JPS6057219B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6057219B2
JPS6057219B2 JP55185875A JP18587580A JPS6057219B2 JP S6057219 B2 JPS6057219 B2 JP S6057219B2 JP 55185875 A JP55185875 A JP 55185875A JP 18587580 A JP18587580 A JP 18587580A JP S6057219 B2 JPS6057219 B2 JP S6057219B2
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JP
Japan
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layer
gold
lead frame
copper
semiconductor element
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JP55185875A
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English (en)
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JPS57109350A (en
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欣男 伊藤
三男 小林
俊夫 鉄矢
修 薄田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6057219B2 publication Critical patent/JPS6057219B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置に関し、特に半導体素子がマウント
され、かつ該素子の電極に接続したワイヤがボンディン
グされる素子配設基材を改良した半導体装置に係る。
一般に、半導体装置は第１図及び第２図に示す構造のも
のが知られている。
即ち、第１図はシリコン半導体素子（例えばバイポーラ
半導体素子）を素子配設基材（例えばリードフレーム）
にマウントし、さらにワイヤボンディングした状態を示
す斜視図、第２図は樹脂封止、カッティング加工後の状
態を示す断面図で、図中の１は半導体素子がマウントさ
れるアイランド部２及びワイヤがボンディングされるリ
ード部３ａ、３ｂを有するリードフレームである。この
リードフレーム１のアイランド部２、リード部３ａ、３
ｂのボンディング部周囲には銀層４が被覆されている。
また、前記アイランド部２には上面にベース、エミッタ
のに電極５ａ、５ｂを有するシリコン半導体素子６が金
を主成分とする層７を介してマウントされている。この
半導体素子６のＡｌ電極５ａ、５ｂには夫々金ワイヤＢ
ａ、８ｂが接続され、かつこれら金ワイヤＢａ、８ｂの
他端はベース、エミツ・夕の電極として機能する内部リ
ード３ａ、３ｂに夫々ポストボンディングされている。
更に図中の９は半導体素子６を含むアイランド部２及び
りード部３ａ、３ｂの金ワイヤＢａ、８ｂ接続部付近を
覆う樹脂封止層てある。なお、樹脂封止層９かフら露出
したリード部３ａ、３ｂは半田層１０が被覆されている
。ところで、上述した半導体装置において半導体素子６
上面のＮ電極５ａ，５ｂに一端を接続した金ワイヤ８ａ
，８ｂをリードフレーム１のリード部３ａ，３ｂに接続
するには、従来該リード部３ａ，３ｂに厚さ２〜１０ｐ
ｍの銀層４をメッキ等により被覆し、この銀層４部分に
金ワイヤ８ａ，８ｂを空気中又はＮ２中で３０００Ｃ程
度に加熱してポストボンディングする方法が行なわれて
いる。
しかしながら、上記方法にあつては次のような種々の問
題があつた。１ リードフレーム上のリード部（ポスト
ボンディング部）に銀層をメッキにより被覆するためリ
ードフレームの製作工数が増え、銀自体も高価であるこ
とからリードフレームのコストの高騰化を招く。
２リードフレーム上の銀層は、空気中に放置すると硫化
が起こり、簡単な処理による除去も難しいため、金や金
合金のワイヤのボンディング性が悪化する。
このため、リードフレームに銀層をメッキした後の保管
等に細心の注意を必要とする。３ リードフレーム上の
