JP3328135B2 - バンプ形成用金合金線及びバンプ形成方法 - Google Patents

バンプ形成用金合金線及びバンプ形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はICチップのワイヤ
レスボンディングに於けるバンプ形成用金合金線及びこ
れを用いた金バンプ形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ICチップの電極パッドと外部端子等を
接続する場合、ワイヤーで配線するワイヤボンディング
方法が知られている。しかしながらワイヤボンディング
の場合、ワイヤの立ち上がり高さが必要となるため半導
体装置の高さ寸法を十分小さくすることが出来ないとい
う欠点がある。この欠点を除去する為、ICチップの電
極パッドと外部端子や電極付き基板の接続方法として、
上記電極パッドにバンプを形成し、このバンプに上記外
部端子等を接続する方法、いわゆるワイヤレスボンディ
ング方法が行われている。上記バンプを利用した接続方
法によればICチップの電極パッドと外部端子等をバン
プを介して直接接合される為、ワイヤで配線する場合に
比べて接合部分の高さを低くすることが出来、薄型パッ
ケージに適しているという利点を有している。
【0003】ところで従来電極パッドにバンプを形成す
る方法として特開昭48−7678号、特開昭59−2
08751号公報等に示される方法が知られている。こ
れらの方法はワイヤ先端を加熱、溶融してボールを形成
し、該ボールを圧着具を用いて上記ICチップの電極パ
ッド上に圧着した後、圧着具と共にワイヤーを上方に引
っ張ってワイヤーをボール直上付近で切断することによ
り上記パッド上にバンプを形成する方法である。この方
法は従来のワイヤーボンティンク方法に用いる装置がそ
のまま使用できてしかも生産性に優れているという長所
を持つ反面、ボール直上部で切断されたワイヤ残存長
さ、所謂テール長さの短いものが安定して得られないと
いう欠点を有している。該テール長さが長い時テール部
分が横にはみ出しショートを引き起こす原因となる。
【0004】この為特開昭62−152143号公報に
は上記ボールを電極パッド上に圧着した後、圧着ボール
直上のワイヤー部に治具を用いて切欠状凹部を形成した
のちワイヤーを上方に引っ張ってテール長さの短いもの
を安定して得る方法が開示されている。該方法は安定し
たテール長さが得られる反面、工程が増える為生産性の
点で問題がある。一方バンプを形成するワイヤ材料とし
て耐酸化性、接合強度の点で金線が好ましく用いられ、
又電極パッド材料としてAlが好ましく用いられてい
る。
【0005】しかしながらボールを電極パッド上に熱圧
着した際、該接合部に金ボール中のAuと電極パッド中
のAlによりAu−Al金属間化合物が形成されること
が知られている。該Au−Al金属間化合物は、該接合
部を長時間高温に保つと化合物層を増大して接合強度が
低下する為、ICチップの電極パッドと外部端子等を直
接接合するバンプ用材料としてこれらの改善が求められ
ている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は次のと
おりである。 (1)バンプ用材料として金線を用いてAlを主成分と
するICチップの電極パッド上にバンプを形成した後、
該接合部を長時間高温に晒した後でもその接合強度(以
下高温接合強度という)を高く保つ事が出来る金合金線
及びそれを用いたバンプ形成方法を提供すること。
【0007】(2)バンプ用材料として金線を用いてボ
ールをICチップの電極パッド上に圧着した後、ワイヤ
に切欠状凹部を形成することなくワイヤを上方に引っ張
って切断する際、ボール直上部分に残るワイヤ部(以下
単純引張テイルという)を安定して短い長さにする事が
出来る金合金線及びそれを用いたバンプ形成方法を提供
すること。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究を重
ねた結果、高純度金にパラジウム(Pd)、ビスマス
(Bi)を各々所定量含有せしめた組成の金線とするこ
とにより、前記元素の相乗効果によって前述の目的を達
