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技術 高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線

出願人 田中電子工業株式会社
発明者 牧一誠中田有治長尾昌芳
出願日 2007年3月29日 (12年5ヶ月経過) 出願番号 2007-088090
公開日 2008年10月16日 (10年11ヶ月経過) 公開番号 2008-251635
状態 未査定
技術分野 ボンディング
主要キーワード 金属結合半径 非損傷性 モールディング装置 流れ量 金合金線 ワイヤ部 加工硬化性 隙間間隔
関連する未来課題
重要な関連分野

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課題

高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線を提供する。

解決手段

PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、Be:1〜50ppm、Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppmをCa、Be、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線。

概要

背景

近年、トランジスタ、LSI、ICなど半導体素子は広い温度範囲で使用されるようになっている。例えば、車載用ICの一部はエンジン近くなどの高温環境下で使用されており、また高周波用ICは動作温度がますます高くなる傾向にあり、かかる高温環境下に曝されても高度の信頼性が要求されている。
かかる高温環境下で使用されるICチップ上の電極外部リード部を接続するボンディングワイヤ用金合金線として、Pd、Pt、Rh、Ir、Os、Ruの内の少なくとも1種を合計で1000ppm〜5質量%、Ca、Be、Ge、Si、Fe、Y、希土類の内の少なくとも1種を合計で1〜50ppm含有し、残部がAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線が知られている。これらボンディングワイヤ用金合金線はいずれも白金族金属を多めに含有させて高温での圧着ボールとAlパッド接合強度を向上させ、さらにCa、Beなどを含有させて硬さを高くしてループの安定性を向上させており、これらボンディングワイヤ用金合金線を使用してICチップ上の電極と外部リード部を接続するには、一般に金合金線超音波併用熱圧着ボンディングする方法が主として用いられている。

近年、半導体素子の集積化が進むことにより、半導体素子のAlパッド面積が小さくなり、高温の過酷な使用環境で高度の信頼性が要求される車載用ICや、動作温度が高くなる高周波用ICなどでは、ボールボンディングによる接合界面における接合強度の低下や電気抵抗の上昇による接合不良の発生が問題視されており、これらの接合不良は、上記の接合面積縮小等のボンディング条件の悪化により、益々発生しやすくなる傾向があるところから、従来よりも高い接合信頼性(ある環境下でのボールボンディングによる接合界面における接合強度や電気抵抗の持続性)を確保することが求められている。

さらに、また、ボールボンディングでの圧着ボールの真円性が低いと、圧着ボールの一部がAlパッドからはみ出し、隣の圧着ボールと接触することによるショート不良が発生し、このショート不良は、ボンディングパッドピッチの縮小(すなわちAlパッドの隙間間隔並びにAlパッド面積の縮小)により益々発生しやすくなることから、従来よりも圧着ボールの高い真円性が求められる。

また、一方で、半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接合したワイヤのループ部の長さ(以下、ループ長さという)が長くなるとともに平行してボンディングされた隣のループとの間隔が狭くなっており、かかる現状に対応すべく、ボンディングワイヤとして使用する金合金線の線径を益々細くする傾向にある。

さらに、ワイヤをボンディングしてループを形成した後、樹脂モールディングするが、その際にボンディングワイヤが樹脂により流されると、隣のループと接触し、ショートするために半導体装置不良品が発生し歩留が低下する。この樹脂流れについても従来のボンディングワイヤ用金合金線の線径が25μmや30μmの場合は問題となることが少なかったが、半導体素子の高集積化が進むにつれて、半導体素子のボンディングパッドピッチが縮小し、それらに対応するためにワイヤの線径を細くしてボンディングを行うが、線径が20μm未満になると樹脂のモールディング時にループが流されやすくなる。したがって、線径の細いワイヤであっても樹脂流れが発生し難い特性(以下、この特性を耐樹脂流れ性という)を有することが必要である。

