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JP3751104B2 - 半導体素子ボンディング用金合金線 - Google Patents

半導体素子ボンディング用金合金線 Download PDF

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JP3751104B2
JP3751104B2 JP03628497A JP3628497A JP3751104B2 JP 3751104 B2 JP3751104 B2 JP 3751104B2 JP 03628497 A JP03628497 A JP 03628497A JP 3628497 A JP3628497 A JP 3628497A JP 3751104 B2 JP3751104 B2 JP 3751104B2
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alloy wire
gold alloy
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bonding
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伸 高浦
利孝 三村
博 村井
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の電極と外部リード部を接続するために使用するボンディング用金合金線に関し、さらに詳しくは半導体装置を小型化する際に用いて好適な半導体素子ボンディング用金合金線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からトランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子の電極と外部リードを接続する技術としては、純度９９．９９重量％以上の高純度金に他の金属元素を微量含有させた金合金線を用いた超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられている。このようにして接続された状況を図１に示す。図１において１は半導体素子、２は電極、３は金合金線、４はリードフレーム、Ｌは半導体素子上の電極側接合点とリードフレーム側接合点間の水平方向の距離（以下ボンディング距離という）、Ｈは半導体素子上面を基準としたループ高さ（以下ループ高さという）である。
【０００３】
一方最近の半導体装置の小型化の要求に伴って前記ボンディング距離が短くなり、所謂短ループボンディングが要求されている。しかしながら該短ループボンディングを行うと、接続用の金合金線が半導体素子と接触しショートするため、ループ高さを高くすることが要求されている。この状況を図２を用いて説明する。図２においてボンディング距離ＬがＬ1 と短くなると、ループ高さＨが低いＨ1 の時は金合金線が半導体素子と接触するようになる。これを回避する為にループ高さＨをＨ2 のように高くする事が出来る金合金線が要求されている。
【０００４】
また最近の半導体装置は放熱性及びコストを考慮して銅合金製のリードフレームを用いることが多くなってきた。該銅合金製のリードフレームを用いた場合、封止用樹脂と該リードフレームの熱膨張係数の差が大きく、半導体装置の作動による温度上昇によってループを形成した金合金線に外部応力が加わり、ループを形成したネック部で破断を生じ易くなるという問題があり、半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率を低く抑える事が要求されている。とりわけ一般的にはループ高さが高い程、半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率が高くなる傾向にある為、前記したループ高さを高くしながら断線の発生率を低く抑える事が出来る金合金線が要求されている。
【０００５】
また前記した超音波併用熱圧着ボンディング法で図１に示すような配線を行う際、リードフレーム下部に設置された熱源（図示省略）により１５０〜２５０℃で加熱されている。この時加熱温度が高いと接着性は良いものの、リードフレームのそりが生じ易くなりループ形状にばらつきが生じ易くなる。また加熱温度が低いとループ形状は安定するものの低温接合であるため、金合金線とリードフレームの接合点（以下セカンド側という）での接着性に問題が生じ、とりわけピール強度及び振動破断性能が問題である。この為前記ボンディング時の加熱温度を１５０℃と低温度で行いながらセカンド側接合点でのピール強度及び振動破断性能に優れた金合金線が要求されている。
【０００６】
前記したループ高さを大きくする対応として特開昭６３−１４５７２９号公報には必須元素としてＩｎを０．０００１〜０．００６重量％含有した金合金線を用いることにより、高温強度を高くしてもループ高さを従来品と同等に高く保つ事が出来る事が開示されている。また特開平３−２８３５４１号公報には必須元素としてＰを０．０００１〜０．０１重量％含有した金合金線を用いることにより、ボールネック部の信頼性（プル強度）を落とさずに十分なループ高さが得られることが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の提案は、ループ高さとして一応の成果は得られているもののボンディング距離を更に短くするために、更にループ高さの高いものが要求されると共に半導体装置が過酷な熱サイクルの環境にさらされた場合の断線の発生率を低く抑える効果が十分といえないことに加えてボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側接合点でのピール強度及び振動破断性能にさらなる改善が求められている。
【０００８】
本発明は上述したような従来事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体装置の小型化の要求に対応してボンディング距離を短くしても、接続用の金合金線が半導体素子と接触することがないようにループ高さを高くする事が出来ると共に、ループ高さを高くしても半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率（以下熱サイクル後の断線率という）を低く抑える効果を有し、更にボンディング時の加熱を低温度で行いながらセカンド側接合点での接合性、詳しくはボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側のピール強度（以下ピール強度という）及びボンディング時の加熱を低温度で行った場合のセカンド側の振動破断性能（以下振動破断性能という）に優れた半導体素子ボンディング用金合金線を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）のうち少なくとも１種の所定量と残部が金（Ａｕ）からなり、該金が０．０１重量％以下の不可避不純物を含む組成の金合金線とすることにより、前述の目的を達成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
