JP5165810B1 - 銀金パラジウム系合金バンプワイヤ - Google Patents

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    • H01L2224/13139Silver [Ag] as principal constituent

Abstract

【課題】 半導体装置の銀金パラジウム系合金バンプワイヤであって、溶融ボールのテール長さを短くすることによってテール長さのバラツキを安定させることができる。
【解決手段】 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤにおいて、
当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が1〜9質量%、パラジウム(Pd)が0.5〜5質量%、および残部純度99.995質量%(上記含有元素を除く)以上のが銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvである。
【選択図】 図2

Description

本発明は、 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤに関するもので、特に、半導体装置をフリップチップ接続するために用いるスタッドバンプワイヤに関するものである。

図1は、一般的なスタッドバンプの実装状態を示す断面図である。
半導体装置32と回路基板33とは、半導体装置32の電極パッドに予め形成された突起電極(ワイヤバンプ)36を介して、電気的および機械的に接続され、回路基板33と突起電極36とはPb−Sn系合金やSn−Ag系合金に代表されるハンダを介してフリップチップ接続される。フリップチップ接続では、基板電極上に形成されているこれらのハンダ層の上に、スタッドバンプ形成後のチップを載せ、熱を与えてハンダを溶融する事によりワイヤバンプとハンダを金属接合させる。
フリップチップ接続後、パワー半導体や電気自動車等の高温用途で、ワイヤバンプはハンダ中へ拡散し、「ハンダ食われ」といわれる現象を起こす。さらに、チップ電極のアルミニウム(Al)中にも拡散するため、脆いAu−Al金属間化合物を形成し、拡散が進むとともに、接合界面にクラックが進行し、結果として電気的導通不良が発生するという問題があった。

この種のワイヤバンプ36の形成方法として、例えば特開平11−251350号公報(後述する特許文献2 )では、ワイヤボンディング技術を利用し、バンプ形成用のAu、Ag、Cu等の金属からなるワイヤをボンディングワイヤとして用い、ボールボンド方式によりバンプを形成する垂直プルカット方式の技術が提案されている。

図2は、上記した従来技術による垂直プルカット方式のバンプ形成方法を示した断面図である。ボールボンディング装置は、巻取リールからキャピラリィに至るバンプワイヤ2の走行経路にXYZ方向にキャピラリィ1と一体に移動するワイヤクランプ5を設け、このワイヤクランプ5によりバンプワイヤ2を挟着保持してバンプワイヤ2を所望のバンプ形状やサイズに応じた長さだけ引き出す(同図(a))。次いで、ワイヤ51の先端にスパーク電流を流してイニシャルボール51aを形成する(同図(b))。次いで、イニシャルボール51aを電極パッド34上に移動し(同図(c))、ワイヤ先端に形成されたボール51aを電極パッド34に圧着する(同図(d))。次いで、ワイヤクランプ5がワイヤを開放した状態(同図(f))で少しまっすぐ上方へ上昇した後(同図(g))、ワイヤクランプがワイヤを挟着した状態でキャピラリ50をワイヤ51ごと垂直に引き上げ(同図(g))、キャピラリィを垂直に上昇させることでワイヤをボールへの付け根部分で切断してワイヤバンプ36を完成する(同図(h))。これが垂直プルカット方式である。この後に、図示しないが、ワイヤクランプでワイヤを再度挟着し、ワイヤクランプによりワイヤを挟着した状態で次のボンディング箇所に移動し、ワイヤ先端とトーチとの間に火花放電を行わせてボールを形成し、次のボールボンドに備える。

