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JP2000040710A - ボンディング用金合金細線 - Google Patents

ボンディング用金合金細線

Info

Publication number
JP2000040710A
JP2000040710A JP10208741A JP20874198A JP2000040710A JP 2000040710 A JP2000040710 A JP 2000040710A JP 10208741 A JP10208741 A JP 10208741A JP 20874198 A JP20874198 A JP 20874198A JP 2000040710 A JP2000040710 A JP 2000040710A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
bonding
ball
wtppm
gold alloy
fine wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10208741A
Other languages
English (en)
Inventor
Masao Naito
雅夫 内藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Mining Co Ltd filed Critical Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority to JP10208741A priority Critical patent/JP2000040710A/ja
Publication of JP2000040710A publication Critical patent/JP2000040710A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C5/00—Alloys based on noble metals
    • C22C5/02—Alloys based on gold
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の金合金細線のもつ強度、耐熱強度を損
なうことなく、デバイスの損傷やパッド下のクラックの
発生を抑え、かつ圧着ボールの真円度向上をなし得るこ
とで、狭パットピッチにも対応できるボンディング用金
合金細線を提供する。 【解決手段】 純度９９．９９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓ
ｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、また
は、Ａｇのうちの少なくとも１種を１〜１００ｗｔｐｐ
ｍ、及び、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌｕのう
ち少なくとも１種を１〜５０ｗｔｐｐｍ含有することを
特徴とするボンディング用金合金細線。また、上記構成
に更に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのうち少
なくとも１種を３〜１００ｗｔｐｐｍ、または／及び、
Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂのうち少なく
とも１種を２〜５０ｗｔｐｐｍ含有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上のチ
ップ電極と外部リードを電気的に接続するために用いら
れるボンディング用金合金細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子
上のチップ電極と外部リードとの電気的接続には、ボン
ダーを用いた金合金細線による接続が広く利用されてい
る。近年、生産性向上のためのボンダーの高速化に伴
い、より強度、耐熱強度の強い金合金細線が要求され、
純度９９．９９重量％以上の高純度金にＣａ、Ｂｅ、Ｇ
ｅを含有させた金合金細線（特公昭５７−３５５７７号
公報）や、Ｌａ等の希土類元素及びＣａ、Ｂｅ、Ｇｅを
含有させた金合金細線（特公平２−１２０２２号公報）
等の提案がなされている。
【０００３】一方、半導体デバイスの高集積度化は電極
構造の微細、薄膜化へとつながり、接続時の衝撃加重や
超音波振動によるデバイスの損傷や電極パッド下の微小
クラックの発生が危惧されつつある。近年の金合金細線
の高強度化はますますその危険性を高めるため、Ｃａ、
Ｂｅ、希土類元素のうち少なくとも一種を添加したＡｕ
にＳｎを含有させることで、これらの問題点を解消する
提案（特開平８-８８２４２号公報）もなされている。
【０００４】しかしながら更なる半導体デバイスの高密
度化の進展は、電極面積の縮小及び狭ピッチ化を推進さ
せ、新たに従来よりも小さい径のボールが安定的に形成
できることと、隣接電極間の接触を避けるためにボンデ
ィングにより潰れたボール（以下、「圧着ボール」とい
う）の真円度が高いことが要求されるようになってき
た。従来より径の小さいボールを安定的に形成するため
に、近年ボンダーのアーク放電機構の改良がされつつあ
るが、圧着ボールの真円度向上のためには金細線側の改
良も必要とされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の要求に
応えるために、従来の金合金細線のもつ強度、耐熱強度
を損なうことなく、デバイスの損傷やパッド下のクラッ
クの発生を抑え、かつ圧着ボールの真円度向上をなし得
ることで、狭パットピッチにも対応できるボンディング
用金合金細線を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のボンディング用金合金細線は、純度９９．９
９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、または、Ａｇのうちの少なくとも１種
を１〜１００ｗｔｐｐｍ、及び、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、または、Ｌｕのうち少なくとも１種を１〜５０ｗｔ
ｐｐｍ含有することを特徴とする。
【０００７】また、本発明の他のボンディング用金合金
細線は、上記構成に更に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、Ｐｔのうち少なくとも１種を３〜１００ｗｔｐｐ
