JPS63227733A - 耐熱性に優れた金合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、トランジスター、ＩＣ５ＬＳＩなどの半導体
素子上の電極と外部リードとの間を接続するボンディン
グ線に利用する耐熱性に優れた金合金に関する。

（従来技術と問題点） 従来、ケイ素半導体素子上の電極と外部リードとの間を
接続するボンディング線としては、一般に樹脂封止用で
は純金（９９，９９ｈｔ％以上）の細線が、セラミック
封止用ではアルミ合金（Ａ７！−１％Ｓｔ）細線が使用
されている。しかしながら金細線の方が量産にも適し、
且つ接続の信頼性および工程上の問題から金細線が多く
使用されている。ケイ素半導体素子の電極に金細線を接
続する方法は、金細線の一定長の先端を斉温で溶融して
ボールを形成させ圧接する熱圧着法および接合部に超音
波振動を与えながら常温で接合する超音波法又は、これ
らの両者を組合せたサーモソニック法によって行われ“
る。

このようにケイ素半導体の電極と外部リードとの接続に
金細線が使用されるのは、金ボールの形成が真円球状に
なり、形成された金ボールの硬さが適切であって、接合
時の圧力によってケイ素半導体素子を損傷することがな
く、確実な接続が行われ、その信頼性が極めて高いため
である。しかし、金細線を自動ボンダーにかけて接続を
行なうと、金細線は再結晶化温度が低く耐熱性を欠（た
めに、金ボール形成の直上部において引張力が低下し断
線を起すという問題がある。これを解決するために、接
続時に形成させる金ボールの形状および硬さを損わない
程度に、純金に微量の添加元素を加えて破断強度と耐熱
性を向上させた種々の金合金材料によるボンディング線
が公表されている。

本発明者らも、この解決策として特開昭６１−１１０７
３５号に耐熱性に優れた金合金を開示した。

一方、半導体生産技術の急速な革新は年を追う毎に目ざ
ましく進展し、その機能および形態も多様化している。

同一機能ならより薄形化、軽量化、小型化する傾向にあ
り、同一容積ならシステムの複合化、多機能化する要求
が強くなっている。

又、トランジスター、ＩＣ，ＬＳＩなどの半導体素子と
ボンディング線をその後の取扱いから、又、温度、湿気
、汚染物質などの外部環境変化から保護し、外部リード
を個々に絶縁保持するために半導体を封止用樹脂でパッ
ケージされるが、薄形化、小型化するに伴ない、使用さ
れるボンディング線はより細径であって、破断強度と耐
熱特性に優れた材質のものが要求されている。

具体的には次の要求を十分満足させる必要がある。

■　薄形のモールド工程に対応できること。

半導体の大部分を占めるプラスチックパッケージのモー
ルド方法は、量産性のあるエポキシ樹脂による低圧トラ
ンスファー形成方式により行われる。使用されるエポキ
シ樹脂は、デバイス特性の変化を防止するために、溶融
シリカ粉を充填材として添加し、樹脂を低応力化させて
いる。そのため、モールド時の熱と圧力およびシリカ粉
末の影響を受けて、接合されたボンディング線がワイヤ
フローを呈し、ボンディング線の曲がりや線間短絡を起
させるので、ボンディング線はより耐熱性と破断強度を
有する材質のものとする必要がある。

■　薄形化パフケージに対応できること。

挿入型デバイスのＤＩＰでは面積率が大きいため、薄形
化、小型化の多ビン用として表面実装用デバイスのＳＯ
Ｐ、、ＦＰＳＰＬＣＣなどが急速に普及しつつある。こ
れらの薄形化に対応できるボンディング線としては、ボ
ール形状が真珠であって、且つ接合のループ形状が低（
形成できる材質のものが前提要件となる。つまり、微小
電極の接合に信軌性があり、ペアチップに近いパッケー
ジが成形できることである。

■　高速自動ボンダーに対応できること。

自動ボンダーは近年より高速化されており、＼時の熱の
影響を連続的に受けて破断強度が低下し、且つ接合キャ
ピラリーの高速移動で受ける引張力も大きくなるので、
これらの条件に十分耐えることが要求されている。

前記の諸条件に適合するには、ボール形状が真球で、よ
り耐熱性に優れた金合金を供すべき問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記の課題に鑑みてなされたちのであって、
薄形のプラスチックパッケージに適合できる耐熱性と破
断強度に優れたボンディング線に使用する金合金を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を
行なった結果、イツトリウムと鉛とカルシウムとを特定
割合で含有する金合金をボンディング線に使用すると、
高温の破断強度にすぐれたものとなり、ボール形状が真
球形で、ループ高さが低く、ワイヤフローを生じないこ
とを見出して本発明を完成した。

本発明の構成は、イツトリウム３〜１２０重量ｐｐｒａ
ｓ鉛３〜１２０重量ｐｐ曽、カルシウム３〜５０重ｉｔ
ｐｐｍとを含有し、残部が不可避不純物と金とから成る
ことを特徴とするものである。