銀層の厚さが薄いと、下地の金属が酸化し銀層の膨れや
剥離を生じ、特に高温高湿になると、更にその膨れや剥
離が生じ易くなり、ワイヤのボンディング性が著しく低
下する。
４リードフレームのリード部に銀層が被覆されていると
、半導体素子上面の電極に金、金合金のワイヤをボンデ
ィングする際、水素トーチがリード部上の銀層にあたつ
た場合、その銀層部分が酸化されるばかりか、下地の金
属も酸化さ５れるため、ワイヤのボンディング性を損な
う。
５ リードフレームのリード部上の銀層に金ワイヤをポ
ストボンディングした構造の半導体装置を高温雰囲気中
て長時間動作させると、リードフレー１、の電極（リー
ド部）に水滴が付着し、：このリード部から銀が溶け出
す、いわゆるマイグレーション現象が起こり、銀が他方
のリード部に析出して両リード間を銀で短絡させ、著し
く信頼性を損なう。
６金属薄片板から製品まての製造工程を自動化；する場
合、銀メッキ工程が必要なため自動化が困難となる。
７銀使用量を少なくしてコスト低減を図るためにリード
フレームのリード部等に銀層を部分メ ツキにより被覆
すると、リードフレームに方向 性が生じる。
８金属薄片板からリードフレームをブレス等で 製作す
る場合、銀層のメッキ不良はブレス中に 検査して取出
すため、ブレスの可動率が低下す る。
なお、上述した問題点は素子配設基材としてリードフ
レームの代りに、第３図に示す如くステムを用いたハー
メテイツクシール構造の半導体装置川こおいても同様で
ある。
即ち、第３図中の１１は周囲に銀層１２が被覆された銅
製のステム本体である。この本体１１には２つの貫通孔
１３ａ，（１３ｂ）が設けられ、これら貫通孔１３ａ，
（１３ｂ）には上端に広幅のヘッド部１４ａ，１４ｂ・
を有する銅製のリード線１５ａ，（１５ｂ）がガラス絶
縁体１６ａ，（１６ｂ）を介して貫通支持されている。
なお、リード線１５ａ，（１５ｂ）のヘッド部１４ａ，
（１４ｂ）にも銀層１２が被覆されている。また、前記
ステム本体１１の銀層１２上には金を主成分とする接合
層１１を介してバイポーラ型半導体素子１８がマウント
され、かつ該半導体素子１８上面にはベース、エミッタ
のＮ電極１９ａ，（１９ｂ）が設けらている。そして、
これらＮ電極１９ａ，（１９ｂ）には金ワイヤ２０ａ，
（２０ｂ）の一端が夫々接続され、かつこれら金ワイヤ
２０ａ，（２０ｂ）の他端は前記ベース、エミッタ電極
として機能するリード線１５ａ，（１５ｂ）のヘッド部
１４ａ，（１４ｂ）上の銀層１２にボンディングされて
いる。更に、半導体素子１８がマウントされているステ
ム本体１１側には該素子１８を気密にシールするキャッ
プ２１が被覆されている。なお、図中の２２は一端がス
テム本体１１に接続されたコレクタ電極として機能する
リード線である。 本発明は上記様々の問題点を一挙に
解決するためになされたもので、素子配設基材のポスト
ボンディング部に銀層を被覆せずに、該基材主面の銅も
しくは銅合金の層に金もしくは金合金のワイヤを直接ボ
ンディングした半導体装置を提供しよう４ とするも
のてある。
以下、本発明の一実施例を第４図及び第５図を参照し
て説明する。
第４図は例えばバイポーラ型半導体素子をリードフレ
ームにマウントし、更にワイヤボンデイングを行なつた
状態を示す斜視図、第５図は樹脂封止、カッティング加
工を施した後の半導体装置を示すものてある。
図中１０１は主面に銅層１０２が被覆された鉄素材から
なるリードフレームで、このリードフレーム１０１には
半導体素子がマウントされるアイランド部１０３及びワ
イヤボンディングされるリード部１０４ａ，１０４ｂが
形成されている。また、図中の１０５は第６図に示す如
くマウント面に厚さ約６００Ａのバナジウム層１０６，
厚さ約２０００Ａのニッケル層１０７，厚さ１．０μｍ
の金・ゲルマニウム（Ｃｅｌ２ｗｔ％）合金層１０８及
び厚さ１０００人の金層１０９が順次積層されたバイポ
ーラ型シリコ半導体素子であり、この半導体素子１０５
は第５図に示す如く前記銅層１０２が被覆されたリード
フレーム１０１のアイランド部１０３に還元性雰囲気（
例えば属−Ｎ２のフォーミングガス）で加熱押圧によつ
てマウントされている。つまり、半導体素子１０５はア
イランド部１０３に半導体素子１０５のシリコンが含有
されないＡｕ−α−Ｃｕの全率固溶体からなる接合層１
１０を介してマウントされている。また、前記半導体素
子１０５の上面にはベース、エミッタのＡ１電極１１１
