使用塗覆有金屬的導線的半導體裝置及電部件製造技術

2023-04-27 15:09:56 2

專利名稱：使用塗覆有金屬的導線的半導體裝置及電部件製造技術
使用塗覆有金屬的導線的半導體裝置及電部件製造 相關申請交叉參者案此申請案主張2006年3月27日申請的序號為60/786,259的美國臨時專利申請案 的權益，所述申請案以引用的方式併入本文中。技術領域本發明涉及經封裝半導體裝置，且更具體來說，涉及具有塗覆有用於導線鍵合的 金屬材料的金屬導線的半導體裝置且涉及將經塗覆導線用於電子部件的連接。^絲^一般來說，經封裝半導體裝置包括附接到鍍敷有其它金屬(例如鎳或銀)的銅引 線框架的半導體電路小片。接著，通過將一般由鋁、金或銅製成的鍵合導線鍵合到電 路小片上的導線鍵合部位並在其第二端上鍵合到對應引線而將電路小片連接到引線。 舉例來說，鋁導線在其第一端上鍵合到電路小片上的源極接觸件，且其第二端鍵合到 源極引線。此後，將裝置封裝，以使所述引線通過封裝材料而暴露，從而將經封裝半 導體裝置連接到所述經封裝半導體裝置置於其中的電子裝置。由於銅是相當廉價的金屬，因此引線框架一般是由基本等級的銅製成，且接著用 其它金屬(例如鎳或鈀，或甚至兩者)加以鍍敷。已知鎳及鈀具有與鋁的可靠金屬間 連接。因為銀具有與金的可靠金屬間連接，因此此金屬也用來鍍敷銅引線框架。然而， 舉例來說，已知鋁與銅不具有可靠連接。鋁和銅會形成是脆弱的且在某些溫度下降低 剪切強度的數種金屬間相，所述金屬間相會增加脆弱的銅鋁金屬間相的生長，且因此 導致導線或鍵合斷裂。舉例來說，鋁與鎳是可靠的金相系統，因為此系統不容易受到克根達(Kirkendall) 空洞或電化腐蝕的影響。此外，鎳與銅能耐硫酸與氫氟酸。因此，在此項技術中需要 的是生產具有成本競爭力的產品。此外，需要的是使用能更有效率地減小成本的金屬 來生產產品，同時仍能製造出具有可靠金相系統的裝置。發明內容本發明的實施例包含半導體裝置，例如二極體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、 可控矽整流器、絕緣柵雙極電晶體及集成電路。所述半導體裝置具有用於接納鍵合導 線的一個或一個以上鍵合墊。在本發明的一個實施例中，所述半導體裝置是具有控制區域、第一端子區域及第二端子區域的電晶體，其中所述第二端子區域附接到引線框 架及及經塗覆導線，以將所述半導體電路小片從其第一端子區域連接到所述引線框架 的第一端子引線。將所述電路小片連接到所述引線的導線可以是金或鋁且塗覆有金屬 或合金，例如，對金導線來說是銀，且關於鋁導線是鎳或鈀。對導線進行塗覆以消除 鍍敷引線框架的需要，藉此減小製造經封裝半導體的成本。此外，根據本發明製造半導體裝置的方法包括提供半導體裝置，在其第一表面 上具有第一端子區域；提供具有電路小片附接墊及引線的引線框架；以及將塗覆有金屬或合金的金屬導線鍵合到所述電路小片及對應的引線。在本發明的另一方面中，所 述鍵合步驟包含超聲波或熱超聲鍵合方法。在本發明的又一方面中，所述導線是塗覆 有適合金屬導線的金導線或鋁導線，例如用於金導線是銀，且用於鋁導線的是鎳或鈀。本發明的優點是消除鍍敷裸銅引線框架並藉此顯著減小製造成本的能力。取而代 之是塗覆有適合金屬的導線。本發明的另一優點是通過用先前用來鍍敷銅引線框架的金屬塗覆導線，而使系統 的可靠度沒有實質損失。換句話說，由於將用於鍍敷引線框架的相同金屬用來塗覆鋁 導線，因此仍保持相同的金屬間相。因此，所述金相系統是與此項技術中稱為可靠系 統相稱的金相系統，且不易於發生像其它金相系統(例如鋁與銅)那樣的問題或可能 故障。


