(57)【要約】【課題】  特別な検査や選別を追加することなく、得られたボンディング用極細線が安定してワイヤー曲がりやリーニングが抑制され、６０μｍ以下の電極パッド間隔ボンディングが可能となる極細線を提供する。【解決手段】  Ｃｕを０．０１〜２．０質量％、Ｐｄを０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種以上を０．０００１〜０．００２質量％、及びＣａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄからなる元素群から少なくとも１種以上を０．０００１〜０．０１質量％とをそれぞれ含有し、残部が純度９９．９９質量％以上のＡｕ及び不可避的不純物からなるボンディング用金合金細線。製造方法は、溶湯と凝固部分の界面相対移動速度を２０ｍｍ／分以上の条件下で連続鋳造する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを０．０１〜２．０質量％、Ｐｄを０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種以上を合計で０．０００１〜０．００２質量％、及びＣａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄからなる元素群から少なくとも１種以上を合計で０．０００１〜０．０１質量％とをそれぞれ含有し、残部が純度９９．９９質量％以上のＡｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とするボンディング用金合金細線。
【請求項２】
Ｐｄの含有量ａと、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の総含有量ｂの比がａｔ％で表した時に
ａ／ｂ≦５０００
であることを特徴とする請求項１に記載のボンディング用金合金細線。
【請求項３】
純度９９．９９質量％以上のＡｕと所定の添加合金元素とを溶解して連続鋳造する際に、冷却時の溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上の冷却条件で鋳造することを特徴とする請求項１または２に記載のボンディング用金合金細線の製造方法。
【請求項４】
Ｃｕを０．０１〜２．０質量％、Ｐｄを０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種以上を合計で０．０００１〜０．００２質量％、及びＭｇ，Ｙ，Ｌａからなる元素群から少なくとも１種以上を合計で０．０００１〜０．０１質量％とをそれぞれ含有し、残部が純度９９．９９質量％以上のＡｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とするボンディング用金合金細線。
【請求項５】
純度９９．９９質量％以上のＡｕと所定の添加合金元素とを溶解して連続鋳造する際に、冷却時の溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上の冷却条件で鋳造することを特徴とする請求項４に記載のボンディング用金合金細線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上のチップ電極と外部リードとの電気的接続に代表されるボンディング用金合金細線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボンディング用金合金細線はＩＣ，ＬＳＩなどの半導体素子上の電極パッドと外部端子とを電気的にボンディングするために使用され、０．０２〜０．０３ｍｍの直径を有するものが代表的である。
ボンディング作業の概略を説明すると、ワイヤーボンダー上でキャピラリーと呼ばれるセラミックス製の冶具に挿通された細線をまずスパーク放電によりボールに形成し、電極パッドに超音波と熱を併用して接合させ、キャピラリーを所定の動作のもとに外部端子まで移動させ、超音波と熱を併用して外部端子上で接合させることにより遂行している。
【０００３】
近年半導体実装の高密度化のニーズが高まりつつあり、それに伴いボンディング用細線に対する要求として、電極パッド間隔の縮小による線径低下を補うための細線自体の高強度化，電極パット近傍でのワイヤー倒れ（以降、リーニングと呼ぶ。）及び接合強度の確保、接続距離増大にともなう直進性の確保等があり、その要求レベルも電極パッド間隔が狭くなるほど厳しくなる傾向にある。
これらの要求に応えるために、Ｃｕ，Ｐｄ並びにＣａ等を添加した金合金細線が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
特許文献１に開示された技術では、ＣｕとＰｄを複合添加することによりボール形成時の表面酸化の抑制，高強度で接合強度の向上，優れた直進性を発揮できるとしている。
