JP5955412B2 - 腐食保護されたボンディング接続部を有する電子デバイス、及び、該電子デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、腐食保護されたボンディング接続部を有する電子デバイスと、該電子デバイスの製造方法に関する。電子デバイスは、基板上に少なくとも１つの半導体チップを有する。さらに基板上には、腐食の危険があるボンディング接続部が設けられている。少なくとも１つの半導体チップ及び腐食の危険がある少なくとも１つのボンディング接続部を封止するために、これらは気密封止されたケーシングによって取り囲まれている。

刊行物ＤＥ１０２００８０２４５９９Ａ１からは、パッケージングされたアクティブマイクロ構造体が公知であり、このアクティブマイクロ構造体は、基板に直接接触している。マイクロパターニングされたデバイスは、アクティブマイクロ構成部材と、基板と、半導体回路とを有する。基板上に少なくとも１つのケーシングが配置されており、ケーシング内部に、１つ又は複数のアクティブマイクロ構造体が設けられている。アクティブマイクロ構造体の少なくとも１つは、周囲を取り囲んでいるケーシングを貫通して、基板の導体路と電気的にコンタクトしている。

このためにケーシングは、底部要素とカバー要素からなっており、これらの間にアクティブマイクロ構造体が配置されている。底部要素は、シーリングフレームを介してカバー要素に接続されている。底部要素及び／又はカバー要素は、中にゲッター材料が配置された凹部を有することができる。ゲッター材料は、活性化の際に所定の方法でガス分子を吸収して、ケーシング内のガス雰囲気を変化させる。ゲッター材料は、湿気を吸収するため、又は、分子を捕獲するために使用することができる。半導体回路とのコンタクト箇所は、ボンディング面とすることができる。

刊行物ＤＥ１９６０３７４６Ａ１からは、エレクトロルミネセンス層システムが公知であり、このエレクトロルミネセンス層システムは、システム内部に、ゲッター金属又は吸湿性ポリマーからなるゲッター層を有する。吸湿性ポリマーは、バインダーポリマーと粉状の吸湿性物質との混合物を含む。ゲッター層は、酸素及び／又は水のいかなる残留物もエレクトロルミネセンス層システムに到達しないよう保証している。

次のような電子デバイスの特性、すなわち、ケーシング内に内部空間又は中空空間を有する電子デバイスであって、この内部空間乃至中空空間において、パッケージングされていない半導体構成部材が基板上に配置されており、かつ、半導体チップ上にあるボンディングワイヤ接続部が、内部空間乃至中空空間の雰囲気に曝されているような、電子デバイスの特性は、気密にパッケージングされた層システムには匹敵しない。層システム内に存在せず、保護することができない金・アルミニウム・細ワイヤボンディング接続部を、気密封止されたケーシング内において保護すべきである場合には、特にそうである。

これに対して、気密封止されたケーシングの内部において、保護ガスによる対策をせずに高温でシリコーンを使用した場合には、水が生じ得ることが知られている。水は、非常に少量のハロゲン化物と化合して電解質を形成し、この電解質が、金・アルミニウム・細ワイヤボンディング接続部における金・アルミニウム相の腐食に寄与することによって、このようなボンディングワイヤ接続の早期の故障が引き起こされることがあり、これによって電子デバイスの寿命は短くなってしまう。このような場合には、腐食プロセスをより緩慢にしてこのような電子デバイスの寿命を延長させるために、気密封止された電子機器パッケージングにヘリウム又は窒素の形態の保護ガスも気密に充填される。

気密のケーシング内での反応ガスの結合のために、付加的にゲッター金属層を設けることができる。刊行物ＤＥ１９６０３７４６から、例えばカルシウム、リチウム、又はストロンチウムのような適当なゲッター金属が公知である。このようなゲッター材料そのもの、又は、蒸着、スパッタリング、又は熱活性化することによってゲッター層にゲッター材料を提供することは、比較的高コストであり、取り扱いが比較的複雑でもある。腐食保護されたボンディング接続部を提供するためのさらなる択一的手段は、貴金属を含有する保護層を半導体チップのアルミニウム合金の上に堆積させることである。

