JPH10303239A - 半導体素子 - Google Patents

半導体素子

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JPH10303239A
JPH10303239A JP9113204A JP11320497A JPH10303239A JP H10303239 A JPH10303239 A JP H10303239A JP 9113204 A JP9113204 A JP 9113204A JP 11320497 A JP11320497 A JP 11320497A JP H10303239 A JPH10303239 A JP H10303239A
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ball
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、金合金細線とアルミ電極部との接
合部において、封止樹脂との腐食反応を抑制し、高温で
の信頼性を向上した半導体素子を提供する。 【解決手段】 本発明である、金合金細線と電極膜との
接合部を樹脂で封止する構造の半導体素子は、下記の構
成であることを特徴とする。（１）封止樹脂は臭素、ア
ンチモンの少なくとも１種を総計で０．１〜１５重量％
の範囲で含有するエポキシ樹脂であり、電極材はアルミ
またはアルミ合金であり、金合金細線はＭｎを０．００
５〜０．５重量％の範囲で含有する金合金細線であるこ
と、（２）上記（１）の半導体素子における金合金細線
において、さらにＰｄを０．００５〜１．０重量％の範
囲で含有する金合金細線であること、（３）上記（２）
の金合金細線においてさらにＰｔ，Ａｇ，Ｃｕの少なく
とも１種を総計で０．０１〜２．０重量％の範囲で含有
する金合金細線であること、（４）上記（２）または
（３）の金合金細線において、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｉ
ｎ，希土類元素の少なくとも１種を総計で０．０００５
〜０．０５重量％の範囲で含有すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上の電
極と金合金細線との接合部信頼性に優れた半導体素子に
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。金合金細線の接合技術として
は超音波併用熱圧着方式が一般的である。金細線先端を
アーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボールを形成
させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導
体素子の電極上にこのボール部を圧着接合せしめた後
に、さらに外部リード側との接続を超音波圧着する方法
である。トランジスタやＩＣなどの半導体素子として使
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熱硬化エポキシ樹脂で封止する。
【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、金合
金細線の長尺化、細線化あるいは高ループ化、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。上記の長尺化、細線化、ループ高さの調整
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。
【０００４】ところで、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
いは高湿などの環境で使用される場合もある。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。金細線を用いた場合、高温環境下に
おけるアルミ電極との接合部の長期信頼性の低下などが
問題視されている。
【０００５】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
てはアルミ合金細線を使用し、セラッミックスパッケー
ジした半導体素子が利用されていた。アルミ合金細線で
は、半導体素子上の電極との接合部において同種金属の
接合により、高信頼性が得られる利点がある。しかし、
樹脂封止と比較してセラッミックスパッケージは高価で
あり、またアルミ合金細線では大気中で正常なボール形
成が困難であることから接合方法としてウェッジ接合法
が一般的であり、金合金細線に比べて生産性が低下す
る。
【０００６】コスト、生産性などの理由から、アルミ合
金細線の使用は特定の半導体素子に限定されており、今
後とも高速性、生産性、作業性などに優れている、金合
