パワーデバイス
【課題】ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良を防止できるパワーデバイスを提供する。
【解決手段】絶縁基板１上に設けられた半導体素子(２,３,６)と、絶縁基板１上に形成され、半導体素子(２,３,６)を覆う軟質ポリイミド膜１１と、軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド９と、電極パッド９にワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤ１２とを備える。
【解決手段】絶縁基板１上に設けられた半導体素子(２,３,６)と、絶縁基板１上に形成され、半導体素子(２,３,６)を覆う軟質ポリイミド膜１１と、軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド９と、電極パッド９にワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤ１２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置としては、ポリイミド膜上に形成された電極パッドに導体バンプを設けて、その導体バンプを介して電極パッドにＡuワイヤをボンディングするものがある(例えば、特開２００６−２５３２８９号公報(特許文献１)参照)。しかしながら、上記半導体装置においても、ボンディング時のポリイミド膜と電極パッドとの剥離や密着性の悪化を防ぐことは難しい。
【０００３】
また、白物家電などで用いるパワーデバイスに求められる電流量は５Ａ以上であり、ワイヤの長さを３ｍｍとすると、１本のワイヤで所望の電流を流すためには、電流５Ａで７０μｍ以上のワイヤ径が必要となる。このような場合、ポリイミド膜上に電極パッドを設けたパワーデバイスでは、大きな径のワイヤを使うときに大きな導体バンプが必要となると共に、電極パッドとワイヤとの良好な接合が得られないという問題がある。
【０００４】
また、このようなパワーデバイスで大径のワイヤを接合するために、コスト面からＡuワイヤの代わりにＡlワイヤを用いた場合、Ａlワイヤ先端を融かして導体バンプを作ることが困難である。また、Ａlワイヤは、Ａuワイヤに比べ、ボンディングに必要な荷重大きく、ワイヤ径が大きくなるほど、より大きな荷重が必要となるため、例え導体バンプを設けたとしても、ボンディング時のポリイミド膜と電極パッドとの剥離や密着性の悪化を防ぐことは難しい。
【０００５】
そこで、本出願人は、ポリイミド膜上に形成された電極パッドに直接Ａlワイヤを接合したパワーデバイスを考え、試作を繰り返した。しかしながら、このようなパワーデバイスは、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などが生じるという問題があった。
【０００６】
なお、このポリイミド膜上に形成された電極パッドに直接Ａlワイヤを接合するパワーデバイスは、この発明を理解しやすくするために説明するものであって、公知技術ではなく、従来技術ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２５３２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明の課題は、ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良を防止できるパワーデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明のパワーデバイスは、
基板と、
上記基板上に設けられた半導体素子と、
上記基板上に形成され、上記半導体素子を覆う軟質ポリイミド膜と、
上記軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドと、
上記電極パッドにワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤと
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにワイヤボンディングによりＡlワイヤの一端を接合することによって、軟質ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止できる。
【００１１】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記軟質ポリイミド膜の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaである。
【００１２】
上記実施形態によれば、軟質ポリイミド膜の引張弾性率を２.２ＧＰa以上かつ６.１ＧＰa以下にすることによって、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。
【００１３】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記半導体素子表面の配線と上記電極パッドとの間の上記軟質ポリイミド膜の最小膜厚は、４μｍ〜１０μｍである。
【００１４】
上記実施形態によれば、半導体素子表面の配線と電極パッドとの間の軟質ポリイミド膜の最小膜厚を４μｍ〜１０μｍとすることによって、半導体素子表面の配線と電極パッドとの間で耐圧６００Ｖ以上を確保できる。
【００１５】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記Ａlワイヤは、Ｓiを１wt%含むＡlからなる。
【００１６】
上記実施形態によれば、Ｓiを１wt%含むＡlからなるＡlワイヤを用いることによって、Ａlワイヤの強度を向上できると共に、良好な電極パッド−ワイヤ接合を形成できる。
【００１７】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記Ａlワイヤの径は、３０μｍ〜６００μｍである。
【００１８】
上記実施形態によれば、ワイヤ径が３０μｍ〜６００μｍのＡlワイヤを用いることによって、大きな電流を流すことができる。また、太いワイヤ径のＡlワイヤであっても、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにＡlワイヤを接合するので、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。
