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

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 Download PDF

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Description

利用分野
この発明は、トランジスタ、LSI、ICなど半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接続するために用いる接合性、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に関するものである。
一般に、トランジスタ、LSI、ICなど半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接続するためのボンディングワイヤとして、高純度金にCa、Be、Eu、Nb、Mg、Y、La、Ge、Ag、Ptなどを含有した組成のボンディングワイヤ用金合金線が用いられていることは知られている。例えば、特許文献1には、0.001質量%未満の不可避不純物を含む純度:99.999質量%以上の高純度金にCa:0.0001〜0.003質量%、Be:0.0001〜0.001質量%、Eu:0.0001〜0.004質量%、Nb:0.0001〜0.003質量%を含有せしめ、かつこれらの合計添加量が0.0013〜0.01質量%である金合金線からなるボンディングワイヤが記載されており、さらに特許文献2には、金純度が99.9質量%以上であり、Caを1〜100質量ppm、さらに必要に応じてMg、Y、La、Eu、Ge、Ag、Ptの内の少なくとも1種を1〜100質量ppm含有し、さらに必要に応じてBeを1〜20質量ppm含有し、引張強さ:33.0kg/mm以上、伸び率:1〜3%を有するウェッジボンディング用金合金線が記載されている。
特開平6―33168号公報 特開平10―98063号公報
近年、半導体素子の集積化が進むことにより、半導体素子のAlパッド面積が小さくなり、耐熱性の低い基板をするようになったため、従来よりも低温かつ小さい接合面積で良好な接合を得ることが求められている。
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。
さらに、ワイヤをボンディングしてループを形成した後、樹脂でモールディングするが、その際にボンディングワイヤが樹脂により流されると、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。この樹脂流れについても従来のボンディングワイヤ用金合金線の線径が25μmや30μmの場合は問題となることが少なかった。しかしながら、半導体素子の高集積化が進むにつれて、半導体素子のチップ電極の間隔が狭まくなり、それらに対応するためにワイヤの線径を細くしてボンディングを行うが、線径が20μm未満になると樹脂のモールディング時にループが流されやすくなる。したがって、線径の細いワイヤであっても樹脂流れが発生し難い特性(以下、この特性を耐樹脂流れ性という)を有することが必要である。
そこで、本発明者らは、接合性、直進性に優れかつボンディングワイヤが樹脂により流されない性質(以下、この性質を耐樹脂流れ性という)に優れたボンディングワイヤ用金合金線を開発すべく研究を行った結果、
(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Eとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<E≦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。
この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
(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Eとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<E≦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Eとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<E≦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Eとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<E≦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Eとすると、E≧75GPa、(σ0.2/E)≧2.2×10−3、3%<E≦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。
この発明の接合性、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は、前記(1)〜(5)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てボンディングワイヤ用金合金線を製造し、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製造することができる。前記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。
次に、この発明の接合性、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おいて、成分組成、0.2%耐力σ0.2、ヤング率E、伸び率Eを前述のように限定した理由を説明する。
[I]成分組成
(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。
(b)Eu:
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。
(c)Be:
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。
(d)Ba,Sr,Bi,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Ho,Er,Tm,YbおよびLu:
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。
(e)Ag:
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。
[II]機械的特性
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
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。
伸びE
のびE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Eを3%<E≦10%に定めた。
この発明において、ボンディングワイヤ用金合金線の破断伸び率E(%)、0.2%耐力σ0.2(Pa)およびヤング率E(Pa)の測定は、室温において、ボンディングワイヤ用金合金線を標点間距離:100mm、引張り速度:10mm/分の条件で引張り試験機により破断するまで引っ張ることにより行われる。
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(m
破断伸び率をE(%)、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E(%)=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
上述のように、この発明のボンディングワイヤ用金合金線を使用してボンディングを行うと、隣のループが接触することが少なく、半導体装置の歩留を向上させることができるなど産業上すぐれた効果をもたらすものである。
線径:50μmを有し、表1〜12に示される成分組成を有する金合金線素材を1ダイスによる減面率が4.8%で伸線加工することにより線径:18μmを有する金合金線を作製し、この金合金線を表13〜24に示される温度で焼鈍することにより本発明ボンディングワイヤ用金合金線(以下、本発明ワイヤという)1〜184、比較ボンディングワイヤ用金合金線(以下、比較ワイヤという)1〜42および従来ボンディングワイヤ用金合金線(以下、従来ワイヤという)1〜5を製造し、半径:50mmの中間スプールに巻き取った。ここで、焼鈍および巻取り工程において、ワイヤの進路を変更させるために用いるシーブ(滑車)は全て半径:9mmとした。中間スプールに巻き取られたワイヤに純滑剤を塗布し、半径:25mmのスプールに2000m巻取り、ワイヤの先端15mを捨て、ワイヤの伸び率E、ヤング率E、0.2%耐力σ0.2を測定し、さらにσ0.2/Eを算出し、その結果を表13〜24に示した。これら測定に際して用いたサンプルは、長さがいずれも10cm、サンプル数を5本とし、その平均値を表13〜24に示した。
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。
直進性:
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。
接合性:
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。
ボールの真円性:
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。
さらに、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について、下記の評価を行った。
ループ高さ:
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。
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。
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表1〜24に示される結果から、本発明ワイヤ1〜184は、直進性、接合性、ボールの真円性および耐樹脂流れ性が良好であり、特に接合性、直進性および耐樹脂流れ性が良好であるに対し、比較ワイヤ1〜42および従来ワイヤ1〜5はこれら特性の少なくともいずれか一つは不良となることが分かる。
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)

  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Eとすると、
    E≧75GPa、
    (σ0.2/E)≧2.2×10−3
    3%<E≦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。
  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Eとすると、
    E≧75GPa、
    (σ0.2/E)≧2.2×10−3
    3%<E≦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。
  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Eとすると、
    E≧75GPa、
    (σ0.2/E)≧2.2×10−3
    3%<E≦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。
  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Eとすると、
    E≧75GPa、
    (σ0.2/E)≧2.2×10−3
    3%<E≦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。
  5. 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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