JP5311715B2 - 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、ワイヤ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、ボールやワイヤの表面酸化によるファースト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。しかし、一般的に用いられている添加元素は、ボール形成時に酸化し易いため、多量に添加すると接合性を劣化させる。したがって、これらの元素をなるべく添加しないで、高い強度を得ることが求められている。セカンド接合もまた添加元素の影響を受ける。一般的に、添加元素が少ない方がワイヤの表面酸化が少ないため、良好なセカンド接合性が得られる。
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。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。線径が細くなると、ワイヤ製造において、引抜加工時にワイヤ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ため、金線強度を向上させる必要がある。
金線強度を向上させる添加元素としては、カルシウムや希土類元素（スカンジウムとイットリウムを含むランタノイド族）が挙げられ、多くの特許が公開されている（例えば、特許文献１〜１０）。しかし、これらの中で、強度に対する寄与率は明確になっていない。例えば、特許文献１の実施例には、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、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、スカンジウム、イットリウムの単独又は複合添加による材料の強度が報告されているが、強度に対するそれぞれの元素の強度差は認められない。また、特許文献２では、ランタン、セリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムのセリウム族希土類元素は、常温及び高温の引張強さを向上させるが、その作用は均等的と述べられている。一方、特許文献１０では、希土類元素の中で、ユーロピウムが、カルシウムや他の希土類元素に比較して、ボールネック部の信頼性が優れると述べられている。ここでは、プラセオジウムは付加的な成分であり、白金、銀、マグネシウム、ユーロピウムのいずれか１種と共に含有しない場合、ボールネック部の信頼性において効果が認められないとされている。
強度に対する寄与は、同じ希土類元素の中でも異なり、最適な組み合わせがあり、それに適した付加添加元素があるが、上述したように、様々な報告はあり、明確になっていない。
特開昭５８−９６７４１号公報 特開昭５８−１５４２４２号公報 特開平４−２８４８２１号公報 特許２６２１２８８号公報 特許２６６１２４７号公報 特許２６８０４１４号公報 特許２７６６７０６号公報 特許２７７３２０２号公報 特許２８１４６６０号公報 特許３３３７０４９号公報
本発明は、接合性と機械的特性が両立する半導体接続用金線を提供する。
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、できるだけ低い添加量で強度を向上させるために、特にプラセオジウムを含有することを基本として、強度、接合性、金線内に生成する析出物を考慮して、補助的な添加元素としてカルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムを限定した範囲で含有し、ボールボンディング時のボール形状の真円性を高め、接合性を向上させる元素として、ベリリウムとアルミニウムを限定した範囲で含有する半導体素子接続用金線であり、具体的には、以下の構成を要旨とする。
（１） プラセオジウムの含有量が０．００３４質量％以上０．００５質量％以下の範囲であり、さらに、０．０００２質量％以上０．０００９質量％以下のベリリウム、０．０００４質量％以上０．００４質量％以下のアルミニウムの少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする半導体素子接続用金線。
（２） プラセオジウムの含有量が０．０００４質量％以上０．００３８質量％以下の範囲であり、さらに、０．０００６質量％以上０．００５質量％以下のカルシウム、０．０００４質量％以上０．００１５質量％以下のセリウム、０．０００５質量％以上０．００３３質量％以下のネオジウム、０．０００４質量％以上０．００３３質量％以下のサマリウム、０．０００４質量％以上０．０００８質量％以下のランタン、０．０００４質量％以上０．００２質量％以下のユーロピウムの少なくとも１種類以上を含有し、さらに、０．０００２質量％以上０．０００９質量％以下のベリリウム、０．０００５質量％以上０．００３質量％以下のアルミニウムの少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする半導体素子接続用金線。
（３） 金線内の任意の断面において、長径０．５μｍ以上の第二相の密度が１０個／ｍｍ2以下であることを特徴とする（１）に記載の半導体素子接続用金線。
（４） プラセオジウムの含有量が、質量比でカルシウムと希土類元素（但し、上記（２）で規定するもの。）の総含有量の１５％以上である（２）に記載の半導体素子接続用金線。
（５） プラセオジウム、セリウム、ネオジウム、サマリウム、ランタン、ユーロピウム以外の希土類元素の含有量が０．０００５質量％以下である（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
（６） ０．０００３質量％以上０．００６質量％以下のインジウムを含有する（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
（７） 不可避的不純物として、ケイ素、鉛、リチウム、ナトリウムが０．００１４質量％以下である（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
