JP3907534B2 - 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】
従来から半導体装置は半導体素子と端子を金属ワイヤで配線する方法として超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられ、その後樹脂封止して用いられている。
【０００３】
図１は従来の半導体装置の製造工程の１例として端子としてリードを用いた例を示す図である。まず図１（ａ）に示すように金属ワイヤ２をキャピラリー１に挿通し、その先端に電気トーチ３を対向させ金属ワイヤ２との間で放電させることにより、金属ワイヤ２の先端を加熱、溶融してボール４を形成する。ついで図１（ｂ）に示す様にキャピラリー１を下降させて該ボール４を半導体素子６上のＡｌ電極５の上に押圧接合する。この時半導体素子６はヒーターブロック（図示省略）で加熱される為、上記ボール４は熱圧着され、圧着ボール４’となる。次いで図１（ｃ）に示すようにキャピラリー１は所定の軌跡を描いてリード８の上に移動し、下降する。この時リードはヒータブロック（図示省略）で加熱される為金属ワイヤ２’の軸方向側面がリード８上に熱圧着される。次いで図１（ｄ）に示すようにクランパ７は金属ワイヤ２をクランプしたまま上昇することにより、金属ワイヤ２が切断され配線が完了する。ここでファースト側接合点９は金属ワイヤがボールボンディングされ、セカンド側接合点１０は金属ワイヤ２が軸方向側面で熱圧着して接合される所謂ステッチボンディングされ、セカンド側接合点１０で金属ワイヤ２が切断され配線２’が形成される。
【０００４】
次いで半導体素子６と配線された金属ワイヤ２’とを封止する樹脂封止（図示省略）を行う。このようにして製造された半導体装置の断面図を図２に示す。
【０００５】
次いで図２に示す半導体装置１２は、封止樹脂１１から露出したリード８を直角に折り曲げ、これを端子としてプリント基板のスルーホール（図示省略）に接合して基板へ搭載される。ここで半導体装置１２のリード８と基板のスルーホールの接合には半田材料を用いてその溶融点以上の温度まで加熱して接合されている。
【０００６】
一方前述の半田材料として３７％Ｐｂ−Ｓｎ組成（質量％）の共晶半田組成のものが共晶温度１８３℃と低温で半田溶融が出来る長所を利用して用いられてきた。
【０００７】
しかしながら、近年、廃棄された電子機器から溶出する鉛による環境汚染が問題になっており、電子機器製造においては、半田材料としてＰｂを含有しない所謂無鉛半田材料の使用が開始されてきた。
【０００８】
また、半導体装置の高密度化は図１に示すＡｌ電極５の間隔の縮小を推進し、図１に示す圧着ボール４’が隣接する間隔が狭くなる為、その接触を避けることが要求されている。これの対応として圧着ボールの上から見た形状を真円に近くすることが考えられ、特開２０００−１５０５６２号公報には圧着ボールの真円度を向上させるボンディング用金合金線の組成が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで前記半田材料への要求に対して、電子機器に用いる無鉛半田材料としてＳｎ−Ｃｕ系合金が代表的であり、これらにＮｉ，Ａｇ，Ｇｅ等を添加したものが実用化されてきている。ここで、前述の半導体装置のリードをプリント基板のスルーホールへ接合する際の無鉛半田材料としてＳｎ−Ｃｕ系合金を用いて接合したところ、図２に示す半導体装置１２の配線２’に断線が発生するという問題が生じてきた。本発明者等の検討の結果、半田材料をＳｎ−Ｃｕ系合金とすることにより、前記接合温度が従来よりも高温で行われることに起因して配線２’に断線が生じているとの知見を得た。
【００１０】
また、半導体装置の高密度化に伴い、圧着ボール同士の接触の機会が増加することを防止する為に本発明者等の検討の結果、前述した圧着ボールの真円度の向上を図るだけでは未だ不十分であり、これに加えて、圧着ボールの直径のばらつき抑制が必要であるとの知見を得た。
【００１１】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたものであり、半導体装置を基板に接合して搭載するに際して、接合温度が従来の２３０℃から無鉛半田材料としてＳｎ−Ｃｕ系合金を用いて２５０〜２７０℃という高温で接合しても半導体装置を構成する配線の断線防止に有効であり、且つ圧着ボールの真円度の向上に加えて、圧着ボールの直径のばらつき抑制に有効な半導体素子ボンディング用金合金線を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前述の問題を鋭意検討の結果、まず半導体装置を基板に接合して搭載する際に無鉛半田材料を用いると、図２に示す半導体装置１２に於いて、断線箇所はリード８上面に前記金属ワイヤ１０の側面を接合したセカンド側接合点１０であることを見い出した。
