(57)【要約】【課題】より高温での信頼性試験を行う場合に、ボンディングワイヤと金属電極との接合不良が発生することを抑制する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージは、ダイパッドと前記ダイパッドの上に配置され、複数の電極パッドを有する半導体素子と、前記電極パッドの上に配置される接続部と、前記ダイパッドの周囲に複数個配置される外部端子と、前記外部端子と前記電極パッドと電気的に接続する配線と、少なくとも前記半導体素子及び前記配線全体を封止する封止体とを有し、前記封止体は樹脂材料であり、前記樹脂材料は、全量分析で測定したときにそれぞれ１００ｐｐｍ未満の硫黄及び塩素を含有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイパッドと
前記ダイパッドの上に配置され、複数の電極パッドを有する半導体素子と、
前記電極パッドの上に配置される接続部と、
前記ダイパッドの周囲に複数個配置される外部端子と、
前記外部端子と前記電極パッドと電気的に接続する配線と、
少なくとも前記半導体素子及び前記配線全体を封止する封止体とを有し、
前記封止体は樹脂材料であり、前記樹脂材料は、全量分析で測定したときにそれぞれ１００ｐｐｍ未満の硫黄及び塩素を含有する
ことを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項２】
前記封止体は、全量分析で測定したときにそれぞれ５０ｐｐｍ以下の硫黄及び塩素を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記半導体素子は、複数積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記配線は、主成分が銅であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
前記外部端子は、リード又は半田バンプのいずれか一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージにおける配線の信頼性を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体パッケージでは、半導体素子上の金属電極と外部端子との間を接合するボンディングワイヤ（ワイヤボンディング法で接続するワイヤ）が用いられ、少なくとも半導体素子とボンディングワイヤ全体が封止樹脂によって封止されている（例えば、特許文献１）。ボンディングワイヤの素材も金属であることから、ボンディングワイヤと金属電極との接合部には、合金層が形成される。
【０００３】
一方、近年、半導体パッケージは、車載向け（特に、制御系）への展開が加速している。そして、車載用の集積回路（ＩＣ）のための各種信頼性試験の認定基準であるＡＥＣ−Ｑ１００がハイグレード化し、半導体パッケージに対する要求は、ますます増大している。一般用途のＩＣの信頼性試験では、１２５℃加熱が一般的であるが、車載用のＩＣでは、１５０〜１７５℃のより高温での信頼性が要求される。信頼性試験としては、高温で加熱するＨＴＳ（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｔｏｒａｇｅ）試験、高温高湿環境での加熱試験であるＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ）及びＨＡＳＴ（Ｈｉｇｈｌｙ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｈｕｍｉｄｉｔｙ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｔｅｓｔ）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５９９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車載用途に対応するために、上記のような信頼性試験を行うと、従来の信頼性試験では顕在化しなかった不良が発生することが問題となっている。例えば、ボンディングワイヤと金属電極との接合不良が生じるという問題が生じることが判明している。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より高温での信頼性試験を行う場合に、ボンディングワイヤと金属電極との接合不良が発生することを抑制するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、ダイパッドと前記ダイパッドの上に配置され、複数の電極パッドを有する半導体素子と、前記電極パッドの上に配置される接続部と、前記ダイパッドの周囲に複数個配置される外部端子と、前記外部端子と前記電極パッドと電気的に接続する配線と、少なくとも前記半導体素子及び前記配線全体を封止する封止体とを有し、前記封止体は樹脂材料であり、前記樹脂材料は、全量分析で測定したときにそれぞれ１００ｐｐｍ未満の硫黄及び塩素を含有することを特徴とする半導体パッケージが提供される。
【０００８】
前記封止体は、全量分析で測定したときにそれぞれ５０ｐｐｍ以下の硫黄及び塩素を含有してもよい。
【０００９】
前記半導体素子は、複数積層されていてもよい。
【００１０】
前記配線は、主成分が銅であってもよい。
【００１１】
前記外部端子は、リード又は半田バンプのいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、より高温での信頼性試験を行う場合に、ボンディングワイヤと金属電極との接合不良が発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体パッケージの上面図である。
