JP5339101B2 - バンプ用ワイヤ - Google Patents

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Description

この発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ等の集積回路における半導体素子の電極上に、バンプを形成するためのバンプ用ワイヤに関するものである。
半導体素子（チップ）の電極と外部端子を接続する場合、金線やその他の金属線で配線するワイヤボールボンディング法が一般的である（特許文献１ 段落０００３〜０００５、図１参照）。
しかし、近年、半導体の小型化、薄型化、高性能化及び高信頼性の要求の高まる中、半導体チップの多ピン化及びこれに伴うファインピッチ化の傾向にあり、その傾向においても、接合の長期信頼性が要求される。このとき、上記ワイヤボールボンディング法の場合、ファインピッチ対応からワイヤのループ高さやボール径などの制約があり、半導体チップとして要求されるファインピッチ化による小型化に十分対応できない、という欠点がある。
一方、半導体チップの電極上や外部電極上にバンプと呼ばれる突起状の金属電極を形成し、その金属電極を介して半導体素子電極と外部電極を接続する方法がある。
このバンプによる接続は、まず、図１（ａ）のように、キャピラリー１から導出されたワイヤＷ先端を放電棒ｇでもって高電圧を掛けて放電し（スパークし）、溶融ボール２を形成した後、同図（ｂ）のように、ＩＣチップ（半導体チップ）３の電極４に溶融ボール２を圧接する。この圧接によって電極４上に溶融ボール２を接合した後、さらに同図（ｃ）のように、キャピラリー１及びワイヤＷを上方に引き上げることにより、ワイヤＷを切断すると共に電極４上にバンプ５を形成する。この後、同図（ｄ）のように、ＩＣチップ３の電極４と基板７等の外部電極８をバンプ５及び半田６を介して接続する。
そのバンプ用ワイヤとして、高純度Ａｕ（金）に、Ｐｄ（パラジウム）を０．２〜５．０重量％、Ｂｉ（ビスマス）を１〜１００重量ｐｐｍ、Ｃａ（カルシウム）を３〜２５０重量ｐｐｍそれぞれ含有させて、上記ワイヤ切断時のテイル長さを安定して短くするとともに、接合強度を高めたものがある（特許文献２ 請求項２）。
また，高純度Ａｕに、Ｐｄを１〜４０ｗｔ（重量）％含有させると共に、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）等の希土類元素の中から少なくとも１種を０．０００１〜０．０５ｗｔ％含有し、さらにＢｅ（ベリリウム）、Ｃａ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｇ（銀）の中から１種以上を０．０００１〜０．０５ｗｔ％含有させて溶解鋳造し、次に溝ロール加工を施し、その途中で焼なまし処理を施した後に線引加工し、更に十分な応力除去を行って線径２５μｍ母線からなるものがある（特許文献３ 要約、段落０００１参照）。
特開平１０−０９８０６２号公報 特開平０９−３２１０７６号公報 特開平０６−１１２２５５号公報
上記バンプ接続において、図１（ａ）の溶融ボール２を形成した際、図２（ａ）に示すように、その溶融ボール２からワイヤＷには再結晶領域２ａ（同図において、溶融ボール２からワイヤＷの破線までの領域）が生じ、図１（ｃ）のワイヤＷの切断時にはその再結晶領域２ａでもってワイヤＷは切断される。このため、この再結晶領域２ａが長いと、図２（ｂ）に示す、ワイヤ切断後のバンプ高さＬが安定せず、均一なバンプ５を形成することができない。また、ワイヤＷの先端（図１（ｃ）における下端）と放電棒ｇとの距離が安定しないため、スパークエラーによるマシンストップが発生し、作業性が悪くなるといった不具合が発生する。
この発明は、以上の実状の下、バンプ５の形状安定化を図るワイヤＷを提供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、バンプ形成のための線径１０〜５０μｍのバンプ用ワイヤＷであって、Ｐｄを０．２〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上を総和４０〜１２０重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有した構成を採用したものである。
Ｐｄの添加は溶融ボール２作製時の再結晶領域が短くなり、バンプ高さＬが短く安定化し、バンプ５の形状が安定するとともに、ワイヤＷの先端と放電棒ｇとの距離が安定するため、スパークエラーによるマシンストップが発生することなく連続でバンプ形成が可能となる。その含有量（添加量）は０．２〜１．５重量％とし、０．２重量％未満であると、前記効果が望めず、１．５重量％を超えると、溶融ボールが硬くなり過ぎて、接合時に十分な接合面積が得られず、また、Ａｕ−Ａｌ間で合金層の生成が不十分となるため、接合性が低下する。この低下を招くことなく安定して接合するためには高温、高荷重、高超音波出力で接合する必要があるが、それらを行うと、半導体素子の損傷等の不具合が発生する。さらに、ワイヤ自体の電気抵抗が増加するという問題点もある。好ましくは、０．５〜１．３重量％とする。
