時間、硫酸系の前処
理時間のいずれも１０％の短縮が可能であった。以上の
ように各部分で材料を再検討することにより、貴金属を
全く用いない半導体装置が得られた。
【発明の効果】本発明にかかる半導体装置の製造方法に
よれば、リードフレームを作成後すぐに非ＢＴＡ系防錆
剤を塗布し、このリードフレーム上の防錆皮膜は低温ダ
イボンディング工程では分解せず、ワイヤボンディング
時の高温加熱雰囲気およびボンディングヘッドの熱で完
全に分解するようにして、接合直前までリードフレーム
の酸化を防止しているので、良好なワイヤ接続が可能で
あるとともに、貴金属の使用を避けてコストダウンに寄
与するとともに、後の工程で有害な残留物を残さず、特
に樹脂封止の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により得られる半導体装置の実施の形態
を示す素子断面図である。
【図２】本発明にかかる半導体装置の製造方法における
工程を示すフローチャートである。
【図３】超音波探傷装置を使用して発見された剥離部分
の表示の様子を示す説明図である。
【図４】防錆剤の相違による剥離発生状況の相違を示す
グラフである。
【図５】非ＢＴＡ系防錆剤の使用による生産性向上の一
例を示す図表である。
【図６】典型的なリードフレームの形状を示す平面図で
ある。
【符号の説明】
１１ 半導体チップ １２ ダイパッド １３ リード １４ ワイヤ １５ 銅ペースト １６ 樹脂封止体 １７ 外部リード １８ 水溶性防錆剤 １８’ 鉛フリーのはんだ被膜 １００ リードフレーム １０１ 外枠 １０２ タイバー １０３ ダイパッド １０４ リード １０４ａ アウタリード １０４ｂ インナリード １０５ ダムバー
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−274242（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−251777（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−246453（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−310883（ＪＰ，Ａ) 特開2003−152155（ＪＰ，Ａ) 特開2002−299525（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60,23/48 - 23/50

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ダイパッド部とその周囲に内端が位置する
    ように配設された複数のリードとを有する銅系リードフ
    レームを準備し、 前記リードフレームの表面に非ベンゾトリアゾール系防
    錆剤を塗布し、 １００〜１３０℃の低温加熱雰囲気中で前記非ベンゾト
    リアゾール系防錆剤を残存させた状態で前記ダイパッド
    上に卑金属系ペーストを用いて半導体チップを固着させ
    るダイボンディングを行い、 前記半導体チップ上の電極と前記リードフレームのリー
    ド内端部とを銅ワイヤを用いて２５０℃以上の加熱雰囲
    気中で接続するワイヤボンディングを行い、 リードの一部を除き樹脂で封止して樹脂封止体を形成
    し、 前記樹脂封止体より突出したリードの成形を行い、 前記樹脂封止体より突出したリードに水溶性防錆剤を塗
    布する半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】前記非ベンゾトリアゾール系防錆剤は脂肪
    酸エステル系防錆剤あるいはアミン系防錆剤であること
    を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】低温加熱雰囲気が、１００℃の還元加熱雰
    囲気であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
    置の製造方法。
  4. 【請求項４】前記ワイヤボンディングは前記非ベンゾト
    リアゾール系防錆剤が分解する温度で行われることを特
    徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方
    法。
  5. 【請求項５】前記分解温度が２５０℃以上であることを
    特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
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