（８） 破断強度が２１０ＭＰａ以上である（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
（９） 鋳造状態のインゴットからの断面減少率が９８％以上である（１）〜（８）のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
（１０） 前記インゴットが一方向凝固法で得られたインゴットである（９）に記載の半導体素子接続用金線。
本発明における半導体接続用金線は、低濃度で強度を向上させる効果が大きいプラセオジウム、補助成分としてカルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムから選ばれた１種以上の元素を用いることによって、他の希土類元素を使用する場合に比較して、低い添加量で金線の強度を向上させることが可能である。また、それぞれの元素の組成を限定することによって、良好な接合性を確保し、ルーピング不良の一因となる第二相（析出物）を抑制する。また、これにより断線する機会も少ない生産性の高い金属線材である。
ベリリウム、アルミニウムを規定の範囲で添加することにより、ボールボンディング時の超音波によるファースト接合部の圧着径の異方性を減少させ、また、ボールの真円性を向上させる。更に、インジウムを規定の範囲で添加することにより圧着径のばらつきを低減することが可能である。
即ち、プラセオジウムと上記の補助元素を複合的に用いることによって、強度、圧着形状を含む接合性、ルーピング特性を向上させ、より細線でのボンディング、狭いピッチ間のボンディングを可能にし、半導体の小型化を可能にする。
プラセオジウムの添加量は、必要とする強度による。一般的に添加元素が多いほど、金線あるいは溶融ボール部の表面が酸化するため、接合性は劣化するが、金線の強度は向上するため、その用途によって決定される。プラセオジウムは、添加量に対する強度への寄与が他の元素より大きいが、本発明において、プラセオジウムの効果が特に有効になるのは、大きな強度が必要になる領域であり、プラセオジウムを用いた場合と用いない場合で、接合性に大きな差が生じてくる。本発明において、必須成分として添加効果を得るためには、０．０００４質量％以上の添加が必要である。
しかし、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る。
また、プラセオジウムは、ランタン、ユーロピウムほどではないが、溶解・冷却時に金との間に析出物を形成する場合がある。金線特性に対する影響は、析出物の大きさと線径にもよるが、光学顕微鏡で観察できるような長径０．５μｍ以上の大きさで、その密度が１ｍｍ2当り１０個超ある場合、製造時の断線やボンディング時の不良を引き起こす。
析出物は、母相と異なる金と希土類元素で構成される相であり、場合によってこれにカルシウムを含む場合がある。通常、金ボンディングワイヤの場合、母相の溶質元素濃度は数質量％であり、金中に固溶した状態にある。これに対して、析出物の溶質元素濃度は１０質量％以上であり、金属間化合物に代表される化合物やアモルファス等、金とは結晶構造が異なる状態を取る。
析出物は、凝固・冷却中に金中に溶けきれず、析出したものである。したがって、溶解、凝固、冷却等の熱処理条件によって、析出状態は変わるが、本発明では、強制冷却装置等の特別な装置が必要ない通常の凝固条件、即ち、低コストな手法で造塊しても、析出物を形成することの無い組成に限定する。強制冷却機構が具備されていない、冷却速さが２００℃／分以下の一般的な溶解炉で単相化しようとするならば、プラセオジウムの含有量は自然冷却炉で０．００４質量％以下であることが望ましい。
ただし、一方向凝固炉を用いる場合はこの限りではなく、０．０２質量％まで析出物を形成させないで鋳造することができる。ここで、一方向凝固法とは、温度勾配が実質的についた空間で溶融体を凝固させる方法であり、溶融金属自体に温度勾配をつけ、これを凝固点以下に冷却する方法や、温度勾配をつけた領域を形成して、そこに溶融金属を通過させても良い。代表的な一方向凝固方として、ゾーンメルティング法や連続鋳造法がある。通常の炉でも多少の温度勾配がついているが、ここでの一方向凝固法とは、凝固後の結晶粒のアスペクト比が３以上の結晶粒が全体の８０％以上の体積を占めるようなものを言う。
プラセオジウムに次いで強度を向上させる作用がある元素として、カルシウムが挙げられる。カルシウムは、析出物を形成し難いため、酸化による接合性が劣化する０．０２質量％まで添加が可能である。
ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムは、プラセオジウムより強度に対する寄与は小さいが、強度を向上させる作用のある添加元素として使用することができる。セリウム、ネオジウム、サマリウムは、析出物を形成し難いため、酸化による接合性が劣化する０．０２質量％まで添加が可能であり、場合によっては、プラセオジウムより添加量が大きくても構わない。ただし、セリウム、ネオジウム、サマリウムは、プラセオジウム、カルシウムに比較して強度に対する効果が小さいことから、補助的に使用されるべきであり、また、カルシウムに比較して酸化が激しいことから、０．００３３質量％以下とすることが望ましい。
ランタンは、析出物を形成し易い添加元素であるため、通常の溶解炉で金線のインゴットを製造しようとするならば、０．０００８質量％以下の限定した範囲での補助的な使用が望ましい。一方向凝固法では、０．００３質量％までの添加が可能である。ユーロピウムも同様な理由により、通常凝固炉では０．００２質量％以下、一方向凝固炉では、０，００３質量％以下で用いられることが望ましい。
酸化による接合性の劣化の観点から、プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムの総量は、０．０２質量％以下であることが望ましい。
カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムの補助成分は、補助成分として意図して添加される場合、工業的に適用可能な分析精度とばらつき管理上の点で、０．０００２質量％以上である必要がある。
カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムの添加量当りの強度に対する寄与は、単独ではプラセオジウムに劣るが、実施例で示すように、プラセオジウムに加えて添加することにより、プラセオジウム単独で添加する場合と同等もしくはそれ以上の効果を示す場合がある。即ち、プラセオジウムに加えて、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムから選ばれた１種以上の元素を限定した範囲で複合添加することによって、低い添加量で強度が増加し、析出物の生成も抑制され、接合強度の高い金線が製造できる。特に、プラセオジウムに加えて、カルシウムを添加した場合、更にはネオジウムを添加した場合に、また、プラセオジウムに加えて、ランタンあるいはセリウムを添加した場合に、強度やボンディング特性が良好である。
プラセオジウムとカルシウムを組合せ、他の希土類元素を添加しない場合、プラセオジウムとカルシウムの質量総量に対するプラセオジウムの質量は１５％以上、特には４０％以上が望ましい。
ネオジウムを０．００１質量％以上添加した金線は、ボンディング後にループを形成した時に、圧着ボール直上のワイヤのネック部と呼ばれる部分に、損傷が生じ難くなる効果がある。このネックダメージと呼ばれる損傷は、ルーピングのためにワイヤに曲折を形成するためのキャピラリ動作によって生じる現象である。この損傷防止は、プラセオジウムにネオジウムを添加することによって得られる効果である。
この他、プラセオジウムに補助的に用いられる成分で強度を向上させる成分として、ランタン、セリウムが挙げられる。プラセオジウムとランタンを組合せ、他の希土類元素を添加しない場合、プラセオジウムとランタンの質量総量に対するプラセオジウムの質量が１５％以上のとき、特には７５％以上のときに良好な強度が得られる。セリウムの場合は、１５％以上のとき、特には２５％以上のときに良好な強度が得られる。
カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムから選ばれた２種以上の元素とプラセオジウムとを組み合わせる場合、カルシウムと希土類元素の質量総量に対するプラセオジウムの質量が１５％以上のときに高い強度が得られる。
パッド間が狭い高密度実装を実現するためには、細線化を実現させるための高強度化や接合強度を向上させる方策に加えて、ファースト接合部のボール圧着径と圧着形状を制御する必要がある。
ベリリウムとアルミニウムは、ボールボンディング時のボールの真円性を向上させ、狭いピッチ間のボンディングを可能にする。特に、金線径を小さくしたい時、添加元素量を増して強度を稼ぐ必要があるが、こうした場合にボールの酸化により圧着ボールの真円性が損なわれる場合があり、これを抑制する効果がある。具体的には、ボンディング時の超音波の印加により、ボール圧着径が超音波印加方向に伸びることを抑制し、また、花弁状に凹凸ができることを抑制する。また、これらの元素は、ボールの硬度を増加させるため、圧着径自体が小さくなる。また、接合強度を向上させる効果を有する。
ベリリウムは、アルミニウムより上記作用が大きいが、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、ベリリウムの添加量は０．０００９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。
アルミニウムは、ベリリウムほどボールの真円性を向上させる効果が大きくないが、拡散速度がベリリウムほど大きくないことから、表面酸化は少ない。したがって、添加許容量はベリリウムよりも大きく、特にセカンド接合性が良好なことが要求される場合に、ベリリウムに代替して、あるいは一部置き換えて用いることができる。ただし、アルミニウムを大量に添加すると、製造工程の伸線加工性を劣化させることから、その添加量は０．００５質量％以下であることが望ましい。特に、ベリリウムとアルミニウムを組み合わせて使用することにより、ボンディングした時のボール形状が良く、かつセカンド接合性の優れた金線とすることができる。
ベリリウムとアルミニウムも意図して添加される場合、工業的に適用可能な分析精度とばらつき管理上の点で、０．０００２質量％以上である必要がある。
インジウムは、圧着径のばらつきを抑えるのに有効である。この点で、ベリリウムとアルミニウムの作用とはやや異なる。したがって、ベリリウムやアルミニウムとの組合せで使用することによって、より有効な圧着形状を得ることができる。しかし、インジウムも酸化し易い元素であり、他の成分との添加量にもよるが、０．００６質量％超添加した場合、圧着形状、接合強度が劣化する。また、インジウムの添加効果が得られるのは、０．０００３質量％以上の場合である。また、０．０００２質量％以下では工業的な成分管理が難しい。
プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム以外の希土類元素も強度を向上させるが、上記の元素に比してその効果が小さいため、添加元素量を低くしてかつ強度を高める本特許の目的に反する。同じ添加量で強度を増したい場合は、プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム以外の希土類元素は０．０００５質量％以下にして、上記７元素を増量する方が望ましい。特に、プラセオジウムの添加が望ましいが、製造条件の制限により析出物の生成が避けられない場合は、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムを用いて、強度を補うことが望ましい。
希土類元素以外の元素の内、特許文献８において、ケイ素はボンディング時の強度低下を抑制すると述べられているが、ケイ素は、結晶粒界に偏析し易く、粒界破壊を助長し、強度を低下させることから、０．００１４質量％以下とすることが望ましい。また、鉛も同様であり、０．００１４質量％以下とすることが望ましい。リチウムやナトリウム等のアルカリ金属は、腐食等、実装後に他の実装材料に損傷を与える場合があることから、０．００１４質量％以下とすることが望ましい。ケイ素、鉛、アルカリ金属は、原料金や添加元素原料中に不純物として混入し易く、これを不可避不純物と呼んでいるが、これらの元素は上記不具合を抑制する観点から、上記の不純物量以下に管理する必要がある。
