JP2007266339A - 高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線 - Google Patents

高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線 Download PDF

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Abstract

【課題】高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線を提供する。

【解決手段】PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、Sr:1〜50ppm、Be:1〜50ppmを含有し、さらに必要に応じて、Ca:1〜50ppmおよび/またはEu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、前記Sr、Be、Ca、Eu、La、Yは、
10ppm≦Sr、Be、Ca、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Ca、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす。
【選択図】 なし

Description

利用分野
この発明は、広い温度範囲で使用することができるトランジスタ、LSI、ICなど半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接続するための高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線に関するものであり、このボングワイヤ用金合金線は23μm以下の線径を有するものである。
近年、トランジスタ、LSI、ICなど半導体素子は、広い温度範囲で使用されるようになっている。例えば、高周波用ICなどは動作温度がますます高くなる傾向にあり、かかる高温を含む広い温度環境下に曝されても高度の信頼性が要求されている。

かかる広い温度範囲の環境下で使用されるICチップ上の電極と外部リード部を接続するボンディングワイヤ用金合金線として、Pd:0.1〜0.8質量%を含有し、Ca,Be,Geおよび希土類元素の内の少なくとも1種を合計でAppm、Sr,Ba,In,Sn,Tiの内の少なくとも1種を合計でBppmとした場合、A+B:3〜100ppmとなるように含有し、残部がAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線が知られている(特許文献1参照)。この従来のボンディングワイヤ用金合金線はいずれも白金族金属を多めに含有させて高温での圧着ボールとAlパッドの接合強度を向上させ、さらに硬さを高くしてループの安定性を向上させており、これらボンディングワイヤ用金合金線を使用してICチップ上の電極と外部リード部を接続するには、一般に金合金線を超音波併用熱圧着ボンディングする方法が主として用いられている。
特許第3085090号明細書

近年、半導体素子の集積化が進むことにより、ボンディングワイヤ用金合金線には下記の特性が一層強く求められている。

(イ)半導体素子のAlパッド面積が小さくなり、Alパッド上へのボールボンディング時において従来よりも低温かつ小さい接合面積で、良好な初期接合性(Alパッド上へのボールボンディング時における圧着ボールのAlパッドからの剥がれ難さ)を得ること。
(ロ)半導体素子のAlパッド面積が小さくなっており、ボールボンディングでの圧着ボールの真円性が低いと、圧着ボールの一部がAlパッドからはみ出し、隣の圧着ボールと接触することによるショート不良が発生し、このショート不良は、Alパッド面積の縮小により益々発生しやすくなることから、従来よりも圧着ボールが高い真円性を有すること。

(ハ)高温の過酷な使用環境で高度の信頼性が要求される車載用ICや、動作温度が高くなる高周波用ICなどでは、ボールボンディングによる接合界面における接合強度の低下や電気抵抗の上昇による接合不良の発生が問題視されており、これらの接合不良は、上記の低温接合や接合面積の縮小等のボンディング条件の悪化により、益々発生しやすくなる傾向があるため、従来よりも高い接合信頼性(ある環境下でのボールボンディングによる接合界面における接合強度や電気抵抗の持続性)を確保すること。
(ニ)ボンディング時にAlパッドを損傷しないこと。
しかし、前記従来のボンディングワイヤ用金合金線は、前記要求をある程度満たすものの、ボンディングして得られた圧着ボールの中には歪んだ円形の圧着ボールが生成することがあり、圧着ボールがすべて真円となるような真円性が一層高いボンディングワイヤ用金合金線が求められていた。
そこで、本発明者らは、高い初期接合性、高い接合信頼性およびAlパッドの非損傷性に優れるとともに、さらに圧着ボールが歪んだ円形となることなくすべて真円となるような一層高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線を開発すべく研究を行った。その結果、イリジウム(Ir)が圧着ボールの真円性に大きく影響を及ぼし、Ptおよび/またはPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Sr:1〜50ppm、Be:1〜50ppmを含有した金合金にさらにIr:1〜200ppmを含有させた金合金線は、これを用いてボンディングを行うと、高い初期接合性、高い接合信頼性およびAlパッドの非損傷性に優れるとともに、さらに歪んだ円形の圧着ボールの生成がなくなり、すべて円形となって一層真円性の高いボンディングワイヤ用金合金線を得ることができる、という研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
(1)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Sr:1〜50ppm、
Be:1〜50ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。

