JP2701419B2 - 半導体素子用金合金細線及びその接合方法 - Google Patents
半導体素子用金合金細線及びその接合方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車の内装部品などに使用される半導
体素子において、高温での使用に伴いボンディング・ワ
イヤとSiチップ上のAl合金配線被覆との接合部の劣化に
よる接続不良などを起こしにくいような半導体素子用金
合金細線に関する。
体素子において、高温での使用に伴いボンディング・ワ
イヤとSiチップ上のAl合金配線被覆との接合部の劣化に
よる接続不良などを起こしにくいような半導体素子用金
合金細線に関する。
一般に、半導体素子としてトランジスタやIC、さらに
LSIなどが知られており、ICの製造法の１つとして次に
示すようなものがある。
LSIなどが知られており、ICの製造法の１つとして次に
示すようなものがある。
（ａ）まず、リードフレーム素材として、板厚:0.1〜0.
3mmを有するCu合金条件を用意する。
3mmを有するCu合金条件を用意する。
（ｂ）このリードフレーム素材より、エッチングまたは
プレス打抜き加工にて、製造しようとするICの形状に適
合したリードフレームを形成する。
プレス打抜き加工にて、製造しようとするICの形状に適
合したリードフレームを形成する。
（ｃ）ついで、リードフレームの所定個所に、Siチップ
を、Agペーストなどの導電性樹脂を用いて加熱接着する
か、あるいは、予めSiチップおよびリードフレームの片
面に形成しておいたAl,Au,Ag,Ni,Cuまたはこれらの合金
で構成されためっき層を介してはんだ付けするかAuろう
付けをする。
を、Agペーストなどの導電性樹脂を用いて加熱接着する
か、あるいは、予めSiチップおよびリードフレームの片
面に形成しておいたAl,Au,Ag,Ni,Cuまたはこれらの合金
で構成されためっき層を介してはんだ付けするかAuろう
付けをする。
（ｄ）Siチップとリードフレームとに渡って、それぞれ
予め形成されたAlなどの電極面にボンディングワイヤと
して直径:20〜50μｍを有するAu細線を用いてボールボ
ンディングを施す。
予め形成されたAlなどの電極面にボンディングワイヤと
して直径:20〜50μｍを有するAu細線を用いてボールボ
ンディングを施す。
（ｅ）引続いて、Siチップ、ボンディングワイヤ、およ
びSiチップが取付けられた部分のリードフレームを、こ
れらを保護する目的で樹脂封止する。
びSiチップが取付けられた部分のリードフレームを、こ
れらを保護する目的で樹脂封止する。
（ｆ）最後に、上記リードフレームにおける相互に連な
る部分を切除して個々のICを形成する。
る部分を切除して個々のICを形成する。
以上（ａ）〜（ｆ）の主要工程からなる方法が知られ
ている。
ている。
ところで、最近、半導体素子を用いた装置の使用され
る環境条件がますます厳しくなっており、例えば自動車
のエンジンルーム内で使用される内装部品などのように
高温や高湿、あるいは振動などを受けるような環境下で
の使用が要求されてきている。ところが、従来の金線に
おいては、Al電極面との接合部において、AuとAlとの金
属間化合物が形成されて脆化し、後の樹脂封止工程や使
用に伴う振動により断線や接続不良が生じて製品の安定
性を損なってしまうという不都合があった。
る環境条件がますます厳しくなっており、例えば自動車
のエンジンルーム内で使用される内装部品などのように
高温や高湿、あるいは振動などを受けるような環境下で
の使用が要求されてきている。ところが、従来の金線に
おいては、Al電極面との接合部において、AuとAlとの金
属間化合物が形成されて脆化し、後の樹脂封止工程や使
用に伴う振動により断線や接続不良が生じて製品の安定
性を損なってしまうという不都合があった。
そこで、本発明者等は上述のような観点から、高温下
での信頼性を向上させる金ボンディングワイヤを開発す
べく研究を行った結果、 （ａ）金中にCu,Mnを適量含有させることにより、高温
においてAlとAuの金属間化合物の形成を抑制する作用が
ある。
での信頼性を向上させる金ボンディングワイヤを開発す
べく研究を行った結果、 （ａ）金中にCu,Mnを適量含有させることにより、高温
においてAlとAuの金属間化合物の形成を抑制する作用が
ある。
（ｂ）上記の作用を顕すには、上記金属元素は、金中に
少なくとも100重量ppm（以下、単にppmと記す）以上添
加する必要がある。また、添加量が10000ppmを超える
と、ボンディングのために金線の先端を加熱したときに
溶融した先端部が真球状にならず、ボンディング性がよ
くない。
