JPH09272930A - バンプ用金合金細線および金合金バンプ - Google Patents

バンプ用金合金細線および金合金バンプ

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JPH09272930A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、半導体素子の接続に用いら
れるスタッドバンプ形成に用いられる、高信頼性を有す
る金合金バンプおよび金合金細線を提供することにあ
る。 【解決手段】 バンプ高さを低減させるために、Siの
含有を主体とし、さらに高さばらつきの低減、接合性の
向上のための微量元素を添加することを特徴とする金合
金バンプおよびバンプ用金合金細線。接合信頼性の向上
のために、Mnを0.005〜0.8重量%の範囲で含
有すること、さらに併用添加として、(b)Cu,P
d,Ptの少なくとも1種(第一群)を総計で0.00
5〜5重量%、(c)In,Sc,Ga,Alを総計で
0.0005〜0.05重量%、(d)Ca,Be,L
a,Ce,Yを総計で0.0002〜0.03重量%の
範囲で含有することを特徴とする金合金バンプおよびバ
ンプ用金合金細線。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上の電
極と外部リードを接続するためのバンプ(金属突起)を
形成するために使用される金バンプ用金合金細線および
これを用いて形成されるスタッドバンプに関する。
【0002】
【従来の技術】現在半導体素子上の電極と外部リードと
の間の接合としてはワイヤボンディング方式が主として
使用されている。最近、ICチップの小型化、薄型化の
要求に対し、ワイヤ方式では限界が指摘されており、ワ
イヤレスボンディング方式の採用が進んでいる。
【0003】TAB(Tape Automated Bonding)方式で
は、ポリイミド樹脂テープとその上に接着した銅箔回路
により形成され、TABのリード部とICチップの電極
部との接合は、バンプと呼ばれる金属突起物を介して接
合される。このバンプとしては、LSIチップの電極部
にメッキ法により形成した金バンプが主に用いられてい
る。メッキのために電極部上にバリヤ層の形成などを要
するなど、バンプ形成工程が煩雑で高コストであること
に加えて、バンプ形成したウエハの入手が困難であるな
どの問題が指摘されている。
【0004】また他のワイヤレス方式であるフリップチ
ップ方式では、LSIチップをフェースダウンで回路基
板に接続するため、接続エリアがLSIチップの面積で
すみ、実装の高密度化に適した方法であるが、この方法
においても、電極部ではバンプを介した接続が主流であ
る。
【0005】ワイヤ方式において信頼性が確認されてい
る金合金細線によってバンプを形成するスタッドバンプ
方式が提案されており、概略を図1に示している。これ
は、通常のワイヤボンディングと同様に、キャピラリ3
の穴に通した金線1の先端に放電によりボールを形成
し、このボールをキャピラリを介してチップ7上の電極
パッド6に超音波併用の熱圧着法により接合した後に、
キャピラリの上昇時にクランパでワイヤを挟んで強制的
にネック部4で破断することにより、バンプ5を形成す
るものである。このスタッドバンプ法の利点としては、
実績のあるワイヤ方式を基本としており、高速性に優れ
ており、製造コストも安価であること、さらに現有プロ
セスで稼働しているボンディング装置で対応が可能であ
ることなどが挙げられる。
【0006】電極との接続に用いられるバンプにおいて
は、LSIチップと接続基板の間隔および接合強度に及
ぼす影響が大きいことから、バンプ高さを一定に保つこ
とは重要である。特にワイヤによるバンプ形成において
は、バンプ直上の破断部高さを如何に低くするかが課題
となる。しかし従来のワイヤボンディングに使用されて
いる金合金細線を用いると、接合したボール部の直上の
ワイヤ破断長さが長く、さらに破断箇所も定まらないこ
とから高さのばらつきも大きいことが問題となる。バン
プ高さの低い良好なスタッド金合金バンプを形成するた
めのスタッドバンプ用の金合金細線に関連しては、例え
ば特願平7−66591号などに記載されている。
【0007】最近、半導体素子が使用される環境条件が
ますます厳しくなっており、例えば自動車のエンジンル
ーム内で使用される半導体素子では高温あるいは高湿の
環境で使用される場合がある。また半導体素子の高密度
実装により使用時に発生する熱が無視できなくなってい
る。金細線を用いた場合、高温環境下におけるアルミ電
極との接合部の長期信頼性の低下などが問題視されてい
る。
【0008】コスト、生産性などの理由から、信頼性の
高いセラミックスパッケージよりも、安価な樹脂封止に
よる半導体装置が所望されている。スタッドバンプによ
り接合される半導体装置においても、実装形態として樹
脂封止での使用が増えてきている。バンプと電極との接
合部に加わる外部ストレスなどはボンディングワイヤと
比較しても問題となり、また高密度実装への対応として
接合部が微小することに伴い、発熱による接合部の経時
変化も懸念されるため、接合信頼性の観点からの厳しい