前記(1)記載のボンディングワイヤ用金合金線には、さらに、必要に応じて、Ca:1〜50ppm、またはEu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppm、またはCa:1〜50ppmおよびEu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有させることができる、という研究結果が得られたのである。したがって、この発明は、
(2)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Sr:1〜50ppm、
Be:1〜50ppmを含有し、
さらに、Ca:1〜50ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(3)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Sr:1〜50ppm、
Be:1〜50ppmを含有し、
さらに、Eu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(4)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Sr:1〜50ppm、
Be:1〜50ppmを含有し、
さらに、Ca:1〜50ppmを含有し、
さらに、Eu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。

この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるSr、Be、Ca、Eu、La、Yは、10ppm≦Sr、Be、Ca、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Ca、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にあることが一層高い初期接合性および接合信頼性を有するようになるので一層好ましい、という研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、

(5)前記SrおよびBeは、10ppm≦SrおよびBeの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/Sr≦3の条件を満たす範囲内にある前記(1)記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、

(6)前記Sr、BeおよびCaは、10ppm≦Sr、BeおよびCaの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(SrおよびCaの合計)≦3の条件を満たす範囲内にある前記(2)記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(7)前記Sr、Be、Eu、LaおよびYは、10ppm≦Sr、Be、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にある前記(3)記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、

(8)前記Sr、Be、Ca、Eu、La、Yは、

10ppm≦Sr、Be、Ca、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Ca、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にある前記(4)記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。

前記(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)または(8)記載のボンディングワイヤ用金合金線に、さらにAg:1〜10ppmを含有させた成分組成を有しても良い。したがって、この発明は、

(9)さらにAg:1〜10ppmを含有する前記(1)〜(8)の内のいずれかに記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。
次に、この発明の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線において、その成分組成を前述のように限定した理由を説明する。
(a)Pt、Pd:
PtおよびPdは、共にAuと全率固溶する元素であり、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えることができるという接合信頼性を向上させる効果を有する。接合界面近傍でPtやPdを含む相が層状に生成し、その相がAuの拡散速度を低下させる層(いわゆるAu拡散に対するバリア層)として作用するために、Auの拡散に伴い接合部に発生するボイドの生成速度を抑制し、その結果として、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えて接合信頼性を向上しているものと考えられる。この接合強度の劣化の抑制(接合信頼性を向上する)効果はPtやPdの量が多いほど高くなる。すなわち、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が2000ppm未満では接合強度劣化の抑制効果が限定されるので好ましくなく、一方、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が2質量%を越えて含まれると、ボールの硬度が高くなりすぎてボンディング時にICチップの割れやAlパッドに損傷を与えるようになり、さらに初期接合性も低下するので好ましくない。したがって、PtおよびPdの内の1種または2種の合計を2000ppm〜2質量%に定めた。
(b)Ir:
Irは、金合金の高温における粒成長(結晶粒の粗大化)を抑制する作用を有し、そのため、フリーエアボールを形成する際に、ボール部からの熱の影響により、ボール直上のワイヤ部(熱影響部)の結晶粒が粗大化することを防ぐと共に、凝固したフリーエアボール部は多数の微細な結晶粒から形成され、接合時に圧着ボールが放射状に均等に広がり、圧着ボールの真円性を向上させる効果を有するが、Irの含有量が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線においてIrが200ppmを超えても上記効果は飽和し、添加による効果の明確な向上が認められない上に、ボールの硬度が高くなり、ICチップの破壊あるいは損傷が生じるようになるので好ましくない。したがって、Irの含有量を1〜200ppmに定めた。
(c)Sr:

アルカリ土類金属であるSrは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度およびフリーエアボールの加工硬化性を高め、さらに再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるが、Srの含有量が1ppm未満では高い初期接合性が得られず、さらに高い信頼性が得られない場合が多い。すなわち、フリーエアボールの加工硬化性が低いことから、ボンディング時にAlパッドが十分に塑性変形できず、したがってAlパッドの酸化皮膜が完全に破壊されず、Al新生面の生成面積が減少することから、Alパッドと圧着ボールの接合面積が減少し、初期接合性と接合信頼性が低下するので好ましくない。一方、Srが50ppmを越えて含有すると、ボールボンディングの際に形成するフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央の接合に寄与できない大きな引け巣が形成され、ボールボンディングの初期接合性と接合信頼性が低下するので好ましくない。したがって、Srの含有量を1〜50ppmに定めた。

