JP3426397B2 - 半導体素子用金合金細線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子上の電極と
外部リードを電気的接続するためのボンディングに使用
される半導体素子用金合金細線に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在半導体素子上の回路配線電極と外部
リードとの間の電気的接続としては、ワイヤボンディン
グ方式が主として使用されている。最近、半導体の高集
積化、多機能化が進み、さらにＩＣチップの小型化、薄
型化の要求も高まる中で、半導体実装の高密度化に対す
るニーズが高まっている。端子数が増加する多ピン化を
実現するためには、インナーリード部がシリコンチップ
に対して後退するため、ワイヤの接合間（スパン）が長
くなる傾向にある。スパンが５ｍｍ以上のロングスパン
になると、直線性の確保、ばらつきの低減などループ形
状を厳密に制御することが必要である。また、多ピン化
に伴い、電極間隔が減少する狭ピッチ化が要求され、ワ
イヤ間の最小ピッチが１００μｍ以下のものまで所望さ
れており、ワイヤも細線化が望まれている。こうした多
ピン化、狭ピッチ化を達成するために、ボンディング装
置の改善、ルーピング性に優れたワイヤの開発などが進
められている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体実装の高密度化
において、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に対応するた
めには、樹脂封止時のワイヤ流れを抑えることが大きな
課題となる。粘性の高いエポキシ樹脂による封止時に、
ワイヤが変形して流れることに起因して、隣接ワイヤ間
の接触や、ワイヤとチップまたはインナーリード部との
接触などに伴う不良が発生するものである。狭ピッチ化
の実現のためにワイヤを細線化すると、強度が低下し
て、ワイヤの樹脂流れの問題はより一層深刻となる。こ
の狭ピッチ化のためにはボール径も小さくしなくてはな
らず、ボール部の接合性の低下を抑えることも重要であ
る。

【０００４】本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減
して、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応できる、
高密度実装に適した半導体素子用金合金細線を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の点に鑑み、樹脂流
れ（封止後のワイヤ流れ）を低減し得るボンディングワ
イヤを提供すべく、本発明の要旨とするところは、Ｐ
ｔ：０．０４〜０．０６重量％を含有し、さらにＹ、Ｃ
ａ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００
４〜０．０６重量％含有し、残部は金とその不可避不純
物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細線に
ある。

【０００６】さらに、本発明の他の要旨とするところ
は、金ボール部と電極部との接合性の向上を図るべく、
前記の元素に加えて、Ａｌ、Ｉｎの１種または２種を適
宜含有することを特徴とする以下の３種類の半導体素子
用金合金細線にある。（１）Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃａ、Ｌ
ａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００４〜
０．０６重量％含有し、さらにＡｌを０．０００５〜
０．０５重量％の範囲で含有し、残部は金とその不可避
不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細
線。 （２）Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃａ、Ｌ
ａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００４〜
０．０６重量％含有し、さらにＡｌとＩｎの２種を総計
で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部
は金とその不可避不純物からなることを特徴とする半導
体素子用金合金細線。 （３）Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃａ、Ｌ
ａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００４〜
０．０６重量％、Ｉｎを０．０００５〜０．０５重量％
の範囲で含有し、さらにＹ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｉｎを
総計で０．０１８〜０．１１重量％含有し、残部は金と
その不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子
用金合金細線。

【０００７】

【作用】以下に、本発明の金合金細線の構成についてさ
らに説明する。半導体実装における樹脂封止工程では、
１５０〜２００℃の範囲に加熱されたモールド金型中に
粘性の高い熱硬化性樹脂が高速で金型に注入されること
により、ワイヤは変形する。このワイヤの樹脂流れ性に
対しては、ワイヤの機械的特性、特に高温特性が支配的
であることが判明した。さらにロングスパンにおけるワ
イヤの樹脂流れ性を低減するためには、封止前のループ
曲がりを抑え、直線性を高めることも重要である。

【０００８】所定範囲量の貴金属元素（Ｐｄ，Ｐｄ，Ｒ
ｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ）を添加する金合金細線として、
特開平６−１１２２５１号公報に開示されているが、Ｐ
ｔの単独添加では、常温での強度を上昇させ、ループの
直線性には有効であるが、高温特性に対する効果は小さ
く、ワイヤの樹脂耐流れ性が十分でないためロングスパ
ン用途としての特性を満足するものではない。そこで
Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅをさらに含有せしめることによ
り、高温での変形抵抗を高め、弾性率の増加および塑性
変形の抑制により、ワイヤの樹脂耐流れ性が向上するこ
とを見出した。Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅは、いずれもＡｕ
中の固溶度は低い元素であり、Ａｕ中に固溶しているＰ
ｔと合金形成などの相互作用を及ぼし合うことにより、
高温特性を発現しているものと考えられる。

【０００９】ここで、Ｐｔの添加量を上記範囲と定めた
のは、０．０４重量％未満では上記効果が小さく、一方
１．５重量％超では、伸線時の加工強度の増加が著しく
なるため、ワイヤ製造時に伸線ダイスの摩耗が激しくな
り、この対策には中間焼鈍で対応できるものの、工程が
複雑化するという問題点があるからである。Ｐｔの含有
量としては、０．０５〜０．０６重量％の範囲がさらに
好ましい。その理由は、０．０５重量％を超えると強度
増加の効果が顕著であり、かつ０．０６重量％以下であ
れば中間焼鈍なしでも十分伸線できるからである。

【００１０】また、Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの総含有量を
上記の範囲に規定したのは、０．００４重量％未満で
は、十分な高温特性が得られず、０．０６重量％超で
は、ボール形成時に、ボール先端部に引け巣が生成した
り、真球性が低下するなどの不良が発生するためであ
る。Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの元素添加のみでは、これら
元素の単体または総計の濃度が０．０２重量％を超える
とボール形成不良が認められるのに、Ｐｔを複合添加す
ることにより、不良発生までの限界濃度が０．０６重量
％まで上昇しており、前述した元素同士の相乗効果が働
いているものと思われる。さらに好ましくは、Ｙ、Ｃ
ａ、Ｌａ、Ｃｅの総含有量を０．００５〜０．０５重量
％とするのが有利であり、これは０．００５重量％超で
耐流れ性のより一層の向上がはかれ、０．０５重量％超
ではボール表面の酸化膜生成による接合性の低下が懸念
されるためである。

【００１１】さらに、Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％
と、Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの１種以上：０．００４〜
０．０６重量％の添加に加えて、Ａｌ、Ｉｎの１種また
は２種を総計０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含
有させると、Ａｕボール部とＡｌ電極部との界面におい
て金属間化合物の成長が促進されるため、接合強度が上
昇する。Ａｌ、Ｉｎの１種または２種の総計添加量が
０．０００５重量％未満では効果は小さく、０．０５重
量％超ではボール表面に酸化膜が形成されて逆に接合性
が低下するため、含有濃度は上記範囲と規定した。

【００１２】

【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が約
９９．９９５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溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧
延および伸線により、最終線径が２５μｍの金合金細線
とした後に、大気中で連続焼鈍して伸びを調整した。

【００１３】ワイヤボンディングに使用される高速自動
ボンダーを使用して、アーク放電によりワイヤ先端に作
製した金合金ボールを走査型電子顕微鏡で観察し、ボー
ル形状が異常なもの、ボール先端部において収縮孔の発
生が認められるもの等半導体素子上の電極に良好な接合
ができないものを△印、良好なものを○印にて表記し
た。

【００１４】ボール部の接合強度については、アルミ電
極の２μｍ上方で治具を平行移動させて剪断破断を読み
とるシェアテスト法で測定し、５０本の破断荷重の平均
値を測定した。ワイヤ曲がりは、ワイヤ両端の接合距離
（スパン）が４．５ｍｍとなるようボンディングしたワ
イヤを半導体素子とほぼ垂直上方向から観察し、ワイヤ
中心部からワイヤの両端接合部を結ぶ直線と、ワイヤの
曲がりが最大の部分との垂線の距離を、投影機を用いて
８０本測定した平均値で示した。

【００１５】樹脂封止後のワイヤ流れの測定に関して
は、ワイヤのスパンとして４．５ｍｍが得られるようボ
ンディングした半導体素子が搭載されたリードフレーム
を、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止し
た後に、軟Ｘ線検査装置を用いて樹脂封止した半導体素
子内部をＸ線投影し、前述したワイヤ曲がりと同等の手
順によりワイヤ流れが最大の部分の流れ量を８０本測定
し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した値（百
分率）を封止後のワイヤ流れと定義した。

【００１６】表２の比較例１、２では、Ｐｔの単独添加
は、封止後のワイヤ流れが５％以上の高い値を示してい
るのに対し、表１の実施例１〜２は請求項１記載の発明
に係わるものであり、Ｐｔを０．０４〜０．０６重量％
の範囲で添加し、さらにＹ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの１種ま
たは２種以上を総計で０．００４〜０．０６重量％の範
囲で含有させることにより、封止後のワイヤ流れが低減
されていることが確認された。また、比較例２ではＰｔ
の添加量が１．５重量％超であり、伸線強度が高く、中
間焼鈍を要した。

【００１７】実施例３〜６は請求項２〜４に記載の本発
明に係わる金合金細線の結果であり、接合強度も５５ｇ
ｆ以上の十分な値まで増加していることが確認された。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表2】

【００２０】

【発明の効果】以上、本発明に係わる金合金細線は、ボ
ンディング時のワイヤ曲がりおよび樹脂封止時のワイヤ
流れが低減され、また接合性も向上しており、従って本
発明は半導体の高密度実装にも対応できる半導体素子用
金合金細線を提供できるという産業上きわめて有用な効
果を奏する。

───────────────────────────────────────────────────── 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６−112258（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335685（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−49534（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−112251（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−127828（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/60 C22C 5/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐｔ：０．０４〜０．０６重量％を含有
   し、さらにＹ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上
   を総計で０．００４〜０．０６重量％含有し、残部は金
   とその不可避不純物からなることを特徴とする半導体素
   子用金合金細線。
2. 【請求項２】 Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃ
   ａ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００
   ４〜０．０６重量％含有し、さらにＡｌを０．０００５
   〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部は金とその不可
   避不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金
   細線。
3. 【請求項３】 Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃ
   ａ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００
   ４〜０．０６重量％含有し、さらにＡｌとＩｎの２種を
   総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、
   残部は金とその不可避不純物からなることを特徴とする
   半導体素子用金合金細線。
4. 【請求項４】 Ｐｔ：０．０４〜１．５重量％、Ｙ、Ｃ
   ａ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．００
   ４〜０．０６重量％、Ｉｎを０．０００５〜０．０５重
   量％の範囲で含有し、さらにＹ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｉ
   ｎを総計で０．０１８〜０．１１重量％含有し、残部は
   金とその不可避不純物からなることを特徴とする半導体
   素子用金合金細線。