【００１３】
更に検討を進める中で得られた本発明は、次の組成のボンディング用金合金線を用いることにより、半導体装置を基板に接合して搭載する際に無鉛半田材料を用いても、セカンド側接合点１０に於ける断線を有効に防止すると共に、圧着ボールの真円度の向上に加えて、圧着ボールの直径のばらつきを有効に抑制出来るものである。
（１）１〜５０質量ppm のＳｎ、２〜５０質量ppm のＰｔ、１〜１００質量ppm のＹを含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ppm であり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。
（２）１〜５０質量ppm のＳｎ、２〜５０質量ppm のＰｔ、１〜１００質量ppm のＹ、１〜１００質量ppm のＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｍｇ及びＡｇのうち少なくとも１種を含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ppm であり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。
（３）更に１〜５０質量ppm のＢｅ及びＣａのうち少なくとも１種を含有し、且つ添加元素の合計量が６〜１５０質量ppm であり、残部がＡｕと不可避不純物からなる請求項２記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（１）組成
ａ）原料金
原料金としては少なくとも９９．９９質量％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質量％以上であり、最も好ましくは９９．９９９質量％以上の高純度金である。特に９９．９９９質量％以上の高純度金を用いると全ての元素を１質量ppm 未満に低減出来る為、有害成分の影響を除去出来て好ましい。
【００１５】
ｂ）［Ｓｎ］
本発明に用いる金合金線を所定量のＰｔとＹの共存において、Ｓｎの含有量を１〜５０質量ppm とすることにより前記課題を達成出来る。
【００１６】
Ｓｎ含有量が１質量ppm 未満の場合と対比して、２７０℃という高温に晒されても配線の断線防止に有効に作用すると共に圧着ボールが真円度向上に加えて圧着ボールの直径のばらつき抑制に効果を有する。
【００１７】
Ｓｎ含有量が５０質量ppm を超える場合、所定量のＰｔとＹの共存において、図１（ａ）に示す形成されたボール４の表面に酸化膜が形成され接合性能が劣化してくる。
【００１８】
この為、所定量のＰｔとＹの共存において、Ｓｎの含有量を１〜５０質量ppm とした。
【００１９】
ｃ）［Ｐｔ］
本発明に用いる金合金線を所定量のＳｎとＹの共存において、Ｐｔの含有量を２〜５０質量ppm とすることにより前記課題を達成出来る。
【００２０】
Ｐｔ含有量が２質量ppm 未満の場合と対比して、２７０℃という高温に晒されても配線の断線防止に有効に作用すると共に圧着ボールが真円度向上に加えて圧着ボールの直径のばらつき抑制に効果を有する。
【００２１】
Ｐｔ含有量が５０質量ppm を超える場合、所定量のＳｎとＹの共存において、半導体素子に割れを生じ易くなる。
【００２２】
この為、所定量のＳｎとＹの共存において、Ｐｔの含有量を２〜５０質量ppm とした。
【００２３】
ｄ）［Ｙ］
本発明に用いる金合金線を所定量のＳｎとＰｔの共存において、Ｙの含有量を１〜１００質量ppm とすることにより前記課題を達成出来る。
【００２４】
Ｙ含有量が１質量ppm 未満の場合と対比して、２７０℃という高温に晒されても配線の断線防止に有効に作用すると共に圧着ボールが真円度向上に加えて圧着ボールの直径のばらつき抑制に効果を有する。
【００２５】
Ｙ含有量が１００質量ppm を超える場合、所定量のＳｎとＰｔの共存において、図１（ａ）に示す形成されたボール４の表面に酸化膜が形成され接合性能が劣化してくる。
