JP3542867B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用される金合金細線と、半導体基板上の電極部との接合部において、樹脂封止された状態においても高い接合部信頼性有する半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在半導体素子上の電極と外部リードとの間を接合するボンディング線としては、金合金細線が主として使用されている。金細線先端をアーク放電によりボール状に形成し、このボールを半導体素子のアルミニウム電極上に圧着接合した後に、さらに細線を外部リード側に超音波接続する方法である。トランジスタやＩＣなどの半導体装置として使用するためには、前記の金合金細線によるボンディングの後に、Ｓｉチップ、ボンディングワイヤ、およびＳｉチップが取り付けられた部分のリードフレームを、これらを保護する目的で樹脂封止する。
【０００３】
半導体素子の高集積化、薄型化の傾向により、金合金細線が満足すべき特性も多様化しており、例えば、高密度配線および狭ピッチに対応するための金合金細線の長尺化、細線化、さらに半導体素子の薄型化を可能にすべく低ループ化などが要求されている。
【０００４】
最近、半導体素子が使用される環境条件がますます厳しくなっており、例えば自動車のエンジンルーム内で使用される半導体素子では高温あるいは高湿の環境で使用される場合がある。また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っている。耐熱性が要求される環境条件で使用される半導体素子においては、従来、ボンディングワイヤとしてはアルミニウム合金細線を使用し、セラミックスパッケージによる気密封止した半導体装置が利用されている。
【０００５】
コスト、生産性などの理由から、セラミックスパッケージが使用されていた半導体装置においても、安価な樹脂封止による半導体装置が所望されている。外部から侵入した水分などによる腐食劣化の問題などから、アルミニウム合金細線は樹脂封止される半導体装置には使用できない。前述した金合金細線をボール接合法を使用して樹脂封止された半導体装置に使用することは一般的であるが、高温環境下におけるアルミニウム電極との接合部の長期信頼性の低下が問題視されていた。
【０００６】
元来、ウェッジ接合法では超音波印加の方向性の制約などにより、生産性の低下が課題であり、金細線によるウェッジ接合はほとんど実用化されていない。金細線をウェッジ接合することは、アルミニウム電極部に対してボール部を介さないで直接接合することから、高密度実装においてはボール接合法より狭ピッチ接合の点では有利となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の金合金細線を用いた場合、アルミニウム電極との接合部の長期信頼性の低下が問題視されていた。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の発生によ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。
【０００８】
本発明者等が、金合金細線とアルミ電極との接合部の信頼性に関して検討した結果、樹脂封止された接合部における金属間化合物の腐食が信頼性に及ぼす影響が大きいことが確認された。接合界面近傍に成長した金とアルミの金属間化合物が封止樹脂中に含有するハロゲン成分と反応することにより接合部の電気抵抗が増加し、腐食が顕著な場合は電気的導通不良などが生じる。
【０００９】
金細線の合金元素の添加により、接合部における拡散挙動をコントロールすることが可能である。しかし、元素の添加量が多くなると、ボール溶融時の酸化に起因する形状不良や接合性の低下が無視できなくなる。金細線に対してウェッジ接合法を使用することにより、上記のボール形成時のボール形成不良がないため、濃度上限が広がることにより、元素添加の効果をより有効に活用できることが大きな利点となる。
【００１０】
しかも、金合金細線とアルミ電極とのウェッジ接合において、接合信頼性の低下はボール接合の場合以上に不良の原因となる可能性が高い。これは、接合部における金部とアルミニウム膜（１〜２μｍ程度）との厚みの相対比が異なるため、ウェッジ接合とボール接合では長時間加熱による化合物相の成長挙動が異なるためである。ウェッジ接合では接合後の細線の変形部の厚みは５μｍ程度であり、ボール接合部の金の厚みである１０〜３０μｍ程度と比較しても、接合界面近傍での拡散に影響する金の厚みおよび量が異なり、ウェッジ接合では信頼性低下を誘発する可能性の高い化合物相が生成する。
【００１１】
本発明は、金細線と半導体素子上の電極部との接合において良好な長期信頼性が得られ、しかもウェッジ接合性に優れた金合金細線および、その金合金細線を用いて、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上に接合して樹脂封止されている、高信頼性を有する半導体装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前述した観点から、高温下での接合信頼性を向上させる、ウェッジ接合に好適な金合金細線を開発すべく研究を行った結果、
（ａ）Ｍｎ，Ｃｕを添加させることで、樹脂封止した接合部において金属間化合物の腐食を低減させる効果があることが見出した。さらに、Ｍｎ，Ｃｕの適量添加では、ワイヤ部を硬化させることなくかつ良好な接合性が容易に得られるものである。
また、前述したワイヤの長尺化、ループ形状や最高高さなどを制御すべく研究を進めた結果、Ｍｎ元素の単独添加でなく、さらに下記の第一群、第二群、第三群の元素を共存せしめることにより、以下の知見を見出した。
（ｂ）Ｐｄ，Ｐｔ（第一群）の少なくとも１種を総計で０．０１〜５重量％の範囲での添加は、Ｍｎ，Ｃｕの添加と併用することにより、金属間化合物の成長を抑制する効果が高まり、接合信頼性が高まるものである。
（ｃ）Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌ（第二群）の少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％の範囲での添加は、Ｍｎ，Ｃｕと添加の併用することにより、金合金細線をアルミニウム電極上への接合性を高める効果が得られることを確認した。
