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JP3579493B2 - 半導体素子用金合金細線 - Google Patents

半導体素子用金合金細線 Download PDF

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Description

【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。
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、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。
【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５〜１００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Ｃａ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。Ｉｎ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においてＹまたはＳｃが少ないときにに限られている。
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】
Figure 0003579493
【００２６】
【表２】
Figure 0003579493
【００２７】
【表３】
Figure 0003579493
【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)

  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、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５〜１００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。
  4. 請求項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。
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