JP5024907B2 - 金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、半導体の集積回路素子上の電極（パッド）と回路配線基板に接続する電極（外部リード）を接続するために使用する半導体素子のワイヤボンディング用の金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤに関し、更に詳しくは、微量元素の表面偏析を抑制した直径２０μｍ以下の伸線加工された金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤに関する。

従来、半導体装置に用いられる半導体チップ上のパッドと外部リードを接続する線径２５〜３５μｍ程度の線としては、純度９９．９９質量％以上の高純度金からなる金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤが多用されている。
通常、金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤを接続する方法においては、第一ボンドでは、超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられている。
この方法では、キャピラリー先端から露出したワイヤ先端を微小放電により加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にボール部を圧着接合（ボールボンディング）せしめ、その後の第二ボンドでは、直接ボンディングワイヤを外部リード側に超音波圧着により接合（ウエッジボンディング）させる。

トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤによるボンディングの後に、半導体チップ、ボンディングワイヤ、および半導体チップが取り付けられた部分のリードフレーム等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。
最近は、半導体装置の小型化、薄型化、高機能化および高信頼性化の要求が高まる中で、金ボンディングワイヤに必要とされる特性も多様化しており、半導体チップの多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、金ボンディングワイヤをより細線化しても、なおかつ、所要の強度、あるいは第一ボンドにおける圧着ボールの真円度や第二ボンドにおける接合信頼性等、更には接合の長期信頼性の向上が要求されている。

特に、半導体装置の一層の小型化、薄型化および高機能化に伴い、半導体装置の大きさが小さくなっている。それに伴って、単位面積あたりの入出力端子の数が増大して、パッドピッチ（パッド中心間距離）の大きさも１００μｍから８０μｍ、６０μｍへと小さくなってきている。このためボンディングワイヤの線径も２５μｍから２０μｍ以下へと細くなり始めており、一部では１５μｍ以下の線径の試みもなされている。
ところが、ボンディングワイヤの線径が細くなると、ワイヤ自身の絶対的な剛性が低下するとともに溶融ボールの直径も小さくなるため、２５μｍの線径では問題にならなかったようなリーニングや圧着ボールの接合強度不足、接合の長期信頼性不足などの不具合が発生するようになった。ここで、「リーニング」とは、第一ボンドと第二ボンドの間に張られたワイヤが左右に倒れる現象で、その結果、隣接するワイヤ同士の間隔が狭くなったり、接触したりする不具合が起こる。

そこで、特許文献１に例示されるように、高密度化に対応する５０μmの狭ピッチに対して線径が２０μｍボンディングワイヤについて、P化合物、水酸化物を含有する環境調和封止樹脂により封止したボンディングワイヤの接合信頼性向上のため、Cu、Pd、Pt、Zn、Ag（第一元素群）から選ばれた少なくとも一種以上の元素の総計濃度（C1）が ０．００５〜１．５質量％、の範囲であり、Ca、Ce、Eu、Dy、Y（第二元素群）から選ばれた少なくとも１種以上の元素の総計濃度（C2）が０．００１〜０．０６質量％の範囲であり、La、Mg、Gd、Tb、Ni（第３元素群）から選ばれた少なくとも1種以上の元素の総計濃度が（C3）が０．００１〜０．０５質量％であり残部が金及び不可避的不純物からなる金合金ボンディングワイヤ（段落０２６）が開示されている。