【００１９】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記電極パッドの材料は、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つである。
【００２０】
上記実施形態によれば、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つの材料を用いた電極パッドは、導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上より明らかなように、この発明のパワーデバイスによれば、ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良を防止できるパワーデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態のパワーデバイスの縦断面図である。
【図２】図２は上記パワーデバイスのワイヤ引張強度試験結果を示す図である。
【図３】図３は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示す図である。
【図４】図４は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示す図である。
【図５】図５は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示す図である。
【図６】図６は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示す図である。
【図７】図７はウェッジツールを用いたＡlワイヤのボンディングを説明する図である。
【図８】図８はウェッジツールを用いたＡlワイヤのボンディングを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明のパワーデバイスを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２４】
図１はこの発明の実施の一形態のパワーデバイスの縦断面図を示している。この実施の形態のパワーデバイスは、図１に示すように、絶縁基板１上に配置された半導体チップ基板２と、半導体チップ基板２上に形成されたＳiＮからなるゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に形成されたＡu／Ｗ／Ｔiからなるゲート電極６と、ゲート絶縁膜３上かつゲート電極６を覆うように形成されたＳiＮからなる無機絶縁膜４と、半導体チップ基板２上かつゲート絶縁膜３の一方の側に形成されたソース電極５と、半導体チップ基板２上かつゲート絶縁膜３の他方の側に形成されたドレイン電極７と、半導体チップ基板２上に形成された軟質ポリイミド膜１１と、その軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド８,９と、絶縁基板１上かつ半導体チップ基板２が配置されていない領域に形成された電極パターン１０とを備えている。上記電極パッド８はソース電極５の上端と接続され、電極パッド９はドレイン電極７の上端と接続されている。そして、上記電極パッド９と電極パターン１０とをＡlワイヤ１２を介して接続している。図１において、１３,１４はボンディング部である。
【００２５】
上記半導体チップ基板２とゲート絶縁膜３とゲート電極６で半導体素子を形成している。この半導体素子表面の配線の一例としてのゲート電極６と電極パッド８,９との間にある軟質ポリイミド膜１１の最小膜厚Ｄを４μｍ以上かつ１０μｍ以下としている。この軟質ポリイミド膜１１の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaである。
【００２６】
上記絶縁基板１は、セラミック基板などを用いている。また、ソース電極５とドレイン電極７は、Ａu／Ｔiなどからなる。また、電極パターン１０は、Ａu,Ｃu,Ａlの少なくとも１つからなる。
【００２７】
この実施の形態では、ゲート絶縁膜３の膜厚を３０ｎｍとし、無機絶縁膜４の膜厚を１５０ｎｍとしている。また、電極パッド８,９は、膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)とを積層して形成している。
【００２８】
ここで、「引張弾性率」は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１規格における引張弾性率であり、サンプルの作製方法は、ベアのＳi基板上にポリイミド膜を塗布し、表１に示す硬化条件に従って熱処理炉内でベークを行う。その後、所望のサイズにサンプルを切り出し、希釈フッ酸にサンプルを浸漬させ、Ｓi基板からポリイミド膜を剥離する。そして、剥離した後のポリイミド膜に対してＪＩＳ Ｋ ７１６１規格に従って引張弾性率の測定を行う。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図２は上記パワーデバイスのワイヤ引張強度試験の結果を示している。図２において、横軸は引張弾性率[ＧＰa]を表し、縦軸は引張強度[ｍＮ]を表している。
【００３１】
このワイヤ引張強度試験の条件は、軟質ポリイミド膜１１の膜厚を７μｍとし、Ａlワイヤ１２の径を２５０μｍとしている。また、このワイヤ引張強度試験では、ＪＥＩＴＡ ＥＤ−４７０３ Ｋ−１１２規格におけるワイヤボンド強度(ワイヤプル)を試験している。
【００３２】
また、図３は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示している。図３において、３１は電極パッド、３２はＡlワイヤである。電極パッド３１は、引張弾性率が２.０ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３３】
図３の中央部分Ａに示すように、Ａlワイヤ３２が接合されていた電極パッド３１の膜剥がれが生じた。
【００３４】
