JP3969671B2 - Ａｕ合金ボンディング・ワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体の集積回路素子上の電極と回路配線基板の外部リードを接続するために使用する半導体素子のワイヤボンディング用のＡｕ合金ボンディング・ワイヤに関し、更に詳しくは、第一ボンドと第二ボンドの接合性が向上されたＡｕ合金ボンディング・ワイヤ、ならびに溶融ボールの真球度と圧着ボールの真円度が向上されたＡｕ合金ボンディングワイヤに関する。
従来、半導体装置に用いられる半導体チップ電極と外部リードを接続する線径２５〜３５μｍ程度の線としては、純度９９．９９質量％以上の高純度金からなるＡｕ合金ボンディング・ワイヤが多用されている。通常、Ａｕ合金ボンディング・ワイヤを接続する方法においては、第一ボンドでは、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。この方法では、ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にボール部を圧着接合せしめ、その後の第二ボンドでは、直接ボンディング・ワイヤを外部リード側に超音波圧着によりウェッジ接合させる。
トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディング・ワイヤによるボンディングの後に、半導体チップ、ボンディング・ワイヤ、および半導体チップが取り付けられた部分のリードフレーム等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。
最近は、半導体装置の小型化、薄型化、高機能化および高信頼性化の要求が高まる中で、金ボンディング・ワイヤに必要とされる特性も多様化しており、半導体チップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、金ボンディング・ワイヤをより細線化しても、なおかつ、所要の強度、あるいは第一ボンドにおけるボールの真円度や第二ボンドにおける接合信頼性等、更には接合の長期信頼性が要求されている。
特に半導体装置の一層の小型化、薄型化および高機能化に伴い、半導体装置の大きさが小さくなっている。それに伴って、単位面積あたりの入出力端子の数が増大して、Ａｌパッドピッチ（パッド中心間距離）の大きさも１００μｍから８０μｍ、６０μｍへと小さくなってきている。このためボンディング・ワイヤの線径も２５μｍから２３μｍ以下へと細くなり始めており、一部では１０μｍ台の線径の試みもなされているようである。
ところが、ボンディング・ワイヤの線径が細くなると、ワイヤ自身の絶対的な剛性が低下するため、２５μｍの線径では問題にならなかったような不具合が発生するようになった。
例えば、線径減少の結果として剛性が低下すると、第一ボンドと第二ボンドの間に張られたワイヤが左右に倒れ、隣接するワイヤ同士の間隔が狭くなったり接触したりする、いわゆる「リーニング」と呼ばれる不具合が発生する。
また、高密度化に伴って、接合点での発熱量が増し、高温環境で長時間使用されるようになると、第一ボンドにおけるＡｕワイヤとＡｌパッド間の界面における金属間化合物の成長が急速に進むようになった結果、生成した金属間化合物によりボール接合性を低下させる不具合が発生することが目立つようになる。
さらに、封止樹脂に含まれる成分に影響された腐食も問題となってきている。
これらの問題を解決するために、いろいろな元素をいろいろな割合で添加することが試みられてきた。純Ａｕ線から、Ｐｄ等の貴金属元素をＡｕに含有させるなどしてＡｕ合金線が導入されて剛性を高めたり、単数または複数の微量元素を添加することによって各種の性能の向上が図られてきた。ボンディング・ワイヤ（ボール）と接合相手であるＡｌ合金との界面におけるＡｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させ金属間化合物の成長を抑制したりするのも、その一例である。
ところで、Ａｕ合金ワイヤに微量元素を添加した場合、Ａｕ合金ワイヤに比較して、微量元素を高濃度にすればするほどＡｕ合金ワイヤの絶対的な剛性が高くなり、各種の性能が向上する反面、望ましくない性能も合わせて現出することもある。ループ形成性が向上する傾向にある場合に、Ａｕ合金マトリックスに添加した元素によってＡｕボールの形成性が悪くなってしまうなどの例が挙げられる。ウェッジ接合性が悪くなる傾向にある場合もある。さらに、Ａｕ合金マトリックスに含有させた添加元素によってＡｕ合金のボールの硬度が上昇してしまう欠点がでるものもある。
