JP2773202B2 - 半導体素子ボンディング用Ａｕ合金極細線 - Google Patents

半導体素子ボンディング用Ａｕ合金極細線

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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、すぐれた常温および高温強度、並びにす
ぐれた耐熱性を有し、特に半導体装置の製造に際して、
半導体素子と外部リードとのボンディング（結線）に用
いた場合に、一段と高いループ高さを保ち、その高さの
バラツキも小さく、かつ変形ループや、樹脂モールドの
際のループ流れが小さく、さらに高温にさらされる環境
下でも素地中に分散する金属間化合物の成長が抑制さ
れ、高い信頼性を確保することができるAu合金極細線に
関するものである。
〔従来の技術〕
一般に、半導体装置の組立てに際しては、 （ａ）まず、ボンディングキャピラリーを通して供給さ
れたAuまたはAu合金極細線の先端部を、電気的に、ある
いは水素炎などで加熱溶融してボールを形成し、 （ｂ）このボールを150〜300℃の加熱状態におかれた半
導体素子上の電極にキャピラリーで押し付けて接合（ボ
ールボンド）し、 （ｃ）ついでキャピラリーをループを形成しながら外部
リード上に移動し、 （ｄ）キャピラリーを外部リード上に押し付けて、ルー
プの他端部をこれに接合（ウェッジボンド）し、 （ｅ）引続いて、極細線を挾んで上方に引張って、これ
を切断する、 以上（ａ）〜（ｅ）の工程を一工程とし、これを繰り返
し行なうことによって、半導体素子と外部リードとをボ
ンディングすることが行なわれており、これには手動式
あるいは自動式ボンダーが用いられている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
一方、最近の半導体技術の進展によって、半導体装置
の高集積度化や組立ての高速化、さらに品種形状の多様
化や苛酷な条件下での使用を余儀なくされる傾向にあ
り、これに伴ってボンディングの高速化や半導体装置の
高密度化とともにパッケージ形状の多様化が進行し、中
には配線距離が従来のものよりずっと長いデバイスや、
極端に短かいデバイスの組立てを高速でボンディングす
る必要が生ずるようになってきたが、従来使用されてい
る各種の高純度Au極細線やAu合金極細線では、ループ高
さに不足が生じたり、さらにループ高さのバラツキが大
きいために不安定なループの形成が避けられず、この結
果半導体素子のエッジと接触してエッジショートを起し
易く、さらに半導体装置が高温の苛酷な使用環境にさら
されると、極細線の例えばAlの電極剤との接合界面にお
いて、素子中に分散する金属間化合物が急速に成長する
ようになり、このような金属間化合物の粗大化は信頼性
を著しく低下させるなどループに関する深刻な問題が新
たに発生するようになっているのが現状であり、したが
ってループ高さが高く、その高さのバラツキも小さく、
かつ変形ループの形成もなく、さらに樹脂モールドの際
のループ流れが小さく、加えて金属間化合物の成長が抑
制されて、信頼性を一段と増した半導体素子ボンディン
グ用極細線の開発が強く望まれている。
〔問題点を解決するための手段〕
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、ボン
ディングの高速化、並びに半導体装置の高密度化および
多様化に対応できる半導体素子ボンディング用極細線を
開発すべく研究を行なった結果、半導体素子ボンディン
グ用極細線を、 Ce,Pr,Nd、およびSmのうちの１種または２種以上:0.2
〜50ppm、 を含有し、 SiおよびAgのうちの１種または２種:11〜100ppm、 を含有し、さらに、 BeおよびGeのうちの１種または２種:1〜60ppm、 を含有し、さらに必要に応じて Ca:1〜60ppm、 を含有し、残りがAuと不可避不純物からなる組成を有す
るAu合金で構成すると、このAu合金は、すぐれた常温お
よび高温強度、並びにすぐれた耐熱性をもつ一方、ボン
ディングに際しては、高さが高く、しかも高さのバラツ
キが小さい安定したループを形成することができ、さら