図４は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示している。図４において、４１は電極パッド、４２はＡlワイヤである。電極パッド４１は、引張弾性率が２.２ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３５】
図４では、電極パッド４１とＡlワイヤ４２との接合箇所近傍の部分ＢでＡlワイヤ４２が切断された。すなわち、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもので、軟質ポリイミド膜と電極パッド４１との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合が形成されている。
【００３６】
図５は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示している。図５において、５１は電極パッド、５２はＡlワイヤである。電極パッド５１は、引張弾性率が６.１ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３７】
図５では、電極パッド５１とＡlワイヤ５２との接合部分から離れた図示しない位置でＡlワイヤ５２が切断された。すなわち、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもので、軟質ポリイミド膜と電極パッド５１との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合が形成されている。
【００３８】
図６は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示している。図６において、６１は電極パッドである。電極パッド６１は、引張弾性率が８.８ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３９】
図６の中央部分に示すように、Ａlワイヤ(図示せず)が接合されていた電極パッド６１の膜剥がれが生じた。
【００４０】
Ａlワイヤは、Ａuワイヤに比べ、ボンディングに必要な荷重大きく、例えばワイヤ径が５０μｍのときのボンディング荷重は、Ａuワイヤで４０ｇｆとなり、Ａlワイヤで６０ｇｆとなる。また、ワイヤ径が大きくなるにつれて、より大きなボンディング荷重が必要となり、Ａlワイヤの径が２５０μｍではボンディング荷重が５５０ｇｆとなる。
【００４１】
また、図７,図８はこの実施の形態の半導体装置のＡlワイヤ１２のボンディングについて説明する図である。
【００４２】
ここでは、超音波ワイヤボンダ(超音波工業製、型番ＵＳＷ−２０ＺＤ６０Ｓ)を用いて、下記の条件でＡlワイヤのボンディングを行った。
ワイヤ種類 ： Ａlワイヤ(ワイヤ径２５０μｍ)
ステージ温度 : 室温
ボンディング条件 ： 超音波出力 １.５Ｗ
超音波印加時間 １５０ｍｓｅｃ
ボンディング荷重 ５５０ｇｆ
【００４３】
図７,図８に示すウェッジツール２０により、Ａlワイヤ１２に超音波を印加すると共にボンディング荷重５５０ｇｆを印加し、Ａlワイヤ１２と電極パッド９を接合する。ここで、図７に示すウェッジツール２０のＡlワイヤ１２の軸方向の寸法は５００μｍであり、図８に示すウェッジツール２０のＡlワイヤ１２の軸に直交する方向の寸法は３００μｍである。
【００４４】
まず、Ａlワイヤ１２に荷重を加えながら超音波を印加することにより、チップのアルミ蒸着膜表面に成長している酸化膜などの不純物を破壊し、正常な金属膜表面を露出(メカニカルクリーニング作用)させる。その上で、超音波のエネルギーにより、Ａlワイヤ１２に塑性変形を起こし、電極パッド９とＡlワイヤ１２との界面で凝集核層を形成して接合する。
【００４５】
ここで、ボンディング荷重が軽すぎると、平面上で超音波が暴れる状態となり、ボンディングツールと電極パッドが同時に超音波の振幅、つまり、摩擦が上手く伝わらず、接合不良になる。
【００４６】
なお、この実施の形態では、断面略円形のＡlワイヤについて行ったが、リボン状のＡlワイヤでは、用いるウェッジツールの形状が異なるが、ウェッジツールによりＡlワイヤに超音波と荷重を印加する原理は同じである。
【００４７】
表２は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlワイヤのワイヤ径：３００μｍ
ボンディング荷重 ： ５５０ｇ
超音波出力 ： １.６Ｗ
超音波印加時間 ： １５０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００４８】
ここで、「○」印は、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもの、「△」印は、ボンディング時に電極パッドのワイヤが接合できなかったもの、「▲」印は、ボンディング時に膜剥がれを起こしたものである。
【００４９】
【表２】
【００５０】
また、表３は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlワイヤのワイヤ径：３０μｍ
ボンディング荷重 ： ２５ｇ
超音波出力 ： １.６Ｗ
超音波印加時間 ： ３０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００５１】
【表３】
【００５２】
また、表４は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlリボンワイヤのワイヤ径 ： 幅２ｍｍ×厚さ０.１５ｍｍ
ボンディング荷重 ： ２０００ｇ
超音波出力 ： ２.０Ｗ
超音波印加時間 ： ５０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００５３】
【表４】
【００５４】
〔軟質ポリイミド膜の引張弾性率について〕
引張弾性率が２.２ＧＰa未満のポリイミド膜のように硬度が柔らかいと、ボンディング時、ポリイミド膜が超音波のエネルギーを吸収してしまい、電極パッドとアルミワイヤとの界面の接合に要するエネルギーが不足し、ボンディング不良となるものと考えられる。
【００５５】
