JP2003007757A - 半導体素子ボンディング用金合金ワイヤ - Google Patents

半導体素子ボンディング用金合金ワイヤ

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mass
wire
bonding
gold alloy
alloy wire
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Masao Naito
雅夫 内藤
Jun Meya
女屋　　純
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 他金属元素が0.01質量％を超えて添加されて
も、高強度であり、過度な比抵抗の上昇が抑えられ、か
つループ変形が起きない半導体素子ボンディング用金合
金ワイヤを提供する。 【解決手段】 （１）Ag、並びに（２）（イ）Ca、Yおよ
び希土類元素の内の１種以上、および（ロ）BeおよびMg
の内の１種以上の一方または両方をそれぞれ所定量含
み、必要に応じてさらに（３）Ga、In、GeおよびSnの内の
１種以上を所定量含み、残部がAuおよび不可避不純物か
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上の電
極と外部リードとを電気的に接続するための半導体素子
ボンディング用金合金ワイヤに関し、より詳しくは１次
側接合前に放電によりボールを形成するボールボンディ
ング、特に超音波併用熱圧着方式のボールボンディング
に用いる該ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】トランジスタ、IC、LSIなどの半導体素子
（チップ）上の電極とワイヤとを接合し（１次側接合）
次に該ワイヤと外部リードとを接合する（２次側接合）
ことにより該電極と外部リードとを電気的に接続するた
めに、金属元素を微量添加した純度99.99質量％以上の
金合金ワイヤが、通常用いられている。この電気的に接
続する方法には、超音波併用熱圧着法が主としてが用い
られている。
【０００３】上記超音波併用熱圧着法によれば、（１）
キャピラリーにワイヤを挿通させてその先端を電気トー
チに対向させ、ワイヤと電気トーチの間にスパーク放電
させることでワイヤ先端にボールを形成する、（２）キ
ャピラリーを下降させて該ボールを電極に接触させ、キ
ャピラリーによる圧下、超音波振動の印加およびヒータ
ーブロックによる加熱の相乗効果で該ボールと電極を接
合する（１次側接合）、（３）所定の軌跡を描いてキャ
ピラリーを上昇させて外部リード直上に移動させ、下降
させた後に、超音波振動とヒーターブロックによる加熱
で外部リードとワイヤを接合する（２次側接合）、
（４）ワイヤがクランパーによってクランプされた状態
でキャピラリーを上昇させ、ワイヤを切断する、（５）
他の電極と外部リードとの接続のために、上記（１）〜
（４）の一連の動作を連続して行う。
【０００４】ところで、近年、半導体コストの削減に対
する要請は益々強くなっており、必然的にその影響が部
材にも及んでいる。部材コストの削減に対する一つの方
策として、線径のより細いワイヤに置き換えていく、い
わゆる細線化が進行している。しかるに、細線化を行う
と、それによってワイヤ強度が低下し樹脂流れなどの不
具合が生じる。従って、細線化においては、細線化前よ
り高強度のワイヤに置き換えることが多い。しかしなが
ら、従来の純度99.99質量％の範疇でワイヤを高強度化
しようとしても、限界がある。
【０００５】そこで、他金属元素の添加量が0.01質量％
を超えるようにしたワイヤが注目されている。しかる
に、超音波併用熱圧着方式のボンダーでは大気中でボー
ルを形成する必要があるので、0.01質量％を超えて添加
して高強度化できる元素は、Auに固溶するものに主とし
て限られていた。すなわち、Ag（特開昭56-19628号公
報）、Pt（特開昭56-49534号公報）、Pd（特開昭56-495
35号公報）、Cu（特開平2-119148号公報）などであっ
た。
【０００６】しかしながら、上記高強度化の方法は、次
の２つの問題を有している。
【０００７】（１）上記元素がAuに固溶するため、添加
量に応じてワイヤの比抵抗が大きくなる。つまり、細線
化により抵抗値が上昇する上に、比抵抗自体も大きくな
るので、ますます抵抗値が大きくなる。そのため、発熱
による素子の誤動作や、場合によっては発熱による断線
が起きかねない。
【０００８】（２）超音波併用熱圧着方式のボンダーで
は、ワイヤを電極に接合させてから外部リードに接合さ
せるまでのキャピラリーの動作を工夫することにより、
ワイヤーに適度な癖をつけて安定したループ形状を形成
している。ところが、ワイヤがあまりに高強度になる
と、ワイヤの剛性により上記癖がつきにくくなり、かえ
ってループが変形して組み立て収率が低下する問題があ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、細
線化への流れに対応する上での上記問題を解消し、他金
属元素が0.01質量％を超えて添加されても、高強度であ
り、過度な比抵抗の上昇が抑えられ、かつループ変形が
起きない半導体素子ボンディング用金合金ワイヤを提供
することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体素子ボンディング用金合金ワイヤ
は、以下のように構成される。すなわち、Agを0.05〜0.
