JP4258776B2 - ボンディングワイヤおよびボンディング接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、ボンディングワイヤ、および半導体基板上に配された金属膜とボンディングワイヤとの間のボンディング接続構造に関する。

この種のボンディングワイヤおよびボンディング接続構造は、半導体基板を電気的にコンタクト接続するための、半導体の構成材として、しばしば用いられる。例えばパワー半導体の構成材の、負荷または制御端子にコンタクト接続される領域では、通常、半導体基板は、一般にアルミニウムまたはアルミ合金から形成される金属膜を有する。半導体基板のコンタクト接続は、この場合、金属膜とボンディングワイヤとの間に形成されるボンディング接続構造によって実現される。

この種の半導体構成材の作動時に通常生じるように、この接続位置が加熱されると、半導体基板の縦方向の熱膨張係数と、ボンディングワイヤの縦方向の熱膨張係数との間の差が非常に大きいため、このボンディング接続には、高い機械的熱応力がかかる。この機械的熱応力が金属膜内で十分引き下げられないと、金属膜は通常非常に薄いので、とりわけ、頻繁に温度が変動したり、温度の差が大きい状況下で作動回数が増えると、ボンディング接続構造の領域で、層割れが生じ、半導体構成材が壊れてしまう。

これゆえに、本発明の目的は、温度が頻繁におよび／または強く変動する際に、従来のボンディング接続構造に比べて高い信頼性を有する、ボンディングワイヤと半導体基板との間のボンディング接続構造を形成するボンディングワイヤ、および、この種のボンディング接続構造を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載のボンディングワイヤにより、および請求項１４に記載のボンディング接続構造により達成される。本発明の有用な実施形態およびより良い形態は、本発明の従属請求項の主題である。

本発明のボンディングワイヤは、母体材料と、母体材料中に混合された充填材とを含む、充填材の熱膨張係数は、母体材料の熱膨張係数より低い。さらに、充填材の含有量が、少なくとも２５重量％である。

母体材料よりも低い熱膨張係数を有する充填材を混合することにより、本発明のボンディングワイヤの熱膨張係数も、母体材料の熱膨張係数より小さくなる。充填材の含有量が多いほど、ボンディングワイヤの熱膨張係数は低くなる。

従来のボンディングワイヤを用いる代わりに、本発明のボンディングワイヤを用いて、ボンディングワイヤと半導体基板の金属膜との間のボンディング接続構造を形成すれば、冒頭で述べたような、温度変化が原因となってボンディング接続領域で生じる機械的熱応力を著しく軽減することができる。

従来例でも、シリコンアルミニウム（ＡｌＳｉ）からなるボンディングワイヤを開示した例は存在するが、これらのワイヤでは、充填材の含有量が、シリコン１重量％（ＡｌＳｉ１）のみである。このようなシリコンの混合により、ボンディングワイヤの引張特性および作動特性の改善を図ることは可能である。しかし、シリコンを１％混合しただけでは、ボンディングワイヤの熱膨張係数は、著しく低減することはない。さらに、従来のＡｌＳｉｌボンディングワイヤは、１２５μｍ未満の直径を有する薄いボンディングワイヤにのみ用いられる。これに反して、以下に詳細に説明する本発明のボンディングワイヤでは、１２５μｍ以上の直径を有する太いワイヤボンディングにも用いることができる。

例えば、アルミニウムで形成された従来のボンディングワイヤでは、２０℃での線熱膨張係数は、約２３ｐｐｍ／Ｋ（１ｐｐｍ＝１０^−６）である。これに対して、母体材料がアルミニウムで、２５重量％のシリコン粉末が充填材として混合された、本発明のボンディングワイヤの線熱膨張係数は、約１８ｐｐｍ／Ｋである。