ところで、金（Ａｕ）合金ワイヤに微量元素を添加した場合、金（Ａｕ）合金ワイヤに比較して、微量元素を高濃度にすればするほど金（Ａｕ）合金ワイヤの絶対的な剛性が高くなり、各種の性能が向上する反面、望ましくない性能も合わせて現出することもある。
金（Ａｕ）合金マトリックスにループ形成性が向上する傾向にある微量元素を添加した場合に、金（Ａｕ）ボールの形成性が悪くなってしまったり、ウェッジ接合性が悪くなってしまうことがある。さらに、金（Ａｕ）合金マトリックスに含有させた添加元素が溶融ボールの表面のワイヤ表面に析出して酸化したり、ボール先端に引け巣と呼ばれる窪みが発生したりする。添加元素がワイヤ表面に析出したり、酸化したりすると半導体装置上のパッドにボールボンディング（金（Ａｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の接合）した際や外部リードにウエッジボンディング（金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の接合など）させた際に金属的に接合できずに接合不良を起す原因となる。また、溶融ボールに引け巣ができたまま半導体装置上のパッドにボールボンディングすると中抜けと呼ばれる圧着部の中央に金属的に接合しない領域ができ、全体的な接合強度が落ちる現象も起こる。
また、圧着ボールの形状がいびつになり、狭いピッチ間隔のボールボンディングが困難となる等の問題とか、ボールの硬度が上昇したことによりチップ割れや、パッドダメージ（パッドが下地から剥がれたり、Ａｌスプラッシュと呼ばれるＡｌパッドを外に追い出して膜厚が減少するなどの不具合）の発生比率が上昇する問題があり、微量元素を多量に添加させることはできない。
例えば、カルシウム（Ｃａ）を単独で添加して強度を確保していた場合、カルシウム（Ｃａ）は極細線の表面に部分的に析出することがあり、この表面析出したカルシウム（Ｃａ）が酸化されて表面酸化膜を形成する結果、第一ボンドのボール形状や接合性が安定しないために、圧着ボールの真円度を悪くしたり、第二ボンドのウェッジ接合性を悪くしたりすることがあった。

また、添加する元素が多種類で複雑になると、金（Ａｕ）合金中ではこれらの元素が複雑に機能して溶融ボールの表面に析出するため、良好な初期接合が得られず、信頼性の高い第一ボンドと第二ボンドの接合性が得られなくなる傾向が強まる。そこで、特許文献２に記載されているように、合金元素の種類と添加量を調整して大気中でボールボンディングしても、その溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成することなく接合性が良好で、経時的にも金属間化合物生成の傾向が低いボンディングワイヤが開発された。

特開２００３−１３３３６２公報 WO２００６−３５８０３公報

ところが、線径が２０μｍ以下の細いワイヤになると、線径が２３μｍの細いワイヤよりもさらにワイヤの機械的強度を３０％以上高める必要があるが、機械的強度を高くすると一般的にワイヤの屈曲性が低くなる。そのため、大気中の溶融ボールや極細線の表面に酸化膜が形成することがなく、かつ、機械的強度の高いワイヤを用いて第一ボンドから第二ボンドへループを描いた場合であっても、第一ボンドの圧着ボールの付け根に亀裂が入りやすくなり、いわゆるネックダメージやネック破断の原因となるという問題が発生した。
これは、特許文献１の段落００３３〜００３４に記載されているように、パラジウム（Ｐｄ）等の第一元素群を含む金合金にCaなどの第二元素、Laなどの第三元素を所定量添加したボンディングワイヤにおいて改善された接合性やボール形状の真球度向上によっても解消されない。
カルシウム（Ｃａ）やベリリウム（Ｂｅ）や希土類元素は微量添加すると、亜鉛（Ｚｎ）等に比し、あまり溶融ボール表面に析出してこない元素である。
しかし、大気中で何１０万回も連続してボールボンディングしていくと、キャピラリー表面や先端部に析出物やその酸化物が蓄積するため、第一ボンドや第二ボンドの圧着形状を悪くして接合強度不足や不着などの不具合を起す、また、キャピラリー表面や先端部の滑り性が悪くなるため、第一ボンド後のループ形成時に圧着ボールの付け根に応力が加わり、亀裂が入りやすくなる。さらに、キャピラリーの滑り性が悪くなると、リーニング以外にもループ高さ異常やＳ字曲がりなどのループ形成性の悪化、そしてその結果としてのエポキシ樹脂で封止時のワイヤ流れの原因にもなる。これらは最近の半導体装置の小型化、高密度化に伴い、これまで以上に隣接するワイヤ同士の間隔が狭くなったり、接触したりする不具合の要因に発展する。また、ボンディングマシーンの性能の向上と共に、ボンディング速度（単位時間当たりのボンディング数）も増加しているが、ボンディング速度が増加すると、キャピラリー表面の滑り性の悪化（摺動抵抗の増加）も増大しているが、ボンディング速度が増加すると、キャピラリー表面や先端部の滑りの悪化（摺動抵抗の増加）による影響はより顕著に現れる。