成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【0009】すなわち、本発明によれば下記が提供され
る。 (1)高純度金にパラジウム(Pd)を0.2〜5.0
重量%、ビスマス(Bi)を1〜100重量ppm 添加し
たことを特徴とするバンプ形成用金合金線。 (2)さらにイットリウム(Y)、ランタン(La)、
カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)のうち少なく
とも1種を3〜250重量ppm 添加したことを特徴とす
る請求項1記載のバンプ形成用金合金線。
【0010】(3)キャピラリーに挿通された金線の先
端にボールを形成し、該キャピラリーを下降させて該ボ
ールをICチップ電極上に押圧接合し、次いで上記金線
を上方に引張って上記押圧されたボールと金線とを切り
離すことにより、ICチップ電極と外部リード部をワイ
ヤレスボンディングする金バンプの形成方法に於いて、
上記(1)又は(2)記載の金合金線を用いることを特
徴とする金バンプ形成方法。
【0011】(4)キャピラリーに挿通された金線の先
端にボールを形成し、該キャピラリーを下降させて該ボ
ールをICチップ電極上に押圧接合した後、上記ボール
真上の金線に切欠状凹部を形成し、次いで上記金線を上
方に引張って上記押圧されたボールと金線とを切り離す
ことにより、ICチップ電極と外部リード部をワイヤレ
スボンディングする金バンプの形成方法に於いて、上記
(1)又は(2)記載の金合金線を用いることを特徴と
する金バンプ形成方法。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明のバンプ形成用金合金は高
純度金に所定量のPd,Biからなる第1群の元素を添
加し、さらに1つの好ましい態様としてさらに所定量の
Y,La,Ca,Beのうち少なくとも1種からなる第
2群の元素を添加した組成を有することを特徴とする。
【0013】高純度金としては少なくとも99.99重
量%以上、好ましくは99.995重量%以上、特に9
9.999重量%以上に精製した高純度金が用いられ
る。 (1)このような高純度金に上記所定量のPd,Biを
添加することにより、これらの元素の相乗効果によって
高温接合強度を高く保つことができるとともに、単純引
張テイル長さを安定して短い長さにすることができる効
果を示す。
【0014】PdはBiとの共存において、高温接合強
度を高く保つ事が出来るとともに、単純引張テイル長さ
を安定して短い長さにする事が出来るという優れた効果
を示す。Pd含有量が0.2重量%未満になると0.2
重量%以上と対比して所定量のBiを含有しても高温接
合強度は低くなり単純引張テイル長さが長くなる。Pd
含有量が5.0重量%を超えると5.0重量%以下と対
比して所定量のBiを含有しても単純引張テイル長さが
長くなる。この為Pd含有量は所定量のBiとの共存に
おいて0.2〜5.0重量%と定めた。好ましくは0.
5〜5.0重量%である。
【0015】BiはPdとの共存において、高温接合強
度を高く保つ事が出来るともに、単純引張テイル長さを
安定して短い長さにする事が出来るという優れた効果を
示す。Bi含有量が1重量ppm 未満になると1重量ppm
以上と対比して所定量のPdを含有しても単純引張テイ
ル長さが長くなるとともにばらつきが大きくなる。Bi
含有量が100重量ppm を超えると100重量ppm 以下
と対比して所定量のPdを含有してもバンプを形成する
前のボール形成段階でボール中にピンホールの発生が多
くなり所定の接合強度が得られなくなってくる。この為
Bi含有量は所定量のPdとの共存において1〜100
重量ppm と定めた。
【0016】このように、本発明によれば、高純度金線
に所定量のPd及びBiを含有せしめることにより、高
温強度を高く保ちつつテール長さを安定して短くできる
効果がある。 (2)この効果は、金合金線に他の元素を添加しても基
本的に維持される。一般的には、Pd,Bi以外の元素
の添加量の合計量が250重量ppm 以下であれば、上記
所定量のPd,Biを添加した相乗効果が維持される。
【0017】このように所定量のPb,Biのほか追加