ボンディングワイヤと、例えばシリコン半導体基板である基板との間のボンディング接続構造が、第１温度Ｔ１で形成され、その後、そのボンディング接続構造が第２温度Ｔ２下に置かれた際、基板とボンディングワイヤとの間に、機械的熱応力が生じるが、この機械的熱応力の強さは、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差のみならず、特に、ボンディングワイヤと基板との間の熱膨張係数の差にも依存する。ボンディングワイヤと基板との間の熱膨張係数の差が小さいほど、機械的熱応力も小さくなる。
前記母体材料は、アルミニウム、銅、または、前記アルミニウムと前記銅とのうちの少なくとも１つを含む合金である。

本発明は、以下に、図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、母体材料中に、充填材が均一に分布している、本発明のボンディングワイヤの一部分を示す断面図である。

図２は、本発明のボンディング接続構造を示す断面図である。

図３は、本発明のボンディングワイヤの、線熱膨張係数と、アルミニウムボンディングワイヤ中のシリコン充填材の含有量との関係を示す図である。

図４は、図３中に示したと同様の線熱膨張係数の関係を示す図であるが、この図の場合、充填材はシリコンではなく、炭化シリコンである。

図５は、筒で覆われた中核部分を有し、この中核部分の熱膨張係数は、筒状部分の熱膨張係数よりも低い、本発明のボンディングワイヤの一部分を、一部を切り取った形で示した図である。

図６は、筒で覆われた中核部分を有し、筒状部分は２つの筒状層を有する、本発明のボンディングワイヤの一部分を示す図である。

図７は、糸状体を有し、糸状体の充填材の含有量は、糸状体に隣接するボンディングワイヤ領域中の充填材の含有量よりも大きい、本発明のボンディングワイヤの一部分を、一部切り取った形で示す図である。

図中、同じ参照符号は、同じ意味を有する部分を指す。

図１は、本発明のボンディングワイヤ１の一部分を示す断面図である。ボンディングワイヤ１は、例えば、アルミニウムなどの母体材料２と、充填材３とから形成される。母体材料２として、アルミニウムの他に、原則的に、例えば、銅などの別の材料を用いることも可能である。しかし、アルミニウムまたはアルミ合金は、半導体と相性がよく、熱特性、電気特性、および、機械特性が良いので、母体材料２として、特に適している。

充填材３は、ボンディングワイヤ１の製造時に、粉末として母体材料２に加えられるのが、好ましい。しかし、例えば、母体材料２に、分散硬化などの硬化により、充填材３を加えても良い。この種の硬化は、加えられる充填材３の粒度に依存、すなわち、粒径ｄ２に依存するので、好ましくない硬化をできる限り回避するために、または、少なくとも不可避のレベルまで低減するために、充填材３の粒度、および／または、粒度の分布または粒度平均を、選択することが好ましい。充填材３の好ましい粒度平均は、ボンディングワイヤの直径の１０％未満であり、好ましくは、２０μｍ未満であり、特に好ましくは、５μｍ未満である。ボンディングワイヤの等方性特性を得るためには、充填材が、母体材料中に均一に分布していることが有用である。

本発明のボンディングワイヤ１の直径ｄ１は、少なくとも５０μｍであることが好ましい。ボンディングワイヤの直径ｄ１は、従来のボンディング方法のように、５０μｍと１２５μｍとの間で選択されてもよいし、これに代えて、この種のボンディングワイヤを、より太いワイヤボンディング用に用い、すなわち、ボンディングワイヤの直径ｄ１を、少なくとも１２５μｍ、好ましくは、１２５μｍと５００μｍとの間、特に好ましくは、２００μｍと５００μｍとの間にしても良い。しかし、原則的には、この種のボンディングワイヤは、より薄いワイヤボンディング用にも使用することができ、この場合、ボンディングワイヤの直径ｄ１は、５０μｍ未満、好ましくは、１７μｍと５０μｍとの間である。

充填材３を加えて、母体材料２の熱膨張係数を減少させる効果を得るためには、充填材３の熱膨張係数が、母体材料２の熱膨張係数より低いことが必要である。このために、適切な充填材３は、好ましくはセラミック材料であり、例えば、炭化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、またはこれらの物質の少なくとも２つの物質の混合物である。しかし、用いられる充填材３の少なくとも一部は、シリコン、および／または、炭素であってもよい。