（ｄ）Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ（第三群）の少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲での添加は、Ｍｎ，Ｃｕの添加と併用することにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高め、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まるものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、上記知見に基づくものであって、以下の金合金細線および、その金合金細線を用いて、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上に接合して樹脂封止されている半導体装置の構成を有する。
（１）Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、および、ＰｄとＰｔを総量でまたはＰｄを０．０１〜５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなる半導体素子用金合金細線。
（２）Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．００５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなる金合金細線。
（３）Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＰｄを０．０１〜５重量％、さらにＩｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなる金合金細線。
（４）Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、および、ＰｄとＰｔを総量でまたはＰｄを０．０１〜５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなる金合金細線。
（５）Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなる金合金細線。
【００１４】
【発明の実施の態様】
以下に、金合金細線に関する本発明の構成についてさらに説明する。
本発明で使用する高純度金とは、純度が少なくとも９９．９９５重量％以上の金を含有し、残部を不可避的不純物からなるものである。
金ワイヤ接合部が高温環境に曝されると、接合界面において金とアルミの相互拡散に伴い数種の金属間化合物が成長し、この金／アルミニウム化合物の中で特定の化合物相（Ａｕ4Ａｌ相）が封止樹脂中のハロゲン元素と容易に反応して、接合部における電気抵抗を増加させる原因となる。
【００１５】
金中にＭｎ，Ｃｕの少なくとも１種を添加すると、Ｍｎ，Ｃｕが金中を拡散によりＡｕ／Ａｌ界面近傍に濃化偏析して腐食される化合物相の成長を抑制するものであり、高温放置した接合部の電気抵抗の上昇を抑制する。Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種の含有量を０．００５〜２．５重量％と定めたのは、Ｍｎ，Ｃｕの含有量が０．００５重量％未満では接合部における金属間化合物の腐食を抑制する効果が小さく、一方２．５重量％を超えると接合時の細線を変形強度が高くなるため、アルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００１６】
さらに金合金細線をアルミニウム電極部の上に接合して、樹脂封止された半導体装置として使用するときの信頼性の向上に重点を置いたとき、好ましくは、Ｍｎ，Ｃｕの含有量が０．０５〜２．５重量％の範囲内であることがより望ましい。
Ｍｎ，Ｃｕ添加による発現特性の中でも、接合信頼性の向上、特に化合物の腐食を抑制する効果のみに限定すれば、濃度は高い方が望ましい。しかしボール接合に用いた際には、ボール形成時の酸化問題があり、高濃度の添加の上限には限界があった。ボールの形状不良や接合性低下を極力抑えるためには、Ｍｎ，Ｃｕの含有の上限量が０．０７重量％程度が望ましいが、腐食の積極的な抑制という点では、０．０５重量％以上がより高い効果が期待できる。すなわち、上記理由から、Ｍｎ，Ｃｕの含有量が０．０５〜２．５重量％の範囲内である金合金細線を用いて、且つ、ウェッジ接合することにより、従来の金ボール接合する方法よりも、より信頼性を高めた半導体装置を提供することができる。
【００１７】
Ｍｎ，Ｃｕの添加に加えて、Ｐｄ，Ｐｔ（第一群）の少なくとも１種を総計で０．０１〜５重量％の範囲で含有することにより、金／アルミニウムの化合物層全体の成長速度を抑制する効果が高まることが判明した。Ｐｄ，Ｐｔのみの添加でも成長速度を遅くする効果はあるものの、化合物相（Ａｕ4Ａｌ相）の成長を積極的に抑えることは困難である。Ｍｎ，Ｃｕの添加と併用することにより、腐食反応の抑制効果が高まるものである。Ｐｄ，Ｐｔの含有量を上記範囲と定めたのは、０．０１重量％未満では接合部における信頼性向上の効果が小さく、一方５重量％を超えると細線の硬度および強度が高くなるため、ウェッジ接合時にアルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００１８】
また、Ｍｎ，Ｃｕの添加に加えて、Ｉｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌ（第二群）の少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％の範囲で添加は、金合金細線とアルミニウム電極との連続接合性を高めることが判明した。前述した接合時の損傷を懸念して、接合荷重または超音波振動を低く設定すると、接合直後に十分な強度を確保することが難しくなるが、第二群元素をＭｎ，Ｃｕの添加と併用することにより、連続接合時の不良発生はなく、接合強度を高めることができるものである。詳細な機構については判明していないが、初期の化合物成長の促進または、接合性の低下をもたらす可能性のあるワイヤ表面でのＭｎ，Ｃｕの酸化の抑制などが考えられる。第二群元素の含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００１重量％未満では接合性を高める効果が小さく、一方０．０５重量％を超えると、かえって接合強度の低下をもたらすという理由に基づくものである。さらに、好ましくは、Ｍｎ，Ｃｕの含有量が０．０３〜２．５重量％の高濃度の範囲において、第二群元素を併用添加すると、上記の接合性の向上効果がより一層高められることが確認された。これは、Ｍｎ，Ｃｕの含有量が０．０３重量％未満では、連続接合性の低下が全く問題とならないことと関連していると思われる。