本発明で記述されていない元素の添加は、特に限定されるものではないが、一般的に金線、あるいはボンディング時のボール表面の酸化を形成し易くするため、極力添加しない方が望ましい。ただし、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、銅、銀の貴金属類は、金線の酸化をそれほど促進しないことから含有されていても構わない。０．００１質量％以下であれば、接合性には特に影響を与えない。０．００１質量％以上０．０２質量％以下の範囲で添加することによって、接合後、１００℃〜２５０℃の高温使用環境中で、アルミニウム電極との金属間化合物の成長、ボイドの生成を抑制し、高温信頼性が増す効果が得られる。
また、本特許で実現させようとする高い強度は、添加元素だけで得られるものではない。本特許で得ようとする強度は、上記のドーパンツの添加と加工率９８％以上の加工による加工硬化、及び加工集合組織の形成によって得られる。ここで言う加工率は、鋳造状態、もしくは中間焼鈍時の断面積をＡ0、最終線径をＡ1とした場合、（Ａ0−Ａ1）／Ａ0×１００（％）で計算される値である。中間焼鈍とは、伸線工程の中間において行なわれる再結晶熱処理である。したがって、棒又は線の状態となっている状態で実施される場合もあるが、本発明では、この中間材料も広くインゴットと呼ぶ。中間焼鈍は、最終工程で実施される軽微な歪み取り焼鈍とは異なる。実質的に３００℃以上の熱処理後のインゴットからの断面減少率が９８％以上である伸線加工と、０．０００４質量％以上のプラセオジウムの添加により、強い加工硬化と＜１１１＞集合組織を形成し、高い強度が実現する。
最終的に製品とするには、カールと呼ばれる伸線加工、巻取り癖を低減し、ワイヤの直進性を高めるため歪取り焼鈍を実施し、伸線加工した状態の強度より強度が低下した状態で使用するが、本発明は、破断強度が２１０ＭＰａ以上の製品を得るために特に利用される。プラセオジウムを必須元素として使用しない場合も、２１０ＭＰａ未満の設定破断強度では、良好な接合性を得ることができる。
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）
９９．９９９８質量％の金と、これに０．０００２質量％〜０．０３質量％までのプラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、サマリウム、ユーロピウム、ツリウム、イッテルビウム、イットリウムを添加して、ボンディングワイヤ用金素材について添加量当りの強度と単相化の容易さを比較した。
純度９９．９９９８質量％以上の原料金に上記の元素を０．０００２質量％〜０．０３質量％の各元素を添加して、直径５ｍｍ、長さ１００ｍｍのインゴットを鋳造した。冷却は炉冷で、１２００℃〜９００℃までの平均冷却速さは毎分約８０℃であり、強制冷却をしない鋳造炉の中では比較的冷却速度が大きい炉である。
鋳造後、成分を分析して、ケイ素、鉛、リチウム、ナトリウムが０．００１４質量％以下、添加元素以外のカルシウムと希土類元素が０．０００２質量％以下であることを確認した。
次に、インゴットの一部を組織観察用の試料としてサンプリングして、その残りの材料を、溝型圧延機を用いて約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、２３μｍまで伸線を行った。引抜工程におけるダイス１パス当りの各回減面率は約１０％である。なお、鋳造状態からの断面減少率は９８％以上である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理を行い、破断伸びを４．５％に調質して、その引張破断強度を測定した。破断伸びを４．５％で評価した理由は、通常ボンディングワイヤは、その直進性を確保するために伸線後熱処理を行い、破断伸びは２〜８％、多くは３〜６％で管理されるためであり、その中央値を用いた。破断伸びを４．５％に調質した時の原料金の強度は９０ＭＰａであった。
単独の添加元素を添加した場合、各元素共に添加量を増やすと、強度は単調に増加した。作製した金線の強度から原料金の強度を引いて、０．０００４〜０．０１質量％の範囲での添加元素０．０００１質量％当りの強度増分を示したものを、表１に示した。添加元素当りの強度上昇は緩やかになるが、概ね０．００３質量％添加した時のものに相当する。調べた範囲内では、添加量当りの各元素の強度に対する寄与の順列は、添加量の違いで入れ替わることがなかった。
Figure 0005311715
表１から判るように、０．０００１質量％当りの強度増分は、プラセオジウムが最も大きかった。次いで、効果が大きいのは、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムであった。カルシウムは、プラセオジウムに匹敵するほど大きい値を示したが、カルシウムは、プラセオジウムに比較して、同じ質量濃度とした場合、約３．５倍の原子濃度になっている。したがって、原子濃度当りの添加効率は、プラセオジウムの方が高い。
次に、鋳造したインゴットの断面を研磨し、光学顕微鏡にて組織を調べた。その結果、プラセオジウム、ランタン、ユーロピウムを添加したインゴットで、添加量により第二相が観察された。ＥＰＭＡとオージェによる解析によって、この第二相は、金と各添加成分元素で構成された析出物であることが判った。この析出物の添加成分組成は、１０〜４０原子％であり、母相に比較して極めて高い濃度であった。この析出物は、添加元素の濃度が小さい場合には生成しないが、濃度が高くなると生成する。析出物が生成する濃度は、各元素で異なり、プラセオジウムで０．００４１質量％、ランタンで０．０００９質量％、ユーロピウムで０．００２１質量％であった。これらの元素は、強度に対する寄与が大きい元素であるが、プラセオジウムは最も強度に対する寄与が大きく、しかも、３種の添加元素の中では、最も第二相を生成し難い元素と言える。
