JP5010495B2 - 半導体素子接続用金線 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子接続用金線に関するものである。
半導体実装材料であるボンディングワイヤは、半導体チップと外部金属端子との間を接続する材料である。現在、その殆どは金を主体とする材料が用いられている。この大きな理由は、半導体と外部端子の接続にスループットが高く、生産性が高いボールボンディングと呼ばれる手法が用いられているためである。ボールボンディングは、金属線の一端を溶融し、ボールを形成して、一方の電極に圧着させて接合し、他方の電極にはボンディングワイヤの側面をそのまま圧着する接合方法である。ここでは、ボールボンディングをファースト接合と呼び、ボンディングワイヤの側部を電極に圧着する接合をセカンド接合と呼ぶ。金が多く利用される理由は、ボールやボンディングワイヤの表面酸化によるファースト接合性及びセカンド接合性の劣化が起こり難く、大気中での接合が容易であるためである。
ボンディングワイヤの強度は、伸線加工による加工硬化により強化されているが、純金では十分な機械強度が得られないため、微量の異種元素が添加されている。
近年、半導体実装サイズの小型化が進み、電極パッドサイズが小さくなり、また、間隔が狭くなっている(狭ピッチ化)。それに伴い、ボンディングワイヤ径も細くする必要があり、直径が15μmの金線も使用され始められている。しかしながら、線径が細くなると、ボンディングワイヤの製造において、引抜加工時にボンディングワイヤの強度が持たず断線したり、ボンディングや樹脂封止等の実装時のループの維持も困難になる。
ボンディングワイヤ同士のパッドピッチ間隔が狭くなると、ボンディングワイヤ同士の接触によるショート不良が起きる危険性が大きくなる。ボンディングワイヤ実装におけるショート不良の主なものは、リーニング(倒れ)不良や圧着ボールの接触不良、カール(曲がり)不良、スプリング(屈曲)不良が挙げられる。ここでカール不良は、ボンディングワイヤ製造時の引抜加工時に導入される歪が軸対称でなく、軸対称でない歪が取りきれない場合に主として生じるものと考えられている。スプリング不良は、ボンディング実装時の圧着、切断等の加速、衝撃時に生じる挫屈と考えられている。
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、リーニング不良が生じたボンディングワイヤを示した概略図である。この図１（Ａ）及び（Ｂ）に示したようにリーニング不良とは、ボンディングワイヤ１をループの伸長方向から観察した時に、パッド2aに接合した圧着ボール3aの直上部がループの伸長方向(ワイヤループ面)に対して直角方向に曲がり、ボンディングワイヤ1aが隣接するボンディングワイヤ1bに倒れる不良である。ボンディングワイヤ全体が湾曲するカール不良と異なり、ボンディングワイヤ全体が比較的直線を保っているにも関わらず、当該ボンディングワイヤが倒れる不良である。なお、このリーニング不良はボール直上のネック部から折れ曲がることからネック倒れとも呼ばれる。リーニング不良はカール不良と異なるが、カールはワイヤ倒れを起こさせる機会となるため、実際には、完全に区別されず、複合型の不良もある。カール不良があるボンディングワイヤでは、ループ形成後、ボンディングワイヤを倒す応力が発生するため、リーニング不良が生じ易い。リーニング不良は、金線の直径が細くなると相乗的に起き易くなる。
ボンディングワイヤの直進性が高く、強度が十分高い場合は、リーニング不良は生じ難いが、直進性が高くても、ボンディング時の衝撃、動作により一定の確率で生じる場合がある。また、同じ母線強度で同じ直進性を有するボンディングワイヤでも、リーニング不良を起こす確率に大きな差が生じる場合がある。
図１（Ａ）及び（Ｂ）には、同時に、パッド2cに接合したボール（圧着ボール）3cの接触不良の形態を示した。ファースト接合のボール3cの圧着形状が、真円からずれ、ボール3cが隣のパッド2dにはみ出してショートする不良である。このため、ボンディングワイヤでは、リーニング不良を防止しつつ、ボールの圧着形状の優れたボンディングワイヤが望まれている。なお、真円からのずれとは、図1（Ａ）及び（Ｂ）に示したような圧着形状が花弁状に凹凸ができるものや、ボンディング時の接合を補助する超音波の影響により、超音波方向とその直角方向でボール変形に異方性が生じ、圧着形状が楕円となるものが挙げられる。
リーニング不良の防止方法は幾つか提案されており、基本的にはボンディングワイヤの直進性を高めることであるが、Be、Ca、Ce、Laを添加し強度を高め、プロセスを工夫する方法(例えば、特許文献1参照)や、イットリウムを添加する方法(例えば、特許文献２参照)、圧延工程を経由しないプロセスを採る方法(例えば、特許文献３参照)、中間焼鈍条件を工夫する方法(例えば、特許文献４及び５参照)、鋳造条件を工夫する方法(例えば、特許文献６参照)等が提案されている。
特開2005-294681号公報 特開2006-73693号公報 特開2006-147893号公報 特開2002-319597号公報 特開2005-347433号公報 特開2005-138113-号公報
しかしながら、近年、ボンディングワイヤの細線化や多段配線、千鳥配線の複雑なループ形状が要求される中での高ループ化等から、リーニング不良の問題が起こり易くなっており、プロセスのみならず、成分面での改善が必要になっている。
本発明は、上記問題点を解決し、リーニング不良が起き難く、更に圧着形状の優れた複雑な配線用、狭ピッチ配線用の半導体実装用金線を提供する。
本発明は、上記従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、以下の構成を要旨とする。
