JP3654736B2 - 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。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。図中、１はＩＣチップ、２はＩＣチップ上のＡ１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。
【０００３】
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（以下セカンド側接合点という）での接合性に問題が生じてくる。この為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。
【０００５】
従来、特開平８−１９９２６１号には所定量のＣｕとＰｄを必須元素とした金合金線とすることにより、狭ピッチ化に対応するために、ボールの収縮孔の生成を防止してループ形状を安定する事が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記提案においては、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、断線を抑制する効果が向上すること、及び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Ｃｕと所定量のＰｄを１．６５〜４．４０重量％、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）銅（Ｃｕ）が０．１５〜２．９０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．５０〜４．２５重量％であってこれらの合計量が１．６５〜４．４０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下、及び残部が金と不可避不純物からなる（ただし、(i)Ｃｕが０．１５〜１．０重量％、Ｃａが０．０００２〜０．０２重量％、Ｐｄが１．５０〜３．０重量％、Ｙ，Ｌａの１種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成、及び、(ii)Ｃｕが０．１５〜２．５重量％、Ｐｄが１．５０〜４．２５重量％、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｙの１種以上を総計が０．０００２〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成を除く。）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）銅（Ｃｕ）が０．５０〜２．３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．７０〜３．５０重量％であって、これらの合計量が２．２０〜４．００重量％、及び残部が金と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）銅（Ｃｕ）が０．５０〜２．３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．７０〜３．５０重量％であって、これらの合計量が２．２０〜４．００重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下、及び残部が金と不可避不純物からなる（ただし、(i)Ｃｕが０．５０〜１．０重量％、Ｃａが０．０００２〜０．０２重量％、Ｐｄが１．７０〜３．０重量％、Ｙ，Ｌａの１種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成、及び、(ii)Ｃｕが０．５０〜２．３０量％、Ｐｄが１．７０〜３．５０重量％、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｙの１種以上を総計が０．０００２〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成を除く。）ことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
【０００９】
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％以下が好ましい。更に好ましくは０．００５重量％以下であり、最も好ましくは０．００１重量％以下である。
【００１０】
前記高純度金に、０．１５〜２．９０重量％Ｃｕと１．５０〜４．２５重量％Ｐｄとの共存であって、その合計量が１．６５〜４．４０重量％である組成とすることにより、本発明の目的を達成することが出来る。
ＣｕとＰｄの共存組成においてＰｄと共存したＣｕの含有量が０．１５重量％未満になると、熱サイクルの後の破断性能が大きくなり、セカンド側の接合性が低下する。またＣｕの含有量が２．９０重量％をこえると、同様に熱サイクルの後の破断性能、セカンド側の接合性とも低下する。
【００１１】
ＣｕとＰｄの共存組成においてＣｕと共存したＰｄの含有量が１．５０重量％未満になると、熱サイクルの後の破断性能が大きくなり、セカンド側の接合性が低下する。またＰｄの含有量が４．２５重量％をこえると、同様に熱サイクルの後の破断性能、セカンド側の接合性とも低下する。
また、０．１５〜２．９０重量％Ｃｕと１．５０〜４．２５重量％Ｐｄとの共存組成であっても、その合計量が４．４０重量％を超えると、熱サイクルの後の破断性能が大きくなり、セカンド側の接合性が低下する。従って、高純度金に０．１５〜２．９０重量％Ｃｕと１．５０〜４．２５重量％Ｐｄが共存し、かつその合計量が１．６５〜４．４０重量％であることが必要である。
【００１２】
なお、上記共存組成において、０．５０〜２．３０重量％Ｃｕと１．７０〜３．５０重量％Ｐｄとが共存し、かつその合計量が２．２０〜４．００重量％である組成になると、熱サイクルの後の破断性能、セカンド側の接合性とも一段と向上してくる。従って、０．５０〜２．３０重量％Ｃｕと１．７０〜３．５０重量％Ｐｄとが共存し、かつ、その合計量が２．２０〜４．００重量％である組成とすることが好ましい。
【００１３】
上記組成において、さらに、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下含有した場合においても、同様に熱サイクルの後の破断性能、セカンド側の接合性は向上する。これらの元素の添加量の下限は特に限定されないが、実用上０．０００１重量％である。
本発明の金合金線の好ましい製造方法を説明する。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。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。
【００１４】
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】
（例１）
純度９９．９９９重量％の高純度金に所定量のＣｕ，Ｐｄ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。次いでその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を図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。