の元素を添加しても本発明の効果は一般的に維持される
が、特にY,La,Ca,Beのうち少なくとも1種の
成分を3〜250重量ppm の範囲内で添加すると、単純
テイル長さを安定して短い長さにする効果は同等である
が、高温接合強度がより向上する効果を示す。なお、
Y,La,Ca,Beはそれぞれ1種の成分だけの添加
で効果があり、いずれの成分もそれぞれ単独で好ましい
添加成分である。更に好ましくは3種以上の添加成分と
することであり、最も好ましくはY,La,Caを含む
3種類以上の添加成分とすることであり、このとき高温
接合強度は更に向上する。
【0018】この場合、第2群の成分を含有し第1群の
成分である所定量のBiを含有しない場合でも、単純引
張テイル長さ及び高温接合強度は改善されてくる。しか
しながら第1群の成分である所定量のPdとBiとの共
存のもとに第2群の成分を含有すると単純引張テイル長
さ、そのばらつき及び高温接合強度は更に優れた効果を
示すようになる。また第2群の成分を含有し第1群の成
分である所定量のBiを含有し、所定量のPdを含有し
ない場合、単純引張テイル長さ及び高温接合強度の改善
効果は不十分である。従って所定量のBiを含有する場
合は所定量のPdを共存させる事が必要である。この為
第1群の成分である所定量のPd及びBiとの共存にお
いて第2群の成分即ちY,La,Ca,Beの内少なく
とも1種の成分を3〜250重量ppm と定めた。
【0019】本発明によれば、上記の如きバンプ形成用
金合金線を用いたバンプ形成方法も提供される。これに
より、高温接合強度を高く保ちつつ、テール長さが短か
く安定したバンプを形成することができる。 (3)単純引張り方法 単純引張り方法による金バンプの形成方法を図1を用い
て説明する。
【0020】図1(a)に示すように本発明になる金線
2をキャピラリー1に挿通しその先端に電気トーチ3を
対向させ金線2との間で放電させることにより、金線2
の先端を加熱、溶融してボール4を形成する。次いで図
1(b)に示すようにキャピラリー1を下降させて該ボ
ール4をICチップ6上の電極5の上に押圧接合する。
この時図示しないが超音波振動がキャピラリー1を通し
て付加されると共に、ICチップ6はヒーターブロック
で加熱される為上記ボール4は熱圧着され2段偏平状
4′となる。
【0021】次いで図1(c)に示すようにキャピラリ
ー1を上昇させて、クランパ7が金線2を挟持しそのま
ま上昇させる。これによって上記押圧されたボール4′
と金線2を切り離すことにより、ICチップ6上の電極
5の上に押圧されたボール即ちバンプ4′が形成され
る。次いで図示しないがバンプ4′の上部を外部端子と
接続する。
【0022】ここで図1(c)で形成されたバンプ4′
の上部にはワイヤ片8が残存することになる。この拡大
図を図3に示す。本発明でいうテイル長さとはバンプ
4′上に残存する長さLで表示するワイヤ片8の長さで
ある。前述の単純引張り方法でバンプを形成した時のテ
イル長さ(単純引張りテイル長さという)は、本発明に
なる金線を用いた場合、安定して短い長さにする事が出
来るという優れた効果を有している。
【0023】(4)切欠状凹部付き引張り方法 切欠状凹部付き引張り方法による金バンプの形成方法を
図2を用いて説明する。図2(a)と図2(b)に示す
ように図1(a)と図1(b)と同様にしてICチップ
6上の電極5の上にボール4が2段偏平状4′として熱
圧着されて形成される。
【0024】次いで図2(b)′に示すように先端が鋭
利な切欠状凹部形成治具7が横から前進してきて2段偏
平状4′の直上の金線の任意の箇所に切欠状凹部を形成
する。切欠状凹部9が形成された状況を拡大して図4に
示す。次いで図2(c)に示すように図1(c)と同様
にして金線2を上方に引張って押圧されたボールと金線
とを切り離すことによりICチップ6上の電極5の上に
押圧されたボール即ちバンプ4′が形成される。
【0025】次いで図示しないがバンプ4′の上部を外
部端子と接続する。この場合も図1(c)で形成された
バンプ4′の上部にはワイヤ片8が残存することにな
る。前述の切欠状凹部付き引張り方法でバンプを形成し
