(57)【要約】 【課題】  高湿環境における半導体素子上電極の腐食を抑制し、電気的接合を長期間にわたり維持させることが可能な半導体パッケージの提供。【解決手段】  半導体パッケージ内部の半導体素子上電極と半導体パッケージ外部電極とを銅ボンディングワイヤで電気的に接続し、少なくとも半導体素子および銅ボンディングワイヤ全体を樹脂封止してなる半導体パッケージにおいて、銅ボンディングワイヤ中の塩素および硫黄の含有量をそれぞれ１質量ｐｐｍ以下とし、かつ銅ボンディングワイヤと接続される電極の表面を銅と同等または銅よりも電位が高い金属もしくは合金で形成することを特徴とする。【選択図】    図１
2009059962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上電極と半導体パッケージ外部電極とを銅ボンディングワイヤで電気的に接続し、少なくとも半導体素子および銅ボンディングワイヤ全体を樹脂封止してなる半導体パッケージにおいて、銅ボンディングワイヤ中の塩素および硫黄の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であり、かつ半導体パッケージ外部電極のうち前記銅ボンディングワイヤと接続される電極の表面、および半導体素子上電極のうち前記銅ボンディングワイヤと接続される電極の表面が銅と同等または銅よりも電位が高い金属もしくは合金で形成されていることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項２】
半導体パッケージ外部電極のうち銅ボンディングワイヤと接続される電極表面が金またはパラジウムを主とする金属もしくは合金であり、かつ半導体素子上電極のうち銅ボンディングワイヤと接続される電極表面が金またはパラジウムを主とする金属または合金で形成されていることを特徴とする請求項１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、半導体素子をダイボンディングし、半導体パッケージの外部電極と半導体素子上電極とを銅ボンディングワイヤで接続し、パッケージの素子側のみを封止樹脂で封止してなる半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子をダイボンディングし、半導体パッケージの外部電極と半導体素子上電極とを金ボンディングワイヤで接続し、少なくとも半導体素子および金ボンディングワイヤ全体を封止樹脂で封止してなる代表的な半導体パッケージとしてＰＢＧＡ（Plastic Ball Grid Allay Package）（非特許文献１参照。）やＱＦＮ（QuadFlat Non Lead Package）（非特許文献２参照。）がある。ＰＢＧＡはパッケージの高密度化や高速化の要求に対応できるパッケージとして、またＱＦＮはパッケージの小型化に要求できるパッケージとして近年需要が増大している。
【０００３】
ＰＢＧＡでは数百以上の電極間をボンディングワイヤで結線するが、電極間の長さが平均的に４ｍｍと長く、ＰＢＧＡ１個あたりのボンディングワイヤ長は数ｍにもなり、従来から用いられているボンディングワイヤの材料は主に金であるため、材料費を抑えるために金よりも安価な材料が求められていた。
【０００４】
また、近年の電子機器の小型化や高性能化、あるいは車載を目的としたパッケージの登場により、より高温での高い信頼性が要求されるようになった。一般的に高温信頼性と呼ばれる性能を左右する要因として半導体素子上の電極とボンディングワイヤとの接続界面の金属間化合物の成長速度があり、現在主流となっているアルミニウム電極と金ボンディングワイヤの接合界面に形成される金−アルミニウム金属間化合物の成長速度を落とすべくそれぞれ不純物を添加して拡散速度を下げ、金−アルミニウム金属間化合物の成長速度を下げてきたが、高温信頼性の向上は困難となっており、新たな材料による大幅な信頼性向上が求められていた。
【０００５】
そうした要求に応えるべく鋭意調査した結果、半導体素子上の電極表面がアルミニウムで、半導体パッケージの外部電極のうちボンディングワイヤと接続される電極表面が金であるＰＢＧＡの電極間の結線に用いるボンディングワイヤの材料として金よりも安価な銅を使用すると、乾式での評価ではボンディングワイヤとして金を使用するよりも高い高温信頼性を示すことが判明したが、樹脂封止後のＰＣＴ（Pressure Cooker Test）や湿度８５％の環境で行われるＨＡＳＴ（Highly Accellerated Strage Test）等高湿度を印加する評価では、銅ボンディングワイヤと半導体素子上のアルミニウム電極との接合界面で電気的オープンとなる不良が発生し、金ボンディングワイヤよりも信頼性が劣る結果となる場合があることがわかった。
