JP3585993B2 - ボンディング用金線 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＩＣチップの電極と外部リード部を接続するために使用するボンディング用金線に関し、さらに詳しくは、半導体装置組み立ての際、超音波出力の増加等によってボンディングワイヤのネック部が損傷を受ける程度を大幅に低減することができるＩＣチップボンディング用金線に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
従来、ＩＣチップ上の電極と外部リード部を接続する技術としては、金線を用いた超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられている。また、最近の半導体装置の高速化，高機能化の要求に伴って電極と外部リード部の数が増加した結果、電極から外部リード部迄の配線距離が長くなっている。一方では、半導体装置を小型，薄型にするため、電極と外部リード部の配線距離を極端に短くすることによって対応している。
この為、多数のリード線を用いながら短く配線を行うことが要求され、これに対応するために、ボンディング装置を用いてループを形成する過程で、ループ形成と逆方向へボールネック部を過酷に屈曲させて変形させた後にループを張る、所謂リバース変形を行うことによって、ループ高さとループ形状を安定化させる試みがなされている。
【０００３】
しかし乍ら前述の様なリバース変形を行って形成されたループは、半導体装置の作動段階で半導体の発熱に伴う熱サイクルの環境に晒された場合、ボールネック部に断線不良が発生するという問題が生じていた。
この様な半導体作動中の断線不良を防止するために、ボールネック部を過酷に屈曲，変形させてループを張った場合、その後の過酷な熱サイクル試験において断線が生じることの少ない金線が要求されている。
【０００４】
他方、従来において、振動により金ボール直上のネック部が破断するという問題を改善することを目的として、Ｅｕ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｂｅを所定量含有させたものがある（特開平５−９６２４号）。
しかし乍ら上記従来の提案は、ボンディングワイヤーをボールネック部で過酷に屈曲，変形させてループを張った後に過酷な熱サイクル環境に晒された場合でも、ボールネック部での断線の少ない金線として十分なものとはいえない状態にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような従来事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、超音波出力を増大させた超音波併用熱圧着ボンディングを行い、且つボールネック部を過酷に屈曲，変形させてループを張る、所謂リバース変形を行ってループを形成した後に過酷な熱サイクル環境に晒されても断線が生じることの少ないＩＣチップボンディング用金線を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、９９．９９９重量％以上の高純度金に、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）を所定量含有させ、且つカルシウム（Ｃａ），ゲルマニウム（Ｇｅ）の内少なくとも１種を所定量含有させることにより、それら各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。
【０００７】
すなわち本願第１発明は、アンチモン（Ｓｂ）：０．０００５〜０．０１重量％、ビスマス（Ｂｉ）：０．０００１〜０．００５重量％を含有し、且つカルシウム（Ｃａ）：０．００００５〜０．０１重量％，ゲルマニウム（Ｇｅ）：０．０００１〜０．０１重量％の内少なくとも１種を含有し、残部が金であることを特徴とするＩＣチップボンディング用金線である。
【０００８】
さらに本願第２発明は、上記第１発明に、ユウロピウム（Ｅｕ），イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ），鉛（Ｐｂ），エルビウム（Ｅｒ），カドリニウム（Ｇｄ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），サマリウム（Ｓｍ），イッテルビウム（Ｙｂ）の内少なくとも１種を０．０００１〜０．０２重量％をさらに含有することを特徴とするＩＣチップボンディング用金線である。
【０００９】
【作用】
前述の通り本発明は、所定量のＳｂ、Ｂｉと、所定量のＣａ，Ｇｅの内少なくとも１種とからなる第１群、Ｅｕ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｂ，Ｅｒ，Ｇｄ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｙｂの内少なくとも１種の所定量からなる第２群の成分を含有した組成となっている。
以下、本発明の詳細な構成とその作用について説明する。
本発明で使用する出発原料は、純度が９９．９９９重量％以上の金を含有し残部が不可避不純物からなるものである。該出発原料にＳｂ、Ｂｉ、Ｃａ，Ｇｅを上記構成になるよう含有した組成にすることにより、それら金属元素同士の相乗効果によって、超音波出力を増大させた超音波併用熱圧着ボンディングを行い、且つループ形成の際にリバース変形を加えたボンディングワイヤのネック部の信頼性において、疲労特性に優れ、熱サイクルの環境に晒された場合の破断性能に優れた金合金線を得ることが出来る。
次に、本発明の金合金線の成分組成を上記の通り限定した理由を説明する。
【００１０】
〔第１群；Ｓｂ〕
Ｓｂは、Ｂｉと、Ｃａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存において、ボールネック部の信頼性向上に優れた効果を示す。
Ｓｂ含有量が０．０００５重量％以上になると０．０００５重量％未満と対比してボールネック部の信頼性が大きくなり、０．０１重量％を越えると良好なボール形成が出来なくなってくると共に接合時に電極割れが生じてくる。このためＳｂ含有量を０．０００５〜０．０１重量％と定めた。
Ｓｂを前記規定量含有してもＢｉとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種とのいずれかが含有されていない場合と対比して、ＢｉとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存においてボールネック部の信頼性が向上するためＳｂはＢｉとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存が必要である。
さらに好ましい組成は、Ｓｂ及びＢｉ及びＣａ、又はそれに加えてＧｅを含有させることであり、この組成において、ボールネック部の信頼性向上にさらに優れた効果を示す。
【００１１】
〔第１群；Ｂｉ〕
Ｂｉは、Ｓｂと、Ｃａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存において、ボールネック部の信頼性向上に優れた効果を示す。
Ｂｉ含有量が０．０００１重量％以上になると０．０００１重量％未満と対比してボールネック部の信頼性が大きくなり、０．００５重量％を越えると良好なボール形成が出来なくなってくると共に接合時に電極割れが生じてくる。このためＢｉ含有量を０．０００１〜０．００５重量％と定めた。
Ｂｉを前記規定量含有してもＳｂとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種とのいずれかが含有されていない場合と対比して、ＳｂとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存においてボールネック部の信頼性が向上するためＢｉはＳｂとＣａ，Ｇｅの内少くとも１種との共存が必要である。
さらに好ましい組成は、Ｂｉ及びＳｂ及びＣａ、又はそれに加えてＧｅを含有させることであり、この組成において、ボールネック部の信頼性向上にさらに優れた効果を示す。
【００１２】
〔第１群；Ｃａ，Ｇｅ〕
Ｃａ，Ｇｅの内少くとも１種は、Ｓｂ及びＢｉとの共存において、ボールネック部の信頼性向上に優れた効果を示す。
Ｃａ含有量が０．００００５重量％以上になると０．００００５重量％未満と対比してボールネック部の信頼性が大きくなり、０．０１重量％を越えると良好なボール形成が出来なくなってくる。
Ｇｅ含有量が０．０００１重量％以上になると０．０００１重量％未満と対比してボールネック部の信頼性が大きくなり、０．０１重量％を越えると良好なボール形成が出来なくなってくる。
このため、Ｃａ含有量を０．００００５〜０．０１重量％、Ｇｅ含有量を０．０００１〜０．０１重量％と定めた。
Ｃａ，Ｇｅの内少くとも１種を含有してもＳｂ又はＢｉが含有されていない場合と対比して、Ｓｂ及びＢｉとの共存においてボールネック部の信頼性が向上するためＣａ，Ｇｅの内少なくとも１種はＳｂ及びＢｉとの共存が必要である。
さらに好ましい組成は、Ｃａ又はそれに加えてＧｅにＳｂ及びＢｉを含有させることであり、この組成において、ボールネック部の信頼性向上にさらに優れた効果を示す。
【００１３】
