JPS6057221B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置に関し、特に半導体素子がマウン
トされ、かつ該素子の電極に接続したワイヤがボンディ
ングされる素子配設基材を改良した半導体装置に係る。

一般に、半導体装置は第１図及び第２図に示す構造の
ものが知られている。即ち、第１図はシリコン半導体素
子（例えばバイポーラ半導体素子）を素子配設基材（例
えばリードフレーム）にマウ ントし、さらにワイヤボ
ンディングした状態を示す斜視図、第２図は樹脂封止、
カッティング加工後の状態を示す断面図で、図中の１は
半導体素子がマウントされるアイランド部２及びワイヤ
がボンディングされるリード部３ａ、３ｂを有するリー
ドフレームである。このリードフレーム１のアイランド
部２、リード部３ａ、３ｂのボンディング部周囲には銀
層４が被覆されている。また、前記アイランド部２には
上面にベース、エミッタの川電極５ａ、５ｂを有するシ
リコン半導体素子６が金を主成分とする層７を介してマ
ウントされている。この半導体素子６のＡｌ電極５ａ、
５ｂには夫々金ワイヤＢａ、８ｂが接続され、かつこれ
ら金ワイヤＢａ、８ｂの他端はベース、エミッタの電極
として機能する内部リード３ａ、３ｂに夫々ポストボン
ディングされている。更に図中の９は半導体素子６を含
むアイランド部２及びりード部３ａ、３ｂの金ワイヤＢ
ａ、８ｂ接続部付近を覆う樹脂封止層である。なお、樹
脂封止層９か’ら露出したアイランド部のリード（図示
せず）やリード部３ａ、３ｂは半田層１０が被覆されて
いる。また、素子配設基材としてリードフレームの代り
に、第３図に示す如くステムを用いたハーメテイツクシ
ール構造の半導体装置が知られている。

即ち、第３図中の１１は周囲に銀層１２が被覆された銅
製のステム本体である。この本体１１には２つの貫通孔
１３ａ，（１３ｂ）が設けられ、これら貫通孔１３ａ，
（１３ｂ）には上端に広幅のヘッド部１４ａ，（１４ｂ
）を有する銅製のリード線１５ａ，（１５ｂ）がガラス
絶縁体１６ａ，（１６ｂ）を介して貫通支持されている
。なお、リード線１５ａ，（１５ｂ）のヘッド部１４ａ
，（１４ｂ）にも銀層１２が被覆されている。また、前
記ステム本体１１の銀層１２上には金を主成分とする接
合層１７を介してバイポーラ型半導体素子１８がマウン
トされ、かつ該半導体素子１８上面にはベース、エミッ
タのに電極１９ａ，（１９ｂ）が設けられている。そし
て、これらＡｌ電極１９ａ，（１９ｂ）には金ワイヤ２
０ａ，（２０ｂ）の一端が夫々接続され、かつこれら金
ワイヤ２０ａ，（２０ｂ）の他端は前記ベース、エミッ
タ電極として機能するリード線１５ａ，（１５ｂ）のヘ
ッド部１４ａ，（１４ｂ）上の銀層１２にボンディング
されている。更に、半導体素子１８がマウントされてい
るステム本体１１側には該素子１８を気密にシールする
キャップ２１が被覆２されている。なお、図中の２２は
一端がステム本体１１に接続されたコレクタ電極として
機能するリード線である。しかしながら、上述した第２
図、第３図の半導体装置において、金ワイヤが夫々接続
される半導３体素子上面の電極はアルミニウムで、素子
配設基材（リード部など）は銀層が被覆されているため
、銀層のリード部には金ワイヤを良好にポストボンディ
ングできるものの、Ａ１電極に金ワイヤをペレットボン
ディングすると、パープルプレー３グが発生し易く、金
とアルミ−ニウムの金属間化合物が生じ、それらの接合
面にクラックが発生してペレットボンディングの信頼性
が著しく低下する欠点があつた。