また、引張弾性率が６.１ＧＰaを越えるポリイミド膜のように硬度が硬いと、超音波のエネルギーは、ポリイミド膜に吸収されず、電極パッドとアルミワイヤの接合に効率よく活用される。しかしながら、ポリイミド膜が硬すぎると、超音波の発振により、ポリイミド膜近傍は過度に発熱し、ポリイミド膜が有機膜であるが故に熱損傷や機械的損傷を引き起こして劣化し、電極パッドである金属膜とポリイミド膜の密着性が損なわれるものと考えられる。
【００５６】
このため、引張弾性率が２.２ＧＰa未満または６.１ＧＰaを越えるポリイミド膜では、電極パッドの膜剥がれを引き起こし、ボンディング不良となる。
【００５７】
〔軟質ポリイミド膜の膜厚について〕
引張弾性率が２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaでかつ膜厚が４μｍ〜１０μｍの軟質ポリイミド膜において、膜厚が厚いほど、ボンディング時の超音波の減衰が少なく、エネルギーロスが小さいため、超音波エネルギーを、ワイヤ接合時のエネルギーとして効率よく変換できる。しかし、軟質ポリイミド膜の膜厚が１０μｍよりも厚くなると、ワイヤ接合時に必要とされるエネルギーに比べ、過度なエネルギーとなってしまい、上記ポリイミド膜の硬度が硬い場合と同様に、超音波の発振により、ポリイミド膜近傍は過度に発熱し、ポリイミド膜が有機膜であるが故に熱損傷や機械的損傷を引き起こして劣化し、電極パッドである金属膜とポリイミド膜の密着性が損なわれるものと考えられる。
【００５８】
上記構成のパワーデバイスによれば、軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド９にワイヤボンディングによりＡlワイヤ１２の一端を接合することによって、軟質ポリイミド膜１１上に設けた電極パッド９に導体バンプなしにＡlワイヤ１２を確実に接合でき、軟質ポリイミド膜１１からの電極パッド９の剥離や電極パッド９とＡlワイヤ１２との接合不良などを防止することができる。
【００５９】
また、軟質ポリイミド膜１１の引張弾性率を２.２ＧＰa以上かつ６.１ＧＰa以下にすることによって、軟質ポリイミド膜１１と電極パッド９との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド９ワイヤ接合を形成することができる。
【００６０】
また、半導体素子表面の配線と電極パッド９との間の軟質ポリイミド膜１１の最小膜厚を４μｍ〜１０μｍとすることによって、半導体素子表面の配線と電極パッド９との間で耐圧６００Ｖ以上を確保できる。
【００６１】
また、Ｓiを１wt%含むＡlからなるＡlワイヤ１２を用いることによって、Ａlワイヤ１２の強度を向上できると共に、良好な電極パッド−ワイヤ接合を形成できる。
【００６２】
また、ワイヤ径が３０μｍ〜６００μｍのＡlワイヤを用いることによって、大きな電流を流すことができると共に、太いワイヤ径のＡlワイヤであっても、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにＡlワイヤを接合するので、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。なお、この発明の半導体装置では、ワイヤ径が７０μｍ〜５００μｍのＡlワイヤを用いるのがより好ましく、この場合、１本のＡlワイヤで５Ａの電流を流すことができ、白物家電などで用いるパワーデバイスに求められる電流量が得られる。
【００６３】
また、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つの材料を用いた電極パッドは、導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜１１からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止することができる。
【００６４】
上記実施の形態では、半導体チップ基板２とゲート絶縁膜３とゲート電極６で形成された半導体素子を軟質ポリイミド膜１１で覆ったが、半導体素子はこれに限らず、他の構成の半導体素子でもよい。なお、電極パッドは、上記材料に限らず、他の材料や種々の合金を用いてもよく、それらを積層した多層構造であってもよい。
【００６５】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００６６】
この発明のパワーデバイスは、冷蔵庫や空気調和機などの白物家電、液晶ＴＶ(television：テレビジョン)やＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)照明、ソーラーパワーコンディショナなどの電源コントロール機器などの分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…絶縁基板
２…半導体チップ基板
３…ゲート絶縁膜
４…無機絶縁膜
５…ソース電極
６…ゲート電極
７…ドレイン電極
８,９,３１,４１,５１,６１…電極パッド
１０…電極パターン
１１…軟質ポリイミド膜
１２,３２,４２,５２…Ａlワイヤ
１３,１４…ボンディング部
２０…ウェッジツール
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置としては、ポリイミド膜上に形成された電極パッドに導体バンプを設けて、その導体バンプを介して電極パッドにＡuワイヤをボンディングするものがある(例えば、特開２００６−２５３２８９号公報(特許文献１)参照)。しかしながら、上記半導体装置においても、ボンディング時のポリイミド膜と電極パッドとの剥離や密着性の悪化を防ぐことは難しい。
【０００３】
また、白物家電などで用いるパワーデバイスに求められる電流量は５Ａ以上であり、ワイヤの長さを３ｍｍとすると、１本のワイヤで所望の電流を流すためには、電流５Ａで７０μｍ以上のワイヤ径が必要となる。このような場合、ポリイミド膜上に電極パッドを設けたパワーデバイスでは、大きな径のワイヤを使うときに大きな導体バンプが必要となると共に、電極パッドとワイヤとの良好な接合が得られないという問題がある。
【０００４】
また、このようなパワーデバイスで大径のワイヤを接合するために、コスト面からＡuワイヤの代わりにＡlワイヤを用いた場合、Ａlワイヤ先端を融かして導体バンプを作ることが困難である。また、Ａlワイヤは、Ａuワイヤに比べ、ボンディングに必要な荷重大きく、ワイヤ径が大きくなるほど、より大きな荷重が必要となるため、例え導体バンプを設けたとしても、ボンディング時のポリイミド膜と電極パッドとの剥離や密着性の悪化を防ぐことは難しい。
