JP2009105250A - ボールボンディング用金合金線 - Google Patents

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Abstract

【課題】 溶融ボール形成性やステッチ接合性やワイヤ強度に優れている金合金線でありながら、更に圧着ボール形状の真円性に優れた、半導体装置の高密度配線に対応可能な金合金線を提供する。
【解決手段】 マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９５質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の質量であるボールボンディング用金合金線である。
【選択図】 図４

Description

本発明はボールボンディング用金合金線に係り、ワイヤ伸び率４％時の引張り試験の破断荷重（以下、ワイヤ強度と記す）に優れ、溶融ボールを形成した際の溶融ボール表面に全面的な酸化物による汚れや引け巣が少なく、溶融して形成するボール形状の安定性（以下、溶融ボール形成性と記す）に優れ、溶融して形成したオールをボールボンドしたときの圧着ボール形状の真円性（以下、圧着ボール形状の真円性と記す）に優れ、ワイヤをキャピラリーによってフレームや基板などに押し付けて接合するステッチ接合性（以下、ステッチ接合性と記す）に優れた金合金線に関する。
ＩＣチップの電極と外部配線を接続する場合、ワイヤを介して配線するワイヤボンディング方法が知られている。この中でもＩＣチップのアルミニウム電極とワイヤを接合する方式により、超音波併用熱圧着接合及び超音波接合が主流を占めている。
ここで超音波併用熱圧着接合は、通常、ボールボンドボンディング方法により行われている。ボールボンドボンディング方法による接合法を、特許文献１に示されている図面を図１に再掲して説明する。
図１（ａ）に示す様に、ワイヤ２をキャピラリー１に挿通し、その先端に電気トーチ３を対向させ、ワイヤ２との間で放電させることにより、ワイヤ２の先端を加熱、溶融してボール４を形成する。
次いで、図１（ｂ）に示すように、キャピラリー１を下降させて該ボール４をＩＣチップ６上のアルミニウム電極５の上に押圧接合する。この時、図示しないが、超音波振動がキャピラリー１を通して付加されると共に、ＩＣチップ６はヒーターブロックで加熱されるため、上記ボール４は熱圧着され、圧着ボール４’となる。
次いで、図１（ｃ）に示すように、キャピラリー１は所定の軌跡を描いて、外部配線８の上に移動し、下降する。この時、図示しないが、超音波振動がキャピラリー１を通して付加され、外部配線８はヒーターブロックで加熱されるため、ワイヤ２側面が熱圧着される。この熱圧着による接合をステッチ接合と呼ぶ。
次いで、図１（ｄ）に示すように、クランパー７はワイヤ２をクランプしたまま上昇することにより、ワイヤ２が切断され、配線が完了する。
一般的なボールボンディング用金合金線は、ワイヤ強度、溶融ボール形成性、圧着ボール形状の真円性、ステッチ接合性が実用に耐える必要がある。また、一般的なボールボンディング用金合金線の伸び率は２〜６％に設定されているが、ループ形成性を考慮すると、伸び率は３％以上が望ましく、特に４％が望ましいとされている。
ウェッジ接合用金合金線として、特許文献１では、高純度金にカルシウム（Ｃａ）を１〜１００質量ｐｐｍ添加した金合金線であって、該金合金線の金純度が９９．９質量％以上であり、引張強さが３３．０ｋｇ／ｍｍ2以上、伸び率が１〜３％であることを特徴とする金合金線が開発されていた。この金合金線は、高温の接合強度に優れ、ＩＣチップの高密度配線として好適で、ウェッジボンディングによっても良好に接合していた。
しかし、この金合金線をボールボンディングワイヤとして利用しようとすると、圧着ボール形状の真円性が悪くなるため、安定したボールボンディング接合を行うことはできない。さらに、伸び率が低いのでループ形状が描きにくく、ループ形成性が悪くなる。そのため、用途がウェッジ接合に限定され、半導体装置として利用できる範囲が限定されていた。
