JPS631750B2 - - Google Patents

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JPS631750B2
JPS631750B2 JP54171732A JP17173279A JPS631750B2 JP S631750 B2 JPS631750 B2 JP S631750B2 JP 54171732 A JP54171732 A JP 54171732A JP 17173279 A JP17173279 A JP 17173279A JP S631750 B2 JPS631750 B2 JP S631750B2
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gold
bonding
gold wire
weight
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Shozo Hayashi
Susumu Tomyama
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Description

【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野） 本発明は半導体のチツプ電極と、それを外部リ
ード部へ接続するため使用されるボンデイング用
金線との接続体からなる半導体素子に関する。 （従来技術とその問題点） 半導体素子における金線は、金が耐蝕性に富
み、しかも展延性が良くてボンデイング性に優れ
ていることから、高純度金の特に99.99％以上が
金であるものが使用されている。 ワイヤボンデイング技術の代表的な方法として
熱圧着法が採用されているが、この熱圧着法は前
記金線を酸水素炎又は電気的に溶断し、その際に
できる金ボールを押し潰して150℃〜300℃の加熱
状態におかれているチツプ電極と外部リード部に
接続するものである。しかし、近年ボンデイング
技術の向上との高速度化に伴う省力化等により、
ボンデイングマシンは手動機から自動機へと変
り、半導体部品の価格低減と信頼性の向上に重点
がおかれつつある。 然るに、従来から使用されている金線が50μφ
以下の細線であると引張り強さが弱く、線引加工
中に断線したり、あるいはボンデイング作業中に
断線を起し、更にボンデイング工程で金線が酸水
素炎又は電気的に溶断されたときに金線の繊維状
結晶を失ない再結晶により結晶粒の粗大化を起し
て脆うくなつたり、あるいは金ボールの形状が一
定せずボンデイングの密着強度を弱くして接合強
度が低下したものとなる欠点がある。又、上記の
ように150℃〜300℃の温度で熱圧着するため金線
が軟化し、チツプ電極と外部リード部を接続する
金線のループ形状がたるみを生じてリード部とシ
ヨートするなどの問題が発生し、さらに樹脂モー
ルドする場合、金線が軟化によつて変形しシヨー
トや断線の原因となり、あるいは経時的に軟化し
て引張り強度が低下し断線し、あるいは金線の靭
性低下及び粒界破断が原因となつてボンデイング
作業時のネツク切れを生じたものとなる等の欠点
がある。 而して叙上事情に鑑み、半導体素子における金
線に要求される要素として、引張り強度が大き
いこと、高温強度が大きいこと、経時変化
（軟化）が少ないこと、金ボールの形状が真球
に近く且つ一定していて密着強度が高いこと、
接合後の強度が大きいこと、ネツク切れが無い
こと、が最小限必要であることが理解できた。 しかるに従来のボンデイング用金線として、特
開昭52−51867号公報にNi、Fe、Co、Cr、Agの
少なくとも１種を40〜5000ppm金素材中に含有せ
しめた金線（以下、従来技術１とする）、特開昭
52−82183号公報にC1〜25ppm、Si1〜25ppm、
Ge3〜30ppm、Sn5〜30ppm、Pb5〜30を一元素
以上金素材中に添加した金線（以下、従来技術
２）、特開昭53−112060号公報に金素材中にCa3
〜50ppm含有せしめるとともにBe1〜8ppm、
Ge5〜50ppmの少なくとも一種を含有せしめた金
線（以下、従来技術３）が知られている。 しかしながら、上記従来技術１において、特に
Ag及びFeに注目すると、その含有量が著しく多
く、そのために接合強度が低下して前記要素を
