JPH08291348A - 半導体素子用金合金細線 - Google Patents

半導体素子用金合金細線

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JPH08291348A
JPH08291348A JP9570295A JP9570295A JPH08291348A JP H08291348 A JPH08291348 A JP H08291348A JP 9570295 A JP9570295 A JP 9570295A JP 9570295 A JP9570295 A JP 9570295A JP H08291348 A JPH08291348 A JP H08291348A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、スパン長の影響を軽減し、ボンデ
ィング時のループ曲がりおよび樹脂封止時のワイヤ変形
を低減して、高密度実装に適した半導体素子用金合金細
線を提供することを目的としている。 【構成】 Ｃａを１０〜６０重量ｐｐｍ、ＹまたはＳｃ
の１種または２種を総計で５〜７０重量ｐｐｍ、Ｌａま
たはＣｅの１種または２種を総計で６〜８０重量ｐｐ
ｍ、Ｉｎを６〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部は金とそ
の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。同金合金細線は、必要に応じてＡｌ、Ｃ
ｕ、Ｐｔ、Ｐｄの１種または２種以上を総計で５〜１０
０重量ｐｐｍおよび／またはＳｉ、Ｇｅの１種または２
種を総計で５〜５０重量ｐｐｍ含有し得る。

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
外部リードを電気的接続するためのボンディングに使用
される半導体素子用金合金細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在半導体素子上の回路配線電極と外部
リードとの間の電気的接続としては、ワイヤボンディン
グ方式が主として使用されている。最近、半導体の高集
積化、多機能化が進み、さらにＩＣチップの小型化、薄
型化の要求も高まる中で、半導体実装の高密度化に対す
るニーズが高まっている。端子数が増加する多ピン化を
実現するためには、インナーリード部がシリコンチップ
に対して後退するため、ワイヤの接合間（スパン）が長
くなる傾向にある。従来のスパンは４ｍｍ以下が主流で
あったが、近年スパンが５ｍｍ以上のロングスパンが所
望され、直線性の確保や、ばらつきの低減などループ形
状を厳密に制御することが難しくなっている。
【０００３】また、多ピン化に伴い、電極間隔が減少す
る狭ピッチ化が要求され、ワイヤ間の最小ピッチが１０
０μｍ以下のものまで所望されており、ワイヤも細線化
が望まれている。こうした多ピン化、狭ピッチ化を達成
するために、ボンディング装置の改善、ルーピング性に
優れたワイヤの開発などが進められている。半導体実装
の高密度化において、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に
対応するためには、樹脂封止時のワイヤ流れを抑えるこ
とが課題となる。粘性の高いエポキシ樹脂による封止時
に、ワイヤが変形して流れることに起因して、隣接ワイ
ヤ間の接触や、ワイヤとチップまたはインナーリード部
との接触などに伴う不良が発生するものである。狭ピッ
チ化の実現のためにワイヤを細線化すると、強度が低下
して、封止後のワイヤ流れの問題はより一層深刻とな
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スパン長が大きく異な
ると、ループ形状が変化することはもちろんであるが、
さらに樹脂封止時のワイヤの変形挙動に及ぼす影響も大
きい。例えば、ループ全体がほぼ均等に変形したとして
も、ワイヤ流れ値の絶対値はスパンとともに大きくなる
傾向にあり、スパンが５ｍｍ以上のロングスパンになる
と、ワイヤの樹脂流れの抑制が最大の課題となる。一
方、スパンが３ｍｍ程度までの通常の短スパンでは、ル
ープの弛みが少ないことからも、ボール直上のネック部
にかかる負担が大きく、このネック部の変形が樹脂流れ
に及ぼす影響が大きい。また、従来のロングスパン用ワ
イヤを使用して短スパンを接続した場合の傾向として、