他方、特許文献２では、その実施例１３に、マグネシウム（Ｍｇ）を２９重量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を１０重量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を８重量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９９％の高純度金からなることを特徴とするボンディングワイヤが開示されている。このボンディングワイヤは、半導体組み立て時のワイヤの断線が起きにくく、半導体デバイスの組立収率が低下しないことを特徴とする。
しかし、このボンディングワイヤは、ワイヤ強度に優れているものの、後述する比較例２で明らかなとおり、圧着ボール形状の真円性が悪く、また、ステッチ接合性も満足のいくものとはいえないものであった。
特許第３６５７０８７号公報 特開平１０−４１１４号公報
本発明は、前述の従来事情に鑑み、これまでと同様に溶融ボール形成性やステッチ接合性やワイヤ強度に優れている金合金線でありながら、更に圧着ボール形状の真円性に優れた、半導体装置の高密度配線に対応可能な金合金線を提供することを目的とする。
本発明者は、ワイヤ強度に優れている金合金線について鋭意研究を重ねた結果、微量な添加元素であるカルシウム（Ｃａ）がユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であれば、所定範囲のＣａ−Ｍｇ−Ｅｕの微量な添加元素系からなる金合金またはＣａ−Ｍｇ−Ｅｕ−Ｓｎの微量な添加元素系からなる金合金がワイヤ強度および溶融ボール形成性および圧着ボール形状の真円性およびステッチ接合性に優れた効果を発揮することを新たに知見し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明によれば、マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線が提供される。
また、本発明によれば、マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、スズ（Ｓｎ）を１〜３０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線が提供される。
また、本発明によれば、マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であり、かつ、微量な添加元素であるユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量が２５質量ｐｐｍ以下の添加量であることを特徴とする。
また、本発明によれば、マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、スズ（Ｓｎ）を１〜３０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であり、かつ、微量な添加元素であるユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量が２５質量ｐｐｍ以下の添加量であることを特徴とする。
好ましい態様においては、微量な添加元素であるマグネシウム（Ｍｇ）は、１５〜４０質量ｐｐｍ添加する。
本発明によるボールボンディング用金合金線によれば、所定範囲のＣａ−Ｍｇ−Ｅｕの微量な添加元素系からなる金合金またはＣａ−Ｍｇ−Ｅｕ−Ｓｎの微量な添加元素系からなる金合金が、ワイヤ強度およびステッチ接合性および圧着ボール形状の真円性および溶融ボール形成性に優れた効果を発揮することができ、半導体装置の生産性向上に効果的である。特に、ステッチ接合部における部材の固定が難しいためにステッチ接合が困難と言われるＱＦＰ，ＱＦＮパッケージの実装などにおいて、安定して接合することが可能なことから、半導体装置作製の生産性向上に効果的である。
本発明においては、微量な添加元素の種類が少なく、成分範囲が狭く、限定的である。また、本発明の微量な添加元素の配合比のバランスが崩れると、ワイヤ強度またはステッチ接合性または圧着ボール形状の真円性または溶融ボール形成性に悪影響する恐れがあるので、金（Ａｕ）の純度はできるだけ高純度のものが望ましい。また、本発明の合金系において、金以外の微量な添加元素および不純物元素の合計が１００質量ｐｐｍ未満であれば、９９．９９質量％以上の高純度金ボンディングワイヤとして表示できるので、商業上有利である。
