JPS63250828A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS63250828A
JPS63250828A JP62084758A JP8475887A JPS63250828A JP S63250828 A JPS63250828 A JP S63250828A JP 62084758 A JP62084758 A JP 62084758A JP 8475887 A JP8475887 A JP 8475887A JP S63250828 A JPS63250828 A JP S63250828A
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JP
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ball
bonding
wire
chip
less
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Hitoshi Onuki
仁 大貫
Masahiro Koizumi
小泉　正博
Hitoshi Suzuki
斉 鈴木
Isao Araki
荒木　勲
Susumu Okikawa
進 沖川
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Hitachi Ltd
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボールボンディングされた新規な半導体装置に
係り、特にＣｕワイヤでボールポンディ〔従来の技術〕 現在、ＩＣ，ＬＳＩ、　トランジスタなどの半導体装置
において、Ｓｉチップ上のＡρ組電極り一ドフレームと
の接続に、直径２０〜５０μｍのＡｕワイヤが多く使用
されている。Ｓｉチップへのワイヤの接続は、Ａｕワイ
ヤの先端に放電又は水素火炎によりボールを形成し、そ
のボールを熱圧ｍあるいは超音波接合によって接続する
。しがし、半導体装置の高密度化・小型化などのため、
Ａｕワイヤを細くすると、ワイヤの強度が剥くなり、レ
ジン封止時にワイヤの変形や、断、線を起こすという問
題がある。
そこで、Ａｕ以外の材料を使ったボールボンディング技
術の開発が重要な課題となっている。
゛。
ワイヤにはＣｕとＡＱが考えられるが、導電率。
強度の点でＣｕワイヤを使用することを各研究機関にお
いて精力的に検討している。すなわち、Ｃｕワイヤでは
Ａｕワイヤよりも細くしてもワイヤの変形や断線が発生
しないためである。
しかし、ＣｕワイヤはＡｕワイヤに比べ酸化し易く真球
度の高いボールを得るのが鑑しいばかりでなく、ボール
硬度も高いため、極めて難しい技術と考えられてきた。
最近になって水素を含む不活性ガス中でボールを形成す
ることにより、真球性の高いＣｕボールが得られ（特開
昭５８−１５４２４１）るようになり、Ｃｕボールボン
ディングに関する研究が活発化している。
また、ボール硬度を低減す名ために、Ｃｕワイヤの純度
を高くしようとする試み（特開昭６０−１２４９５９、
５９−ｔ３ｓ６２．５９−１３９６６２　）が行なわれ
ている。すなわち、ボール硬度が高いと、ボールボンデ
ィングの際に、Ｓｉチップに損傷を与える可能性が高い
ため、適正ボンディング領域がＡｕワイヤを用いる場合
に比べ著しく狭くなり、量産に不適なためである。しか
し、Ｃｕの純度を高くしても、ボールの硬度はそれほど
低くならず、新規なボール硬度の低減技術が強く望まれ
ていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術は、Ｃｕワイヤをそれ自体の硬さを低減す
れば、ボールは軟かくなるものと考えて開発されており
、ボールの組織とボール硬さとの関係についてはまった
く配慮がされておらず、ボールの硬度低減が十分になさ
れていなかった。
へのＣｕボールボンディング法を提供することにある。
またそのために不可決なＣｕボールの硬さ、微細組織を
提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明を概説すれば、本発明は半導体装置に関する発明
であって、半導体チップ上のＡＱ電極とリードフレーム
とをＣｕのボンディングワイセで接続導出した半導体装
置において、Ｃｕボールの硬さ及び組織が以下に示すよ
うに制御されていることを特徴とする。■島津裂マイク
ロビッカース硬度計を用い荷重ｌｏｇの条件下で測定し
た場合４５以下であること。■ＣｕボールとＳｉチップ
上のＡ２電極との接合部において、第１図に示すように
接合部界面直上のＣｕボール１周辺部の結晶粒２ちなく
とも１つがＳｉチップと３０度以下の角度（θ）をなす
ようにＣｕボールが変形して接合していること。■Ｃｕ
ボールボンディング界面のＣｕボールの組織をＳｉチッ
プに平行に研摩後、上部から顕微鏡にて観察したとき、
平均結晶粒径が１５μｍ以下であること。
Ｃｕワイヤを適用した場合、ＡＩ２電極への接合は超音
波による。この場合、ボールと電極膜とが超音波によっ
て互いにこすり合わされるため、両者の酸化膜が除かれ
て新生面が露出される。そして両者の新生面が接合する
メカニズムとなっている。しかし、従来の半導体装置で
は、Ｃｕのボールが非常に硬く、互いにこすり合される
ため、Ｓｉチップそのものに微細なりラックが発生し易
く、適正なボンディング条件の範囲が極めて狭いという
問題があった。また接合しても、ボールが硬いためにＡ
Ｑ’ＨＩ膜がボールの外側にはみ出してしまい、レジン
封止後、水分の浸入によって、ＡＱ電極が薄くなった部
分で腐食断線するという間開もあった。
そこで、各研究機関においては、Ｃｕワイヤの純度を高
