JP3367544B2 - ボンディング用金合金細線及びその製造方法 - Google Patents

ボンディング用金合金細線及びその製造方法

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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、半導体チップの電
極と外部リードを配線（接続）するために使用するボン
ディグ用金合金細線に関し、さらに詳しくは、半導体装
置の高密度実装用として有用な半導体チップボンディン
グ用金合金細線及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体チップの電極と外部リード
を配線するために、高純度金に１〜１００重量ｐｐｍの
微量元素を含有させた直径２５〜５０μｍの金合金細線
が用いられている。該細線を用いて半導体チップと外部
リードを配線する際、前記細線と半導体チップ電極の接
続は細線の先端を放電により加熱、溶融してボールを形
成し、該ボールを前記電極に圧着する方法、所謂ボール
ボンディング方法が用いられている。
【０００３】ところで、近年においては半導体装置のよ
り一層の小型化、高密度化が行われ、これに伴う半導体
チップの電極数の増加のため電極の面積を小さくするこ
とが要求されるが、前記ボールボンディング法では細線
直径に対応したボール直径（細線直径の２倍前後）とな
るため、電極の面積を小さくして電極数の増加を図るこ
とに限界が生じている。この問題を解決するために、ボ
ール直径を小さくするべく単に細線を従来より細くして
対応した場合、線径が小さいために細線の強度が低下し
配線時及び半導体装置使用中の断線の割合が高く、実用
に供し得ない。
【０００４】このため特開平６−３１０５５７号には、
Ａｕ合金を芯材とし、被覆金属としてＡｕあるいは芯材
より合金成分の含有量の少ないＡｕ合金を用いて被覆し
た、所謂クラッド材を用いた細線が、線径１０〜２０μ
ｍとしながらその強度を高くすることが出来ると提案さ
れている。しかし乍ら、異種材質をクラッドした前記細
線は、２００℃程度の高温状態に長時間放置した後の特
性の劣化に問題があり、とりわけ接合強度が劣化してく
るという問題がある。
【０００５】一方、前記要求に対応するため特開平６−
１１２２５１号には、ＰｄやＰｔを５重量％までＡｕに
含有させることにより、金合金細線の高強度化を図ると
共に、２００℃程度の高温状態に長時間放置した後の接
合強度の劣化を低く抑え得ることが開示されている。し
かし乍ら該細線をボンディングワイヤとして用いた場
合、前記の如く高強度化、並びに、高温状態に長時間放
置した後のボールと半導体チップ電極との接合強度の劣
化の抑制に対しては効果があるものの、前記組成合金は
高強度化合金である反面、振動を受けた時に断線する割
合が多いという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ＩＣチッ
プ等の半導体チップの電極と外部リードを金合金細線で
配線する際、最近の半導体装置の小型化、高密度化のた
めに半導体チップの電極の面積が小さくなった場合、金
合金細線の直径を小さくして対応する必要がある。本発
明は、金合金細線の直径を従来より小さくしても高い強
度を有して配線時及び使用中の断線の割合を少なくする
ことが出来、しかも高温状態に長時間放置した後のボー
ルと半導体チップ電極との接合強度の劣化が小さく、且
つ振動を受けた時の断線を抑制することが出来る、半導
体装置の小型化，高密度化に極めて有用な半導体チップ
ボンディング用金合金細線及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等は鋭意検討を
行った結果、ＡｕにＰｄ，Ｐｔ等を所定量含有させた特
定の合金組成とし、且つその金合金を溶解鋳造して得た
インゴットを圧延、伸線加工、焼鈍を施して、焼鈍後の
伸び率が３〜８％であり且つヤング率の高い金合金細線
とすることが上記課題に対して効果的であることを知見
し、さらに前記特定の合金組成において鋳造時のインゴ
ットにチル層が生成することを抑制し、該インゴットに
圧延、伸線加工、焼鈍を施すことにより、焼鈍後の伸び
率が通常のボンディング用金合金細線として必要な３〜
８％であるにもかかわらずヤング率の高い金合金細線が
得られることを見出し、本発明に至った。
【０００８】すなわち本発明の半導体チップボンディン
グ用金合金細線は、高純度金にＰｄを０．１〜２．２重