かかる近年の厳しい要求を満たすことのできる高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有する優れたボンディングワイヤ用金合金線として、例えば、
(イ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ロ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ハ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ニ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ホ)前記Ca,Eu,BeおよびLaの内の1種または2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内で含有することを特徴とする前記(イ)〜(ニ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(へ)さらにAg:1〜20ppmを含有することを特徴とする前記(イ)〜(ホ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ト)ボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
2%≦EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする前記(イ)〜(ヘ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線が提供されている(特許文献1参照)。
特開2006−351699号公報

概要

高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線を提供する。PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、Be:1〜50ppm、Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppmをCa、Be、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線。なし

目的

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

PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線

請求項2

PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、Be:1〜50ppm、をCaとBeの合計が200ppm以下になるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。

請求項3

PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppm、をCa、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。

請求項4

PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppm、Be:1〜50ppm、Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppm、をCa、Be、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線。

技術分野

0001

この発明は半導体装置実装のためのボンディングワイヤ用金合金線に関するものであり、広い温度範囲で使用することができるトランジスタ、LSI、ICなど半導体素子チップ電極外部リード部とを接続するための高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線に関するものである。

背景技術

0002

近年、トランジスタ、LSI、ICなど半導体素子は広い温度範囲で使用されるようになっている。例えば、車載用ICの一部はエンジン近くなどの高温環境下で使用されており、また高周波用ICは動作温度がますます高くなる傾向にあり、かかる高温環境下に曝されても高度の信頼性が要求されている。
かかる高温環境下で使用されるICチップ上の電極と外部リード部を接続するボンディングワイヤ用金合金線として、Pd、Pt、Rh、Ir、Os、Ruの内の少なくとも1種を合計で1000ppm〜5質量%、Ca、Be、Ge、Si、Fe、Y、希土類の内の少なくとも1種を合計で1〜50ppm含有し、残部がAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有するボンディングワイヤ用金合金線が知られている。これらボンディングワイヤ用金合金線はいずれも白金族金属を多めに含有させて高温での圧着ボールとAlパッドの接合強度を向上させ、さらにCa、Beなどを含有させて硬さを高くしてループの安定性を向上させており、これらボンディングワイヤ用金合金線を使用してICチップ上の電極と外部リード部を接続するには、一般に金合金線超音波併用熱圧着ボンディングする方法が主として用いられている。

0003

近年、半導体素子の集積化が進むことにより、半導体素子のAlパッド面積が小さくなり、高温の過酷な使用環境で高度の信頼性が要求される車載用ICや、動作温度が高くなる高周波用ICなどでは、ボールボンディングによる接合界面における接合強度の低下や電気抵抗の上昇による接合不良の発生が問題視されており、これらの接合不良は、上記の接合面積縮小等のボンディング条件の悪化により、益々発生しやすくなる傾向があるところから、従来よりも高い接合信頼性(ある環境下でのボールボンディングによる接合界面における接合強度や電気抵抗の持続性)を確保することが求められている。

0004

さらに、また、ボールボンディングでの圧着ボールの真円性が低いと、圧着ボールの一部がAlパッドからはみ出し、隣の圧着ボールと接触することによるショート不良が発生し、このショート不良は、ボンディングパッドピッチの縮小(すなわちAlパッドの隙間間隔並びにAlパッド面積の縮小)により益々発生しやすくなることから、従来よりも圧着ボールの高い真円性が求められる。

0005

また、一方で、半導体素子のチップ電極と外部リード部とを接合したワイヤのループ部の長さ(以下、ループ長さという)が長くなるとともに平行してボンディングされた隣のループとの間隔が狭くなっており、かかる現状に対応すべく、ボンディングワイヤとして使用する金合金線の線径を益々細くする傾向にある。

0006

さらに、ワイヤをボンディングしてループを形成した後、樹脂モールディングするが、その際にボンディングワイヤが樹脂により流されると、隣のループと接触し、ショートするために半導体装置の不良品が発生し歩留が低下する。この樹脂流れについても従来のボンディングワイヤ用金合金線の線径が25μmや30μmの場合は問題となることが少なかったが、半導体素子の高集積化が進むにつれて、半導体素子のボンディングパッドピッチが縮小し、それらに対応するためにワイヤの線径を細くしてボンディングを行うが、線径が20μm未満になると樹脂のモールディング時にループが流されやすくなる。したがって、線径の細いワイヤであっても樹脂流れが発生し難い特性(以下、この特性を耐樹脂流れ性という)を有することが必要である。

