JP3382918B2 - 半導体素子接続用金線 - Google Patents
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- H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
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Description
極と外部リードを電気的接続する為に使用される半導体
素子接続用金線に関し、詳しくは狭ピッチ接続又は薄肉
電極接続に用いて好適な半導体素子接続用金線に関す
る。
体素子の電極と外部リードを接続する方法として金線を
用いてボールボンディング法により配線する方法、金線
を用いてバンプを形成し、該バンプを介して接続する方
法が普及している。ボールボンディング法により配線す
る方法に於いては、繰り出された金線はボンディングツ
ールとしてのキャピラリに導入され、次いでそのツール
の出口側に導出された金属細線の先端にボールを形成し
た後ボールを半導体素子のAl電極上に押圧し、キャピ
ラリーをXYZ方向(前後、左右、上下方向)に移動さ
せて所定のループ形状を形成し、外部リードにボンディ
ングした後、金属細線を切断してワイヤボンディングす
る方法(以下「ボールボンディング」という)がとられ
ている。
前記ボールを半導体素子のAl電極上に押圧した後、ボ
ール付け根付近で金線を切断し、該ボールを介して接続
する方法(以下「バンプ接続」という)がとられてい
る。一方最近の半導体装置の高機能化、小型化に伴い半
導体素子の多ピン化の為に狭ピッチ化が進んでいる。こ
れに対して金線に要求される性能も高まっており、これ
らの要求性能の中で、前記ボールを押圧した圧着ボール
の外径はワイヤ線径の2倍程度になる為、圧着ボールの
真円度を向上させることが重要な特性である。
ボールの真球度を管理する試みがなされてきた。しかし
ながら最近、狭ピッチ接続に適した圧着後のボール真円
度は圧着前ボールの真球度と必ずしも一致していないこ
とがわかってきた。この為圧着後のボールの真円度を向
上させる試みがなされ始めた。例えば特開平11−16
3016号公報にはCu,Pt,Pdの1種以上を総計
で0.03〜5重量%含有させることが、特開平10−
172998号公報にはBeとCaを含有させること
が、特開平10−303239号公報、特開平10−8
3716号公報にはMn,Pdに加えてCa等を含有さ
せることが開示されている。
配線に於いては、ボールは従来よりも微小なボールを用
いて圧着し、より小さな圧着径において圧着後の真円度
の維持が要求される。前述の試みの中でも、特開平10
−172998号公報に開示のものは微小ボールの圧着
真円度が不充分であったり、所定のワイヤ強度が得られ
ないという欠点を有している。ここでワイヤボンディン
グの狭ピッチ接続ではワイヤ倒れによる接触事故防止の
為、ワイヤ強度を向上させることが特に要求されるもの
である。
度が不充分であったり、該真円度を向上させる為に添加
元素の含有量を大幅に増加させる為、電気抵抗が大きく
なるという欠点を有している。更に半導体素子のAl電
極の膜厚として薄肉のものが要求されて、該電極膜厚の
薄肉化に伴い、特にバンプ接続では、圧着ボールにより
電極割れが生じそこから半導体素子即ちICチップの割
れ(以下「チップ割れ」という)の問題が生じてくる。
前述の添加元素の含有量を大幅に増加させることは該チ
ップ割れの問題にもつながってくる。
ルを半導体素子のAl電極上に押圧した後金線を上方に
引っ張って、ボール付け根付近で破断する方法がとられ
ている。この時圧着ボールに付着した残存ワイヤの長さ
(以下「テール長さ」という)を均一にすることが要求
されている。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、電気抵
抗の上昇を抑制する為、添加元素の含有量が200質量
ppm以下の特定の金合金組成としながら、微小ボール圧
着後の真円度を向上させ、ワイヤ強度が大きく、半導体
素子のAl電極の膜厚が薄くなっても圧着ボールによる
チップ割れの問題を生じないようにし、更にはバンプ接
続の際テール長さを均一にすることが出来る半導体素子
接続用金線を提供することにある。
成するために下記を提供するものである。 (1)5〜100質量ppm のCa、5〜100質量ppm
のGd、1〜100質量ppm のYであって、これらの合
計量が200質量ppm 以下であり、残部が金と不可避不
純物からなる半導体素子接続用金線 (2)5〜100質量ppm のCa、5〜100質量ppm
のGd、1〜100質量ppm のY、1〜100質量ppm
のGd,Yを除く希土類のうち少なくとも1種であっ
て、これらの合計量が200質量ppm 以下であり、残部
が金と不可避不純物からなる半導体素子接続用金線 (3)更に1〜100質量ppm のMg,Ti,Pbのう
ち少なくとも1種を含有しかつ添加元素の合計量が20
0質量ppm 以下である請求項1、請求項2記載の半導体
素子接続用金線
した高純度金を用いることが好ましい。更に好ましくは
99.995質量%以上であり、最も好ましくは99.
