JPH10233410A - 半導体素子ボンディング用金合金線 - Google Patents

半導体素子ボンディング用金合金線

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JPH10233410A
JPH10233410A JP9036262A JP3626297A JPH10233410A JP H10233410 A JPH10233410 A JP H10233410A JP 9036262 A JP9036262 A JP 9036262A JP 3626297 A JP3626297 A JP 3626297A JP H10233410 A JPH10233410 A JP H10233410A
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伸 高浦
Toshitaka Mimura
利孝 三村
Hiroshi Murai
博 村井
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボンディング距離を短かくして、ループ高さ
を高くでき、かつ過酷な熱サイクルでも断線を抑えるこ
と。 【解決手段】 マグネシウム、バナジウムのうち少なく
とも１種を０．１〜２０．０重量％含み残部及び不可避
的不純物からなる半導体素子ボンディング用金合金線。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の電極
と外部リード部を接続するために使用するボンディング
用金合金線に関し、さらに詳しくは半導体装置を小型化
する際に用いて好適な半導体素子ボンディング用金合金
線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来からトランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等
の半導体素子の電極と外部リードを接続する技術として
は、純度９９．９９重量％以上の高純度金に他の金属元
素を微量含有させた金合金線を用いた超音波併用熱圧着
ボンディング法が主として用いられている。このように
して接続された状況を図１に示す。図１において１は半
導体素子、２は電極、３は金合金線、４はリードフレー
ム、Ｌは半導体素子上の電極側接合点とリードフレーム
側接合点間の水平方向の距離（以下ボンディング距離と
いう）、Ｈは半導体素子上面を基準としたループ高さ
（以下ループ高さという）である。
【０００３】一方最近の半導体装置の小型化の要求に伴
って前記ボンディング距離が短くなり、所謂短ループボ
ンディングが要求されている。しかしながら該短ループ
ボンディングを行うと、接続用の金合金線が半導体素子
と接触しショートするため、ループ高さを高くすること
が要求されている。この状況を図２を用いて説明する。
図２においてボンディング距離ＬがＬ1 と短くなると、
ループ高さＨが低いＨ 1 の時は金合金線が半導体素子と
接触するようになる。これを回避する為にループ高さＨ
をＨ2 のように高くする事が出来る金合金線が要求され
ている。
【０００４】また最近の半導体装置は放熱性及びコスト
を考慮して銅合金製のリードフレームを用いることが多
くなってきた。該銅合金製のリードフレームを用いた場
合、封止用樹脂と該リードフレームの熱膨張係数の差が
大きく、半導体装置の作動による温度上昇によってルー
プを形成した金合金線に外部応力が加わり、ループを形
成したネック部で破断を生じ易くなるという問題があ
り、半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場
合の断線の発生率を低く抑える事が要求されている。と
りわけ一般的にはループ高さが高い程、半導体装置が過
酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率が
高くなる傾向にある為、前記したループ高さを高くしな
がら断線の発生率を低く抑える事が出来る金合金線が要
求されている。
【０００５】また前記した超音波併用熱圧着ボンディン
グ法で図１に示すような配線を行う際、リードフレーム
下部に設置された熱源（図示省略）により１５０〜２５
０℃で加熱されている。この時加熱温度が高いと接着性
は良いものの、リードフレームのそりが生じ易くなりル
ープ形状にばらつきが生じ易くなる。また加熱温度が低
いとループ形状は安定するものの低温接合であるため、
金合金線とリードフレームの接合点（以下セカンド側と
いう）での接着性に問題が生じ、とりわけピール強度及
び振動破断性能が問題である。この為前記ボンディング
時の加熱温度を１５０℃と低温度で行いながらセカンド
側接合点でのピール強度及び振動破断性能に優れた金合
金線が要求されている。
【０００６】前記したループ高さを大きくする対応とし
て特開昭６３−１４５７２９号公報には必須元素として
Ｉｎを０．０００１〜０．００６重量％含有した金合金
線を用いることにより、高温強度を高くしてもループ高
さを従来品と同等に高く保つ事が出来る事が開示されて
いる。また特開平３−２８３５４１号公報には必須元素
としてＰを０．０００１〜０．０１重量％含有した金合
金線を用いることにより、ボールネック部の信頼性（プ
ル強度）を落とさずに十分なループ高さが得られること
が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の提案は、ループ高さとして一応の成果は得られている
もののボンディング距離を更に短くするために、更にル
ープ高さの高いものが要求されると共に半導体装置が過
酷な熱サイクルの環境にさらされた場合の断線の発生率
を低く抑える効果が十分といえないことに加えてボンデ
ィング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側接合
点でのピール強度及び振動破断性能にさらなる改善が求
められている。
【０００８】本発明は上述したような従来事情に鑑みて
なされたものであり、その目的とするところは、半導体
装置の小型化の要求に対応してボンディング距離を短く
しても、接続用の金合金線が半導体素子と接触すること
がないようにループ高さを高くする事が出来ると共に、
ループ高さを高くしても半導体装置が過酷な熱サイクル
の環境に晒された場合の断線の発生率（以下熱サイクル
後の断線率という）を低く抑える効果を有し、更にボン
ディング時の加熱を低温度で行いながらセカンド側接合
点での接合性、詳しくはボンディング時の加熱を低温度
で行った場合のセカンド側のピール強度（以下ピール強
度という）及びボンディング時の加熱を低温度で行った
場合のセカンド側の振動破断性能（以下振動破断性能と
いう）に優れた半導体素子ボンディング用金合金性を提
供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者等が鋭意研究を
重ねた結果、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）
のうち少なくとも１種の所定量と残部が金（Ａｕ）から
なり、該金が０．０１重量％以下の不可避不純物を含む
組成の金合金線とすることにより、前述の目的を達成し
得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】すなわち、本発明は、マグネシウム（Ｍ
ｇ）、バナジウム（Ｖ）のうち少なくとも１種を０．１
〜２０．０重量％を含み、残部が金（Ａｕ）および０．
０１重量％以下の不可避不純物からなることを特徴とす
る半導体素子ボンディング用金合金線である。また、好
ましい態様として、本発明は、更にベリリウム（Ｂ
ｅ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ルテ
ニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、希土類元素のう
ち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 含有することを
特徴とする請求項１記載の半導体素子ボンディング用金
合金線にある。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の半導体素子ボンディング
用金合金線は高純度金に所定量のＭｇ，Ｖのうち少なく
とも１種を含有した組成を有することを特徴とする。原
料高純度金としては少なくとも９９．９９重量％以上、
好ましくは９９．９９５重量％以上最も好ましくは９
９．９９９重量％以上に精製した高純度金を用いる。
【００１２】このような高純度金に上記所定量のＭｇ，
Ｖのうち少なくとも１種を含有した組成にすることによ
りループ高さを高くする事が出来ると共に、熱サイクル
後の断線率を低く抑える事が出来、更にピール強度及び
振動破断性能を向上させる事が出来る。Ｍｇ，Ｖのうち
少なくとも１種の含有量が１．０重量％未満になると
１．０重量％以上のものと対比してループ高さは低くな
ると共に熱サイクル後の断線率も大きくなり、ピール強
度及び振動破断性能は低下してくる。Ｍｇ，Ｖのうち少
なくとも１種の含有量が２０．０重量％を超えると、Ｉ
Ｃチップ等の半導体素子上に超音波併用熱圧着ボンディ
ングを行う際に、前記チップに割れが生じ易くなる。こ
の為Ｍｇ，Ｖのうち少なくとも１種の含有量は０．１〜
２０．０重量％と定めた。
【００１３】さらにＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種の含
有量が０．１〜１０．０重量％の時、１０．０重量％を
超える場合と対比して熱サイクル後の断線率、ピール強
度及び振動破断性能が一段と向上してくる。この為好ま
しくは０．１〜１０．０重量％である。前記所定量のＭ
ｇ，Ｖのうち少なくとも１種の組成に加えて所定量のＢ
ｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ，希土類元素のうち少なくと
も１種を共存した組成にすることによりループ高さ、熱
サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能につ
いてさらに優れた効果が得られ好ましく用いられる。
【００１４】Ｂｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ，希土類元素
のうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 共存した組
成にすることにより共存しない組成と対比してループ高
さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性
能についてさらに優れた効果が得られ最も好ましく用い
られる。本発明に於いて希土類元素とはランタン系列１
５元素をいう。本発明にいう希土類元素の中でも特に好
ましくはＬａ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄである。
【００１５】次に、本発明になる金合金線の好ましい製
造方法を説明する。前記高純度金に所定量の元素を添加
し、真空溶解炉で溶解した後インゴットに鋳造する。該
インゴットに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間
アニールを施し、最終冷間加工により直径１０〜１００
μｍの細線とした後最終アニールを施すものである。
【００１６】本発明になる半導体素子ボンディング用金
合金線は半導体装置の実装に際して、ＩＣチップ等の半
導体素子をリードフレームに接続する方法及び直接基板
に接続するリードレスで接続する方法の何れにも用いる
事が出来る。該リードレスで用いる基板材料としてはセ
ラミックスや樹脂被覆した金属体等が用いられる。これ
らの半導体装置の構成に於いてループ高さを高く配線し
て用いる際に好適である。
【００１７】
【作用】本発明になる金合金線がループ高さを高く出来
ると共に、熱サイクル後の断線率を抑制することが出来
るという性質を併せもつようになる理由は明らかではな
いが、本発明になる組成とする事によって超音波併用熱
圧着ボンディング法でボールを形成する際に生成される
金合金線の熱影響部がループ高さが高いにも係わらず熱
サイクル後の断線率を抑制するとともにピール強度及び
振動破断性能を向上させることに好ましく作用している
と考えられる。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）純度９９．９９９重量％の高純度金に所定
量のＭｇを添加し真空溶解炉で溶解した後、鋳造して表
１に示す組成の金合金、即ち１．１重量％Ｓｎ、残部が
金及び不可避不純物からなる組成のインゴットを得、こ
れに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間アニール
を施し、最終冷間加工により直径３０μｍとし、伸び率
４％となるように最終アニールを行った。
【００１９】該金合金線を全自動ワイヤボンダー（新川
株式会社製 ＵＴＣ−５０型）を用いて加熱温度１５０
℃でＩＣチップのＡｌ電極とリードフレームを超音波併
用熱圧着ボンディング法でピン数１００個のボンディン
グした試料を作成した。該試料を測定顕微鏡（オリンパ
ス株式会社製 ＳＴＭ−ＭＪＳ型）を用いてそのループ
高さを測定した。ループ高さは図１に於いてＩＣチップ
１の上面を基準面としてループの最も高い高さＨ1 を測
定し、ループ高さとした。１００個の測定を行い、その
平均値をループ高さ平均値として表２に示した。
【００２０】前記１００個の測定値からばらつきの指標
として標準偏差（σn-1)を算出し、その結果を表２に示
した。次いで前記ボンディングした試料を１０重量％Ｎ
ａＯＨ水溶液に浸せきしてＡｌ膜を除去した。Ａｌ膜は
図１の２に示されるＩＣチップのＡｌ電極である。４０
０倍の金属顕微鏡を用いて前記Ａｌ膜を除去したＩＣチ
ップ面の電極部を５０ケ所観察し、１ケ所以上割れがあ
るものを割れあり、割れがないものを割れなしと評価
し、チップ割れの結果を表２に示した。
【００２１】更に前記ボンディングした試料を樹脂モー
ルドして半導体装置を作成した。該試料を熱サイクル試
験機（日立製作所製 ＥＳ−６０ＭＬＳ）を用いて−６
５〜１５０℃の温度環境下に２０００サイクル晒した加
速劣化試験を行った。該試料の端子間の導通の有無をテ
スターを用いて調査した。５０ケ所調査しその導通不良
の割合を熱サイクル後の破断率として表２に示した。
【００２２】更に前記ボンディングした試料のリードフ
レーム側即ちセカンド側のピール強度を測定した。配線
の中央部を切断し、リードフレーム面と略垂直にワイヤ
を引っ張り、その剥離荷重を測定した。１０個の平均値
をピール強度として表２に示した。更に前記ボンディン
グした試料の振動破断性能を測定した。測定方法を図３
を用いて説明する。１はＩＣチップ、２はＡｌ電極、３
は金合金線、４はリードフレーム、５は鉄製台、６はリ
ードフレーム固定用磁石、７は振動子である。リードフ
レーム４，４′をリードフレーム固定用磁石６，６′で
固定し、ＩＣチップ１を搭載した部分を振動子７で上下
方向（矢印方向）に振動させた。周波数１００Ｈｚ、上
下振幅合計０．４mm、振動数２００００回振動させた
後、４００倍の金属顕微鏡を用いてリードフレーム側即
ちセカンド側のワイヤの破断数を調査した。３００箇所
調査しその破断数の割合を振動破断率として表２に示し
た。
【００２３】（実施例２〜４５）（比較例１〜６） 金合金線の組成を表１，３，５に示すようにしたこと以
外は実施例１と同様にして直径３０μｍの線に仕上げ、
ループ高さ平均値、ループ高さの標準偏差、チップ割
れ、熱サイクル後の破断率、ピール強度、振動破断率を
実施例１と同様にして測定し、その測定結果を表２，
４，５に示した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【表４】
【００２８】
【表５】
【００２９】（試験結果） （１）高純度金にＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を０．
１〜２０．０重量％含有した組成である実施例１〜１３
はループ高さの平均値が２８３〜２９８μｍと高く、そ
の標準偏差が５．１〜７．３μｍと小さいものであるに
かかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が４
〜６％と低く抑えることが出来るとともに、ピール強度
が１４．２〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７〜５．０
％と優れた効果を示した。
【００３０】この中でもＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種
の含有量が０．１〜１０．０重量％のとき加速試験によ
る熱サイクル後の破断率を４％以下に維持出来、ピール
強度が１５．１〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７〜
３．７％と出来る為、高い信頼性を有し好ましく用いら
れる。 （２）前記高純度金に所定量のＭｇ，Ｖのうち少なくと
も１種を含有した組成に加えてＢｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，
Ｉｒ，希土類元素のうち少なくとも１種を１〜５００重
量ppm 含有した組成である実施例１４〜４５はループ高
さの平均値が３２０〜３３６μｍと一段と高くなり、そ
の標準偏差が２．５〜４．４と一段と小さいものである
にかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が
２％以下と一段と低く抑えることが出来るとともに、ピ
ーク強度が１６．１〜１７．８ｇ、振動破断率が０〜
２．０％と出来るという更に優れた効果を示した。
【００３１】この為ループ高さをさらに安定して高くす
る事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに低
く抑えることが出来、ピール強度及び振動破断率にも優
れている為、最も好ましく用いられる。 （３）前記高純度金に本発明の必須成分であるＭｇ，Ｖ
のうち少なくとも１種を含有するものの、その含有量が
０．１重量％未満である比較例１〜２はループ高さの平
均値が２３６μｍと低く、その標準偏差は１２．６〜１
２．８と大きいものであるとともに、加速試験による熱
サイクル後の破断率は１６〜１８％、ピール強度は９．
６〜１０．５ｇ、振動破断率は２３．３〜２４．０％で
あった。
【００３２】（４）前記高純度金に本発明の必須成分で
あるＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を含有するものの、
その含有量が２５．０重量％である比較例５〜６はチッ
プ割れが生じた。 （５）前記高純度金に本発明の必須成分であるＭｇ，Ｖ
のうち少なくとも１種を含有するものの、その含有量が
所定量未満であって、それに加えて０．００３重量％の
Ｃｅを含有する比較例５〜６はループ高さの平均値が２
３２〜２３７μｍと低く、その標準偏差は１２．５〜１
３．８と大きいものであるとともに、加速試験による熱
サイクル後の破断率は１６％、ピール強度は９．８〜１
０．１ｇ、振動破断率は２６．３〜２７．３％であっ
た。
【００３３】
【発明の効果】本発明により所定量のＭｇ，Ｖのうち少
なくとも１種を含有し残部が金及び所定量の不可避不純
物からなる組成を有する半導体素子ボンディング用金合
金線によれば、ループ高さを高くする事が出来ると共に
そのばらつきを小さくし、ループ高さを高くしても半導
体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線
の発生率を低く抑える事が出来、更にボンディング時の
加熱を低温度で行いながらセカンド側のピール強度及び
振動破断性能が優れている為、半導体装置の信頼性向上
に効果的である。
【００３４】前記所定量のＭｇ，Ｖのうち少なくとも１
種を含有した組成に加えてＢｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉ
ｒ，希土類元素のうち少なくとも１種を所定量含有した
組成とすることによりループ高さをさらに安定して高く
する事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに
低く抑えることが出来、セカンド側のピール強度及び振
動破断性能が優れている為、最も好ましく用いる事が出
来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体素子の電極と外部リードとの接続の様子
を示す。
【図２】図１と同様の接続においてボンディング距離Ｌ
とループ高さＨの関係を示す。
【図３】ボンディングした試料の振動破断性能測定方法
を説明する図である。
【符号の説明】
１…ＩＣチップ ２…Ａｌ電極 ３…金合金線 ４…リードフレーム ５…鉄製台 ６…固定用磁石 ７…振動子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム
    （Ｖ）のうち少なくとも１種を０．１〜２０．０重量％
    を含み、残部が金（Ａｕ）および０．０１重量％以下の
    不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子ボン
    ディング用金合金線。
  2. 【請求項２】 更にベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム
    （Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ルテニウム（Ｒｕ）、
    イリジウム（Ｉｒ）、希土類元素のうち少なくとも１種
    を１〜５００重量ppm 含有することを特徴とする請求項
    １記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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