量％含有し、更にＢｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕの
うち少なくとも１種を０．０００１〜０．００５重量％
含有し、更に伸び率が３〜８％、ヤング率が６８００〜
９０００Kgf/mm２であることを特徴とする。
【０００９】また本発明の半導体チップボンディング用
金合金細線の製造方法は、高純度金にＰｔ，Ｐｄのうち
少なくとも１種を０．１〜２．２重量％含有し、更にＢ
ｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕのうち少なくとも１種
を０．０００１〜０．００５重量％含有する金合金を溶
解鋳造し、得られたインゴットに粗加工、伸線加工、焼
鈍処理を施して伸び率が３〜８％、ヤング率が６８００
〜９０００Kgf/mm2 の金合金細線を製造する方法であっ
て、前記溶解鋳造方法が、溶解した金合金をルツボの下
端から上端に向けてルツボ内で冷却することを特徴とす
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明の半導体チップボンディング用金合金細線
は、純度９９．９９重量％以上の高純度金に、Ｐｄ、Ｂ
ｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕを上記規定量含有せし
めた合金組成とし、且つ伸び率が３〜８％、ヤング率が
６８００〜９０００Kgf/mm２とすることが必要である。
【００１１】Ｐｄ、Ｂｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕ
の含有量を上記の構成にすることにより、Ｐｄと、Ｂ
ｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕの内少なくとも１種と
の相乗効果により、金合金細線の破断強度が向上すると
同時に、高温状態に長時間放置した後のボールと半導体
チップ電極との接合強度の劣化が抑制出来る。前記接合
強度の劣化の抑制は、ボールの組成である前記金合金と
半導体チップ電極のＡｌの相互拡散が適度になされ、該
接合強度の劣化が抑制されると考えられる。
【００１２】Ｐｄが２．２重量％を超えて含有される
と、ボールボンディングの際、半導体チップに割れが生
じ易くなると共に、振動を受けた時の破断率が高くな
る。また、Ｐｄの含有量が０．１重量％未満の場合、本
発明のような２０Kgf/mm２以上という優れた破断強度及
び高温状態に長時間放置した後の前記接合強度が得られ
ない。このためＰｄを０．１〜２．２重量％含有させる
必要がある。
【００１３】前記規定量のＰｄに加えて添加するＢｅ，
Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕのうち少なくとも１種が
０．００５重量％を超えて含有されると、ボールボンデ
ィングの際に半導体チップに割れが生じ易くなる。また
前記Ｂｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕのうち少なくと
も１種の含有量が０．０００１重量％未満の場合、本発
明のような２０Kgf/mm２以上という優れた破断強度が得
られない。このため、前記規定量のＰｄに加えて、Ｂ
ｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕのうち少なくとも１種
を０．０００１〜０．００５重量％含有させる必要があ
る。
【００１４】次に、上記合金組成で焼鈍後の伸び率が３
〜８％であり、且つヤング率の高い金合金細線を得るた
めの製造工程について説明する。まずその概要について
述べれば、本発明の組成になる金合金を溶解鋳造して得
られたインゴットに、溝ロール圧延等の粗加工を施し、
次いで伸線加工を施して好ましくは直径３〜２４μｍに
加工し、伸び率３〜８％になるように焼鈍処理を施して
金合金細線を製造する。本発明においては、本発明の組
成になる金合金を溶解鋳造してインゴットを得る際、そ
のインゴットにチル層が生成することを抑制し、更に該
インゴットを出発原料とすることにより、焼鈍した後の
伸び率が３〜８％でありながら高いヤング率の金合金細
線が得られ、上記合金組成と高いヤング率を有すること
との相乗効果により、本発明の課題である振動特性に優
れた効果を有するようになる。
【００１５】本発明の組成になる金合金を溶解鋳造して
チル層の生成を抑制したインゴットを得る方法の一例
を、図１を用いて詳述する。図中の符号１は本発明の組
成からなる金合金溶湯、２は円筒状黒鉛ルツボ、３は高
周波加熱コイルを示す。まず、高周波加熱コイル３を用