ｍ、または／及び、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇ
ｅ、Ｐｂのうち少なくとも１種を２〜５０ｗｔｐｐｍ含
有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明のボンディング用金合金細
線の構成成分であるＳｎは、アーク放電により形成され
るボールの表面硬度を若干低下させ、ボンディングによ
り潰された圧着ボールの硬度を大幅に低減させる。この
効果によりデバイスの損傷やパッド下の微小クラックの
発生防止に効果がある。一方、圧着ボールの径の真円度
を向上させるためには、ボールの結晶粒を微細化させ、
潰された時の変形の異方性を小さくすることが有効と考
えられるが、結晶粒の微細化は硬度増加につながるた
め、デバイスの損傷やパッド下の微小クラックの発生を
促進してしまう欠点がある。
【０００９】しかしながら、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、
Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、または、Ｌｕから選ばれる元素のうち少なくとも一
種を添加したＡｕに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、または、Ａｇ
から選ばれる元素と、Ｓｎとを複合添加させることで、
圧着ボールの硬度増加を抑えつつボールの結晶粒を微細
化させる効果があることが見出された。
【００１０】本発明におけるＳｎの添加量は、２ｗｔｐ
ｐｍ未満では上記効果を発揮させるのに不十分であり、
５０ｗｔｐｐｍを超えるとボール形成時に接合強度の低
下につながる引け巣が生じてボールが真球にならないこ
とがあるので、２〜５０ｗｔｐｐｍとした。
【００１１】Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、または、Ａｇのうち
少なくとも１種の添加量は、２ｗｔｐｐｍ未満ではボー
ルの結晶粒微細化の効果が不十分であり、１００ｗｔｐ
ｐｍを超えるとＳｎと同じくボール形成時に引け巣など
が生じて真球にならないことがあるので、２〜１００ｗ
ｔｐｐｍとした。
【００１２】Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌ
ｕから選ばれる元素には、金合金細線の常温強度、耐熱
強度を向上させる効果がある。その効果は添加量が１ｗ
ｔｐｐｍ未満では不十分であり、５０ｗｔｐｐｍを超え
るとボール形成時に引け巣が生じることがあるので、添
加量は１〜５０ｗｔｐｐｍとした。
【００１３】Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、または、
Ｐｔから選ばれる元素は、常温強度、耐熱強度を向上さ
せる効果は数１００ｗｔｐｐｍ程度までの添加量ではあ
まり期待できないが、ボンディング時の圧着ボールとパ
ッドとの接合力を高める効果がある。添加量が３ｗｔｐ
ｐｍ未満ではその効果が不十分であり、添加量を増やし
ていくと次第にその効果は飽和していき、１００ｗｔｐ
ｐｍを超えるともはや増量効果が見られなくなるので、
３〜１００ｗｔｐｐｍを適正添加量範囲とした。
【００１４】Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、また
は、Ｐｂから選ばれる元素は、若干常温強度を向上させ
る効果があるが、それ以上に再結晶領域の長さのばらつ
きを小さくしてボンディング時のループ高さのばらつき
を抑えたり、常温強度のばらつきを抑制する効果があ
る。これらの添加量が２ｗｔｐｐｍ未満ではその効果が
見られず、増量とともにその効果が飽和するとともに、
５０ｗｔｐｐｍを超えるとボール形成時に引け巣を発生
させることがあるので、２〜５０ｗｔｐｐｍを添加量と
した。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。純
度９９．９９ｗｔ％以上の高純度Ａｕに、表１に示す各
元素を添加して高周波誘導加熱炉により各鋳塊を作製し
た。これらを適宜歪み取りのための熱処理を施しながら
溝ロール圧延、ダイス線引きを順次行い、最終線径２５
ｍｍの金合金細線とし、最後に大気雰囲気中で連続焼鈍
して伸び率が約５％となるように調整して試料を得た。
【００１６】これらの試料を引張試験機により常温強度
と、２５０℃に２０秒間保持した状態での耐熱強度を測
定した。
【００１７】次に、高速自動ボンダーを用いて、ボール
の直径が５０ｍｍとなる放電条件でボールを形成した。
ボール形状の観察は電子顕微鏡を用いて、２０個作製し
たボールのうち１個でも引け巣が観察された組成をボー
ル形状不良とした。
【００１８】圧着ボールの硬度は、ＩＣを搭載したリー
ドフレームのチップ電極と外部リード間をボンディング
した時の圧着ボールの硬度を微小高度計により測定し
た。
【００１９】デバイスの損傷の評価は、ＩＣを搭載した
リードフレームのチップ電極と外部リード間をボンディ
ングした後に、チップ電極のＡｌを化学処理して電極か
ら圧着ボールを剥がし、パッド下層のクラックの発生の
有無を金属顕微鏡により観察した。判定は１００箇所観
察したチップ電極のうち１箇所でもクラックの発生があ
ればデバイスの損傷有りとした。
【００２０】圧着ボールの真円度は、ＩＣを搭載したリ
ードフレームのチップ電極と外部リード間をボンディン
グした時の圧着ボールで、圧着ボールの中心点を通る線
上の圧着ボール直径を３６０°回転させながら測定し、
ａ＝（最大直径）／（最小直径）の値により評価した。
なお通常のボンディングでは超音波印加を行うが、超音
波振動によりボールが振動方向に引き伸ばされるので、
真円度の測定では超音波印加は行わなかった。判定は、
ａ≧１．０５を「×」、 ａ≧１．０２ を「△」、
ａ＜１．０２ を「○」とした。以上の結果を表１に
示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】表１に示されるように、本発明の金合金細
線（実施例、試料番号１〜１４）は、高い常温、耐熱強
度を有してボール形状が良好である上に、圧着ボールの
硬度が低いためにデバイスの損傷がなく、かつ圧着ボー
ルの真円度にも優れていることが分かる。
【００２３】一方、Ｓｎの添加されていない試料番号１
５、１６では圧着ボールの硬度が高いためにデバイスの
損傷を引き起こしている。また試料番号１６では、Ｔｉ
が２０ｗｔｐｐｍ添加されているにもかかわらずＳｎが
