JP3346871B2 - 半導体素子用金合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子用金合金、
さらに詳しくは、主として例えば半導体素子上の電極と
外部リードとを接合するために使用する耐熱性に優れた
ボンディング用金線などに使用されるのに有利な半導体
素子用金合金に関する。
さらに詳しくは、主として例えば半導体素子上の電極と
外部リードとを接合するために使用する耐熱性に優れた
ボンディング用金線などに使用されるのに有利な半導体
素子用金合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えばケイ素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、金細線が使用されてきた。このように金細線が多用
されてきたのは、金ボールの形状が真円球状となり、形
成される金ボールの硬さが適切であって、接合時の圧力
によってケイ素半導体素子を損傷することがなく、確実
な接続ができ、その信頼性が極めて高いためであった。
そして、斯るボンディング用金細線に関しては今までに
も多くの提案がなされている。
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、金細線が使用されてきた。このように金細線が多用
されてきたのは、金ボールの形状が真円球状となり、形
成される金ボールの硬さが適切であって、接合時の圧力
によってケイ素半導体素子を損傷することがなく、確実
な接続ができ、その信頼性が極めて高いためであった。
そして、斯るボンディング用金細線に関しては今までに
も多くの提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら多くの
提案を実用に供した場合、金細線を自動ボンダーにかけ
て金細線の先端を溶融して金ボールを形成させて接合を
行うと、金細線は再結晶化温度が低く耐熱性を欠くため
に、金ボール形成の直上部において引張強度が不足し断
線を起こしたり、断線をまぬがれて接合されても、接合
後の金細線は樹脂封止によって断線したり、また、半導
体素子を封止用樹脂で保護した場合、ワイヤフローを呈
し短絡を起こすという問題がある。
提案を実用に供した場合、金細線を自動ボンダーにかけ
て金細線の先端を溶融して金ボールを形成させて接合を
行うと、金細線は再結晶化温度が低く耐熱性を欠くため
に、金ボール形成の直上部において引張強度が不足し断
線を起こしたり、断線をまぬがれて接合されても、接合
後の金細線は樹脂封止によって断線したり、また、半導
体素子を封止用樹脂で保護した場合、ワイヤフローを呈
し短絡を起こすという問題がある。
【０００４】上記の問題点を解決するために、従来よ
り、接続時に形成される金ボールの形状および硬さを損
なわない程度に、高純度金中に微量の添加元素を加えて
破断強度と耐熱性を向上させた種々のボンディング用金
細線が公表されているのは周知の事実である。本発明者
等は、これら提案された種々の金細線について、具体的
に実用に供し得るものなのか否かについて検討してみた
ところ、これら従来の種々の提案はいずれもが、近年急
速に普及しつつある薄型パッケージ用デバイスに対応さ
せるには接合のループ高さが適切でないため、十分でな
いという問題があることがわかった。
り、接続時に形成される金ボールの形状および硬さを損
なわない程度に、高純度金中に微量の添加元素を加えて
破断強度と耐熱性を向上させた種々のボンディング用金
細線が公表されているのは周知の事実である。本発明者
等は、これら提案された種々の金細線について、具体的
に実用に供し得るものなのか否かについて検討してみた
ところ、これら従来の種々の提案はいずれもが、近年急
速に普及しつつある薄型パッケージ用デバイスに対応さ
せるには接合のループ高さが適切でないため、十分でな
いという問題があることがわかった。
【０００５】この検討の結果をもとにして本発明者達は
鋭意研究を重ねた結果、イットリウム、カルシウム、ベ
リリウム、鉛の各元素を含有して成る金合金において、
それぞれの元素の割合がイットリウム：カルシウム：ベ
リリウム：鉛＝１：０．５〜２．０：０．１〜１．０：
０．１〜１．０の範囲内にあり、且つ、イットリウムの
最小量が５重量ppｍ以上であって、それぞれの元素の総
量が８０重量ppｍ以下とすることによって、接合のルー
プ高さを顕著に低くできることを見いだして、本発明を
するに至った。
鋭意研究を重ねた結果、イットリウム、カルシウム、ベ
リリウム、鉛の各元素を含有して成る金合金において、
それぞれの元素の割合がイットリウム：カルシウム：ベ
リリウム：鉛＝１：０．５〜２．０：０．１〜１．０：
０．１〜１．０の範囲内にあり、且つ、イットリウムの
最小量が５重量ppｍ以上であって、それぞれの元素の総