(d)Be:
Beは金属結合半径がAuの金属結合半径より小さく、やはりAuの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高め、再結晶温度を下げる効果を有することから、ループ高さを上げることができ、そのため適切なループ高さを実現できるので添加するが、その添加量が1ppm未満では高い初期接合性が得られず、さらに高い信頼性が得られない場合が多い。すなわち、フリーエアボールの加工硬化性が低いことから、ボンディング時にAlパッドが十分に塑性変形できず、したがってAlパッドの酸化皮膜が完全に破壊されず、Al新生面の生成面積が減少することから、Alパッドと圧着ボールの接合面積が減少し、初期接合性と接合信頼性が低下するので好ましくない。一方、Beを50ppmを越えて含有させると、フリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるため、フリーエアボールの初期接合性と接合信頼性が低下し、さらに、ボール直上部及びボール部の結晶粒径の増大が生じて圧着ボール部の真円性が低下するので好ましくない。したがって、Beの含有量を1〜50ppmに定めた。
(e)Ca:
アルカリ土類金属であるCaは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高め、さらに再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるので必要に応じて添加するが、Caの含有量が1ppm未満では所定の効果が得られないので好ましくなく、一方、Caの含有量が50ppmを越えると、ボールボンディングの際にフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるため、ボールボンディングの初期接合性と接合信頼性が低下するので好ましくない。したがって、Caの含有量を1〜50ppmに定めた。
(f)Eu,La,Y:
希土類元素であるEu,La,Yは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高めるとともに、再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるので必要に応じて添加するが、Eu,La,Yの含有量が1ppm未満では所望の効果が得られず、一方、Eu,La,Yの含有量が80ppmを越えると、ボールボンディングの際に形成するフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるため、ボールボンディングの初期接合性と接合信頼性が低下するので好ましくない。したがって、Eu,La,Yの含有量を1〜80ppmに定めた。
(g)Sr、Be、Ca、Eu、LaおよびYの関係
この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるSr、Be、Ca、Eu、LaおよびYが10≦Sr、Be、Ca、Eu、LaおよびYの合計≦100でかつ1/6≦Be/(Sr、Ca、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にあるように選定することによりボールボンディングの初期接合性と接合信頼性が一層高くなるので一層好ましい。その理由として、前記Sr、Ca、Eu、La、YはいずれもAuの金属結合半径よりも大きい金属結合半径を有するので前記Sr、Ca、Eu、La、YはいずれもAuに置換型で固溶し、内部歪により転移の移動を抑制し、一方、金属結合半径がAuの金属結合半径よりも小さいBeは、侵入型で固溶し、転移を固着するものと考えられ、上記条件では、その双方の作用が相乗効果を及ぼし、フリーエアボールの加工硬化性が非常に高くなるために、ボンディング時にAlパッドが十分に塑性変形し、Alパッドの酸化皮膜が破壊され、広くAl新生面が生成し、AlパッドとAu圧着ボールが広い領域で接合するために初期接合性と接合信頼性が一層高くなるものと考えられる。
Ag:
Agが1〜10ppm含有されても上記特性にほとんど影響を与えないので必要に応じて添加するが、しかし10ppmを越えると初期接合性の低下が認められるようになるので好ましくない。
上述のように、この発明のボンディングワイヤ用金合金線は、初期接合性、接合信頼性に優れ、特に、圧着ボールの真円性が優れているので、この金合金線を使用してボンディングを行うと、半導体素子の高集積化に対応できるなどなど産業上すぐれた効果をもたらすものである。
線径:50μmを有し、表1〜3に示される成分組成を有する金合金線素材を伸線加工することにより線径:20μmを有する金合金線を作製し、この金合金線を破断伸び率が3〜5%になるように焼鈍することにより本発明ボンディングワイヤ用金合金線(以下、本発明ワイヤという)1〜42、比較ボンディングワイヤ用金合金線(以下、比較ワイヤという)1〜17および従来ボンディングワイヤ用金合金線(以下、従来ワイヤという)1を製造し、半径:25mmの中間スプールに巻き取った。中間スプールに巻き取られたワイヤをさらに半径:25mmのスプールに2000m巻取り、これらワイヤの先端15mを捨てた。
これら表1〜3に示される成分組成を有する本発明ワイヤ1〜42、比較ワイヤ1〜20および従来ワイヤ1をKulicke&Soffa製のワイヤボンダー(マクサムプラス)にセットし、半導体ICチップが搭載された基板に、
加熱温度:160℃、
ループ長さ:5mm、
ループ高さ:250μm、
圧着ボール径:40μm、
圧着ボール高さ:9μm、
の条件でボンディングを行って、下記の測定を行うことにより初期接合性、Alパッドの非損傷性、圧着ボールの真円性および接合信頼性についての評価を行った。