そのため、溶融ボールの形状や圧着ボールの形状がいびつになり、狭いピッチ間隔のボール・ボンディングが困難となる等の問題とか、チップ割れの比率が上昇する問題があり、微量元素を多量に添加させることはできない。例えば、Ｃａを単独で添加して強度を確保していた場合、Ｃａは極細線の表面に部分的に析出することがあり、この表面析出したＣａが酸化され表面酸化膜を形成する結果、第一ボンドのボール形状や接合性が安定しないために、圧着ボールの真円度が悪かったり、第二ボンドのウェッジ接合性を悪くしたりすることがあった。
また、添加する元素が多種類で複雑になると、Ａｕ合金中ではこれらの元素が複雑に機能して溶融ボールの表面に析出するため、良好な初期接合が得られず、信頼性の高い第一ボンドと第二ボンドの接合性が得られなくなる傾向が強まる。
結局、極細線に要請される線材の性能を満足させるべく、合金元素の種類と添加量を調整して、バランスをとってきていたのが実情であり、極細線に要請される線材の性能が高度化するにつれて、組み合わせの探求に終わりはないといえる。
いくつかの文献に基づいて、従来技術における合金元素の添加を見てみる。
特許文献１には、「高純度Ａｕに、高純度のＰｄを１ｗｔ％含有せしめると共に、Ｆｅ，Ｓｉ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｇｅ，Ｙ，Ｓｃ，希土類元素の中から少なくとも１種を、総添加量０．０００１〜０．００５ｗｔ％含有せしめてなる半導体素子用ボンディング線」が記載されている。ここでは、「線径２５μｍのボンディング線」が実施例として示されている。
特許文献２には、「Ｃａを０．０００３〜０．００３重量％含み、Ｍｇを０．０００５〜０．０１重重％含み、更にＰｔ、Ｐｄ、Ｃｕのうちの１種以上を合計で０．０１〜２．０重量％含み、残部がＡｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤ」が記載されている。、ここでは、「直径０．０２５ｍｍの合金線」が実施例として示されている。
特許文献３には、「金合金が銅０．５〜０．９重量％、白金０．０５〜０．９５重量％、残部金からなることを特徴とする半導体構成素子を接触するための金合金からなる極細線」、さらに「アルカリ土類金属および希土類金属の群からの少なくとも１つの元素０．０００１〜０．１重量％」を加えたものが記載されている。ここで、「アルカリ土類金属がベリリウム、マグネシウムおよび／またはカルシウム」であり、「希土類金属がセリウム」とされている。ここでは、「直径３０μｍ」が実施例として示されている。
特許文献４には、「セリウムミッシュメタルを含有する金合金から成る、半導体構造部材の接触のための極細線において、金合金が白金０．０５〜０．９５重量％、セリウムミッシュメタル０．００１〜０．１重量％、アルカリ土類金属０〜０．１重量％、残りは金から成り、かつ前記の希土類金属の少なくとも５０重量％がセリウムから成ることを特徴とする、セリウムミッシュメタルを含有する金合金から成る極細線」が記載されており、「アルカリ土類金属がベリリウム及びカルシウムから成る混合物」であること、「白金が部分的に又は完全にパラジウムによって代用され」るとされている。ここでは、従来技術に関して、「線の直径は約１０〜２００マイクロメ−トルであってよく、通常は約２０〜６０マイクロメ−トルである。それは使用目的により選択される。」と記載され、「３０マイクロメ−トルの直径を有する線」、「直径２５マイクロメ−トルを有する線及び直径３０マイクロメ−トルを有する線」が実施例として示されている。
特許文献５には、「高純度金にＺｎ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｃｒのうち少なくとも１種を０．１〜３．０重量％、Ｌａ，Ｅｕ，Ｂｅ，Ｙ，Ｃａのうち少なくとも１種を１〜１００重量ｐｐｍ含有させたことを特徴とする半導体素子のワイヤボンディング用金合金線」が記載されており、さらに、「Ｂｉ，Ｙｂ，Ｓｂ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｒｕ，Ｉｒのうち少なくとも１種を１〜５００重量ｐｐｍ含有させ」ること、また、「更にＰｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇのうち少なくとも１種を０．０１〜２．０重量％含有させ」ること、ができるとされている。ここでは、「直径３０μｍ」が実施例として示されている。
