JP3186178B2 - 半導体素子用のはんだバンプ形成材料 - Google Patents

半導体素子用のはんだバンプ形成材料

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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のはんだバ
ンプ形成材料、詳しくは、ワイヤレスボンディング法、
特にフリップチップボンディング法またはテープキャリ
アボンディング法により半導体素子（以下、チップとい
う）を基板に実装する際に用いるはんだバンプの形成材
料に関する。
【０００２】
【従来の技術】本願出願人は、細い合金ワイヤ状に作製
され、そのワイヤ先端を加熱して形成したボールをチッ
プ表面の電極上に熱圧着した後そのボールをワイヤから
切断して電極上面にバンプを形成する、ワイヤボンディ
ング装置を用いたバンプ形成に有用なはんだバンプの形
成材料を発明し、先に出願した（特開昭63−301535号，
特願平２−304509号等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年ＬＳＩパッ
ケージの多ピン化に伴いチップ上に形成するバンプ電極
の相互間距離をより小さくすること（狭ピッチ化）が要
求されており、これを実現するに際して重要なことは、
バンプ同士がショートしないこと、即ちバンプ形成用の
ワイヤ線径をより小さくすることにある。しかし乍ら、
上記従来の形成材料により作製したワイヤの線径は30μ
ｍが限度であり、このワイヤを用いてバンプを形成した
場合、バンプ相互のピッチは150μｍが限界であった。
【０００４】また、上記従来の形成材料は急冷凝固法に
より細い合金ワイヤ状に作製することで、ワイヤ先端に
形成したボールをチップ表面の電極上に熱圧着した後そ
のワイヤを引上げればボールがワイヤから自動的に切り
離される、ワイヤボンダを用いたバンプ形成に顕著な効
果を奏するものである。しかし乍ら、従来の形成材料に
よれば、ボール切り離し時におけるワイヤ切断位置にば
らつきが生じて、バンプ高さが一定しない不具合があ
り、これらの不具合は細線になる（線径が小さくなる）
につれ顕著に現れるものであった。
【０００５】本発明はこのような従来事情に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところの第１は、ワイ
ヤのさらなる細線化を図って、バンプ電極の相互間距離
をより小さくする（狭ピッチ化）ことにある。
【０００６】また本発明第２の目的は、前述のワイヤ細
線化に加えて、ボール切り離し時におけるワイヤ切断位
置のばらつきを抑えてバンプ高さを一定させ、耐久性及
び信頼性の高い半導体装置を製作し得るはんだバンプの
形成材料を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願発明者は上述の目的
を達成するために、Ｐｂ，Ｓｎの何れか一つを主要元素
とするバンプ形成材料に悪影響を及ぼす虞れのない各種
添加元素の中から、チップ電極上面に予め形成する下地
金属として用いられるＣｕ，Ｎｉに着目して鋭意研究を
行った結果、これら両元素の同時添加により、その添加
量が少量であってもワイヤの細線化に所望の効果を得ら
れると共に、これにより得られた形成材料を急冷凝固法
により細いワイヤ状に作製することでボール切断位置の
ばらつき改善に所望の効果を得られることを見出だし、
本発明のはんだバンプ形成材料を提供するに至った。
【０００８】すなわち、本発明のはんだバンプ形成材料
は、請求項１ではＰｂ，Ｓｎの何れか一つの主要元素に
対し、０．１wt％〜１wt％のＣｕ、及び、０．１wt％〜
１wt％のＮｉを添加せしめたことを特徴とし、請求項２
では前記の配合組成からなるものを急冷凝固法により細
いワイヤ状に作製してなることを特徴とする。
【０００９】
【作用】本発明の形成材料によれば、Ｃｕ，Ｎｉの同時
添加により、Ｃｕ，Ｎｉ各々の添加量が少量であっても
ワイヤの機械的強度を向上でき、ワイヤ細線化に所望の
効果を得れる。
【００１０】また、Ｃｕ，Ｎｉの同時添加によりワイヤ
の伸び率が抑えられ、急冷凝固法により細いワイヤ状に
作製した場合、ボール切断位置のばらつき改善に所望の
効果を得る。
【００１１】さらに、Ｃｕ，Ｎｉの同時添加によるＣ
ｕ，Ｎｉの相互作用により、例えばＣｕまたはＮｉの単
独添加により前記と同等の効果を得ようとする場合に比
べ、それら両元素の添加量が少量であっても前述の各作
用を得ることが可能になる。このことは、各々の元素の
添加量が多くなるにつれてボールが硬くなり過ぎるよう
な不具合を招く虞れがなく、所定のバンプ特性を得る点
で有用である。
【００１２】しかし、Ｃｕ及びＮｉの各々の添加量が
０．１wt％未満では上記の特性を得ることができない。
また、Ｃｕ及びＮｉの各々の添加量が１wt％を越える
と、ワイヤ先端に形成するボールが硬くなり過ぎ、バン
プ特性が低下するので好ましくない。従って、Ｃｕ及び
Ｎｉの添加量を上述の範囲に設定するものである。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。表１また
は表２は主要元素Ｓｎに対して各種添加元素を表中の記
載量配合せしめてなるバンプ形成材料で、各試料 No.１
〜10は、夫々の組成（不可避不純物を含む）にしたもの
を急冷凝固法により、詳しくは従来知られた液中紡糸法
により直接にワイヤーを形成するか、或いは単ロール法
により得られた合金材料を冷間プレスし、さらに押出し
成形してワイヤーを成形するなどの方法により、線径25
μｍのワイヤに作製した。
【００１４】尚、試料 No.１，２、11，12はＣｕ，Ｎｉ
の何か一方を単独で添加した場合、No.３、４、13、14
はＣｕ及びＮｉの添加量が０．１wt％未満の場合、 No.
