JP2922388B2 - 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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子上の電極と
外部リードとを接続するために利用する金合金細線に関
し、より詳しくは接合後の接合強度を向上せしめ、かつ
ループ高さの低下を防止せしめるボンディング用金合金
細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、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、電気伝導
性、耐食性等の信頼性から金合金細線が主として使用さ
れている。金合金細線をボンディングする技術として
は、熱圧着法が代表的方法である。熱圧着法は、金合金
細線の先端部分を電気トーチで加熱溶融し、表面張力に
よりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲
内で加熱した半導体素子上の電極にこのボール部を圧着
し超音波振動を付加し接合せしめた後に、さらにリード
側との接続を超音波圧着接合で行う方法である。
【０００３】近年、半導体素子の集積度の向上に伴って
半導体素子上の電極数が増加している。半導体装置の小
型化には、電極面積の低減や電極間距離の短ピッチ化を
図るためにボンディングワイヤとしては、ボール径の小
型化あるいは細線化の必要が生じている。ボール径の小
型化は、ボール形成時の電気トーチからのボンディング
ワイヤへの入熱量が少なくなり、この入熱量の減少によ
ってボール形成時に生成されるワイヤの再結晶領域長さ
が短くなる。ワイヤの再結晶領域長さとループ高さとは
密接な関係があり、再結晶領域長さが長いボンディング
ワイヤではループ高さが高く、再結晶領域長さが短い場
合には、ループ高さが低くなる現象が知られている。し
たがって、ボールの小型化によって、ボンディングワイ
ヤに含む再結晶を制御する金中の元素量を軽減し、再結
晶領域を増大させない限り、従来のループ高さを確保で
きなくなる。一般的に再結晶を制御する元素は、ワイヤ
の機械的強度を向上させる元素でもあり、金中の元素量
を軽減することは、ワイヤの機械的強度をも低下させる
ことにつながる。
【０００４】ループ高さの低下は、ボンディングワイヤ
の細線化によっても生じる。すなわち、通常の場合には
ボール径をワイヤ線径の２．５〜３．０倍の間の一定値
にしていることから、線径を細くした場合にはボール径
を小さくしたのと同じ効果を生じるために、ボンディン
グワイヤの細線化はループ高さの低下をもたらす。
【０００５】ボールの小型化、あるいはボンディングワ
イヤの細線化は、ループ高さの低下から、半導体素子と
ボンディングワイヤ間の接触、リードフレームのアイラ
ンドとの接触による半導体装置の不良を起こす欠陥、ル
ープ高さが低下することによるプル強度の低下、あるい
は半導体素子の樹脂封止時に樹脂の流動抵抗によるワイ
ヤ変形によって生じるワイヤ流れによるボンディングワ
イヤ間の接触等といった半導体装置の信頼性や歩留りを
低下させる原因となる。
【０００６】これらの欠陥を防止するには、上述の再結
晶領域を制御する元素の含有量を少なくすることで対応
するのが一般的であるが、機械的強度の低下や、ボール
形成時のボール直上部の再結晶粒が粗大化しやすくな
り、ボンディング後の運搬等で発生する振動によって簡
単にボール直上部が断線しやすくなり、半導体装置の信
頼性、生産歩留りの低下の原因になる。
【０００７】このような現象に対応すべく各種の金合金
細線が提唱されている。例えば、カルシュウムを５〜１
００重量ppm を含有してなる金ボンディングワイヤ（特
開昭５３−１０５９６８号公報）、カルシュウムを３〜
５重量ppm とベリリュウムを１〜８重量ppm および／ま
たはゲルマニュウムを５〜５０重量ppm とを含む金ボン
