JP3916320B2 - ボンディング用金合金線 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のボンディングワイヤおよびバンプ形成用として有用な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に用いられるICチップ電極と外部リード線を接続する線としては、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が信頼性に優れているとして多用されている。
通常半導体装置は前記接続する方法として、金合金線を用いた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半導体装置とされている。
【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。
最近半導体装置は動作電源や外部環境によって加熱され、高温に晒されて使用されることが多く、ボンディングワイヤには高温で長時間保持しても接合劣化が小さいことが求められている。この為、従来から高温に保持した後のプル強度劣化に有効であるとして所定の金合金組成が提案されている。例えば特開平10−4115号公報にはワイヤボンディングした試料を200℃で100時間保持した後のプル強度に優れているとしてCo,Ge等を含有した組成の金合金線が開示されている。また特開平2−215140号公報にはワイヤボンディングした試料を250℃で900分保持した後のシェア強度に優れているとしてMn等を含有した組成の金合金線が開示されている。
【0004】
一方、前記高温に保持した後の接合性を向上するような金合金線にするために、金に合金元素を添加すると振動破断性能が低下してくるという問題が生じてくる。該振動破断性能は半導体装置の樹脂封止前の試料運搬時に振動による断線を防止出来る性能として金合金線に要求されるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ここで従来から接合性の信頼性を向上させようとするとボール真球度、振動破断率、ICチップの割れ性の何れかに問題が生じると共に、最近では高温で更に長時間の環境に保持した後の更なる接合性の信頼性の向上が求められている。前記した金合金線に於いても前述の要求に対して未だ不十分である。
【0006】
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高温で長時間の環境に保持した後の接合性(以下「高温接合性」という)の信頼性が向上すると共に、ボール真球度に優れ、振動破断率が小さく、ICチップの割れが少ない金合金線を提供する事にある。
【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Co,Zn(以下「第1群元素」という)のうち少なくとも1種と所定量のMnと所定量のLa,Y,Gd,Be,Ca,Eu(以下「第2群元素」という)を高純度金に含有させることにより、前述の目的を達成しうることを知見し、本発明を完成するに至った。
【0008】
(1)高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%及びLa,Y,Gd,Be,Ca,Eu、のうち少なくとも1種を1〜1000重量ppm 含有させた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】
(2)高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%及びCaを10〜1000重量ppm 含有させた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)高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%、Ca及びLa,Y,Gd,Be,Eu、のうち少なくとも1種を各々5重量ppm 以上且つその合計で10〜1000重量ppm 含有させたことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
【0010】
(4)更にZr,Cr,Moのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%含有させたことを特徴とする上記(1)〜(3)記載の半導体素子ボンディング用金合金線。本発明の半導体素子ボンディング用金合金線は、ボール真球度、振動破断率、ICチップ割れと共に、特に高温接合性に優れているので、ワイヤボンディング用のみならず、バンプ形成用に用いても優れており、本発明はバンプ形成用途を含むものである。
本発明の半導体素子ボンディング用金合金線は、ボール真球度、振動破断率、ICチップ割れと共に、特に高温接合性に優れているので、ワイヤボンディング用のみならず、バンプ形成用に用いても優れており、本発明はバンプ形成用途を含むものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
(1)原料金
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%未満が好ましい。更に好ましくは0.005重量%未満であり、最も好ましくは0.001重量%未満である。不可避不純物が少ない程有害元素を除去出来るため信頼性が向上して好ましい。
(2)〔Co,Zn〕
a)前記高純度金に所定量のMnと所定量の第2群元素のうち少なくとも1種との共存において、所定量のCo,Zn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本発明の課題を達成することが出来る。
【0012】
