JPH1167812A - 半導体素子用金銀合金細線 - Google Patents

半導体素子用金銀合金細線

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JPH1167812A
JPH1167812A JP9223981A JP22398197A JPH1167812A JP H1167812 A JPH1167812 A JP H1167812A JP 9223981 A JP9223981 A JP 9223981A JP 22398197 A JP22398197 A JP 22398197A JP H1167812 A JPH1167812 A JP H1167812A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
の安価な金銀合金細線を提供する。 【解決手段】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
し、さらにCu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で
0.2〜5重量%、あるいはMn、Crの少なくとも1
種を総計で0.01〜0.3重量%の範囲で含有し、残
部が金および不可避不純物からなることを特徴とする半
導体素子用金銀合金細線。上記金銀合金細線は、更に必
要に応じてCa、In、希土類元素の少なくとも1種を
総計で0.001〜0.1重量%の範囲で含有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上の電
極と外部リードを接続するために使用されるボンディン
グワイヤに関するものである。
【0002】
【従来の技術】IC,LSIなどの半導体基板上の内部
配線と、インナーリード部との電気的導通を得る接続法
として、線径20〜50μmの細線を用いたボンディン
グワイヤ法が主流である。この細線の材料としては、L
SIの大半を占める樹脂封止する半導体では、金合金細
線が広く用いられている。金合金細線の長所として、金
は化学的に安定であることが挙げられる。金合金細線は
半導体基板上のアルミ電極との接続に用いるボール接合
において、大気中でのワイヤ溶融時の酸化の心配がな
く、真球で清浄なボールが容易に得られ、超音波を併用
した熱圧着により良好な接合性が得られており、高速接
合、量産性に優れている。
【0003】金合金細線は上記のように優れた特性を有
するが、原料である金が高価であり、金合金細線の製造
方法を改善するだけではコストを大幅に低減することが
できず、半導体素子の価格低減をはばむ要因の一つとな
っている。ボンディングワイヤとしての特性を具備した
上で、高価な金の使用量を削減することができれば、半
導体素子の製造コスト削減に寄与するところは大きい。
【0004】現状の半導体素子用金合金細線のほとんど
すべては、特性発現のために添加する不純物の総量を
0.01%以下におさえた、純度が99.99%(4
N:フォーナイン)の高純度細線が用いられているのが
現状であり、高機能化した半導体の開発が進む中でも、
主原料としての金の成分範囲には大きな変動はみられて
いない。最近では、不純物総量として1%程度含有する
合金細線の検討もされているが、さらなる低コスト化の
メリットを重視した、数%程度の合金化を達成した金合
金細線が使用された実例はみられない。
【0005】Agは金中に全率固溶する金属であり、金
中に高濃度の添加をする試みがなされてきた。Agの高
濃度添加では、特開昭55−158642号公報におい
て、低コスト化と硫化による細線表面の変色などを考慮
して、Agの添加範囲として20〜50重量%が開示さ
れている。また特開昭56−19628号公報において
は、Ag添加により高温での機械的強さ特に破断強さに
優れ、且つ接合部の引張強さに優れていることを考慮し
て、Agの添加範囲として19〜59重量%と他元素群
Pd,Pt,Rh,Ir,Os,Ru を0.0003〜0.1 重量%との併用につ
いて開示されており、また特開昭56−19629号公
報においては、同様の効果を得るためのAgの添加範囲
として19〜59重量%と、他元素群Be,Ca,Co,Fe,Niを
0.0003〜0.1 重量%との併用について開示されている。
ただし、実際の量産に用いられる半導体素子用細線とし
ては、Agを高濃度含有した金銀合金細線は用いられて
いない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らの研究によ
り、従来知られている上記のAgを高濃度に含有した金
銀合金細線は、純金に比較してワイヤの引張強度は改善
されているものの、特に高温に長時間曝される過酷な条
件で用いられる半導体素子に対しては、金銀合金細線と
半導体基板のアルミ電極との接合の信頼性が十分でない
との問題点が明らかになった。
【0007】特に高温に長時間曝される過酷な条件で用