ディングワイヤ（特開昭５３−１１２０６０号公報）、
ベリリュウムを１〜８重量ppm を含有してなる金ボンデ
ィングワイヤ（特開昭５３−１１２０５９号公報）等が
ある。しかしながら、これらの金ボンディングワイヤで
は、ボール直上部の結晶粒の粗大化を防止するために、
合金元素の含有量が多くなることから、ボンディング後
のループ高さが低くなる傾向がある。また、ベリリュウ
ム単独では、ループ高さは高いものの、ワイヤの機械的
強度が他の成分系に比べて低いこと、樹脂封止後のワイ
ヤ流れが大きい欠点がある。
【０００８】ループ高さの制御は、現状ではボンダーの
ループ形状制御でループ高さを確保しているが、ボンデ
ィングに要する時間が長くなることから、生産性に多少
問題がある。ループ高さが高く、かつボール直上部の結
晶粒の粗大化を防止する目的の金合金細線は、現状のボ
ンディングワイヤではいまだ不充分であり、ループ高さ
の高い金合金細線でかつ、接合強度の大なる高信頼性を
有するボンディング用金合金細線が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、これら
の従来提案された種々のボンディング用金合金細線につ
いて検討した結果、これらのボンディング用金合金細線
は、特定の添加元素を含まない高純度金線に較べて高い
引張強度は有しているものの、高ループを形成させる必
要のある場合には、含有せしめる元素量を軽減させる必
要があり、その結果として引張強度が不足気味になり、
ボール直上部の再結晶粒の粗大化が起きやすく、結果と
してボンディング時にボールネック部の損傷を起こしや
すくなる欠点を有している。またワイヤ径の細線化に
は、断面積の減少に伴い引張強度が不足する傾向にあ
り、引張強度を確保するためには含有元素量を増大させ
て対応せざるを得ず、結果として、ループ高さを確保で
きない状況にある。
【００１０】このような問題に対して、同一線径でボー
ル径の小型化、あるいは細線化に際しても高ループを確
保し、かつ接合強度が大で、なおかつワイヤ流れの少な
いボンディングワイヤを開発し産業界に供給することが
本発明の課題である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者等は前述した問
題点の解明のため、引張強度を高くするが、耐熱性を必
要以上に高くせずに、高いループ高さを確保するのが可
能な添加元素について研究を重ねてきた。その結果、ス
カンジュウムとベリリュウムおよびインジュウムからな
るボンディングワイヤを見いだした。さらにスカンジュ
ウムとベリリュウムおよびインジュウムの他に、微量の
カルシュウム、イットリュウムおよび希土類元素を、あ
るいはゲルマニュウムを加えることによって目的の効果
を高めることができること、これらの成分に銀、銅およ
びパラジュウムを含有させると、半導体素子上の電極と
金合金細線との接合性を従来より高める効果があること
を見いだした。
【００１２】すなわち、本発明は、 （１）スカンジュウムを２〜１０重量ppm と、ベリリュ
ウム３〜２０重量ppmと、インジュウム２〜５０重量ppm
の範囲以内で含有し、残部が金とその不可避不純物か
らなるボンディング用金合金細線であり、 （２）上記（１）の成分に、さらにカルシュウム、イッ
トリュウム、希土類元素の一種または二種以上を１〜５
重量ppm の範囲内で含有し、残部を金とその不可避不純
物からなるボンディング用金合金細線であり、（３）上記（１）または（２）の成分に、さらにゲルマ
ニュウムを１０〜５０重量ppm の範囲内で含有し、残部
を金とその不可避不純物からなるボンディング用金合金
細線、及び （４）上記（１）乃至（３）の何れか１項 の成分に、さ
らに銀を５〜５０重量ppm とパラジュウムを５〜３０重
量ppm および銅を５〜４０重量ppm の範囲内で含有し、
残部を金とその不可避不純物からなるボンディング用金
合金細線である。
【００１３】以下、本発明の構成についてさらに説明す