満足し得ず、又従来技術２においては、引張り強
度を高めるためにGe及びＣを添加しているが、
該元素Ge及びＣのみでは所望の引張り強度が得
られず前記要素を満足させることができない。 又、従来技術３においては特にCaに注目する
と、該元素Caの含有量が多すぎる場合に粒界破
断を起す原因となつてボンデイング時のネツク切
れが生じているものとなるおそれがあり、前記要
素を満足させることができない。 従つて、従来技術１〜３にあつては前記の特性
要素〜の全てが必ずしも満足され得るもので
はない。 そして仮りに、前記特性を達成する元素群の存
在が見い出され且つその含有量まで突き止め得た
としても、その元素群に対して、製造上において
含有を零にすることが困難である元素群並びに原
料中に混入している不可避元素群について注目し
てその含有量が適正に管理されていない場合に
は、前記特性はその一部が失なわれてしまい、結
果として前記特性〜の全てを満足することは
かなわなくなる。 （発明の目的） 本発明は斯る従来事情に鑑み、前記特性要素を
満すべく、金線について、その元素Ag、Ge、
Ca、Fe、Mgを選択し、かつ所定の含有量の範囲
を定めると共に、製造上および不可避の各元素群
についてその含有量を求めて、従来金線に較べて
金線自体の機械的強度が高くて、ボンデイングに
よるところのネツク切れが無く、金線とシリコン
チツプ電極との接合強度が高く、半導体特性に優
れた半導体素子を提供することを目的とする。 （発明の構成） 斯る本発明金線は、高純度金銀２〜80重量
ppm、ゲルマニウム５〜80重量ppm、カルシユー
ム１〜20重量ppm、鉄0.5〜10重量ppm、マグネ
シウム0.5〜30重量ppmの範囲で含有せる第一元
素群と、チタン、銅、シリコン、錫、ビスマス、
マンガン、鉛、ニツケル、クロム、コバルト、ア
ルミニウム、パラジウムの一種又は複数を含有し
て、計が30重量ppm以下の第二元素群と、第一お
よび第二元素群を除く不可避不純物を含有して、
計が５重量ppm以下の第三元素群とを含有せしめ
て成形したボンデイング用金線とシリコンチツプ
電極との接続体から成る構成としたことを特徴と
する。 金線における第一元素群の銀（Ag）は引張り
強度を高め、かつ経時軟化を少なくするために含
有せしめるがその含有量が２重量ppm未満では金
線が経時軟化を起し、最大値80重量ppmを越える
とボンデイング後の接合強度が低下したものにな
つた。 ゲルマニウム（Ge）は、引張り強度を高める
とともに主として経時軟化を少なくするものであ
り、その最少含有値５重量ppm未満では金線が経
時軟化を起し、最大値80重量ppmを越えると粒界
破断を起した。 カルシユーム（Ca）は引張り強度を高め、経
時軟化を少なくするとともに主として高温強度を
高めるものであり、その最少含有値１重量ppm未
満では高温特性、すなわち高温時の引張り強度が
低下し、最大値20重量ppmを越えるとでは靭性が
なくなり、粒界破断を起してネツク切れの原因と
なる。 鉄（Fe）は引張り強度を高め、高温強度を高
めるとともに経時軟化を少なくするものでありそ
の最少含有値0.5重量ppm未満では引張り強度が
低く、最大値10重量ppmを越えると酸化被膜が生
成しボンデイング後の接合強度が低下したものに
なつた。 マグネシウム（Mg）もまた引張り強度を高
め、高温強度を高めるとともに経時軟化を少なく
するものであり、その最少含有値0.5重量ppm未
満では引張り強度が低く、最大値30重量ppmを越
えるとでは溶断時の金ボール形状が悪いものにな
つた。 上記Fe及びMgはCaの含有量を減らす目的で添
加するものであり、Caの特性を補足する。 上記第一元素群はその総合含有量の最少値、す
なわちAg2重量ppm、Ge5重量ppm、Ca1重量
ppm、Fe0.5重量ppm、Mg0.5重量ppmの合計値
９重量ppm未満では金線が経時変化を起し、総合
含有量の最大値220重量ppmを越えると金ボール
の形状が一定せず、又ボンデイング後の接合強度
が低下し、且つ、バラ付いていた。 従つて上記第一元素群は前記含有量の範囲であ
つて、その総合含有量が９〜220重量ppmの範囲
で相乗効果があると認められている。 第二元素群のチタン（Ti）、銅（Cu）、シリコ
ン（Si）、錫（Sn）、ビスマス（Bi）、マンガン