光学顕微鏡で観察できる大きさの第二相は、金線が細線化されていった場合、製造時の断線やボンディング時の不良を引き起こす可能性が大きい。第二相は、凝固・冷却中に、金中に溶けきれず析出したものである。特に、高温での冷却速さが大きくなれば、第二相が生成する濃度は大きくなるが、強制冷却装置等の特別な装置を設けなければならず、コスト高になる。
以上の実験結果から、金線強度に対する添加濃度当りの添加効果は、プラセオジウムが最も高く、次いで、カルシウム、更にセリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ランタンが高いことが判明した。したがって、プラセオジウムを添加元素として使用することで、他の元素を使用するよりも、低い添加量で高い強度が得られる。ただし、プラセオジウムは、通常の溶解・鋳造炉を使用して単相化する場合、０．００４質量％以下であることが望ましいことが判った。
（実施例２）
次に、金線中にプラセオジウムに加えて、カルシウム、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ランタン、ツリウム、イッテルビウム、イットリウムを添加する複合添加効果を調べた。金線の作製方法は、実施例１と同じであるが、最終線径は２０μｍとした。最終焼鈍工程における設定破断伸び値は、実施例１と同じ４．５％とした。また、伸線前にインゴット端部をサンプリングして、インゴット断面の第二相の析出量を調べた。
第二相の評価は、インゴットの断面研磨面を１０００倍の光学顕微鏡を用いて、８５．６×６１．２μｍの重ならない視野範囲を任意に５０視野（０．２６２ｍｍ2）を観察し、その数を数えた。凡そ直径０．５μｍ以上の第二相はカウントすることが可能である。
表２に、分析成分値、強度、インゴット内の金属間化合物の生成量を調べた結果を示した。
Figure 0005311715
実施例１で示したように、単独元素による単位元素当りの強度に対する効果は、プラセオジウムが最も高かったが、表２に示すように、プラセオジウムに加えて、カルシウム、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ランタンを添加した場合、プラセオジウムを単独に添加した場合と同等又はそれ以上の効果が得られた。一方、ツリウム、イッテルビウム、イットリウムは、複合添加した場合でも、強度に対する効果は小さく、特にプラセオジウムを添加しない場合は、強度を高めるために大量の添加量を必要とした。
したがって、第一にプラセオジウムを用い、補助的に、カルシウム、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ランタンを用いることで、低い添加量でも、接合性を確保された強度の高い金線を得ることができることが判った。
また、プラセオジウム、ランタン、ユーロピウムを添加した時の金属間化合物が生成する添加量は、単独で添加した場合とほぼ同等であった。
（実施例３）
次に、本発明の成分系の金線に対してベリリウム、アルミニウムを添加した時のボンディング特性に与える影響を調べた。成分以外の金線の作製方法は実施例１と同じである。
ボンディング試験は、（株）新川製ＵＴＣ−４００を用いた。また、キャピラリは、東陶機器（株）製Ｔ０−１１−９ＳＡを使用し、高さ４８０μｍ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−Ｃｕ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。ボールボンディングのファースト接合部のパッドピッチ間隔は６０μｍとした。６０μｍのパッドピッチは、現在工業的に行なわれている一般的なパッドピッチ間隔である。ワイヤスパンは、約５ｍｍで、パッドからのループ高さは９０μｍ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。
始めに、プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ツリウム、イッテルビウムを単独に添加した金線について、圧着ボール同士の接触（ショート）やボンディング時の剥がれ（不着）が起こさずに接合可能か調べた。ボンディング時の超音波振幅、荷重、接合速さを調整しながらボンディングを実施した。
試験の結果、ある一定の溶質濃度になると、２００ボンディングに１本程度、ボールとパッド電極間が接合せず剥離してしまう現象が生じた。この不着現象が生じる限界の濃度は、プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ツリウム、イッテルビウムでは０．０２０質量％であった。一方、イットリウムは０．０１５質量％であった。イットリウムは他の希土類元素に比較して質量数が小さく、同じ添加量でも原子比で見ると大きな添加量となり、酸化が激しくなるためと考えられる。カルシウムも同様に質量数が小さいが、希土類元素と同程度までボンディングが可能であった。これは、希土類元素より化学的に酸化し難いためと考えられる。
また、プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ツリウム、イッテルビウムを単独に含有する金線では、０．０１５質量％以上を添加すると、圧着ボール間でボール圧着部同士が接触してしまうショートが生じることがあった。圧着ボールを観察すると完全な真円にはなっておらず、接合時の超音波印加方向に圧着ボールは大きく伸びていたり、花弁状に凹凸部ができたりして、扁平部でショートが生じていた。これが起きないように超音波振幅、荷重を低くすると、不着が生じてしまった。
次に、プラセオジウムを添加した系に、ベリリウム、アルミニウムを添加してボンディング試験を実施した。
プラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウム、ツリウム、イッテルビウムを単独で０．０１５質量％以上添加すると、圧着ボール間でショートが発生することがあり、これを防ぐためにファースト接合の接合荷重を小さくすると不着が生じてしまったが、ベリリウム又はアルミニウムを０．０００２質量％添加した金線では、プラセオジウムの添加量が０．０２質量％までのショート無しにボンディングが可能であった。これは、ベリリウム、アルミニウムの添加により、ボールの圧着径が小さくなり、また、真円性が向上したためである。