金細線によるボンディング方式が主流であると考えれ
る。金細線とアルミ電極との接合において、高温環境に
おける高い接合信頼性を有する金合金細線を用いた半導
体素子が関連する事業分野から望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の金細線を用いた
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】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、樹脂封止され接合部における
金属間化合物層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。信頼性向上を目的として
接合部における拡散挙動をコントロールするためには、
金細線の合金元素の添加が有効となる。
【０００９】ここで腐食反応に関与している封止樹脂成
分は、臭素およびアンチモンであり、これらは難燃剤と
して封止樹脂の必須成分である。これらの難燃剤を低減
すると、樹脂の高温保管性が低下することが問題とな
る。
【００１０】本発明は、金合金細線と半導体素子上のア
ルミ電極部とのボール接合部がエポキシ樹脂で封止され
た状態において、化合物の腐食にともなう接合強度の低
下および電気抵抗の増加を低減することにより、高温保
管性に優れた半導体素子を提供することを目的としてい
る。
【００１１】
【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半導体素子
について研究を行った結果、封止樹脂中に、臭素および
アンチモンを適量添加することにより、難燃効果を高
め、さらに金合金細線中にはＭｎ元素の添加、さらにＭ
ｎ元素とＰｄ元素を併用させることで、樹脂封止した接
合部において金属間化合物層の腐食を著しく低減させる
効果があることが見出した。ここでＭｎとＰｄの両者を
組み合わせることによる複合効果により、耐食性が高ま
る。
【００１２】さらに、金合金細線中にＰｔ，Ａｇ，Ｃｕ
の添加により接合直後の接合強度を高めることを確認
し、また、Ｃａ，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の添加するこ
とは圧着ボール径の異方性を低減するため、高密度実装
に有効であることを見出した。
【００１３】すなわち、本発明は、上記知見に基づくも
のであって、以下の構成を要旨とする。 （１） 金合金細線と電極膜との接合部を樹脂で封止す
る構造の半導体素子において、封止樹脂は臭素またはア
ンチモンの少なくとも１種を総計で０．１〜１５重量％
の範囲で含有するエポキシ樹脂であり、電極材はアルミ
またはアルミ合金であり、金合金細線はＭｎを０．００
５〜０．５重量％の範囲で含有する金合金細線であるこ
とを特徴とする、耐熱性に優れた半導体素子。
【００１４】（２） 前記（１）項に記載の構造の半導
体素子において、金合金細線がＭｎを０．００５〜０．
５重量％、Ｐｄを０．００５〜１．０重量％の範囲で含
有する金合金細線であることを特徴とする半導体素子。
【００１５】（３） 前記（１）項にの構造の半導体素
子において、金合金細線がＭｎを０．００５〜０．５重
量％、Ｐｄを０．００５〜１．０重量％、さらにＰｔ，
Ａｇ，Ｃｕの少なくとも１種を総計で０．０１〜２．０
重量％の範囲で含有する金合金細線であることを特徴と
する半導体素子。
【００１６】（４） 前記（２）または（３）項に記載
の半導体素子において、金合金細線において、さらにＣ
ａ，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の少なくとも１種を総計で
０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有する金合金
細線を使用して接続した半導体素子。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係わる半導体素
子の構成についてさらに説明する。封止樹脂が高温で使
用されると部材の変質および分解することにより、信頼
性が低下することになる。何らかの原因で発火した際に
も燃焼を抑えることが不可欠であり、通常の樹脂中には
難燃材として、臭素およびアンチモンが含有される。こ
ららの含有量が多いほど、難燃効果は高まるものの、高
温環境で分解したそれらのガス成分が悪影響を及ぼす原
因となる。例えば、金ボール部とアルミ電極との接合部
に成長した金／アルミの金属間化合物が、封止樹脂中の
ガス成分と容易に腐食反応することが問題となる。従っ
て、臭素およびアンチモンの含有量を増加して、且つ、
上記の化合物の腐食を抑制できれば、難燃効果と耐腐食
性を併せ持つ、耐熱性を向上させた半導体素子となる。
【００１８】難燃性を高めるためには、封止樹脂中に臭
素およびアンチモンの少なくとも一方は含有することが