〔第２群；Ｅｕ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｂ，Ｅｒ，Ｇｄ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｙｂ〕
第１群の成分に、第２群の成分すなわちＥｕ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｂ，Ｅｒ，Ｇｄ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｙｂの内少なくとも１種の成分を０．０００１〜０．０２重量％含有した場合、ボールネック部の信頼性において、第１群のみを含有する組成と対比して同等の効果を有する。
この場合、第２群の成分を含有しても、第１群の成分であるＳｂ、Ｂｉと、Ｃａ，Ｇｅの内少なくとも１種とのいずれかを含有しない場合、ボールネック部の信頼性において優れた効果は得られない。
さらに好ましい組成は、Ｃａ，Ｇｅの内少なくとも１種として、Ｃａ又はそれに加えてＧｅを含有させることであり、この組成において、Ｇｅを単独で含有する場合と比較してボールネック部の信頼性はさらに優れた効果を示す。
【００１４】
【実施例】
以下、表１〜表８に示す実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
表中に示す組成と成るように９９．９９９重量％の金地金と各元素を含む母合金を真空溶解炉で溶解した後鋳造し、溝ロール，伸線機を用いた冷間加工と熱処理を繰り返し，最終線径３０μｍ、伸び率４％の細線になるように仕上げた。この細線をボンディングワイヤとして、高速自動ボンダを用いてＩＣチップ電極上に超音波熱圧着ボンディングを行った。超音波出力を０．５Ｗとし最初のボール接合を行った後、ループ形成と逆方向にキャピラリを一旦動かしそのリバース角度を垂直方向に対して６０度に設定し、ボールネック部を苛酷に屈曲させて変形させ、次いで正規のループを形成した。
まず細線を用いてボール形状、振動試験を行い、さらにＩＣチップ電極上にボンディングを行った後、接合時の電極割れ、熱サイクル試験を行った。測定結果を表２に示す。
【００１５】
（実施例２〜３０／比較例１〜１４）
表中に示す組成としたこと以外は実施例１と同様にして細線に仕上げ、試験を行った。結果を表２，表５，表８に示す。
【００１６】
測定方法は以下の通りである。
〔ボール形状〕
高速自動ボンダに組み込まれている電気トーチを用いて金ボールを作製し、走査型電子顕微鏡を用いて金ボールの大きさ、真球度、表面状態を観察した。
金ボールの大きさは線径の２．５倍、即ち７５μｍφを基準とし、真球度、表面状態は比較サンプル対比で測定した。１０個測定して全て良好な時は「良好」、１個でも不良がある時は「不良」と表示した。
【００１７】
〔接合時の電極割れ〕
高速自動ボンダーを用いて１００個のボンディングテストを行い、電極割れ不良の発生がないものを「良好」、１個でも割れ不良の発生があるものを「不良」と表示した。
【００１８】
〔熱サイクル試験〕
ループを形成した後エポキシ樹脂にて封止し、−１０℃×３０分と１５０℃×３０分の熱サイクルテストを２０００回行った。１００個の試料を測定に供し、導通テストにより断線の有無を確認した。断線した個数を破断率（％）で表示した。
【００１９】
〔振動試験〕
基板材料として、ＩＣチップ電極に代えて銀メッキしたリードフレーム１を用意したこと以外は実施例１と同様にしてボンディングを行い、振動試験の材料とした。
図１に示す振動試験機２を用い、前記リードフレーム１に先端をボンディングしたワイヤ３をクランプ４で保持し、軸５を中心に左右両側へ振幅させる振動試験を次の条件で行い、破断に至るまでの振動回数を測定した。
スパン距離（Ｌ１ ）：１５０μｍ
両側振幅（Ｌ２ ）：２６μｍ
振動周波数：４０Ｈｚ（１秒間に４０回）
同様の試験を３回繰り返し、得られた平均値を表示した。
【００２０】
【表１】
Figure 0003585993
【００２１】
【表２】
Figure 0003585993
【００２２】
【表３】
Figure 0003585993
【００２３】
【表４】
Figure 0003585993
【００２４】
【表５】
Figure 0003585993
【００２５】
【表６】
Figure 0003585993
【００２６】
【表７】
Figure 0003585993
【００２７】
【表８】
Figure 0003585993
【００２８】