充填材３の材料の選択と量とに関する、これ以外の基準は、特に、大電流がボンディングワイヤ１を通る場合、充填材の混合により、ボンディングワイヤの導電性が過度に減少しないことである。しかし、実際は、この点の重要性は副次的である。これは、導電性の減少は、一般に、対応して太いボンディングワイヤを用いることにより、補うことができるからである。

図２は、本発明のボンディングワイヤと、基板１０との間における、本発明のボンディング接続構造を示す。基板１０は、半導体基板、例えば、特にシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、または、その他の所望の半導体材料より形成されたパワー半導体構成材（例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなど）の半導体チップであっても良い。ボンディング接続構造は、基板１０、または、基板１０の定められた一部分を、ボンディングワイヤ１を用いて、別の部材、例えば、半導体構成材の端子ピンに電気的に接続するために、ボンディングワイヤ１と基板１０との間で形成されるボンディング接続構造体である。

この種のボンディング接続部を実現するために、基板１０は、金属膜１１を有することが好ましい。この金属膜は、例えば、ボンディングワイヤ１が直接接続される、パワー半導体チップの金属膜として、または、ボンディングパッドとして形成されても良い。この種の金属膜１１の厚さｄ３は、２μｍと５０μｍとの間であることが好ましく、５μｍ未満であることが好ましく、したがって、温度変化により引き起こされる、基板１０とボンディングワイヤ１との間の機械的熱応力は、金属膜１１内では、十分低減できない。本発明のボンディングワイヤ１、すなわち、充填材３の含有量が、少なくとも２５重量％で熱膨張係数が低減したボンディングワイヤ１を用いれば、温度変化により引き起こされた機械的熱応力の強さも小さくなり、この種のボンディング接続構造の長期的安定性を、多いに高めることができる。

図３は、ボンディングワイヤの重量をベースとした、アルミニウムに混合されたシリコン粉末の重量ベースの含有量の関数として、母体材料２がアルミニウムから形成されたボンディングワイヤ１の線熱膨張係数（ＣＴＥ）の代表的な形を示す。純粋なアルミニウム、すなわちシリコンの重量ベースの含有量が０％である場合、線熱膨張係数は、２３ｐｐｍ／Ｋである。シリコン含有量が増加するにつれ、線熱膨張係数は、低下し、シリコン含有量が１００％になるとき、すなわち、アルミニウムなしの純粋なシリコンの場合、参照資料に記載されているシリコンの線熱膨張係数である２．９ｐｐｍ／Ｋになる。この結果、純粋なアルミニウムから純粋なシリコンまでの、縦方向の熱膨張係数の割合は、約７．９：１である。

参照資料に応じて前記の値は少し変化があるが、純粋なアルミニウムの線熱膨張係数値は、約２３ｐｐｍ／Ｋと２５ｐｐｍ／Ｋとの間であり、純粋なシリコンの線熱膨張係数値は、約２．５ｐｐｍ／Ｋと３ｐｐｍ／Ｋとの間であり、純粋なアルミニウムから純粋なシリコンまでの縦方向の熱膨張係数の割合は、７．７：１〜１０：１である。すなわち、アルミニウムの線熱膨張係数とシリコンの線熱膨張係数とは、非常に差がある。

上述の本発明の実施形態にしたがって、少なくとも２５重量％の含有量のシリコンを含んだアルミニウムから形成された、本発明のボンディングワイヤ１の線熱膨張係数は、図３からわかるように、１８ｐｐｍ／Ｋ未満である。

上述の値に基づいて、基板１０とボンディングワイヤ１との間のボンディング接続構造を、第１の温度Ｔ１において形成し、第２の温度Ｔ２に移行する場合を考慮すると、Ｔ１とＴ２との温度の差に応じ、特に、基板１０の線熱膨張係数と、ボンディングワイヤ１の線熱膨張係数との間の差に応じた、大きさの機械的熱応力が、基板１０と、ボンディングワイヤ１との間に生じる。

