JP4641248B2 - 接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線 - Google Patents
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Description
さらに半導体素子の集積化が進むことにより、半導体素子のチップ電極の間隔が狭まり、そのためにワイヤ間隔が狭くなることから、半導体ボンディングワイヤとして使用される金合金線の線径を益々細くすることが求められている。
また、その一方で、半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接合したワイヤのループ部の長さ(以下、ループ長さという)が長くなるとともに平行してボンディングされた隣のループとの間隔が狭くなっている。
かかる現状に対応すべく、ボンディングワイヤとして使用する金合金線の線径を益々細くすると、巻き取られた金合金線をスプールから取り出したときに金合金線にカールや蛇行(屈曲や曲がり)が発生し易くなり、このカールや蛇行(屈曲や曲がり)が存在する金合金線を使用してボンディングを行うと、隣のボンディングワイヤが接触してショートするために半導体チップの不良品が発生し、歩留が低下する。特に金合金からなるボンディングワイヤの線径が20μm未満になると、スプールから繰り出された直後のワイヤにカールや蛇行(屈曲や曲がり)が発生し易くなる。スプールから繰り出された直後のワイヤにカールや蛇行(屈曲や曲がり)が発生せずかつボンディングして形成されたループが隣のループと接触しない性質をボンディングワイヤの直進性というが、この直進性が不足すると、隣のループと接触し、ショートするために半導体装置の不良品が発生し歩留が低下する。
(イ)Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppm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金合金線、
(ロ)Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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金合金線、
(ハ)Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppm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金合金線、
(ニ)Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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金合金線、
(ホ)前記(イ)〜(ニ)記載の金合金線に、さらにAg:1〜10ppm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金合金線において、
その金合金線の0.2%耐力、ヤング率、伸び率が接合性、直進性および耐樹脂流れ性に影響を及ぼし、これらを規定することにより接合性、直進性および耐樹脂流れ性が一層向上し、これら特定の成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<EL≦10%の条件を満たすことによりボンディングワイヤ用金合金線は接合性、直進性および耐樹脂流れ性が一層向上する、という研究結果が得られたのである。
(1)Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<EL≦10%の条件を満たす接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線、
(2)Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<EL≦10%の条件を満たす接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線、
(3)Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<EL≦10%の条件を満たす接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線、
(4)Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<EL≦10%の条件を満たす接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線、
(5)前記ボンディングワイヤ用金合金線は、さらにAg:1〜10ppm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前記(1)、(2)、(3)または(4)記載の接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れた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。
(a)Ca:
Ca成分は、Auの原子半径より大きく、Auの結晶格子に歪を与えてボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度およびフリーエアーボールの加工硬化性を高めると共に、再結晶温度を上げ、ボンディングワイヤ用金合金線のループ高さを低くする効果があるが、Caを40ppm未満添加してもフリーエアーボールの加工硬化性が低いため接合性が低く、また強度が低いのでヤング率E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3の条件を満たすことができなくなるで好ましくない。一方、Caが80ppmを越えて含有すると、ボールボンディングの際に形成するフリーエアーボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアーボールの底部中央に接合に寄与しない大きな引け巣が形成され、ファーストボンディングの接合性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるCaは40〜80ppmに定めた。
Eu成分は、Auの原子半径より大きく、Auの結晶格子に歪を与えてボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度およびフリーエアーボールの加工硬化性を高めると共に、再結晶温度を上げ、ボンディングワイヤ用金合金線のループ高さを低くする効果があるが、Euを5ppm未満添加しても強度および接合性の向上が認められず、一方、Euが40ppmを越えて含有すると、Caと同様にボールボンディングの際に形成するフリーエアーボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアーボールの底部中央に接合に寄与しない大きな引け巣が形成され、ファーストボンディングの接合性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるEuは5〜40ppmに定めた。
