JP3143755B2 - 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耐熱性に優れる
金合金細線に関し、より詳しくは接合後の半導体装置組
立作業中における振動疲労による断線を大幅に低減させ
るためにボールネック部強度を向上させたボンディング
用金合金細線に関する。
【０００２】
【従来技術】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、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、熱圧着法が代表的な方法である。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、１５０〜３００
℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極にこのボール部
を圧着接合せしめた後に、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、ボンディング技術の向上に伴って金
合金細線の特性を向上させる要求が強くなった。例え
ば、ボンディング時にボール直上部が高温に晒される結
果として結晶粒の粗大化が起こり、金合金線の強度が劣
化するために、半導体装置組立時の振動により断線する
という欠陥が生じる。この防止対策としてボンディング
後のプル強度を指標とし、従来の金合金細線よりプル強
度の大なる金合金細線が望まれている。
【０００４】また、近年の薄型半導体装置の一般化に伴
い、ボンディング後のループ高さを低くする目的のため
に高純度金に大量の元素を添加せしめた金合金細線が開
発され、使用されている。例えば、カルシウムを５〜１
００重量ppm 含有してなる金ボンディングワイヤー（特
開昭５３−１０５９６８号公報）、あるいはランタン、
セリウム、プラセオヂウム、ネオヂウムおよびサマリウ
ムの１種または２種以上を３〜１００重量ppm とゲルマ
ニウム、ベリリウムおよびカルシウムの１種または２種
以上を１〜６０重量ppm 含有してなる金ボンディングワ
イヤー（特開昭５８−１５４２４２号公報）などがあ
る。しかしながら、ループ高さが低くなることによって
プル強度が低下すること、および合金元素の大量添加に
よってボールの硬さが増大し、ボンディング後の接合強
度を著しく劣化させ、半導体装置の信頼性を低下させる
という問題があるために、従来の比較的ループ高さの高
い金合金細線と同等の接合強度を有した、ループ高さが
低く、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。
【０００５】
【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、少量の元素添加では、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、ボ
ール直上部の結晶粒の粗大化を生じる結果として半導体
装置の薄型化に不適切な高ループになりやすいという問
題があることを確かめた。
【０００６】また、ボンディング後のループ高さを低く
するために、金の再結晶温度を高くせしめる元素を大量
添加したボンディング用金合金細線は、ループ高さが低
くなることによって必然的にプル強度が低下すること、
添加元素量の増大に伴いボール形成時に、添加元素の酸
化によってボール表面に酸化物層が生成し、電極との熱
圧着に際して充分な接合ができなくなること、また添加
元素の大量添加でボール部の硬度が増加し、圧着時に金
ボールの塑性変形率が低下すると共にボールの先端に収
縮孔が出来やすくなり、これが半導体素子の電極との接
合面積を低下させることによって、シェア強度を低下さ
せるために、ボンディング後のハンドリング等による振
動に起因して断線が発生したり、樹脂封止時に金合金細
線が受ける封止樹脂の流動抵抗や、その後の各種熱サイ
クルによる半導体装置の構成物質の熱膨張率の差異に起
因する剪断力等で金合金細線が破断する場合があり、結
果として半導体装置の信頼性を低下させるという問題を
有している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、ガリウム
とカルシウムを複合添加させることで、ボールネック部
の強度が高く、かつそのバラツキが少なく、ボールネッ
ク部の結晶粒の細かいボンディング用金合金細線が得ら
れること、その添加量を制御することによって、ループ
高さの低いボンディング用金合金細線を工業的に容易に
製造でき、前述の諸問題点を解消することができること
を確かめた。
【０００８】すなわち、本発明の要旨とするところは下
記のとおりである。 （１） 高純度金（純度９９．９９５％以上）に、第１
群の元素として、ガリウムを３〜５０重量ppm とカルシ
ウムを３〜３０重量ppm 含有してなるボンディング用金
合金細線。 （２） 第１群の元素に加えて、第２群の添加元素とし
て、イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、
ジスプロヂウムおよびベリリウムの１種または２種以上
