JPH09198917A

JPH09198917A - 半導体素子用金合金細線

Info

Publication number: JPH09198917A
Application number: JP776096A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Uno; 智裕宇野; Kohei Tatsumi; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2016-01-19
Also published as: TW380303B; JP3639662B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減し
て、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応できる、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。【解決手段】（１）Ｃｕを０．０１５〜１．０重量
％の範囲で含有し、さらにＣａを０．０００２〜０．０
２重量％の範囲で含有し、残部は金およびその不可避不
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）上記（１）記載の成分に、さらにＰｔ、Ｐｄ、
Ｉｎの１種または２種以上を総計で０．００２〜３．０
重量％で含有することを特徴とする半導体素子用金合金
細線。（３）上記（１）または（２）の成分に、Ｙ、Ｌａ、
Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．０００３〜０．
０３重量％の範囲で含有することを特徴とする半導体素
子用金合金細線。

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
グ方法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。スパンが５ｍｍ以上のロングスパン
になると、直線性の確保、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必要である。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１００μｍ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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体実装の高密度化
において、スパンが５ｍｍ以上のロングスパンになる
と、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に対応するために
は、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発生を抑えること
が最大の課題である。ロングスパンになると、ループ高
さの確保や垂れの防止のために、さまざまなルーピング
制御がなされるが、ボンディングの際にループ曲がりが
発生する確率が高くなる。また、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が、スパン
が長くなるほど、この流れ量が増大するため、隣接ワイ
ヤ間の接触不良が発生しやすくなる。

【０００４】狭ピッチ化の実現のためにワイヤは細線化
する傾向にあり、ワイヤ径の２乗で強度が低下すること
から予想されるように、ループ形成時のワイヤ曲がり
と、ワイヤの樹脂流れの問題はより一層深刻となる。こ
の狭ピッチ化のためにはボール径も小さくしなくてはな
らず、ボール部の接合性を確保することも困難となる。
細線化、接合性などを考慮して、金合金細線における元
素添加の効果が調査されており、例えば、特願昭６３−
１０９５８７号には添加元素としてＣｕ元素が有効であ
ることが示されているが、十分な効果を得るためには１
〜５重量％の含有が必要となり、高濃度ではボール部の
形状不良および硬化などが懸念される。また、金ワイヤ
中への所定範囲量のＣｕ元素の添加に関して特開平２−
２１５１４０号公報に開示されているが、Ａｕ／Ａｌ接
合部における化合物成長の抑制効果に関するものであ
る。

【０００５】本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減
して、狭ピッチ化および細線化に対応できる、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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、以上の点
を鑑み、高密度実装に適したワイヤとして要求される特
性について調査を行った結果、特にループ形成時および
樹脂流れ時におけるワイヤ変形を低減することが最大の
技術課題であることの見解を得た。さらに、金合金細線
中の元素添加と、ループ直線性および樹脂流れ性との関
係について研究したところ、ＣｕとＣａの複合添加が流
れ性の抑制に有用であることを初めて見出した。さらに
後述するようにＰｔ、Ｐｄ、Ｉｎ元素の添加によりボー
ル近傍部の熱影響部の強度が増加すること、また、Ｙ、
Ｌａ、Ｃｅの添加により樹脂封止時の耐流れ性がさらに
向上することを見出した。

【０００７】すなわち、本発明の要旨とするところは下
記の通りである。（１）Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有
すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量％の範
囲で含有し、残部は金および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）Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有
すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量％の範
囲で含有し、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｉｎの１種または２種
以上を総計で０．００２〜３．０重量％の範囲で含有
し、残部は金および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】（３）Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％
の範囲で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０
２重量％の範囲で含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種
または２種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％
の範囲で含有し、残部は金および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。（４）Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有
すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量％の範
囲で含有し、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎの１種または２種以上を
総計で０．００２〜３．０重量％の範囲で含有し、さら
にＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．０
００３〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部は金およ
び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。

【０００９】

【作用】以下に、半導体素子用金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。ループ直線性および
樹脂封止時の流れ性を評価するには、金属細線を用いて
ボンディングを行い、ループ形状における変形量の測
定、そのボンディングされた試料の樹脂封止を行った後
に、金属細線の流れ量の測定を行う必要がある。これら
のループ変形または樹脂封止時の流れ性に関しては、ボ
ンディング装置または樹脂封止装置の設定状態または実
験条件、封止樹脂の種類などに大きく依存するため、金
属細線の材料特性に起因する要因のみを抽出して評価す
ることは困難である。

