JPH0828383B2 - ボンディングワイヤ - Google Patents

ボンディングワイヤ

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JPH0828383B2
JPH0828383B2 JP5196686A JP19668693A JPH0828383B2 JP H0828383 B2 JPH0828383 B2 JP H0828383B2 JP 5196686 A JP5196686 A JP 5196686A JP 19668693 A JP19668693 A JP 19668693A JP H0828383 B2 JPH0828383 B2 JP H0828383B2
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JP
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bonding wire
bonding
ball
wire
wtppm
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道雄 佐藤
功 鈴木
和弘 山森
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ボンディングワイヤに
関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、トランジスタ，ＩＣ（集積回
路），ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体装置として
は、例えば樹脂封止型ＩＣとしては図１の概略断面図に
示す構造のものが知られている。ダイフレーム１の上に
半導体チップであるペレット２をダイボンディングし、
このペレット２のアルミニウム（Ａｌ）電極とリードフ
レーム３とをボンディングワイヤ４で電気的接続した
後、これらを樹脂５でモールディングすることによって
形成される。
【０００３】前記ボンディングワイヤとしては、熱圧着
法あるいは超音波併用熱圧着法によりボンディングする
線径20〜100 μｍの金（Ａｕ），超音波法によりボンデ
ィングする線径25〜50μｍのＡｌ合金（例えばＡｌ−１
％Ｓｉ，Ａｌ−１％Ｍｇ）と、線径 100〜500 μｍの高
純度Ａｌ（ 99.99％以上）などが用いられている。
【０００４】現在、Ａｕボンディングワイヤは普及タイ
プのＩＣやＬＳＩ用に、Ａｌ系ボンディングワイヤはサ
ーディプ型またはパワートランジスタ用にと使い分けら
れている。
【０００５】近年、集積度の増加に伴う多ピン化の傾向
により、Ａｕボンディングワイヤのコストを無視するこ
とができなくなってきている。そのため、ボンディング
ワイヤを高価なＡｕから比較的安価なＣｕに変更するこ
とが検討されている。
【０００６】また、ＣｕはＡｕに比べ材料コストが大幅
に低減する他に、導電率が高く細線化が可能であり、さ
らにＡｌ電極との金属間化合物が生成しにくく、接合部
の高温強度が優れているなどの特徴を有している。
【０００７】Ｃｕボンディングワイヤを用いたボンディ
ングは、アルゴン，窒素，水素などの還元ガス雰囲気中
で、電気トーチによる放電あるいは酸水素炎による加熱
によりＣｕボンディングワイヤを先端部を溶融してボー
ルを形成し、このボールをＡｌ電極にキャピラリで超音
波を印加しながら接合する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】Ｃｕボンディングワイ
ヤのボンディング時、Ｃｕボールの表面が侵入空気によ
って酸化し、さらに形成されたボールがＡｕあるいはＡ
ｌのボールに比較し硬度が高いために、半導体チップの
損傷あるいはボンディング強度不足による剥離などが発
生する場合があった。
【０００９】そこで、Ｃｕの硬度を高くしているＳ，
Ｏ，Ｓｅ，Ｔｅ等の不純物元素を低減した高純度のＣｕ
ボンディングワイヤ（ 99.99％以上）を用いて上述の欠
点を解消する試みがなされているが、良好な結果は得ら
れていなかった。
【００１０】またＣｕボンディングワイヤによって配線
されたトランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩは、一般に経済性や
量産性の点で優れている樹脂封止（例えばエポキシ樹
脂，シリコン樹脂等）して使用される。
【００１１】しかしながら、樹脂封止型素子はボンディ
