JP4232731B2 - ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子上の電極と外部リードとを接続するために用いるボンディングワイヤに関し、特にファインピッチに対応したボンディングワイヤに関する。
近年、電子機器の小型化に伴い、半導体パッケージにおいても小型軽量の一途をたどっている。これに伴い、使用される材料への要求品質も厳しさを増してきている。具体的には、半導体パッケージの外形寸法が小型化することによる半導体素子の小型化、外部接続のためのリード幅の縮小等があげられる。
ボンディングワイヤを接続するために、半導体素子上には電極が設けられるが、従来は、隣接する電極間の間隔（以下、ボンドピッチと記す。）は、０．０７０ｍｍ〜０．１５ｍｍ程度であった。近年では、ボンドピッチのファインピッチ化が進み、そのボンドピッチが最小で０．０４５ｍｍである半導体素子が量産化されている。
さらに、半導体素子の小型化により、外部接続リードと半導体素子上の電極との距離が長くなる傾向にあり、ボンディングワイヤの長さが５ｍｍを越える半導体パッケージも出現している。
ファインピッチでボンディングする際には、ボンドピッチが狭まっているので、先にボンディングされた隣接するボンディングワイヤにキャピラリが接触し、ループ倒れなどの異常を引き起こすことがある。このため、ボトルネックタイプのキャピラリが使用されている。このキャピラリは、先端部の形状を細くすることで隣接するボンディングワイヤに接触せずにボンディングができるように配慮されたものである。しかし、キャピラリの外形寸法が小さくなるために、キャピラリ内に設けられた円筒孔の内径も小さくする必要がある。
一般的にキャピラリ内に設けられた円筒孔の内面とボンディングワイヤとのクリアランスが狭い場合、ループ形状異常などが発生することから、円筒孔の内面とワイヤとのクリアランスを十分に保つ必要がある。このため、０．０７０ｍｍ以上の広いボンドピッチの場合であっても、使用されるボンディングワイヤは０．０２０ｍｍ〜０．０２５ｍｍの線径のものが使用されている。
一方、前述のように半導体関連の技術進歩はめざましく、今後もさらなるファインピッチ化が予想される。具体的には、ボンドピッチが０．０３０ｍｍ〜０．０４０ｍｍでの実用量産化が予想され、これに伴い、使用されるボンディングワイヤも０．０１２ｍｍ〜０．０２０ｍｍの極細線が使用されることが予測される。
従来、ワイヤボンディング後の樹脂封止工程においては、樹脂注入による圧力によりボンディングワイヤが変形し、隣接するワイヤが接触するという不具合が発生する問題があった。
一般的には、樹脂封止工程でボンディングワイヤが変形することを防止するためには、ワイヤ径を太くしてワイヤの剛性を上げる方法が考えられる。しかし、ボンドピッチのファインピッチ化を進めていくためには、逆にワイヤ径を細くしていく必要がある。そして、前述のように、近い将来、ワイヤ径が０．０１２ｍｍ〜０．０２０ｍｍの極細線が使用されることが予測される。
このような極細線のボンディングワイヤでは、樹脂封止工程で容易にワイヤが変形してしまうと考えられ、ファインピッチ化への大きな阻害要因となる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ファインピッチ（半導体素子上のボンドピッチが０．０３０ｍｍ〜０．０４０ｍｍ）に対応できるヤング率を有し、樹脂封止工程においても曲がりの発生の少ないボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体素子用のボンディングワイヤの第１の態様は、Ａｕを主成分とする半導体素子用のボンディングワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｓｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｚｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｃａを１〜５０質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