た時のテイル長さは切欠状凹部の位置を任意に設定でき
る為好ましくもちいられる。尚、バンプ4′と外部端子
を接続する際、導電性接着剤を用いてもよい。
【0026】
【実施例】表1に示す実施例及び比較例について説明す
る。 (実施例1)純度99.999重量%の高純度金に所定
量のPd,Biを添加し真空溶解炉で溶解して後鋳造し
て表1に示す組成の金合金、即ちPd0.2重量%、B
i20重量ppm を含有する組成の金合金インゴットを
得、これに溝ロール、伸線機を用いて冷間加工と中間熱
処理を施し最終線径25μmとし、最終熱処理により伸
び率2〜3%になるように仕上げた。
【0027】この金線をワイヤボンディング装置を用い
て前述の図1に示す方法でICチップ電極上に超音波熱
圧着ボンディングを行った後、単純にワイヤを引っ張っ
てバンプを10個形成した。次いでテイル長さ測定、高
温接合試験を行うと共に形成したボールの外観検査を行
った。結果を表1に示す。 (実施例2〜41 比較例1〜9)金合金の組成を表1
に示すようにした事以外は実施例1と同様にして細線に
仕上げ、前記した各試験を行った。測定結果を表1〜3
に示す。 〔測定方法〕 (1)テイル長さ 測長顕微鏡を用いて各10個の試料についてテイル長さ
を測定した。
【0028】その平均値と標準偏差を求めた。 (2)高温接合強度 各10個の試料を300℃に設定した恒温炉に500時
間放置した後、剪断強度試験機を用いて測定し、その剪
断強度の平均値を高温接合強度とした。 (3)ボール外観 ボール形成時の外観を顕微鏡で観察し、ボール外面にピ
ンホールの発生の有無を識別しピンホールの発生の有る
ものを不良、ピンホールの発生のないものを良好とし
た。表中、不良を×、良好を○で表示した。 〔試験結果〕 (1)所定量のPd及びBiからなる第1群の成分を含
有した実施例1〜6は次の様な優れた効果を示した。
【0029】 テール長さの平均値は33.4〜3
9.6μm、テール長さのばらつきである標準偏差は
5.0〜8.8μmであり安定して短い長さにすること
が出来る。 高温接合強度は42.1〜56.2gfと高く保つ事
が出来る。 ボール外観はいずれもピンホールのないものであっ
た。
【0030】(2)前記第1群の成分に加えて所定量の
Y,La,Ca,Beのうち少なくとも1種からなる第
2群の成分を含有した実施例7〜41は次の様な優れた
効果を示した。とりわけ、高温接合強度に於いて第1群
の成分のみを含有した実施例1〜6と対比して第2群の
成分を含有することによりさらに優れた効果を示した。
【0031】 テール長さの平均値は31.1〜3
7.6μm、テール長さのばらつきである標準偏差は
4.4〜9.9μmであり安定して短い長さにすること
が出来る。 高温接合強度は42.8〜67.4gfと高く保つ事
が出来る。 高温接合強度は第2群の成分を含有することにより
さらに優れた効果を示す。
【0032】ア)実施例1とこれに第2群の成分を添加
した実施例7,13,19の高温接合強度を対比すると
42.1gfが42.8〜43.3gfと向上している。 イ)実施例2〜6とこれに第2群の成分を添加した実施
例の高温接合強度を対比すると同様に向上している事が
わかる。 ボール外観はいずれもピンホールのないものであっ
た。
【0033】 第2群の成分を3種以上含む実施例4
0〜41は高温接合強度が67.2〜67.4と最も優
れたものであった。 (3)本発明に係わる第1群、2群の成分のいずれも含
有しない比較例1はテール長さの平均値は75.2μm
その標準偏差は32.3μm、高温接合強度は5.2gf
と悪いことが判る。
【0034】(4)本発明の必須成分である所定量のB
iを含み、Pd含有量が0.2重量%未満である比較例
2,3,7,8はテール長さの平均値は46.0〜5
0.9、その標準偏差は8.7〜12.7、高温接合強
度は13.5〜16.4gfと悪いことが判る。 (5)本発明の必須成分である所定量のBiを含み、P
d含有量が5.0重量%を超える比較例4はテール長さ
の平均値は58.9μmその標準偏差は14.4μmと
悪いことが判る。
【0035】(6)本発明の必須成分である所定量のP
dを含み、Biを含有しない比較例5,9はテール長さ