95質量％、並びにCa、Yおよび希土類元素の内の１種以上
を0.0001〜0.005質量％含み、残部がAuおよび不可避不
純物からなる。
【００１１】別の構成としては、Agを0.05〜0.95質量
％、並びにBeおよびMgの内の１種以上を0.0001〜0.003
質量％含み、残部がAuおよび不可避不純物からなる。
【００１２】さらに、Agを0.05〜0.95質量％、Ca、Yおよ
び希土類元素の内の１種以上を0.0001〜0.005質量％、
並びにBeおよびMgの内の１種以上を0.0001〜0.003質量
％含み、残部がAuおよび不可避不純物からなるものでも
よい。
【００１３】また、上記３発明のいずれかにおいて、0.
0001〜0.02質量％の、Ga、In、GeおよびSnの内の１種以上
をAuと置換したものでもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の半導体素子ボンディング
用金合金ワイヤにおいて、Agは、固溶強化でワイヤ強度
を向上させる。そして、Agの添加量が増加するに応じ
て、比抵抗が増加し、またワイヤ強度も高くなる。しか
しながら、前記したように、比抵抗が増加しすぎる（例
えば３μΩ・cmを超える）と素子の誤動作や断線が起き
やすくなり、またワイヤ強度が高くなりすぎると剛性が
悪影響してループ変形が起きやすくなる。従って、Ag添
加量の上限は0.95質量％とした。一方、Ag添加量が0.05
質量％未満では強度向上の効果が不十分であるので、Ag
添加量の下限は0.05質量％とした。
【００１５】Auに0.01質量％を超えて添加して高強度化
できる金属元素は、前述したようにAgの他に、Pt、Pdお
よびCuが知られている。しかし、Pt、PdおよびCuは、次
の理由により適当でない。すなわち、PtおよびPdは、Au
よりも単価の高い元素であり、その使用はワイヤのコス
ト高、ひいては半導体のコスト高に繋がる。また、Cu
は、単価では問題ない。しかし、Cuを0.01質量％を超え
て添加した金合金ワイヤは、金合金ワイヤが伸線加工工
程後に通常経るアニール工程で問題を生ずる。すなわ
ち、Cuを0.01質量％を超えて添加した金合金ワイヤを大
気中でアニールすると、Cuが酸化されてボンディング時
の接合性が大きく損なわれる。この酸化を防ぐためには
不活性雰囲気もしくは還元雰囲気でアニールを行えばよ
いが、この雰囲気の使用はワイヤのコスト高、ひいては
半導体のコスト高に繋がる。なお、純度99.99質量％の
金合金ワイヤを大気中でアニールしても、何ら問題はな
い。
【００１６】Ca、Yおよび希土類元素は、ワイヤの強度や
耐熱性を向上させる。これらの元素の内の１種以上の添
加量が0.0001質量％未満であると、ワイヤの強度や耐熱
性を向上させる効果が期待できない。一方、上記添加量
が0.005質量％を超えると、ワイヤ強度が高くなりすぎ
て剛性が強いためループ変形が起きやすくなる。そのた
め、Ca、Yおよび希土類元素の内の１種以上の添加量は0.