ングワイヤが直接樹脂に包まれた状態になっているため
に、半導体素子の動作中の発熱によってボンディングワ
イヤには引張応力が加わる。これは、モールド樹脂（例
えばエポキシ樹脂：22〜30×10-6／℃）とボンディング
ワイヤ（Ｃｕ：17×10-6／℃）およびリードフレーム
（42合金： 4.5×10-6／℃）の熱膨張係数が大きく異な
るためで、半導体素子の動作中の発熱によって高温雰囲
気になると相互間の熱膨張差によってボンディングワイ
ヤには引張応力が作用する。
【００１２】このような動作中の発熱冷却により生じる
繰返し引張応力が長時間にわたってボンディングワイヤ
である高純度Ｃｕに作用すると、Ａｌ電極上に接合した
Ｃｕボール直上部の結晶粒界からクラックが発生してク
リープ破断する。また、Ａｌ電極との接合部にはせん断
応力が作用し、接合界面からボンディングワイヤが剥離
し、配線のオープン不良を引き起こすことことがある。
【００１３】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、クリープ強さが良好で、かつボンデ
ィング性の優れたＣｕボンディングワイヤを提供するこ
とを目的とする。
【００１４】
【問題点を解決するための手段と作用】本発明者らは、
高純度Ｃｕボンディングワイヤの問題点に関して鋭意検
討を重ねた結果、Ｃｕボンディングワイヤのクリープに
よる結晶粒界破断は、再結晶に伴う高温強度の低下が大
きな要因である事、またＣｕボールの硬化原因の一つは
ボール形成時にＣｕボール中に侵入する空気中の酸素に
よって酸化銅（Ｃｕ2 Ｏ）が形成されるためである事を
見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】すなわち、本発明のボンディングワイヤ
は、 wtppmで、Ｉｎ，Ｂ，Ｂｉ，ＧｅおよびＳｉから選
ばれた１種または２種以上の元素を20〜360ppm、さらに
Ａｓ，Ｚｎ，Ｋ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＣａおよびＴｌから選ば
れた１種または２種以上の元素を10〜650ppm、またはＳ
ｂ，Ｐ，Ｌｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，およびＣｄから選ばれた１
種または２種以上の元素を25〜250ppm含有し、残部実質
的にＣｕからなることを特徴とするものである。
【００１６】以下に、本発明で規定する各元素の効果と
含有量の限定理由について説明する。
【００１７】まず、Ｉｎ，Ｂ，Ｂｉ，ＧｅおよびＳｉ
は、微量の添加で転位の回復と再結晶時の粒界移動を遅
らせて再結晶温度を高め、Ｃｕボンディングワイヤの粒
界破断を防止する効果を発揮する元素である。あまりそ
の量が少ないと効果を発揮せず、逆にあまりその量が多
いとＣｕ中に固溶あるいは析出して著しく強度が増大
し、Ｃｕボールが硬化して半導体チップに損傷を与え、
かつ接合強度が低下してＣｕボールが剥離しやすくな
る。したがって、その含有量は20〜360wtppmとした。好
ましくは30〜250wtppm、さらに好ましくは50〜150wtppm
である。
【００１８】また、Ａｓ，Ｚｎ，Ｋ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃａ
およびＴｌは、Ｃｕボール形成時にＣｕ中から気化して
Ｃｕボール中への酸素侵入を阻止し、Ｃｕボール硬化を
防止する効果を発揮する元素である。あまりその量が少
ないと効果を発揮せず、逆にあまりその量が多いとＣｕ
ボール中に未反応の元素が残存し、Ｃｕボール硬度を高
め、Ｃｕボール変形能が低下する。したがって、その含
有量は10〜650wtppmとした。好ましくは20〜500wtppm、
さらに好ましくは30〜300wtppmである。
【００１９】また、Ｓｂ，Ｐ，Ｌｉ，Ｓｎ，Ｐｂおよび
Ｃｄは、Ｃｕボール形成時の侵入酸素と反応して酸化物
を生成し、これがＣｕボール中から蒸発するため、Ｃｕ
ボールを軟化する効果を発揮する元素である。あまりそ
の量が少ないと効果を発揮せず、逆にあまりその量が多
いとＣｕボール中に未反応の元素が残存し、Ｃｕボール
硬度を高め、Ｃｕボール変形能が低下する。したがっ
て、その含有量は25〜250wtppmとした。好ましくは35〜
200wtppm、さらに好ましくは50〜150wtppmである。
【００２０】上記Ａｓ，Ｚｎ，Ｋ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃａお
よびＴｌの各元素、またはＳｂ，Ｐ，Ｌｉ，Ｓｎ，Ｐｂ
およびＣｄの各元素は、それぞれの群の元素の含有で本
発明の目的を達成することはできるが、それらの両方の
群の元素を各々含有しても良い。
【００２１】さらに本発明においては、ボンディング性
を改善するために、Ｃｕ中に不純物として含有している
ＳおよびＯ量を減少させることが有効である。図２はオ
ージェ電子分光装置（ＡＥＳ）でＣｕボール表面から深
さ方向のＳおよびＯの分布状態を測定した結果である。
Ｃｕ中のＳおよびＯは、図２のＣｕボール表面からの不
純物分布曲線図に示すように、形成されたＣｕボール表
面に濃化偏析するため、ボンディング性の劣化を招く。
このため、それらの量はＳ≦１wtppm ，Ｏ≦２wtppm で
あることが好ましい。
【００２２】上記、本発明のボンディングワイヤの製造
方法の一例としては、例えば、ゾーンメルティング法に
よって得た純度99.999wt％以上の高純度Ｃｕを素材とし
て、真空溶解により各含有元素を添加したインゴットを
作製する。そして、前記インゴットを冷間引抜加工など
の各種加工および焼鈍を繰返して、意図するボンディン
グワイヤを得る。
【００２３】
【実施例】以下、具体的な実施例に基づいて本発明を説
明する。
【００２４】まず、ゾーンメルティング法によって得た
純度99.999wt％以上の高純度Ｃｕを素材として、表１に
示すように、純度99.9wt％以上の各種元素を添加した直
径20mmのインゴットを真空溶解により作製した。この直
径20mmの各インゴットを面削し、さらに直径１mmまで冷
間引抜加工後、 400℃で１時間焼鈍し、さらに冷間引抜
加工により直径25μｍの線材とした。次に線材を 300℃
で等温焼鈍を行い、試料とした。
【００２５】
【表１】 得られた試料を用い、アルゴンと水素の混合還元ガス雰
囲気中で電気アークによりボールを形成し、半導体チッ
プ上のＡｌ電極と、Ａｇメッキを施したリードフレーム
にボンディングを行った。
【００２６】そして、ボンディングワイヤとＡｌ電極部
との接合強度をプッシュ・テストで測定した。また、ボ
ンディングワイヤを剥離したＡｌ電極面を塩酸でエッチ
ングし、半導体チップ損傷の有無を光学顕微鏡により調
査した。これらの結果を表２に示す。
【００２７】また、配線した半導体素子を樹脂封止し、
高温放置試験（ 200℃×500hr ）と温度サイクル試験
（ -65℃×30min →25℃×５min → 200℃×30min を 1
00サイクル実施）を行った。その結果を併せて表２に示
す。
【００２８】
【表２】 上記表２より明らかなように、本発明の実施例は比較例
に比べ接合強度が高く、しかもチップ損傷は発生してお
らず、またワイヤ剥離さらにワイヤ断線は認められず、
優れたボンディング性およびクリープ強さを有している
ことが確認された。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、クリープ強さが良好
で、かつボンディング性の優れたＣｕボンディングワイ
ヤを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】樹脂封止型ＩＣを示す概略断面図である。
【図２】Ｃｕボール表面からの不純物分布曲線図であ
る。
【符号の説明】
１ ダイフレーム ２ ペレット ３ リードフレーム ４ ボンディングワイヤ ５ 樹脂

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 wtppmで、Ｉｎ，Ｂ，Ｂｉ，Ｇｅおよび
    Ｓｉから選ばれた１種または２種以上の元素を20〜360p
    pm、さらにＡｓ，Ｚｎ，Ｋ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＣａおよびＴ
    ｌから選ばれた１種または２種以上の元素を10〜650pp
    m、またはＳｂ，Ｐ，Ｌｉ，Ｓｎ，ＰｂおよびＣｄから
    選ばれた１種または２種以上の元素を25〜250ppm含有
    し、残部実質的にＣｕからなることを特徴とするボンデ
    ィングワイヤ。
  2. 【請求項２】 さらに wtppmで、Ｓ≦１ppm ，Ｏ≦２pp
    m であることを特徴とする請求項１に記載のボンディン
    グワイヤ。
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