（ステッチ接合性とワイヤ強度）
ボンディングワイヤのステッチ接合は固相接合に分類される。固相接合に良い影響を及ぼす現象として、密着部形成の為の変形がし易く、密着部における結合力が高いことが知られている。
密着部形成の為の変形がし易いとは、弾性変形、塑性変形、クリープ変形、拡散による変形などがし易いことを意味している。この現象はステッチ接合においても同様であり、ボンディングワイヤの場合は、ワイヤ強度が低いほど密着部形成の為の変形がし易いと考えられるため、ワイヤ強度とステッチ接合性には負相関の関係がある。
一方、密着部における結合力は、化学結合力、凝着、表面粗さ、表面状態などさまざまな現象に起因する。しかし、一般的なボールボンディング用金合金線は、元々他の金属ボンディングワイヤよりも結合力が高い。これは組成の純度９９質量％から純度９９．９９質量％以上が大気中でほとんど酸化しない金で構成されているからである。したがって、ボンディングワイヤ表面に存在する添加元素や添加元素の酸化物による悪影響が少ないほど、より高い密着部の接合力が得られると考えられる。
純度９９．９９９質量％以上の高純度金を用いて、添加元素を全く添加せずにボールボンディング金線を作製すると、ワイヤが柔らかいため、密着部形成の為の変形がし易い点と、ワイヤ表面に存在する添加元素や添加元素の酸化物による悪影響がないことから、最もステッチ接合性に優れたボンディングワイヤであると考えられる。ところが、ボンディングワイヤには複数の機能を同時に求められ、例えば、一定以上のワイヤ強度がないと樹脂モールド時のワイヤ流れや、ループ形成性が劣るなど実用上問題が発生する。その結果、ワイヤ強度を向上させるために、微量な添加元素を用いる必要がある。本発明が用いた微量なすべての添加元素は、密着部における結合力への影響に関して純金と比較してもステッチ接合性を阻害しにくい元素である。
また、本発明の微量な添加元素を所定の配合比で使用することで、ワイヤ強度向上にも効果がある。なお、ワイヤ表面に存在する添加元素の酸化物は、最終伸線加工後に施される融点の３割〜６割程度の温度で行われるアニール処理によるものと考えられる。不活性雰囲気でアニール処理することや、アニール処理後にワイヤ表面を化学的に洗浄することでワイヤ表面の酸化物は減少可能と考えられるが、コスト面で製造上問題があり、本発明の方法の方が実用的である。
（溶融ボール形成性）
溶融ボールとは、大気中でスパークを飛ばしてボンディングワイヤの先端を溶かして得られたボールのことである。いくつかの添加元素について、添加量が多くなるとボール全面や、ボールとワイヤとの境界（ネックという）部分に添加元素の酸化物が確認される。また、場合によっては、ボール底辺に引け巣が発生することもある。ボンディングワイヤの性能上、溶融ボール形成性は重要であり、酸化物や引け巣は極力少なくすることが求められている。本発明の微量な添加元素を所定の配合比で使用することで実用性に耐え満足する溶融ボール形成性が得られる。
（圧着ボール形状の真円性）
半導体装置の高密度実装化によりＩＣチップ上のアルミニウム電極の間隔および面積が狭小化してきている。間隔および面積が狭小化したアルミニウム電極上にボンディングする際には、隣接する圧着ボール同士の接触を防止するために、圧着ボール形状の真円性向上が必要不可欠となる。圧着ボール形状の真円性に対しては添加元素の配合比の影響が大きく、配合比のバランスが崩れることにより溶融ボールを圧着させた際の変形が不均一となり圧着ボール形状の真円性が保てなくなる。さらに圧着ボール形状の真円性は、ステッチ接合性と同様に、ワイヤ強度と負相関の傾向にある。本発明の微量な添加元素を所定の配合比で使用することで実用性に耐えうる圧着ボール形状の真円性とワイヤ強度の両立が達成される。
〔Ｍｇ〕
本発明の合金系において、マグネシウム（Ｍｇ）は圧着ボール形状の真円性に最も効果的な元素である。
本発明の合金系において、マグネシウム（Ｍｇ）はワイヤ強度にはあまり効果をもたらさない添加元素である。
