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技術 半導体素子用金合金細線

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 宇野智裕巽宏平
出願日 1995年4月20日 (25年8ヶ月経過) 出願番号 1995-095700
公開日 1996年11月5日 (24年1ヶ月経過) 公開番号 1996-293514
状態 拒絶査定
技術分野 ボンディング
主要キーワード 接合距離 ループ形 隣接ワイヤ 小ボール モールディング装置 流れ量 ロングスパン Pt元素
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年11月5日)のものです。
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目的

本発明は、ボンディング時のワイヤ曲がりおよび樹脂封止後ワイヤ流れを低減して、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応でき、高密度実装に著しく適した半導体素子用金合金細線を提供することを目的とする。

構成

(1)Si:0.001〜1重量%、Pt:1〜20重量%を含有し、残部は金および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極細線

(2)前項1記載の成分に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%含有することを特徴とする半導体素子用金合金細線。

概要

背景

現在半導体素子上の回路配線電極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、ワイヤ接合間(スパン)が長くなる傾向にある。スパンが5mm以上のロングスパンになると、直線性の確保、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必要である。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。

概要

本発明は、ボンディング時のワイヤ曲がりおよび樹脂封止後ワイヤ流れを低減して、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応でき、高密度実装に著しく適した半導体素子用金合金細線を提供することを目的とする。

(1)Si:0.001〜1重量%、Pt:1〜20重量%を含有し、残部は金および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極細線

(2)前項1記載の成分に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%含有することを特徴とする半導体素子用金合金細線。

目的

半導体実装の高密度化において、スパンが5mm以上のロングスパンになると、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に対応するためには、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発生を抑えることが最大の課題である。ロングスパンになると、ループ高さの確保や垂れの防止のために、さまざまなルーピング制御がなされるが、ボンディングの際にループ曲がりが発生する確率が高くなる。また、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が、スパンが長くなるほど、この流れ量が増大するため、隣接ワイヤ間の接触不良が発生しやすくなる。

本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減して、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応できる、高密度実装に適した半導体素子用金合金細線を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

Si:0.001〜1重量%、Pt:1〜20重量%を含有し、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

請求項2

請求項1記載の成分に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%含有することを特徴とする半導体素子用金合金細線。

技術分野

0001

本発明は、半導体素子上の電極外部リード電気的に接続するためのボンディングに使用される金合金細線に関する。

背景技術

0002

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、ワイヤ接合間(スパン)が長くなる傾向にある。スパンが5mm以上のロングスパンになると、直線性の確保、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必要である。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。

発明が解決しようとする課題

0003

半導体実装の高密度化において、スパンが5mm以上のロングスパンになると、ワイヤの多ピン化、狭ピッチ化に対応するためには、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発生を抑えることが最大の課題である。ロングスパンになると、ループ高さの確保や垂れの防止のために、さまざまなルーピング制御がなされるが、ボンディングの際にループ曲がりが発生する確率が高くなる。また、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が、スパンが長くなるほど、この流れ量が増大するため、隣接ワイヤ間の接触不良が発生しやすくなる。

0004

狭ピッチ化の実現のためにワイヤは細線化する傾向にあり、ワイヤ径の2乗で強度が低下することから予想されるように、ループ形成時のワイヤ曲がりと、ワイヤの樹脂流れの問題はより一層深刻となる。この狭ピッチ化のためにはボール径も小さくしなくてはならず、ボール部の接合性の低下を抑えることも重要である。

0005

本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減して、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応できる、高密度実装に適した半導体素子用金合金細線を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0006

本発明者等は、以上の点に鑑み、金細線中への元素添加と樹脂流れ性との関係について研究した結果、PtとSiの含有が有効であること、さらに後述するようにY、Ca、La、Ce元素の添加により耐流れ性がさらに向上することを見出した。

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)Si:0.001〜1重量%、Pt:1〜20重量%を含有し、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)前項1記載の成分に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%含有することを特徴とする半導体素子用金合金細線。

0008

以下に、本発明の半導体素子用金合金細線の構成についてさらに説明する。ボンディング時のループ曲がりを抑えるためには、ワイヤの弾性率を高めることが有効であり、Au中へのSi添加により、弾性率が上昇し、強度も増加するため、スパンが長くてもループ曲がりを低く抑えられる。しかし、ロングスパンのボンディングで問題となる、樹脂封止時のワイヤ流れは十分抑えられない。これは、Siの単独添加では、高温強度が低下するためであり、融点の低い共晶合金局所的に形成されることに起因する。