10、20はＣｕ及びＮｉの添加量が夫々１wt％を越える場
合を夫々示す比較例である。
【００１５】そして、各試料について引張強度、伸び
率、ボール切断位置の高さばらつきについてテストし
た。
【００１６】引張強度は、標点間距離100mm の各試料を
引張速度10mm／分にて引張りテストをし測定した値であ
る。
【００１７】伸び率は、切断するまでの伸び長さを標点
間距離(100mm）で除した値である。
【００１８】ボール切断位置の高さばらつきは、前述の
ボールボンディング法により各試料の先端にボールを形
成し、これをチップ上面に熱圧着した後に引上げてワイ
ヤから自動的に切り離し、そのボール直上から切断位置
までの高さを測定した値である。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】上記表１，２によれば、ＣｕとＮｉを同時
に添加してもその添加量が0.001 wt％未満（試料 No.
３、13）では引張強度は2.0 以下であり、添加元素Ｃｕ
とＮｉを各々単独で相当量（1.0 wt％）添加した場合
（試料 No.１，２、11，12）は引張強度についてある程
度の改善が見られるが、Ｃｕ及びＮｉを同時添加した場
合は０．１wt％未満でこれと同等の効果を得られる（試
料 No.４、14）ことが確認される。
【００２２】また、ＣｕとＮｉの単独添加（試料 No.
１，２、11，12）では伸び率が40％、切断位置のばらつ
きが±50μｍ以上生ずることが確認される。
【００２３】さらに、ＣｕとＮｉを同時に添加してもそ
の添加量が0.001 wt％未満（試料 No.３、13）では伸び
率、切断位置のばらつきが改善されず、またその添加量
が０．１wt％未満（試料 No.４、14）では伸び率は改善
されても切断位置のばらつきが±25μｍ以上生ずること
が確認される。添加量が１wt％を越えた場合（試料 No.
10、20）は引張強度が強すぎ、ワイヤ先端に形成するボ
ールが硬くなり過ぎて所定のバンプ特性を得難くなるこ
とが確認された。
【００２４】従って、表１の測定結果により明らかな如
く、本発明実施品（試料 No.５〜９、15〜19）によれ
ば、半導体素子のバンプ形成用として、所定の特性がえ
られることが確認できた。
【００２５】表３は主要元素Ｐｂに対して各種添加元素
を表中の記載量配合せしめてなるバンプ形成材料を示
す。各試料 No.21〜30は前述の各試料 No.１〜10，11〜
20と同様、急冷凝固法で線径25μｍのワイヤに作製した
後、引張強度、伸び率、ボール切断位置の高さばらつき
についてテストした。
【００２６】
【表３】
【００２７】
【００２８】各試料の測定結果から、本発明実施品（試
料 No.25〜29）によれば引張強度の向上、伸び率抑制、
ボール切断位置の安定化、バンプ特性等に所望の特性が
得られることが確認され、これにより、主要元素がＰｂ
であっても、主要元素がＳｎである場合と同様の効果を
得られることが確認できた。
【００２９】尚、上述の本発明実施品（試料 No.５〜
９，15〜19，25〜29）は急冷凝固法により細いワイヤ状
に作製したが、請求項１記載の成形材料においてはこれ
に限定されず、急冷凝固法によらない成形方法、例え
ば、夫々の組成（不可避不純物を含む）にしたものを溶
解鋳造した後に線引加工で線径25μｍのワイヤに作製し
ても、引張強度については上記と同様の効果が得られ、
初期の目的を達成することは可能である。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、Ｃｕ，Ｎｉの同時添加
によりワイヤの機械的強度向上を図ってはんだバンプ形
成用のワイヤ細線化に所望の効果を得、従来の形成材料
では30μｍが限界であったワイヤ線径を25μｍとし、バ
ンプの相互間距離を100 μｍ以下まで下げることが可能
になった。
【００３１】また、Ｃｕ，Ｎｉの同時添加によりワイヤ
の伸び率を抑えて、急冷凝固法により細いワイヤ状に作
製した場合、即ち、チップ電極上に熱圧着したボールを
自動的に切り離す場合のボール切断位置の安定化を図る
ことができた。
【００３２】しかもＣｕ，Ｎｉの相互作用によりその添
加量を少く抑えて、チップの電極上にバンプを形成する
際の特性（ボールの真球度，硬度等）は従来同様に維持
しつつ、前述の各効果を得ることができた。
【００３３】従って、ワイヤボンディング装置を用いた
バンプ形成に有用で、且つバンプ電極の相互間距離を従
来より小さくしてＬＳＩの高密度実装（多ピン化）を促
進し得るはんだバンプの形成材料を提供することができ
た。
【００３４】また請求項２によれば前述の効果に加え、
バンプ形成時におけるワイヤ切断位置の安定化を図っ
て、急冷凝固法により得たワイヤを用いて製作する半導
体装置の耐久性及び信頼性を向上に有用なはんだバンプ
の形成材料を提供することができた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−203331（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−301535（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−37039（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−174527（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−181736（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｐｂ，Ｓｎの何れか一つの主要元素に対
    し、０．１wt％〜１wt％のＣｕ、及び０．１wt％〜１wt
    ％のＮｉを添加せしめたことを特徴とする半導体素子用
    のはんだバンプ形成材料。
  2. 【請求項２】 急冷凝固法により細いワイヤ状に作製し
    てなる請求項１記載の半導体素子用のはんだバンプ形成
    材料。
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