JP3104442B2 - ボンディングワイヤ - Google Patents

ボンディングワイヤ

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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、半導体素子上のチップ
電極と外部リードを接続するために用いるボンディング
ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ
等の半導体素子上のチップ電極と外部リードとの結線に
はボンディングワイヤとして多くの場合金細線が用いら
れている。これは、金が延展性に富み細線の加工が容易
に行なえること、非常に安定した元素であるために耐食
性に優れ、安定して高い信頼性が得られること、電気伝
導度が大きいこと、更にはボンディングする際に形成さ
れる金ボールが適切な硬度を有するために、接合時の圧
力によってもシリコン等よりなる半導体素子を損傷する
ことがなくボンディング性に優れていること、等の理由
による。
【０００３】一方、最近のボンディング技術の向上に伴
うボンディングの高速度化、および半導体デバイスの高
集積度化、などから使用されるワイヤの機械的特性、ボ
ンディング特性、および信頼性に関する要求が年々厳し
くなってきている。ボンディングワイヤに要求される特
性としては、１）良好なボール形状が得られること、
２）チップ電極と金ボールとの接合性が良く、安定した
接合強度がえられること、３）ボンダーの高速化に対応
できる機械的および耐熱強度を有すること、４）良好な
ループ形状が得られ、必要なループ高さが安定して得ら
れること、５）ボンディング後のボールネック部の強度
が高く、ネック破断を起こさないこと、などが挙げられ
る。
【０００４】従来こういった要求を満たすために、ボー
ルの形状、および硬度を損なわない程度に、高純度金中
に微量の他の金属元素を添加する方法が用いられてい
る。例えば高純度金にＣａを添加したワイヤ（特開昭５
３−１０５９６８号公報）がある。Ｃａはワイヤの機械
的強度を向上させるため、当該ワイヤはボンダーの高速
化には十分耐得る。しかしながら、ワイヤの再結晶温度
が高くなり、ボールを形成した際に結晶粒の成長が阻止
されるため、ワイヤのループ高さが低くなるという欠点
があり、４）の特性は満足されない。すなわち、ワイヤ
は再結晶領域と通常の加工領域との境界付近で曲る傾向
があるためである。このループ高さが低くなるためショ
ート不良の原因となる。この欠点を避けるためにＣａに
Ｂｅを複合して添加したワイヤ、さらにはＣａ、Ｂｅに
加え第三元素として希土類元素を添加したワイヤ（特開
昭５３−１１２０６０号公報、特開昭５８−１５４２４
２号公報）などが開発されている。しかしながらループ
高さの改善のために添加したＢｅは、ボールを形成する
際に熱の影響によっておこるボール直上の結晶粒の粗大
化を促進させるため、ボールネック部の強度の著しく損
ない、５）の特性を満足しない。そのためネック部での
破断が発生しやすくなり、ボンディングの信頼性を低下
させる。
【０００５】このように従来のボンディングワイヤで
は、十分なボンディング特性、および信頼性が得られて
いないのが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】さらに、最近の半導体
デバイスの多ピン化傾向に伴って、外部リードの形状は
長尺化、およびリード幅の狭小化といった傾向にある。
そのためボンディングワイヤは、半導体組み立て工程で
発生する振動、および搬送工程で起こる機械的な振動、
衝撃の影響を受けやすくなってきており、金ボール直上
のネック部が破断するという現象が顕著に見られるよう
になってきた。この破断原因としては次のように解釈で
きる。すなわち、水素炎、またはアーク放電によりボー
ルを形成する際に、金線が受ける熱の影響によって、ボ
ール直上の結晶組織は粒が粗大化した再結晶組織とな
る。そのためボールネック部は脆化をおこし、その引張
強度はボール形成以前の金線の７割程度にまで低下し、
振動に対する強度が不足するという理由である。
【０００７】図１に振動破断が発生する様子を示す。半