本発明によれば、腐食保護されたボンディング接続部を有する電子デバイス、及び、電子デバイスの製造方法が提供される。電子デバイスは、基板上に少なくとも１つの半導体チップを有する。さらに半導体チップ上には、腐食の危険があるボンディング接続部が設けられている。少なくとも１つの半導体チップ、及び、腐食の危険がある少なくとも１つのボンディング接続部を封止するために、これらは気密封止されたケーシングによって取り囲まれている。気密封止されたボンディング接続部は、完全にケーシングの中に閉じ込められており、基板も、少なくとも部分的にケーシングの中に一緒に閉じ込められている。基板は、ケーシング内において、少なくとも１つの表面実装可能な加水分解性の構成部材を含む。

加水分解性の構成部材を収容することにより、この加水分解性の構成部材の加水分解性の材料が加水分解することによって、気密封止されたケーシングのガス雰囲気中の水の割合は、電解質を形成するための水の量が、腐食の危険があるボンディングワイヤ接続部を腐食させるために充分ではなくなるまで低減される。

本発明の別の実施形態においては、加水分解性の構成部材は、表側、裏側、及び、表側と裏側との間に配置された側面を有する。加水分解性の構成部材の裏側は、少なくとも１つの表面実装可能な分子層を有する。この表面実装可能な分子層は、接着材の構成部材とすることができる、又は、加水分解性の構成部材の加水分解性の材料の分子層とすることができる。

さらに、加水分解性の構成部材は、ケーシングの内部空間の雰囲気の水分子を吸着する、加水分解性のコア材料を含む。加水分解性の構成部材のコア材料は、付加的に、加水分解性の構成部材の少なくとも表側及び側面の上にある半透性膜を含むことができる。半透性膜は、加水分解性の構成部材の形状を保護し、水分子に対して透過性である。

本発明の別の実施形態においては、加水分解性の構成部材は、加水分解性の合成物質を含む。加水分解性の合成物質は、加水分解性のポリマーとすることができ、このポリマーは、加水分解の際にケーシングの内部空間から水分子を取り込む。この際、加水分解性の合成物質は、合成物質のガラス転移温度を上回ると、加水分解による集中的なけん化にさらされる。加水分解によるけん化は、合成物質のエステル化の逆反応であり、従って、合成物質として加水分解性のポリエステルを設けることができ、このポリエステルは有利には、加水分解性のポリブチレンテレフタレートを含むことができる。

少なくとも１つの腐食保護されたボンディング接続部を有する電子デバイスの製造方法は、以下のステップを有する。まず、少なくとも１つの半導体チップが製造される。この半導体チップは、基板上に載置される。それから、少なくとも１つの半導体チップと基板との間に、少なくとも１つのボンディングワイヤ接続部が製造される。さらに基板上において、加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材の表面実装が実施される。その後、少なくとも１つの半導体チップと、少なくとも１つのボンディングワイヤ接続部と、加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材と、少なくとも部分的に基板とを、ケーシングの中に気密封止することができる。最後に、ケーシングの内部空間の雰囲気の水分子が吸着されながら、加水分解性の材料のガラス転移温度を上回る温度で電子デバイスのアニールが行われる。この際、例えば自動車のエンジンルームのようにデバイスの使用場所の環境温度が加水分解性の材料のガラス転移温度を上回る場合には、デバイスの動作中にもこのアニールを行うことができる。

少なくとも１つの半導体チップと、加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材の双方とも、例えば基板上にある接着材層を介して素材結合すべきである場合には、少なくとも１つの半導体チップを基板上に載置する際に、加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材も同時に載置することができる。電子デバイスへの給電が、ケーシングを貫通するフィードスルーを介して行われる場合には、基板は、部分的にだけでは無く全体的に、気密封止されたケーシング内に収容することができる。この気密封止されたケーシングは、ケーシング底部と、ケーシングカバー部と、これらの間に気密に配置される接続要素とから組み合わせることができる。