本発明は、線径が２０μｍ以下の細いワイヤであっても、金（Ａｕ）−パラジウム（Ｐｄ）等の金（Ａｕ）合金マトリックス中で微量元素が偏析することなく均一に分布し、また、微量の析出物があってもキャピラリー表面や先端部を滑らかに保つことにより摺動抵抗を増加させず、ネックダメージやループ形成時の不具合等が生じないボンディングワイヤを提供することを課題とする。
これらの課題は、全微量元素の添加量が１００ｐｐｍ以下の場合でも該当する。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示す金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤが提供される。

（１）９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第１の添加元素である１〜２０質量ｐｐｍのベリリウム（Ｂｅ）とからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、共添加成分含有量＞第１の添加元素含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。

（２）９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第２グループの添加成分であるセリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）の内の少なくとも1種を合計で１〜３０質量ｐｐｍ含有することからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、
共添加成分含有量＞第２グループの添加成分含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。

（３）９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第１の添加元素である１〜２０質量ｐｐｍのベリリウム（Ｂｅ）と、第２グループの添加成分であるセリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）の内の少なくとも1種を合計で１〜３０質量ｐｐｍ含有することからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、
共添加成分含有量＞第１及び第２グループの添加成分含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。

本発明の金（Ａｕ）合金の成分組成によれば、ボンディングワイヤの線径が２０μｍ以下の細い線径となっても、キャピラリーの表面性悪化を原因とする圧着ボールのネックダメージを防ぐことができる効果がある。
また、本発明の金（Ａｕ）合金の成分組成はこれまでよりも機械的強度を高めているので、２３μｍを超える線径の場合と同様にリーニングの抑制効果、ワイヤ流れ抑制効果を併せ持っている。
なお、本発明の金（Ａｕ）合金の成分組成によれば、溶融ボールが真球である効果、並びに、圧着ボールが真円となる効果はこれまで通り兼ね備えている。
また、本発明では、微量元素ないし不純物を極力少なくすることにより、さらにキャピラリーの表面性悪化を抑制することにより、第一ボンド及び第二ボンドにおいて圧着形状の悪化や不着の発生が無く、一層確実に大気中で何１０万回も連続してボンディングすることができる。

本発明の金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤは、マトリックス合金として、（ｉ）９９．９９９質量％以上の高純度の金（Ａｕ）と（ｉｉ）９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で０．０５〜２質量％を含有し、そのマトリックス合金中に含有させる微量元素を調整・選定することによって、所望の性能を得るものである。

パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）の元素は、金（Ａｕ）と完全に固溶するが、希薄な二元合金となった場合、これらの元素は金（Ａｕ）に対して表面偏析しやすい元素となる。そこで、これらの元素の含有量が最大２質量％なので、純度を９９．９質量％以上とした。純度はできるだけ高いものが望ましく、不純物の影響を避けるため９９．９９質量％以上が好ましい。特に、銅（Ｃｕ）は、純度を９９．９９９質量％以上とすることが好ましい。これらの元素のうちパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）は、大気中で酸化せず溶融ボール形成時に蒸発してもキャピラリーを汚染しないので、銅（Ｃｕ）よりも好適である。
また、パラジウム（Ｐｄ）は、白金（Ｐｔ）よりも酸化しやすいがキャピラリーのセラミックスに対する析出物や酸化物の堆積防止効果が白金（Ｐｔ）よりも高いので、最も好適である。マトリックス合金中に、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）と銅（Ｃｕ）の内のいずれか２種以上を共添加するとき、添加割合の比に特に制限はない。パラジウム（Ｐｄ）も白金（Ｐｔ）も金（Ａｕ）に対して同等のマトリックス効果を発揮するからである。

本発明において、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５質量％未満では、純度９９．９９質量％以上の純金ワイヤに接近し、直径２０μｍ以下の極細線にした場合、ボンディングワイヤの機械的強度が十分ではなく、リーニングが生じるからである。安定した効果を発揮するためには、その合計の下限は０．０５質量％以上、より好ましくは０．０８質量％以上がよい。また、これらの希薄な合金化元素の合計が２質量％を超えると、ボールボンディングした際、これまでと同様に溶融ボールが硬くなりすぎてチップ割れを起こしやすくなるとともに、圧着ボールの接合強度が十分ではなくなるから、その合計の上限は２質量％以下である。安定した効果を発揮するために、より好ましくは１．５質量％以下がよい。

