JP7146719B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関する。
半導体素子に設けられた第１電極と、リードフレームやプリント基板等の回路配線基板に設けられた第２電極とを接続する方法としてボールボンディング法が知られている。
この方法は、まず、放電加熱等によりボンディングワイヤＷの先端にフリーエアボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）を形成する。そして、形成したＦＡＢを荷重や超音波発振を加えつつ一方の電極（例えば、半導体素子１に設けられた第１電極１０）に圧着する1次接合を行う。1次接合により電極１０に１次接合部１２が形成される（図１参照）。
その後、他方の電極（例えば、基板２に設けられた第２電極１１）にボンディングワイヤＷの外周面を荷重や超音波発振を加えつつ圧着する2次接合を行う。2次接合により、第２電極１１に２次接合部１４が形成される。これにより、第１電極１０と第２電極１１とをボンディングワイヤＷによって接続する。
そして、ボンディングワイヤＷによって第１電極１０と第２電極１１とを接続した後、ボンディングワイヤＷで接続された電極１０，１１とともに半導体素子１を樹脂３で封止して、図１に示すような半導体装置Ｐを得る。
ところで、ボールボンディング法に用いられるボンディングワイヤは非常に細い。そのため、導電性が良く、加工性に優れた金属材料が用いられている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金（Ａｕ）製の金ボンディングワイヤが用いられている。しかし、金ボンディングワイヤは重量の９９％以上が金であるため非常に高価である。そこで、金に比べて安価な銅（Ｃｕ）製の銅ボンディングワイヤが提案されている。
下記特許文献１及び２には、接合強度を高めたり、ボールボンディングの際に半導体素子の損傷を抑えたりするため、高純度の銅からなる銅ボンディングワイヤを用いることが提案されている。
近年、半導体装置では、より過酷な熱環境における使用に対する要求が高い。これに伴い、周囲温度の変化に対する耐性（耐熱衝撃性）が求められている。しかし、上記特許文献１及び２のような銅ボンディングワイヤでは、耐熱衝撃性に対する要求を充分に満足できない場合がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐熱衝撃性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、周囲温度の変化によって銅ボンディングワイヤの２次接合部から破断しやすいことを見出した。そして、本発明者は、この破断が、2次接合時に荷重や超音波発振等の加工を受けた２次接合部と、加工を受けていない部分との結晶組織の差異に起因していることを見出した。
つまり、２次接合部は、2次接合時に大きな加工を受けることで繊維状の金属組織（加工組織）となって、粒径の大きい金属組織（再結晶組織）を有する加工を受けていない部分と金属組織が異なりやすい。
半導体装置では、周囲温度が変化すると、第２電極が設けられたリードフレームと封止樹脂との熱膨張率の差によってボンディングワイヤＷに負荷がかかる。この時、ボンディングワイヤＷにかかる負荷は、上記のような繊維状の加工組織と粒径の大きい再結晶組織との境界が存在する場合（言い換えれば、大きな加工を受けた２次接合部と、その近傍で加工を受けなかった部分との銅結晶の粒径の差が大きい場合）、この境界部分に集中してボンディングワイヤＷを破断する。本発明者は、２次接合部とその近傍における銅結晶の粒径の差を小さく抑えることで耐熱衝撃性を向上することを見出し、本発明を完成させた。
本発明に係る半導体装置は、第１電極を有する半導体素子と、第２電極を有する基
板と、前記第１電極と前記第２電極とを接続するボンディングワイヤとを備える半導体装置において、前記ボンディングワイヤは、純度が９９．９９９質量％以上の銅からなり、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方にフリーエアボールを圧着して形成された１次接合部と、他方に前記ボンディングワイヤの外周面を圧着して形成された２次接合部と、前記１次接合部と前記２次接合部との間に設けられたワイヤ本体部とを備え、前記ワイヤ本体部における銅結晶の平均粒径Ｒ１に対する前記２次接合部における銅結晶の平均粒径Ｒ２の比率（Ｒ２／Ｒ１）が０．８以上であるものである。