本発明の利点
このような電子デバイスは、腐食性のボンディングワイヤ接続部が腐食から保護されるという利点と結びついている。このボンディングワイヤ接続部は、一方では基板上において、金合金ワイヤと、例えば銅製の導体路の金被覆されたコンタクト面とを接続しており、他方では半導体チップ上において、金合金ワイヤと、半導体チップ上にあるアルミニウムコンタクト面とをボンディング接続しているものである。この腐食保護は、有利には、基板上に配置された電気分解性の構成部材によって、気密封止されたケーシング内の雰囲気における水分子を減少させ、これによって、気密封止されたケーシングの雰囲気中のハロゲン残留物が腐食性の電解質をこれ以上形成しないようにすることによって達成される。

従って、気密封止されたケーシングを高価な希ガス又は不活性ガスで充填する必要がなくなる。さらにはデバイスの製造が簡単になる。なぜなら、本発明に基づいて設けられる表面実装可能な電気分解性の構成部材を、基板上に固定するだけでよいからである。さらに、電気分解性の構成部材の表側及び側面の上にある半透過性の膜は、例えばポリブチレンテレフタレートのようなポリマーのエステルのけん化によって生じた物質が、加水分解性の構成部材の体積に制限されたままケーシングの内部空間には拡大しない、という利点を有する。例えば加水分解性の構成部材を表面実装するために、接着性の分子層、例えば接着材層を設けることによって、発生したけん化物質の持続的な固定が、接着材層の面積に制限されたまま留まるという利点が得られる。

特にこの電子デバイスは、腐食保護のためのコストを低減すると同時に、半導体チップ上のボンディングワイヤ接続部の金・アルミニウム結合の寿命を一桁改善することができるという利点を有する。

以下、本発明のさらなる側面及び利点を、添付図面に基づいてより詳細に記載する。

本発明の１つの実施形態に基づく電子デバイスの概略図である。 半導体チップ上にある金ボンディングワイヤ接続部の金属間相を示す図である。 腐食に侵された、保護されていない金ボンディングワイヤ接続部の断面を示す図であり、腐食した金属間相にはマーキングが施されている。 図１の実施形態の電子デバイスの腐食保護された金ボンディングワイヤ接続部の断面を示す図である。

図１に示した本発明の１つの実施形態に基づく電子デバイス１の概略図は、底部領域１３とカバー領域１４とを有する封止されたケーシング５を図示している。底部領域１３は、ケーシング５の中に気密封止された内部空間１２が形成されるよう、カバー領域１４と接合されている。底部領域１３の上には、伝熱性のシリコーン接着材層１５を用いて、セラミック物質からなる基板４が固定されている。このようなシリコーン接着材層１５については、室温を上回る温度において水分子を内部空間１２の雰囲気へと発散し得ることが知られている。基板４の表側１６には、銀を含有する充填物質粒子が充填されたエポキシド接着材１７を用いて、パッケージングされていない半導体チップ３が導電的に固定されている。

半導体チップ３の表側１８には、例えば４重量％のケイ素を含有するアルミニウム合金製のアルミニウムボンディング面１９が配置されており、このアルミニウムボンディング面１９には、金ボンディングワイヤ接続部２が熱圧着によってボンディングされている。金ボンディングワイヤ接続部２からは、直径１２μｍ〜５０μｍの金ボンディングワイヤ２０が出発しており、この金ボンディングワイヤ２０の第２の端部は、ボンディング面２１上において、基板の表側１６にある銅導体路の金被覆部と固定されている。ケーシングの内部に、水分子の発散源に加えてさらにハロゲン化物を発散する妨害源２３も存在する場合、半導体チップ３上の金ボンディングワイヤ接続部２は腐食の危険に曝されており、腐食を引き起こす電解質が形成され得る。金ボンディングワイヤ接続部２をこのような腐食から保護するために、基板４の表側１６には、表面実装可能な電気分解性の構成部材６が配置されている。構成部材６は、表側７と、表面実装可能な裏側８とを有する。