添加されていないために圧着ボールの真円度は劣ってい
る。Ｓｎが１０ｗｔｐｐｍ添加されているのに、Ｔｉ、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｃｕ、または、Ａｇから選ばれる元素が添加され
ていない試料番号１７は、圧着ボールの真円度に劣る。
【００２４】Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌ
ｕから選ばれた元素の添加量が５０ｗｔｐｐｍを超える
試料番号１８、Ｔｉの添加量が１００ｗｔｐｐｍを超え
る試料番号１９、Ｓｎの添加量が５０ｗｔｐｐｍを超え
る試料番号２０、２１は、ともにボール形成時に引け巣
が発生することがある。
【００２５】さらに試料番号２０は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃ
ｕ、または、Ａｇから選ばれる元素が添加されていない
ために、圧着ボールの真円度が劣ることも分かる。
【００２６】
【発明の効果】以上より、本発明のボンディング用金合
金細線は、従来の金合金細線のもつ強度、耐熱強度を損
なうことなく、デバイスの損傷やパッド下のクラックの
発生を抑え、かつ圧着ボールの真円度向上をなし得るこ
とで、狭パットピッチでのボンディングを可能とする工
業上極めて有用な特性を有している。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 純度９９．９９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓ
    ｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
    ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、また
    は、Ａｇのうちの少なくとも１種を１〜１００ｗｔｐｐ
    ｍ、及び、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、
    Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
    ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌｕのう
    ち少なくとも１種を１〜５０ｗｔｐｐｍ含有することを
    特徴とするボンディング用金合金細線。
  2. 【請求項２】 純度９９．９９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓ
    ｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
    ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、また
    は、Ａｇのうちの少なくとも１種を１〜１００ｗｔｐｐ
    ｍ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、
    Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
    ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌｕのうち少な
    くとも１種を１〜５０ｗｔｐｐｍ、及び、Ｒｕ、Ｒｈ、
    Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのうち少なくとも１種を３〜１
    ００ｗｔｐｐｍ含有することを特徴とするボンディング
    用金合金細線。
  3. 【請求項３】 純度９９．９９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓ
    ｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
    ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、また
    は、Ａｇのうちの少なくとも１種を１〜１００ｗｔｐｐ
    ｍ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、
    Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
    ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌｕのうち少な
    くとも１種を１〜５０ｗｔｐｐｍ、及び、Ｂ、Ａｌ、Ｇ
    ａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂのうち少なくとも１種を２
    〜５０ｗｔｐｐｍ含有することを特徴とするボンディン
    グ用金合金細線。
  4. 【請求項４】 純度９９．９９ｗｔ％以上のＡｕに、Ｓ
    ｎを２〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
    ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、また
    は、Ａｇのうちの少なくとも１種を１〜１００ｗｔｐｐ
    ｍ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、
    Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
    ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、または、Ｌｕのうち少な
    くとも１種を１〜５０ｗｔｐｐｍ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、
    Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのうち少なくとも１種を３〜１００ｗ
    ｔｐｐｍ、及び、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、
    Ｐｂのうち少なくとも１種を２〜５０ｗｔｐｐｍ含有す
    ることを特徴とするボンディング用金合金細線。
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