このようなことから、ワイヤをアルミニウムで４形成し
、このアルミニウムワイヤを用いて半導体素子上面のア
ルミニウム電極と素子配設基材のリード部等に被覆した
銀層とを接続することが行なわれている。

しかしながら、．こうした構造の場合、電極とワイヤと
のペレットボンディングは良好になるものの、アルミニ
ウムワイヤを銀層にボンディングすると、水分付着によ
りアルミニウムと銀間で局部電池が発生して腐蝕が起こ
り、ポストボンディング性が著しく損なわれる。更に、
上述した第３図、第４図の半導体装置及び前記改良した
ワイヤボンディング手段は、いずれもワイヤポストボン
ディングされた素子配設基材上に銀層が被覆されている
ため、次に挙げる種々の問題を生じる。

１素子配設基材のリード部（ポストボンディング部）上
に銀層をメッキにより被覆するため、素子配設基材の製
作工程が増え、銀自体も高価であることからリードフレ
ームのコストの高騰化を招く。

２素子配設基材上の銀層は、空気中に放置すると硫化が
起こり、簡単な処理による除去も難しいため、ワイヤが
金／７）らなる場合でもボンディング性が悪化する。

このため、素子配設基材に銀層をメッキした後の保管等
に細心の注意を必要とする。３素子配設基材上の銀層の
厚さが薄いと、下地の金属か酸化し、銀層の膨れや剥離
を生じ、特に高温高湿になると、更にその膨れや剥離が
生じ易くなり、ワイヤのボンディング性が著しく低下す
る。

４素子配設基材のリード部等に銀層が被覆されていると
、半導体素子上面の電極に金、金合金のワイヤをボンデ
ィングする際、水素トーチがリード部上の銀層にあつた
場合、その銀層部分か酸化されるばかりか、下地の金属
も酸化されるため、ワイヤのボンディング性を損なう。

５素子配設基材のリード部等の上の銀層に金ワイヤをポ
ストボンディングした構造の半導体装置を高温雰囲気中
で長時間動作させると、素子配設基材の電極（リード部
）に水滴が付着し、このリード部から銀が溶け出す、い
わゆるマイグレーション現象が起こり、銀が他方のリー
ド部に析出して両リード間を銀て短絡させ、著しく信頼
性を損なう。６金属薄片板から製品までの製造工程を自
動化する場合、銀メッキ工程が必要なため自動化が困難
となる。

７銀使用量を少なくしてコスト低減を図るために素子配
設基材のリード部等に銀層を部分メッキにより被覆する
と、素子配設基材に方向性が生じる。

８金属薄片板から素子配設基材をブレス等で製作する場
合、銀層のメッキ不良はブレス中に検−査して取出すた
め、ブレスの可動率が低下する。

本発明は上記様々の問題点を一挙に解消するためになさ
れたもので、少なくとも主面にニッケルもしくはニッケ
ル合金層が被覆された素子配設基材を用い、この基材に
に電極を有する半導体素子をマウントすると共に該Ｎ電
極と前記基材主面のニッケルもしくはニッケル合金層と
をアルミニウムもしくはその合金からなるワイヤで接続
することによりペレットボンディング、ポストボンディ
ングが共に良好で高信頼性の半導体装置を提供しようと
するものてある。

以下、本発明の一実施例を第４図及ひ第５図を参照して
説明する。

第４図は例えばバイポーラ型半導体素子をりーードフレ
ームにマウントし、更にワイヤボンディングを行なつた
状態を示す斜視図、第５図は樹脂封止、カッティング加
工を施した後の半導体装置を示すものである。

