JP3615897B2 - 半導体素子ボンディング用金合金線 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子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合金線に関し、さらに詳しくは半導体装置を小型化する際に用いて好適な半導体素子ボンディング用金合金線に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からトランジスタ、IC,LSI等の半導体素子の電極と外部リードを接続する技術としては、純度99.99重量%以上の高純度金に他の金属元素を微量含有させた金合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。このようにして接続された状況を図1に示す。図1において1は半導体素子、2は電極、3は金合金線、4はリードフレーム、Lは半導体素子上の電極側接合点とリードフレーム側接合点間の水平方向の距離(以下ボンディング距離という)、Hは半導体素子上面を基準としたループ高さ(以下ループ高さという)である。
【0003】
一方最近の半導体装置の小型化の要求に伴って前記ボンディング距離が短くなり、所謂短ループボンディングが要求されている。しかしながら該短ループボンディングを行うと、接続用の金合金線が半導体素子と接触しショートするため、ループ高さを高くすることが要求されている。この状況を図2を用いて説明する。図2においてボンディング距離LがL1 と短くなると、ループ高さHが低いH1 の時は金合金線が半導体素子と接触するようになる。これを回避する為にループ高さHをH2 のように高くする事が出来る金合金線が要求されている。
【0004】
また最近の半導体装置は放熱性及びコストを考慮して銅合金製のリードフレームを用いることが多くなってきた。該銅合金製のリードフレームを用いた場合、封止用樹脂と該リードフレームの熱膨張係数の差が大きく、半導体装置の作動による温度上昇によってループを形成した金合金線に外部応力が加わり、ループを形成したネック部で破断を生じ易くなるという問題があり、半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率を低く抑える事が要求されている。とりわけ一般的にはループ高さが高い程、半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率が高くなる傾向にある為、前記したループ高さを高くしながら断線の発生率を低く抑える事が出来る金合金線が要求されている。
【0005】
また前記した超音波併用熱圧着ボンディング法で図1に示すような配線を行う際、リードフレーム下部に設置された熱源(図示省略)により150〜250℃で加熱されている。この時加熱温度が高いと接着性は良いものの、リードフレームのそりが生じ易くなりループ形状にばらつきが生じ易くなる。また加熱温度が低いとループ形状は安定するものの低温接合であるため、金合金線とリードフレームの接合点(以下セカンド側という)での接着性に問題が生じ、とりわけピール強度及び振動破断性能が問題である。この為前記ボンディング時の加熱温度を150℃と低温度で行いながらセカンド側接合点でのピール強度及び振動破断性能に優れた金合金線が要求されている。
【0006】
前記したループ高さを大きくする対応として特開昭63−145729号公報には必須元素としてInを0.0001〜0.006重量%含有した金合金線を用いることにより、高温強度を高くしてもループ高さを従来品と同等に高く保つ事が出来る事が開示されている。また特開平3−283541号公報には必須元素としてPを0.0001〜0.01重量%含有した金合金線を用いることにより、ボールネック部の信頼性(プル強度)を落とさずに十分なループ高さが得られることが開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の提案は、ループ高さとして一応の成果は得られているもののボンディング距離を更に短くするために、更にループ高さの高いものが要求されると共に半導体装置が過酷な熱サイクルの環境にさらされた場合の断線の発生率を低く抑える効果が十分といえないことに加えてボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側接合点でのピール強度及び振動破断性能にさらなる改善が求められている。
【0008】
本発明は上述したような従来事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体装置の小型化の要求に対応してボンディング距離を短くしても、接続用の金合金線が半導体素子と接触することがないようにループ高さを高くする事が出来ると共に、ループ高さを高くしても半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率(以下熱サイクル後の断線率という)を低く抑える効果を有し、更にボンディング時の加熱を低温度で行いながらセカンド側接合点での接合性、詳しくはボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側のピール強度(以下ピール強度という)及びボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側の振動破断性能(以下振動破断性能という)に優れた半導体素子ボンディング用金合金性を提供することである。
【0009】
【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、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)のうち少なくとも1種の所定量と残部が金(Au)からなり、該金が0.01重量%以下の不可避不純物を含む組成の金合金線とすることにより、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。
【0010】
すなわち、本発明は、マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)のうち少なくとも1種を0.1〜20.0重量%を含み、残部が金(Au)および0.01重量%以下の不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線である。