ループ高さが低くなることに起因したプル強度の低下も
無視できなくなる。
【０００５】これらの傾向については、ルーピング条件
や樹脂封止条件などの装置条件も複雑に関与するため、
定量的には整理し難いが、スパン長に合わせた金合金細
線の使い分けが要求され、特性を十分把握した上での使
い分けが困難である。本発明は、スパン長の影響を軽減
し、ボンディング時のループ曲がりおよび樹脂封止時の
ワイヤ変形を低減して、高密度実装に適した金合金細線
を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、以上の点
に鑑み、ループ形状および樹脂流れ性とスパン長との関
係について調査し、特性発現のための元素添加効果につ
いて研究した結果、Ｃａの添加、ＹまたはＳｃの添加、
Ｃｅ族希土類の添加、Ｉｎの添加による複合効果が有効
であること、さらに後述するように接合性をより向上す
る元素添加の効果、およびループ高さに関する元素添加
の効果を見出した。
【０００７】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）Ｃａを１０〜６０重量ｐｐｍ、ＹまたはＳｃの１
種または２種を総計で５〜７０重量ｐｐｍ、Ｌａまたは
Ｃｅの１種または２種を総計で６〜８０重量ｐｐｍ、Ｉ
ｎを６〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部は金とその不可
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。
【０００８】（２）前項１記載の成分に加えて、Ａｌ、
Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄの１種または２種以上を総計で５〜１
００重量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用
金合金細線。 （３）前項１記載の成分に加えて、Ｓｉ、Ｇｅの１種ま
たは２種を総計で５〜５０重量ｐｐｍ含有することを特
徴とする半導体素子用金合金細線。
【０００９】（４）前項２記載の成分に加えて、Ｓｉ、
Ｇｅの１種または２種を総計で５〜５０重量ｐｐｍ含有
することを特徴とする半導体素子用金合金細線。
【００１０】
【作用】以下に、本発明の金合金細線の構成についてさ
らに説明する。さまざまなスパン長を考慮して樹脂流れ
性（封止後のワイヤ流れ）を低減するワイヤとしては、
Ａｕ中にＣａを１０〜６０重量ｐｐｍ、ＹまたはＳｃの
１種または２種を総計で５〜７０重量ｐｐｍ、Ｌａまた
はＣｅの１種または２種を総計で６〜８０重量ｐｐｍ、
Ｉｎを６〜１００重量ｐｐｍの範囲で添加することが有
効である。
【００１１】高温特性の向上には希土類元素の添加が有
効であることを見出し、その特性発現をさらに細かく分
類した結果、ＹまたはＳｃは高温域での破断強度の上昇
をもたらし、ＬａまたはＣｅの添加は金型の加熱温度付
近の温度域における弾性率の向上が認められた。耐流れ
性の点では、ＬａまたはＣｅの添加は母線部の弾性変形
を抑制し、ＹまたはＳｃは主に降伏力が上昇して、弾性
変形域を拡げて塑性域を抑制し、さらに塑性域での変形
抵抗が増加することが判明した。ここで、ＹとＳｃの両
者とも含有しないと、弾性域を超えて荷重が負荷された
ワイヤでは変形抵抗が十分でないため、樹脂の注入方向
とワイヤの位置関係によっては樹脂流れのばらつきが大
きくなる。他方で、ＬａとＣｅのどちらも含有しない場
合は、弾性域でのワイヤ流れが増大するため、スパン長
が長くなるほど問題となる。すなわち、耐流れ性を向上
させるには、ＬａまたはＣｅの添加と、ＹまたはＳｃの
添加を併用することが必要である。
【００１２】Ｌａ、Ｃｅの総含有量を上記範囲と設定し
たのは、６重量ｐｐｍ未満では上記効果が小さく、８０
重量ｐｐｍ超では、ボールの真球性が低下するため、小
ボールの形成などの不良が発生するためである。また、
Ｙ、Ｓｃの総含有量を上記範囲と設定したのは、５重量
ｐｐｍ未満では上記効果が小さく、７０重量ｐｐｍ超で
は、ボールの真球性の低下、さらに引け巣の発生が認め
られるためである。
【００１３】Ｃｅ、Ｌａ、Ｃａを添加した金合金細線
が、例えば特公平２−１２０２２号公報に開示されてい
るが、ロングスパン用途においては、前述したように、
Ｌａ、Ｃｅの添加に加えて、Ｙ、Ｓｃの添加を併用する
ことにより耐流れ性の効果を高めるものであり、またＣ
ａのみでなく、Ｙ、Ｓｃを添加することにより、後述す