【００１９】
Ｍｎ，Ｃｕの添加に加えて、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙ（第三群）の少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で添加することは、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まることが判明した。高密度実装における金合金細線のウェッジ接合において、樹脂封止時に隣接するワイヤ同士の接触が懸念される。金中へのＭｎ，Ｃｕの添加は機械的強度への影響が小さく、ワイヤ流れが懸念される場合がある。その際に、第三群元素を併用することにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高めることができ、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制することが確認された。第三群元素のみでも細線の強度は増加するが、Ｍｎ，Ｃｕの添加と併用した方が単独添加よりも、引張試験で測定した破断強度およびヤング率は増加しており、ワイヤ流れの抑制には第三群元素とＭｎ，Ｃｕの添加との併用が効果あることが確認された。第三群元素の含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００２重量％未満では強度増加の効果が小さく、一方０．０３重量％を超えると、細線の硬度および接合時の変形能が高くなり、ウェッジ接合時にアルミニウム電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与えるという理由に基づくものである。
【００２０】
Ｍｎ，Ｃｕの添加および、第一、二群元素の共存により、接合後で且つ樹脂封止しない状態で半導体装置が高温保持されたときに、接合強度の上昇が顕著であり、半導体装置の高温保管における信頼性の向上効果が高めることができる。またＭｎ，Ｃｕの単独添加の場合のウェッジ接合部では、化合物層が厚く成長したときに化合物層と金細線の界面近傍に小さなボイド（空隙）が観察されたが、さらにＰｄ，Ｐｔを含有させることによりそれらの欠陥の発生も抑えられ、信頼性がさらに向上することと関連していると推察される。
【００２１】
またＭｎ，Ｃｕ添加および、第一、三群元素の共存により、、ワイヤ強度の向上効果が高まり、特に高温加熱後の強度が増加することが判明しており、樹脂封止時のワイヤ変形の抑制にも有効である。従って、ワイヤの細線化に有効であり、狭ピッチなどの高密度実装に好適である。
【００２２】
さらにＭｎ，Ｃｕ添加および、第二、三群元素の共存により、接合直後の接合強度の増加が促進され、実用面では接合時の加熱温度の低温化もはかることが可能となる。これは、第三群元素の添加による細線の強度の適度の上昇が、接合時にアルミニウム電極上の酸化膜の破壊を促進するように作用して、上述した第二群元素の接合性の向上効果をより一層高めていると推察される。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
金純度が約９９．９９５重量％以上の電解金を用いて、前述の各添加元素群を含有する母合金を個別に高周波真空溶解炉で溶解鋳造して母合金を溶製した。
このようにして得られた各添加元素の母合金の所定量と金純度が約９９．９９５重量％以上の電解金とにより、表１および表２に示す化学成分の金合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延した後に常温で伸線加工を行い、必要に応じて金合金細線の中間焼鈍工程を加え、さらに伸線工程を続け、最終線径が２５μｍの金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して伸び値が約４％になるように調整した。
【００２４】
得られた金合金細線について、ワイヤの機械的特性、接合強度、加熱後の接合強度、封止後のワイヤ流れ、接合部における金属間化合物の腐食度などを調べた結果を表１および比較例として表２に併記した。
【００２５】
ワイヤの機械的特性については、線径が２５μｍの金合金細線を使用し、常温での引張破断強度を２０本測定し、その平均値により評価した。
ウェッジ接合部の接合強度については、高速自動ボンダーを使用して金合金細線をアルミ電極上に接合した後、その電極の２μｍ上方で冶具を平行移動させて剪断破断を読みとるシェアテスト法で測定し、５０本の破断荷重の平均値により評価した。さらに、ワイヤ接合後の半導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において２００度で２００時間加熱処理した後に、５０本のシェアテストの平均値により接合強度の変化を評価した。
【００２６】
ウェッジ接合部の損傷に関しては、王水などを使用して金細線およびアルミニウム電極などを溶解し、接合部直下のシリコン基板の表面におけるクラックなどの損傷光学顕微鏡度および走査型電子顕微鏡で観察した。５０本以上の電極部を観察し、クラックなどの損傷が認められるものを×印、全く欠陥が観察されなかったものを◎印にて評価した。
【００２７】
樹脂封止後のワイヤ流れの測定に関しては、ワイヤのスパンとして３．５mmが得られるようボンディングした半導体素子が搭載されたリードフレームを、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止した後に、軟Ｘ線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半導体素子内部をＸ線投影し、前述したワイヤ曲がりと同等の手順によりワイヤ流れが最大の部分の流れ量を８０本測定し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した値（百分率）を封止後のワイヤ流れと定義した。
