JPH05179375A

JPH05179375A - ボンディング用金合金細線

Info

Publication number: JPH05179375A
Application number: JP3345603A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kitamura; 修北村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-20
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2641000B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、耐熱性に優れ、ボールボンド時の
ネック強度を高めることにより、半導体素子と外部電極
とを接続するための高信頼性を有する金ボンディングワ
イヤを提供する。【構成】高純度金（純度９９．９９５％以上）に、第
１群の元素として、アルミニウムを３〜５０重量ｐｐｍ
とカルシウムを３〜３０重量ｐｐｍ含有し、必要に応じ
て、第２群添加元素として、イットリウム、ランタン、
セリウム、ネオジウム、ジスプロヂウムおよびベリリウ
ムの１種または２種以上を３〜３０重量含有し、かつ第
１群の元素と第２群の添加元素の総量が９〜１００重量
ｐｐｍであるボンディング用金合金細線。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子上の電極と
外部リードとを接続するために利用する耐熱性に優れる
金合金細線に関し、より詳しくは接合後の半導体装置組
立作業中における振動疲労による断線を大幅に低減させ
るためにボールネック部強度を向上させたボンディング
用金合金細線に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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、金合金細線
が主として使用されている。金合金細線をボンディング
する技術としては、熱圧着法が代表的な方法である。熱
圧着法は、金合金細線の先端部分を電気トーチで加熱溶
融し、表面張力によりボールを形成させ、１５０〜３０
０℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極にこのボール
部を圧着接合せしめた後に、さらにリード側との接続を
超音波圧着接合で行う方法である。

【０００３】近年、ボンディング技術の向上に伴って金
合金細線の特性を向上させる要求が強くなった。例え
ば、ボンディング時にボール直上部が高温に哂される結
果として結晶粒の粗大化が起こり、金合金線の強度が劣
化するために、半導体装置組立時の振動により断線する
という欠陥が生ずる。この防止対策としてボンディング
後のプル強度を指標とし、従来の金合金細線よりプル強
度の大なる金合金細線が望まれている。

【０００４】また、近年の薄型半導体装置の一般化に伴
い、ボンディング後のループ高さを低くする目的のため
に高純度金に大量の元素を添加せしめた金合金細線が開
発され、使用されている。例えば、カルシウムを５〜１
００重量ｐｐｍを含有してなる金ボンディングワイヤー
（特開昭５３−１０５９６８号公報）ランタン、セリウ
ム、プラセオヂウム、ネオヂウムおよびサマリウムの１
種または２種以上を３〜１００重量ｐｐｍとゲルマニウ
ム、ベリリウムおよびカルシウムの１種または２種以上
を１〜６０重量ｐｐｍ含有してなる金ボンディングワイ
ヤー（特開昭５８−１５４２４２号公報）などがある。
しかしながら、ループ高さが低くなることによってプル
強度が低下すること、および合金元素の大量添加によっ
てボールの硬さが増大し、ボンディング後の接合強度を
著しく劣化させ、半導体装置の信頼性を低下させるとい
う問題があるために、従来の比較的ループ高さの高い金
合金細線と同等の接合強度を有した、ループ高さが低
く、高信頼性を有するボンディング用金合金細線が望ま
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、これら
の従来提案された種々のボンディング用金合金細線につ
いて検討した結果、これらのボンディング用金合金細線
は、特定の添加元素を含まない高純度金線に較べて高い
引張強度は有しているものの、ボール直上部の結晶粒の
粗大化を生じる結果として半導体装置組立中に断線を起
こす場合があり、ボンディング後のプル強度のバラツキ
が大きく、信頼性に欠け、かつその値も低いという問題
があることを確かめた。

【０００６】また、ボンディング後のループ高さを低く
するために、金の再結晶温度を高くせしめる元素を大量
添加したボンディング用金合金細線は、ボンディング後
に結晶粒界の析出物によってプル強度が低下すること、
添加元素量の増大に伴いボール形成時に添加元素の酸化
によってボール表面に酸化物層が生成し、電極との熱圧
着に際して充分な接合ができなくなること、また添加元
素の大量添加でボール部の硬度が増加し、圧着時に変形
率が低下すると共にボールの先端に収縮孔が出来やすく
なり、これが半導体素子の電極との接合面積を低下させ
ることによって、シェア強度を低下させるために、ボン
ディング後のハンドリング等による振動に起因して断線
が発生したり、樹脂封止時に金合金細線が受ける封止樹
脂の流動抵抗や、その後の各種熱サイクルによる半導体
装置の構成物質の熱膨張率の差異に起因する剪断力等で
金合金細線が破断する場合があり、結果として半導体装
置の信頼性を低下させるという問題を有している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、アルミニ
ウムとカルシウムを複合添加させることで、ボールネッ
ク部の強度が高く、かつそのバラツキが少なく、ボール
ネック部の結晶粒の細かいボンディング用金合金細線が
得られること、その添加量を制御することによって、ル
ープ高さの低いボンディング用金合金細線を工業的に容
易に製造でき、前述の諸問題点を解消することができる
ことを確かめた。