特許文献６には、「封止樹脂は、臭素濃度を０．１質量％以下であり、Ｐ、Ｍｇ、Ａｌの少なくとも１種以上の元素の総計濃度（Ｒp）を０．０１質量％以上含有する樹脂」である場合の「金合金ボンディングワイヤ」であって、「Ｃ1＝Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度」、「Ｃ2＝Ｃａ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｙから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度」、「Ｃ3＝Ｌａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｇ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素の総計濃度」として、「Ｃ1＝０．００５〜１．５質量％」である「金合金ボンディングワイヤ」；「Ｃ1＝０．００５〜１．５質量％」＋「Ｃ2＝０．００１〜０．０６質量％」＋「Ｃ3＝０．００１〜０．０５質量％」である「金合金ボンディングワイヤ」が記載されている。ここでは、「ワイヤ径が１８μｍ未満」のものについての言及があるものの、「最終線径が２０μｍ」のものが実施例として示されている。
特許第３０６４６９２号公報 特開平９−３２１０７５号公報 特開平１１−２２２６３９号公報 特開平１１−８７３９６号公報 特開平１１−２１４４２５号公報 特開２００３−１３３３６２号公報
本発明は、線径が２３μｍ以下の細いワイヤであっても、Ａｕ−Ｐｄ等のＡｕ合金マトリックス中で微量元素が偏析することなく均一に分布し、Ａｕ−Ａｌの相互拡散を遅延させることができ、リーニングが発生せず、溶融ボールの真球度が維持され、さらに圧着ボールが良好な真円度を有することができる、ボンディング・ワイヤを提供することをその課題とし、また、微量元素を適度に組み合わせることによって、大気中でボール・ボンディングしてもその溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成することのなく、接合性が良好で、経時的にも金属間化合物生成の傾向が低いボンディング・ワイヤを提供することを他の課題とし、さらに、これまではボール・ボンディングでは余り考慮されてこなかった超音波圧着による第二ボンドのウェッジ接合性を向上したボンディング・ワイヤを提供することをさらに他の課題とする。これらの課題は、全微量元素の添加量が１００ｐｐｍ以下の場合でも妥当する。
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示すＡｕ合金ボンディング・ワイヤが提供される。
（１） ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＣｅと、Ｂｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉのうちの少なくとも１種を、おのおのが５〜１００質量ｐｐｍでかつＢｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの合計で５〜１００質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（２） ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＢｅと、Ｙ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉのうちの少なくとも１種とからなり、微量元素の内のＹ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの、おのおのが５〜１００質量ｐｐｍでかつＹ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの合計で１００質量ｐｐｍ以下であるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（３） ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、ＣａおよびＳｎのいずれかを５〜３０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（４） ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、Ｃａ、ＣｅおよびＳｎのうちの２種を、おのおのが５〜３０質量ｐｐｍでかつ２種の合計で１０〜６０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（５） ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、Ｃａ、ＣｅおよびＳｎの３種を、おのおのが５〜３０質量ｐｐｍかつ３種の合計で１５〜９０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（６） 全微量元素の合計が１００質量ｐｐｍ以下である（１）〜（５）の何れかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