0007

かかる近年の厳しい要求を満たすことのできる高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有する優れたボンディングワイヤ用金合金線として、例えば、
(イ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ロ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ハ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ニ)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で5000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、
Ca:20〜200ppm、
Eu:10〜200ppmを含有し、さらに、
Be:0.1〜30ppmを含有し、さらに、
La:10〜200ppmを含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ホ)前記Ca,Eu,BeおよびLaの内の1種または2種以上を合計で50〜250ppmの範囲内で含有することを特徴とする前記(イ)〜(ニ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(へ)さらにAg:1〜20ppmを含有することを特徴とする前記(イ)〜(ホ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(ト)ボンディングワイヤ用金合金線の0.2%耐力(Pa)をσ0.2、ヤング率(Pa)をE、破断伸び率をELとすると、
E≧75GPa、
(σ0.2/E)≧2.2×10−3、
2%≦EL≦10%、
の条件を満たすことを特徴とする前記(イ)〜(ヘ)記載の高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線が提供されている(特許文献1参照)。
特開2006−351699号公報

発明が解決しようとする課題

0008

この従来のボンディングワイヤ用金合金線は、確かに高い接合信頼性、圧着ボールの高い真円性、高い直進性および高い耐樹脂流れ性を有しているが、近年、デバイスの多外部端子化に伴い、ループ長を長くする必要性に迫られており、この長いループを有するデバイスを正常に樹脂モールドするにはなお一層の高い耐樹脂流れ性が必要になってきた。すなわち、デバイスは一般に図1の平面図に示されるようにSiチップ4上のAlパッド1と外部端子2とをボンディングワイヤ用金合金線3で接合し、これを樹脂モールドすることによりデバイスを作製しているが(樹脂モールドは図1において点線5で示されている)、デバイスに設けられる外部端子2の数が少ないときは外部端子2の間隔が広いために樹脂モールドしてもボンディングワイヤ用金合金線3が相互に接触することはない。
外部端子2と外部端子2の間隔は、外部端子数の増加とともに狭くなるが、製造上の制約により下限がある。そのためデバイスの多外部端子化に伴い、図2に示されるようにAlパッドから離して外部端子を設置しなければならず、特に両端部の外部端子21および外部端子22に接続するボンディングワイヤ用金合金線31および32の長さを長くしなければならない。このようにボンディングワイヤ用金合金線3の長さが一層長くなると従来のボンディングワイヤ用金合金線では耐樹脂流れ性という要求に対して十分に対応できるものではなく、なお一層の高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線が求められていた。

課題を解決するための手段

0009

本発明者らは、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらに一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線を開発すべく研究を行った。その結果、
(a)純度:99.999質量%の高純度金に、PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ir:1〜200ppm、Ca:2〜200ppmを含有させた金合金に、さらにAg:2000ppm〜5質量%を含有させた金合金線は、高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するようになる、
(b)前記(a)記載の組成を有する金合金線に、さらにBe:1〜50ppmを含有させた金合金線は、BeがAuの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線のフリーエアボール加工硬化性を適度に高め、ボンディング時にAlパッドが十分に塑性変形し、Alパッドの酸化皮膜であるAl2O3が破壊されて広くAl新生面が生成し、AlパッドとAu圧着ボールが広い領域で接合できるようになり、また、再結晶温度下げる効果を有することから、ループ高さを上げることができ、そのため適切なループ高さを実現できるので必要に応じて添加することができるが、その際にBeはCaとの合計は200ppm以下となることが好ましい、
(c)前記(a)記載の組成を有する金合金線に、さらにSr、Eu、LaおよびYのうちの1種または2種以上の合計:1〜200ppmを含有させた金合金線は、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高めてなお一層の高い耐樹脂流れ性を有する金合金線を得ることができると共にさらに再結晶温度を上げることができるので必要に応じて添加することができるが、その際にSr、Eu、LaおよびYのうちの1種または2種以上とCaとの合計は200ppm以下となることが好ましい、
(d)前記(b)記載の合金にさらにSr、Eu、LaおよびYのうちの1種または2種以上を添加してもよく、その際にCa,Be、Sr、Eu、LaおよびYの合計が200ppm以下の範囲内にあることが一層好ましい、などの研究結果が得られたのである。