管理が必要となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、スタ
ッドバンプにおいては接合信頼性の課題がより問題とな
る可能性が高いにも拘わらず、破断長さの低減を目的と
した従来の金細線の場合の素材選定が主であり、接合信
頼性の向上という観点からの材料開発はほとんど行われ
ていなかった。従来の金細線では、半導体素子上のアル
ミ電極との長期信頼性の低下が問題視される。電極部材
であるアルミと金が相互拡散して金属間化合物の生成や
ボイドの発生による接合部で剥離や電気的導通不良など
が生じるためである。
【0010】本発明者等が、金合金細線とアルミ電極と
の接合部の信頼性に関して検討した結果、樹脂封止され
た接合部における金属間化合物層の腐食が信頼性に及ぼ
す影響が大きいことが確認された。接合界面近傍に成長
した金とアルミの金属間化合物が封止樹脂中に含有する
ハロゲン成分と反応することにより接合部の電気抵抗が
増加し、腐食が顕著な場合は電気的導通不良などが生じ
る。本発明は、樹脂封止された状態でのアルミ電極との
接合部において高い接合信頼性を有する金バンプおよ
び、その金スタッドバンプを容易に作製することができ
る金合金細線を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者等は前述した観
点から、高温下での接合信頼性を向上させ、ネック部の
破断箇所を短く抑えられるスタッドバンプ形成に好適な
金合金細線を開発すべく研究を行った結果、 (a)Mnを0.005〜0.8重量%の範囲で添加さ
せることで、樹脂封止した接合部において長期信頼性が
向上していることを見出した。さらに、Mnの適量添加
では、バンプの破断長さを低減にも効果がある。また、
Mn元素の単独添加でなく、さらに下記の第一群、第二
群、第三群の元素を共存せしめることにより、以下の知
見を見出した。 (b)Cu,Pd,Pt(第一群)の少なくとも1種を
総計で0.005〜5重量%の範囲での添加は、Mn添
加と併用することにより、金属間化合物層の成長を抑制
する効果が高まり、接合信頼性が高まるものである。 (c)In,Sc,Ga,Al(第二群)の少なくとも
1種を総計で0.0005〜0.05重量%の範囲での
添加は、Mn添加の併用することにより、金合金細線を
アルミニウム電極上への接合性を高める効果が得られる
ことを確認した。 (d)Ca,Be,La,Ce,Y(第三群)の少なく
とも1種を総計で0.0002〜0.03重量%の範囲
での添加は、Mn添加と併用することにより、ボール形
成時の熱影響による再結晶領域を短く抑えることによ
り、ネック部の破断長さを安定して短く抑えられること
を確認した。
【0012】すなわち、本発明は、上記知見に基づくも
のであって、金合金細線および、その金合金細線を用い
て、アルミニウムまたはアルミニウム合金の電極部の上
に接合して樹脂封止されている半導体装置として、以下
の構成を要旨とする。 (1)Mnの少なくとも1種を0.005〜0.8重量
%の範囲で含有し、残部を金の不可避不純物からなる金
合金バンプおよびバンプ用金合金細線。 (2)上記(1)の成分に、Cu,Pd,Ptの少なく
とも1種を総計で0.005〜5重量%の範囲で含有し
た金合金バンプおよびバンプ用金合金細線。 (3)上記(1)の成分に、In,Sc,Ga,Alの
少なくとも1種を総計で0.0005〜0.05重量%
の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細
線。 (4)上記(1)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合
金細線。 (5)上記(2)の成分に、In,Sc,Ga,Alの
少なくとも1種を総計で0.0005〜0.05重量%
の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合金細
線。 (6)上記(2)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合
金細線。 (7)上記(3)の成分に、Ca,Be,La,Ce,
Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重
量%の範囲で含有した金合金バンプおよびバンプ用金合
金細線。
【0013】
【発明の実施の態様】以下に、金合金バンプおよび、バ
ンプ作製に用いる金合金細線に関する本発明の構成につ
いてさらに説明する。本発明で使用する高純度金とは、
純度が少なくとも99.995重量%以上の金を含有
し、残部を不可避不純物からなるものである。
【0014】金ワイヤ接合部が高温環境に曝されると、
接合界面において金とアルミの相互拡散に伴い数種の金
属間化合物が成長し、この金/アルミニウム化合物の中
で特定の化合物相(Au4 Al相)が封止樹脂中のハロ
ゲン元素と容易に反応して、接合部における電気抵抗を
増加させる原因となる。
【0015】金中にMnを添加すると、Mn元素が金中
を拡散によりAu/Al界面近傍に濃化偏析して腐食さ
れる化合物相の成長を抑制するものであり、高温放置し