いられる半導体素子に対してAgを高濃度に含有させた
金銀合金細線を用いるためには、過酷な条件における信
頼性を確保しなければならない。本発明は、高濃度のA
gの含有によって半導体素子用金銀合金細線中の金の含
有量を大幅に低減して半導体製造コストの削減を実現す
ると共に、上記問題点を解決することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、その要旨とするとこ
ろは以下のとおりである。 (1) Agを20〜45重量%の範囲で含有し、さら
にCu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2〜
5重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物
からなることを特徴とする半導体素子用金銀合金細線。 (2)Agを20〜45重量%の範囲で含有し、Cu、
Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2〜5重量%
の範囲で含有し、さらにCa、In、希土類元素の少な
くとも1種を総計で0.001〜0.1重量%の範囲で
含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特
徴とする半導体素子用金銀合金細線。 (3)Agを20〜45重量%の範囲で含有し、さらに
Mn、Crの少なくとも1種を総計で0.01〜0.3
重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物か
らなることを特徴とする半導体素子用金銀合金細線。 (4)Agを20〜45重量%の範囲で含有し、Mn、
Crの少なくとも1種を総計で0.01〜0.3重量%
の範囲で含有し、さらにCa、In、希土類元素の少な
くとも1種を総計で0.001〜0.1重量%の範囲で
含有し、残部が金および不可避不純物からなることを特
徴とする半導体素子用金銀合金細線。 (5)Agを20〜45重量%の範囲で含有し、Cu、
Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2〜5重量%
の範囲で含有し、Mn、Crの少なくとも1種を総計で
0.01〜0.3重量%の範囲で含有し、さらにCa、
In、希土類元素の少なくとも1種を総計で0.001
〜0.1重量%の範囲で含有し、残部が金および不可避
不純物からなることを特徴とする半導体素子用金銀合金
細線。 (6)半導体基板上の配線電極とリード上のAgメッキ
面またはPdメッキ面との間を、上記(1)乃至(5)
に記載の半導体素子用金銀合金細線によって接続したこ
とを特徴とする半導体素子。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明に係る半導体素子用金銀合
金細線は、Agを20〜45重量%の範囲で含有し、さ
らにCu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2
〜5重量%、あるいはMn、Crの少なくとも1種を総
計で0.01〜0.3重量%の範囲で含有することを特
徴とする。
【0010】Agを20重量%以上含有する理由は、2
0重量%以上であれば金の含有量の減少に伴って材料費
を大幅に低減できるからである。また、金中にAgを含
有する結果として、細線を半導体素子のボンディングワ
イヤとして使用する場合の強度が確保され、ボールボン
ディング後のネック部での破断の発生が回避でき、更に
形成したループがたわんで隣のループと接触を起こすこ
とが回避できる。一方、Agの含有量を45重量%以下
とする理由は後述する。
【0011】本発明者らは、高温長時間の過酷な使用環
境においてボンディングワイヤとアルミ電極との接合部
の強度が保持されるかどうかを評価する新たな接合信頼
性評価試験を導入し、評価を行った。即ち、ボンディン
グワイヤを半導体基板のアルミ電極にボール接合した接
合部を、樹脂封止しない状態で窒素ガス中において20
0℃で200時間加熱処理した後に、シェアテストによ
って接合強度の変化を評価した。その結果、Agを20
重量%以上の範囲で含有し、残部が金および不可避不純
物からなる金銀合金細線は、上記高温加熱テストを経た
後においてアルミ電極との接合部の接合強度が低下する
ことが明らかになった。
【0012】金銀合金細線とアルミ電極との接合部の信
頼性の低下は、金中に高濃度含有するAgの影響によ
り、接合部において金属間化合物相の成長が変化して、
通常の金細線とは異なる金属間化合物相が成長したため
である。この化合物成長を制御するために、合金化元素
の添加が有効であることを見出した。即ち、Agの濃度
域として20〜45重量%を含有する金銀合金細線に、
さらにCu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.