量が８０重量ppｍ以下とすることによって、接合のルー
プ高さを顕著に低くできることを見いだして、本発明を
するに至った。
【０００６】従って、本発明の第１の目的は、接合のル
ープ高さを低くでき、薄型パッケージ用デバイスのボン
ディング線として採用する場合、これに十分対応できる
半導体素子用金合金を提供することにある。
ープ高さを低くでき、薄型パッケージ用デバイスのボン
ディング線として採用する場合、これに十分対応できる
半導体素子用金合金を提供することにある。
【０００７】また、第２の目的は、接合のループ高さを
顕著に低くでき、薄型パッケージ用デバイスのボンディ
ング線として採用する場合、実用上これに十二分に対応
できる半導体素子用金合金を提供することにある。
顕著に低くでき、薄型パッケージ用デバイスのボンディ
ング線として採用する場合、実用上これに十二分に対応
できる半導体素子用金合金を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は次の２つの手段を採用している。第１の
手段は、イットリウム、カルシウム、ベリリウム、鉛の
各元素を含有して成る金合金において、それぞれの元素
の割合がイットリウム：カルシウム：ベリリウム：鉛＝
１：０．５〜２．０：０．１〜１．０：０．１〜１．０
の範囲内にあり、且つ、イットリウムの最小量が５重量
ppｍ以上であって、それぞれの元素の総量が８０重量pp
ｍ以下で、残部が不可避不純物と金であることを特徴と
するものである。
めに、本発明は次の２つの手段を採用している。第１の
手段は、イットリウム、カルシウム、ベリリウム、鉛の
各元素を含有して成る金合金において、それぞれの元素
の割合がイットリウム：カルシウム：ベリリウム：鉛＝
１：０．５〜２．０：０．１〜１．０：０．１〜１．０
の範囲内にあり、且つ、イットリウムの最小量が５重量
ppｍ以上であって、それぞれの元素の総量が８０重量pp
ｍ以下で、残部が不可避不純物と金であることを特徴と
するものである。
【０００９】また、第２の手段は、イットリウム、カル
シウム、ベリリウム、鉛の各元素を含有して成る金合金
において、それぞれの元素の割合がイットリウム：カル
シウム：ベリリウム：鉛＝１：０．７〜１．５：０．２
〜０．６：０．１〜０．５の範囲内にあり、且つ、イッ
トリウムが１０〜３０重量ppｍであって、それぞれの元
素の総量が２０〜６０重量ppｍで、残部が不可避不純物
と金であることを特徴とする。
シウム、ベリリウム、鉛の各元素を含有して成る金合金
において、それぞれの元素の割合がイットリウム：カル
シウム：ベリリウム：鉛＝１：０．７〜１．５：０．２
〜０．６：０．１〜０．５の範囲内にあり、且つ、イッ
トリウムが１０〜３０重量ppｍであって、それぞれの元
素の総量が２０〜６０重量ppｍで、残部が不可避不純物
と金であることを特徴とする。
【００１０】イットリウムの添加量が５重量ppｍ以下で
あるときは、耐熱性が向上せず、封止樹脂の影響を受け
てワイヤフローを呈し、且つ、ループ高さにバラツキが
生じ不安定な接合となるので、最小量は５重量ppｍ以上
と定めた。尚、好ましくは、１０〜３０重量ppｍであ
る。
あるときは、耐熱性が向上せず、封止樹脂の影響を受け
てワイヤフローを呈し、且つ、ループ高さにバラツキが
生じ不安定な接合となるので、最小量は５重量ppｍ以上
と定めた。尚、好ましくは、１０〜３０重量ppｍであ
る。
【００１１】イットリウムに対するカルシウムの添加配
合比率が０．５未満であるときは、イットリウムとベリ
リウムとの相乗作用に欠け、耐熱性が不安定となり、ル
ープ高さにバラツキを生じ、僅かながらワイヤフローを
呈する。逆に、２．０を超えるとボール表面に酸化皮膜
が形成され、ボール形状に歪みを生じ、且つカルシウム
が金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工に支障
を起こす。従って、添加配合比率の範囲は０．５〜２．
０と定めた。尚、好ましい範囲は、０．８〜１．５であ
る。
合比率が０．５未満であるときは、イットリウムとベリ
リウムとの相乗作用に欠け、耐熱性が不安定となり、ル
ープ高さにバラツキを生じ、僅かながらワイヤフローを
呈する。逆に、２．０を超えるとボール表面に酸化皮膜
が形成され、ボール形状に歪みを生じ、且つカルシウム
が金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工に支障
を起こす。従って、添加配合比率の範囲は０．５〜２．
０と定めた。尚、好ましい範囲は、０．８〜１．５であ
る。
【００１２】ベリリウムのイットリウムやカルシウムに
対する添加配合比率が０．１未満であるときは、常温の
機械的強度をより向上できない。逆に１．０を越える
と、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪
みを生じ、且つ、ベリリウムが金の結晶粒界に析出して
脆性を生じ、伸線加工に支障を起こす。従って、添加配
合比率の範囲は０．１〜１．０と定めた。尚、好ましい
範囲は、０．２〜０．６である。
対する添加配合比率が０．１未満であるときは、常温の
機械的強度をより向上できない。逆に１．０を越える
と、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪
みを生じ、且つ、ベリリウムが金の結晶粒界に析出して
脆性を生じ、伸線加工に支障を起こす。従って、添加配
合比率の範囲は０．１〜１．０と定めた。尚、好ましい
範囲は、０．２〜０．６である。
【００１３】鉛のイットリウムやカルシウム更にはベリ
リウムに対する配合比率が０．１未満であるときは、効
果を生じない。逆に配合比率が高くなる程、常温強度、
高温強度ともに高くなるが、１．０を越えるとボール形
状に歪みを生じ、真球度が悪くなるので１．０以下と
し、添加配合比率の範囲は０．１〜１．０と定めた。
尚、好ましい範囲は、０．１〜０．５である。
リウムに対する配合比率が０．１未満であるときは、効
果を生じない。逆に配合比率が高くなる程、常温強度、
高温強度ともに高くなるが、１．０を越えるとボール形
状に歪みを生じ、真球度が悪くなるので１．０以下と
し、添加配合比率の範囲は０．１〜１．０と定めた。
尚、好ましい範囲は、０．１〜０．５である。
【００１４】そして、それぞれの元素の総量は、８０重
量ppｍ以下である。８０重量ppm を越えると、ボール表
面に形成された添加物元素の酸化皮膜がボール形状に影
響（引け巣の発生）を与え、真球にならないことにな
る。尚、好ましい範囲は、２０〜６０重量ppｍである。
量ppｍ以下である。８０重量ppm を越えると、ボール表
面に形成された添加物元素の酸化皮膜がボール形状に影
響（引け巣の発生）を与え、真球にならないことにな
る。尚、好ましい範囲は、２０〜６０重量ppｍである。
【００１５】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が9
9.99 重量％以上の電解金を用いて、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２５μ
ｍφの金合金細線とし、焼鈍して伸び値が４％になるよ
うに調質する。
9.99 重量％以上の電解金を用いて、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２５μ
ｍφの金合金細線とし、焼鈍して伸び値が４％になるよ
うに調質する。
【００１６】
【表１】
【００１７】得られた金合金細線について、常温引張強
度、高温引張強度（２５０°、２０秒保持）、接合のル
ープ高さ、モールド時のワイヤフロー及びボール形状を
調べた結果を表２に示す。
度、高温引張強度（２５０°、２０秒保持）、接合のル
ープ高さ、モールド時のワイヤフロー及びボール形状を
調べた結果を表２に示す。
【００１８】
【表２】
【００１９】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、形成されるループ頂高とチップの電極面とを光
学顕微鏡で観察してその高さを測定する。
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、形成されるループ頂高とチップの電極面とを光
学顕微鏡で観察してその高さを測定する。
【００２０】 ワイヤフローは、高速自動ボンダーで半
導体素子上の電極と外部リードとを接合し、薄型モール
ドの金型内にセットして封止用樹脂を注入した後、得ら
れたパッケージをＸ線で観察し、封止用樹脂によるボン
ディング線の歪み、即ち、直線接合からの最大湾曲距離
ｈと接合スパン距離１とを測定し、歪値（ｈ／１×１０
０）からワイヤフローの良否を評価した。 ○印：歪値３％未満（薄型パッケージに適合する） △印：歪値３％〜１０％ ×印：歪値１１％以上
導体素子上の電極と外部リードとを接合し、薄型モール
ドの金型内にセットして封止用樹脂を注入した後、得ら
れたパッケージをＸ線で観察し、封止用樹脂によるボン
ディング線の歪み、即ち、直線接合からの最大湾曲距離
ｈと接合スパン距離１とを測定し、歪値（ｈ／１×１０
０）からワイヤフローの良否を評価した。 ○印：歪値３％未満（薄型パッケージに適合する） △印：歪値３％〜１０％ ×印：歪値１１％以上
【００２１】ボール形状は、高速自動ボンダーを使用
し、電気トーチ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、その外観、真球度、引け巣の３
つの観点から評価した。
し、電気トーチ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、その外観、真球度、引け巣の３