表側７と裏側８との間には、側面９が配置されている。表面実装するために少なくとも１つの分子層１０が設けられており、この分子層１０は、加水分解性の構成部材６と基板４の表側１６とを素材結合によって接続している。加水分解性の構成部材６は、加水分解性の材料からなるコア材料１１を含む。コア材料１１は、この実施例ではポリブチレンテレフタレートの形態のポリエステルである。コア材料１１は、水分子を取り込むことによってけん化して、電子デバイス１の内部空間１２の雰囲気の水分子を減少させ、これによって残りのハロゲン化物との電解質形成が阻止される。つまり、ポリブチレンテレフタレートからなるコア材料１１は、内部空間１２のガス雰囲気の水分子に対してゲッター作用を果たすので、このような電子デバイスに対して、代替となる高価なゲッター層、又は希ガスの充填を省略することができる。

図２は、半導体チップ３の表側１８のアルミニウムボンディング面１９の上に熱圧着ボンディングされた、金ボンディングワイヤ接続部２の金属間相の概略図である。まず図２では、熱圧着ボンディングの際に生じる典型的なネイルヘッド形状２２が見て取れる。直径１２〜５０μｍの丸い金ボンディングワイヤ２０は、途中で形成される金製の溶融ボールが付着しているので、アルミニウムボンディング面１９へ押圧されると典型的なネイルヘッド形状２２に変形する。従ってこのボンディング方法は、「ネイルヘッドボンディング」とも呼ばれる。この際、ネイルヘッド形状２２からアルミニウムボンディング面１９への移行部には、Ａｕ_４Ａｌからなる第１金属間相と、その下にＡｕ_８Ａｌ_３からなる第２金属間相とが形成され、第２金属間相は、実際にはアルミニウムボンディング面の全厚さに達している。ネイルヘッド形状２２の周囲には、アルミニウムボンディング面１９への移行部において、ＡｕＡｌ_２からなるアルミニウムを多く含む第３金属間相が形成される。金ボンディングワイヤ２０とアルミニウムボンディング面１９との間における、熱圧着ボンディングによるこのボンディング接続部は、腐食の危険に曝されており、このことは図３に図示している。

図３は、腐食に侵された、保護されていない金ボンディングワイヤ接続部２の断面を示しており、腐食した金属間相にはマーキングを施してある。図２で図示した当初のネイルヘッド形状２２は、もはや多くは残っていない。むしろ、ネイルヘッド形状２２には凹凸があり、少なくとも図３の左側領域では、アルミニウム被覆への移行部においてほぼ断絶しそうになっている。このような腐食プロセスは、動作期間に依存しており、電子デバイスの動作期間の寿命を、比較的短いものに制限してしまう。この図においても、濃淡が異なる複数の領域によって、金製のネイルヘッド２２からアルミニウムボンディング面１９への移行部における第１金属間相Ａｕ_４Ａｌが見て取れ、ケイ素表面の上には直接第２金属間相Ａｕ_８Ａｌ_３も、ネイルヘッド２２を取り囲むアルミニウムを多く含む第３金属間相ＡｕＡｌ_２も、依然として存在している。

これに対して図４は、腐食保護された金ボンディングワイヤ接続部２の断面を示しており、図１の本発明の実施形態の電子デバイスにおける無傷の金属間相構造にマーキングが施されている。金ボンディングワイヤ２０からネイルヘッド２２への移行部におけるネイルヘッドの輪郭は、１０倍のテスト時間の後、図３の結果に比べて不変のまま維持され、金・アルミニウム金属間相の残りの領域も、アルミニウムボンディング面１９上においてまだ完全に無傷である。