2〜5重量%、あるいはMn、Crの少なくとも1種を
総計で0.01〜0.3重量%の範囲で含有させること
により、アルミ電極との接続部が高温保管された後でも
接合強度が低下しないことを見出した。Cu、Pd、P
tの含有量を上記範囲と定めたのは、0.2重量%未満
であれば上記効果は小さく、5重量%を超えるとボール
部が硬化するため接合時に半導体素子に損傷を与えるこ
とが懸念され、それを回避するために接合時の変形を軽
減すると接合強度がむしろ低下するという理由に基づく
ものである。Mn、Crの含有量を上記範囲と定めたの
は、0.01 重量%未満では上記効果は小さく、0.2
重量%を超えると、真球で清浄なボール部を得ることが
困難となるためである。更に、Agの含有量の上限を4
5重量%と定めたのは、45重量%を超えると、上記の
第3元素の添加による加熱後のアルミ電極との接合信頼
性の改善効果が損なわれ、加熱後のアルミ電極との接合
信頼性が著しく低下するためである。
【0013】さらに好ましくは、上記濃度域内におい
て、Agの含有濃度(X1)%と、Cu、Pd、Ptの
元素群の濃度(X2)%の併用に関しては、X2/X1
の比率を0.01〜0.3の範囲内とすると、信頼性の
より一層の向上効果がえられる。また、この比率におけ
る優れた効果は、下述する他元素群と併用しても、ほぼ
同様である。
【0014】さらにMn、Crを上記添加量範囲で添加
する他の効果として、樹脂封止された接合部において信
頼性が向上する。従来の金細線を用いて、樹脂封止後に
加熱されると、接合部に成長した金属間化合物相が樹脂
成分と腐食反応を起こして、電気抵抗の増加および接合
強度の低下を引き起こす。金銀の合金細線においても同
様の現象が起こるが、Mn、Crを含有することによ
り、その腐食反応が抑制される。
【0015】金中にAgを20〜45重量%含有し、C
u、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2〜5重
量%の範囲の含有する細線に、さらにCa、In、希土
類元素を併用させた金銀合金細線では、アルミ電極との
接合部信頼性が向上することに加えて、樹脂封止工程に
おける細線の変形量が低減することが判明した。これ
は、高温強度が増加することと関連するものである。C
a、In、希土類元素の含有量を上記範囲と定めたの
は、0.001重量%未満であれば上記効果は小さく、
0.1重量%を超えると細線の強度が高いため、ワイヤ
のループ形成時の曲がり変形が増加し、さらに樹脂封止
後の細線の変形量のバラツキが大きくなるためである。
【0016】金中にAgを20〜45重量%含有し、M
n、Crの少なくとも1種を総計で0.01 〜0.2重
量%の範囲で含有させ、さらにCa、In、希土類元素
の少なくとも1種を総計で0.001〜0.1重量%の
範囲で含有させると、アルミ電極との接合部信頼性が向
上することに加えて、ループ形成時の曲がり変形を低減
させることにより、狭ピッチ接合に好適であることが判
明した。Ca、In、希土類元素の含有量を上記範囲と
定めたのは、0.001重量%未満であれば上記効果は
小さく、0.1重量%を超えると伸線後に熱処理を施し
ても伸線時の加工ぐせを低減することが困難になり、ワ
イヤのループ形成時の曲がり変形が増加するためであ
る。
【0017】金中にAgを20〜45重量%含有し、C
u、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2〜5重
量%の範囲の含有する細線に、Mn、Crの少なくとも
1種を総計で0.01 〜0.2重量%の範囲で含有さ
せ、さらにCa、In、希土類元素の少なくとも1種を
総計で0.001〜0.1重量%の範囲で含有させる
と、細線化と接合信頼性の大幅な向上に有効である。ワ
イヤの細線化では樹脂封止時の細線の変形が最も懸念さ
れており、上記元素群の組合せにより、高温強度が増加
するため、細線の変形量が低減される。線径として、現
状の25μmに対して、上記元素群の組合せでは、18
μmまでは細線化しても、樹脂封止時の細線の変形が実
用可能な範囲に抑えられている。さらに、樹脂封止され
た接合部の信頼性について、過酷な信頼性評価試験とし
て200℃で500時間加熱した後の接合強度を評価し
たところ、上記元素群の組合せにおいては、接合強度の
低下は認められず、高い信頼性が確保されていることが
確認された。ここで、含有量を上記範囲と定めたのは、
それぞれの元素群について前述したことと、ほぼ同様の
理由に基づくものである。
【0018】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度は約
99.995重量%以上の電解金を、Ag純度は99.95 %以上
の高純度のものを用いた。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99.995重量%以上の電解金と
