JP3028458B2 - 半導体素子用金合金線 - Google Patents

半導体素子用金合金線

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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、半導体素子用金合金
線、さらに詳しくは、主として例えば半導体素子上の電
極と外部リードとを接合するためのボンディングワイヤ
ーとして用いられ、この半導体素子上の電極と外部リー
ドとを、特に低いループ高さでの接合を行うのに用いら
れる半導体素子用金合金線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば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、金ボールの形状が真円球状となり、形
成される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。
そして、斯るボンディング用金細線に関しては今までに
も多くの提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら多くの
提案を実用に供した場合、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
行うと、金細線は再結晶化温度が低く耐熱性を欠くため
に、金ボール形成の直上部において引張強度が不足し断
線を起こしたり、断線をまぬがれて接合されても、接合
後の金細線は樹脂封止によって断線したり、また、半導
体素子を封止用樹脂で保護した場合、ワイヤフローを呈
し短絡を起こすという問題がある。
【０００４】上記の問題点を解決するために、従来よ
り、接続時に形成される金ボールの形状および硬さを損
なわない程度に、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
細線が公表されているのは周知の事実である。
【０００５】本発明者等は、これら提案された種々の金
細線について、具体的に実用に供し得るものなのか否か
について検討してみたところ、これら従来の種々の提案
はいずれもが、近年急速に普及しつつある薄型パッケー
ジ用デバイスに対応させるには接合のループ高さが適切
でないため、十分でないという問題、つまり樹脂モール
ド後のパッケージ表面にループが露出することがあり、
高い製品歩留りを得ることができないことが判った。
【０００６】この検討の結果を基にして、本発明者等は
鋭意研究を重ねた結果、高純度金にカルシウム、イット
リウム、サマリウムの各元素を含有させることによっ
て、金合金線が、常温・高温状態での高い抗張力、つま
り常温および高温の高い引張り強さ、を備えることがで
き、これによって従来の問題点をうまく解決できること
を見出して、本発明をするに至った。
【０００７】従って本発明の第１の目的は、上記の如き
従来の問題点を解消するものであって、その目的は、接
合のループ高さを更に一段と低くでき、薄型パッケージ
用デバイスのボンディング線として採用する場合、これ
に十分対応できる半導体素子用金合金線を提供すること
にある。
【０００８】また、本発明の第２の目的は、接合のルー
プ高さを更に著しく低くでき、薄型パッケージ用デバイ
スのボンディング線として採用する場合、実用上これに
十二分に対応できる半導体素子用金合金線を提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は次の２つの手段を採用した。第１の手段
は、高純度金にカルシウム５〜５０重量ppm 、イットリ
ウム５〜５０重量ppm 、サマリウム３〜７０重量ppm を
それぞれ添加し、これら添加元素の総量が１３〜１００
重量ppm の範囲で、残部が不可避不純物であることを特
徴とするものである。
【００１０】また、第２の手段は、高純度金にカルシウ
ム１０〜３０重量ppm 、イットリウム１０〜４０重量pp
m 、サマリウム１０〜５０重量ppm をそれぞれ添加し、
これら添加元素の総量が３０〜７０重量ppm の範囲、残
部が不可避不純物であることを特徴とするものである。
【００１１】本発明は、高純度金に低ループ化と常温・
高温状態での抗張力とを十分に向上させる作用を備える
カルシウムと、カルシウムとの共存において線の軟化温
度、つまり耐熱性、を十分に高める作用を備えるイット
リウムと、カルシウムとイットリウムとの共存において
更に常温・高温状態での抗張力を向上させ、併せて耐熱
性を更に向上せしめるサマリウムを添加することによ
り、これら三元素の相乗作用によって常温・高温状態で
の抗張力を十分に向上させ、特に更なる低ループ化を達
成し、併せてループ高さのバラツキを抑制させるもので
ある。
【００１２】次に、この発明の金合金線の成分組成を上
記の通りに限定した理由について説明する。まず、カル
シウムには、低ループ化と、併せて常温・高温状態での
抗張力、つまり、常温および高温引張り強さ、とを高め
る作用があるが、添加量が５重量ppm 未満では、この低
ループ化が十分でなく、また常温・高温状態での抗張力
が十分得られない。加えて、他の元素との相乗作用に欠
け、十分な耐熱性が得られない。逆に、添加量が５０重
量ppm を超えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され、