板と、前記第１電極と前記第２電極とを接続するボンディングワイヤとを備える半導体装置において、前記ボンディングワイヤは、純度が９９．９９９質量％以上の銅からなり、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方にフリーエアボールを圧着して形成された１次接合部と、他方に前記ボンディングワイヤの外周面を圧着して形成された２次接合部と、前記１次接合部と前記２次接合部との間に設けられたワイヤ本体部とを備え、前記ワイヤ本体部における銅結晶の平均粒径Ｒ１に対する前記２次接合部における銅結晶の平均粒径Ｒ２の比率（Ｒ２／Ｒ１）が０．８以上であるものである。
上記本発明の半導体装置において、前記ボンディングワイヤが、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０５質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．３０質量ｐｐｍ未満であることが好ましい。
本発明では、耐熱衝撃性に優れた半導体装置が得られる。
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置Pについて図面を参照して説明する。
（１）半導体装置Ｐ
図１に例示する本実施形態の半導体装置Ｐは、例えば、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡ（Ball Grid Array package）、ＱＦＮ（Quad Flat Nonlead package）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等のように、半導体素子１の第１電極１０と回路配線基板（リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等）２の第２電極１１とが、ボンディングワイヤＷを用いたボールボンディング法によって接続されたものである。なお、半導体装置Ｐは、望ましい形態として、ボンディングワイヤＷで接続された第１電極１０及び第２電極１１とともに半導体素子１が樹脂３で封止されている。
図１に例示する本実施形態の半導体装置Ｐは、例えば、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡ（Ball Grid Array package）、ＱＦＮ（Quad Flat Nonlead package）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等のように、半導体素子１の第１電極１０と回路配線基板（リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等）２の第２電極１１とが、ボンディングワイヤＷを用いたボールボンディング法によって接続されたものである。なお、半導体装置Ｐは、望ましい形態として、ボンディングワイヤＷで接続された第１電極１０及び第２電極１１とともに半導体素子１が樹脂３で封止されている。
ボンディングワイヤＷは、純度が９９．９９９質量％以上の銅からなる。ボンディングワイヤＷは、半導体素子１の第１電極１０と回路配線基板２の第２電極１１のいずれか一方の電極（例えば、第１電極１０）に形成された１次接合部１２と、他方の電極（例えば、第２電極１１）に形成された２次接合部１４と、１次接合部１２と２次接合部１４との間に設けられたワイヤ本体部１６とを備える。
１次接合部１２は、ボンディングワイヤＷの先端に形成されたＦＡＢを第１電極１０に圧着する1次接合によって形成される。２次接合部１４は、ボンディングワイヤＷの外周面を圧着する2次接合によって形成される。
より具体的には、キャピラリ２０（図２、図３参照）に挿通されたボンディングワイヤＷの先端に放電加熱等によりＦＡＢを形成する。そして、キャピラリ２０は、ＦＡＢを保持しつつ半導体素子１の第１電極１０に向けて移動し、第１電極１０にＦＡＢを接触させる。ＦＡＢが第１電極１０に接触するとキャピラリ２０は、熱や荷重や超音波発振をＦＡＢに付与して第１電極１０にＦＡＢを圧着する。これにより、第１電極１０に密着する１次接合部１２が形成される。
１次接合部１２が第１電極１０上に形成されると、キャピラリ２０は一定高さまで上昇して第１電極１０から離れた後、回路配線基板２の第２電極１１の上方位置へ移動する。このとき、必要に応じて特殊な動きをさせてワイヤＷに「くせ」付ける動作を行っても良い。
そして、第２電極１１の上方位置へ移動したキャピラリ２０は、第２電極１１に向かって降下し、ボンディングワイヤＷの外周面を第２電極１１に押し付ける（図２参照）。この時、キャピラリ２０は、熱や荷重や超音波発振をボンディングワイヤＷの外周面に付与して第２電極１１にボンディングワイヤＷの外周面を圧着する。
