JPH1126672A - 半導体パッケージ及びその製法 - Google Patents

半導体パッケージ及びその製法

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JPH1126672A
JPH1126672A JP9183620A JP18362097A JPH1126672A JP H1126672 A JPH1126672 A JP H1126672A JP 9183620 A JP9183620 A JP 9183620A JP 18362097 A JP18362097 A JP 18362097A JP H1126672 A JPH1126672 A JP H1126672A
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JP
Japan
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alloy
lead frame
semiconductor package
alloy film
resin
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JP9183620A
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English (en)
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Kazutoshi Ito
和利 伊藤
Takeya Ohashi
健也 大橋
Taku Honda
卓 本田
Kazuo Hatori
和夫 羽鳥
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】１５０℃以上の温度において信頼性が高く、し
かも従来のリードフレームと同じ電気的特性を有し、か
つ、低価格なリードフレームを用いた半導体パッケージ
の提供にある。 【解決手段】Ｃｕ合金リードフレームのワイヤボンディ
ングの接続端子部に、耐酸化性あるいは耐食性に優れた
Ｃｕ合金皮膜をリードの電気的特性あるいは機械的特性
を損なわない量形成し、かつ、ワイヤ材にＡｌ合金を用
いてワイヤボンディングする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｃｕ合金からなる
リードフレームと半導体素子とをＡｌワイヤのボンディ
ングによって電気的に接続する半導体パッケージに係
り、特に高温で不良発生がない半導体パッケージ及びそ
の製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置は、半導体素子で発生する熱
を外部に効率良く放散し、かつ、リードの強度を大きく
するため、リードフレームの材料としてＣｕ合金が用い
られている。
【０００３】しかし、Ｃｕ合金は大気中で容易に酸化
し、その膜厚は大気中の水分量により時間と共に増加す
る性質があり、酸化膜が厚くなると、半田接合やＡｌワ
イヤの超音波ボンディングが不安定になると云う欠点が
ある。このため、従来は半導体素子の半田接合面及びＡ
ｌワイヤのボンディング面には、酸化の進行が遅いＮｉ
めっきが施されていた。
【０００４】最近、半導体装置の低価格化を目的とし
て、リードフレーム上のＮｉめっきを省いためっきレス
（Ｃｕ合金）リードフレームが検討されてきた。
【０００５】このめっきレスリードフレームを用いた半
導体パッケージは、ワイヤボンディング部が、半導体素
子側でＡｌパッド／Ａｌワイヤ、リードフレーム側でＡ
ｌワイヤ／Ｃｕ合金リードの組合せとなる。
【０００６】また、ボンディング部の周囲はエポキシ樹
脂でモールドされている。このような樹脂封止型半導体
装置のワイヤボンディング部の信頼性に関しては、特開
昭６３−２６６８４４号公報に示されるように、ボンデ
ィング後に、ボンディング部表面に有機系腐食抑制剤と
の化合物皮膜を形成する方法、あるいは、特公平４−７
８１７３号公報に示されるように、酸化剤を含んだ気相
中でボンディング部を処理して酸化膜を形成する方法が
ある。
【０００７】これらの方法は、樹脂パッケージ内部への
水分の浸入速度を遅くする効果はあるが、化合物皮膜を
形成した後に樹脂モールド等の熱処理を行うと皮膜の蒸
発や分解が起こり、気相中における酸化処理では、加熱
による半田部での半導体素子の剥離が起こる恐れがあ
る。
【０００８】また、特開平８−７８４５９号公報では、