【００２８】
金合金細線をアルミニウム電極に接合し、さらにエポキシ樹脂で封止した後に、窒素ガス中において２００度で３００時間加熱処理した半導体素子を用いて、接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物の腐食を観察した。金属間化合物層は灰色を呈し、腐食が進行した化合物層は褐色になり容易に識別可能であることを利用して、接合部における金属間化合物の腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行としては、接合部の研磨断面において腐食領域長さ（ｂ）が金属間化合物層成長の長さ（ａ）に占める割合で評価したものであり、腐食部が占める割合（ｂ／ａ）を３０個の接合部で平均した値が４０％以下では腐食が抑制されてると判断できる。さらに、５〜１０％以下では腐食に関する不良発生の心配がないと判断して◎印で示し、５％以下では腐食抑制が顕著であり●印、その中間である１０〜４０％のものは○印、４０％以上で腐食が著しいため△印で表記した。
【００２９】
表１において、実施例１〜３は本発明の第１請求項記載に係わるものであり、実施例４〜７は第２請求項、実施例８〜１１は第３請求項、実施例１２〜１５は第４請求項、実施例１６〜２０は第５請求項記載に係わる金合金細線の結果である。
【００３０】
本発明に係わるＭｎ，Ｃｕ添加では、比較例１，３，５などと比較すると接合部の腐食が明らかに抑えられていた。また、比較例２，４，６などではＭｎ，Ｃｕの濃度が２．５重量％以上含有しており、ボール接合時のシリコン基板への損傷が認められた。また比較例９では第一群元素の含有量が５重量％以上の場合も同様に損傷が認められた。
【００３１】
Ｍｎ、Ｃｕの含有に加えて、第一群元素のＰｄ、Ｐｔの併用している実施例１〜３では化合物層の腐食がほとんど認められず、信頼性がさらに向上していること、また、第一群元素と第二群元素が共存している実施例８〜１１では、腐食の抑制に加えて、加熱後のシェア強度の上昇が大きく、６０ｇｆ以上の高い値が得られた。
【００３２】
Ｍｎ，Ｃｕの含有に加えて、第二群元素のＩｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌを適量含有する実施例４〜７では、接合直後のシェア強度が１０ｇｆ程度増加していること、さらに、第二群元素と第三群元素が共存している共存している実施例１６〜２０では、両者とも含有しない場合と比較して、シェア強度が２０ｇｆ程度増加していることが確認された
【００３３】
Ｍｎ，Ｃｕの含有に加えて、第一群元素と第三群元素が共存している実施例１２〜１５では、流れ率が３％以下の低い値まで抑えられることが確認された。
【００３４】
【表１】
Figure 0003542867
【００３５】
【表２】
Figure 0003542867
【００３６】
【表３】
Figure 0003542867
【００３７】
【表４】
Figure 0003542867
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる金合金細線を使用して、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合し、さらに樹脂封止された状態での使用時において、高い接合信頼性を有することを特徴とする半導体装置を提供するものである。

Claims (5)

  1. Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、および、ＰｄとＰｔを総量でまたはＰｄを０．０１〜５重量％の範囲で含有する金合金細線を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合しており、その周囲を樹脂封止していることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置。
  2. Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．００５重量％の範囲で含有する金合金細線を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合しており、その周囲を樹脂封止していることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置。
  3. Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＰｄを０．０１〜５重量％、さらにＩｎ，Ｓｃ，Ｇａ，Ｓｉ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％の範囲で含有する金合金細線を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合しており、その周囲を樹脂封止していることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置。
  4. Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、および、ＰｄとＰｔを総量でまたはＰｄを０．０１〜５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有する金合金細線を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合しており、その周囲を樹脂封止していることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置。
  5. Ｍｎ，Ｃｕの少なくとも１種を０．００５〜２．５重量％、およびＳｃ，Ｇａ，Ａｌの少なくとも１種を総計で０．０００１〜０．０５重量％、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３重量％の範囲で含有する金合金細線を、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上にウェッジ接合しており、その周囲を樹脂封止していることを特徴とする耐食性に優れた半導体装置。
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