た接合部の電気抵抗の上昇を抑制する。Mnの含有量を
0.005〜0.8重量%と定めたのは、Mnの含有量
が0.005重量%未満では接合部における金属間化合
物の腐食を抑制する効果が小さく、一方0.8重量%を
超えるとワイヤ先端に形成したボール部表面に酸化膜が
形成されたと思われる、接合直後の接合強度の低下が認
められるという理由に基づくものである。
【0016】さらにスタッドバンプとしての使用性能を
より高めることに重点を置いたとき、好ましくは、Mn
の含有量が0.02〜0.8重量%の範囲内であること
がより望ましい。これは、0.02重量%以上では、ネ
ック部における再結晶抑制する効果があるため、破断長
さの低減効果が高められているためである。
【0017】Mnの添加に加えて、Cu,Pd,Pt
(第一群)の少なくとも1種を総計で0.005〜5重
量%の範囲で含有することにより、金/アルミニウムの
化合物層全体の成長速度を抑制する効果が高まることが
判明した。Cu,Pd,Ptのみの添加でも成長速度を
遅くする効果はあるものの、化合物相(Au4 Al相)
の成長を積極的に抑えることは困難である。Mnの添加
と併用することにより、腐食反応の抑制効果が高まるも
のである。第一元素群の含有量を上記範囲と定めたの
は、0.005重量%未満では接合部における信頼性向
上の効果が小さく、一方5重量%を超えるとボール部の
硬度および強度が高くなるため、接合時にアルミニウム
電極の直下のシリコン基板にクラックなどの損傷を与え
るという理由に基づくものである。
【0018】また、Mnの添加に加えて、In,Sc,
Ga,Al(第二群)の少なくとも1種を総計で0.0
005〜0.05重量%の範囲で添加は、金合金細線と
アルミニウム電極との連続接合性を高めることが判明し
た。前述した接合時の損傷を懸念して、接合荷重または
超音波振動を低く設定すると、接合直後に十分な強度を
確保することが難しくなるが、第二元素群をMnの添加
と併用することにより、連続接合時の不良発生はなく、
接合強度を高めることができるものである。詳細な機構
については判明していないが、初期の化合物成長の促進
または、接合性の低下をもたらす可能性のあるワイヤ表
面でのMnの酸化の抑制などが考えられる。第二元素群
の含有量を上記範囲と定めたのは、0.0005重量%
未満では接合性を高める効果が小さく、一方0.05重
量%を超えると、かえって接合強度の低下をもたらすと
いう理由に基づくものである。
【0019】バンプ作製の破断長さを支配している要因
として、ボール形成時の熱影響を受けた再結晶領域の長
さが重要である。高純度金の細線ではネック部の熱影響
部長さが長いため、ワイヤ破断長さのばらつきの原因と
なることが懸念される。これには、Ca,Be,La,
Ce,Y(第三群)の少なくとも1種を総計で0.00
02〜0.03重量%の範囲で含有させることにより、
ネック部の破断長さを安定して短く抑えられる。熱影響
端の部位では第三元素群の添加によりその再結晶を抑制
することにより、強度低減した部位をボール部近傍のみ
に限定させ、常にボール部直上での破断を助長して、破
断残り長さを低減する。ここで含有量を上記範囲とした
のは、0.0002重量%未満ではネック部破断の促進
効果が小さく、一方0.03重量%を超えると、ボール
部の真球度が低下するため、半導体素子上の電極間距離
の短ピッチ化に対応するために好ましい小径ボールの作
製が困難となるという理由に基づくものである。熱影響
の端部では第三元素群により再結晶の粒生成を抑制する
効果が高く、第三元素群とSi添加の両者の相乗効果に
より、ネック部破断を促進している。
【0020】Mnの添加および、第一、二元素群の共存
により、接合後で且つ樹脂封止しない状態で半導体装置
が高温維持されたときに、接合強度が顕著に上昇し、半
導体装置の高温保管における信頼性の向上効果が高める
ことができる。これは、Ag,Mnの単独添加の場合の
接合部では、化合物層が厚く成長したときに化合物層と
金細線の界面近傍に小さなボイド(空隙)が観察された
が、さらに第一、二元素群の併用添加させることにより
それらの欠陥の発生も抑えられていることが原因である
と思われる。
【0021】またMn添加および、第一、三元素群の共
存により、伸線加工による金細線の作製において、伸線
強度が上昇することが判明しており、極細線の作製が容
易となり、狭ピッチなどの高密度実装に対応した微小バ
ンプの形成に好適である。従来の金合金細線においても
線径が20μm以下の極細を作製すると、伸線時に強度
不足により断線が発生する確率が増える。Mn添加では
強度の上昇はあまり望めず、第一元素群を添加すると強
度はある程度増加することは判ったが、さらに第三元素
群も併用添加することにより、著しく破断強度が増加す
ることが確認された。また生産性への効用としては、伸
線工程での高速化においての断線の低減にも有効である
ことが挙げられる。
【0022】さらにMn,Cu添加および、第二、三元
素群の共存により、接合直後の接合強度の増加が促進さ
れ、実用面では接合時の加熱温度の低温化もはかること
が可能となる。これは、第三元素群の添加による細線の
強度の適度の上昇が、接合時にアルミニウム電極上の酸