ａ，１１１ｂが設けられ、これらＡ１電極１１１ａ，１
１１ｂには例えば金ワイヤ１１２ａ，１１２ｂの一端が
夫々還元性雰囲気（例えばＨ２−Ｎ２のフォーミングガ
ス）でボンディングされている。そして、これら金ワイ
ヤ１１２ａ，１１２ｂの他端は前記銅層１０２が被覆さ
れたリードフレーム１０１のベース、エミッタの電極と
して機能するリード部１０４ａ，１０４ｂに夫々還元性
雰囲気（例えばＨ２−Ｎ２のフォーミングガス）でボン
ディングされている。つまり、金ワイヤ１１２ａ，１１
２ｂの他端はリード部１０４ａ，１０４ｂの銅層１０２
にＡＵ−Ｃｕの全率固溶体で接合されている。更に、半
導体素子１０５を含むリードフレーム１０１のアイラン
ド部１０３及びリード部１０４ａ，１０４ｂの金ワイヤ
１１２ａ，１１２ｂ接続付近は樹脂封止層１１３て覆わ
れている。また、樹脂封止層１１３から露出したアイラ
ンド部のリード（図示せず）及びリード部１０４ａ，１
０４ｂには半田層１１４が接続されている。なお、上述
した半導体装置は例えば以下に示す方法により造ること
ができる。
まず、銅層が被覆された鉄製薄片板をブレス加工して銅
層が被覆されたリードフレームを作製する。
つづいて複数個のＮｐｎバイポーラトランジスタが形成
されたシリコン基板のマウント面に厚さ約６００Ａのバ
ナジウム層、厚さ約２０００Ａのニッケル層、厚さ１．
０ｐｍの金・ゲルマニウム（Ｃｅｌ２ｗｔ％）合金層及
び厚さ１０００Ａの金層を順次真空蒸着して積層した後
、シリコン基板をその上面（マウント面と反対側の面）
よりダイヤモンドスクライブ又はブレードダイサースク
ライブにより割断して第６図に示す半導体素子１０５を
作製する。なお、これら半導体素子は塩化ビニール等で
被覆して保管する。次いで、前記リードフレームをＨ２
−Ｎ２のフォーミングガス（還元性雰囲気）中で３７０
〜４０００Ｃに加熱した状態で、このリードフレームの
アイランド部に前記半導体素子を振動を与えすに５０〜
８０ｙの加重で押圧してマウントする。その後、マウン
トされた半導体素子のＮ電極に金ワイヤめ一端を前記フ
ォーミングガスの雰囲気でボンディングし更に金ワイヤ
の他端を銅層が被覆されたリードフレームのリード部に
還元性雰囲気中、３００〜３５０′Ｃ下でポストボンデ
インク几、更に樹脂封止を施した後、延出したリード部
等を半田浴に浸漬し半田処理を施して第５図に示す半導
体装置を造る。しかして、本発明によれば半導体素子１
０５上面のＡ１電極１１１ａ，１１１ｂに一端が接続さ
れた金ワイヤ１１２ａ，１１２ｂを、銅層１０２が被覆
されたリードフレーム１０１のリード部１７０４ａ，１
０４ｂに夫々Ａｕ−Ｃｕの全率固溶体を介して良好にボ
ンディングされた半導体装置を得ることができるため、
以下に列挙する種々の効果を有するものである。
（１） リードフレーム上には銀層の被覆が不要をな一
るため、銀メッキ工程を省略することによる工程の短
縮化と、リードフレームを安価に製作できる。
（２）銀層の被覆が不要となるため、銀の欠点である銀
の硫化によるワイヤの接合強度の低下、銀ワ 層下の下
地の酸化を解消てき、リードフレームの保管時、マウン
ト時に細心の注意をはらうことなく、ワイヤをリードフ
レームのリード部に強固に接合できる。
（３） リードフレームのワイヤボンディング部に銀層
が被覆されていないため、半導体装置を高温雰囲気中て
長時間動作させても、銀のマイグレーション現象による
電極リード部間の短縮を解消でき、信頼性を著しく向上
できる。
（４）半導体素子上面の電極への金ワイヤのボンディン
グに際して水素トーチがリードフレームのリード部に当
たつても、そのリード部には銀層が被覆されていないた
め銀層が被覆されることに伴なうリード部の酸化、劣化
を起こすことなくワイヤを良好にボンディングできる。
この金ワイヤのボンディングに際し、還元ガス（例えば
Ｈ２が１０％程度含むフォーミングガス）を使用すれば
水素トーチが消えにくくなり、リードフレームのリード
部を構成する銅の酸化も還元されボンディング性が良好
となる。（５）銅層が被覆されたリードフレームのリー
ド部に金ワイヤをボンディング几たことにより、形成さ
れた接合層は金と銅の全率形の固溶体で金属間化合物と
ならない。
このため、ボンディングの接合層に金属間化合物ができ
ないので、電；気抵抗が小さく、化学的に安定し、機械
的強度の劣化のない高信頼性の半導体装置を得ることが
できる。また、リードフレームの構成材である銅は酸化
され易いが、接合層は金の拡散もしくは溶融により貴金