（７） 線径が２３μｍ以下である（１）〜（５）のいずれかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
本発明のＡｕ合金によれば、ボンディング・ワイヤの線径が２３μｍ以下の細い線径であっても、２３μｍを超える線径の場合と同様に、Ａｕ−Ａｌの相互拡散の遅延させる効果とウェッジ接合性の向上効果、リーニングの抑制効果、溶融ボールの真球度向上効果、並びに圧着ボールの真円度向上効果を併せ持つことができる。本発明では、従来のように微量元素は３００質量ｐｐｍを超えて添加させる必要性がないので、大気中でボール・ボンディングしても、その溶融ボールが極細線の表面に酸化膜が形成されることのないボンディングワイヤを実施することができる。
本発明のＡｕ合金ボンディング・ワイヤは、マトリックス合金として、（ｉ）Ａｕと（ｉｉ）Ｐｄ及び／又はＰｔを含有し、そのマトリックス合金中に含有させる微量元素を調整・選定することによって、所望の性能を得るものである。そして、得ようとする性能において、大別して２グループをなす。
その第１のグループは、第１ボンド・第２ボンドの接合性・経時安定性（長期信頼性）を主に図るもので、第１発明と第２発明に規定される。
その第２グループは、圧着ボールの真円度とそれに大きく影響を及ぼす溶融ボールの真球度の向上を主に図るもので、第３から第５の発明に規定される。
第１のグループに属する第１発明（請求項１）では、マトリックス合金中に含有させる微量添加元素は、（ｉｉｉ）ＭｇとＣｅとを必須の微量添加元素とするほか、（ｉｖ）Ｂｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｅｕ及びＳｉの中から選ばれる少なくとも１種の元素を組み合わせたものであり、第１のグループに属する第２発明（請求項２）では、マトリックス合金中に含有させる微量添加元素は、（ｖ）ＭｇとＢｅとを必須の微量添加元素とするほか、（ｖｉ）Ｙ、Ｌａ、Ｅｕ及びＳｉの中から選ばれる少なくとも１種類の元素を組み合わせたものであってＣｅを含まないものである。
第２のグループに属する第３発明（請求項３）では、マトリックス合金は第１のグループに属する発明と同じくし、マトリックス合金中に含有させる微量添加元素は、（ｖｉｉ）ＭｇとＳｉとＢｅとを必須の微量添加元素とするほか、（ｖｉｉｉ）ＣａおよびＳｎのいずれかの元素を組み合わせたものであり、第２のグループに属する第４発明（請求項４）では、マトリックス合金中に含有させる微量添加元素は、（ｖｉｉ）ＭｇとＳｉとＢｅとを必須の微量添加元素とするほか、（ｖｉｉｉ）Ｃａ、ＣｅおよびＳｎのうちの２種の元素を組み合わせたものであり、第２のグループに属する第５発明（請求項５）では、マトリックス合金中に含有させる微量添加元素は、（ｖｉｉ）ＭｇとＳｉとＢｅとを必須の微量添加元素とするほか、（ｉｘ）Ｃａ、ＣｅおよびＳｎの３種の元素を添加したものである。
本発明において用いるマトリックス合金において、そのＡｕは高純度Ａｕであって、その純度は９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。また、そのＰｄ及び／又はＰｔは、高純度のもので、その純度は、９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。
Ｐｄ、Ｐｔを多く含有するとボールが硬くなり、チップ割れを起こし易くなるので、マトリックス合金中のＰｄ及び／又はＰｔの含有量は、合計でマトリックス合金中に２質量％以内、好ましくは１．５質量％までが良い。また、安定した効果を発揮するためには、その下限は０．０８質量％以上、より好ましくは０．２質量％以上である。
また、Ｐｄ、Ｐｔは、第一ボンドの長期信頼性においても効果があり、１７５℃高温放置試験において、
・０．２質量％以上含有では２０００時間以上、
・０．０８質量％以上含有では１５００時間以上、
・０．０５質量％以上含有では１０００時間以上、
不良が発生しないことが確認されている。
マトリックス合金中にＰｄとＰｔの両方を添加するときには、両者の添加割合の比には、特に制限はない。ＰｄもＰｔもＡｕに対して同等のマトリックス効果を発揮するからである。
前記マトリックス合金（Ａｕ合金）中に含有させる微量元素において、そのＭｇの純度は９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。その含有量は、第１のグループに属する発明においても、第２のグループに属する発明においても、マトリックス合金に対して、１０〜１００質量ｐｐｍ、好ましくは４０〜８０質量ｐｐｍである。