【図３】図２の半導体パッケージのＡ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージのワイヤ接合部付近を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。
【００１５】
［半導体パッケージの構成］
図１乃至図３を用いて、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示す斜視図である。図２は、図１の半導体パッケージの上面図である。図３は、図２の半導体パッケージのＡ−Ｂ線に沿った断面図である。半導体パッケージ１０は、外部端子１０１、ダイパッド１０２、半導体素子１０３、半導体素子保護膜１１１、金属電極１１２、接合部１１３、金属ワイヤ１０４及び封止樹脂（モールド樹脂）１０５を含む。
【００１６】
外部端子１０１は、この例では、リードフレームであり、半導体パッケージは、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｎｏｎ−ｌｅａｄｅｄ  ｐａｃｋａｇｅ）であるが、これに限定されるものではなく、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）などで用いられるリードフレームや、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）パッケージなどで用いられる半球状の半田などであってもよい。
【００１７】
ダイパッド１０２は、半導体素子１０３を固定支持する。半導体素子１０３は、複数の金属電極１１２を有し、ダイパッド１０２の上に配置される。また、半導体素子１０３は、ＩＣチップやＬＳＩチップ等の半導体デバイスである。図１では、ダイパッド１０２上に１つの半導体素子１０３を配置する例を示しているが、実際には、ダイパッド１０２上に複数の半導体素子１０３を配置することが可能である。
【００１８】
半導体素子保護膜（パッシベーション膜）１１１は、金属電極１１２が水分によって腐食することから保護するためにある。半導体素子保護膜１１１としては、窒化シリコン膜が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、公知の技術を用いてよい。
【００１９】
金属電極１１２と金属ワイヤ１０４との接合部１１３には、金属電極１１２の金属と金属ワイヤ１０４の金属との合金層が形成される。金属電極１１２と金属ワイヤ１０４との電気的な接続を良好に保つには、合金層が安定的に存在することを要する。そこで、高温状態であっても、接合部の合金が変質しないために、接合部に不純物が作用しないようにする必要がある。
【００２０】
接合部に不純物が作用しないようにするためには、接合部をパッシベーション膜で覆うことも考えられる。しかしながら、製造プロセス上、半導体ウェハの全面にパッシベーション膜を塗布した後に、金属電極１１２を金属ワイヤ１０４でつなぐために窓を開け、その後、金属電極１１２を金属ワイヤ１０４でボンディングする。ボンディングの際、金属電極１１２と金属ワイヤ１０４との接合部に、合金層ができるのであるから、接合部は、必然的にパッシベーション膜で覆われないことになる。その後、接合部は、封止樹脂１０５に覆われるため、封止樹脂と接触する部分が必然的に存在することになる。
【００２１】
本発明は、接合部に接する部材に含まれる、合金層に悪影響を与える不純物を、低減する。すなわち、封止樹脂に含まれる、合金層と反応し得る不純物濃度を低減する。好ましくは、１００ｐｐｍ未満とする。
【００２２】
金属電極１１２の材質は、この例では、アルミニウムである。しかし、純アルミニウムに限定されるものではなく、アルミニウム合金であってもよい。ここで、アルミニウム合金とは、Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
金属ワイヤ（ボンディングワイヤ）１０４は、外部端子１０１と半導体素子１０３の金属電極１１２とを電気的に接続する。金属ワイヤ１０４の素材は、金（Ａｕ）であってもよい。例えば、金属ワイヤ１０４の素材として、高純度（純度＞９９．９９％）の４Ｎ系金ワイヤが主に用いられている。もっとも、金とアルミニウムの接合部（Ａｕ／Ａｌ接合部）の金属間化合物の成長速度が速いため、高温で加熱するＨＴＳ試験等を行うと、カーケンダル現象によるボイドが発生し、金ワイヤとアルミニウム電極との接合不良が生じ得ることから、高温での安定性を考えると、ボイドの成長を遅くする合金ワイヤや銅（Ｃｕ）ワイヤを用いることが好ましい。銅ワイヤである場合には、銅が主成分であれば、微量な添加材料が含まれていてもよい。微量な添加材料としては、パラジウム（Ｐｄ）、金、銀（Ａｇ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
金属ワイヤ１０４が銅を主成分とした銅ワイヤで、金属電極がアルミニウムである場合には、ＣｕとＡｌで構成される金属間化合物の主要な層は、Ｃｕ９Ａｌ４層及びＣｕＡｌ２層であることが知られている。この例では、接合部１１３は、Ｃｕ９Ａｌ４層及びＣｕＡｌ２層などの合金層である。しかし、銅は、金に比べて、化学的安定性が低い。そこで、本発明では、高温時において、ＣｕＡｌ合金を変質させる不純物が作用しないにすることが重要となる。
【００２５】
具体的には、接合部１１３に接する封止樹脂１０５に不純物が極力含まれないようにすることが好ましい。ここで、「極力含まれないこと」とは、製造プロセス上、不可避的に含まれてしまうことを除き、意図的に含有させないことを意味する。
【００２６】
Ｃｕ９Ａｌ４層は、水分や不純物に弱い。そのため、封止樹脂から不純物が作用しないためには、該当する不純物が１００ｐｐｍ未満であることが望ましい。