999質量%以上である。高純度金を用いる程有害成分
の影響を除去出来て好ましい。 〔Ca〕 本発明に用いる金合金線を所定量のGdとYの共存にお
いて、Caの含有量を5〜100質量ppm とすることに
より前記課題を達成出来る。
含有量が5質量ppm 未満の場合と対比して、微小ボール
の圧着真円度、破断強度が向上し、バンプ形成時のテー
ル長さの均一性が向上してくる。Ca含有量が100質
量ppm を超えた場合と対比して、微小ボールの圧着真円
度が向上し、薄膜電極によるチップ割れが生じなくな
る。この為所定量のGdとYとの共存においてCa含有
量を5〜100質量ppmとした。 〔Gd〕 本発明に用いる金合金線を所定量のCaとYの共存にお
いて、Gdの含有量を5〜100質量ppm とすることに
より前記課題を達成出来る。
含有量が5質量ppm 未満の場合と対比して、微小ボール
の圧着真円度が向上し、バンプ形成時のテール長さの均
一性が向上してくる。Gd含有量が100質量ppm を超
えた場合と対比して、微小ボールの圧着真円度が向上
し、薄膜電極によるチップ割れが生じなくなる。この為
所定量のCaとYとの共存においてGd含有量を5〜1
00質量ppm とした。 〔Y〕 本発明に用いる金合金線を所定量のCaとGd共存にお
いて、Yの含有量を1〜100質量ppm とすることによ
り前記課題を達成出来る。
量が1質量ppm 未満の場合と対比して、微小ボールの圧
着真円度が向上し、バンプ形成時のテール長さの均一性
が向上する。Y含有量が100質量ppm を超えた場合と
対比して、微小ボールの圧着真円度が向上し、薄膜電極
によるチップ割れが生じなくなる。この為所定量のCa
とGdとの共存においてY含有量を1〜100質量ppm
とした。 〔Gd,Yを除く希土類〕(以下「第1群元素」と
いう) 本発明に用いる金合金線を所定量のCa,Gd及びYと
の共存において第1群元素の少なくとも1種を1〜10
0質量ppm 添加することにより、添加しない場合と対比
して微小ボールの圧着真円度、バンプ形成時のテール長
さの均一性が一段と向上してくる為好ましく用いられ
る。第1群元素の中でもEu,La,Ce,Luが好ま
しく用いられる。
において含有する第1群元素の少なくとも1種を1〜1
00質量ppm 添加することが好ましい。 〔Mg,Ti,Pb〕(以下「第2群元素」とい
う) 本発明に用いる金合金線を所定量のCa,Gd及びYと
の共存又はそれに加えて所定量の第1群元素との共存に
於いて第2群元素の少なくとも1種を1〜100質量pp
m 添加することにより、添加しない場合と対比して同等
の性能を有する。第2群元素の中でもMg,Ti,Pb
が好ましく用いられる。 添加量の合計量 本発明に用いる金合金線は添加量の合計量が200質量
ppm を超えると、薄膜電極によるチップ割れが生じてく
る。また電気抵抗が増大して好ましくない。この為添加
量の合計量が200質量ppm 以下であることが必要であ
る。 (2)金線の製造工程 本発明に用いる半導体素子用金線の製造工程の一例を説
明する。まず所定組成の金属を溶解しインゴットに鋳造
した後、溝型圧延機を用いて圧延し、中間焼鈍を交えて
最終冷間加工により直径10〜100μmの細線とした
後、伸び率が4〜6%になるように最終アニールを施
し、ついでワイヤ表面に潤滑防錆剤を塗布する。最後に
加工工程を終了したワイヤを主として外径50.3mmの
スプールに所定張力で所定長さを巻き替えて製品とす
る。所定長さとしては100〜3,000mが用いられ
更に長尺になりつつある。 (3)用途 本発明になる金線は、半導体素子電極と外部リード(あ
るいは配線基板)との接続用に用いられ、接続方法とし
てボールボンディング法により配線して接合する方法、