【０００５】
そこで、本出願人は、ポリイミド膜上に形成された電極パッドに直接Ａlワイヤを接合したパワーデバイスを考え、試作を繰り返した。しかしながら、このようなパワーデバイスは、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などが生じるという問題があった。
【０００６】
なお、このポリイミド膜上に形成された電極パッドに直接Ａlワイヤを接合するパワーデバイスは、この発明を理解しやすくするために説明するものであって、公知技術ではなく、従来技術ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２５３２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明の課題は、ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良を防止できるパワーデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明のパワーデバイスは、
基板と、
上記基板上に設けられた半導体素子と、
上記基板上に形成され、上記半導体素子を覆う軟質ポリイミド膜と、
上記軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドと、
上記電極パッドにワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤと
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにワイヤボンディングによりＡlワイヤの一端を接合することによって、軟質ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止できる。
【００１１】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記軟質ポリイミド膜の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaである。
【００１２】
上記実施形態によれば、軟質ポリイミド膜の引張弾性率を２.２ＧＰa以上かつ６.１ＧＰa以下にすることによって、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。
【００１３】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記半導体素子表面の配線と上記電極パッドとの間の上記軟質ポリイミド膜の最小膜厚は、４μｍ〜１０μｍである。
【００１４】
上記実施形態によれば、半導体素子表面の配線と電極パッドとの間の軟質ポリイミド膜の最小膜厚を４μｍ〜１０μｍとすることによって、半導体素子表面の配線と電極パッドとの間で耐圧６００Ｖ以上を確保できる。
【００１５】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記Ａlワイヤは、Ｓiを１wt%含むＡlからなる。
【００１６】
上記実施形態によれば、Ｓiを１wt%含むＡlからなるＡlワイヤを用いることによって、Ａlワイヤの強度を向上できると共に、良好な電極パッド−ワイヤ接合を形成できる。
【００１７】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記Ａlワイヤの径は、３０μｍ〜６００μｍである。
【００１８】
上記実施形態によれば、ワイヤ径が３０μｍ〜６００μｍのＡlワイヤを用いることによって、大きな電流を流すことができる。また、太いワイヤ径のＡlワイヤであっても、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにＡlワイヤを接合するので、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。
【００１９】
また、一実施形態のパワーデバイスでは、
上記電極パッドの材料は、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つである。
【００２０】
上記実施形態によれば、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つの材料を用いた電極パッドは、導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上より明らかなように、この発明のパワーデバイスによれば、ポリイミド膜上に設けた電極パッドに導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、ポリイミド膜からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良を防止できるパワーデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態のパワーデバイスの縦断面図である。
【図２】図２は上記パワーデバイスのワイヤ引張強度試験結果を示す図である。
【図３】図３は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示す図である。
【図４】図４は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示す図である。
【図５】図５は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示す図である。
【図６】図６は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示す図である。
【図７】図７はウェッジツールを用いたＡlワイヤのボンディングを説明する図である。
【図８】図８はウェッジツールを用いたＡlワイヤのボンディングを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明のパワーデバイスを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２４】
