JP3729302B2 - ボンディング用金合金細線 - 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上のチップ電極と外部リードとを電気的に接続するために用いられるボンディング用金合金細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子をリードフレームを用いて実装する際、これら半導体素子上のチップ電極とリードフレームの外部リードとを線径１０〜１００ミクロンの金合金線や金線を用いて電気的に接続している。これは、金合金線や金線が耐食性、 接合性の上で優れているためである。
【０００３】
一方、電子機器の低コスト化の要求は厳しく、これに答えるべくより細い金合金線や金線の使用が検討されている。また近年の半導体素子のチップ電極数の増加に伴い、チップ電極間隔やリードフレームの外部リード幅が狭化してきており、この点からも金合金線や金線の大幅な細線化が必要となってきている。
【０００４】
従来の金合金線や金線をそのまま細線化しようとすると、得られる細線が柔らかすぎる等により使用できないものとなる。そのため、原料となる高純度金中に他の元素を微量添加して得られる細線の機械的特性を改良することがよく知られている。例えば特公昭57-34659号公報には高純度金にカルシウムを添加して機械的特性を改良する方法が、また、特公昭62-23455号公報に高純度金にパラジウムを添加して機械的特性を改良する方法が、特公平7-62186号公報には高純度金にゲルマニウムを添加して機械的特性を改良する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら金中に他の元素を単に添加する方法では、大幅な細線化を可能とすべく機械的強度を飛躍的に向上させようと添加量を多くすると、例えば、ボンディング時に正常なボールが形成出来ない、また例えば、ボール表面に添加物が析出するために、チップ電極との接合力が低下してしまうといった現象が生ずる。そのため、金中に他の元素を添加するという従来の方法では、大幅な細線化を可能とするほど機械的性質を飛躍的に向上させるのは困難である。
【０００６】
このため、より一層狭化されたチップ電極間隔やリードフレームの外部リード幅に充分対応できる金合金細線が提供されているとは未だいえない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記状況を解決すべくなされたものであり、チップ電極との接合力を低下させることなく、かつ十分な機械的特性を備えたボンディング用金合金細線の提供を課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、パラジウムとゲルマニウムと金とで主として構成した金合金において、パラジウムとゲルマニウムとの添加量を調整すれば上記課題を解決できることを見出し本発明にいたった。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決する本発明の金合金細線は、パラジウムが０．０２〜２．０重量%、ゲルマニウムが０．０１〜１．５重量%、残部が金及びこれらの不可避不純物となるように調整されたものである。
【００１０】
また上記組成に加え、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ガリウム、インジウム、タリウム、錫、鉛、イットリウム、 その他の希土類元素からなる群より選ばれた１種以上を合量で１〜２０ｐｐｍとなるように添加した合金細線もより機械的特性が向上したものとなり上記課題を解決するものである。
【００１１】
なお、パラジウムとゲルマニウムとの重量比は１：０．２〜１：０．８とすることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
パラジウムもゲルマニウムも共に金合金の強度を高める。本発明では両者を添加する。そうすることによりそれぞれを単独で添加した場合より著しく金合金の強度を向上させることができる。この効果はＰｄ2Ｇｅ、ＰｄＧｅ等の金属間化合物が微細に金中に析出するためと考えられる。なお、これらの金属間化合物はワイヤーボンディング時のボール形成時には母相である金中に再溶融するために、チップ電極との接合性を阻害することはない。
【００１３】
パラジウムの添加量が０．０２重量%未満、及びゲルマニウムの添加量が０．０１重量%未満では、母相に固溶しているそれぞれの濃度が低いために金属間化合物を形成して析出するということが困難であり、金合金の強度が高くなることは期待できにくい。
【００１４】
一方、パラジウムの添加量が２．０重量%、ゲルマニウムの添加量が１．５重量%を超えると、十分な強度上昇効果は認められるが、析出した金属間化合物が伸線加工中の破断の起点となり、著しく生産性を悪化させてしまう。またパラジウムとゲルマニウムとの比は、金属間化合物の組成から重量比で１：０．２〜１：０．８がとすることが好ましい。
【００１５】
金属間化合物の析出による強度上昇効果を十分に発揮させるためには伸線加工途中で時効熱処理を施すのが好ましい。時効熱処理条件としては温度を２００〜４５０℃とし、処理時間を１０〜１２０分とするのが望ましい。また時効熱処理は伸線加工中、もしくは半導体素子への損傷がない範囲内の条件でワイヤーボンディング後に行ってもよい。伸線加工中に時効熱処理を行う場合には、金属間化合物の析出強化効果を十分に発揮させるために、線径２．０ｍｍ以下でできるだけ最終線径に近い時点で行うのが望ましい。
【００１６】
