JP2766701B2 - ボンデイングワイヤー - Google Patents

ボンデイングワイヤー

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体素子上の電極と外部リードを接続する
為に用いるボンディングワイヤーに関する。
〔従来の技術〕
トランジスタ、IC、LSIなどの半導体素子（チップ）
の電極と外部リードとの結線用として多く用いられてい
る金線は、その機械的強度及び耐熱強度を向上させる為
に、純度99.99重量％以上の高純度金に他の金属元素を
微量添加する方法が採られている。従来この他の金属元
素の添加量に対する考え方としては、金線の先端を電気
放電あるいは水素炎により加熱溶融して金ボールを形成
する際に、ボール形状がいびつになったり、ボール表面
に添加元素の酸化被膜が形成され、チップ電極と金ボー
ルとの接合性を阻害されるという理由等により、その総
添加量を0.01重量％未満に留めているのが一般的であ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕 ところが最近の半導体デバイスの多ピン化傾向に伴う
外部リードの巾狭化、長リード化によってボンディング
工程、あるいはそれ以降の工程で発生する振動や樹脂封
入時の樹脂の流動抵抗により、金ボール直上のネック部
が破断するという現象が見られるようになって来た。こ
の破断原因はボール形成時に金線が受ける熱影響によ
り、ボール直上の結晶組織が粗大化した再結晶組織とな
るため、ボールネック部に応力が加わると結晶粒界や辷
り面に沿って破断に至るものと考えられている。
この結晶の粗大化を防止する為には従来の微量添加元
素による方法では不十分で、いまだ解決に至っていない
のが現状である。
本発明の目的は金ボールを形成する際、ボール表面に
添加元素の酸化被膜の形成がなく、良好なボール形状が
安定して得られ、しかもボールネック部のワイヤー強度
低下がなく勝れた機械的強度及び耐熱強度を有するボン
ディングワイヤーを提供する事にある。
〔課題を解決する為の手段〕
上記目的を達成する為、本発明のボンディングワイヤ
ーは純度99.99重量％以上の高純度金にAl、Sn及びInの
元素群から選ばれる少なくとも１種を0.02〜1.0重量％
を含有せしめた点に特徴がある。更に本発明の第２のボ
ンディングワイヤーは、純度99.99重量％以上の高純度
金にAl、Sn及びInの第１元素群から選ばれる少なくとも
１種を0.02〜1.0重量％と、Ca、La、Ce及びEuの第２元
素群から選ばれる少なくとも１種を0.0005〜0.005重量
％含有せしめた点に特徴がある。
〔作用〕
Al、Sn及び／又はInは、金中に固溶する事により金線
の機械的強度を高め、金ボールを形成する際の熱影響に
よるボール直上の結晶粒の粗大化を抑制するのに効果が
あるが、その含有率が0.02重量％未満ではあまり効果が
なく、1.0重量％を超えるとボールが真球にならなかっ
たり、ボール表面に酸化被膜が形成され、チップ電極と
の接合性を阻害するので、0.02〜1.0重量％とする必要
がある。Ca,La,Ce及び／又はEuは金線の耐熱強度を高
め、ボンディング工程や樹脂封入工程でワイヤーが曝さ
れる高温においても、金線の強度低下を防ぐ効果がある
が、その含有率が0.0005重量％未満ではあまり効果がな
く、0.005重量％を超えるとボール形成時にボール表面
に酸化被膜が形成され、チップ電極との接合性を阻害す
るので0.0005〜0.005重量％とする必要がある。又、金
地金中には不可避不純物としてFe、Si、Pb、Mg、Cu、Ag
等が含まれており、これら不純物の含有率が高いとワイ
ヤーにした際に機械的特性にバラツキを生じ、ボンディ
ング工程でのボール形状、ループ形状、更にチップ電極
との接合性等のボンディング特性を低下するので、純度
99.99重量％以上の高純度金を用いる必要があり、純度9
9.999重量％以上の金が一層好ましい。ボンディングワ
イヤーの直径は用途によって種々であり、0.015〜0.2mm
の範囲で用いられているが、0.02〜0.05mmが一般的な線
径となっている。
本発明のボンディングワイヤーは次のようにして製造
できる。先ず純度99.99重量％以上の高純度金と、第１
元素群から選ばれる添加元素、第２元素群から選ばれる
添加元素を用いて母合金を作成し、その含有率を分析す
る。次に該母合金と高純度金の配合比を添加元素が所望
の含有率になるように決めて秤量し、不活性雰囲気中で
溶解鋳造し鋳塊を得る。得られた鋳塊を溝ロール又はス