同じプラセオジウムの添加量の金線で比較した場合、ベリリウムを０．０００５質量％又はアルミニウムを０．００１質量％添加した場合、ファースト接合のシェア強度は最も効果が小さいものでも１０％増加した。
以上のことから、ベリリウム又はアルミニウムの添加は、圧着ボールの真円性を増し、圧着径を小さくし、接合強度を増加させる作用があり、ファースト接合性を向上させることが判った。
しかし、ベリリウムを０．００１０質量％以上添加した金線では、セカンド接合性が劣化した。セカンド接合条件は、接合速さ（サーチスピード）、超音波強さ、接合時間をそれぞれと３．０μｍ／ｍｓ、４０（ボンダー固有単位）、１５ｍｓに固定して、接合荷重を変化させていったが、ベリリウムを０．０００９質量％添加した金線では接合可能な荷重範囲が認められたが、０．００１０質量％以上添加した金線では、荷重が軽過ぎると不着が生じ、荷重を増やすとセカンド接合時に金線が破断してしまい、接合することができなかった。一方、アルミニウムは０．００５質量％まで、ベリリウムを添加した系と同じ評価手法で、接合可能な条件を見出すことが可能であった。
（実施例４）
各種添加元素を組み合わせて、ボンディングワイヤとして、破断伸びが４．５％で引張強度２４０ＭＰａ程度の中強度金線を作製した。現在最も汎用的に使用されている強度レベルの金線である。製造方法及び最終線径は、実施例１と同じである。表３に、成分値（分析値）と破断伸びが３％、４．５％、６％の時の強度、金属間化合物生成の有無を示した。また、表３には、破断伸びを４．５％に調整して作製したボンディングワイヤを用いて評価したボンディング特性を示した。
引張強度は、設定伸び値が大きくなるほど小さくなる。これは、最終熱処理工程における温度が高く、回復・再結晶が進んでいるためである。通常、ボンディングワイヤの設定伸び値は、その用途によるが３〜８％である。
析出物の評価は、実施例２と同様、インゴットの断面研磨面を１０００倍の光学顕微鏡を用いて、８５．６×６１．２μｍの重ならない視野範囲を、任意に５０視野（０．２６２ｍｍ2）を観察し、その数を数え、１ｍｍ2当りの密度に換算した。凡そ直径０．５μｍ以上の析出物は、カウントすることが可能である。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が５０μｍ、パッド材質はＡｌ−１％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、チップ表面温度は１５０℃とした。ファースト接合の圧着径を４０μｍに設定し、ループ長１．５ｍｍで実施した。ボンディングは大気中で行い、チップ表面温度は１５０℃とした。
ボンディング特性の評価は、ファースト接合性としてシェア強度と圧着ボール不良率を測定した。圧着ボール不良の基準として、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、圧着外周が凹形状になったもの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。本発明では、ボール不良率が２０％以下のものを、接合性が特に良好とした。また、ファースト接合性を示す指標として、ボンディング後の接合強度が９８ｍＮ以上のものを、接合性が特に良好とした。
セカンド接合性として、接合荷重、超音波強さ、接合時間をそれぞれと１９６ｍＮ、６００ｍＷ、１５ｍｓに固定した時の、セカンドの不着（スティッチオフ）が生じる接合速さの値で評価した。評価したボンダーの場合、接合時のツール（キャピラリ）先端の速さ（μｍ／ｍｓ）はＣ／Ｖ値と呼ばれ、セカンド接合性の良い金線ほど低い値、即ち、低衝撃で接合可能である。本発明では、Ｃ／Ｖ値が５．０以下でボンディング可能なものを、セカンド接合性が特に良好とした。
Figure 0005311715
プラセオジウム単独の場合、０．００３６質量％以上の添加で、破断強度２４０ＭＰａが得られた。また、析出物の生成も認められなかった。プラセオジウム単独でも比較的良好なボンディングが可能であったが、ベリリウム又はアルミニウムを添加することによって、特にファーストシェア強度が増加し、圧着径の真円性が改善した。特に、ベリリウムの効果が大きかった。しかし、ベリリウムを０．００１０質量％添加したワイヤでは、セカンド接合性が劣化した。
アルミニウムを添加した場合は、セカンド接合性の劣化は認められなかった。アルミニウムとベリリウムを組み合わせることによって、ファースト、セカンド接合性のバランスの取れたボンディング特性が得られた。
プラセオジウムの添加量をこれより減らした場合、設定伸びが４．５質量％時の破断強度が２４０ＭＰａを超えるためには、カルシウム又は他の希土類元素の添加が必要であった。単独で用いるより、カルシウムと希土類元素を複合添加した方が、低い添加量で高い強度が得られた。特に、プラセオジウム、カルシウム、ネオジウムの組み合わせが良好であった。一方、本発明の対象となっていないツリウム、イッテルビウム、イットリウムを使用した場合、多くの添加量が必要であり、その結果、シェア強度、圧着形状等のファースト接合性が悪化した。
また、ランタン、ユーロピウムを本発明の規定量以上添加した金線では、金線内に析出物の生成が認められた。この析出物の殆どは粒状であったが、この析出物は多少の延性を有し、伸線加工によって金線長手方向に伸ばされ、ワイヤの径方向に１μｍ、長手方向に１０μｍ程度の大きさのものも存在した。この金線では、異種の希土類元素を添加した他の金線に比較して、接合性が若干悪く、またループ形状も安定していなかった。
プラセオジウムに希土類を添加し複合添加とした場合も、ベリリウム、アルミニウムの添加によって、ボールの真円性が増し、またシェア強度が増加し、ファースト接合性が向上した。アルミニウムは、添加量当りの上記効果はベリリウムほどではないが、セカンド接合性の劣化は認められなかった。アルミニウムとベリリウムを組み合わせることによって、ファースト、セカンド接合性のバランスの取れたボンディング特性が得られた。特に、ベリリウムが０．０００９質量％以下の時、良好な結果が得られた。
また、ボール直上部に生じたネックダメージを観察したところ、ネオジウムを０．００１質量％以上添加した２種類の金線のネックダメージは、数・程度とも小さかった。