上記組成の金合金にベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ガリウム、インジウム、タリウム、錫、鉛、イットリウム、その他の希土類元素からなる群より選ばれた少なくとも１種以上を微量添加すると、さらなる強度の向上が見られる。しかしながらこれらの元素の添加合量が１ｐｐｍ未満では機械的性質は向上せず、また添加量合量が２０ｐｐｍを超えるとボンディング時に形成されるボールの表面に添加元素の酸化物が析出し、ボール表面を覆ってしまうことがありチップ電極との接合性が悪化することがある。
【００１７】
本発明の金合金細線は例えば、以下のようにして製造できる。まず純度９９．９９９重量%以上の高純度金とパラジウム、ゲルマニウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウムなどの添加元素とを用いて母合金を作製し、添加元素の含有量を分析する。次に計算量の母合金を高純度金とともに不活性雰囲気中で溶解混合し、鋳造し、水冷することにより鋳塊を得、得た鋳塊を溝ロール圧延を施して所定の線径にした後、順次口径の小さいダイスを通して伸線加工し、その途中の適当な個所で時効熱処理を行う。また時効熱処理の前に加工歪みを取り除くために焼き鈍し処理を入れても良い。最終線径まで伸線後、伸び率が所定の範囲に入るように熱処理を施す。
【００１８】
【実施例】
次に実施例を用いて本発明をさらに説明する。
【００１９】
［実施例１〜２３、比較例１〜９］
５Ｎの高純度金とパラジウム、ゲルマニウム、ベリリウム、カルシウム、錫、鉛、希土類元素とを用いてそれぞれの母合金を作製した。そして、これらの母合金と高純度金とを適宜秤量採取し、不活性雰囲気中で溶解混合し、鋳造し、水冷して表１に示す組成の金合金鋳塊を得た。得た鋳塊を溝ロール圧延し、ダイス線引きを順次行い最終線径を３０ミクロンとし、最後に伸び率5.0%となるように熱処理を施した。また、一部のものは線径が１．０ｍｍとなった段階で４００℃で３０分間保持する時効熱処理を施した。
【００２０】
Figure 0003729302
Figure 0003729302
Figure 0003729302
これらの試料を用いて常温強度, 高温強度, ボール形状, 伸線加工性について試験した。結果を表２に示した。
【００２１】
Figure 0003729302
Figure 0003729302
Figure 0003729302
なお、各試験項目の測定方法は以下の通りである。
(常温強度, 高温強度)
引張試験機を用いて各試料の最大荷重を測定した。高温強度については250℃の雰囲気中に２０秒保持し、引き続き引張試験を行っている。
【００２２】
(ボール形状)
高速自動ボンダーに付随している電気トーチを用いてボールの大きさが７０ミクロンとなるようにボールを形成し、その真球度及び表面状態を走査型顕微鏡にて観察した。各試料２０個ボールを観察して１個でも不良があるときには不良と判定した。
【００２３】
(伸線加工性)
鋳塊１Ｋｇを最終線径である３０ミクロンまで伸線した際に5回以上断線した試料を伸線加工性不良と判定した。
【００２４】
表２から明らかなように、パラジウムが０．０２〜２．０重量%、ゲルマニウムが０．０１〜１．５重量%となるようにした実施例１〜１１は、常温強度が１９ｇｆ以上と比較例７として示された従来組成のものの機械的性質より向上していることが分かる。またボール形状にも問題がなく、伸線加工性も損なわれていない。またパラジウムを０．０２〜２．０重量%、ゲルマニウムを０．０１〜１．５重量%添加し、さらにベリリウム、カルシウム、錫、鉛、ランタン、セリウム、ユウロピウムの内の１種または２種以上を合量で１〜２０ｐｐｍ添加した実施例１２〜２３は、ボール形状、 伸線加工性の良好さを維持しつつ、さらなる高強度化が図れている。
【００２５】
一方パラジウムの添加量が０．０２重量%未満もしくはゲルマニウムの添加量が０．０１重量%未満の比較例１では十分な機械的性質が得られていない。パラジウムの添加量が２．０重量%もしくはゲルマニウムの添加量が１．５重量%を超える比較例２〜４は十分な機械的性質は得られているものの、伸線加工性が悪化している。さらに比較例４ではボール形状も不良であることが分かる。
【００２６】
パラジウムもしくはゲルマニウムを単独で添加した比較例５〜７では機械的性質の向上効果が十分ではない。ベリリウム、カルシウムなどに替えてアルミニウムを添加した比較例８では満足できる機械的性質は得られているが、ボール形状が不良であることが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明により良好な伸線加工性、ボール形状を損なわずに機械的性質を著しく向上させることが達成された。従ってワイヤー強度を維持しつつ金合金細線の線径を大幅に小さくすることが可能となり、半導体の部材コストの低減や、半導体素子のチップ電極数増加に対応しうるボンディング用金合金細線を提供することができた。

Claims (3)

  1. パラジウムが０．０２〜２．０重量%、ゲルマニウムが０．０１〜１．５重量%、残部が金及びこれらの不可避不純物であることを特徴とするボンディング用金合金細線。
  2. パラジウムが０．０２〜２．０重量%、ゲルマニウムが０．０１〜１．５重量%であり、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ガリウム、インジウム、タリウム、錫、鉛、イットリウム、 その他の希土類元素からなる群より選ばれた１種以上が合量で１〜２０ｐｐｍ、残部が金及びこれらの不可避不純物であることを特徴とするボンディング用金合金細線。
  3. パラジウムとゲルマニウムとの重量比が１：０．２〜１：０．８である請求項１または２記載の金合金細線。
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