JPS6320844A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPS6320844A JPS6320844A JP61164657A JP16465786A JPS6320844A JP S6320844 A JPS6320844 A JP S6320844A JP 61164657 A JP61164657 A JP 61164657A JP 16465786 A JP16465786 A JP 16465786A JP S6320844 A JPS6320844 A JP S6320844A
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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。
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１」的〕
（産業上の利用分野）
本発明は、半導体のチップ電極と外部引出し用リードフ
レームのインナーリード部とをワイヤボンディングした
半導体装置に関する。
レームのインナーリード部とをワイヤボンディングした
半導体装置に関する。
（従来の技術）
一般に、トランジスタ、ＩＣ（集積回路）、ＬＳＩＣ大
規模集積回路）の如き半導体装置としては１例えば第２
ＶＩＪに示す構造のものが知られている。ダイフレーム
め上に半導体チップであるペレット２をダイボンディン
グし、このペレット２の電極とリードフレーム３とをボ
ンディングワイヤ４で電気的に接続した後、これらを樹
脂５でモールディングすることにより形成される。
規模集積回路）の如き半導体装置としては１例えば第２
ＶＩＪに示す構造のものが知られている。ダイフレーム
め上に半導体チップであるペレット２をダイボンディン
グし、このペレット２の電極とリードフレーム３とをボ
ンディングワイヤ４で電気的に接続した後、これらを樹
脂５でモールディングすることにより形成される。
前記ボンディングワイヤとしては、熱圧着法あるいは超
音波併用熱圧着法によりボンディングするφ２０〜１０
０μｓの金、□超音波法によりボンディングするφ２５
〜５０−のアルミニウム合金（例えばＡＱ−１％Ｓｉ、
ＡＱ １％Ｍｇ）トφ１００〜ｓｏＯ声ノ高純度アルミ
ニウム（９９・、９９％以上）が用いられている。
音波併用熱圧着法によりボンディングするφ２０〜１０
０μｓの金、□超音波法によりボンディングするφ２５
〜５０−のアルミニウム合金（例えばＡＱ−１％Ｓｉ、
ＡＱ １％Ｍｇ）トφ１００〜ｓｏＯ声ノ高純度アルミ
ニウム（９９・、９９％以上）が用いられている。
現在５金ワイヤは普及タイプのＩＣやＬＳＩに用い、ア
ルミニウムはサーディプ型またはパワートランジスタ用
にと使いわけられている。
ルミニウムはサーディプ型またはパワートランジスタ用
にと使いわけられている。
最近、集積度の増加に伴う多ピン化の傾向によって、金
ワイヤのコストを無視することが出来なくなっている。
ワイヤのコストを無視することが出来なくなっている。
そのため、ボンディングワイヤを高価な金から比較的安
価な銅に変更することが検討されている。また銅は金に
比べ材料コストが大幅に低減する他に、導電率が高く細
線化が可能で、さらにアルミニウム電極との金属間化合
物が生成しにくく、接合部の高温強度が優れている等の
特徴を有している。
価な銅に変更することが検討されている。また銅は金に
比べ材料コストが大幅に低減する他に、導電率が高く細
線化が可能で、さらにアルミニウム電極との金属間化合
物が生成しにくく、接合部の高温強度が優れている等の
特徴を有している。
銅ワイヤを用いたボンディングは、アルゴン、窒素、水
素等の還元ガス雰囲気中で、電気トーチによる放電ある
いは酸水素炎による加熱により銅ワイヤを溶融してボー
ルを形成し、このボールをアルミニウム電極にキャピラ
リで超音波を印加しながら接合する。この時、銅ボール
の表面が侵入空気によって酸化し、さらに形成されたボ
ールが金あるいはアルミニウムのボールに比べて硬すぎ
るため、半導体チップの損傷あるいはボンディング強度
不足によるワイヤの剥離など発生する場合がある。そこ
で、銅を硬くしているＳ、Ｏ，Ｓｅ。
素等の還元ガス雰囲気中で、電気トーチによる放電ある
いは酸水素炎による加熱により銅ワイヤを溶融してボー
ルを形成し、このボールをアルミニウム電極にキャピラ
リで超音波を印加しながら接合する。この時、銅ボール
の表面が侵入空気によって酸化し、さらに形成されたボ
