JP3235198B2 - 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、
【０００４】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、かつ安定
した接合強度が得られること、 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。
【０００５】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
化には十分耐え得る。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。その結果ショー
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起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を著しく損
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。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起こし、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。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。
【０００７】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。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。
【０００８】
【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を０．０００１〜０．００３重
量％、Ｂｅを０．０００１〜０．００１重量％、Ｅｕを
０．０００１〜０．００４重量％、Ｎｂを０．０００１
〜０．００３重量％を含有せしめ、かつこれらの合計添
加量が０．００１３〜０．０１重量％であり、さらにＣ
ａとＥｕの合計添加量が少なくとも０．００１１〜０．
００６重量％である金合金線を用いることを特徴とす
る。
【０００９】
【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、ループ高さを低くする効果がある。
【００１０】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％を越えると、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。
【００１１】Ｅｕでは、添加量が０．０００１重量％未
満では、Ｃａとの添加による相乗効果が得られず、また
添加量が０．００４重量％を超えると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。
【００１２】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。
【００１３】Ｎｂの添加は、ボールを形成する際に起こ
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Ｎｂ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、
０．０００１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、
Ｎｂの添加量は、０．０００１〜０．００３重量％とす
ることが好ましい。
【００１４】従って添加量の合計は０．０００４〜０．
０１１重量％となるが、全元素の合計添加量が０．０１
重量％を超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。逆
にＣａとＥｕの合計添加量が０．００１重量％未満であ
ると常温引張強度が低く、ボールネック部の強度向上効
果も期待できない。そのため全元素の合計添加量は０．
０１重量％以下とし、ＣａとＥｕの合計添加量は０．０
０１１〜０．００６重量％とする必要があり、さらに全
元素の合計添加量を０．００１３重量％以上とするのが
好ましい。
【００１５】
【実施例】０．０００１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、Ｃ
ａ，Ｂｅ，Ｅｕ，Ｎｂ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、
ボール直上の結晶粒の大きさ、およびボールネック部の
強度を測定した。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。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。
【００１６】ボール直上の結晶粒の大きさ測定には、ア
ーク放電によりボールを形成したワイヤのボール直上部
を電子顕微鏡で観察し、一定範囲内にある結晶粒数を測
定し、対象とした面積より結晶粒の大きさを算出した。
この時、結晶粒の形状を正方形と想定して一辺の長さに
換算した。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。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。
【００１７】
【表１】
【００１８】試験番号１〜１０と１１〜１５との比較に
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
ワイヤに比べボール直上の結晶粒を微細化し、ボールネ
ック部強度を大幅に向上させ得る。試験番号１１では、
ＣａとＥｕの合計添加量が０．０００２重量％と少ない
ため常温引張強度が低く、さらにボールネック部の強度
も向上していない。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％
を超えて、多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。試
験番号２と３、６と７との比較により、Ｎｂを添加する
ことでボール直上の結晶粒が微細化し、ボールネック部
の強度が向上していることがわかる。
【００１９】
【発明の効果】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）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 5/02 H01L 21/60

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を
    ０．０００１〜０．００３重量％、Ｂｅを０．０００１
    〜０．００１重量％、Ｅｕを０．０００１〜０．００４
    重量％、Ｎｂを０．０００１〜０．００３重量％を含有
    せしめ、かつこれらの合計添加量が０．００１３〜０．
    ０１重量％であり、さらにＣａとＥｕの合計添加量が少
    なくとも０．００１１〜０．００６重量％である金合金
    線からなるボンディングワイヤ。
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