図中１０１は主面にニッケル層１０２が被覆された鉄素
材からなるリードフレームで、このリードフレーム１０
１には半導体素子がマウントされるアイランド部１０３
及びウイヤボンデイングされるリード部１０４ａ，１０
４ｂが形成されている。また、図中の１０５は第６図に
示す如くマウント面に厚さ約６００Ａのバナジウム層１
０６，厚さ約２０００Ａのニッケル層１０７，厚さ１．
０μｍの金・ゲルマニウム（Ｇｅ］２ｗｔ％）合金層１
０８及ひ厚さ１０００Ａの金層１０９が順次積層された
バイポーラ型シリコ半導体素子であり、この半導体素子
１０５は第５図に示す如く前記ニッケル層１０２が被覆
されたリードフレーム１０１のアイランド部１０３に還
元性雰囲気（例えば山−Ｎ２のフォーミングガス）で加
熱押圧によつてマウントされている。つまり、半導体素
子１０５はアイランド部１０３に半導体素子１０５のシ
リコンが含有されないＡｕ−ｅ−Ｎｉの全率固溶体から
なる接合層１１０を介してマウントされている。また、
前記半導体素子１０５の上面にはベース、エミッタのＡ
１電極１１１ａ，１１１ｂが設けられ、これらＡ１電極
１１１ａ，１１１ｂには例えばＡ１ワイヤ１１２ａ，１
１２ｂの一端が夫々還元性雰囲気（例えばＨ２−Ｎ２の
フォーミングガス）でボンディングされている。そして
、これらＡ１ワイヤ１１２ａ，１１２ｂの他端は前記ニ
ッケル層１０２が被覆されたリードフレーム１０１のベ
ース、エミッタの電極として機能するリード部１０４ａ
，１０４ｂに夫々還元性雰囲気（例えばＨ２−Ｎ２のフ
ォーミングガス）でボンディングされている。つまり、
ＡＩワイヤ１１２ａ，１１２ｂの他端はリード部１０４
ａ，１０４ｂのニッケル層１０２にＡｕ−Ｎｉの二元合
金層で接合されている。更に、半導体素子１０５を含む
リードフレーム１０１のアイランド部１０３及びリード
部１０４ａ，１０４ｂＣｆ）Ａｌワイヤ１１２ａ，１１
２ｂ接続付近は樹脂封止層１１３で覆われている。また
、樹脂封止層１１３から露出したアイランド部のリード
（図示せず）及びリード部１０４ａ，１０４ｂには半田
層１１４が被覆されている。なお、上述した半導体装置
は例えば以下に示す方法により造ることができる。

まず、ニッケル層が被覆された鉄製薄片板をブレス加工
してニッケル層が被覆されたリードフレームを作製する
。

つづいて複数個のＮｐｎバイポーラトランジスタが形成
されたシリコン基板のマウント面に厚さ約６００Ａのバ
ナジウム層、厚さ約２０００Ａのニッケル層、厚さ１．
０μｍの金●ゲルマニウム（Ｇｅｌ２ｗｔ％）合金層及
び厚さ１０００Ａの金・層を順次真空蒸着して積層した
後、シリコン基板をその上面（マウント面と反対側の面
）よりダイヤモンドスクライブ又はブレードダイサース
クライブにより割断して第６図に示す半導体素子１０５
を作製する。なお、これら半導体素子は塩化ビニール等
で被覆して保管する。次いで、前記リードフレームを不
活性ガス雰囲気、好ましくはＨ２−Ｎ２のフォーミング
ガス（還元性雰囲気）中で３７０〜４０００Ｃに加熱し
た状態で、このリードフレームのアイランド部に前記半
導体素子を振動を与え）ずに５０〜８０ｙの加重で押圧
してマウントする。その後、マウントされた半導体素子
のＡｌ電極にＡ１ワイヤーの一端を前記フォーミングガ
スの雰囲気でボンディングし更にＮワイヤの他端をニッ
ケル層が被覆されたリードフレームのリード部に還元性
雰囲気中、３００〜３５０℃下でポストボンデインク几
、更に樹脂封止を施した後、延出したリード部等を半田
浴に浸漬し半田処理を施して第５図に示す半導体装置を
造る。しかして、本発明によればＡ１ワイヤ１１−２ａ
，１１２ｂを用い、この一端を半導体素子１０５上面の
Ａｌ電極１１１ａ，１１１ｂにペレットボンディングを
行なうため、従来のＡｌ′Ｒｉ．極、Ａ１ワイヤのボン
ディングのようなパーブルブレーグやＡｌ，Ａｕの金属
間化合物を生じることなく、良好に接続できる。