一方特許文献２に開示された技術では、ＣｕとＣａの共存下における著しい高強度化及びＰｄの添加によるボール形成時の熱影響部の微細化が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１９９２６１号公報
【特許文献２】特開平９−１９８９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電極パッド間隔が６０μｍ以下、想定されるボンディング用極細線の線径が２５μｍ以下となると、今までは問題視されなかった１０数μｍ程度のワイヤー曲がり、リーニングでもショートする危険性があり、ワイヤー曲がりやリーニングを防止する必要が出てきた。しかしながら、上記特許文献に開示された技術では、製造上のばらつきにより上記ワイヤー曲がり、リーニング等ルーピング性に総称される特性が顧客要求レベルを満たさない極細線が少なからず発生し、改善が必要となってきた。
そこで本発明の目的は特別な検査，選別を追加することなく、得られたボンディング用極細線が安定してワイヤー曲がりやリーニングが抑制され、６０μｍ以下の電極パッド間隔ボンディングが可能となる極細線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明のボンディング用金合金細線は、Ｃｕを０．０１〜２．０質量％、Ｐｄを０．０１〜１．０質量％、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種以上を０．０００１〜０．００２質量％、及びＣａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄからなる元素群から少なくとも１種以上を０．０００１〜０．０１質量％とをそれぞれ含有し、残部が純度９９．９９質量％以上のＡｕ及び不可避的不純物からなるボンディング用金合金細線とした。
【０００７】
本発明のボンディング用金合金細線においては、Ｐｄの含有量ａと、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の総含有量ｂの比が、ａｔ％で表した時に
ａ／ｂ≦５０００
であることが好ましい。
【０００８】
また、このようなボンディング用金合金細線を得るために、本発明のボンディング用金合金細線の製造方法は、純度９９．９９質量％以上のＡｕと所定の添加合金元素とを溶解した後連続鋳造する際に、冷却時の溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上の冷却条件で鋳造する製造方法を採用した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により電極パッド間隔が６０μｍ以下の高密度化に対応して、ルーピング性が良好であり、かつパッド電極とボールの接合性やパッドに亀裂を発生させないボンディング用金合金細線を提供することが可能となる。従って半導体素子の小型化，高密度化を達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ボンディング後のボンディング用金合金細線を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
製造上のばらつきによりルーピング性のばらつきが発生してしまう原因を追求した結果、特許文献１及び特許文献２よりもさらに限定された組成の極細金線において、比較的高濃度で添加されるＰｄ及びＣｕのうち、Ａｕよりも約５００℃融点の高いＰｄがミクロ的には偏析し、微少な濃度のばらつきを起こしていると推測した。さらに調査した結果、このルーピング性のばらつきを抑制するためにはＰｄ及びＣｕとの共存下において、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種類以上の元素と、Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄからなる元素群から少なくとも１種以上とを添加すればよいことを見出し、本発明に至った。
【００１２】
本発明のボンディング用金合金細線の組成限定理由を説明する。
Ｃｕの含有量については、電極パッド間隔の更なる縮小化にともなうワイヤーボンダーの改良や封止樹脂の改良により、０．０１質量％以上有ればＰｄとの共存下においてボール形成時の表面酸化の抑制，高強度で接合強度の向上，優れた直進性を発揮する等の効果を発揮することが判明した。機械的特性を向上させるためには下限は０．０１５質量％以上が好ましく、特に０．１質量％以上が好ましい。
Ｐｄの含有量については、極細線の表面酸化の防止，表面が清浄で真球に近いボールの形成，ボールの結晶粒径の微細化，接合強度の向上等の効果が見られるためには、０．０１質量％以上必要だからである。また、上限は接合強度のばらつき，ボール硬度の増大を抑制する観点から１．０質量％とした。
