JP5071925B2

JP5071925B2 - 高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくいボンディングワイヤ用金合金線

Info

Publication number: JP5071925B2
Application number: JP2006346047A
Authority: JP
Inventors: 一誠牧; 有治中田; 昌芳長尾
Original assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2008159774A

Description

この発明は半導体装置の実装のためのボンディングワイヤ用金合金線に関するものであり、広い温度範囲で使用することができるトランジスタ、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高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくいボンディングワイヤ用金合金線に関するものである。

近年、トランジスタ、ＬＳＩ、ＩＣなど半導体素子は、広い温度範囲で使用されるようになっている。例えば、車載用ＩＣなどは動作温度がますます高くなる傾向にあり、かかる高温を含む広い温度環境下に曝されても高度の信頼性が要求されている。

かかる広い温度範囲の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のうちの１種または２種以上を合計で０．１〜５質量％を含有し、さらに、Ｃａ，Ｂｅ，Ｇｅ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｙおよび希土類元素の内の少なくとも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が知られている（特許文献１参照）。
さらに、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕのうちの１種または２種以上を合計で３〜１０００ｐｐｍを含有し、さらにＳｃ、Ｙおよび希土類元素の内の少なくとも１種を合計で１〜５００ｐｐｍ含有し、さらにＢｅ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｇのうちの１種または２種以上を合計で１〜５００ｐｐｍを含有し、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が知られている（特許文献２参照）。
これら従来の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主として用いられている。
特開平６−１１２２５１号公報特開平６−１１２２５９号公報

近年、車載半導体デバイスでは室内エリアの拡大および収納スペースの増加のために、車載半導体デバイスは高温の過酷な使用環境下にあるエンジンルーム装着が主流になってきており、エンジンルームのような高温の過酷な使用環境下にあっても高い接合信頼性を確保しなければならない。さらに、車載半導体デバイスにはＡｌパッドが３〜４μｍと厚い比較的厚いチップを用いたものがあるが、そのような車載半導体デバイスにおいても良好な接合信頼性を確保する必要がある。さらに、近年の自動車には各種ＩＴ機器が搭載され、さらに高精度化された各種の制御機器が搭載されるようになっていることから、そこで使用される半導体パッケージのピンがますます増加し、従来よりもＡｌパッド間隔が狭くなっている。そのために、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パッド面積の縮小により益々発生しやすくなることから、従来よりも真円性の高い圧着ボールが生成することが必要となっている。

しかし、前記特許文献１記載のボンディングワイヤ用金合金線は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕのうちの１種または２種以上の含有量が多すぎるために、ボンディングに際して生成するボールの硬さが高くなりすぎ、Ａｌパッドの剥離やＡｌパッドの下部にある層間絶縁膜の破壊をもたらし、さらにＡｌパッドが３〜４μｍと厚い場合にはＡｌパッドにボールが埋まり、超音波によるＡｌパッド上の酸化皮膜の破壊が損なわれ、酸化皮膜が完全に破壊されずにＡｌ新生面の生成面積が減少することから、Ａｌパッドと圧着ボールの接合面積が減少し、接合信頼性が低下するので好ましくないという欠点がある。
また、前記特許文献２記載のボンディングワイヤ用金合金線は、ＰｔおよびＰｄの含有量が低すぎるために、圧着ボールとＡｌパッドとの接合信頼性が低いという欠点がある。

そこで、本発明者らは、高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性を有し、さらのＡｌパッドとその下部の損傷が生じにくい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。
その結果、Ｐｔおよび／またはＰｄの内の１種または２種を合計で２０００〜２００００ｐｐｍ（ｐｐｍは、質量ｐｐｍを示す、以下同じ）を含有し、さらに圧着ボールの真円性に大きく影響を及ぼすＩｒを１〜２００ｐｐｍを含有させた金合金に、さらにＳｒ：１３〜４０ｐｐｍを含有した金合金線は、これを用いてボンディングを行うと、高い接合信頼性およびＡｌパッドの非損傷性に優れるとともに、さらに歪んだ円形の圧着ボールの生成がなくなり、すべて円形となって一層真円性の高いボンディングワイヤ用金合金線を得ることができる、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）ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種を合計で２０００〜２００００ｐｐｍ、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜４０ｐｐｍ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高い初期接合性、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円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。

前記（１）記載のボンディングワイヤ用金合金線には、さらに、必要に応じて、Ｃａ：１〜２０ｐｐｍ、またはＥｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種を合計で１〜２０ｐｐｍ、またはＣａ：１〜２０ｐｐｍおよびＥｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種を合計で：１〜２０ｐｐｍを含有させることができ、
（イ）Ｃａ：１〜２０ｐｐｍを含有する場合はＳｒとＣａの合計が４０ｐｐｍ以下となるように含有することが好ましいこと、
（ロ）Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種を合計で１〜２０ｐｐｍを含有する場合はＳｒ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの合計が４０ｐｐｍ以下となるように含有することが好ましいこと、
（ハ）Ｃａ：１〜２０ｐｐｍおよびＥｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種の合計：１〜２０ｐｐｍを含有する場合はＳｒ、Ｃａ、Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの合計が４０ｐｐｍ以下となるように含有することが好ましいこと、などの研究結果が得られたのである。

