JP3669809B2 - 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】
従来から提案されている金合金線として特開平３−２５７１２９号公報には所定量のＬａ，Ｃａ，Ｓｎ等を金に含有させることによりループ変形に効果のあることが提案されている。また特開平８−２９１３４８号公報には所定量のＬａ，Ｃａ，Ｉｎ等を金に含有させることにより接合強度に効果のあることが提案されている。
【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未だ不十分である。
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】
本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、所定量のＩｎとＳｎとＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種とＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ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、本発明は下記にある。
（１）インジウム（Ｉｎ）を１〜５０重量ppm 、錫（Ｓｎ）を１〜５０重量ppm 、Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を１〜５０重量ppm 、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を１〜１００重量ppm 、及び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）さらにＣａ，Ｇｅ，Ｂｅのうち少なくとも１種を５０重量ppm 以下添加した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。
（３）Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａであることを特徴とする請求項１、請求項２記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
（４）Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が９〜１００重量ppm であることを特徴とする請求項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％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】
高純度金に所定量のＳｎと所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種と所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種との共存において、所定量のＩｎ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出来る。
この共存組成においてＩｎの含有量が１重量ppm 以上になると、１重量ppm 未満のものと対比してセカンド側の接合性が向上してくる。即ちピール強度が大きくなり、振動破断性能が向上してくる。また熱サイクル後の断線性能も向上してくる。Ｉｎの含有量が５０重量ppm を超えると、セカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能がともに低下してくる。この為前記共存組成におけるＩｎの含有量を１〜５０重量ppm と定めた。
【００１１】
高純度金に所定量のＩｎと所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種と所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種との共存において、所定量のＳｎ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出来る。
この共存組成においてＳｎの含有量が１重量ppm 以上になると、１重量ppm 未満のものと対比してセカンド側の接合性が向上してくるとともに熱サイクル後の断線性能も向上してくる。Ｓｎの含有量が５０重量ppm を超えると、セカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能がともに低下してくる。この為前記共存組成におけるＳｎの含有量を１〜５０重量ppm と定めた。
【００１２】
高純度金に所定量のＩｎと所定量のＳｎと所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種との共存において、所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種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出来る。
この共存組成においてＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種の含有量が１重量ppm 以上になると、１重量ppm 未満のものと対比してセカンド側の接合性が向上してくるとともに熱サイクル後の断線性能も向上してくる。Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種の含有量が５０重量ppm を超えると、セカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能がともに低下してくる。この為前記共存組成におけるＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種の含有量を１〜５０重量ppm と定めた。
【００１３】
前記共存組成におけるＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を他の希土類元素に置き換えることは出来ない。希土類元素の中でもＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種とすることにより、前記課題を達成することが出来る。
さらに前記共存組成におけるＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａであるとセカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能が更に向上してくる。
【００１４】
この為前記共存組成におけるＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種はＬａであることが好ましい。
高純度金に所定量のＩｎと所定量のＳｎと所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種との共存において、所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種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出来る。
【００１５】
この共存組成においてＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が１重量ppm 以上になると、１重量ppm 未満のものと対比してセカンド側の接合性が向上してくるとともに熱サイクル後の断線性能も向上してくる。Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が１００重量ppm を超えると、セカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能がともに低下してくる。この為前記共存組成におけるＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量を１〜１００重量ppm と定めた。
【００１６】
さらに前記共存組成におけるＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａであり、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が９〜１００重量ppm のときセカンド側の接合性と熱サイクル後の断線性能が最も向上してくる。この為前記共存組成において、Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａであり、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が９〜１００重量ppm であることが最も好ましい。
【００１７】
高純度金に所定量のＩｎと所定量のＳｎと所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種と所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種との共存において、Ｃａ，Ｇｅ，Ｂｅのうち少なくとも１種を５０重量ppm 以下含有した組成とした場合においても同様の効果を得る事が出来る。
【００１８】