そして、２次接合部１４が第２電極１１に密着固定されると、図３に示すように、キャピラリ２０が上昇して、テール部と呼ばれる一定長さのワイヤＷをキャピラリ２０の下方に残しつつ、２次接合部１４の先端でボンディングワイヤＷを切断する。これにより、第２電極１１に密着する２次接合部１４が形成される（図４参照）。
２次接合部１４は、通常、図２に示すようにキャピラリ２０がボンディングワイヤＷを第２電極１１に押し付けた時に、キャピラリ２０の先端に形成された先端面２２と第２電極１１とで挟まれる部分である。
なお、キャピラリ２０の先端面２２とは、キャピラリ２０の先端に設けられたボンディングワイヤＷを挿通するホール２４と所定の曲率半径を有するアウターラディアス部２６との間に形成された平滑な面であり、2次接合時にボンディングワイヤＷに対して大きな加工を与える。
ワイヤ本体部１６は、ボンディングワイヤＷにおいて１次接合部１２と２次接合部１４との間に設けられた部分である。ワイヤ本体部１６は、２次接合部１４側の端部に設けられた低加工部１６ａと、低加工部１６ａと１次接合部１２との間に設けられたワイヤ部１６ｂとを備える。低加工部１６ａは、キャピラリ２０のアウターラディアス部２６と第２電極１１とで挟まれる部分及びアウターラディアス部２６の押圧により変形した部分であって、２次接合部１４に比べて低い加工を受けた部分である。ワイヤ部１６ｂは、キャピラリ２０によってボンディングワイヤＷの径方向に押しつぶされていない線状の部分である。
そして、２次接合部１４を形成し第１電極１０と第２電極１１とをボンディングワイヤＷによって接続した後、第１電極１０、第２電極１１及びボンディングワイヤＷを半導体素子１とともにエポキシ樹脂等の樹脂３によって封止して、図１に示すような半導体装置Ｐを得る。
なお、上記のような半導体装置Ｐの製造において、２次接合部１４を形成した後、２次接合部１４を高温雰囲気に曝し、２次接合部１４を加熱する再結晶工程を行っても良い。
得られた半導体装置Ｐでは、ワイヤ本体部１６における銅結晶の平均粒径Ｒ１と、２次接合部１４における銅結晶の平均粒径Ｒ２との比率ρ（＝Ｒ２／Ｒ１）が０．８以上になっている。ここで、本明細書における平均粒径は、図５（ａ）及び（ｂ）に例示するように、ボンディングワイヤＷの２次接合部１４近傍の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより測定される。詳細には、同顕微鏡の画像データ上の測定対象の範囲に任意の直交する２本の直線Ｘ及び直線Ｙを引く。そして、一方の直線Ｘの長さＬＸと、他方の直線Ｙの長さＬＹと、一方の直線Ｘ上にある結晶粒の個数ＮＸと、他方の直線Ｙ上にある結晶粒の個数ＮＹを測定する。そして、一方の直線Ｘの長さＬＸを結晶粒の個数ＮＸで除した値（ＬＸ／ＮＸ）と、他方の直線Ｙの長さＬＹを結晶粒の個数ＮＹで除した値（ＬＹ／ＮＹ）との平均値（（ＬＸ／ＮＸ＋ＬＹ／ＮＹ）／２）を平均粒径とする。
（２）ボンディングワイヤＷ
上記したボンディングワイヤＷは、純度９９．９９９質量％以上の銅からなり、不純物として種々の元素を含有してもよい。例えば、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム（Ｎａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）及びビスマス（Ｂｉ）等を不純物として含有してもよい。ただし、リン、硫黄、鉄及び銀は、耐熱衝撃性への影響が大きいため含有量が制御されている。
上記したボンディングワイヤＷは、純度９９．９９９質量％以上の銅からなり、不純物として種々の元素を含有してもよい。例えば、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ナトリウム（Ｎａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）及びビスマス（Ｂｉ）等を不純物として含有してもよい。ただし、リン、硫黄、鉄及び銀は、耐熱衝撃性への影響が大きいため含有量が制御されている。
具体的には、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計を０．０５質量ｐｐｍ未満に抑えることで、荷重や超音波発振等の加工を受けても繊維状の金属組織へ変化しにくくなる。リン、硫黄及び鉄の含有量の合計を０．０３質量ｐｐｍ未満に抑えることでその作用がより顕著となる。
