JP2007332393A - ３ｎ金合金ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】ファーストボンディング時にパッド電極を破壊することなく、かつ、高温での高い信頼性が得られる金合金ボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９以上質量％０．０３５質量％未満のＣｕ、０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満のＰｄ、および０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有する３Ｎ金合金ボンディングワイヤとする。Ｂｅ、希土類元素、ＳｎおよびＧｅ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０．０１５質量％未満、さらに含有させることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、金合金ボンディングワイヤに関し、特に、半導体素子などの電子部品を、基板やフィルムキャリヤなどに実装して、電子部品のパッド電極と、基板などの外部電極との間を、ボールボンディング法によるワイヤボンディングにより電気的に接続するために使用する金合金ボンディングワイヤに関する。
現在、半導体素子などの電子部品を、基板やフィルムキャリヤなどに実装して、電子部品のパッド電極と、基板などの外部電極との間を、電気的に接続するためには、金合金からなるボンディングワイヤを使用するボールボンディング法によるワイヤボンディングが主流である。市販のボンディングワイヤとしては、金純度９９．９９質量％以上９９．９９９質量％未満の金合金からなる４Ｎ金合金と、金純度９９質量％以上９９．９質量％未満の金合金からなる２Ｎ金合金との２種類が使用されている。
半導体パッケージでは、接合部が劣化せずに接合状態が長期間安定すること、ループ異常が生じないことなどの高い信頼性が要求される。よって、半導体パッケージには、添加元素を添加して硬度を高めた２Ｎ金合金からなるボンディングワイヤが主として使用されている。
特開平０８−１９９２６１号公報には、さらに、ボンディングワイヤの狭ピッチ化やボンディング距離の長距離化に対応するため、ＣｕおよびＰｄと、選択的にＣａ等を添加した２Ｎ金合金が開示されている。また、特開２００５−８５９０６号公報には、細線化に対する高温環境での接合強度の維持を図るために、Ｐｄ、ＰｔおよびＣｕのうち少なくとも２種の元素を添加した２Ｎ金合金からなるボンディングワイヤが開示されている。
近年、車載向けなどの半導体パッケージには、高温下での高い信頼性が要求されている。一方、半導体素子上のパッド電極は、高密度化が進んできており、さらに、パッド下配線(Ｌｏｗ−Ｋ)が組み込まれた半導体素子などでは、パッド電極の強度が構造的に著しく低くなってきている。
従来の２Ｎ金合金からなるボンディングワイヤには、高温下での高い信頼性を得ることはできるが、ファーストボンディング時にパッド電極を破壊してしまうという問題がある。一方、４Ｎ金合金からなるボンディングワイヤには、パッド電極を破壊する問題は生じないものの、高温での高い信頼性が得られないという問題がある。
特開平０８−１９９２６１号公報
特開２００５−８５９０６号公報
本発明は、ファーストボンディング時にパッド電極を破壊することなく、かつ、高温での高い信頼性が得られる金合金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３Ｎ金合金ボンディングワイヤの第一態様は、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有することを特徴とする。
本発明に係る３Ｎ金合金ボンディングワイヤの第二態様は、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満のＰｄ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有することを特徴とする。
本発明に係る３Ｎ金合金ボンディングワイヤの第三態様は、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満のＰｄ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有することを特徴とする。
本発明に係る３Ｎ金合金ボンディングワイヤの上記いずれの態様においても、Ｂｅ、希土類元素、ＳｎおよびＧｅ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０．０１５質量％未満、さらに含有することが好ましい。
本発明の３Ｎ金合金ボンディングワイヤを用いることで、ファーストボンディング時においてパッド電極が破壊されることなく、かつ、ボンディングワイヤが高温下の使用においても安定した接合状態を維持し、半導体パッケージに対する高温信頼性の向上を図ることができる。
本発明者は、従来の４Ｎ金合金ボンディングワイヤについての信頼性評価において、同等のボンディング性を維持しながら、接合寿命を長くすることを目的として検討した結果、一定の金属元素を添加した、金純度が９９．９質量％以上９９．９９質量％未満の３Ｎ金合金が、ボンディング性を維持しつつ、ボンディングワイヤの接合寿命を伸ばすことができるとの知見を得て、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る３Ｎ金合金ボンディングワイヤは、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、および０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる。