化膜の破壊を促進するように作用して、上述した第二元
素群の接合性の向上効果をより一層高めていると推察さ
れる。
【0023】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が約
99.995重量%以上の電解金を用いて、表1および
表2に示す化学成分の金合金を溶解炉で溶解鋳造し、そ
の鋳塊を圧延および伸線により、最終線径が25μmの
金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して伸びを調
整した。ワイヤボンディングに使用される高速自動ボン
ダーを使用して、アーク放電によりワイヤ先端に作製し
た金合金ボールを走査型電子顕微鏡で観察し、ボール形
状が異常なもの、ボール先端部において収縮孔の発生が
認められるもの等半導体素子上の電極に良好な接合がで
きないものを△印で示した。さらにボール接合部の損傷
に関しては、王水などを使用して金細線およびアルミニ
ウム電極などを溶解し、接合部直下のシリコン基板の表
面におけるクラックなどの損傷を走査型電子顕微鏡で観
察した。50本以上の電極部を観察し、クラックなどの
損傷が2カ所以上認められるものを×印にて示した。ボ
ール形成が良好であり、且つ基板への損傷が認められな
いものを○印にて評価した。
【0024】バンプ形成としては、高速自動ボンダーに
より、前述の金ボールをシリコンチップ上に配線してい
る膜厚の1μmの高純度アルミ電極膜上に超音波併用熱
圧着法により接合した後に、上方でワイヤを強制的に引
張ることにより、ワイヤをネック部で破断させることに
より作製した。そのネック部における破断部長さを、1
00個のバンプについて測定したバンプ高さで評価し
た。
【0025】バンプの接合強度については、アルミ電極
の3μm上方で冶具を平行移動させて剪断破断を読みと
るシェアテスト法で測定し、50本の破断荷重の平均値
を測定した。さらに、バンプ接合後の半導体装置を樹脂
封止しない状態で、窒素ガス中において200度で20
0時間加熱処理した後に、50本のシェアテストの平均
値により接合強度の変化を評価した。
【0026】伸線工程における破断程度は、所定成分に
調整した金合金の鋳塊2kgを、線径500μmから最終
線経20μmの金合金細線に到るまで伸線する工程にお
いて、断線回数を調査し、0回のものを◎で、1〜5回
を○、5回を超えるものを△で示した。
【0027】金ボールをアルミニウム電極に接合した半
導体装置を樹脂封止しない状態で、窒素ガス中において
200度で200時間加熱処理した後に、50本のシェ
アテストの平均値により接合強度の変化を評価した。さ
らに、同一の熱処理を施した半導体装置を用いて、ボー
ル接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、接合界面に
成長した金とアルミニウムの金属間化合物層中を観察し
た。ボイドなどの欠陥が接合界面全体に認められる場合
は△印で、ボイドが局所的にのみ発生している場合を○
印で、観察されない場合を◎印で表記した。
【0028】接合部における腐食調査としては、金細線
を接合した半導体装置をエポキシ樹脂で封止した後に、
窒素ガス中において200度で300時間加熱処理した
後に、ボール接合部の中心を通る断面まで垂直研磨し、
接合界面に成長した金とアルミニウムの金属間化合物層
の腐食を観察した。金属間化合物層は灰色を呈し、腐食
が進行した化合物層は褐色になり容易に識別可能である
ことを利用して、ボール接合部における金属間化合物の
腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行として
は、ボール接合部の研磨断面において腐食領域長さ
(b)が金属間化合物層成長の長さ(a)に占める割合
で評価したものであり、腐食部が占める割合(a/b)
を30個のボール接合部で平均した値が、5%以下では
腐食の抑制が顕著であると判断して◎印、40%以上で
腐食が顕著なものは△印、その中間である5%〜40%
のものは○印で表記した。
【0029】表1において、実施例1〜4は本発明の第
1請求項記載に係わるものであり、実施例5〜9は第2
項、実施例10〜14は第3項、実施例15〜19は第
4請求項、実施例20〜24は第5、実施例25〜29
は第6項、実施例30〜34は第7請求項記載に係わる
金合金細線の結果である。表2は比較例である。
【0030】本発明に係わるMn添加では、比較例1,
3,4などと比較すると接合部の腐食が明らかに抑えら
れていた。Mn含有に加えて、第一元素群のCu,P
d,Ptの併用している実施例5〜9では化合物層の腐
食がほとんど認められず、信頼性がさらに向上してお
り、また、第一元素群と第二元素群が共存している実施
例20〜24では、腐食の抑制に加えてボイドの発生も
抑えられていることが判明した。しかし、Mn濃度が
0.8重量%以上含まれている比較例2,5,10など
では、ボール部先端での引け巣の発生およびシェア強度
の低下していること、また比較例6,7ではCu,P
d,Ptの含有量が5重量%以上であり、ボール接合時
のシリコン基板への損傷が認められた。
【0031】Mn含有に加えて、第二元素群のIn,S