圖1是根據本發明的實施例的經塗覆導線的截面圖；圖2是使用圖1中所示的經塗覆導線部分接線到引線框架的半導體裝置的俯視 圖；及圖3是具有額外封裝引線及經塗覆導線的圖2的截面圖。在所有數個視圖中，對應的參考字符指示對應的部件。本文所列的實例圖解說明 本發明的實施例，而不應被認為是以任何方式限制本發明的範圍。
具體實施方式
圖1顯示經塗覆的鋁導線103。鋁導線101塗覆有金屬材料102且用於在封裝裝 置期間形成半導體電路小片與引線之間的電連接，而且更常用於連接電部件。導線 101可以是純鋁，但也可以是以矽或鎂作為強化機構的鋁合金。塗層102可以是銅可 相容的金屬，例如鎳或鈀。通過無電鍍敷或電鍍將塗層102鍍敷到鋁導線101上。對於兩種工藝來說，首先 通過清潔導線的表面以改進金屬塗層與鋁導線101表面的附著力來準備用於鍍敷的 鋁導線。此工藝可通過此項技術中已知的方法來實現，例如使用清潔劑或溶劑來移除 可影響金屬塗層102附著到導線101的能力的油脂、環境汙染物、氧化物及其它不需要的材料。關於無電鍍敷，可通過使用用於金屬陽離子還原法的化學催化劑以基於水的溶液 將金屬沉積到導線上將金屬塗層102施加到導線上。 一般來說，所述溶液包括含有所 述金屬的鹽、還原劑及用以使金屬保持在溶液中的絡合劑。對於電鍍來說，可通過使電流通過含有金屬離子的溶液將塗層材料102施加到鋁導線101上。在浴槽中，鋁導 線101是陰極，藉此將金屬離子吸引到導線101。金屬離子被沉積在導線101上，以 在導線101上形成塗層102。 一旦在鋁導線101上沉積了金屬塗層102，便將經塗覆 導線103漂洗並使其乾燥。鋁導線101可塗覆有適合的銅可相容金屬，例如鎳或鈀。這些材料(銅與鋁、鎳、 Al-Ni導線，或銅與鋁、鈀、Al-Pd導線)形成可靠的金相系統。舉例來說，鎳與鋁之 間的金屬間相比較不易受克根達空洞或電化腐蝕的影響。雖然這些材料是可靠的，但 金屬102在導線101上的沉積是重要的工藝，因為添加不需要的材料(例如，導致表 面氧化的磷)可減小系統的可靠度。參考圖2，半導體裝置200是鍵合到引線框架202的電路小片且在電路小片200 的一個表面上具有源極區域204和柵極區域211 ，而在電路小片200的相對表面上具 有漏極區域(圖2中未顯示)。同樣，半導體電路小片200的源極區域204具有鋁塗層 205。此外，引線框架202是具有電路小片附接墊206、源極封裝引線207及柵極封 裝引線208的裸銅。同樣，使用系杆209將電路小片附接墊206連接到引線框架，所 述系杆將電路小片附接墊206連接到在引線框架202的軌道之間延伸的橫杆。電路小 片200可用焊料膏附接到電路小片附接墊206。將經塗覆的鋁導線103鍵合到半導體電路小片200的源極區域204中的一者及銅 源極封裝引線207兩者。使用超聲波或熱超聲鍵合方法鍵合經塗覆導線103。使用這 些鍵合方法中的任一種方法，所得鍵合209、 210會形成楔形形狀，因此稱為楔形鍵 合。超聲波導線鍵合是使用超聲波能量形成楔形鍵合的低溫工藝。熱超聲導線鍵合需 要高溫及超聲波能量以形成導線與其所鍵合到的材料之間的鍵合。由於半導體電路小片200具有鋁接觸件且導線103具有塗覆有適合的銅可相容金 屬(例如鎳或鈀)的鋁芯，因此半導體電路小片200與經塗覆導線103之間的鍵合是可 靠的。在一端處，經塗覆導線103的鋁芯在電路小片200上與鋁接觸件204形成可靠 的鍵合。在鍵合導線的另一端處，銅-鋁-鎳金相系統在經塗覆導線103與封裝引線207 之間形成可靠鍵合。將導線103鍵合到裸銅封裝源極引線207，以形成另一楔形鍵合 210。鋁與銅並不像鎳或鈀與銅一樣地可靠，且因此通常用鎳鍍敷銅引線框架以確保 導線與引線框架之間的可靠鍵合。然而，經塗覆導線103也提供與裸銅引線框架的可 靠鍵合。