本発明の合金系において、マグネシウム（Ｍｇ）は１０質量ｐｐｍ以上必要である。これ未満では圧着ボール形状の真円性に効果がないからである。本発明の合金系において、圧着ボール形状の真円性を安定させるには、マグネシウム（Ｍｇ）は１５質量ｐｐｍ以上が好ましい。他方、本発明の合金系において、マグネシウム（Ｍｇ）が５０質量ｐｐｍを超えて多くなりすぎても、溶融ボール形成性に悪影響を及ぼす。本発明の合金系において、良好な溶融ボール形成性を得るには、マグネシウム（Ｍｇ）は４０質量ｐｐｍ以下が好ましい。
〔Ｅｕ〕
本発明の合金系において、ユーロピウム（Ｅｕ）はボンディングワイヤのワイヤ強度に効果的な元素であるが、後述のカルシウム（Ｃａ）ほどの効果はない。
また、本発明の合金系において、ユーロピウム（Ｅｕ）は圧着ボール形状の真円性に効果的な元素であるが、マグネシウム（Ｍｇ）ほどの効果はない。
本発明の合金系において、ユーロピウム（Ｅｕ）は５質量ｐｐｍ以上必要である。これ未満ではワイヤ強度に効果がないからである。他方、本発明の合金系において、ユーロピウム（Ｅｕ）が２０質量ｐｐｍを超えると、溶融ボール形成性に悪影響を及ぼす。
〔Ｃａ〕
本発明の合金系において、カルシウム（Ｃａ）はボンディングワイヤのワイヤ強度に最も効果的な元素である。しかしながら、カルシウム（Ｃａ）は、圧着ボール形状の真円性に悪影響を及ぼす元素でもある。そのため本発明の合金系において、カルシウム（Ｃａ）が有効な組成範囲は２〜９質量ｐｐｍと非常に狭い範囲に限定される。この範囲内でしかカルシウム（Ｃａ）は本発明の合金系において効果を発揮しない。
本発明の合金系において、カルシウム（Ｃａ）が２質量ｐｐｍ未満ではワイヤ強度に効果がなく、９質量ｐｐｍを超えると圧着ボール形状の真円性に悪影響を及ぼすからである。
〔Ｅｕ＋Ｃａ〕
本発明の合金系において、ユーロピウム（Ｅｕ）はカルシウム（Ｃａ）と相互作用をしていると考えられる。すなわち、ユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）はいずれもワイヤ強度に効果的な添加元素であるが、これらの微量な添加元素を共に添加することによって更にワイヤ強度を向上させる効果がある。ただし、合計の添加量は２５質量ｐｐｍ以下にすることが望ましい。２５質量ｐｐｍを超えると、ステッチ接合性および圧着ボール形状の真円性に悪影響を及ぼすからである。
また、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であることが必要である。カルシウム（Ｃａ）はワイヤ強度に最も効果的な元素であるが、圧着ボール形状の真円性に悪影響を及ぼすからである。
〔Ｓｎ〕
本発明の合金系において、スズ（Ｓｎ）は圧着ボール形状の真円性を良くする元素であるが、マグネシウム（Ｍｇ）ほどの効果はない。
本発明の合金系において、スズ（Ｓｎ）はボンディングワイヤのワイヤ強度にはあまり効果をもたらさない元素である。
本発明の合金系において、スズ（Ｓｎ）が効果を発揮するためにはマグネシウム（Ｍｇ）の存在を必要とする。
本発明の合金系において、スズ（Ｓｎ）が効果を発揮するには、スズ（Ｓｎ）が１質量ｐｐｍ以上必要である。これ未満ではマグネシウム（Ｍｇ）の圧着ボール形状の真円性の改善効果に打ち消されてしまい、スズ（Ｓｎ）の添加効果が現れないからである。本発明の合金系において、スズ（Ｓｎ）が３０質量ｐｐｍを超えて多くなりすぎると、溶融ボール形成性に悪影響を及ぼす。
（１）ワイヤ強度
伸び率を４％に調製したときの本発明の金合金のワイヤ強度に関して、従来と同様の測定方法を用いて評価した。なお、伸び率は、室温で標点距離を１００ｍｍとして、引張試験機により金合金線を引張速度１０ｍｍ／分で引っ張り、破断した時の伸び量を次式に代入して、求めた。
Figure 2009105250
判定は、φ２５μｍのワイヤを最終熱処理により伸び率を４．０％に調製し、測定数５本の平均値を測定値とし、値が高い試料を良好とした。
具体的には、ワイヤ強度１１．５ｇ（１１２．７ｍＮ）以上あるものを◎印で、ワイヤ強度１１．５ｇ（１１２．７ｍＮ）未満〜１０．０ｇ（９８ｍＮ）以上のものを○印で、ワイヤ強度１０．０ｇ（９８ｍＮ）未満〜８．５ｇ（８３．３ｍＮ）以上のものを△印で、ワイヤ強度８．５ｇ（８３．３ｍＮ）未満のものを×印で表した。
