JP4596467B2 - 高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線 - Google Patents
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Description
(イ)純度:99.999質量%の高純度金に、PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppmを含有させ、さらにCa:20〜200ppm、Eu:10〜200ppmを含有させた組成を有する金合金線は、導電性は多少犠牲となっても自動車のエンジン近傍における高温環境下において高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有する、
(ロ)前記(イ)記載の組成を有する金合金線に、さらにBe:0.1〜30ppmを含有させた金合金線は、BeがAuの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高め、再結晶温度を下げる効果を有することから、ループ高さを上げることができ、そのため適切なループ高さを実現できるので、必要に応じて添加することができる、
(ハ)前記(イ)記載の組成を有する金合金線に、さらにLa:10〜200ppmを含有させた金合金線は、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高めるとともに、再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くすることができるので、必要に応じて添加することができる、
(ニ)前記Ca,Eu,BeおよびLaはその合計が50〜250ppmの範囲内にあることが一層好ましい、
(ホ)前記高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有する(イ)〜(ニ)記載の金合金線に、さらにAg:1〜20ppmを含有せしめても、その特性にほとんど影響を与えない、などの研究結果が得られたのである。
(1)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(2)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(3)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(4)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(5)前記Ca,Eu,BeおよびLaの内の1種または2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内で含有する前記(1)、(2)、(3)または(4)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(6)前記(1)、(2)、(3)、(4)または(5)記載のボンディングワイヤ用金合金線に、さらにAg:1〜20ppmを含有させた成分組成を有する高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。
前記(1)〜(6)記載の成分組成を有する金合金線素材を所定の径になるまで伸線加工し、得られた金合金線素材を焼鈍するボンディングワイヤ用金合金線の製造工程において、焼鈍温度を従来の焼鈍温度よりも低い温度の550℃以下で行うことにより0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、2%≦EL≦10%の条件を満たすボンディングワイヤ用金合金線が得られる。前記金合金線素材の伸線加工時の1ダイスによる減面率は従来の減面率よりも低い5%以下とすることが一層好ましい。かかる条件を満たすボンディングワイヤ用金合金線は、一層高い直進性および一層高い耐樹脂流れ性を有するようになる。
したがって、この発明は、
(7)ボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
2%≦EL≦10%、
の条件を満たす前記(1)、(2)、(3)、(4)、(5)または(6)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。
[I]成分組成
(a)Pt、Pd:
PtおよびPdは、共にAuと全率固溶する元素であり、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えることができるという接合信頼性を向上させる効果を有する。接合界面近傍でPtやPdを含む相が層状に生成し、その相がAuの拡散速度を低下させる層(いわゆるAu拡散に対するバリア層)として作用するために、Auの拡散に伴い接合部に発生するボイドの生成速度を抑制し、その結果として、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えて接合信頼性を向上しているものと考えられる。この接合強度の劣化の抑制(接合信頼性を向上する)効果はPtやPdの量が多いほど高くなる。しかし、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が5000ppm未満では接合強度劣化の抑制効果が限定されるので好ましくなく、一方、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が2質量%を越えて含まれると、ボールの硬度が高くなりすぎてボンディング時にICチップの割れや損傷を与えるようになるので好ましくない。したがって、PtおよびPdの内の1種または2種の合計を5000ppm〜2質量%に定めた。
(b)Ir:
Irは、金合金の高温における粒成長(結晶粒の粗大化)を抑制する作用を有し、そのため、フリーエアボールを形成する際に、ボール部からの熱の影響により、ボール直上のワイヤ部(熱影響部)の結晶粒が粗大化することを防ぐと共に、凝固したフリーエアボール部は多数の微細な結晶粒から形成され、接合時に圧着ボールが放射状に均等に広がり、圧着ボールの真円性が向上する効果を有するが、Irの含有量が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線においてIrが200ppmを超えても上記効果は飽和し、添加による効果の明確な向上が認められない上に、ボールの硬度が高くなり、ICチップの破壊あるいは損傷が生じるようになるので好ましくない。したがって、Irの含有量を1〜200ppmに定めた。
(c)Ca:
アルカリ土類金属であるCaは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高め、さらに再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるが、Caの含有量が20ppm未満では強度が低いため、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10―3、2%≦EL≦10%の条件を満たすことが困難になって直進性と耐樹脂流れ性が低くなるので好ましくなく、一方、Caの含有量が200ppmを越えると、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線のボールの硬度が高くなり、ボンディングの際にICチップの割れや損傷を与え、さらにボールボンディングの際にフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるようになるので好ましくない。したがって、Caの含有量を20〜200ppmに定めた。
(d)Eu:
希土類元素であるEuは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高めるとともに、再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があり、Euの金属結合半径は他の希土類元素と比較して特に大きいため、上記効果が非常に高いが、Euの含有量が10ppm未満では機械的強度が低いためE≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10―3、2%≦EL≦10%の条件を満たすことが困難になって直進性と耐樹脂流れ性が低くなるので好ましくなく、一方、Euの含有量が200ppmを越えると、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線のボールの硬度が高くなり、ICチップの割れや損傷が発生したり、ボールボンディングの際に形成するフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるので好ましくない。したがって、Euの含有量を10〜200ppmに定めた。
(e)Be:
Beは金属結合半径がAuの金属結合半径より小さく、やはりAuの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高め、上記のCaおよびEuとともに、Beを含有する場合、再結晶温度を下げる効果を有することから、ループ高さを上げることができ、そのため適切なループ高さを実現できるので、必要に応じて添加するが、Beを0.1ppm未満添加しても所定の効果が得られず、一方、Beを30ppmを越えて含有させると、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線のボール硬度が高くなり、ボンディングの際にICチップの割れや損傷が発生したり、さらに、フリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成され、さらに、ボール直上部及びボール部の結晶粒径の増大が生じて圧着ボール部の真円性が低下するので好ましくない。したがって、Beの含有量を0.1〜30ppmに定めた。
(f)La:
Laは、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高めるとともに、再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるため、必要に応じ添加するが、Laを10ppm未満含有させても所定の効果が得られず、一方、Laを200ppmを越えて含有させると、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線のボール硬度が高くなり、ボンディングの際にICチップの割れや損傷が発生したり、さらに、ボールボンディングの際に形成するフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるので好ましくない。したがって、Laの含有量を10〜200ppmに定めた。
(g)50≦Ca+Eu+Be+La≦250
PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線において、Ca、Eu、BeおよびLaの合計が50〜250ppmの範囲内にあることが一層好ましい。その理由は、Ca、Eu、BeおよびLaの合計が50ppm未満では強度が低いため、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10―3、2%≦EL≦10%の実現が難しく、結果として直進性と耐樹脂流れ性が低くなるので好ましくないからであり、一方、Ca、Eu、BeおよびLaの合計が250ppmを越えるようになると、PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%を含有するボンディングワイヤ用金合金線のボール硬度が高くなり、ボンディングの際にICチップの割れや損傷が発生したり、さらに、ボールボンディングの際に形成するフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるので好ましくないからである。
Ag:
Agが1〜20ppm含有されても上記特性にほとんど影響を与えないので必要に応じて添加するが、しかし20ppmを越えると低い超音波出力でのスティッチングボンドの接合性が低くなり、スティッチボンドの剥がれが発生しなくなるので好ましくない。