【０００８】すなわち、本発明の要旨とするところは下
記のとおりである。（１）高純度金（純度９９．９９５％以上）に、第１
群の元素として、アルミニウムを３〜５０重量ｐｐｍと
カルシウムを３〜３０重量ｐｐｍ含有してなるボンディ
ング用金合金細線。（２）第１群の元素に加えて、第２群添加元素として
イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ジス
プロヂウムおよびベリリウムの１種または２種以上を３
〜３０重量ｐｐｍ含有し、かつ第１群の元素と第２群の
添加元素の総量が９〜１００重量ｐｐｍである前項１記
載のボンディング用金合金細線。

【０００９】以下、本発明の構成についてさらに説明す
る。本発明で使用する高純度金とは、純度が少なくとも
９９．９９５重量％以上の金を含有し、残部が不可避不
純物からなるものである。純度が９９．９９５重量％未
満の場合は、その含有する不純物の影響を受ける。特
に、合金元素の添加量の比較的少ない高ループ用の金合
金細線では、本発明に従った合金元素添加量での効果が
充分に発揮できない。

【００１０】アルミニウムは、金中への固溶限界が大で
あり、従来から再結晶温度を高くする効果が知られてい
るが、単独の添加では十分な効果がない。高純度金中に
アルミニウムと共にカルシウムを複合添加させることに
より、ボールネック部の強度が増大し、プル強度を向上
させ、樹脂封止工程以前の諸振動による断線を減少でき
る。この効果は、カルシウム添加のもとでアルミニウム
添加量が３重量ｐｐｍ未満であると、ボールネック部の
結晶粒が安定して細粒化せず、効果が充分でない。ま
た、アルミニウム添加量が５０重量ｐｐｍを超えると、
ボール形成時にボールが真球にならず、またアルミニウ
ムとカルシウムとの強固な酸化物がボール表面に生成
し、電極との接合時にボールと電極の圧着時に双方の新
生金属面が出にくくなることによって接合強度が低下す
ることからアルミニウムの添加量の範囲を３〜５０重量
ｐｐｍとした。

【００１１】カルシウムは、耐熱性を向上させる元素で
あることが知られているが、３重量ｐｐｍ未満ではボー
ルネック部の結晶の細粒化の効果が得られない。また、
３０重量ｐｐｍ超の添加では、ボールネック部の結晶を
細粒化し耐熱性を向上させるものの、ボール形成時にボ
ール先端部に収縮孔が生じること、ボール形成時の酸化
によってボール全表面に強固な酸化物が生成し、ボール
と電極との接合界面積を低下することによって、接合強
度（シェア強度）が低下する。また、ボールの硬さがカ
ルシウムの添加量の増大で大となり、電極との充分な接
合を確保するに必要な荷重をかけると、電極下部の半導
体素子に割れを生じる場合がある。従ってカルシウムの
添加量は、３〜３０重量ｐｐｍの範囲とした。アルミニ
ウムとカルシウムの含有量が、それぞれの上限値でも前
述の諸問題を起こさない。複合添加によって、このよう
な効果が得られるのは、アルミニウムが金中のカルシウ
ムの固溶量を増大させ、かつ結晶粒界の強度を高くする
ことによるものと考えられる。

【００１２】第２群の元素の添加目的は、伸線の際に金
合金細線の加工硬化によって、さらに伸線し易くするた
めである。第２群の元素は、単独添加の場合には、大量
添加しないと伸線時の加工硬化による常温強度の向上に
効果がない。しかしながら、第１群の元素と共に添加す
ることによって、伸線時の加工硬化が大となり、伸線時
の金線の引張強度不足による断線を防止できる。さら
に、カルシウム添加による耐熱性を、複合添加によりさ
らに向上させる効果と共に高温強度を上げる効果があ
り、結果としてアルミニウムとカルシウムとを併用添加
した上述の本発明の効果をさらに向上させることができ
る。

【００１３】これらの第２群の元素は、添加量が３重量
ｐｐｍ未満の場合には、加工硬化を促進させる効果が不
安定であり、耐熱性を向上させる複合効果も充分でな
い。他方、３０重量ｐｐｍ超の添加では、第１群の元素
のみの添加量では生成しなかったボール先端部の収縮孔
が容易に発生し、結果としてシェア強度を低下させる。
したがって、第２群の元素の添加量は、３〜３０重量ｐ
ｐｍの範囲とした。

【００１４】また、第１群と第２群の元素の総量が９重
量ｐｐｍ未満では、ボールネック部の結晶粒が安定して
細粒化せず効果が充分でなく、他方、１００重量ｐｐｍ
を超えると電気トーチによるボール形成時にボールが真
球にならず、半導体素子上の電極との接合時に充分な接
合面積が得られず、接合強度を著しく低下させ、かつ他
の電極と接触する等の問題を生じることから、第１群と
第２群の元素の総量を９〜１００重量ｐｐｍの範囲内と
した。

【００１５】

【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が９
９．９９５重量％以上の電解金を用いて、前述の各添加
元素を含有する母合金を個別に高周波真空溶解炉で溶解
し、鋳造した。なお、カルシウムとアルミニウムとを併
用添加した母合金を溶解、鋳造すると、カルシウムの添
加歩留りを向上させる効果がある。