また、好ましい態様として、本発明は、更にベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、イットリウム(Y)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、希土類元素のうち少なくとも1種を1〜500重量ppm 含有することを特徴とする請求項1記載の半導体素子ボンディング用金合金線にある。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子ボンディング用金合金線は高純度金に所定量のMg,Vのうち少なくとも1種を含有した組成を有することを特徴とする。
原料高純度金としては少なくとも99.99重量%以上、好ましくは99.995重量%以上最も好ましくは99.999重量%以上に精製した高純度金を用いる。
【0012】
このような高純度金に上記所定量のMg,Vのうち少なくとも1種を含有した組成にすることによりループ高さを高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率を低く抑える事が出来、更にピール強度及び振動破断性能を向上させる事が出来る。Mg,Vのうち少なくとも1種の含有量が1.0重量%未満になると1.0重量%以上のものと対比してループ高さは低くなると共に熱サイクル後の断線率も大きくなり、ピール強度及び振動破断性能は低下してくる。Mg,Vのうち少なくとも1種の含有量が20.0重量%を超えると、ICチップ等の半導体素子上に超音波併用熱圧着ボンディングを行う際に、前記チップに割れが生じ易くなる。この為Mg,Vのうち少なくとも1種の含有量は0.1〜20.0重量%と定めた。
【0013】
さらにMg,Vのうち少なくとも1種の含有量が0.1〜10.0重量%の時、10.0重量%を超える場合と対比して熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能が一段と向上してくる。この為好ましくは0.1〜10.0重量%である。
前記所定量のMg,Vのうち少なくとも1種の組成に加えて所定量のBe,Ca,Y,Ru,Ir,希土類元素のうち少なくとも1種を共存した組成にすることによりループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてさらに優れた効果が得られ好ましく用いられる。
【0014】
Be,Ca,Y,Ru,Ir,希土類元素のうち少なくとも1種を1〜500重量ppm 共存した組成にすることにより共存しない組成と対比してループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてさらに優れた効果が得られ最も好ましく用いられる。
本発明に於いて希土類元素とはランタン系列15元素をいう。本発明にいう希土類元素の中でも特に好ましくはLa,Eu,Yb,Gdである。
【0015】
次に、本発明になる金合金線の好ましい製造方法を説明する。
前記高純度金に所定量の元素を添加し、真空溶解炉で溶解した後インゴットに鋳造する。該インゴットに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終冷間加工により直径10〜100μmの細線とした後最終アニールを施すものである。
【0016】
本発明になる半導体素子ボンディング用金合金線は半導体装置の実装に際して、ICチップ等の半導体素子をリードフレームに接続する方法及び直接基板に接続するリードレスで接続する方法の何れにも用いる事が出来る。該リードレスで用いる基板材料としてはセラミックスや樹脂被覆した金属体等が用いられる。これらの半導体装置の構成に於いてループ高さを高く配線して用いる際に好適である。
【0017】
【作用】
本発明になる金合金線がループ高さを高く出来ると共に、熱サイクル後の断線率を抑制することが出来るという性質を併せもつようになる理由は明らかではないが、本発明になる組成とする事によって超音波併用熱圧着ボンディング法でボールを形成する際に生成される金合金線の熱影響部がループ高さが高いにも係わらず熱サイクル後の断線率を抑制するとともにピール強度及び振動破断性能を向上させることに好ましく作用していると考えられる。
【0018】
【実施例】
(実施例1)
純度99.999重量%の高純度金に所定量のMgを添加し真空溶解炉で溶解した後、鋳造して表1に示す組成の金合金、即ち1.1重量%Sn、残部が金及び不可避不純物からなる組成のインゴットを得、これに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終冷間加工により直径30μmとし、伸び率4%となるように最終アニールを行った。
【0019】
該金合金線を全自動ワイヤボンダー(新川株式会社製 UTC−50型)を用いて加熱温度150℃でICチップのAl電極とリードフレームを超音波併用熱圧着ボンディング法でピン数100個のボンディングした試料を作成した。
該試料を測定顕微鏡(オリンパス株式会社製 STM−MJS型)を用いてそのループ高さを測定した。ループ高さは図1に於いてICチップ1の上面を基準面としてループの最も高い高さH1 を測定し、ループ高さとした。100個の測定を行い、その平均値をループ高さ平均値として表2に示した。
【0020】
前記100個の測定値からばらつきの指標として標準偏差(σn−1)を算出し、その結果を表2に示した。
次いで前記ボンディングした試料を10重量%NaOH水溶液に浸せきしてAl膜を除去した。Al膜は図1の2に示されるICチップのAl電極である。400倍の金属顕微鏡を用いて前記Al膜を除去したICチップ面の電極部を50ケ所観察し、1ケ所以上割れがあるものを割れあり、割れがないものを割れなしと評価し、チップ割れの結果を表2に示した。
【0021】
更に前記ボンディングした試料を樹脂モールドして半導体装置を作成した。該試料を熱サイクル試験機(日立製作所製 ES−60MLS)を用いて−65〜150℃の温度環境下に2000サイクル晒した加速劣化試験を行った。該試料の端子間の導通の有無をテスターを用いて調査した。50ケ所調査しその導通不良の割合を熱サイクル後の破断率として表2に示した。
【0022】
更に前記ボンディングした試料のリードフレーム側即ちセカンド側のピール強度を測定した。配線の中央部を切断し、リードフレーム面と略垂直にワイヤを引っ張り、その剥離荷重を測定した。10個の平均値をピール強度として表2に示した。
