JPH02187042A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH02187042A
JPH02187042A JP1006827A JP682789A JPH02187042A JP H02187042 A JPH02187042 A JP H02187042A JP 1006827 A JP1006827 A JP 1006827A JP 682789 A JP682789 A JP 682789A JP H02187042 A JPH02187042 A JP H02187042A
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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】 〔産業上の利用分舒〕 この発明は、半導体素子の電極と外部リードとの配線に
金属細線を使用して、金ワイヤ以上の高信頼性を確保で
きるようにした半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
第２図２第３図は従来の半導体装置を示す断面図であり
、これらの図において、１１はＳｉ基板、１２は５ｉｎ
２膜、１３はＡＩ膜である。これらは半導体素子の電極
部構造であり、１４は前記８１基板１１が接合されるリ
ードフレームのダイスバッドで、接合材はエポキシ樹脂
１６またはＡ　ｕ　−Ｓ　ｉ半田１７が使用されている
。２１は金属線！ｅ、（銅ワイヤ）で、この銅ワイヤ２
１は、先端を加熱することで溶融させ、銅ボール２２を
生成し、これをキャピラリ・チップ（図示せず）でＡｌ
膜１３に押し当て、塑性変形させろとともに、超音波エ
ネルギーとＳｉ基板１１へ加わる熱エネルギー（２５０
℃〜４００℃）により、Ａｔ’膜１３と圧着後の銅ボー
ル２２との間に金属間化合物３１〜３３の合金層を生成
させる。この金属間化合物３１〜３３のうち、３１はθ
相（Ｃｕ　Ａ　ｌ　２）、３２はワ、相（ＣｕＡｊ）、
３３はγ２相（Ｃｕ９Ａｔ４）である。半導体装置とし
てはこの後、中空のセラミックに封止されるか、エポキ
シ樹脂封止される。この断面の観察結果より、第２図の
θ相３１は厚みのばらつきが太き（、不均一な合金層で
あり、第３図のθ相３１−ｖ＊相３２，７＊相３３は厚
みのばらつきは小さく、均一な合金層が生成されている
ことが判定できる。
また、合金層の評価方法として、接合部のＡＪＩｍ！１
３をリン酸（ＨｓＰＯａ）でエツチング後、圧着した銅
ボール２２を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の水溶液で
呈色させ、接合面が褐色になることでθ相３１の生成を
観察して、合金層の相の同定ができる。
第９図は、第２図の接合面の状態を示す図で、褐色に呈
色される部分（θ相）３１が面全体にな（不均一であり
、褐色に呈色されない部分、すなわち合金層のθ相３１
が生成していない銅の面が多（観察される。
第１０図は同じく、第３図の接合面の状態を示す図で、
褐色に呈色される部分（θ相）３１が面全体にあるもの
の、これ以外の白色または青色に呈色される部分も散在
して、合金層のθ相３１が生成しているものの、ワ、相
３２またはγ２相３３も部分的に生成していることを示
している。
また、特開昭６２−２６５７２９号公報に示された従来
の半導体装置は、その明細書の内容から、合金層がθ相
、＋７．相、γ２相の３種類が共存する第３図および第
１０図の状態に近いものと推定される。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の半導体装置の接合部は、以上のような構造を持ち
、これをエポキシ樹脂で封止するか、または中空状態で
セラミック材により封止するかしている。
一般には、これを加速の信頼性試験を行って、半導体装
置の品質評価とする。セラミック封止の場合は特に問題
はないが、エポキシ樹脂封止の場合、とりわけ２５０℃
の恒温槽で高温保存を行うと、同じ配線を金ワイヤで行
った時に対して、品質のバラツキが大きく、また、高温
での寿命も金ワイヤの場合と同等で、銅ワイヤを使うメ
リットの１つである高温域への動作マージンを広げるこ
とができないという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、高温下のエポキシ樹脂の封止内部で生起す
る銅・アルミ合金層の劣化を抑え、品質の均一な半導体
装置の製造方法を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る半導体装置は、半導体素子とリードフレ