属化して酸化さにくくな２る。更に、空気中で加熱酸化
されても、金が拡散して貴金属層が広くなるため、接合
層の酸化は起こらない。（６） リードフレームに銀層
を被覆するためのメッキ工程を省略てきるので、銀層の
信頼性試験３（銀層の膨れ、剥れ試験、メッキ厚さ、メ
ッキ不良の試験）が不要となり、かつ半導体装置の製造
に際しての自動化が容易となり、更にブレス加工後の洗
浄が簡単になると共に、銀層の被覆による方向性の生じ
ない高精のリードフレー３ムを得ることができる。
その他、リードフレームの洗浄中に局部電池の発生によ
る酸化が起こらない。また、マウント面にバリア金属層
（バナジウム、ニッケル層）、金、ゲルマニウム合金層
を４（順次積層１７た半導体素子を用いれば、該半導体
素子を銅層（もしくは銅合金層）が被覆されたリードフ
レームのアイランド部に良好にマウントできるため、以
下に列挙する如く種々効果を発揮できる。
（７）金プリフォーム体を用いることなく、最低必要限
の金・ゲルマニウム合金層をろう材としてマウントする
ため、マウント時における位置決め精度が良好で後工程
でのワイヤボンディングの不良発生を軽減できる。
（８）金プリフォーム体を用いないため、金プリフォー
ム体をリードフレーム（素子配設基材）に載置するため
の装置が不要となり、工程も短縮できる。
（９）高価な金は、金、ゲルマニウム合金として最少必
要限しか用いないため、大幅なコストダウンを図ること
ができる。
（代）シリコンの半導体素子と金・ゲルマニウム合金層
の間のバリア金属層を介在させているため、リードフレ
ームに対して半導体素子を強固にマウントでき、しかも
バリア金属層としてバナジウム層とニッケル層との二層
構造とすれば半導体素子と金・ゲルマニウム合金層の接
着強度を著しく向上できる。
１１接合に関与する層が金・ゲルマニウム合金からなり
、従来構造のマウント面に被覆された金・シリコン共晶
層に比べてクラツキング性が良好なため、シリコン基板
の割断に際し、従来の如く金・シリコン共晶層側から切
断せずに、通常の方法に従つてシリコン基板上面（マウ
ント面と反対側の面から）ダイシングラインに沿つて行
なうことができ、高精度の割断が可能となる。
即ち、金・シリコン共晶（シリコンが２．８５Ｗｔ％）
と金・ゲルマニウム共晶（ゲルマニウムが１２ｗｔ．％
）とのクラツキング性を比較すると、各成分の密度は金
１９．３，シリコン２．４２，ゲルマニウム５．４６で
金・シリコン共晶中に占めるシリコンの体積は１９％，
金・ゲルマニウム共晶中に占めるゲルマニウムの体積は
３３％となり、金・ゲルマニウム共晶はゲルマニウムの
占める体積が相当大で、金の占める比率が低いため、金
・シリコン共晶に比べてクラツキングが容易となり、上
述の如くシリコン基板の上面側からの割断が可能となる
。ｚ金とゲルマニウムの蒸気圧は１０−１トール付近で
近似しているため、金・シリコンまたは金・アンチモン
のような分別蒸発を招くことなく、真空蒸着法により所
定組成の金・ゲルマニウム合金層を形成できる。
（１３）金・ゲルマニウム合金層に更に金属を被覆すれ
ば、半導体素子をマウントする以前における金・ゲルマ
ニウム合金層の酸化を防止でき、マウントの強度が極め
て良好となり、信頼性の高い半導体装置を得ることがで
きる。
（１４）マウントに際し、３７０〜４００℃の加熱温度
で半導体素子を銅層（もしくは銅合金層）が被覆された
リードフレームに接触させ軽い圧力で振動を与えること
なくＡｕ−Ｇｅ−Ｃｕの三元合金層を形成できるため、
半導体素子への熱影響が少なく電気特性も安定し、更に
安定したマウントがなされた半導体装置を得ることがで
きる。
（１５）銀層の被覆が不要となるため、銀の欠点である
銀の硫化によるマウント接合強度の低下、銀層下の下地
の酸化を解消でき、リードフレームの保管時、マウント
時において細心の注意をからうことなく、半導体素子を
リードフレームに強固に接合できる。（１６）金・ゲル
マニウム合金層とリードフレームとのマウントにより形
成された接合層は金、ゲルマニウム、銅の全率形の固溶
体で、金属間化合物とならない。
このため、接合層に金属間化合物ができないので、電気
抵抗が小さく、化学的に安定し、機械的強度の劣化のな
い高信頼性の半導体装置を得ることができる。また、リ
ードフレーム主面の銅層（もしくは銅合金層は酸化され
易いが、接合層は金の拡散もしくは溶融により貴金属化
して酸化されにくくなる。更に空気中で加熱酸化されて