通常將鎳鍍敷在裸銅引線框架上，且接著使用鋁導線將半導體電路小片電連接到 引線。儘管鋁與鎳是可靠系統，但用鎳鍍敷裸銅引線框架的成本可能相當高。本發明 通過在鋁導線103上使用鎳塗層提供可靠且較低成本的一個或一個以上實施例，因為像導線與引線框架之間那樣需覆蓋的表面積較小。因此能產生相同的結果但費用相當 低。圖3是圖2中所示的裝置的截面圖，其中所添加的封裝引線220通過另一經塗覆 導線203連接到電路小片附接墊206。半導體電路小片200是鍵合到裸銅引線框架202 的電路小片，以使得例如通過焊料212將漏極區域214附接到電路小片附接墊206。 如圖3中所示，經塗覆的鋁導線103是鍵合到半導體電路小片200及裸銅封裝源極引 線207兩者的楔形件。製造裝置的方法包括提供具有電路小片附接墊以及從平行軌道延伸到電路小片 墊的多個引線的裸銅引線框架及半導體電路小片。使用焊料膏將半導體電路小片的漏 極區域附接到引線框架中的電路小片附接墊。此後，通常首先將經塗覆導線鍵合到半 導體電路小片上的電路小片墊，且接著鍵合到引線框架的適合引線。接著，切斷所述 導線，此工藝稱為"前向鍵合"。然而，所述導線可首先鍵合到引線框架的引線，接 著鍵合到電路小片並切斷。在將導線鍵合到電路小片及引線之後，封裝並單個化裝置。一般來說，用於超聲波及熱超聲鍵合方法的導線有三種類型。用於此類型導線鍵 合的普通導線為銅、鋁及金。這些導線可以是純金屬，但大多數是與其它材料形成合 金以提供導線強度。 一般來說，銅導線及鋁導線可用於超聲波或熱超聲鍵合方法兩者。 金導線通常用於熱超聲鍵合方法。超聲波鍵合在導線與待鍵合基板之間產生楔形鍵合。超聲波鍵合是在形成鍵合時 需要使用超聲波能量的低溫低壓鍵合方法。具體來說，待鍵合到表面或裝置的導線是 以與水平面成30到60。的角度饋入到稱為楔形鍵合工具的導線鍵合工具中。將導線 訂在第一鍵合部位上，且用壓力及超聲波能量將導線鍵合到所述部位。將鍵合工具抬 高並移動到第二鍵合部位，以使導線形成從第一部位到第二部位的環形狀。在形成第 二鍵合之後，便切斷導線。熱超聲鍵合是需要超聲波能量的高溫低壓鍵合工藝。同樣，將導線以一角度饋入 到楔形鍵合工具中。將導線保持到第一鍵合部位，半導體電路小片或源極引線。用壓 力與熱以及超聲波能量將導線訂在鍵合部位以形成鍵合。所施加的熱通常在100到 15(TC的範圍內，但在金導線的情況下可高達25(TC。熱導致導線及其所鍵合到材料 發生塑性變形，從而形成金屬間連接。使用經塗覆導線以較低成本將半導體電路小片電連接到引線還可應用於其它裝 置。經塗覆導線還可用於連接如圖3中所示的電部件。舉例來說，可通過塗覆有鈀或 鎳的鋁導線電連接兩個裸銅部件，因為這些結合是可靠的金屬間連接。儘管前述部分是就經塗覆的鋁導線加以解釋的，但其它實施例可包括塗覆有銀的 金導線。金、銀及銅形成可在高溫下執行的另一可靠系統。因此，本發明的另一實施 例可包括使用經塗覆導線將半導體電路小片連接到裸銅引線框架，例如使用塗覆有銀 或其它適合金屬材料的金導線。己經結合垂直金屬氧化物半導體場效應電晶體電晶體描述了前面的實施例。然而，所屬領域的技術人員將了解，可以其它電晶體及裝置來代替。舉例來說，可用雙 極電晶體來代替所述金屬氧化物半導體場效應電晶體，其中射極區域及接觸件對應於 源極區域及接觸件，基極區域及接觸件對應於柵極區域及接觸件，且集極區域及接觸 件對應於漏極區域及漏極接觸件。其它半導體裝置包括且不限於集成電路、二極體、 可控矽整流器或絕緣柵雙極電晶體。儘管已經參考優選實施例描述了本發明，但所屬領域的技術人員應了解，可對本 發明進行各種改變，且可以等效物來替代本發明的元件，而此並不背離本發明的範圍。 另外，可對本發明的教示進行許多修改以適應特定情況或材料，而此並不背離本發明 的範圍。因此，並不打算將本發明局限於揭示為預期用於實施本發明的最佳模式的特定實 施例，而是本發明將包括屬於所附權利要求書的範圍及精神內的所有實施例。