少なくとも100重量ppm（以下、単にppmと記す）以上添
加する必要がある。また、添加量が10000ppmを超える
と、ボンディングのために金線の先端を加熱したときに
溶融した先端部が真球状にならず、ボンディング性がよ
くない。
（ｃ）上記Cu,Mnの１種または２種以上を含む金に、さ
らにBe,Ge,Ca,La,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bなどの元素を添加す
ることによりこれらの元素がCu,Mnの金属間化合物抑制
作用を高める。
らにBe,Ge,Ca,La,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bなどの元素を添加す
ることによりこれらの元素がCu,Mnの金属間化合物抑制
作用を高める。
（ｄ）Cu,Mnを100ppm以上含むボンディングワイヤを大
気中で加熱すると、これらの金属が酸化されて不純物と
なり、ボールの真球状を低下させるが、ボンディング作
業を不活性雰囲気で行うことにより上記問題を回避する
ことができる。
気中で加熱すると、これらの金属が酸化されて不純物と
なり、ボールの真球状を低下させるが、ボンディング作
業を不活性雰囲気で行うことにより上記問題を回避する
ことができる。
以上（ａ）〜（ｄ）に示される知見を得たのである。
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであっ
て、 第１の請求項において、Cu,Mnのうち１種または２種
以上を総計で100〜10000ppmを含み、残部がAu及ぶ不可
避不純物からなる半導体装置用金合金細線を提供し、 また、第２の請求項において、Cu,Mnのうち１種また
は２種以上を総計で100〜10000ppm含み、Be,Ge,Ga,La,S
i,Sn,Ti,Zr,Mg,Bのうち１種または２種以上をそれぞ１
〜50ppm、かつ総計で100ppm以上含み、残部がAu及び不
可避不純物からなる半導体素子用金合金細線を提供し、 第３の請求項において、上記の半導体素子用金合金細
線を用いて、不活性雰囲気中で該半導体素子用金合金細
線と電極の間に電圧を印加し、該半導体素子用金合金細
線の先端部を溶融させてボールを形成し、Al電極に該ボ
ールを押圧して接合する方法である。
て、 第１の請求項において、Cu,Mnのうち１種または２種
以上を総計で100〜10000ppmを含み、残部がAu及ぶ不可
避不純物からなる半導体装置用金合金細線を提供し、 また、第２の請求項において、Cu,Mnのうち１種また
は２種以上を総計で100〜10000ppm含み、Be,Ge,Ga,La,S
i,Sn,Ti,Zr,Mg,Bのうち１種または２種以上をそれぞ１
〜50ppm、かつ総計で100ppm以上含み、残部がAu及び不
可避不純物からなる半導体素子用金合金細線を提供し、 第３の請求項において、上記の半導体素子用金合金細
線を用いて、不活性雰囲気中で該半導体素子用金合金細
線と電極の間に電圧を印加し、該半導体素子用金合金細
線の先端部を溶融させてボールを形成し、Al電極に該ボ
ールを押圧して接合する方法である。
この発明の半導体素子用金合金細線において、合金成
分としてのCu,Mnの含有量を100〜10000ppmと定めたの
は、その含有量が100ppm未満では、上記のように半導体
装置の実用に際して、高温下での使用時にワイヤとAl電
極との接合部における金属間化合物の形成を抑制する効
果が無く、一方その含有量が10000ppmを越えると、ワイ
ヤボンディング時におけるワイヤ先端部に形成されたボ
ール部の変形に伴う加工硬化が急激に現われるようにな
って、真球度が低下し、ボンディングが困難となるとと
もに接続強度が低下するという理由に基づくものであ
る。
分としてのCu,Mnの含有量を100〜10000ppmと定めたの
は、その含有量が100ppm未満では、上記のように半導体
装置の実用に際して、高温下での使用時にワイヤとAl電
極との接合部における金属間化合物の形成を抑制する効
果が無く、一方その含有量が10000ppmを越えると、ワイ
ヤボンディング時におけるワイヤ先端部に形成されたボ
ール部の変形に伴う加工硬化が急激に現われるようにな
って、真球度が低下し、ボンディングが困難となるとと
もに接続強度が低下するという理由に基づくものであ
る。
また、第２の発明において、BE,Ge,Ca,La,Si,Sn,Ti,Z
r,Mg,Bの含有量をそれぞれ１〜50ppmに設定したのは、1
ppm未満ではCu,Mnの作用を促進する効果がなく、それぞ
れ50ppmを超えると上述したと同様に真球度が低下する
とともに、線引き加工が低下するので、ワイヤを製造す