いて、円筒状黒鉛ルツボ２内で金合金を溶解し、その溶
湯１を得る。次いで、高周波加熱コイル３を該ルツボ２
の下端から所定の速度で上方に移動して、前記ルツボ２
内で溶湯１を凝固させるようにする。前記溶湯１を凝固
させる際の凝固速度として８０mm／分以下、好ましくは
５０mm／分以下にする。このようにして、本発明の組成
になる金合金の溶湯１を、ルツボ２内でルツボ２下端か
ら上端に向けて凝固させることにより、インゴット表面
部にチル層が生成することを抑制出来るようになる。本
発明では前記ルツボ内凝固方式によって得られたインゴ
ットを出発材料とすることで、上記合金組成で焼鈍後の
伸び率が３〜８％であり、且つヤング率の高い金合金細
線を確実且つ比較的容易に得ることができる。
【００１６】これに対して、従来のインゴットを得る方
法である連続鋳造方式を図２を用いて説明する。図中の
符号１は金合金溶湯、４はタンディッシュ、５は黒鉛鋳
型、６は黒鉛鋳型冷却用水冷パイプ、７は凝固したイン
ゴット、矢印はインゴット引抜き方向である。まず、金
合金溶湯１をタンディッシュ４を用いて量を調整しつつ
黒鉛鋳型５に注入する。黒鉛鋳型５は水冷パイプ６を接
触させて冷却されている。このため、前記金合金溶湯１
は黒鉛鋳型５により強制冷却されて凝固し、矢印方向に
引抜かれる。従来、ボンディング用金合金細線の製造に
おいてインゴットを得る方法としては、生産性を考慮
し、早い生産速度が得られる図２の連続鋳造法が一般的
である。該方法は鋳型材質として黒鉛や銅等を用い、３
００mm／分以上の速度で溶湯を凝固させている。このよ
うにすると、溶湯１を鋳型５で強制冷却するためにイン
ゴット表面部にチル層が生成し、これを伸線加工しても
焼鈍した後に高いヤング率の金合金細線が得られない。
【００１７】また、上記したルツボ内凝固方式によって
得られた表面部にチル層の無いインゴットを出発材料と
しても、本発明になる合金組成を採用しない場合は、こ
れを伸線加工しても焼鈍した後に高いヤング率の金合金
細線が得られない。
【００１８】また本発明になる金合金細線は前述のよう
に、通常のボンディング用金合金細線と同様、３〜８％
の伸び率を有するよう焼鈍処理を施して用いるものであ
る。焼鈍処理を施す前は伸び率１〜２％であるが、焼鈍
処理を施すと伸び率３〜８％の金合金細線が得られる。
【００１９】さらに本発明になる金合金細線は、上記組
成の合金を用いて、前記の如くチル層の生成が抑制され
たインゴットを製造し、これを粗加工を施した後、伸線
加工、焼鈍を施して金合金細線とすることで、６８００
〜９０００Kgf/mm2 のヤング率を得る。通常、ボンディ
ング用金合金細線は３〜８％の伸び率になるように焼鈍
して用いられるが、本発明になる合金組成で且つ前記の
様に焼鈍した後もヤング率６８００Kgf/mm2 以上であれ
ば、振動を受けた時の断線する割合を抑制出来るように
なる。また、前記したインゴットの製造方法を用いて
も、焼鈍した後のヤング率が９０００Kgf/mm2 を超える
ことは困難である。このため焼鈍後のヤング率を６８０
０〜９０００Kgf/mm2 と定めた。
【００２０】而して、本発明で用いる合金組成のものが
焼鈍処理を施して伸び率が３〜８％になってもヤング率
が６８００〜９０００Kgf/mm2 という高い値が得られ、
さらに本発明の合金組成で且つ高いヤング率のものが、
前述した破断強度の向上効果及び接合強度の劣化抑制効
果に加えて、振動を受けた時の断線する割合を抑制出来
るようになる理由は明らかではないが、次のように考え
られる。すなわち、本発明になる合金組成のものが焼鈍
処理を施しても高いヤング率を得られる理由としては、
合金組成が破断強度を向上させるものであることに加え
て、チル層の生成が抑制されたインゴットを出発材料と
して用いるようになるため、これらの相乗作用により、
金合金細線の内外面の均一性が向上していることが高い
ヤング率に繋っているものと考えられる。また本発明の
合金組成で高いヤング率のものが、破断強度の向上及び
接合強度の劣化抑制効果に加えて、振動を受けた時の断
線する割合を抑制出来るようになる理由としては、前記
の如く金合金細線の内外面の均一性が向上していること
が、振動にさらされた時、表面部に弱い箇所が発生せず
断線する割合を抑制出来るようになると考えられる。
【００２１】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に
説明する。 （実施例１）９９．９９重量％以上の高純度金に表１に
示す組成となるように合金元素を添加して、図１に示す
円筒状黒鉛ルツボ１中で高周波溶解した後、高周波加熱