0010

この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
(1)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:2〜200ppm、
を含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(2)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ag:2000ppm〜5質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:2〜200ppm、
Be:1〜50ppm、
をCaとBeの合計が200ppm以下になるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(3)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ag:2000ppm〜5質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:2〜200ppm、
Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppm、
をCa、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、
(4)PtおよびPdの内の1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、
Ag:2000ppm〜5質量%、
Ir:1〜200ppm、
Ca:2〜200ppm、
Be:1〜50ppm、
Sr、Eu、LaおよびYの内の1種または2種以上:1〜200ppm、
をCa、Be、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppm以下となるように含有し、残りがAuおよび不可避不純物からなる成分組成を有する高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線、に特徴を有するものである。

0011

次に、この発明の高い接合信頼性および圧着ボールの高い真円性を有し、さらにAlパッドとその下部が損傷しにくくかつ一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線において、成分組成を前述のように限定した理由を説明する。

0012

Pt、Pd:
PtおよびPdは、共にAuと全率固溶する元素であり、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えて接合信頼性を向上させると共にボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高める効果を有する。それは接合界面近傍でPtやPdを含む相が層状に生成し、その相がAuの拡散速度を低下させる層(いわゆるAu拡散に対するバリア層)として作用するために、Auの拡散に伴い接合部に発生するボイド生成速度を抑制し、その結果として、圧着ボールとAlパッドとの接合強度の劣化を抑えて接合信頼性を向上しているものと考えられ、この接合強度の劣化の抑制(接合信頼性を向上する)効果はPtやPdの量が多いほど高くなる。
しかし、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が2000ppm未満では接合強度劣化の抑制効果が限定されると共に機械的強度を高める効果が十分でないので好ましくなく、一方、PtおよびPdの内の1種または2種の合計が2質量%を越えて含まれると、機械的強度は向上するもののボール硬度が高くなりすぎてボンディング時にICチップのAlパッドとその下部の割れや損傷を与えるようになるので好ましくない。したがって、PtおよびPdの内の1種または2種の合計を2000ppm〜2質量%に定めた。

0013

Ag:
Agは、Auと全率固溶する元素であるため、高濃度まで添加することが可能であり、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度を高める効果を有し、さらにPtおよびPdと共存することにより接合信頼性を高く維持できる作用を有するが、Agが2000ppm未満ではワイヤの強度が十分に得られないので好ましくなく、一方、Agを5質量%を越えて含有するとAlパッドとの接合信頼性が低下し、ボールの加工硬化性が高くなりすぎてボールボンディングの際にAlパッドとその下部に損傷を発生させるので好ましくない。したがって、Agの含有量は2000ppm〜5質量%に定めた。

0014

Ir:
Irは、金合金の高温における粒成長(結晶粒の粗大化)を抑制する作用を有し、そのため、フリーエアボールを形成する際に、ボール部からの熱の影響により、ボール直上のワイヤ部(熱影響部)の結晶粒が粗大化することを防ぐと共に、凝固したフリーエアボール部は多数の微細な結晶粒から形成され、接合時に圧着ボールが放射状に均等に広がり、圧着ボールの真円性が向上する効果を有するが、Irの含有量が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、Irが200ppmを超えても上記効果は飽和し、添加による効果の明確な向上が認められない上に、ボールの硬度が高くなり、ICチップの破壊あるいは損傷が生じるようになるので好ましくない。したがって、Irの含有量を1〜200ppmに定めた。