不可欠である。ここで臭素とアンチモンの含有量が総計
として、０．１〜１５重量％であることが望ましい。こ
の理由として、０．１重量％未満では封止難燃効果がえ
られず、１５重量％以上含有すると、本発明に係わる金
合金細線を使用しても、化合物の腐食を抑制することは
困難であるためである。さらに好ましくは、臭素の含有
量は０．１〜１０％、アンチモンの含有量は０．２〜６
％であることが望ましい。これは、臭素とアンチモンの
両者を併用することにより、より高い難燃効果が得ら
れ、その適量が上記範囲であるためである。
【００１９】従来の金合金細線を使用する半導体素子で
は、金／アルミ接合部の腐食の問題から、通常の封止樹
脂中の臭素およびアンチモンの含有量には上限があり、
臭素では３％およびアンチモンでは２％程度である。本
発明に係わる金合金細線を使用すると、臭素およびアン
チモンの含有量を従来より増加させても信頼性を損なう
ことなく、難燃性を高めることができる。また、大半の
半導体素子の使用において、封止樹脂のガラス転移温度
より約３０度高い温度までが一つの目安となることがあ
るが、本発明に係わる半導体素子では、ガラス転移温度
より６０度高い温度まで使用することが可能となり、高
温環境での実用性が向上する。例えば、自動車のエンジ
ン周辺の高温環境で使用される半導体素子では、実用範
囲が拡がることが期待される。
【００２０】金細線中にＭｎ添加における化合物相の腐
食を抑える効果は、化合物相の内部にまで腐食が進行す
ることを抑制しており、長時間加熱においての電気抵抗
の増加を抑えることに有効である。ＭｎとＰｄを併用添
加することにより腐食抑制効果を著しく高めることがで
き、Ｍｎ単独添加あるいはＰｄ単独添加に比べて接合信
頼性を一段と向上することができる。Ｍｎに加えてＰｄ
も併用添加することにより、腐食の初期段階において化
合物相と金の界面近傍でのボイドの生成を抑えて、接合
強度の低下を抑制することができる。
【００２１】Ｍｎの含有量を０．００５〜０．５重量％
の範囲において接合信頼性が向上することを確認した。
Ｍｎ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、一方を
０．５重量％を超えるとワイヤ先端に形成したボール部
の真球度が低下して、扁平な形状が発生するという理由
に基づくものであると共に、半導体素子上の電極間距離
の短ピッチ化に対応するために好ましい小径ボールの作
製が困難となるという理由に基づくものである。
【００２２】一方、Ｐｄの単独添加では化合物相の成長
速度を抑制させることを確認したが、腐食の抑制効果は
必ずしも十分ではなく、特に化合物の広範囲に腐食が進
む段階に相当するような長時間加熱おいて、腐食を遅ら
せる効果を得るためにはＰｄ添加量を約１重量％を超え
る範囲が必要となる。しかしＰｄの高濃度含有によりボ
ール部の形状が扁平になったり、ボール部の硬化により
接合時にシリコン基板に損傷を与えることが問題視され
る。Ｐｄ添加量を少量にするとボール形状は問題ない
が、長時間加熱した接合部において化合物が十分成長し
た後では腐食抑制の効果は小さいことが問題となる。Ｍ
ｎ添加を併用することにより、Ｐｄ単独では抑制が困難
であった電気抵抗の上昇も抑えられ、少量のＰｄでも腐
食進行を抑える効果を非常に高めることができる。これ
らの理由から、腐食の進行を短時間および長時間にわた
り抑えるためには、ＭｎとＰｄの併用が有効である。
【００２３】Ｍｎの含有量を０．００５〜０．５重量
％、Ｐｄを０．００５〜１．０重量％の範囲において接
合信頼性が向上することを確認した。Ｍｎ含有量が上記
範囲は、上述した理由に基づくものであり、この範囲内
で信頼性を向上する効果が十分得られる。またＰｄの含
有量が０．００５重量％では上述したＭｎとの併用効果
が非常に小さく、１．０重量％を超えるとボール部が硬
化してシリコン基板にダメージを与えたり、ボール表面
に酸化膜が形成されて、アルミ電極との接合性が低下す
るという理由に基づくものである。
【００２４】Ａｕボール部とアルミ電極との接合性とし
て、ボンディング直後の接合強度は重要であり、小ボー
ル化に伴い接合強度を確保することか困難になることが
ある。Ａｌ表面の酸化膜が強固なときなどに、ＭｎとＰ
ｄの添加した金ワイヤの小ボール接合において、ボンデ
ィング直後の接合強度を向上させることが課題となる場
合があり、Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕの少なくとも１種をさらに
添加することにより、接合界面における化合物成長を促
進して、接合強度を高めることができる。Ｐｔ，Ａｇ，
Ｃｕの含有量を０．０１〜２．０重量％の範囲としたの
は、０．０１重量％未満では接合強度を高める効果が十
分でなく、２．０重量％を超えるとボールの真球性が低
下するため、小ボールの形成および接合に悪影響を及ぼ