る際の能率の低下などをもたらすことになる、また、個
々が上記範囲にあっても総計で100ppmを超えると同様の
不具合がもたらされる。
r,Mg,Bの含有量をそれぞれ１〜50ppmに設定したのは、1
ppm未満ではCu,Mnの作用を促進する効果がなく、それぞ
れ50ppmを超えると上述したと同様に真球度が低下する
とともに、線引き加工が低下するので、ワイヤを製造す
る際の能率の低下などをもたらすことになる、また、個
々が上記範囲にあっても総計で100ppmを超えると同様の
不具合がもたらされる。
このような組成の半導体素子用金合金細線によれば、
Al電極とワイヤを接合した後、素子を高温環境において
使用した場合でも、接合部においてCu,MnがAlとAuとの
間での金属間化合物の形成を抑制し、また、Be,Ge,Ca,L
a,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bが上記のCu,Mnの作用を促進し、抑
制効果を一層高める。
Al電極とワイヤを接合した後、素子を高温環境において
使用した場合でも、接合部においてCu,MnがAlとAuとの
間での金属間化合物の形成を抑制し、また、Be,Ge,Ca,L
a,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bが上記のCu,Mnの作用を促進し、抑
制効果を一層高める。
なお、第３の請求項の方法のように、ボンディング工
程を不活性雰囲気中で行うことにより、上記金属元素及
び補助添加元素ともに酸化されることを防ぎ、加熱によ
るボールアップ時において真球度の高いボール形成を行
い、接合作業の能率を向上させるとともに接合強度を保
持させる。
程を不活性雰囲気中で行うことにより、上記金属元素及
び補助添加元素ともに酸化されることを防ぎ、加熱によ
るボールアップ時において真球度の高いボール形成を行
い、接合作業の能率を向上させるとともに接合強度を保
持させる。
〔実施例〕 以下、この発明の金合金細線を実施例により具体的に
説明する。
説明する。
通常の溶解法により、それぞれ第１表に示される成分
を有する金合金溶湯を調製し、鋳造した後、溝型圧延機
を用いて適当な断面寸法まで圧延し、続いて線引き加工
を行って直径:25μｍφの細線とした。また、比較材と
して、本願発明の成分範囲を外れるような成分の金合金
細線を、同様の方法で製造した。
を有する金合金溶湯を調製し、鋳造した後、溝型圧延機
を用いて適当な断面寸法まで圧延し、続いて線引き加工
を行って直径:25μｍφの細線とした。また、比較材と
して、本願発明の成分範囲を外れるような成分の金合金
細線を、同様の方法で製造した。
ついで、この結果得られた各種の金合金細線を用い
て、ボンディングマシンによりAl合金細線被覆を有する
電極面にボールボンディングを行った。ボンディング方
法は、ボンディングワイヤを保持しつつ、N2ガス雰囲気
中で放電によってワイヤ先端を加熱して溶融させ、ボー
ルアップした後、電極面に押圧するものである。
て、ボンディングマシンによりAl合金細線被覆を有する
電極面にボールボンディングを行った。ボンディング方
法は、ボンディングワイヤを保持しつつ、N2ガス雰囲気
中で放電によってワイヤ先端を加熱して溶融させ、ボー
ルアップした後、電極面に押圧するものである。
さらに、実施例と比較例の金細線及びボンディング方
法を用いて結線を製造した半導体素子を250℃、N2雰囲
気中に900分間保持した後、Siチップ上の金合金細線とA
l電極との接合部の強度をシアテストにより測定すると
ともに、これらのサンプルを切断して接合部のAl−Au金
属間化合物の層厚さを測定した。また、ワイヤの常温で
の引張試験を行った。これらの結果をまとめて第１表に
示す。
法を用いて結線を製造した半導体素子を250℃、N2雰囲
気中に900分間保持した後、Siチップ上の金合金細線とA
l電極との接合部の強度をシアテストにより測定すると
ともに、これらのサンプルを切断して接合部のAl−Au金
属間化合物の層厚さを測定した。また、ワイヤの常温で
の引張試験を行った。これらの結果をまとめて第１表に
示す。
この表に示される結果から、第１請求項記載の発明の
実施例の金合金細線（No.1〜９）は、ボールアップ時の
ボール形状がいずれも真球状であり、形成されたAl−Au
金属間化合物の層厚さも最大で4.9μｍであり、接合強
度も54g以上であって、いずれも総合的に見て良好な成
績を収めている。
実施例の金合金細線（No.1〜９）は、ボールアップ時の
ボール形状がいずれも真球状であり、形成されたAl−Au
金属間化合物の層厚さも最大で4.9μｍであり、接合強
度も54g以上であって、いずれも総合的に見て良好な成