本発明に係る半導体素子用のボンディングワイヤの第２の態様は、Ａｕを主成分とする半導体素子用のボンディングワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｓｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｚｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｃａを１〜５０質量ｐｐｍ、および、希土類元素の１種以上を合計で１〜１００質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。なお、本明細書では、希土類元素とはＹとランタノイドを意味する。
このような組成とすることで、該ボンディングワイヤの破断伸び率を１〜３％としたときのヤング率を７００００〜１０００００Ｎ／ｍｍ2と大きくすることができ、ボンディングワイヤの線径を０．０１２〜０．０２０ｍｍと細くしても、樹脂封止時のワイヤの変形を小さく抑えることができる。
本発明によれば、ボンディングワイヤのヤング率を大きくすることができるので、樹脂封止工程においてもワイヤが変形しにくく、曲がりの発生の少ないファインピッチ用ボンディングワイヤを提供することでき、ワイヤの線径を０．０１２〜０．０２０ｍｍと細くしても、樹脂封止工程において曲がりの発生の少ない半導体素子用ボンディングワイヤを提供することできる。
したがって、本発明に係るボンディングワイヤを用いることにより、電子機器の小型化に伴い要求されてきている半導体素子におけるファインピッチ化（半導体素子上のボンドピッチが０．０３０ｍｍ〜０．０４０ｍｍ）にも対応できる。
本発明者は、線径が細く、かつ、樹脂封止工程においても変形しにくいボンディングワイヤを得るためには、ワイヤのヤング係数を大きくすることが必要不可欠と考え、種々の添加元素を加えてワイヤを作製し、鋭意研究を進めた。その結果、Ｓｎ、ＺｎおよびＣａを所定量含有するワイヤとすることで、ワイヤのヤング係数を向上させることが可能であり、かつ、実際に樹脂封止を行ってもワイヤの変形が小さいことを見出した。
また、本発明者は、希土類元素を所定量添加することにより、実際に樹脂封止を行った場合のワイヤの変形がさらに小さくなることを見出した。
本発明は、上記の知見に基づき完成されたものである。
以下、本発明に係るボンディングワイヤの各構成要件における数値限定理由等について説明する。
「Ｓｎ」
Ｓｎの添加には、ボンディングの際のボールを柔らかくするという効果がある。
Ｓｎの添加量は、１〜１００ｐｐｍであることが必要である。Ｓｎの添加量が１ｐｐｍを下回るとＳｎを添加した効果が十分には発現しないからであり、添加量が１００ｐｐｍを上回ると、ヤング率については良好な値が得られるものの、ワイヤボンディングの際のワイヤ先端のボールの形状が真球から異形状に変形してしまうからである。
「Ｚｎ」
Ｚｎを添加することは、理由は不明であるが、Ｓｎ、Ｃａとともに添加するとワイヤの樹脂流れ耐性が上がる効果がある。
Ｚｎの添加量は、１〜１００ｐｐｍであることが必要である。Ｚｎの添加量が１ｐｐｍを下回るとＺｎを他の２種の元素（Ｓｎ、Ｃａ）に加えて添加した効果が十分には発現しないからであり、添加量が１００ｐｐｍを上回ると、ワイヤが脆くなり、線引き伸線が困難となるためである。
「Ｃａ」
Ｃａを添加することには、ワイヤのヤング率を向上させるという効果がある。
Ｃａの添加量は、１〜５０ｐｐｍであることが必要である。Ｃａの添加量が１ｐｐｍを下回るとＣａを添加した効果が十分には発現しないからであり、添加量が５０ｐｐｍを上回ると、ヤング率については良好な値が得られるものの、ワイヤボンディングの際のワイヤ先端のボールの形状が真球から異形状に変形してしまうからである。
これら３元素を同時に添加することで、ヤング率を向上させるだけではなく、ワイヤの変形量を低減させる効果も生じる。
「希土類元素」
希土類元素を添加することにより、ワイヤのヤング率が上昇し、特に、樹脂封止時のワイヤの変形量が小さくなり、良好なボンディングが可能となる。