本発明の金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤは、微量元素として、（ｉ）カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の共添加を必須とし、（ｉｉ）ベリリウム（Ｂｅ）を任意の第一の添加元素とし、（ｉｉｉ）セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）のいずれかを第二グループの任意の添加元素とするものである。
カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の共添加を必須成分とすることにより、ボンディングワイヤの溶融ボールの表面偏析を抑制するだけでなくキャピラリー表面性を悪化しないからである。キャピラリー表面性悪化の防止効果は、第一グループと第二グループの任意の添加元素を追加しても維持される。
このキャピラリーの表面性悪化が防止されることによって、キャピラリー内を通過するボンディングワイヤの摺動抵抗上昇が抑えられる。その結果、数１０万回ボンディングした後であっても、ボンディングワイヤのネックダメージを防止することができるのである。

本発明において、（ｉ）カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の共添加を必須成分としたのは、次の理由による。
カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）は、いずれも第二ボンドにおけるウェッジ接合性を向上する効果を持つ。２０μｍ以下の細線化した場合、第二ボンドの接合性が低くなりやすい傾向にあるので、共添加が必要である。特に、マグネシウム（Ｍｇ）は、添加による第二ボンドの接合性の向上効果が著しい。マグネシウム（Ｍｇ）の下限を５質量ｐｐｍとしたのは、これ未満では第二ボンドの接合性の向上効果がないからである。なお、マグネシウム（Ｍｇ）の純度は、それぞれ９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上がよい。これらの元素を共添加しても、金（Ａｕ）とパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）の希薄な二元合金中で表面偏析してくることがない。特にカルシウム（Ｃａ）は、金（Ａｕ）単体金属中では表面偏析することがある元素であるが、本発明の希薄な二元合金中では表面偏析がみられない。また、本発明の希薄な二元合金中の表面偏析に及ぼすカルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の３元素の相互作用は認められない。よって、連続して何１０万回もボンディングしても、キャピラリーの表面性悪化や先端のワイヤ出口近傍内部への析出物やその酸化物の堆積が進行せず、キャピラリーがワイヤに及ぼす摺動抵抗や圧着ボールに及ぼす圧着力や圧着ボールから奪う熱エネルギーはいつも一定になる。
このため初期のボンディング条件を適度に設定しておけば、何１０万回ボンディングした後であっても初期のボンディング条件がそのまま維持され、ボンディング時の圧着ボールにネックダメージが残ることがない。

また、これらの元素のうちカルシウム（Ｃａ）とランタン（Ｌａ）は機械的強度を高める。すなわち、伸線加工時にこれらの添加元素は、相乗効果により極細線の表皮層の機械的強度を高めるので、ワイヤが細くなればなるほどワイヤ中心部の機械的強度の影響がなくなり、表皮層の機械的強度がそのままワイヤ全体の機械的強度となるからである。カルシウム（Ｃａ）とランタン（Ｌａ）の下限をそれぞれ５質量ｐｐｍとしたのは、これ未満では伸線された極細線の機械的強度を高めることができないからである。なお、ランタン（Ｌａ）の純度は、９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上がよい。カルシウム（Ｃａ）の純度は、９９質量％以上、好ましくは９９．５質量％以上である。

また、これらの元素は、真球状の溶融ボールを形成し、真円状の圧着ボールを形成する。すなわち、金（Ａｕ）合金マトリックスの溶融ボールにおいてこれらの元素は、圧着時にキャピラリー表面性を悪化したり、先端部に堆積したりすることがない。また、カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）を共添加しても、他の金属元素同様、金（Ａｕ）合金ワイヤの圧着時にキャピラリー表面に若干の堆積は見られる。しかし、これらの共添加元素は表面性の悪化が極少なく、数１０万回ボンディングしてもキャピラリーの表面性を悪化させたり、先端部に析出物やその酸化物が堆積することはない。
カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の上限をそれぞれ５０質量ｐｐｍとしたのは、この値を超えると、直径２０μｍ以下の極細線をボールボンディングする際に真球状の溶融ボールが得られなかったり、真円状の圧着ボールが得られなかったりするからである。真球状の溶融ボールと真円状の圧着ボールをより確実に得るには、カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の上限がそれぞれ４０質量ｐｐｍで、且つそれらの合計が１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、さらに、全微量元素の合計が１００質量ｐｐｍ以下であることがなお一層好ましい。前記金（Ａｕ）合金マトリックス中の全微量元素の総合計が１００質量ｐｐｍを超えると、溶融ボール表面に酸化物が生成しやすくなるため、偶発的に、第一ボンドにおける接合性が悪くなったり、キャピラリーの表面性を悪化させたりする可能性があるからである。
さらに、マグネシウム（Ｍｇ）またはランタン（Ｌａ）の場合、それぞれ５０質量ｐｐｍを超えると、直径２０μｍ以下の極細線の第二ボンドにおけるウェッジ接合性を低下する。

