JPH0713273B2 - 半導体素子用ボンディング線およびその製造方法 - Google Patents

半導体素子用ボンディング線およびその製造方法

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JPH0713273B2 JP60244725A JP24472585A JPH0713273B2 JP H0713273 B2 JPH0713273 B2 JP H0713273B2 JP 60244725 A JP60244725 A JP 60244725A JP 24472585 A JP24472585 A JP 24472585A JP H0713273 B2 JPH0713273 B2 JP H0713273B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、トランジスター、IC、LSIなどの半導体素子
上の電極と外部リードとの間を接続するボンディング線
に関し、特に高純度銅から成る半導体素子用ボンディン
グ線およびその製造方法に関する。
（従来技術） 従来、ケイ素半導体素子上の電極と外部リードとの間を
接続するボンディング線としては高純度（99.99wt％）
の金細線やアルミ合金（Al−１％Si）細線が使用されて
いる。しかしながら接続の信頼性および工程上の問題か
ら金細線が多量に使用されている。ところが近年、自動
ボンダーの高速化に伴ない高純度の金細線では接続時に
受ける加熱と張力不足のため、高速化に対応し得ないこ
とが明らかになり、その解決策として接続時に形成させ
る金ボールの真円形状および金ボールの硬さを損わない
程度に、純金に微量の添加元素を加えて耐熱性と破断強
度を向上させた金合金細線が実用に供されている。
（発明が解決しようとする問題点） ケイ素半導体素子の電極に金細線を接続する方法は、通
常金細線をキャピラリーに通し、キャピラリーから突出
する一定長の金細線の先端を水素炎又は電気トーチによ
り溶融させて金ボールを形成し、この金ボールを150〜4
00℃の加熱状態に置かれているケイ素半導体の電極部に
キャピラリーで押しつぶして釘状の頭部にし、ケイ素半
導体の電極と外部リードとを接続する熱圧着法および調
音波接続法又はこれらの組合わせ方法によって行われ
る。
このように、ケイ素半導体の電極と外部リードとの接続
に、金細線又は金合金細線が使用される理由は、確実な
接続の信頼性があるためである。すなわち、 （１）金ボールの形成が真円形状になること （２）形成された金ボールの硬さが適切であって、接合
時の圧力によってケイ素半導体を損傷しないこと （３）キャピラリーからの金細線および金合金細線の繰
出しが円滑で閉塞せず、高速自動化接続に対応し、常に
一定のループ形状の接続ができること である。
しかしながら、金細線および金合金細線は極めて高価で
あり、一方ケイ素半導体素子も大量生産化に入り、価格
の低減が余儀されるに至って、金細線と同一特性をも
ち、且つ破断強度がすぐれた安価な代替金属材料の出現
への強い要望がある。
本発明はかかる問題を解決することを目的とするもの
で、金細線や金合金細線と同様な信頼性にすぐれた接続
ができ、併せてコストメリットを格段に向上できる半導
体素子用ボンディング線とその製造方法を提供すること
にある。
（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、上述の問題点を解決するために鋭意検討
を行なった結果、第１発明については銅純度が99.999重
量％以上で、硫黄含有量が0.00002〜0.0005重量％の高
純度銅を用いることにより、金細線に代る半導体素子用
ボンディング線が得られ、第２発明については銅細線の
最終線径を200〜15μｍφとした後、その銅細線を連続
焼鈍して軟質に調質する方法によって破断強度のすぐ
れ、且つ安定したボンディング特性を有する半導体素子
用ボンディング線とするものである。
ここにおいて、上記の銅純度が99.999重量％以上の高純
度銅は、再電解法又は／およびゾーンメルテング法によ
って精製されたものを使用する。
次に、第１発明について詳細に説明する。
銅純度が99.999重量％以上の高純度銅を用いて最終線径
を25μｍφの銅細線とし、その先端を加熱溶融して銅ボ
ールを形成させたところ、真円形状を示すものの、銅ボ
ールの硬さにおいて異なるものがあることを観察した。
この原因を種々に検討した結果、硫黄含有量が0.0005重
量％を上回るときは、銅ボールの硬さが好ましくないた
め、接続時に半導体素子を損傷することを見出して本発
明を完成させたものである。併せて硫黄含有量が0.0000
2重量％を下回ると、銅の精製におけるコストメリット
がなくなるため、好ましくない。
更に、第２発明について説明すると、銅純度が99.999重
量％以上で硫黄含有量が0.00002〜0.0005重量％の高純
度銅を用いて最終線径を25μｍφの銅細線の硬質のもの
とすると、時間の経過と共に機械的特性である破断強度
が低下する、いわゆる自己軟化を惹起することを把握し
た。このように硬質の高純度銅に特徴的な銅細線の自己
軟化現象が起ると、破断強度の異なる品質のものをボン
ディング線として使用することになり、自動ボンダーの
高速化に対する銅細線の破断強度が不足してトラブルを
生じると共に、接合のループ形状が好ましいものとなら
ない。そこでこの原因を種々検討した結果、銅純度が9
9.999重量％以上の高純度銅を使用する場合に、自己軟
化を惹起することを見出し、その対策として最終線径の
硬質の銅細線に線引した後、不活性ガス雰囲気で連続焼
鈍することにより、軟質に調質すれば自己軟化を停止さ
せると共に、安定した高い破断強度を有する銅細線とす
ることができ本発明を完成させたものである。
（実施例） 実施例１ 以下、第１発明の実施例と比較例および純金細線の従来