BeはAuの原子半径より小さく、やはりAuの結晶格子に歪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、またCaおよびEuとともに含有することにより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あげることができる、適切なループ高さを実現できる効果があるので必要に応じて添加するが、その添加量が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、10ppmを越えて含有すると、フリーエアーボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらに引け巣が増大し、ボール直上部およ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くなるので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるBeは1〜10ppmに定めた。
アルカリ土類金属であるBaおよびSr、周期率表5b族であるBi、並びに希土類元素であるY,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuもボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高め、またフリーエアーボールの加工硬化を高める効果を有するので必要に応じて添加するが、その添加量が5ppm未満では所定の効果が得られず、一方、19ppmを越えて含有すると、フリーエアーボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアーボールの底部中央に接合に寄与しない大きな引け巣が形成されるため、ファーストボンディングの接合性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるこれら成分は5〜19ppmに定めた。
Agは必要に応じて0.5〜10ppm含有していてもよい。Agは0.5〜10ppm含有していても特性にほとんど影響を与えないからである。しかし、10ppmを越えて添加すると、ファーストボンディングの接合性が低下するので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線に含まれるAg成分は0.5〜10ppmに定めた。
ヤング率E
ヤング率Eが75GPaよりも小さいと、ワイヤボンディング後のモールディングの際に、ボンディングワイヤが樹脂により大きく流され、その結果、隣のループと接触し、ショートの頻度が大きくなって、半導体チップの歩留まりが低下するので好ましくない。したがって、この発明のボンディングワイヤ用金合金線のEは75GPa以上に定めた。
σ0.2/Eの値が大きいほどボンディングワイヤ用金合金線の直進性が向上し、σ0.2/Eが2.2×10−3以上になると急激に直進性が向上することから、(σ0.2/E)≧2.2×10−3に定めた。
のびELは3%以下の場合は直進性が低く、伸びが10%よりも大きいと、E<75GPa、あるいは(σ0.2/E)<2.2×10−3となる場合が多く、直進性が低下するので好ましくない。したがって、ボンディングワイヤ用金合金線のELを3%<EL≦10%に定めた。
ここでひずみと引張り応力を以下のように定義する。
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13〜24に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ1〜184、比較ワイヤ1〜42および従来ワイヤ1〜5をKulicke&Soffa製のワイヤボンダー(マクサムプラス)にセットし、
加熱温度:130℃、
パッドピッチ:45μm間隔、
ループ長さ:5mm、
ループ高さ:220μm、
ボール径:34μm、
ボール高さ:8μm、
の条件でボンディングを行って10000ループを作製し、直進性、接合性およびボールの真円性についての評価を行った。
隣のループ同士の接触する個所の数を測定し、その結果を表13〜24に示すことにより直進性を評価した。
ファーストボンド部で接合していない数(ボールリフト数)を測定し、その結果を表13〜24に示すことにより接合性を評価した。
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13〜24に示すことによりボールの真円性を評価した。
表13〜24に示される機械的特性を有する本発明ワイヤ1〜184、比較ワイヤ1〜42および従来ワイヤ1〜5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、ボール径:34μm、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、ループ最高部とリードフレームの高さを測定し、その差をループ高さとして求め、その結果を表13〜24に示すことによりループ高さを評価した。
ループ長さ:3.5mmの条件でボンディングした半導体チップが搭載されたリードフレームを、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13〜24に示すことにより耐樹脂流れ性を評価した。
また、ループ高さは、デバイスにより要求される値が異なるので優劣はないが、Be>1ppmの添加により調整可能であることが実施例からわかる。
Claims (5)
- Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、
そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
3%<EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線。 - Ca:40〜80ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、
そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
3%<EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線。 - Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、
そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
3%<EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線。 - Ca:40〜80ppm、Be:1〜10ppm、Eu:5〜40ppmを含有し、さらにBa,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLuの内の1種または2種以上を合計で5〜19ppm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ボンディングワイヤ用金合金線であって、
そのボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力をσ0.2、ヤング率をE、伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
3%<EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線。 - 前記ボンディングワイヤ用金合金線は、さらにAg:0.5〜10ppm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請求項1、2、3または4記載の接合性、直進性および耐樹脂流れ性に優れたボンディングワイヤ用金合金線。
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