ールが金あるいはアルミニウムのボールに比べて硬すぎ
るため、半導体チップの損傷あるいはボンディング強度
不足によるワイヤの剥離など発生する場合がある。そこ
で、銅を硬くしているＳ、Ｏ，Ｓｅ。
Ｔｃ等の不純物元素を低減した高純度の銅ワイヤ（９９
，９９％以上）を用いて上述の欠点を解消する試みがな
されているが、良好な結果は得られていない。
，９９％以上）を用いて上述の欠点を解消する試みがな
されているが、良好な結果は得られていない。
また銅ワイヤによって配線されたトランジスタ、ＩＣ及
びＬＳＩは、一般に経済性や量産性の点で優れている樹
脂封止（例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂）して使用
される。しかしながら、樹脂封止型素子はボンディング
ワイヤが直接樹脂に包まれた状態になっているため、動
作中の発熱によってボンディングワイヤには引張応力が
加わる。
びＬＳＩは、一般に経済性や量産性の点で優れている樹
脂封止（例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂）して使用
される。しかしながら、樹脂封止型素子はボンディング
ワイヤが直接樹脂に包まれた状態になっているため、動
作中の発熱によってボンディングワイヤには引張応力が
加わる。
これはモールド樹脂（エポキシ樹脂：２２〜３０ Ｘ
１０−’／”Ｃ）とボンディングワイヤ（銅：１７ｘｌ
Ｏ−＠／”Ｃ）及びリード：７レーム（４２合金：４．
５Ｘ１０−’／”Ｃ） （７）熱膨張係数が夫きく異な
るためで、高温雰囲気になると相互間の熱膨張差によっ
てボンディングワイヤには引張応力が作用する。このよ
うな動作中の発熱冷却により生ずる繰返し引張応力が長
時間にわたってボンディングワイヤである高純度銅に作
用すると、アルミニウム電極上に接合した銅ボール直上
部の結晶粒界からクラックが発生してクリープ破断する
。またアルミニウム電極との接合部にはせん断応力が作
用し、接合界面からワイヤが剥離し、配線のオープン不
良を引き起こすことがある。
１０−’／”Ｃ）とボンディングワイヤ（銅：１７ｘｌ
Ｏ−＠／”Ｃ）及びリード：７レーム（４２合金：４．
５Ｘ１０−’／”Ｃ） （７）熱膨張係数が夫きく異な
るためで、高温雰囲気になると相互間の熱膨張差によっ
てボンディングワイヤには引張応力が作用する。このよ
うな動作中の発熱冷却により生ずる繰返し引張応力が長
時間にわたってボンディングワイヤである高純度銅に作
用すると、アルミニウム電極上に接合した銅ボール直上
部の結晶粒界からクラックが発生してクリープ破断する
。またアルミニウム電極との接合部にはせん断応力が作
用し、接合界面からワイヤが剥離し、配線のオープン不
良を引き起こすことがある。
（発明が解決しようとする問題点）
本発明はこのような問題を解決するためになさ多
れたもので、クリープ強さ良好でかつボンディング性の
優れた銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を提供
することを目的とする。
優れた銅ワイヤを用いた信頼性の高い半導体装置を提供
することを目的とする。
（問題点を解決するための手段）
そこで本発明者等は、上述の問題点に対して鋭意検討を
重ねた結果、銅ワイヤのクリープによる結晶粒界破断は
、銅ワイヤの再結晶に伴う高温強度の低下が大きな要因
で、また銅ボールの硬化原因の１つは、ボール形成時に
銅ボール中に侵入する空気中の酸素によって酸化銅（Ｃ
ｕ□Ｏ）が形成されるためであることを見い出し１本発
明を完成するに至った。
重ねた結果、銅ワイヤのクリープによる結晶粒界破断は
、銅ワイヤの再結晶に伴う高温強度の低下が大きな要因
で、また銅ボールの硬化原因の１つは、ボール形成時に
銅ボール中に侵入する空気中の酸素によって酸化銅（Ｃ
ｕ□Ｏ）が形成されるためであることを見い出し１本発
明を完成するに至った。
すなわち１本発明は半導体チップとの接続にワイヤボン
ディングを用いた半導体装置において、前記ワイヤボン
ディング素材として、Ｉｎ、Ｂ。
ディングを用いた半導体装置において、前記ワイヤボン
ディング素材として、Ｉｎ、Ｂ。
Ｂｉ、Ｇｏ及びＳｉから選択された１種または２種以上
の元素を２０〜３６０ｐｐｍ含有し、かつＡｓ、Ｚｎ。
の元素を２０〜３６０ｐｐｍ含有し、かつＡｓ、Ｚｎ。
Ｋ、Ｓｒ、Ｍｙ、、Ｃａ及びＴ１から選択された１種ま
たは２種以上の元素を１０〜６５０ｐｐｍまたはＳｂ。
たは２種以上の元素を１０〜６５０ｐｐｍまたはＳｂ。
