JPH03148841A - 耐食性アルミニウム電子装置 - Google Patents

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】 〔発明の対象〕 本発明は新規なアルミニウム合金からなる電子材料及び
それを用いた半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体素子上に形成されたＡＪ蒸着膜からなる配
線膜と外部リードとの接続はＡｕ細線が用いられ、その
ポールボンデング法による熱圧着によって行われている
。近年、Ａｕ線の代りに安価なＡｍ細線を使用する検討
が行われている。しかし、エポキシ樹脂等の合成樹脂に
よって封止される半導体装置では、Ａｍ細線やＡＪ蒸着
膜に腐食が生じることが問題となっていた。また、ＡＱ
蒸着膜も同様の問題が生じることが懸念される。

即ち、合成樹脂とＡ１細線及びＡｊｌ蒸着膜との界面を
通して水分が侵入するため、合成樹脂中に含まれる塩素
イオンやアミンが遊離し、これらがＡｆｆｉ細線及びＡ
ｍ蒸着膜の腐食を促進するものと考えられる。

改良されたＡｌｌ細線として、Ｃｕ３〜５重量％を含む
Ａ　ｎ−Ｃｕ合金が特開昭５ロー１６６４７号公報で知
られているが、Ａｌｌに対するＣｕの添加によっても合
成樹脂に対する耐食性の向上は得られない。

また、改良されたＡｍ蒸着膜として、Ｍｎ０．０５〜６
重量％を含むＡａ合金が特開昭５１−１４２９８８号公
報で知られているが、Ｍｎを添加したＡｌｌ蒸着膜では
、ＭｎはＡｎより比較的活性な卑な金属であるため、表
面が厚い酸化膜で被すれ、Ａｌｌワイヤとの接合性（ボ
ンダビリティ）が悪くなるという問題がある。

（発明の要点〕 （１）発明の目的 本発明の目的はボンダビリティを低めることなく耐食性
のより優れたアルミニウム電子材料を提供するにある。

更に、本発明の目的は樹脂に対する耐食性がより優れた
Ａｌ１合金を用いた半導体装置を提供するにある。

（２）発明の説明 本発明は、アルミニウムを主成分とし、これに貴金属を
含む合金からなり、前記貴金属の含有量が初晶アルミニ
ウムを有する共晶点以下であることを特徴とする耐食性
アルミニウム電子材料にある。

アルミニウムは大気中では安定な不動態皮膜が形成され
易く、一般には耐食性が良好な金属である。しかし、Ａ
ｎは樹脂でパッケージされている半導体装置のように樹
脂に接触している場合には。

樹脂中に含まれる塩素イオンやアミンにより不動態皮膜
が破壊され、腐食を受ける。そこで本発明者等はＡ、ｍ
ｌの腐食原因について検討した結果、Ａａに、ＡＪｌよ
りもきわめて水素過電圧が小さい貴金属を含有させるこ
とにより腐食を防止できることを見い出した。Ａｌより
水素過電圧がきｂめて小さい貴金属とＡｍとの合金は、
最初ＡＪが溶解したとしても、水素過電圧の小さい貴金
属が電気化学的に責であるため表面部に濃縮される。従
って合金の溶解が進むにつれて合金自体の水素過電圧が
漸次小さくなり、合金の電位が貴になるので合金自体の
不動態化が起るものと考えら九る。

本発明のＡＪ合金はそれ自体酸化皮膜を形成しにくい責
な金属を含むので、固相接合におけるボンダビリティが
ＡＪのそれと同程度のものが得られる。

（３）貴金属 Ａｌｌより水素過電圧がきわめて小さい貴金属として、
白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）
、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｘ）、ルテニウ
ム（Ｒｕ）、金−（Ａ　ｕ　）及び銀（Ａｇ）があり、
これらの１種以上を含むことができる。これらの貴金属
は、その他の金属に比らべて水素過電圧がきわめて小さ
く、それ自体きｂめて優れた耐食性を有するので、ＡＪ
合金表面への不動態皮膜の形成が促進され、耐食性を顕
著に向上させる。特に、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕが優れ。

