JP2006073693A - ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】 中間焼鈍を施さなくても、直進性に優れていてリーニング不良の発生率が低く、かつ、ワイヤボンディングにおけるワイヤ先端のボールのいびつさが少ないボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】 ワイヤ全質量あたり、Ｙを５〜３５ｐｐｍ含有し、かつ、ランタノイド元素から選択された少なくとも１種の元素を含有し、その合計含有量がワイヤ全質量あたり５〜５０ｐｐｍであり、さらに、所定量のＢｅを含有し、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体素子上の電極とパッケージ等の外部電極とを電気的に接続するために用いる半導体素子用のボンディングワイヤに関する。
従来、半導体素子上の電極と外部リード（リードフレームやパッケージの外部引出し用端子）とを接続するために用いられるボンディングワイヤの製造においては、まず溶解鋳造した所定組成の鋳造材に溝ロール圧延加工を施してワイヤ鋳造材を作製する。そして、これをダイヤモンドダイス等によって、例えば１５μｍや３０μｍ等の所定線径まで縮径伸線加工し、さらに最終焼鈍により加工歪みを除去してボンディングワイヤを得ている。
このようにして製造されるボンディングワイヤは、半導体素子並びにパッケージのサイズの小型縮小化に対応させるため、細線化と共に、より高い引張強度の実現が図られてきた。
しかしながら、近年、半導体素子の高集積化並びにパッケージのさらなる小型縮小化の進行に伴って、ワイヤ間隔（ボンディングピッチ）が狭まり、またボンディングワイヤのループ長も４ｍｍや５ｍｍのように長くなってきた。このため、角度にして極めて小さな曲がりやリーニングが存在しても、隣り合うボンディングワイヤ同士が接触しやすくなり、ショート不良が多発するという問題が発生している。
リーニング不良とは、図１に示すように、ワイヤボンディング後のボンディングワイヤ１をそのループの伸長方向と平行な方向から観察したときに、半導体素子４のパッドに接着したボール２のすぐ上の部分（ボール直上部３）においてボンディングワイヤ１が横方向に傾斜し、傾斜したボンディングワイヤ１のループ上部１ａが隣接するワイヤのループ上部１ｂに近接している状態をいう。こうした状態は電気的ショートの原因となるため、リーニング不良の発生したパッケージは不良品として処理され、製品歩留りを大きく低下させる要因となっている。
しかも、ボンディングワイヤがリーニング不良を起こしやすいか否かは、試験的にワイヤボンディングを行った後に、ボール直上部の引張強度を測定することによって評価している。このため、リーニング不良を起こし難いボンディングワイヤの評価管理は極めて面倒である。
また、半導体素子が小さくなると素子上の電極（パット）も小さくなるため、ワイヤボンディングの際にワイヤ先端に溶融形成されるボールのサイズも電極に合わせて小さくしなければならないが、ボールのサイズを電極に合わせて小さくしても、ボールにいびつさがあると素子上の電極（パット）からはみ出しやすくなり、これもショート不良の原因となっている。
なお、特許文献１では、引張強度を向上させたボンディングワイヤとして、Ｙ及び希土類元素とＢｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂおよびＡｌから一種以上が選択された第２添加元素を添加し、残部を９９．９９質量％以上の純度を持つ金からなるボンディングワイヤが提案されている。しかし、このボンディングワイヤはボンディングに耐える強度を持つというだけで、リーニング不良低減やボールの真円性については考慮されていない。
また、特許文献２では、リーニング不良低減にはボンディングワイヤの高温引張強度（５２３Ｋ）を０．２％耐力（２９８Ｋ）よりも大きくすることが効果的であることが指摘されているが、そのためには縮径伸線工程の間に１回以上の中間焼鈍をすることが必要であり、生産性において不利である。