Ｐ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｐｂ及びＣｄから選択された１種また
は２種以上の元素を２５〜２５０ｐｐｍ含有し、残部が
Ｃｕからなるワイヤ材を用いることを特徴とする半導体
装置である。
は２種以上の元素を２５〜２５０ｐｐｍ含有し、残部が
Ｃｕからなるワイヤ材を用いることを特徴とする半導体
装置である。
（作用）
次に本発明で規定する各元素の効果と含有量の限定理由
について説明する。
について説明する。
Ｉｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｇｅ及びＳｉは微量の添加で転位の回
復と再結晶時の粒界移動を遅らせて再結晶温度を高め、
銅ワイヤの粒界破断を防止する効果を発揮するが、あま
り多いと銅中に固溶あるいは析出して著しく強度が増大
し、銅ボールが硬化して半導体チップに損傷を与え、か
つ接合強度が低下して銅ボールが剥離し易くなる。・し
たがって、添加云は２０〜３６０ｐｐ■とじた。
復と再結晶時の粒界移動を遅らせて再結晶温度を高め、
銅ワイヤの粒界破断を防止する効果を発揮するが、あま
り多いと銅中に固溶あるいは析出して著しく強度が増大
し、銅ボールが硬化して半導体チップに損傷を与え、か
つ接合強度が低下して銅ボールが剥離し易くなる。・し
たがって、添加云は２０〜３６０ｐｐ■とじた。
またＡｓ、Ｚｎ、に、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ及びＴ１は銅ボ
ール形成時に銅中から気化してボール中への酸素混入を
阻止し、ボール硬化を防ぐ効果がある。
ール形成時に銅中から気化してボール中への酸素混入を
阻止し、ボール硬化を防ぐ効果がある。
その効果を充分に得るためには１０ｐｐｍを超える添加
が必要となるが、６５０ｐｐａ＋の添加は銅ボール中に
未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、ボール変形
能が低下するので、１０〜６５０ρｐａ＋の範囲とした
。
が必要となるが、６５０ｐｐａ＋の添加は銅ボール中に
未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、ボール変形
能が低下するので、１０〜６５０ρｐａ＋の範囲とした
。
またＳｂ、Ｐ、ＬＬ、Ｓｎ、Ｐｂ及びＣｄは銅ボール形
成時の侵入酸素と反応して酸化物を生成し、これが銅ボ
ール中から蒸発するため、銅ボールを軟化する効果があ
る。その効果を充分に得るためには２５ｐｐｍを超える
添加が必要となるが、 ２５０ｐｐＩ１１の添加は銅
ボール中に未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、
ボール変形能が低下するので。
成時の侵入酸素と反応して酸化物を生成し、これが銅ボ
ール中から蒸発するため、銅ボールを軟化する効果があ
る。その効果を充分に得るためには２５ｐｐｍを超える
添加が必要となるが、 ２５０ｐｐＩ１１の添加は銅
ボール中に未反応の元素が残存し、ボール硬度を高め、
ボール変形能が低下するので。
２５〜２５０ｐｐｍの範囲とした。
さに本発明においてボンディング性を改善するためには
、胴中に不純物として含有しているＳ及びＯ′＃、を減
少させることが有効である。胴中のＳ及び０は、第１図
に示すように形成されたボール表面に濃化偏析するため
、ボンディング性の劣化を招く、このためＳ≦ｉｐｐｍ
、 Ｏ≦２ｐｐｍとした。
、胴中に不純物として含有しているＳ及びＯ′＃、を減
少させることが有効である。胴中のＳ及び０は、第１図
に示すように形成されたボール表面に濃化偏析するため
、ボンディング性の劣化を招く、このためＳ≦ｉｐｐｍ
、 Ｏ≦２ｐｐｍとした。
（実施例）
以下、具体的な実施例に基づいて本発明を説明する。
ゾーンヌルディング法によって得た純度９９．９９９ｗ
ｔ％の高純度銅を素材として、第１表に示すように、純
度９９．９ｖｔ％以上の各種元素を添加した試料を真空
溶解により作製した。φ２０−の各鋳塊を固剤し、ｌｌ
ｌｌ１１まで冷間引抜き後、４００℃でｌｈｒ焼鈍し、
さらに引抜き加工によりφ２５μｓのＪｌｌｌｍとした
１次に線材を３００℃で等温焼鈍を行ない、試料とした
。
ｔ％の高純度銅を素材として、第１表に示すように、純
度９９．９ｖｔ％以上の各種元素を添加した試料を真空
溶解により作製した。φ２０−の各鋳塊を固剤し、ｌｌ
ｌｌ１１まで冷間引抜き後、４００℃でｌｈｒ焼鈍し、
さらに引抜き加工によりφ２５μｓのＪｌｌｌｍとした
１次に線材を３００℃で等温焼鈍を行ない、試料とした