Ｐｄが最も良い。

２規定の硫酸溶液中における水素過電圧を小さい順から
並べると以下のとおりである。Ｐｄ。

Ｐｔ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉ　ｒ、Ｒｈ、Ａｕ、ＡｇｅＮｉ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｔｉ。

Ａｌ、Ｍｎ。

（４）含有量 Ａｌｌより水素過電圧が小さい貴金属の含有量は。

初晶Ａｌを有する共晶点以下でなければならない。

水素過電圧の小さい貴金属とＡｌｌとの化合物が初晶と
して晶出すると粗大なものになり、その後の塑性加工で
は晶出物は細かくなりにくい、ＡＪ基地は軟いので硬い
金属は塑性加工で分断されにくいためである。そのため
、水素過電圧の小さい貴金属は初晶Ａｊｌを含む共晶点
以下であれば共晶として細かく晶出し、塑性加工性の高
いものが得られ、更に固相接合における高い接合性が得
られる。

特に、塑性加工性及び接合性の高いものを得るには１種
又は２種以上の総量で０．０１〜１０重量％が好ましく
、高い耐食性、塑性加工性及び固相で接合するボンダビ
リティを有するＡＪ合金を得るには１種又は２種以上の
総量で０．０５〜３重量％が好ましい、各二元合金の共
晶点は、重量でＰｄ２５％、Ｐｔ９．０％、Ａｕ５．０
％ｙＡｇ７０．５％である。

（５）合成樹脂 本発明のＡｌｌ合金は合成樹脂に接触して使用さ−れる
ものに好適である。合成樹脂は大気中の水分と反応して
塩素イオン、アミン等の腐食性物質を遊離し、金属を腐
食する。本発明のＡＩ合金は合成樹脂で封止されるレジ
ンモールド型半導体装置のポールボンデング用ワイヤ及
び配線膜に好適である。

との種の半導体装置には、エポキシ樹脂、フエノール樹
脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ジアリルフタレート樹脂
、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、付加型ポリ
イミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリバラビニルフェノー
ル樹脂などの熱可塑性樹脂、フツ素樹脂、ポリフエニレ
ンスルフイド。

ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエーテ
ル、ポリエステル、ポリアミドエーテル。

ポリアミドエステルなどの熱可塑性樹脂が用いられる。

半導体装置用封止材料としてはエポキシ樹脂が特に好ま
しい。

（６）ポールボンデング用ワイヤ 本発明のＡｍ合金からなる極細線はその先端にボールを
形成し、そのボールを半導体素子上に形成された配線膜
に固相接合し、他端を外部リード端子に固相接合するポ
ールボンデング用ワイヤに有効である。

極細線は直径１０〜１００μｍが好ましい、合金中の金
属間化合物は直径１ｉＬｍ以下が好ましく。

特に、サブミクロンとなるようにするのが好ましい、こ
のような極細線においては、金属間化合物が大きな塊り
として存在すると同じ添加量でも耐食性の向上に対する
効果が小さい。

サブミクロンの微細な金属間化合物を形成させるには溶
解後の塑性加工によって行うことができるが、特にその
化合物の大きさ・は溶解後の溶湯の冷却速度によって大
きな影響を受けるので、溶湯からの急冷によって微細な
金属間化合物とすることができる。溶湯からの冷却速度
は２０℃／秒以上が好ましい、冷却手段は水冷鋼鋳型を
使用する方法、溶湯を水冷鋳型で凝固し、その直後水冷
して連続鋳造する方法等によって行うことができる。