高温でのワイヤボンディング部の信頼性を高めるため
に、リードフレーム材にＣｕ−Ｚｒ合金またはＣｕ−Ｃ
ｒ合金を用い、かつ、ワイヤボンディング接合点を２点
とする方法が示されている。しかし、この方法ではワイ
ヤボンディング部での熱抵抗が大きくなり、半導体装置
としての電気的特性が劣る欠点がある。また、リードフ
レーム材として高価格であると云う欠点もあった。
【０００９】このように、樹脂封止型半導体装置の高温
時におけるワイヤボンディング部の信頼性に関しては十
分検討されていなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】半導体装置は自動車制
御用などのように、使用環境がより厳しい条件での用途
が拡大する傾向にあり、温度１５０℃以上で１０００時
間以上でも断線しないなどの信頼性が要求されている。
【００１１】Ｃｕ合金リードフレームでは、リード側の
ワイヤボンディング部がＡｌ／Ｃｕ合金の組合せにな
り、従来は問題のなかったＡｌ／Ｃｕの接合界面が、高
温になると問題になることが分かってきた。即ち、１５
０℃以上の温度においてＡｌ／Ｃｕの接合部の強度が低
下することである。従来のＣｕ合金リードフレームを用
いた半導体装置の各種信頼性を調査した結果、１５０
℃，１０００時間で約０.１％の不良が発生し、高温で
使用する製品としてはその信頼性が不十分なことが分か
った。
【００１２】本発明の目的は、１５０℃以上の温度にお
いて信頼性が高く、しかも従来のリードフレームと同じ
電気的特性を有し、かつ、低価格なリードフレームを用
いた半導体パッケージおよびその製法を提供することに
ある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は、Ｃｕ合金のリードフレーム上に半導体素子
を搭載し、該半導体素子の接続端子と前記リードフレー
ムの接続端子をワイヤボンディングにより結線し、半導
体素子の少なくとも搭載面を樹脂モールドした半導体パ
ッケージにおいて、前記リードフレームの接続端子部
に、Ｃｕを主成分としＣｕより相対酸化量が５０％以下
のＣｕ合金皮膜が形成されている半導体パッケージにあ
る。
【００１４】上記Ｃｕ合金皮膜としては、Ｃｕと、Ａ
ｇ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｍｇ，
Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｚｒから
選ばれる少なくとも一種の金属元素との合金である前記
の半導体パッケージにある。
【００１５】さらに、上記の金属元素の含有量は重量％
にして、Ａｇ：０.２〜５０％，Ｂｅ：０.０５〜１０
％，Ｃｒ：０.０５〜５０％，Ｃｏ：０.０５〜２０％，
Ｖ：０.０３〜２０％，Ｎｂ：０.０２〜２０％，Ｔａ：
０.０３〜２０％，Ｆｅ：０.０３〜２０％，Ｍｇ：０.
５〜２０％，Ｎｉ：０.２〜５０％，Ｐｄ：０.１〜５０
％，Ｐｔ：０.１〜５０％，Ｓｉ：０.０４〜１０％，Ｓ
ｎ：０.１〜５０％，Ｔｉ：０.５〜５０％，Ｚｎ：０.
１〜５０％，Ｚｒ：０.０１〜５０％である前記の半導
体パッケージにある。
【００１６】また、前記Ｃｕ合金皮膜の膜厚が０.０１
〜１μｍである前記の半導体パッケージにある。
【００１７】更にまた、Ｃｕ合金のリードフレームに半
導体素子を半田接続して搭載する半導体パッケージの製
法において、Ｃｕ合金製の帯状金属板をリードフレーム
形状に加工する工程、前記加工後にリードフレームを洗
浄する工程、該洗浄工程後に前記リードフレームのワイ
ヤボンディングの接続端子部にＣｕを主成分としＣｕよ
り相対酸化量が５０％以下のＣｕ合金皮膜を形成する工
程を含むことを特徴とする半導体パッケージの製法にあ
る。
【００１８】
【発明の実施の形態】従来の半導体装置は、高温で長時
間放置すると不良品が発生することを前述したが、これ
を解決するため本発明者らはまずその原因について検討
した。
【００１９】Ｃｕ合金リードフレームにＡｌワイヤを接
合して高温に放置し、接合強度の変化を調べた。図８は
ガラスアンプル中にワイヤボンディング完成品と封止用
樹脂を同封し、２００時間高温放置した場合の接合部の
強度の測定結果を示すものである。比較のために樹脂を
同封しない場合も示した。
【００２０】樹脂無しの場合でも温度が高くなると接合
強度は低下するが、樹脂が同封されるとその接合強度の
低下が著しい。１５０℃における強度は、樹脂の有無に
関らず差はない。このことから、接合部の強度劣化は１