半導体基板１０が、例えばシリコン結晶の形態を有し、したがって、線熱膨張係数が、約２．９ｐｐｍ／Ｋである場合、この線熱膨張係数と、従来の純粋なアルミニウムから形成されたボンディングワイヤの線熱膨張係数との差は、約２０．１ｐｐｍ／Ｋ（＝２３ｐｐｍ／Ｋ−２．９ｐｐｍ／Ｋ）である。

他の条件は同一にして、従来のボンディングワイヤを、本発明のボンディングワイヤ１（母体材料２がアルミニウムで、シリコン粉末の充填材の含有量が２５重量％であり、線熱膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋである）にした場合のボンディング接続部を考慮すると、基板１０の線熱膨張係数と、ボンディングワイヤ１の線熱膨張係数との差は、約１５．１ｐｐｍ／Ｋ（＝１８ｐｐｍ／Ｋ−２．９ｐｐｍ／Ｋ）であり、これは、従来の接続と比較して、約２５％の改善が可能になる。

図３同様、図４も、本発明のボンディングワイヤ１の線熱膨張係数を、母体材料２中に均等に分布された充填材３の重量ベース含有量の関数として示す。しかし、図３の場合と比べると、他の条件は同一であるが、充填材は、図３の場合のＡｌＳｉ合金ではなく、炭化シリコン粉末からなる。重量ベースの含有量が０％、２５％、および、１００％である炭化シリコンの粉末では、ボンディングワイヤの膨張係数は、それぞれ、約２３ｐｐｍ／Ｋ、１７ｐｐｍ／Ｋ、および４．２ｐｐｍ／Ｋである。

含有量が２５重量％である炭化シリコン粉末を有するアルミニウムボンディングワイヤの線熱膨張係数と、シリコン基板の線熱膨張係数との差を計算すると、１４．１ｐｐｍ／Ｋ（＝１７ｐｐｍ／Ｋ−２．９ｐｐｍ／Ｋ）であり、純粋なアルミニウムのボンディングワイヤの場合での差２１．１ｐｐｍ／Ｋと比べると、この差は約３３％低減される。

充填材を、ボンディングワイヤ全体に均一に分布する代わりに、本発明のボンディングワイヤは、中核部分を有し、この中核部分が、好ましくは中核部分と同軸である１つまたは複数の筒状層に取り囲まれても良い。この場合、少なくとも、中核部分と、選択事項であるが、少なくとも１つの筒状層とが、好ましくは粉末状の充填材が含まれた、母体材料から形成され、この充填材は、好ましくは、中核部分中に均一に分布し、筒状層が充填材を含む場合、各筒状層内に分布している。この場合、中核部分の充填材の含有量は、中核部分に隣接するボンディングワイヤの領域中の充填材の含有量よりも多い。

上述の母体材料と充填材とは、少なくとも中核部分用、および、選択的に、少なくとも１つの筒状層用の、母体材料と充填材として用いられる。充填材が粉末状である場合、好ましい粒度は、ボンディングワイヤの直径ｄ１の１０％未満である。この場合、中核部分の充填材の含有量は、少なくとも２５重量％、かつ、好ましくは、５０重量％と８０重量％との間である。

このタイプのボンディングワイヤで、中核部分４と、１つの筒状層５とを有するボンディングワイヤを、図５に示す。直径ｄ４の中核部分４は、例えば、アルミニウム、アルミ合金、または銅からなる母体材料と、例えば、シリコン、炭素を含む粉末、または、セラミック粉末（例えば、炭化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムを含有するもの）の充填材とを有する。筒状層５用の材料は、中核部分４の母体材料、すなわち、アルミニウム、または、アルミ合金であることが好ましい。上述の充填材の材料のうちの１つまたは複数を含む充填材を、筒状層５にも選択的に加えてもよいが、この場合、筒状層５の充填材の含有量を低く、好ましくは、少なくとも２５重量％未満にすることが、ボンディング接続構造の作成のためには有用である。