ウェジ加工である程度の線径まで圧延した後、途中１〜
２回の焼きなまし処理を施し、順次口径の小さいダイス
を用いて伸線加工し、伸び率が所望の範囲に入るよう熱
処理を施してボンディングワイヤーとする。
〔実施例〕
実験No.1〜18 純度99.999重量％の高純度金を原料とし、これにAl、
Sn、Inを種々の割合いで添加溶解して先ず母合金を得、
この母合金と高純度金を配合して第１表に示す組成の金
合金を溶解鋳造し、次に溝ロール加工を施した後線引き
加工で直径0.03mmまで伸線を行った。このワイヤーを室
温に於ける破断伸び率が４％になるように熱処理し、常
温での引張り試験と同ワイヤーを250℃の雰囲気中に20
秒間保持した後、その状態で引張り試験を行い耐熱強度
の測定を行った。その結果を第１表に示す。
次に第１表に示す組成と強度のワイヤーを用いてボン
ディングマシンにて半導体素子とリードフレームとのボ
ンディングを行い、ボール直上の結晶粒径を電子顕微鏡
にて測定し、チップ電極と金ボールとの接合強度をボー
ルシェアテスターを用いて測定した。又、アーク放電に
よりボールを作成しボール首下を孔あきブロックに通し
て引掛け、他端を挟持し、ボール首下から挟持部に入る
部分までの長さを100mmとし、孔あきブロック側を引張
ボールネック部のワイヤー強度を測定し又、ボールの形
状を観察した。その結果を第１表にまとめて示す。
第１表より、実験No.1〜12はボール接合強度、ボール
ネック部強度共に良好であるのに対し、実験No.13,15及
び17では添加元素量が不足でボール直上の結晶粒径が粗
大化し、ボールネック強度が低く、一方実験No.14,16及
び18では添加元素量が多過ぎてボール形状が変形した
り、ボール接合強度が低くなっていることが分る。
実験No.19〜30 純度99.999重量％の高純度金を原料とし、これに第１
元素としてAl、Sn、Inを種々の割合で添加溶解して母合
金を得、又、同様に第２元素としてCa,La,Ce,Euを添加
溶解した母合金を得、前記金原料とこれらの母合金によ
り第２表に示す組成の金合金を溶解鋳造し、実験No.1〜
18と同様にして直径0.03mmのワイヤーを得、このワイヤ
ーについて同様に特性を測定した。結果を第２表にまと
めて示す。
第２表より実験No.19〜26では実験No.1〜12に比べて
ワイヤーの耐熱強度が向上し、それについてボールネッ
ク部の強度も向上していること、一方実験No.27及び28
では第２元素の添加量が幾分不足で耐熱強度があまり向
上せず、実験No.29及び30では逆に第２元素添加量が多
過ぎてボール形状が変形し、ボール接合強度が低下して
いることが分る。
実験No.31 Agを0.0013重量％含有する純度99.99重量％の金を原
料とし、第１元素群からSn0.1重量％、第２元素群からC
a0.0005、La0.0010重量％を含有するワイヤーを製造
し、同様に測定した。結果を第２表に合わせて示す。耐
熱強度、ボールネック部強度、ボール接合強度の何れも
良好であった。
〔発明の効果〕
本発明のボンディングワイヤーは高速ワイヤーボンデ
イングに十分耐え得る機械的強度及び耐熱強度を有し、
ボール形成時のボール変形もなく、更に金ボール直上の
結晶粒の粗大化を制御し、ボールネック部のワイヤー強
度の低下を防ぎ、チップ電極との接合性も阻害すること
なく安定したボンディングが可能である。
この結果、本発明のボンディングワイヤーによれば、
多ピンデバイスでの歩留り向上及び信頼性向上に大いに
寄与することができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】純度99.99重量％以上の高純度金にアルミ
    ニウム（Al）、錫（Sn）及びインジウム（In）の元素群
    から選ばれる少なくとも１種を0.02〜1.0重量％を含有
    せしめた合金線からなるボンディングワイヤー。
  2. 【請求項２】純度99.99重量％以上の高純度金にアルミ
    ニウム（Al）、錫（Sn）及びインジウム（In）の第１元
    素群から選ばれる少なくとも１種を0.02〜1.0重量％
    と、カルシウム（Ca）、ランタン（La）、セリウム（C
    e）及びユウロピウム（Eu）の第２元素群から選ばれる
    少なくとも１種を0.0005〜0.005重量％とを含有せしめ
    たことを特徴とするボンディングワイヤー。
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