（実施例５）
各種添加元素を組み合わせて、ボンディングワイヤとしては、破断伸びが４．５％で引張強度２８０ＭＰａを超える高強度金線を作製した。原料、製造方法、最終線径は、実施例１及び２と同じである。表４に、成分値（分析値）と破断伸びが３％、４．５％、６％の時の強度、析出物生成の有無、ボンディング特性を示した。ボンディング特性は、破断伸び４．５％に調整したボンディングワイヤを用いて試験した。析出物、ボンディング特性の評価は、実施例４と同じである。また、ボンディング条件も実施例４と同じである。
結果を表４に示した。
Figure 0005311715
プラセオジウム単独の場合、０．００４３質量％の添加で、破断強度２７９ＭＰａが得られた。若干の析出物の生成が認められたが、ボンディング特性への影響は認められなかった。また、カルシウムも０．００４８質量％の添加で２８０ＭＰａを超える強度が得られた。これも析出物の生成は認められなかった。しかし、ボンディング特性を比較すると、カルシウムを単独で添加した材料では、ボール不良確率が大きかった。プラセオジウムの場合、０．００４３質量％の添加で０．００６０原子％であるのに対して、カルシウムの場合、０．００４８質量％の添加で０．０２３６原子％の添加となる。後者の場合、高濃度で酸化し易い金属を添加したため、ボンディング時に溶融ボールを形成した時の酸化が激しく、健全なボンディングができなかったものと考えられる。
プラセオジウムに加えて、カルシウム、ランタン、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムを複合添加した場合は、良好な結果が得られた。特に接合性は、単独の元素を添加するよりも良好であった。
高強度金線では、特に、強度と接合性を両立させるために、適度な量のベリリウムもしくはアルミニウムの添加が必要である。ただし、セカンド接合性の観点から、ベリリウムは０．０００９質量％以下にした方が望ましい。
プラセオジウムを除いて、破断伸びが４．５％の時の強度が３００ＭＰａを超える金線を製造することは可能であったが、接合性との両立が困難であった。特に、プラセオジウム以外の希土類元素を単独で用い、その添加量が０．００３質量％を超える場合、接合性が劣化した。プラセオジウムを添加することによって、他の元素の添加量が少なくて済み、接合性の優れた高強度金線が製造することが可能であることが判った。
また、ボール直上部に生じたネックダメージを観察したところ、ネオジウムを０．００１質量％以上添加した８種類の金線のネックダメージは、数・程度とも小さく、プラセオジウムと複合添加した７種類の金線では特に優れていた。
（実施例６）
９９．９９９８質量％の金と、これに０．００２質量％〜０．０２質量％までのプラセオジウム、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、サマリウム、ユーロピウム、ツリウム、イッテルビウム、イットリウムを添加して、ボンディングワイヤ用金素材について添加量当りの強度と単相化の容易さを比較した。実施例１とは異なり、溶解方法を一方向凝固法の一つであるゾーンメルト法でインゴットを製造した。
純度９９．９９９８質量％以上の原料金に上記の元素を０．００２質量％〜０．０２質量％添加して、直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのインゴットを鋳造した。冷却は自然冷却で、１１００℃〜５００℃までの平均冷却速さは毎分約５０℃であった。
鋳造後、成分を分析して、ケイ素、鉛、リチウム、ナトリウムが０．００１４質量％以下、添加元素以外のカルシウムと希土類元素が０．０００２質量％以下であることを確認した。
鋳造したインゴットを溝型圧延機を用いて約６ｍｍ角に圧延し、その後ダイヤモンドダイスを用いた引抜加工により４ｍｍまで減面した後、４００℃で３０分の焼鈍を行い、その後再び伸線加工にて１８μｍまで伸線を行った。焼鈍線径から最終線径までの減面率は９８％以上である。引抜加工におけるダイス１パス当りの各回減面率は約１０％であるが、一部の組成のものについては断線が発生した。断線を生じたものは、インゴット全てを最終線径まで伸線するまでの断線回数をカウントした。
その後、ワイヤの断面を研磨して、長径０．５μｍ以上の析出物の密度を測定した。その結果を断線回数と共に、表５に示す。
Figure 0005311715
表５の結果から示されるとおり、添加濃度が高い場合、プラセオジウム、ネオジウム、ランタン、ユーロピウムで、析出物を一方向凝固法で造塊した場合、析出物が生成する濃度が自由凝固に比較して高くなることが判った。０．５μｍ以上の析出が１０個／ｍｍ2超の密度で存在する場合、１８μｍの細線まで伸線したときの断線が複数となった。以上のことから、一方向凝固法で製造する場合であっても、プラセオジウム、ネオジウムの上限値は０．０２質量％以下、ランタン、ユーロピウムの上限値は０．００３質量％以下であることが望ましい。
（実施例７）
各種添加元素を組み合わせて、ボンディングワイヤとしては、破断伸びが４．０％で引張強度３２０ＭＰａ程度の高強度金線を作製した。ベリリウムとアルミニウムは、実施例３〜５の結果から、それぞれ、０．０００３〜０．０００６質量％、０．０００２〜０．０００４質量％とした。
製造方法及び最終線径は、実施例６と同じである。表６に成分値（分析値）と破断伸びが３％、４％、８％のときの強度、析出物生成の有無を示した。引張強度は、設定伸び値が大きくなるほど小さくなる。これは、最終熱処理工程における温度が高く、回復・再結晶が進むためである。通常、ボンディングワイヤの設定伸び値は、その用途によるが３〜８％である。本実施例では、破断伸びを８％にした場合でも２１０ＭＰａ以上の強度が得られるように、成分値を設定した。
表６には、破断伸びを４％に調整して作製したボンディングワイヤを用いて評価したファースト接合の圧着ボールのボール形状評価結果を示した。
