JPS6321841A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6321841A
JPS6321841A JP61165563A JP16556386A JPS6321841A JP S6321841 A JPS6321841 A JP S6321841A JP 61165563 A JP61165563 A JP 61165563A JP 16556386 A JP16556386 A JP 16556386A JP S6321841 A JPS6321841 A JP S6321841A
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道雄 佐藤
Isao Suzuki
功 鈴木
Kazuhiro Yamamori
山森　和弘
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体のチップ電極と外部引出し用リードフ
レームのインナーリード部とをワイヤボンディングした
半導体装置に関する。
（従来の技術） 一般に、トランジスタ、ＩＣ（集積回路）、ＬＳＩ（大
規模集積回路）の如き半導体装置としては、例えば第２
図に示す構造のものが知られている。ダイヤフレームの
上に半導体チップであるペレット２をダイボンディング
し、このペレット２の電極とリードフレーム３とをボン
デインクワイヤ４で電気的に接続した後、これらを樹脂
５でモールディングすることにより形成される。
前記ボンディングワイヤとしては、熱圧着法あるでは超
音波併用熱圧着法によりボンディングするφ２０〜１０
０μｍの金、超音波法によりボンディングするφ２５〜
５０μｓのアルミニウム合金（例えばＡ２−１％Ｓｉ、
ＡＱ−１％Ｍｇ）とφ１００〜５００μｓの高純度アル
ミニウム（９９，９９％以上）が用いられている。
現在、金ワイヤは普及タイプのＩＣやＬＳＩに用い、ア
ルミニウムワイヤはサーブイブ型またはパワートランジ
スタ用にと使いわけられている。
最近、実績度の増加に伴う多ピン化の傾向によって、金
ワイヤのコストを無視することが出来なくなっている。
そのため、ボンディングワイヤを高価な金から比較的安
価な銅に変更することが検討されている。また銅は金に
比べ材料コストが大幅に低減する他に導電率が高く細線
化が可能で、さらシこアルミニウム電極との全７Ｌ間化
合物が生成しにくく、接合部の高温強度が優れている等
の特徴を有している。
銅ワイヤを用いたボンディングは、アルゴン、ワイヤを
溶融してボールを形成し、このボールをアルミニウム電
極にキャピラリで超音波を印加しながら接合する。この
時、銅ボールの表面が侵入空気によって酸化し、さらに
形成されたボールが金あるいはアルミニウムに比べて硬
すぎるため、半導体チップの損傷あるいはボンディング
強度不足によるワイヤの剥離など発生する場合がある２
そこで、銅を硬くしているＳ　、　Ｏ、Ｓａ　、　Ｔｅ
等の不純物元素を低減した高純度の銅ワイヤ（９９，９
９％以上）を用いて上述の欠点を解消する試みがなされ
ているが、良好な結果は得られていない。
また鋼ワイヤによって配線されたトランジスタ、ＩＣ及
びＬＳＩは、一般に経済性や量産性の点で優れている樹
脂封止（例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂）して使用
される。しかしながら、樹脂封止型素子はボンディング
ワイヤが直接樹、脂に包まれた状態になっているため、
動作中の発熱によってボンディングワイヤには引張応力
が加わる。
これはモールド樹脂（エポキシ樹脂：２２〜３０×１０
−”／’Ｃ）とボンディングワイヤ（銅：　１７　Ｘ　
１０−Ｉ′／”Ｃ）及びリードフレーム（４２合金：　
４．５　Ｘ　１０−６／”Ｃ）の熱膨張係数が大きく異
なるためで、高温雰囲気になると相互間の熱膨張差によ
ってボンディングワイヤには引張応力が作用する。この
ような動作中の発熱冷却により生ずる繰返し引張応力が
長時間にわたってボンディングワイヤである高純度銅に
作用すると、アルミニウム電極上に接合した銅ボール直
上部の結晶粒界からクラックが発生してクリープ破断す
る。またアルミニウム電極との接合部にはせん断応力が
作用し、接合界面からワイヤが剥離し、配線のオープン
不良を引き起こすことがある。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明はこのような問題を解決するためになさヅ れたもので、クリープ強さ良好でかつボンディング性の
優れた銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を提供
することを目的とする。
〔発明の構成〕
（問題点を解決するための手段） そこで本発明者等は、上述の問題点に対して鋭意検討を
重ねた結果、銅ワイヤのクリープによる結晶粒界破断は
、銅ワイヤの再結晶に伴う高温強度の低下が大きな要因
で、また銅ボールの硬化要因の１つは、ボール形成時に
銅ボール中に侵入する空気中の酸素によって酸化銅（Ｃ
ｕｓｐ）が形成されるためであることを見い出し、本発
明を完成するに到った。
すなわち、本発明は半導体チップとの接続にワイヤボン
ディングを用いた半導体装置において。
前記ワイヤボンディング素材として、Ｚｒ　、　Ｈｆ　
、　Ｔｉ　。
Ｃｒ及びＭｎから選択された１種又は２種以上の元素を
２０〜５６０ｐｐｍ（ｗｔ　ｐｐｍ以下同）含有し、か
つｓｂ。
Ｐ　＋　Ｌｉ　、　Ｓｎ　、　Ｐｂ及びＣｄから選択さ
れた１種又は２種以上の元素を２５〜２５０ｐｐｍ又は
Ａｓ、Ｚｎ＋に、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ及びＴＱから選択さ
れた１種又は２種以上の元素を１０〜６５０ｐｐｍ含有
し、残部がＣｕからなるワイヤ材を用いることを特徴と
する半導体装置である。
（作用） 次に本発明で規定する各元素の効果と含有量の限定理由
について説明する。