したがって、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、
（２）ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｃａ：１〜２０ｐｐｍをＳｒとＣａの合計が３５ｐｐｍ以下となるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの内の１種または２種以上の合計：１〜２０ｐｐｍをＳｒ、Ｅｕ、ＬａおよびＹの合計が３３ｐｐｍ以下となるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｃａ：１〜２０ｐｐｍ、
Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種の合計：１〜２０ｐｐｍ、
をＳｒ、Ｃａ、Ｅｕ、ＬａおよびＹの合計が３８ｐｐｍとなるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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。

前記（１）、（２）、（３）または（４）記載のボンディングワイヤ用金合金線に、さらにＡｇ：１〜５００ｐｐｍを含有させた成分組成を有しても良い。

したがって、この発明は、
（５）さらにＡｇ：１〜５００ｐｐｍを含有する前記（１）〜（４）の内のいずれかに記載の高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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。

次に、この発明の高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有しさらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくいボンディングワイヤ用金合金線において、その成分組成を前述のように限定した理由を説明する。

（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。すなわち、ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計が２０００ｐｐｍ未満では接合強度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２００００ｐｐｍを越えて含まれると、ボールの硬度が高くなりすぎてボンディング時にＩＣチップの割れやＡｌパッドとその下部に損傷を与えるようになり、さらに初期接合性も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２０００〜２００００ｐｐｍに定めた。

（ｂ）Ｉｒ：
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を向上させる効果を有するが、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２０００〜２００００ｐｐｍを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を超えて含有し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、ボールの硬度が高くなり、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。

（ｃ）Ｓｒ：
アルカリ土類金属であるＳｒ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および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、Ｓｒの含有量が１ｐｐｍ未満では高い信頼性が得られない場合が多い。すなわち、フリーエアボールの加工硬化性が低いことから、ボンディング時にＡｌパッドが十分に塑性変形できず、したがってＡｌパッドの酸化皮膜が完全に破壊されず、Ａｌ新生面の生成面積が減少することから、Ａｌパッドと圧着ボールの接合面積が減少し、接合信頼性が低下するので好ましくない。一方、Ｓｒが４０ｐｐｍ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の接合に寄与できない大きな引け巣が形成され、ボールボンディングの接合信頼性が低下するともに、さらに加工硬化性が高くなり過ぎるためにＡｌパッドやその下部の損傷も発生するので好ましくない。本発明では、Ｓｒの含有量を１３〜４０ｐｐｍに定めた。

（ｄ）Ｃａ：
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ので必要に応じて添加するが、Ｃａの含有量が１ｐｐｍ未満では所定の効果が得られないので好ましくなく、一方、Ｃａの含有量が２０ｐｐｍを越えると、ボールボンディングの際に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接合信頼性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃａの含有量を１〜２０ｐｐｍに定めた。ＣａはＳｒとほぼ同じ作用を奏するところから、ＣａとＳｒの添加量の合計が４０ｐｐｍを越えると加工硬化が高くなりすぎるため、Ａｌパッドやその下部の損傷が発生するようになるので好ましくない。したがって、ＣａとＳｒの添加量の合計は４０ｐｐｍ以下となるように定めた。

（ｅ）Ｅｕ，Ｌａ，Ｙ：
希土類元素であるＥｕ，Ｌａ，Ｙ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ので必要に応じて添加するが、Ｅｕ，Ｌａ，Ｙの含有量が１ｐｐｍ未満では所望の効果が得られず、一方、Ｅｕ，Ｌａ，Ｙの含有量が２０ｐｐｍ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接合信頼性が低下するので好ましくない。したがって、Ｅｕ，Ｌａ，Ｙの含有量を１〜２０ｐｐｍに定めた。
Ｅｕ，ＬａおよびＹはＳｒとほぼ同じ作用を奏するところから、Ｅｕ，Ｌａ、ＹおよびＳｒの添加量の合計が４０ｐｐｍを越えると加工硬化が高くなりすぎるため、Ａｌパッドやその下部の損傷が発生するようになるので好ましくない。したがって、Ｅｕ，Ｌａ、ＹおよびＳｒの添加量の合計は４０ｐｐｍ以下となるように定めた。

Ａｇ：
Ａｇが１〜５００ｐｐｍ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５００ｐｐｍを越えると初期接合性の低下が認められるようになるので好ましくない。