本発明の請求項１記載の半導体素子接続用金線は、ニッケルの含有量が0.0007質量%以上0.005質量%以下、かつ、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が0.0005質量%以上0.005質量%以下、かつ、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる１種以上の元素の含有量が0.0009質量%超0.02質量%以下であることを特徴とする半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項２記載の半導体素子接続用金線は、ニッケルの含有量が0.0007質量%以上0.007質量%以下、かつ、ベリリウムの含有量が0.0003質量%以上0.0008質量%以下、かつ、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が0.0005質量%以上0.005質量%以下、かつ、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる１種以上の元素の含有量が0.0009質量%超0.02質量%以下であることを特徴とする半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項３記載の半導体素子接続用金線は、さらに、プラセオジウムの含有量が0.0016質量%以上0.02質量%以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項４記載の半導体素子接続用金線は、インジウム及びガリウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が0.0005質量%以上0.005質量%以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項５記載の半導体素子接続用金線は、パラジウムを0.001質量%以上2質量%以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項６記載の半導体素子接続用金線は、マグネシウムを0.001質量％以上0.005質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子接続用金線である。
本発明の請求項７記載の半導体素子接続用金線は、線材を構成する個々の結晶粒の(111)面法線の1つが、線材の長さ方向に対して、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が、全体に対して、断面面積比で50%以上を占める、長さ方向に<111>配向したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子接続用金線である。
本発明の半導体素子接続用金線によれば、カルシウ及び希土類元素のうちから選ばれる１種以上の元素を特定量含有することで金線の強度やヤング率を向上させると共に、ニッケルを特定量含有させることでネック部の強度を向上させ、ニッケルを含有させることによって生じるボールの圧着形状の真円性悪化を、ベリリウムを添加することによって抑制できる。また、ニッケルを含有させることによって生じるボールの圧着形状の真円性悪化を、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方を添加することによって抑制できる。特にプラセオジウムの含有量を高めて、ネック部の熱影響部の長さを大きくする総合的な合金設計をすることによって、リーニング不良が生じ難くなる。よって、リーニング不良が起き難く、更に圧着形状の優れた複雑な配線用、狭ピッチ配線用の半導体実装用金線を提供することができる。
本発明におけるリーニング不良の抑制は、ワイヤ強度の向上と、ネック部強度の向上と、ネック部軟化長さの制御とを基本とする。
ボンディングワイヤの強度は、伸線加工と合金元素の添加によって増大される。合金元素の添加は、伸線加工時の加工強化にも寄与する。伸線加工時の加工強化が大きいのは、カルシウム及び希土類元素である。ここで、希土類元素とは、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムとイットリウムである。上記元素の中では、特にカルシウム、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムの効果が大きい。これらの元素の添加によって、加工硬化が大きくなり母線強度が増し、線材の長さ方向に対して伸線集合組織である<111>配向が強くなり、ヤング率が増大する。その結果、ワイヤループ面の直角方向に対しての拮抗力が増大する。
ボンディング方法やループ形状にもよるが、カルシウムと希土類元素との総量が0.0009質量%以下の場合、本発明の添加元素の範囲内では、リーニング不良に強い材料の製造は困難である。したがって、カルシウム及び希土類元素のうちカルシウムだけを含有させる場合には、当該カルシウムの含有量が0.0009質量%超であることが望ましく、また当該カルシウムと希土類元素とを含有させる場合には、カルシウムと希土類元素との総量が0.0009質量%超であることが望ましい。
伸線加工における断面減少率が99.8%以上の加工を行って、ボンディングワイヤ内の結晶粒のうち、伸線方向に<111>配向した結晶粒の占める割合が、断面面積比で50%以上あることが望ましい。ここで、<111>配向した結晶粒とは、ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の(111)面法線の1つが、15°以下の角度を有している結晶粒をいう。
一方で、これらの元素の添加量を増すと圧着ボールの真円性を劣化させる。すなわち、ワイヤ先端に放電し、溶融凝固させたフリーエアボール（単にボールともいう）形成時に金線の先端が溶融した時、ボール表面近傍の酸化によってカルシウムや希土類元素のボール表面濃度が低下し、表面からの抜熱も加わってボール内部より先に凝固する。その結果、ボール先端に引巣を生じさせ、引巣と表面層そのものがボール圧着時のボールの等方的な変形を阻害し、圧着ボールの真円性を劣化させる。これら元素の0.02質量%超の添加は、大気中でボールボンディングを行った場合、ボールの酸化による接合性の劣化が著しくなり、実用に耐えなくなる。したがって、カルシウム及び希土類元素のうちカルシウムだけを含有させる場合には、当該カルシウムの含有量が0.02質量%以下であることが望ましく、また当該カルシウムと希土類元素とを含有させる場合には、カルシウムと希土類元素との含有量が0.02質量%以下であることが好ましい。
ニッケルも金線強度を高める元素である。ただし、カルシウムや希土類元素と異なり、固溶強化作用が高い。したがって、ネック部の強度を向上させる。