導体素子１は、接着剤２を用いて基板のアイランド部３
に接合される。そして、ボンディングワイヤの先端を水
素炎、またはアーク放電により溶融しボール４を形成す
る。このボール４を半導体素子上のチップ電極５に圧力
をかけて押し付けることによりチップ電極５とボンディ
ングワイヤ６の接合を行なう。次に、ボンディングワイ
ヤ６に圧力と超音波を加えて外部リード７に押し付ける
ことでボンディングワイヤ６と外部リード７の接合が行
なわれ、チップ電極５と、外部リード７とが結線され
る。結線された後に半導体の組立作業や搬送を行なう
と、工程中の振動、または衝撃を受け外部リード７が上
８下９に振動する。この振動に応じて、ボンディングワ
イヤ６も振動８’，９’を繰り返すことになる。そのた
め、結晶粒が粗大化し脆化を起こしているボールネック
部で破断が生じることになる。外部リード７が受ける振
動量は、リードが長くリード幅が狭い程大きいため、多
ピン化が進むにつれて振動破断は顕著になる。
【０００８】この対策手段の１つに、使用する金線の径
を大きくしてネック部を強化する方法がある。しかしな
がら、この方法では高価な金の使用量が増えるために、
コスト面を考慮した場合必ずしも得策とは言えない。
【０００９】そこで、本発明は、従来の金線が持つ諸特
性、すなわち前記１）〜４）の特性を損なうことなく、
ボールネック部の強度を向上せしめたボンディングワイ
ヤを提供せんとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、０．００１重
量％未満の不可避不純物を含む純度９９．９９９重量％
以上の高純度金に、Ｃａが０．０００１〜０．００３重
量％、Ｂｅが０．０００１〜０．００１重量％、Ｅｕを
０．０００１〜０．００４重量％、Ｓｒが０．０００１
〜０．００３重量％の範囲で、これら４元素の合計含有
量が０．００１４〜０．０１重量％となるような組み合
せで上記４元素を含有せしめた金合金線からなるボンデ
ィングワイヤにある。
【００１１】
【作用】Ｃａ、Ｅｕの添加は、金の結晶格子に歪を与え
て金線の機械的強度を高めるとともに、ボールを形成す
る際に、ワイヤが受ける熱の影響によってボール直上の
結晶粒が粗大化することを防ぐ効果がある。従って結晶
粒の粗大化によるボールネック部の脆化を防止し、ネッ
ク部の強度を向上させる効果がある。また、再結晶温度
が高くなるために、再結晶領域が短かくなり、ループ高
さを低くする作用がある。
【００１２】しかしながらＣａ添加量が０．０００１重
量％未満では、Ｅｕとの添加による相乗効果が得られ
ず、また、０．００３重量％をこえると、ボールを形成
する際にボール表面にＣａが析出して酸化被膜が形成さ
れるため、チップ電極との密着性を著しく阻害する。そ
のためＣａの添加量は、０．０００１〜０．００３重量
％とすることが好ましい。
【００１３】Ｅｕでは、添加量が０．０００１重量％未
満ではボール形成時のボール直上の結晶粒の粗大化を防
止する効果は見られない。また、添加量が０．００４重
量％を越えるとＥｕが金の結晶粒界に析出して脆化を起
こし、伸線加工が困難になる。そのため、Ｅｕの添加量
は０．０００１〜０．００４重量％とすることが好まし
い。
【００１４】Ｂｅの添加は、ボンディングを行なった際
の金線のループ形状を改善する効果がある。Ｂｅの含有
量が多いほどループ高さは高くなる。前記のようにＣ
ａ、Ｅｕの添加はループ高さを低下させる。そのため、
Ｂｅの添加によりループ高さを改善する必要がある。し
かしながら、添加量が０．０００１重量％未満ではルー
プを高くする効果は得られず、また、０．００１重量％
を越えるとボール直上の結晶粒界の脆化を生じるためネ
ック強度が低下し、振動破断の原因となる。そのため、
Ｂｅの添加量は、０．０００１〜０．００１重量％とす
ることが好ましい。
【００１５】前記したＣａ、Ｅｕの添加にさらにＳｒを
添加すれば、ボールを形成をする際におこるボール直上
の結晶粒の粗大化、およびボールネック部の強度低下を
抑制し、さらに結晶粒の大きさを均一にする効果があ
る。前記の通りＢｅの添加はボール直上の結晶粒の粗大
化を引き起こす。そのためＳｒの添加により結晶粒の粗
大化を抑制する必要がある。しかしながら、０．０００