0015

Ca:
アルカリ土類金属であるCaは、金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高め、さらに再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるので添加するが、Caの含有量が2ppm未満ではフリーエアボールの加工硬化性が低いことからボンディングの際にAlパッドが十分に塑性変形できず、したがって、Alパッドの酸化皮膜が完全に破壊されずにAl新生面の生成面積が減少することからAlパッドと圧着ボールの接合面積が減少し、接合信頼性が低下するので好ましくない。一方、Caの含有量が200ppmを越えると、フリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるようになって接合信頼性が低下し、さらにボールの加工硬化性が高くなりすぎるため、ボールボンディングの際にAlパッドとその下部に損傷が発生するようになるので好ましくない。したがって、Caの含有量を2〜200ppmに定めた。

0016

Be:
Beは金属結合半径がAuの金属結合半径より小さく、やはりAuの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線のフリーエアボールの加工硬化性を高め、再結晶温度を下げる効果を有することから、ループ高さを上げることができ、そのため適切なループ高さを実現できるので必要に応じて添加するが、その添加量が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、Beを50ppmを越えて含有させると、フリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるため、接合信頼性が低下し、さらに、ボール直上部及びボール部の結晶粒径の増大が生じて圧着ボール部の真円性が低下するとともにボールの加工硬化が高くなりすぎるためボールボンディングの際にAlパッドとその下部に損傷が発生するようになるので好ましくない。したがって、Beの含有量を1〜50ppmに定めた。

0017

Sr、Eu、La、Y:
Srはアルカリ土類金属であるが、希土類元素であるEu、La、Yとほぼ同等の効果があり、いずれも金属結合半径がAuの金属結合半径より大きく、Auの結晶格子に歪みを与えて、ボンディングワイヤ用金合金線の機械的強度ならびにフリーエアボールの加工硬化性を高めるとともに、再結晶温度を上げ、金合金線のループ高さを低くする効果があるので必要に応じて添加するが、これら成分が1ppm未満では所定の効果が得られず、一方、Sr、Eu、La、Yの含有量が200ppmを越えると、フリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるので接合信頼性が低下し、ボールの加工硬化が高くなり、ボールボンディングの際にAlパッドとその下部の損傷を生じるので好ましくない。したがって、Sr、Eu、La、Yの含有量を1〜200ppmに定めた。

0018

Ca、Be、Sr、Eu、La、Yの合計:
PtおよびPdのうちの1種または2種を合計で2000ppm〜2質量%、Ag:2000ppm〜5質量%、Ir:1〜200ppmを含有するボンディングワイヤ用金合金線において、Ca、Be、Sr、Eu、La、Yの合計を200ppm以下に定めたのは、Ca、Be、Sr、Eu、La、Yの合計が200ppmを越えるようになるとフリーエアボールの表面に多量の酸化物が生成し、さらにフリーエアボールの底部中央に接合に寄与できない大きな引け巣が形成されるので接合信頼性が低下し、さらにボールの加工硬化性が高くなりすぎてボールボンディングの際にAlパッドとその下部に損傷を生じるようになるので好ましくないからである。

発明の効果

0019

上述のように、この発明のボンディングワイヤ用金合金線は、接合信頼性、圧着ボールの真円性に優れ、さらにAlパッドとその下部に損傷を生じることがなく、特に耐樹脂流れ性が一層優れているので、この金合金線を使用してボンディングワイヤとして長いループを形成しても樹脂流れが少なく、半導体装置の歩留を向上させることができるなど産業上すぐれた効果をもたらすものである。

発明を実施するための最良の形態

0020

表1〜3に示される成分組成を有する金合金の鋳塊圧延し、伸線加工を行ない、必要に応じて中間焼鈍も行うことにより線径:19μmを有する金合金線を作製し、この金合金線を破断伸び率が3〜5%になるように焼鈍することにより本発明ボンディングワイヤ用金合金線(以下、本発明ワイヤという)1〜42、比較ボンディングワイヤ用金合金線(以下、比較ワイヤという)1〜17および従来ボンディングワイヤ用金合金線(以下、従来ワイヤという)1を製造し、半径:25mmの中間スプールに巻き取った。中間スプールに巻き取られたワイヤをさらに半径:25mmのスプールに2000m巻取り、これらワイヤの先端15mを捨てた。