ボール形状に歪みを生じ、且つ、カルシウムが金の結晶
粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するよう
になることから、その添加量を５〜５０重量ppm と定め
た。尚、その好ましい添加量は１０〜３０重量ppm であ
る。
【００１３】イットリウムには、他の元素との共存にお
いて、十分な耐熱性、つまり、線の軟化温度を高め、更
に十分な低ループが得られ、併せて常温・高温状態での
抗張力、つまり、常温および高温引張り強さ、を一段と
向上させる作用があるが、添加量が５重量ppm 未満で
は、他の元素との相乗作用に欠け、十分な耐熱性が得ら
れず、また、低ループ化も十分でなく、且つ、常温・高
温状態での抗張力も得らず、更に、ループ高さにバラツ
キを生じ易くなる。逆に、５０重量ppm を超えて添加し
ても、他の元素と相乗し合って、ボール表面に酸化皮膜
が形成され、ボール形状に歪みを生じ、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、伸線加工性
を阻害するようになることから、その添加量を５〜５０
重量ppm と定めた。尚、好ましい添加量は１０〜４０重
量ppm である。
【００１４】サマリウムは、他の元素との共存におい
て、十分な低ループが得られ、併せて常温・高温状態で
の抗張力が十分に得られるように作用し、加えて線の軟
化温度を一段と高めるほか、ループ高さ（電気トーチに
よるボール形成の際のネック部分の再結晶領域）のバラ
ツキを一層効果的に抑制する作用があるが、その添加量
が５重量ppm 未満では、この低ループ化が十分でなく、
併せて常温・高温状態での抗張力が十分に得られず、加
えて、カルシウムおよびイットリウムとの相乗作用に欠
け、十分な耐熱性が得られず、更に、ループ高さ（電気
トーチによるボール形成の際のネック部の再結晶領域を
抑制する）のバラツキを抑える効果が不十分となる。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、ボール形状に歪みを生じ、且つ、金の結晶粒
界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するように
なることから、その添加量を３〜７０重量ppm と定め
た。尚、好ましい添加量は１０〜５０重量ppm である。
【００１５】更に、上記のカルシウム、イットリウムそ
してサマリウムの三元素は無駄なく、且つ、効率的に所
期の目的を達成する、つまり最小の添加量で最大の効果
を発揮する、ことが肝要であるが、それらの添加総量
が、１３重量ppm 未満では、特に更なる低ループ化が達
成できないばかりか、常温・高温状態での抗張力を十分
に向上できず、更にループ高さのバラツキも抑制できな
い。逆に１００重量ppmを超えると、常温・高温状態、
特に高温状態での抗張力を十分に向上できないほか、ボ
ール形状に歪みを生じ、且つ、カルシウムが金の結晶粒
界に析出して脆性を生じ、伸線加工を阻害するようにな
ることから、その添加総量を１３〜１００重量ppm と定
めた。尚、好ましい添加総量は３０〜７０重量ppm であ
る。
【００１６】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が9
9.99 重量％以上の電解金を用いて、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
を圧延機で圧延した後、常温で伸線加工を行い最終線径
を３０μｍφの金合金細線とし、焼鈍して伸び値が６％
になるように調質する。
【００１７】
【表１】
【００１８】得られた金合金細線について、常温引張強
度並びに線がボンディング時に晒される条件に相当する
条件、つまり２５０°に２０秒間保持した条件での高温
引張強度の試験を夫々行い、破断荷重と伸びを測定し、
常温並びに高温引張強度を評価した。
【００１９】また、これらの金合金細線をボンディング
ワイヤーとして用い、高速自動ボンダーで、ボンディン
グを行い、接合のループ高さ、ループ高さのバラツキと
ボール形成時のボール形状を調べた。これらの測定結果
を表２に示す。
【００２０】
【表２】
【００２１】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し、５０個の測定値
の平均値をもって表した。
【００２２】ループ高さのバラツキは、前記５０個のル
ープ高さ測定値より標準偏差を求めた。
【００２３】ボール形状は、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、その外観、引巣の２つの観点か
ら評価した。
【００２４】まず、外観については、ボール表面に酸化
物が生じる状態によって良否の判断を行った。 ○印：ボール表面が滑らか △印：ボール表面に微かに酸化物が認められる ×印：ボール表面に明らかに酸化物が認められる
【００２５】次に、引巣については、ボール底部に収縮
孔、所謂引け巣と言われる現象、の発生状況によって良
否の判断を行った。 ○印：全く認められない △印：僅かに認められる ×印：ハッキリと認められる
【００２６】結果から理解されるように、本発明に係る
実施例１〜９は、イットリウム、カルシウム、サマリウ
ムの各元素の配合比率並びに各元素の総量、更には不可
避不純物の添加量が理想的であるため、耐熱性が良好
