JPH09272931A - 半導体素子用金合金細線 - Google Patents
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- H01L2924/20752—Diameter ranges larger or equal to 20 microns less than 30 microns
Abstract
つ、アルミニウム電極との接合において高い接合信頼性
を有する、材料費の安価な金合金細線を提供することに
ある。 【解決手段】 Agを10〜60重量%、且つMnを
0.005〜0.8重量%の範囲で含有することを特徴
とする金合金細線。さらに上記と併用して、(b)C
u,Pd,Ptの少なくとも1種を総計で0.005〜
5%重量%、または(c)In,Sc,Ga,Si,A
lを総計で0.0005〜0.05重量%、または
(d)Ca,Be,La,Ce,Yを総計で0.000
2〜0.03重量%の範囲で含有する金合金細線。
Description
極と外部リードを接続するために利用される接合部信頼
性に優れた金合金細線に関するものである。
の間を接合するボンディング線としては、金合金細線が
主として使用されている。すなわち、金細線はその先端
をアーク放電によりボールに形成し、このボールを半導
体素子のアルミニウム電極上に圧着接合した後に、さら
に細線を外部リード側に超音波を用いて接続する。トラ
ンジスタやICなどの半導体装置として使用するために
は、前記の金合金細線によるボンディングの後に、Si
チップ、ボンディングワイヤ、およびSiチップが取り
付けられた部分のリードフレームを、これらを保護する
目的で樹脂封止する。
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。耐熱性が要求される環境条件で使用される半導体素
子においては、従来、ボンディングワイヤとしてはアル
ミニウム細線を使用し、セラミックスパッケージによる
気密封止した半導体装置が利用されている。
半導体素子においては、従来、ボンディングワイヤとし
てはアルミ合金細線を使用し、セラミックスパッケージ
した半導体素子が利用されていた。アルミ合金細線で
は、半導体素子上の電極との接合部において同種金属の
接合により、高信頼性が得られる利点がある。しかし、
コスト、生産性などの理由から、アルミ合金細線の使用
は特定の半導体素子に限定されており、今後とも高速
性、生産性、作業性などに優れている、金合金細線によ
るボンディング方式が主流であると考えられる。
品の差別化としては性能の向上は言うまでもないが、コ
スト低減も開発戦略として重要な課題である。半導体装
置に使用される材料においても安価なものが要求されて
おり、ボンディングワイヤでは金が使用されていること
から、安価なCu,Agワイヤなどの代替材料としての
可能性が検討された経緯はあるが、ボンディング性、接
合性、信頼性などの総合的評価により、従来通り金細線
が主流となっている。そこで、低コスト化を主目的とし
た細線化が検討されているが、強度不足、操作性などの
課題が多く残されているのが現状であり、安価な半導体
素子用の細線材料の開発が望まれている。
き、先ず貴金属系として銀、白金、パラジウムなどの元
素が想定される。金細線への銀元素の添加に関連して、
例えば特開昭55−158642号公報、特開昭56−
19628号公報および特開昭56−19629号公報
などが開示されている。一方、金細線とアルミ電極との
接合において、高温環境における高い接合信頼性を有す
る安価な金合金細線の開発も望まれている。
金合金細線の使用時の課題として、アルミニウム電極と
の接合部の信頼性の低下が認められた。これは、高温保
管されると接合強度が低下するものであり、条件次第で
は接合部での剥離にまでいたることが判明した。通常の
金合金細線でもアルミニウム電極との接合信頼性が懸念
されてはいるが、加熱しただけでの接合強度がゼロにな
るまでなることはなく、銀含有の金合金細線の実用化に
おいては、接合信頼性の課題を解決することが不可欠で
ある。本発明は、高濃度の銀を含有して、且つ、アルミ
ニウム電極との接合において高い接合信頼性を有する、
材料費の安価な金合金細線を提供することを目的として
いる。
線の材料費を低減することを主眼として高濃度添加の可
能性を検討した結果、銀の含有が有効であることが判明
した。これは、銀は数十%まで含有してもボール生成性
にはほとんど悪影響を及ぼさず、大気中でも良好なボー
ルが得られること、また、ボール部の硬度は増加するも
のの他の添加元素と比較しても、接合時のチップへのダ
メージを誘発するような硬度の上昇はないためである。
0〜60重量%の範囲で含有する金合金細線において、
ボール形成性およびループ形状などの良好な特性を有す
ることを確認した。しかし、前述した接合信頼性の低下
が観察されたため、さらに高温下での接合信頼性を向上
させるべく研究を行った結果、金中の銀濃度が増加する
と、接合部に生成する金属間化合物相の種類が高純度金
の場合とは異なることが判明した。そこで、この化合物
の成長挙動を制御することを目的として、金合金細線へ
の添加元素の影響を調査した結果、 (a)銀の含有と併用して、Mnを0.005〜0.8