るような複合効果が得られる。
【００１４】Ｃａ添加は、主としてネック部の再結晶挙
動を抑制することから、ループ高さの制御に有効であ
り、さらに強度の確保も期待される。短スパンでの樹脂
流れでは、ネック部分の強度が高い方が樹脂流れも少な
く、また、プル強度を上昇させるためには、スパン長に
関係なく破断箇所であるネック部の強度増加が望まれ、
これにはＣａ添加と、ＹまたはＳｃの添加の組み合わせ
が有効である。Ｃａは再結晶の粒成長を抑制することに
よる強度増加であり、加えてＹまたはＳｃの添加は、粒
成長抑制は観察されないものの、Ｃａ単独添加よりも強
度をさらに増加させる。これはＹまたはＳｃの添加が、
Ｃａにより微細化された結晶粒内での強度増加の作用が
あるものと考えられる。一方、ＹまたはＳｃの添加だけ
では、結晶粒が大きいことから、強度が弱い粒界近傍で
の変形が助長されてしまい、ネック部の強化効果は小さ
い。
【００１５】ここで、Ｃａの添加量を上記範囲と定めた
のは、１０重量ｐｐｍ未満では上記の再結晶抑制の効果
が小さく、一方６０重量ｐｐｍ超では、ボール形成時の
表面酸化に関連すると思われる、ボールの最頂部に引け
巣が生成し、接合性の低下が懸念されるためである。ロ
ングスパンにおける樹脂流れを低減するためには、封止
前のループ曲がりを抑え、直線性を高めることも重要で
ある。Ｉｎの添加は、高温特性への寄与は小さいもの
の、常温程度での強度上昇には有効であり、特にＣａ、
Ｌａ、Ｃｅとの共存により、常温での弾性率を増加さ
せ、ループ曲がりのばらつきを低減する効果が高い。Ｉ
ｎはＡｕ中の最大固溶度が１０重量％程度あり、単独添
加では効果が小さいが、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅをさらに含有
せしめることにより、Ａｕ中に固溶しているＩｎと何ら
かの相互作用を及ぼし合うことにより、ループの直線性
を高めているものと考えられる。Ｉｎの含有量が６重量
ｐｐｍ未満では上記効果が小さく、１００重量ｐｐｍ超
では、ボールの真球性の低下、さらに収縮孔の発生が認
められるためである。
【００１６】狭ピッチ化のためにはボール径も小さくす
る要求が高く、ボール部の接合性を確保することが課題
であり、その方策として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄの１
種または２種以上を総計で５〜１００重量ｐｐｍの範囲
で含有すると、接合強度が上昇する。これは、接合時の
Ａｕボール部とＡｌ電極部との界面において金属間化合
物の成長が助長されているためと推察される。添加量が
５重量ｐｐｍ未満では効果は小さく、１００重量ｐｐｍ
超ではボール表面に酸化膜が形成されて逆に接合性が低
下するため、含有量は上記範囲と設定した。
【００１７】最近、ＩＣパッケージの薄型化を実現する
ために、ワイヤの低ループ化が所望されており、上記の
元素の中でも、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｓｃはループ高
さを低くする傾向にある。一方で、ボンディングの高速
化や操作性の向上を目的として、ループ垂れを低減する
ために、ネック近傍の直立部を十分確保するという要求
には対応できない。その場合でも、ＳｉまたはＧｅの１
種以上を総計で５〜５０重量ｐｐｍの範囲で含有するこ
とにより、ネック部の再結晶制御により、ループ高さを
高くすることが出来ることを見出した。ここで添加量を
上記範囲と定めたのは、総含有量が５重量ｐｐｍ未満で
は上記効果が小さく、５０重量ｐｐｍ超では、ネック強
度が弱くなるためである。
【００１８】
【実施例】以下、実施例について説明する。金純度が約
９９．９９５重量％以上の電解金を用いて、表１〜３に
示す化学成分の金合金を溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊
を圧延および伸線により、最終線径が２７μｍの金合金
細線とした後に、大気中で連続焼鈍して伸びを調整し
た。
【００１９】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
製した金合金ボールを走査型電子顕微鏡で観察し、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、良好なものを○印にて表記し
た。
【００２０】ネック部の強度は、ワイヤ両端の接合距離