こうして、本発明は下記にある。
（１）錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）のうち少なくとも１種を１．０重量％を超え２０．０重量％含み、更にマグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）のうち少なくとも１種を０．１〜２０．０重量％含有し、及び残部が金（Ａｕ）および０．０１重量％以下の不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
【００１１】
（２）更にベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、希土類元素のうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 含有することを特徴とする上記（１）に記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子ボンディング用金合金線は高純度金に所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有した組成を有することを特徴とする。
原料高純度金としては少なくとも９９．９９重量％以上、好ましくは９９．９９５重量％以上最も好ましくは９９．９９９重量％以上に精製した高純度金を用いる。
【００１３】
このような高純度金に上記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有した組成にすることによりループ高さを高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率を低く抑える事が出来、更にピール強度及び振動破断性能を向上させる事が出来る。
Ｓｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含有量が１．０重量％以下になると１．０重量％を超えるものと対比してループ高さは低くなると共に熱サイクル後の断線率も大きくなり、ピール強度及び振動破断性能は低下してくる。Ｓｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含有量が２０．０重量％を超えると、ＩＣチップ等の半導体素子上に超音波併用熱圧着ボンディングを行う際に、前記チップに割れが生じ易くなる。この為Ｓｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含有量は１．０重量％を超え２０．０重量％と定めた。
【００１４】
さらにＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種の含有量が１．０重量％を超え１０．０重量％以下の時、１０．０重量％を超える場合と対比して熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能が一段と向上してくる。この為好ましくは１．０重量％を超え、さらには１．１重量％以上、１０．０重量％以下、さらには５重量％以下である。
【００１５】
高純度金に上記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有することに加えて所定量のＭｇ，Ｖのうち少なく共１種を共存した組成にすることによりループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種のみを含有した組成と同様の効果を得る事が出来る。
Ｍｇ，Ｖのうち少なく共１種を０．１重量％以上共存した組成にすることによりループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種のみを含有した組成と同様の効果を得る事が出来る。Ｍｇ，Ｖのうち少なく共１種を２０．０重量％を超えて共存するとＩＣチップ等の半導体素子上に超音波併用熱圧着ボンディングを行う際に、前記チップに割れが生じ易くなる。この為共存するＭｇ，Ｖのうち少なく共１種の含有量は０．１〜２０．０重量％と定めた。さらにＭｇ，Ｖのうち少なく共１種の含有量が０．１〜１０．０重量％のとき１０．０重量％を超える場合と対比して熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能が一段と向上してくる。この為好ましくは０．１〜１０．０重量％である。
【００１６】
前記の組成に加えて所定量のＢｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なく共１種を共存した組成にすることによりループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてさらに優れた効果が得られ好ましく用いられる。
Ｂｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なく共１種を１〜５００重量ppm 共存した組成にすることにより共存しない組成と対比してループ高さ、熱サイクル後の断線率、ピール強度及び振動破断性能についてさらに優れた効果が得られ最も好ましく用いられる。
【００１７】
本発明に於いて希土類元素とはランタン系列１５元素（Ｌａ〜Ｌｕ）をいう。本発明にいう希土類元素の中でも特に好ましくはＬａ，Ｅｕ，Ｙｂ，Ｇｄである。
次に、本発明になる金合金線の好ましい製造方法を説明する。
前記高純度金に所定量の元素を添加し、真空溶解炉で溶解した後インゴットに鋳造する。
【００１８】
該インゴットに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終冷間加工により直径１０〜１００μｍの細線とした後最終アニールを施すものである。
