JP3426399B2 - 半導体素子用金合金細線 - Google Patents

半導体素子用金合金細線

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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、半導体素子上の電極と
外部リードを電気的に接続するためのボンディングに使
用される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
くなる傾向にあり、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より重要となってい
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、スパンが5mm以上のロングスパンになる
と、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に対応するために
は、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発生を抑えること
が最大の課題である。ロングスパンになると、ループ高
さの確保や垂れの防止のために、さまざまなルーピング
制御がなされるが、ボンディングの際にループ曲がりが
発生する確率が高くなる。また、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が、スパン
が長くなるほど、この流れ量が増大するため、隣接ワイ
ヤ間の接触不良が発生しやすくなる。狭ピッチ化の実現
のためにワイヤを細線化すると、ワイヤ径の2乗で強度
が低下することから予想されるように、ワイヤの樹脂流
れの問題はより一層深刻となる。
【0004】本発明は、ループの直線性を向上し、樹脂
封止時のワイヤ変形を低減することにより、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】本発明者等は、以上の点
に鑑み、金細線中への元素添加と、ループ直線性および
樹脂流れ性との関係について研究した結果、Ptの添加
と、Siの含有が有用であること、さらに後述するよう
にY、Ca、La、Ce元素の添加により耐流れ性がさ
らに向上することを見出した。
【0006】すなわち、本発明の要旨とするところは下
記のとおである。 (1)Si:0.01〜0.2重量%、Pt:0.04
〜1.0重量%未満を含有し、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)Si:0.001〜0.2重量%、Pt:0.0
4〜0.045重量%を含有し、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)前項(1)または(2)に 記載の成分に加えて、
Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で
0.001〜0.06重量%含有す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。ボンディング時のループ曲がりを抑える
ためには、ワイヤの弾性率を高めることが有効であり、
Au中へのSi添加により、弾性率が上昇し、強度も増
加するため、スパンが長くてもループ曲がりを低く抑え
られる。しかし、樹脂封止時のワイヤの流れはあまり改
善されなかった。樹脂封止工程は、150〜200℃の
範囲に加熱されたモールド金型中に粘性の高い樹脂が高
速で金型に注入されるものであり、ワイヤ変形は高温特
性に支配される。上記のSiの単独添加では、高温では
強度の低下が認められ、融点の低い共晶合金が局所的に
形成されることが原因であることが判明した。
【0008】そこで、Siを0.01〜0.2重量%添
加し、且つPtを0.04〜1.0重量%未満の範囲で
添加するか、または、Siを0.001〜0.2重量%
添加し、且つPtを0.04〜0.045重量%の範囲
で添加することにより、高温強度を増加させ、ワイヤの
樹脂流れを抑制できることを確認した。これはPt添加
により、Si添加の強度増加の作用を高温まで維持する
ことができたためであり、局所的なAuとSiの共晶組
成の形成が抑えられたものと考えられる。また、Ptを
添加する金合金細線について特開平6−112251号
公報に開示されているが、Ptの単独添加では、常温強
度の上昇によりループの直線性には有効であるが、高温
特性に対する寄与は小さく樹脂流れ性はあまり改善され
ないことから、ロングスパン用途としての十分な特性を
満足するためには、SiとPtとの複合添加が有効であ
る。
【0009】ここで、Siの添加量を上記範囲と定めた
のは、0.001重量%未満では上記効果が小さく、
0.2重量%超では、ボール部表面において凝固組織に
起因すると思われる凹凸が顕著になり、接合不良の原因
となるためである。さらに、Siの含有量としては、
0.005〜0.2重量%の範囲が好ましい。これは、
0.005重量%を超えると、前述したPtとの相互作
用が大きくなるため、耐樹脂流れ性においてより高い効
果が得られるためである。また、Ptの添加量を上記範
囲と定めたのは、0.04重量%未満ではSiとの相互
作用による効果が小さく、一方1.0重量%以上では、
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、工程が複雑化することが問題
であるからである。
【0010】上記のPt、Siの含有に加えて、Y、C
a、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.00
1〜0.06重量%添加することにより高温特性を高め
ることができる。PtとSiの添加では、常温での強度
上昇には有効であり、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、耐流れ性を向上することができる。Y、Ca、L
a、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Ptと何らかの相互作用を及
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。
【0011】Y、Ca、La、Ceの総含有量を上記範
囲と規定したのは、0.001重量%未満では、十分な
高温特性は得られず、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の添加のみでは、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の複合含
有により、不良発生までの限界濃度が0.06重量%ま
で上昇しており、これは前述した元素同士の相乗効果が
奏されているものと思われる。さらに好ましくは、Y、
Ca、La、Ceの総含有量を0.005〜0.05重
量%とするが、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。
【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、表2
に示す化学成分の金合金を溶解炉で鋳造し、その鋳塊を
圧延および伸線により、最終線径が23μm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
生およびボール表面の凹凸が顕著な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、アルミニ
ウム電極の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4.0mm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1において、実施例1〜は請求項1
たは2に記載の発明に係わるものでありワイヤ曲がり
は25μm以下に抑えられ、封止後のワイヤ流れも4.
0%以下まで低減されている。表2に示す比較例1のよ
うにSiの単独添加の場合、または比較例2のようにP
tが0.04重量%未満の場合には、ワイヤ曲がりは少
ないものの、封止後のワイヤ流れが5%以上と高く、ロ
ングスパン用ワイヤの特性としては不十分である。ま
た、比較例34ではSiが0.001重量%未満であ
り、封止後のワイヤ流れは改善されないことが確認され
た。
【0017】実施例13は請求項3記載の発明に係
わるものであり、上記のPtとSiの含有に加えて、
Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で
0.001〜0.06重量%の範囲で添加することによ
り、封止後のワイヤ流れは3.0%以下に低減されてい
る。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【発明の効果】以上のとおり、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封止後のワ
イヤ流れが低減されるので、ロングスパン化に対応する
ことができ、従って、本発明は半導体の高密度実装に著
しく適した半導体素子用金合金細線を提供することがで
きるという産業上きわめて有用な効果を奏するものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── 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 C22C 5/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si:0.01〜0.2重量%、Pt:
    0.04〜1.0重量%未満を含有し、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】 Si:0.001〜0.2重量%、P
    t:0.04〜0.045重量%を含有し、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】 請求項1または2に記載の成分に加え
    て、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計
    で0.001〜0.06重量%含有することを特徴とす
    る半導体素子用金合金細線。
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