ボールボンディングは、ボンディングワイヤ先端部をアーク放電により溶解してボールを形成し、これを圧着させてファースト接合させる。したがって、ボール直上部は熱影響部(HAZ)に当たり、熱で転位が移動、減少し、加工歪みが低下した軟化領域である。したがって、リーニング不良は、圧着ボール部を固定点として、熱影響部で曲がることによって生じる。
カルシウムや希土類元素は、加工強化作用が大きいため母線強度を大きく増大させるが、その分、母線に対するネック部の相対的強度を低下させる。その結果、ループ面に対して直角方向に何らかの影響により外力が加わった場合には、ネック部に応力が集中し、リーニング不良が起き易くなる。
ニッケルは、本発明の添加量の範囲内では加工強化作用はあまり大きくなく、逆に固溶強化作用が大きいため、熱影響部自体の強度を高める他、母線との相対的強度差も小さくする作用がある。ボンディング条件やループ形状にもよるが、0.0007質量%より小さい添加量では、リーニング不良を抑制するための効果は殆どない。リーニング不良の抑制効果はニッケル添加量を増やすほど大きくなるが、ニッケルの添加はボールの圧着形状を悪化させる作用が大きい。したがって、これを抑制する元素を添加する必要がある。
本発明でリーニング不良を抑制するためにループ直角方向からの拮抗力を得るための最低限の条件は、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素の含有量が0.0009質量%超、かつ、ニッケルの含有量が0.0007質量%以上となる。しかし、この量の成分元素を含有させる場合には、圧着ボールの真円性が悪化するため、ボールの圧着形状を整える元素として、ベリリウムを0.0003質量%以上添加することが望ましい。ベリリウムは、変形抵抗を増大させる元素であり、特に、ボンディング時の超音波の印加により、ボールの圧着径が超音波方向に伸びることを抑制する効果を有する。ベリリウムの量は、カルシウム、希土類元素、ニッケルの添加量を大きくするにしたがって、増量することが望ましい。しかし、ベリリウムは、酸化し易く、また拡散速度も大きいことから、金線表面に酸化物を形成し易い。その結果、セカンド接合性を劣化させる場合がある。また、ボンディング時のボール形成時にも、ボール表面に酸化物を形成し易い。この観点から、特にニッケルと組み合わせて使用する場合、ベリリウムの添加量は0.0008質量%以下であることが望ましい。この範囲であれば、ファースト接合性に対して上記の利点が大きい。
ベリリウムを添加しても、ニッケルの添加量が0.005質量%以上、又はカルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素の含有量が0.02質量%を超えると、健全なファースト接合は困難になる。
ベリリウム以外でボールの圧着形状を整える作用を有する元素は、チタンとバナジウムとがある。チタン及びバナジウムは、ボンディング時にトーチ電極から放電、ワイヤ先端を溶融、凝固させてボールを形成する時の凝固時に作用して、結果的に圧着ボールの真円性を高める。
チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が、0.0005質量%以上0.005質量%以下であることが望ましく、0.0005質量%より小さければ、効果はなく、0.005質量%より大きければ、健全なファースト接合が困難になる。
チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方を添加しても、ニッケルの添加量が0.005質量%、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素の含有量が0.02質量%を超えると、健全なファースト接合は困難になる。
ベリリウムの作用と、チタン及びバナジウムの作用とは、圧着ボールの形状を整える点で同じであるが、メカニズムが異なるため、両方を添加することで、より大きな効果を得ることができる。実際上、ベリリウムを0.0003質量%以上0.0008質量%以下、かつ、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方を0.0005質量%以上0.005質量%以下の範囲で含有させることで、リーニング不良を抑制する元素であるニッケルの含有量を0.007質量%まで高めても、健全なファースト接合を形成することが可能になる。
プラセオジウムは、カルシウム及び希土類元素の中で、本発明の目的を達成するために最も優れた元素である。それは、強度に対して添加効率が高く、ボールの圧着形状に及ぼす影響が小さいためである。強度とボールの圧着形状が両立するプラセオジウムの組成範囲は、0.0016質量%以上0.02質量%以下であることが望ましい。0.02質量%までは、健全なボンディングが可能であるが、特に今後主流になると予想される35〜60μmパッドピッチのファインピッチ接続には、プラセオジウムの場合、0.0016質量%以上0.010質量%以下の範囲で含有させることによって、他の元素より低濃度で十分な強度が得られる。ニッケル、ベリリウム、チタン、又はバナジウムとの複合添加によって、リーニング特性、やボールの圧着形状に優れたボンディングワイヤを製造できる。
さらに、インジウム、及びガリウムのうちいずれか一方又は両方を0.0005質量%以上0.005質量%以下の範囲で含有させることによって、圧着ボールとアルミニウム電極パッドとの間の接合強度を増大させることができる。したがって、上記の元素群との組合せによって、リーニング特性やボールの圧着形状、接合強度に優れたボンディングワイヤを製造できる。
さらに、パラジウムを0.001質量%以上2質量%以下で含有させることによって、高温で保持した時の圧着ボールとアルミニウム電極パッドとの間で成長する金及びアルミニウムの不均一な成長を抑制して、圧着ボールと電極パッドとの剥離を抑制する。したがって、上記の元素群との組合せによって、リーニング特性やボール圧着形状、接合強度、高温信頼性に優れたボンディングワイヤを製造できる。
上記の元素の組合せは、リーニング不良を引き起こし易くなる細線、特に直径25μm以下の金ボンディングワイヤに有効となる。