本発明になる半導体素子ボンディング用金合金線は半導体装置の実装に際して、ＩＣチップ等の半導体素子をリードフレームに接続する方法及び直接基板に接続するリードレスで接続する方法の何れにも用いる事が出来る。該リードレスで用いる基板材料としてはセラミックスや樹脂被覆した金属体等が用いられる。これらの半導体装置の構成に於いてループ高さを高く配線して用いる際に好適である。
【００１９】
【作用】
本発明になる金合金線がループ高さを高く出来ると共に、熱サイクル後の断線率を抑制することが出来るという性質を併せもつようになる理由は明らかではないが、本発明になる組成とする事によって超音波併用熱圧着ボンディング法でボールを形成する際に生成される金合金線の熱影響部がループ高さが高いにも係わらず熱サイクル後の断線率を抑制するとともにピール強度及び振動破断性能を向上させることに好ましく作用していると考えられる。
【００２０】
【実施例】
（参考例１）
純度９９．９９９重量％の高純度金に所定量のＳｎを添加し真空溶解炉で溶解した後、鋳造して表１に示す組成の金合金、即ち１．１重量％Ｓｎ、残部が金及び不可避不純物からなる組成のインゴットを得、これに溝ロール、伸線機を用いた冷間加工と中間アニールを施し、最終冷間加工により直径３０μｍとし、伸び率４％となるように最終アニールを行った。該金合金線を全自動ワイヤボンダー（新川株式会社製 ＵＴＣ−５０型）を用いて加熱温度１５０℃でＩＣチップのＡｌ電極とリードフレームを超音波併用熱圧着ボンディング法でピン数１００個のボンディングした試料を作成した。
【００２１】
該試料を測定顕微鏡（オリンパス株式会社製 ＳＴＭ−ＭＪＳ型）を用いてそのループ高さを測定した。ループ高さは図１に於いてＩＣチップ１の上面を基準面としてループの最も高い高さＨを測定し、ループ高さとした。１００個の測定を行い、その平均値をループ高さ平均値として表２に示した。前記１００個の測定値からばらつきの指標として標準偏差（σn-1 ）を算出し、その結果を表２に示した。
【００２２】
次いで前記ボンディングした試料を１０重量％ＮａＯＨ水溶液に浸せきしてＡｌ膜を除去した。Ａｌ膜は図１において２に示されるＩＣチップのＡｌ電極である。４００倍の金属顕微鏡を用いて前記Ａｌ膜を除去したＩＣチップ面の電極部を５０ケ所観察し、１ケ所以上割れがあるものを割れあり、割れがないものを割れなしと評価し、チップ割れの結果を表１〜２に示した。
【００２３】
更に前記ボンディングした試料を樹脂モールドして半導体装置を作成した。該試料を熱サイクル試験機（日立製作所製 ＥＳ−６０ＭＬＳ）を用いて−６５〜１５０℃の温度環境下に２０００サイクル晒した加速劣化試験を行った。該試料の端子間の導通の有無をテスターを用いて調査した。５０ケ所調査しその導通不良の割合を熱サイクル後の破断率として表２に示した。
【００２４】
更に前記ボンディングした試料のリードフレーム側即ちセカンド側のピール強度を測定した。配線の中央部を切断し、リードフレーム面と略垂直にワイヤを引っ張り、その剥離荷重を測定した。１０個の平均値をピール強度として表２に示した。更に前記ボンディングした試料の振動破断性能を測定した。測定方法を図３を用いて説明する。１はＩＣチップ、２はＡｌ電極、３は金合金線、４はリードフレーム、５は鉄製台、６はリードフレーム固定用磁石、７は振動子である。リードフレーム４，４′をリードフレーム固定用磁石６，６′で固定し、ＩＣチップ１を搭載した部分を振動子７で上下方向（矢印方向）に振動させた。周波数１００Hz、上下振幅合計０．４mm、振動数２００００回振動させた後、４００倍の金属顕微鏡を用いてリードフレーム側即ちセカンド側のワイヤの破断数を調査した。３００箇所調査しその破断数の割合を振動破断率として表２に示した。
（参考例１〜１３）（実施例１４〜５７）（比較例１〜１６）
金合金線の組成を表１，３，５に示すようにしたこと以外は参考例１と同様にして直径３０μｍの線に仕上げ、ループ高さ平均値、ループ高さの標準偏差、チップ割れ、熱サイクル後の破断率、ピール強度、振動破断率を参考例１と同様にして測定し、その測定結果を表２，４，６に示した。
【００２５】
【表１】
Figure 0003751104
【００２６】
【表２】
Figure 0003751104
【００２７】
【表３】
Figure 0003751104
【００２８】
【表４】
Figure 0003751104
【００２９】
【表５】
Figure 0003751104
【００３０】
【表６】
Figure 0003751104
【００３１】
（試験結果）
（１）高純度金にＳｎ，Ｉｎのうち少なくとも１種を１．１〜２０．０重量％含有した組成である実施例１〜１３はループ高さの平均値が２８４〜２９８μｍと高く、その標準偏差が５．１〜７．６μｍと小さいものであるにもかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が４〜６％と低く抑えることが出来るとともに、ピール強度が１４．３〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７〜５．３％と優れた効果を示した。
【００３２】
この中でもＳｎ，Ｉｎのうち少なくとも１種の含有量が１．１〜１０．０重量％のとき加速試験による熱サイクル後の破断率を４％以下に維持出来、ピール強度が１５．２〜１５．８ｇ、振動破断率が２．７〜３．３％と出来る為、高い信頼性を有し好ましく用いられる。
（２）前記組成に更にＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を０．１〜２０．０重量％含有した組成である実施例１４〜２８は同様にループ高さの平均値が２９１〜２９８μｍと高く、その標準偏差が５．３〜７．９μｍと小さいものであるにもかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が４〜６％と低く抑えることが出来るとともに、ピール強度が１４．５〜１５．７ｇ、振動破断率が２．７〜５．７％と優れた効果を示した。
【００３３】
このことから上記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有した組成の効果は上記所定量のＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を含有しても同様に維持される事が判る。この中でもＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種の含有量が１．１〜１０．０重量％のとき加速試験による熱サイクル後の破断率を４％以下に維持出来、ピール強度が１５．１〜１５．７ｇ、振動破断率が２．７〜３．７％と出来る為、高い信頼性を有し好ましく用いられる。