図１はこの発明の実施の一形態のパワーデバイスの縦断面図を示している。この実施の形態のパワーデバイスは、図１に示すように、絶縁基板１上に配置された半導体チップ基板２と、半導体チップ基板２上に形成されたＳiＮからなるゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に形成されたＡu／Ｗ／Ｔiからなるゲート電極６と、ゲート絶縁膜３上かつゲート電極６を覆うように形成されたＳiＮからなる無機絶縁膜４と、半導体チップ基板２上かつゲート絶縁膜３の一方の側に形成されたソース電極５と、半導体チップ基板２上かつゲート絶縁膜３の他方の側に形成されたドレイン電極７と、半導体チップ基板２上に形成された軟質ポリイミド膜１１と、その軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド８,９と、絶縁基板１上かつ半導体チップ基板２が配置されていない領域に形成された電極パターン１０とを備えている。上記電極パッド８はソース電極５の上端と接続され、電極パッド９はドレイン電極７の上端と接続されている。そして、上記電極パッド９と電極パターン１０とをＡlワイヤ１２を介して接続している。図１において、１３,１４はボンディング部である。
【００２５】
上記半導体チップ基板２とゲート絶縁膜３とゲート電極６で半導体素子を形成している。この半導体素子表面の配線の一例としてのゲート電極６と電極パッド８,９との間にある軟質ポリイミド膜１１の最小膜厚Ｄを４μｍ以上かつ１０μｍ以下としている。この軟質ポリイミド膜１１の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaである。
【００２６】
上記絶縁基板１は、セラミック基板などを用いている。また、ソース電極５とドレイン電極７は、Ａu／Ｔiなどからなる。また、電極パターン１０は、Ａu,Ｃu,Ａlの少なくとも１つからなる。
【００２７】
この実施の形態では、ゲート絶縁膜３の膜厚を３０ｎｍとし、無機絶縁膜４の膜厚を１５０ｎｍとしている。また、電極パッド８,９は、膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)とを積層して形成している。
【００２８】
ここで、「引張弾性率」は、ＪＩＳ Ｋ ７１６１規格における引張弾性率であり、サンプルの作製方法は、ベアのＳi基板上にポリイミド膜を塗布し、表１に示す硬化条件に従って熱処理炉内でベークを行う。その後、所望のサイズにサンプルを切り出し、希釈フッ酸にサンプルを浸漬させ、Ｓi基板からポリイミド膜を剥離する。そして、剥離した後のポリイミド膜に対してＪＩＳ Ｋ ７１６１規格に従って引張弾性率の測定を行う。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図２は上記パワーデバイスのワイヤ引張強度試験の結果を示している。図２において、横軸は引張弾性率[ＧＰa]を表し、縦軸は引張強度[ｍＮ]を表している。
【００３１】
このワイヤ引張強度試験の条件は、軟質ポリイミド膜１１の膜厚を７μｍとし、Ａlワイヤ１２の径を２５０μｍとしている。また、このワイヤ引張強度試験では、ＪＥＩＴＡ ＥＤ−４７０３ Ｋ−１１２規格におけるワイヤボンド強度(ワイヤプル)を試験している。
【００３２】
また、図３は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示している。図３において、３１は電極パッド、３２はＡlワイヤである。電極パッド３１は、引張弾性率が２.０ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３３】
図３の中央部分Ａに示すように、Ａlワイヤ３２が接合されていた電極パッド３１の膜剥がれが生じた。
【００３４】
図４は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示している。図４において、４１は電極パッド、４２はＡlワイヤである。電極パッド４１は、引張弾性率が２.２ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３５】
図４では、電極パッド４１とＡlワイヤ４２との接合箇所近傍の部分ＢでＡlワイヤ４２が切断された。すなわち、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもので、軟質ポリイミド膜と電極パッド４１との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合が形成されている。
【００３６】
図５は上記ワイヤ引張強度試験におけるワイヤ切れ状態を示している。図５において、５１は電極パッド、５２はＡlワイヤである。電極パッド５１は、引張弾性率が６.１ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３７】
図５では、電極パッド５１とＡlワイヤ５２との接合部分から離れた図示しない位置でＡlワイヤ５２が切断された。すなわち、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもので、軟質ポリイミド膜と電極パッド５１との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合が形成されている。
【００３８】
図６は上記ワイヤ引張強度試験における膜剥がれ状態を示している。図６において、６１は電極パッドである。電極パッド６１は、引張弾性率が８.８ＧＰaのポリイミド膜(図示せず)上に形成されている。
【００３９】
図６の中央部分に示すように、Ａlワイヤ(図示せず)が接合されていた電極パッド６１の膜剥がれが生じた。
【００４０】
Ａlワイヤは、Ａuワイヤに比べ、ボンディングに必要な荷重大きく、例えばワイヤ径が５０μｍのときのボンディング荷重は、Ａuワイヤで４０ｇｆとなり、Ａlワイヤで６０ｇｆとなる。また、ワイヤ径が大きくなるにつれて、より大きなボンディング荷重が必要となり、Ａlワイヤの径が２５０μｍではボンディング荷重が５５０ｇｆとなる。
【００４１】
また、図７,図８はこの実施の形態の半導体装置のＡlワイヤ１２のボンディングについて説明する図である。
【００４２】