特開昭６０−３０１５８号公報
特許３４９４１７５号公報
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、中間焼鈍をしなくても、直進性に優れていてリーニング不良の発生率が低く、かつ、ワイヤボンディングの際のワイヤ先端のボールのいびつさが少ないボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体素子用のボンディングワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Ｙを５〜３５ｐｐｍ含有し、かつ、ランタノイド元素から選択された少なくとも１種の元素を含有し、その合計含有量がワイヤ全質量あたり５〜５０ｐｐｍであり、さらに、Ｂｅを含有し、その含有量がワイヤ全質量あたり、下記数式１を満たし、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
Figure 2006073693
ただし、Ｙの添加量をｘ(ｐｐｍ)、ランタノイド元素の添加量をｙi(ｐｐｍ)、Ｂｅの添加量をＺ(ｐｐｍ)とし、また、Ｙの原子量をａ、添加するランタノイド元素の原子量をｂi、Ｂｅの原子量をｃとする。
ここで、ランタノイド元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのことである。
前記Ｙの含有量は、ワイヤ全質量あたり、１５〜３５ｐｐｍであることが好ましい。
また、前記ランタノイド元素は、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＳｍであることが好ましい。
さらに、Ｃａ、ＧｅおよびＰｄから選択された１種以上の元素を、合計で、ワイヤ全質量あたり、５〜６５ｐｐｍ含有させることも好ましい。
本発明によれば、中間焼鈍をしなくても、直進性に優れていてリーニング不良の発生率が低く、かつ、ワイヤボンディングの際のワイヤ先端のボールのいびつさが少ないボンディングワイヤが得られる。
従って、本発明を用いれば、半導体素子の高集積化およびパッケージの小型縮小化に対応することができ、１００μｍ以下の狭いボンディングピッチであっても、ワイヤボンディング工程および樹脂モールド工程において、リーニングに起因した不良を低減させることができる。このため、半導体素子の組立工程における製品の歩留および半導体素子の信頼性を向上させることができる。
ワイヤボンディング時には、キャピラリ動作によってボール直上部に塑性変形が加えられ、ボンディングワイヤのループが形成されるため、リーニング不良にはボール直上部の引張強度が関係すると考えられる。そこで、本発明者らは、５２３Ｋ（２５０℃）の温度雰囲気で１５〜２５秒間加熱された後に引き続き同じ５２３Ｋの温度雰囲気で測定したボンディングワイヤの引張強度（以後、高温引張強度と記す。）と、ワイヤボンディング後のボール直上部の引張強度との関係を調査したところ、両者には強い正の相関関係があることを見出した。したがって、高温引張強度を大きくすることでワイヤボンディング後のボール直上部の引張強度が大きくなり、リーニング不良を抑制することができると考えられる。実際、２９８Ｋ（２５℃）における０．２％耐力よりも高い高温引張強度を有するボンディングワイヤではリーニング不良が激減することを本発明者らは確認している（特許文献２参照）。
２９８Ｋ（２５℃）における０．２％耐力よりも高い高温引張強度を有するボンディングワイヤは、ワイヤ組織の乱れを調整することによって製造することができる。ワイヤ組織の乱れが、ワイヤの直進性を低下させ、かつリーニング不良発生の大きな原因となっているからである。ワイヤ組織の乱れの調整は、縮径伸線工程中に中間焼鈍を行うことにより、効果的に行うことができることを本発明者らは見出している（特許文献２参照）。なお、従来の一般的な製造方法により、ワイヤ鋳造材を途中で全く中間焼鈍をすることなく所定の最終線径まで縮径伸線加工した後、最終焼鈍をして製造したボンディングワイヤは、０.２％耐力よりも高い高温引張強度を有することは通常ない。