る。本発明で使用する金は、純度が少なくとも９９．９
９５重量％以上の金を含有し、残部が不可避不純物から
なるものである。純度が９９．９９５重量％未満の場合
には、特に合金元素の含有量の少ない範囲でその含有す
る不純物の影響を受け本発明の下限側含有量での効果が
充分に発揮できない。
【００１４】スカンジュウムは、金中への固溶限界が比
較的大であり、従来から再結晶温度を高くする効果があ
るものの、その効果はカルシュウムに比べて弱く、単独
添加では上述の効果を充分に発揮できない。種々の研究
を行った結果、高純度金中にスカンジュウムと共にベリ
リュウムとインジュウムを複合添加させることによりボ
ールネック部の強度が増大し、プル強度を向上させ、か
つ高ループを形成することが可能になった。またスカン
ジュウムを金中に含有させることで、ヤング率を向上さ
せることが可能で、この効果によって樹脂封止時のボン
ディングワイヤ流れを減少させることが可能になった。
これらの効果は、スカンジュウム含有量が２重量ppm 未
満であると、ボール形成時の入熱で生成する再結晶粒が
細粒と粗大粒の混粒で、プル強度のバラツキが大きい。
また、スカンジュウム含有量が１０重量ppm を超える
と、後述するベリリュウムとインジュウムを含有せしめ
てもループ高さが低くなり、かつボール形成時にボール
表面に強固な酸化物がボール表面に生成し、ボール先端
部に収縮孔ができやすく、シェア強度の低下あるいは、
長期信頼性を低下させる。高ループを確保するために
は、本発明範囲内の元素と含有量の場合は１０重量ppm
以下が望ましいことから、スカンジュウム添加量の範囲
を２〜１０重量ppm の範囲とした。
【００１５】ベリリュウムは、伸線時の加工硬化による
金細線の常温強度を向上させる元素であることが知られ
ているが、スカンジュウムを含有している場合、３重量
ppm未満ではこの効果が不十分でバラツキが大きい。２
０重量ppm 超の添加では、ボール形成時の酸化によって
ボール表面に強固な酸化物をボール全表面に生成させ、
ボールと電極との接合界面積を低下させることによっ
て、接合強度（シェア強度）を低下させる。また、ボー
ルの硬さが添加量の増加とともに増大し、電極との充分
な接合を確保するに必要な荷重が増し電極下部の半導体
素子に割れを生じる場合がある。従ってベリリュウムの
添加量を３〜２０重量ppm の範囲とした。
【００１６】インジュウムは、ボール形成時に再結晶領
域を拡大させループ高さを高くさせる効果が知られてい
るが、スカンジュウムを含有している場合２重量ppm 未
満ではその効果にバラツキがあり十分でない。また、５
０重量ppm を超えるとボール直上部の再結晶粒の粗大化
が進み、ボンディングでのループ形状制御時にボール直
上部にクラックが生じる欠陥が発生することから２〜５
０重量ppm の範囲とした。
【００１７】カルシュウム以降の元素の添加目的は、細
線化に際して金合金細線の機械的強度の低下を防止し、
ボールネック部の再結晶粒の粗大化を防止すること、同
一線径であれば、より金合金細線の機械的強度を向上さ
せる目的のために添加する。しかしながら、これらの元
素を大量に添加させることは、金合金細線の耐熱性を上
げ、ボール形成時の再結晶長さを短くすることから、高
ループを確保するための上限値が存在する。カルシュウ
ム、イットリュウムおよび希土類元素は、比較的少量で
耐熱性を向上させる元素として知られているが、その含
有量が１重量ppm 未満の場合には、ワイヤの局部的な機
械的性質のバラツキが大で、品質上の問題がある。他方
５重量ppm を超えると耐熱性の向上によって再結晶領域
が狭くなり、高ループを確保できなくなる。したがっ
て、高ループを確保し、かつ機械的強度を確保するため
に、その含有量を１〜５重量ppm の範囲とした。
【００１８】カルシュウム、イットリュウムおよび希土
類元素を金に含有させた場合の効果としては、少量の添
加によって金合金細線のヤング率を純金線に比較して、