また、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計を０．３ｐｐｍ未満に抑えることで、比較的低温（例えば、２００～３００℃）の温度雰囲気において、金属組織が再結晶したり粒成長したりしやすくなる。そのため、加工を受けて繊維状に変化した金属組織を比較的低温の加熱雰囲気に曝すことで銅結晶の粒径を大きくすることができる。リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計を０．２５ｐｐｍ未満に抑えることでその作用がより顕著となる。
よって、本実施形態のボンディングワイヤＷは、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０５質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．３０質量ｐｐｍ未満である、純度が９９．９９９質量％以上の銅からなることが好ましい。より好ましくは、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計を０．０３質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計を０．２５ｐｐｍ未満である。
なお、銅、リン、硫黄、鉄、銀やその他の物質の含有量は、グロー放電質量分析法（Glow Discharge Mass Spectrometry、ＧＤＭＳ）によって測定された含有量である。
（３）ボンディングワイヤＷの製造方法
次に、第１電極１０と第２電極１１の接続に用いるボンディングワイヤＷの製造方法の一例を説明する。
次に、第１電極１０と第２電極１１の接続に用いるボンディングワイヤＷの製造方法の一例を説明する。
まず、グロー放電質量分析法によるリン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０５質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．３０質量ｐｐｍ未満である、純度が９９．９９９質量％以上の高純度銅を作製する。
次いで、高純度銅をカーボンルツボ内に入れ、真空溶解連続鋳造炉において真空度１×１０－４Ｐａ以下で高周波溶解し、溶湯温度１１５０℃以上、保持時間１０分以上で十分に脱ガスする。その後、不活性ガスで大気圧に戻し、連続鋳造によって直径８ｍｍφの無酸素銅鋳造線材を鋳造する。得られた無酸素銅鋳造線材を所定の直径に達するまで縮径する。必要に応じて伸線加工の途中で軟化熱処理を行っても良い。
そして、所定の直径まで伸線加工を行った後、必要に応じてフォーミングガス（水素５％、窒素９５％含有するガス）雰囲気下で連続焼きなましを行い、ボンディングワイヤが得られる。
なお、最終的なボンディングワイヤＷの直径は用途に応じて種々の大きさとしてよい。例えば、ボンディングワイヤＷの直径は５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。
（４）効果
上記した本実施形態の半導体装置Ｐでは、ボンディングワイヤＷのワイヤ本体部１６における銅結晶の平均粒径Ｒ１に対する２次接合部１４における銅結晶の平均粒径Ｒ２の比率ρが０．８以上であり、大きな加工を受ける２次接合部１４と、加工を受けない部分及び低い加工を受けた部分からなるワイヤ本体部１６とで銅結晶の粒径の差が小さい。そのため、周囲温度の変化によってボンディングワイヤＷに負荷がかかっても、その負荷をワイヤの広い範囲に分散することができ破断を防ぐことができ、耐熱衝撃性を良好にすることができる。
上記した本実施形態の半導体装置Ｐでは、ボンディングワイヤＷのワイヤ本体部１６における銅結晶の平均粒径Ｒ１に対する２次接合部１４における銅結晶の平均粒径Ｒ２の比率ρが０．８以上であり、大きな加工を受ける２次接合部１４と、加工を受けない部分及び低い加工を受けた部分からなるワイヤ本体部１６とで銅結晶の粒径の差が小さい。そのため、周囲温度の変化によってボンディングワイヤＷに負荷がかかっても、その負荷をワイヤの広い範囲に分散することができ破断を防ぐことができ、耐熱衝撃性を良好にすることができる。
また、上記した本実施形態のボンディングワイヤＷでは、リン、硫黄及び鉄の含有量が上記のように制御されているため、ボールボンディング法の2次接合時に２次接合部１４が大きな加工を受けても金属組織が繊維状に変化しにくくなる。そのため、大きな加工を受ける２次接合部１４と、加工を受けない部分及び低い加工を受けた部分からなるワイヤ本体部１６との間で銅結晶の粒径の差を小さくすることができる。よって本実施形態のボンディングワイヤＷでは、周囲温度の変化によってボンディングワイヤＷに負荷がかかっても、その負荷をワイヤの広い範囲に分散することができ破断を防ぐことができる。
