JPH02259033A - ボンディング用金合金細線 - 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、半導体素子上の電極と外部リードとを接合す
るために使用する耐熱性に優れた金合金細線に関し、よ
り詳しくは接合後の半導体組立作業中における振動、衝
撃による断線を大巾に低減させるボンディング用金合金
細線に関する。

（従来技術） 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、金細線が使用されて
きた。このように金細線が多用されてきたのは、金ボー
ルの形成が真円球状となり、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、確実な接続ができ、その信軌
性が極めて高いためであった。しかし、金細線を自動ボ
ングーにかけて金細線の先端を溶融して金ボールを形成
させて接合を行なうと、金細線は金ボール形成の直上部
において引張強度が不足し断線を起したり、断線をまぬ
がれて接合された金細線は樹脂封止によって断線したり
、ワイヤフローを呈し短絡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、高純度金中に微量の
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
ボンディング用金合金細線が公表されているが、接合の
ループ高さが適切でないため、高く、近年急速に普及し
つつある薄型パッケージに対応させるには十分でないと
いう問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 一方、半導体装置の製造分野では集積度の高密化が一段
と進み、接合の高速化と共に３０〜２５μｍ径の耐熱性
を有する金合金細線が多く使用されているが、接合後、
半導体組立作業を経たボンディング線がネック切れを起
し、接合の信転性が低下するという問題がある。この問
題は半導体組立作業中での振動および搬送工程で起る機
械的な振動、衝撃などによってボンディング線がネック
切れを起し、接合不良率が増加するものである。第１図
および第２図はネック断線を呈する説明図を示したもの
で、例えば、２５μｍ径の耐熱性金合金細線を用いて半
導体素子をマウントする基体上のアイランド（１）に半
導体素子（２）を接合剤（３）によって固定し、ボンデ
ィング線（６）の先端をボール状（７）に溶融して、半
導体素子（２）上の電極（４）とインナーリード（５）
をボンディング線（６）によって接合した後、半導体組
立作業を行うと、工程中振動および衝撃を受けてインナ
ーリード（５）が−１−（５゛）、下（５°゛）に振動
すると共に、ボンディング線（６）も上（６゛）、下（
６′）に振動を繰返すごとになる。そのためボンディン
グ線（６）は接合のボール（７）形成時の熱によって形
成される再結晶粒部（８）の粗大結晶粒の部分でネック
断線を起すことになる。実際には、インナーリード（５
）の振動と共にアイランド（１）も振動し、ボンディン
グ線（６）はかなりの衝撃を受けることになる。このよ
うなネック切れ断線はインナーリード幅がより細くなる
高密化実装の多極ピンを有するＩＣパンケージが問題と
なる。ネック切れ断線を低減するには、ループ高さを高
くし、使用するボンディング線の線径を大きくすればよ
いが、ループ高さを高くすると、半導体素子を樹脂で封
止するときにワイヤフローを呈したり、線径を大きくす
ると、金材料使用による経済性が満足されない。

そのため、本発明者らは、先にループ高さが低く、接合
が良好なボンディング線として、高純度金中に微量のイ
ツトリウムとカルシウムを添加したボンディング用金合
金細線を特願平１−２３４７３号で提案したが、半導体
組み立て作業中で振動、衝撃などを受けた場合、ネック
切れ断線において必ずしも十分でなく、改善する必要が
あることがわかった。

本発明は、上記に鑑みでなされたもので、特願平１−２
３４７３号の有する緒特性を損わずに、振動破断率を大
巾に低減し得るボンディング用金合金細線を提供するこ
とを目的とするものである。

（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振動破断率
を低減させる添加元素の有無について鋭意検討を行った
結果、銀を特定割合で含有させたボンディング線として
使用すると、ボール形状およびループ高さが適切で、振
動破断率が大巾に低減できることを見出して本発明を完
成したものである。

本発明は、高純度金にイットリウム３〜１０’０重量ｐ
ｐｍ　、カルシウム１〜５０重量ｐｐｍを添加し、これ
ら添加元素の総量を４〜１１０重量ｐｐｍの範囲とし、
更に銀５〜１００重１ｔｐｐｍを添加したボンディング
用金合金細線である。

以下、本発明の構成について更に説明する。

本発明で使用する高純度金とは、純度が９９゜９９重量
％以上の金を含有し残部が不可避不純物から成るもので
、特に銀の不純物が５重量ｐｐｍ未満のものである。

イツトリウムとカルシウムの添加は、金の結晶格子に歪
を与えて再結晶温度を高め、結晶粒界にイツトリウムと
カルシウムを析出させて常温強度と耐熱性を向上させ、
接合時のループ高さを低くして、且つ高速自動ボングー
にも適合させるものである。

イツトリウムの添加量が３重量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ワイヤフ
ローを呈し、且つループ高さにバラツキが生じ不安定な
接合となる。逆に、イツトリウムの添加量が５０重量ｐ
ｐｍ近傍を超えると、その添加にかかわらず耐熱性効果
は飽和状態となって余り向上せず、１１０重量ｐｐｍを
超えると、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、且つイツトリウムが金の結晶粒界に析出
して脆性を生じ、伸線加工に支障を起こす。その好まし
い添加量は３〜６０重量ｐｐｍである。