及び金線を用いてバンプを形成し、該バンプを介して接
続する方法が普及している。以下これらの方法について
図1〜図3を用いて説明する。 ボールボンディング法により接続する方法 図1(a)に示す様に金線2をキャピラリ1に挿通し、
その先端に電気トーチ3を対向させ、金線2との間で放
電させることにより、金線2の先端を加熱、溶融してボ
ール4を形成する。
1を下降させて該ボール4を半導体素子6上のAl電極
5の上に押圧接合する。この時図示しないが超音波振動
がキャピラリー1を通して付加されると共に、半導体素
子6はヒーターブロックで加熱される為、上記ボール4
は熱圧着され、圧着ボール4′となる。次いで図1
(c)に示すようにキャピラリー1は所定の軌跡を描い
て、外部リード8の上に移動し、下降する。この時図示
しないが超音波振動がキャピラリー1を通して付加さ
れ、外部リード8はヒータブロックで加熱される為、金
線2側面が外部リード8上に熱圧着される。
7は金線2をクランプしたまま上昇することにより、金
線2が切断され配線が完了する。次いで該配線部を樹脂
封止して半導体装置とする。ここで隣接した圧着ボール
4′の中心間距離(以下「ピッチ間隔」という)が従来
80μm程度であったものが70μm以下更には60μ
m以下の狭ピッチ間隔が要求されている。
圧着ボールの真円度が向上したものであるため、半導体
素子電極とリード部が金線で配線して接続され、配線部
が樹脂封止された半導体装置において、ピッチ間隔が7
0μm以下である半導体装置に好ましく利用出来る。 バンプを介して接続する方法 図1(a)、図1(b)と同様の方法によりボール4を
半導体素子6上のAl電極5の上に押圧接合して、圧着
ボール4′を形成する(図2(a)、図2(b))。
6が固定された状態で、金線2をクランプしたクランパ
ー7を上方に移動させることにより、金線2は圧着ボー
ル4′のつけ根近くでワイヤテール部を残したまま破断
する。ここで金線2はボール形成時の熱の影響を受け
て、ボールのつけ根近くがもろくなっている為、前述の
ように金線が引っ張りにより破断する時、ボールのつけ
根近くで破断する。
ル4′をリード8に圧着してバンプ14を形成すること
により、半導体素子電極5とリード8をバンプ14を介
して接続する。次いで該接続部を樹脂封止して半導体装
置とする。ここで、図2(c)における、金線を破断し
た圧着ボールの拡大図を図3に示す。高さaはキャピラ
リー1の外底部により圧着された高さ、高さbはキャピ
ラリーの内底部により圧着された高さ、高さcはワイヤ
テール部である。この中で高さa,bはバラツキが小さ
いものの、高さcはバラツキが生じ易い。高さcのバラ
ツキが大きいとバンプの大きさにバラツキが生じると共
に高さcが長すぎると、図2(d)に示すような圧着ボ
ール4′を形成したとき、ワイヤ端がはみ出して隣接し
たバンプと短絡するおそれがある。この為高さcのバラ
ツキを抑制することが要求されるものである。更に半導
体素子Al電極5の膜厚が従来1μm程度であったもの
が0.5μm以下、又は0.3μm以下、更には0.1
μm以下の薄い電極膜に圧着することが要求されてい
る。この様な極薄電極膜にボールを圧着した場合、電極
が破損し、その影響でチップが破損することが生じやす
い。
ると、テール長さのバラツキが小さく、極薄電極膜に圧
着してもチップ割れを防止出来るものである為、半導体
素子電極とリード部が金バンプを介して接続され、接続
部が樹脂封止された半導体装置において、半導体素子A
l電極の膜厚が0.5μm以下である半導体装置に好ま
しく利用出来る。
金に表1に示す元素を所定量添加し、真空溶解炉で溶解
した後、鋳造して表1に示すA1〜A11組成の金合金
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
25μmとし、伸び率4%となるように最終アニールを
行い、更に表面に潤滑剤を被覆して金合金線に仕上げ測
定に供した。
ダUTC−200型(株式会社新川製)を用いてまず、
電気トーチによるアーク放電で金合金線先端にボールを
形成した。アーク放電条件の中で電流及び時間を調整し
てボール直径55μm(ワイヤ直径の2.2倍とする従
来ボール)と直径45μm(ワイヤ直径の1.8倍とす
る微小ボール)の2種類を形成した。次いで各々のボー
ルを圧着ツールを用いてダイ温度200℃で半導体素子
Al電極上に超音波併用熱圧着方式により熱圧着した。
圧着後の真円度を測定した。圧着前ボールは任意の直角
方向の直径を測定し、小径/大径の値を真円度とした。
圧着後真円度は圧着径を超音波印可方向に垂直方向の圧
着径(以下Xという)と平行方向の圧着径(以下Yとい
う)別に測定しX/Yを微小ボールの圧着真円度とし
た。各々の真円度としてボール50個の平均値を表1に
示した。
ンダSBB−1(株式会社新川製)を用いて、同様にし
て電気トーチによるアーク放電で金合金線先端にボール
を形成した。ボールの大きさは従来ボール(直径55μ
m)の大きさとした。次いで該ボールを圧着ツールを用
いてダイ温度200℃で半導体素子Al電極上に超音波
併用熱圧着方式により熱圧着した。該半導体素子Al電
極として汎用膜厚(1μm)と微小膜厚(0.1μm)
を用いた。熱圧着条件として超音波出力を0.5W〜
1.5Wの範囲で4水準、荷重を0.4N〜0.8Nの
範囲で3水準、計12種類とし、各条件で400バンプ
試験し、全ての条件でチップ割れのないものを良品、1
個でもチップ割れのあるものを不良品とした。良品は○
印、不良品には×印を付して表1に測定結果を示した。
l電極として汎用膜厚(1μm)を用いたこと以外は第
2の試験と同様にして熱圧着を行った。次いで図2
(c)に示す要領で金合金線2を上方に引っ張り、バン
プ4′を形成した。バンプの拡大図である図3に於い
て、a+b+cの高さを測定した。1組成条件当たり5
0バンプについて金属顕微鏡で測定し、最大値と最小値
の差をテール長さの均一性として表1に示した。
荷重を測定した。結果を表1に示す。 (実験例)組成を表2〜表3の様にしたこと以外は試験
Aと同様にして実験例1〜45に示す直径25μmの金
合金線に仕上げて、測定に供した。
さとして、微小ボール(直径45μm)を形成したこと
以外は試験A−真円度試験と同様にしてボール圧着後の
真円度を測定し、その結果を表2〜表3に示した。破断
荷重は供仕材料の引張り試験を行い、その結果を表2〜
表3に示した。チップ破損試験は、半導体素子Al電極
の膜厚として、微小膜厚(0.1μm)のものを用いた
こと以外は、試験A−チップ破損試験と同様にしてチッ
プダメージを測定し、その結果を表2〜表3に示した。
電極の膜厚として、微小膜厚(0.1μm)のものを用
いたこと以外は、試験A−テール長さ均一性試験と同様
にしてテール長さ均一性を測定し、その結果を表2〜表
3に示した。 (試験結果)試験A 本願の課題を達成する為の必須元素を探索する為の試験
Aを、表1に示す組成(試料A1〜A11)を用いて行
った。 (1)真円度試験 微小ボールの圧着後の測定では次のことがいえる。
い試料A7、Gdを含有しない試料A3,A4,A1
1、Yを含有しない試料A5,A6,A10、Ag又は
Coを0.5%含有する試料A8,A9のものは、微小
ボール圧着後真円度が0.94以下と不充分なものであ
った。 前述の試料A3〜A11のものは、圧着前ボール真
円度又は従来ボールの圧着後真円度では0.97以上と
良好であったものが、微小ボール圧着後真円度では不充
分なものになることが判る。
有する試料A1のものは微小ボール圧着後真円度が0.
