JP2007019349A - ボンディングワイヤ - Google Patents

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女屋　　純
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

【課題】第一ボンディングで接合したボンディングワイヤと半導体素子上の電極との間の接合強度が十分であり、半導体素子を樹脂封入する際にボンディングワイヤ同士の接触による不良が起こりにくく、また、ボール硬度が大きすぎず、チップにクラックを生じないことに加え、さらに振動などによる金属疲労が起こりにくい特性を有するボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であるボンディングワイヤとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子のチップ電極と外部リードとを接続するために使用されるボンディングワイヤに関する。
ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子の電極と、外部リードとを接続するために、一般に０．０１〜０．１ｍｍの直径を有するボンディングワイヤが用いられている。
前記ワイヤのボンディングには、ボンディング治具となるセラミック製キャピラリー、該キャピラリーを保持するためのもので前後上下左右に移動可能なヘッド、コントローラ、及び、ボール形成のための電気トーチを備えてなる超音波熱圧着式ワイヤボンダーが使用されている。
また、ボンディング方式には、ボンディングワイヤの先端を溶解させてボール状にした後、超音波振動を付加しながら加熱することにより圧着するボールボンディング方式と、超音波を付加しながら押圧してボンディングワイヤを圧着するウェッジボンディング方式がある。第一ボンディングではボールボンディング方式が用いられ、第二ボンディングではウェッジボンディング方式が用いられている。
前記ワイヤボンダーを用いて半導体素子上の電極と外部リードとをボンディングワイヤで接続するためには、まずキャピラリーを半導体素子の電極上に移動させて降下させ、ボールボンディング方式によりボンディングワイヤを該電極に圧着せしめた後（第一ボンディング）、キャピラリーを上昇させて外部リード上に移動させて降下させ、該外部リードに前記ワイヤを圧着せしめ（第二ボンディング）、続いてキャピラリーを上昇させてワイヤを切断するという方法により行われる。
近年、ワイヤボンダーは、ボンディング一工程当たりの所要時間が極めて短くなっており、ボンディングワイヤには、以下のような特性が要求されている。
ｉ）第一ボンディングにおいては、ボンディングワイヤを加熱して溶解したときに、引け巣（収縮孔ないしはピンホールともいう。）や酸化被膜のない真球状のボールが形成され、かつ、該ワイヤと電極との接合状態が良好であること。
ii）第二ボンディングにおいては、ワイヤと外部リードとの接合状態が良好であること。
iii)第一ボンディングと第二ボンディングとの間のワイヤにカールやループ垂れなどのループ異常が発生しないこと。
iv）ボンディング後の樹脂モールドの際、樹脂の流動によるワイヤの変形が起こりにくいこと。
ｖ）長期間保存しても第一および第二ボンディングの接合部が劣化（接合部剥離）しないこと。
純度９９．９９％以上の金に、例えば、Ｃａ、Ｂｅ等の元素を０．０００１〜０．０１質量％添加して硬度を高めた金合金線を使用すると、上記ｉ）〜ｖ）の特性をある程度備えたボンディングワイヤが得られる。このため、ボンディングワイヤには、通常は純金線でなく金合金線が用いられることが多い。
ところが近年、半導体デバイスの多ピン化に伴いボンディングワイヤ間隔の狭ピッチ化及びボンディング距離の長距離化が進んでおり、そのまま従来のボンディングワイヤを用いると、ワイヤループが垂れたり、樹脂封入するときに樹脂の流動抵抗によりボンディングワイヤが変形し、ボンディングワイヤ同士が接触したりする等の不具合が生じる。このため、添加元素の添加量を増やす、添加元素の種類を増やす、等の手段を用いてボンディングワイヤの強度および弾性率を向上させる試みがなされている。
しかしながら、単純に添加元素の添加量を増やす方法、あるいはこれまで用いていた添加元素を複合添加する方法では、ボンディングワイヤの強度および弾性率を向上させることができても、第一ボンディングにおいて加熱溶解して得られるボールが硬すぎるため、半導体素子に亀裂（チップクラック）が生じる、ボール形状が真球にならない、真球に近くともボールを形成する際に収縮孔を生じる、半導体素子上の電極にボンディングしたときにボールがいびつに変形し隣の電極に接触する、引け巣があるため電極との十分な接合強度が得られない、ボンディング後のボールの潰れ形状がいびつなために異常ループを形成してしまい、樹脂封入するときに樹脂の流動抵抗によりボンディングワイヤ同士が接触する、等の不具合が生じる。