コイル３を黒鉛ルツボ２の下端から５０mm／分の速度で
上端に向けて移動して、前記黒鉛ルツボ２の中で金合金
溶湯１を冷却、凝固させてインゴットに鋳造した。該イ
ンゴットにチル層は生成していなかった。該インゴット
を溝ロール圧延した後、直径２０μｍに伸線加工し、伸
び率４％になるように焼鈍を施した金合金細線を製造し
た。該細線のヤング率は表２中に示すように６８００kg
f/mm2 であった。該細線の破断強度、２００℃で２００
０時間放置後の接合部破断率、振動を受けた時の断線率
及びボンディング時のＩＣチップ割れの測定結果を表３
に示す。
【００２２】測定方法は以下の通りとした。 （破断強度）標点間距離１００ｍｍにて引張速度１０mm
／分で引張試験を行った。 （接合部破断率）前記金合金細線を半導体チップ電極で
ある０．８μｍ厚さのＡｌ薄膜上にボールボンディング
した後、２００℃で２０００時間放置した。その後半導
体チップ箇所を固定してワイヤー部分を引っ張る所謂プ
ルテストを行い、破断箇所が接合部と金合金細線部の何
れで生じたかを区分した。１００個の試料について測定
し、破断箇所が接合部である個数を接合部破断率とし
た。 （振動断線率）ＩＣチップ電極と２００ピンのフレーム
を高速自動ボンダーを用いてボンディングしたものを５
枚作製した。この試料をカセットに収納し、カセットを
振動試験機に固定して、周波数５０Ｈｚ、重力加速度
２．５Ｇで１時間振動を与えた後に接合部の断線状況を
光学顕微鏡にて検査を行い、断線本数の割合を振動断線
率とした。 （ＩＣチップ割れ）前記金合金細線を高速自動ボンダー
を用いてＩＣチップ電極にボンディングしたものを光学
顕微鏡にて観察し、ＩＣチップ割れの有無を確認した。
【００２３】（実施例２〜１８／比較例１〜５）合金元
素の添加量、インゴットの冷却速度、細線線径、焼鈍後
の伸び率、ヤング率を表１〜表２記載の様にしたこと以
外は実施例１と同様にして試験を行った。その測定結果
を表３に示す。
【００２４】（比較例６〜１１）合金元素の添加量、ヤ
ング率を表１〜表２記載の様にしたこと、及び黒鉛ルツ
ボ中で溶解、凝固させるルツボ内凝固方式に代えて、従
来用いられている水冷パイプを接触させて冷却された黒
鉛鋳型を用いて引抜き速度を３００mm／分とした連鋳方
式によりインゴットを鋳造したこと以外は実施例１と同
様にして試験を行った。引抜き速度を凝固速度として表
２中に表示した。該インゴットはチル層が生成したイン
ゴットであった。測定結果を表３に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】以上の測定結果から、本発明になる合金組
成で、且つ焼鈍後の伸び率が３〜８％であると共にヤン
グ率が６８００〜９０００Kgf/mm2 である実施例１〜１
８の金合金細線は、従来より線径を小さくしても、破断
強度、高温で長時間放置後の接合部破断率、振動破断
率、ボンディング時のＩＣチップ割れの全ての点で従来
のボンディング用金合金細線と同等若しくはそれ以上の
効果を示し、本発明の課題を達成し得ることが確認でき
た。
【００２９】これに対し、合金組成及びヤング率が本発
明の範囲から外れる比較例１〜３は、破断強度及び高温
放置後の接合信頼性の点で上記実施例より劣り、またヤ
ング率が本発明の範囲内であっても合金組成が本発明か
ら外れる比較例４〜５は振動破断率及びＩＣチップ割れ
の点で上記実施例より劣り、さらに合金組成が本発明の
範囲内であってもヤング率が外れる比較例６〜１１は振
動破断率の点で上記実施例に劣り、夫々本発明の課題を
満足し得ないことが確認できた。
【００３０】また、本発明実施例と比較例１〜５との対
比から、上述したルツボ内凝固方式によって得られた表
面部にチル層の無いインゴットを出発材料としても、本
発明になる合金組成を採用しない場合は、これを伸線加
工しても焼鈍した後に高いヤング率の金合金細線が得ら
れず、本発明の課題を満足し得ないことが確認できた。
【００３１】さらに、実施例１〜３と比較例６〜８、実
施例４〜６と比較例９〜１１の対比から、溶解した金合
金溶湯をルツボ内で下端から上端に向けて冷却してイン
ゴットを鋳造するルツボ内凝固方式を採用する本発明実
施例が、本発明の合金組成を有し且つ焼鈍後の伸び率が
３〜８％で高いヤング率を有する金合金細線を確実且つ
比較的容易に製造することが出来る方法であることが確
認出来た。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
に係る半導体チップボンディング用金合金細線は、高純
