(57)【要約】  本発明のデバイスは、裸の銅リードフレームに取り付けられ、金属材料でコーティングされている金属ワイヤでリードと電気的に接合せしめられている半導体ダイを含む。当該デバイスは、リードフレームが他の金属でコーティングされているデバイスと同様に機能するが、リードフレームをメッキする代わりにワイヤをメッキするのでコストが低い。当該ワイヤは金またはアルミニウムであり得る。当該ワイヤが金である場合、コーティングは銀または他の適当な金属材料であり得る。当該ワイヤがアルミニウムである場合、コーティングはニッケル、パラジウムまたはその他の適当な材料であり得る。
2009531870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって、
ａ．コントロール領域及び第１終端領域を含む第１面と第２終端領域を含む第２面を有する半導体ダイと、
ｂ．ダイ取り付けパッド、コントロールリード及び終端リードを含むリードフレームと、
ｃ．第１の金属のコア及び第２の金属のコーティングを含むワイヤと、
を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスであって、前記第１の金属はアルミニウム、アルミニウム合金、金または金合金を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１記載のデバイスであって、前記第２の金属はニッケル、パラジウムまたは銀を含むことを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項１記載のデバイスであって、前記半導体ダイはダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、集積回路及びＩＧＢＴを含むグループから選択されることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項１記載のデバイスであって、前記半導体デバイスはパッケージング材料をさらに含むことを特徴とするデバイス。
【請求項６】
半導体デバイスの製造方法であって、
ａ．第１及び第２表面を有し、前記ダイの前記第１面にコントロール領域及び第１終端領域を含みかつ前記ダイの前記第２面に第２終端領域を含む半導体ダイと、ダイ取り付けパッド、コントロールリード及び終端リードを有するリードフレームと、第１の金属のコア及び第２の金属のコーティングを含むワイヤと、を提供するステップと、
ｂ．前記リードフレームの前記ダイ取り付けパッドに前記ダイを取り付けるステップと、
ｃ．前記ワイヤを前記半導体ダイ及び前記リードフレームのリードに取り付けるステップと、
ｄ．前記ダイ、ダイ取り付けパッド、リード及びワイヤをパッケージングするステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法であって、前記ワイヤの前記第１の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法であって、前記第２の金属がニッケルまたはパラジウムを含むグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法であって、取り付けの方法が超音波併用熱圧着ボンディングを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８記載の方法であって、前記ボンディングステップが超音波ボンディングであることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６記載の方法であって、前記第１の金属が金または金合金を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法であって、前記第２の金属は銀を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法であって。前記ボンディングステップは超音波併用熱圧着ボンディングであることを特徴とする方法。
【請求項１４】
電気部品を接続する方法であって、
ａ．第１及び第２電気部品並びに第１の金属のコア及び第２の金属のコーティングを含むワイヤを提供するステップと、
ｂ．前記ワイヤを前記第１電気部品に取り付けるステップと、
ｃ．前記ワイヤを前記第２電気部品に取り付けるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記第１の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含み、前記第２の金属がニッケル及びパラジウムを含むグループから選択され、前記取り付け方法が超音波併用熱圧着ボンディングを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、前記第１の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含み、前記第２の金属がニッケル及びパラジウムを含むグループから選択され、前記取り付け方法が超音波圧着ボンディングを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、前記第１の金属が金または金合金を含み、前記第２の金属が銀を含み、前記取り付け方法が超音波併用熱圧着ボンディングを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
半導体ダイボンディングワイヤであって、第１の金属のコア及び第２の金属のコーティングを含むワイヤ。
【請求項１９】
請求項１８記載のワイヤであって、前記第１の金属がアルミニウム、アルミニウム合金、金または金合金であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８記載のワイヤであって、前記第２の金属がニッケル、パラジウムまたは銀であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮出願番号第６０／７８６，２５９号（出願日２００６年３月２７日）の利点を主張したものであり、当該出願の開示内容は全体として本明細書に含まれている。
【０００２】
本発明はパッケージ化された半導体デバイスに関し、特に、ワイヤボンディングに用いられる金属材料によってコーティングされた金属ワイヤを有する半導体デバイス及び電気部品の接続のためのコーティングされたワイヤの使用に関している。
【背景技術】
【０００３】
通常、パッケージ化された半導体デバイスは、ニッケルまたは銀のような他の金属でメッキされた銅リードフレームに接続されている半導体ダイを含む。当該ダイは、通常アルミニウム、金または銅で作られているワイヤを当該ダイ上のワイヤボンド位置にボンディングすることによってリードに接続され、対応するリードと第２端においてボンディングされる。例えば、アルミニウムワイヤはその第１端においてダイ上のソースコンタクトにボンディングされ、その第２端はソースリードにボンディングされている。そして、当該デバイスはパッケージング材料内で露出しているリードを残したままパッケージ化され、パッケージ化された半導体デバイスをそれが設けられている電子デバイスに接続する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
銅は比較的安価な金属なので、リードフレームは基礎段階において通常は銅で製造され、ニッケルまたはパラジウム、またはその両方の様な他の材料でメッキされる。ニッケル及びパラジウムは、アルミニウムとの信頼性のある金属間接合を有することで知られている。銀も、金との信頼性のある金属間接合を有する故に、銅リードフレームをメッキするのに用いられる。しかし、例えばアルミニウムと銅は信頼性のある接合を有していないとされている。アルミニウム及び銅は、不安定な銅−アルミ間の金属間相の成長が増加する所定の温度において、不安定で低いせん断強さである様々な金属間相を形成し、それによってワイヤまたはボンドにおいて破損が起きる。
【０００５】
例えばアルミニウム及びニッケルは、カーケンドールボイディング（Kirkendall voiding）または電解腐食の影響を受けにくい故に、信頼性のある金属系である。さらに、ニッケル及び銅は硫酸及びフッ化水素酸に対しての耐性がある。従って、このことは本技術分野においてコスト競争力のある製品を生産するのに望ましい。さらに、信頼性のある金属系を有するデバイスを製造しながら、金属を使用して製品を能率的に生産してコストを削減するのに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例は、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＩＧＢＴ及び集積回路のような半導体デバイスを含む。半導体デバイスは、ボンディングワイヤを受ける１つまたは複数のボンディングパッドを有する。本発明の１つの実施例における半導体デバイスは、コントロール領域、第１終端領域及び第２終端領域を含むトランジスタで、当該第２終端領域はリードフレームに取り付けられ、コーティングされたワイヤが当該半導体ダイの第１終端領域とリードフレームの第１終端リードを接続している。ダイとリードを接続しているワイヤは、金またはアルミであり得、金ワイヤとの関係では銀のような金属または合金でコーティングされ、アルミニウムのワイヤに対してはニッケルまたはパラジウムでコーティングされる。ワイヤはリードフレームのメッキの必要性を取り除くためにコーティングされ、それによってパッケージ化された半導体の製造コストを減少させる。
【０００７】
さらに、本発明に従った半導体デバイスの製造方法は、第１面に第１終端領域を有する半導体デバイスを提供し、ダイ取り付けパッド及びリードを有するリードフレームを提供し、金属または合金でコーティングされた金属ワイヤをダイ及び対応するリードにボンディングする。本発明の別の特徴において、ボンディグステップは超音波圧着法または超音波併用熱圧着法を含む。本発明のさらに別の特徴において、ワイヤは適当な金属ワイヤ、例えば金ワイヤに対しては銀ワイヤ、アルミニウムワイヤに対してはニッケルまたはパラジウムワイヤでコーティングされた金またはアルミワイヤである。
【０００８】
本発明の有利な点は、裸の銅リードフレームをメッキすることを取り除くことができる点であり、それによって製造コストを大幅に下げることができる。代わりに、ワイヤは適当な金属でコーティングされる。
【０００９】
本発明の他の有利な点は、銅リードフレームをメッキするために従来用いられていた金属でワイヤをコーティングするので、金属系において実質的なロスがない点である。換言すれば、リードフレームをメッキするために用いられるのと同じ金属がアルミニウムワイヤをコーティングするために用いられるので、金属間相は同じままである。従って、当業者に信頼性のあるシステムとして周知である同じ金属系のままで良く、アルミニウムと銅のような他の金属系の問題または起こり得る障害の傾向も低くなる。
【００１０】
対応する参照番号はそれぞれの図を通して対応する部分を示している。ここで示された例は本発明の実施例を説明するためのものであるが、どんな場合にも本発明の範囲を制限すると解釈されるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１はコーティングされたアルミニウムワイヤ１０３を示している。アルミニウムワイヤ１０１は金属材料１０２でコーティングされ、デバイスのパッケージングにおいて半導体ダイとリードの間の電気的な接続を形成するために使用され、さらに通常は電気部品の接続のために使用される。ワイヤ１０１は純アルミニウムでもよいが、補強手段としてシリコンまたはマグネシウムを用いたアルミニウム合金でもよい。コーティング１０２はニッケルまたはパラジウムのような銅と相性のいい金属でもよい。
【００１２】
コーティング１０２はアルミニウムワイヤの周りに、非電気的メッキまたは電気的メッキによってメッキされる。両方のプロセスにおいて、アルミニウムワイヤは最初にワイヤの表面クリーニングによってメッキの準備をし、アルミニウムワイヤ１０１の表面への金属コーティングの付着性を向上させる。このことは、洗浄剤または溶剤を用いて、ワイヤ１０１への金属コーティングの付着性に影響を与え得るグリース、周囲からの混入物、酸化物及びその他の好ましくない物質を除去するような当業者に周知な方法で達成できる。
【００１３】
非電気的メッキにおいて、金属コーティング１０２は、金属陽イオン減少プロセスのための化学触媒を使用した水ベースの溶液による当該ワイヤ上への金属堆積によってワイヤに付着せしめられる。通常、溶液には金属を含んだ塩、リデューサー及び錯化剤を含み、金属を溶液内に保持する。電気的メッキにおいては、金属イオン含有溶液内に電流を通すことによってコーティング材料１０２がアルミニウムワイヤに付着せしめられる。アルミニウムワイヤ１０１は溶液内ではカソードで、それ故に金属イオンはワイヤ１０１に引きつけられる。金属イオンはワイヤ１０１上に堆積せしめられ、ワイヤ１０１上にコーティング１０２を形成する。一度金属コーティング１０２がアルミニウムワイヤ１０１上に堆積せしめられると、コーティングされたワイヤは洗浄され、乾燥させられる。
【００１４】
アルミニウムワイヤ１０１は、ニッケルまたはパラジウムのような銅と相性のいい適当な金属によってコーティングされても良い。銅とアルミニウム及びニッケルのＡｌ−Ｎｉワイヤまたは銅とアルミニウム及びパラジウムのＡｌ−Ｐｄワイヤが信頼できる金属系を形成する。例えば、ニッケルとアルミニウムとの間の金属間相は、カーケンドールボイディングまたは電解腐食の傾向が低い。これらの材料に信頼性がある一方、ワイヤ１０１上への金属１０２の堆積は重要なプロセスである。なぜなら、表面の酸化を引き起こすリンを含むような好ましくない材料の添加は金属系の信頼性を減少させ得る。
【００１５】
図２を参照すると、半導体デバイス２００はリードフレーム２０２にボンディングされており、ダイ２００の一方の面にソース領域２０４及びゲート領域２１１を有し、ダイ２００の反対の面にドレイン領域（図２には図示せず）を有する。半導体ダイ２００のソース領域２０４はアルミニウムコーティング２０５を有する。さらに、リードフレーム２０２は、ダイ取り付けパッド２０６、ソースパッケージリード２０７及びゲートパッケージリード２０８を有する裸の銅である。ダイ取り付けパッド２０６は、タイバー２０９を使用してリードフレームに接続されていて、これらのことはダイ取り付けパッド２０６をリードフレーム２０２のレール間に伸長するクロスタイに接続する。ダイ２００は、ダイ取り付けパッド２０６にはんだペーストで取り付けられている。
【００１６】
コーティングされたアルミニウムワイヤ１０３は、半導体ダイ２００のソース領域２０４の１つと銅ソースパッケージリード２０７の両方にボンディングされている。コーティングされたワイヤ１０３は、超音波圧着法または超音波併用熱圧着法を用いてボンディングされる。これらのボンディング法のどちらかを使用して、２０９、２１０をボンディングすると、ウェッジ形状が形成されるので、これはウェッジボンディングと呼ばれる。超音波圧着ワイヤボンディングは、超音波のエネルギを用いてウェッジボンディングを形成する低温プロセスである。超音波併用熱圧着ワイヤボンディングは、ボンディングされるべきワイヤと材料との間にボンディングを形成するために高温と超音波エネルギを必要とする。
【００１７】
半導体ダイ２００とコーティングされたワイヤ１０３のボンディングは信頼性がある。なぜなら、ダイ２００はアルミニウムコンタクトを有し、ワイヤ１０３はニッケルやパラジウムのような銅と相性の良い適当な金属によってコーティングされたアルミニウムのコアを有しているからである。一端において、コーティングされたワイヤ１０３のアルミニウムコアは、ダイ２００上のアルミニウムコンタクト２０４との信頼性のあるボンディングを形成する。ボンディングワイヤの他端において、銅−アルミニウム−ニッケル金属系はコーティングされたワイヤ１０３とパッケージリード２０７との間に信頼性のあるボンディングを形成する。ワイヤ１０３は裸の銅パッケージソースリード２０７にボンディングされ他のウェッジボンド２１０を形成する。アルミニウムと銅は、ニッケルまたはパラジウムと銅の様な信頼性は無いので、銅リードフレームは通常はニッケルでメッキされて、ワイヤとリードフレームとの信頼性のあるボンディングを保証する。しかし、コーティングされたワイヤ１０３も裸の銅リードフレームとの信頼性のあるボンディングを提供する。
【００１８】
多くの場合、ニッケルが裸の銅リードフレーム上にメッキされて、アルミニウムワイヤが半導体ダイとリードとの電気的な接続に使用される。アルミニウムとニッケルが信頼性のある金属系である一方、裸の銅リードフレームをニッケルでメッキすることは非常にコストがかかる。本発明は、アルミニウムワイヤ１０３へのニッケルコーティングを使用することによって、ワイヤとリードフレームとの間よりも覆うべき領域が狭くなるために信頼性がありかつコストの低い１つまたは複数の実施例を提供する。従って、今までと同様の結果を生みつつ、価格が大幅に下がる。
【００１９】
図３は、図２に示されたデバイスに、他のコーティングされたワイヤでダイ取り付けパッドに接続されたパッケージリード２２０を加えたものの断面図である。半導体ダイ２００は裸の銅リードフレーム２０２にボンディングされたダイで、例えばはんだ２１２でドレイン領域２１４がダイ取り付けパッド２０５に取り付けられている。アルミニウムコーティングされたワイヤ１０３は、図３に示すように半導体ダイ２００及び裸の銅パッケージソースリード２０６にウェッジボンディングされる。
【００２０】
本発明のデバイスの製造方法は、ダイ取り付けパッドを有する裸の銅リードフレーム、及びパラレルレール(parallel rail)からダイパッドと半導体ダイに伸長する複数のリードの提供を含む。半導体ダイは、当該半導体ダイのドレイン領域を介して、リードフレーム内のダイ取り付けパッドに、はんだペーストを使用して取り付けられる。コーティングされたワイヤは、通常最初に半導体ダイのダイパッドにボンディングされて、その後リードフレームの適当なリードにボンディングされる。そして、ワイヤがカットされる。このプロセスをフォワードボンディング(forward bonding)と呼ぶ。しかし、当該ワイヤは、最初にリードフレームのリードにボンディングされ、その後にダイにボンディングされて、カットされても良い。当該ワイヤがダイ及びリードにボンディングされたあと、デバイスはパッケージ化されかつ単体化(singulate)される。
【００２１】
通常、超音波及び超音波併用熱圧着ボンディング法には３つのタイプのワイヤが使用される。この種のワイヤボンディングにおいて通常使用されるワイヤは、銅、アルミニウム及び金である。これらのワイヤは純金属でもよいが、通常は他の材料との合金にすることでワイヤの強度を提供する。通常、銅とアルミニウムのワイヤは超音波及び超音波併用熱圧着ボンディング法の両方において使用することができる。金ワイヤは、超音波併用熱圧着ボンディング法において通常使用される。
【００２２】
超音波圧着ボンディングは、ボンディングされるべきワイヤと基板との間にウェッジ形状のボンディングを形成する。超音波圧着ボンディングは、ボンディング形成において超音波エネルギを使用することが必要な、低温、低圧ボンディング法である。特に、表面またはデバイスにボンディングされるべきワイヤは、ウェッジ形状ボンディングツールと称されるワイヤボンディングツールに、水平から３０°から６０°の角度をもって供給される。ワイヤは第１ボンディング箇所に固定され、圧力及び超音波エネルギによって当該個所にボンディングされる。当該ボンディングツールは持ち上げられ、第２ボンディング箇所に移動せしめられ、第１箇所から第２箇所にかけてワイヤでループ形状を形成する。第２ボンディングが形成された後、当該ワイヤは切断される。
【００２３】
超音波併用熱圧着ボンディングは、高温、低圧で、超音波エネルギを必要とするボンディングプロセスである。ワイヤがウェッジ形状ボンディングツールに角度をもって取り付けられる。当該ワイヤが、半導体ダイまたはソースリードのどちらかの第１ボンディング箇所に移動せしめられる。当該ワイヤが、超音波エネルギを伴う圧力、熱によってボンディング箇所に固定され、ボンディングを形成する。加えられる熱は、通常１００℃から１５０℃であるが、金ワイヤの場合は２５０℃までの温度が可能である。熱は、ボンディングされるべきワイヤ及び金属の塑性変形を引き起こし、金属間接合を形成する。
【００２４】
コーティングされたワイヤを使用して、さらに低コストで半導体ダイとリードを電気的に接続することは、他のデバイスにも適用できる。コーティングされたワイヤは、図３において示されているように電気部品の接続に用いられても良い。例えば、２つの裸の銅部品は、パラジウムかニッケルのどちらかでコーティングされたアルミニウムワイヤによって電気的に接続されてもよい。これらの組み合わせは信頼性のある金属間接合であるからである。
【００２５】
上述ではコーティングされたアルミニウムワイヤに関して説明してきたが、他の実施例には銀でコーティングされた金ワイヤを含む。金、銀及び銅は、高温度下で動作できる他の信頼性のある金属系を形成する。従って、本発明の他の実施例は、銀またはその他の適当な金属材料でコーティングされた金ワイヤを使用した、コーティングされたワイヤによる半導体ダイと裸の銅リードフレームの接続を含む。
【００２６】
前述の実施例は縦型ＭＯＳＦＥＴトランジスタに関して説明してきた。しかし、他のトランジスタ及びデバイスにも用いられ得ることを当業者は知っている。例えば、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴのソース領域及びコンタクトに対応するエミッタ領域及びコンタクトを有し、ゲート領域及びコンタクトに対応するベース領域及びコンタクトを有し、ドレイン領域及びドレインコンタクトに対応するコレクタ領域及びコンタクトを有し、ＭＯＳＦＥＴと代替し得る。他の半導体デバイスは、制限するわけではないが、集積回路、ダイオード、サイリスタまたはＩＧＢＴを含む。
【００２７】
本発明は具体的な実施例を参照して説明されているが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が行われかつ均等なものが要素に対して代入され得ることは、当業者によって理解されるであろう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形が行われて、特定の状況または要素を本発明の教示に適応させることもできるであろう。
【００２８】
従って、本発明は本発明を実施の最適な形態に関して開示された特定の実施例に制限されるものではなく、本発明は添付のクレームの範囲及び精神内にある全ての実施例を含むことを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明に従ったコーティングされたワイヤの断面図である。
【図２】図２は図１に示されたコーティングされたワイヤを使用して部分的にリードフレームと接続された半導体デバイスの上面図である。
【図３】図３は図２に追加的パッケージリード及びコーティングされたワイヤを追加したものの断面図である。
【図１】
2009531870.tif 000003
【図２】
2009531870.tif 000004
【図３】
2009531870.tif 000005
【国際調査報告】
2009531870.tif 000006