JPH02215140A

JPH02215140A - 半導体素子用金合金細線及びその接合方法

Info

Publication number: JPH02215140A
Application number: JP1037263A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kinoshita; 真木下; Hideya Sasaki; 佐々木　英弥; Masayuki Tanaka; 正幸田中; Masaki Morikawa; 正樹森川
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1990-08-28
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JP2701419B2

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〕この発明は、自動車の内装部品などに使用される半導体
素子において、高温での使用に伴いボンディング・ワイ
ヤとＳｉチップ上のＡｇ合金配線被膜との接合部の劣化
による接続不良などを起こしにくいような半導体素子用
金合金細線に関する。

〔従来の技術〕

一般に、半導体素子としてトランジスタやＩＣ１さらに
Ｌ’Ｓｒなどが知られており、ｒＣの製造法の１つとし
て次に示すようなものがある。

（ａ）まず、リードフレーム素材として、板厚二０．１
〜０．３＋ｕ＋を有するＣｕ合金条材を用意する。

（ｂ）このリードフレーム素材より、エツチングまたは
プレス打抜き加工にて、製造しようとするＩＣの形状に
適合したリードフレームを形成する。

（Ｃ）ついで、リードフレームの所定個所に、ｓｉチッ
プを、Ａｇペーストなどの導電性樹脂を用いて加熱接着
するか、あるいは、予めＳｉチップおよびリードフレー
ムの片面に形成しておいたＡｇ。

Ａｕ　、Ａｇ　、Ｎｉ、Ｃｕまたはこれらの合金で構成
されためっき層を介してはんだ付けするかＡｕろう付け
をする。

（ｄ）Ｓｉチップとリードフレームとに渡って、それぞ
れ予め形成されたＡｇなどの電極面にボンディングワイ
ヤとして直径：　２０〜５０μｍを有するＡｕ細線を用
いてボールボンディングを施す。

（ｅ）引続いて、Ｓｉデツプ、ボンディングワイヤ、お
よびＳｉチップが取付けられた部分のリードフレームを
、これらを保護する目的で樹脂封止する。

（「）最後に、上記リードフレームにおける相互に連な
る部分を切除して個々のＩＣを形成する。

以上（ａ）〜（「）の主要工程からなる方法が知られて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、最近、半導体素子を用いた装置の使用される
環境条件がますます厳しくなっており、例えば自動車の
エンジンルーム内で使用される内装部品などのように高
温や高湿、あるいは振動などを受けるような環境下での
使用が要求されてきている。ところが、従来の金線にお
いては、へσ電極面との接合部において、ＡｕとＡｌと
の金属間化合物が形成されて脆化し、後の樹脂封止工程
や使用に伴う振動により断線や接続不良が生じて製品の
安定性を損なってしまうという不都合があった。

〔課題を解決するための手段〕

そこで、本発明者等は上述のような観点から、高温下で
の信頼性を向上させる金ボンディングワイヤを開発すべ
く研究を行った結果、（ａ）金中にＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎを適量含有させることに
より、高温においてＡｌとＡｕの金属間化合物の形成を
抑制する作用がある。

（ｂ）上記の作用を顕すには、上記金属元素は、金中に
少なくとも１００重量ｐｐｍ（以下、単にｐｐｍと記す
）以上添加する必要がある。また、添加量が１００００
　ｐｐｍを超えると、ボンディングのために金線の先端
を加熱したときに溶融した先端部が真球状にならず、ボ
ンディング性がよくない。

（ｃ）上記Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの１種または２種以上を含
む金に、さらにＢｅ、Ｇｅ、Ｃａ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｓｎ、
Ｔｉ、Ｚｒ。

Ｍｇ、Ｂなどの元素を添加することによりこれらの元素
がＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎの金属間化合物抑制作用を高める。

（ｄ）Ｎ　ｉ、　Ｃｕ、Ｍ　ｎを１００　ｐｐｍ以上含
むボンディングワイヤを大気中で加熱すると、これらの
金属が酸化されて不純物となり、ボールの真球度を低下
させるが、ボンディング作業を不活性雰囲気で行うこと
により上記問題を回避することができる。

以上（ａ）〜（ｄ）に示される知見を得たのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって
、第１の請求項において、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち１種ま
たは２種以上を総計で１００〜１０（）００ｐｐｍを含
み、残部がＡｕ及び不可避不純物からなる半導体装置用
金合金細線を提供し、また、第２の請求項において、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち
１種または２種以上を総計でｌＯＯ〜１００００　ｐｐ
ｍ含み、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｃａ、Ｌａ、Ｓ　ｉ、Ｓ　ｎ、Ｔ
　ｉ、Ｚｒ。