にボンディング工程の熱影響によるループ変形や、これ
に続く樹脂モールドの熱影響によるループ流れの発生を
抑制することができるほか、高温使用環境下においても
金属間化合物の成長が著しく抑制されるようになるとい
う知見を得たのである。
この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであ
って、以下に成分組成を上記の通りに限定した理由を説
明する。
（ａ）Ce,Pr,Nd、およびSm これらの成分には、極細線の常温および高温の強度、
さらに耐熱性を向上せしめ、熱影響によるループの変形
や流れを防止する作用があるが、その含有量が.0.2ppm
未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方その
含有量が50ppmを越えると、所望の高いループ高さを確
保することができなくなることから、その含有量を0.2
〜50ppm（0.00002〜0.005重量％）と定めた。
（ｂ）SiおよびAg これらの成分には、Ce,Pr,Nd、およびSmとの共存にお
い、極細線の軟化温度を高め、もってボンディング時の
極細線自体の強度低下並びに変形ループの発生を抑制す
る作用があるが、その含有量が11ppm未満では前記作用
に所望の効果が得られず、一方100ppmを越えて含有させ
ると、脆化して線引加工性が低下するようになるばかり
でなく、ボンディング時の加熱温度で結晶粒界破断を起
し易くなることから、その含有量を11〜100ppm（0.0011
〜0.01重量％）と定めた。
（ｃ）Be,Ge,およびCa BeおよびGe成分には、Ce,Pr,Nd、およびSm、並びにSi
およびAgとの共存において、さらにループ高さを一段と
高め、かつループ高さのバラツキを小さくする作用があ
るほか、高温下における金属間化合物の成長を著しく抑
制する作用があるが、その含有量が1ppm未満では前記作
用に所望の効果が得られず、一方その含有量が60ppmを
越えると、脆化して線引加工性などが低下するようにな
るり、さらにボンディング時の加熱温度で結晶粒破断を
起し易くなることから、その含有量を１〜60ppm（0.000
1〜0.006重量％）と定めた。この場合、必要に応じてC
a:1〜60ppmをBeおよびGeの１種または２種:1〜60ppmと
共存するように添加すると一層すぐれた効果が得られ
る。
〔実施例〕
つぎに、この発明のAu合金極細線を実施例により具体
的に説明する。
通常の溶解法によそれぞれ第１表に示される成分組成
を持ったAu合金溶湯を調製し、鋳造した後、公知の溝型
圧延機を用いて圧延し、引続いて線引加工を行なうこと
によって、直径:0.025mmを有する本発明Au合金極細線１
〜16および比較Au合金極細線１〜20をそれぞれ製造し
た。
なお、比較Au合金極細線１〜20は、いずれも構成成分
のうちのいずれかの成分を含有しないものである。
ついで、この結果得られた各種の極細線について、極
細線がボンディング時に さらされる条件に相当する条件、すなわち温度:250℃に
20秒間保持した条件で高温引張試験を行ない、それぞれ
破断強度と伸びを測定した。
また、これらの極細線をボンディングワイヤとして用
い、高速自動ボンダーにてボンディングを行ない、ルー
プ高さ、ループ高さのバラツキ、ループ変形の有無、お
よび樹脂モールド後のループの流れ量を測定し、さらに
ボンディング後のループのAl電極材との接合部における
金属間化合物層の厚みと剪断強度（接合強度）を測定
し、加えて樹脂モールド後の半導体装置（IC）につい
て、高温保持信頼性試験を行なった。これらの結果を第
１表に示した。
なお、ループ高さは、第１図に正面図で示されるよう
に、半導体素子Ｓと外部リードＬを極細線Ｗでボンディ
ングした場合のｈをＺ軸測微計を用いて測定し、80個の
測定値の平均値をもって表わし、ループ高さのバラツキ
は、前記の80個のループ高さ測定値より標準偏差を求
め、３σの値で表わし、この場合、実用的にはh:250μ
ｍ以上、バラツキ:30μｍ以下であることが要求され
る。
また、ループ変形の有無は、ボンディング後の結線Ｗ
を顕微鏡を用いて観察し、第１図に点線で示されるよう
に結線Ｗが垂れ下がって半導体素子Ｓのエッジに接触
（エッジショート）している場合を「有」とし、接触し
ていない場合を「無」として判定した。
さらに、ループ流れ量は、樹脂モールド後の結線（細
線Ｗ）を直上からＸ線撮影し、この結果のＸ線写真にも
とづいて４つのコーナー部における半導体素子と外部リ
ードのボンディング点を結んだ直線に対する結線の最大
膨量を測定し、これらの平均値をもって表わした。この
場合ループ流れ量としては、最大値で100μｍまで許容
される。
また、金属間化合物層の厚みは、300℃に１時間保持
の条件でベーキング処理を施した後の断面を研磨した状
態で測定し、剪断強度はシェアテストにより測定し、さ
らに高温保持信頼性試験は、ICを250℃に500時間保持し
た後で、ループの抵抗値を測定し、高抵抗を示すもの
や、断線しているものを不良とし、試験数:50個のうち
の不良数を測定することにより行なった。この場合、金
属間化合物層の厚みは３μｍ以下、接合強度は50g以上
が望まれ、かつ高温保持信頼性試験では50個の試験数の
うち１個でも不良が発生すると信頼性の低いものとな
る。
〔発明の効果〕
第１表に示される結果から、本発明Au合金極細線１〜
16は、いずれも高い高温強度を有し、ループ高さが高
く、かつそのバラツキもきわめて小さく、またループ変
形の発生がなく、ループ流れも著しく少なく、しかもル
ープは金属間化合物の成長が著しく抑制された状態で、
きわめて高い接合強度を示し、かつ高温に長時間加熱保
持されても不良数の発生が皆無で信頼性の著しく高いも
のであるのに対して、比較Au合金極細線１〜20に見られ
るように、構成成分のうちのいずれかの成分でも欠ける
と上記特性のすべてを満足して具備することができない
ことが明らかである。
上述のように、この発明のAu合金極細線は、すぐれた
高温強度を有し、かつ常温強度および耐熱性にもすぐ
れ、通常の半導体装置は勿論のこと、高密度にして多様
な半導体装置の組立てに際して、高速ボンディングを採
用した場合にも、高さが高く、かつ高さのバラツキも著
しく小さくループを安定して形成することができ、さら
にループの変形がほとんどないので、タブショートやエ
ッジショートなどの不良発生が著しく抑制されるほか、
高温にさらされる使用環境下でも、特にループの接合部
における金属間化合物の粒成長が著しく抑制されるの
で、ループが高抵抗を示したり、断線したりすることが
なくなり、信頼性の著しく高いものとなるなど工業上有
用な特性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図はボンディング状態を示す正面図である。 Ｓ……半導体素子、Ｌ……外部リード、Ｗ……極細線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−154242（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−145729（ＪＰ，Ａ) 特許2621288（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Ce,Pr,Nd、およびSmのうちの１種または２
    種以上:0.2〜50ppm、 を含有し、 SiおよびAgのうちの１種または２種：11〜100ppm、 を含有し、さらに、 BeおよびGeのうちの１種または２種:1〜60ppm、 を含有し、残りがAuと不可避不純物からなる組成を有す
    るAu合金からなることを特徴とする半導体素子ボンディ
    ング用Au合金極細線。
  2. 【請求項２】Ce,Pr,Nd、およびSmのうちの１種または２
    種以上:0.2〜50ppm、 を含有し、 SiおよびAgのうちの１種または２種:11〜100ppm、 を含有し、さらに、 BeおよびGeのうちの１種または２種:1〜60ppm、 を含有し、さらに、 Ca:1〜60ppm、 を含有し、残りがAuと不可避不純物からなる組成を有す
    るAu合金からなることを特徴とする半導体素子ボンディ
    ング用Au合金極細線。
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