【００１３】
Ｐｄ及びＣｕとの共存下においてルーピング性のばらつきを抑制するためには、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群から少なくとも１種類以上の元素の添加が有効である。
Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の添加量は、０．０００１質量％未満ではルーピング性のばらつきを抑える効果が乏しい。これらの元素群の添加量が増えれば上記効果のほかに、ボール形成時の真球度が低下し狭パッド間隔ボンディング時に隣接パッド上のボールと接触する危険性が増したり、接合強度のばらつきが生じる等の悪影響を及ぼすことが分かっている。電極パッド間隔が１００μｍかそれ以上の場合はこれらの元素群の上限は０．０１質量％であったが、本発明が解決すべき課題としているのは電極パッド間隔が６０μｍ以下の領域である。電極パッド間隔が狭くなるほど、当然隣接するボールの間隔も狭くなり、かつ接合面積も小さくなるため以前よりも厳しい条件となる。発明者による調査の結果、これら元素群の上限を０．００２質量％とすれば６０μｍ以下の電極パッドピッチでも不具合を生じないことが判明した。よってこれらＺｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の添加量は合計でも０．０００１〜０．００２質量％とした。
【００１４】
当然のことながらＺｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の含有量がＰｄ含有量と比較して少なければ、Ｐｄ濃度の微少なばらつきによって生じていると推察されるルーピング性の向上効果が減少してしまうことは容易に類推される。従って望むべくはＰｄ含有量ａとし、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素群の含有量ｂとしたときに、ａとｂの比がａｔ％で表した時にａ／ｂ≦５０００とするのが良い。
【００１５】
Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄからなる元素群の含有量は、０．０００１質量％未満では接合強度を向上させる効果が十分ではなく、０．０１質量％を超えるとボールの真球度が低下して接合強度のばらつきが増大したり、ボール硬度が高くなりすぎ半導体素子に亀裂を発生させる場合があるので、その範囲を０．０００１〜０．０１質量％とした。
【００１６】
これらの添加元素のうち、特にＭｇ，Ｙ，Ｌａは他のＣａ，Ｂｅ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄよりも同一添加量でもボールの硬度が低い傾向があるため、特に好ましい元素である。
【００１７】
ルーピング性のばらつきを抑えるためにはその原因がＰｄ濃度の微少なばらつきにあると推察されるため、添加元素の制御だけでなく製造方法にも注意を払うのが望ましい。
すなわち、金合金細線中にＰｄ原子を微細均一に分散させるためには、鋳造時の凝固速度、つまりインゴットの冷却速度が極めて重要となる。冷却速度が遅いと成分の偏析が生じやすく、鋳造組織も粗大化し易くなるからである。
一般に、ボンディングワイヤー用の金合金の凝固点は１０６０℃前後であり、合金溶湯は１１５０〜１４００℃程度で保持されている。ボンディングワイヤー用の金合金インゴットは所望の合金溶湯を鋳型に注湯し、鋳型を下方から上部へと除令する一方向凝固鋳造法、あるいは合金溶湯を鋳型内で凝固させながら引き抜いていく連続鋳造法で製造される。連続鋳造法は一方向凝固と比較して溶湯の冷却速度が速いこと、後に続く圧延・線引き工程が容易となることから重用されている。
連続鋳造法における凝固時の冷却速度の正確な実測は極めて困難であるが、インゴットサイズと鋳造装置が定まれば熱容量が決まり、シミュレーション計算により凝固時の冷却速度を推測することが可能である。その結果に基づいてインゴットの引き抜き速度を調節することにより、経験的にインゴットの鋳造組織を制御することができる。
【００１８】
例えば、１００ｍｍの黒鉛鋳型に水冷ジャケットを接触させて冷却を行い直径１０ｍｍの金合金インゴットを連続鋳造法で使用する場合、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上とすることで添加元素を均一に分散させることができる。
相対移動速度が２０ｍｍ／分未満では、凝固時に固体−液体間の組成に差異を生じ、後から凝固する部分にＰｄが濃縮される傾向にある。相対移動速度が２０ｍｍ／分以上の速度で急冷すれば偏析に依る障害は起こらないが、あまり急激に移動させると未凝固部分を生じるので、実用的には３００ｍｍ／分程度が限度である。
【００１９】
（実施例１〜１４，比較例１〜５）