しかし、縮径伸線工程中に中間焼鈍を行うことは、製造工程の工程数を増やし、生産性を落としてしまう。そこで、本発明者は、縮径伸線工程中に中間焼鈍を行わずに、２９８Ｋ（２５℃）における０．２％耐力よりも高い高温引張強度を有するボンディングワイヤを製造することができないか鋭意研究を進めた。その結果、本発明者は、研究を進める中で、Ａｕに添加するＹの量を通常の量（５〜１０ｐｐｍ）よりも増やしてみたところ、中間焼鈍を一切行わずとも、２９８Ｋ（２５℃）における０．２％耐力に対する高温引張強度の比を大きくすることができることを見出した。また、ＡｕにＹを添加することは、ボンディングワイヤ先端のボールがいびつに潰れることを防ぐ効果もあることを見出した。このようなＹ添加による効果が発現する理由は、Ｙは融点が高く耐熱性に優れているためと考えられる。
しかし、近年要求されているルーピング性能（リーニング性、ネック倒れ等）のうち、例えばリーニング性を満たすためにはＹの添加のみでは不十分であった。そこで、本発明者はＬａ、Ｃｅ、Ｎｄなどのランタノイド元素を添加する研究を進めたところ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄなどのランタノイド元素を一定量添加することで、リーニング性を満たすようになることを見出した。
また、本発明者はボールの真円度をさらに向上させるには一定量のＢｅの添加が有効であることも見出した。
本発明は、上述した知見に基づき完成されたものである。
以下、本発明に係るボンディングワイヤの各構成要件における数値限定理由等について説明する。
「Ｙ」
Ｙは、２９８Ｋ（２５℃）における０．２％耐力に対する高温引張強度の比を大きくするとともに、ボンディングワイヤ先端のボールがいびつに潰れることを防ぐ効果がある。
通常、Ａｕの強度上昇に効果的な元素は、Ａｕに添加することにより０．２％耐力と高温引張強度をともに上昇させる。このため、０．２％耐力に対する高温引張強度の比はあまり変わらない。しかし、Ｙは融点が高く、ワイヤの耐熱性（高温引張強度）を大きく上昇させるため、Ｙの添加によって０．２％耐力に対する高温引張強度の比を大きくさせることができる。また、Ｙの耐熱性によって、ボンディングワイヤ先端のボールのいびつな変形も防止できる。
Ｙの含有量は、５〜３５ｐｐｍであることが好ましい。Ｙの含有量が５ｐｐｍより少ないと、リーニング不良およびボールのいびつさを防ぐ効果が小さくなるためである。また、Ｙの添加量が３５ｐｐｍを超えると、融点の高いＹの添加量が多くなりすぎ、伸び特性を製品としての規格に入るようにするためには最終焼鈍温度をかなり上げなければならず、結果としてワイヤの常温強度が低下してしまうからである。なお、Ｙを３５ｐｐｍを超えて添加することによって耐熱性を向上させたワイヤでは、高温引張強度／０．２％耐力比が１以上であっても、かえってリーニング不良率が上昇することがある。
また、Ｙの含有量は、１５〜３５ｐｐｍであることがより好ましい。Ｙの含有量を１５ｐｐｍ以上とすることで、高温引張強度／０．２％耐力比がより大きくなり、リーニング発生率がより低下するからである。
「ランタノイド元素」
ランタノイド元素は、リーニング不良をより低減させる効果がある。ランタノイド元素としては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍがあげられるが、その他、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕも使用することができる。ただし、より少量の添加でも効果が大きい点から、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍを使用することが好ましい。
また、添加するランタノイド元素は２種以上の元素であってもよいが、一般には１種を選択すれば十分である。
ランタノイド元素の含有量は、５〜５０ｐｐｍであることが好ましい。ランタノイド元素の添加量が５ｐｐｍより少ないと、前記した効果の発現が小さくなるためである。また、ランタノイド元素の添加量が５０ｐｐｍを超えるとワイヤがもろくなるとともに、Ｙ添加の効果（リーニング不良防止、ワイヤ先端のボールのいびつさの発生防止）が薄れるためである。