また、ＡＩワイヤ１１２ａ，１１２ｂの他端はニッケル
層１０２が被覆されたリ７ドフレーム１０１のリード部
１０４ａ，１０４ｂに夫々ＡＩ−Ｎｉの二元合金層を介
してポストボンディングされているため、従来のＡ１ワ
イヤ、銀層のボンディングのように水分付着による局部
電池の発生、腐蝕を招くことなく極めて良好に接続でき
る。したがつて、Ａ１ワイヤによりペレットボンディン
グ、ポストボンディングが共に良好となるため、金ワイ
ヤを使用する場合に比べて著２しく安価てかつ高信頼性
の半導体装置を得ることができる。また、リードフレー
ム１０１のリード部１０４ａ，１０４ｂに銀層を被覆せ
ずにワイヤを良好にボンディングできるため、以下に列
挙する種々の２効果を発揮できる。

（１） リードフレーム上には銀層の被覆が不要となる
ため、銀メッキ工程を省略することによる工程の短縮化
と、リードフレームを安価に製作できる。
３（２）銀層の被覆が
不要となるため、銀の欠点である銀の流化によるワイヤ
の接合強度の低下、銀層下の下地の酸化を解消でき、リ
ードフレームの保管時、マウント時に細心の注意をはら
うことなく、ワイヤをリードフレームのリード部に３．
強固の接合てきる。（３） リードフレームのワイヤボ
ンディング部に銀層が被覆されていないため、半導体装
置を高温雰囲気中で長時間動作させても、銀のマイグレ
ーション現象による電極リード部間の短縮を解４／消で
き、信頼性を著しく向上できる。

（４）半導体素子上面の電極へのＮワイヤのボンディン
グに際して水素トーチがリードフレームのリード部に当
たつても、そのリード部には銀層が被覆されていないた
め、銀層が被覆されることに伴なうリード部の酸化、劣
化を起こすことなくワイヤを良好にボンディングできる
。

このＡ１ワイヤのボンディングに際し、還元ガス（例え
ばＨ２が１０％程度含むフォーミングガス）を使用すれ
ば水素トーチが消えにくくなり、リードフレームのリー
ド部を構成する銅の酸化も還元されボンディング性が良
好となる。（５） リードフレームに銀層を被覆するた
めのメッキ工程を省略できるので、銀層の信頼性試験（
銀層の膨れ、剥れ試験、メッキ厚さ、メッキ不良の試験
）が不要となり、かつ半導体装置の製造に際しての自動
化が容易となり、更にブレス加工後の洗浄が簡単になる
と共に、銀層の被覆による方向性の生じない高精のリー
ドフレームを得ることができる。

その他、リードフレームの洗浄中に局部電池の発生によ
る酸化が起こらない。また、マウント面にバリア金属層
（バナジウム、ニッケル層）、金、ゲルマニウム合金層
を順次積層した半導体素子を用いれば、該半導体素子を
ニッケル層（もしくはニッケル合金層）が被覆されたリ
ードフレームのアイランド部に良好にマウントできるた
め、以下に列挙する如く種々の効果を発揮できる。

６）金プリフォーム体を用いることなく、最低必要限の
金・ゲルマニウム合金層をろう材としてマウントするた
め、マウント時における位置決め精度が良好で後工程で
のワイヤボンディングの不良発生を軽減てきる。

７）金プリフォーム体を用いないため、金プリフォーム
体をリードフレーム（素子配設基材）に載置するための
装置が不要となり、工程も短縮できる。

３）高価な金は、金、ゲルマニウム合金として最少必要
限しか用いないため、大幅なコストダウンを図ることが
できる。

））シリコンの半導体素子と金・ゲルマニウム合金層の
間のバリア金属層を介在させているため、リードフレー
ムに対して半導体素子を強固にマウントでき、しかもバ
リア金属層としてバナジウム層とニッケル層との二層構
造とすれば半導体素子と金・ゲルマニウム合金層の接着
強度を著しく向上てきる。

（１０接合に関与する層が金・ゲルマニウム合金からな
り、従来構造のマウント面に被覆された金・シリコン共
晶層に比べてクラツキング性が良好なため、シリコン基
板の割断に際し、従来の如く金・シリコン共晶層側から
切断せずに、！通常の方法に従つてシリコン基板上面（
マウント面と反対側の面から）ダイシングラインに沿つ
て行なうことができ、高精度の割断が可能となる。

即ち、金・シリコン共晶（シリコが２．８５Ｗｔ％）と
金・ゲルマニウム共晶（ゲルマニ１ウムが１２Ｗｔ％）
とのクラツキング性を比較すると、各成分の密度は金１
９．３，シリコン２．４２，ゲルマニウム５．４６で金
・シリコン共晶中に占めるシリコンの体積は１９％，金
・ゲルマニウム共晶中に占めるゲルマニウム体積は３３
％となり、１金●ゲルマニウム共晶はゲルマニウムの占
める体積が相当大で、金の占める比率が低いため、金・
シリコン共晶に比べてクラツキングが容易となり、上述
の如くシリコン基板の上面側からの割断が可能となる。

（１１）金とゲルマニウムの蒸気圧は１０−１トール付
近で近似しているため、金・シリコンまたは金・アンチ
モンのような分別蒸発を招くことなく、真空蒸着法によ
り所定組成の金・ゲルマニウム合金層を形成できる。

（１２）金・ゲルマニウム合金層に更に金属を被覆すれ
ば、半導体素子をマウントする以前１′−おける金・ゲ
ルマニウム合金層の酸化を防止でき、マウントの強度が
極めて良好となり、信頼性の高い半導体装置を得ること
ができる。

（１３）マウントに際し、３７０〜４００℃の加熱温度
で半導体素子をニッケル層（もしくはニッケル合金層）
が被覆されたリードフレームに接触させ軽い圧力で振動
を与えることなくＡｕ−Ｇｅ−Ｃｕの三元合金層を形成
できるため、半導体素子への熱影響が少なく電気特定も
安定し、更に安定したマウントがなされた半導体装置を
得ることができる。

（１４）銀層の被覆が不要となるため、銀の欠点である
銀の硫化によるマウント接合強度の低下、銀層下の下地
の酸化を解消てき、リードフレームの保管時、マウント
時において細心の注意をはらうことなく、半導体素子を
リードフレームに強固に接合できる。

（１５）金・ゲルマニウム合金層とリードフレームとの
マウントにより形成された接合層は金、ゲルマニウム、
銅の全率形の固溶体で、金属間化合物とならない。

このため、接合層に金属間化合物ができないので、電気
抵抗が小さく、化学的に安定し、機械的強度の劣化のな
い高信頼性の半導体装置を得ることができる。また、リ
ードフレーム主面のニッケル層（もしくはニッケル合金
層）は酸化され易いが、接合層は金の拡散もしくは溶融
により貴金属化して酸化されにくくなる。更に空気中で
加熱酸化されても、金が拡散して貴金属層が広くなるた
め、酸化がマウント接合部には起こらない。なお、本発
明に係る半導体装置は、上記実施例の如くニッケル層が
主面に被覆された鉄素材からなるリードフレームを用い
る場合に限定されず、主面の層に関してはコパールなど
のニッケル合金層で形成し、素材については銅、銅合金
、コバルトなどで形成してもよい。

また、ニッケル層もしくはニッケル合金層をリードフレ
ームの素材の主面のみならず全面に被覆してもよい。更
にリードフレームの素材は単層に限らず、積層構造でも
よい。本発明に係る半導体装置は上記実施例の如くＮワ
イヤを用いる場合に限定されず、Ａ１−Ｃｕなどの合金
ワイヤを使用してもよい。