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＭｎは微量の添加で転位の
回復と再結晶時の粒界移動を遅らせて再結晶温度を哀め
、銅ワイヤの粒界破断を防止する効果を発揮するが、あ
まり多いと胴中に固溶あるいは析出して著しく強度が増
大し、＠ボールが硬化して半導体チップに損傷を与え、
かつ接合強度が低下して銅ボールが剥離し易くなる。し
たがって、添加量は２０〜５６０ｐｐｍとした。
またＳｂ、Ｐ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｐｂ及びＣｄは銅ボール形
成時の侵入酸素と反応して酸化物を生成し、これが銅ボ
ール中から蒸発するため、銅ボールを軟化する効果があ
る。その効果を充分に得るためには２５ｐｐｍを超える
添加が必要となるが、２５０ｐｐｍの添加は銅ボール中
に未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、ボール変
形能が低下するので、２５〜２５ＱｐｐＨｌｌの範囲と
した。
またＡｓ、Ｚｎ、に、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ及びＴＱは銅ボ
ール形成時に鋼中から気化してボール中への酸素混入を
阻止し、ボール硬化を防ぐ効果がある。その効果を充分
に得るためには１０ｐｐｍを超える添加が必要となるが
、６５０ｐｐｍの添加は銅ボール中に未反応の元素が残
存し、ボール硬度を高め、ボール変形能が低下するので
、１０〜６５０ｐｐｍの範囲とした。
さらに本発明においてボンディング性を改善するために
は、鋼中に不純物として含有しているＳ及びＱ量を減少
させることが有効である。鋼中のＳ及び○は、第１図に
示すように形成されたボール表面に濃化偏析するため、
ボンディング性の劣化を招く。このためＳ≦１２１．Ｏ
≦２　ｐｐｍとした。
（実施例） 以下、具体的な実施例に基づいて本発明を説明する。
ゾーンメルティング法によって得た純度９９．９９９ｗ
ｔ％の高純度銅を素材として、第１表に示すように、純
度９９Ｊｖｔ％以上の各種元素を添加したｙ：、料を真
空溶解により作成した。φ２０１ＩＩ１１の各鋳塊を回
訓し、ｌａｉまで冷間引抜き後４００℃でｌｈｒ焼鈍し
。
さらに引抜き加工によりφ２５虜の細線とした０次に線
材を３００℃で等温焼鈍を行い、試料とした。
得られた試料を用い、アルゴンと水素の混合還元ガス雰
囲気中で電気アークによりボールを形成し、半導体チッ
プ上のアルミニウム電極と、Ａｇメッキを施した銅リー
ドフレームにボンディングを行なった後、電極部との接
合強度をブツシュ・テストで測定した。またワイヤを剥
離した電極面を塩酸でエツチングし、チップ損傷の有無
を光学顕微鏡で調べた。これらの結果を第２表に示す。
ところで、第１表に示す比較例についても、実施例と同
様に試料を作成して、それぞれ本発明例に対応する試験
を行なった。
第２表の結果から明らかなように、本発明の実施例は比
較例に比べ接合強度が高く、シかもチップ損傷は発生し
ていないことから優れたボンディング性を有しているこ
とが確認された。
次に配線した半導体素子を樹脂封止し、高温放置試験（
２００℃Ｘ　５００ｈｒ）と温度サイクル試験（−６５
℃Ｘ　３０ｍ１ｎ→２５℃Ｘ　５ｍ１ｎ→２００℃Ｘ　
３０ｍ１ｎを１００サイクル実施）を行なった。その結
果を第２表に示す。
この表から明らかなように、本発明の実施例にはワイヤ
剥離さらにワイヤ断線は認められず、優れたボンディン
グ性及びクリープ強さを有していることが確認された。
（以下余白） 竿　　１　　表　　■ 筑　　１　　表　　■ 第２表■ ２）上記各試験の試料数は１種類当り５０個である。
第２表■ １）試料数５０個の平均値 ２）各試験の試料は１種類当り５０個である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、再結晶を抑制する銅合金
を半導体素子のボンディングワイヤとして用いるので、
温度サイクルによって発生する引張応力の負荷によるク
リープの破断寿命が大幅に向上する。またボール中への
酸化物の混入がなく、軟らかいボールが形成できるので
、接合強度が向上し、チップ損傷が防止できる。このよ
うに１本発明によれば、温度変化に対して長時間にわた
って安定した性能を発揮し、かつ良好なボンディング性
を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は銅ボール表面からの不純物分布曲線図、第２図
は樹脂封止型ＩＣを示す概略断面図である。 ２・・・ベレット　　　　　　３・・・リードフレーム
４・・・ボンディングワイヤ 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　竹花喜久男

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）半導体チップとの接続にワイヤボンディングを用
    いた半導体装置において、前記ワイヤボンディング素材
    として、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｒ及びＭｎから選択され
    た１種または２種以上の元素を２０〜５６０ｐｐｍ（ｗ
    ｔ、ｐｐｍ以下同じ）含有し、かつＳｂ、Ｐ、Ｌｉ、Ｓ
    ｎ、Ｐｂ及びＣｄから選択された１種又は２種以上の元
    素を２５〜２５０ｐｐｍ又はＡｓ、Ｚｎ、Ｋ、Ｓｒ、Ｍ
    ｇ、Ｃａ及びＴｌから選択された１種または２種以上の
    元素を１０〜６５０ｐｐｍ含有し、残部がＣｕからなる
    ワイヤ材を用いることを特徴とする半導体装置。
  2. （２）ワイヤ材がさらにＳを１ｐｐｍ以下Ｏを２ｐｐｍ
    以下含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
    載の半導体装置。
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