１０００〜２０００kg／mm2 程度向上させる効果もあ
る。金合金細線のヤング率の向上は、封止後のワイヤ流
れを減少させる点にあり、従来の高ループ用金合金細線
が、比較的合金添加量を制限した結果、ヤング率の向上
が期待できなかったために、封止後のワイヤ流れが大で
あった点をも改善できる。
【００１９】ゲルマニュウムは、常温強度を向上させる
効果が知られており、細線化等による強度低下を防止す
る目的で含有させる。含有量が１０重量ppm 未満では、
強度を上げる効果が小さく、５０重量ppm を超えた場合
には、耐熱性を劣化させることから、添加量を１０〜５
０重量ppm の範囲とした。ゲルマニュウムとカルシュウ
ム、イットリュウムおよび希土類元素との共存でも効果
がある。
【００２０】銀は、金中に大量添加すれば機械的特性を
向上させるが、少量添加では、その効果はない。種々研
究を重ねた際に、金中に銀と銅とを含む金合金細線のボ
ンディング後の接合強度（シェア強度）が、金中に銀と
銅とが数重量ppm しかない場合に比べて高いことを見い
だした。さらに研究を重ねた結果、金中に銀と銅および
パラジュウムを含有させると、この効果が安定して出現
できた。これらの元素は、金と全率固溶する元素であ
り、この結果は金中に含有させた各元素の存在状態を均
一分散化し、結晶粒界への析出を減少させる効果による
ものと考えられる。種々組み合わせを実験した結果、銀
が５〜５０重量ppm 、銅が５〜４０重量ppm 、パラジュ
ウムが４〜３０重量ppm の範囲内にある場合にシェア強
度を上げる効果があったことから、この含有量の範囲内
とした。以下、実施例について説明する。
【００２１】
【実施例】金純度が９９．９９５重量％以上の電解金を
用いて、前述の各添加元素の高純度金属（純度９９．９
％以上）の所定量とを高周波真空溶解炉で溶解鋳造して
各添加元素の母合金を溶製した。このようにして得られ
た母合金の所定量と金純度が９９．９９５重量％以上の
電解金とにより表１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、その鋳塊を溝型圧延した後に、
常温で伸線加工を行い最終線径を２５μｍφの金合金細
線とした。この金合金細線を大気雰囲気中で連続焼鈍し
て金合金細線の伸び値が約４％になるように調整する。
【００２２】得られた金合金細線について、常温の機械
的特性を調べた後に、高速自動ボンダーにてボンディン
グを行った。使用したリードフレームは４２ニッケルの
ＱＦＰ１００ピンで、電極面とインナーリード面の段差
が２００μｍ、ボンディングスパンが平均２．６mmのも
のである。ボンディング後に、ループ高さ、接合強度、
樹脂封止後のワイヤ流れ率およびボール形状を調べた結
果を表１に併記した。
【００２３】ループ高さは、半導体素子上の電極と外部
リードとの間を金合金細線にて接合した後に形成される
ループの頂高と半導体素子の電極面間の距離を光学顕微
鏡で１００本測定し、その平均値をループ高さとした。
【００２４】接合強度は、高速自動ボンディング後のリ
ードフレームと測定する半導体素子を治具で固定した後
にボンディング後の金合金細線の中央部を引張り、その
細線破断時の引張強度を１００本測定するプル強度とそ
のバラツキで評価した。また、同じく固定した半導体素
子の電極から上に３ミクロン離した位置で半導体素子と
平行に治具を移動し、電極と接合した金ボールを剪断破
断させ、剥離時の最大荷重を１００本測定したシェア強
度とそのバラツキを求めた結果で判定した。
【００２５】樹脂封止後のワイヤ流れ率は、市販の同一
ロットの封止用樹脂を用いてボンディング完了したリー
ドフレームを１７５℃に加熱した金型に装着し、封止を
行い、軟Ｘ線透過装置にて各ワイヤの最大たわみ長さを
１００本測定し、各ワイヤのボンディングスパン距離と
の比率を求め、その平均値で評価した。
【００２６】ボール形状は、高速自動ボンダーの電気ト