（スパン）が３ｍｍとなるようボンディングしたリード
フレームと測定する半導体素子を冶具で固定した後に、
ループの中央部を引張り、その細線破断時の引張強度を
６０本測定したプル強度の平均値で評価した。また、ボ
ール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、５０本の破断荷重の平均値を測定した。
【００２１】ループ高さは、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、形成される各ループの頂
高と当該半導体素子の電極面とを光学顕微鏡で１００本
測定し、その両者の高さの差であるループ高さとそのば
らつきで評価した。ワイヤ曲がりは、スパンが５ｍｍと
なるようボンディングしたものを準備し、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４０本測定した平均
値で示した。
【００２２】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をそれぞれ準備し、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
線検査装置を用いて樹脂封止された素子内部を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３０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。
【００２３】表１において、実施例１〜１２は本発明の
請求項１記載の発明に係わるものであり、表２において
実施例１３〜１６は請求項２記載の発明、実施例１７〜
２０は請求項３記載の発明、実施例２１、２２は請求項
４記載の発明に係わるものである。樹脂封止後のワイヤ
流れについては、本発明金合金線に関しては、いづれも
４％以下に抑えられているが、特に、ＣｅとＬａの１種
以上、且つＹまたはＳｃの１種以上の組み合わせによ
り、３％以下まで低減しているものが確認された。ま
た、Ｉｎの添加量が多い実施例１２などで、ワイヤ曲が
りの低減が顕著である。
【００２４】表３に比較例を示す。プル強度が低くなる
ときは、比較例１、２におけるＣａの添加量が本発明の
範囲より少ないとき、あるいは比較例７、８においてＹ
またはＳｃが少ないときに限られている。Ａｌ、Ｃｕ、
Ｐｔ、Ｐｄの１種以上の添加量が請求項２の範囲であれ
ば、シェア強度も６０ｇｆ以上の高い値が得られ、ま
た、ＳｉまたはＧｅの添加量が請求項３の範囲であれ
ば、ループ高さも２００μｍ以上まで高くすることが可
能であることが確認された。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明に係わる金合
金細線は、樹脂封止時のワイヤ流れが低減され、しかも
ループの直線性が向上し、また接合性も向上しているの
で、半導体の高密度実装に対応できるものであるから、
本発明の産業上の有用性はきわめて大きい。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｃａを１０〜６０重量ｐｐｍ、Ｙまたは
    Ｓｃの１種または２種を総計で５〜７０重量ｐｐｍ、Ｌ
    ａまたはＣｅの１種または２種を総計で６〜８０重量ｐ
    ｐｍ、Ｉｎを６〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部は金と
    その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. 【請求項２】 請求項１記載の成分に加えて、Ａｌ、Ｃ
    ｕ、Ｐｔ、Ｐｄの１種または２種以上を総計で５〜１０
    ０重量ｐｐｍ含有することを特徴とする半導体素子用金
    合金細線。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の成分に加えて、Ｓｉ、Ｇ
    ｅの１種または２種を総計で５〜５０重量ｐｐｍ含有す
    ることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
  4. 【請求項４】 請求項２記載の成分に加えて、Ｓｉ、Ｇ
    ｅの１種または２種を総計で５〜５０重量ｐｐｍ含有す
    ることを特徴とする半導体素子用金合金細線。
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