カルシウムの添加量が１重ｆｆｉｐｐｍ未満であるとき
は、イツトリウムとの相剰作用に欠け、耐熱性が不安定
となり、ループ高さにバラツキを生じ、僅かながらワイ
ヤフローを呈する。

逆に、５０重量ｐｐｍを超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、且つカルシウムが
金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工に支障を
起す。その好ましい添加量は１〜４０重量ｐｐｍである
。

従って、イツトリウムとカルシウムの添加総量を４〜１
１０重量ｐｐｍとするが、好ましい添加総量は４〜４０
重量ｐｐｍである。

銀の添加は、イツトリウムとカルシウムの結晶粒界析出
を抑制し、ボンディング線の靭性特性を向上させる。銀
の添加量が５重量ｐｐｍ未満であるときは、イツトリウ
ムとカルシウムの粒界析出を抑制する効果を欠き、ボン
ディング線の靭性特性を示さなく、振動破断率が大きい
。

逆に１００重量ｐｐｍを超えると、ボール形状が悪くな
り接合の信顛性を低下させる。その好ましい添加量は１
０〜６０重ｆｆｉｐｐｍである。

（実施例） 以下、実施例について説明する。

全純度が９９．９９重量％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２５μｍφΦ金合金細線とし、大気雰囲気中
で連続焼鈍して伸び値が４％になるように調質する。

得られた金合金細線について、常温引張強度、ループ高
さ、ボール形状、ワイヤフローの有無および振動破断率
を調べた結果を第１表に併記した。

接合のループ高さは、高速自動ボンダーを使用して半導
体素子上の電極と外部リードとの間を接合した後、形成
されるループの頂高とデツプの電極面とを光学顕微鏡で
観察してその高さを測定する。

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
で観察し、ボール表面に酸化物が生ずるもの、ボールの
形状がイビツになるもの、半導体素子の電極に良好な形
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。

ワイヤフローは、高速自動ボンダーで半導体素子上の電
極と外部リードとを接合し、薄型モールドの金型内にセ
ントして封止用樹脂を注入した後、得られたパッケージ
をＸ線で観察し、封止用樹脂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わん面距離と接合ス
パン距離とを測定し、歪値からワイヤフローの良否を評
価した。

○印：歪値３％未満（薄型パッケージに適合する） △印：歪値３〜１０％ ×印：歪値１１％以上 振動破断率は、半導体素子をマウントするＰＬＣＣ基板
（ボンディングスパン：１ｍｍ５インナーリードピンが
６８本四方に配列されているＩＣパッケージ用４２Ｎｉ
−Ｆｅ合金基板を１枚中に６個有するもの）を１０枚、
マガジンに収納し、前記２５μｍφの金合金細線を自動
高速ボンダーにかけて、半導体素子上の電極とインナー
リードとを接合し、マガジンに収納する。

該マガジンを荷台車にのせ、長さ４ｍの縞板鋼板上を４
　ｋｍ／ｈｒの速度で８往復させて強制的に振動を与え
た後、接合部のネック切れ断線を調べる。

結果かられかるように、本発明に係る実施例はイツトリ
ウムとカルシウムの添加に加えて、銀が適切に添加され
ているので振動破断率を大巾に低減させ得る。比較例４
は銀の添加量が少ないため振動破断率を低減できない。

比較例５は銀の添加量が多いためボール形状が真球状と
ならず、比較例６，７は実施例２，８に対比させるもの
で、銀が添加されていないため靭性特性に欠け、振動破
断率が大きくなる。

（効　果） 以上説明した如く、本発明に係る金合金細線は、常温の
機械特性、ループ高さ、ボール形状がそれぞれ適切に保
持できて自動高速ボングーに対応できると共に振動破断
率も大巾に低減でき、ワイヤフローも起さないので、薄
型パッケージのボンディング線として実用に供せられる
利点があり、高密化半導体装置の経済面にも寄与する点
が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体素子上の電極とインナーリードとを接合
したボンディング線の振動、衝撃を受ける拡大説明図、
第２図は第１図における半導体素子上の電極部の拡大説
明図であって、図面の符号は次の通りである。 （１）・・・・・・アイランド、（２）・・・・・・半
導体素子、（３）・・・・・・接合剤、（４）・・・・
・・半導体素子上の電極、（５）・・・・・・インナー
リード、　（６）・・・・・・ボンディング線、（７）
・・・・・・ポール、（８）・・・・・・再結晶粒部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高純度金にイットリウム３〜１００重量ｐｐｍ、カルシ
   ウム１〜５０重量ｐｐｍを添加し、これら添加元素の総
   量を４〜１１０重量ｐｐｍの範囲とし、更に銀５〜１０
   ０重量ｐｐｍを添加することを特徴とするボンディング
   用金合金細線。