【００１６】このようにして得られた各添加元素を含む
母合金の所定量と金純度が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、常温で
伸線加工を行い、最終線径を２５μｍφの金合金細線と
し、大気雰囲気中で連続焼鈍して金合金細線の伸び値が
約４％になるように調整する。

【００１７】得られた金合金細線について、常温引張強
度、ループ高さ、振動破断率、ボール形状および接合強
度を調べた結果を表１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に、形成されるループの
頂高と半導体素子の電極面とを光学顕微鏡で８０本測定
し、その両者の距離の差をループ高さとした。

【００１８】振動破断率は、半導体素子をマウントする
鉄−４２％ニッケルリードフレーム（ボンディングスパ
ン；２ｍｍ、インナーリードピン６４本が四方に配列さ
れているＩＣパッケージを６個有するもの）を５枚カセ
ットに収納し、前述の２５μｍφの金合金細線を自動高
速ボンディングによりチップ上の電極とインナーリード
とを金合金細線で接合させ、再びカセットに収納し、該
カセットを振動試験機に固定し、周波数１００ヘルツ、
重力加速度を１Ｇ、２Ｇ、３Ｇの各水準にて１時間の間
振動させた後に、接合部の断線状況を光学顕微鏡にて検
査を行い、断線本数の占める割合を百分率で評価した。

【００１９】ボール形状は、高速自動ボンダーを使用
し、電気トーチによるアーク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、ボール形状が異常
なもの、酸化物が生じるもの等、半導体素子上の電極に
良好な形状で接合できないものを×印、良好なものを○
印にて評価した。接合強度は、高速自動ボンディング後
にリードフレームと測定する半導体素子を治具で固定し
た後に、ボンディング後の金合金細線の中央部を引張
り、その細線破断時の引張強度を１００本測定したプル
強度とそのバラツキで評価した。また、同じく固定した
半導体素子の電極から上に５ミクロン離した位置で半導
体素子と平行に治具を移動させて接合した金ボールを剪
断破断させ、剥離時の最大荷重を１００本測定したシェ
ア強度とそのバラツキを求めた結果で判定した。

【００２０】表１、表２（表１のつづき）は、本発明の
成分組成内で製造した金合金細線の評価結果を、表３、
表４（表３のつづき）は本発明の成分組成を外れる添加
量を含む金合金細線の評価結果を示した。従来の経験か
ら金合金細線の場合は、ループ高さが低くなるとプル強
度が低下する傾向がある。表１〜表４の結果でも同様の
傾向を示している。ほぼ同一のループ高さの金合金細線
のプル強度の比較では、表２のプル強度がいずれも表４
の値よりも小さく、かつそのバラツキも小さい結果とな
っている。また、過剰の合金元素量を添加した場合に
は、シェア強度が低下しそのバラツキも大きくなってい
る。

【００２１】振動断線の場合もループ高さが低くなるほ
ど断線発生率が増大する傾向が経験的に知られており、
１Ｇの振動強度で断線する場合は、製造した半導体装置
の信頼性が低く、２Ｇでの振動強度で断線する場合は、
断線発生率が２０％以下であれば半導体装置の信頼性は
充分満たされる。表２と表４における、ほぼ同一ループ
高さの金合金細線での断線発生率は、いずれも本発明の
方が断線発生率が低い結果が得られ、半導体装置の信頼
性も充分である。

【００２２】シェア強度は、通常２５μｍの金合金細線
の場合、５０ｇ以上あれば問題がないとされている。表
２の場合は、いずれも５０ｇ以上の値を満足している
が、表４の場合には５０ｇ未満の場合があり、ボンディ
ング用金合金細線としては不十分である。ボール形状の
評価では、表１に示す本発明範囲内の成分では、いずれ
も正常なボール（表２参照）を形成しているが、表３の
成分ではボール先端部に収縮孔など異常なボール（表４
参照）になるものが存在する。

【００２３】上述のように、本発明の成分組成を外れる
場合は、プル強度とシェア強度の接合強度が不十分で、
振動断線の発生率が大であり、製造した半導体装置の信
頼性を低下させることは明らかである。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】本発明の金合金細線は、ループ高さのバ
ラツキが小さく、接合強度が高く、かつそのバラツキが
小さく、振動断線の発生率も低く、ボール形状もいずれ
も正常で、安定したボンディングが可能であり、線径が
１８〜３０μｍでも同様な効果が得られたことから、工
業上有用な特性を有するものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高純度金（純度９９．９９５％以上）
に、第１群の元素として、アルミニウムを３〜５０重量
ｐｐｍとカルシウムを３〜３０重量ｐｐｍ含有してなる
ボンディング用金合金細線。
【請求項２】第１群の元素に加えて、第２群添加元素
としてイットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウ
ム、ジスプロヂウムおよびベリリウムの１種または２種
以上を３〜３０重量ｐｐｍ含有し、かつ第１群の元素と
第２群の添加元素の総量が９〜１００重量ｐｐｍである
請求項１記載のボンディング用金合金細線。