0001〜0.005質量％とした。
【００１７】BeおよびMgは、強度を向上させるが、加工
硬化を起こしやすい特徴を有している。そのため、これ
らの元素の内の１種以上の添加量が多すぎると、ループ
変形が生じてしまう。よって、上記添加量の上限は0.00
3質量％とした。一方、上記添加量が0.0001質量％未満
では強度を向上させる効果が発揮できないので、該添加
量の下限値は0.0001質量％とした。
【００１８】Ga、In、GeおよびSnは、Ca、Y、希土類元素、B
eおよびMgの添加によってワイヤの剛性が増加するのを
緩和する効果を有する。なお、Ga、In、GeおよびSnによる
強度向上の効果はあまり望めない。Ga、In、GeおよびSnの
内の１種以上の添加量が0.02質量％を超えると、接合強
度、特に外部リードとの接合強度が低下し、場合によっ
ては不着が発生することがある。一方、上記添加量が0.
0001質量％未満では、ワイヤの剛性が増加するのを緩和
する効果が十分に発揮されない。そのため、Ga、In、Geお
よびSnの内の１種以上の添加量は、0.0001〜0.02質量％
と定めた。
【００１９】なお、本発明の半導体素子ボンディング用
金合金ワイヤは、アニールする温度により伸び率を3.5
％以上に調整して用いるのが望ましい。何故なら、伸び
率が3.5％未満のワイヤは、アニールによる歪除去が不
十分で剛性が強くなる傾向があり、ループ変形を起こす
危険性が増すからである。
【００２０】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。
【００２１】［実施例１〜15、比較例１〜６］図１は、
以下の実施例および比較例の金合金ワイヤの製造工程を
示すフローチャートである。
【００２２】溶解鋳造することにより、純度99.999質量
％のAuに他金属元素を表１および表２に示すように添加
した後、溝ロール加工を経、ダイスを用いて線引き加工
を順次行って、直径0.025mmの線材を得た。さらに、得
られた線材をアニールすることにより伸び率を５％に調
整した後、巻き取って、金合金ワイヤ評価用の試料とし
た。
【００２３】金合金ワイヤの評価では、ワイヤ強度、導
電性、ボンディング時のワイヤ変形性、およびボンディ
ングの接合性を調査した。各々の調査方法は次の通りで
ある。
【００２４】（１）ワイヤ強度 ワイヤ強度は、市販の引張試験機を用いて常温の引張強
度を測定した。
【００２５】（２）導電性 導電性は、直流４端子法により比抵抗を測定した。
【００２６】（３）ボンディング時のワイヤ変形性 新川製ボンダー(UTC-50.6型)を用いて、ボンディング距
離：2.5mm、Ｆモード、ボンディング数(n)：100の条件
でボンディングを行った後、ボンディング後のループ高
さを全ループについて測定し、得られた測定値(100個)
の平均値とばらつき（標準偏差）からボンディング時の
ワイヤ変形性を評価した。この際、ボンディング後のル
ープ高さを測定する方法を図２に示す。図２において、
ワイヤ１の各ループの最も高い位置Ｐでの、そのループ
の１次側接合面２（ワイヤ１と接合している電極３の
面）からの高さＨを測定した。また、ボンディング時の
ワイヤ変形性の評価は、上記標準偏差が10μm未満を良
好とし、10μm以上を不良とした。
【００２７】（４）ボンディングの接合性 上記（３）においてループ高さを測定した全ループ(100
ループ)について引張試験を行い、ボンディングの接合
性を評価した。この際の引張試験方法を図３に示す。図
３において、各ループの２次側接合部４（ワイヤ１と外
部リード５との接合部）の近傍でワイヤ１をフック６に
引っ掛けて引張試験を行った。また、ボンディング接合
性の評価は、ワイヤで破断したのがすべての場合を良好
とし、１本でも接合部で破断した場合を不良とした。
【００２８】以上の結果を表３および表４に示す。
【００２９】表３および表４から次のことが分かる。
【００３０】（１）実施例１〜15は、いずれも、強度が
高く、また比抵抗も３μΩ・cm以下で（従って、純度99.