ここでは、超音波ワイヤボンダ(超音波工業製、型番ＵＳＷ−２０ＺＤ６０Ｓ)を用いて、下記の条件でＡlワイヤのボンディングを行った。
ワイヤ種類 ： Ａlワイヤ(ワイヤ径２５０μｍ)
ステージ温度 : 室温
ボンディング条件 ： 超音波出力 １.５Ｗ
超音波印加時間 １５０ｍｓｅｃ
ボンディング荷重 ５５０ｇｆ
【００４３】
図７,図８に示すウェッジツール２０により、Ａlワイヤ１２に超音波を印加すると共にボンディング荷重５５０ｇｆを印加し、Ａlワイヤ１２と電極パッド９を接合する。ここで、図７に示すウェッジツール２０のＡlワイヤ１２の軸方向の寸法は５００μｍであり、図８に示すウェッジツール２０のＡlワイヤ１２の軸に直交する方向の寸法は３００μｍである。
【００４４】
まず、Ａlワイヤ１２に荷重を加えながら超音波を印加することにより、チップのアルミ蒸着膜表面に成長している酸化膜などの不純物を破壊し、正常な金属膜表面を露出(メカニカルクリーニング作用)させる。その上で、超音波のエネルギーにより、Ａlワイヤ１２に塑性変形を起こし、電極パッド９とＡlワイヤ１２との界面で凝集核層を形成して接合する。
【００４５】
ここで、ボンディング荷重が軽すぎると、平面上で超音波が暴れる状態となり、ボンディングツールと電極パッドが同時に超音波の振幅、つまり、摩擦が上手く伝わらず、接合不良になる。
【００４６】
なお、この実施の形態では、断面略円形のＡlワイヤについて行ったが、リボン状のＡlワイヤでは、用いるウェッジツールの形状が異なるが、ウェッジツールによりＡlワイヤに超音波と荷重を印加する原理は同じである。
【００４７】
表２は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlワイヤのワイヤ径：３００μｍ
ボンディング荷重 ： ５５０ｇ
超音波出力 ： １.６Ｗ
超音波印加時間 ： １５０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００４８】
ここで、「○」印は、引張強度がワイヤ破断強度以上でワイヤ切れを起こしたもの、「△」印は、ボンディング時に電極パッドのワイヤが接合できなかったもの、「▲」印は、ボンディング時に膜剥がれを起こしたものである。
【００４９】
【表２】
【００５０】
また、表３は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlワイヤのワイヤ径：３０μｍ
ボンディング荷重 ： ２５ｇ
超音波出力 ： １.６Ｗ
超音波印加時間 ： ３０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００５１】
【表３】
【００５２】
また、表４は、下記の条件で行ったワイヤボンディングの性能評価試験の結果を示している。
Ａlリボンワイヤのワイヤ径 ： 幅２ｍｍ×厚さ０.１５ｍｍ
ボンディング荷重 ： ２０００ｇ
超音波出力 ： ２.０Ｗ
超音波印加時間 ： ５０ｍｓｅｃ
電極パッド ： 膜厚５０ｎｍのＴi膜と膜厚３μｍのＡl−Ｓi膜(Ｓiを１wt%含むＡl)
【００５３】
【表４】
【００５４】
〔軟質ポリイミド膜の引張弾性率について〕
引張弾性率が２.２ＧＰa未満のポリイミド膜のように硬度が柔らかいと、ボンディング時、ポリイミド膜が超音波のエネルギーを吸収してしまい、電極パッドとアルミワイヤとの界面の接合に要するエネルギーが不足し、ボンディング不良となるものと考えられる。
【００５５】
また、引張弾性率が６.１ＧＰaを越えるポリイミド膜のように硬度が硬いと、超音波のエネルギーは、ポリイミド膜に吸収されず、電極パッドとアルミワイヤの接合に効率よく活用される。しかしながら、ポリイミド膜が硬すぎると、超音波の発振により、ポリイミド膜近傍は過度に発熱し、ポリイミド膜が有機膜であるが故に熱損傷や機械的損傷を引き起こして劣化し、電極パッドである金属膜とポリイミド膜の密着性が損なわれるものと考えられる。
【００５６】
このため、引張弾性率が２.２ＧＰa未満または６.１ＧＰaを越えるポリイミド膜では、電極パッドの膜剥がれを引き起こし、ボンディング不良となる。
【００５７】
〔軟質ポリイミド膜の膜厚について〕
引張弾性率が２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaでかつ膜厚が４μｍ〜１０μｍの軟質ポリイミド膜において、膜厚が厚いほど、ボンディング時の超音波の減衰が少なく、エネルギーロスが小さいため、超音波エネルギーを、ワイヤ接合時のエネルギーとして効率よく変換できる。しかし、軟質ポリイミド膜の膜厚が１０μｍよりも厚くなると、ワイヤ接合時に必要とされるエネルギーに比べ、過度なエネルギーとなってしまい、上記ポリイミド膜の硬度が硬い場合と同様に、超音波の発振により、ポリイミド膜近傍は過度に発熱し、ポリイミド膜が有機膜であるが故に熱損傷や機械的損傷を引き起こして劣化し、電極パッドである金属膜とポリイミド膜の密着性が損なわれるものと考えられる。
【００５８】
上記構成のパワーデバイスによれば、軟質ポリイミド膜１１上に形成された電極パッド９にワイヤボンディングによりＡlワイヤ１２の一端を接合することによって、軟質ポリイミド膜１１上に設けた電極パッド９に導体バンプなしにＡlワイヤ１２を確実に接合でき、軟質ポリイミド膜１１からの電極パッド９の剥離や電極パッド９とＡlワイヤ１２との接合不良などを防止することができる。
【００５９】
また、軟質ポリイミド膜１１の引張弾性率を２.２ＧＰa以上かつ６.１ＧＰa以下にすることによって、軟質ポリイミド膜１１と電極パッド９との間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド９ワイヤ接合を形成することができる。
【００６０】
また、半導体素子表面の配線と電極パッド９との間の軟質ポリイミド膜１１の最小膜厚を４μｍ〜１０μｍとすることによって、半導体素子表面の配線と電極パッド９との間で耐圧６００Ｖ以上を確保できる。
【００６１】
また、Ｓiを１wt%含むＡlからなるＡlワイヤ１２を用いることによって、Ａlワイヤ１２の強度を向上できると共に、良好な電極パッド−ワイヤ接合を形成できる。
【００６２】