Ｐｄのみによるバンプ高さＬの短縮であると、そのバンプ高さを所要長さにするために、Ｐｄの添加量が多くなって、上記接合性の低下、半導体素子の損傷、ワイヤ自体の電気抵抗の増加等の不具合が発生するが、これらのＣｅ、Ｎｄ、Ｃａの微量添加元素を、Ｐｄと併用して添加することにより、それらの障害が生じることなく、ワイヤＷの耐熱性が高くなって、スパーク時のエネルギーで生じる再結晶領域が短くなる。このため、所要の短いバンプ高さＬを得ることができて、バンプ５の形状が安定する。
これらの効果を得るために、このＣｅ、Ｎｄ、Ｃａの含有量（添加量）は少なくとも１種以上を総和４０〜１２０重量ｐｐｍとする。４０重量ｐｐｍ未満では、バンプ高さＬが長くなる等の前記効果が望めず、１２０重量ｐｐｍを超えると、溶融ボール２の形状がいびつになったり、溶融ボール２やワイヤ表面に添加元素が析出して酸化膜となることにより接合性が低下する、また溶融ボール２が硬過ぎて半導体素子の損傷が発生する、さらに圧着ボール（バンプ）５の形状が安定しない等の問題が生じる。好ましくは総和５０〜１００重量ｐｐｍとする。
このワイヤＷの線径は１０〜５０μｍとする。５０μｍ以下としたのは、溶融ボール２をより小さくできるからであり、１０μｍ以上としたのは、１０μｍ未満ではオペレータがワイヤＷをキャピラリー１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Ｗに十分な張力をかけることができなくなり、ワイヤ切断や制御が困難になるからである。
なお、特許文献２記載技術は、高純度Ａｕに、Ｐｄ、Ｃａを添加したバンプ用ワイヤであるが、Ｂｉを添加しており、この発明とは異なる組成のワイヤである。
また、特許文献３段落０００８第１〜５行には、希土類元素を添加すると、溶融ボール形成時の再結晶領域２ａを短くできる旨の記載があるが、この再結晶領域２ａを短くできることによる作用効果は「ボンディングの際のループ高さが低くなる。」（同段落第４〜５行）点であって、この発明のバンプ５のバンプ高さＬを短く、かつ安定化するためではない。
この発明は、以上のように、Ｐｄを適量含有し、さらにＣａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上を適量含有したワイヤとしたので、バンプ高さＬが短く安定化し、バンプ５の形状が安定するとともに、ワイヤＷの先端と放電棒ｇとの距離が安定するため、スパークエラーによるマシンストップが発生することなく連続でバンプ形成が可能となる。
バンプ接続法の説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はその途中図 （ａ）は図１（ａ）の要部拡大図、（ｂ）は図１（ｃ）の要部拡大図 （ａ）は実施形態に係わるバンプの平面図、（ｂ）は比較例のバンプの平面図
「実施例」
金純度が９９．９９重量％以上の高純度金を用いて、表１に示す化学成分の金合金を鋳造し、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２５μｍの金合金線とし、窒素雰囲気中４００〜６００℃で焼鈍した。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。そのバンプ用ワイヤＷとして、実施例１〜２８、比較例１〜４を得た。
Figure 0005339101
この各実施例及び各比較例に対し、下記の試験を行い、その結果を表２に示す。
『試験方法』
［接合条件］：
接合には市販のボンダーを使用し、溶融ボール（直径５０μm）２を作製し（図１（ａ）参照）、ステージ温度１５０℃にて、アルミニウム電極４にバンプ５を形成した（図１（ｂ）、（ｃ）参照）。
「圧着ボール（バンプ５）形状」：
上記接合条件で形成したバンプ５の形状を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。観察は１００個について行い、圧着ボール５が、図３（ａ）に示すように、平面視の外形が円形のもの全てなら「○」、同（ｂ）に示すように、平面視の外形が一箇所でも突出した変形のものが１〜５つであれば「△」、同５つを超えておれば「×」とした。
「接合性」：
上記接合条件で接合したサンプルをボンドテスター２４００（ｄａｇｅ社製）にてバンプ５の電極４との接合部のシェア強度を３０個測定し、平均化した。測定値から単位面積当たりのシェア強度を計算した。
その単位面積当たりのシェア強度が９８ＭＰａ以上なら「○」、８８ＭＰａ以上９８ＭＰａ未満なら「△」、８８ＭＰａ未満なら「×」とした。
「連続バンプ性」：
接合には市販のボンダーを使用し、溶融ボール（直径５０μm）２を作製し、ステージ温度１５０℃にて、銀メッキ処理した４２アロイ（鉄−ニッケル合金）のフレーム上にバンプ５を形成した。１０００回以上に亘って所要の高さ、例えば、５５μｍ以下のバンプ高さＬを得たものを「○」とした。バンプ高さＬが高くなり過ぎて、スパークエラーによるマシンストップが発生した場合は、溶融ボール２の直径を５５μｍにしてバンプ５の形成を行い、１０００回以上に亘って所要の高さのバンプ高さＬを得たものを「△」、バンプ高さＬが高くなり過ぎて、スパークエラーによるマシンストップが発生した場合を「×」とした。
「総合評価」：