（Mn）、鉛（Pb）、ニツケル（Ni）、クロム（Cr）
コバルト（Co）、アルミニウム（Al）、パラジウ
ム（Pd）は金の原料中に必然的に混入している
不純物元素であつて、本来不必要なものである。 しかしながら第二元素群を零にすることは製造
上困難であり、第一元素群の相乗効果を阻害しな
い程度の許容量を測定した。 その結果、上記第二元素群の総合含有量が30重
量ppmを越えると溶断時の金ボールの形状がいび
つになり、又酸化被膜ができやすくなつて不具合
がみられた。 従つて第二元素群はその総計が30重量ppm以下
であることが好ましい。 第三元素群も又、原料中に必然的に混入してい
て不可避元素であつて、カドミウム（Cd）、亜鉛
（Zn）など、前記第一元素群及び第二元素群以外
の元素をいう。 上記第三元素群はその総計が５重量ppm以下で
あることが第一元素群の相乗効果を阻害せず好ま
しい。 （作用） Ag、Ge、Ca、Fe、Mgの添加によつて金線
の引張り強度を高め、かつ経時変化（軟化）を
少なくし、特にGeの添加が経時変化の抑制に
有効である。そして上記５元素の所定含有量に
よつて接合強度の低下をなくす。 Ca、Fe、Mgの添加によつて金線の高温強度
を高める。高温強度の増強のためには、特に
Caの添加が有効であるが、そのCaの含有量が
過量であるとボンデイング時におけるネツク切
れの原因となるために該Caの含有量を少なく
（１〜20重量ppm）し、Fe、Mgを添加して高
温強度を補強する。そしてFe、Mgの含有量が
過大であるとボール形状が不安定になるが所定
含有量によつてボールの安定を保持する。 第二および第三元素群が所定の含有量の範囲
になつていて、上記５元素からなる第一元素群
がもたらす特性をその通りのものとする。 （実施例） 以下に実施例を示す。 半導体素子はシリコンチツプ電極とボンデイン
グ用金線との接続体からなり、この金線は高純度
金（99.995％）に第一元素群を添加して溶解鋳造
し、次に溝ロール加工を施し、その途中で焼なま
し処理をした後に線引加工で25μφの極細金線に
成形したものである。 そして、金線の各試料の不純物元素の含有量は
次の表(1)に示す通りであつて、その試料No.１〜４
は本発明実施品、試料No.５〜９は本発明の数値範
囲に入らない比較品である。
【表】
【表】 上記試料をもつて機械的性質の実験値、溶断時
の金ボールの形状及びボンデイングによるネツク
切れの有無を測定した結果を表(2)に示す。
【表】 表(2)の項目′〜′は前記５要素〜に対応
した特性を示すものであり、これらにより実施品
No.１〜４が比較品No.５及び８に較べて、′引張
り強度が９〜14ｇと大きく、′高温強度性が５
〜７ｇと優れ、′経時変化が０〜0.5ｇと少な
く、′金ボールの形状が真円で安定し、′ボン
デイング後の接合強度が5.5〜10.0ｇと大きく、
′ネツク切れの無い（比較品No.９と比較）こと
が理解される。 （発明の効果） したがつて本発明によれば、次の利点がある。 特にネツク切れがない特徴を含む〜の特
性要素の全ての点で満足でき、しかも、低価格
で信頼性が高くて、性能の優れるものである。 Geの適量含有により、特に金線の経時軟化
が防止されると共に引張り強度が引上げられ
て、経時軟化にともなう金線の弛みが起らず、
同弛みによる金線同士のシヨートが起きず、そ
して断線も無くて信頼性の高い特徴がある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 高純度金に、銀２〜80重量ppm、ゲルマニウ
    ム５〜80重量ppm、カルシユーム１〜20重量
    ppm、鉄0.5〜10重量ppm、マグネシウム0.5〜30
    重量ppmの範囲で含有せる第一元素群と、チタ
    ン、銅、シリコン、錫、ビスマス、マンガン、
    鉛、ニツケル、クロム、コバルト、アルミニウ
    ム、パラジウムの一種又は複数を含有して、計が
    30重量ppm以下の第二元素群と、第一および第二
    元素群を除く不可避不純物を含有して、計が５重
    量ppm以下の第三元素群とを含有せしめて成形し
    たボンデイング用金線とシリコンチツプ電極との
    接続体から成る半導体素子。
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