このようなバンプワイヤに使用する材料として、特開2007−142271号公報(後述する特許文献1 ) がある。これは、「純度9 9 . 9 9 質量% 以上のAuを10〜60質量%含有し、さらに純度99.9%以上のPd若しくはPtが0.2〜2%又は純度99.99質量%以上のCuが0.05〜1質量%のうち少なくとも1種を含有し、残部が純度99.99質量%以上のAgからなることを特徴とするバンプ形成用材料(同請求項6)」、並びに、「純度99.99質量%以上のAuを10〜60質量%含有し、さらに純度99.9%以上のPd若しくはPtが0.2〜2%又は純度99.99質量%以上のCuが0.05〜1質量%のうち少なくとも1種と、Caが5〜100質量ppm、Beが1〜20質量ppmまたは希土類元素が5〜100質量ppmのうちの少なくとも1種以上とを含有し、残部が純度99.99質量%以上のAgからなるバンプ形成用材料(同請求項8)」である。このバンプワイヤは、半田溶融時に半田食われの現象が生じないという利点を活かしながら、Ag合金ワイヤバンプの溶融ボールの形状をできるだけ真球に近づけ安定させ、AlパッドとAg合金ボールとの接合の信頼性を向上させ、銀金パラジウム系合金バンプのテール長さを短くし、銀金パラジウム系合金バンプの耐半田食われ性を劣化させることなく、Agと半田界面でのボイドが生じないようにするものである(同公報第0006段落)。

しかしながら、添加元素の量が10パーセントを超えると、機械的強度が高くなり、その結果、バンプワイヤ自体は強くなってバンプワイヤの細線化が可能になるものの、ワイヤが25μmから20μmへ、さらには15μmへと細くなっていくと、調質熱処理をしなければ溶融ボールが硬くなりすぎてチップ割れを起こす。他方、細線化したバンプワイヤに、一般的なボンディングワイヤと同様の調質熱処理を施せば、バンプワイヤがやわらかくなりすぎてバンプのテール長さを短くすることができない。
特に、銀金パラジウム系合金バンプワイヤの場合は、調質熱処理を施すと純銀バンプワイヤよりも内部組織の変化割合が大きい。このため、銀金パラジウム系合金バンプのテール長さは、内部組織が変化しないでもテール長さのバラツキが大きく変化していた。これまでは銀金パラジウム系合金バンプワイヤのテール長さのバラツキ原因がわからなかったため、銀金パラジウム系合金の成分組成だけを調整しても、銀金パラジウム系合金バンプのテール長さを一様に短くすることが困難であった。
そのため、特開平11−251350号公報(後述する特許文献2)では、キャピラリに一対の刃状突起を設けてバンプワイヤに切れ目を入れたり、特開平09−283526号公報(後述する特許文献3)では、溶融ボールによる熱影響部は長いままにしてこの熱影響を受け結晶粒が粗大化した金属ボールの直上の金属ワイヤ部分が前記金属ワイヤの引き千切るべき位置以内となるように金属ボール径を調整するにより、銀金パラジウム系合金バンプのテール長さを調整していた。

以上の例に見るとおり、銀金パラジウム系合金バンプワイヤの成分組成だけを調整して銀金パラジウム系合金バンプのテール長さを短くしておくという課題は、解決されないままであった。

特開2007−142271号公報 特開平11−251350号公報 特開平09−283526号公報

本発明は、銀金パラジウム系合金バンプワイヤの溶融ボールを接合後の熱影響部の長さが極端に短く、垂直プルカットしても銀金パラジウム系合金バンプのテール長さを短くしておくことができる銀金パラジウム系合金バンプワイヤを提供することを解決課題とする。

本発明者らは、銀金パラジウム系合金バンプの上記テール長さのバラツキが調質熱処理後のビッカース硬さに依存することを見い出し、それに着目して、ビッカース硬さがコントロール可能な銀金パラジウム系合金バンプの成分組成を定めた。

本発明の垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤは、当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が1〜9質量%、パラジウム(Pd)が0.5〜5質量%、および残部純度99.995質量%(上記AuおよびPdの含有元素を除く)以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであるものである。

また、好ましくは、本発明の垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤは、当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が6〜9質量%、パラジウム(Pd)が2〜4質量%、および残部が純度99.995質量%(上記Au、Pd、Ca、Be、La、YおよびEuの含有元素を除く)以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであるものである。

また、当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が6〜9質量%、パラジウム(Pd)が2〜4質量%、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で10〜100質量ppm、および残部が純度99.995質量%(上記微量の含有元素を除く)以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであるものである。