【００２６】
この為、所定量のＳｎとＰｔの共存において、Ｙの含有量を１〜１００質量ppm とした。
【００２７】
ｅ）［Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｍｇ及びＡｇ］（以下「第１群元素」という）
本発明に用いる金合金線を所定量のＳｎ，Ｐｔ及びＹとの共存に於いて第１群元素の少なくとも１種を１〜１００質量ppm 添加することにより、添加しない場合と対比して、圧着ボールの真円度が更に向上することに加えて圧着ボールの直径のばらつきが更に抑制されるという効果を有する。
【００２８】
この為、所定量のＳｎ，Ｐｔ及びＹとの共存に於いて第１群元素の少なくとも１種を１〜１００質量ppm 添加することが好ましい。
【００２９】
ｆ）［Ｂｅ及びＣａ］（以下「第２群元素」という）
本発明に用いる金合金線を所定量のＳｎ，Ｐｔ，Ｙ及び所定量の第１群元素との共存において第２群元素の少なくとも１種を１〜５０質量ppm 添加することにより、添加しない場合と対比して金合金線を高強度ワイヤとすることが出来る。通常、金合金線の破断強度を２３５Ｎ／mm2 以上の高強度にすると、伸び率のバラツキの為、伸び率の小さいものが生じ、安定したループ形状が得られないという問題がある。
【００３０】
ここで第２群元素を含有した本発明合金線は破断強度を２３５Ｎ／mm2 以上の高強度ワイヤとしても伸び率のばらつきを抑制する事が出来る為、安定したループ形状が得られるという優れた効果を有している。
【００３１】
更に請求項１の金合金線と対比して圧着ボールの真円度が更に向上することに加えて圧着ボールの直径のばらつきが更に抑制されるという効果を有する。
【００３２】
ｇ）添加量の合計量
本発明に用いる金合金線は添加量の合計量が６〜１５０質量ppm であることが必要である。６質量ppm 未満の時、高温に晒された時の断線率及び圧着ボールの直径のばらつき防止に不充分であり、１５０質量ppm を超えるとボール４の表面に酸化膜が形成され接合性能が劣化したり半導体素子に割れが生じるようになる。
（２）金合金線の製造工程
本発明に用いる半導体素子ボンディング用金合金線の製造工程の一例を説明する。まず所定組成の金合金を熔解し、インゴットに鋳造した後、溝型圧延機を用いて圧延し、中間焼鈍を交えて最終冷間加工により直径１０〜１００μｍの細線とした後、伸び率を４〜６％になるように最終アニールを施し、ついでワイヤ表面に潤滑防錆剤を塗布する。高強度線を必要とする時は、第２群元素の添加に加えて伸び率を４％と小さくすればよい。
【００３３】
最後に加工工程を終了したワイヤを主として外径５０．３mmのスプールに所定張力で所定長さを巻き替えて製品とする。所定長さとしては１００〜３，０００ｍが用いられ更に長尺になりつつある。
（３）用途
本発明に用いる半導体素子ボンディング用金合金線は一般に半導体素子電極と外部リードの接続用に用いられ、接続方法としてはボールボンディング法により配線して接合する方法及び金合金線を用いてバンプを形成し、該バンプを介して接続する方法に用いられる。
（４）圧着ボールのばらつき
図１（ａ）に示すボール４を図１（ｂ）に示す圧着ボール４’に圧着した時、圧着ボールには真円度（最小直径／最大直径）低下と直径｛（最大直径＋最小直径）／２｝にばらつきが生じてくる。本発明金合金では真円度に優れていると共に直径のばらつきが抑制出来るという効果を有するものである。
【００３４】
即ち、真円度の評価は圧着ボールの二次元的ばらつきを示す指標であることに対してこれに直径のばらつきの評価を加えることは圧着ボールの三次元的ばらつきを示す指標となってくる。
【００３５】
本発明では、直径のばらつきをＣｐｋで表示する。Ｃｐｋは次式で表示される。
【００３６】
【数１】
Figure 0003907534
【００３７】
圧着ボール直径の平均値が規格幅の中心の時、標準偏差をσとすると、Ｃｐｋ＝規格幅／６σとなる。規格幅が一定であるため、Ｃｐｋ値が大きい程σは小さいことを意味している。規格幅＝Ａσで表すと、下表（ａ）欄の通りＣｐｋ値が大きい程Ａの値は大きくなる。規格を外れる片側頻度をＡの値を基に数値表から求めると下表（ｂ）欄の様になる。片側頻度をＣｐｋ＝１．２０を基準に指数で表示すると（ｃ）欄の様になる。即ち規格を外れる片側頻度（圧着平均直径が規格より大きいものが生じる頻度）は下表の通りＣｐｋ値の向上とともに低減していくことが下表（ｂ）欄の片側頻度及び下表（ｃ）欄の片側頻度の指数から判る。
