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JP5403436B2 - ボールボンディング用ワイヤ - Google Patents

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Description

この発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ等の集積回路における半導体素子上のアルミニウム等の電極と、リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等の回路配線基板の導体配線とをボールボンディング法によって接続するためのボンディング用ワイヤに関するものである。
例えば、半導体素子上のアルミニウム電極（以下、「アルミニウム（Ａｌ）」を「アルミ」という。）と外部リードとの間を接続するボンディング線（ワイヤ）としては、金細線が使用されている。このように金細線が多用されるのは溶融ボールの形状が真円球状となり、形成される溶融ボールの硬さが適切であって、接合時の荷重、超音波によって半導体素子を損傷することがなく、確実な接合ができ、その信頼性が高いからである。
この金細線のボンディング用ワイヤとして、カルシウム（Ｃａ）を１〜１００重量ｐｐｍ、さらにパラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１種を０．２〜５．０重量％含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、引張強さが３３．０ｋｇｆ／ｍｍ２（３２３ＭＰａ）以上、伸び率が１〜３％であるもの、さらに、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂｅ（ベリリウム）のうち少なくとも１種を１〜１００重量ｐｐｍ添加したものが提案されている（特許文献１請求項１、２）。
一方、ボンディング用ワイヤによる半導体素子上の電極と回路配線基板の導体配線との接続には、ボールボンディング法とウエッジボンディング法がある（特許文献１図１、図２）。
そのボールボンディング法による接続方法は、図１（ａ）〜（ｈ）に示す態様が一般的であり、同図（ａ）に示す、ワイヤＷがキャピラリー１０ａに挿通されてその先端に溶融ボールｂが形成された状態から、クランプ１０ｂが開いて、キャピラリー１０ａが集積回路素子上の電極ａに向かって降下する。このとき、溶融ボールｂはキャピラリー１０ａに捕捉される。
ターゲットである電極ａに溶融ボールｂが接触すると（キャピラリー１０ａが電極ａに至ると）、キャピラリー１０ａが溶融ボールｂをグリップし、溶融ボールｂに熱・荷重・超音波を与え、それによって溶融ボールｂが圧着されて（圧着ボールｂ’となって）電極ａと固相接合され、１ｓｔボンドが形成されて電極ａと接着する（１ｓｔ接合、図１（ｂ））。
１ｓｔボンドが形成されれば、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後（同図（ｃ））、導体配線ｃの真上まで移動する（同図（ｄ）〜（ｅ））。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー１０ａに特殊な動きをさせてワイヤＷに「くせ」を付ける動作をする場合がある（同図（ｄ）の鎖線から実線参照）。
導体配線ｃの真上に至ったキャピラリー１０ａは、導体配線ｃに向かって降下し、ワイヤＷを導体配線（２ｎｄターゲット）ｃに押付ける（同図（ｅ）〜（ｆ））。これと同時に、その押付け部位に熱・荷重・超音波を与え、それによってワイヤＷを変形させ、ワイヤＷを導体配線ｃ上に接合させるためのステッチボンドと、次のステップでテイルを確保するテイルボンドを形成する（２ｎｄ接合、図１（ｆ））。
その両ボンドを形成した後、キャピラリー１０ａはワイヤＷを残したまま上昇し、キャピラリー１０ａの先端に一定の長さのテイルを確保した後、クランプ１０ｂを閉じて（ワイヤＷをつかんで）、テイルボンドの部分からワイヤＷを引きちぎる（図１（ｇ））。
キャピラリー１０ａは、所要の高さまで上昇すると停止し、そのキャピラリー１０ａの先端に確保されたワイヤＷの先端部分に、放電棒ｇでもって高電圧を掛けて放電し（スパークし）、その熱でワイヤＷを溶かし、この溶けたワイヤ素材は表面張力によって球状に近い溶融ボールｂになって固まる（図１（ｈ））。