ループは台形ループと呼ばれる圧着ボール直上ならびに2ndボンド側近傍に曲がり(キンク)を有する形状を採用した。
初期接合性評価:
各サンプルにつき10000ループをボンディングし、ファーストボンド部で接合していない数(ボールリフト数)を測定し、その結果を表4〜6に示すことにより初期接合性を評価した。
Alパッドの非損傷性評価
各サンプルにつき100個のファーストボンド部を観察し、Alパッドの損傷を調べ、損傷したAlパッド数をカウントし、その結果を表4〜6に示すことによりAlパッドの非損傷性を評価した。
圧着ボールの真円性評価:
各サンプルにつき100個の圧着ボールを観察し、比較サンプル対比で評価した。すなわち、図1の圧着ボールの上から撮った写真に示されるようにその外周に凹凸が存在しない圧着ボールを真円性が高いと判定し、図2の圧着ボールの上から撮った写真に示されるようにその外周に明らかに凹凸が存在する圧着ボールを真円性が低いと判定し、外周に明らかに凹凸が存在する真円性が低い圧着ボール(不良ボール)の数をカウントし、その結果を表4〜6に示すことにより圧着ボールの真円性を評価した。
接合信頼性評価:
ボンディングしたサンプルを、175℃の空気中で1500時間保管した後に、圧着ボール直上のループの曲がり(ファーストボンド側直上のキンク)にツールを引っかけてプル試験(各サンプルにつき100個)を行った。プル試験での破断は、接合性が良好な場合はネック部で破断するが、接合性が劣化している場合は圧着ボールとAlパッドの接合界面、すなわち金属間化合物内にて破断(ボールリフト)する。圧着ボールを観察し、ボールリフト数をカウントし、その結果を表4〜6に示すことにより接合信頼性を評価した。
Figure 2007266339
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表1〜6に示される結果から、本発明ワイヤ1〜42は、従来ワイヤ1に比べて特に圧着ボールの真円性が良好であることが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた成分組成を有する比較ワイヤ1〜17は、接合信頼性、Alパッドの非損傷性、圧着ボールの真円性、接合信頼性の少なくともいずれか一つの特性が不良となることが分かる。
真円性が高いと判定された圧着ボールの写真である。 真円性が低いと判定された圧着ボールの写真である。

Claims (9)

  1. PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
    Ir:1〜200ppm、
    Sr:1〜50ppm、
    Be:1〜50ppm、
    を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  2. PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
    Ir:1〜200ppm、
    Sr:1〜50ppm、
    Be:1〜50ppmを含有し、
    さらに、Ca:1〜50ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  3. PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
    Ir:1〜200ppm、
    Sr:1〜50ppm、
    Be:1〜50ppmを含有し、
    さらに、Eu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  4. PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
    Ir:1〜200ppm、
    Sr:1〜50ppm、
    Be:1〜50ppmを含有し、
    さらに、Ca:1〜50ppmを含有し、
    さらに、Eu、La、Yの内の少なくとも1種を合計で:1〜80ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  5. 前記SrおよびBeは、10ppm≦SrおよびBeの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/Sr≦3の条件を満たす範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  6. 前記Sr、BeおよびCaは、10ppm≦Sr、BeおよびCaの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(SrおよびCaの合計)≦3の条件を満たす範囲内にあることを特徴とする請求項2記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  7. 前記Sr、Be、Eu、LaおよびYは、10ppm≦Sr、Be、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にあることを特徴とする請求項3記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  8. 前記Sr、Be、Ca、Eu、La、Yは、
    10ppm≦Sr、Be、Ca、Eu、La、Yの合計≦100ppmでかつ1/6≦Be/(Sr、Ca、Eu、La、Yの合計)≦3の条件を満たす範囲内にあることを特徴とする請求項4記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  9. さらにAg:1〜10ppmを含有することを特徴とする請求項1〜8の内のいずれかの請求項に記載の高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
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