析出物の評価は、ワイヤの長さ方向の断面研磨面を１０００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、実施例４と同様にして、析出物の数を数え、１ｍｍ2当りの密度に換算した。凡そ長径０．５μｍ以上の析出物は、カウントすることが可能である。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が５０μｍ、パッド材質はＡｌ−１％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、大気中で行い、チップ表面温度は１５０℃とした。ファースト接合の圧着径を３６μｍに設定し、ループ長１．５ｍｍで実施した。
ボンディング特性の評価は、ファースト接合性としてシェア強度と圧着ボール不良率を測定した。圧着ボール不良の基準として、ファースト接合物の超音波印加方向の圧着径とその直角方向の圧着径を測定し、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、圧着外周が凹形状になったもの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。
断線回数は、インゴットすべてを最終線径まで伸線するまでの断線した回数である。
Figure 0005311715
プラセオジウムに、カルシウム、セリウム、ネオジウム、ユーロピウム、サマリウムから選ばれた１種の元素を組み合わせた場合、プラセオジウムを単独で用いた場合と同等ないしそれ以上の強度が得られた。強度は、プラセオジウムの濃度が高いものが一般的に高く、２元素中のプラセオジウムの質量比が１５％以上の場合、特に、強度、ボール形状の点で優れたボンディングワイヤが製造できた。特に、析出物を形成し易いランタンやユーロピウムと組み合わせる場合、析出物が形成し易くなる０．００３質量％以上添加すると、ボール形状が悪化することが判った。ただし、ランタンの場合は、０．００１質量％以下の添加量でプラセオジウムと組み合わせる場合、強度、圧着形状共に優れたワイヤが得られる。
（実施例８）
実施例７の結果、強度と圧着形状が優れたワイヤにインジウムを添加し、その効果を調べた。ボンディングワイヤの作製方法は、最終線径を２０μｍとした以外は、実施例７と同じとした。ワイヤ強度は、破断伸びを３％、４％、８％のときの値を使用した。ボンディング試験に使用するボンディングワイヤの設定伸びは４％とした。
ボンディング試験は、パッドピッチ間隔が５０μｍ、パッド材質はＡｌ−０．５％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、大気中で行い、チップ表面温度は１５０℃とした。ファースト接合の圧着径を３９μｍに設定し、ループ長５．０ｍｍで実施した。キャピラリは、マイクロスイス社の４８４ＦＦ−２８６２−Ｒ３３を使用した。
評価項目は、ファーストシェア強度、圧着不良率、圧着径ばらつきとした。圧着径ばらつきは、５０個の圧着ボールについて、超音波印加方向と直角方向の直径を測定し、それらの標準偏差の大きい値で比較した。表７にその結果を示す。
Figure 0005311715
各ワイヤ共に、ファーストシェア強度、圧着不良率は、十分良好な値が得られた。圧着径のばらつきは、インジウムの添加量が０．０００３質量％以上、０．００５質量％以下の範囲で、圧着径のばらつきの小さい結果となった。

Claims (10)

  1. プラセオジウムの含有量が０．００３４質量％以上０．００5質量％以下の範囲であり、さらに、０．０００２質量％以上０．０００９質量％以下のベリリウム、０．０００４質量％以上０．００４質量％以下のアルミニウムの少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする半導体素子接続用金線。
  2. プラセオジウムの含有量が０．０００４質量％以上０．００３８質量％以下の範囲であり、さらに、０．０００６質量％以上０．００５質量％以下のカルシウム、０．０００４質量％以上０．００１５質量％以下のセリウム、０．０００５質量％以上０．００３３質量％以下のネオジウム、０．０００４質量％以上０．００３３質量％以下のサマリウム、０．０００４質量％以上０．０００８質量％以下のランタン、０．０００４質量％以上０．００２質量％以下のユーロピウムの少なくとも１種類以上を含有し、さらに、０．０００２質量％以上０．０００９質量％以下のベリリウム、０．０００５質量％以上０．００３質量％以下のアルミニウムの少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする半導体素子接続用金線。
  3. 金線内の任意の断面において、長径０．５μｍ以上の第二相の密度が１０個／ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子接続用金線。
  4. プラセオジウムの含有量が、質量比でカルシウムと希土類元素（但し、請求項２で規定するもの。）の総含有量の１５％以上である請求項２に記載の半導体素子接続用金線。
  5. プラセオジウム、セリウム、ネオジウム、サマリウム、ランタン、ユーロピウム以外の希土類元素の含有量が０．０００５質量％以下である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  6. ０．０００３質量％以上０．００６質量％以下のインジウムを含有する請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  7. 不可避的不純物として、ケイ素、鉛、リチウム、ナトリウムが０．００１４質量％以下である請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  8. 破断強度が２１０ＭＰａ以上である請求項１〜７のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  9. 鋳造状態のインゴットからの断面減少率が９８％以上である請求項１〜８のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
  10. 前記インゴットが一方向凝固法で得られたインゴットである請求項９に記載の半導体素子接続用金線。
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