また、本実施形態のボンディングワイヤＷでは、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量が上記のように制御されているため、比較的低温の加熱雰囲気で銅結晶を再結晶させたり粒成長させることができる。そのため、2次接合終了後に半導体素子等に悪影響を及ぼすことのない比較的低温の熱処理によって２次接合部１４の金属組織を再結晶させたり粒成長させたりすることができる。これにより、２次接合部１４とワイヤ本体部１６との境界近傍における銅結晶の粒径の差が小さくなり、周囲温度の変化に起因してボンディングワイヤＷが負荷を受けても破断しにくくなる。
特に、ボンディングワイヤＷで接続された第１電極１０及び第２電極１１を樹脂３によって封止する場合、本実施形態のボンディングワイヤＷは、比較的低温の加熱雰囲気で金属組織を再結晶させたり粒成長させることができるため、封止時に２次接合部１４に加わる熱によって、２次接合部１４の銅結晶を再結晶させたり粒成長させたりすることができる。つまり、本実施形態のボンディングワイヤＷでは、樹脂３による半導体素子１の封止工程と２次接合部１４を加熱する再結晶工程とを一度に行うことができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
下記表１に示すようなリン、硫黄及び鉄の含有量の合計と、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が、下記表１に示すように制御された高純度（純度９９．９９９９質量％以上及び純度９９．９９質量％以上）の銅原料を用い、上記（３）と同様の方法により直径３０μｍのボンディングワイヤを成形した。その後、水素を５％含有し及び窒素を９５％含有するフォーミングガス雰囲気下で連続焼きなましを行い、実施例１～１２及び比較例１～１０のボンディングワイヤを得た。
得られた実施例１～１２及び比較例１～１０の各ボンディングワイヤを用いて、銀メッキされた銅合金リードフレームとシリコンチップのアルミニウム電極との間をワイヤボンディングした。なお、ワイヤボンディングは、ステージ温度を２００℃に設定したワイヤボンダー（Ｋ＆Ｓ社製、ＩＣｏｎｎ）を用いて行った。また、リードフレームは、ワイヤボンディングの前にアルゴン・窒素雰囲気下でプラズマ洗浄を行い、表面を清浄にした。
そして、ワイヤボンディングの後、エポキシ樹脂（住友ベークライト製半導体封止用エポキシ樹脂成形材料「スミコン（登録商標）ＥＭＥ」）を用い、モールドプレス金型温度１７５℃、注入圧力６．８MPa、注入時間２０ 秒の条件でシリコンチップ及びリードフレームを樹脂封止した。その後、モールド金型内で１２０ 秒キュアしたのち、さらに１７５℃ オーブン中で6 時間キュアして、実施例１～１２及び比較例１～１０の各ボンディングワイヤを用いた半導体装置を得た。
得られた半導体装置について、（ａ）熱サイクル試験、（ｂ）ワイヤ本体部における銅結晶の平均粒径と、２次接合部における銅結晶の平均粒径との比率ρを評価した。熱サイクル試験、銅結晶の平均粒径の比率ρの評価方法、は以下のとおりである。
（ａ）熱サイクル試験
樹脂封止を行った半導体装置を市販の熱サイクル試験装置を用いて評価した。温度履歴は－６０℃で３０分間保持した後、１５０℃まで昇温しこの温度で３０分間保持する。これを１サイクルとして、１サイクル終了毎にボンディングワイヤWの破断がないかどうか電気的測定を行い、破断した時のサイクル数を計測した。
（ａ）熱サイクル試験
樹脂封止を行った半導体装置を市販の熱サイクル試験装置を用いて評価した。温度履歴は－６０℃で３０分間保持した後、１５０℃まで昇温しこの温度で３０分間保持する。これを１サイクルとして、１サイクル終了毎にボンディングワイヤWの破断がないかどうか電気的測定を行い、破断した時のサイクル数を計測した。
評価方法は、上記熱処理を３０００サイクル行ってもボンディングワイヤWの破断が起こらなかった場合を「Ａ」、１０００サイクル以上３０００サイクル未満で破断が起こった場合を「Ｂ」、１０００サイクル未満で破断が起こった場合を「Ｄ」とした。
（ｂ）銅結晶の平均粒径の比率ρ
得られた半導体装置について、ボンディングワイヤを２次接合部近傍で長手方向（ワイヤが延びる方向）に沿って切断し、その切断面を走査型電子顕微鏡で観察した。
（ｂ）銅結晶の平均粒径の比率ρ
得られた半導体装置について、ボンディングワイヤを２次接合部近傍で長手方向（ワイヤが延びる方向）に沿って切断し、その切断面を走査型電子顕微鏡で観察した。