【００１０】そこで、ループ直線性および樹脂封止時の
流れ性に関して、金属細線の機械的特性として引張強
度、弾性率、降伏強度などとの相関について調査したと
ころ、引張試験により測定した破断強度が高いほど、ル
ープ直線性が向上し、さらに樹脂封止時の流れ性も抑制
されていることが確認された。厳密な解析には、弾性
率、降伏強度、曲げ弾性などの特性値も加味する必要は
あるものの、金属細線が狭ピッチ化および細線化に対す
る適性を評価する手法として、簡便に測定可能な引張強
度を採用することとする。

【００１１】金合金細線の引張強度の増加には、Ｃｕ元
素とＣａ元素の併用添加が有効である。Ｃｕの単独添加
では、常温での強度を上昇させるものの、その効果は小
さい。Ｃｕの単独添加では高密度実装用途としての特性
を満足するものではなかった。一方、Ｃａの添加では強
度は増加することは確認されていたが、添加量が増加す
るとＣａ元素の酸化に起因するボール部形成時の形状不
良の原因となる。ボール形成性から添加量の上限が決ま
り、Ｃａの単独添加では細線化のための十分な強度を達
成するのは困難であった。

【００１２】ＣｕとＣａの添加による引張強度の影響に
ついて示したのが表１である。線径２４μｍのワイヤを
横型炉中を通過させながら連続的に焼鈍した後、ワイヤ
の引張試験を行い、破断強度を示した。汎用の半導体素
子用金属細線においては、破断伸びは３から５％の範囲
が主流であるため、伸びが４％程度になるように焼鈍温
度を選定した。Ｃｕ元素の適量添加、またはＣａ元素の
適量添加と比較しても、両者を同時に含有させると、破
断強度がさらに３割から６割程度まで顕著に増加してい
ることが判る。ワイヤ長が５ｍｍ程度のロングスパンに
おける金属細線の耐流れ性の点からは、引張強度が１４
ｇｆ以上であれば、流れを実用上問題にならない程度ま
で低減できる結果が得られており、表１のＣｕとＣａの
複合添加はその条件を満足するものであった。

【００１３】これらの元素による特性発現の機構につい
ては不明な点もあるが、Ｃｕ元素とＣａ元素が相互作用
を及ぼしあって、Ａｕ中で析出または化合物相が生成す
ることにより、機械的特性を向上させていると思われ
る。

【００１４】

【表１】

【００１５】ここで、ＣｕとＣａの添加量を上記範囲と
定めたのは、Ｃｕを０．０１５重量％未満またはＣａが
０．０００２重量％未満では上記効果が小さいためであ
る。一方Ｃａが０．０２重量％超では、ボール先端部に
引け巣が生成したり、真球性が低下するなどの不良が発
生するためであり、Ｃｕを１．０重量％超含有すると、
伸線時の加工強度の増加が著しくなるため、ワイヤ製造
時に伸線ダイスの摩耗が激しくなり、しかも伸線材のワ
イヤ曲がりが発生し易くなり、特に細線化されるほど顕
著となる。この対策には数回の中間焼鈍で対応できるも
のの、工程が複雑化することが問題である。

【００１６】細線の強度は線径の２乗に比例するため、
線径が細くなるほど、樹脂流れ低減のために細線の高強
度化が必要となる。現在主流である線径が２５〜３０μ
ｍの細線では８０μｍ以下の狭ピッチ実装に利用するこ
とは困難である。ＣｕとＣａを含有して強度向上した細
線は、従来材よりも細線化した線径が２５μｍ以下で使
用することが有効である。特に、２５μｍに対して２割
以上の高強度化が望まれる、線径が２３μｍ以下におい
ては、ＣｕとＣａの複合添加による高強度化は高い効果
が望まれる。