[II]機械的特性
前述の成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線はいずれも高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するが、金合金線の0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、2%≦EL≦10%の条件を満たすようにボンディングワイヤ用金合金線を製造することにより、一層高い直進性および一層高い耐樹脂流れ性を有するようになる。
ひずみ=ボンディングワイヤ用金合金線の伸び(mm)/100mm、
引張り応力(Pa)=引張り荷重(N)/ボンディングワイヤ用金合金線の初期断面積(m2)
破断伸び率をEL(%)、0.2%耐力σ0.2(Pa)およびヤング率E(Pa)を以下のように定義する。
破断伸び率EL(%)=破断したときのひずみ×100=[破断したときの伸び(mm)/100(mm)]×100
0.2%耐力σ0.2(Pa):ボンディングワイヤ用金合金線に0.2%の永久ひずみを与えた際の引張り応力(Pa)
ヤング率E(Pa):引張り応力とひずみが正比例する範囲における、引張り応力とひずみの比、すなわち引張り応力(Pa)/ひずみ
これら表1〜3に示される成分組成および表4〜6に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ1〜27、比較ワイヤ1〜20および従来ワイヤ1をKulicke&Soffa製のワイヤボンダー(マクサムプラス)にセットし、半導体ICチップが搭載された基板に、
加熱温度:150℃、
ループ長さ:5mm、
ループ高さ:220μm、
圧着ボール径:34μm、
圧着ボール高さ:8μm、
の条件でボンディングを行って、下記の測定を行うことにより直進性、圧着ボールの真円性、接合信頼性およびAlパッドの損傷の有無についての評価を行った。
直進性評価:
パッドピッチ:45μm間隔で各サンプルにつき10000ループを作製し、隣のループ同士の接触する個所の数(接触数)を測定し、その結果を表4〜6に示すことにより直進性を評価した。
圧着ボールの真円性評価:
各サンプルにつき100個の圧着ボールを観察し、すべて良好な場合は〇、1個でも不良が有る場合は×とし、その結果を表4〜6に示すことによりボールの真円性を評価した。
接合信頼性評価:
ボンディングしたサンプルを、200℃の空気中で1000時間保管した後に、圧着ボール直上のループの曲がり(キンク)にツールを引っかけてプル試験(各サンプルにつき100個)を行った。プル試験での破断は、ネック部で破断するか、圧着ボールとAlパッドの接合界面で破断(ボールリフト)する。圧着ボールを観察し、全てネック部での破断の場合は○、1個でもボールリフトがある場合は×として評価した。
Alパッドの損傷の有無
各サンプルにつき100個の圧着ボールを観察してAlパッドの損傷の有無を調べ、全てのAlパッドに損傷が見つからない場合は○、1個でも損傷が見つかった場合は×として評価した。
さらに、表1〜3に示される成分組成および表4〜6に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ1〜27、比較ワイヤ1〜20および従来ワイヤ1について、ループ高さ、耐樹脂流れ性についての評価を行った。
ループ高さ:
表1〜3に示される成分組成および表4〜6に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ1〜27、比較ワイヤ1〜20および従来ワイヤ1をKulicke&Soffa製のワイヤボンダー(マクサムプラス)にセットし、リバースを行わずに、圧着ボール径:34μm、圧着ボール高さ:8μm、ループ長さ:1mmの条件でルーピングを行い、光学顕微鏡を用い、ループ最高部とAlパッド面の高さを測定し、その差をループ高さとして求め、その結果を表4〜6に示すことによりループ高さを評価した。
耐樹脂流れ性:
ループ長さ:3.5mmの条件でボンディングした半導体ICが搭載された基板を、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止した後、軟X線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半導体チップ内部をX線投影し、ワイヤ流れが最大の部分の流れ量を20本測定し、その平均値をループ長さで除算した値(%)を樹脂流れと定義し、この樹脂流れを測定し、その結果を表4〜6に示すことにより耐樹脂流れ性を評価した。
Claims (7)
- PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。 - PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。 - PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。 - PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。 - 前記Ca,Eu,BeおよびLaの内の1種または2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内で含有することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
- さらにAg:1〜20ppmを含有することを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
- ボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
2%≦EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする請求項1、2、3、4、5または6記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。
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