0021

これら表1〜3に示される成分組成を有する本発明ワイヤ1〜42、比較ワイヤ1〜17および従来ワイヤ1をKulicke&Soffa製のワイヤボンダーマクサムラス)にセットし、半導体ICチップが搭載された基板に、
加熱温度:160℃、
ループ長さ:4.2mm、
ループ高さ:200μm、
圧着ボール径:40μm、
圧着ボール高さ:9μm、
の条件でボンディングを行って、下記の測定を行うことによりAlパッドとその下部の非損傷性および圧着ボールの真円性についての評価を行った。
ループは台形ループと呼ばれる圧着ボール直上ならびに2ndボンド側近傍に曲がり(キンク)を有する形状を採用した。

0022

Alパッドとその下部の非損傷性
サンプルにつき100個のファーストボンド部の圧着ボールをデイジ社製ボンドテスター(PC2400)を用いてシェアすることにより取り除き、シェア後のAlパッド部(Alパッドとその下)を観察してAlパッドとその下の損傷の有無を調べ、損傷のあるAlパッドの数を数え、その結果を表4〜5に示してAlパッドとその下部の非損傷性を評価した。

0023

圧着ボールの真円性評価:
各サンプルにつき100個の圧着ボールを観察し、比較サンプル対比で評価した。すなわち、圧着ボールの外周に凹凸が存在しない圧着ボールを真円性が高いと判定し、圧着ボールの外周に明らかに凹凸が存在する圧着ボールを真円性が低いと判定し、外周に明らかに凹凸が存在する真円性が低い圧着ボール(不良ボール)の数をカウントし、その結果を表4〜5に示すことにより圧着ボールの真円性を評価した。

0024

耐樹脂流れ性:
ボンディングしたSiチップが搭載された基板を、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂封止した後、軟X線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半導体チップ内部をX線投影し、ワイヤ流れが最大の部分の流れ量を20本測定し、その平均値をループ長さで除算した値(%)を樹脂流れと定義し、この樹脂流れを測定し、その結果を表4〜5に示すことにより耐樹脂流れ性を評価した。

0025

接合信頼性評価:
ボンディングしたサンプルを樹脂で封止せず、175℃の空気中で1000時間保管した後に、デイジ社製ボンドテスター(PC2400)を用いて圧着ボール直上のループの曲がり(ファーストボンド側直上のキンク)にツールを引っかけプル試験(各サンプルにつき100個)を行った。プル試験での破断は、接合性が良好な場合はネックで破断するが、接合部が劣化し、接合強度が低下した場合は圧着ボールとAlパッドの接合界面で破断(ボールリフト)する。そのボールリフト数をカウントし、その結果を表4〜5に示して接合信頼性を評価した。

0026

0027

0028

0029

0030

0031

表1〜5に示される結果から、本発明ワイヤ1〜42は、従来ワイヤ1と比較すると、耐Alパッド損傷性、圧着ボールの真円性および接合信頼性が共に優れているが、本発明ワイヤ1〜42は従来ワイヤ1に比べて特に耐樹脂流れ性が良好であることなどがわかる。しかし、この発明の条件から外れた成分組成を有する比較ワイヤ1〜17は、耐Alパッド損傷性、圧着ボールの真円性、耐樹脂流れ性および接合信頼性の少なくともいずれか一つは不良となることが分かる。

図面の簡単な説明

0032

従来のボンディングワイヤ用金合金線の使用状態を説明するための平面説明図である
一層高い耐樹脂流れ性を有するボンディングワイヤ用金合金線を必要とする理由を説明するための平面説明図である

符号の説明

0033

1:Alパッド、2、21、22:外部端子、3、31、32:ボンディングワイヤ用金合金線、4:Siチップ、

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