JP3673366B2

JP3673366B2 - 半導体素子

Info

Publication number: JP3673366B2
Application number: JP11320497A
Authority: JP
Inventors: 智裕宇野; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JPH10303239A

Description

【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Ｍｎ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％、Ｐｄを０．００５〜１．０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。
【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％、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。
【００１５】
（３）前記（１）または（２）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％の範囲で含有する金合金細線を使用して接続した半導体素子。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。Ｍｎ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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Ｐｄ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
【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９９．９９５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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、Ｄｘ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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％〜４０％のものは△印で表記した。
【００３１】
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。
【００３２】
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１〜６は第１請求項に係わるものであり、実施例７〜１２は第２請求項に係わるものであり、実施例１３〜３０は第３請求項に関する結果である。
【００３３】
ＭｎとＰｄの適量添加した実施例１〜６においては、接合部における化合物層の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３，４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。
【００３４】
実施例７〜１２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。
【００３５】
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，Ｂｅ，Ｉｎ，希土類元素を適量添加している実施例１３〜３０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。
【００３６】
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６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。
【００３７】
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。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
【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。

Claims

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％、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耐熱性に優れた半導体素子。
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。
請求項１または２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，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。