97と良好であった。 試料A1組成に加えて第1群元素としてEuを20
質量ppm 含有する試料A2のものは微小ボール圧着後真
円度が1.00と更に良好であった。 (2)チップダメージ試験 厚さ0.1μmの微小電極のチップ割れ測定では次のこ
とがいえる。
A8,A9のものはチップ割れが生じる。このことから
添加元素の量に上限値があることが判る。 (3)テール長さのバラツキ テール長さのバラツキの測定では次のことがいえる。
い試料A7、Gdを含有しない試料A3,A4,A1
1、Yを含有しない試料A5,A6,A10、のもの
は、テール長さのバラツキが56μm以上と不充分なも
のであった。 Ca,Gd,Yを各々20質量ppm 含有する試料A
1のものは、テール長さのバラツキが40μmと良好で
あった。
てEuを20質量ppm 含有する試料A2のものは、テー
ル長さのバラツキが19μmと更に良好であった。 (4)破断荷重 少なくともCa,Gd,Yを各々20質量ppm 含有
する試料A1,A2,A8,A9のものは、破断荷重が
139〜140mNと良好であった。
もCaを含有しない試料A7、BeとGdを共存して含
有する試料A10のものは、破断荷重が124〜127
mNと低いものであった。 (5)まとめ 微小ボール圧着後真円度、チップダメージ、テール長さ
のバラツキの課題に対してCa,Gd,Yを又はそれに
加えてEuを含有すると優れた効果が得られ、この中で
も添加量が多いと微小ボール圧着後真円度、チップダメ
ージの点で効果が小さいことが判る。実験例1〜45 本願の課題を達成する為に、試験Aに対する追加試験と
して、実験例1〜45を表2〜3に示す組成を用いて行
った。 (1)試験I(試験A及び実験例1〜7) Ca添加量を変化させた表2の試験Iから次のことがい
える。
が5〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して優れ
た効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着後真円度
は0.96〜0.97、破断荷重は133〜145mN、
チップダメージはなく、テール長さのバラツキは31か
ら48μmである。 Ca添加量が5質量ppm 未満の時、微小ボール圧着
後真円度0.93、破断荷重127mN、テール長さのバ
ラツキ78μmであり何れも不充分であった。
時、微小ボール圧着後真円度0.91、チップダメージ
が生じる点で不充分であった。 Ca,Gd,Yに加えてEuを添加すると、Ca添
加量が5〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して
更に優れた効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着
後真円度は0.99〜1.00、テール長さのバラツキ
は13〜27μmと一段と優れていることが判る。 (2)試験II(試験A及び実験例8〜13) Gd添加量を変化させた表2の試験IIから次のことがい
える。
が5〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して優れ
た効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着後真円度
は0.95〜0.97、破断荷重は138〜140mN、
チップダメージはなく、テール長さのバラツキは33か
ら45μmである。 Gd添加量が5質量ppm 未満の時、微小ボール圧着
後真円度0.92、テール長さのバラツキ75μmであ
り何れも不充分であった。
時、微小ボール圧着後真円度0.90、チップダメージ
が生じる点で不充分であった。 Ca,Gd,Yに加えてEuを添加すると、Gd添
加量が5〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して