希土類元素の添加量は、合計で１〜１００ｐｐｍであることが好ましい。希土類元素の添加量が１ｐｐｍを下回ると希土類元素を添加した効果が十分には発現しないからであり、希土類元素の添加量が１００ｐｐｍを上回ると、Ｚｎの添加量が１００ｐｐｍを上回った場合と同様に伸線が困難となるからである。
「線径」
本発明が主として適用されるボンディングワイヤの線径は、０．０１２〜０．０２０ｍｍの範囲である。ワイヤの線径が０．０１２ｍｍを下回るとワイヤの剛性が足りず、樹脂封止時の変形量が大きくなるからであり、ワイヤの線径が０．０２０ｍｍを上回るとファインピッチ（０．０３０ｍｍ〜０．０４０ｍｍ）に対応できないからである。しかしながら、本発明の適用されるボンディングワイヤの線径はこれに限られない。
「破断伸び率」
本発明が主として適用されるボンディングワイヤにおいて、破断伸び率は、線径が上記範囲の場合に、１〜３％の範囲に調整される。ワイヤの破断伸び率が１％を下回るとワイヤが脆くなるからであり、また、ワイヤの破断伸び率を３％を上回らせるための熱処理をするとヤング率が低下するからである。なお、該ワイヤの破断伸び率は、伸線されたワイヤに適切な焼鈍を施すことにより制御できる。
「ヤング率」
本発明において、ボンディングワイヤの線径および破断伸び率が上記範囲にある場合の、該ボンディングワイヤのヤング率は７００００〜１０００００Ｎ／ｍｍ2の範囲となる。ワイヤのヤング率が７００００Ｎ／ｍｍ2を下回ると樹脂封止時のワイヤの変形量が大きくなる。一方、該ヤング率が１０００００Ｎ／ｍｍ2を上回ると破断伸びが小さくなりワイヤが脆くなる。
純度９９．９９９質量％以上の高純度Ａｕに表１に示すような元素を添加した組成のＡｕ合金について、それぞれ溶解鋳造後に溝ロール圧延して、線径４．３ｍｍのワイヤ鋳造材を製造した。得られた各ワイヤ鋳造材について、線引き加工を実施して、最終線径を０．０１２ｍｍにしたボンディングワイヤと０．０２０ｍｍにしたボンディングワイヤをそれぞれ得た。実施例１〜１２は、本発明の範囲内の組成のワイヤであり、比較例１３〜１６は、従来より使用されている標準的な組成のワイヤである。
線引き加工により０．０１２ｍｍおよび０．０２０ｍｍに伸線した後、室温における該ワイヤの破断伸び率が１〜３％の範囲内に入るように熱処理した。熱処理条件は、５００℃未満とした。熱処理をした各ワイヤそれぞれについて、引張試験を行い、ヤング率および破断伸び率を測定した。各ワイヤ（実施例１〜１２、比較例１３〜１６）の組成と引張試験の結果を表１に示す。
また、上記熱処理をした各ワイヤそれぞれを用いて、実際にワイヤボンディングを行った。そして、ワイヤボンディングをした後に樹脂封止を行った。樹脂封止を行った後に、Ｘ線による透過撮影を行い、図１に示すように、第１ボンド点Ａと第２ボンド点Ｂを結ぶ直線から、樹脂封止後のワイヤ断面の中心点を結んだ線２までの最も遠い距離をワイヤ変形量Ｌ１とした。ワイヤ変形量Ｌ１を第１ボンド点と第２ボンド点との間の距離Ｌ０で除した値をワイヤ変形率とした。各ワイヤ（実施例１〜１２、比較例１３〜１６）のワイヤ変形率の値も表１に示す。
さらに、実際にワイヤボンディングを第１ボンド点において行う際のワイヤ先端のボールの形状についても評価を行った。具体的には、水平面（素子上の電極を含むボンディングを行なう平面）上における互いに直交する方向（キャピラリを駆動制御する際の基準となる互いに直交する座標軸の方向）について、第１ボンド点におけるボールの直径を測定した。各方向についてのボールの直径の測定値をＸ、Ｙとし、実施例１〜１２、比較例１３〜１６のそれぞれのワイヤについて、ボールディストーションＤ（平面的に見たボールの扁平度に相当）を算出した。ｎ本のワイヤについて評価した場合、ボールディストーションＤは下記数式１で算出される。今回はｎを５０としてボールディストーションＤを算出した。そして、Ｄ＜０．００７の場合には良好と判断し、Ｄ≧０．００７の場合には不良と評価した。その結果も表１に併せて示す。
Figure 0004232731
Figure 0004232731
次に、表１に示す結果について、各ボンディングワイヤ（実施例１〜１２、比較例１３〜１６）ごとに説明する。