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極ａと導体配線ｃのボールボンディング法による接続がされる。
ウエッジボンディング法は、図２（ａ）〜（ｄ）に示す態様が一般的であり、同図（ａ）に示すように、ワイヤＷをウエッジ２１の下端部に挿通してクランパー２２によりワイヤＷをクランプするとともに、この下方にある集積回路の半導体素子上の電極ａに移動し、その後、ウエッジ２１を下降させてワイヤＷを電極ａに押付けて常温のまま超音波振動を付与してワイヤＷを電極ａに接合する（同図（ｂ））。
つぎに、図２（ｃ）に示すように、クランパー２２が開放され、ウエッジ２１は所定の軌跡を描いて、導体配線ｃの上に移動し、下降してワイヤＷを導体配線ｃに押付ける。この後、図示しないが常温のまま超音波振動がウエッジ２１を通して付加され、ワイヤＷを導体配線ｃに接合する。
さらに、図２（ｄ）に示すように、クランパー２２によりワイヤＷをクランプし、その状態でウエッジ２１が上昇することにより、ワイヤＷが切断されて配線が完了する。
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極ａと導体配線ｃのウエッジボンディング法による接続がされる。
特開平１０−９８０６２号公報
ところで、最近は、半導体の小型化、薄型化、高機能化および高信頼性の要求が高まる中で、金ボンディング用ワイヤＷに必要とされる特性も多様化しており、半導体素子の多ピン化及びこれに伴う狭ピッチ化に対応するため、ワイヤ強度の確保および更なる接合の長期信頼性が要求されている。
一方、ボールボンディング法において、金ワイヤ先端に溶融ボールｂを形成して半導体素子上のアルミ電極に接合を行うと、金とアルミ間に合金層が形成される。金―アルミ（Ａｕ−Ａｌ）接合後も金とアルミの間に拡散が進み、合金層が成長しすぎると接合性が低下する。
このボールボンディングにおいて、通常、溶融ボールｂが硬いと接合性が向上する。Ｐｄを添加すると、溶融ボールｂが硬くなることで接合性が向上し、さらに、接合後のＡｕ−Ａｌ合金層の成長を抑え、接合性の低下を防ぐことでワイヤ接合信頼性が向上することが知られている。この点から、上記特許文献１のボンディング用ワイヤにおいても、ワイヤ接合信頼性向上の為、数重量％のＰｄを添加することが有効であると考えられる。しかし、引張強さが３３．０ｋｇｆ／ｍｍ２（３２３ＭＰａ）以上であることから、ボールボンディング法で使用した場合、ワイヤの強度が高すぎるため、２ｎｄ接合時にワイヤが潰れにくく接合面積が小さくなり、接合性が悪くなる。因みに、特許文献１の発明はウエッジボンディング法であり、ある程度の引張強度（引張強さ）を必要とする為と考える。
この発明は、以上の実状の下、ボールボンディング法によって、長期接合信頼性を向上し得るとともに、低温でのボンディングを可能とする狭ピッチ化に対応したボンディング用ワイヤとすることを課題とする。
上記課題を達成するため、この発明は、半導体素子の電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するための線径：１０〜５０μｍのボンディング用ワイヤにおいて、Ｐｄを０．２〜２重量％含有し、Ｃａ、Ｂｅのうち少なくとも1種以上を総和１〜５０重量ｐｐｍ含有し、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕ（銅）のうち少なくとも1種以上を総和１〜１００重量ｐｐｍ含有し、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａである構成を採用したのである。
上記のように、通常、溶融ボールｂが硬いと、接合性が向上する。一方、柔らかいと、潰れすぎて、ボンディング時の荷重、超音波が十分に伝わらず、接合性が低下する。さらに、硬すぎると、押圧力によって、電極ａに破損などの障害が生じる。また、Ｐｄを添加すると、溶融ボールｂが硬くなり、接合後のＡｕ−Ａｌ合金層の成長を抑えることができる。