ワイヤの太さは、添加する合金元素の種類によって異な
るが、特に直径２０〜７０μｍが好ましい、この中で特
に比抵抗等を考慮してワイヤ径が選定される。

ワイヤは前述のように合金元素を含むので、焼なましさ
れたものが好ましい、焼なまし温度は。

再結晶温度以上であることが好ましく、特に弾性変形し
ない程度に焼なましするのが好ましい、ワイヤは局部的
に硬さが異なるとボンデングにおいて局部的な変形を生
じるので、ボール形成において局部的な加熱を受け、局
部的な軟化が生じないように全体に同じ硬さを有するよ
うに軟化していることが好ましい、焼なまし温度は、１
５０〜６００℃が好ましい、焼なましは非酸化性雰囲気
中で行うのが好ましい、最終焼なましは１５０〜３００
℃が好ましい。

ワイヤは加工したままのものを回路素子に接合するとき
に焼なましすることができるが、予め焼なましされたも
のをボンデングする方がはるかに能率的である。

ワイヤは、室温の比抵抗が１５μΩ・１以下のものが好
ましい。

（７）ボール形成 ポールボンデングにおけるボールは、キャピラリーに保
持されたワイヤ先端を放電、水素火災。

プラズマ、アーク、レーザービーム等の加熱手段によっ
て溶融し、自らの表面張力によって形成される。特に、
ワイヤ自体と他の電極との間に真空又は不活性ガス雰囲
気中で、アーク放電又は火花放電を起させる方法によれ
ばボールを短時間で形成させ、酸化膜の形成を防止でき
るので、好ましい、このアーク放電又は火花放電はワイ
ヤをマイナスとして行うことによりその表面に酸化膜の
ない清浄なボールができ、かつ偏心のないボールが形成
される。また。アーク放電又は火花放電において正及び
負の少なくとも一方のパルス電流を流すこともでき、こ
のパルス電流によってボール形成に必要な適正なアーク
又は火花発生時間をコントロールすることができる。正
負の電流を流す場合には、ワイヤ表面のクリーニングに
必要な時間とボール形成に必要な時間と正負の時間比を
変えることによってコントロールすることができる。

クリーニングに必要な時間は全放電時間の１０〜３０％
が好ましい。

ボール形成における加熱溶融雰囲気は非酸化性雰囲気が
好ましい、特に、不活性ガス中に少量。

好ましくは５〜１５体積％の還元性ガス（例えば水素ガ
ス）を含むものが好ましい、特に、水素ガスを５〜１５
体積％を含むアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが好
ましい、− ボール径はワイヤ径の１．５〜４倍が好ましく。

特に２．５〜３．５倍が好ましい。

（８）ボンデング ボンデングには、ボールボンデング及びウェッジボンデ
ングがあり、超音波接合又は熱圧着によって行われるが
、回路素子が半導体素子である場合は、接合間隔に制限
があるので、ポールボンデングが好ましく、外部端子の
場合は、高能率のウェッジボンデングが好ましい。

回路素子に接合後のワイヤはキャピラリーに保持さ九た
形で引？張ることによって回路素子の接合部近傍で切断
される。

ワイヤは前述のように細径なので、これを保護するため
に半導体素子とワイヤと外部端子の一部を樹脂の他にセ
ラミックスで被うことが行われる。

樹脂は液体を注型（キャスティング）又は成形（モール
ド）し硬化させ、セラミックスは通常の方法でキャップ
シール接合される。

（９）配線膜 本発明のＡｌ１合金からなる薄膜は半導体素子の外部リ
ードへの接続端子とする配線膜に特に有効である。薄膜
の形成には蒸着、スパッタリング等の従来方法が用いら
れる。配線膜は幅約数〜数十μｍ、厚さ数μｍを有する
。