で、常温及び高温引張強度が高く、接合のループ高さを
更に一段と低くでき、且つ、ボール形状も良好であるた
め信頼性のある接合が可能となり、薄型パッケージ用デ
バイスのボンディング線として採用する場合、これに十
分対応できる。このように実施例１〜９の範囲内であれ
ば実用上特段の不都合はないと判断される。只、好まし
くは、実施例６〜９に記載の通りの、カルシウム１０〜
３０重量ppm 、イットリウム１０〜４０重量ppm 、サマ
リウム１０〜５０重量ppm 、そしてこれら添加元素の総
量が３０〜７０重量ppm の範囲、残部が不可避不純物で
ある場合には、本発明の所期の目的が理想的に達成され
る。
【００２７】以上の本発明に対して、比較例１はカルシ
ウムの配合量が許容限度よりも少ないため、耐熱性に劣
り、また常温及び高温状態での抗張力が不足し、接合の
ループ高さの更なる低下に全く寄与できず、ループ高さ
のバラツキも多く、実用に供しえなかった。比較例２は
イットリウムの配合量が許容限度よりも少ないため、耐
熱性に劣り、また常温及び高温状態、特に高温状態での
抗張力が不足し、接合のループ高さの更なる低下に全く
寄与できず、ループ高さのバラツキも多く、実用に供し
えなかった。比較例３は、サマリウムの配合量が許容限
度よりも少ないため、低ループ化に必要な常温及び高温
状態での抗張力が不足し、さらに他の元素との相乗作用
に欠け、十分な耐熱性も得られず、更にループ高さの更
なる低下に寄与できず、また、ループ高さにバラツキを
生じ、実用に供しえなかった。比較例４は、カルシウム
の配合量が、比較例５はイットリウムの配合量が、更
に、比較例６はサマリウムの配合量が夫々許容限度より
も多いため、いずれの場合も、ボール表面に酸化皮膜が
形成され、ボール形状に歪みを生じ、且つ、ループ高さ
のバラツキも多く、加えて比較例５，６では、元素が金
の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害す
るので、実用に供しえなかった。比較例７はカルシウム
及びイットリウムの配合量が夫々許容限度よりも少ない
上に、総量も許容限度より少ないために、低ループ化が
十分でなく、また常温・高温状態での抗張力が十分得ら
れず、加えて、他の元素との相乗作用に欠け、十分な耐
熱性が得られず、ループ高さにバラツキが非常に多くな
るので、実用に供しえなかった。比較例８は各元素の配
合量は許容限度内であるが、総量が許容限度を超えてい
るために、ループ高さにバラツキがあり、更にボール形
状に歪みを生じ、且つ、カルシウムが金の結晶粒界に析
出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するので、実用に
供しえなかった。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、第１発明に係る半
導体素子用金合金線は、常温及び高温引張強度が共に優
れ、接合のループ高さを格段に低く形成でき、併せてル
ープ高さのバラツキも極めて小さいから、特に薄形パッ
ケージ用デバイスのボンディング線として採用する場合
は、樹脂モールド後にパッケージ表面へループが露出す
るようなことがなく、製品歩留りを格段に高めることが
でき、併せて高い軟化温度を有しているので、ボンディ
ング時の結晶粗大化に起因する脆化やループ変形も生じ
難く、製品の信頼性が高く、且つ、高速自動ボンダーに
十分対応でき、実用に十分に供し得るなど産業利用上有
用な特性を備える。
【００２９】また、第２発明に係る半導体素子用金合金
線は、常温及び高温引張強度が共に格段に優れ、接合の
ループ高さを著しく低く形成でき、併せてループ高さの
バラツキも極めて小さいから、特に薄形パッケージ用デ
バイスのボンディング線として採用する場合は、樹脂モ
ールド後にパッケージ表面へループが露出することがな
く、製品歩留りを著しく高めることができ、併せて高い
軟化温度を有しているので、ボンディング時の結晶粗大
化に起因する脆化やループ変形も生じず、製品の信頼性
が高く、且つ、高速自動ボンダーに十分対応でき、実用
に十二分に供し得、産業利用上多大な価値を有する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−96741（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−259033（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 301

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高純度金にカルシウム５〜５０重量ppm
    、イットリウム５〜５０重量ppm 、サマリウム３〜７
    ０重量ppm をそれぞれ添加し、これら添加元素の総量が
    １３〜１００重量ppm の範囲、残部が不可避不純物であ
    ることを特徴とする半導体素子用金合金線。
  2. 【請求項２】 高純度金にカルシウム１０〜３０重量pp
    m 、イットリウム１０〜４０重量ppm 、サマリウム１０
    〜５０重量ppm をそれぞれ添加し、これら添加元素の総
    量が３０〜７０重量ppm の範囲、残部が不可避不純物で
    あることを特徴とする半導体素子用金合金線。
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