１重量％未満の添加では、その効果はみられず、また、
０．００３重量％を越える添加ではボール形成時にボー
ル表面に酸化被膜が形成され、ボール形状に歪を生じチ
ップ電極との接合性を阻害する。そのため、Ｓｒの添加
量は、０．０００１〜０．００３重量％とすることが好
ましい。
【００１６】従って添加量の合計は、０．０００４〜
０．０１１重量％となるが、ＣａとＥｕの添加量が０．
００１重量％を越えないと、ボールネック部の強度を向
上できない。また、合計添加量が０．０１重量％をこえ
て添加するとボールを形成した際にボールが真球となら
ず、チップ電極との密着性を阻害する。そのため、好ま
しい合計添加量は０．００１４〜０．０１重量％であ
る。
【００１７】
【実施例】０．００１重量％未満の不可避不純物を含む
純度９９．９９９重量％以上の電解高純度金に、Ｃａ、
Ｂｅ、Ｅｕ、Ｓｒを種々の割合で添加し、高周波誘導加
熱炉で溶解することにより表１に示した組成の合金を得
た。この合金に溝ロール加工を施した後、ダイスを用い
た伸線加工により直径０．０３ｍｍの金線とした。この
ワイヤを室温での伸び率が６％となるように連続焼鈍を
行ない、ボンディングワイヤを得た。これらのボンディ
ングワイヤについて、常温引張強度、ループ高さ、ボー
ルネック部の強度、および振動破断率を測定した。ま
た、ボールを形成した際のボール形状を観察した。その
結果を表１に示す。
【００１８】ループ高さの測定については、高速自動ボ
ンダーを用いて半導体素子上のチップ電極と外部リード
との間を結線した後、光学顕微鏡を用いてループ最高部
と、リードフレーム面との高さを測定し、その差をルー
プ高さとした。
【００１９】ボールネック部の強度測定は、引張試験機
を用いて行なった。この時、ボールを形成したワイヤの
ボール首下を穴あきブロックに通して引っ掛け、ブロッ
クを固定する。そしてワイヤ他端を引張試験機に取り付
け、これを引張ることでボールネック部の強度を測定し
た。測定対象としたワイヤ長さは１００ｍｍとした。
【００２０】ボール形状の観察には、ボールを形成した
後電子顕微鏡にてボールの形状を観察した。
【００２１】
【表１】
【００２２】試験番号１〜１０と、１３〜１５との比較
により、本発明によるボンディングワイヤは従来のボン
ディングワイヤに比べてボールネック部の強度を向上さ
せ、振動破断率を大幅に低減させ得る。試験番号１１で
は、Ｃａ、ＥｕおよびＳｒの添加量が少ないためにボー
ルネック部の強度を向上できない。試験番号１２では、
ボールを形成した際にボールの形状が真球とならず、チ
ップ電極との密着性を阻害する。これは、合計添加量が
０．０１重量％を越えて、大量に添加されたことによ
る。従って、合計添加量は０．０１重量％以下とするこ
とが好ましい。
【００２３】なお、ループ高さ、常温引張強度は従来と
変らない。
【００２４】
【発明の効果】以上の結果より本発明のボンディングワ
イヤは、従来のボンディングワイヤが持つ特性を損なう
ことなくボールネック部の強度を向上させ、信頼性の向
上を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】結線されたボンディングワイヤが振動により破
断する様子を説明した図である。
【符号の説明】
１ 半導体素子 ２ 接着剤 ３ アイランド ４ ボール ５ チップ電極 ６ ボンディングワイヤ ７ 外部リード ８ 外部リード振動（上側） ９ 外部リード振動（下側）

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ０．００１重量％未満の不可避不純物を
    含む純度９９．９９９重量％以上の高純度金に、Ｃａが
    ０．０００１〜０．００３重量％、Ｂｅが０．０００１
    〜０．００１重量％、Ｅｕが０．０００１〜０．００４
    重量％、Ｓｒが０．０００１〜０．００３重量％の範囲
    で、これら４元素の合計含有量が０．００１４〜０．０
    １重量％となるような組み合わせで上記４元素を含有せ
    しめた金合金線からなるボンディングワイヤ。
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