JP3628139B2 - 半導体素子ボンディング用金合金線 - Google Patents

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Description

【０００１】
【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て配線する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。
【０００３】
ここで超音波併用熱圧着ボンディング法により配線し、ループを形成した状態を図１に示す。１はＩＣチップ、２はＩＣチップ上のＡｌ電極、３は金合金線、４はリードフレーム、５はファースト側接合点、６はセカンド側接合点である。
最近、半導体装置は外部リード材料として放熱性、コストを考慮して銅合金製のリードフレームを用いる事が多くなってきた。銅合金製のリードフレームを用いた場合、封止用樹脂と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、とりわけ半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合、断線を生じ易くなるという問題がある。
【０００４】
また、半導体装置の小型化、高密度化の要求が高まる中で、ＩＣチップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化が要求されている。多ピン化、狭ピッチ化を達成する為には、ループ形状が安定している事が必要である。一方前記の超音波併用熱圧着ボンディング法で配線を行う際、リードフレーム下部に設置された熱源により１５０〜２５０℃で加熱される。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（以下セカンド側接合点という）での接合性に問題が生じてくる。
【０００５】
そこで、ループ形状にばらつきが生じることを抑制する為に、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接合性に優れた金合金線が要求されている。
本出願人は、特開平７−３０５１２６号において、所定量のＹ，Ｐｔ，ＬａとＡｇ，Ｐｄの少なくとも１種を必須元素とした金合金線とすることにより、熱サイクルの環境に晒された場合の断線を制御することが出来ることを提案した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記提案においては、前述の要求に対して一応の成果は得られているものの、更なる信頼性の向上が求められている。
本発明は上述したような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、銅合金製のリードフレームを用いた半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合でも、断線を制御する効果を向上させ、またかつボンディング時のループ形状を安定させる為に、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接合性、とりわけピール強度及び振動破断性能が向上した金合金線を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、所定量のＡｇと所定量のＰｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種と所定量のＹ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種及び残部が金と不可避不純物からなる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。
【０００８】
すなわち、本発明によれば下記が提供される。
（１）銀（Ａｇ）を０．４〜３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％、そして残部が金及び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。
（２）銀（Ａｇ）が２．０〜１０重量％、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種が０．５〜２．０重量％であることを特徴とする（１）記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
（３）更に銅（Ｃｕ）を３０重量％以下含有することを特徴とする（１）又は（２）記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
（４）更にカルシウム（Ｃａ）を０．０５重量％以下含有することを特徴とする（１）、（２）又は（３）記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
【０００９】
【発明の実施の形態】
原料金としては、少なくとも９９．９９重量％以上に精製した高純度金を用いることが好ましい。更に好ましくは９９．９９５重量％以上であり、最も好ましくは９９．９９９重量％以上である。この為合金中の不可避不純物は０．０１重量％未満が好ましい。更に好ましくは０．００５重量％未満であり、最も好ましくは０．００１重量％未満である。
【００１０】
上記の如き高純度金に、０．２〜０．５重量％のＰｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種と、０．０００１〜０．０５重量％のＹ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種との共存において、０．４〜３０重量％のＡｇを含有した組成とすることにより、前記課題を達成することができる。
Ａｇの含有量が０．４重量％以上になると、０．４重量％未満のものと対比して、セカンド側接合性が向上する、即ち、ピール強度が大きくなり、振動破断性能が向上する。一方、Ａｇの含有量が３０重量％を越えると、熱サイクル後の断線が生じ易くなり、セカンド側接合性も低下する。従って、Ａｇの含有量は０．４〜３０重量％である。２．０〜１０重量％がより好ましい。
【００１１】
Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種の含有量が０．２重量％以上になると、０．２重量％未満のものと比べてセカンド側接合性が向上し、ピール強度が大きくなり、振動数性能が向上する。一方、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種の含有量が５．０重量％を越えると、熱サイクル後の断線が生じ易くなり、セカンド側接合性も低下し、またＩＣチップに割れが生じ易くなる。従って、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種の含有量は０．２〜５．０重量％である。０．５〜２．０重量％がより好ましい。
【００１２】
特に、Ａｇの含有量が２．０〜１０重量％で、かつＰｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種が０．５〜２．０重量％の場合、熱サイクル後の断線性能、セカンド側接合性ともに一段と優れたものになるので、好適である。
次に、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種の含有量は０．０００１重量％未満になると、０．０００１重量％以上のものと対比して熱サイクル後の断線が生じ易くなり、セカンド側接合性も低下する。一方、この含有量が０．０５重量％を超えると同様に断線が生じ易くなり、セカンド側接合性も低下する。従って、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種の含有量は０．０００１〜０．０５重量％である。
【００１３】
本発明の金合金線では、さらにＣｕを３０重量％以下含む場合にも、同様の効果を奏することを確認した。しかしＣｕの含有量が３０重量％を越えると、熱サイクル後の断線が生じ易くなり、セカンド側接合性も低下する。Ｃｕの下限は特に限定されないが、実用上は０．００１重量％である。
さらに、Ｃａを０．０５重量％以下含む場合にも、同様の効果を奏することができることを確認した。下限は限定されないが、実用上は０．０００１重量％である。
【００１４】
本発明の金合金線の好ましい製造方法を説明すると、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。その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。