つの観点から評価した。
【００２２】まず、外観については、ボール表面に酸化
物が生じる状態によって良否の判断を行った。 ○印：ボール表面が滑らか △印：ボール表面に微かに酸化物が認められる ×印：ボール表面に明らかに酸化物が認められる
物が生じる状態によって良否の判断を行った。 ○印：ボール表面が滑らか △印：ボール表面に微かに酸化物が認められる ×印：ボール表面に明らかに酸化物が認められる
【００２３】次に、真球度については、線径の約３倍
（７５μｍφ）のボールを作製した時の長径（μｍ）と
短径（μｍ）との差によって良否の判断を行った。 ○印：３μｍ以下 △印：３〜６μｍ ×印：６μｍ以上
（７５μｍφ）のボールを作製した時の長径（μｍ）と
短径（μｍ）との差によって良否の判断を行った。 ○印：３μｍ以下 △印：３〜６μｍ ×印：６μｍ以上
【００２４】最後に引け巣については、ボール底部に収
縮孔、所謂引け巣と言われる現象、の発生状況によって
良否の判断を行った。 ○印：全く認められない △印：僅かに認められる ×印：ハッキリと認められる
縮孔、所謂引け巣と言われる現象、の発生状況によって
良否の判断を行った。 ○印：全く認められない △印：僅かに認められる ×印：ハッキリと認められる
【００２５】結果から理解されるように、本発明に係る
実施例４〜１０は、イットリウム、カルシウム、ベリリ
ウム、鉛の各元素の配合比率並びに各元素の総量、更に
は不可避不純物の添加量が理想的であるため、耐熱性が
良好で、常温及び高温強度が高く、接合のループ高さを
低く形成することができ、封止樹脂によるワイヤフロー
の影響も無視することができ、且つボール形状も良好で
あるため信頼性のある接合が可能となった。また、実施
例１は元素の総量が好ましい範囲をやゝ下回っていて、
ロープ高さが前記実施例４〜１０に比べてはやゝ高めに
なって歪値が３〜１０％となったが、実用上特に不都合
はなかった。また、実施例２，３並びに１１は元素の総
量が好ましい範囲をやゝ上回っていて、長径と短径との
差が３〜６μｍとなり、また引け巣は僅かに認められた
が、実用上特に不都合はなかった。 この結果から、表
１に示された実施例１〜１１の範囲内であれば実用上特
段の不都合はないと判断される。只、好ましくは実施例
４〜１０の範囲内である場合には、本発明の所期の目的
が理想的に達成される。
実施例４〜１０は、イットリウム、カルシウム、ベリリ
ウム、鉛の各元素の配合比率並びに各元素の総量、更に
は不可避不純物の添加量が理想的であるため、耐熱性が
良好で、常温及び高温強度が高く、接合のループ高さを
低く形成することができ、封止樹脂によるワイヤフロー
の影響も無視することができ、且つボール形状も良好で
あるため信頼性のある接合が可能となった。また、実施
例１は元素の総量が好ましい範囲をやゝ下回っていて、
ロープ高さが前記実施例４〜１０に比べてはやゝ高めに
なって歪値が３〜１０％となったが、実用上特に不都合
はなかった。また、実施例２，３並びに１１は元素の総
量が好ましい範囲をやゝ上回っていて、長径と短径との
差が３〜６μｍとなり、また引け巣は僅かに認められた
が、実用上特に不都合はなかった。 この結果から、表
１に示された実施例１〜１１の範囲内であれば実用上特
段の不都合はないと判断される。只、好ましくは実施例
４〜１０の範囲内である場合には、本発明の所期の目的
が理想的に達成される。
【００２６】以上の本発明に対して、比較例１は元素の
総量が５．１で極端に少なく、ループ高さが格段に高く
なりワイヤフローを生じ、実用に供しえなかった。ま
た、比較例２〜３はいずれも元素の総量が許容限度を超
え、また比較例３は更に加えてベリリウムと鉛の配合比
率が許容限度を大きく逸脱しているために、いずれにし
てもボール形状が好ましくなく、実用に供しえなかっ
た。
総量が５．１で極端に少なく、ループ高さが格段に高く
なりワイヤフローを生じ、実用に供しえなかった。ま
た、比較例２〜３はいずれも元素の総量が許容限度を超
え、また比較例３は更に加えてベリリウムと鉛の配合比
率が許容限度を大きく逸脱しているために、いずれにし
てもボール形状が好ましくなく、実用に供しえなかっ
た。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本第１発明に係る
半導体素子用金合金は、常温及び高温引張強度が共に優
れ、接合のループ高さを低く形成でき、封止樹脂による
ワイヤフローも少なく、高速自動ボンダーに十分対応で
きると共に、形成されるボール形状もほぼ満足のできる
真球であるので、特に薄形パッケージ用デバイスのボン
ディング線として採用する場合は、信頼性が高く、実用
に十分に供し得、産業利用上多大な価値を有する。
半導体素子用金合金は、常温及び高温引張強度が共に優
れ、接合のループ高さを低く形成でき、封止樹脂による