この発明のボンディングワイヤ用金合金線は、接合信頼性に優れ、さらに圧着ボールの真円性が優れているので、この金合金線を使用してボンディングを行うと、半導体素子の高集積化に対応できるなど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１〜３に示される成分組成を有する金合金線素材を伸線加工することにより線径：２５μｍを有する金合金線を作製し、この金合金線を破断伸び率が３〜５％になるように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）１〜２８、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）１〜１９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）１〜２を製造し、半径：２５ｍｍの中間スプールに巻き取った。中間スプールに巻き取られたワイヤをさらに半径：２５ｍｍのスプールに２０００ｍ巻取り、これらワイヤの先端１５ｍを捨てた。

これら表１〜３に示される成分組成を有する本発明ワイヤ１〜２８、比較ワイヤ１〜１９および従来ワイヤ１〜２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：１６０℃、
ループ長さ：５ｍｍ、
ループ高さ：２５０μｍ、
圧着ボール径：５０μｍ、
圧着ボール高さ：１１μｍ、
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Ａｌパッドとその下部の非損傷性、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。
ループは台形ループと呼ばれる圧着ボール直上ならびに２ｎｄボンド側近傍に曲がり（キンク）を有する形状を採用した。

Ａｌパッドとその下部（以下、Ａｌパッド部という）の非損傷性評価
各サンプルにつき１００個のファーストボンド部の圧着ボールをデイジ社製ボンドテスター（ＰＣ２４００）を用いてシェアすることにより取り除き、シェア後のＡｌパッド部（Ａｌパッドとその下部）を観察してその損傷を調べ、損傷したＡｌパッド数をカウントし、その結果を表４〜６に示すことによりＡｌパッド部の非損傷性を評価した。

圧着ボールの真円性評価：
各サンプルにつき１００個の圧着ボールを観察し、比較サンプル対比で評価した。すなわち、圧着ボールの外周に凹凸が存在しない圧着ボールを真円性が高いと判定し、圧着ボールの外周に明らかに凹凸が存在する圧着ボールを真円性が低いと判定し、外周に明らかに凹凸が存在する真円性が低い圧着ボール（不良ボール）の数をカウントし、その結果を表４〜６に示すことにより圧着ボールの真円性を評価した。

接合信頼性評価：
ボンディングしたサンプルを、１７５℃の空気中で２５００時間保管した後に、デイジ社製ボンドテスター（ＰＣ２４００）を用いて圧着ボール直上のループの曲がり(ファーストボンド側直上のキンク)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、接合性が良好な場合はネック部で破断するが、接合性が劣化している場合は圧着ボールとＡｌパッドの接合界面、すなわち金属間化合物内にて破断(ボールリフト)する。圧着ボールを観察し、ボールリフト数をカウントし、その結果を表４〜６に示すことにより接合信頼性を評価した。

表１〜６に示される結果から、本発明ワイヤ１〜２８は、Ａｌパッド部の非損傷性、圧着ボールの真円性および圧着ボールの接合信頼性のいずれもが良好であるに対し、従来ワイヤ１〜２はＡｌパッド部の非損傷性および圧着ボールの接合信頼性のいずれかが不良であることから、本発明ワイヤ１〜２８は従来ワイヤ１〜２に比べて優れていることが分かる。また、この発明の範囲から外れた成分組成を有する比較ワイヤ１〜１９は、Ａｌパッド部の非損傷性、圧着ボールの真円性、接合信頼性の少なくともいずれか一つの特性が不良となるので好ましくないことが分かる。

Claims

ＰｔおよびＰｄの内の１種または２種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ（ｐｐｍは、質量ｐｐｍを示す、以下同じ）、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜４０ｐｐｍ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ことを特徴とする高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ（ｐｐｍは、質量ｐｐｍを示す、以下同じ）、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｃａ：１〜２０ｐｐｍをＳｒとＣａの合計が３５ｐｐｍ以下となるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ（ｐｐｍは、質量ｐｐｍを示す、以下同じ）、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの内の１種または２種以上の合計：１〜２０ｐｐｍをＳｒ、Ｅｕ、ＬａおよびＹの合計が３３ｐｐｍ以下となるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくい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種の合計：２０００〜２００００ｐｐｍ（ｐｐｍは、質量ｐｐｍを示す、以下同じ）、Ｉｒ：１〜２００ｐｐｍ、Ｓｒ：１３〜１５ｐｐｍを含有し、さらに、
Ｃａ：１〜２０ｐｐｍ、
Ｅｕ、Ｌａ、Ｙの内の少なくとも１種の合計：１〜２０ｐｐｍ、
をＳｒ、Ｃａ、Ｅｕ、ＬａおよびＹの合計が３８ｐｐｍ以下となるように含有し、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接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくいボンディングワイヤ用金合金線。
さらにＡｇ：１〜５００ｐｐｍを含有することを特徴とする請求項１〜４の内のいずれかの請求項に記載の高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにＡｌパッドとその下部が損傷しにくいボンディングワイヤ用金合金線。