すためである。
【００２５】狭ピッチ接続においては、圧着したボール
の形状に異方性があれば、隣接するボールの接触などが
問題となることがある。ボールの圧着後の形状を上部か
ら観察して真円からずれる異方性が大きくなると、狭ピ
ッチ接続において、隣接するボールの接触などが問題と
なることがある。上記の第一群元素あるいは第二群元素
の添加によりボール硬度は高くなることから、接合面積
を確保することを重視した場合に、接合時の荷重および
超音波振動を高める必要がある。その場合に、圧着ボー
ルの形状の異方性が問題となることがある。
【００２６】そこでＣａ，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の少
なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の
範囲で含有することにより、ボール変形時の異方性を低
減することができ、さらに接合強度も高めることができ
る。Ｃａ，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の添加により、ボー
ル部の結晶粒が微細化する傾向にあり、変形時の異方性
の抑制にも有効に作用しているものと思われる。Ｃａ，
Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の含有量を上記範囲と定めた理
由は、０．０００５重量％以下であれば十分な効果が得
られないこと、０．０５重量％を超えるとボール先端に
引け巣が発生して接合性が低下するためである。
【００２７】
【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９９．９９
５重量％以上の電解金とにより、表１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。
【００２８】高速自動ボンダーを使用して電気トーチに
よるアーク放電により作製した金合金ボールの形状を走
査型電子顕微鏡で観察し、真球性が悪く形状が扁平なも
の、ボール先端部において収縮孔の発生が認められるも
の等半導体素子上の電極に良好な接合ができないものを
×印、良好なものを○印にて評価した。
【００２９】ボール変形の異方性に関しては、Ａｕボー
ル部をＡｌ電極上に超音波併用の熱圧着方式により接合
し、ボール部５０個の圧着径を超音波印加と垂直方向
（Ｄｘ）および平行方向（Ｄｙ）の２方向で測定し、Ｄ
ｘとＤｙの比率により評価した。Ｄｙ／Ｄｘの値が１．
０に近いほど真円を保ちながら変形していることになる
ため、Ｄｙ／Ｄｘの平均値が０．９８〜１．０２の範囲
であれば異方性がほとんどないため◎印、異方性は問題
ないレベルである０．９５〜０．９８または１．０２〜
１．０５の範囲であれば○印、０．９５未満あるいは
１．０５を超える範囲であれば狭ピッチ接続では注意を
要することがあるため△印で表記した。
【００３０】Ａｕボール部の接合強度については、高速
自動ボンディングワイヤ後にリードフレームと測定する
半導体素子を冶具で固定した後に、アルミ電極の３μｍ
上方で冶具を平行移動させて煎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を測定し
た。
【００３１】金合金細線の先端に形成したボールをアル
ミ電極に接合し、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２５０時間加熱処理した
半導体素子を用いて、ボール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の金属間
化合物層の腐食を観察した。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、ボール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、ボール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個のボール接合部で平均した値が、５％以下
では腐食が抑制が顕著であると判断して○印、４０％以
上で腐食が顕著なものは×印、その中間である５％〜４
０％のものは△印で表記した。
【００３２】加熱後の接合強度の低下に関しては、樹脂
封止した状態で２００度で２００時間した後に、樹脂を
開封してから、シェアテスト法により２０個のボール接
合部のシェア強度を測定して、加熱前の接合強度の６割
以下にまで低下している場合には△印、８割以上の高い
値であれば◎印、６割から８割の範囲であれば○印で表
示した。
【００３３】表１は、本発明構成成分で製造した半導体
素子において、主として金合金細線の評価結果を示し、
表２には本発明構成を外れる半導体素子においての評価
結果を示した。表１において、実施例３〜８は第二請求