「Ｂｅ」
Ｂｅは、ボールの真円度をさらに向上させる働きがある。
Ｂｅの添加量は前記数式１の範囲に限定する必要がある。この範囲に限定しないと効果が見られないばかりか、かえってワイヤの特性を悪化させる可能性があるからである。Ｂｅの添加量が前記数式１の下限を下回る場合には、Ｂｅ添加の効果が小さくなってしまう。また、Ｂｅの添加量が前記数式１の上限を上回る場合には、ランタノイド元素との相互作用を無視できなくなり、ワイヤがもろくなり、ボンディングに支障をきたすおそれがある。
「Ａｕ」
添加元素および不可避的不純物以外はＡｕのみからなることが好ましい。このような組成にすることにより、ワイヤ内には良好な繊維組織が生じて直進性が高くなり、リーニング不良の少ないループを安定して得ることができるからである。
「Ｃａ、ＧｅおよびＰｄ」
なお、添加元素として、さらに、Ｃａ、Ｇｅおよび／またはＰｄを微量添加（５〜６５ｐｐｍ）することにより、合金化し、ワイヤ強度を向上させることができるが、６５ｐｐｍを超えて添加するとボンディング中に接合不良を起こす等の不具合が生じるので、添加量には注意する必要がある。
（実施例１〜１３、比較例１４〜１８）
純度９９.９９９質量％以上の高純度Ａｕに表１に示すような元素を添加した組成の金合金について、それぞれ溶解鋳造後に溝ロール圧延して、線径２５ｍｍのワイヤ鋳造材を製造した。
得られた各ワイヤ鋳造材について、縮径伸線を施して、最終線径を２５μｍとした後、常温での伸び率が４〜６％となるように４９０〜５２０℃で最終焼鈍（連続焼鈍）を施した。実施例１〜１３および比較例１４〜１８のいずれのサンプルについても、中間焼鈍は一切行っていない。
最後に、ワイヤ表面に単分子膜厚相当のポリオキシレンアルキルエーテルを塗布し、金ボンディングワイヤとした。
Figure 2006073693
得られた実施例１〜１３および比較例１４〜１８の金ボンディングワイヤについて、温度２９８Ｋでの０.２％耐力を測定するとともに、５２３Ｋの温度雰囲気で１５〜２５秒間加熱した後に引き続き同温度雰囲気で引張強度（高温引張強度）を測定した。その測定結果を表２に示す。
また、各ボンディングワイヤについて、内径３０μｍのキャピラリを用いてワイヤ間隔６０μｍ、ループ長５ｍｍにて３８２０本のボンディングを行った後、隣接するワイヤ同士のループ上部の間隔を測定顕微鏡で測定し、その間隔が４０μｍ以下のワイヤをリーニング不良と判定して、リーニング発生率を求めた。その結果も表２に併せて示す。
なお、ワイヤボンダにはＵＴＣ４００（株式会社新川製）を用い、ループモードを「ＳＱＲ（ワイヤループ形状を台形に形成するモード）」、ループ高さは２８０μｍに設定した。
また、該ワイヤボンダによりボンディングを行った各サンプルについて、ボンディングワイヤ先端のボールのいびつさについての評価をするため、素子上の電極にボンディングする際のボール２（図１参照）の形状を測定した。具体的には、水平面（素子上の電極を含むボンディングを行なう平面）上における互いに直交する方向（キャピラリを駆動制御する際の基準となる互いに直交する座標軸の方向）について、ボール２（図１参照）の直径を測定した。各方向についてのボールの直径の測定値をＸ、Ｙとし、実施例１〜１３、比較例１４〜１８のそれぞれのワイヤについて、ボールディストーションＤ（平面的に見たボールの扁平度に相当）を算出した。ｎ本のワイヤについて評価した場合、ボールディストーションＤは下記数式２で算出される。今回はｎを５０としてボールディストーションＤを算出した。その結果も表２に併せて示す。
Figure 2006073693
Figure 2006073693
比較例１４は、ランタノイド元素の合計含有量が本発明の下限値から外れている。このため、高温引張強度／０．２％耐力比は１を下回っており、リーニング発生率が２．６７０％と高くなっている。また、ボールディストーションＤは０．００８５と大きくなっており、ワイヤボンディングにおけるボールのいびつさも大きくなっている。
