JPH06168990A - 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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JPH06168990A
JPH06168990A JP52A JP21481493A JPH06168990A JP H06168990 A JPH06168990 A JP H06168990A JP 52 A JP52 A JP 52A JP 21481493 A JP21481493 A JP 21481493A JP H06168990 A JPH06168990 A JP H06168990A
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仁 大貫
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靖 河渕
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充夫 近崎
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 接合部の信頼性を改善し、より信頼性の高い
銅ワイヤを適用した半導体装置の製造方法を提供する。 【構成】 半導体素子の電極とリードとを銅のボンディ
ングワイヤで超音波を用いてボンディング接続する半導
体装置の製造方法において、前記超音波でボンディング
後２５０℃以上で１分以上加熱処理を行い、ワイヤと電
極との接合面に銅−アルミ系の金属間化合物を形成させ
る工程を包含する半導体装置の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の電極と外
部導出リードとを銅のボンディングワイヤにて接続する
半導体装置の製造方法に係り、特に銅ワイヤをボールボ
ンディングによって接続する半導体装置の製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、広く使用されている汎用の半導体
装置は、半導体素子上の電極とリードフレームとを金ワ
イヤのボールボンディングによって接続している。すな
わち、ボールボンディングはワイヤの先端に水素炎や短
絡放電によってボールを形成し、そのボールを電極上に
押しつけて接続する方法である。金ワイヤは大気雰囲気
中でも真球に近い形状のボールになり易く、また、電極
との接合強度も高い。しかし、この金ワイヤは貴金属の
中でも高価な部類に属し、特に近年多数の入出力ピンを
有する多ピンの製品が増えている。そのため、１個当り
の素子に使用する金ワイヤの量が増加する傾向にあり、
製造コスト上の問題となっていた。以上の背景から、金
ワイヤの替りに安価な銅ワイヤを適用する試みが、各所
で検討されている。銅ワイヤを適用した半導体装置は、
例えば特開昭６０−１２４９５９号公報に記載されてい
る。銅ワイヤによる接続も、ボールボンディングによ
る。すなわち、ボールは短絡放電によって形成し、電極
上には超音波を印加して接続する。図３に従来の銅ワイ
ヤを適用した樹脂封止型半導体装置の断面図を示す。図
３において符号１１は銅ワイヤ、１２は電極、１３はペ
レット、１４はリードフレーム、１５は樹脂を意味す
る。その構造は銅ワイヤ１１の一端がペレット１３上の
電極１２（アルミニウム又はＡｌ−Ｓｉ合金膜）にボー
ルボンディングされ、ワイヤの他端が銀メッキ又は銅メ
ッキされたリードフレーム１４（Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金
又は銅合金）上にウエッジボンディングされ、全体を樹
脂１５で被われているものである。しかし、上記従来技
術はワイヤと電極との接合部の信頼性については配慮さ
れていなかった。
【０００３】上記従来技術の問題点はワイヤと電極との
接合部の信頼性が低いことである。すなわち、上記接合
部は、高温放置及び温度サイクル試験で容易にはく離す
る。図４は従来の半導体装置の温度サイクル試験（−５
５℃〜１５０℃）による接続不良の発生率（％、縦軸）
をサイクル数（横軸）との関係で示したグラフである。
このグラフから、従来の半導体装置は、比較的短時間で
不良を起こしやすいことがわかる。また、図５は従来の
半導体装置の２００℃の高温放置試験における不良発生
率（％、縦軸）を放置時間（時間、横軸）との関係で示
したグラフである。この場合も、従来の半導体装置は短
時間で不良を起こしやすいことがわかる。金ワイヤによ
る半導体装置は上記いずれの試験でも不良を起こさな