ワイヤフローも少なく、高速自動ボンダーに十分対応で
きると共に、形成されるボール形状もほぼ満足のできる
真球であるので、特に薄形パッケージ用デバイスのボン
ディング線として採用する場合は、信頼性が高く、実用
に十分に供し得、産業利用上多大な価値を有する。
【００２８】また、本第２発明に係る半導体素子用金合
金は、常温及び高温引張強度が共に格段に優れ、接合の
ループ高さを著しく低く形成でき、封止樹脂によるワイ
ヤフローもなく、高速自動ボンダーに十二分に対応でき
ると共に、形成されるボール形状も満足のできる真球で
あるので、特に薄形パッケージ用デバイスのボンディン
グ線として採用する場合は、信頼性が高く、実用に十二
分に供し得、産業利用上多大な価値を有する。
金は、常温及び高温引張強度が共に格段に優れ、接合の
ループ高さを著しく低く形成でき、封止樹脂によるワイ
ヤフローもなく、高速自動ボンダーに十二分に対応でき
ると共に、形成されるボール形状も満足のできる真球で
あるので、特に薄形パッケージ用デバイスのボンディン
グ線として採用する場合は、信頼性が高く、実用に十二
分に供し得、産業利用上多大な価値を有する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−10634（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−110735（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−145729（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−219249（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257129（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60
Claims (2)
- 【請求項１】 イットリウム、カルシウム、ベリリウ
ム、鉛の各元素を含有して成る金合金において、それぞ
れの元素の割合がイットリウム：カルシウム：ベリリウ
ム：鉛＝１：０．５〜２．０：０．１〜１．０：０．１
〜１．０の範囲内にあり、且つ、イットリウムの最小量
が５重量ppｍ以上であって、それぞれの元素の総量が８
０重量ppｍ以下で、残部が不可避不純物と金であること
を特徴とする半導体素子用金合金。 - 【請求項２】 イットリウム、カルシウム、ベリリウ
ム、鉛の各元素を含有して成る金合金において、それぞ
れの元素の割合がイットリウム：カルシウム：ベリリウ
ム：鉛＝１：０．７〜１．５：０．２〜０．６：０．１
〜０．５の範囲内にあり、且つ、イットリウムが１０〜
３０重量ppｍであって、それぞれの元素の総量が２０〜
６０重量ppｍで、残部が不可避不純物と金であることを
特徴とする半導体素子用金合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02191994A JP3346871B2 (ja) | 1993-03-31 | 1994-01-21 | 半導体素子用金合金 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-98882 | 1993-03-31 | ||
| JP9888293 | 1993-03-31 | ||
| JP02191994A JP3346871B2 (ja) | 1993-03-31 | 1994-01-21 | 半導体素子用金合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06338532A JPH06338532A (ja) | 1994-12-06 |
| JP3346871B2 true JP3346871B2 (ja) | 2002-11-18 |
Family
ID=26359065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02191994A Expired - Fee Related JP3346871B2 (ja) | 1993-03-31 | 1994-01-21 | 半導体素子用金合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3346871B2 (ja) |
-
1994
- 1994-01-21 JP JP02191994A patent/JP3346871B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06338532A (ja) | 1994-12-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |