(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量％の範囲で含有し、Ｐｔを０．００２〜１．０重量％、Ｐｄを０．００２〜０．８重量％、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％の範囲で含有し、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細線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを電気的接続するためのボンディングに使用される半導体素子用金合金細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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法が主として使用されている。最近、半導体の高集積化、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、半導体実装の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、ワイヤの接合間（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、ワイヤ間の最小ピッチが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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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、ボール部の接合性を確保することも困難となる。細線化、接合性などを考慮して、金合金細線における元素添加の効果が調査されており、例えば、特願昭６３−１０９５８７号には添加元素としてＣｕ元素が有効であることが示されているが、十分な効果を得るためには１〜５重量％の含有が必要となり、高濃度ではボール部の形状不良および硬化などが懸念される。また、金ワイヤ中への所定範囲量のＣｕ元素の添加に関して特開平２−２１５１４０号公報に開示されているが、Ａｕ／Ａｌ接合部における化合物成長の抑制効果に関するものである。
【０００５】
本発明は、樹脂封止時のワイヤ変形を低減して、狭ピッチ化および細線化に対応できる、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、以上の点を鑑み、高密度実装に適したワイヤとして要求される特性について調査を行った結果、特にループ形成時および樹脂流れ時におけるワイヤ変形を低減することが最大の技術課題であることの見解を得た。さらに、金合金細線中の元素添加と、ループ直線性および樹脂流れ性との関係について研究したところ、ＣｕとＣａの複合添加が流れ性の抑制に有用であることを初めて見出した。さらに後述するようにＰｔ、Ｐｄ、Ｉｎ元素の添加によりボール近傍部の熱影響部の強度が増加すること、また、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの添加により樹脂封止時の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通りである。
Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有すると共に、Ｃａを０．０００２〜０．０２重量％の範囲で含有し、Ｐｔを０．００２〜１．０重量％、Ｐｄを０．００２〜０．８重量％、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を総計で０．０００３〜０．０３重量％の範囲で含有し、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細線。
【０００９】
【作用】
以下に、半導体素子用金合金細線に関する本発明の構成についてさらに説明する。
ループ直線性および樹脂封止時の流れ性を評価するには、金属細線を用いてボンディングを行い、ループ形状における変形量の測定、そのボンディングされた試料の樹脂封止を行った後に、金属細線の流れ量の測定を行う必要がある。これらのループ変形または樹脂封止時の流れ性に関しては、ボンディング装置または樹脂封止装置の設定状態または実験条件、封止樹脂の種類などに大きく依存するため、金属細線の材料特性に起因する要因のみを抽出して評価することは困難である。
【００１０】
そこで、ループ直線性および樹脂封止時の流れ性に関して、金属細線の機械的特性として引張強度、弾性率、降伏強度などとの相関について調査したところ、引張試験により測定した破断強度が高いほど、ループ直線性が向上し、さらに樹脂封止時の流れ性も抑制されていることが確認された。厳密な解析には、弾性率、降伏強度、曲げ弾性などの特性値も加味する必要はあるものの、金属細線が狭ピッチ化および細線化に対する適性を評価する手法として、簡便に測定可能な引張強度を採用することとする。
【００１１】
金合金細線の引張強度の増加には、Ｃｕ元素とＣａ元素の併用添加が有効である。Ｃｕの単独添加では、常温での強度を上昇させるものの、その効果は小さい。Ｃｕの単独添加では高密度実装用途としての特性を満足するものではなかった。
一方、Ｃａの添加では強度は増加することは確認されていたが、添加量が増加するとＣａ元素の酸化に起因するボール部形成時の形状不良の原因となる。ボール形成性から添加量の上限が決まり、Ｃａの単独添加では細線化のための十分な強度を達成するのは困難であった。
【００１２】
ＣｕとＣａの添加による引張強度の影響について示したのが表１である。線径２４μｍのワイヤを横型炉中を通過させながら連続的に焼鈍した後、ワイヤの引張試験を行い、破断強度を示した。汎用の半導体素子用金属細線においては、破断伸びは３から５％の範囲が主流であるため、伸びが４％程度になるように焼鈍温度を選定した。Ｃｕ元素の適量添加、またはＣａ元素の適量添加と比較しても、両者を同時に含有させると、破断強度がさらに３割から６割程度まで顕著に増加していることが判る。ワイヤ長が５ｍｍ程度のロングスパンにおける金属細線の耐流れ性の点からは、引張強度が１４ｇｆ以上であれば、流れを実用上問題にならない程度まで低減できる結果が得られており、表１のＣｕとＣａの複合添加はその条件を満足するものであった。
【００１３】
これらの元素による特性発現の機構については不明な点もあるが、Ｃｕ元素とＣａ元素が相互作用を及ぼしあって、Ａｕ中で析出または化合物相が生成することにより、機械的特性を向上させていると思われる。
【００１４】
【表１】
0003639662.tif 000002
【００１５】
ここで、ＣｕとＣａの添加量を上記範囲と定めたのは、Ｃｕを０．０１５重量％未満またはＣａが０．０００２重量％未満では上記効果が小さいためである。一方Ｃａが０．０２重量％超では、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り、Ｃｕを１．０重量％超含有すると、伸線時の加工強度の増加が著しくなるため、ワイヤ製造時に伸線ダイスの摩耗が激しくなり、しかも伸線材のワイヤ曲がりが発生し易くなり、特に細線化されるほど顕著となる。この対策には数回の中間焼鈍で対応できるものの、工程が複雑化することが問題である。
【００１６】
細線の強度は線径の２乗に比例するため、線径が細くなるほど、樹脂流れ低減のために細線の高強度化が必要となる。現在主流である線径が２５〜３０μｍの細線では８０μｍ以下の狭ピッチ実装に利用することは困難である。ＣｕとＣａを含有して強度向上した細線は、従来材よりも細線化した線径が２５μｍ以下で使用することが有効である。特に、２５μｍに対して２割以上の高強度化が望まれる、線径が２３μｍ以下においては、ＣｕとＣａの複合添加による高強度化は高い効果が望まれる。
【００１７】
狭ピッチ実装のためにはリードフレームのインナーリード部も細くなっており、搬送時の振動に起因する問題が発生しやすい。耐振動性の点からは、ボール直上のネック部における強度が高いことが望ましく、熱影響による再結晶粒の粗大化を抑制する必要がある。前述したＣｕとＣａの添加に加えて、さらにＰｔ、Ｐｄの２種を含有することにより、ネック部の結晶が細粒化して、ネック部の強度が増加する。Ｐｔ、Ｐｄの元素群の添加のみでは、再結晶挙動の抑制効果は不十分であり、ＣｕとＣａの含有との相乗作用により、ネック部の強度を上昇する効果が高められる。ここで、Ｐｔ、Ｐｄの添加が、０．００２重量％未満では上記効果が小さく、一方３．０重量％超では、ボール部が偏平となり真球性が低下するため、狭ピッチ接続のための小ボール形成が困難であり、さらにボール部が硬化するため、接合時にシリコンチップへの損傷の原因となる。
【００１８】
樹脂封止工程では、１５０〜２００℃の範囲に加熱されたモールド金型中に粘性の高い熱硬化性樹脂が高速で注入されることにより、ワイヤは変形する。このワイヤの樹脂流れ性に対しては、ワイヤの機械的特性、特に高温特性が支配的である。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの１種または２種以上を０．０００３〜０．０３重量％の範囲で含有すると、ワイヤの高温強度が上昇する。しかしＹ、Ｌａ、Ｃｅの添加のみでは、常温での機械的特性の向上は小さいため、ＣｕとＣａの添加との併用が必要となる。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの総含有量を上記範囲と設定したのは、０．０００３重量％未満では、十分な高温特性は得られず、０．０３重量％超では、ボール形成時の引け巣の生成、または真球性の低下が問題となるためである。
【００１９】
【実施例】
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２、表３（表２のつづき）、表４、表５（表４のつづき）に示す化学成分の金合金を溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延および伸線により、最終線径が２４μｍの金合金細線とした後に、大気中で連続焼鈍して伸びを調整した。
【００２０】
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。
【００２１】
ループ形成後のネック部の強度の評価には、リードフレームと測定する半導体素子を冶具で固定した後に、ボンディング後の金合金細線の中央部を引張り、その細線破断時の引張強度を１００本測定したプル強度の平均値を求めた。
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。
【００２２】
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４．５ｍｍ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。
【００２３】
表４、表５の比較例１〜４では、樹脂封止時のワイヤ流れは５％以上の高い値を示しており、隣接するワイヤが接触することによる不良発生の可能性が高く、ワイヤ曲がりも２０μｍ以上であり、ループ形状のばらつきとして懸念される。これに対し、表２、表３の実施例１、２は本発明の請求項１記載の金合金細線に係わるものであり、Ｃｕを０．０１５〜１．０重量％の範囲で含有させ、さらにＣａを０．０００２〜０．０２重量％の範囲で含有させることにより、特に樹脂流れは低減されており、適量添加により４％以下まで抑制することが確認された。表４、表５に示す比較例５ではＣｕの含有量が１．０重量％超であり、伸線強度が高くダイスの摩耗が懸念され、さらに伸線時のワイヤ曲がりが顕著となるため、製造工程において中間焼鈍を３回要した。
【００２４】
表２、表３の実施例１、２は、プル強度は８ｇｆ程度まで上昇しており、樹脂流れは２．６％以下と低い値まで抑えられていることが確認された。
【００２５】
【表２】
0003639662.tif 000003
【００２６】
【表３】
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【００２７】
【表４】
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【００２８】
【表５】
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【００２９】
【発明の効果】
本発明の半導体素子用金合金細線は、ボンディング時のワイヤ曲がりおよび樹脂封止時のワイヤ流れを低減し、半導体の高密度実装、特に狭ピッチ接続に対応できるものである。