ーチによるアーク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、ボール形状が異常なもの、酸
化物が生じるもの等半導体素子上の電極に良好な形状で
接合できない可能性を有するものを×印、良好に接合で
きるものを○印にて評価した。
【００２７】表１は、本発明構成成分で製造した金合金
細線の評価結果を、表２は本発明成分を外れる添加量を
含む金合金細線の評価結果を示した。従来の経験から金
合金細線の場合は、ループ高さが低くなるとプル強度が
低下する傾向があり、表１と表２の結果でも同様の傾向
を有している。通常プル強度は、５gf以上あれば、半導
体装置の信頼性を確保できるといわれているが、ほぼ同
一のループ高さの金合金線のプル強度の比較では、表１
のプル強度がいずれも５gf以上を示し、かつ表２の値よ
りも値が大であり、かつそのバラツキも小さい結果とな
っている。シェア強度は、通常２５μｍの金合金細線の
場合には５０ｇ以上あれば、問題がないとされている。
表１の場合は、いずれも５０ｇ以上の値を満足している
が、表２の場合には５０ｇ以下の場合があり、ボンディ
ング用金合金細線としては不十分である。また、本請求
範囲を超える過剰の量を添加した表２の結果では、シェ
ア強度が低下しそのバラツキも大きくなっている。
【００２８】樹脂封止後のワイヤ流れは、通常５％以下
であれば問題がないといわれているが表１の実施例で
は、いずれも５％以下の値を示している。ボール形状の
評価では、表１の請求範囲内の成分では、いずれも正常
なボールを形成しているが、表２の成分ではボール先端
部に収縮孔、過剰な表面酸化物、真球にならないもの等
々異常なボールになるものが存在する。本実施例の多く
は、４％伸び時の常温破断強度が１１gfを超えており、
このままで２５μｍφから２３μｍφに細線化しても、
十分な強度を有している他、ループ高さは、大部分のも
のは２００μｍを超えており、高ループ、高強度、低ワ
イヤ流れを確保する上で、十分な特性を持っている。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】
【表３】
【００３２】
【表４】
【００３３】
【発明の効果】本発明の金合金細線は、ループ高さのバ
ラツキが小さく、接合強度が高くかつそのバラツキが小
さく、樹脂封止後のワイヤ流れが少なく、ボール形状も
いずれも正常であり安定したボンディングが可能であ
り、線径を２０〜３０μｍにした場合でも同様な効果が
得られたことから、工業上有用な特性を有するものであ
る。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スカンジュウムを２〜１０重量ppm 、ベ
    リリュウム３〜２０重量ppm 、インジュウム２〜５０重
    量ppm の範囲以内で含有し、残部が金とその不可避不純
    物からなることを特徴とするボンディング用金合金細
    線。
  2. 【請求項２】 請求項１の成分に、さらに、カルシュウ
    ム、イットリュウム、あるいは希土類元素の一種または
    二種以上を１〜５重量ppm の範囲内で含有し、残部を金
    とその不可避不純物からなることを特徴とするボンディ
    ング用金合金細線。
  3. 【請求項３】 請求項１または２の成分に、さらにゲル
    マニュウムを１０〜５０重量ppm の範囲内で含有し、残
    部を金とその不可避不純物からなることを特徴とするボ
    ンディング用金合金細線。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れか１項の成分に、
    さらに銀を５〜５０重量ppm 、パラジュウムを５〜３０
    重量ppm 、および銅を５〜４０重量ppm の範囲内で含有
    し、残部を金とその不可避不純物からなることを特徴と
    するボンディング用金合金細線。
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