【０００６】
また、半導体素子上の電極表面がアルミニウムで、半導体パッケージの外部電極のうちボンディングワイヤと接続される電極表面がパラジウムであるＱＦＮの電極間の結線に用いるボンディングワイヤの材料として銅を使用すると、やはり前記のＰＣＴやＨＡＳＴにて銅ボンディングワイヤとアルミニウム電極との接合界面で電気的オープンとなる不良が発生する場合があるという半導体組立メーカーの評価結果情報が寄せられている。
【非特許文献１】http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_grid_array
【非特許文献２】http://en.wikipedia.org/wiki/QFN
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体パッケージ内部の半導体素子上電極と半導体パッケージ外部電極とを銅ボンディングワイヤで電気的に接続し、少なくとも半導体素子および銅ボンディングワイヤ全体を樹脂封止して成る半導体パッケージにおいて、前記電気的オープンとなる場所は半導体素子上のアルミニウム電極と銅ボンディングワイヤの接合界面であり、湿度を印加した場合にのみ電気的接続がオープンとなる。これは、ＰＢＧＡやＱＦＮといったパッケージの共通点は樹脂封止が素子側の片側封止であることであり、従来から銅ボンディングワイヤを使用したＳＯＰ（Small Outline Package ）やＤＩＰ（DualInline Package ）が半導体パッケージの金属ピンを全面で高圧封止するパッケージと比べると、基板もしくは金属ピンと封止樹脂との隙間から水分がパッケージ内部へ浸入しやすいことが原因であると考えられる。
【０００８】
すなわち、パッケージ内部に水分が入り込んだ場合、水分は封止樹脂中の遊離臭素や塩素などを取りこんで酸性雰囲気となり、またプラスチック基板を使用している場合にはソルダーレジスト等に由来する塩素などの腐食性元素が水分へとけ込むため、パッケージ内部は腐食性元素濃度の高い状態となる。また、半導体素子上の電極表面のアルミニウムはボンディングワイヤの銅よりも低電位であり、さらにボンディングワイヤの銅は外部電極表面の金やパラジウムといった金属よりも電気的に低電位であるため、パッケージ内部の腐食性元素濃度の高い水分中ではアルミニウム電極と貴金属電極を銅線で接続する電池構造となり、アルミニウムのイオン化傾向よりも低い銅が腐食性元素濃度の高い水分にさらされることとなり、銅線側に存在する酸化性水分によって銅線は電子を放出してイオン化しようとするが、銅の電位の低下を補うべくアルミニウムがイオン化して銅線側へ電子を供給するという反応も発生するため、ボンディングワイヤが金である場合に比べてアルミニウムの腐食が早まることが原因であると考えられる。
【０００９】
パッケージ内へ浸入する水分については、ワイヤボンディング後の封止直前にプラズマ洗浄を施して、基板や半導体素子やボンディングワイヤ等の表面に付着する有機および無機の物質を物理的に除去して腐食性元素を減らし、かつ表面を粗くすることによって封止樹脂との密着性を高め、水分の浸入を防ぐ方法を取っているが、水分の浸入を完全に防止することは難しい。また、市販の銅ボンディングワイヤ中には硫黄や塩素といった腐食性元素が４質量ｐｐｍから１４質量ｐｐｍほど含まれているため、こうした腐食性元素を低減した高純度の銅ボンディングワイヤを採用した場合には、電気的オープンとなるまでの時間は多少改善されるものの、電極アルミニウムと銅ボンディングワイヤとの接合界面が電気的にオープンとなる不良の発生を完全には防止することは困難である。
【００１０】