を単独または総量で３〜３０重量ppm 含有し、かつ第１
群の元素と第２群の添加元素の総量が少なくとも９〜１
００重量ppm である前項１記載のボンディング用金合金
細線。
【０００９】以下、本発明の構成についてさらに説明す
る。本発明で使用する高純度金とは、純度が少なくとも
９９．９９５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
満の場合は、その含有する不純物の影響を受ける。特
に、合金元素の添加量の比較的少ない高ループ用の金合
金細線では、本発明に従った合金元素の添加量での効果
が充分に発揮できない。
【００１０】ガリウムは、金中への固溶限界が大であ
り、従来から再結晶温度を高くする効果が知られている
が、単独の添加では十分な効果がない。高純度金中にガ
リウムと共にカルシ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、
樹脂封止工程以前の諸振動による断線を減少できる。こ
の効果は、カルシウム添加のもとでガリウム含有量が３
重量ppm 未満であると、ボールネック部の結晶粒が安定
して細粒化せず、効果が充分でない。また、ガリウム含
有量が５０重量ppm を超えると、ボール形成時にボール
が真球にならず、またガリウムとカルシウムとの強固な
酸化物がボール表面に生成し、電極との接合時にボール
と電極の圧着時に双方の新生金属面が出にくくなること
によって接合強度が低下することからガリウム含有量の
範囲を３〜５０重量ppm とした。
【００１１】カルシウムは、耐熱性を向上させる元素で
あることが知られているが、３重量ppm 未満ではボール
ネック部の結晶の細粒化の効果が得られない。また、３
０重量ppm 超の添加では、ボールネック部の結晶を細粒
化し、耐熱性を向上させるものの、ボール形成時にボー
ル先端部に収縮孔が生じること、ボール形成時の酸化に
よってボール全表面に強固な酸化物を生成し、ボールと
電極との接合界面積が低下することによって、接合強度
（シェア強度）が低下する。また、ボールの硬さがカル
シウム添加量の増大と共に大となり、電極との充分な接
合を確保するに必要な荷重をかけると、電極下部の半導
体素子に割れを生じる場合がある。従ってカルシウムの
添加量は、３〜３０重量ppm の範囲とした。ガリウムと
カルシウムの含有量が、それぞれの上限値でも前述の諸
問題を起こさない。複合添加によって、このような効果
が得られるのは、ガリウムが金中のカルシウムの固溶量
を増大させ、かつ結晶粒界の強度を高くすることによる
ものと考えられる。
【００１２】第２群の元素の添加目的は、伸線の際に金
合金細線の加工硬化によって、さらに伸線し易くするた
めである。第２群の元素は、単独添加の場合には、大量
添加しないと伸線時の加工硬化による常温強度の向上に
効果がない。しかしながら、第１群の元素と共に添加す
ることによって、伸線時の加工硬化が大となり、伸線時
の金線の引張強度不足による断線を防止できる。さら
に、カルシウム添加による耐熱性を複合添加によりさら
に向上させる効果と共に高温強度を上げる効果があり、
結果としてガリウムとカルシウムとを複合添加した上述
の本発明の効果をさらに向上させることができる。
【００１３】これらの第２群の元素は、添加量が単独ま
たは総量で３重量ppm 未満の場合には、加工硬化を促進
させる効果が不安定であり、耐熱性を向上させる複合効
果も充分でない。他方、添加量が単独または総量で３０
重量ppm 超では、第１群の元素のみの添加量では生成し
なかったボール先端部の収縮孔が容易に発生し、結果と
してシェア強度が低下する。従って、第２群の元素の添
加量は、単独または総量で３〜３０重量ppm の範囲とし
た。
【００１４】また、第１群と第２群の元素の総量が９重
量ppm 未満では、ボールネック部の結晶粒が安定して細
粒化せず効果が充分でなく、他方、１００重量ppm を超
えると電気トーチによるボール形成時にボールが真球に
ならず、半導体素子上の電極との接合時に充分な接合面
積が得られず、接合強度を著しく低下させ、かつ他の電
極と接触する等の問題を生じることから、第１群と第２
群の元素の総量を９〜１００重量ppm の範囲内とした。
【００１５】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が９
９．９９５重量％以上の電解金を用いて、前述の各添加
元素の含有せる母合金を個別に高周波真空溶解炉で溶解
し、鋳造した。なお、カルシウムとガリウムとを複合添
加した母合金を溶解、鋳造すると、カルシウムの添加歩
留りを向上させる効果がある。
【００１６】このようにして得られた各添加元素を含む
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、その鋳塊を圧延した後、常温
で伸線加工を行い、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金合金細線の伸び値
が約４％になるように調整する。
【００１７】得られた金合金細線について、常温引張強
度、ループ高さ、振動破断率、ボール形状および接合強