【００３８】
【表１】
Figure 0003907534
【００３９】
（５）機構の推定
本発明になるＳｎ−Ｐｔ−Ｙ含有金合金線が半導体装置を高温で加熱しても配線の断線が少なく、且つ圧着ボール直径のばらつき防止に有効な理由は明らかではないが次の様に考えられる。
【００４０】
即ち配線の断線が少なくなる理由は、図２に示すセカンド側接合点１０において本発明になる金合金線は、強固で且つ均質なステッチボンディングされている為、半導体装置を高温で加熱してもその接合点での断線が防止出来ると考えられる。
【００４１】
又圧着ボールの真円度の向上に加えて、圧着ボール直径のばらつき抑制に有効な理由は、本発明になる金合金線の優れた加工性が二次元的に止まらず、三次元的に優れた加工性を有していることに起因していると考えられる。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
純度９９．９９９質量％の高純度金に表２に示す元素を所定量添加し、真空溶解炉で熔解した後、鋳造して表２に示す組成の金合金インゴットを得て、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２５μｍとし、伸び率４％となるように最終アニールを行い、更に表面に潤滑剤を被覆して金合金線に仕上げて、測定に供した。
【００４３】
第１に圧着ボール形成試験を行った。高速自動ボンダＵＴＣ−２００型（株式会社新川製）を用いてまず、電気トーチによるアーク放電で金合金線先端に直径６５μｍのボールを形成し、圧着ボールの規格値７０〜９０μｍに対してダイ温度２００℃で半導体素子Ａｌ電極上に超音波併用熱圧着方式により熱圧着した。次いで圧着ボール径を超音波印可方向に垂直方向の圧着径（以下「最小直径」という）と平行方向の圧着径（以下「最大直径」という）をボール５０個について測定した。（最小直径／最大直径）を真円度とし｛（最大直径＋最小直径）／２｝を圧着ボール直径として真円度及び圧着ボール直径のばらつきを前記Ｃｐｋで表示して表２に示した。
【００４４】
第２に半導体装置加熱試験を行った。図１に示す要領で１００ピンの配線を行い樹脂封止して図２に示す半導体装置を１０個作成した。該半導体装置を加熱条件２７０℃で５分間加熱した後、樹脂を硝酸を用いて除去して配線の断線状況を金属顕微鏡で観察した。セカンド側接合点の断線の数をカウントして、その結果を断線率として表２に示した。
（実施例２〜２２）（比較例１〜７）
試験に用いた金合金線の組成を表２のようにしたこと以外は実施例１と同様にして試験を行った。その測定結果を表２に示した。
（実施例２３〜５１）（比較例８〜１６）
試験に用いた金合金線の組成を表２〜４のようにしたこと以外は実施例１と同様にして試験を行い、更に引張試験を行って破断荷重と伸び率を同一組成について１０点測定した。その測定結果を表２〜４に示した。
【００４５】
【表２】
Figure 0003907534
【００４６】
【表３】
Figure 0003907534
【００４７】
【表４】
Figure 0003907534
【００４８】
（試験結果）
（１）請求項１に係る金合金線である実施例１〜８のものは、断線率は０％であり無鉛半田材料を用いて高温で基板に接合しても断線が抑制出来るという優れた効果を有していることが判る。又真円度が０．９７以上、圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）が１．３３以上であり、真円度、直径のばらつき共優れていることが判る。
（２）請求項２に係る金合金線である実施例９〜２２のものは、断線率は０％と優れた効果を有しており、又真円度が０．９８以上、圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）が１．５０以上であり、真円度、直径のばらつき共、更に優れていることが判る。
（３）請求項３に係る金合金線である実施例２３〜５１のものは、請求項１及び請求項２に係る金合金線と同様に断線率は０％と優れた効果を有しており、又真円度が０．９８以上、圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）が１．５０以上であり、真円度、直径のばらつき共優れていることが判る。
【００４９】