項に係わるものであり、実施例９〜１４は第三請求項に
係わるものであり、実施例１５〜３２は第四請求項に関
する結果である。
【００３４】実施例１，２ではＭｎ添加であり、接合部
における化合物層の腐食は抑えられている。ＭｎとＰｄ
の適量添加した実施例３〜８においては、腐食抑制効果
はさらに向上し、初期における強度の低下も認められな
かった。一方、比較例１，２ではＰｄ添加は本発明範囲
であるがＭｎ含有量が０．００５重量％未満であるた
め、腐食抑制効果は小さく、接合強度も低下している。
またＰｄ添加量の多い比較例４，５ではボール形状が不
良となり電極との接合性が悪く、初期における強度も低
い。
【００３５】実施例９〜１４では接合直後に測定したシ
ェア強度は６５ｇｆ以上であり、Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕの適
量添加により１５ｇｆ以上も増加していることが確認さ
れた。一方、これらの元素の添加量を少なくした比較例
６〜９では、接合後のシェア強度の上昇はみられず、さ
らに添加量を本発明範囲以上に高めた比較例１０〜１３
では、実施例９〜１４と同様に前記シェア強度は大きく
なるものの、ボール形状が不良となっている。
【００３６】ボール部の圧着径の異方性に関しては、本
実験の材料成分および接合条件においては５％以下であ
り通常の実装では問題のないレベルであるが、Ｃａ，Ｂ
ｅ，Ｉｎ，希土類元素を適量添加している実施例１５〜
２８では、異方性が２％以下の低い値にまで向上してお
り、狭ピッチ接続に好適である。一方、比較例１４〜２
０はＣａ，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素の添加量が本発明の
範囲を外れているため、圧着ボールの異方性は本発明ほ
ど優れていない。特に、これらの元素の総計量が多い比
較例１７〜２０は、ボール形状が不良となる。
【００３７】実施例に示したエポキシ樹脂では、臭素、
アンチモンの含有量が本発明の範囲内であり、接合部に
おける腐食は抑制されており、且つ、難燃性も確保され
ていることが確認された。比較例２２では、臭素、アン
チモンの含有量が１５％を超えると、接合部において腐
食反応が観察された。
【００３８】本実験では、素子上の配線材料として純ア
ルミを用いて実験したが、最近の半導体素子で一般的に
使用されているＳｉおよびＣｕなどを含有するアルミ合
金を用いても、本発明の金合金細線は高い耐食性を保持
している。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
【００４１】
【発明の効果】以上、本発明に係わる半導体素子を構成
する金合金細線とアルミ電極部の接合部と、さらに封止
用樹脂を用いることにより、接合部における腐食反応を
抑制し、さらに難燃性を高めることにより、高温環境に
おいて高い信頼性を有する半導体素子を提供するもので
ある。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 23/31

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金合金細線と電極膜との接合部を樹脂で
    封止する構造の半導体素子において、封止樹脂は臭素ま
    たはアンチモンの少なくとも１種を総計で０．１〜１５
    重量％の範囲で含有するエポキシ樹脂であり、電極材は
    アルミまたはアルミ合金であり、金合金細線はＭｎを
    ０．００５〜０．５重量％の範囲で含有する金合金細線
    であることを特徴とする耐熱性に優れた半導体素子。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の構造の半導体素子にお
    いて、金合金細線がＭｎを０．００５〜０．５重量％、
    Ｐｄを０．００５〜１．０重量％の範囲で含有する金合
    金細線であることを特徴とする半導体素子。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の構造の半導体素子にお
    いて、金合金細線がＭｎを０．００５〜０．５重量％、
    Ｐｄを０．００５〜１．０重量％、さらにＰｔ，Ａｇ，
    Ｃｕの少なくとも１種を総計で０．０１〜２．０重量％
    の範囲で含有する金合金細線であることを特徴とする半
    導体素子。
  4. 【請求項４】 請求項２または３に記載の半導体素子に
    おいて、金合金細線において、さらにＣａ，Ｂｅ，Ｉ
    ｎ，希土類元素の少なくとも１種を総計で０．０００５
    〜０．０５重量％の範囲で含有する金合金細線を使用し
    て接続した半導体素子。
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