績を収めている。
これに対して、本発明の成分限定の範囲を外れるもの
（No.62〜67）は、上記の試験項目のうちのいずれか一
つまたは複数の項目が不良となっている。ここで、Cu,M
nの添加量が本発明の成分より低い場合は、ボールアッ
プしたときの真球度は高いもののAu−Al化合物層の厚さ
が大きくなってしまう。
（No.62〜67）は、上記の試験項目のうちのいずれか一
つまたは複数の項目が不良となっている。ここで、Cu,M
nの添加量が本発明の成分より低い場合は、ボールアッ
プしたときの真球度は高いもののAu−Al化合物層の厚さ
が大きくなってしまう。
第２請求項記載の発明は、上記の成分に微量成分を添
加したことにより、常温での引張強度が約3g程度向上し
ている。
加したことにより、常温での引張強度が約3g程度向上し
ている。
次に、第３の請求項の発明の効果を確認するために、
不純物量が10ppm以下であるような金の母材に請求項１
の範囲に含まれる量のCuを添加したもの（No.3〜８）と
比較例（No,1,2,9,10）をN2ガス雰囲気中でボンディン
グして第３の請求項の実施例とし、同様の成分のサンプ
ルを大気中でボンディングして比較例とし、上記と同様
のテストを行った。この結果を第２表に示す。
不純物量が10ppm以下であるような金の母材に請求項１
の範囲に含まれる量のCuを添加したもの（No.3〜８）と
比較例（No,1,2,9,10）をN2ガス雰囲気中でボンディン
グして第３の請求項の実施例とし、同様の成分のサンプ
ルを大気中でボンディングして比較例とし、上記と同様
のテストを行った。この結果を第２表に示す。
この結果によれば、本願第１及び第２の請求項に規定
する成分の範囲に含まれるものであっても、 酸化性の雰囲気中で加熱してボールアップしたものは、
酸化物の生成による性状の変化により、いびつになり、
その結果、接合強度の低下などを来している。しかしな
がら、本願の第１及び第２の請求項に規定する成分の範
囲に含まれ、かつ、非酸化性雰囲気中でボールアップし
たもののみが、ボールの真球度、Au−Al化合物層厚さ、
接合強度のいずれにおいても良好な成績を示している。
する成分の範囲に含まれるものであっても、 酸化性の雰囲気中で加熱してボールアップしたものは、
酸化物の生成による性状の変化により、いびつになり、
その結果、接合強度の低下などを来している。しかしな
がら、本願の第１及び第２の請求項に規定する成分の範
囲に含まれ、かつ、非酸化性雰囲気中でボールアップし
たもののみが、ボールの真球度、Au−Al化合物層厚さ、
接合強度のいずれにおいても良好な成績を示している。
以上、詳述したように、本願の第１の請求項の発明
は、Cu,Mnのうち１種または２種以上を総計で100〜1000
0ppmを含む、残部がAu及び不可避不純物からなる半導体
装置用金合金細線であるので、ワイヤをAlを主成分とす
る電極に接合してこれを高温で保持しても、これらの金
属元素がAl−Au金属間化合物の生成を抑制し、接合部の
強度の低下を防ぐとともに、この成分範囲においてはボ
ールアップ時のボール形状をゆがけることもなく、良好
なボンディング性能を得ることができる。
は、Cu,Mnのうち１種または２種以上を総計で100〜1000
0ppmを含む、残部がAu及び不可避不純物からなる半導体
装置用金合金細線であるので、ワイヤをAlを主成分とす
る電極に接合してこれを高温で保持しても、これらの金
属元素がAl−Au金属間化合物の生成を抑制し、接合部の
強度の低下を防ぐとともに、この成分範囲においてはボ
ールアップ時のボール形状をゆがけることもなく、良好
なボンディング性能を得ることができる。
また、第２の請求項の発明は、Cu,Mnのうち１種また
は２種以上を総計で100〜10000ppm含み、さらに、Be,G
e,Ca,La,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bのうち１種または２種以上を
それぞれ１〜50ppm、総計で100ppm以下含むようにした
ので、これらの元素がCu,Mnと相乗的に作用し、上述し
た金属間化合物生成抑制作用を一層強めるとともに、金
線の常温での引張強度をも向上させることができる。
は２種以上を総計で100〜10000ppm含み、さらに、Be,G
e,Ca,La,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,Bのうち１種または２種以上を
それぞれ１〜50ppm、総計で100ppm以下含むようにした
ので、これらの元素がCu,Mnと相乗的に作用し、上述し
た金属間化合物生成抑制作用を一層強めるとともに、金
線の常温での引張強度をも向上させることができる。