上述した金属以外の添加元素は、フリーエアボール(free air ball)の酸化を促すなどの理由によって接合性の悪化を引き起こすことから含有させないことが望ましい。ただし、パラジウム以外の白金族元素、銀、銅等の酸化され難い金属は、含有されていても構わない。また、それ以外の金属でも、マグネシウム、ゲルマニウム、鉄は、0.005質量％以下であれば、接合性に悪い影響を与えないため、不可避金属としては含有されていても構わない。特にマグネシウムは、0.001質量%以上0.005質量%以下で含有させることによって、圧着ボール接合強度をより向上させる作用を有する。0.001質量％未満では、圧着ボール接合強度が向上しない場合がある。0.005質量％を超えると、良好な接合性に悪影響を与える場合がある。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、これは本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は実施例によって何ら限定されるものではない。
(実施例１)
カルシウム、ランタン、セリウム、ベリリウム及びニッケルのうちから任意に選択した元素を含有した複数種類の金線を製造し、リーニング不良と圧着ボール形状とをそれぞれ評価した。
純度99.9998質量%以上の原料金に、カルシウム、ベリリウム及びニッケル等を添加して、直径5mm長さ100mmのインゴットを鋳造した。鋳造後、インゴットを溝型圧延機で約2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により、直径1.0mmまで単頭伸線を行って、その後、連続伸線機を使用して、巻取速さ20m/minで、潤滑液中にてダイヤモンドダイスで引抜加工を行い、25μmまで伸線を行った。連続引抜工程におけるダイス１パス当たりの各回減面率は約10%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理(調質熱処理)を行い、温度を調整し、破断伸び4%のボンディングワイヤを作製した。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が70μm、パッド材質がAlのチップを用いて実施した。ボンディングは、K&S社製8028ppsを使用した。ファースト接合の圧着径を65μmに設定し、パッドからのループ高さ450μm、ループ長を3.0mmとした。ボンディングは大気中で行い、チップ表面温度は180℃とした。
ボンディング特性の評価は、リーニング不良と圧着ボールの不良確率とを測定した。
リーニング不良の基準として、ボンディング後のループを真上から観察して、ボンディングワイヤ間の間隔が30μm以下のボンディングワイヤをリーニング不良として、当該リーニング不良の発生確率を調べた。観察したループ数は1000本である。
圧着ボールの形状不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向との圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が1.1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状になったものとを圧着ボール不良（すなわち圧着形状不良）として、観察数で割った値を圧着形状不良率とした。圧着ボールの観察数は200個である。
単頭伸線後にサンプリングを行い、成分分析を行った結果と、機械特性及びボンディング特性の測定結果とを表１に示す。
Figure 0005010495
カルシウム、プラセオジウム及びセリウムの含有量が0.0009質量%以下の場合（試料１〜３）には、ニッケルの添加の有無に関わらず、25μmのワイヤでも0.5%以上のリーニング不良が発生した。またリーニング不良の程度も大きいことが分かった。これは、ボンディングワイヤのワイヤ強度及びヤング率そのものが小さいためである。カルシウム、プラセオジウム及びセリウムの中で、強度に対する寄与は、プラセオジウム、カルシウム、セリウムの順に大きかった。これらの元素は、加工強化作用を大きくする元素であり、主として母線強度を増大させ、また、伸線方向の＜111＞配向性を高め、ヤング率を増大させる。次に電子背面反射回折（EBSD（Electron Backscatter Diffraction））法で、表１の金線の断面組織の結晶方位解析を実施した。この場合、カルシウムだけの含有量又は、当該カルシウムとプラセオジウム若しくはセリウムとの含有量が0.0009質量%以上で、かつヤング率が85.0GPa以上の試料５〜13では、ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の(111)面法線の1つが、15°以下の角度を有している結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めることが分かった。
カルシウムだけの含有量又は、当該カルシウムとプラセオジウム若しくはセリウムとの含有量が0.0009質量%以上含有されたボンディングワイヤでは、ニッケルを0.0007質量%以上添加することによってリーニング不良が0.5%〜0.1%に著しく改善した（試料４、６〜13）。そして、ニッケルを多く添加すると、リーニング不良が更に改善した。また、ワイヤ強度も増加した。これは、ニッケル添加により、固溶強化機構が働き、ワイヤ強度及びネック強度が高まったためである。一方、ニッケルを添加したものは、ボールの圧着形状不良が増加した（例えば、試料５及び６参照）。
ニッケルを添加したボンディングワイヤにおけるボールの圧着形状の改善には、0.0003質量%以上のベリリウムの添加が有効であった（試料６〜８参照）。しかしながら0.0008質量%を超えてベリリウムを含有させたボンディングワイヤ（試料12及び13）では、僅かにボールの圧着形状が悪化した。
リーニング不良及びボールの圧着形状不良の良否をそれぞれの不良確率、0.5%と3%とで判断した時、表１より、カルシウムだけの含有量又は、当該カルシウムとプラセオジウム若しくはセリウムとの含有量が0.0009質量%超0.02質量%以下、かつ、ベリリウムの含有量が0.0003質量%以上0.008質量%以下、かつ、ニッケルの含有量が0.0007質量%以上0.005質量%未満の複合添加が必要となることが確認できた（試料8〜11）。言い換えると、カルシウム又は当該カルシウムと希土類元素とを0.0009質量%超含有させることによって、ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の（111）面法線の１つが、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めるように＜111＞配向させ、かつ、0.0007質量%以上0.005質量%未満のニッケルを含有させることによって、リーニング不良の小さなボンディングワイヤとすることができた。