本発明は、このような現状に鑑みなされたもので、半導体パッケージ内部の半導体素子上電極と半導体パッケージ外部電極とを銅ボンディングワイヤで電気的に接続し、少なくとも半導体素子および銅ボンディングワイヤ全体を樹脂封止してなる半導体パッケージにおいて、高湿環境での信頼性評価において半導体素子上電極の腐食を抑制し、電気的接合を長期間にわたり維持させることが可能な半導体パッケージを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る半導体パッケージは、半導体素子上電極と半導体パッケージ外部電極とを銅ボンディングワイヤで電気的に接続し、少なくとも半導体素子および銅ボンディングワイヤ全体を樹脂封止してなる半導体パッケージにおいて、銅ボンディングワイヤ中の塩素および硫黄の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であり、かつ半導体パッケージ外部電極のうち前記銅ボンディングワイヤと接続される電極の表面、および半導体素子上電極のうち前記銅ボンディングワイヤと接続される電極の表面が銅と同等または銅よりも電位が高い金属もしくは合金で形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明は、半導体パッケージ外部電極のうち銅ボンディングワイヤと接続される電極表面が金またはパラジウムを主とする金属もしくは合金であり、かつ半導体素子上電極のうち銅ボンディングワイヤと接続される電極表面が金またはパラジウムを主とする金属または合金で形成されていることを好ましい態様とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体パッケージは、半導体素子上の電極が銅もしくは銅よりも電位が高い金属を用いているため、銅ボンディングワイヤと接合しても、ボンディングワイヤよりも低い電位とならないため、パッケージ内に水分が浸入した場合にも電極が優先的に腐食されることが防止される。また、ボンディングワイヤとして不純物の硫黄および塩素の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下である銅を使用しているので、ボンディングワイヤが腐食されても銅ボンディングワイヤから発生する腐食性元素であるＳやＣｌが少ないため、パッケージ内の水分にとけ込む腐食性元素濃度が抑制され、銅ボンディングワイヤの腐食が進みにくくなり高信頼性が維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明に係る半導体パッケージの一実施例を示す概略断面図であり、１はプラスチック基板、２は半導体素子、３はダイボンディング材、４は半導体パッケージ外部電極、５は半導体素子上電極、６は銅ボンディングワイヤ、７は封止樹脂である。
【００１４】
すなわち、本発明に係る半導体パッケージは、プラスチック基板１上に半導体素子２をダイボンディング材３にて接着し、プラスチック基板１上の半導体パッケージ外部電極４と半導体素子電極５を銅ボンディングワイヤ６で接続し、封止樹脂７で封止してなる半導体パッケージにおいて、プラスチック基板１上の半導体パッケージ外部電極４および半導体素子電極５が金またはパラジウムで形成され、かつ銅ボンディングワイヤ６として不純物の硫黄および塩素の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下の銅を使用して構成したものである。ここで、銅ボンディングワイヤ６の不純物の硫黄および塩素の含有量をそれぞれ１質量ｐｐｍ以下と規定したのは、銅ボンディングワイヤ中の硫黄量や塩素量が１ｐｐｍを超えると、湿度の高い環境に暴露された場合に銅ボンディングワイヤの表面が腐食し、硫黄や塩素が遊離することでその腐食が加速されるためである。
【００１５】
この半導体パッケージの製造方法としては、例えば、半導体素子２上の電極５に金やパラジウムといった銅よりも電位が高い金属をスパッタ蒸着やメッキにて形成し、銅ボンディングワイヤ６として不純物の硫黄および塩素がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下となる高純度銅線を用い、プラスチック基板１としては金配線の基板を使用し、通常のＰＢＧＡ組み立て工程で製造することができる。なお、装置上新たに必要となるのは、銅ボンディングワイヤ６先端に溶融ボールを形成する際に、ボールおよびボール上部の熱影響部の酸化を防止するためにワイヤ先端に還元雰囲気を形成させるフォーミングガスノズルのみである。
【００１６】
具体的には、プラスチック基板１上へ半導体素子２をダイボンディング材３で接着するダイボンディング工程と、キャピラリ先端部へフォーミングガスノズルから９５％窒素と５％水素のフォーミングガスを放出してできる還元雰囲気中で硫黄および塩素がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下である高純度銅線の先端へボール形成した後に半導体素子２上の金電極またはパラジウム電極とプラスチック基板１上の金電極とを結線するワイヤボンディング工程と、材料の表面に付着する不純物の除去と表面性状を整えるプラズマ洗浄工程と、半導体素子２および銅ボンディングワイヤ６を保護するための樹脂で封止する樹脂封止工程と、封止した樹脂を焼き固める焼成工程により製造する。