５０℃を超えると樹脂から出るガスの影響を受けるもの
と考える。
【００２１】低価格で高温信頼性の高い半導体装置を得
るには、リードフレーム材料として熱伝導性及び機械的
強度が高い材料を見い出すことが必要である。しかもＡ
ｌワイヤボンディングが可能で、Ａｌとの接合部が高温
環境で樹脂から出るガスによって強度劣化しないことも
必要である。
【００２２】これらのことから、当初、リードフレーム
材料として、Ｃｕに微量の添加元素を加えて固溶強化や
析出強化をさせたＣｕ合金材について検討したが、Ｃｕ
に他の合金元素を添加すると導電率が低下し、ワイヤボ
ンディング部での熱抵抗が大きくなり、半導体装置とし
ての電気的特性が低下する欠点があることが分かった。
また、合金元素を添加したリードフレーム材は高価であ
ると云う欠点もあった。
【００２３】本発明は、Ｃｕ合金リードフレームのワイ
ヤボンディングの接続端子部に、耐酸化性や耐食性に優
れたＣｕ合金皮膜を形成し、高温時の樹脂からの発生ガ
スによる接続点の断線を防止したものである。
【００２４】形成するＣｕ合金皮膜としては、例えば、
Ｃｕ−Ｎｉ，Ｃｕ−Ｃｒ，Ｃｕ−Ｚｒのような高耐食性
の合金であり、その厚さは耐食性が保たれるならば極力
薄い方がよい。なぜならば、これらの合金はＣｕに比べ
て導電率が低いので厚くなると電気的特性が悪くなるか
らである。Ｃｕ合金皮膜の厚さは０.０１〜１μｍの範
囲が好ましい。
【００２５】また、Ｃｕ合金皮膜のＣｕに対する添加元
素の添加量の下限は、酸化抑制効果が現われようにする
ために規定され、上限はその合金の電気的及び機械的特
性により規定され、各元素の添加量は以下の範囲が望ま
しい。
【００２６】金属元素の含有量は重量％にして、Ａｇ：
０.２〜５０％，Ｂｅ：０.０５〜１０％，Ｃｒ：０.０
５〜５０％，Ｃｏ：０.０５〜２０％，Ｖ：０.０３〜２
０％，Ｎｂ：０.０２〜２０％，Ｔａ：０.０３〜２０
％，Ｆｅ：０.０３〜２０％，Ｍｇ：０.５〜２０％，Ｎ
ｉ：０.２〜５０％，Ｐｄ：０.１〜５０％，Ｐｔ：０.
１〜５０％，Ｓｉ：０.０４〜１０％，Ｓｎ：０.１〜５
０％，Ｔｉ：０.５〜５０％，Ｚｎ：０.１〜５０％，Ｚ
ｒ：０.０１〜５０％である。
【００２７】これらのＣｕ合金皮膜は、表面に生成する
酸化皮膜の保護作用によって、樹脂から出るガスによる
接合部の腐食を抑制する。
【００２８】Ｃｕ合金皮膜は真空蒸着法、スパッタ法、
イオンプレーティング法、イオンクラスタビーム法、プ
ラズマ反応法、化学的気相成長法等のような物理的ある
いは化学的な方法により形成される。
【００２９】図１は、本発明の半導体パッケージの一実
施例を示す模式断面図である。本実施例は１〜１００Ｗ
級パワートランジスタパッケージの構造例であり、図１
（ａ）はパッケージの水平面の断面図、（ｂ）はボンデ
ィングワイヤ部分の拡大図である。
【００３０】リード端子１，２、ダイ７及びダイリード
８は従来のＣｕ合金で、リード端子１，２のワイヤボン
ディングの接続端子部の表面には、本発明のＣｕ合金皮
膜１０，１１が形成されている。
【００３１】トランジスタチップ５はダイ７にＰｂ／Ｓ
ｎ−Ａｇからなるはんだ６で接合されている。樹脂９は
エポキシ樹脂である。ボンディングワイヤ３，４はＡｌ
−Ｎｉからなる合金で、直径２００μｍのソフトタイプ
ワイヤである。
【００３２】リード端子１，２とボンディングワイヤ
３，４の接合は１点のウェッジボンディングである。本
実施例では、リード端子１，２のワイヤボンディングの
接続端子部表面に、高耐食性のＣｕ合金１０，１１の皮
膜が形成されているため、樹脂９から発生するガスで接
合部の腐食が無く、従来のものに比べて高温放置寿命を
大きく延ばすことができる。
【００３３】図２は、ワイヤボンディング完成品と樹脂
とを同封したガラスアンプル中２００時間高温放置にお
ける、Ａｌワイヤ／Ｃｕ合金リード接合部のピール強度
の測定結果を示す図である。
【００３４】従来のＣｕ合金（Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金、Ｃ
ｕ−Ｓｎ−Ｐ合金）を用いたリードフレームでは、温度
が高くなると強度が低下するのに対し、本発明のＣｕ合
金リードフレームにＣｕ合金皮膜（Ｃｕ−１％Ｎｉ）を
形成したものでは、１５０℃における強度とほぼ同等レ
ベルの強度が得られている。
【００３５】本発明品の接合部が、従来のＣｕ合金を用
いたものと比べて、樹脂からのガスに影響されにくい理
由は明らかではないが、次の現象が考えられる。