実施例１ 純度９９．９９　％の純ＡＪ及び純度９９．９％のＰｄ
を用い、Ｐｄ含有量０，０．０１，０．１　。

０．５，１，５，７．１０重量％のＡＪ合金を。

水冷鋼鋳型を用い、Ａｒ雰囲気中でアーク溶解によって
溶解した。次いで合金中のＰｄを合金中に均一に固溶さ
せるため５８０℃で２４時間加熱するソーキング処理を
施した後急冷し、５８０℃で２時間加熱する焼鈍を間に
入札て室温で圧延又はスェージングにより厚さ１■の板
及び直径１閣の線を各々製造した。加工後、いずれも２
００℃で最終焼鈍を施した。なお、７％及び１０％のＰ
ｄを含むＡｌ１合金は前述の圧延及びスェージング加工
がＰｄ量のより少ないものに比らべ困難であった。

５％以下のＰｄを含むＡｌ１合金の加工性はいずれも純
ＡＪよりもわずかに劣る程度で、容易に加工することが
できる。

第１図はＡ悲−１％Ｐｄ合金の倍率２０．Ｇｏｏの顕微
鏡写真の型式図である。組織の中の白い部分がＡｌ−Ｐ
ｄ金属間化合物であり、その大きさは大きいものが直径
約１μｍ、小さいものが直径約０．２　μｍであり、き
わめて微細で、マトリックス中に均一に分散しているこ
とがわかる。

第２図は、１００ｐｐｍの塩素イオンを含むｐＨ３の硫
酸溶液（２０℃）中で測定したＡ１−１％Ｐｄ合金と純
ＡＪの分極曲線である。純ＡＪは電圧が高くなる程電流
密度が増大し腐食量が増加するのに対し、本発明のＡＪ
−１％Ｐｄ合金は電圧が増加しても電流密度が増大せず
逆に減少する領域すなわち不動態領域（斜線部分）が存
在することがわかる。この領域は合金表面に不動態皮膜
が形成されることを意味する。

同様に、０．０１　，０．１　，０．５　，５．７及び
ｌＯ％のＰｄを含む合金の場合も不動態領域が存在する
ことが認められ、更にＰｄ量が多いほど不動態領域が広
がることがわかった。

第２ｗＩに示す分極曲線から計算した腐食速度は純Ａ息
（９９，９９％以上）が約０．００５ｍ／年、及び１％
Ｐｄ合金がＯ，ＯＯ１ｍ／年であり、本発明合金の腐食
速度は純Ａｌの５分の１で、きｂめて腐食量が少ないこ
とがわかる。

前述と同様に、重量で１％Ｓｉ、１％Ｎｉ及び１％Ｍ、
を含むＡｊ合金の板を製造し、これらの合金についても
分極曲線を求めた。各分極曲線はいずれも純Ａｌｌと同
様の曲線を示し、それらの曲線から年間腐食量を求めた
結果、それずれｏ、ｏｏｓ■／年、０．ＯＱ４　■／年
及び０．００　フ膳／年であった。分極曲線は、面積１
ｄを有する試料を塩素イオン１００ｐｐｍを含むｐＨ３
の硫酸溶液中（２５℃）で測定したものである。

実施例２ いずれも１重量％のＳｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ。

Ｒｕ、Ｏｓ及びＡｕを含むＡｌ１合金を実施例１と同様
にアーク溶解し、実施例１と同様にしてスェージング加
工後、線引き焼鈍をくり返すことによリ直径５０μｍの
ワイヤを製造した。合金元素としていずれも９９．９９
　　％以上の純度を有するものを用いた。＆３〜９は本
発明合金及びＮａ　２のＡ１−１％５１合金は比較のも
のである。