本発明において、ベリリウム（Ｂｅ）を任意の第一の添加元素としたのは、次の理由による。
ベリリウム（Ｂｅ）は、カルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍｇ）とランタン（Ｌａ）の必須成分元素との共存下において金（Ａｕ）とパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）の希薄な二元合金の圧着時にキャピラリー表面性を悪化させない効果をもつ元素である。このため、ベリリウム（Ｂｅ）と必須成分元素との共存下において希薄な二元合金のボンディングワイヤを何１０万回ボンディングした後であっても、第一ボンドや第二ボンドの形状を悪化させたり、不着を発生させたり、ボンディング時の圧着ボールにネックダメージ起したりすることがない。

また、ベリリウム（Ｂｅ）は、本発明の必須成分元素、特にランタン（Ｌａ）との共存下において圧着ボールの真円度をより一層高める。なお、ベリリウム（Ｂｅ）の純度は、９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上がよい。また、ベリリウム（Ｂｅ）は、本発明の必須成分元素、特にカルシウム（Ｃａ）との共存下において希薄な二元合金の伸線加工による極細線の表皮層の機械的強度をより一層高め、直径２０μｍ以下の極細線であってもボンディングしたときのワイヤのリーニングをより一層防止する。ベリリウム（Ｂｅ）の下限を１質量ｐｐｍとしたのは、これ未満ではベリリウム（Ｂｅ）による機械的強度の向上効果がみられないからである。
他方、ベリリウム（Ｂｅ）は溶融ボールの硬さを硬くする。極細線が細くなると溶融ボールも小さくなり、ボールボンディングする際のパッドに与えるチップダメージは大きくなる。ベリリウム（Ｂｅ）の上限を２０質量ｐｐｍとしたのは、これを超えると直径２０μｍ以下の極細線をボールボンディングする際に溶融ボールが硬くなりすぎてチップ割れを起こしやすくなるからである。また、キャピラリー表面や先端部に析出物やその酸化物が堆積することもある。安定した効果を発揮するためには、好ましくは１５質量ｐｐｍ以下がよい。

本発明において、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）のいずれかを第二グループの任意の添加元素としたのは、次の理由による。
これらの希土類元素は、必須成分元素との共存下において本発明の希薄な二元合金の圧着時にキャピラリーの表面性を悪化させないという効果をもつ元素である。すなわち、これらの希土類元素はランタン（Ｌａ）と同様にキャピラリーの表面性を悪化させたり、析出物やその酸化物の堆積が進行していったりすることがない。このため連続して何１０万回もボンディングしても、第一ボンドや第二ボンドの形状悪化やキャピラリーの表面性の悪化などが進行しないので、ボンディングしたときの圧着ボールにネックダメージが残ることがない。キャピラリーの表面性の悪化などは、セリウム（Ｃｅ）およびイットリウム（Ｙ）のほうがユーロピウム（Ｅｕ）よりも少ない。なお、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）の純度は、それぞれ９９．９質量％以上、好ましくは９９．９９質量％以上がよい。

また、これらの希土類元素は、必須成分元素、特にランタン（Ｌａ）との共存下において本発明の希薄な二元合金の伸線加工により極細線の表皮層の機械的強度をより一層高め、直径２０μｍ以下の極細線であってもボンディングしたときのワイヤのリーニングをより一層防止する。すなわち、これまで知られているように、極細線自身の剛性を増すことにより、ループ形成性を維持するとともに、第一ボンディングにおける圧着ボールの真円度を維持することができる元素である。これらの効果はベリリウム（Ｂｅ）と同様である。これらの希土類元素の下限を１質量ｐｐｍとしたのは、これ未満ではベリリウム（Ｂｅ）と同様、機械的強度の向上効果がみられないからである。また、これらの希土類元素の上限を２０質量ｐｐｍとしたのは、ベリリウム（Ｂｅ）と同様、これを超えると直径２０μｍ以下の極細線をボールボンディングする際に溶融ボールが硬くなりすぎてチップ割れを起こしやすくなるからである。