Ｍｇは、Ａｕ合金マトリックス中において、第一ボンドにおける真円度および超音波圧着による第二ボンドのウェッジ接合性を向上させることができる元素であることがわかった。Ｍｇは１０〜１００質量ｐｐｍ含有していると、上記の真円度およびウェッジ接合性の向上効果を示す。１０質量ｐｐｍ未満では、真円度およびウェッジ接合性を向上させることができず、１００質量ｐｐｍを超えるとボール表面にＭｇが析出して酸化するため、第一ボンドにおける接合性が悪化する。Ｍｇは４０質量ｐｐｍ以上で第二ボンドのウェッジ接合性をより向上させるが、８０質量ｐｐｍ以下では溶融ボールの真球度がより安定する。
本発明で溶融ボールの真球度は、ワイヤの無い側からワイヤの長手方向へ溶融ボールを見て溶融ボールの縦横の直径を測定し、その比（横の直径／縦の直径）で定義する。その値は０．９９〜１．０１、好ましくは０．９９５〜１．００５である。また、圧着ボールの真円度は、超音波の印加方向に平行方向の圧着径と垂直方向の圧着径を測定し、その比（垂直方向の圧着径／平行方向の圧着径）で定義する。その値は０．９８〜１．０２、好ましくは０．９９〜１．０１である。
前記マトリックス合金（Ａｕ合金）中に含有させる微量元素において、そのＣｅの純度は、９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。
その含有量は、マトリックス合金に対して、第１のグループにおいては５〜１００質量ｐｐｍ、第２のグループにおいては５〜３０質量ｐｐｍである。
前記Ａｕ合金マトリックス中に含有させる微量元素において、そのＢｅの純度は、９８．５質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。Ｂｅの含有量は、マトリックス合金に対して、第１のグループにおいては５〜１００質量ｐｐｍ、第２のグループにおいては５〜３０質量ｐｐｍである。
Ａｕ合金マトリックスにおけるＢｅは、第一ボンドにおける真円度を向上させる。Ｂｅは５質量ｐｐｍ未満では上記の真円度向上効果をもたらすことができず、３０質量ｐｐｍを超えると溶融ボール表面に酸化物が多数生成するため、第一ボンドにおける接合性が悪くなる。
前記Ａｕ合金マトリックス中に含有させる微量元素において、そのＳｉの純度は９９．９９質量％以上、好ましくは９９．９９９質量％以上である。
Ｓｉの含有量は、マトリックス合金に対して、第１のグループにおいては５〜１００質量ｐｐｍ、第２のグループにおいては５〜３０質量ｐｐｍである。
Ａｕ合金マトリックスにおけるＳｉは、ループ形成性と圧着ボールの真円度を維持する元素である。Ｓｉは５質量ｐｐｍ未満では上記のループ形成性を維持することができず、３０質量ｐｐｍを超えると真円度が得にくくなる。
前記Ａｕ合金マトリックス中に含有させる微量元素において、そのＧｄの純度は、９９質量％以上、好ましくは９９．５質量％以上である。
Ｇｄの含有量は、マトリックス合金に対して、第１のグループにおいては５〜１００質量ｐｐｍである。
Ａｕ合金マトリックスにおけるＧｄは、ループ形成性と圧着ボールの真円度を維持する元素である。Ｇｄは、５質量ｐｐｍ未満では上記のループ形成性を維持することができず、３０質量ｐｐｍを超えると真円度が得にくくなる。
前記Ａｕ合金マトリックス中に含有させる微量元素において、そのＣａの純度は、９９質量％以上、好ましくは９９．５質量％以上である。Ｃａの含有量は、マトリックス合金に対して５〜３０質量ｐｐｍである。
Ａｕ合金マトリックスにおけるＣａは、ワイヤの強度を向上させる。Ｃａは、線径が２３μｍ以下の細いワイヤであっても、極細線自身の剛性を増すことにより、ループ形成性を維持するとともに、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円度を維持することができる元素であることがわかった。Ｃａは、５質量ｐｐｍ未満では上記の真円度向上効果をもたらすことができない。Ｃａは３０質量ｐｐｍを超えると溶融ボールの底部にくぼみができやすくなるので、溶融ボールを形成してから半導体装置の電極に接続してボールボンドするボンディング・ワイヤにあっては、マトリックス合金に対し５〜３０質量ｐｐｍの範囲が好ましい。
また、Ｃａを所定量添加すると、ループ形成性および真円度を同時に満足させるワイヤが得られる。
一方、前記Ａｕ合金マトリックス中の全微量元素の総合計が１００質量ｐｐｍを超えると、溶融ボール表面に酸化物が生成しやすくなるため、偶発的に、第一ボンドにおける接合性が悪くなることがある。
前記マトリックス合金（Ａｕ合金）中に含有させる微量元素において、ＣｅとＹ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｓｎの各々の元素の純度は、９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上である。
それぞれの含有量は、マトリックス合金に対して、５〜１００質量ｐｐｍ、好ましくは、Ｌａにおいては５〜８０質量ｐｐｍ、それ以外の元素においては５〜３０質量ｐｐｍである。
上述したように、ＣｅとＹ、Ｇｄ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｅｕは、Ａｕ合金マトリックス中において、線径が２３μｍ以下の細い線径であっても、極細線自身の剛性を増すことにより、ループ形成性を維持するとともに、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円度を維持することができる元素であることがわかった。
ＣｅとＹ、Ｇｄ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｅｕは、１元素あたりの量が５質量ｐｐｍ未満では、Ａｕ−Ｐｄ等合金ワイヤのループ形成性を維持することができず、また、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円度を維持することができ難い。また、１元素あたりの含有量が１００質量ｐｐｍか、もしくはこれらの元素の合計が１００質量ｐｐｍを超えると、溶融ボールがいびつに変形したり、極細線自身の剛性が大きくなりすぎて半導体チップを割ってしまいやすくなったりする。１元素あたりの含有量が３０質量ｐｐｍ以下であれば、圧着ボールの真円度がより安定する。
また、Ａｕ−Ｐｄ等のＡｕ合金マトリックスの溶融ボール表面に微量元素が析出し、酸化することにより、第一ボンドにおいて接合性が悪化したり、圧着ボールの真円度が悪くなったりすることがある。真円度向上効果は、高い順に、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｙ、Ｇｄであった。すなわち、Ｃｅとの組み合わせでは、Ｃｅ−Ｓｉ、Ｃｅ−Ｂｅ、Ｃｅ−Ｌａ、Ｃｅ−Ｙ、Ｃｅ−Ｇｄの順である。また、Ｂｅとの組み合わせでは、Ｂｅ−Ｓｉ、Ｂｅ−Ｃａ、Ｂｅ−Ｅｕ、Ｂｅ−Ｙの順である。
本発明で用いる微量元素である、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉは、すべて、高純度のＡｕ−Ｐｄ等合金に対して適度な組み合わせで希薄な含有量だけ添加されるので、Ａｕ合金中で偏析することなく均一に含有することができ、Ｚｎや多量のＣａの単独添加のように、Ａｕ合金の表面に意図しない状態で析出して酸化膜を形成することがない。したがって、上述のように適切な量範囲でＭｇ、Ｃｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、Cａ、Ｅｕ、ＬａおよびＳｉを組み合わせることによって、Ａｕ合金ボンディング・ワイヤにおける相互拡散の遅延効果に加え、ウェッジ接合性の向上効果、並びに溶融ボールの真球度向上効果、極細線におけるループ形成効果、圧着ボールの真円度向上効果を併せ持たせることができる。
これまでＭｇと希土類元素とをＡｕ−Ｐｄ合金ボンディング・ワイヤに共添加することは文献上は知られていたし（特許文献３〜６）、実際に共添加した例もあった（特許文献６）。しかし、特許文献３に記載のＺｎを含むＡｕ合金は、極細線上に酸化膜を簡単に形成しやすいため、極細線が細くなればなるほど圧着ボールの真円度が得られにくくなる。また、３０質量ｐｐｍを超えてＣａを含むＡｕ合金は、他の添加元素の有無にかかわらず不規則に表面へ析出して酸化するため、Ａｕ合金マトリックスでは第一ボンドの接合信頼性や圧着ボールの真円度が得られないという不具合がある。
これまで、Ｍｇ等が高純度のＡｕ−Ｐｄ等のＡｕ合金マトリックス中で分布性が良い元素であり、かつ、大気中でボール・ボンディングしても溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成されることがない微量元素であることは知られていなかった。したがって、本発明のように、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｅｕ、を適量範囲で適当な種類、組み合わせることによって、これらの微量元素がすべてＡｕ合金マトリックス中で分布性が良い微量元素であり、表面析出を起こさないことから、ボンディング・ワイヤとしての安定した品質が得られるということは、予測不可能であった。
次に、本発明を実施例および比較例により詳述する。
［実施例１〜８１］
表１に第１のグループの実施例（１〜５７）、表２に第２のグループの実施例（５８〜８１）の各試料の成分組成を示す。純度９９．９９９質量％の高純度Ａｕと純度９９．９９質量％の高純度Ｐｄ、Ｐｔとの合金に、微量元素として表１および表２に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。これを伸線加工して、線径が２５μｍ、２０μｍまたは１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整した。なお、各ボンディング・ワイヤの伸びと引張り強さは、１０ｃｍ長に切り出したワイヤを各１０本引張り試験し、その平均値を求めることで評価した。
この極細線をＳｉチップ上の５０μｍ角のＡｌパッド（Ａｌ膜厚：約１μｍ）に大気中で超音波併用熱圧着方式によるボール・ボンディング法により第一次ボンディングをし、その後Ａｇめっきされた４２アロイから成るリードとの間で超音波併用熱圧着方式によるウェッジ方式ボンディング法により第二次ボンディングをして結線した。その際、ループ・スパンは５ｍｍ、ループ高さは２００μｍとし、２００点のＡｌパッドを有する「２００ピンのＱＦＰ（パッケージ）」を用いた。第一ボンドではすべてのボールが５０μｍのＡｌパッド内に形成されていた。また、第二ボンドではすべてリード上に強固に接合されていた。結線したワイヤの内、任意の４０本のワイヤを用いて各評価を行った。その評価結果を、第１グループの実施例については表４に、第２グループの実施例については表５にそれぞれ示す。
［比較例１〜２３］
表３に実施例と微量元素の成分組成が異なる比較例の各試料の組成を示す。なお、比較例１〜１７は第１のグループに対応する比較例であり、比較例１８〜２３は第２のグループに対応する比較例である。
Ａｕ合金極細線は実施例と同様に、線径が２５μｍ、２０μｍまたは１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整し、実施例１と同様に評価した。その評価結果を表６に示す。
実施例および比較例の各ボンディング・ワイヤの特性は、以下のようにしてそれぞれ評価した。
第一ボンドおよび第二ボンドの「ボンドの良否」の評価は、５０００本のループを形成したときに、剥離等の不良がでなかったものを良好であるとして◎印で、１本発生した場合は○印で、２本以上の場合は△印で示した。
「Ａｕ−Ａｌの形成量」は、Ａｌパッドを１０％のＮａＯＨ水溶液中で溶かし、接合面を走査電子顕微鏡にて観察し、接合面におけるＡｕ−Ａｌが合金化した部位の割合を求めた。接合面の７０％以上でＡｕ−Ａｌが形成された場合は特に良好であるとして◎印で、５０％以上７０％未満の場合は良好であるとして○印で、５０％未満の場合は普通であるとして△印で示した。
「溶融ボールの真球度」の評価は、溶融ボールの下面（ワイヤ側が上面）の縦横の直径を測定し、その比が、０．９９５〜１．００５の範囲にあるものを◎印で、左記を除き、０．９９〜１．０１の範囲にあるものを○印で示した。これらの範囲を外れた場合は△印で示した。測定は、各１０試料を選定して行い、その平均値を示した。但し、実施例５８、６２、７２については、試料数を５０に増加して、第２のグループにおけるばらつきの程度を精度を上げて確認した。
「圧着ボールの真円度」の評価は、超音波の印加方向に平行方向の圧着径および垂直方向の圧着径を測定し、その比が、０．９９〜１．０１の範囲にあるものを◎印で、左記を除き、０．９８〜１．０２の範囲にあるものを○印で示した。これら以外を△印で示した。測定は、第１のグループに関しては各２００試料を選定して行い、第２のグループに関しては各５０００試料を選定して行い、その平均値を示した。
「プルテスト」の評価は、ループ・スパンの中央付近をフックで上方に持ち上げ、破断したときの荷重で判断した。線径が２５μｍのときは６×１０ｍＮ以上を◎印で、４×１０〜６×１０ｍＮの範囲にあるものを○印で、４×１０ｍＮ未満を△印で示した。
また、線径が２０μｍのときは６×１０ｍＮ以上を◎印で、２．５×１０〜４×１０ｍＮの範囲にあるものを○印で、２．５×１０ｍＮ未満を△印で示した。さらに、線径が１５μｍのときは２×１０ｍＮ以上を◎印で、１×１０〜２×１０ｍＮの範囲にあるものを○印で、１×１０ｍＮ未満を△印で示した。
「総合評価」は、上記６つの評価のうち、◎が３つ以上かつ、△がないものを特に良好として◎印で、◎が２つ以下で△がないものを良好として○印で、△が１つでもあるものは普通として△印でそれぞれ示した。
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上記の結果から明らかなように、本発明のＡｕ合金ボンディング・ワイヤは、微量元素の添加量が規定値内であれば、極細線の線径が２３μｍ以下になっていっても満足のいくボンディング効果が得られることがわかる。
それに対して、比較例においては、以下に述べるとおりの理由により、いずれも所期の性能が得られていない。
第１のグループに対する比較例において、
比較例１は本発明で対象としない微量元素Ｃａを含むため。
比較例２は本発明で対象としない微量元素Ｚｎを含むため。
比較例３は微量元素Ｃｅが規定量を超えて含むため。
比較例４は本発明で対象としない微量元素Ｚｎを含み、かつ、本発明で対象とする微量元素Ｍｇを含まないため。