（実施例２）
カルシウム、ランタン、ベリリウム、ニッケル、チタン及びバナジウムのうちから任意に選択した元素を含有した複数種類の金線を製造し、リーニング不良と圧着ボール形状とをそれぞれ評価した。
純度99.9998質量%以上の原料金に、カルシウム、ランタン、ベリリウム、ニッケル、チタン及びバナジウム等を添加して、直径5mm長さ100mmのインゴットを鋳造した。鋳造後、インゴットを溝型圧延機で約2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により、直径1.0mmまで単頭伸線を行って、その後、連続伸線機を使用して、巻取速さ20m/minで、潤滑液中にてダイヤモンドダイスで引抜加工を行い、23μmまで伸線を行った。連続引抜工程におけるダイス１パス当たりの各回減面率は約10%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理(調質熱処理)を行い、温度を調整し、破断伸び4%のボンディングワイヤを作製した。金線径が2μｍ小さくなったことで、リーニング不良は発生し易くなるため、カルシウムと希土類元素との含有量は、実施例１に比較して増量した。また、ベリリウムの添加量は0.0008質量%に固定した。
作製した金線に対して、EBSD法を用いて、金線の断面組織の結晶方位解析を実施したところ、全てのボンディングワイヤで、当該ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の（111）面法線の1つが、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めることが分かった。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が70μm、パッド材質がAl-Cuのチップを用いて実施した。ボンディングは、K&S社製8028ppsを使用した。ファースト接合の圧着径を44μmに設定し、パッドからのループ高さ450μm、ループ長は3.0mmとした。ボンディングは大気中で行い、チップ表面温度は180℃とした。
ボンディング特性の評価は、リーニング不良と圧着形状不良との発生確率を測定した。
リーニング不良の基準として、ボンディング後のループを真上から観察して、ボンディングワイヤ間の間隔が30μm以下のボンディングワイヤをリーニング不良として、発生確率を調べた。観察したループ数は1000本である。
圧着形状不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向との圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が1.1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状になったものとを圧着形状不良として、観察数で割った値を圧着形状不良率とした。圧着ボールの観察数は200個である。
単頭伸線後にサンプリングを行い、成分分析を行った結果と、機械特性及びボンディング特性の測定結果とを表２に示す。
Figure 0005010495
カルシウムとランタンとをそれぞれ0.0015質量%、0.0005質量%含有するボンディングワイヤ（試料14）でも、本実施例のボンディング条件では、3.5%のリーニング不良が発生した。これにニッケルを含有させた場合、リーニング不良が大きく改善されたが、当該ニッケルの含有量が0.0052質量%としたボンディングワイヤでは、圧着形状不良率が5%となった（試料16）。
ベリリウム、チタン及びバナジウムを全く添加しない場合でも、ニッケルを0.002質量%添加することによって、リーニング不良を抑制するボンディングワイヤの製造は可能であったが、ボールの圧着形状が悪く、本発明の目的とする複雑な配線、狭ピッチ配線用半導体実装用金線として十分でないことが確認できた。
ベリリウムを添加しなくても、チタンとバナジウムとの含有量を0.0005質量%以上添加することによって、リーニング特性を維持したまま、ボールの圧着形状の改善が可能になることが確認できた（試料18）。リーニング不良率はチタン及びバナジウムの含有量が増すことによって改善した。
また、チタン又はバナジウムを単独で0.005質量%、ベリリウムを0.00078〜0.00079質量%含有させた場合（試料20及び21）には、ニッケル含有量を、0.0052質量％添加した場合でも、圧着形状不良率が改善し、3%以下になった。チタン及びバナジウムの添加は、ボールの圧着形状以外に、リーニング不良に対しても効果が認められた。チタンとバナジウムとは、単独で含有させても、両方含有させても効果が認められた。
ベリリウムと、チタン及び又はバナジウムとの複合添加によって、ニッケルを0.007質量%まで添加しても、圧着ボール形状の悪化を抑制することができた（試料23〜25）。
リーニング不良、及びボールの圧着形状不良の良否をそれぞれの不良確率で0.5%と3%で判断した時、ベリリウムを0.0003質量%以上0.0008質量%以下含有し、かつチタン及びバナジウムのうち一方又は両方を0.0005質量%以上0.005質量%以下添加することによって、リーニング不良を抑制するニッケルの含有量を0.007質量%まで増加することが可能になった。
（実施例３）
プラセオジウム、カルシウム、ランタン、ベリリウム、ニッケル、チタン及びバナジウムのうちから任意に選択した元素を含有した複数種類の金線を製造し、リーニング不良と圧着ボール形状とをそれぞれ評価した。