比較例１５は、ランタノイド元素の合計含有量が本発明の上限値から外れている。また、Ｂｅの含有量も本発明の上限値から外れている。このため、高温引張強度／０．２％耐力比は１を下回っており、リーニング発生率が２．２５１％と高くなっている。
比較例１６は、Ｙの含有量が５０ｐｐｍであり、Ｙの含有量が本発明の上限値から外れている。このため、リーニング発生率が４．７１２％と高くなっている。また、ボールディストーションＤは０．０１８０と大きくなっており、ワイヤボンディングにおけるボールのいびつさも大きくなっている。さらに、融点の高いＹの添加量が多くなりすぎており、製品として必要な他の特性（伸び等の特性）を満たすためには最終焼鈍温度をかなり上げなければならず、結果としてワイヤの常温強度が低下してしまう。
比較例１７は、Ｙの含有量が５０ｐｐｍであり、Ｙの含有量が本発明の上限値から外れている。このため、リーニング発生率が６．０７３％と高くなっている。また、ボールディストーションＤは０．０１２０と大きくなっており、ワイヤボンディングにおけるボールのいびつさも大きくなっている。さらに、融点の高いＹの添加量が多くなりすぎており、製品として必要な他の特性（伸び等の特性）を満たすためには最終焼鈍温度をかなり上げなければならず、結果としてワイヤの常温強度が低下してしまう。
比較例１８は、Ｂｅの含有量が本発明の下限値から外れている。このため、ボールディストーションＤの値が０．０２５７と大きくなっており、本発明の範囲内の実施例１〜１３のボールディストーションＤの値と比べると５〜２０倍程度となっており、ワイヤボンディングにおけるボールのいびつさは著しく大きくなっている。このことより、Ｂｅの添加はボールのいびつさを小さくすることに効果があることがわかる。
これに対し、本発明の範囲内の実施例１〜１３は、リーニング発生率はいずれも０．８％以下と小さく、ボールディストーションＤの値もいずれも０．００５０以下と小さくなっている。
また、本発明の範囲内の実施例１〜１３においては、Ｙ添加量が増えれば高温引張強度／０．２％耐力比が大きくなり、リーニング発生率が低下する傾向があることがわかる。
ボンディングワイヤのリーニング不良の状態を模式的に示す側面図である。
符号の説明
１：ボンディングワイヤ
１ａ、１ｂ：ループ上部
２：ボール
３：ボール直上部
４：半導体素子

Claims (4)

  1. Ａｕを主成分とする半導体素子用のボンディングワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｙを５〜３５ｐｐｍ含有し、かつ、ランタノイド元素から選択された少なくとも１種の元素を含有し、その合計含有量がワイヤ全質量あたり５〜５０ｐｐｍであり、さらに、Ｂｅを含有し、その含有量がワイヤ全質量あたり、下記の式を満たし、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用のボンディングワイヤ。
    Figure 2006073693
    ただし、Ｙの添加量をｘ(ｐｐｍ)、ランタノイド元素の添加量をｙi(ｐｐｍ)、Ｂｅの添加量をＺ(ｐｐｍ)とし、また、Ｙの原子量をａ、添加するランタノイド元素の原子量をｂi、Ｂｅの原子量をｃとする。
  2. 前記Ｙの含有量が、ワイヤ全質量あたり、１５〜３５ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用のボンディングワイヤ。
  3. 前記ランタノイド元素が、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＳｍである請求項１または２に記載の半導体素子用のボンディングワイヤ。
  4. さらに、Ｃａ、ＧｅおよびＰｄから選択された１種以上の元素を、合計で、ワイヤ全質量あたり、５〜６５ｐｐｍ含有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子用のボンディングワイヤ。
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