い。次に、断線不良の原因を調べた結果について述べ
る。図６は、温度サイクル試験で断線不良を起こした半
導体装置のボールと電極との接合部の断面概略図であ
る。走査型電子顕微鏡写真によると銅ボールと電極との
接合界面が図６に示したようにはく離しているのがわか
る。なお、高温放置試験での不良もボールと電極との接
合界面がはく離したためであることも確認した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
半導体装置はボールと電極との接合部の信頼性について
問題があった。本発明の目的は、上記接合部の信頼性を
改善し、より信頼性の高い銅ワイヤを適用した半導体装
置の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明は半導体装置の製造方法に関する発明であって、半
導体素子の電極とリードとを銅のボンディングワイヤで
超音波を用いてボンディング接続する半導体装置の製造
方法において、前記超音波でボンディング後２５０℃以
上で１分以上加熱処理を行い、ワイヤと電極との接合面
に銅−アルミ系の金属間化合物を形成させる工程を包含
することを特徴とする。
【０００６】銅ワイヤを適用した場合、電極へのワイヤ
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に両者の
酸化膜が除かれて新生面が露出される。その両者の新生
面と新生面と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、銅のボールが非常に硬いた
めに、得られる両者の新生面の面積が小さい。すなわち
十分な面積の新生面が露出される前に、電極膜がボール
の外側にはみ出してしまう。そのため、ボールと電極と
の接合が弱い。しかも、接合部の周辺が十分に接合して
いない。したがって、その状態で温度サイクル及び高温
放置試験をした場合、接合部は接合部に負荷される応力
で容易にはく離する。
【０００７】本発明は、上記の問題を解決するため、ボ
ールと電極膜との界面に銅−アルミニウム系金属間化合
物を形成させることにある。すなわち、本発明はワイヤ
を電極にボンディング時に適当な温度に保持又はボンデ
ィング後熱処理することにより、上記接合界面に金属間
化合物層を形成させるものである。金属間化合物層が形
成されると、ボールと電極膜とが密着した状態になり、
接合部が強化される。
【０００８】一方、銅−アルミニウム系金属間化合物は
主として、θ、η2 、γ2 相の３種類である。この中
で、接合部の強化に寄与するのは、θ相（Ａｌ2 Ｃｕ）
である。図７及び図８はボールと電極との接合界面に上
記３種類の金属間化合物相を形成させた半導体装置の温
度サイクル及び２００℃高温放置試験での断線不良発生
率を示したグラフである。すなわち図７はサイクル数
（横軸）と不良発生率（％、縦軸）との関係を示すグラ
フ、図８は放置時間（時間、横軸）と不良発生率（％、
縦軸）との関係を示すグラフである。各グラフにおいて
ａはθ相、ｂはη2相、ｃはγ2 相を示す。試験した数
は５０個である。η2 及びγ2 相を形成させた半導体装
置はそれぞれ不良が発生するが、θ相のそれは不良を起
こさないことがわかる。これはθ相が他の相に比べて、
軟かく、じん性に富んでいるためである。
【０００９】図９はθ相の厚さ（μｍ、横軸）と５００
０サイクル数（温度サイクル試験）での不良発生率
（％、縦軸）との関係を示したグラフである。また、図
１０はθ相の厚さ（μｍ、横軸）と２００℃高温放置１
０００時間での不良発生率（％、縦軸）との関係を示し
たグラフである。いずれの結果からも、θ相の厚さは
０．５μｍ以上あればよいことがわかる。
【００１０】次に、ボールと電極との界面にθ相を形成
させる方法について述べる。銅−アルミニウム系金属間
化合物層は加熱温度が高いほど短時間で厚くなる。例え
ば、θ相を厚さ０．５μｍ形成させる場合は、ボンディ
ング時の電極の加熱及び保持時間を３００℃、５分とす
ればよい。また、２５０℃加熱の場合は、１５分保持す
れば０．５μｍのθ相を形成させることができる。４０
０〜５００℃の場合は１分程度保持すればよい。
【００１１】これに対して、従来の場合には、３００℃
で１０秒以下であったため、金属間化合物が形成される
ことはなかった。図１１及び図１２は、従来の半導体装
置のボールと電極との接合部の断面を、本発明のそれと
比較した概略図である。図１１は従来の、図１２は本発
明の接合部の断面の概略図であり、符号１６は銅ボー
ル、１７は電極膜、１８はペレット、１９はθ相を意味
する。従来の接合部には金属間化合物層が形成されてお