また、ワイヤ径が３０μｍ〜６００μｍのＡlワイヤを用いることによって、大きな電流を流すことができると共に、太いワイヤ径のＡlワイヤであっても、軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドにＡlワイヤを接合するので、軟質ポリイミド膜と電極パッドとの間で膜剥がれが生じることなく、十分な接合強度を有する電極パッド−ワイヤ接合を形成することができる。なお、この発明の半導体装置では、ワイヤ径が７０μｍ〜５００μｍのＡlワイヤを用いるのがより好ましく、この場合、１本のＡlワイヤで５Ａの電流を流すことができ、白物家電などで用いるパワーデバイスに求められる電流量が得られる。
【００６３】
また、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つの材料を用いた電極パッドは、導体バンプなしにＡlワイヤを確実に接合でき、軟質ポリイミド膜１１からの電極パッドの剥離や電極パッドとＡlワイヤとの接合不良などを防止することができる。
【００６４】
上記実施の形態では、半導体チップ基板２とゲート絶縁膜３とゲート電極６で形成された半導体素子を軟質ポリイミド膜１１で覆ったが、半導体素子はこれに限らず、他の構成の半導体素子でもよい。なお、電極パッドは、上記材料に限らず、他の材料や種々の合金を用いてもよく、それらを積層した多層構造であってもよい。
【００６５】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００６６】
この発明のパワーデバイスは、冷蔵庫や空気調和機などの白物家電、液晶ＴＶ(television：テレビジョン)やＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)照明、ソーラーパワーコンディショナなどの電源コントロール機器などの分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…絶縁基板
２…半導体チップ基板
３…ゲート絶縁膜
４…無機絶縁膜
５…ソース電極
６…ゲート電極
７…ドレイン電極
８,９,３１,４１,５１,６１…電極パッド
１０…電極パターン
１１…軟質ポリイミド膜
１２,３２,４２,５２…Ａlワイヤ
１３,１４…ボンディング部
２０…ウェッジツール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に設けられた半導体素子と、
上記基板上に形成され、上記半導体素子を覆う軟質ポリイミド膜と、
上記軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドと、
上記電極パッドにワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤと
を備えたことを特徴とするパワーデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーデバイスにおいて、
上記軟質ポリイミド膜の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のパワーデバイスにおいて、
上記半導体素子表面の配線と上記電極パッドとの間の上記軟質ポリイミド膜の最小膜厚は、４μｍ〜１０μｍであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項４】
請求項２または３に記載のパワーデバイスにおいて、
上記Ａlワイヤは、Ｓiを１wt%含むＡlからなることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項５】
請求項２から４までのいずれか１つに記載のパワーデバイスにおいて、
上記Ａlワイヤの径は、３０μｍ〜６００μｍであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項６】
請求項２から５までのいずれか１つに記載のパワーデバイスにおいて、
上記電極パッドの材料は、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項１】
基板と、
上記基板上に設けられた半導体素子と、
上記基板上に形成され、上記半導体素子を覆う軟質ポリイミド膜と、
上記軟質ポリイミド膜上に形成された電極パッドと、
上記電極パッドにワイヤボンディングにより一端が接合されたＡlワイヤと
を備えたことを特徴とするパワーデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーデバイスにおいて、
上記軟質ポリイミド膜の引張弾性率は、２.２ＧＰa〜６.１ＧＰaであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のパワーデバイスにおいて、
上記半導体素子表面の配線と上記電極パッドとの間の上記軟質ポリイミド膜の最小膜厚は、４μｍ〜１０μｍであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項４】
請求項２または３に記載のパワーデバイスにおいて、
上記Ａlワイヤは、Ｓiを１wt%含むＡlからなることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項５】
請求項２から４までのいずれか１つに記載のパワーデバイスにおいて、
上記Ａlワイヤの径は、３０μｍ〜６００μｍであることを特徴とするパワーデバイス。
【請求項６】
請求項２から５までのいずれか１つに記載のパワーデバイスにおいて、
上記電極パッドの材料は、Ａl、Ｓiを１wt%含むＡl、Ｃu、Ａu、Ａg、Ｔiの少なくとも１つであることを特徴とするパワーデバイス。
【図１】
【図２】
【図７】
【図８】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図７】
【図８】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７４４６３（Ｐ２０１２−７４４６３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６９４６（Ｐ２０１０−２１６９４６）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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