（例２〜２６）（比較例１〜９）
金合金線の組成を表１〜２に示すようにしたこと以外は例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。
【００１８】
【表１】
Figure 0003654736
【００１９】
【表２】
Figure 0003654736
【００２０】
（試験結果）
（１）高純度金に０．１５〜２．９０重量％のＣｕと１．５０〜４．２５重量％のＰｄを含有し、ＣｕとＰｄの合計量が１．６５重量％又は４．４０重量％の組成である例１〜４は熱サイクル後の破断率が１．１〜１．４％、ピール強度が８．１〜８．６ｇ、振動破断率は１．２〜１．５％と優れたものであった。
（２）上記（１）においてＣｕとＰｄの合計量が２．２０〜４．００重量％の組成である例５〜１１は、熱サイクル後の破断率が０％、ピール強度が１１．８〜１３．４ｇ、振動破断率は０％と更に優れたものであった。このことから本発明の課題に対して、所定量のＣｕとＰｄを含有し、かつＣｕとＰｄの合計量を２．２０〜４．００重量％の組成とする事が好ましいことが判る。
（３）本発明に従う所定量のＣｕとＰｄを含有し、所定量のＣｕとＰｄの合計量に加えて、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下含有した組成である例１２〜２６は、熱サイクル後の破断率が０％、ピール強度が１１．７〜１３．５ｇ、振動破断率は０％と優れたものであった。前記所定量のＣｕとＰｄを含有し、かつ所定量のＣｕとＰｄの合計量が含有されている限り、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下含有した組成であっても同様の効果が得られる事が判る。
（４）高純度金にＣｕとＰｄの何れも含有しない比較例１は熱サイクル後の破断率が５．９％、ピール強度が１．６ｇ、振動破断率は４．９％と悪いことが判る。
（５）ＣｕとＰｄの共存組成において、Ｐｄの含有量が１．５０重量％未満である比較例２〜４は、熱サイクル後の破断率が２．３〜３．８％、ピール強度が２．８〜４．１ｇ、振動破断率が２．４〜３．９％であった。比較例１と対比してＣｕとＰｄを共存した効果は得られているものの、本発明になる組成とする方がさらに優れた効果が得られる事が判る。
（６）ＣｕとＰｄの共存組成において、Ｃｕの含有量が０．１５重量％未満である比較例５は、熱サイクル後の破断率が２．２％、ピール強度が２．６ｇ、振動破断率が２．４％であった。比較例１と対比してＣｕとＰｄを共存した効果は得られているものの、本発明になる組成とする方がさらに優れた効果が得られる事が判る。
（７）ＣｕとＰｄの共存組成において、Ｐｄの含有量が５．０重量％である比較例６は、熱サイクル後の破断率が３．８％、ピール強度が４．４ｇ、振動破断率が３．３％であった。比較例１と対比してＣｕとＰｄを共存した効果は得られているものの、本発明になる組成とする方がさらに優れた効果が得られる事が判る。
（８）高純度金に所定量のＣｕとＰｄを含有していながら、ＣｕとＰｄの合計量が５．０〜５．１重量％である比較例７〜９は、熱サイクル後の破断率が３．５〜３．８％、ピール強度が４．４〜４．７ｇ、振動破断率は３．２〜３．６％であった。比較例１と対比してＣｕとＰｄを共存した効果は得られているものの、本発明になる組成とする方がさらに優れた効果が得られる事が判る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によりＣｕが０．１５〜２．９０重量％、パラジウムＰｄが１．５０〜４．２５重量％であり、かつその合計量が１．６５〜４．４０重量％、及び残部が金と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、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し、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を向上させることに効果的である。
【００２２】
上記含有成分に加えてＹ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下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リードの間をワイヤボンディングした様子を示す。
【図２】ボンディングした試料の振動破断性能の測定方法を説明する。
【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 (3)

  1. 銅（Ｃｕ）が０．１５〜２．９０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．５０〜４．２５重量％であってこれらの合計量が１．６５〜４．４０重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下、及び残部が金と不可避不純物からなる（ただし、(i)Ｃｕが０．１５〜１．０重量％、Ｃａが０．０００２〜０．０２重量％、Ｐｄが１．５０〜３．０重量％、Ｙ，Ｌａの１種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成、及び、(ii)Ｃｕが０．１５〜２．５重量％、Ｐｄが１．５０〜４．２５重量％、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｙの１種以上を総計が０．０００２〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成を除く。）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. 銅（Ｃｕ）が０．５０〜２．３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．７０〜３．５０重量％であって、これらの合計量が２．２０〜４．００重量％、及び残部が金と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. 銅（Ｃｕ）が０．５０〜２．３０重量％、パラジウム（Ｐｄ）が１．７０〜３．５０重量％であって、これらの合計量が２．２０〜４．００重量％、Ｙ，Ｌａ，Ｃａ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｂｅのうち少なくとも１種を０．０５重量％以下、及び残部が金と不可避不純物からなる（ただし、(i)Ｃｕが０．５０〜１．０重量％、Ｃａが０．０００２〜０．０２重量％、Ｐｄが１．７０〜３．０重量％、Ｙ，Ｌａの１種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成、及び、(ii)Ｃｕが０．５０〜２．３０量％、Ｐｄが１．７０〜３．５０重量％、Ｃａ，Ｂｅ，Ｌａ，Ｙの１種以上を総計が０．０００２〜０．０３重量％、残部が金と不可避不純物からなる組成を除く。）ことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
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