【００１７】狭ピッチ実装のためにはリードフレームの
インナーリード部も細くなっており、搬送時の振動に起
因する問題が発生しやすい。耐振動性の点からは、ボー
ル直上のネック部における強度が高いことが望ましく、
熱影響による再結晶粒の粗大化を抑制する必要がある。
前述したＣｕとＣａの添加に加えて、さらにＰｔ、Ｐ
ｄ、Ｉｎの１種または２種以上を含有することにより、
ネック部の結晶が細粒化して、ネック部の強度が増加す
る。Ｉｎ、Ｐｔ、Ｐｄの元素群の添加のみでは、再結晶
挙動の抑制効果は不十分であり、ＣｕとＣａの含有との
相乗作用により、ネック部の強度を上昇する効果が高め
られる。ここで、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎの添加が、０．００
２重量％未満では上記効果が小さく、一方３．０重量％
超では、ボール部が偏平となり真球性が低下するため、
狭ピッチ接続のための小ボール形成が困難であり、さら
にボール部が硬化するため、接合時にシリコンチップへ
の損傷の原因となる。

【００１８】樹脂封止工程では、１５０〜２００℃の範
囲に加熱されたモールド金型中に粘性の高い熱硬化性樹
脂が高速で注入されることにより、ワイヤは変形する。
このワイヤの樹脂流れ性に対しては、ワイヤの機械的特
性、特に高温特性が支配的である。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの１
種または２種以上を０．０００３〜０．０３重量％の範
囲で含有すると、ワイヤの高温強度が上昇する。しかし
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの添加のみでは、常温での機械的特性の
向上は小さいため、ＣｕとＣａの添加との併用が必要と
なる。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの総含有量を上記範囲と設定した
のは、０．０００３重量％未満では、十分な高温特性は
得られず、０．０３重量％超では、ボール形成時の引け
巣の生成、または真球性の低下が問題となるためであ
る。

【００１９】

【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２、表３
（表２のつづき）、表４、表５（表４のつづき）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２４μｍ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。

【００２０】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。

【００２１】ループ形成後のネック部の強度の評価に
は、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、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
強度の平均値を求めた。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８０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８０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４、表５の比較例１〜４では、樹脂封止
時のワイヤ流れは５％以上の高い値を示しており、隣接
するワイヤが接触することによる不良発生の可能性が高
く、ワイヤ曲がりも２０μｍ以上であり、ループ形状の
ばらつきとして懸念される。これに対し、表２、表３の
実施例１〜６は本発明の請求項１記載の金合金細線に係
わるものであり、Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範
囲で含有させ、さらにＣａを０．０００２〜０．０２重
量％の範囲で含有させることにより、特に樹脂流れは低
減されており、適量添加により４％以下まで抑制するこ
とが確認された。表４、表５に示す比較例５ではＣｕの
含有量が１．０重量％超であり、伸線強度が高くダイス
の摩耗が懸念され、さらに伸線時のワイヤ曲がりが顕著
となるため、製造工程において中間焼鈍を３回要した。

【００２４】表２、表３の実施例７〜１１は請求項２記
載の金合金細線に係わるものであり、プル強度は７ｇｆ
以上まで増加しており、破断は常にボール部直上である
ことから、ネック部の強度が向上していることが確認さ
れた。さらに、同じく実施例１２〜１５は請求項３記載
の金合金細線に係わるものであり、樹脂流れは３％以下
の低い値まで抑えられていることが確認された。同じく
実施例１６、１７は請求項４記載の金合金細線に係わる
もので、プル強度は８ｇｆ程度まで上昇しており、樹脂
流れは２．６％以下と低い値まで抑えられていることが
確認された。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】

【表５】

【００２９】

【発明の効果】本発明の半導体素子用金合金細線は、ボ
ンディング時のワイヤ曲がりおよび樹脂封止時のワイヤ
流れを低減し、半導体の高密度実装、特に狭ピッチ接続
に対応できるものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲
で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量
％の範囲で含有し、残部は金および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。
【請求項２】Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲
で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量
％の範囲で含有し、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｉｎの１種また
は２種以上を総計で０．００２〜３．０重量％の範囲で
含有し、残部は金および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。
【請求項３】Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲
で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量
％の範囲で含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種または
２種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％の範囲
で含有し、残部は金および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。
【請求項４】Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲
で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量
％の範囲で含有し、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎの１種または２種
以上を総計で０．００２〜３．０重量％の範囲で含有
し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計
で０．０００３〜０．０３重量％の範囲で含有し、残部
は金および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。