JP5064577B2 - ボールボンディング用ワイヤ - Google Patents

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Description

この発明は、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡ（Ball Grid Array package）、ＱＦＮ（Quad Flat Non lead package）等の半導体パッケージにおける半導体素子上のニッケル・パラジウム・金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）被覆電極と、リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等の回路配線基板の導体配線とをボールボンディング法によって接続するためのボールボンディング用ワイヤに関するものである。
上記ＢＧＡ等の半導体パッケージは、例えば、図１に示すように、配線板１上にはんだボール２を介してパッケージ基板３を設け、さらに、そのパッケージ基板３にダイボンディング材４を介して半導体チップ（素子）５を設けて、その半導体チップ５を封止材６によって封止した構造である。この半導体パッケージにおける半導体チップ５の電極ａとパッケージ基板３の導体配線（端子）ｃとの電気接続は、上記ボールボンディング法によって行われる。
そのボールボンディング法による接続方法は、図２（ａ）〜（ｈ）に示す態様が一般的であり、同図（ａ）に示す、ワイヤＷがキャピラリー１０ａに挿通されてその先端にボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）ｂが形成された状態から、クランプ１０ｂが開いて、キャピラリー１０ａが集積回路素子上の電極ａに向かって降下する。このとき、ボール（ＦＡＢ）ｂはキャピラリー１０ａ内に捕捉される。
ターゲットである電極ａに溶融ボールｂが接触すると（キャピラリー１０ａが電極ａに至ると）キャピラリー１０ａが溶融ボールｂをグリップし、溶融ボールｂに熱・荷重・超音波を与え、それによって溶融ボールｂが圧着されて（圧着ボールｂ’となって）電極ａと固相接合され、１ｓｔボンドが形成されて電極ａと接着する（１ｓｔ接合、図２（ｂ））。
１ｓｔボンドが形成されれば、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後（同図（ｃ））、導体配線ｃの真上まで移動する（同図（ｄ）〜（ｅ））。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー１０ａに特殊な動きをさせてワイヤＷに「くせ」を付ける動作をする場合がある（同図（ｄ）の鎖線から実線参照）。
導体配線ｃの真上に至ったキャピラリー１０ａは、導体配線ｃに向かって降下し、ワイヤＷを導体配線（２ｎｄターゲット）ｃに押付ける（同図（ｅ）〜（ｆ））。これと同時に、その押付け部位に熱・荷重・超音波を与え、それによってワイヤＷを変形させ、ワイヤＷを導体配線ｃ上に接合させるためのステッチボンドと、次のステップでテイルを確保するテイルボンドを形成する（２ｎｄ接合、図２（ｆ））。
その両ボンドを形成した後、キャピラリー１０ａはワイヤＷを残したまま上昇し、キャピラリー１０ａの先端に一定の長さのテイルを確保した後、クランプ１０ｂを閉じて（ワイヤＷをつかんで）、テイルボンドの部分からワイヤＷを引きちぎる（図２（ｇ））。
キャピラリー１０ａは、所要の高さまで上昇すると停止し、そのキャピラリー１０ａの先端に確保されたワイヤＷの先端部分に、放電棒ｇでもって高電圧を掛けて放電し（スパークし）、その熱でワイヤＷを溶かし、この溶けたワイヤ素材は表面張力によって球状に近い溶融ボールｂになって固まる（図２（ｈ））。
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極ａと導体配線ｃのボールボンディング法による接続がなされる。
このボールボンディング法に使用されるボンディング線（ワイヤ）Ｗの材質としては、４Ｎ〜２Ｎの金が使用されている。このように金が多用されるのは金ボールｂの形状が真円球状となるとともに、形成される金ボールｂの硬さが適切であって、接合時の荷重、超音波によってチップ５を損傷することがなく、確実な接合ができ、その信頼性が高いからである。
一方、金ボンディングワイヤＷは高価であることから、安価な銅ボンディングワイヤへの置き換えもなされている。さらに、その銅ボンディングワイヤ表面にパラジウム（Ｐｄ）等を被覆してボンディング性を高めたものが開発され、一部では使用されている（特許文献１）。
特開２０１０−１９９５２８号公報
金ボンディングワイヤは高価である。その代替材である銅ボンディングワイヤは安価ではあるが、金ボンディングワイヤに比べてＦＡＢが硬く、電極ａのチップが脆弱であるとチップダメージ発生の恐れが高くなる。また、金ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性が悪く、連続ボンディング性に問題がある。
表面被覆銅ボンディングワイヤは、銅ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性がよく、連続ボンディング性がよいが、ＦＡＢが銅ボンディングワイヤよりもさらに硬くなるため、チップダメージ発生の問題がある。
また、従来、電極ａにはＡｌ合金(Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）パッドが用いられていたが、高温信頼性、例えば１５０℃以上における信頼性が求められる車載などの用途ではＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ（ニッケル／パラジウム／金）被覆した電極ａが検討されている。さらに脆弱なチップ５に対するダメージ低減の必要もある。
このＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａに対し、上記表面被覆銅ボンディングワイヤは接合し難いという問題があり、銅ボンディングワイヤは、脆弱なチップ５に対してダメージを与えないような条件でボンディングしようとすると、十分な接合ができないという問題がある。
因みに、金ボンディングワイヤとＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａの接合であれば、高温信頼性は得られるが、材料費が高価になるという問題がある。
この発明は、以上の実情の下、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａとの接合性がよく、かつ金ボンディングワイヤより安価なボンディング用ワイヤとすることを課題とする。
上記課題を達成するため、この発明は、半導体素子のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するためのボンディング用ワイヤにおいて、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素を合計で５〜５００重量ｐｐｍ含み、かつその２種以上の元素は、ＧｄとＳｍの両者のみの場合を含まないものであり、さらに、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素を合計で０．５〜５．０重量％含んで、それ以外がＡｇ及び不可避不純物からなる構成としたものである。
Ａｇを主体とするボンディングワイヤは、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極に対し、銅ボンディングワイヤや表面被覆銅ボンディングワイヤに比べて接合性がよく、一方、Ａｕを主体とする金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得る。被覆電極は、メッキ法、蒸着法等の周知の手段で形成し得るが、メッキ法が一般的である。
因みに、ＡｇとＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極との接合個所の耐食性は良いが、ＡｌとＡｇとの接合個所は腐食し易い。
Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍの合計重量が５ｐｐｍ未満であると、ワイヤ強度が低くなり、ボンディング後の樹脂モールドの際にワイヤフローが発生する。より好ましくは、１０重量ｐｐｍ以上であれば、より高いワイヤ強度が得られる。一方、５００重量ｐｐｍを超えると、ＦＡＢの形状が不安定になり、良好な球状のＦＡＢが得られなくなる。また、より好ましくは３００重量ｐｐｍ以下であって、良好なＦＡＢを安定して得ることができる。なお、Ｃａに加え、ＧｄとＳｍから選ばれた１種以上の元素を合計にして１０重量ｐｐｍ以上添加すると、そのメカニズムは不明であるが、より高いワイヤ強度が得られる。
Ｐｄ、Ａｕの合計が０．５重量％未満であると、接合部の信頼性が低くなる。より好ましくは０．７重量％以上であれば、特に湿潤環境下での信頼性が確保できる。また、５．０重量％を超えた量を添加すると、ワイヤの電気抵抗が上がるため、ボンディングワイヤとして必要な電気特性が得られない。また、これらの添加元素はいずれも高価なため、より好ましい範囲を３．０重量％以下とする。
また、図２（ｈ）に示すように、ＦＡＢを作製する時にワイヤ先端部と放電棒ｇとの間で放電させてワイヤ先端を溶融させる際、Ａｇに比べて高融点なＡｕ、ＰｄがＦＡＢ表面に集積するため、ＦＡＢ（ボールｂ）表面がＡｕもしくはＰｄの高濃度層になり、同図（ｂ）の、次に続く１ｓｔ接合時に電極ａとの接合界面の高信頼性化に寄与する。このとき、このＦＡＢ表面への集積はＡｕ、Ｐｄの融点が関わり、Ｐｄの融点（１５５５℃）はＡｕの融点（１０６４℃）に比べて高く、Ｐｄのほうがより高濃度化するから、接合部の信頼性をより向上させるためにはＡｕよりもＰｄのほうが好ましい。
このワイヤＷの線径はボンディングワイヤと使用し得れば任意であるが、例えば、１０〜５０．８μｍとする。５０．８μｍ以下とすると溶融ボールｂをより小さくでき、１０μｍ未満であると、ボンディング前にオペレータがワイヤＷをキャピラリー１０ａに通すのが困難になり、作業性が悪くなるうえに、空気圧によりワイヤに十分な張力をかけることができなくなり、ループ制御が困難になる恐れがある。
この発明は、以上のようにＡｇを主体としたので、金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得て、かつ、適度な強度のワイヤとなって良好なＦＡＢ及びＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極との接合性が良いものとすることができる。
半導体パッケージの概略図 ボールボンディング接続法の説明図であり、（ａ）〜（ｈ）はその途中図
純度が９９．９９質量％以上（４Ｎ）の高純度Ａｇを用いて、表１に示す化学成分の銀合金を鋳造し、８ｍｍφのワイヤロッドを作製した。そのワイヤロッドを伸線加工し最終線径を３０μｍの銀合金線とし、窒素雰囲気中４００〜６００℃で連続焼鈍して伸び２〜４％、所定の引張強度になるように調質した。化学成分の定量はＩＣＰ−ＯＥＳ(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法)により行った。そのボンディング用ワイヤＷとして、実施例１〜２１、比較例１〜５を得た。
Figure 0005064577
この各実施例及び各比較例に対し、下記の試験を行った。
『評価項目』
得られた各ボンディング用ワイヤＷについて、自動ワイヤボンダで、図２に示すボール／ウェッジ接合を行った。すなわち、放電棒ｇによるアーク放電によりワイヤＷ先端にＦＡＢ（ボールｂ）を作製し、それをチップ５上のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ電極ａに接合し、ワイヤ他端をリード端子ｃに接合した。なお、ＦＡＢ作製時にはワイヤＷ先端部にＮ２ガスを流しながらアーク放電を行った。リード端子ｃにはＡｇメッキ４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金を使用した。
そのボンディングにおける、ＦＡＢの安定性、ワイヤフロー、ＨＴＳＴ、ＨＡＳＴ、1ｓｔ接合部のチップ損傷、電気抵抗、及び総合評価を表２に示す。それらの評価方法等は以下の通りである。
『評価方法』
「ＦＡＢ形状の安定性の評価」
ワイヤ径に対するＦＡＢ（ボールｂ）径の比率が小さくなると、安定性の確保が難しいことから、ＦＡＢ径／ワイヤ径の比率が１．９〜２．１の時の真球性を評価した。接合前のボールｂを３０本観察して、形状が真球状であるかを判定した。すべて真球状になり、ワイヤＷの中心位置とＦＡＢの中心位置がずれる芯ずれが１本以下であればＡ、異形状のＦＡＢ発生が２本以下で芯ずれが１本を越え５本以下であればＢ、異形状のＦＡＢ発生が３本以上もしくは芯ずれが６本以上であれば使用できないと判断して評価をＤとした。
「樹脂封止時のワイヤフローの評価」
ワイヤＷ長５ｍｍのボンディング試料をエポキシ樹脂で封止した後で、Ｘ線非破壊観察装置にて最大ワイヤフロー量を測定した。測定は２０本行い、その平均値をワイヤ長５ｍｍで除した割合をワイヤフロー率とした。このワイヤフロー率が３％未満ならＡ、３％以上５％未満ではＢ、５％以上７％未満ではＣ、７％以上では実用上の問題があると考えて評価Ｄとした。
「ＨＴＳＴ(High Temperature Storage Test)による信頼性評価」
ボンディング試料を200℃の試験槽中に1000時間装入し、1000時間経過後のシェア強度Ｈ(1000)を初期のシェア強度Ｈ(Initial)で除した割合Ｒ(Ｒ=Ｈ(1000)/Ｈ(Initial)×100)を用いて評価した。Ｒが８０％以上ならＡ、７０％以上８０％未満でＢ、６０％以上７０％未満ではＣ、６０％未満では実用上問題があると考えてＤとした。
「ＨＡＳＴ(Highly Accelerated temperature & humidity Stress Test)による信頼性評価」
ボンディング試料を130℃／85％ＲＨ（Relative Humidity）の試験槽中に1000時間装入し、1000時間経過後のシェア強度Ｈ(1000)を初期のシェア強度Ｈ(Initial)で除した割合Ｒ(Ｒ=Ｈ(1000)/Ｈ(Initial)×100)を用いて評価した。Ｒが８０％以上ならＡ、６０％以上８０％未満ではＢ、６０％未満ではＤとした。
「ボンディング後、１ｓｔボール接合部直下のチップ損傷の評価」
ボール接合部および電極膜を王水で溶解し、チップ５のクラックを光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の接合部を観察して５μｍ未満の微小なピットが１個もしくはまったく見られない場合はＡ、５μｍ以上のクラックが２個以上認められた場合をＤとした。
「電気抵抗」
４端子法を用いて室温での電気抵抗を測定した。固有抵抗が３．０×１０−８Ω・ｍ未満であれば十分な導電性を有すると考えられるのでＡ、固有抵抗が３.０×１０−８Ω・ｍ以上４.０×１０−８Ω・ｍ未満であればＢ、固有抵抗が４.０×１０−８Ω・ｍ以上であればＤとした。
「総合評価」
すべてＡのものをＡ、ＡとＢが混在しているものをＢ、Ａ、Ｂ、Ｃが混在しているものをＣ、ひとつでもＤがあるものをＤとした。
Figure 0005064577