更に優れた効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着
後真円度は0.99〜1.00、テール長さのバラツキ
は15〜29μmと一段と優れていることが判る。 (3)試験III (試験A及び実験例14〜19) Y添加量を変化させた表2の試験III から次のことがい
える。
が1〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して優れ
た効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着後真円度
は0.95〜0.97、破断荷重は137〜142mN、
チップダメージはなく、テール長さのバラツキは35か
ら50μmである。 Y添加量が5質量ppm 未満の時、微小ボール圧着後
真円度0.93、テール長さのバラツキ82μmであり
何れも不充分であった。
時、微小ボール圧着後真円度0.91、チップダメージ
が生じる点で不充分であった。 Ca,Gd,Yに加えてEuを添加すると、Y添加
量が1〜100質量ppm の範囲で本願の課題に対して更
に優れた効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着後
真円度は0.98〜1.00、テール長さのバラツキは
16〜29μmと一段と優れていることが判る。 (4)試験IV(試験A及び実験例20〜31) 第1群元素(Gd,Y以外の希土類元素)の添加量を変
化させた表3の試験IVから次のことがいえる。
群元素を添加量1〜100質量ppmの範囲で添加した実
験例20〜30、試験A2のものは本願の課題に対して
最も優れた効果を示すことが判る。即ち微小ボール圧着
後真円度は0.98〜1.00、破断荷重は136〜1
41mN、チップダメージはなく、テール長さのバラツキ
は15から29μmと最もすぐれたものである。
超える実験例31のものは微小ボール圧着後真円度0.
91、チップダメージが生じる点で不充分であった。 (5)試験V(試験A及び実験例32〜45) 第2群元素(Mg,Ti,Pb)添加量を変化させた表
3の試験Vから次のことがいえる。
に於いて第2群元素の少なくとも1種を添加量1〜10
0質量ppm の範囲で添加した実験例32〜42のものは
本願の課題に対して試験IVと同様に最も優れた効果を示
すことが判る。即ち微小ボール圧着後真円度は0.98
〜1.00、破断荷重は137〜141mN、チップダメ
ージはなく、テール長さのバラツキは9〜18μmと最
もすぐれたものである。
る実験例43のものは、微小ボール圧着後真円度0.9
6、チップダメージが生じる点で不充分であった。 所定量の第2群元素を含有してもCa,Gd,Y、
第1群元素のうち、Gd又はYを含有しない実験例4
4,45のものは微小ボール圧着後真円度0.91〜
0.92、テール長さのバラツキは37〜43μmであ
る。所定量の第2群元素を添加した場合もCa,Gd,
Y、第1群元素を全て添加した実験例32〜42の方が
優れていることが判る。
す工程図。
Claims (3)
- 【請求項1】 5〜100質量ppm のCa、5〜100
質量ppm のGd、1〜100質量ppm のYであって、こ
れらの合計量が200質量ppm 以下であり、残部が金と
不可避不純物からなる半導体素子接続用金線。 - 【請求項2】 5〜100質量ppm のCa、5〜100
質量ppm のGd、1〜100質量ppm のY、1〜100
質量ppm のGd,Yを除く希土類のうち少なくとも1種
であって、これらの合計量が200質量ppm 以下であ
り、残部が金と不可避不純物からなる半導体素子接続用
金線。 - 【請求項3】 更に1〜100質量ppm のMg,Ti,
Pbのうち少なくとも1種を含有しかつ添加元素の合計
量が200質量ppm 以下である請求項1又は請求項2記
載の半導体素子接続用金線。
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