以上の測定結果から明らかなように、所定量のＳｂ、Ｂｉと、所定量のＣａ，Ｇｅの内少くとも１種とからなる第１群の成分を含有した実施例１〜１５は、ボール形状が良好であり、ボンディング時の電極割れ不良の発生がないと共に、熱サイクル試験後の破断率が１％以下、振動試験での破断に至るまでの振動回数が１２，０００回以上でありボールネック部の信頼性向上に優れた効果を示した。またこの中でも、Ｃａ，Ｇｅの内少なくとも１種としてＣａ又はそれに加えてＧｅを含有した実施例１〜７，１５は、熱サイクル試験後の破断率が０％、振動試験での破断に至るまでの振動回数が１３，０００回以上でありボールネック部の信頼性向上にさらに優れた効果を示した。
【００２９】
さらに前記第１群の成分に加えて、Ｅｕ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｂ，Ｅｒ，Ｇｄ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｙｂの内少なくとも１種の所定量からなる第２群の成分を含有した実施例１６〜３０は、第１群のみを含有する実施例１〜７と対比して同等のさらに優れた効果を示した。
尚、実施例は省略したが、第１群の成分に加えて第２群の成分を含有した場合において、第１群の成分中Ｃａ，Ｇｅの内少なくとも１種としてＧｅ単独で含有した場合は実施例８〜１４と対比して同等の優れた効果を示し、またそれに加えてＣａを含有した場合は実施例１５と同等のさらに優れた効果を示すことが確認できた。
【００３０】
これに対し、本発明に係る第１群、第２群、第３群の成分のいずれも含有しない比較例１は、熱サイクル試験後の破断率が１５％、振動試験での破断に至るまでの回数が６，４００回程度であることが判る。
また、第１群の必須成分中、Ｓｂ又はＢｉのいずれか１種を含有しない比較例３〜９は、熱サイクル試験後の破断率５〜７％、振動試験での破断に至るまでの回数８，８００〜９，８００回程度であることが判る。
【００３１】
また、第１群の必須成分を含有してもその内のいずれか１種の含有量が本発明の規定量を越える比較例１０〜１３は、熱サイクル試験後の破断率３％、振動試験での破断に至るまでの回数１１，０００回以上で、前記比較例に比べれば改善されるものの、ボール形状又はチップ電極割れの点で不良であることが判る。
【００３２】
さらにまた、第１群の成分中Ｃａのみを含有すると共に第２群の成分中Ｙｂを含有した比較例２、第１群の成分及び第２群の成分を同時に含有するが本課題に対して不適なＩｎを含有した比較例１４は、熱サイクル試験後の破断率２〜３％、振動試験での破断に至るまでの回数１１，０００回以上、ボール形状及びチップ電極割れの双方で良好と、前記比較例に比べれば改善されるものの、本発明に対して劣ることが判る。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るＩＣチップボンディング用金線は、９９．９９９重量％以上の高純度金に、所定量のＳｂ、Ｂｉと、Ｃａ，Ｇｅの内少なくとも１種の所定量とを含有した組成としたので、超音波出力を増大させた超音波併用熱圧着ボンディングを行い、且つリバース変形を加えて形成したループのネック部において、疲労特性に優れると共に熱サイクルの環境に晒された場合の破断性能を大幅に向上することが出来た。
従って、多数のリード線を用いながら短く配線を行う半導体装置の組み立てにおいて高い信頼性が得られ、半導体装置の高速化，高機能化，小型化，薄型化の促進に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動試験の概要を示す簡略図。
【符号の説明】
１：リードフレーム
２：振動試験機
３：ボンディングワイヤ
４：クランプ
５：振幅中心軸

Claims (2)

  1. アンチモン（Ｓｂ）：０．０００５〜０．０１重量％、ビスマス（Ｂｉ）：０．０００１〜０．００５重量％を含有し、且つカルシウム（Ｃａ）：０．００００５〜０．０１重量％，ゲルマニウム（Ｇｅ）：０．０００１〜０．０１重量％の内少なくとも１種を含有し、残部が金であることを特徴とするＩＣチップボンディング用金線。
  2. ユウロピウム（Ｅｕ），イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ），鉛（Ｐｂ），エルビウム（Ｅｒ），カドリニウム（Ｇｄ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ），サマリウム（Ｓｍ），イッテルビウム（Ｙｂ）の内少なくとも１種を０．０００１〜０．０２重量％をさらに含有することを特徴とする請求項１記載のＩＣチップボンディング用金線。
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