本発明の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超音波併用熱圧着ボンディング法で好ましく用いられる。特にはリードフレームとして銅製リードフレームを用いる半導体装置用に好ましく用いられる。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
純度９９．９９９重量％の高純度金に所定量のＡｇ，Ｐｄ，Ｙ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。
【００１６】
この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電極と銅合金リードフレームとの間を超音波併用熱圧着ボンディング法でボンディングし、ピン数１００個のボンディングした試料を作成した。次いで試料をエポキシ樹脂で樹脂封止した後、−１０℃×３０分と１５０℃×３０分の熱サイクルテストを１００回行った。
【００１７】
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、熱サイクル後の破断率を求め、その結果を表１に示した。
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及び振動破断性能を測定した。ピール強度は直径３０μｍのピール荷重で表示した。振動破断性能の測定方法図２を用いて説明する。図中、１１はＩＣチップ、１２はＡｌ電極、１３は金合金線、１４，１４′はリードフレーム、１５は鉄製台、１６，１６′はリードフレーム固定用磁石、１７は振動子である。リードフレーム１４，１４′をリードフレーム固定用磁石１６，１６′で固定し、ＩＣチップ１１を搭載した部分を振動子１７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１に示した。
【００１８】
（実施例２〜５９）（比較例１〜８）
金合金線の組成を表１〜３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、熱サイクル後の破断率、セカンド側のピール強度及び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１〜３に示した。
【００１９】
【表１】
Figure 0003628139
【００２０】
【表２】
Figure 0003628139
【００２１】
【表３】
Figure 0003628139
【００２２】
（試験結果）
（１）高純度金にＡｇを０．４〜３０重量％、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％含有した組成である実施例１〜４５は熱サイクル後の破断率が１．５％以下であり、ピール強度は７．３〜１３．４ｇ、振動破断率は１．８％以下と優れた効果を示した。
（２）この中でもＡｇを２．０〜１０重量％、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種を０．５〜２．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％含有した組成では熱サイクル後の破断率が０％であり、ピール強度は１１．３〜１３．４ｇ、振動破断率は０％となり、一段と優れた効果を示した。この為好ましくはＡｇを２．０〜１０重量％、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種を０．５〜２．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％含有した組成とすることである。
（３）更に、Ｃｕを０．０１〜３０重量％含有した組成である実施例４６〜５１も前記効果が維持出来る。
（４）更に、Ｃａを０．０００５〜０．０５重量％含有した組成である実施例５２〜５８も同様に前記効果が維持出来る。
（５）本発明の必須成分の何れも含有しない高純度金を用いた比較例１は熱サイクル後の破断率が５．９％、ピール強度は１．６ｇ、振動破断率は４．９％と何れも悪いものであった。
（６）高純度金に本発明の必須成分を所定量含有するものの、Ａｇの含有量が０．４重量％未満である比較例２、その含有量が２０重量％を超える比較例３は熱サイクル後の破断率が２．２〜３．８％、ピール強度は３．２〜４．８ｇ、振動破断率は２．１〜３．６％と何れも高純度金と対比すると効果は得られているものの、本願の効果の方が優れていることが判る。
（７）高純度金に本発明の必須成分を所定量含有するものの、Ｐｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種の含有量が０．２重量％未満である比較例４，５、その含有量が５．０重量％を超える比較例６は熱サイクル後の破断率が２．３〜２．４％、ピール強度は３．１〜４．６ｇ、振動破断率は２．１〜２．３％と何れも高純度金と対比すると効果は得られているものの、本願の効果の方が優れていることが判る。
（８）高純度金に本発明の必須成分を所定量含有するものの、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を含有しない比較例７，８は熱サイクル後の破断率が２．３〜２．４％、ピール強度は３．１〜４．６ｇ、振動破断率は２．１〜２．３％と何れも高純度金と対比すると効果は得られているものの、本願の効果の方が優れていることが判る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により所定量のＡｇ，所定量のＰｄ，Ｐｔのうち少なくとも１種、所定量のＹ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅ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、銅合金製のリードフレームを用いた半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合でも、断線を抑制する効果が向上する、またボンディング時のループ形状を安定させる為に、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接合性、とりわけピール強度及び振動破断性能が向上に効果的である。前記含有成分に加えて所定量のＣｕ又はそれに加えて所定量のＣａを含有した場合においても、同様の効果を示す。
【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をワイヤボンディングした状態を示す。
【図２】ワイヤボンディングの振動破断性能の測定方法を説明する図。
【符号の説明】
１…ＩＣチップ
２…ＩＣチップ上のＡｌ電極
３…金合金線
４…リードフレーム
５…ファースト側接合点
６…セカンド側接合点

Claims (5)

  1. 銀（Ａｇ）を０．４〜３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％、そして残部が金及び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。
  2. 銀（Ａｇ）を０．４〜３０重量％、銅（Ｃｕ）を３０重量％以下、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％、そして残部が金及び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。
  3. 銀（Ａｇ）を０．４〜３０重量％、カルシウム（Ｃａ）を０．０５重量％以下、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％、そして残部が金及び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。
  4. 銀（Ａｇ）を０．４〜３０重量％、銅（Ｃｕ）を３０重量％以下、カルシウム（Ｃａ）を０．０５重量％以下、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０００１〜０．０５重量％、そして残部が金及び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。
  5. 銀（Ａｇ）を２．０〜１０重量％、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種が０．５〜２．０重量％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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