純度99.9998質量%以上の原料金にプラセオジウム、カルシウム、ランタン、ベリリウム、ニッケル、チタン及びバナジウム等を添加して、直径5mm、長さ100mmのインゴットを鋳造した。鋳造後、インゴットを溝型圧延機で約2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により、直径1.0mmまで単頭伸線を行って、その後、連続伸線機を使用して、巻取速さ20m/minで、潤滑液中にてダイヤモンドダイスで引抜加工を行い、22.7μmまで伸線を行った。連続引抜工程におけるダイス１パス当たりの各回減面率は約10%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理(調質熱処理)を行い、温度を調整し、破断伸び4.5%のボンディングワイヤを作製した。最終調質工程の温度を上げ、設定伸びを4.5%とすることで、強度及びヤング率は低下し、この点でリーニング不良には不利であるが、カールは除去し易くなるため、カールをきっかけとするリーニング不良の発生は抑制することが可能になった。
作製した金線に対して、EBSD法を用いて、金線の断面組織の結晶方位解析を実施したところ、全てのボンディングワイヤで、当該ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の（111）面法線の1つが、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めることが分かった。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が70μm、パッド材質がAl-Cu-Siのチップを用いて実施した。ボンディングは、K&S社製8028ppsを使用した。ファースト接合の圧着径を40μmに設定し、パッドからのループ高さ500μm、ループ長は3.0mmとした。ボンディングは大気中で行い、チップ表面温度は160℃とした。
ループ高さが高くなったこと、線径が小さくなったことで、リーニング不良は発生し易くなるため、カルシウムと希土類元素との含有量は実施例１及び２に比較して増量した。
ボンディング特性の評価は、リーニング不良と圧着形状不良の発生確率を評価した。
リーニング不良の基準として、ボンディング後のループを真上から観察して、ボンディングワイヤ間の間隔が30μm以下のボンディングワイヤをリーニング不良として、発生確率を調べた。観察したループ数は1000本である。
圧着形状不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向との圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が1.1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状になったものとをボール不良として、観察数で割った値をボール不良率とした。圧着ボールの観察数は200個である。
単頭伸線後にサンプリングを行い、成分分析を行った結果と機械特性及びボンディング特性の測定結果とを表３に示す。
Figure 0005010495
カルシウムを0.0015質量%、プラセオジウムを0.004質量%含有したボンディングワイヤ（試料33〜35）では、強度及びヤング率がほぼ同等であったが、ニッケルを0.002質量%含有したボンディングワイヤ（試料34及び35）のリーニング特性は、ニッケルを含有していないボンディングワイヤ（試料33）に比較して、リーニング特性が明らかに優れていた。更に、ベリリウムを0.0006質量%、チタンを0.003質量%含有させたボンディングワイヤは、ボールの圧着形状が良好であった。
カルシウムを0.0015質量%、ベリリウムを約0.0006質量%又は0.00061質量%、チタンを0.003質量%含有し、プラセオジウム又はランタンのいずれか一方を0.004質量%含有したボンディングワイヤ（試料35及び36）を比較すると、プラセオジウムを添加したボンディングワイヤ（試料35）の方が、リーニング特性が優れていた。これは、プラセオジウムを添加した方のボンディングワイヤの強度及びヤング率が高いためである。
このボンディングワイヤ（試料35）と同等の強度とヤング率とを得ようとした場合、カルシウム単独では0.007質量%の含有が必要であった（試料37）。これらのリーニング不良率を比較すると、プラセオジウムを含有したボンディングワイヤ（試料35）の方が優れていた。カルシウムとプラセオジウムとを比較した場合、プラセオジウムは質量数が大きいため、同じ強度を得るための原子濃度は小さい。このため、ネック部の軟化領域長さ(HAZ長さ)は、同じ強度でカルシウムを主体とするボンディングワイヤに比較して長くなる。ループの横方向に倒す力が働いた場合、HAZ長さが長い方が、応力集中が小さくなるため、同じ母線強度のボンディングワイヤの比較では、プラセオジウムを主体とするボンディングワイヤの方が優れていることが分かる。
プラセオジウムとカルシウムとの比を変えながら、同じ機械特性を有するボンディングワイヤを作製する場合、プラセオジウムの割合が大きいほど、小さな含有量で、強度及びヤング率を有するボンディングワイヤを作製することができる。特に0.0016質量%〜0.0079質量%のプラセオジウムを添加したボンディングワイヤ（試料39〜41）のリーニング特性が良好であり、これは軟化領域長さが長いためである。したがって、プラセオジウムを0.0016質量%〜0.0079質量%含有する金線は、特に高いループを張る必要のあるデバイスに有用である。プラセオジウムの含有量は、0.02質量%まで増やすことが可能であったが、0.0081質量%を超えると若干ボールの圧着形状の真円性が悪くなり、カルシウムや他の希土類元素と同様、0.02質量%を超えると、フリーエアボールの酸化が激しくなり、健全なファースト接合が得られなくなった。
したがって、本発明において、強度及びヤング率を増すために用いられるカルシウムと希土類元素との中で、リーニング不良を抑制するための元素としては、プラセオジウムが最も望ましい元素であり、最適な組成範囲は、0.0016質量%〜0.0079質量%の範囲であることが分かった。
（実施例４）
次に、インジウム、ガリウム及びパラジウムの添加効果について調べた。
上記以外の添加元素として、カルシウム、プラセオジウム、ネオジウム、ニッケル、ベリリウム、バナジウム及びチタンのうちから任意に選択した元素を含有した複数種類の金線を製造し、リーニング不良、ボール形状、圧着ボールシェア強度及び高温信頼性をそれぞれ評価した。
純度99.9998質量%以上の原料金に上記添加元素の母合金を添加して、直径5mm、長さ100mmのインゴットを鋳造した。鋳造後、インゴットを溝型圧延機で約2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により、直径1.0mmまで単頭伸線を行って、その後、連続伸線機を使用して、巻取速さ20m/minで、潤滑液中にてダイヤモンドダイスで引抜加工を行い、22.7μmまで伸線を行った。連続引抜工程におけるダイス１パス当たりの各回減面率は約10%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理(調質熱処理)を行い、温度を調整し、破断伸び4%のボンディングワイヤを作製した。
ボンディング試験は、(株)新川製UTC-400を用いた。高さ150μmシリコンチップから42アロイのリードフレームまで、上記のボンディングワイヤで接続した。シリコンチップ側のAl電極上にファースト接合、42アロイ側の銀めっき電極上にウェッジ接合(セカンド接合)を行った。圧着ボール径の平均値は45μmとなるように調整した。ワイヤスパンは、5mmで、パッドからのループ高さは400μmである。ボンディングは大気中で実施し、接合温度は150℃とした。
カルシウム、及び希土類元素の量は、実施例１〜３の結果から、良好と予想される量を添加した。作製した金線に対して、EBSD法を用いて、金線の断面組織の結晶方位解析を実施したところ、全てのボンディングワイヤで、ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の（111）面法線の１つが、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めることが分かった。
ボンディング特性の評価は、リーニング不良、圧着形状不良確率及び圧着ボールシェア強度を測定し、また、一部のボンディングワイヤについては、高温加速試験を行なった。
リーニング不良の基準として、ボンディング後のループを真上から観察して、ボンディングワイヤ間の間隔が30μm以下のボンディングワイヤをリーニング不良として、その発生確率を調べた。観察したループ数は1000本である。
圧着形状不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向との圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が1.1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状になったものとをボール不良として、観察数で割った値を圧着形状不良率とした。圧着ボールの観察数は200個である。
圧着ボールシェア強度は、パッド上1μmの高さでパッドと平行にツールを移動させてボールを剥離させることで測定した。圧着ボールシェア強度の測定数は50個でその平均値を算出した。
高温加速試験は、ボンディングしたチップを樹脂封止して、150℃に加熱した電気炉中に3000時間保持し、樹脂部を開封して、圧着ボールシェア強度を測定した。加熱前の圧着ボールシェア強度に対して、加熱、保持後の圧着ボールシェア強度の比を算出した。
単頭伸線後にサンプリングを行い、成分分析を行った結果と、機械特性及びボンディング特性の測定結果とを表４に示す。
Figure 0005010495
プラセオジウムを0.0035質量%、カルシウムを0.001質量%添加した群（試料43と試料44〜48）で比較すると、ニッケルの含有の有無により、リーニング不良率は著しく異なり、ニッケル添加のリーニング不良に対する防止効果が改めて示された。また、これにガリウムを添加していくと、0.0005質量%〜0.005質量%まで、リーニング不良と圧着形状不良が低い水準のまま、圧着ボールシェア強度を向上させることが可能になった（試料45〜47）。ガリウムを0.0055質量%含有させたもの（試料48）は、圧着形状不良率が高くなり圧着ボール形状の劣化が認められた。
プラセオジウムを0.002質量%、カルシウムを0.0015質量%、ネオジウムを0.0015質量%添加した群で比較すると、ベリリウム、バナジウムの含有の有無により、圧着形状不良率は著しく異なり、ベリリウム、バナジウム添加の圧着ボール真円性に対する効果が改めて示された。また、これにインジウムを添加していくと、0.0005質量%〜0.005質量%まで、リーニング不良と圧着形状不良とが低い水準のまま、圧着ボールシェア強度を向上させることが可能になった（試料51〜53参照）。インジウムを0.0052質量%含有させたもの（試料54）は、圧着形状不良率が高くなり圧着ボール形状の劣化が認められた。
プラセオジウムを0.0017質量%又は0.0018質量%、カルシウムを0.001質量%添加した群（試料55〜60）で比較すると、これらの元素に加えて、ニッケル、ベリリウム、チタン、バナジウム、インジウム、及びガリウムの含有により、リーニング不良率及び圧着形状不良率が低く、また圧着ボールシェア強度の高いボンディングワイヤが製造できた。また、これらの元素の、パラジウムを0.001質量%（試料56）から0.95質量%（試料60）添加しても、上記の特性は劣化することがなかった。更に、パラジウムの添加により、高温加速試験における圧着ボールシェア強度の低下を著しく抑制することができた。
以上のように、カルシウム、希土類元素、ベリリウム、チタン、及びバナジウムの添加に加えて、インジウム又は及びガリウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が、0.0005質量%以上0.005質量%以下含有させることにより、リーニング不良及び圧着形状不良を抑制したまま、圧着ボールシェア強度を高めることが可能で、ルーピング性能、接合信頼性の優れた金ボンディングワイヤを提供することができることが確認できた。また、パラジウムを0.001質量%以上含有させることにより、高温環境下で使用させるデバイスにも適用可能な半導体素子接続用金線が提供できることが確認できた。
（実施例５）
次に、マグネシウム、ゲルマニウム、鉄、リチウム、鉛、銀、銅、白金の添加による影響を調べた。
実施例４の試料45をベースに上記元素を含有した複数種類の金線を製造し、リーニング不良、ボール形状、圧着ボールシェア強度をそれぞれ評価した。
純度99.9998質量%以上の原料金に添加元素の母合金を添加して、直径5mm、長さ100mmのインゴットを鋳造した。鋳造後、インゴットを溝型圧延機で約2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により、直径1.0mmまで単頭伸線を行って、その後、連続伸線機を使用して、巻取速さ20m/minで、潤滑液中にてダイヤモンドダイスで引抜加工を行い、22.7μmまで伸線を行った。連続引抜工程におけるダイス１パス当たりの各回減面率は約10%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理(調質熱処理)を行い、温度を調整し、破断伸び4%のボンディングワイヤを作製した。
ボンディング試験は、(株)新川製UTC-400を用いた。高さ150μmシリコンチップから42アロイのリードフレームまで、上記のボンディングワイヤで接続した。シリコンチップ側のAl電極上にファースト接合、42アロイ側の銀めっき電極上にウェッジ接合(セカンド接合)を行った。圧着ボール径の平均値は45μmとなるように調整した。ワイヤスパンは、5mmで、パッドからのループ高さは400μmである。ボンディングは大気中で実施し、接合温度は150℃とした。
EBSD法を用いて、金線の断面組織の結晶方位解析を実施したところ、全てのボンディングワイヤで、ボンディングワイヤの長さ方向(伸線方向)に対して、結晶粒の（111）面法線の１つが、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が全体に対して、断面面積比で50%以上を占めることが分かった。
ボンディング特性の評価は、リーニング不良率、圧着形状不良率及び圧着ボールシェア強度を測定した。
リーニング不良の基準として、ボンディング後のループを真上から観察して、ボンディングワイヤ間の間隔が30μm以下のボンディングワイヤをリーニング不良として、その発生確率を調べた。観察したループ数は1000本である。
圧着ボールの形状不良（すなわち圧着形状不良）の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向との圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が1.1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状になったものとをボール不良として、観察数で割った値を圧着形状不良率とした。圧着ボールの観察数は200個である。
単頭伸線後にサンプリングを行い、成分分析を行った結果と、機械特性及びボンディング特性の測定結果とを表５に示す。
Figure 0005010495
マグネシウム、ゲルマニウム、鉄、リチウム、鉛、銀、銅、白金は、金線の機械的特性に殆ど影響を与えなかった。
ボンディング特性に対しては差が認められた。マグネシウム、ゲルマニウム、鉄、銀、銅、白金は、0.005質量％の添加まではリーニング、圧着ボールの形状は良好に保たれたのに対し、リチウム、鉛は、特に圧着形状を劣化させた（試料68及び69参照）。酸化されやすい不純物の混入は避ける必要がある。この中でマグネシウム、鉄、ゲルマニウムは、比較的多く含有されていても、リーニング、圧着形状を劣化させないが、0.005質量％を超えて添加した場合、フリーエアボールの表面酸化が激しくなり、多量のボンディングした時のキャピラリの汚れ、詰まりが懸念させることから、これらの元素は、0.005質量％以下に抑制されることが望ましい。この中で、マグネシウムは、0.001質量％以上0.005質量％以下の範囲で添加することにより、圧着ボールシェア強度が向上する効果が認められた（試料62〜64参照）。
リーニング不良と圧着ボール形状不良との説明に供する概略図である。
符号の説明
１、1a、1b ボンディングワイヤ
2c、2d パッド
3c 圧着ボール

Claims (7)

  1. ニッケルの含有量が0.0007質量%以上0.005質量%以下、かつ、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が0.0005質量%以上0.005質量%以下、かつ、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる１種以上の元素の含有量が0.0009質量%超0.02質量%以下であることを特徴とする半導体素子接続用金線。
  2. ニッケルの含有量が0.0007質量%以上0.007質量％以下、かつ、ベリリウムの含有量が0.0003質量%以上0.0008質量%以下、かつ、チタン及びバナジウムのうちいずれか一方又は両方の添加量が0.0005質量%以上0.005質量%以下、かつ、カルシウム及び希土類元素のうちから選ばれる１種以上の元素の含有量が0.0009質量%超0.02質量%以下であることを特徴とする半導体素子接続用金線。
  3. プラセオジウムを0.0016質量%以上0.02質量%以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子接続用金線。
  4. さらに、インジウム及びガリウムのうちいずれか一方又は両方を0.0005質量%以上0.005質量%以下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  5. パラジウムを0.001質量%以上２質量%以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  6. さらに、マグネシウムを0.001質量％以上0.005質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  7. 線材を構成する個々の結晶粒の（１１１）面法線の１つが、線材の長さ方向に対して、15°以下の角度を有する結晶粒の割合が、全体に対して、断面面積比で50%以上を占める、長さ方向に＜１１１＞配向したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
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