この表１、２において、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素の合計重量が５重量ｐｐｍ未満であると、比較例１から、ワイヤフロー評価において「Ｄ」、５００重量ｐｐｍを超えると、同比較例３、５から、ＦＡＢの安定性評価において「Ｄ」となって、共に、総合評価で「Ｄ」となっている。これらの元素を１種しか含有しない場合は、比較例２から、ワイヤフロー評価において「Ｄ」となって総合評価で「Ｄ」となっている。
また、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素の合計重量が０．５重量％未満であると、比較例４から、ＨＴＳＴ、ＨＡＳＴ評価において「Ｄ」、５．０重量％を超えると、比較例５から、ＦＡＢの安定性、チップ損傷、電気抵抗の評価において「Ｄ」となって総合評価で「Ｄ」となっている。
これに対し、各実施例１〜２１は、いずれも、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素を合計５〜５００重量ｐｐｍ含み、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素を０．５〜５．０重量％含んでいることから、総合評価において、「Ｃ」以上を得て、実用上問題ない評価を得ている。
その各実施例において、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素の内、Ｃａを含み、かつＧｄとＳｍの少なくとも一方を含んで（表１中、Ｃａ＋（Ｇｄ＋Ｓｍ））その合計が１０重量ｐｐｍ以上であって、Ｐｄを含むと、実施例１〜４から、総合評価において、「Ａ」以上を得ている。
また、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素の合計が１０重量ｐｐｍ以上であれば、実施例５〜１７から、Ｐｄの含有に関係なく、総合評価において、「Ｂ」以上を得ている。
その総合評価Ｂを得た実施例において、Ｃａを含み、かつＧｄとＳｍの少なくとも一方を含んでそのＣａ＋（Ｇｄ＋Ｓｍ）の合計が１０重量ｐｐｍ以上であると、実施例５、１０、１１において、ワイヤフローが「Ａ」となっていることから、高いワイヤ強度を得られることが理解できる。
さらに、Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素を１０〜３００重量ｐｐｍ含み、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素を０．７〜３．０重量％含んでいると、実施例１〜８、１２、１７から、良好なＦＡＢを安定して得られることが理解することができる。
なお、このボンディングワイヤＷにおいても、この発明の作用効果を得ることができる限りにおいて、上記特許文献１のように、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等からなる、例えば厚み：０．０２〜０．０９μｍの被覆層を形成したものとし得る。Ａｕ、Ｐｄを被覆する場合、上記０．５〜５．０重量％のＰｄ、Ａｕの添加をしないようにすることもできる。
Ｐ ボンディング用ワイヤ
ａ 集積回路素子の電極
ｂ 溶融ボール
ｂ’ 圧着ボール
ｃ 回路配線基板の導体配線

Claims (4)

  1. 半導体素子のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆された電極（ａ）と回路配線基板の導体配線（ｃ）をボールボンディング法によって接続するためのボンディング用ワイヤ（Ｗ）であって、
    Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素を合計で５〜５００重量ｐｐｍ含み、かつその２種以上の元素はＧｄとＳｍの両者のみの場合を含まないものであり、さらに、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素を合計で０．５〜５．０重量％含んで、それ以外がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とするボールボンディング用ワイヤ。
  2. 上記Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素を合計で１０〜３００重量ｐｐｍ含み、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素を合計で０．７〜３．０重量％含んでいることを特徴とする請求項１記載のボールボンディング用ワイヤ。
  3. 上記Ｃａ、Ｃｕ、Ｇｄ、Ｓｍから選ばれる２種以上の元素の内、Ｃａを含み、かつＧｄとＳｍの少なくとも一方を含んで、その合計が１０重量ｐｐｍ以上であること特徴とする請求項１又は２に記載のボールボンディング用ワイヤ。
  4. Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の元素は、Ｐｄを必ず含有することを特徴とする請求項３に記載のボールボンディング用ワイヤ。
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