比較例１３は、Ｓｎの添加量が０ｐｐｍであり、ＺｎおよびＣａについての添加量の条件を具備するものの、Ｓｎの添加量が本発明の下限値（１ｐｐｍ）を下回っている。このため、ヤング率が本発明の範囲内の実施例１〜１２よりも、線径０．０１２ｍｍの場合で２０〜２５％程度小さくなっており、線径０．０２０ｍｍの場合で２４〜３１％程度小さくなっている。また、ワイヤ変形率は、本発明の範囲内の実施例１〜１２よりも、線径０．０１２ｍｍの場合で１．２〜２．５倍程度に大きくなっており、線径０．０２０ｍｍの場合で１．７〜２．６倍程度に大きくなっている。
比較例１４は、Ｚｎの添加量が０ｐｐｍであり、Ｓｎ、Ｃａおよび希土類元素についての添加量の条件を具備するものの、Ｚｎの添加量が本発明の下限値（１ｐｐｍ）を下回っている。このため、ヤング率が本発明の範囲内の実施例１〜１２よりも線径０．０１２ｍｍの場合で２２〜２７％程度小さくなっており、線径０．０２０ｍｍの場合で２２〜２９％程度小さくなっている。また、ワイヤ変形率は、本発明の範囲内の実施例１〜１２よりも線径０．０１２ｍｍの場合で１．２〜２．３倍程度に大きくなっており、線径０．０２０ｍｍの場合で１．７〜２．６倍程度に大きくなっている。
比較例１５および１６は、Ｓｎの添加量が２００ｐｐｍであり、Ｓｎの添加量が本発明の上限値（１００ｐｐｍ）を上回っている。このため、ヤング率およびワイヤ変形率は良好であるものの、ボール形状がいびつであり、ボールディストーションが大きく不良である。
これらに対して、実施例１〜１２は、本発明の範囲内に含まれるので、ヤング率はいずれも７９０００Ｎ／ｍｍ2を上回っており、良好である。また、ワイヤ変形率はいずれも１２％を下回っており、良好である。さらに、ボール形状も、実施例１〜１２のいずれも良好である。
なお、例えば、実施例９と実施例１２との比較、および比較例１５と比較例１６との比較からわかるように、希土類元素であるＥｕとＣｅの合計含有量が増えるほど、ワイヤ変形率は小さくなる傾向がある。
また、実施例１〜１２、比較例１３〜１６のいずれにおいても、線径が０．０２０ｍｍのワイヤの方が０．０１２ｍｍのワイヤよりもヤング率が大きくなっているが、これは、線径が０．０２０ｍｍのワイヤの方が、ワイヤが太く剛性が高いためと考えられる。
樹脂封止によりワイヤが変形している状況を示す図である。
符号の説明
１ ボンディングワイヤ
２ ボンディング中心線
Ｌ０ 第１ボンド点と第２ボンド点との間の距離
Ｌ１ ワイヤ変形量
Ａ 第１ボンド点
Ｂ 第２ボンド点

Claims (4)

  1. Ａｕを主成分とする半導体素子用のボンディングワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｓｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｚｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｃａを１〜５０質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用のボンディングワイヤ。
  2. Ａｕを主成分とする半導体素子用のボンディングワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、Ｓｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｚｎを１〜１００質量ｐｐｍ、Ｃａを１〜５０質量ｐｐｍ、および、希土類元素の１種以上を合計で１〜１００質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用のボンディングワイヤ。
  3. 線径が０．０１２〜０．０２０ｍｍである請求項１または２に記載の半導体素子用のボンディングワイヤ。
  4. 破断伸び率が１〜３％であるときのヤング率が７００００〜１０００００Ｎ／ｍｍ2であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子用のボンディングワイヤ。
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