例によって本発明を更に詳細に説明する。
第１表に示す化学成分の高純度銅を真空溶解鋳造し、そ
の鋳塊を圧延した後、常温で伸線加工を行ない、最終線
径を25μｍφの銅細線とし、不活性ガス雰囲気で連続焼
鈍（温度250〜500℃、線速10〜100m/分）して銅細線を
軟質に調質する。
勿論、バッチ焼鈍を施してもよい。得られた銅細線と25
μｍφの純金細線の従来例とについて、それぞれ常温引
張特性、ボンディング特性および導電率を測定した結果
を第２表に示す。
常温引張特性は引張試験によってその破断荷重を測定
し、ボンディング特性におけるボールの形状、ボールの
硬さ、ループ形状などの判定は、公知のボンディングマ
シンを使用して不活性のアルゴンガス雰囲気のもと、電
気トーチ放電によって得たボールを走査電子顕微鏡（×
500倍）で観察して行ない、ボールの硬さはケイ素半導
体素子上の電極と外部リードとの圧着接続を行なった
後、半導体素子の損傷の有無により判定し、ループ形成
はケイ素半導体と外部リードとに形成されたループ形状
の良否によつて判定し、更に接合強度はループの中央に
フックをかけてその破断荷重を測定することにより行な
った。
結果からわかるように、実施例No.1およびNo.2は、ボー
ルの形状、ボールの硬さ、ループの形状とも従来例No.6
（純金細線）と同一の挙動を示し、又、常温の引張特性
とボンディング特性の接合強度においては従来例No.6よ
りすぐれていることがわかる。
比較例No.3は銅純度が99.999重量％以上であっても、硫
黄含有量が0.0005重量％を上回るため、ボンディング特
性は好ましくない。つまり、ボール硬さが好ましくな
く、ループ形状が不良で、接合不可となり、好ましくな
い。
又、比較例No.4は硫黄含有量が0.0005重量％以下である
が、銅純度が99.999重量％未満であるため、銅ボールの
形状が非真円形状となり、且つ銅ボールの硬さも好まし
くないので正常な接続ができないものとなる。つまり、
隣合う線がショートして、好ましくない。比較例No.5は
銅純度が99.999重量％未満で、硫黄含有量も0.0005重量
％を上回るため、比較例No.4と同様なボンディング特性
を示すので好ましくない。
実施例２ 以下、第２発明の実施例について説明する。
第１表の実施例No.1に示す化学成分の高純度銅を真空溶
解鋳造し、その鋳塊を圧延した後、常温で伸線加工を行
ない、最終線径を25μｍφの銅細線とし、不活性ガス雰
囲気で連続焼鈍（温度250〜500℃、線速10〜100m/分）
したものと、連続焼鈍しないものを調整し、破断荷重と
経時変化の関係を求めた結果を第１図に示す。結果から
わかるように、連続焼鈍したもの（Ａ）は経時変化に対
して一定の破断荷重を示すが、連続焼鈍しないもの
（Ｂ）は、室温放置１ヶ月後に初期破断荷重の40％以下
に低下する、いわゆる自己軟化を惹起し、純金細線の破
断荷重に近似する。このように、自己軟化する銅細線を
公知のボンディングマシンを使用してボンディング特性
を調査した結果、破断荷重の低下したものは、自動ボン
ダーの高速化に支障を生じると共に、接続のループの形
状が好ましいものとならない。ケイ素半導体では極めて
高い品質の信頼性が要求されるから自己軟化を惹起する
銅細線では使用に併せられないことがわかった。
従って、焼鈍処理する製造方法によって軟質に調質した
銅細線とするのが好ましい。
又、最終線径を200μｍφから15μｍφ範囲の硬質銅細
線の使用においても前記と同様に自己軟化を惹起するの
で、連続焼鈍をして軟質の銅細線とするのがよい。
（発明の効果） 本発明に係る半導体素子用ボンディング線は、ボンディ
ング特性、すなわち、ボールの形状、ボールの硬さ、ル
ープの形状において現状の純金細線と同一の挙動を示
し、純金細線と比べて価格が安価であり、且つその製造
方法において安定した品質のものが提供でき、又純金細
線と比べて同一線径で破断荷重のすぐれたものが得られ
るので、実用性が多大であり、産業上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る高純度銅を用いて最終線径を25μ
ｍφの銅細線とし、連続焼鈍したものとしないものとの
経時変化における破断荷重の関係図である。 A:連続焼鈍した銅細線 B:連続焼鈍しない銅細線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 栄一 大阪府東大阪市岩田町２丁目３番１号 タ ツタ電線株式会社内 (72)発明者 岡本 晴道 埼玉県戸田市新曽南３丁目17番35号 日本 鉱業株式会社総合研究所内 (72)発明者 緒方 俊 埼玉県戸田市新曽南３丁目17番35号 日本 鉱業株式会社総合研究所内 (72)発明者 松末 則道 埼玉県戸田市新曽南３丁目17番35号 日本 鉱業株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−124959（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】銅純度が99.999重量％以上で、硫黄含有量
    が0.0005〜0.00002重量％範囲の高純度銅から成ること
    を特徴とする半導体素子用ボンディング線
  2. 【請求項２】銅純度が99.999重量％以上で、硫黄含有量
    が0.0005〜0.00002重量％範囲の高純度銅を溶解鋳造
    し、その鋳塊を圧延した後、常温で伸線加工を行ない最
    終線径を200〜15μｍφの銅細線とし、連続焼鈍又は、
    バッチ焼鈍を施して銅細線の自己軟化を防止することを
    特徴とする半導体素子用ボンディング線の製造方法。
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