ームのダイスバッドを接合する接合材としてシリコーン
樹脂を用いるとともに、前記電極と金属細線との接合部
の金属間化合物の主たる組成がＣｕＡｌ、となるように
して前記アルミと金属細線とのボンディングを行うもの
である。
〔作用〕
この発明においては、金属細線のＡｌ膜との接合部に均
一なθ相が形成され、エポキシ樹脂による封止後の高温
保存においても劣化の進行が防止される。
〔実施例〕
以下、この発明について説明するが、まずその経緯につ
いて説明する。銅・アルミ合金系のエポキシ樹脂に封止
された状態での挙動を調査するために、単相バルクの１
８相（ＣｕＡｊ）、γ２相（Ｃｕｓ　Ａｌ４　）　　θ
相（ＣｕＡｊ２）各１組と、バルクＡｊとバルクＣｕを
表面洗浄化後、圧延。
熱拡散させて作製したバルクを準備し、これらをエポキ
シ樹脂中に封止後、高温保存し、その断面を観察した。
第４図（ａ）〜（Ｃ）は単相バルク、第５図は多相バル
クの断面観察結果を模式的に示したものである。
第４図の単相バルクでは、ワ鵞相３２（第４図（ｂ）〕
とγ２相３３〔第４図（ａ　）　）　（Ｊ：ハル’）の
周囲に劣化しなワ、相３４とγ２相３５がｎ察されたが
、θ相３１の劣化は観察されなかった。
また、多相バルクについても、第５図に示すようにバル
クＡ　Ｊ　１８　ｐバルクＣｕ２３．θ相３１は劣化せ
ず、η２相３４とγ２相３５は劣化した。
これらの解析結果から、銅・アルミ合金系の中には、エ
ポキシ樹脂封止後、高温保存を行った場合、選択的に劣
化が進行する合金相が存在することが判明した。
また、これらのことを実際のＡＩ電極と銅ワイヤのボン
ディングの場合について観察した。すなわち、第３図に
示した半導体装置を２５０℃の恒温槽中に高温保存し、
電極と銅ワイヤ２１の導通抵抗を測定することで、接合
部の劣化を判定し、この観察結果を第６図に２０）１ｒ
ｖＩｅの接合部の断面図として、第７図に３０Ｈｒ後の
接合部の断面図として示す。
第６図は劣化が銅ボール２２とＡｊ膜１３面の境界から
銅ボール２２の内部へ向けて進行するとともに大きく広
がり、銅ボール２２の周辺のＡＩ膜１３側にはθ相３１
が、また、劣化の進行していない銅ボール２２の内部に
は、ｌ、相３４とγ。
相３５が観察される。
また、第７図は接合部の全てが完全に劣化している状態
が観察される。これらは２５０℃の高温保存では、劣化
と銅・アルミ合金層の成長が同時進行するために、バル
クで判明したワ２相３４とγ、相３５の成長とともに劣
化する７７２相３４とγ８相３５も同時に広がったもの
と判断することができる。なお、半導体装置としての寿
命は第６図と第７図の途中に存在する。
以上の実験結果をもとに、銅ワイヤ２１を使用した半導
体装置の高温保存の信頼性を向上させるなめには、均一
のθ相３１のみを接合部に生成することであると結論づ
けた。
以下、この発明の一実施例を第１図について説明する。
第１図において、１４はダイスバッドで、銅合金フレー
ムの一部で、これと半導体装置のＳｉ基板１１はシリコ
ーン４１Ｊ脂１５によ＃）接合されており、ここにおい
て、従来と同様のワイヤボンド方法により、Ａｌ膜１３
に圧着後の銅ボール２２との接合部に、θ相３１のみの
合金層を生成することができる。これは、Ａｌ原子中に
Ｃｕ原子が２：　１の比率で拡散されるときにθ相（Ｃ
ｕ　Ａ　ｌ　２）３１が生成され、Ｃｕ原子とＡＩ原子
を通常、−定の温度の下で加圧する場合に比べて、Ｃｕ
原子がＡｌ原子中へ拡散する速度が大きくなる時、すな
わち、Ｃｕ原子の温度がＡｊ原子の温度よりも高いこと
、またはＡｔ’原子の振動がＣｕ原子の振動よりも大き
いことがθ相３１を通常以上に生成させることになるも
のと思われる。半導体装置としてはこの後、中空のセラ
ミック封止されるか、エポキシ樹脂封止される。
θ相３１のみの合金層が生成された半導体装置を２５０
℃高温保存すると、初期において生成していない７２相
３２とγ２相３３が順次生成するとともに、周囲のエポ
キシ樹脂の影響により、劣化が始まり、劣化と合金層の
成長が同時に進行する結果、第６図で示した状態で寿命
が尽きる。
また、θ相３１の評価方法として、半製品を任意に抜き
取り、従来の技術で述べたリン酸によるエツチングと水
酸化ナトリウム水溶液による呈色で、接合面全体の８０
％以上が褐色に呈色していることを確認し、安定な品質
を保ちながら、製造を行うことができる。第８図にθ相
３１が、接合面全体に均一に生成した状態の模式図を示
す。
この発明の特徴的な点は、半導体素子とダイスバッドの
接合を行うグイボンド材を最適化したことであり、第１
表に従来のエポキシ樹脂とＡｕ−８ｉ半田、今回のシリ
コーン樹脂の特性比較を示す。
このうち、Ａｕ−３ｉ半田はワイヤボンド時の加熱温度
以下の高温の使用に耐え、弾性率が高く、ｌ、相、γ、