Ｍｇ、Ｂのうち１種または２種以上をそれぞれ１〜５０
ｐｐｍ、かつ総計で１００　ｐｐｍ以下含み、残部がＡ
ｕ及び不可避不純物からなる半導体素子用金合金細線を
提供し、第３の請求項において、上記の半導体素子用金合金細線
を用いて、不活性雰囲気中で該半導体素子用金合金細線
と電極の間に電圧を印加し、該半導体素子用金合金細線
の先端部を溶融させてボールを形成し、Ａ１２電極に該
ボールを押圧して接合する方法である。

〔作用〕

この発明の半導体素子用金合金細線において、合金成分
としてのＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎの含有量を１００〜１０００
０ｐｐ−と定めたのは、その含有量が１００９１１１１
１未満では、上記のように半導体装置の実用に際して、
高温下での使用時にワイヤとＡｆｆ電極との接合部にお
ける金属間化合物の形成を抑制する効果が無く、一方そ
の含有量が１００ｏ。

ｐｐｍを越えると、ワイヤボンディング時におけるワイ
ヤ先端部に形成されたボール部の変形に伴う加工硬化が
急激に現われるようになって、真球度が低下し、ボンデ
ィングが困難となるとともに接続強度が低下するという
理由に基づくものである。

また、第２の発明において、Ｂ　ｅ、　Ｇ　ｅ、　Ｃａ
、　Ｌ　ａ。

Ｓ　ｉ、Ｓ　ｎ、Ｔ　ｉ、Ｚ　ｒ、Ｍｇ、Ｂの含有量を
それぞれ１〜５０ｐｐｎ＋に設定したのは、ｌ　ｐｐｍ
未満ではＮｉ、Ｃｕ。

Ｍｎの作用を促進する効果がなく、それぞれが５０　ｐ
ｐｍを超えると上述したと同様に真球度が低下するとと
もに、線引き加工性が低下するので、ワイヤを製造する
際の能率の低下などをもたらすことになる。また、個々
が上記範囲にあってし総計で１００　ｐｐＩｌを超える
と同様の不具合がもたらされる。

このような組成の半導体素子用金合金細線によれば、Ａ
ｌ電極とワイヤを接合した後、素子を高温環境において
使用した場合でも、接合部においてＮ：、Ｃｕ、Ｍｎが
ＡρとＡｕとの間での金属間化合物の形成を抑制し、ま
た、Ｂ　ｅ、　Ｇ　ｅ、　Ｃａ、　Ｌ　ａＳ　ｉ、　Ｓ
　ｎ、Ｔ　ｉ、　Ｚ　ｒ、Ｍｇ、Ｂか上記のＮｉ、Ｃｕ
、Ｍｎの作用を促進し、抑制効果を一層高める。

なお、第３の請求項の方法のように、ボンディング工程
を不活性雰囲気中で行うことにより、上記金属元素及び
補助添加元素ともに酸化されることを防ぎ、加熱による
ボールアップ時において真球度の高いボール形成を行い
、接合作業の能率を向上させるとともに接合強度を保持
させる。

〔実施例〕

以下、この発明の金合金細線を実施例により具体的に説
明する。

通常の溶解法により、それぞれ第１表に示される成分を
有する金合金溶湯を調製し、鋳造した後、溝型圧延機を
用いて適当な断面寸法まで圧延し、続いて線引き加工を
行って直径：２５μｍφの細線とした。また、比較材と
して、本願発明の成分範囲を外れるような成分の金合金
細線を、同様の方法で製造した。

ついで、この結果得られた各種の金合金細線を用いて、
ボンディングマシンによりＡＣＣ合金配線膜膜有する電
極面にボールボンディングを行った。ボンディング方法
は、ボンディングワイヤを保持しつつ、Ｎ、ガス雰囲気
中で放電によってワイヤ先端を加熱して溶融させ、ボー
ルアップした後、電極面に押圧するものである。

さらに、実施例と比較例の金細線及びボンディング方法
を用いて結線して製造した半導体素子を２５０℃、Ｎ、
雰囲気中に９００分間保持した後、Ｓ１チツプ上の金合
金細線と、１ｌｌｉ極との接合部の強度をシアテストに
より測定するとともに、これらのサンプルを切断して接
合部のＡ１２−Ａｕ金属間化合物の層厚さを測定した。

また、ワイヤの常温での引張試験を行った。これらの結
果をまとめて第１表に示す。

この表に示される結果から、第１請求項記載の発明の実
施例の金合金細線（Ｎ　ｏ、　１〜２１）は、ポールア
ップ時のボール形状がいずれも真球状であり、形成され
たＡｌ２−Ａｕ金属間化合物の層厚さも最大で４．９μ
ｍであり、接合強度も５４ｇ以上あって、いずれも総合
的に見て良好な成績を収めている。

これに対して、本発明の成分限定の範囲を外れるもの（
Ｎ　ｏ、　１００〜１１０）は、上記の試験項目のうち
のいずれか一つまたは複数の項目が不良となっている。

ここで、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎの添加量が本発明の成分より
低い場合は、ボールアップしたときの真球度は高いもの
のＡｕ−Ａｌ２化合物層の厚さが大きくなってしまう。

第２請求項記載の発明は、上記の成分に微量成分を添加
したことにより、常温での引張強度が約３ｇ程度向上し
ている。

次に、第３の請求項の発明の効果を確認するために、不
純物量がｌＯｐｐｍ以下であるような金の母材に請求項
Ｉの範囲に含まれる量のＮｉを添加したもの（Ｎｏ、３
〜ｇ）と比較例（Ｎｏ、１．２，９．１０）をＮ。

ガス雰囲気中でボンディングして第３の請求項の実施例
とし、同様の成分のサンプルを大気中でボンディングし
て比較例とし、上記と同様のテストを行った。この結果
を第２表に示す。

この結果によれば、本願第１及び第２の請求項に規定す
る成分の範囲に含まれるものであっても、酸化性の雰囲
気中で加熱してポールアップしたしのは、酸化物の生成
による性状の変化により、いびつになり、その結果、接
合強度の低下などを来している。しかしながら、本願の
第１及び第２の請求項に規定する成分の範囲に含まれ、
かつ、非酸化性雰囲気中でボールアップしたもののみが
、ボールの真球度、Ａｕ−Ａｌ化合物層厚さ、接合強度
のいずれにおいても良好な成績を示している。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように、本願の第１の請求項の発明は、
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち１種または２種以上を総計で１
００−１００００ｐｐｍを含み、残部がＡｕ及び不可避
不純物からなる半導体装置用金合金細線であるので、ワ
イヤをＡｌを主成分とする電極に接合してこれを高温で
保持しても、これらの金属元素がＡｌ−Ａｕ金属間化合
物の生成を抑制し、接合部の強度の低下を防ぐとともに
、この成分範囲においてはポールアップ時のボール形状
をゆがめることもなく、良好なボンディング性能を得る
ことができる。

また、第２の請求項の発明は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち
１種または２種以上を総計で１００〜１１００００ｐｐ
含み、さらに、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｃａ、Ｌａ、Ｓ　ｉ。

Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｂのうち１種または２種以上
をそれぞれ１〜５０　ｐｐｍ、総計で１００　ｐｐａ＋
以下含むようにしたので、これらの元素がＮｉ、Ｃｕ、
Ｍｎと相乗的に作用し、上述した金属間化合物生成抑制
作用を一層強めるとともに、金線の常温での引張強度を
も向上させることができる。

そして、第３の請求項の発明は、上記の半導体素子用金
合金細線を用いて、不活性雰囲気中でポールボンディン
グを行うことにより、金線中に含まれる比較的酸化しや
すい成分の酸化を防ぎ、ボールの真球度を維持してボン
ディングを円滑に行わせ、上述した組成の金線の特性を
充分に発揮させるものである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち１種または２種以上を総
計で１００〜１００００重量ｐｐｍを含み、残部がＡｕ
及び不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子
用金合金細線。
（２）Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎのうち１種または２種以上を総
計で１００〜１００００重量ｐｐｍ含み、Ｂｅ、Ｇｅ、
Ｃａ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｂのうち
１種または２種以上をそれぞれ１〜５０重量ｐｐｍかつ
総計で１００重量ｐｐｍ以下含み、残部がＡｕ及び不可
避不純物からなることを特徴とする半導体素子用金合金
細線。
（３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導体
素子用金合金細線を用いて、不活性雰囲気中で該半導体
素子用金合金細線と電極の間に電圧を印加し、該半導体
素子用金合金細線の先端部を溶融させてボールを形成し
、Ａｌ電極に該ボールを押圧して接合することを特徴と
する半導体素子用金合金細線の接合方法。