度金にＰｄ、Ｂｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕを規定
量含有した合金組成であって、且つ伸び率が３〜８％、
ヤング率が６８００〜９０００Kgf/mm２である新規な構
成としたので、前記合金組成と高いヤング率を有するこ
ととの相乗効果により、所定の強度を有するため線径を
小さくしても配線時及び使用中の断線の割合を少なくす
ることが出来、しかも高温状態に長時間放置した後のボ
ールと半導体チップ電極との接合強度の劣化が小さく、
且つ振動を受けた時の断線を抑制することが出来る。従
って、線径を従来のボンディング用金合金細線より小さ
くしても従来と同等若しくはそれ以上の信頼性を有する
ので、面積を小さくした半導体チップの電極と外部リー
ドを配線する際に好適に用いることができ、半導体装置
の小型化、高密度化の促進に極めて有用である。
【００３３】また本発明の請求項２に係る半導体チップ
ボンディング用金合金細線の製造方法は、高純度金にＰ
ｔ，Ｐｄ、Ｂｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕを規定量
含有した金合金を出発原料とし、該金合金を溶解した溶
湯をルツボ内でルツボ下端から上端に向けて冷却するこ
とでインゴットを鋳造し、該インゴットに粗加工、伸線
加工、焼鈍処理を施して伸び率３〜８％、ヤング率６８
００〜９０００Kgf/mm 2 の金合金細線を得る新規な方法
としたので、前記金合金の鋳造時のインゴットにチル層
が生成することを抑制して、焼鈍後の伸び率が３〜８％
であって且つ高いヤング率を有する金合金細線を確実且
つ比較的容易に製造することが出来る。従って、請求項
１に係る新規なボンディング用金合金細線を確実且つ低
コストで得ることが出来る製造方法として好適に用いら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボンディング用金合金細線のイン
ゴットを得る方法の一例を示す簡略図。
【図２】従来から一般に用いられるボンディング用金合
金細線のインゴットを得る方法を示す簡略図。
【符号の説明】
１：金合金溶湯 ２：円筒状黒鉛ルツボ ３：高周波加熱コイル ４：タンディッシュ ５：黒鉛鋳型 ６：水冷パイプ ７：インゴット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−112254（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335684（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335686（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−49534（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 C22C 5/02

Claims (2)

    (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０．１
    〜２．２重量％含有し、更にＢｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，
    Ｙ，Ｅｕのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０
    ０５重量％含有し、更に伸び率が３〜８％、ヤング率が
    ６８００〜９０００Kgf/mm２であることを特徴とする半
    導体チップボンディング用金合金細線。
  2. 【請求項２】 高純度金に白金（Ｐｔ）、パラジウム
    （Ｐｄ）のうち少なくとも１種を０．１〜２．２重量％
    含有し、更にＢｅ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌａ，Ｙ，Ｅｕのうち
    少なくとも１種を０．０００１〜０．００５重量％含有
    する金合金を溶解鋳造して得られたインゴットに粗加
    工、伸線加工、焼鈍処理を施して金合金細線を製造する
    方法において、前記溶解鋳造方法が、溶解した金合金を
    ルツボの下端から上端に向けてルツボ内で冷却すること
    を特徴とする伸び率が３〜８％、ヤング率が６８００〜
    ９０００Kgf/mm2 である半導体チップボンディング用金
    合金細線の製造方法。
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