（２）溶融ボール形成性
溶融ボール形成性は、一般的な走査電子顕微鏡観察、光学顕微鏡観察により容易に確認することが可能である。
本発明では、判定は、測定数を１０個とし、走査電子顕微鏡観察により全面的な酸化物による汚れや引け巣が６個以上確認された試料を×、５個〜２個確認された試料を△、１個以下の試料を○と判定した。
（３）ステッチ接合性
ステッチ接合とは、ボンディングワイヤにキャピラリーを介して荷重・超音波などを加えながら押し付けて変形させ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄなどによりめっき処理されたフレームまたは基板上に接合させることをいう。ステッチ接合性に関して、本発明の金合金は、従来の金合金と同様に、ステッチ接合性を高く維持させることができる。
本発明の測定方法は、銀（Ａｇ）めっきされた４２アロイからなるリードフレームを用いて、図３に示すように、測定位置を圧着ボールの中心部を０％、リード端子接合部を１００％とした場合、９０％のリード端子接合部付近で行なった。
測定方法は、ボンディング直後の試料を用い、ＩＣチップ側とリード端子を治具で固定し、ワイヤを上方に引っ張り剥離強度を測定した。判定は、測定数３０個の平均値を測定値とし、値が高い試料を良いとした。
具体的には、剥離強度７．０ｇ（６８．６ｍＮ）以上のものを◎印で、剥離強度７．０ｇ（６８．６ｍＮ）未満〜５．０ｇ（４９．０ｍＮ）以上のものを○印で、剥離強度５．０ｇ（４９．０ｍＮ）未満〜３．０ｇ（２９．４ｍＮ）のもの以上を△印で、剥離強度３．０ｇ（２９．４ｍＮ）未満を×印で表した。
（４）圧着ボール形状の真円性
圧着ボール形状の真円性の評価は、シリコンチップ上のアルミニウム電極（アルミニウム厚：約７×１０-8ｍ）に圧着ボール径がおおよそ６３μｍとなる条件でボールボンディングをし、その後、銀（Ａｇ）めっきされた４２アロイからなるリードとの間でステッチ接合をし、ボールボンディング法にて結線した。その際、スパンは３×１０-3ｍで、本数を２００本とし、結線したワイヤのうちから任意で５０個の圧着ボールを用いて圧着ボール形状の真円性を評価した。超音波の印加方向と平行方向の圧着径および垂直方向の圧着径を測定し、合計５０個の圧着ボールの標準偏差が低い試料を良好とした。
具体的には、標準偏差０．７μｍ未満を◎印で、標準偏差０．７μｍ以上〜１．０μｍ未満を○印で、標準偏差１．０μｍ以上〜１．５μｍ未満を△印で、標準偏差１．５μｍ以上を×印で表した。
（５）金合金線の製造方法
本発明に係る金合金線の好ましい製造方法を説明する。
高純度金に所定量の元素を添加し真空溶解炉で溶解し鋳造する。鋳造したインゴットに溝ロール圧延機を用いた圧延加工および伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終伸線加工により直径２５μｍの細線とした後、最終アニールをして伸び率を４％に調製するものである。
本発明に係る合金組成の場合、最終アニールの温度が上昇するにつれて伸び率は４％を維持したまま、引張り強さが徐々に低下する温度領域がある。また同一組成であっても最終の伸線加工率の大きさによって引張り強さは変わってくる。このため最終の伸線加工率と最終アニール温度を制御して伸び率と引張り強さを調整する。このようにして伸び率の４％を維持した。
［作用］
純度９９．９９９質量％以上の金線は、ワイヤ強度が低く、ワイヤ強度の経時低下もみられる。そのため、ボンディングワイヤとして用いられる金合金線は、それぞれ任意の添加元素を所定量添加し、純度９９．９９９質量％以上の金線よりもワイヤ強度が高められている。市販されている大多数のボンディングワイヤは、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、いくつかの希土類元素などが添加されているが、これらの添加元素にはワイヤ強度向上効果がある。
一方、ボンディングワイヤに要求されるステッチ接合性は、ワイヤ強度が高くなると、前記した密着部形成の為の変形がしづらくなり、また、ワイヤ強度を高くするために添加した、添加元素が増えることで密着部における結合力が低くなり、ステッチ接合性が悪化する。本発明では、添加元素の種類によって、ワイヤ強度を向上させながら、密着部における結合力に悪影響が少なく、ステッチ接合性を悪化させづらい添加元素をいくつか特定し、カルシウム（Ｃａ）とユーロピウム（Ｅｕ）が最適な添加元素であることを見出した。
ところが、一般的なボンディングワイヤには、ワイヤ強度、ステッチ接合性に加えて圧着ボール形状の真円性も要求される。しかし、一般的にはワイヤ強度が高くなると、圧着ボール形状の真円性が確保されにくいことが判明しており、本発明の合金系ではワイヤ強度に影響が少ないマグネシウム（Ｍｇ）を用いることで圧着ボール形状の真円性を確保している。ところが、ワイヤ強度およびステッチ接合性に優れているカルシウム（Ｃａ）について、マグネシウム（Ｍｇ）を用いた合金系であっても、添加量やワイヤ強度を向上させる他の添加元素との相互作用を考慮せずに使用した場合は、圧着ボール形状の真円性を良くすることができないことを突き止めた。
そこで、本発明の合金系におけるカルシウム（Ｃａ）は、添加量やワイヤ強度を向上させる他の添加元素との相互作用を考慮しながら配合した結果、カルシウム（Ｃａ）とユーロピウム（Ｅｕ）との配合比に着目し、圧着ボール形状の真円性を向させる効果を維持し、ステッチ接合性とワイヤ強度を同時に良くすることに成功した。
具体的には、本発明の合金系において、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）よりもボンディングワイヤのワイヤ強度に効き目が強い。そこで、ボンディングワイヤのワイヤ強度に及ぼすカルシウム（Ｃａ）の影響を従とし、ユーロピウム（Ｅｕ）の影響を主とするため、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であるとした。
以下に、実施例及び比較例について、表１を参照しながら説明する。
純度９９．９９９質量％の高純度金に所定量の添加元素を微量に添加し、真空溶解炉で溶解した後鋳造して表１左欄に示す組成の金合金インゴットを得た。該当インゴットに溝ロール圧延機を用いた圧延加工および伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終伸線加工により直径２５μｍの細線とした後、最終アニールをして伸び率４％になるように調製した。
この金合金線は、ボールボンディング装置（株式会社新川製 ＵＴＣ１０００型）を用いて、ＩＣチップのアルミニウム電極上にボールを圧着して接合し、銀めっきされたリード端子にステッチ接合を行った。ボールの圧着の一例を図４に、ステッチ接合の例を図５に、写真で示す。
このときＩＣチップ側の接合条件は、荷重を３０ｇ、接合時間を１２ミリ秒、超音波出力を３００ｍＷとした。一方、リード端子側の接合条件は、荷重を４０ｇ、接合時間を１０ミリ秒、超音波出力を４００ｍＷとした。共通の接合条件である接合温度は２００℃で行い、キャピラリーはエスピーティ株式会社製のＳＢＮＳ―３３ＣＤ―ＡＺＭ―１／１６―ＸＬを用いた。
次に、ボンディング直後の試料を用いて、圧着ボール形状の真円性はアルミニウム電極上から測定し、ステッチ接合性はリード端子付近のワイヤ剥離強度から測定した。それぞれの測定結果を表１右欄に示す。
Figure 2009105250
測定結果から次のことがわかる。
（１）実施例１〜１２は、走査電子顕微鏡観察により観察したところ、全面的な酸化物による汚れや引け巣があまりなく、溶融ボール形成性が実用性に耐え満足するものであった。これに対して、マグネシウム（Ｍｇ）添加量が上限値を超えている比較例４、および、スズ（Ｓｎ）添加量が上限値を超えている比較例５は、走査電子顕微鏡観察により全面的な酸化物による汚れや引け巣が数多く観察され、溶融ボール形成性が実用性に耐えず満足するものでなかった。