。
得られた試料を用い、アルゴンと水素の混合還元ガス雰
囲気中で電気アークによりボールを形成し、半導体チッ
プ上のアルミニウム電極と、 Ａｇメッキを施した銅リ
ードフレームにボンディングを行なった後、電極部との
接合強度をブツシュ・テストで測定した。またワイヤを
剥離したＷ１電極を塩酸でエツチングし、チップ損傷の
有無を光学顕微鏡で調べた。これらの結果を第２表に示
す。
囲気中で電気アークによりボールを形成し、半導体チッ
プ上のアルミニウム電極と、 Ａｇメッキを施した銅リ
ードフレームにボンディングを行なった後、電極部との
接合強度をブツシュ・テストで測定した。またワイヤを
剥離したＷ１電極を塩酸でエツチングし、チップ損傷の
有無を光学顕微鏡で調べた。これらの結果を第２表に示
す。
ところで、第１表に示す比較例についても、実施例と同
様に試料を作成して、それぞれ本発明例に対応する試験
を行なった。
様に試料を作成して、それぞれ本発明例に対応する試験
を行なった。
第２表の結果から明らかなように１本発明の実施例は比
較例に比べ接合強度が高く、しかもチップ損傷は発生し
ていないことから優れたボンディング性を有しているこ
とが確認された。
較例に比べ接合強度が高く、しかもチップ損傷は発生し
ていないことから優れたボンディング性を有しているこ
とが確認された。
次に配線した半導体素子を樹脂封止し、高温放置試験（
２００℃Ｘ ５００ｈｒ）と温度サイクル試験（−６５
℃Ｘ ３０ｍ１ｎ−＋ ２５℃Ｘ ５ｍ１ｎ→２００℃
Ｘ３０ｉ＋ｉｎを１００す・Ｃクル実施）を行なった。
２００℃Ｘ ５００ｈｒ）と温度サイクル試験（−６５
℃Ｘ ３０ｍ１ｎ−＋ ２５℃Ｘ ５ｍ１ｎ→２００℃
Ｘ３０ｉ＋ｉｎを１００す・Ｃクル実施）を行なった。
その結果を第２表に示す。
この表から明らかなように１本発明の実施例にはワイヤ
剥離さらにワイヤ断線は認められず、優れたボンディン
グ性及びクリープ強さを有していることが確認された。
剥離さらにワイヤ断線は認められず、優れたボンディン
グ性及びクリープ強さを有していることが確認された。
第１表（１）
第１表（２）
第２表（１）
２）各試験の試料は１種原当り５０個である第２表（２
） ｌ）試料５０個の平均値 ２）各試験の試料は１種類当り５０個である〔発明の効
果〕 以上説明したように本発明は、再結晶を抑制する銅合金
を半導体素子のボンディングワイヤとして用いるので、
温度サイクルによって発生する引張応力の負荷によるク
リープの破断寿命が大幅に向上する。またボール中への
酸化物の混入がなく。
） ｌ）試料５０個の平均値 ２）各試験の試料は１種類当り５０個である〔発明の効
果〕 以上説明したように本発明は、再結晶を抑制する銅合金
を半導体素子のボンディングワイヤとして用いるので、
温度サイクルによって発生する引張応力の負荷によるク
リープの破断寿命が大幅に向上する。またボール中への
酸化物の混入がなく。
軟らかいボールが形成できるので、接合強度が向上し、
チップ損傷が防止できる。このように、本発明によれば
、温度変化に対して長時間にわたって安定した性能を発
揮し、かつ良好なボンディング性を有する半導体装置を
提供することができる。
チップ損傷が防止できる。このように、本発明によれば
、温度変化に対して長時間にわたって安定した性能を発
揮し、かつ良好なボンディング性を有する半導体装置を
提供することができる。
４、 Ｊｉｊｉ面の簡単な説明
第１図は銅ボール表面からの不純物分布曲線図、第２図
は樹脂封止型ＩＣを示す概略断面図である。
は樹脂封止型ＩＣを示す概略断面図である。
２・・・ペレット ３・・・リードフレーム４・
・・ボンディングワイヤ 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同 竹花喜久男
・・ボンディングワイヤ 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同 竹花喜久男
Claims (2)
- （１）半導体チップとの接続にワイヤボンディングを用
いた半導体装置において、前記ワイヤボンディング素材
として、Ｉｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｇｅ及びＳｉから選択された
１種または２種以上の元素を２０〜３６０ｐｐｍ（ｗｔ
ｐｐｍ、以下同じ）含有し、かつＡｓ、Ｚｎ、に、Ｓｒ
、Ｍｇ、Ｃａ及びＴ１から選択された１種または２種以
上の元素を１０〜６５０ｐｐｍまたはＳｂ、Ｐ、Ｌｉ、
Ｓｎ、Ｐｂ及びＣｄから選択された１種または２種以上
の元素を２５〜２５０ｐｐｍ含有し、残部がＣｕからな
るワイヤ材を用いることを特徴とする半導体装置。 - （２）ワイヤ材としてさらにＳ≦１ｐｐｍ、０≦２ｐｐ
ｍ含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61164657A JPH0785483B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61164657A JPH0785483B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 半導体装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5196686A Division JPH0828383B2 (ja) | 1993-07-15 | 1993-07-15 | ボンディングワイヤ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6320844A true JPS6320844A (ja) | 1988-01-28 |
| JPH0785483B2 JPH0785483B2 (ja) | 1995-09-13 |
Family
ID=15797331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61164657A Expired - Lifetime JPH0785483B2 (ja) | 1986-07-15 | 1986-07-15 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0785483B2 (ja) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60124960A (ja) * | 1983-12-09 | 1985-07-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体素子結線用線 |
| JPS6120693A (ja) * | 1984-07-06 | 1986-01-29 | Toshiba Corp | ボンデイングワイヤ− |
| JPS6148543A (ja) * | 1984-08-10 | 1986-03-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体素子結線用銅合金線 |
| JPS6199646A (ja) * | 1984-10-20 | 1986-05-17 | Tanaka Denshi Kogyo Kk | 半導体素子のボンデイング用銅線 |
| JPS62127438A (ja) * | 1985-11-26 | 1987-06-09 | Nippon Mining Co Ltd | 半導体素子用ボンディング線 |
-
1986
- 1986-07-15 JP JP61164657A patent/JPH0785483B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60124960A (ja) * | 1983-12-09 | 1985-07-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体素子結線用線 |
| JPS6120693A (ja) * | 1984-07-06 | 1986-01-29 | Toshiba Corp | ボンデイングワイヤ− |
| JPS6148543A (ja) * | 1984-08-10 | 1986-03-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体素子結線用銅合金線 |
| JPS6199646A (ja) * | 1984-10-20 | 1986-05-17 | Tanaka Denshi Kogyo Kk | 半導体素子のボンデイング用銅線 |
| JPS62127438A (ja) * | 1985-11-26 | 1987-06-09 | Nippon Mining Co Ltd | 半導体素子用ボンディング線 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0785483B2 (ja) | 1995-09-13 |
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