このとき、Ｐｄの添加量が多すぎると、１ｓｔ接合時、溶融ボールｂが硬くなり過ぎて、十分な接合面積が得られず、また、Ａｕ−Ａｌ間で合金層の生成が不十分となるため接合性が低下する。このため、安定して接合するためには高温、高荷重、高超音波出力で接合する必要があるが、それらを行うと、半導体素子の損傷等の不具合が発生する。一方、添加量が少なすぎると、Ｐｄ添加による上記効果が期待できない。このため、０．２〜２重量％含有、好ましくは０．５〜１．５重量％含有とする。
このＰｄを０．２〜２重量％含有させ、かつ、ワイヤの引張強度を１９６〜２９４ＭＰａとしたことによって、１ｓｔ接合において、溶融ボールｂが適度な硬度となって、ボンディング時の荷重、超音波が伝わりやすく、合金層が均一に形成されることにより、押圧時の圧着ボールｂ’径が大きくなりすぎず、チップ割れが発生することなく、安定した１ｓｔ接合性（ボンディング性）を得ることができる。また、２ｎｄボンディング（接合）時にワイヤが潰れ易く、接合面積が大きくなるため、安定した２ｎｄボンディング性（接合性）を示す。さらに、極細線で発生しやすいリーニングや樹脂封止時のワイヤ流れを防止できる。
引張強度が２９４ＭＰａを超えると、ワイヤの強度が高すぎて２ｎｄ接合時にワイヤが潰れにくく、接合面積が小さくなり、２ｎｄ接合性が低下する。１９６ＭＰａ未満では、ワイヤが柔らかく、２ｎｄ接合の接合面積が大きくなるが、ワイヤ自体の強度が低いため、プル試験（図３で示すように、接合したワイヤを２ｎｄ接合部で引張る）を行うと、ワイヤＷが簡単に切れてしまう。
Ｃａ、Ｂｅは、微量の添加でワイヤの引張強度が上がり、接合強度も上がる。一方、少ないとその効果を望めず、過剰であると、溶融ボールｂの形状がいびつになり、圧着ボールｂ’の形状が安定せず、接合性も低下する。このため、少なくとも1種以上を総和１〜５０重量ｐｐｍ含有、好ましくは総和１〜２５重量ｐｐｍ含有とする。
Ａｇ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｃｕは、引張強度を上げるために添加するが、単独での添加では多量に加えなければその効果が出にくいが、上記Ｃａ、Ｂｅとの併用でその単独添加以上の引張強度が向上する。また、Ａｕ−Ａｌ合金層の拡散が適度に起こる。さらに、Ｃａ、Ｂｅと比べて多量に加えても表面に析出物が出にくい。過少であると、その効果が望めず、過剰であると、溶融ボールｂ表面に添加元素が析出し接合性が低下する。このため、少なくとも1種以上を総和１〜１００重量ｐｐｍ含有、好ましくは総和１〜７５重量ｐｐｍ含有とする。
このように、微量添加元素Ｃａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕは、ワイヤＷの引張強度の向上のために添加するが、その総和が５０重量ｐｐｍ未満であると、上記１９６〜２９４ＭＰａの引張強度を望めず、１００重量ｐｐｍを超えると、溶融ボールｂ表面にその添加元素が析出して接合性が低下する。
また、Ｐｄを０．５〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｂｅのうち少なくとも1種以上を総和１〜２５重量ｐｐｍ含有し、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも1種以上を総和１〜７５重量ｐｐｍ含有し、その残部が金及び不可避不純物からなる組成のボールボンディング用ワイヤとすれば、下記実施例から、引張強度、伸び、圧着ボール形状(１ｓｔボール円形性)、１ｓｔ接合性(シェア強度)及び２ｎｄ接合性(プル試験)の全てにおいて優れたものとなる。
さらに、微量添加元素Ｃａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和は５０〜１００重量ｐｐｍであることが好ましい。
このワイヤＷの線径は１０〜５０μｍとする。５０μｍ以下としたのは、溶融ボールｂをより小さくできるからであり、１０μｍ以上としたのは、１０μｍ未満ではボンディング前にオペレータがワイヤＷをキャピラリー１０ａに通すのが困難になり、作業性が悪くなるうえに、空気圧によりワイヤに十分な張力をかけることができなくなり、ループ制御が困難になるからである。
この発明は、以上のように、Ｐｄを適量含有し、さらにＣａ、Ａｇ等を適量含有し、かつ引張強度を１９６〜２９４ＭＰａとしたので、１ｓｔ及び２ｎｄの両接合時において、共に、安定した接合性を示し、かつリーニングや樹脂封止時のワイヤ流れを防止することができる。このため、長期接合信頼性を向上し得るとともに、低温でのボンディングを可能とし得る。