（２）実施例１〜１２は、圧着ボール形状の真円性がいずれも実用性に耐え満足するものであった。これに対して、カルシウム（Ｃａ）の添加量が上限値を超えている比較例１（比較例１はユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量も上限値２５質量ｐｐｍを超えている）、および、比較例２は、溶融ボールを圧着した時の圧着ボール形状の真円性が実用性に耐えず満足するものでなかった。また、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量とならない比較例３（比較例３はユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量も上限値２５質量ｐｐｍを超えている）についても、圧着ボール形状の真円性が実用性に耐えず満足するものでなかった
（３）実施例１〜１２は、ステッチ接合性がいずれも安定しており、その結果としていずれも実用性に耐え満足するものであった。これに対して、カルシウム（Ｃａ）とユーロピウム（Ｅｕ）の添加量が下限値を満たさない比較例４のものは、ステッチ接合性が安定しているものの、ワイヤ強度が十分でなく、実用性に耐えず満足のいくものではなかった。また、カルシウム（Ｃａ）の添加量が上限値を超えている比較例１および比較例３は、ワイヤ強度は満足のいくものであるが、ステッチ接合性が十分でなく、実用性に耐えず満足のいくものでなかった。
本発明によるボールボンディング用金合金線によれば、所定範囲のＣａ―Ｍｇ―Ｅｕの微量な添加元素系からなるＡｕ合金またはＣａ―Ｍｇ―Ｅｕ―Ｓｎの微量な添加元素系からなる金合金が圧着ボール形状の真円性に優れた効果を発揮することができ、また、従来と同様に溶融ボール形成性およびステッチ接合性やワイヤ強度と半導体装置の信頼性向上に効果的であり、その産業上の利用価値は極めて高い。
ボールボンディング方法による接合法を説明するための模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれボールボンディング方法およびステッチ接合方法による接合部の形状、寸法を示す。 ボンディングワイヤの接合強度測定を説明するための模式図である。 本発明のボールボンディング用金合金線をによるボールボンディング接合の例を示す写真である。 本発明のボールボンディング用金合金線をによるステッチ接合の例を示す写真である。
符号の説明
１：キャピラリー
２：ワイヤ
３：電気トーチ
４：ボール
４′：圧着ボール
５：Ａｌ電極
６：ＩＣチップ
７：クランパー
８：外部配線
Ｄ：ワイヤ径
Ｌ1：圧着ボール径
Ｌ2：つぶれ幅

Claims (5)

  1. マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線。
  2. マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、スズ（Ｓｎ）を１〜３０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線。
  3. マグネシウム（Ｍｇ）が１０〜５０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の質量であり、かつ、ユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量が２５質量ｐｐｍ以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線。
  4. マグネシウム（Ｍｇ）を１０〜５０質量ｐｐｍ、スズ（Ｓｎ）を１〜３０質量ｐｐｍ、ユーロピウム（Ｅｕ）を５〜２０質量ｐｐｍ、カルシウム（Ｃａ）を２〜９質量ｐｐｍ、および残部が純度が９９．９９８質量％以上の金（Ａｕ）からなる金合金であって、カルシウム（Ｃａ）はユーロピウム（Ｅｕ）の半分以下の添加量であり、かつ、ユーロピウム（Ｅｕ）とカルシウム（Ｃａ）合計の添加量が２５質量ｐｐｍ以下の添加量であることを特徴とするボールボンディング用金合金線。
  5. マグネシウム（Ｍｇ）が１５〜４０質量ｐｐｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のボールボンディング用金合金線。
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