この代表的な実施形態でも、ボンディングワイヤ全体に対する、充填材の全含有量は、少なくとも、２５重量％である。

したがって、中核部分４と少なくとも２つの筒状層とを有するボンディングワイヤ１の作成は、筒状層の充填材の含有量が、それより外側に位置する各筒状層の充填材の含有量よりも大きくなるようにすることが好ましい。この場合、筒状層の最も外側の層は、充填材を含まない、または、非常の少量の充填材を含む、すなわち、好ましくは５重量％未満であることが有用である。中核部分４の直径ｄ４は、ボンディングワイヤの直径ｄ１の７０％と９５％との間であることが好ましい。

本発明の別の好適な実施形態では、本発明のボンディングワイヤは、中核部分の代わりに、混合母体中に埋め込まれる２つまたはそれ以上の糸状体を有しても良い。中核部分と糸状体とは、基本的には同一で、内部構造としては相違がない。ボンディングワイヤ中の糸状体に対して、「中核部分」という表現を用いるのは、これがボンディングワイヤのただ１つの糸状体である時である。

図６は、本発明のボンディングワイヤの部分を示す。このボンディングワイヤは、筒に囲まれた中核部分４と、２つの筒状層５１・５２から形成された筒とを有する。中核部分４は、内側筒状層５１と、外側筒状層５２とによって取り囲まれている。内側筒状層５１と、外側筒状層５２との間に、さらに別の１つまたは複数の筒状層が設けられてもよい。

中核部分４、内側筒状層５１、および外側筒状層５２はそれぞれ、さらに、別の筒状層も、上述した母体材料からなる母体材料、特に、アルミニウム、またはアルミ合金を含み、これに付け加えて、充填材が混合されていても良い。中核部分４、内側筒状層、外側筒状層、およびこれ以外の筒状層は、主に、熱膨張係数のみが異なり、これゆえに、各々の中核部分と筒状層とに使用される、母体および充填材の材料が同じ場合、充填材の含有量のみが異なる。この場合、熱膨張係数は、内側筒状層５１から、その他の筒状層、外側の筒状層５２に向かうに従って、層毎に次第に小さくなる。特に、外側筒状層５２の充填材の含有量は、０でもよい。中核部分４の充填材の含有量は、内側筒状層５１の充填材の含有量よりも高いことが好ましい。

図７は、このような糸状体７を、異なる２種類の直径ｄ５の糸状体を含むように７つ、混合母体材料６中に埋め込んだボンディングワイヤ１の一部分を示す。これらの糸状体７の構造および材料については、図５の中核部分４に対応するように、母体材料と比べると熱膨張係数が小さい充填材が、母体材料に加えられて設けられる。

糸状体がボンディングワイヤの中核部分を形成しない場合には、糸状体７の直径ｄ５は、好ましくは、ボンディングワイヤ１の直径ｄ１の５％と２０％との間にすることが好ましい。

本発明のボンディング接続構造は、周知の超音波接合により作られることが好ましい。

母体材料中に、充填材が均一に分布している、本発明のボンディングワイヤの一部分を示す断面図である。 本発明のボンディング接続構造を示す断面図である。 本発明のボンディングワイヤの、線熱膨張係数と、アルミニウムボンディングワイヤ中のシリコン充填材の含有量との関係を示す図である。 図３中に示したと同様の線熱膨張係数の関係を示す図であるが、この図の場合、充填材はシリコンではなく、炭化シリコンである。 筒で覆われた中核部分を有し、この中核部分の熱膨張係数は、筒状部分の熱膨張係数よりも低い、本発明のボンディングワイヤの一部分を、一部を切り取った形で示した図である。 筒で覆われた中核部分を有し、筒状部分は２つの筒状層を有する、本発明のボンディングワイヤの１部分を示す図である。 糸状体を有し、糸状体の充填材の含有量は、糸状体に隣接するボンディングワイヤ領域中の充填材の含有量よりも大きい、本発明のボンディングワイヤの一部分を、一部切り取った形で示す図である。