また、１ｓｔ接合時の圧着ボール径を小さくしても確実な接合性を担保し、狭ピッチ化
に適応するものとなる。
ボールボンディング接続法の説明図であり、（ａ）〜（ｈ）はその途中図 ウエッジボンディング接続法の説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はその途中図 プル強度試験説明図
「実施例」
金純度が９９．９９重量％以上の高純度金を用いて、表１に示す化学成分の金合金を鋳造し、８ｍｍφのワイヤロッドを作成した。そのワイヤロッドを伸線加工し最終線径を２５μｍの金合金線とし、窒素雰囲気中４００〜６００℃で連続焼鈍して伸び３〜５％、所定の引張強度になるように調製した。化学成分の定量はＩＣＰ−ＯＥＳ(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法）により行った。そのボンディング用ワイヤＷとして、実施例１〜２８、比較例１〜８を得た。
Figure 0005403436
この各実施例及び各比較例に対し、下記の試験を行った。
『評価項目』
得られたボンディング用ワイヤＷについて、常温における引張強度（ＭＰａ）、伸び（％）、圧着ボール形状、１ｓｔ接合性、２ｎｄ接合性及び総合評価を表２に示す。
『評価方法』
「引張強度」：
長さ１００ｍｍのワイヤ３０本を引張速度１０ｍｍ／分で引張り、破断荷重(単位：ｍＮ)を測定した。破断荷重の値と線径から求められる断面積より引張強度を求め、平均化した。
「伸び」：
長さ１００ｍｍのワイヤ３０本を引張速度１０ｍｍ／分で引張り、破断が起きるまでの伸びを測定し、平均化した。
「圧着ボール形状(１ｓｔボール円形性)」：
１ｓｔ接合部の形状を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。観察は１００個行い、すべて略円形なら「○」、１〜５つの変形なら「△」、５つ以上変形していたら「×」とした。
「１ｓｔ接合性(シェア強度)」：
ボンドテスタ−２４００（ｄａｇｅ社製）にて１ｓｔ接合部のシェア強度を３０個測定した。測定値から単位面積当たりのシェア強度を計算し、平均化した。
その単位面積当たりのシェア強度が９８ＭＰａ以上なら「○」、８８ＭＰａ以上９８ＭＰａ未満なら「△」、８８ＭＰａ未満なら「×」とした。
「２ｎｄ接合性(プル試験)」：
図３に示すように、２ｎｄ接合部を上方に引張り、ボンドテスタ−２４００（ｄａｇｅ社製）によって、そのワイヤが切断された時点の引張強度（プル強度）を３０個測定し、平均化した。４９ｍＮ以上なら「○」、３９ｍＮ以上４９ｍＮ未満なら「△」、３９ｍＮ未満なら「×」とした。
『ボンディング手段』
ボンディングには市販のボンダーを使用して溶融ボールｂを作製し、ステージ温度１５０℃にて、１ｓｔ部、２ｎｄ部をそれぞれアルミ電極ａにボンディングを行った。
『総合評価』
各評価で全て「○」のものを「◎」、「△」が一つで他全て「○」のものを「○」、「×」が無く「△」が二つ以上あるものを「△」、「×」が一つでもあるものを「×」とした。
なお、この評価において、「×」以外は、使用条件によれば、この発明の作用効果を発揮して使用し得る。
Figure 0005403436
この表１、２の比較例７、８から、Ｐｄ含有量が０．２〜２重量％を外れると、１ｓｔ接合性及び２ｎｄ接合性の何れかにおいて不都合が生じて総合評価が「×」となり、比較例１、２から、Ｃａ、Ｂｅのうち少なくとも1種以上の総含有量が１〜５０重量ｐｐｍを外れると、圧着ボール形状、又は２ｎｄ接合性において不都合が生じて総合評価が「×」となっている。
比較例３、６から、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも1種以上の含有量の総和が１〜１００重量ｐｐｍを外れると、圧着ボール形状、又は２ｎｄ接合性において不都合が生じて総合評価が「×」となっている。
また、比較例１、２、４〜８から、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａを外れると、圧着ボール形状、１ｎｄ接合性又は２ｎｄ接合性の何れかにおいて不都合が生じて総合評価が「×」となっている。