め、ボールを硬化させるようなＦｅ。
Ａｇ等の微量不純物を除くことにより、ボールを軟かく
しようと考え、高純度化技術の検討を行っている。
しかし、純度を従来の９９．９９％から９９．９９９９
％まで高めても、第３図に示すように９９．９９９％ま
ではＣｕボールの硬さは軟かくなるが、それ以上では飽
和し、十分なボール低減効果は得られていなかった。
本発明は、上記の問題を解決するために、必要なＣｕボ
ールの硬さ、及びその硬さが得られるボールの組織、さ
らにボールボンディングした場合のＣｕボールの結晶粒
の変化の状況を提供することにある。
すなわち、本発明は９９，９９９％以上の高純度のＣｕ
ワイヤを用い、短絡放電によってＡｒとＨ２を混合した
不活性ガス中でボールを形成する際にその凝固速度を制
御することによって、組織を制御し、ボールを軟かくし
て、ボンディング不良を防止しようとするものである。
Ｃｕボールは電極との短絡放電によって形成するが、ワ
イヤは数十μｍと細く、またボール径も１００μｍ以下
と小さいため、極めて急速にボールは凝固することを突
き止めた。すなわち、急速冷却により、ボールの凝固組
織が微細になるとともに、ワイヤが溶解した際に、取り
込まれた、０２、Ｈ２等の不純物がボールの外部への放
出できないためボールが硬くなることが判明した。
ボールの凝固は第４図に示すようにワイヤ部３゜ボール
の周辺部４から始まり、中央部に進んで行く、したがっ
て不純物は中央部に偏析し易く、外部には出にくい。ボ
ールの凝固速度を小さくするには特にワイヤ３とボール
５の凝固速度を小さくするのが有効であり、このために
は、ワイヤ３を加熱した状態にしておき、加熱した不活
性ガス中でボールを形成するのが良い。不活性ガスの温
度は１００〜２００℃が適切である。特に１５０”Ｃ以
上がよい。
第５図はボールのビッカース硬さが不活性ガスの温度に
よってどのように変化するかを示したものである。加熱
温度が高くなるにつれて、ボールは軟かくなっていき、
１５０　’Ｃ以上になると、ＲＴの場合に比べ、かなり
軟くなり（６〜７　Ｈｖ程度）２００°Ｃ以上の温度に
不活性ガスを加熱しても余り変らなくなる。なお、第５
図ではワイヤの温度は１５０°Ｃとしである。ワイヤを
室温にすると、ビッカース硬さは約２Ｈｖ程度高くなる
。
ワイヤ自体の温度も１００〜２００　’Ｃが好ましいが
、１５０°Ｃがよい。
ボールのビッカース硬さによってボールボンディング時
のＳｉクラックの発生率がどのように変化するかを調べ
た結果を第６図に示しである。ピンカース硬度が４５以
下になれば、Ｓｉクラック第７図はＣｕボールの図に示
すような平均結晶粒径が不活性ガスの温度によりどのよ
うに変化するかを示したものである。不活性ガスの温度
が高くなるとともに粒径は増大して行く。これは、加熱
した不活性ガスを使用することにより、凝固速度が遅く
なったためである。
第８図はＣｕボールの平均粒径とＣｕボールのビッカー
ス硬さとの関係を示したものである。平均結晶粒径が０
．２　以上になると、Ｃｕボールの硬さは４５以上にな
ることはなく、ボールボンディングによりＳｉグラツク
は発生しなくなることがわかる。
このように平均粒径が０．２　以上のＣｕボールを用い
てポールボンディングすると、軟いため、変形の際の塑
性流動によりボール周辺部の結晶粒界の少なくとも１つ
が、ボールボンディング面と３０°度以下の角度（θ）
をなすように変形することを突き止めた。
第１図は平均粒径Ｑ／Ｌが０．３　のＣｕボールでポー
ルボンディングしたときの模式図を示したものである。
この場合のθは約１０度であることがわかる。
一方、Ｑ／Ｌが０．２　未満のＣｕボールでボンディン
グしても、ボールは硬く、塑性流動が十分起こらないた
め、結晶粒界のポールボンディング面とのなす角度は必
然的に高くなる。−例においては、ｆｌ／Ｌが０．１６
　の場合でも、ボール硬度が高いとθは６０度である。
第２図は第１図及び従来のポールボンディングにおける
θとポールボンディング時のＳｉクラック発生率との関
係を示したものである。θが３０度以上になるとＳｉク
ラックが生ずるようになる。
一方、ポールボンディングの際にはボールの変形を促進
するため、Ｓｊチップの温度を２５０℃以上に加熱して
いる。それで、ポールボンディングの際には、平均結晶
粒径の大きく、軟かいボールの方が、ボール中の不純物
は、粒径の小さく、硬いボールよりも少ないため、ボン
ディング部界面近傍での再結晶が起こり易いことを明ら
かにした。
ビッカース硬さ５ｏのボールを用いてボンディングした
場合は、ビッカース硬度４２のボールを用いてボンディ
ングした場合に比ベボールの結晶粒径は明らかに小さく
なっていた。
第９図はボールのビッカース硬さと、ポールボンデイン
グ後の平均結晶粒径との関係を示す。ビッカース硬さが
４５以下の場合には粒径の平均値が１５μｍ以下である
ことがわかる。すなわち、ボンディング不良を防止する
ためには、平均結晶粒径が１５μｍ以下であれば良い。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
本発明のＣｕボールボンディングを施した。
ＩＣの構造はＳｉチップ上に直径３０μｍのＣｕワイヤ
のボール部が上のＡＱ合金電極上にボンディングされ、
ワイヤの他端がＣｕメッキされたリードフレームにウェ
ッジボンディングされているものである。
次の表は、上述のＩＣをレジン封止後、表に示す信頼性
試験を行った結果を示している。Ｓｉチップにクラック
が生じていれば、温度サイクル試験で拡大され、不良が
発生する。また、Ａ、　Ｑ　７１！極のはみ出しがあれ
ばＰＣＴでＡＱ膜の腐食断線が生じ易い。すずれの試験
でも本発明のＬＳＩにおいて不良は発生せず良好な結果
が得られている。
