JP2008038201A - 高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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５００〜１０００ｐｐｍ、さらに、Ｃａ：４〜６０ｐｐｍ、Ｂｅ：２〜２０ｐｐｍ、Ｉｒ：１〜１００ｐｐｍを含有し、さらに必要に応じてＡｇ：１〜１０ｐｐｍ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。
【選択図】 なし

Description

利用分野
この発明は、トランジスタ、ＬＳＩ、ＩＣなど半導体装置の実装のために用いる高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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、特に低温から高温に至るまでの広範囲な温度（例えば、−２０〜６０℃の広範囲な温度）で使用することのできる２３μｍ以下の線径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る。

ＩＣチップ上の電極と外部リード部を接続するには、ボンディングワイヤ用金合金線を超音波併用熱圧着ボンディングすることにより行われており、この時使用するボンディングワイヤ用金合金線として、

Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇのうちの少なくとも一種を３〜１００ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕの中の少なくとも一種を３〜１０００ｐｐｍを含有し、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金合金線（特許文献１参照）などが知られている。
特開昭６２−２２４４８号公報
近年、半導体素子の集積化が進むことにより、半導体素子のＡｌパッド面積が小さくなり、耐熱性の低い基板を使用するようになったため、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)を得ることが求められている。
また、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いる。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）を確保することが求められている。
また、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する。この接触不良は、Ａｌパッド面積の縮小ならびにボンディングパッドピッチの縮小により益々発生しやすくなるため、従来よりも圧着ボールの高い真円性が求められる。

さらに、近年、半導体デバイスのピン数(パッド数)が増加していることから、Ａｌパッドは千鳥配列の多段化ならびに狭ピッチ化(パッドの小面積化)が進行しており、さらにルーピングに関しては、短ループはより低く短く、長ループはより高く長く、ループ同士の間隔は狭くなり、複雑化している。金線に関しては、Alパッドの小面積化に対応すべく、益々細くなる傾向にある。

ルーピングにおいて、目標のループ形状よりも、高さが低いループが形成されることがあり、これをループ垂れと言う。このループ垂れは、従来のボンディングワイヤ用金合金線の線径が２５μｍや３０μｍの時は問題となることが少なかった。
しかしながら、金線の線径縮小ならびにループ長尺化の進行により、ループ垂れが発生し、そのループ下方の物体(ループやキャパシタ等)と接触、ショートし、半導体チップの不良品が発生しやすくなり、線径が２３μｍ以下になると、この不具合が特に発生しやすくなる。すなわち、従来よりも、高いループ制御性が要求されているのである。
かかる苛酷な条件を改良したボンディングワイヤ用金合金線が得られても、金合金線自体の抵抗は、発熱や高周波駆動に対する観点から、低いほど望ましい。特に、上記に述べたように、半導体素子の集積化が進むことにより、金合金線の線径は細くなり、ループが長くなるために、金合金線の抵抗は高くなる傾向にある。そのため、上記の特性を満足しつつ、低い比抵抗のボンディングワイヤ用金合金線が求められている。
かかる近年の厳しい要求に対して、従来の特許文献１記載のボンディングワイヤ用金合金線では満足できるものではなく、この発明は、かかる厳しい要求にこたえることができる高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有する一層優れたボンディングワイヤ用金合金線を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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）純度：９９．９９９質量％の高純度金に、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計が５００ｐｐｍ以上でなければ高い接合信頼性が得られないが、一方、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計が１０００ｐｐｍ以下でなければ金合金線の比抵抗が所望の値よりも上がること、

（ロ）Ｃａは４ｐｐｍ以上含まなければループ垂れが発生し、高いループ制御性を実現できないこと、
（ハ）ＣａおよびＢｅを、Ｃａ：６０ｐｐｍ以下、Ｂｅ：２〜２０ｐｐｍの条件を満たすように含有しなければ高い初期接合性が得られないこと、

（ニ）Ｉｒ：１ｐｐｍ以上含有しなければ、圧着ボールの高い真円性が得られないこと、
（ホ）したがって、高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を共に有するには、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種を合計で５００〜１０００ｐｐｍを含有し、さらに、Ｃａ：４〜６０ｐｐｍ、Ｂｅ：２〜２０ｐｐｍの条件を満たすように含有し、さらに、Ｉｒ：１〜１００ｐｐｍ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が必要であること、などの知見が得られたのである。
この発明は、かかる知見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５００〜１０００ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｃａ：４〜６０ｐｐｍ、
Ｂｅ：２〜２０ｐｐｍ、
Ｉｒ：１〜１００ｐｐｍ、
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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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）記載の高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性、高いループ制御性および低い比抵抗を有する金合金線に、さらにＡｇ：１〜１０ｐｐｍを含有せしめても、その特性にほとんど影響を与えない。したがって、この発明は、
（２）前記（１）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する高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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）記載の成分組成を有する金合金線素材を所定の径になるまで伸線加工し、得られた金合金線素材を焼鈍するボンディングワイヤ用金合金線の製造工程において、焼鈍温度を従来の焼鈍温度よりも低い温度の５５０℃以下で行い、前記金合金線素材の伸線加工時の１ダイスによる減面率を従来の減面率よりも低い５％以下とすることにより、
（σ０．２／Ｅ）≧２．２×１０−３、２％≦ＥＬ≦１０％（ただし、σ０．２：０．２％耐力（Ｐａ）、Ｅ：ヤング率（Ｐａ）、ＥＬ：破断伸び率を示す）
の条件を満たすボンディングワイヤ用金合金線を製造することができ、かかる条件を満たすボンディングワイヤ用金合金線は、一層高い直進性を有するようになるので一層好ましい。したがって、この発明は、
（３）ボンディングワイヤ用金合金線の０．２％耐力（Ｐａ）をσ０．２、ヤング率（Ｐａ）をＥ、破断伸び率をＥＬとすると、
（σ０．２／Ｅ）≧２．２×１０−３、
２％≦ＥＬ≦１０％、
の条件を満たす前記（１）または（２）記載の高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有するボンディングワイヤ用金合金線において、成分組成および機械的特性を前述のように限定した理由を説明する。
［Ｉ］成分組成
（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。しかし、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計が５００ｐｐｍ未満では接合強度劣化の抑制効果が得られないので好ましくなく、一方、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計が１０００ｐｐｍを越えて含まれると、金合金線の抵抗が上がるために好ましくない。したがって、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計を５００〜１０００ｐｐｍに定めた。
（ｂ）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が、Ｃａの含有量が４ｐｐｍ未満ではワイヤの強度が低いため、ループ垂れによるループ制御性が低下することから、好ましくなく、一方、Ｃａを６０ｐｐｍ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が低下するので好ましくない。したがって、Ｃａの含有量を４〜６０ｐｐｍに定めた。
（ｃ）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、上記のＣａとともに、Ｂｅを含有する場合、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る。しかし、Ｂｅが２ｐｐｍ未満では高い初期接合性が得られず、さらに高い接合信頼性が得られないので好ましくない。この場合、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、Ａｌパッドの酸化被膜Ａｌ２Ｏ３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Ａｕ圧着ボールの接合面積が減少し、接合信頼性が低下したものと考えられる。一方、Ｂｅの含有量が２０ｐｐｍを越えて含有すると、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、ボールボンディングの初期接合性が低下し、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２〜２０ｐｐｍとなるように定めた。
（ｄ）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が向上する効果を有するが、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５００〜１０００ｐｐｍ含有するボンディングワイヤ用金合金線においてＩｒが１００ｐｐｍ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、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１〜１００ｐｐｍに定めた。
（ｅ）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が低下する傾向が認められるので好ましくない。
［ＩＩ］機械的特性
前述の成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線はいずれも高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有するが、金合金線を（σ０．２／Ｅ）≧２．２×１０−３、２％≦ＥＬ≦１０％（ただし、σ０．２：０．２％耐力（Ｐａ）、Ｅ：ヤング率（Ｐａ）、ＥＬ：破断伸び率を示す）の条件を満たすようにボンディングワイヤ用金合金線を製造することにより、一層高い直進性を有するようになるので一層好ましい。

その理由は、ヤング率Eに対し、σ０．２が高いほど金合金線の直進性は向上するが、特にσ０．２／Ｅが２．２×１０−３以上となる場合に急激に直進性は向上するからである。さらに、破断伸び率ＥＬが２%未満の場合、伸線後の金合金線が有する残留歪みが焼鈍後も残るため、直進性が低くなるので好ましくなく、一方、破断伸び率ＥＬが１０％より高い場合、（σ０．２／Ｅ）＜２．２×１０−３となることが多く、直進性が低下するので好ましくないからである。
この発明において、ボンディングワイヤ用金合金線の破断伸び率ＥＬ（％）、０．２％耐力σ０．２（Ｐａ）およびヤング率Ｅ（Ｐａ）の測定は、室温において、ボンディングワイヤ用金合金線を標点間距離：１００ｍｍ、引張り速度：１０ｍｍ／分の条件で引張り試験機により破断するまで引っ張ることにより行われる。
ここでひずみと引張り応力を以下のように定義する。
ひずみ＝ボンディングワイヤ用金合金線の伸び（ｍｍ）／１００ｍｍ、
引張り応力（Ｐａ）＝引張り荷重（Ｎ）／ボンディングワイヤ用金合金線の初期断面積（ｍ２）
破断伸び率をＥＬ（％）、０．２％耐力σ０．２（Ｐａ）およびヤング率Ｅ（Ｐａ）を以下のように定義する。
破断伸び率ＥＬ（％）＝破断したときのひずみ×１００＝［破断したときの伸び（ｍｍ）／１００（ｍｍ）］×１００
０．２％耐力σ０．２（Ｐａ）：ボンディングワイヤ用金合金線に０．２％の永久ひずみを与えた際の引張り応力（Ｐａ）
ヤング率Ｅ（Ｐａ）：引張り応力とひずみが正比例する範囲における、引張り応力とひずみの比、すなわち引張り応力（Ｐａ）／ひずみ
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、圧着ボールの真円性、ループ制御性が優れかつ低い比抵抗を有するので、この金合金線を使用してボンディングを行うと、半導体装置の歩留を向上させることができる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に示される成分組成を有する金合金線素材を１ダイスによる減面率が４．８％で伸線加工することにより線径：２２μｍを有する金合金線を作製し、この金合金線を表２〜３に示される温度で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）１〜１９、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）１〜１５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）１〜２を製造し、半径：５０ｍｍの中間スプールに巻き取った。ここで、焼鈍および巻取り工程において、ワイヤの進路を変更させるために用いるシーブ（滑車）は全て半径：９ｍｍとした。中間スプールに巻き取られたワイヤを半径：２５ｍｍのスプールに２０００ｍ巻取り、ワイヤの先端１５ｍを捨て、ワイヤの破断伸び率ＥＬ、ヤング率（Ｐａ）Ｅ、０．２％耐力（Ｐａ）σ０．２を測定し、さらにσ０．２／Ｅを算出し、その結果を表２〜３に示した。

さらにこれらワイヤの比抵抗を測定し、その結果を表２〜３に示した。これの各測定に際してサンプル数は５本とし、その平均値を求めた。前記ワイヤの比抵抗は、室温、標点間距離：５００ｍｍの条件で抵抗（Ω）をデジタルマルチメータで測定し、比抵抗（μΩｃｍ）＝抵抗（Ω）×ボンディングワイヤ用金合金線の断面積（ｃｍ２）／５０（ｃｍ）×１０６で求めた。