これに対し、各実施例１〜２８は、いずれも、Ｐｄを０．２〜２重量％含有し、Ｃａ、Ｂｅのうち少なくとも1種以上を総和１〜５０重量ｐｐｍ含有し、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも1種以上を総和１〜１００重量ｐｐｍ含有し、かつ、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａであることから、総合評価において、「◎」「○」又は「△」を得ており、この発明の効果を得ることができることが理解できる。
また、実施例１６、１７、２３、２４、２７、２８と他の実施例の比較から、Ｃａ、Ｂｅの総和が２５重量ｐｐｍを超えると、総合評価において「◎」を得られない。さらに、実施例２２、２５、２６と他の実施例と比較から、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が７５重量ｐｐｍを超えると、総合評価において同様に「◎」を得られない。また、実施例１８〜２１と他の実施例の比較から、Ｐｄが０．５〜１．５重量％を外れると、総合評価において同様に「◎」を得られない。
一方、実施例１〜１５から、Ｐｄが０．５〜１．５重量％、Ｃａ、Ｂｅの総和が１〜２５重量ｐｐｍ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が５０〜７５重量ｐｐｍ、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａ、微量添加元素Ｃａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が５４．３〜９５重量ｐｐｍであると、総合評価において「◎」であり、優れた配合割合であることが理解できる。
Ｐ ボンディング用ワイヤ
ａ 集積回路素子の電極
ｂ 溶融ボール
ｂ’ 圧着ボール
ｃ 回路配線基板の導体配線

Claims (3)

  1. 半導体素子の電極（ａ）と回路配線基板の導体配線（ｃ）をボールボンディング法によって接続するための線径１０〜５０μｍのボンディング用ワイヤ（Ｗ）において、Ｐｄを０．２〜２重量％含有し、Ｃａ、Ｂｅのうち１種を総和１〜５０重量ｐｐｍ含有するとともにそのＢｅの含有量は２５重量ｐｐｍ以下とし、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも１種以上を総和１〜１００重量ｐｐｍ含有し、かつ、そのＣａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が５０〜１０５重量ｐｐｍであり（但し、ＣａとＭｇの両者を含む場合を除く。）、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａであることを特徴とするボールボンディング用ワイヤ。
  2. 半導体素子の電極（ａ）と回路配線基板の導体配線（ｃ）をボールボンディング法によって接続するための線径１０〜５０μｍのボンディング用ワイヤ（Ｗ）において、Ｐｄを０．５〜１．５重量％含有し、Ｃａ、Ｂｅのうち１種を総和１〜２５重量ｐｐｍ含有し、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも１種以上を総和１〜７５重量ｐｐｍ含有し、かつ、そのＣａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が５０〜１０５重量ｐｐｍであり（但し、ＣａとＭｇの両者を含む場合を除く。）、残部が金及び不可避不純物からなる組成を有して、引張強度が１９６〜２９４ＭＰａであることを特徴とするボールボンディング用ワイヤ。
  3. 上記Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕのうち少なくとも１種以上を総和５０〜７５重量ｐｐｍ含有し、微量添加元素Ｃａ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｕの総和が５４．３〜９５重量ｐｐｍ（但し、ＣａとＭｇの両者を含む場合を除く。）であることを特徴とする請求項２に記載のボールボンディング用ワイヤ。
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