高純度金にＰｄ，Ｃｕ，Ｃａ及びＧｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｌａ，Ｃｅから選ばれた元素を、表１に示すそれぞれの濃度となるように添加して溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を１５ｍｍ／分の条件で溶解・鋳造し、順次縮径伸線加工と途中焼鈍を実施して最終線径を２０μｍとした。
その後常温での伸び率が４．０〜４．５％となるように最終焼鈍を行い、所定のスプールに巻取り、ボンディング用金合金細線を得た。
得られたボンディング用金合金細線と株式会社新川社製ＵＴＣ−１０００とを用いて以下の４評価を行った。
【００２０】
（１）ボール硬度評価：
ボール径３８μｍとなる条件でボールを作製し、その硬度を測定した。
（２）リーニング評価：
ループ長５．０ｍｍ，間隔を５０μｍ，ループ高さ３００μｍの条件で平行に５０００本ボンディングを行い、図１に示す通りループ上部の間隔が４０μｍ以下をリーニング不良と判定した。
評価実施後５００ｍワイヤーを巻ほぐし、再度同一条件でボンディングを行い、同一の判定基準でリーニング不良を判定し、この一連の評価を合計５回繰り返し、５回のリーニング不良率の平均値とその標準偏差を求めた。
（３）電極パッドとボールの接合力評価：
Ａｌ−０．５％Ｃｕでメタライズされた開口部４５μｍの電極パッド上に、ボール径３８μｍ，接合時のボール径４２μｍとなる条件で１００００本ボンディングを行い、接合不良が発生する率を評価した。この条件は電極パッド間隔を４８〜５０μｍと想定したものである。
（４）パッドダメージ評価：
上記（２）と同じ条件でボンディングを行い、パッドに亀裂が発生する率を評価した。
これらの結果を表１に合わせて示す。
【００２１】
【表１】
2010192497.tif 000002
【００２２】
本発明の範囲内である実施例１〜１４は、５回評価のリーニング不良の平均が０．１２〜０．１８％，標準偏差が０．０２〜０．０６％であり、電極パッドとボールの接合不良及びパッドダメージの発生は見られなかったのに対し、Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎからなる元素のいずれをも添加していない比較例１及び２は、５回評価のリーニング不良の標準偏差がそれぞれ０．２２，０．３４％と高く、平均値もそれぞれ０．３２，０．３０％と高くなった。
すなわちリーニング不良発生率にばらつきがあり、一部にリーニング不良発生率の高い試料が含まれていることを示した。
比較例３はＣｕが添加されていないため電極パッドとボールの接合不良が発生し、比較例４はＰｄの添加量が本発明の範囲外でありパッドとボールの接合不良及びパッドダメージの発生が見られ、比較例５はＧｅの添加量が本発明の範囲外でありパッドとボールの接合不良が発生した。
また実施例１と２及び実施例９と１０はＬａとＣｅどちらを添加したかの違いであるが、Ｌａを添加したほうがＣｅを添加したよりもボール硬度は小さい。同じく実施例７と８及び実施例１１と１２はＣａとＭｇ合計の添加量及び他元素の添加量は同一であるが、Ｍｇの有無が異なっている。Ｃａの一部をＭｇに置換えた実施例の方がＭｇを添加していないよりもボール硬度は小さい。
【００２３】
実施例１５、実施例１６について表１に示す添加元素を高純度金に添加して、先の実施例１〜１４と同一の評価を行った。なお結果を比較しやすくするために、表１の前述の実施例１４のデータも参照されたい。表１において上から実施例１４、実施例１５、実施例１６の順にＰｄ（ａｔ％）／Ｓｎ（ａｔ％）の値は大きくなるが、この値が大きくなるに従いリーニング不良の平均，標準偏差が高くなる傾向にある。その値が１１０００である実施例１６では標準偏差が０．１３％と高い値を示し、リーニング不良の発生率が高く不安定になるものの、接合不良やパッドダメッジ不良は認められなかった。
【００２４】
実施例１７について高純度金に表１に示す添加元素を添加して、溶解を溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を１２０ｍｍ／分とした連続鋳造で行い、先の実施例１〜１４と同一の評価を行った。評価結果は表１に併記した。なお結果を比較しやすくするために、前述の実施例８のデータも参照されたい。
実施例８と実施例１７は、溶解・鋳造時に溶湯と凝固部分の界面相対移動速度が２０ｍｍ／分以上の製造条件で行ったか否かの違いであるが、この界面相対移動速度が２０ｍｍ／分以上の製造条件で製造した実施例１７は、明らかに実施例８よりも良好なリーニング不良率を示した。
【符号の説明】
【００２５】
１          ボンディング用金合金細線
１ａ，１ｂ  ループ上部
２          ボール
３          ボール直上部
４          半導体素子
【図１】
2010192497.tif 000003