このような不具合を改善したものとして、直進性、破断強度に優れるボンディングワイヤは、例えば特許文献１に開示されている。
しかし、特許文献１に開示されているボンディングワイヤは、実際の使用においては問題はないものの、振動に対する疲労特性が優れているとはいえない。
特開平０８−１９９２６１
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、第一ボンディングで接合したボンディングワイヤと半導体素子上の電極との間の接合強度が十分であり、半導体素子を樹脂封入する際にボンディングワイヤ同士の接触による不良が起こりにくく、また、ボール硬度が大きすぎず、チップにクラックを生ぜず、かつ、振動に対する十分な疲労特性を有するボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係るボンディングワイヤの第一の態様は、Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とする。
本発明に係るボンディングワイヤの第二の態様は、Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃｕを０．０００１質量％以上０．１質量％未満含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とする。
本発明に係るボンディングワイヤの第三の態様は、Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、ＩｎおよびＴｉからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とする。ここで、希土類元素とは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの１７元素である。
本発明に係るボンディングワイヤの第四の態様は、Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃｕを０．０００１質量％以上０．１質量％未満含有し、さらにＣａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、ＩｎおよびＴｉからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とする。
本発明に係るボンディングワイヤは、金属疲労が起きにくく、繰り返し応力を受けやすいリードフレームにボンディングした後においても金属疲労によるワイヤの破断が起こりにくい。
また、本発明に係るボンディングワイヤは、優れた破断強度、ワイヤ直進性を有し、また第一ボンディング時に形成されるボールに収縮孔は観察されず、このボール潰れ形状は真円に近く、接合強度に優れ、さらに、本発明に係るボンディングワイヤを用いてボンディングした後のチップにはクラックが生じない。
このため、本発明に係るボンディングワイヤは、リードの狭ピッチ、半導体素子上の電極の狭パッドピッチ、リードフレームと半導体素子上の電極間の長ループ配線に適する。また、本発明に係るボンディングワイヤは、優れた破断強度を有するため、十数μｍφ程度の極細線化も容易であり、かつ、この極細線を用いることによりＩＣを小型化することも可能である。
本発明者は、特許文献１に開示されているボンディングワイヤの疲労特性が優れていない原因を調査・研究したところ、Ｃｕを０．１〜２質量％含むため加工硬化が進みやすく、振動による金属疲労によるネックダメージや破断を発生させやすく、特に、Ｃｕの含有量が２％に近い場合ほど、このことが顕著になることを見出し、本発明に至った。
本発明のボンディングワイヤにおける第一添加元素であるＳｎには、Ｃｕの添加による加工硬化を抑制し、振動による金属疲労によるネックダメージおよびワイヤ破断を抑える効果がある。また同様に、第一ボンディング時、ボールボンディング方式によりボンディングワイヤを該電極に圧着せしめる際に用いられるボールの硬化を抑制し、そのボールの変形を容易とする効果がある。
Ｓｎの添加量が０．０００１質量％未満であるとＣｕが添加されることによって促進される加工硬化を抑制する効果が得られず、振動による金属疲労によるネックダメージによりワイヤ破断が発生するおそれがある。一方、添加量が０．０１質量％を上回ると、第一ボンディング後の工程において高温に保持されたとき、接合界面での剥離が起きやすくなる。このため、本発明に係るボンディングワイヤにおいては、Ｓｎの添加量の範囲を０．０００１質量％以上０．０１質量％以下とした。