Claims (8)

1. 腐食保護されたボンディング接続部を有する電子デバイスにおいて、
   ・基板（４）上に少なくとも１つの半導体チップ（３）と、
   ・前記半導体チップ（３）上に少なくとも１つの腐食の危険があるボンディング接続部と、
   ・少なくとも１つの前記半導体チップ（３）及び少なくとも１つの腐食の危険がある前記ボンディング接続部を気密封止するケーシング（５）と、
   を有し、
   前記ボンディング接続部は、ボンディングワイヤ接続部（２）であり、
   前記ボンディングワイヤ接続部（２）は、前記ケーシング（５）の中で完全に気密封止されており、
   前記基板（４）は、前記ケーシング（５）の中で少なくとも部分的に気密封止されており、
   前記基板（４）の上には、少なくとも１つの表面実装可能な加水分解性の構成部材（６）が配置されており、
   前記加水分解性の構成部材（６）は、加水分解性のコア材料（１１）を含み、
   前記加水分解性の構成部材（６）の前記コア材料（１１）は、前記加水分解性の構成部材（６）の少なくとも表側（７）及び側面（９）の上にある半透性膜を含み、
   前記半透性膜は、前記加水分解性の構成部材（６）の形状を保護し、水分子に対して透過性である、
   ことを特徴とする電子デバイス。
2. 前記加水分解性の構成部材（６）は、前記表側（７）、裏側（８）、及び、前記表側（７）と前記裏側（８）との間に配置された前記側面（９）を有し、
   前記加水分解性の構成部材（６）の前記裏側（８）は、表面実装可能な分子層（１０）を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の電子デバイス。
3. 前記加水分解性の構成部材（６）は、加水分解性の合成物質を含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電子デバイス。
4. 前記合成物質は、加水分解の際に前記ケーシング（５）の内部空間（１２）から水分子を取り込む、加水分解性のポリマーを含む、
   ことを特徴とする請求項３記載の電子デバイス。
5. 前記加水分解性の合成物質は、該合成物質のガラス転移温度を上回ると、加水分解によって集中的にけん化する、
   ことを特徴とする請求項３又は４記載の電子デバイス。
6. 前記合成物質は、加水分解性のポリエステルである、
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項記載の電子デバイス。
7. 前記合成物質は、加水分解性のポリブチレンテレフタレートである、
   ことを特徴とする請求項３から６のいずれか一項記載の電子デバイス。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載の電子デバイス（１）の製造方法において、
   ・少なくとも１つの半導体チップ（３）を製造するステップと、
   ・前記少なくとも１つの半導体チップ（３）を基板（４）上に載置するステップと、
   ・前記少なくとも１つの半導体チップ（３）と前記基板（４）との間に少なくとも１つのボンディングワイヤ接続部（２）を製造するステップと、
   ・前記基板（４）上において、加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材（６）を表面実装するステップと、
   ・前記少なくとも１つの半導体チップ（３）と、前記少なくとも１つのボンディングワイヤ接続部（２）と、前記加水分解性の材料を含む少なくとも１つの構成部材（６）と、少なくとも部分的に前記基板（４）とを、１つのケーシング（５）の中に気密封止するステップと、
   ・前記ケーシング（５）の内部空間（１２）の雰囲気の水分子を吸着しながら、前記加水分解性の材料のガラス転移温度を上回る温度で前記電子デバイス（１）をアニールするステップと、
   を有し、
   前記加水分解性の構成部材（６）は、加水分解性のコア材料（１１）を含み、
   前記加水分解性の構成部材（６）の前記コア材料（１１）は、前記加水分解性の構成部材（６）の少なくとも表側（７）及び側面（９）の上にある半透性膜を含み、
   前記半透性膜は、前記加水分解性の構成部材（６）の形状を保護し、水分子に対して透過性である、ことを特徴とする製造方法。

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