b)前記共存組成において0.1〜1.0重量%のMnと1〜1000重量ppm の第2群元素のうち少なくとも1種と共存したCo,Znのうち少なくとも1種の含有量が0.1重量%以上になるとこれを含有しないものと対比して高温接合性が向上してくる。Co,Znのうち少なくとも1種の含有量が1.0重量%を越えるとICチップの割れが生じてくる。この為共存組成に於けるCo,Znのうち少なくとも1種の含有量は0.1〜1.0重量%と定めた。
(3)Mn
a)高純度金に所定量の第1群元素のうち少なくとも1種と所定量の第2群元素のうち少なくとも1種との共存において、所定量のMn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。
【0013】
b)前記共存組成において0.1〜1.0重量%の第1群元素のうち少なくとも1種と1〜1000重量ppm の第2群元素のうち少なくとも1種と共存したMnの含有量が0.1重量%以上になると、これを含有しないものと対比して高温接合性が向上してくる。Mnの含有量が1.0重量%を越えるとICチップの割れが生じてくる。この為共存組成に於けるMnの含有量は0.1〜1.0重量%と定めた。
(4)〔La,Y,Gd,Be,Ca,Eu〕
a)高純度金に所定量の第1群元素のうち少なくとも1種と所定量のMnとの共存において、所定量の第2群元素のうち少なくとも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。
【0014】
b)前記共存組成において0.1〜1.0重量%の第1群元素のうち少なくとも1種と0.1〜1.0重量%のMnと共存した第2群元素のうち少なくとも1種の含有量が1重量ppm 以上になると、これを含有しないものと対比して、振動破断率が向上してくる。第2群元素のうち少なくとも1種の含有量が1000重量ppm を越えるとボール真球度が悪くなる。。この為共存組成に於ける第2群元素のうち少なくとも1種の含有量は1〜1000重量ppm と定めた。
【0015】
c)更に前記共存組成において所定量の第2群元素のうち少なくとも1種が次の3種類の場合は、Caを単独で1重量ppm 以上10重量ppm 未満含有する場合と対比してボール真球度が一段と向上してくる。
この為、前記共存組成において所定量の第2群元素のうち少なくとも1種が次の3種類のうち何れか1つであることが好ましい。
【0016】
i)La,Y,Gd,Be,Euのうち少なくとも1種を1〜1000重量ppm
ii)Caを10〜1000重量ppm
iii) Ca及びLa,Y,Gd,Be,Euのうち少なくとも1種を各々5重量ppm 以上且つその合計で10〜1000重量ppm
(5)〔Zr,Cr,Mo〕
金合金線に所定量の第1群元素と所定量のMnと所定量の第2群元素が高純度金に含有されている限り、本発明の効果は他の元素を含有させても基本的に維持される。一般的には他の元素の含有量が1.0重量ppm 以下であれば本発明による相乗効果が維持される。他の元素を含有させた例としてZr,Cr,Mo(以下「第3群元素」という)のうち少なくとも1種が更に0.1〜1.0重量%含有された場合において、同様の効果が維持出来ることが例示出来る。
(6)金合金線の製造方法
本発明の金合金線の好ましい製造方法を説明する。
【0017】
高純度金に所定量の各元素を添加し、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。
(7)用途
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際、超音波併用熱圧着ボンディング法を用いた配線材料として好ましく用いられる。また、半導体装置のICチップ等の電極バンプ形成用としても有用である。半導体装置はその後樹脂封止をして仕上げられる。
【0018】
【実施例】
表1〜4に示す実施例及び比較例について説明する。
(実施例1)
純度99.999重量%の高純度金に所定量のCo,Mn,La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い更に表面処理剤を被覆して金合金線に仕上げた。
【0019】
この金合金線を全自動ボンディングマシン(新川株式会社製UTC−100型)を用いて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ピン数96個のボンディング試料(この樹脂封止前の試料を「ボンディング試料」という)を作成した。次いで該ボンディング試料をエポキシ樹脂で樹脂封止した半導体試料(この樹脂封止後の試料を「半導体試料」という)を作成した。これらの試料を用いて次の試験を行った。
〔高温接合性試験〕
前記半導体試料を用いて事前に端子間の電気抵抗を測定した。次いで高温槽を用いて200℃で2,000時間保持して高温加速試験を行った後、同一端子間の電気抵抗を測定し、電気抵抗の変化が1Ω以上となった場合不良箇所とした。試験は4個の半導体試料から任意に100カ所選定して測定した。不良箇所の数を高温放置不良率として表1に示した。
〔ボール真球度〕
全自動ボンディングマシンにて大気中でボールを作成し、1000倍の測定顕微鏡を用いてボールの縦、横長さを測定し、次式によってボール真球度を算出した。10個のボールについて測定し、その平均値をボール真球度として表1に示した。
【0020】
ボール真球度=(短径)/(長径)
〔振動破断率〕
前記ボンディング試料を搬送用マガジンに挿入したものを振動試験機に固定し、試料を振動させた。振動は周波数100Hz、変位量0.1mmとして繰り返し与えた。20000回の振動を与えた後、実体顕微鏡にて破断したワイヤ本数を数えた。試験は4個のボンディング試料から任意に選定した100本のワイヤ中のワイヤ破断数を振動破断率として表1に示した。
〔チップ割れ〕
前記ボンディング試料をKOH 1wt%水溶液中に約30分浸漬し、ICチップ上のAl電極膜を除去した後、ICチップ表面を金属顕微鏡で観察し、チップ割れの有無を観察した。試験は4個のボンディング試料から任意に選定した電極試料数100個中のチップ割れ数をチップ割れ不良率として表1に示した。
(実施例2〜53)(比較例1〜17)
金合金線の組成を表1〜4に示すようにしたこと以外は実施例1と同様にして金合金線に仕上げ、同様の試験を行ってその結果を表1〜4に示した。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】
(試験結果)
(1)高純度金にCo,Zn(第1群元素)のうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%、La,Y,Gd,Be,Ca,Eu(第2群元素)のうち少なくとも1種を1〜1000重量ppm 共存して含有した組成である実施例1〜39は高温放置不良率が0%、ボール真球度が0.95〜0.99、振動破断率が0〜5%、チップ割れ不良率が0%と優れた効果を示した。
(2)この中でも第2群元素のうち少なくとも1種が次の3種類のうち何れか1つである場合は、Caのみを1〜10重量ppm 未満含有する実施例23と対比して振動破断率が5%に対して0%と更に優れた効果を示す様になる。この為共存元素としての第2群元素のうち少なくとも1種は次の3種類のうち何れか1つであることが好ましい。
【0026】
i)La,Eu,Y,Beのうち少なくとも1種を1〜100重量ppm
ii)Caを10〜100重量ppm
iii) CaとLa,Eu,Y,Beのうち少なくとも1種とを合計1〜100重量ppm
(3)更にZr,Cr,Mo(第3群元素)のうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%含有させた実施例40〜53は高温放置不良率が0%、ボール真球度が0.95〜0.99、振動破断率が0%、チップ割れ不良率が0%と同様に優れた効果を示した。
(4)高純度金に第1群元素のうち少なくとも1種又はMnのみを含有する比較例1〜3は高温放置不良率が68〜77%、振動破断率が22〜35%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(5)高純度金に第2群元素のうち少なくとも1種を含有しない比較例4は振動破断率が33%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(6)高純度金に第1群元素のうち少なくとも1種を含有しない比較例5〜7は高温放置不良率が58〜72%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(7)高純度金にMnを含有しない比較例8,9は高温放置不良率が61〜64%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(8)高純度金に第2群元素のうち少なくとも1種のみを含有する比較例10〜11は高温放置不良率が100%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(9)高純度金に含有する第1群元素のうち少なくとも1種又はMnの含有量が1重量%を越える比較例12〜15はチップ割れ不良率が51〜68%であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
(10)高純度金に含有する第2群元素のうち少なくとも1種の含有量が1000重量%を越える比較例16〜17はボール真球度が0.60〜0.65であり本願の構成である実施例1〜53の方が優れていることがわかる。
【0027】
【発明の効果】
本発明により高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%、La,Y,Gd,Be,Ca,Euのうち少なくとも1種を1〜1000重量ppm 含有させた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、高温で長時間の環境に保持した後の接合性の信頼性が向上すると共に、ボール真球度に優れ、振動破断率が小さく、ICチップの割れが少ない金合金線とすることが出来る。
【0028】
前記含有成分に加えて0.1〜1.0重量%のZr,Cr,Mo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。
【図面の簡単な説明】
【図1】ワイヤボンディング法により金合金線を用いてICチップとリードフレームの間を接続した様子を示す。
【符号の説明】
1…ICチップ
2…Al電極
3…金合金線
4…リードフレーム
5,6…接合点
Claims (4)
- 高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%及びLa,Y,Gd,Be,Ca,Eu、のうち少なくとも1種を1〜1000重量ppm 含有させたことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
- 高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%及びCaを10〜1000重量ppm 含有させたことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
- 高純度金にCo,Znのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%、Mnを0.1〜1.0重量%、Ca及びLa,Y,Gd,Be,Eu、のうち少なくとも1種を各々5重量ppm 以上且つその合計で10〜1000重量ppm 含有させたことを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
- 更にZr,Cr,Moのうち少なくとも1種を0.1〜1.0重量%含有させたことを特徴とする請求項1〜3記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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