により、表1〜4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25μmの
金合金細線とした後に、連続焼鈍して伸び値が4%程度
になるように調整した。得られた金合金細線について、
半導体素子用途のボンディング性を中心とした使用性能
などを調べた結果を表1〜4に併記した。
【0019】「ボール形状」については、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銀合金ボールを1
0本採取し、走査型電子顕微鏡で観察した。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、形状が真球で表面も清浄である良好
なボールについて○印で示した。
【0020】ボール接合部の接合強度については、アル
ミ電極の2μm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、40本の破断荷重の
平均値を測定し、「接合直後シェア強度」とした。さら
に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℃で
200時間加熱処理した後に、40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、「加熱後シェア
強度」とした。
【0021】金銀合金細線のループ形成時のワイヤ曲が
りは、ワイヤ両端の接合距離(スパン)が4.5mmと
なるようボンディングしたワイヤを半導体素子とほぼ垂
直上方向から観察し、ワイヤ中心部からワイヤの両端接
合部を結ぶ直線と、ワイヤの曲がりが最大の部分との垂
線の距離を投影機を用いて50本測定した平均値で、
「接合後のワイヤ曲がり」として示した。
【0022】樹脂封止後のワイヤ流れの測定に関して
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40
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。その平
均値を「樹脂封止ワイヤ流れ」とし、40本測定結果の
標準偏差を「樹脂封止ワイヤ流れ偏差」とした。
【0023】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℃で200時間加熱処理した
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、「化
合物腐食度」として表記した。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】表1、2において、実施例1〜12は本発
明の請求項1記載の発明に係るものであり、実施例13
〜24は請求項2、実施例25〜29は請求項3、実施
例30、31は請求項4、実施例32、33は項記載5
に係る金銀合金細線の結果である。
【0029】また表3の実施例b1〜b10は、Agの
含有量が請求項1の範囲であることから本発明に関わる
ものであるが、Ag以外の元素添加量が請求項2から請
求項5に記載されている適正な含有量からはずれる金合
金細線について、比較として示したものである。実施例
b1〜b8は請求項2に対する比較、実施例b9、b1
0は請求項4に対してCa、In、希土類元素の含有量
が発明の範囲でない場合について、比較として示した。
表4の比較例1〜17は、本発明範囲外の例についての
結果である。
【0030】加熱後のシェア強度に関して、Agを含有
しない高純度金である比較例1 では低下は認められない
が、比較例2、3ではAg濃度が20〜45重量%の範
囲でAgの単独添加においては、加熱後にシェア強度が
低下していた。それに対し、Agおよび他の元素群が本
発明の成分範囲である実施例1〜33では、シェア強度
の低下は認められず、非常に良好であった。例えば、A
gの適正量に加えて、Cu、Pd、Ptの元素群を請求
項1記載の範囲で含有する実施例1〜12では、加熱後
もシェア強度は上昇しており、Mn、Crの元素群を請
求項3記載の範囲で含有する実施例25〜29では、加
熱後のシェア強度の低下も認められず、さらに樹脂封止
後に加熱した接合においても化合物の腐食が抑制されて
いることが確認された。Mn、Crの含有量が0.01
重量%未満である比較例12、14では上記効果は期待
されず、一方、0.3重量%を超える比較例13、15
では、ボール部の形状が真球からずれて扁平であった。
【0031】また、Agの含有濃度(X1)%とCu、
Pd、Ptの元素群の濃度(X2)%との比率(X2/
X1)に関して、0.01〜0.3の範囲内である例え
ば実施例5、7、9、12、13では加熱後のシェア強
度の低下はみれらないが、実施例4、6、8、10、1
1では問題のないレベルではあるがシェア強度はわずか
に低下していた。
【0032】Cu、Pd、Ptの元素群と、Ca、I
n、希土類元素の元素群とを、本発明の請求項2記載の
範囲で含有する実施例13〜24では、樹脂封止時のワ
イヤ流れが2.5%以下であり、他の金合金細線におけ
る4%以上の結果と比較しても、低く抑えられているこ
とが確認された。ここで、Ca、In、希土類元素の含
有量が0.001 重量%未満である実施例b1〜b4で
は流れ率の低減効果は小さく、0.1重量%を超える実
施例b5〜b8では樹脂封止ワイヤ流れ偏差が増大して
おり、量産性が懸念される。
【0033】Mn、Crの元素群と、Ca、In、希土
類元素の元素群とを、本発明の請求項4記載の範囲で含
有する実施例30、31では、接続後のワイヤ曲がり量
が20μm以下であり、金細線の直径よりも小さく抑え
られているのに対し、例えば含有量が上記範囲をはずれ
る実施例b9、b10ではワイヤ曲がり量が30μm以
上であることと比較しても、4 割以上低減している。
【0034】Cu、Pd、Ptの元素群と、Mn,Cr
の元素群と、さらにCa、In、希土類元素の元素群と
を、本発明の請求項5記載の範囲で含有する実施例3
2、33では、樹脂封止時のワイヤ流れが1.5%以下
に低減されていた。さらに細線化として、線径22μm
の細線でも評価したところ、例えば実施例1、23、2
4、30では樹脂封止ワイヤ流れは3.5%以上である
のに対し、実施例32では樹脂封止ワイヤ流れは2.5
%以下に抑えられており、細線化に適していることが確
認された。また、樹脂封止した状態での加熱による信頼
性試験において、200℃で200時間加熱した後の化
合物腐食度は表に示しているが、さらに、200℃で5
00時間加熱した後に、開封してシェア試験を行う評価
において、該元素群の組合せのみ、シェア強度の低下は
みられず、過酷な高温条件での高い接合信頼性が確認さ
れた。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、高濃度の銀を適正範囲で含有させて、材料費の低減
と、優れた接合信頼性を向上させた金銀合金細線を提供
するものである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
    し、さらにCu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で
    0.2〜5重量%の範囲で含有し、残部が金および不可
    避不純物からなることを特徴とする半導体素子用金銀合
    金細線。
  2. 【請求項2】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
    し、Cu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2
    〜5重量%の範囲で含有し、さらにCa、In、希土類
    元素の少なくとも1種を総計で0.001〜0.1重量
    %の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物からな
    ることを特徴とする半導体素子用金銀合金細線。
  3. 【請求項3】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
    し、さらにMn、Crの少なくとも1種を総計で0.0
    1 〜0.3重量%の範囲で含有し、残部が金および不可
    避不純物からなることを特徴とする半導体素子用金銀合
    金細線。
  4. 【請求項4】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
    し、Mn、Crの少なくとも1種を総計で0.01〜
    0.3重量%の範囲で含有し、さらにCa、In、希土
    類元素の少なくとも1種を総計で0.001〜0.1重
    量%の範囲で含有し、残部が金および不可避不純物から
    なることを特徴とする半導体素子用金銀合金細線。
  5. 【請求項5】 Agを20〜45重量%の範囲で含有
    し、Cu、Pd、Ptの少なくとも1種を総計で0.2
    〜5重量%の範囲で含有し、Mn、Crの少なくとも1
    種を総計で0.01〜0.3重量%の範囲で含有し、さ
    らにCa、In、希土類元素の少なくとも1種を総計で
    0.001〜0.1重量%の範囲で含有し、残部が金お
    よび不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子
    用金銀合金細線。
  6. 【請求項6】 半導体基板上の配線電極とリード上のA
    gメッキ面またはPdメッキ面との間を、請求項1乃至
    5記載の半導体素子用金銀合金細線によって接続したこ
    とを特徴とする半導体素子。
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