JP4513440B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高温での信頼性に優れた半導体装置に関するものである。
半導体装置は半導体素子の微細な配線と外部端子を接続するために、アルミの薄膜パッドを介して金ワイヤを用いて接合するのが主流である。これは、金が展延性に富み加工性がよく、かつ化学的に安定であるために空気中での酸化等に強い性質を利用したものである。
近年、半導体装置の適用範囲は拡大の一途をたどり、車載用途など高温環境下での使用が珍しくなくなってきており、半導体装置に対する高温環境下での信頼性の要求が急速に高まってきている。
一方、アルミパッドと金ワイヤの接合部では、１２５℃以上の高温で長時間放置すると金とアルミの間に合金層が形成され、この合金層にカーケンダルボイドと呼ばれる空隙が発生し、接合部の強度が低下したり、合金層がハロゲン化合物などにより腐食され接合部の強度が低下したりすることが知られている。
これらの問題に対し、これまでに種々の研究がなされ、ハロゲン化合物を含まない封止樹脂を用いる方法（例えば、非特許文献１参照。）や、ハロゲン化合物以外の難燃剤を使用する方法（例えば、特許文献１参照。）などが提唱され、効果が報告されているが、最近の市場の高度な要求を満足するには至っていない。
このような状況から、高温での信頼性を向上させる手法の開発が強く望まれていた。
Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ４２、２００２、ｐ１５２３−１５２８ 特開２００１−０８１２８７
本発明は、高温での信頼性に優れた半導体装置を提供するものである。
本発明は、
［１］半導体素子と外部端子とがアルミパッド及び金ワイヤを介して接合され、少なくとも前記半導体素子、アルミパッド、及び金ワイヤを、樹脂組成物を用いて封止してなる半導体装置において、前記アルミパッドの厚みが０．１μｍ以上、３μｍ以下であり、前記金ワイヤが高純度金に最外殻電子の数が偶数である金属を０．００１〜１重量％含み、かつ前記樹脂組成物中に含まれ、半導体装置を１２５℃以上の高温で長時間放置した場合など、金の中の格子上をアルミニウム原子が移動する際に、空隙同士を集まりやすくする性
質があり、カーケンダルボイドの生成を加速させる作用を有するホウ素、窒素、ナトリウム、アンチモン、モリブデン及びビスマス原子と、金の中に拡散したアルミニウム原子を容易に酸化し、接合部の合金を金とアルミニウム酸化物に分離する作用を有するハロゲン元素と、の総和量が０．３重量％以下であることを特徴とする半導体装置。
［２］前記最外殻電子の数が偶数である金属が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｉｒ及びＰｂから選ばれる少なくとも１種以上の金属である第［１］項記載の半導体装置。
本発明に従うと、従来技術では得られなかった高温での信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
半導体素子と外部端子とがアルミパッド及び金ワイヤを介して接合され、少なくとも前記半導体素子、アルミパッド、及び金ワイヤを、樹脂組成物を用いて封止してなる半導体装置において、前記アルミパッドの厚みが０．１μｍ以上、３μｍ以下であり、前記金ワイヤが高純度金に最外殻電子の数が偶数である金属を０．００１〜１重量％含み、かつ前記樹脂組成物中に含まれるホウ素、窒素、ハロゲン元素、ナトリウム、アンチモン、モリブデン、及びビスマス原子の総和量が０．３重量％以下であることにより、従来技術では得られなかった高温での信頼性に優れた半導体装置を得ることができるものである。
以下、各成分について説明する。
本発明に用いる半導体素子上のアルミパッドは、厚みが３μｍ以下であることを満足すれば、これまでの半導体素子に用いられてきた材質や製法を自由に使うことができる。厚みが３μｍ以上になると、高温で放置された時に生成する合金層の厚みが厚くなり、合金層内部のカーケンダルボイドの生成や合金層が受ける腐食などの不具合が防ぎにくくなる。
本発明に用いる金ワイヤは、９９．９９９重量％以上の高純度金に、添加剤として最外殻電子の数が偶数である金属を０．００１〜１重量％加えて作られることを満足すれば、従来の金ワイヤの製法を自由に使うことができ、その直径なども特に制限するものではない。添加剤として用いる最外殻電子の数が偶数である金属は、１２５℃以上の高温で長時間放置した場合など、金の中の格子上をアルミニウム原子が移動する際に、その拡散速度を遅くし、また空隙同士が集まるのを防ぐ役割をしている。この役割により、高温放置した際の合金の生成を抑制し、かつカーケンダルボイドの生成をも抑制するのである。最外殻電子の数が偶数である金属の添加量が０．００１重量％未満であると添加した効果が充分に得られず、また１重量％を越えると金ワイヤ自体が硬くなりすぎてアルミパッドとの接合が困難になるので好ましくない。金線中の金および添加元素の量は、一般に行われているＩＣＰ法で定量することができる。
最外殻電子の数が偶数である金属としては、特に限定するものでは無いが、安全性、入手のし易さ等を考慮すると、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｉｒ及びＰｂが好ましい。またこれらの金属は、１種類を単独で添加しても、２種以上を併用して添加してよい。
本発明に用いる樹脂組成物は、ホウ素、窒素、ハロゲン元素、ナトリウム、アンチモン、モリブデン、及びビスマス原子の総和量が０．３重量％以下であることを満足すれば、これまで半導体封止用に用いられてきた樹脂組成物の原材料や技術を自由に使うことができる。例えばエポキシ樹脂組成物、フェノール樹脂組成物、メラミン樹脂組成物等が挙げられ、樹脂の種類、充填剤の種類、添加剤の種類や添加量などを制限するものではない。これらの樹脂組成物のうちでは、エポキシ樹脂組成物がより好ましい。
先に挙げたホウ素、窒素、ナトリウム、アンチモン、モリブデン、及びビスマスは、金の中に不純物として拡散・浸入すると、１２５℃以上の高温で長時間放置した場合など、金の中の格子上をアルミニウム原子が移動する際に、空隙同士を集まりやすくする性質があり、カーケンダルボイドの生成を加速させてしまう。また、ハロゲン元素は金の中に拡散したアルミニウム原子を容易に酸化し、接合部の合金を金とアルミニウム酸化物に分離してしまう。これらの原子は金ワイヤの添加剤として用いられることはあまりないが、樹脂組成物には硬化促進剤、難燃剤等として配合されることが少なくない。このように樹脂組成物の添加剤として用いられる場合は、熱的に安定な化合物の形で用いられるのが通常であるが、高温で長期間放置する間に一部が原子状またはイオンとして解離し、接合部に不具合をきたす。これらの原子の量としては総計が０．３％以下であり、これを越えると単一でも、複数の組合せでも高温での信頼性の低下が見られ好ましくない。
樹脂組成物中のホウ素およびハロゲン元素の量は、樹脂組成物をフラスコ燃焼法で前処理した後、イオンクロマト法で定量することができ、窒素はケルダール法で前処理した後、イオンクロマト法で定量することができる。また、アンチモン、モリブデンおよびビスマスの量は、酸を用いて分解した後、原子吸光法で定量することができる。
本発明のアルミパッド、金ワイヤ、樹脂組成物を用いて半導体装置を製造するには、従来のウェハ製造プロセス、ダイシング装置、リードフレーム、チップマウント材、ワイヤボンダー、成形装置等を用いればよく、特にその製造プロセスを限定したり変更したりする必要はない。
以下、本発明を実施例にて具体的に説明するが、本発明を記載する実施例に制限するものではない。
実施例１
金ワイヤ１：Ｐｄ含有率０．００１重量％、太さ３０μｍ
アルミパッド１：１００×１００μｍ、厚み１．２μｍ
チップ：７×７ｍｍ、厚み０．３５ｍｍ
封止用樹脂組成物１：
エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）・製、ＹＸ−４０００Ｈ、融点１０５℃、エポキシ当量１９１） ６．０重量部
フェノールノボラック樹脂（軟化点６５℃、水酸基当量１０４） ３．０重量部
球状溶融シリカ ９０．５重量部
トリフェニルホスフィン ０．１重量部
カルナバワックス ０．２重量部
カーボンブラック ０．２重量部
をミキサーにて常温混合し、８０〜１００℃の加熱ロールで溶融混練し、冷却後粉砕し、エポキシ樹脂組成物を得た。
（ホウ素（Ｂ）０重量％、窒素（Ｎ）０重量％、ハロゲン元素０．００２重量％、ナトリウム（Ｎａ）０．００１重量％、アンチモン（Ｓｂ）０重量％、モリブデン（Ｍｏ）０重量％、ビスマス（Ｂｉ）０重量％）
評価方法
ワイヤボンド性：上記の金ワイヤおよびチップを用い、Ｋａｉｊｏ社製ワイヤボンダーＦＢ１３１で荷重２５ｇ、超音波周波数６０ｋＨｚ、接合温度２００℃の条件で、８０ｐＱＦＰを組み立てた。張り上げた金ワイヤを引っ張った時に接合面で破断するものを不合格、金ワイヤの一部が破断するものを合格とした。
高温信頼性：タブレット化した上記の封止用樹脂組成物を用い、８０ｐＱＦＰ（１４×２０ｍｍ、２．７ｍｍ厚）を低圧トランスファー成形機にて、１８０℃、注入圧６．９ＭＰａ 、保圧時間３５秒の条件で成形した。得られた８０ｐＱＦＰを１７５℃で４時間ポストキュアした後、２００℃のオーブン中で１０００時間熱処理し、処理後に端子間の抵抗値を測定した。処理前にくらべ抵抗値が１．０倍以上、１．２倍以下のものを○（合格）、１．２倍を超え１０倍以下のものを△、１０倍を超えるものを×とした（ｎ＝２０）。
実施例２〜９、比較例１〜９
表１記載の金ワイヤ、アルミパッド、封止用樹脂組成物を用い、実施例１と同様にしてワイヤボンド性および高温信頼性を評価した。結果を表１に示す。
実施例１以外で用いた金ワイヤ２〜５は、そのＰｄ含有量のみが金ワイヤ１と異なるのみである。
実施例１以外で用いたアルミパッド２、３は、その厚みのみがアルミパッド１と異なるのみである。
封止用樹脂組成物２〜１１は、表１のとおりであり、それぞれのホウ素、窒素、フッ素、ナトリウム、塩素、臭素、沃素、アンチモン、モリブデン、及びビスマス原子の量、並びにそれらの総和量は、表１に記載のとおりである。
Figure 0004513440
実施例１０〜１５、比較例１０〜１３
表２記載の金ワイヤを用いた他は、実施例１と同一のアルミパッド、封止用樹脂組成物を用い、実施例１と同様にしてワイヤボンド性および高温信頼性を評価した。結果を表２に示す。
実施例１０及び比較例１０は、表２に記載した添加量のＢｅを含有する金ワイヤを用いたものである。
実施例１１及び比較例１１は、表２に記載した添加量のＣａを含有する金ワイヤを用いたものである。
実施例１２及び比較例１２は、表２に記載した添加量のＢｅとＰｄを含有する金ワイヤを用いたものである。
実施例１３〜１５及び比較例１３は、表２に記載した添加量のＧｅを含有する金ワイヤを用いたものである。
Figure 0004513440
本発明に従うと、従来技術では得られなかった高温での信頼性に優れた半導体装置を得ることができるため、車載用途など高温環境下で使用される半導体装置に好適に用いることができる。

Claims (2)

  1. 半導体素子と外部端子とがアルミパッド及び金ワイヤを介して接合され、少なくとも前記半導体素子、アルミパッド、及び金ワイヤを、樹脂組成物を用いて封止してなる半導体装置において、
    前記アルミパッドの厚みが０．１μｍ以上、３μｍ以下であり、
    前記金ワイヤが高純度金に最外殻電子の数が偶数である金属を０．００１〜１重量％含み、
    かつ前記樹脂組成物中に含まれ、半導体装置を１２５℃以上の高温で長時間放置した場合など、金の中の格子上をアルミニウム原子が移動する際に、空隙同士を集まりやすくする性質があり、カーケンダルボイドの生成を加速させる作用を有するホウ素、窒素、ナトリウム、アンチモン、モリブデン及びビスマス原子と、金の中に拡散したアルミニウム原子を容易に酸化し、接合部の合金を金とアルミニウム酸化物に分離する作用を有するハロゲン元素と、の総和量が０．３重量％以下である
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記最外殻電子の数が偶数である金属が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｇｅ、Ｉｒ及びＰｂから選ばれる少なくとも１種以上の金属である請求項１記載の半導体装置。
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