JP3235199B2 - 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、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、また非常に安定した元素であるために、腐食等に
よる劣化の可能性が極めて低く、安定して高い信頼性が
えられること、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。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。例えば機械的強度、および耐熱強度を向上さ
せる目的で、高純度金にＣａ、Ｂｅ、Ｇｅを含有させた
合金組成のもの（特開昭５７−３５５７７号公報）、さ
らにはＣａ、Ｂｅ、Ｇｅに第四元素としてＬａ、Ｃｅと
いった希土類元素を含有させた合金組成のもの（特開平
２−１２０２２号公報）、等が報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら最近の半
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。
【０００５】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。
【０００６】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を損なうこと
なく、振動破断率を大幅に低減し得るボンディングワイ
ヤを提供せんとするものである。
【０００７】
【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％、Ｔｉを０．０００
１〜０．００５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％である金合金線を用いることを特徴と
する。
【０００８】
【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、振動
破断を低減させる効果がある。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。
【０００９】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。
【００１０】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。
【００１１】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。
【００１２】Ｔｉの添加は、Ｃａ、Ｅｕの添加によるボ
ール形成時のボール直上の結晶粒粗大化防止効果を安定
させるとともに、結晶粒の大きさを均一にする効果があ
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、０．００５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、Ｔｉの添加量は、０．０００１〜
０．０１重量％とすることが好ましい。
【００１３】 従って添加量の合計は０．０００４〜
０．０１３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
満であると振動破断率を低減できない。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０．００１１〜０．００６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。
【００１４】
【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、Ｔｉ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、
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。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。
【００１５】振動破断率の測定には、１個当たり８０本
のリードを持つリードフレーム６個よりなるテストシー
トを各々３枚づつ作成し、それぞれ１枚づつをマガジン
に収納した後、周波数５０Ｈｚ、変位量２ｍｍの一定振
動を３分間与えた。その後、実体顕微鏡にて破断数を測
定し、ボンディング本数１，４４０本における振動破断
率を算出した。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。
【００１６】試験番号１〜９と１０〜１５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１０では、Ｃ
ａとＥｕの合計添加量が０．０００２重量％と少ないた
めに振動破断率を低減できない。試験番号１１，１２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、Ｔｉを添加することで振動破断率が低減すること
がわかる。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【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振動破
断率を低減し、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％、Ｔｉを０．０００１〜０．００５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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