本発明において、銀(Ag)合金バンプは、金(Au)合金バンプよりもPb−Sn系合金やSn−Ag系合金に代表されるハンダに食われる現象(「ハンダ食われ」)が一般的に遅くゆっくりである。これは、これらのハンダ中では、銀(Ag)の拡散が金(Au)よりも遅いためである。また、銀(Ag)合金バンプは、半導体チップ上のアルミニウム(Al)電極との拡散も金(Au)合金バンプより遅い。そのため、金(Au)合金バンプではチップ電極のアルミニウム(Al)中にも拡散するため、脆いAu−Alの金属間化合物を形成し、溶融ボールの接合界面でこの金属間化合物の拡散が進むとともに、接合界面にクラックが進行し、結果として電気的導通不良が発生するという問題がある。銀(Ag)合金バンプの場合は、本発明の成分組成範囲でこの電気的導通不具合の遅延効果を明確に示す。また、本発明の銀金パラジウム系合金は、高温放置耐性を高めることができ、かつ、信頼性向上が可能となる。

本発明において、金(Au)とパラジウム(Pd)は銀(Ag)に完全に固溶して均質な銀金パラジウム系合金をつくる。そして、これらの各貴金属元素は高純度のものが得られるので、連続伸線によりバンプワイヤを形成することができ、その品質も安定している。
銀(Ag)の純度は99.995質量%以上であることが必要であり、この純度には、金(Au)とパラジウム(Pd)、そして、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)の各元素は除かれる。好ましくは、銀(Ag)の純度が99.999質量%以上である。本発明における純度99.99質量%以上の銀(Ag)中の不純元素としては、Al・Mg・In・Ni・Fe・Cu・Si・Crが挙げられる。
金(Au)は、銀(Ag)よりも含有量が一桁低いので、金(Au)の純度は99.99質量%以上であればよい。好ましくは、金(Au)の純度が99.995質量%以上である。
パラジウム(Pd)は金(Au)よりもさらに含有量が少ないので、パラジウム(Pd)の純度は99.9質量%以上であればよい。好ましくは、パラジウム(Pd)の純度が99.99質量%以上である。

本発明において、金(Au)は、大気放置、特に高温放置中の銀(Ag)の硫化を抑制する。本発明の銀金パラジウム系合金において、金(Au)の範囲を1〜9質量%としたのは、1質量%未満では銀(Ag)の硫化を抑制することができず、9質量%を超えると、銀金パラジウム系合金バンプのバンプ高さのバラツキが大きくなりすぎるからである。金(Au)は、6〜9質量%の範囲がさらに好ましい。また、第一ボンド時のチップ割れを防ぐため、金(Au)の含有量がパラジウム(Pd)の含有量よりも多いほうが好ましい。

本発明において、パラジウム(Pd)は、バンプワイヤの溶融ボールと半導体チップ上のアルミニウム(Al)電極との接合信頼性を向上させるためである。パラジウム(Pd)が0.5〜5質量%の範囲にあれば、溶融ボールとアルミニウム(Al)電極との第一ボンドの接合性が安定するだけでなく、接合後の高温放置耐性も高めることができる。パラジウム(Pd)は、2〜4質量%の範囲がさらに好ましい。

本発明において、バンプワイヤのビッカース硬さは80〜100Hvが必要である。本発明のバンプワイヤの組成であっても、調質熱処理無しの伸線上がりのワイヤのビッカース硬さは100Hv〜120Hv程度ある。連続伸線直後のこのような銀金パラジウム系合金は、このままではその静的強度および溶融ボール変形時の動的強度が高くなりすぎ、溶融ボールとアルミニウム(Al)電極との第一ボンドの接合時にアルミニウム(Al)電極のチップ割れを起こす。他方、本発明のバンプワイヤを完全に焼きなました場合のビッカース硬さは50Hv〜70Hv程度である。本発明においては、連続伸線で最終線径に仕上げた後にそのまま熱処理炉を通過させると、効率よく所定のビッカース硬さが得られる。このビッカース硬さの範囲は、結晶組織が回復域に入り、再結晶を開始する直前組織と考えられる。バンプワイヤのビッカース硬さが85〜95Hvであることが好ましい。
この連続伸線は、連続伸線前の線径に対して90%以上の冷間加工されたものであることが好ましく、より好ましくは99%以上の冷間加工されたものである。連続伸線加工は、ダイス伸線することが好ましく、ダイヤモンドダイスが特に好ましい。これにより、同心円状に配置された細長の微細再結晶組織ができやすいためである。なお、銀金パラジウム系合金の内部結晶組織は、連続伸線直後も調質熱処理後も走査電子顕微鏡観察のもとでは変化が見られない。
アルミニウム(Al)電極は、一般的な高純度のアルミニウム(Al)金属のパッド銅(Cu)やシリコン(Si)を数パーセント含有させたアルミ合金のパッド、あるいは、これらの合金に貴金属を被覆したパッド、金(Au)めっき、銀(Ag)めっきまたはパラジウム(Pd)めっき等の軟質金属または合金を単層または複層コーティングしたものが用いられる。