さらに、Ｐｄを０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満、および／または、Ｂｅ、希土類元素、ＳｎおよびＧｅ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０．０１５質量％未満、含有することが望ましい。
Ｐｔが、０．００４９質量％未満、または、Ｃｕが、０．００４９質量％未満では、ボンディングボールと、半導体素子上のパッド電極との接合寿命を長くする効果が得られない。一方、Ｐｔが、０．０３５質量％以上、または、Ｃｕが、０．０３５質量％以上では、ボールボンディング時に、半導体素子上のパッド電極にダメージを生ずる。
Ｃａが、０．０００１質量％未満では、３Ｎ金合金ボンディングワイヤの引張り強度が向上せず、ボールボンディング時に、ループ形状が不良となる。一方、０．００５質量％以上では、ボールボンディング時に、ボンディングボール形状が不良となる。
また、Ｐｄは、その添加により、ボンディングボールと半導体素子上のパッド電極との接合寿命をさらに長くする効果を有する。Ｐｄが、０．０００１質量％未満では、その添加効果が得られない。一方、Ｐｄが、０．０２０質量％以上では、ボールボンディング時に、半導体素子上のパッド電極にダメージを生ずる。
さらに、Ｂｅ、希土類元素、ＳｎおよびＧｅからなる群より選ばれた１種以上は、ボールボンディング時のループ形状の安定性に寄与する。これらが、合計で０．０００１質量％未満では、その添加効果が得られない。一方、０．０１５質量％以上では、ボンディングボールと半導体素子上のパッド電極との接合寿命を短くする方向に作用してしまう。
このように、添加元素を適切に選択し、かつ、その添加量を適切に規定することにより、４Ｎ金合金と同様のボンディング時のボンディング性を維持しつつ、かつ、２Ｎ金合金と同様の高温下での高い信頼性を得られる、３Ｎ金合金からなるボンディングワイヤを得ることができる。
純度９９．９９９質量％以上の高純度金に、Ｐｔ、ＣｕおよびＣａを種々の割合で添加し、表１または表３に示す組成の金合金を溶解鋳造した。また、同様に、純度９９．９９９質量％以上の高純度金に、Ｐｔ、Ｃｕ、ＰｄおよびＣａを種々の割合で添加し、表１または表３に示す組成の金合金を溶解鋳造した。さらに、これらに、Ｂｅを添加した、表２に示す組成の金合金を溶解鋳造した。
得られた鋳造材を、伸線加工することにより、直径２０μｍの金合金ボンディングワイヤを得た。
得られた金合金ボンディングワイヤ（表１に示すサンプルＮｏ．Ａ１〜Ａ６３、表２に示すＢ１〜Ｂ３４）について、従来のボンディングワイヤの作製条件に基づいて、室温における伸び率を調整するために、熱処理を大気中にて施した。
熱処理後の金合金ボンディングワイヤについて、引張試験機（株式会社オリエンテック製、テンシロンＵＴＭ−４−１００）を用いて、引張試験（クロスヘッドスピード：１０ｍｍ／ｍｉｎ）を行った。その結果、伸び率はいずれも４．５〜５%であった。
熱処理後の金合金ボンディングワイヤを用いて、ワイヤボンディング装置（Ｋ＆Ｓ株式会社製、Ｍａｘｕｍ Ｐｌｕｓ）により、半導体素子のパッド電極と基板をボールボンディング法にて接続した。ボールボンディング法による接続は、各サンプル毎に２５２本とした。
ボンディングボールの評価は、図１に示すように、工場顕微鏡(オリンパス株式会社製、ＳＴＭ６−２Ｍ)を用いて、水平方向の長さＸおよび垂直方向の長さＹを測定し、真円度を（Ｘ＋Ｙ）／２として算出した。
ボンディングワイヤの評価は、図２に示すように、ボールボンディング後に並んだボンディングワイヤ同士が接触している頻度を計測し、接触不良率を算出した。
パッド電極を破壊していないことの評価には、プル用ロードセル（Ｄｙｇｅ社製、ＢＴ２４００Ａ）を使用して、ボンディングボールと、半導体素子上のパッド電極との界面で破断した頻度を計測し、パッド電極破壊率を算出するプルテストを行った。
また、高温下の信頼性の評価には、熱処理後の金合金ボンディングワイヤを使用して、大気中、１７５℃のオーブンにて高温保管し、２４時間毎にオーブンからサンプルを採取し、それぞれのサンプルについて、前述のプルテストを行った。
最初に、ボンディングボールと、半導体素子上のパッド電極との界面で破断するまでの時間を、ボールリフト発生時間として計測した。
得られた結果を、表１および表２に示す。
Figure 2007332393
Figure 2007332393
ボンディングボールを示す縦断面図である。 ボールボンディング後に並んだボンディングワイヤを示す平面図である。
符号の説明
１ ボンディングボール
２ ボンディングワイヤ
３ パッド電極
Ｘ 水平方向の長さ
Ｙ 垂直方向の長さ

Claims (4)

  1. ０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有する３Ｎ金合金ボンディングワイヤ。
  2. ０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満のＰｄ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有する３Ｎ金合金ボンディングワイヤ。
  3. ０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＰｔ、０．００４９質量％以上０．０３５質量％未満のＣｕ、０．０００１質量％以上０．０２０質量％未満のＰｄ、および、０．０００１質量％以上０．００５質量％未満のＣａを含有する３Ｎ金合金ボンディングワイヤ。
  4. Ｂｅ、希土類元素、ＳｎおよびＧｅ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０．０１５質量％未満、さらに含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３Ｎ金合金ボンディングワイヤ。
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