【００３６】ワイヤボンディングの接合面ではＡｌとＣ
ｕとの結合部が存在し、この結合部が、例えば、臭素化
エポキシ樹脂から出るＢｒガスや、他の分解ガスなどに
よって腐食されて欠陥部を生じ、そこが起点となって脆
いＡｌ−Ｃｕ金属間化合物層へ応力が集中し、最終的に
剥離に至ると考えられる。
【００３７】この理由として、ＰなどのＣｕに固溶する
元素を含むＣｕ合金では、これらの元素がＡｌとの結合
を弱めてガスの影響を受け易くするのに対し、Ｎｉ，Ｚ
ｒ，Ｃｒのように、Ｃｕにほとんと固溶せず析出する元
素を添加したＣｕ合金では、酸化を抑制し、ガスの影響
を受けにくくするものと考えられる。
【００３８】図３は、本発明の各種Ｃｕ合金の酸化プラ
ズマによる酸化試験の結果を示す図である。各種Ｃｕ合
金を一定時間酸素プラズマ中にさらし、酸化の程度は試
験後の酸化銅の量を電気化学的手法により定量した。
【００３９】Ｃｕの酸化量に比べてＣｕ−１％Ａｇ，Ｃ
ｕ−１％Ｆｅ，Ｃｕ−１％Ｎｉ，Ｃｕ−１％Ｚｎ及びＣ
ｕ−１％Ｚｒの各Ｃｕ合金は、いずれもその酸化量が５
０％以下と低減している。なお、Ｃｕ−１％Ａｌ合金の
相対酸化量が５０％を超えており、その酸化抑制効果は
十分とは云えないことが分かる。このことからも、Ｃｕ
／Ａｌの接合面の強度は弱いと考えられる。これらの結
果から、本発明のＣｕ合金皮膜は、従来のＣｕ合金に比
べて高い耐酸化性を有することが分かった。
【００４０】図４はＣｕ−Ｎｉ合金のＮｉ濃度に対する
Ｃｕの相対酸化量を示す図である。Ｎｉを１％以上添加
すると酸化抑制効果が表れることが分かる。
【００４１】図５は、Ｃｕ合金のリードフレームにＣｕ
−１％Ｎｉ合金皮膜を形成し、その厚さを変えた場合の
リード端子材料としての性能を調べたものである。膜厚
が厚くなると導電率が低下するので、膜の厚さには上限
がある。一方、膜厚が薄いと接合強度向上に効果が見ら
れない。これらの点から鑑み、Ｃｕ−１％Ｎｉ合金皮膜
の膜厚は０.０１〜１μｍが好ましい。
【００４２】図６は、本発明による半導体パッケージ用
リードフレーム端子のＣｕ合金皮膜の形成方法のフロー
図である。Ｃｕ合金製の帯状金属板をリードフレーム形
状に打ち抜くプレス加工工程（ａ）、プレス加工時に付
着した油分を洗浄する洗浄工程（ｂ）を経たリードフレ
ームに、ワイヤボンディング時の接続端子部のみが露出
しているマスクパターンを用いて、リードフレーム全面
にＣｕ−１％Ｎｉ合金をスパッタ法により堆積させるリ
ード端子皮膜形成工程（ｃ）。
【００４３】その後、マスクパターンを除去し、通常の
製造プロセスである半導体素子のはんだ付け工程
（ｄ）、ワイヤボンディング工程（ｅ）、樹脂モールド
工程（ｆ）を経て、本発明の半導体パッケージが得られ
る。
【００４４】以上の製造工程により、リードフレームの
ワイヤボンディングの接続端子部のみに、選択的に高い
耐食性のＣｕ合金皮膜を形成することができる。
【００４５】図７は本発明の他の実施例である半導体パ
ッケージ用リードフレーム端子のＣｕ合金皮膜の形成方
法のフロー図である。Ｃｕ合金製の帯状金属板にワイヤ
ボンディングの接続端子部に当たる部分に、Ｃｕ合金よ
りも高い耐食性の金属を形成する工程（ａ）、該金属板
をリードフレーム形状にプレスするプレス加工工程
（ｂ）、プレス加工後にリードフレームを洗浄する洗浄
工程（ｃ）後、通常の製造プロセスを経て製品となる。
【００４６】以上の工程により、リードフレームのワイ
ヤボンディングの接続端子部のみに、選択的にＣｕ合金
よりも高い耐食性のＣｕ合金皮膜を形成することができ
る。なお、この場合の金属膜形成方法は、めっき法、蒸
着法、スパッタ法等により形成してもよい。
【００４７】以上、本実施例により半導体パッケージの
高温放置寿命を大きく延ばすことができ、従来のＣｕ合
金リードフレームを用いた半導体パッケージに比べて高
い信頼性のものを得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、Ｃｕ合金リードフレー
ムとＡｌワイヤを用いた樹脂封止型の半導体パッケージ
において、１５０℃以上の温度に曝されたときのモール
ド樹脂からの発生ガスによる接合部の劣化及び断線不良
を減少でき、高温信頼性を高める効果がある。また、従
来のパッケージより低価格のものを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージの一実施例を示す模
式断面図である。
【図２】本発明のＡｌワイヤ／Ｃｕリード接合部の高温