本発明においては、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で10〜100質量ppm含有することが好ましい。これらの各元素は、銀金パラジウム系合金において等しく溶融ボールの熱影響部を短くする元素だからである。これらの各元素のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で10質量ppm未満であると、銀金パラジウム系合金バンプのネック高さのバラツキが大きくなる。他方、これらの各元素のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で100質量ppmを超えると、バンプワイヤの機械的強度が高くなりすぎて第一ボンド時にアルミニウム(Al)電極のチップ割れを起こす。銀金パラジウム系合金バンプのバンプ高さのバラツキを小さくする添加元素の観点からは、カルシウム(Ca)およびユーロビウム(Eu)がより好ましく、添加量の観点からは、20〜50質量ppm含有することがより好ましい。

本発明においては、バンプワイヤの線径が15μm〜25μmであることがより好ましい。バンプワイヤの線径が細くなればなるほど、わずかな温度差によって銀金パラジウム系合金バンプのテール長さのバラツキが大きくなる傾向にあり、本発明の成分組成およびビッカース硬さの効果がよりよく発揮されるからである。

本発明のバンプワイヤは、銀金パラジウム系合金バンプのバンプ高さを短くすることによってバラツキを安定させることができる。特に、微量の添加元素を含有させると、銀金パラジウム系合金バンプのバンプ高さをより短くしておくことができる。
なお、本発明のバンプワイヤは、パラジウム(Pd)の割合が少ないことから、溶融ボールの真円性、第一ボンドの接合性は良好である。

[実施例]
表1に示す成分組成の実施例1〜20、比較例1〜4として、金(Au)およびパラジウム(Pd)を所定量含有し、さらに、必要に応じてカルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)のうちの少なくとも1種を所定量含有し、残部が純度99.995質量%(上記含有元素を除く)を所定量固溶した合金を用意した。
ここで、銀(Ag)および金(Au)の純度は99.999質量%以上の純度の線材を用い、パラジウム(Pd)の純度は99.99質量%以上の純度の線材を用いた。
これらの合金を溶融し、連続鋳造して直径8mmの銀金パラジウム素線を作製した。その後、20μmから25μm径になるまで伸線加工をおこなった。その後、調質のための熱処理をおこなう事で、銀金パラジウム系合金素線を作製した。

(ビッカース硬さ)
連続伸線後のバンプワイヤの線径は25μmとし、調質熱処理温度は、実施例、比較例共に小数点一桁まで測定できる温度計で管理して行い、表に示すビッカース硬さを得た。ビッカース硬さの測定にはビッカース硬度計(アカシ社製型式MWK−G3)を使用した。

(HAZ(Heat Affected Zone)長さ)
バンプワイヤの線径は25μmとし、(株)新川社製UTC−3000型バンプボンダーを用いて、N2ガス雰囲気中で溶融ボールの直径が線径の2倍になるように調整をおこない、各サンプル毎10個を作製し、その平均値を求めた。

(ネック高さ)
バンプワイヤの線径は25μmとし、(株)新川社製UTC−3000型バンプボンダーを用いて線径の2倍の溶融ボールと、線径の2.5倍の圧着ボールで、100個単位(10列×10行)で、Al−0.5%Cu合金膜のSiチップへ熱圧着併用超音波接合し、ワイヤバンプを作製した。このワイヤバンプのネック高さの平均値とバラツキを求めたところ、表の結果を得た。
表中、○印はバラツキ(σ)が5μm以下のものを、△印はバラツキ(σ)が8μm以下のものを、×印はバラツキ(σ)が8μmを超えるものを、それぞれ示す。

