JP3673368B2

JP3673368B2 - 半導体素子用金銀合金細線

Info

Publication number: JP3673368B2
Application number: JP13411497A
Authority: JP
Inventors: 智裕宇野; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JPH10326803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用される接合部信頼性に優れた金合金細線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ，ＬＳＩなどの半導体素子上の内部配線と、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、現在は金とアルミニウムが使用されている。アルミ細線ではアルミ電極部との同種材料の接続が得られるため信頼性が高いことが長所であり、金細線の長所として、金は化学的に安定あることが挙げられる。金細線はアルミ電極との接続に用いるボール接合において、大気中でのワイヤの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る。アルミ電極とのボール接合でも、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。これに対し、アルミは大気中で溶融すると容易に酸化するため、ボール接続には適用できず、ボールを形成しない接続法に用いられている。この接続法は使用時の量産性が落ちることから、アルミ細線の使用は、高価でも高信頼性が要求されるようなセラミックパッケージなどに限定されている。このような理由からも、ＬＳＩの大半を占める樹脂封止する半導体では、金細線が広く用いられている。
【０００３】
半導体市場では、機能性を高めることに加えて、激しい価格競争が行われ、構成部材の材料コストの削減などが切望されている。金細線では、原材料である金が高価であり、金細線の製造法の改善での低コスト化が期待できない。そこで素材コストの低減を目的として、これまでも、金に代替可能な素材として銅、銀、パラジウムの細線などが検討された。しかし、ボール形成性、接合性、信頼性、樹脂との腐食の問題など、課題が残されており、実用化には至っていないのが現状である。このような現況のもと、高密度実装にも適用できる特性を具備しており、且つ低コスト化できる半導体素子用金細線が市場から切望されている。
【０００４】
金細線のほとんど全ては、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％（４Ｎ：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、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、大幅な低コスト化のメリットを重視した場合の、１０％以上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】
金中に％オーダー以上の高濃度添加させることが可能な元素として、金と全率固溶するＡｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕなどが考えられる。しかし合金化に伴う問題も多く、低コスト化のために高濃度含有させた半導体用金合金細線として、実用化できるものは限られる。例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｕは高濃度含有することにより、５％程度の上限を目安として濃度が限られる。それ以上含有すると、ワイヤの強度増加によるワイヤ接合時の変形不良、またはボール部の硬度増加による接合時の半導体素子への損傷などが問題となるためである。
【０００６】
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５６−１３７４０号公報および特開昭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％と併用することについて開示されており、また特開昭５６−１９６２８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％と併用することについて開示されている。
【０００７】
Ａｇに関して、高濃度含有しても、細線の強度上昇も問題のないレベルであり、大気中でのボール溶融時の酸化も抑えられ、ボール部の硬化は軽減されていることが確認され、低コスト化を達成するための高濃度含有としてＡｇ添加は有望である。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を高濃度に含有した金銀合金細線は用いられていない。
【０００８】
【発明が解決しょうとする課題】
金細線を低コスト化するための有力な候補として期待される、高濃度の銀を含有する金銀合金細線では、ボール接合において、ボール形状、表面性状、接合性などにおいて良好な特性を有すること、狭ピッチ接続において隣接ワイヤと接触することのないループ形状および機械的特性を有することなどが重要となる。さらに、本発明者らは種々の実用化を研究することにより、銀の高濃度添加において最大の課題として、半導体素子上のアルミ電極との接合部において、長時間加熱したときの接合強度の低下が問題となることを見出した。すなわち、Ａｇを含有する金合金細線をアルミ電極に接合後に高温保管すると、接合強度が低下したり、さらに加熱したのみで剥離にまでいたるものが発生する。こうした金ボール部とアルミ電極との接合信頼性の著しい低下は、現有品である４Ｎ系の高純度金細線では認められない。
【０００９】
そこで本発明は、Ａｇ元素を高濃度に含有する金銀合金細線において、使用時の発熱および高温使用環境などにも耐えうるために、大気、樹脂封止された状態で高温保管された時の、アルミ電極との接合信頼性、特に高温の長期信頼性を改善することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金中にＡｇを数％オーダー以上の高濃度含有させた金銀合金細線において、Ａｇ濃度域においてある限定された範囲においてのみ接合信頼性が非常に優れていることを見出した。その適性濃度域よりずれた場合として、下限値未満および上限値を超える範囲のいずれにおいても、高温保管後の接合強度の低下による不良が発生していることが確認された。すなわち、ある限定された濃度域でのみ、優れた接合信頼性が得られるものである。
さらに、接合性およびループ形状という観点の改善を考慮して、金と銀の合金細線において、第３元素添加を検討した結果、適正範囲の含有量とすることが良好であることを確認した。
【００１１】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、以下の各項に記載した構成を要旨とする。
（１）Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、残部を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１１〜１８．５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０．０１〜４重量％（但し、Ｃｕは０．３〜４重量％）の範囲で含有し、残部を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１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、さらにＣａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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１１〜１８．５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０．０１〜０．２重量％の範囲で含有し、残部を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。
【００１２】
（５）Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４重量％の範囲で含有し、さらにＩｎを必須成分とし、Ｃａ，Ｉｎ，希土類元素の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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）Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、Ｍｎ，Ｃｒの少なくとも１種を総計で０．０１〜０．２重量％の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４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０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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。
（７）上記（１）乃至（６）のそれぞれに記載の細線を用い、アルミまたはアルミ合金である配線電極部とを接続した半導体素子。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、金銀合金細線に関する本発明の構成についてさらに説明する。
従来の金細線ではアルミ電極との接合部において、大気中での高温保管によって金／アルミの化合物は成長するが、実用上の大きな問題は発生していない。加速加熱試験の一例として、大気中で２００℃の高温で１０００時間の加熱試験を行っても、接合強度の低下は認められない。
【００１４】
しかし、金中に高濃度のＡｇが含有した金銀合金細線では、アルミ電極との接合部において、高温保管後に接合強度が低下するという、問題が発生した。これは、通常の金細線ではみられない現象であり、金中に高濃度含有するＡｇの影響により、接合部においての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。信頼性低下が著しい一例として、％オーダーの高濃度のＡｇを含有する金合金細線では、２００℃で１０時間加熱した接合強度が、加熱前の１／３程度まで低下しているものも観察された。
【００１５】
本発明者らの研究において、接合信頼性に関しては、Ａｇ濃度の増加に対して単調に変化するのではなく、ある一定濃度域に限ってのみ、信頼性が優れていることを初めて見出した。このＡｇの適性な濃度域としては、１１〜１８．５重量％の範囲である。これは、Ａｇの含有量が１１重量％未満および１８．５重量％を超える範囲であれば、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。すなわち、Ａｇの濃度域が上記範囲内でのみ、優れた実用性能を発現するものであり、しかも低コスト化としての大きな効果も期待される。
【００１６】
上記の金銀合金細線を製造する上において、伸線工程の途中に加熱処理を施すことにより、最終線径での熱処理（調質焼鈍）をした状態で、強度の増加に加えて伸びも向上することが可能であり、ループ形状におけるばらつきが低減することができる。
【００１７】
また、最終線径での調質焼鈍を施した後に、細線表面に銀の安定な酸化膜を形成させておくことにより、細線の接着性および、大気中に放置している間の経時変化などを抑制できる。これは、大気中でのさらなる酸化の進行を抑えること、また金中の銀と大気中に含まれる微量な硫化ガスとの反応を抑制できるためである。
【００１８】
さらに上記のＡｇを高濃度に有する半導体素子用金銀合金細線において、接合信頼性を損なわないで、使用性能を高める効果が得られることを見出した。
【００１９】
本発明の金銀の合金細線に、さらにＣｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４重量％（但し、Ｃｕは０．３〜４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直後の接合強度が高まることができる。その効果は、上記の元素を高純度の金のみに添加するよりも、Ａｇと併用して含有させることにより、より高められる。Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの含有量を上記範囲と定めたのは、０．０１重量％未満であれば上記効果は小さく、４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。
【００２０】
金中に多量の銀が含有すると、伸線時の強度が増加することに関連して、製造工程において伸線加工による硬化が進むため、伸線時の断線不良や加工ぐせが発生したり、さらに半導体素子とリード部とを結線した後にも、金銀合金細線のループ形成時に曲がり変形が増えることが懸念される。本発明の金銀合金細線に、さらにＣａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有すると、伸線時の断線不良が低下し、ループ形成時の曲がり変形が低下するため、隣接する細線ピッチが狭い高密度接合に好適な金銀合金細線が得られる。その効果は、上記の元素を高純度の金のみに添加するよりも、Ａｇと併用して含有させることにおいて、高い効果が得られる。
Ｃａ，Ｃｅ，Ｙの含有量を上記範囲と定めたのは、０．０００５重量％未満であれば上記効果は小さく、０．０５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。
【００２１】
本発明の金銀の合金細線に、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４重量％の範囲で含有させ、さらにＩｎを必須成分とし、Ｃａ，Ｉｎ、希土類元素の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有させると、樹脂封止工程における金銀合金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。上記の元素添加による樹脂封止時の変形量の低減する効果については、Ａｇと併用して含有させることにおいて、より高い効果が得られる。ここで、各元素群の含有量を上記範囲と定めたのは、前述した理由に基づくものである。
【００２２】
本発明の金銀の合金細線に、さらにＭｎ，Ｃｒの少なくとも１種を総計で０．０１〜０．２重量％の範囲で含有すると、樹脂封止された接合部においての信頼性が向上する。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。ここで、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。
【００２３】
【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。
【００２４】
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に併記した。
【００２５】
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１０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。
【００２６】
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た。
【００２７】
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示した。
【００２８】
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。
【００２９】
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○印で表記した。
【００３０】
表１（表１−１，表１−２）において、実施例１〜３は本発明の請求項第１項記載に係わるものであり、実施例４〜１０は第２項、実施例１１〜１８は第３項、実施例１９〜２３は第４請求項、実施例２４，２５は第５項、実施例２６，２７は第６請求項記載に係わる金銀合金細線の結果である。
【００３１】
また表２の実施例ｂ１〜ｂ２６は、Ａｇの含有量が請求項第１項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第２項から第４請求項に記載されている適性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は請求項第２項に対する比較、実施例ｂ９〜ｂ２０は第３項、実施例ｂ２１〜ｂ２６は第４項に対する比較として示した。
【００３２】
表３はＡｇの含有量が本発明を外れる比較例であり、加熱後の接合強度では、比較例１の高純度金では低下しなかったが、比較例２，３ではＡｇ濃度が１１重量％未満であり、比較例４，５ではＡｇ濃度が１８．５重量％超であり、いずれも、加熱後に接合強度が低下していた。それに対し、単独添加したＡｇ濃度が本発明の成分範囲である実施例１〜３では、接合強度の低下は認められず、非常に良好であった。
【００３３】
実施例１〜３の金銀合金細線の伸線工程の途中において、線径１００μｍの時に加熱処理を施しておくと、線径が２５μｍでの連続焼鈍後の引張伸びが２割以上向上し、ループ形状のばらつきも低減していた。
【００３４】
さらに、実施例１〜３のいずれの細線とも、線径である２５μｍでの調質熱処理において、温度が５５０℃では、表面に銀の酸化膜が形成されており、大気中に５ヶ月放置した後も、細線表面の変色は認められず、５００本のリード端子との接合性テストでも不良はみられなかった。それに対し、３００℃の低温で調質熱処理した上記の細線では、表面の部分的に赤色部分が認められ、接着性において２本で接着不良が認められた。
【００３５】
Ａｇの適性量の含有に加えて、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔを０．０１〜４重量％（但し、Ｃｕは０．３〜４重量％）の範囲で含有する実施例４〜１０では、接合直後の接合強度が６０ｇｆ以上と高い値を示しており、例えば含有量が上記範囲をはずれる実施例ｂ１〜ｂ８などと比較しても、２割以上の向上が確認された。
【００３６】
Ａｇの適性量の含有に加えて、Ｃａ，Ｃｅ，Ｙの含有量が０．０００５〜０．２重量％の範囲である実施例１１〜１８では、ループ形成時のワイヤ曲がり量が２０μｍ以下であり、すなわち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〜ｂ２０ではワイヤ曲がり量が３５μｍ以上であることと比較しても、４割以上低減している。
【００３７】
Ａｇの適性量の含有に加えて、Ｍｎ，Ｃｒの含有量が０．０１〜０．２重量％の範囲である実施例１９〜２３では、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。一方、Ｍｎ，Ｃｒの含有量が０．２重量％を超えると、ゴール部の形状が真球からずれて扁平であった。
【００３８】
Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの元素群と、Ｉｎを必須成分とし、Ｃａ，Ｉｎ，希土類元素の元素群とを、本発明の請求項第５項に記載の範囲で含有する実施例２４，２５では、樹脂封止時のワイヤ流れ率が２％以下であり、他の金合金細線における流れ率が４％以上の結果と比較しても、半分以下にまでに低く抑えられていることが確認された。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
【表３】

【００４２】
【表４】

【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、高濃度の銀を適性範囲で含有させて、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

Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、残部を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。
Ａｇを１１〜１８．５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０．０１〜４重量％（但し、Ｃｕは０．３〜４重量％）の範囲で含有し、残部を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。
Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、さらにＣａ，Ｃｅ，Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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。
Ａｇを１１〜１８．５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０．０１〜０．２重量％の範囲で含有し、残部を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。
Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４重量％の範囲で含有し、さらにＩｎを必須成分とし、Ｃａ，Ｉｎ，希土類元素の少なくとも１種を総計で０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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。
Ａｇを１１〜１８．５重量％の範囲で含有し、Ｍｎ，Ｃｒの少なくとも１種を総計で０．０１〜０．２重量％の範囲で含有し、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．０１〜４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０．０００５〜０．０５重量％の範囲で含有し、残部を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。
請求項１乃至６のいずれか１項記載の細線を用い、アルミまたはアルミ合金である配線電極部とを接続した半導体素子。