本発明になる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。こ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。
【００１９】
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。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
純度９９．９９９重量％の高純度金に所定量のＩｎ，Ｓｎ，Ｌａ，Ａｇ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た。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。
【００２１】
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を超音波併用熱圧着ボンディング法でボンディングした。そして、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。
【００２２】
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。ピール強度は前記直径３０μｍのピール荷重で表示した。
【００２３】
振動破断性能の測定方法
図２を用いて説明する。１１はＩＣチップ、１２はＡｌ電極、１３は金合金線、１４はリードフレーム、１５は鉄製台、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をリードフレーム固定用磁石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。
（実施例２〜５２）（比較例１〜１０）
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。
【００２４】
【表１】
Figure 0003669809
【００２５】
【表２】
Figure 0003669809
【００２６】
【表３】
Figure 0003669809
【００２７】
（試験結果）
（１）高純度金にＩｎを１〜５０重量ppm 、Ｓｎを１〜５０重量ppm 、Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を１〜５０重量ppm 及びＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を１〜１００重量ppm 含有した組成である実施例１〜４０は熱サイクル後の破断率が１．９％以下であり、ピール強度は７．２〜１３．６ｇ、振動破断率は１．８％以下と優れた効果を示した。
【００２８】
（２）この中でもＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａである組成では熱サイクル後の破断率が０．６％以下であり、ピール強度は１１．２〜１３．６ｇ、振動破断率は０．９％以下とさらに優れた効果を示した。
この為好ましくはＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａである組成とすることである。
【００２９】
（３）更にＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａである組成とすることに加えて、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を９〜１００重量ppm 含有した組成とすることにより、熱サイクル後の破断率が０％であり、ピール強度は１２．７〜１３．６ｇ、振動破断率は０％と最も優れた効果を示した。
【００３０】
この為最も好ましくはＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＬａである組成とすることに加えて、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を９〜１００重量ppm 含有した組成とすることである。
（４）高純度金に所定量のＩｎと所定量のＳｎと所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種と所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種との共存において、Ｃａ，Ｇｅ，Ｂｅのうち少なくとも１種を５０重量ppm 以下含有した組成である実施例４１〜５２においても同様の効果が得られる事が判る。
【００３１】
（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、Ｉｎの含有量が１重量ppm 未満である比較例２、その含有量が５０重量ppm を超える比較例３は、熱サイクル後の破断率が２．４〜３．２％、ピール強度は３．１〜４．２ｇ、振動破断率は２．４〜３．３％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、本発明の効果の方が優れていることが判る。
【００３２】
（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、Ｓｎの含有量が１重量ppm 未満である比較例４〜５、その含有量が５０重量ppm を超える比較例６は熱サイクル後の破断率が２．６〜３．８％、ピール強度は３．０〜４．１ｇ、振動破断率は３．０〜３．９％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、本発明の効果の方が優れていることが判る。
【００３３】
（８）高純度金にＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種以外の本発明の必須成分を所定量含有するものの本発明の必須成分である所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を含有しない比較例７〜１０は、熱サイクル後の破断率が３．５〜３．９％、ピール強度は２．３〜２．８ｇ、振動破断率は３．６〜３．９％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、本発明の効果の方が優れていることが判る。
【００３４】
とりわけ比較例８〜１０は本発明の必須元素としてＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種にかえて同じ希土類元素であるＰｒ，Ｐｍ，Ｌｕを用いた場合本発明のような優れた効果が得られない事が判る。
即ち本発明に必要な必須元素の一つは希土類元素ではなくＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種であることが判る。
【００３５】
（９）高純度金にＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種以外の本発明の必須成分を所定量含有するものの本発明の必須成分である所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を含有しない比較例７は、熱サイクル後の破断率が３．１％、ピール強度は２．７ｇ、振動破断率は３．０％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、本発明の効果の方が優れていることが判る。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により所定量のＩｎ、所定量のＳｎ、所定量のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種、所定量のＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を含有し残部が金及び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に効果的である。
【００３７】
前記含有成分に加えて所定量のＣａ，Ｇｅ，Ｂｅのうち少なくとも１種を含有した場合においても、同様の効果を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】金合金線でボンディングした半導体素子を示す。
【図２】振動破断性能の測定方法を示す。
【符号の説明】
１…ＩＣチップ
２…ＩＣチップの電極
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 (2)

  1. インジウム（Ｉｎ）を１〜５０重量ppm 、錫（Ｓｎ）を１〜５０重量ppm 、Ｌａを１〜５０重量ppm 、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種を１〜１００重量ppm 、及び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. Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種の含有量が９〜１００重量ppm であ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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