度を調べた結果を表１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に、形成されるループの
頂高と半導体素子の電極面とを光学顕微鏡で８０本測定
し、その両者の距離の差をループ高さとした。
【００１８】振動破断率は、半導体素子をマウントする
鉄−４２％ニッケルリードフレーム（ボンディングスパ
ン；２mm、インナーリードピン６４本が四方に配列され
ているＩＣパッケージを６個有するもの）を５枚カセッ
トに収納し、前述の２５μｍφの金合金細線を自動高速
ボンディングによりチップ上の電極とインナーリードと
を金合金細線で接合させ、再びカセットに収納し、該カ
セットを振動試験機に固定し、周波数１００ヘルツ、重
力加速度を１Ｇ、２Ｇ、３Ｇの各水準にて１時間の間振
動させた後に、接合部の断線状況を光学顕微鏡にて検査
を行い、断線本数の占める割合を百分率で評価した。
【００１９】ボール形状は、高速自動ボンダーを使用
し、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ものを×印、良好なものを○
印にて評価した。接合強度は、高速自動ボンディング後
に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本測定したプル強度
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５ミクロン離した位置で半導体素
子と平行に治具を移動させ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。
【００２０】表１、２は、本発明の成分組成内で製造し
た金合金細線の評価結果を、表３、４は本発明の成分組
成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る。表１〜４の
結果でも同様の傾向を有している。ほぼ同一のループ高
さの金合金細線のプル強度の比較では、表２のプル強度
がいずれも表４の値よりも小さく、かつそのバラツキも
小さい結果となっている。また、過剰の合金元素量を添
加した場合には、シェア強度が低下し、そのバラツキも
大きくなっている。
【００２１】振動断線の場合もループ高さが低くなるほ
ど断線発生率が増大する傾向が経験的に知られており、
１Ｇの振動強度で断線する場合は、製造した半導体装置
の信頼性が低く、２Ｇでの振動強度で断線する場合は、
断線発生率が２０％以下であれば半導体装置の信頼性
は、充分満たされる。表２と表４における、ほぼ同一ル
ープ高さの金合金細線での断線発生率は、いずれも本発
明の方が断線発生率が低い結果が得られ、半導体装置の
信頼性も充分である。
【００２２】シェア強度は、通常２５μｍの金合金細線
の場合、５０ｇ以上あれば問題がないとされている。表
２の場合は、いずれも５０ｇ以上の値を満足している
が、表４の場合には５０ｇ未満の場合があり、ボンディ
ング用金合金細線としては不十分である。ボール形状の
評価では、表１に示す本発明範囲内の成分組成の合金細
線では、いずれも正常なボール（表２参照）を形成して
いるが、表３の成分組成の合金細線ではボール先端部に
収縮孔など異常なボール（表４参照）になるものが存在
する。
【００２３】上述のように、本発明の成分組成を外れる
合金細線の場合は、プル強度とシェア強度の接合強度が
不十分で、振動断線の発生率が大であり、製造した半導
体装置の信頼性を低下させることは明らかである。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【表４】
【００２８】
【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、振動断線の発生率も低く、ボール形状もいずれ
も正常で、安定したボンディングが可能であり、線径が
１８〜３０μｍ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。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 C22C 5/02 H01B 1/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高純度金（純度９９．９９５％以上）
    に、第１群の元素として、ガリウムを３〜５０重量ppm
    とカルシウムを３〜３０重量ppm 含有してなるボンディ
    ング用金合金細線。
  2. 【請求項２】 第１群の元素に加えて、第２群の添加元
    素として、イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジ
    ウム、ジスプロヂウムおよびベリリウムの１種または２
    種以上を単独または総量で３〜３０重量ppm 含有し、か
    つ第１群の元素と第２群の添加元素の総量が少なくとも
    ９〜１００重量ppm である請求項１記載のボンディング
    用金合金細線。
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