更に前記ボンディングした試料の振動破断性能を測定した。測定方法を図3を用いて説明する。1はICチップ、2はAl電極、3は金合金線、4はリードフレーム、5は鉄製台、6はリードフレーム固定用磁石、7は振動子である。リードフレーム4,4′をリードフレーム固定用磁石6,6′で固定し、ICチップ1を搭載した部分を振動子7で上下方向(矢印方向)に振動させた。周波数100Hz、上下振幅合計0.4mm、振動数20000回振動させた後、400倍の金属顕微鏡を用いてリードフレーム側即ちセカンド側のワイヤの破断数を調査した。300箇所調査しその破断数の割合を振動破断率として表2に示した。
【0023】
(実施例2〜45)(比較例1〜6)
金合金線の組成を表1,3,5に示すようにしたこと以外は実施例1と同様にして直径30μmの線に仕上げ、ループ高さ平均値、ループ高さの標準偏差、チップ割れ、熱サイクル後の破断率、ピール強度、振動破断率を実施例1と同様にして測定し、その測定結果を表2,4,5に示した。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
【表5】
【0029】
(試験結果)
(1)高純度金にMg,Vのうち少なくとも1種を0.1〜20.0重量%含有した組成である実施例1〜13はループ高さの平均値が283〜298μmと高く、その標準偏差が5.1〜7.3μmと小さいものであるにかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が4〜6%と低く抑えることが出来るとともに、ピール強度が14.2〜15.8g、振動破断率が2.7〜5.0%と優れた効果を示した。
【0030】
この中でもMg,Vのうち少なくとも1種の含有量が0.1〜10.0重量%のとき加速試験による熱サイクル後の破断率を4%以下に維持出来、ピール強度が15.1〜15.8g、振動破断率が2.7〜3.7%と出来る為、高い信頼性を有し好ましく用いられる。
(2)前記高純度金に所定量のMg,Vのうち少なくとも1種を含有した組成に加えてBe,Ca,Y,Ru,Ir,希土類元素のうち少なくとも1種を1〜500重量ppm 含有した組成である実施例14〜45はループ高さの平均値が320〜336μmと一段と高くなり、その標準偏差が2.5〜4.4と一段と小さいものであるにかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が2%以下と一段と低く抑えることが出来るとともに、ピーク強度が16.1〜17.8g、振動破断率が0〜2.0%と出来るという更に優れた効果を示した。
【0031】
この為ループ高さをさらに安定して高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに低く抑えることが出来、ピール強度及び振動破断率にも優れている為、最も好ましく用いられる。
(3)前記高純度金に本発明の必須成分であるMg,Vのうち少なくとも1種を含有するものの、その含有量が0.1重量%未満である比較例1〜2はループ高さの平均値が236μmと低く、その標準偏差は12.6〜12.8と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は16〜18%、ピール強度は9.6〜10.5g、振動破断率は23.3〜24.0%であった。
【0032】
(4)前記高純度金に本発明の必須成分であるMg,Vのうち少なくとも1種を含有するものの、その含有量が25.0重量%である比較例5〜6はチップ割れが生じた。
(5)前記高純度金に本発明の必須成分であるMg,Vのうち少なくとも1種を含有するものの、その含有量が所定量未満であって、それに加えて0.003重量%のCeを含有する比較例5〜6はループ高さの平均値が232〜237μmと低く、その標準偏差は12.5〜13.8と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は16%、ピール強度は9.8〜10.1g、振動破断率は26.3〜27.3%であった。
【0033】
【発明の効果】
本発明により所定量のMg,Vのうち少なくとも1種を含有し残部が金及び所定量の不可避不純物からなる組成を有する半導体素子ボンディング用金合金線によれば、ループ高さを高くする事が出来ると共にそのばらつきを小さくし、ループ高さを高くしても半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率を低く抑える事が出来、更にボンディング時の加熱を低温度で行いながらセカンド側のピール強度及び振動破断性能が優れている為、半導体装置の信頼性向上に効果的である。
【0034】
前記所定量のMg,Vのうち少なくとも1種を含有した組成に加えてBe,Ca,Y,Ru,Ir,希土類元素のうち少なくとも1種を所定量含有した組成とすることによりループ高さをさらに安定して高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに低く抑えることが出来、セカンド側のピール強度及び振動破断性能が優れている為、最も好ましく用いる事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体素子の電極と外部リードとの接続の様子を示す。
【図2】図1と同様の接続においてボンディング距離Lとループ高さHの関係を示す。
【図3】ボンディングした試料の振動破断性能測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
1…ICチップ
2…Al電極
3…金合金線
4…リードフレーム
5…鉄製台
6…固定用磁石
7…振動子
Claims (2)
- マグネシウム(Mg)、バナジウム(V)のうち少なくとも1種を0.1〜20.0重量%を含み、残部が金(Au)および0.01重量%以下の不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
- 更にベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、イットリウム(Y)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、希土類元素のうち少なくとも1種を1〜500重量ppm 含有することを特徴とする請求項1記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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