本発明に係る半導体装置は上記実施例に示す如く、マウ
ント面にバナジウム、ニッケル、金・ゲルマニウム、金
の４層の金属層を積層した半導体素子を用い、この素子
をニッケル層が被覆されたリードフレームのアイランド
部にマウントした構造に限らず、半導体素子を金プリフ
ォーム体などのろう材、金共晶合金を介して銀ベース等
が被覆されたアイランド部にマウントしてもよい。

つまり、本発明の半導体装置は金もしくは金合金のワイ
ヤがボンディングされる素子配設基材の主面がニッケル
層もしくはニッケル合金層で被覆されていることが必要
で、半導体素子のマウント部に必要に応じて群層を被覆
してもよい。本発明に係る半導体装置は上記実施例の如
く、素子配設基材としてリードフレームを用いた構造に
限らず、前述した第３図に示すハメテイツクシール構造
ものにも同様に適用できる。

即ち、ベース、”エミッタ取出し電極となるステムのリ
ード線を、ヘッド部上面にニッケル層（もしくはニッケ
ル合金層）を被覆した構造にし、これにＡ１もしくはＡ
ｌ合金のワイヤをボンディングし半導体装置を構成して
もよい。この場合、ステムの本体主面もニッケル層（も
しくはニッケル合金層）を被覆し、マウント面にバリア
金属層、金・ゲルマニウム合金層を順次積層した半導体
素子を用い、前記ステム本体にマウントしてもよい。以
上詳述した如く、本発明によれば主面にニッケルもしく
はニッケル合金層が被覆された素子配設基材を用い、こ
の場合にＮ電極を有する半導体素子をマウントすると共
に、該Ａｌ電極と前記基材主面のニッケルもしくはニッ
ケル合金層とをＮもしくはＡｌ合金のワイヤて接続する
ことにより、ペレットボンディング、ポストボンデ，イ
ンクが共に良好て、前述の（１）〜（５）に列挙した種
々の効果を有する安価て高信頼性の半導体装置を提供で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリコン半導体素子をリードフレーム２にマウ
ントし、かつ同素子とリードフレームのリード部とを金
ワイヤで接続した状態を示す斜視図、第２図は第１図の
リードフレームを樹脂封止し、カッティングした後の半
導体装置を示す断面図、第３図はハーメテイツクシール
構造の半導体装置を示す断面図、第４図は本発明の一実
施例を示すシリコン半導体素子をリードフレームにマウ
ントし、かつ同素子とリードフレームのリード部とをＡ
ｌワイヤで接続した状態を示す斜視図、第５図は第４図
のリードフレームを樹脂封止し、カッティング加工した
後の半導体装置を示す断面図、第６図は第４図の半導体
素子をマウントする前の状態を示す断面図である。 １０１・・・・・・リードフレーム、１０２・・・・ニ
ッケル層、１０３・・・・・アイランド部、１０４ａ，
１０４ｂ・・・・・リード部、１０５・・・・・・バイ
ポーラ型シリコン半導体素子、１１０・・・・・・接合
層、１１１ａ，１１１ｂ・・・・・・ベース、エミッタ
のＡ１電極、１１２ａ，１１２ｂ・・・・Ａ１ワイヤ、
１１３・・・・・・樹脂封止層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも主面にニッケルもしくはニッケル合金の
   層が被覆された金属素材からなる素子配設基材と、上面
   に電極を有する半導体素子と、金属、金、ゲルマニウム
   合金層、ニッケル層及びバナジウム層をこの順序で積層
   した四層構造のろう材を用い、前記基材上に前記半導体
   素子を前記ろう材をその金層が基材側に、バナジウム層
   が半導体素子側に位置するように介在させた状態で還元
   性雰囲気にてマウントし、かつ前記素子配設基材と前記
   半導体素子の電極とをアルミニウムもしくはその合金の
   ワイヤで還元性雰囲気にて接続したことを特徴とする半
   導体装置。