JPS62265729A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子の電極と外部導出リードとを鋼の
ボンディングワイヤにて接続する半導体装置に係り、特
に別ワイヤをボールボンディングによって接続する半導
体装置に関する。
〔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ポールボ
ンディングによって接続している。
すなわち、ポ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？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９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ビ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
イヤの債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、ポールボンディング；てよる。
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。第３図に従来の銅ワイヤ
を適用した樹脂封止型半導体装置の断面図を示す。第３
図において符号１１は銅ワイヤ、１２は電極、１５はベ
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１５上の電
極１２（アルミニウム又はｈｅ−８１合金膜）にポール
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％Ｎ１合金又
は銅合金）上にウェッジポンディングされ、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。
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。第４図は
従来の半導体装置の温度サイクル試験（−５５℃〜１５
０℃）による接続不良の発生率（チ、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、第５図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！ＩＩＩＩ）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？調べた結果について述べる。第
６図は、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
面が第６図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
面がはく離しただめであることも確認した。
〔発明が解決しようとする問題点〕
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を提供するこ
とにある。
〔問題点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に関する発明
であって、半導体素子の電極とリードとｔｍのボンディ
ングワイヤで接続導出した半導体装置において、ワイヤ
とζ重との接合界面に銅−アルミニウム系金属間化合物
が形成されていることを特徴とする。
銅ワイヤを適用した場合、電極へのワイヤの接合は、遥
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
が非常に硬いだめに、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、
′ｌ（！匝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ｔｔｉｔ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車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。
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Ｃ
ることにある。
すなわち、本発明はワイヤを′Ｑｒ、極にボンブイノブ
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１ｊｌ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。
一方、銅−アルミニウム系金属間化合物は主として、−
１りい　γ、相の５種類である。この中で、接合部の強
化に寄与するのは、−相（Ａｔ２Ｃｕ　）で必る。第７
図及び第８図はボールと醒甑との接合界面に上記Ｓ種類
の金属間化合物相？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ｆｆｒ線不良不良発生
率したグラフである。すなわち第７図はサイクル数（倒
軸）と不良発生率（チ、！４ｍ）との関係を示すグラフ
、第８図は放置時間（時間、横軸）と不良発生率（チ、
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はり２相、Ｃはγ、相を示す。試験した数
は５０個である。り、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−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。
第９図は一相の厚さくｐｍ、横軸）と５０００サイクル
数（温度サイクル試１！検）での不良発生率（％、縦軸
）との関係を示したグラフでちる。また、第１０図は一
相の厚さくμｍ１横軸）と２００℃高温放置１０００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［′Ｌ５μ
・ｍ以上あればよいことがわかる。
次に、ボールと電極との界面に一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、−相を厚
さ０．５μｍ形成させる場合は、ポンディング時の電極
の加熱及び保持時間を５００℃、５分とすればよい。ま
た、２５０℃加熱の場合は、１５分派持すれば０．５μ
毒の一相を形成させることができる。４００〜５００℃
の場合は１分程度医持すればよい。
これに対して、従来の場合には、５００℃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。
第１１図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。第１
１−１図は従来の、第１１−２図は本発明の接合部の断
面の概略図であり、符号１６は銅ポール、１７は電極膜
、１８はペレット、１９は一相を意味する。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（＃相）
により両者が密着しているのがわかる。本発明の半導体
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１％い信
頼性がある。
〔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風足されない。
実施例１ 第１図は、本発明の樹脂封止型半導体装置の１例の断面
図である。第１区において符号１は銅ワイヤ、２はペレ
ット、３は゛成極、４はθ相、５はリードフレーム、６
は樹脂を意１床する。その構造は、直径５０μｍの鋼ワ
イヤ１の一端がペレット２上の電極５（アルミニウム又
はＡ／−８ｉ合金）にボールボンディングされ（ボール
と成極との接合界面には６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（
ｙｅ−４２％　Ｎ１又は銅合金）上にウェッジボンディ
ングされ、全体を樹脂６で被われているものでちる。
実施例２ 第２図は、本発明のセラミック封止製半導体装置である
。第２図において符号１〜５　ｊｄ第１図と同義であり
、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。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の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】
第１図は本発明の一実施例の樹脂封止型半導体装置の断
面図、第２図（は本発明の一実施例のセラミック封と型
半導体装置の断面図、第５図は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、第４図は従来の半導
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、第５図は従来の半導体装（Ｕの２００℃高温放置
試験による不良発生率を示したグラフ、第６図は従来の
半導体装置のボールと電極との接合部の断面の概略図、
第７図はボールとｍＷとの界面に各種全項間化合物を形
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、第８図は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、第９図は
一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、第１０図は一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、第１１−
１図は従来の、第１１−２図は本発明の各半導体装置に
おけるボールと電極との接合部の断面の概略図である。 １及び１１：銅ワイヤ、２．１５及び１８：ベレット、
５及び１２：電極、４及び１９：一相、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：鋼ボール、１７：電極膜

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子の電極とリードとを銅のボンディングワ
    イヤで接続導出した半導体装置において、ワイヤと電極
    との接合界面に銅−アルミニウム系金属間化合物が形成
    されていることを特徴とする半導体装置。 ２、該金属間化合物が、θ相（Ａｌ＿２Ｃｕ）である特
    許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ３、該金属間化合物層の厚さが、０．５μｍ以上である
    特許請求の範囲第２項記載の半導体装置。
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