更に本合金線はＢｅ，Ｃａのうち少なくとも１種を所定量含有することにより破断強度２３５Ｎ／mm2 以上と高強度にしても伸び率の標準偏差を０．５と抑制することが出来る。即ち高強度でありながら、安定した伸び率にする事が出来る為、安定したループ形状が得られるという更に優れた効果を有している。
（４）請求項１に係る金合金線の必須元素である所定量のＳｎ，Ｐｔ，Ｙの全てを含有しない比較例１〜３のものは、断線率は１％であり無鉛半田材料を用いて高温で基板に接合すると断線が生じるようになることが判る。又真円度は０．９７以上、を維持出来るが圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）が１．２であり、直径のばらつきは本発明合金の方が優れていることが判る。
（５）請求項１に係る金合金線の必須元素であるＳｎ，Ｐｔ，Ｙの全てを含有するものの、その合計量が３質量ppm である比較例４のものは、比較例１〜３のものと同等の性能を示し、断線率、圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）において、本発明合金の方が優れていることが判る。
（６）請求項１に係る金合金線の必須元素である所定量のＳｎ，Ｐｔ，Ｙの全てを含有しないものに、所定量の第１群元素を含有した比較例５〜６のものは、比較例１〜３のものと同等の性能を示し、断線率、圧着ボール直径のばらつき（Ｃｐｋ）において、本発明合金の方が優れていることが判る。
（７）請求項１に係る金合金線の必須元素である所定量のＳｎ，Ｐｔ，Ｙの全てを含有しないものに、所定量の第１群元素と第２群元素を含有させた比較例８〜１０のもの、及び所定量の第２群元素を含有させた比較例１１〜１４のものは、断線率は５％、圧着ボールのばらつき（Ｃｐｋ）は１．２であり、２３５Ｎ／mm2 以上の高強度にすると、伸び率の標準偏差は０．６となり本発明合金の方が優れていることが判る。
（８）請求項１に係る金合金線の必須元素である所定量のＳｎ，Ｐｔ，Ｙの全てを含有し、更に第１群元素と第２群元素を含有するものの、含有量合計が１０００質量ppm である比較例１５，１６のものは、断線率は１５％、圧着ボールのばらつき（Ｃｐｋ）は１であり、２３５Ｎ／mm2 以上の高強度にすると、伸び率の標準偏差は０．７となり本発明合金の方が優れていることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置のワイヤボンディング工程を説明する図である。
【図２】樹脂封止半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１…キャピラリー
２…金属ワイヤ
３…電気トーチ
４…ボール
４’…圧着ボール
５…Ａｌ電極
６…半導体素子
８…リード
９…ファースト側接合点
１０…セカンド側接合点
１１…封止樹脂
１２…半導体装置

Claims (3)

  1. １〜５０質量ｐｐｍのＳｎ、２〜５０質量ｐｐｍのＰｔ、１〜１００質量ｐｐｍのＹを含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ｐｐｍであり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。
  2. １〜５０質量ｐｐｍのＳｎ、２〜５０質量ｐｐｍのＰｔ、１〜１００質量ｐｐｍのＹ、１〜１００質量ｐｐｍのＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｍｇ及びＡｇのうち少なくとも１種を含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ｐｐｍであり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。
  3. １〜５０質量ｐｐｍのＳｎ、２〜５０質量ｐｐｍのＰｔ、１〜１００質量ｐｐｍのＹ、１〜１００質量ｐｐｍのＬａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｍｇ及びＡｇのうち少なくとも１種を含有し、更に１〜５０質量ｐｐｍのＢｅ及びＣａのうち少なくとも１種を含有し、これらの合計量が６〜１５０質量ｐｐｍであり、残部がＡｕと不可避不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。
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