比較例５は本発明で対象としない微量元素Ｃａを含むため。
比較例６は本発明で対象としない微量元素Ｚｎを含むため。
比較例７は本発明で対象とする微量元素ＭｇとＣｅ以外の微量元素を含まないため。
比較例８は本発明で対象とする微量元素Ｍｇを含まないため。
比較例９は本発明で対象とする微量元素のＣｅとＢｅとの組み合わせを含まないため。
比較例１０は本発明で対象とするＭｇとＢｅ以外の微量元素を含まないため。
比較例１１は微量元素Ｂｅが規定量を超えて含むため。
比較例１２は微量元素Ｓｉが規定量を超えて含むため。
比較例１３は微量元素Ｃｅが規定量を超えて含むため。
比較例１４は微量元素Ｍｇが規定量を超えて含むため。
比較例１５は微量元素の合計値が規定量を超えて含むため。
比較例１６は微量元素の合計値が規定量を超えて含むため。
比較例１７は合金元素Ｐｔが規定量に達しないため。
第２のグループに対する比較例において、
比較例１８は微量元素Ｃｅが規定量に達しないため。
比較例１９は微量元素Ｃａが規定量を超えて含むため。
比較例２０は微量元素Ｍｇが規定量を超えて含むため。
比較例２１は微量元素の合計値が規定量を超えて含み、かつ、微量元素Ｃａが上限を超えるとともに本発明で対象とする微量元素のＢｅとＳｉの組み合わせを含まないため。
比較例２２は合金元素Ｐｄが規定量に達しないため。
比較例２３は合金元素ＰｄとＰｔの合計が規定量を超えて含むため。
本発明の合金は、特に自動車搭載用の半導体デバイス、高温になりやすい環境下で使用される半導体に用いられるボンディング・ワイヤに適している。

Claims (7)

  1. ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＣｅと、Ｂｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉのうちの少なくとも１種を、おのおのが５〜１００質量ｐｐｍでかつＢｅ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの合計で５〜１００質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  2. ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜１００質量ｐｐｍのＢｅと、Ｙ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉのうちの少なくとも１種とからなり、微量元素の内のＹ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの、おのおのが５〜１００質量ｐｐｍでかつＹ、Ｌａ、ＥｕおよびＳｉの合計で１００質量ｐｐｍ以下であるＡｕ合金からなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  3. ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、ＣａおよびＳｎのいずれかを５〜３０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  4. ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、Ｃａ、ＣｅおよびＳｎのうちの２種を、おのおのが５〜３０質量ｐｐｍでかつ２種の合計で１０〜６０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  5. ９９．９９質量％以上の高純度Ａｕに９９．９質量％以上の高純度のＰｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させたＡｕ合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金であって、該微量元素が１０〜１００質量ｐｐｍのＭｇと、５〜３０質量ｐｐｍのＳｉと、５〜３０質量ｐｐｍのＢｅと、Ｃａ、ＣｅおよびＳｎを、おのおのが５〜３０質量ｐｐｍでかつ３種の合計で１５〜９０質量ｐｐｍとからなることを特徴とするＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  6. 全微量元素の合計が１００質量ｐｐｍ以下である請求項１〜５の何れかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
  7. 線径が２３μｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載のＡｕ合金ボンディング・ワイヤ。
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