本発明においては、ベリリウム（Ｂｅ）を任意の第一の添加元素とし、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）のいずれかを第二グループの任意の添加元素として併せて添加することができる。ベリリウム（Ｂｅ）と第二グループの任意の添加元素とを併用しても、本発明の希薄な二元合金において表面偏析が生じることはない。なお、第二グループの任意の希土類元素は、本発明の希薄な二元合金においてランタン（Ｌａ）と同様の効果を奏するものと考えられる。

次に、本発明を実施例および比較例により詳述する。
［実施例１〜４４］
表１に実施例（Ｎｏ．１〜４４）の各試料の成分組成を示す。
純度９９．９９９質量％の高純度金（Ａｕ）に純度９９．９９質量％の高純度パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）または純度９９．９９９質量％の高純度銅（Ｃｕ）との希薄二元金（Ａｕ）合金に、微量元素として表１に記載の数値（質量ｐｐｍ）になるように微量元素を配合し、真空溶解炉で溶解鋳造した。
これを連続して伸線加工し、線径が１５μｍおよび１８μｍのところで最終熱処理して、伸び率を４％に調整した。

［比較例Ｎｏ．１〜５］
実施例と微量元素の成分組成だけが異なる希薄二元金（Ａｕ）合金の比較例の各試料の組成を表２に示す。希薄二元金（Ａｕ）合金の極細線は実施例と同様に、線径が１８μｍおよび１５μｍのところで最終熱処理し、伸び率を４％に調整し、実施例と同様に評価した。

これらの極細線をＳｉチップ上の５０μｍ角のＡｌパッド（膜厚：約１μｍ）に大気中で超音波併用熱圧着方式によるボールボンディング法により連続して第一次ボンディングをし、その後Ａｇめっきされた４２アロイから成るリードとの間で超音波併用熱圧着方式によるウェッジ方式ボンディング法により第二次ボンディングをして結線した。第一ボンドではすべてのボールが５０μｍのＡｌパッド内に形成されていた。
実施例及び比較例の各ボンディングワイヤのネック強度評価は次のように行った。
ループスパンは３ｍｍ、ループ高さは２００μｍとした。ネック強度はボンディングの際のパラメーター、リバース・モーションの値を変えることにより行った。リバース・モーションとはループ形状を形成させるため、第一ボンド後、第一ボンド直上からＩＣチップ中央側にキャピラリーを移動させる動作である。第一ボンド直上からの移動距離がリバース・モーション値となる。その際、ネックが支点となってワイヤが屈曲する。他のパラメーターが同一であれば、リバース・モーション値が小さいと屈曲角は小さくなり、リバース・モーション値が大きいと屈曲角は大きく、すなわちネックに与えるストレスは大きくなる。その評価結果を表３および４に示す。リバース・モーション値１０００μｍで２００本ボンディングしてネック破断がない場合を◎印で、リバース・モーション値５００μｍで２００本ボンディングしてネック破断がない場合を○印で、リバース・モーション値５００μｍで２００本ボンディングしてネック破断が一本でも発生し場合を△印で示した。

実施例及び比較例の各ボンディングワイヤを５０万本ワイヤボンディングしたときの不着発生数を評価した。この評価ではループスパンを２ｍｍとした。その評価結果を表３及び４に示す。不着数は、第一ボンドと第二ボンドの不着数を合算し、不着数が０の場合を◎印で、５本以下の場合は○印で、５本を超えた場合を△印で示した。
なお、第一ボンドと第二ボンドの不着数が連続して発生し、継続してボンディングができなくなり、評価を中止した場合を×印で示した。

実施例および比較例の各ボンディングワイヤの接続特性は、以下のプルテスト特性によりそれぞれ評価した。
プルテストは、Ｄａｚｅ社製の製品名「万能ボンドテスター（ＢＴ）（型式４０００）」を用い、連続ボンディング開始直後のボンディングサンプルのループスパンの中央付近をフックで上方に持ち上げ、破断荷重を測定した。評価結果を表３および４に示す。
「ボンドの良否」の評価は、２０本の破断荷重の平均について、線径が１８μｍのときは３．５×１０ｍＮ以上を◎印で、１．５×１０〜３．５×１０ｍＮの範囲にあるものを○印で、１．５×１０ｍＮ未満を△印とした。
さらに、線径が１５μｍのときは、２．５×１０ｍＮ以上を◎印で、１．０×１０〜２．５×１０ｍＮの範囲にあるものを○印で、１．０×１０ｍＮ未満を△印とした。