第二添加元素であるＰｄには、第一ボンディング後の工程において高温に保持されても、接合界面が剥離することを抑制する効果があり、導通不良を防ぎ、パッケージの信頼性を高める効果がある。また、この元素はワイヤの強度の向上だけでなく、Ｃｕと同じようにボールの硬度を高める効果があるため、添加量が多くなりすぎるとチップクラックの原因となる。
Ｐｄの添加量が０．０１質量％未満であると、第一ボンディング後の工程において高温に保持されたときに、接合界面が剥離することによって発生する導通不良を抑制できず、パッケージの信頼性を高める効果が得られなくなる。一方、添加量が２０質量％を上回ると第一ボンディング後においてボンディングワイヤを加熱して溶解したときに形成されるボール表面にしわを生じ、接合後のボンディングワイヤの引張強度のばらつきが大きくなり、直進性に異常をきたしたり、ボールが硬くなりすぎて第一ボンディング時に半導体素子に亀裂を生じさせたりする場合がある。このため、本発明に係るボンディングワイヤにおいては、Ｐｄの添加量の範囲を０．０１質量％以上２０質量％以下とした。
第三添加元素であるＣｕは、Ｐｄとの相乗効果によってボールを硬くするので、高い接合強度を安定的に得ることに効果がある。一方、Ｃｕの添加量が多くなりすぎると、硬化による金属疲労が原因でネック部が振動破断を起こすとともに、ボールの硬化によって第一ボンディング時に半導体素子に亀裂（チップダメージ）を生じさせるおそれがあるが、Ｃｕの添加量が多いことによる金属疲労およびチップダメージへの悪影響は、本発明のようにＳｎとＰｄを組み合わせて含有させることにより、低減させることができる。
Ｃｕの添加量が０．０００１質量％未満であると、高い接合強度を安定的に得にくくなる。一方、添加量が０．１質量％以上であると加工硬化が進みやすく、振動が原因の金属疲労によるネックダメージや破断が発生しやすい上、ボールの硬化によってチップダメージを生じさせるおそれがある。このため、本発明に係るボンディングワイヤにおいては、Ｃｕの添加量の好ましい範囲を０．０００１質量％以上０．１質量％未満とした。
第４添加元素であるＣａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、ＩｎおよびＴｉは、Ｓｎ、Ｐｄ、およびＣｕとの相乗効果によりワイヤの直進性を更に向上させる他、常温および高温での引張強度、および接合強度をさらに向上させ、かつ、結晶粒径を微細化する働きにより、ネック切れ、ネックダメージを防止する効果がある。
これら第４添加元素の１種以上の合計が０．０００１質量％未満であると、Ｓｎ、Ｐｄ、およびＣｕとの相乗効果が現れず、直進性、引張強度、接合強度の向上、結晶粒径の微細化についての効果が生じない。一方、第４添加元素の１種以上の合計が０．１質量％上回ると、第一ボンディング時のボールの真球度が不十分となり、接合後の引張強度のばらつきが大きくなったり、直進性に異常をきたしたり、ボールが硬くなりすぎて第一ボンディング時に半導体素子に亀裂を生じたりする場合がある。
純度９９．９９質量％以上の高純度金に、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｂａ、Ｉｎ、Ｔｉを種々の割合で添加し、表１に示す組成の金合金を溶解鋳造した。得られた鋳造品を圧延および線引き加工することで２０μｍφのボンディングワイヤを得た。次に、これらのワイヤを室温における破断伸びが４％になるように、連続焼鈍炉で熱処理し、ボンディングワイヤのサンプルとした。
Figure 2007019349
得られたボンディングワイヤのサンプルについて、以下のような評価を行った。
（引け巣の評価）
得られたボンディングワイヤのそれぞれのサンプルについて、第一ボンディングする際に加熱溶解して得られるボールを採取し、電子顕微鏡を用いて倍率２０００倍でボールの表面の観察を行い、収縮孔である引け巣の有無を調べた。表２にその結果を示す。
（ボール硬度の評価）
微小硬度計（ＭＶＫ−Ｇ３、株式会社明石製作所製）を用いて、採取したボールの硬度（単位：Ｈｖ）を測定した。表２にその結果を示す。
（異常ループの評価）
得られたボンディングワイヤを用いてワイヤボンディングを５０００回行い、樹脂封止前のワイヤ変形量を測定した。図１に示すように、第一ボンディング点Ａと第二ボンディング点Ｂを結ぶ直線２から、ボンディングワイヤ１の断面の中心点を結んだ線までの最も遠い距離をワイヤ変形量Ｌ１とした。第一ボンディング点Ａと第二ボンディング点Ｂとの間の距離Ｌ０は５．０ｍｍとした。ワイヤ流れ量Ｌ１は金属顕微鏡を用いて測定した。ワイヤ流れ量が０．０２ｍｍを上回るものを異常ループとした。表２にその結果を示す。