重量%の範囲で含有させることで、加熱後に接合強度を
低下することを抑制する効果があることを見出した。ま
た、さらに接合性およびボンディング性などに関して研
究を進めた結果、銀とMn元素の添加に加えて、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よりなる第一群の元素のうちの
少なくとも1種を総計で0.005〜5重量%の範囲で
の添加は、Ag,Mn添加と併用することにより、金属
間化合物の成長を抑制する効果が高まり、接合信頼性が
より一層向上する。 (c)In,Sc,Ga,Si,Alよりなる第二群の
元素のうちの少なくとも1種を総計で0.0005〜
0.05重量%の範囲での添加は、Ag,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。 (d)Ca,Be,La,Ce,Yよりなる第三群の元
素のうち少なくとも1種を総計で0.0002〜0.0
3重量%の範囲での添加は、Ag,Mnの添加と併用す
ることにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高
め、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まるこ
とを認識した。
であって高い接合信頼性を実現する、銀を含有する金合
金細線として、以下の構成を要旨とする。 (1)重量でAgを10〜60%、Mnを0.005〜
0.8%の範囲で含有し、残部を金の不可避的不純物か
らなる半導体素子用金合金細線。 (2)上記(1)の成分に、さらにCu,Pd,Ptの
少なくとも1種を総計で0.005〜5%の範囲で含有
した金合金細線。 (3)上記(1)の成分に、さらにIn,Sc,Ga,
Si,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細線。 (4)上記(1)の成分に、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%の範囲で含有した金合金細線。 (5)上記(2)の成分に、In,Sc,Ga,Si,
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細線。 (7) 上記(3)の成分に、Ca,Be,La,C
e,Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜0.0
3%の範囲で含有した金合金細線。
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、残部を不可避的不純物からなるものであ
る。金中の銀の添加は、伸線時の加工強度は上昇させる
ものの、特性調整のために要する調質焼鈍後の強度の増
加を得るためには、10重量%以上の濃度が必要であ
り、10重量%以上の高濃度であれば材料費の低減に対
しても効果が得られる。また、銀の含有量の上限を60
重量%と定めたのは、60重量%を超えると、ボールの
変形能が低下して、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。
電極との接合部に生成する金属間化合物相として、Au
Al2 相が優先的に成長することを見出した。このAu
Al2 相はボイド生成を誘発する可能性が高いものの、
高純度金の場合は成長速度の遅いため、従来の金細線で
は直接的には不良に関与しないものであった。従来使用
されている金合金細線において接合部に観察される化合
物は通常、Au5 Al2 相、Au4 Al相などであるこ
とを確認している。
銀の単独添加で主として成長するAuAl2 相の生成が
抑制することができ、代わってAu2 Al相とAu5 A
l2相が優先的に成長することが確認された。この機構
に関しては不明な点もあるが、Mn元素がAu/Al界
面近傍に濃化していることが確認されており、この偏析
したMnの濃化層が、金とアルミニウムの相互拡散に影
響を及ぼして、化合物相の成長挙動が変化したものと推
察される。ここで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
形成したボール部に収縮孔が形成されるため、ボール接
合性が低下する原因となるという理由に基づくものであ
る。
樹脂封止された半導体装置が高温環境で使用されるとき
の信頼性に関して、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の必須元素であるハロゲン
成分と腐食反応することにより、電気抵抗が増加する不
良が懸念される。この腐食現象は、銀を含有する金合金
細線を用いた場合においても、接合部に成長したAu2
Al相と金ボール部の界面近傍においても観察された。
そこで銀とMnを併用添加すると、樹脂封止した接合部
において金属間化合物層の腐食を著しく低減できること
を見出した。この腐食抑制において十分な効果を得るた
めには、銀との併用するMn元素の上記の濃度範囲にお
いて、0.01〜0.8重量%の範囲がより好ましい。
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、銀の単独添加で主とし
て成長するAuAl2 相の成長を積極的に抑えることは
困難である。Ag,Mnの添加と併用することにより加
熱後の接合強度の低下を抑制する効果があり、特に腐食
反応の抑制には有効である。第一元素群の含有量を上記
範囲に定めたのは、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。
Sc,Ga,Si,Al(第二群)の少なくとも1種を
総計で0.0005〜0.05重量%の範囲で添加する
ことにより、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Ag,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Ag,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。
La,Ce,Y(第三群)の少なくとも1種を総計で
0.0002〜0.03重量%の範囲で添加すること
は、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する効果が高まるこ
とが判明した。高密度実装において、樹脂封止時に隣接
するワイヤ同士の接触が懸念される。金中へのAg,M
nの添加は機械的強度への影響が小さく、ワイヤ流れが
懸念される場合がある。その際に、第三元素群を併用す
ることにより、ワイヤの機械的強度またはヤング率を高
めることができ、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制するこ
とが確認された。第三元素群のみでも細線の強度は増加
するが、Ag,Mnの添加と併用した方が単独添加より
も、引張試験で測定した破断強度およびヤング率は増加
しており、ワイヤ流れの抑制には第三元素群とAg,M
nの添加との併用が効果あることが確認された。第三元
素群の含有量を上記範囲と定めたのは、0.0002重
量%未満では強度増加の効果が小さく、一方0.03重
量%を超えると、ボール形成時の不具合として真球度が
低下し、またボール部先端に引け巣が発生するという理
由に基づくものである。
の共存により、接合後で且つ樹脂封止しない状態で半導
体装置が高温保持されたときに、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。
群の共存により、ワイヤ強度の向上効果が高まり、特に
高温加熱後の強度が増加することが判明しており、樹脂
封止時のワイヤ変形の抑制にも有効である。従って、ワ
イヤの細線化に有効であり、狭ピッチなどの高密度実装
に好適である。
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。
純度が約99.995重量%以上の電解金を用いて、前
述の各添加元素群を含有する母合金を個別に高周波真空
溶解炉で溶解鋳造して母合金を溶製した。このようにし
て得られた各添加元素の母合金の所定量と金純度が約9
9.995重量%以上の電解金とにより、表1(実施
例)および表2(比較例)に示す化学成分の金合金を高
周波真空溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延した後に
常温で伸線加工を行い、必要に応じて金合金細線の中間
焼鈍工程を加え、さらに伸線工程を続け、最終線径が2
5μmの金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して
伸び値が約4%になるように調整した。
および接合時の損傷の程度、ワイヤの機械的特性、封止
後のワイヤの流れ、接合強度、高温保管後の接合強度の
変化、ボール接合部に成長した金属間化合物中の欠陥ま
たは腐食度などを調べた結果を表1および表2に併記し
た。
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など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。
ミ電極の3μm上方で冶具を平行移動させて煎断破断を
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。
は、ワイヤのスパンとして4.5mmが得られるようボン
ディングした半導体素子が搭載されたリードフレーム
を、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止し
た後に、軟X線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半
導体素子内部をX線投影し、前述したワイヤ曲がりと同
等の手順によりワイヤ流れが最大の部分の流れ量を80
本測定し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した
値(百分率)を封止後のワイヤ流れと定義した。
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。
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時間加熱処理をし
た後に、ボール接合部を垂直研磨し、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
部の研磨表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%以下では腐食が抑制が顕著で
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。
1請求項記載に係わるものであり、実施例9〜13は第
2項、実施例14〜18は第3項、実施例19〜23は
第4請求項、実施例24〜28は第5、実施例29〜3
3は第6項、実施例34〜38は第7請求項記載に係わ
る金合金細線の結果である。
びMnの添加量が0.005重量%以下の比較例6,7
では加熱後のシェア強度が低下しており、また封止状態
での加熱により化合物層の腐食が顕著であるのに対し、
本発明であるAgとMnの併用添加である実施例1〜8
では、高い接合信頼性が得られていることが判明した。
また、比較例15〜20では、Ag添加に加えて、本発
明の第一元素群、第二元素群、第三元素群などを含有す
るもの、加熱後のシェア強度の低下および、化合物層の
腐食が観察され、信頼性を確保するためにはMnの添加
が必要であることが確認された。但し、Agの含有量が
60%を超える比較例3,5では接合時にシリコン基板
へ損傷を与えていた。
Cu,Pd,Ptの併用している実施例9〜13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
上していること、また、第一元素群と第二元素群が共存
している実施例24〜28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。
In,Sc,Ga,Si,Alを適量含有する実施例1
4〜18では、接合直後のシェア強度が10gf程度増加
していること、さらに、第二元素群と第三元素群が共存
している実施例34〜38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。
Ca,Be,La,Ce,Yを併用した実施例19〜2
3では樹脂封止時のワイヤ流れ率が4%以下まで減少
し、さらに第一元素群と第三元素群が共存している実施
例29〜33では、流れ率が3%以下の低い値まで抑え
られていることが確認された。
は、銀を高濃度で含有して材料費を低減させ、且つ接合
部の長期信頼性を向上させた金合金細線を提供するもの
である。
Claims (7)
- 【請求項1】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%の範囲で含有し、残部が金
および不可避的不純物からなることを特徴とする半導体
素子用金合金細線。 - 【請求項2】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、さらにCu,Pd,Pt
の少なくとも1種を総計で0.005〜5%の範囲で含
有し、残部が金および不可避的不純物からなることを特
徴とする半導体素子用金合金細線。 - 【請求項3】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、さらにIn,Sc,G
a,Si,Alの少なくとも1種を総計で0.0005
〜0.05%の範囲で含有し、残部が金および不可避的
不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細
線。 - 【請求項4】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、さらにCa,Be,L
a,Ce,Yの少なくとも1種を総計で0.0002〜
0.03%の範囲で含有し、残部が金および不可避的不
純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金細
線。 - 【請求項5】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、Cu,Pd,Ptの少な
くとも1種を総計で0.005〜5%、さらにIn,S
c,Ga,Si,Alの少なくとも1種を総計で0.0
005〜0.05%の範囲で含有し、残部が金および不
可避的不純物からなることを特徴とする半導体素子用金
合金細線。 - 【請求項6】 重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、さらにCu,Pd,Pt
の少なくとも1種を総計で0.005〜5%、さらにC
a,Be,La,Ce,Yの少なくとも1種を総計で
0.0002〜0.03%の範囲で含有し、残部が金お
よび不可避的不純物からなることを特徴とする半導体素
子用金合金細線。 - 【請求項7】重量でAgを10〜60%、 Mnを0.005〜0.8%、In,Sc,Ga,S
i,Alの少なくとも1種を総計で0.0005〜0.
05%、さらにCa,Be,La,Ce,Yの少なくと
も1種を総計で0.0002〜0.03%の範囲で含有
し、残部が金および不可避的不純物からなることを特徴
とする半導体素子用金合金細線。
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