も、金が拡散して貴金属層が広くなるため、酸化がマウ
ント接合部には起こらない。なお、本発明に係る半導体
装置は、上記実施例の如く銅層が主面に被覆された鉄素
材からなるリードフレームを用いる場合に限定されず、
主面の層に関してはＣｕ−Ｓｎ，Ｃｕ−Ｚｎ或いはリン
青銅などの銅合金で形成し、素材についてはニッケル、
ニッケル合金、コバルトなどで形成してもよい。
また、銅層もしくは銅合金層をリードフレームの素材の
主面のみならず全面に被覆してもよい。更にリードフレ
ームの素材は単層に限らず、積層構造てもよい。本発明
に係る半導体装置は上記実施例の如く金ワイヤを用いる
場合に限定されず、金合金ワイヤを使用してもよい。
本発明に係る半導体装置は上記実施例に示す如く、マウ
ント面にバナジウム、ニッケル、金・ゲルマニウム、金
の４層の金属層を積層した半導体素子を用い、この素子
を銅層が被覆されたリードフレームのアイランド部にマ
ウントした構造に限らず、半導体素子を金プリフォーム
体などのろう材、金共晶合金を介して銀ベース等が被覆
されたアイランド部にマウントしてもよい。つまり、本
発明の半導体装置は金もしくは金合金のワイヤがボンデ
ィングされる素子配設基材の主面が銅もしくは銅合金の
層で被覆されていることが必要で、半導体素子のマウン
ト部に必要に応じて銀層を被覆してもよい。本発明に係
る半導体装置は上記実施例の如く、素子配設基材として
リードフレームを用いた構造に限らず、前述した第３図
に示すハーメテイツクシール構造のものにも同様に適用
できる。
即ち、ベース、エミッタ取出し電極となるステムのリー
ド線を、ヘッド部上面に銅層（もしくは銅合金層）を被
覆した構造にし、これに金もしくは金合金のワイヤをボ
ンディングし半導体装置を構成してもよい。この場合、
ステムの本体主面も銅層（もしくは銅合金層）を被覆し
、マウント面にバリア金属層、金・ゲルマニウム合金層
を順次積層した半導体素子を用い、前記ステム本体にマ
ウントしてもよい。以上詳述した如く、本発明によれば
素子配設基材のポストボンディング部に銀層を被覆せず
に、該基材主面の銅もしくは銅合金の層に金もしくはノ
金合金のワイヤを直接ボンディングすることにより、前
述の（１）〜（６）に列挙したボンディング性能に優れ
、安価で高信頼性である等の効果を有する半導体装置を
提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
７ 第１図はシリコン半導体素子をリードフレームにマ
ウントし、かつ同素子とリードフレームのリード部とを
金ワイヤで接続した状態を示す斜視図、第２図は第１図
のリードフレームを樹脂封止し、カッティングした後の
半導体装置を示す断面９図、第３図はハーメテイツクシ
ール構造の半導体装置を示す断面図、第４図は本発明の
一実施例をすシリコン半導体素子をリードフレームにマ
ウントし、かつ同素子とリードフレームのリード部とを
金ワイヤで接続した状態を示す斜視図、第５図は第４図
のリードフレームを樹脂封止し、カッティング加工した
後の半導体装置を示す断面図、第６図は第４図の半導体
素子をマウントする前の状態を示す断面図である。 １０１・・・・・・リードフレーム、１０２・ ・・銅
層、１０３・・・・・アイランド部、１０４ａ，１０４
ｂ・・・・・・リード部、１０５・・・・・・バイポー
ラ型シリコン半導体素子、１１０・・・・・・接合層、
１１１ａ，１１１ｂ・・・・・・ベース、エミッタのＡ
ｌ電極、１１２ａ，１１２ｂ・・・・・・金ワイヤ、１
１３・・・・・・樹脂封止層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 少なくとも主面に銅もしくは銅合金の層が被覆され
    た金属素材からなる素子配設基材と、上面に電極を有す
    る半導体素子と、金属、金、ゲルマニウム合金層、ニッ
    ケル層及びバナジウム層をこの順序で積層した四層構造
    のろう材を用い、前記基材上に前記半導体素子を前記ろ
    う材をその金層が基材側に、バナジウム層が半導体素子
    側に位置するように介在させた状態で還元性雰囲気にて
    マウントし、かつ前記素子配設基材と前記半導体素子の
    電極とを金もしくは金合金のワイヤで還元性雰囲気にて
    接続したことを特徴とする半導体装置。
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