JP4726205B2 - 高い初期接合性、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
かかる高温環境下で使用されるICチップ上の電極と外部リード部を接続するボンディングワイヤ用金合金線として、Pd、Pt、Rh、Ir、Os、Ruの内の少なくとも1種を合計で1000ppm〜5質量%、Ca、Be、Ge、Si、Fe、Y、希土類の内の少なくとも1種を合計で1〜50ppm含有し、残部が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(特許文献1参照)、
Pd、Ru、Pt、Ir、Rhの内の 少なくとも1種または2種以上を合計で1〜5000ppm、Ca、Be、Ge、Si、In、Agの内の少なくとも1種または2種以上を合計で0.2〜100ppm、希土類元素の内の少なくとも1種または2種以上を合計で0.2〜100ppm、
Cu、Pb、Li、Tiの内の少なくとも1種または2種以上を合計で0.2〜100ppm含有し、残部が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(特許文献2参照)などが知られている。これらボンディングワイヤ用金合金線はいずれも白金族金属を多めに含有させて高温での圧着ボールとAlパッドの接合強度を向上させ、さらにCa、Beなどを含有させて硬さを高くしてループの安定性を向上させており、これらボンディングワイヤ用金合金線を使用してICチップ上の電極と外部リード部を接続するには、一般に金合金線を超音波併用熱圧着ボンディングする方法が用いられている。
また、高温の過酷な使用環境で高度の信頼性が要求される車載用ICや、動作温度が高くなる高周波用ICなどでは、ボールボンディングによる接合界面における接合強度の低下や電気抵抗の上昇による接合不良の発生が問題視されており、これらの接合不良は、上記の低温接合や接合面積の縮小等のボンディング条件の悪化により、益々発生しやすくなる傾向があるため、従来よりも高い接合信頼性(ある環境下でのボールボンディングによる接合界面における接合強度や電気抵抗の持続性)を確保することが求められている。
さらに、また、ボールボンディングでの圧着ボールの真円性が低いと、圧着ボールの一部がAlパッドからはみ出し、隣の圧着ボールと接触することによるショート不良が発生し、このショート不良は、Alパッド面積の縮小ならびにボンディングパッドピッチの縮小により益々発生しやすくなることから、従来よりも圧着ボールの高い真円性が求められる。
また、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おり、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傾向にある。しかし、巻き取られた細い線径の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が、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。
(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1000〜5000ppm未満、Ir:1〜200ppmを含有させ、さらにCa:20〜100ppm、Eu:10〜100ppmを含有させた組成を有する金合金線は、高い初期接合性、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:0.1〜20ppm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およびフリーエアボールの加工硬化性を高め、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:10〜100ppm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)前記高い初期接合性、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:1〜10ppm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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppm、
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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜20ppm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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
La:10〜100ppm、
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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜20ppmを含有し、さらに、
La:10〜100ppm、
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初期接合性、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2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内となるように含有する前記(1)、(2)、(3)または(4)記載の高い初期接合性、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:1〜10ppmを含有させた成分組成を有する高い初期接合性、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。
(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)記載の高い初期接合性、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。
(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1000ppm未満では接合強度の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5000ppm以上含まれると、金合金線の初期接合性が大きく低下す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1000〜5000ppm未満に定めた。
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1000〜5000ppm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、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。
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以下ではフリーエアボールの加工硬化性が低いため初期接合性が低く、また強度が低いため、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100ppmを越えると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ため、ボールボンディングの初期接合性が低下す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20〜100ppmに定めた。
Euは金属結合半径が大きく、したがって、Auの金属結合半径より大きいために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り、希土類元素の内でも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以下ではフリーエアボールの加工硬化性が低いため初期接合性が低く、また強度が低いため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100ppmを越えると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ため、ボールボンディングの初期接合性が低下するので好ましくない。したがって、Euの含有量を10〜100ppmに定めた。
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20ppmを越えて含有させると、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ため、ボールボンディングの初期接合性が低下し、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0.1〜20ppmに定めた。
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100ppmを越えて含有させると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ため、ボールボンディングの初期接合性が低下するので好ましくない。したがって、Laの含有量を10〜100ppmに定めた。
この発明において、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、Laの合計が50ppm未満ではフリーエアボールの加工効果性が低いため初期接合性が低く、また強度が低いため、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、Laの合計が250ppmを越えるようになると、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ため、ボールボンディングの初期接合性が低下するので好ましくないからである。
Agが1〜10ppm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10ppmを越えると初期接合性が低下する傾向が認められるので好ましくない。
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初期接合性、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。
その理由は、E<75GPaの場合、すなわちワイヤのヤング率(Pa)が低い場合、ワイヤボンディング後のモールディングの際に、ボンディングされた金合金線が樹脂により大きく流され(すなわち樹脂流れが大きい)、その結果、隣接する金合金線が接触し、ショートする頻度が高くなり、半導体チップの歩留りが低下するからであり、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からであり、さらに破断伸び率が2%未満の場合、伸線後の金合金線が有する残留歪みが焼鈍後にも残るため直進性が低く、一方、破断伸び率が10%より高い場合、E<75GPa、(σ0.2/E)<2.2×10−3となることが多く、直進性が低下あるいは樹脂流れが増大するからである。
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EL(%)、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(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1〜19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、初期接合性、圧着ボールの真円性および接合信頼性についての評価を行った。
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。
各サンプルに付き10000ループを作製しボールボンディング時に圧着ボールがAlパッドに接合しなかった回数(ボールリフト数)を測定し、その結果を表4〜6に示すことにより高い初期接合性を評価した。
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4〜6に示すことによりボールの真円性を評価した。
ボンディングしたサンプルを、175℃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。
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1〜19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。
ループ長さ:3.5mmの条件でボンディングした半導体ICチップ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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppm、
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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜20ppm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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
La:10〜100ppm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初期接合性、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1000〜5000ppm未満、
Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜100ppm、
Eu:10〜100ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜20ppmを含有し、さらに、
La:10〜100ppm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初期接合性、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2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内となるように含有することを特徴とする請求項1、2、3または4記載の高い初期接合性、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:1〜10ppmを含有することを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載の高い初期接合性、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記載の高い初期接合性、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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