そして、第３の請求項の発明は、上記の半導体素子用
金合金細線を用いて、不活性雰囲気中でボールボンディ
ングを行うことにより、金線中に含まれる比較的酸化し
やすい成分の酸化を防ぎ、ボールの真球度を維持してボ
ンディングを円滑に行わせ、上述した組成の金線の特性
を充分に発揮させるものである。
金合金細線を用いて、不活性雰囲気中でボールボンディ
ングを行うことにより、金線中に含まれる比較的酸化し
やすい成分の酸化を防ぎ、ボールの真球度を維持してボ
ンディングを円滑に行わせ、上述した組成の金線の特性
を充分に発揮させるものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森川 正樹 大阪府大阪市北区天満橋１―８―41 三 菱金属株式会社大阪製錬所内 (56)参考文献 特開 昭57−90954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−51867（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−94835（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−60842（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−13740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−76556（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−88328（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−96844（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−122140（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】CuおよびMnの１種または２種を総計で120
〜10000重量ppmを含み、残部がAu及び不可避不純物から
なることを特徴とする半導体素子用金合金細線。 - 【請求項２】CuおよびMnの１種または２種を総計で120
〜10000重量ppmを含み、Be,Ge,Ca,La,Si,Sn,Ti,Zr,Mg,B
のうちの１種または２種以上をそれぞれ１〜50重量ppm
かつ総計で100重量ppm以下含み、残部がAu及び不可避不
純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細
線。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
半導体素子用金合金細線を用いて、不活性雰囲気中で該
半導体素子用金合金細線と電極の間に電圧を印加し、該
半導体素子用金合金細線の先端部を溶融させてボールを
形成し、Al電極に該ボールを押圧して接合することを特
徴とする半導体素子用金合金細線。
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|---|---|---|---|
| JP1037263A JP2701419B2 (ja) | 1989-02-16 | 1989-02-16 | 半導体素子用金合金細線及びその接合方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1037263A JP2701419B2 (ja) | 1989-02-16 | 1989-02-16 | 半導体素子用金合金細線及びその接合方法 |
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| JP2701419B2 true JP2701419B2 (ja) | 1998-01-21 |
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| JP4513440B2 (ja) * | 2004-07-15 | 2010-07-28 | 住友ベークライト株式会社 | 半導体装置 |
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-
1989
- 1989-02-16 JP JP1037263A patent/JP2701419B2/ja not_active Expired - Fee Related
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