同顕微鏡の画像データ上のワイヤ本体部に任意の直交する２本の直線Ｘ１及び直線Ｙ１を引き、直線Ｘの長さＬＸ１と、直線Ｙ１の長さＬＹ１と、直線Ｘ１上にある結晶粒の個数ＮＸ１と、直線Ｙ１上にある結晶粒の個数ＮＹ１を測定し、これらの測定結果から平均値（（ＬＸ１／ＮＸ１＋ＬＹ１／ＮＹ１）／２）を算出し、この平均値をワイヤ本体部における銅結晶の平均粒径Ｒ１とした。
また、２次接合部についてもワイヤ本体部と同様、同顕微鏡の画像データ上の２次接合部に任意の直交する２本の直線Ｘ２及び直線Ｙ２を引き、直線Ｘ２の長さＬＸ２と、直線Ｙ２の長さＬＹ２と、直線Ｘ２上にある結晶粒の個数ＮＸ２と、直線Ｙ２上にある結晶粒の個数ＮＹ２を測定し、これらの測定結果から平均値（（ＬＸ２／ＮＸ２＋ＬＹ２／ＮＹ２）／２）を算出し、この平均値を２次接合部における銅結晶の平均粒径Ｒ２とした。
そして、平均粒径Ｒ２を平均粒径Ｒ１で除して比率ρを算出した。
そして、平均粒径Ｒ２を平均粒径Ｒ１で除して比率ρを算出した。
評価方法は、比率ρが０．９以上の場合を「Ａ」、０．９以上０．８未満の場合を「Ｂ」、０．８未満を「Ｄ」とした。
また、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例１では、キャピラリ２０によって大きな加工を受ける２次接合部１４の銅結晶の平均粒径Ｒ２が２次接合部１４の厚みの３０％以上となり、大きな銅結晶が２次接合部１４に存在することが観察された。なお、２次接合部の厚みとは、２次接合部全体の厚みの平均値である。他の実施例２～１２においても実施例１と同様、２次接合部１４の銅結晶が２次接合部１４の厚みの３０％以上となり、大きな銅結晶が２次接合部１４に存在することが観察された。
特に、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０３質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．２５質量ｐｐｍ未満である実施例１，３，４，７，１１及び１２のボンディングワイヤを用いた半導体装置では、熱サイクル試験が「Ａ」、銅結晶の平均粒径の比率ρが０．９以上となり、耐熱衝撃性により一層優れていることが分かった。
一方、比較例１～１０ではいずれも、熱サイクル試験が「Ｄ」、銅結晶の平均粒径の比率ρが０．８未満となり、実施例１～１２のボンディングワイヤに比べて耐熱衝撃性に劣っていた。
また、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、比較例１では、２次接合部１４の銅結晶の平均粒径Ｒ２が２次接合部１４の厚みの３０％未満となり、粒径の小さい繊維状の銅結晶が２次接合部１４に存在することが観察された。他の比較例２～１０においても比較例１と同様、２次接合部１４の銅結晶が２次接合部１４の厚みの３０％未満となり、粒径の小さい繊維状の銅結晶が２次接合部１４に存在することが観察された。
Ｐ…半導体装置、１…半導体素子、２…回路配線基板、３…樹脂、１０…第１電極、１１…第２電極、１２…１次接合部、１４…２次接合部、１６…ワイヤ本体部、１６ａ…低加工部、１６ｂ…ワイヤ部、２０…キャピラリ、２２…先端面、２４…ホール、２６…アウターラディアス部
Claims (3)
- 第１電極を有する半導体素子と、第２電極を有する基板と、前記第１電極と前記第２電極とを接続するボンディングワイヤとを備える半導体装置において、
前記ボンディングワイヤは、純度が９９．９９９質量％以上の銅からなり、前記第１電極及び前記第２電極のいずれか一方にフリーエアボールが圧着されてなる１次接合部と、他方に接着された２次接合部と、前記１次接合部と前記２次接合部との間に設けられたワイヤ本体部とを備え、
前記ワイヤ本体部における銅結晶の平均粒径Ｒ１に対する前記２次接合部における銅結晶の平均粒径Ｒ２の比率（Ｒ２／Ｒ１）が０．８以上である半導体装置。 - 前記ボンディングワイヤが、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０５質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．３０質量ｐｐｍ未満である、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記ボンディングワイヤが、リン、硫黄及び鉄の含有量の合計が０．０３質量ｐｐｍ未満であり、リン、硫黄、鉄及び銀の含有量の合計が０．２５質量ｐｐｍ未満である、請求項２に記載の半導体装置。
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