らず、また、ボールと電極との間にすきまが認められ
る。一方、本発明の接合部は、ボールと電極とが、金属
間化合物層（θ相）により両者が密着しているのがわか
る。
【００１２】本発明の製造方法によって得られる半導体
装置は、上記のようにボールと電極とが密着しているこ
と及び軟かく、じん性のあるθ相であるために高い信頼
性がある。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に具体的に説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００１４】実施例１ 図１は、本発明方法による樹脂封止型半導体装置の１例
の断面図である。図１において符号１は銅ワイヤ、２は
ペレット、３は電極、４はθ相、５はリードフレーム、
６は樹脂を意味する。その構造は、直径３０μｍの銅ワ
イヤ１の一端がペレット２上の電極３（アルミニウム又
はＡｌ−Ｓｉ合金）にボールボンディングされ（ボール
と電極との接合界面にはθ相４が形成されている）、ワ
イヤの他端が銀又は銅メッキされたリードフレーム５
（Ｆｅ−４２％Ｎｉ又は銅合金）上にウエッジボンディ
ングされ、全体を樹脂６で被われているものである。
【００１５】実施例２ 図２は、本発明方法によるセラミック封止型半導体装置
の断面図である。図２において符号１〜５は図１と同義
であり、７はセラミックを意味する。構造は実施例１と
同様であるが、封止はセラミック７でなされている。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明方法により
製造される半導体装置によれば、銅ワイヤと電極が密着
しており、耐食性等の点から信頼性が向上するという顕
著な効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の方法による樹脂封止型半導
体装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施例の方法によるセラミック封止
型半導体装置の断面図である。
【図３】従来の銅ワイヤを適用した樹脂封止型半導体装
置の断面図である。
【図４】従来の半導体装置の温度サイクル試験による不
良発生率を示したグラフである。
【図５】従来の半導体装置の２００℃高温放置試験によ
る不良発生率を示したグラフである。
【図６】従来の半導体装置のボールと電極との接合部の
断面の概略図である。
【図７】ボールと電極との界面に各種金属間化合物を形
成させた半導体装置の、温度サイクル試験による不良発
生率を示したグラフである。
【図８】ボールと電極との接合界面に各種金属間化合物
を形成させた半導体装置の、高温放置試験による不良発
生率を示したグラフである。
【図９】θ相の厚さと温度サイクル試験による不良発生
率との関係を示したグラフである。
【図１０】θ相の厚さと高温放置試験による不良発生率
との関係を示したグラフである。
【図１１】従来の半導体装置におけるボールと電極との
接合部の断面の概略図である。
【図１２】本発明方法による半導体装置におけるボール
と電極との接合部の断面の概略図である。
【符号の説明】
１及び１１：銅ワイヤ、２、１３及び１８：ペレット、
３及び１２：電極、４及び１９：θ相、５及び１４：リ
ードフレーム、６及び１５：樹脂、７：セラミック、１
６：銅ボール、１７：電極膜
フロントページの続き (72)発明者 近崎 充夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子の電極とリードとを銅のボン
    ディングワイヤで超音波を用いてボンディング接続する
    半導体装置の製造方法において、前記超音波でボンディ
    ング後２５０℃以上で１分以上加熱処理を行い、ワイヤ
    と電極との接合面に銅−アルミ系の金属間化合物を形成
    させる工程を包含することを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
JP52A 1993-08-09 1993-08-09 半導体装置の製造方法 Pending JPH06168990A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016143830A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS62265729A (ja) * 1986-05-14 1987-11-18 Hitachi Ltd 半導体装置

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