表は、各ワイヤについて、８５℃及び湿度９０％の雰囲
気中で１０００時間保持による高温多湿試験後の引張試
験による伸び率及びその試験前の伸び率を示すものであ
る。

表 １１し１１５　　ｌ　　　０．５　　１１２１Ａ慮−１
％ｓｉｌ　　　４　１　　０．５　　１１３１Ａ慮−１
％ｐｄｌｓｌ　　　４　　１１４１Ａ巴−１％ｐｔｌ　
　　ｓ　　ｌ　　　４　　　１１５１Ａ患−１％Ｒｈｌ
　　　ｓ　　　ｌ　　　２　　　１１６１ＡＱ−１％Ｒ
ｕＩ　　　ｓ　　ｌ　　　２　　　１１７し］−１％Ａ
ｕｌ　　　ｓ　　ｌ　　　４　　　１ＩｓｌＡｍ−１％
０８１　　３　　１　　２　　　１表に示すように、本
発明の翫３〜８の／１合金の純Ａｌ及び１％５１合金に
比らべ試験後の伸び率がいずれも高いことがわかる。

同様に＋　ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ及びＡｕの含
有量を各々０．１　，０．５　．５％にしたＡｊｌ合金
からなる直径５０μｍのワイヤについて試験した結果、
いずれも１％含有ＡＱ合金と同程度の伸び率であった。

実施例３ 第３図は、実施例２で製作した直径５０μｍの純ＡＩ　
Ａｆｉ−１％Ｓｉ及びＡＱ−１％Ｐｄ合金からなるワイ
ヤを用いた代表的なレジンモールド型半導体装置の断面
図である。このレジンモールド型半導体装置を各ワイヤ
について５０個製作した。各ワイヤをボール形成前にい
ずれも２００〜３００℃で最終焼鈍した不完全焼鈍した
ものを用いた。

各Ａｌｌワイヤ１はＡＱ蒸着膜８が設けられた半導体素
子３にボールボンデングされ、Ａｇめつき層１０が設け
られたリードフレーム４にウェッジボンデングされる。

ボールボンデングされた後、Ｓｉｎ、等の保護皮膜１３
が設けられ、その後型を使って液状のエポキシ樹脂を流
し込み、硬化させることにより図の半導体装置が形成さ
れる。リードフレームにはＣｕ又はＦｅ−４２％Ｎ１合
金が用いられる。

ボンデングのためのボールフの形成は第４図に示すよう
にキャピラリー２にＡｉワイヤを押し出し、火花放電に
よる方法によって行われる。前述の各ＡＭワイヤを、真
空排気した後、７％（体積）の水素を含むＡｒガス雰囲
気で置換した雰囲気中で、１００ＯＶ、１〜５Ａの放電
条件でワイヤ１と電極５との間に１ミリ秒以下の短時間
放電させて、その先端に真球のボールを形成させた。放
電は、Ｗからなる電極５とワイヤとの間で行われる。

放電は得られたボールは第５図に示すようにキャピラリ
ー２によって半導体素子上に形成されたＡａ蒸着膜８に
ワイヤと蒸着膜との摩擦によって行う超音波接合によっ
てポールボンデングを行い、次いで、他端を同じくキャ
ピラリー２によってリードフレーム４のＡｇめつき層に
同じく超音波接合によってウェッジボンデングを行った
。この超音波接合による本発明合金の接合性は各ＡＭワ
イヤと同程度であり、優れていた。

−この方法によって得られた本発明合金からなるボール
はわずかにワイヤ軸方向に長いたまご形のものが形成さ
れたが、良好な真球に近いものであった。本発明合金の
ボールは表面に光沢があり。

更にきわめて滑らかで、ワイヤ自体の硬さとほぼ等しく
、図に示すようにきれいなループ状のボンデングが得ら
れることが確認された。また、ウェッジボンデング後の
ワイヤの切断はキャピラリー２を持ち上げて引張ること
によって行われるが。

その切断もワイヤが軟いためきわめて容易で、更にその
引張りによってボンデング部分を剥離するようなことも
全く起こらなかった。

以上のようにして製作した各５０個のレジンモールド型
半導体装置を、１２０℃、２気圧の水蒸気中に１６０時
間放置するプレッシャクツカーテスト（ＰＣＴ）試験し
、リード線の腐食断線、素子の誤動作等による不良率を
測定した。その結果を第６図に示す、図より純Ａ１１及
びＡΩ−１％Ｓｉ合金からなるものはいずれも５〜１０
％の不良率が生じたのに対し、本発明のＡＱ−１％Ｐｄ
合金からなるものは０．２　％程度の不良率であり、著
しく耐食性が優れていた。