權利要求
1、一種半導體裝置，其包含a.半導體電路小片，其具有包含控制及第一端子區域的第一表面及包含第二端子區域的第二表面；b.引線框架，其包含電路小片附接墊、控制引線及端子引線；及c.導線，其包含第一金屬的芯及第二金屬的塗層。
2、 如權利要求l所述的裝置，其中所述第一金屬包括鋁、鋁合金、金或金合金。
3、 如權利要求l所述的裝置，其中所述第二金屬包括鎳、鈀或銀。
4、 如權利要求l所述的裝置，其中所述半導體電路小片選自由二極體、金屬氧化半 導體場效應電晶體、可控矽整流器、集成電路及絕緣柵雙極電晶體組成的群組。
5、 如權利要求l所述的裝置，其中所述半導體裝置進一步包含封裝材料。
6、 一種製造半導體裝置的方法，其包含以下步驟a. 提供半導體電路小片，其具有第一及第二表面，所述半導體電路小片包含在 所述電路小片的所述第一表面上的控制區域及第一端子區域及在所述電路小 片的所述第二表面上的第二端子區域；引線框架，其具有電路小片附接墊以及 控制及端子引線；及導線，其具有第一金屬的芯及第二金屬的塗層；b. 將所述電路小片附接到所述引線框架的所述電路小片附接墊；c. 將所述導線附接到所述半導體電路小片且附接到所述引線框架的引線；及d. 封裝所述電路小片、電路小片附接墊、引線及導線。
7、 如權利要求6所述的方法，其中所述導線的所述第一金屬包括鋁或鋁合金。
8、 如權利要求7所述的方法，其中所述第二金屬選自由鎳或鈀組成的群組。
9、 如權利要求8所述的方法，其中所述附接方法包括熱超聲鍵合。
10、 如權利要求8所述的方法，其中所述鍵合步驟為超聲波鍵合。
11、 如權利要求6所述的方法，其中所述第一金屬包括金或金合金。
12、 如權利要求ll所述的方法，其中所述第二金屬包括銀。
13、 如權利要求12所述的方法，其中所述鍵合步驟為熱超聲鍵合。
14、 一種連接電子部件的方法，其包含以下步驟a. 提供第一及第二電子部件以及包含第一金屬的芯及第二金屬的塗層的導線；b. 將所述導線附接到所述第一電子部件；及c. 將所述導線附接到所述第二電子部件。
15、 如權利要求14所述的方法，其中所述第一金屬包括鋁或鋁合金，所述第二金屬 選自由鎳及鈀組成的群組，且所述附接方法包括熱超聲鍵合。
16、 如權利要求14所述的方法，其中所述第一金屬包括鋁或鋁合金，所述第二金屬 選自由鎳及鈀組成的群組，且所述附接方法包括超聲波鍵合。
17、 如權利要求14所述的方法，其中所述第一金屬包括金或金合金，所述第二金屬 包括銀，且所述附接方法包括熱超聲鍵合。
18、 一種半導體電路小片鍵合導線，其包含第一金屬的芯及第二金屬的塗層。
19、 如權利要求18所述的導線，其中所述第一金屬是鋁、鋁合金、金或金合金。
20、 如權利要求18所述的導線，其中所述第二金屬是鎳、鈀或銀。
全文摘要
本發明的裝置包括半導體電路小片，所述半導體電路小片附接到裸銅引線框架且通過塗覆有金屬材料的金屬導線電耦合至引線。所述裝置的作用將類似於其中引線框架塗覆有其它金屬材料的裝置，但因以鍍敷導線來代替鍍敷引線框架而具有較低的成本。所述導線可以是金或鋁。當所述導線是金時，塗層可以是銀或其它適合的金屬材料。當所述導線是鋁時，塗層可以是鎳、鈀或其它適合的金屬。
文檔編號H01L23/495GK101405863SQ200780009836
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月27日 優先權日2006年3月27日
發明者斌 曹, 權溶錫, 李相道 申請人:飛兆半導體公司