相、θ相のすべての合金系を生成しやすい。これに対し
、エポキシ樹脂は、ガラス転移点（Ｔｇ）が、ワイヤボ
ンド時の加熱温度以下で、Ａｌ膜と銅ボールの接合時に
、＋Ｍ１１！が劣化して弾性率の低下がおこり不均一な
θ相しか生成できない。しかし、シリコーン樹’Ａｍは
ガラス転移点（Ｔｇ）がワイヤボンド時の加熱温度のは
るが下の零下であるが、樹脂の劣化が起こらず、弾性率
が安定しているた−め、均一的なθ相を生成することが
できる。
したがって、上記ではシリコーン樹脂を使用したが、室
温から４００℃までの弾性率が１．０×１０”ｋｇ／ｅ
ｔａ”以下のものであれば、他の材料でも同じ効果が得
られる。
最後に、第１１図は２５０℃高温保存時の半導体装置の
信頼性寿命の比較を示すグラフで、５が今回の発明、６
は従来のものを示す。従来２〇−３０Ｈｒの寿命が今回
の発明により１００−１３０Ｈｒまで寿命を延ばすこと
ができた。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明は、リードフレームのダイ
スバッドに接合された半導体素子の電極の主なる組成が
アルミであって、電極と外部リードとの配線が銅合金の
金属細線でボンディングされた後、ＩｆＭ脂封止される
半導体装置の製造方法において、半導体素子とリードフ
レームのダイスバッドを接合する接合材としてシリコー
ン樹脂を用いるとともに、電極と金属細線との接合部の
金属間化合物の主たる組成をＣｕＡｊ２として前記アル
ミと金属細線とのボンディングを行うようにしたので、
高温信頼性が向上した半導体装置を安定に製造できる効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の一実施例による半導体装置を示す断
面図、第２図および第３図は従来の半導体装置を示す断
面図、第４図はアルミ合金系の単相バルクをエポキシ樹
脂封止後、高温保存した実験サンプルの断面図、第５図
は銅・アルミのバルクを圧延後、熱処理して製造した多
相バルクをエボキレ樹脂後、高温保存した実験サンプル
の断面図、第６図および第７図は、第３図の半導体装置
を高温保存した後の銅・アルミ接合部の断面図、第８図
〜第１０図は、第１図〜第３図の銅ボールの接合面の状
態を示す模式図、第１１図は高温信頼性試験における従
来の半導体装置とこの発明の膜、１３はＡｊ膜、１４は
リードフレームのダイスバッド、１５はシリコーンｍ１
ｌｌ、２１は銅ワイヤ、２２は圧着後の銅ボール、３１
ｔよθ相（ＣｕＡ１２）である。 なお、各図中の同一符号は同一または相当部分を示す。 第１図 代理人　大　岩　増　雄　　　（外２名）第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 フ１ （自発） 平成 ２年 ４月１０日 第 図 ３、補正をする者 代表者 ４、代 保存時ＦＪＩ　（Ｈｒ） ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄および図面の簡単な説明
の欄 ６、補正の内容 （１）明細書の第７頁１６〜１７行の「内部には、７７
２相３４とγ２相３５が観察される。」を、［内部には
、１２相３２とγ２相３３、周辺部には劣化したη２相
３４と劣化したγ２相３５が観察される。」と補正する
。 （２）同じく第８頁１〜２行のｒｖｔ相３４とγ２相３
５」を、ｒ７ｚ相３２とγ２相３３」と補正する。 （３）同じく第８頁５行の「第７図の途中に存在する。 」を、「第７図の途中の状態で寿命が尽きる。」と補正
する。 （４）同じく第１０頁７行の［ダイボンド材の特性比較
」を、［第１表　グイボンド材の特性比較と補正する。 （５）同じく第１２頁１１行の「アルミ合金系」を、「
銅・アルミ合金系」と補正する。 以　　上

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. リードフレームのダイスバッドに接合された半導体素子
    の電極の主たる組成がアルミであって、前記電極と外部
    リードとの配線が銅合金の金属細線でボンディングされ
    た後、樹脂封止される半導体装置の製造方法において、
    前記半導体素子とリードフレームのダイスバッドを接合
    する接合材としてシリコーン樹脂を用いるとともに、前
    記電極と金属細線との接合部の金属間化合物の主たる組
    成をＣｕＡｌ＿２として前記アルミと金属細線とのボン
    ディングを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法
    。
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