実施例４ 実施例３の第３図で示したＡｆｉ蒸着膜８の代りに、実
施例１で製造した厚さ１■のＡ１−１％Ｐｄ合金及び実
施例３で示したＡｆｉ−１％Ｓｉ合金の厚さ１■の板を
各々蒸着源として使用し、厚さ１μｍの蒸着膜をＳｉ半
導体素子上に形成し。

実施例２と同様のＰＣＴ試験を５００時間行った。

蒸着条件は、いずれも基板温度２００℃、真空度２〜２
０Ｘ１０−．トル、蒸着速度２００人／秒である。試験
後、走査型電子顕微鏡により蒸着膜の表面状態を調べた
結果、ＡＱ−１％Ｓｉ合金は粒界から優先的に腐食が進
行していたのに対し、本発明のＡｊｌ−１％Ｐｄ合金は
ほとんど腐食されていなかった。なお、蒸着膜の組成は
ほぼ合金組成と同じであった。

実施例５ 実施例３の第３図で示したＡＩ蒸着膜の代りに実施例４
に示したと同様に１μｍの厚さのＡＪ−１％Ｐｄ蒸着膜
を形成するとともに、第３図のワイヤ１として実施例２
で得た直径５０ｐｍのＡ１−１％Ｐｄ合金線を用い、実
施例３に示したのと同様にポールボンデング及びウェッ
ジボンデング−を行い、更に実施例３と同様にエポキシ
樹脂で封止したレジンモールド型半導体装置を５０個製
作し、そのＰＣＴ試験を１６０時間実施した。その結果
、不良となったものは全くなく、きわめて優れた耐食性
を有することがわかった。

〔本発明の効果〕

以上の如く、本発明のＡＪ合金によれば塩素イオンに対
する高い耐食性が得ら九る。特に、本発明はレジンモー
ルド型半導体装置のポールボンデング用ワイヤ及び配線
膜として優九た効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＡ１合金の顕微鏡写真の模式図一第２
図は分極曲線を示す線図、第３図は代表的なレジンモー
ルド型半導体装置の断面図、第４図はアーク放電による
ボール形成装置のボール形成部分断面図、第５図はボー
ルボンデングされた状況を示す半導体装置の部分断面図
、第６図はＰＣＴ試験の不良率を示す線図である。 １・・・ワイヤ、２・・・キャピラリ、３・・・Ｓｉ素
子、４・・・リードフレーム、５・・・Ｗ電極、ローは
んだ、フー・−ボール、８−・Ａｍ蒸着膜、９・・・低
融点ガラス。 １０−・・Ａｇめつき層、１１・・・Ｗ電極の移動方向
、１２・−・樹脂。 ！ 第１図 ＡＪ！−１％Ｐｄ／／／／ ■こ→フー １０　　１Ｇ”　　　１Ｇ　　　１Ｇ＠１Ｇ電流密度（
ＮＡ／Ｊ） 第３図 第４図 二　　　　　　　　土 第６図 凌　　１０ ｉＩ＃８１％Ｓｉ 什 ｏ　　　　　　　　　　　　　　　ａｏ　　　　　　　
　　　　　　ｔｏ。 時間（ｈ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回路素子と該回路素子に電気信号を出入力する配線
   膜とを有する耐食性アルミニウム電子装置において、前
   記配線膜が、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム
   、オスミウム、ルテニウム、金、銀の１種以上からなる
   貴金属０．０５〜３重量％を含み、残部が実質的にアル
   ミニウムである合金からなることを特徴とする耐食性ア
   ルミニウム電子装置。