【００２７】
封止樹脂１０５は、外部からの水分や不純物の混入からダイパッド１０２、半導体素子１０３の上部を保護する。封止樹脂１０５としては、エポキシ樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂などを使用することができる。
【００２８】
ところで、封止樹脂１０５には、半導体パッケージ内で封止樹脂とリードフレーム等の金属との密着性を高めるために、硫黄（Ｓ）や塩素（Ｃｌ）などの不純物が含有されている。添加されている元素のうち、特に、硫黄や塩素は、ＣｕＡｌ合金層に作用するため好ましくない。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１は、それぞれの評価樹脂（サンプル）において、サンプル数２２ｐｃｓでＨＴＳ試験を行ったときに、銅ワイヤとアルミニウム電極の接合部１１３が電気的にオープンとなった不良の個数である。表１に示すように、封止樹脂に硫黄が１００ｐｐｐｍ以上、塩素が５０ｐｐｍ以下含有されている樹脂（サンプル２）を用いた場合、１７５℃で１０００時間のＨＴＳ試験を行ったところ、不良は、０ｐｃｓであった。しかし、１７５℃で２０００時間のＨＴＳ試験を行ったところ、不良は、２１ｐｃｓとなった。
【００３１】
本発明者らが鋭意調査したところ、高温放置試験を行った場合に、銅ワイヤと半導体素子のアルミニウム電極との接合部分の合金層にドライコロージョンによるマイクロクラックが生じることが判明した。上記のとおり、１７５℃で２０００時間放置したときには、接合部分が電気的オープンとなったことが確認されている。本発明者らが上記不良の接合部分の断面研磨後に、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：エネルギー分散型Ｘ線分光法）やＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｅｒ：電子線マイクロアナライザ）等による断面の元素解析を行ったところ、硫黄や塩素が確認された。
【００３２】
ここで、図４を用いて、接合部にマイクロクラックが生じることを説明する。図４は、従来の半導体パッケージのワイヤ接合部付近を示す断面図である。半導体素子９０３上に半導体素子保護膜９１１及びアルミニウム電極９１２が配置される。また、アルミニウム電極９１２とワイヤ９０４との間には接合部９１３がある。封止樹脂９０５には、不純物である塩素９１５と硫黄９１６がある。この塩素９１５と硫黄９１６が接合部９１３に衝突することによって、マイクロクラックが生じるのである。そのため、封止樹脂中に塩素や硫黄の含有量が多ければ多いほど、マイクロクラックが生じやすくなる。
【００３３】
他方、封止樹脂に硫黄及び塩素が５０ｐｐｐｍ以下含有されている樹脂（サンプル１）を用いた場合、１７５℃で１０００時間のＨＴＳ試験を行ったところ、不良は、０ｐｃｓであった。また、１７５℃で２０００時間のＨＴＳ試験を行ったところ、不良は、０ｐｃｓのままであった。
【００３４】
以上の結果、封止樹脂に含まれる元素の内、少なくとも、硫黄、塩素の一方又は双方を減らすことが好ましい。封止樹脂１０５に含まれる不純物の量は、少なくとも、硫黄を１００ｐｐｍ未満にすることが好ましい。より好ましくは、封止樹脂１０５に含まれる不純物の量は、塩素１１５及び硫黄１１６それぞれ１００ｐｐｍ未満である。より好ましくは、封止樹脂１０５に含まれる不純物の量は、少なくとも硫黄を５０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。また、より好ましくは、封止樹脂１０５に含まれる不純物の量は、塩素１１５及び硫黄１１６それぞれ５０ｐｐｍ以下である。
【００３５】
銅ワイヤを用いた半導体パッケージで、車載向けのより高温の信頼性試験を行うと、塩素１１５や硫黄１１６が、接合部１１３のＣｕ９Ａｌ４層にマイクロクラックを生じさせるおそれがある。これにより、銅ワイヤとアルミニウム電極の接合部１１３が電気的にオープンとなると考えられる。
【００３６】
本発明によれば、封止樹脂に従来、密着性向上のために必要であった、塩素や硫黄の含有量をそれぞれ１００ｐｐｍ未満、より好ましくは、５０ｐｐｍ以下まで低減させ、封止性を維持しつつ、銅ワイヤボンディングの信頼性向上を図ることを可能としている。すなわち、高温放置時に、銅ワイヤと半導体素子のアルミニウム電極の接合部において、ドライコロージョンによるマイクロクラックの発生を抑制することができる。
【００３７】
また、本発明によれば、金属ワイヤとして銅ワイヤを用いる場合には、高価な金（Ａｕ）を用いる場合に比べて、より安価な半導体パッケージを提供することができるという効果を奏する。
【００３８】
なお、封止樹脂中の塩素や硫黄の含有量を低減させると、密着性の劣化が懸念される。しかし、組立工程中のＯ２プラズマ処理や表面粗化によるアンカー効果等によって、添加元素を低減しつつも、密着性の劣化は抑えることが可能である。
【００３９】
本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０：半導体パッケージ  １０１：外部端子  １０２：ダイパッド
１０３、９０３：半導体素子  １０４、９０４：ワイヤ  
１０５、９０５：封止樹脂  １１１、９１１：半導体素子保護膜  
１１２、９１２：金属電極  １１３、９１３：接合部
１１５、９１５：塩素  １１６、９１６：硫黄  ９１７：マイクロクラック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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