劣化特性を示すグラフである。
【図３】本発明のＣｕ合金の酸化量を比較したグラフで
ある。
【図４】本発明のＣｕ合金の酸化量に及ぼすＮｉ添加量
の影響を示すグラフである。
【図５】本発明のリードフレーム材料の膜厚の影響を示
す図である。
【図６】本発明の実施例による半導体パッケージの製法
を示すフロー図である。
【図７】本発明の他の実施例による半導体パッケージの
製法を示すフロー図である。
【図８】従来のＡｌワイヤ／Ｃｕリード接合部の封止樹
脂による高温劣化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２…リード端子、３，４…ボンディングワイヤ、５
…チップ、６…はんだ、７…ダイ、８…ダイリード、９
…樹脂、１０，１１…Ｃｕ合金皮膜、１３，１４…チッ
プとの接続部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽鳥 和夫 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｃｕ合金のリードフレーム上に半導体素
    子を搭載し、該半導体素子の接続端子と前記リードフレ
    ームの接続端子をワイヤボンディングにより結線し、半
    導体素子の少なくとも搭載面を樹脂モールドした半導体
    パッケージにおいて、前記リードフレームの接続端子部
    に、Ｃｕを主成分としＣｕより相対酸化量が５０％以下
    のＣｕ合金皮膜が形成されていることを特徴とする半導
    体パッケージ。
  2. 【請求項２】 前記Ｃｕ合金皮膜が、Ｃｕと、Ａｇ，Ｂ
    ｅ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｎｉ，
    Ｐｄ，Ｐｔ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｚｒから選ばれ
    る少なくとも一種の金属元素との合金である請求項１に
    記載の半導体パッケージ。
  3. 【請求項３】 前記Ｃｕ合金皮膜が、金属元素の含有量
    が重量で、Ａｇ：０.２〜５０％，Ｂｅ：０.０５〜１０
    ％，Ｃｒ：０.０５〜５０％，Ｃｏ：０.０５〜２０％，
    Ｖ：０.０３〜２０％，Ｎｂ：０.０２〜２０％，Ｔａ：
    ０.０３〜２０％，Ｆｅ：０.０３〜２０％，Ｍｇ：０.
    ５〜２０％，Ｎｉ：０.２〜５０％，Ｐｄ：０.１〜５０
    ％，Ｐｔ：０.１〜５０％，Ｓｉ：０.０４〜１０％，Ｓ
    ｎ：０.１〜５０％，Ｔｉ：０.５〜５０％，Ｚｎ：０.
    １〜５０％，Ｚｒ：０.０１〜５０％である請求項２に
    記載の半導体パッケージ。
  4. 【請求項４】 前記Ｃｕ合金皮膜の膜厚が０.０１〜１
    μｍである請求項１に記載の半導体パッケージ。
  5. 【請求項５】 Ｃｕ合金のリードフレームに半導体素子
    を半田接続して搭載する半導体パッケージの製法におい
    て、Ｃｕ合金製の帯状金属板をリードフレーム形状に加
    工する工程、前記加工後にリードフレームを洗浄する工
    程、該洗浄工程後に前記リードフレームのワイヤボンデ
    ィングの接続端子部にＣｕを主成分としＣｕより相対酸
    化量が５０％以下のＣｕ合金皮膜を形成する工程を含む
    ことを特徴とする半導体パッケージの製法。
  6. 【請求項６】 Ｃｕ合金のリードフレームに半導体素子
    を半田接続して搭載する半導体パッケージの製法におい
    て、Ｃｕ合金製の帯状金属板のワイヤボンディングの接
    続端子部にＣｕを主成分としＣｕより相対酸化量が５０
    ％以下のＣｕ合金皮膜を形成する工程、該帯状金属板を
    前記リードフレーム形状に加工する工程、前記加工後に
    リードフレームを洗浄する工程を含むことを特徴とする
    半導体パッケージの製法。
  7. 【請求項７】 前記Cu合金皮膜が、Ｃｕと、Ａｇ，Ｂ
    ｅ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｎｉ，
    Ｐｄ，Ｐｔ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｚｒから選ばれ
    る少なくとも一種の金属元素との合金である請求項５ま
    たは６に記載の半導体パッケージの製法。
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