以下、本発明の構成について更に詳細に説明する。

高純度金にイットリウム３〜１２０゛重量ｐｐ醜ト鉛３
〜１２０゛重＃Ｌｐｐｍとカルシウム１〜５０重量ｐｐ
彌をそれぞれの範囲に含有させると、前記三元素の相剰
作用によって耐熱性が向上し、薄形化のパッケージ形成
に対応できるものとなる。これら三元素の好ましい含有
量は、イツトリウム２０〜１００重量ｐｐＨ１％鉛１０
〜１００Ｍ量ｐｐｍ、カルシウム５〜４５重量ｐｐｍで
ある。

イツトリウムの含有量が３〜ｐｐｍ未満であるときは、
耐熱性が向上せず、封止樹脂の影響を受けて接合のボン
ディング線がワイヤフローを呈するので好ましくない。

逆に、１２０ｐｐｍを越えると、ボール表面に酸化皮膜
が形成され、ボール形状に歪を生じるので、微小電極と
の接合の信頼性を著しく低下させるものとなる。

鉛の含有量が３　ｐｐｍ未満であるときは、耐熱性が向
上せず、封止樹脂の影響を受けて接合のボンディング線
が僅かながらワイヤフローを呈する。逆に、１２０ｐｐ
ｍを越えると、ボール形状に歪を生じ、真球度が低下し
、その含有量が多（なると金に固溶しなくなり、線引き
加工性を阻害する。

カルシウムの含有量が１　ｐｐｏ＋未満であるときは、
耐熱性が不足し、封止樹脂の影響を受けて接合のボンデ
ィング線が僅かながらワイヤフローを呈する。逆に、５
０ｐｐｍを越えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され
、ボール形状に歪を生じるので、微小電極との接合の信
頼性を著しく低下させるものとなる。

（実施例） 以下、実施例と比較例を対比させて本発明を更に詳細に
説明する。

全純度が９９．９９９重世％以上の電解金を用いて第１
表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、常温で伸線加工を行ない
最終線径を２５μｍφの金合金細線とし、大気雰囲気で
連続焼鈍して伸び値が４％になるように半硬質に調質す
る。勿論、バッチ焼鈍を施してもよい。

得られた金合金細線について、それぞれ常温引張特性、
高温引張特性、接合のループ高さ、モールド時のワイヤ
フローおよびボール形状を調べた結果を第１表に併記し
た。

常温引張特性は、室温で引張試験を行ないその破断荷重
を測定し、高温引張特性は２５０℃×２０秒の温度雰囲
気で引張試験をしてその破断荷重と伸びを測定する。

接合のループ高さは、高速自動ボンダーを使用して半導
体素子（ＩＣ１１６ｐ）上の電極と外部リードとの間を
サーモソニック法で接合した後、形成されるループの頂
高とチップの電極面とを光学顕微鏡（Ｘ　４００倍）で
観察して高低を測定する。

ワイヤフローは、高速自動ボンダーで半導体素子（ＩＣ
１１６ｐ）上の電極と外部リードとを接合し、薄形モー
ルドの金型内にセットして固型樹脂を溶融し、圧力にて
金型内に注入し樹脂封止する。かく得られたパッケージ
をＸ線で観察し、封止樹脂中のシリカ粉末によるボンデ
ィング線の歪み、すなわち、直線接合からの最大湾曲距
離りと接合スパン距離ｌとを測定し、歪＝ｈ／１Ｘ１０
０Ｏ値からワイヤフローの良否を評価した。

○印：歪値３％未満（薄形パッケージに適合する） △印：歪値３〜１０％ ×印：歪値１１％以上 ボールの形状は、高速自動ボンダーを使用し、電気トー
チ放電によって得られる金合金ボールを走査電子顕微鏡
（Ｘ　５００倍）で観察し、ボール表面に酸化物が生ず
るもの、ボールめ形状がイビツになるもの、半導体素子
の電極（１００〜１３０μｍ角）に良好な形状で接合で
きないものをＸ印で、良好なものを○印で評価した。

結果かられかるように、実施例１〜９は耐熱性が適切に
付与され、半導体素子上の電極と外部リードとの接合の
高さを低く形成することが　　　−でき、封止樹脂によ
るワイヤフローの影響を無視することができ、且つ形成
されるボール形状が良好であるため、信頼性のある接合
ができる。

比較例１は、イツトリウム量が不足するため、ループ高
さが高く、封止樹脂の影響を受けてワイヤフローを呈す
るので好ましくない。

比較例２は鉛量が不足するため、ループ高さが高くなり
、僅かながらワイヤフローを呈する。

比較例３は、カルシウム量が不足するため、比較例２と
同様の挙動を示す。比較例４．５．６は、イツトリウム
、鉛、カルシウムのそれぞれの含有量が多いため、ボー
ル形状に歪が生じ、電極上に良好な形状で接合できない
ので好ましくない。

（効　果） 以上、説明した如く、本発明にかかる金合金をボンディ
ング線として用いると、高温の引張特性が優れ、接合の
ループ高さが低く形成でき、封止樹脂注入によるワイヤ
フローもな（、高速自動ボングーに十分対応できると共
に形成されるポール形状も真球であるので、急速に普及
しつつある薄形パッケージ用ボンディング線として信顛
性よく実用に供せられる利点がある。従って産業上に寄
与する点が多大である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イットリウム３〜１２０重量ｐｐｍ、鉛３〜１２０重量
   ｐｐｍ、カルシウム１〜５０重量ｐｐｍとを含有し、残
   部が不可避不純物と金とから成ることを特徴とする耐熱
   性に優れた金合金。