の標準偏差は19.5〜21.4と悪いことが判る。高
温接合強度は33.2〜36.8gfであり比較例1より
改善されているものの、本発明品の方が更に優れた効果
を示している事が判る。 (7)本発明の必須成分である所定量のPdを含み、B
i含有量が100重量ppm を超える比較例6はピンホー
ルの発生がみられた。接合強度は低い値でありばらつき
も大きいため、数値は表示しなかった。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
【表3】
【0039】
【発明の効果】本発明により、所定量のPb,Biを含
有したバンプ形成用金合金線によれば、 単純引張テイル長さを安定して短い長さにする事が
出来た。これにより単純引張方法で安定してバンプを形
成する事が出来半導体装置の信頼性向上に効果的であ
る。
【0040】 高温接合強度を高める事が出来半導体
装置の信頼性向上に効果的である。また、さらに所定量
のY,La,Ca,Beのうち少なくとも1種を含むこ
とにより、更に高温接合強度を高める事が出来半導体装
置の信頼性向上に更に効果的である。本発明により上記
の金合金線を用いて単純引張りによりバンプを形成する
と、 単純な引っ張り操作だけで安定してバンプを形成す
る事が出来生産性向上に効果的である。
【0041】 高温接合強度を高める事が出来半導体
装置の信頼性向上に効果的である。また、上記金合金線
を用いて切欠状凹部形成方法でバンプを形成すると、 テイル長さを任意の長さにする事が出来るためテイ
ル長さを更に安定して短い長さにする事が出来る。 高温接合強度を高める事が出来半導体装置の信頼性
向上に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】単純引張りによるバンプ形成方法を示す。
【図2】切欠状凹部付き引張りによるバンプ形成方法を
示す。
【図3】バンプのテール部の拡大図である。
【図4】金線の切欠状凹部付近の拡大図である。
【符号の説明】
1…キャピラリー 2…金線 3…電気トーチ 4…ポール(4′…バンプ) 5…電極 6…ICチップ 7…クランパ
───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高純度金にパラジウム(Pd)を0.2
    〜5.0重量%、ビスマス(Bi)を1〜100重量pp
    m 添加したことを特徴とするバンプ形成用金合金線。
  2. 【請求項2】 さらにイットリウム(Y)、ランタン
    (La)、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)の
    うち少なくとも1種を3〜250重量ppm 添加したこと
    を特徴とする請求項1記載のバンプ形成用金合金線。
  3. 【請求項3】 キャピラリーに挿通された金線の先端に
    ボールを形成し、該キャピラリーを下降させて該ボール
    をICチップ電極上に押圧接合し、次いで上記金線を上
    方に引張って上記押圧されたボールと金線とを切り離す
    ことにより、ICチップ電極と外部リード部をワイヤレ
    スボンディングする金バンプの形成方法に於いて、請求
    項1又は請求項2記載の金合金線を用いることを特徴と
    する金バンプ形成方法。
  4. 【請求項4】 キャピラリーに挿通された金線の先端に
    ボールを形成し、該キャピラリーを下降させて該ボール
    をICチップ電極上に押圧接合した後、上記ボール真上
    の金線に切欠状凹部を形成し、次いで上記金線を上方に
    引張って上記押圧されたボールと金線とを切り離すこと
    により、ICチップ電極と外部リード部をワイヤレスボ
    ンディングする金バンプの形成方法に於いて、請求項1
    又は請求項2記載の金合金線を用いることを特徴とする
    金バンプ形成方法。
JP13354696A 1996-05-28 1996-05-28 バンプ形成用金合金線及びバンプ形成方法 Expired - Lifetime JP3328135B2 (ja)

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