0009

そこで、Siを0.001〜1.0重量%添加し、さらにPtを1〜20重量%の範囲で添加することにより、高温強度を増加させ、ワイヤの樹脂流れを抑制できることを確認した。これはPt添加により、Si添加の強度増加の作用を高温まで維持することができたためであり、局所的なAuとSiの共晶組成の形成が抑えられたものと考えられる。また、Ptを添加する金合金細線としては特公昭62−23454号公報に開示されているが、Ptの単独添加ではループの直線性には有効であるが、樹脂流れ性はあまり改善されておらず、細線化あるいはロングスパン用途としての十分な特性を満足するためには、SiとPtとの複合添加が有効である。

0010

ここで、Siの添加量を0.001〜1.0重量%と定めたのは、0.001重量%未満では上記効果が小さく、1.0重量%超では、ボール形成時に酸化が顕著となり、真球性が低下するため接合不良の原因となるからである。またPtの添加量が1重量%未満では樹脂流れを抑制する効果が小さく、一方Ptの添加量が20重量%超では、ワイヤ径の2倍以下の径を持つ小ボールを形成すると、真球性が低下して狭ピッチ実装が困難になるため、Ptの含有量を上記範囲とした。さらに、Ptの含有量としては、1〜15重量%の範囲が好ましい。これは、15重量%を超えるとボール部が硬化するため、接合時の半導体チップへの損傷が懸念され、そのダメージ低減のためには、超音波振動荷重などの接合条件の適正範囲が狭くなるからである。

0011

さらにPt、Siの含有に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%添加することにより高温特性を高めることができる。PtとSiの添加により流れ性は向上するものの、線径25μm以下のワイヤでスパン長5mm以上の場合に、流れ値を150μm以下(流れ率で4%以下)に抑えることは困難である。そこでY、Ca、La、Ceをさらに含有せしめることにより、高温での変形抵抗を高めることができ、弾性率の増加および塑性変形の抑制により、耐流れ性が向上する。

0012

Y、Ca、La、Ceの総含有量を上記範囲と設定したのは、0.002重量%未満では、十分な高温特性は得られず、0.06重量%超では、ボール形成時に、ボール先端部に引け巣が生成したり、真球性が低下するなどの不良が発生するためである。Y、Ca、La、Ceの元素添加のみの場合は、これらの元素の単体または総計の濃度が0.02重量%を超えるとボール形成不良が認められるのに、Ptを複合含有させることにより、不良発生までの限界濃度が0.06重量%まで上昇しており、Pt元素との相乗効果が働いているものと思われる。

0013

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、表2に示す化学成分の金合金を溶解炉溶解鋳造し、その鋳塊圧延した後に常温伸線加工を行い、必要に応じて金合金細線の中間焼鈍工程を加え、さらに伸線工程を続け、細線化ワイヤとしての特性に注目するため、最終線径が20μmの金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍し伸び値が3%前後になるように調整した。

0014

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。

0015

ワイヤ曲がりは、ワイヤ両端の接合距離(スパン)が4.5mmとなるようボンディングしたワイヤを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80本測定した平均値で示した。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5.0mmが得られるようボンディングした半導体素子が搭載されたリードフレームを、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した半導体素子内部を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80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。

0016

表1において、実施例1〜6は請求項1記載の発明に係わるものであり、Siを0.001〜1.0重量%の範囲で添加し、さらにPtを1〜20重量%の範囲で添加しており、ワイヤ曲がりは30μm以下に抑えられ、封止後のワイヤ流れも5.0%以下まで低減されていた。表2に示す比較例1のようにSiの単独添加の場合、または比較例2のようにPtが1.0重量%未満の場合には、ワイヤ曲がりは少ないものの、封止後のワイヤ流れが6%以上と高く、ロングスパン用ワイヤの特性としては不十分である。また、比較例3,4ではSiが0.001重量%未満であり、封止後のワイヤ流れは改善されないことが確認された。

0017

実施例7〜15は請求項2記載の発明に係わるものであり、上記のPtとSiの含有に加えて、Y、Ca、La、Ceの1種または2種以上を総計で0.002〜0.06重量%の範囲で添加することにより、封止後のワイヤ流れは4.0%以下に低減されている。

0018

0019

発明の効果

0020

以上のとおり、本発明に係わる金合金細線は、ボンディング時のワイヤ曲がり及び樹脂封止後のワイヤ流れが低減されるので、狭ピッチ化およびロングスパン化に対応することができ、従って、本発明は半導体の高密度実装に著しく適した半導体素子用金合金細線を提供できるという産業上きわめて有用な効果を奏するものである。

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