【００３４】
（３）前記高純度金に所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有した組成又は其に加えて所定量のＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を含有した組成に加えて、Ｂｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 含有した組成である実施例２９〜５７はループ高さの平均値が３２０〜３３８μｍと一段と高くなり、その標準偏差が２．３〜４．８と一段と小さいものであるにもかかわらず、加速試験による熱サイクル後の破断率が２％以下と一段と低く抑えることが出来るとともに、ピール強度が１６．１〜１７．９ｇ、振動破断率が０〜１．７％と出来るという更に優れた効果を示した。
【００３５】
この為ループ高さをさらに安定して高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに低く抑えることが出来、ピール強度及び振動破断率にも優れている為、最も好ましく用いられる。
（４）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有するものの、その含有量が１重量％以下である比較例１〜４はループ高さの平均値が２３１〜２４５μｍと低く、その標準偏差は１２．２〜１４．６と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は１６〜２０％、ピール強度は９．３〜９．７ｇ、振動破断率は２２．０〜２６．７％であった。
【００３６】
（５）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有するものの、その含有量が２５．０重量％である比較例５〜６はチップ割れが生じた。
（６）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種とＭｇ，Ｖのうち少なく共１種を含有するものの、それらの含有量が所定量未満である比較例７〜８はループ高さの平均値が２３７〜２４１μｍと低く、その標準偏差は１３．３〜１３．８と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は１６〜１８％、ピール強度は９．９〜１０．３ｇ、振動破断率は２４．３〜２４．７％であった。
【００３７】
（７）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有するものの、その含有量が所定量未満であって、それに加えて０．００３重量％のＣｅを含有する比較例９〜１０はループ高さの平均値が２３３〜２４８μｍと低く、その標準偏差は１２．７〜１４．１と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は１６〜１８％、ピール強度は９．７〜１０．０ｇ、振動破断率は２４．３〜２８．０％であった。
【００３８】
（８）前記高純度金に本発明の必須成分であるＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有せず、Ｍｇ又はＶを０．０１重量％、又はＣｅを０．００３重量％含有する比較例１１〜１４はループ高さの平均値が２３２〜２３７μｍと低く、その標準偏差は１２．５〜１４．３と大きいものであるとともに、加速試験による熱サイクル後の破断率は１６〜１８％、ピール強度は９．６〜１０．５ｇ、振動破断率は２４．０〜２７．３％であった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明により所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有し残部が金及び所定量の不可避不純物からなる組成を有する半導体素子ボンディング用金合金線によれば、ループ高さを高くする事が出来ると共にそのばらつきを小さくし、ループ高さを高くしても半導体装置が過酷な熱サイクルの環境に晒された場合の断線の発生率を低く抑える事が出来、更にボンディング時の加熱を低温度で行いながらセカンド側のピール強度及び振動破断性能が優れている為、半導体装置の信頼性向上に効果的である。
【００４０】
前記含有成分に加えて所定量のＭｇ，Ｖのうち少なく共１種を含有した場合においても同様の効果を示すものである。
前記所定量のＳｎ，Ｉｎのうち少なく共１種を含有した組成又は其に加えて所定量のＭｇ，Ｖのうち少なくとも１種を含有した組成に加えてＢｅ，Ｃａ，Ｙ，Ｒｕ，Ｉｒ、希土類元素のうち少なくとも１種を所定量含有した組成とすることによりループ高さをさらに安定して高くする事が出来ると共に、熱サイクル後の断線率をさらに低く抑えることが出来、セカンド側のピール強度及び振動破断性能が優れている為、最も好ましく用いる事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体素子の電極と外部リードとの接続の様子を示す。
【図２】図１と同様の接続においてボンディング距離Ｌとループ高さＨの関係を示す。
【図３】ボンディングした試料の振動破断性能測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…ＩＣチップ
２…Ａｌ電極
３…金合金線
４…リードフレーム
５…鉄製台
６…固定用磁石
７…振動子

Claims (2)

  1. 錫（Ｓｎ）、インジュウム（Ｉｎ）のうち少なくとも１種を１．０重量％を超え２０．０重量％含み、更にマグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）のうち少なくとも１種を０．１〜２０．０重量％含有し、及び残部が金（Ａｕ）および０．０１重量％以下の不可避不純物からなることを特徴とする半導体素子ボンディング用金合金線。
  2. 更にベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、希土類元素のうち少なくとも１種を１〜５００重量ppm 含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子ボンディング用金合金線。
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