符号の説明

１ ボンディングワイヤ
２ 母体材料
３ 充填材
４ 中核部分
５ 筒状部分
６ 混合母体
５１ 内側筒状層
５２ 外側筒状層
７、７１ 糸状体
１０ 基板
１１ 金属膜
ｄ１ ボンディングワイヤの直径
ｄ２ 充填材の粒度
ｄ３ 金属膜の厚さ
ｄ４ 中核部分の太さ
ｄ５ 糸状体の太さ

Claims (17)

1. 母体材料（２）と、前記母体材料中に混合された充填材（３）とを含み、前記充填材（３）の熱膨張係数が、前記母体材料（２）の熱膨張係数より低く、前記充填材（３）の含有量が、少なくとも２５重量％であるボンディングワイヤ。
2. 前記母体材料（２）は、アルミニウム、銅、または、前記アルミニウムと前記銅とのうちの少なくとも１つを含む合金である請求項１に記載のボンディングワイヤ。
3. 前記充填材（３）は、セラミック材料であるか、またはセラミック材料を含む請求項１または２に記載のボンディングワイヤ。
4. 前記セラミック材料は、炭化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または前記炭化シリコンと前記窒化アルミニウムと前記酸化アルミニウムとのうちの少なくとも２つの物質の混合物を含む請求項３に記載のボンディングワイヤ。
5. 前記充填材（３）は、シリコン、および／または、炭素から形成され、または、前記シリコンと前記炭素との少なくとも１つを含む請求項１ないし４のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
6. 前記充填材の含有量は、５０重量％と８０重量％との間である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
7. 線熱膨張係数は、最大１８ｐｐｍ／Ｋである請求項１ないし６のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
8. 前記充填材（３）の平均粒度（ｄ２）は、前記ボンディングワイヤ（１）の直径（ｄ１）の１０％未満である請求項１ないし７のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
9. 中核部分をなす１つの糸状体（４）を有し、前記中核部分をなす１つの糸状体（４）中の充填材の含有量が、前記中核部分をなす１つの糸状体（４）に隣接する前記ボンディングワイヤ（１）の領域中の充填材の含有量よりも大きい請求項１ないし８のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
10. 前記中核部分をなす１つの糸状体（４）の直径（ｄ４）は、前記ボンディングワイヤ（１）の直径（ｄ１）の７０％〜９５％の範囲内である請求項９に記載のボンディングワイヤ。
11. ２つ以上の糸状体（７）を有し、前記２つ以上の糸状体（７）の直径（ｄ５）が、前記ボンディングワイヤ（１）の直径（ｄ１）の５％〜２０％の範囲内であって、前記２つ以上の糸状体（７）の中に２種類の直径（ｄ５）の糸状体が含まれており、前記２つ以上の糸状体（７）の充填材の含有量が、前記２つ以上の糸状体（７）に隣接する領域中の充填材の含有量よりも多い請求項１ないし８のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
12. 少なくとも５０μｍの直径（ｄ１）を有する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ。
13. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のボンディングワイヤ（１）と、基板（１０）とを備えたボンディング接続構造。
14. 前記基板（１０）は、実質的に、シリコン、ゲルマニウム、またはガリウムヒ素から形成されている請求項１３に記載のボンディング接続構造。
15. 前記基板（１０）の金属膜（１１）と、前記ボンディングワイヤ（１）との間に直接形成されている請求項１３または１４に記載のボンディング接続構造。
16. 前記金属膜（１１）が、２〜５０μｍの厚さ（ｄ３）を有する請求項１５に記載のボンディング接続構造。
17. 超音波接合により作られる請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載のボンディング接続構造。

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