JPH10233411A - 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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JPH10233411A
JPH10233411A JP9036284A JP3628497A JPH10233411A JP H10233411 A JPH10233411 A JP H10233411A JP 9036284 A JP9036284 A JP 9036284A JP 3628497 A JP3628497 A JP 3628497A JP H10233411 A JPH10233411 A JP H10233411A
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gold alloy
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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％含み残部金及び不可
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線を提
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、錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）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】こうして、本発明は下記にある。 （１）錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）のうち少なく
とも１種を１．０重量％を超え２０．０重量％含み、及
び残部が金（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）更にマグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）の
うち少なくとも１種を０．１〜２０．０重量％含有する
ことを特徴とする上記（１）記載の半導体素子ボンディ
ング用金合金線。
【００１１】（３）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（Ｒ
ｕ）、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
上記（１）または（２）記載の半導体素子ボンディング
用金合金線。
【００１２】
【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Ｓｎ，Ｉｎのうち少な
く共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。
【００１３】このような高純度金に上記所定量のＳｎ，
Ｉｎのうち少なく共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。Ｓｎ，Ｉｎのう
ち少なく共１種の含有量が１．０重量％以下になると
１．０重量％を超える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。Ｓｎ，Ｉｎのう
ち少なく共１種の含有量が２０．０重量％を超えると、
ＩＣ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Ｓｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含有量は１．０
重量％を超え２０．０重量％と定めた。
【００１４】さらにＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含
有量が１．０重量％を超え１０．０重量％以下の時、１
０．０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１．０重量％を超え、さらには
１．１重量％以上、１０．０重量％以下、さらには５重
量％以下である。
【００１５】高純度金に上記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち
少なく共１種を含有することに加えて所定量のＭｇ，Ｖ
のうち少なく共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Ｓｎ，Ｉｎのうち少なく共１種のみを
含有した組成と同様の効果を得る事が出来る。Ｍｇ，Ｖ
のうち少なく共１種を０．１重量％以上共存した組成に
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Ｓｎ，Ｉｎのうち少
なく共１種のみを含有した組成と同様の効果を得る事が
出来る。Ｍｇ，Ｖのうち少なく共１種を２０．０重量％
を超えて共存するとＩＣ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。この為共存するＭｇ，Ｖのうち少な
く共１種の含有量は０．１〜２０．０重量％と定めた。
さらにＭｇ，Ｖのうち少なく共１種の含有量が０．１〜
１０．０重量％のとき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。
【００１６】前記の組成に加えて所定量のＢｅ，Ｃａ，
Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なく共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。Ｂｅ，Ｃａ，
Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なく共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。
【００１７】本発明に於いて希土類元素とはランタン系
列１５元素（Ｌａ〜Ｌｕ）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。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。
【００１８】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１０〜１００μｍの細線とした後最終アニールを施す
ものである。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。
【００１９】
【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。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）純度９９．９９９重量％の高純度金に所定
量のＳｎ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。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。
【００２１】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Ｈ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。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。
【００２２】次いで前記ボンディングした試料を１０重
量％ＮａＯＨ水溶液に浸せきしてＡｌ膜を除去した。Ａ
ｌ膜は図１において２に示されるＩＣチップのＡｌ電極
である。４００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１〜２に示した。
【００２３】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。
【００２４】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。 （実施例２〜５７）（比較例１〜１６） 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，
４，６に示した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【表４】
【００２９】
【表５】
【００３０】
【表６】
【００３１】（試験結果） （１）高純度金にＳｎ，Ｉｎのうち少なくとも１種を
１．１〜２０．０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２８４〜２９８μｍと高
く、その標準偏差が５．１〜７．６μｍと小さいもので
あるにもかかわらず、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１４．３〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７
〜５．３％と優れた効果を示した。
【００３２】この中でもＳｎ，Ｉｎのうち少なくとも１
種の含有量が１．１〜１０．０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１５．２〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７〜
３．３％と出来る為、高い信頼性を有し好ましく用いら
れる。 （２）前記組成に更に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１４
〜２８は同様にループ高さの平均値が２９１〜２９８μ
ｍと高く、その標準偏差が５．３〜７．９μｍと小さい
ものであるにもかかわらず、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１４．５〜１５．７ｇ、振動破断率が
２．７〜５．７％と優れた効果を示した。
【００３３】このことから上記所定量のＳｎ，Ｉｎのう
ち少なく共１種を含有した組成の効果は上記所定量のＭ
ｇ，Ｖのうち少なくとも１種を含有しても同様に維持さ
れる事が判る。この中でもＭｇ，Ｖのうち少なくとも１
種の含有量が１．１〜１０．０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１５．１〜１５．７ｇ、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。
【００３４】（３）前記高純度金に所定量のＳｎ，Ｉｎ
のうち少なく共１種を含有した組成又は其に加えて所定
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２９〜５７はループ高さの平均値が３２０〜３
３８μｍと一段と高くなり、その標準偏差が２．３〜
４．８と一段と小さいものであるにもかかわらず、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、ピール強度が１６．１
〜１７．９ｇ、振動破断率が０〜１．７％と出来るとい
う更に優れた効果を示した。
【００３５】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。 （４）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉ
ｎのうち少なく共１種を含有するものの、その含有量が
１重量％以下である比較例１〜４はループ高さの平均値
が２３１〜２４５μｍと低く、その標準偏差は１２．２
〜１４．６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１６〜２０％、ピール強度は
９．３〜９．７ｇ、振動破断率は２２．０〜２６．７％
であった。
【００３６】（５）前記高純度金に本発明の必須成分で
あるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共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。 （６）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉ
ｎのうち少なく共１種とＭｇ，Ｖのうち少なく共１種を
含有するものの、それらの含有量が所定量未満である比
較例７〜８はループ高さの平均値が２３７〜２４１μｍ
と低く、その標準偏差は１３．３〜１３．８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９．９〜１０．３ｇ、
振動破断率は２４．３〜２４．７％であった。
【００３７】（７）前記高純度金に本発明の必須成分で
あるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共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０．０
０３重量％のＣｅを含有する比較例９〜１０はループ高
さの平均値が２３３〜２４８μｍと低く、その標準偏差
は１２．７〜１４．１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９．７〜１０．０ｇ、振動破断率は２４．３
〜２８．０％であった。
【００３８】（８）前記高純度金に本発明の必須成分で
あるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有せず、Ｍｇ又
はＶを０．０１重量％、又はＣｅを０．００３重量％含
有する比較例１１〜１４はループ高さの平均値が２３２
〜２３７μｍと低く、その標準偏差は１２．５〜１４．
３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２４．０〜２７．３％であっ
た。
【００３９】
【発明の効果】本発明により所定量のＳｎ，Ｉｎのうち
少なく共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。
【００４０】前記含有成分に加えて所定量のＭｇ，Ｖの
うち少なく共１種を含有した場合においても同様の効果
を示すものである。前記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少な
く共１種を含有した組成又は其に加えて所定量の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 (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）のう
    ち少なくとも１種を１．０重量％を超え２０．０重量％
    含み、及び残部が金（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％
    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。
  3. 【請求項３】 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または２記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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