99質量％以上で低比抵抗のワイヤと同条件で使用で
き）、さらに、ボンディング時のワイヤ変形性につい
て、高強度化の副作用である剛性増加に伴うループ変形
が生じないため、ループ高さの平均値が平常で標準偏差
が小さい。そして、ボンディングの接合性も良好であ
る。
【００３１】（２）比較例１は、Agの添加量が少なすぎ
るため、強度が低く、Agによる強度向上効果がみられな
い。
【００３２】（３）比較例２は、Agの添加量が多すぎる
ため、比抵抗も３μΩ・cmを超え、さらに、ボンディン
グ時のワイヤ変形性について、ループ高さが異常に高く
なるループ変形が所々に生じて、ループ高さの平均値が
押し上げられ、標準偏差が増大している。
【００３３】（４）比較例３はCaが多すぎ、比較例４は
Beが多すぎるため、ボンディング時のワイヤ変形性につ
いて、比較例２と同様にループ変形が生じて、ループ高
さの平均値が高く標準偏差も大きい。
【００３４】（５）比較例５は、Geが多すぎるため、２
次側接合部での引張試験で該接合部から破断することが
あり、ボンディングの接合性も不良である。
【００３５】（６）比較例６は、Agを添加していないた
め、比較例１と同様に強度が低い。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】
【表４】
【００４０】
【発明の効果】本発明の半導体素子ボンディング用金合
金ワイヤは、他金属元素が0.01質量％を超えて添加され
ても、過度な比抵抗の上昇が抑えられつつ、ワイヤ細線
化に必要な強度向上を実現するとともに、ボンディング
時における変形ループの発生を防止し、かつ良好な接合
性を維持するので、半導体コストの削減に大きく貢献す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例および比較例の金合金ワイヤの製造工程
を示すフローチャートである。
【図２】実施例および比較例の金合金ワイヤのボンディ
ング後のループ高さを測定する方法を示す図である。
【図３】実施例および比較例の金合金ワイヤのボンディ
ング接合性を評価する際に行った引張試験方法を示す図
である。
【符号の説明】
１ ワイヤ ２ １次側接合面 ３ 電極 ４ ２次側接合部 ５ 外部リード ６ フック Ｐ ループの最も高い位置 Ｈ ボンディング後のループ高さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F044 FF04 5G301 AA02 AA04 AA05 AA10 AA11 AA12 AA20 AA30 AB02 AB20 AD01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Agを0.05〜0.95質量％、並びにCa、Yおよ
    び希土類元素の内の１種以上を0.0001〜0.005質量％含
    み、残部がAuおよび不可避不純物からなる半導体素子ボ
    ンディング用金合金ワイヤ。
  2. 【請求項２】 Agを0.05〜0.95質量％、Ca、Yおよび希土
    類元素の内の１種以上を0.0001〜0.005質量％、並びにG
    a、In、GeおよびSnの内の１種以上を0.0001〜0.02質量％
    含み、残部がAuおよび不可避不純物からなる半導体素子
    ボンディング用金合金ワイヤ。
  3. 【請求項３】 Agを0.05〜0.95質量％、並びにBeおよび
    Mgの内の１種以上を0.0001〜0.003質量％含み、残部がA
    uおよび不可避不純物からなる半導体素子ボンディング
    用金合金ワイヤ。
  4. 【請求項４】 Agを0.05〜0.95質量％、BeおよびMgの内
    の１種以上を0.0001〜0.003質量％、並びにGa、In、Geお
    よびSnの内の１種以上を0.0001〜0.02質量％含み、残部
    がAuおよび不可避不純物からなる半導体素子ボンディン
    グ用金合金ワイヤ。
  5. 【請求項５】 Agを0.05〜0.95質量％、Ca、Yおよび希土
    類元素の内の１種以上を0.0001〜0.005質量％、並びにB
    eおよびMgの内の１種以上を0.0001〜0.003質量％含み、
    残部がAuおよび不可避不純物からなる半導体素子ボンデ
    ィング用金合金ワイヤ。
  6. 【請求項６】 Agを0.05〜0.95質量％、Ca、Yおよび希土
    類元素の内の１種以上を0.0001〜0.005質量％、Beおよ
    びMgの内の１種以上を0.0001〜0.003質量％、並びにGa、
    In、GeおよびSnの内の１種以上を0.0001〜0.02質量％含
    み、残部がAuおよび不可避不純物からなる半導体素子ボ
    ンディング用金合金ワイヤ。
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