c,Ga,Si,Alを適量含有する実施例10〜14
では、接合直後のシェア強度が50gf以上が確保されて
いること、さらに、第二元素群と第三元素群が共存して
いる実施例30〜34では、両者とも含有しない場合と
比較して、シェア強度が20gf程度増加していることが
確認された。
【0032】Mn含有に加えて、第三元素群のCa,B
e,La,Ce,Yを併用した実施例15〜19ではバ
ンプ高さが60μm以下の低い値に抑えられていること
が判明した。さらに第一元素群と第三元素群が共存して
いる実施例25〜29では、20μm径の細線までの伸
線工程において断線が認められず、生産性が向上するこ
とが可能であることが確認できた。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】
【0036】
【表4】
【0037】
【表5】
【0038】
【表6】
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる金
バンプ合金細線を使用して、アルミニウム電極部との接
合部において高い長期信頼性を有するバンプを容易に形
成することが可能である、半導体の高密度実装に適した
ワイヤレスボンディングに対応する金バンプ用金合金細
線を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】スタッドバンプ形成法についての説明図であ
る。
【符号の説明】
1 金合金細線 2 クランパ 3 キャピラリ 4 ネック部(ワイヤ破断部位) 5 バンプ 6 アルミ電極 7 シリコンチップ 8 ネック部長さ 9 バンプ高さ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Mnを0.005〜0.8重量%の範囲
    で含有し、残部を金および不可避不純物からなることを
    特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
  2. 【請求項2】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びCu,Pd,Ptの少なくとも1種を総計で0.00
    5〜5重量%の範囲で含有し、残部を金および不可避不
    純物からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用
    金合金細線。
  3. 【請求項3】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びIn,Sc,Ga,Alの少なくとも1種を総計で
    0.0005〜0.05重量%の範囲で含有し、残部を
    金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性
    に優れたバンプ用金合金細線。
  4. 【請求項4】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びCa,Be,La,Ce,Yの少なくとも1種を総計
    で0.0002〜0.03重量%の範囲で含有し、残部
    を金および不可避不純物からなることを特徴とする耐食
    性に優れたバンプ用金合金細線。
  5. 【請求項5】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びCu,Pd,Ptの少なくとも1種を総計で0.00
    5〜5重量%、さらにIn,Sc,Gaの少なくとも1
    種を総計で0.0005〜0.05重量%の範囲で含有
    し、残部を金および不可避不純物からなることを特徴と
    する耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
  6. 【請求項6】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びCu,Pd,Ptの少なくとも1種を総計で0.00
    5〜5重量%、さらにCa,Be,La,Ce,Yの少
    なくとも1種を総計で0.0002〜0.03重量%の
    範囲で含有し、残部を金および不可避不純物からなるこ
    とを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合金細線。
  7. 【請求項7】 Mnを0.005〜0.8重量%、およ
    びIn,Sc,Gaの少なくとも1種を総計で0.00
    05〜0.05重量%、さらにCa,Be,La,C
    e,Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.0
    3重量%の範囲で含有し、残部を金および不可避不純物
    からなることを特徴とする耐食性に優れたバンプ用金合
    金細線。
  8. 【請求項8】 請求項1,2,3,4,5,6或いは7
    の何れかに記載の金合金細線を用いて形成したことを特
    徴とする金合金バンプ。
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