JP3669810B2 - 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昭５２−５１８６７号公報には所定量のＦｅ，Ｃｏ，Ａｇ等を金に含有させることによりボンディングワイヤの強度の向上に効果のあることが提案されている。また特開昭５５−１５８６４２号、特開昭５６−１９６２８号、特開昭５６−１９６２９号公報等には所定量のＡｇ又はそれに加えてＰｄやＦｅ等を金に含有させることによりボンディングワイヤの強度の向上とボールボンディングの接合強度の向上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ＡｇとＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂ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】
本発明は下記にある。
（１）銀（Ａｇ）を５〜５０重量％、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を１〜５００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）銀（Ａｇ）を５〜５０重量％、Ｃｕ，Ｌａ，Ｅｕのうち少なくとも１種を１〜５００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。
【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Ａｇと所定量のＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種との共存において、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出来る。
この共存組成においてＡｇの含有量が０．６重量％以上になると、０．６重量％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。又熱サイクル後の断線性能も向上してくる。共存組成に於けるＡｇの含有量が５０重量％を超えると、前記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の含有量を０．６〜５０重量％と定めた。
【００１１】
高純度金に所定量のＡｇとの共存において、所定量のＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，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。
この共存組成とすることにより、金合金線の伸び率にかかわらず、前記課題を達成することが出来る。
【００１２】
この共存組成においてＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，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。Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種の含有量が５００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Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種の含有量を１〜５００重量ppm と定めた。
【００１３】
さらに前記共存組成におけるＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種がＣｕ，Ｌａ，Ｅｕのうち少なくとも１種であると、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。この為前記共存組成におけるＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種はＣｕ，Ｌａ，Ｅｕであることが好ましい。
【００１４】
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。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。
【００１５】
本発明に於いて伸び率の調整は最終アニール温度を変えることにより行う。
本発明に於いて伸び率は金合金線を標点距離を１００mmとして引張速度１００mm／分で引張試験機で引っ張り、破断した時の伸び量を測定して次式の値を伸び率とする。
【００１６】
【数１】
Figure 0003669810
【００１７】
ここで破断した時の伸び量はチャート紙の図形から測定することが好ましい。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。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
純度９９．９９９重量％の高純度金に所定量のＡｇ及びＣｕ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施例２〜４０）（比較例１〜６）
金合金線の組成及び伸び率を表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。
【００２３】
【表１】
Figure 0003669810
【００２４】
【表２】
Figure 0003669810
【００２５】
【表３】
Figure 0003669810
【００２６】
（試験結果）
（１）高純度金にＡｇを０．６〜５０重量％、及びＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂ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１〜４０は、熱サイクル後の破断率が０．８％以下であり、ピール強度は１１．２〜１３．９ｇ、振動破断率は０．９％以下と、優れた効果を示した。
【００２７】
（２）この中でも高純度金にＡｇを０．６〜５０重量％、及びＣｕ，Ｅｕ，Ｌａのうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 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１２．２〜１３．９ｇ、振動破断率は０％と、さらに優れた効果を示した。
この為好ましくは、Ａｇを０．６〜５０重量％、Ｃｕ，Ｌａ，Ｅｕのうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 、及び残部が金及び不可避不純物からなる組成とすることである。
【００２８】
（３）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４．８％と何れも悪いものであった。
（４）高純度金に本発明の必須成分であるＡｇを含有するものの、Ａｇの含有量が０．６重量％未満である比較例２、その含有量が５０重量％を超える比較例３は、熱サイクル後の破断率が２．６〜３．８％、ピール強度は３．６〜３．７ｇ、振動破断率は３．０〜３．３％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、本発明に於いては更に優れた効果が得られていることが判る。
【００２９】
（５）高純度金に本発明の必須成分である０．６〜５０重量％のＡｇを含有するものの、１〜５００重量ppm のＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を含有せずに、４００重量ppm のＩｒを含有する比較例４、１００重量ppm のＣｏを含有する比較例５は、熱サイクル後の破断率が３．２〜３．３％、ピール強度は３．４〜４．８ｇ、振動破断率は２．７〜３．０％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、本発明に於いては更に優れた効果が得られていることが判る。
【００３０】
（６）高純度金に本発明の必須成分である０．６〜５０重量％のＡｇを含有するものの、１〜５００重量ppm のＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を含有せずに、伸び率が１０％である比較例６は、熱サイクル後の破断率が３．１％、ピール強度は５．３ｇ、振動破断率は２．４％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、本発明に於いては更に優れた効果が得られていることが判る。
【００３１】
（７）実施例３、実施例３２、比較例６を対比すると２０重量％のＡｇのみを含有し、伸び率が１０％である比較例６と対比して、２０重量％のＡｇと１００重量ppm のＣｕを含有し、伸び率が４％と１０％である実施例３、実施例３２は、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。このことから所定量のＡｇに加えて所定量のＣｕを含有すると伸び率にかかわらず、本発明の課題に対して効果がある事が判る。
【００３２】
Ｃｕと同様にＩｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂについても、本発明の課題に対して効果がある事が判る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により所定量のＡｇと、所定量のＣｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂ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。
【００３４】
前記組成の中でも、所定量のＡｇと、所定量のＣｕ，Ｌａ，Ｅｕ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とすることにより、さらに優れた効果を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】金合金線で電極とリードフレームを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. 銀（Ａｇ）を５〜５０重量％、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｅｕ，Ｙｂのうち少なくとも１種を１〜５００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. 銀（Ａｇ）を５〜５０重量％、Ｃｕ，Ｌａ，Ｅｕのうち少なくとも１種を１〜５００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。
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