説明

ボールボンディング用ワイヤ

【課題】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、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ものとする。
【解決手段】半導体素子のアルミニウム製電極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である。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。引張強度を196〜294MPaとすることで、2ndボンディング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ボンディング性を示し、かつ、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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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/mm(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)。
【0004】
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。
【0005】
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)。
【0006】
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))。
【0007】
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))。
【0008】
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))。
【0009】
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。
【0010】
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))。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】特開平10−98062号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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/mm(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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【発明の効果】
【0026】
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。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】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
【図2】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
【図3】プル強度試験説明図
【発明を実施するための形態】
【0028】
「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。
【0029】
【表1】

【0030】
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。
【0031】
【表2】

【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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1〜75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50〜100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。
【符号の説明】
【0035】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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、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。
【請求項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。
【請求項3】
微量添加元素Ca、Be、Ag、Mg、Ge、Cuの総和が50〜100重量ppm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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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