各評価で全て「○」のものを「◎」、「△」が一つで他全て「○」のものを「○」、「×」が無く「△」が二つ以上あるものを「△」、「×」が一つでもあるものを「×」とした。
なお、この評価において、「◎」のものは勿論のこと、「×」以外の「○」又は「△」のものは、半導体素子の種類により接合条件に制約がない場合等の使用条件によれば、この発明の作用効果を発揮して使用し得る。
Figure 0005339101
この表１、２の比較例３、４から、Ｐｄ含有量が０．２〜１．５重量％を外れると、接合性において不都合が生じて総合評価が「×」となり、比較例１、２から、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも1種以上の総含有量が４０〜１２０重量ｐｐｍを外れると、圧着ボール形状、又は連続バンプ性において不都合が生じて総合評価が「×」となっている。
これに対し、各実施例１〜２８は、いずれも、Ｐｄを０．２〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上を総和４０〜１２０重量ｐｐｍ含有したものであることから、総合評価において、「◎」「○」又は「△」を得ており、この発明の作用効果が得られることが理解できる。
すなわち、実施例１〜９、１３、２１〜２３から、Ｐｄを０．５〜１．３重量％、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上の総和を５０〜１００重量ｐｐｍにすると、総合評価において「◎」であり、優れた配合割合のワイヤＷであることが理解できる。
一方、実施例１０〜１２、２５〜２８から、Ｐｄが０．５〜１．３重量％であれば、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上の総和が５０〜１００重量ｐｐｍを外れて４０〜１２０重量ｐｐｍ内であれば、「圧着ボール形状」又は「連続バンプ性」のみにおいて「△」となって、総合評価において、「○」となっている。
また、実施例１４〜１６、２４から、Ｐｄが０．５〜１．３重量％を外れて０．２〜１．５重量％内であって、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上の総和が５０〜１００重量ｐｐｍであれば、「接合性」においてのみ「△」となって、総合評価において、「○」となっている。
さらに、実施例１７〜２０から、Ｐｄが０．５〜１．３重量％を外れて０．２〜１．５重量％内、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄのうち少なくとも１種以上の総和が５０〜１００重量ｐｐｍから外れて４０〜１２０重量ｐｐｍ内であれば、「圧着ボール形状」、「接合性」又は「連続バンプ性」の何れか二つにおいてのみ「△」となり、総合評価において、「△」となっている。
以上から、これらの配合割合のワイヤＷ（実施例１０〜１２、１４〜２０、２４〜２８）は、半導体素子の種類により接合条件に制約がない場合等の使用条件によれば、この発明の作用効果が得られることが理解できる。
Ｗ バンプ用ワイヤ
２ 溶融ボール
３ ＩＣチップ（半導体チップ）
４、８ 電極
５ バンプ（圧着ボール）

Claims (4)

  1. バンプ形成のための線径１０〜５０μｍのバンプ用ワイヤ（Ｗ）であって、Ｐｄを０．２〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄの全てを含有してその総和４０〜１２０重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、バンプ高さ（Ｌ)を短くすることを特徴とするバンプ用ワイヤ。
  2. バンプ形成のための線径１０〜５０μｍのバンプ用ワイヤ（Ｗ）であって、Ｐｄを０．５〜１．３重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄの全てを含有してその総和５０〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、バンプ高さ（Ｌ）を短くすることを特徴とするバンプ用ワイヤ。
  3. バンプ形成のための線径１０〜５０μｍのバンプ用ワイヤ（Ｗ）であって、Ｐｄを０．５〜１．３重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄの全てを含有してその総和４０〜１２０重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、バンプ高さ（Ｌ)を短くすることを特徴とするバンプ用ワイヤ。
  4. バンプ形成のための線径１０〜５０μｍのバンプ用ワイヤ（Ｗ）であって、Ｐｄを０．２〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｃｅ、Ｎｄの全てを含有してその総和５０〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、バンプ高さ（Ｌ）を短くすることを特徴とするバンプ用ワイヤ。
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