リフローを模した加熱試験を実施した。
フリップチップ接合を再現すべく、各種Au合金と各種はんだを対峙させた状態で、Sn系はんだの融点+20℃の温度で30秒間加熱させ、接合させた。その後、リフローを再現させるべく、加熱処理を合計10回まで繰り返し実施した。このときの温度条件は、はんだの融点+20℃の温度で40秒間保持される条件でおこなった。なお、全ての加熱処理は、示唆熱分析装置(DSC−3100/(株)マックサイエンス製)を使用し、Arガス雰囲気(流量:50ml/min)で実施した。

これらの実施例及び比較例のワイヤバンプと上記の各種試験の結果を表に示す。
以上の結果について、実施例及び比較例を挙げた表において、ワイヤ組成範囲、ビッカース硬さの条件とネック高さの平均値・バラツキとを対比すると、次のとおりであった。
比較例1は、金(Au)の含有量が下限値を下回るため、ネック高さのバラツキが大きく、はんだ食われ試験が実施できなかった。
比較例2は、金(Au)とパラジウム(Pd)の含有量が上限値を超えるため、ネック高さのバラツキが大きく、はんだ食われ試験が実施できなかった。
比較例3は、パラジウム(Pd)の含有量が下限値を下回り、かつ、微量添加元素の合計量も下限値を下回り、ビッカース硬さも下限値を下回るため、ネック高さのバラツキが大きく、はんだ食われ試験が実施できなかった。
比較例4は、微量添加元素の合計量が上限値を超えるため、ネック高さのバラツキが大きく、はんだ食われ試験が実施できなかった。
以上の結果から、本発明のワイヤはその成分組成範囲において、所定のビッカース硬さのあることが必須であることが解る。

本発明は、バンプ高さが短くばらつきも小さいことから、高密度の高速バンプ用の接続線として有用であり、特に線径が25μm以下のバンプワイヤとして有用である。

図1は、一般的なスタッドバンプの実装状態を示す断面図である。 図2は、従来技術による垂直プルカット方式のバンプ形成方法を順次に示した断面図である。

1:キャピラリィ
2:バンプワイヤ
5:ワイヤクランプ

32:半導体装置
33:回路基板
34:電極パッド
36:突起電極(ワイヤバンプ)

50:キャピラリ
51:ワイヤ
51a:イニシャルボール

Claims (8)

  1. 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤにおいて、
    当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が1〜9質量%、パラジウム(Pd)が0.5〜5質量%、および残部が純度99.995質量%以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであることを特徴とする銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  2. 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤにおいて、
    当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が6〜9質量%、パラジウム(Pd)が2〜4質量%、および残部が純度99.995質量%以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであることを特徴とする銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  3. 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤにおいて、
    当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が1〜9質量%、パラジウム(Pd)が0.5〜5質量%、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で10〜100質量ppm、および残部が純度99.995質量%(上記微量の含有元素を除く)以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであることを特徴とする銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  4. 垂直プルカット方式の銀金パラジウム系合金バンプワイヤにおいて、
    当該銀金パラジウム系合金が、金(Au)が6〜9質量%、パラジウム(Pd)が2〜4質量%、カルシウム(Ca)、ベリリウム(Be)、ランタン(La)、イットリウム(Y)およびユーロビウム(Eu)のうちの少なくとも1種が1〜30質量ppm、合計で10〜100質量ppm、および残部が純度99.995質量%(上記微量の含有元素を除く)以上の銀(Ag)からなり、かつ、溶融ボール形成前の当該バンプワイヤのビッカース硬さが80〜100Hvであることを特徴とする銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  5. 上記銀(Ag)の純度が99.999質量%以上である請求項1〜請求項4のいずれかに記載の銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  6. 上記金(Au)の含有量が上記パラジウム(Pd)の含有量よりも多い請求項1〜請求項4のいずれかに記載の銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  7. 当該バンプワイヤのビッカース硬さが85〜95Hvである請求項1〜請求項4のいずれかに記載の銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
  8. 当該バンプワイヤの線径が15〜25μmである請求項1〜請求項4のいずれかに記載の銀金パラジウム系合金バンプワイヤ。
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