JPH09275119A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
れる金合金細線において、ウェッジ接合した接合部にお
いて高い信頼性を有する半導体装置を提供することにあ
る。 【解決手段】 Mn,Cuを0.005〜2.5重量%
の範囲で含有すること、さらに併用添加として、(b)
Pd,Ptの少なくとも1種を総計で0.001〜5%
重量%、(c)In,Sc,Ga,Si,Alを総計で
0.0001〜0.05重量%、(d)Ca,Be,L
a,Ce,Yを総計で0.0002〜0.03重量%の
範囲で含有する金合金細線を使用して、アルミニウム電
極部上にウェッジ接合し、さらに、その周囲を樹脂封止
していることを特徴とする半導体装置。
Description
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。
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I
C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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、金濃度の高い
化合物相が生成する。
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。
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。
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%の範囲で含有し、残部を金の不可避不純物から
なる半導体素子用金合金細線。 (2)上記(1)の成分に、Pd,Ptの少なくとも1
種を総計で0.01〜5重量%の範囲で含有した金合金
細線。 (3)上記(1)の成分に、In,Sc,Ga,Si,
Alの少なくとも1種を総計で0.0001〜0.05
重量%の範囲で含有した金合金細線。 (4)上記(1)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金細線。 (5)上記(2)の成分に、In,Sc,Ga,Si,
Alの少なくとも1種を総計で0.0001〜0.05
重量%の範囲で含有した金合金細線。 (6)上記(2)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金細線。 (7)上記(3)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金細線。
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(Au4 Al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。
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。
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。
(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(Au4 Al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。
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0.0
3〜2.5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。
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。
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。
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。
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。
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99.99
5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。
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。
5μm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2
00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。
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。
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。
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(a/b)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。
1請求項記載に係わるものであり、実施例10〜14は
第2項、実施例15〜18は第3項、実施例19〜23
は第4請求項、実施例24〜28は第5、実施例29〜
33は第6項、実施例34〜38は第7請求項記載に係
わる金合金細線の結果である。
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M
n,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。
Pd,Ptの併用している実施例10〜14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24〜28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。
In,Sc,Ga,Si,Alを適量含有する実施例1
5〜18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
している実施例34〜38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。
Ca,Be,La,Ce,Yを併用した実施例19〜2
3では樹脂封止時のワイヤ流れ率が4%以下まで減少
し、さらに第一群元素と第三群元素が共存している実施
例29〜33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。
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 (7)
- 【請求項1】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5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。 - 【請求項2】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、およびPd,Pt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半導体装置。 - 【請求項3】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、およびIn,Sc,Ga,Si,A
l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半導
体装置。 - 【請求項4】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、および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半導
体装置。 - 【請求項5】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、およびPd,Ptの少なくとも1種
を総計で0.01〜5重量%、さらにIn,Sc,G
a,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
徴とする半導体装置。 - 【請求項6】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、およびPd,Ptの少なくとも1種
を総計で0.01〜5重量%、さらにCa,Be,L
a,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
とする半導体装置。 - 【請求項7】 Mn,Cuの少なくとも1種を0.00
5〜2.5重量%、およびIn,Sc,Ga,Si,A
lの少なくとも1種を総計で0.0001〜0.5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半導体装置。
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---|---|---|---|
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005294874A (ja) * | 2005-07-06 | 2005-10-20 | Nippon Steel Corp | ワイヤをウェッジ接合した半導体装置及び金合金ボンディングワイヤ |
JP2006032643A (ja) * | 2004-07-15 | 2006-02-02 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | 半導体装置 |
CN103238210A (zh) * | 2011-12-02 | 2013-08-07 | 田中电子工业株式会社 | 金-铂-钯合金接合线 |
CN104164591A (zh) * | 2013-05-15 | 2014-11-26 | 田中电子工业株式会社 | 耐腐蚀性铝合金接合线 |
-
1996
- 1996-04-04 JP JP08288996A patent/JP3542867B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP4513440B2 (ja) * | 2004-07-15 | 2010-07-28 | 住友ベークライト株式会社 | 半導体装置 |
JP2005294874A (ja) * | 2005-07-06 | 2005-10-20 | Nippon Steel Corp | ワイヤをウェッジ接合した半導体装置及び金合金ボンディングワイヤ |
CN103238210A (zh) * | 2011-12-02 | 2013-08-07 | 田中电子工业株式会社 | 金-铂-钯合金接合线 |
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