次に、実施例及び比較例の各ボンディングワイヤの５０万本ワイヤボンディング後の接続特性は以下のようにしてそれぞれ評価した。
５０万本ワイヤ連続ボンディング後のボンディングサンプルについて、ボンディング開始直後のサンプルと同様にプル荷重測定を行った。評価結果を表３および４に示す。
線径が18μｍ、１５μｍいずれにおいても20本のプル荷重値測定の平均値とボンディング開始直後のプル荷重値とを比較し、プル荷重値の低下がないか、２０％以内であれば◎印で、５０〜２０％の範囲内にあるものを○印で、５０％を超えるものを△印で示した。なお、５万本ワイヤボンディング数が５０万本に届かず評価できなかったものは×印で示した。

実施例および比較例の各ボンディングワイヤを５０万回ワイヤボンディングした後のキャピラリーの表面の先端部を島津製作所製の製品名「電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（型式ＥＰＭＡ−１６００）」を用い、２０００倍で元素分析とマッピング評価を行った。マッピング結果で微量元素が濃縮し、下地のキャピラリー部分を覆った元素を表３および４に併せて示す。

上記の実施例から明らかなように、本発明の金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤは、微量元素の添加量が規定値内であれば、極細線の線径が１８μｍ以下になっても連続してボンディングできる効果が得られることがわかる。
それに対して、比較例においては、以下に述べるとおりの理由により、いずれも所期の性能が得られていない。
比較例１は、本発明で必須元素のパラジウム（Pd）が規定量に達しないため。
比較例２は、本発明で必須元素のパラジウム（Pd）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）の合計値が規定量を超えて含むため。
比較例３は、本発明で必須の微量元素カルシウム（Ｃａ）が規定量に達せず、かつ、必須の微量元素ランタン（Ｌａ）を規定量を超えて含むため。
比較例４は、本発明で任意の微量元素ベリリウム（Ｂｅ）を規定量を超えて含むため。
比較例５は、本発明で任意の微量元素のセリウム（Ｃｅ）およびユーロピウム（Ｅｕ）がそれぞれ規定量を超えて含むため。
そして、比較例３〜５はいずれもこれらの過剰な微量元素の表面偏析によりキャピラリー表面にこれらの析出物或いはその酸化物の堆積が生じていた。

本発明の合金は、特に自動車搭載用の半導体デバイス、高温になりやすい環境下で使用される半導体に用いられるボンディングワイヤに適している。

Claims (3)

1. ９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第１の添加元素である１〜２０質量ｐｐｍのベリリウム（Ｂｅ）とからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、共添加成分含有量＞第１の添加元素含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
   であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。
2. ９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第2グループの添加成分であるセリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）の内の少なくとも1種を合計で１〜３０質量ｐｐｍ含有することからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、
   共添加成分含有量＞第2グループの添加成分含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
   であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。
3. ９９．９９９質量％以上の高純度金（Ａｕ）に９９．９質量％以上の高純度のパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を合計で、０．０５〜２質量％含有させた金（Ａｕ）合金マトリックス中に微量元素を含有させた合金からなる直径２０μｍ以下の伸線加工されたボールボンディング用の極細線であって、該微量元素が共添加成分である５〜５０質量ｐｐｍのカルシウム（Ｃａ）と、５〜５０質量ｐｐｍのマグネシウム（Ｍｇ）と、５〜５０質量ｐｐｍのランタン（Ｌａ）と、第１の添加元素である１〜２０質量ｐｐｍのベリリウム（Ｂｅ）と、第2グループの添加成分であるセリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）およびユーロピウム（Ｅｕ）の内の少なくとも1種を合計で１〜３０質量ｐｐｍ含有することからなり、共添加成分元素の合計が１２５質量ｐｐｍ以下であり、
   共添加成分含有量＞第１及び第２グループの添加成分含有量＞その他のAu合金マトリックス以外の元素含有量、
   であることを特徴とする金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ。