JP2782082B2 - ボンディング用金合金細線 - Google Patents

ボンディング用金合金細線

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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とを接合
するために使用する耐熱性に優れた金合金細線に関し、
より詳しくは接合後の半導体組立作業中における振動、
衝撃による断線を大巾に低減させるボンディング用金合
金細線に関する。
（従来技術と問題点） 従来、ケイ素半導体素子上の電極と外部リードとの間
を接続するボンディング線としては、金細線が使用され
てきた。このように金細線が多用されてきたのは、金ボ
ールの形成が真円球状となり、形成された金ボールの硬
さが適切であって、接合時の圧力によってケイ素半導体
素子を損傷することがなく、確実な接続ができ、その信
頼性が極めて高いためであった。しかし、金細線を自動
ボンダーにかけて金細線の先端を溶融して金ボールを形
成させて接合を行なうと、金細線は金ボール形成の直上
部において引張強度が不足し断線を起したり、断線をま
ぬがれて接合された金細線は樹脂封止によって断線した
り、ワイヤフローを呈し短絡を起すという問題がある。
これを解決するために、接続時に形成させる金ボール
の形状および硬さを損わない程度に、高純度金中に微量
の添加元素を加えて破断強度と耐熱性を向上させた種々
のボンディング用金合金細線が公表されているが、接合
のループ高さが適切でないため、高く、近年急速に普及
しつつある薄型のパッケージ用デバイスに対応させるに
は十分でないという問題がある。
（発明が解決しようとする問題点） 一方、半導体装置の製造分野では集積度の高密化が一
段と進み、接合の高速化と共に30〜25μｍ径の耐熱性を
有する金合金細線が多く使用されているが、接合後、半
導体組立作業を経たボンディング線がネック切れを起
し、接合の信頼性が低下するという問題がある。この問
題は半導体組立作業中での振動および搬送工程で起る機
械的な振動、衝撃などの疲労によってボンディング線が
ネック切れを起し、接合不良率が増加するものである。
第１図および第２図はネック断線を呈する説明図を示し
たもので、例えば、25μｍ径の耐熱性金合金細線を用い
て半導体素子をマウントする基体上のアイランド（１）
に半導体素子（２）を接合剤（３）によって固定し、ボ
ンディング線（６）の先端をボール状（７）に溶融し
て、半導体素子（２）上の電極（４）とインナーリード
（５）をボンディング線（６）によって接合した後、半
導体組立作業を行うと、工程中振動および衝撃を受けて
インナーリード（５）が上（５′）、下（５″）に振動
すると共に、ボンディング線（６）も上（６′）、下
（６″）に振動を繰返すことになる。そのためボンディ
ング線（６）は接合のボール（７）形成時の熱によって
形成される再結晶粒部（８）の粗大結晶粒の部分でネッ
ク断線を起すことになる。実際には、インナーリード
（５）の振動と共にアイランド（１）も振動し、ボンデ
ィング線（６）はかなりの衝撃を受けることになる。こ
のようなネック切れ断線はインナーリード幅がより細く
なる高密化実装の多極ピンを有するICパッケージが問題
となる。ネック切れ断線を低減するには、ループ高さを
高くし、使用するボンディング線の線径を大きくすれば
よいが、ループ高さを高くすると、半導体素子を樹脂で
封止するときにワイヤフローを呈したり、線径を大きく
すると、金材料使用による経済性が満足されない。
そのため、本発明者らは、先にループ高さが低く、接
合が良好なボンディング線として、高純度金中に微量の
イットリウムとカルシウムおよびベリリウムを添加した
ボンディング用金合金細線を特願平１−41187号で提案
したが、半導体組立作業中で振動、衝撃などを受けた場
合、ネック切れ断線において必ずしも十分でなく、改善
する必要があることがわかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、特願平１−
41187号の有する諸特性を損わずに、振動破断率を大巾
に低減し得るボンディング用金合金細線を提供すること
を目的とするものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、上記の課題を解決するために振動破断
率を低減させる添加元素の有無について鋭意検討を行っ
た結果、銀を特定割合で含有させたボンディング線とし
て使用すると、ボール形状およびループ高さが適切で、
振動破断率が大巾に低減できることを見出して本発明を
完成したものである。
本発明は、高純度金にイットリウム５〜100重量ppm、
カルシウム１〜50重量ppm、ベリリウム１〜10重量ppmを
それぞれ添加し、これら添加元素の総量を５〜110重量p
pmの範囲とし、更に銀５〜100重量ppmを添加したボンデ
ィング用金合金細線である。
以下、本発明の構成について更に説明する。
本発明で使用する高純度金とは、純度が99.99重量％
以上の金を含有し残部が不可避不純物から成るもので、
特に銀の不純物が５重量ppm未満のものである。
イットリウム、カルシウム、ベリリウムの添加は、金
の結晶格子に歪を与えて再結晶温度を高め、結晶粒界に
イットリウム、カルシウム、ベリリウムを析出させて常
温強度と耐熱性を向上させ、接合時のループ高さを低く
して、且つ高速自動ボンダーにも適合させるものであ
る。
イットリウムの添加量が３重量ppm未満であるとき
は、耐熱性が向上せず、封止樹脂の影響を受けてワイヤ
フローを呈し、且つループ高さにバラツキが生じ不安定
な接合となる。逆に、イットリウムの添加量が50重量pp
m近傍を超えると、その添加にかかわらず耐熱性効果は
飽和状態となって余り向上せず、110重量ppmを超える
と、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪
を生じ、且つイットリウムが金の結晶粒界に析出して脆
性を生じ、伸線加工に支障を起こす。その好ましい添加
量は３〜60重量ppmである。
カルシウムの添加量が１重量ppm未満であるときは、
イットリウムおよびベリリウムとの相剰作用に欠け、耐
熱性が不安定となり、ループ高さにバラツキを生じ、僅
かながらワイヤフローを呈する。
逆に、50重量ppmを超えるとボール表面に酸化皮膜が
形成され、ボール形状に歪を生じ、且つカルシウムが金
の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工に支障を起
す。その好ましい添加量は１〜40重量ppmである。
ベリリウムの添加量が１重量ppm未満であるときは、
常温の機械的強度をより向上できない。逆に10重量ppm
を超えると、ボンディング時の再結晶による結晶粒の粗
大化に加えて筍状の関節を生じ、ネック切れを起し、
又、ボール形状に歪を生じるので、微小電極との接合の
信頼性を低下させる。その好ましい添加量は１〜６重量
ppmである。
従って、イットリウム、カルシウム、ベリリウムの添
加総量を５〜110重量ppmとするが、好ましい添加総量は
５〜50重量ppmである。
銀の添加は、イットリウム、カルシウム、ベリリウム
の結晶粒界析出を抑制し、ボンディング線の靱性特性を
向上させる。銀の添加量が５重量ppm未満であるとき
は、イットリウム、カルシウム、ベリリウムの粒界析出
を抑制する効果を欠き、ボンディング線の靱性特性を示
さなく、振動破断率が大きい。逆に100重量ppmを超える
と、ボール形状が悪くなり接合の信頼性を低下させる。
その好ましい添加量は10〜60重量ppmである。
（実施例） 以下、実施例について説明する。
金純度が99.99重量％以上の電解金を用いて、第１表
に示す化学成分の金合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造
し、その鋳塊を圧延した後、常温で伸線加工を行ない最
終線径を25μｍφの金合金細線とし、大気雰囲気中で連
続焼鈍して伸び値が４％になるように調質する。
得られた金合金細線について、常温引張強度、ループ
高さ、ボール形状、ワイヤフローの有無および振動破断
率を調べた結果を第１表に併記した。
接合のループ高さは、高速自動ボンダーを使用して半
導体素子上の電極と外部リードとの間を接合した後、形
成されるループの頂高とチップの電極面とを光学顕微鏡
で観察してその高さを測定する。
ボールの形状は、高速自動ボンダーを使用し、電気ト
ーチ放電によって得られる金合金ボールを走査電子顕微
鏡で観察し、ボール表面に酸化物が生ずるもの、ボール
の形状がイビツになるもの、半導体素子の電極に良好な
形状で接合できないものを×印で、良好なものを○印で
評価した。
ワイヤフローは、高速自動ボンダーで半導体素子上の
電極と外部リードとを接合し、薄型モールドの金型内に
セットして封止用樹脂を注入した後、得られたパッケー
ジをＸ線で観察し、封止用樹脂によるボンディング線の
歪み、すなわち、直線接合からの最大わん曲距離と接合
スパン距離とを測定し、歪値からワイヤフローの良否を
評価した。
○印：歪値３％未満（薄型パッケージに適合する） △印：歪値３〜10％ ×印：歪値11％以上 振動破断率は、半導体素子をマウントするPLCC基板
（ボンディングスパン:1mm、インナーリードピンが68本
四方に配列されているICパッケージ用42Ni−Fe合金基板
を１枚中に６個有するもの）を10枚、マガジンに収納
し、前記25μｍφの金合金細線を自動高速ボンダーにか
けて、半導体素子上の電極とインナーリードとを接合
し、マガジンに収納する。該マガジンを荷台車にのせ、
長さ4mの縞板鋼板上を4km/hrの速度で８往復させて強制
的に振動を与えた後、接合部のネック切れ断線を調べ
る。
結果からわかるように、本発明に係る実施例はイット
リウム、カルシウム、ベリリウムの添加に加えて、銀が
適切に添加されているので、振動破断率を大巾に低減さ
せ得る。比較例６は銀の添加量が少ないため振動破断率
を低減できない。比較例７は銀の添加量が多いためボー
ル形状が真球状とならず、比較例8,9は実施例2,6に対比
させるもので、銀が添加されていないため靱性特性に欠
け、振動破断率が大きくなる。
（効果） 以上説明した如く、本発明に係る金合金細線は、常温
の機械特性、ループ高さ、ボール形状がそれぞれ適切に
保持できて自動高速ボンダーに対応できると共に振動破
断率も大巾に低減でき、ワイヤフローも起さないので、
薄型パッケージのボンディング線として実用に供せられ
る利点があり、高密化半導体装置の経済面にも寄与する
点が大である。
【図面の簡単な説明】
第１図は半導体素子上の電極とインナーリードとを接合
した本発明に係るボンディング線の振動、衝撃を受ける
拡大説明図、第２図は第１図における半導体素子上の電
極部の拡大説明図であって、図面の符号は次の通りであ
る。 （１）……アイランド、（２）……半導体素子、（３）
……接合剤、（４）……半導体素子上の電極、（５）…
…インナーリード、（６）……ボンディング線、（７）
……ボール、（８）……再結晶粒部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 栄一 大阪府東大阪市岩田町２丁目３番１号 タツタ電線株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 5/02 H01L 21/60 301

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高純度金にイットリウム３〜100重量ppm、
    カルシウム１〜50重量ppm、ベリリウム１〜10重量ppmを
    それぞれ添加し、これら添加元素の総量を５〜110重量p
    pmの範囲とし、更に銀５〜100重量ppmを添加することを
    特徴とするボンディング用金合金細線。
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