来　　　レジン封止ＩＣの信頼性 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、ボールボンディ
ングの際の不良の発生を防止できるため信頼性の高いＣ
ｕボールボンディングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の半導体装置におけるボール部のなす角
度θとクラック発生率との関係を示すグラフ、第３図は
Ｃｕボール硬さとワイヤの純度との関係を示すグラフ、
第４図はＣｕボールのボンディング法を示す概略図、第
５図はシールドガスの温度とボール硬さとの関係を示す
グラフ、第６図はボールの硬さとＳｉクラック発生率と
の関係を示すグラフ、第７図は平均結晶粒径と不活性ガ
スの温度との関係を示すグラフ、第８図は平均結晶粒径
とボールのビッカース硬さとの関係を示すグラフ、第に
）図はボールの硬さとボールボンディング部の結晶粒径
との関係を示すグラフである。 品 １・・・Ｃｕボール、２・・・結昇粒界、３・・・Ｃｕ
ワイヤ、４・・・ボール外周部、５・・・Ｃｕボール中
心部、６・・・不活性ガス流。 題］・〉。 １；、”ｌ１１１ １″。 第　１　国 ！・・・Ｃ久ボ゛−ル ？・・係［晶＃昂 早　２　口 面Ｘｒｓ　を勇度　（潰つ 早　３　　目 ワイヤの純度（幻 ３・・・Ｃ（Ａワイヤ ４・・・ボール外周部 ５・・・ＣａＥ−ル中曳部 ６−・・下珀ｉ′生力”ス 第　５　　口 （下活平生がス） 第　６　目 ボ゛−ルのビッヵ−ズ研さ 第　７　図 ’；Ｆ４＋１ｉｆ　ズのＡｉｒ（”Ｃ）（ワイヤ成し莞
１５グり 第　８　目 千十勿　斤（ゴ　シ＾ヲ粒デ＋　　　７１でＣ，Ｌボー
ルのビッカース 石型　か　’Ｈｖ　）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、銅ボールと半導体集積回路チップ上のアルミニウム
    電極との接合部において、接合部界面直上の銅ボール周
    辺部の結晶粒の少なくとも１つが半導体集積回路チップ
    と３０度以下の角度をなすように銅ボールが変形して接
    合していることを特徴とする半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、接合部界面から３
    ０μｍの高さの範囲内の銅ボールの組織を半導体集積回
    路チップと平行に研摩後、上部から顕微鏡にて観察した
    とき、結晶粒径の平均値が１５μｍ以下であることを特
    徴とする半導体装置。
JP62084758A 1986-12-26 1987-04-08 半導体装置 Granted JPS63250828A (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP62084758A JPS63250828A (ja) 1987-04-08 1987-04-08 半導体装置
US07/134,458 US4976393A (en) 1986-12-26 1987-12-17 Semiconductor device and production process thereof, as well as wire bonding device used therefor
EP87311245A EP0276564B1 (en) 1986-12-26 1987-12-21 Wire bonding
DE8787311245T DE3777384D1 (de) 1986-12-26 1987-12-21 Drahtverbindung.
KR870014962A KR880008437A (ko) 1986-12-26 1987-12-26 반도체 장치 및 그 제조방법과 이에 사용하는 와이어 본딩장치
SG40094A SG40094G (en) 1986-12-26 1994-03-21 Wire bonding
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5116783A (en) * 1989-01-13 1992-05-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of producing semiconductor device
US5229646A (en) * 1989-01-13 1993-07-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device with a copper wires ball bonded to aluminum electrodes

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5116783A (en) * 1989-01-13 1992-05-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of producing semiconductor device
US5229646A (en) * 1989-01-13 1993-07-20 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device with a copper wires ball bonded to aluminum electrodes

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JPH0468777B2 (ja) 1992-11-04

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