（チップクラックの評価）
第一ボンディング後、水酸化ナトリウムを使用して、アルミニウムパッドを溶解することでワイヤボールをパッドから剥離し、パッド下におけるチップクラックの発生の有無について、金属顕微鏡を用いて倍率５００倍で観察した。表２にその結果を示す。
（常温引張強度の評価）
得られたボンディングワイヤについて、引張試験機（株式会社東洋ボールドウィン製 テンシロンＵＴＭ−４−１００）を用いて常温で引張試験を行った。測定した常温での引張強度（単位：Ｎ）を表２に示す。
（振動に対する疲労特性の評価）
各ボンディングワイヤを用いてボンディング済みのリードフレームに、振動試験機（Ｓｈｉｎｋｅｎ社製、Ｇ０１−０２２およびＧ２１−０２０Ｌ））により、周波数５０Ｈｚ、振幅２ｍｍ、時間６分の条件で振動を加え、振動による破断の発生の有無を調査した。表２にその結果を示す。
（高温保管後のボール剥がれ評価）
得られたボンディングワイヤを用いて、Ａｌパッドを持つチップへボンディングし、それを高温保管炉（１７５℃）内に１００ｈｒ保管後、ワイヤの引張試験を行い、第一ボンディング点である金ボールとアルミパッドの界面で剥がれが発生するか調査した。表２にその結果を示す。
Figure 2007019349
表２からわかるように、本発明の範囲内の実施例１〜３２は、いずれもボールに引け巣が発生しておらず、このボールの潰れ形状は真円に近く、第一ボンディング点における接合強度は良好と考えられる。また、実施例１〜３２のいずれも異常ループが発生しておらず、直進性に優れていた。
また、実施例１〜３２のいずれにおいても、振動による破断は生じておらず、本発明の範囲内の実施例１〜３２は、振動に対する疲労特性に優れていることがわかる。
なお、実施例１〜３２のいずれも、ボール硬度（Ｈｖ）は高すぎるとはいえず、チップクラックはいずれにも生じていなかった。また、常温での引張強度は、０．０６５〜０．１１４（Ｎ）であり、実用上問題ないレベルであった。
これに対して、比較例１〜３は、Ｃｕの含有量が１質量％であり、本発明の上限値である０．１質量％を上回っている。このため、比較例１〜３のいずれも振動による疲労により破断が生じた。
比較例４は、Ｐｄの含有量が２５質量％であり、本発明の上限値である２０質量％を上回っている。このため、比較例４はボールに引け巣が生じており、第一ボンディング点における接合強度は良好ではないと考えられる。また、ボール硬度（Ｈｖ）が５６．４と大きくなってしまっている。さらに、異常ループおよびチップクラックも生じた。
比較例５は、Ｓｎの含有量が０．０１５質量％であり、本発明の上限値である０．０１質量％を上回っている。このため、高温保管後の引張試験でボールの剥がれが発生した。
従来例１は、Ｓｎが含有されていないため、Ｓｎの含有量が本発明の下限値である０．０００１質量％を下回っている。このため、振動による破断が生じた。
ボンディングされたワイヤが変形している状況を示す図である。
符号の説明
１ ボンディングワイヤ
２ ボンディング中心線
Ｌ０ 第一ボンディング点と第二ボンディング点との間の距離
Ｌ１ ワイヤ変形量
Ａ 第一ボンディング点
Ｂ 第二ボンディング点

Claims (4)

  1. Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とするボンディングワイヤ。
  2. Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃｕを０．０００１質量％以上０．１質量％未満含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とするボンディングワイヤ。
  3. Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、ＩｎおよびＴｉからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とするボンディングワイヤ。
  4. Ｓｎを０．０００１質量％以上０．０１質量％以下、Ｐｄを０．０１質量％以上２０質量％以下、Ｃｕを０．０００１質量％以上０．１質量％未満含有し、さらにＣａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素、Ｓｒ、Ｂａ、ＩｎおよびＴｉからなる群より選ばれた１種以上を合計で０．０００１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物であることを特徴とするボンディングワイヤ。
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