【００１７】
半導体素子２あるいはプラスチック基板１上の電極金属は最表面が金あるいはパラジウムといった高電位の金属で構成されていれば、その下に銅配線やアルミニウム面が施されていてもそれらが銅よりも電位が高い金属で十分に覆われていれば本発明の材料として使用することができる。
【００１８】
上記方法によれば、半導体素子２上の電極の表面材料と銅ボンディングワイヤ６の材料を変更するだけで、既存の工程でアルミニウム電極と金ボンディングワイヤを用いた半導体パッケージと全く同じ機能の半導体パッケージを得ることができる。
［実施例］
【００１９】
本発明の実施例を表１に示す。なお、表１には、本発明の範囲を外れた半導体パッケージを比較例として示す。
本発明の実施例１〜７のうち、実施例１は半導体素子上電極とパッケージ外部電極を金で構成した半導体パッケージ、同実施例２〜７は半導体素子上電極の表面をパラジウムで構成し、パッケージ外部電極を金で構成した半導体パッケージをそれぞれ示す。ここで、実施例１〜７は、銅ボンディングワイヤ中の硫黄および塩素の含有量をそれぞれ１質量ｐｐｍ未満とし、実施例３〜７は銅ボンディングワイヤに要求される種々の特性に応じてそれぞれＣａ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｅ、Ｙを表１に記載した含有割合で添加した。
表１のデータより明らかなごとく、本発明の実施例１〜７はいずれも温度１２０℃、湿度１００％ＲＨ、気圧２．２×１０５ＰａにおけるＰＣＴで１６８時間経過後も、導通がオープンとなる不具合は発生しなかった。
一方、比較例８〜１１のうち、比較例８は半導体素子上電極にアルミニウムを用いたために、銅ボンディングワイヤが硫黄および塩素をそれぞれ１質量ｐｐｍ以上含まないにもかかわらず、実施例１〜７と同じ条件のＰＣＴにて１６８時間の耐久性は得られなかった。比較例９は半導体素子上電極にアルミニウムを用いた上に、銅ボンディングワイヤが硫黄および塩素をそれぞれ１質量ｐｐｍ以上含有していたため、実施例１〜７と同じ条件のＰＣＴにて７２時間の耐久性さえ得られなかった。比較例１０は半導体素子上電極とパッケージ外部電極を金で構成したが、銅ボンディングワイヤが硫黄および塩素をそれぞれ１質量ｐｐｍ以上含んでいたため、実施例１〜７と同じ条件のＰＣＴにて１６８時間の耐久性は得られなかった。比較例１１においては半導体素子上電極をパラジウムで構成し、パッケージ外部電極を金で構成したが、銅ボンディングワイヤが硫黄および塩素をそれぞれ１質量ｐｐｍ以上含んでいたため、実施例と同じ条件のＰＣＴにて１６８時間の耐久性は得られなかった。
【００２０】
【表１】
2009059962.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の半導体パッケージは、半導体素子上の電極が銅もしくは銅よりも電位が高い金属を用いているため、銅ボンディングワイヤと接合しても、ボンディングワイヤよりも低い電位とならないため、パッケージ内に水分が浸入した場合にも電極が優先的に腐食されることが防止される。また、ボンディングワイヤとして不純物の硫黄および塩素がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下である銅を使用しているので、ボンディングワイヤが腐食されても銅ボンディングワイヤから発生する腐食性元素であるＳとＣｌが少ないため、パッケージ内の水分にとけ込む腐食性元素濃度が抑制され、銅ボンディングワイヤの腐食が進みにくくなり高信頼性が維持される。したがって、本発明の半導体パッケージの産業上の利用価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る半導体パッケージの一実施例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  プラスチック基板
２  半導体素子
３  ダイボンディング材
４  半導体パッケージ外部電極
５  半導体素子上電極
６  銅ボンディングワイヤ
７  封止樹脂
【図１】
2009059962.tif 000004