これら表１に示される成分組成および表２〜３に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ１〜１９、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２をＫｕｌｉｃｋｅ＆Ｓｏｆｆａ製のワイヤボンダー（マクサムプラス）にセットし、組成:Ａｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ、厚さ:０．６μｍのＡｌパッドを有する半導体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：３００μｍ、
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、圧着ボールの真円性、ループ垂れ、直進性、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セカンドボンド側近傍に曲がり（キンク）を有する形状を採用した。

直進性評価とループ垂れ性評価：

本発明ワイヤ１〜１９、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２用い、パッドピッチ５０μｍ間隔で各ワイヤにつき１００００ループを作製し、隣接するループ同士が接触している数(接触数)を測定し、その結果を表２〜３に示すことにより直進性を評価した。
さらに、光学顕微鏡を用いて、台形ループのファーストボンド側近傍のループの曲がり（以下、ファーストボンド側キンクという）と、セカンドボンド側近傍のループの曲がり(以下、セカンドボンド側キンクという)の高さを測定した。サンプル数は各ワイヤにつき２０ループである。全ループでファーストボンド側キンクよりセカンドボンド側キンクが高いあるいは等しい場合は○、1ループでも低いループがある場合はループ垂れがあると判定し×として評価し、その結果を表２〜３に示した。

初期接合性評価：
本発明ワイヤ１〜１９、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２を用いて各ワイヤにつき１００００ループを作製し、ファーストボンド部で接合していない圧着ボールの有無を観察し、ファーストボンド部で接合していない圧着ボールが観察されなかった場合を○、ファーストボンド部で接合していない圧着ボールが１個でも観察された場合を×とし、その結果を表２〜３に示すことにより初期接合性を評価した。

圧着ボールの真円性評価：

本発明ワイヤ１〜１９、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２用いてボンディングを行い、各ワイヤにつき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、圧着ボールを上から光学顕微鏡で観察し、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、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）が存在しない場合を○、一つでも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）が存在する場合を×として、その結果を表２〜３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：

本発明ワイヤ１〜１９、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２用いてボンディングしたサンプルを、１５０℃の空気中で１０００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のキンク)にツールを引っかけてプル試験を行った。サンプリング数は各ワイヤにつき１００ループである。プル試験での破断は、ネック部で破断するか、圧着ボールとパッドの接合界面で破断(ボールリフト)した。圧着ボールを観察し、全てネック部での破断の場合は○、1個でもボールリフトがある場合は×として評価し、その結果を表２〜３に示した。
Figure 2008038201
Figure 2008038201
Figure 2008038201
表１〜３に示される結果から、本発明ワイヤ１〜１９は比抵抗が小さく、初期接合性、圧着ボールの真円性、接合信頼性およびループ制御性が良好であるに対し、比較ワイヤ１〜１５および従来ワイヤ１〜２はこれら特性の少なくともいずれか一つは不良となることが分かる。

Claims (3)

  1. ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種を合計で５００〜１０００ｐｐｍ、さらに、
    Ｃａ：４〜６０ｐｐｍ、

    Ｂｅ：２〜２０ｐｐｍ、
    Ｉｒ：１〜１００ｐｐｍ、
    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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  2. さらにＡｇ：１〜１０ｐｐｍを含有す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、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有するボンディングワイヤ用金合金線。
  3. ボンディングワイヤ用金合金線の０．２％耐力（Ｐａ）をσ０．２、ヤング率（Ｐａ）をＥ、破断伸び率をＥＬとすると、
    Ｅ≧７５ＧＰａ、
    （σ０．２／Ｅ）≧２．２×１０−３、
    ２％≦ＥＬ≦１０％、
    の条件を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の高い初期接合性、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高いループ制御性および低い比抵抗を有するボンディングワイヤ用金合金線。
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