(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度９９．９９質量％以上の銀（Ａｇ）と純度９９．９９９質量％以上の金（Ａｕ）と純度９９．９９質量％以上のパラジウム（Ｐｄ）とからなる三元合金系ボンディングワイヤであって、金（Ａｕ）が４〜１０質量％、パラジウム（Ｐｄ）が２〜５質量％、酸化性非貴金属添加元素が１５〜７０質量ｐｐｍおよび残部が銀（Ａｇ）からなり、当該ボンディングワイヤは連続ダイス伸線前に焼きなまし熱処理がされ、連続ダイス伸線後に調質熱処理がされ、窒素雰囲気中でボールボンディングされることを特徴とする半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項２】
上記金（Ａｕ）が６〜９質量％およびパラジウム（Ｐｄ）が３〜５質量％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項３】
上記酸化性非貴金属添加元素がカルシウム（Ca)であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項４】
上記酸化性非貴金属添加元素が希土類元素であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項５】
上記酸化性非貴金属添加元素がランタン（La）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項６】
上記焼きなまし熱処理が2回以上繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【請求項７】
上記焼きなまし熱処理の温度が上記調質熱処理の温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に用いられるＩＣチップ電極と外部リード等の基板の接続に好適なAg-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤ、特に、車載用や高速デバイス用の高温となる環境下で使用されるAg-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から半導体装置のＩＣチップ電極と外部リードを接続する金線としては、高純度金に他の金属元素を微量含有させた純度９９．９９質量％以上の金線が信頼性に優れているとして多用されている。このような純金線は、一端が超音波併用熱圧着ボンディング法によってＩＣチップ電極上の純アルミニウム（Ａｌ）パッドやアルミニウム合金パッドと接続され、他端が基板上の外部リード等に接続され、その後、樹脂封止して半導体装置とされる。このような純アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金パッドは、通常は真空蒸着などによって形成される。
【０００３】
一方、Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤとしては、特開平９‐２７２９３１号公報には「重量でＡｇを１０〜６０％、Ｍｎを０．００５〜０．８％、さらにＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を総計で０．００５〜５％、さらに、Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙの少なくとも１種を総計で０．０００２〜０．０３％の範囲で含有し、残部が金および不可避的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」が開示されている。
また、特開２０００‐１５０５６２号公報には「Ａｇ：１〜５０ｗｔ．％、Ｐｄ：０．８〜５ｗｔ．％、Ｔｉ：０．１〜２ｗｔ．ｐｐｍを含有し、さらに、Ｃａ、Ｂｅ、Ｌａの内の一種または二種以上：１〜５０wt．ｐｐｍを含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有する金合金からなる半導体装置のボンディング用金合金細線」が開示されている。これらのボンディングワイヤは、金線の代替ワイヤとして開発されたもので、高価な金（Ａｕ）の使用量を減らしながら大気中で溶融ボールの形成を意図したものである。
【０００４】
しかし、銀（Ａｇ）の含有量が６０％を超えたAg-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤを大気中でボールボンディングしようとすると、溶融ボール表面に酸化物が析出し、アルミニウム合金パッドなどに接続することができなかった。この酸化物は貴金属中に含まれる酸化性非貴金属元素や原料のAgに含まれる不可避不純物に由来するものであり、上記の微量添加成分や不可避不純物が溶融ボール表面に析出し、大気中の酸素と結びついて酸化物となったものである。
また、銀（Ａｇ）の含有量が６０％を超えると、ボンディングワイヤ自体の剛性が増して硬くなるため、ボンディングワイヤを成形後に最終焼鈍熱処理をするのが一般的であった。たとえば、特開平３‐７４８５１号公報（後述する「特許文献１」）で「再結晶温度よりも高温で熱処理したＡｇ‐Ｐｄ合金、Ａｕ‐Ａｇ‐Ｐｄ合金等の線」が開示され、特開２０１０‐１７１３７８号公報には、伸線加工により、線径０．０５０ mm〜０．０１０ mmとされた、８．００〜３０．００重量％の金と、６６．００〜９０．００重量％の銀と、０．０１〜６．００重量％のパラジウムと、を含む金銀パラジウム合金線の表面が洗浄され、乾燥およびアニール処理が行われる合金線の製造方法が開示されている。
【０００５】
ところが、Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤは、銀（Ａｇ）の含有量が多くなればなるほど大気中の酸素を巻き込むことにより表面張力が小さくなるため溶融ボールのボール形状が不安定になり、かつ、上述した酸化物が析出するため、超音波によるウェッジボンディングでしか接続できなかった。
また、樹脂封止された半導体装置が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や高輝度ＬＥＤなどで使用されるようになると、最終焼鈍熱処理をしたAg-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤでは高温特性がはなはだ不十分であった。このようなことから、Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤは実用化されていないのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３‐７４８５１号公報
【特許文献２】特開平９‐２７２９３１号公報
【特許文献３】特開２０００‐１５０５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、樹脂封止された半導体装置が高温、高湿および高圧下の過酷な使用環境下で使用されても、アルミパッドとの接続信頼性を維持する優れたボールボンディング用のAg-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤは銅（Ｃｕ）系ボンディングワイヤのように酸化が起こらないことに着目し、窒素雰囲気中でアルミパッドへボールボンディングして高温接続信頼性を調べた。この窒素雰囲気は、完全に密閉した窒素雰囲気にしなくても、また、窒素と水素の混合ガスを用いなくても、溶融ボール形成時に窒素ガスを吹き付けただけで真球度の高いフリーエアーボール（ＦＡＢ）が得られた。
また、本発明者らは、高純度のAg-Au-Pd三元合金に微量の酸化性非貴金属元素を添加し、Ag-Au-Pd三元合金中に微細に分散させることにより、伸線中の焼鈍熱処理によってもAg-Au-Pd三元合金の結晶粒が粗大化することなく加工ひずみが除かれるだけで、連続ダイス伸線後のボンディングワイヤ内に伸線組織が残るようにしたものである。
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の半導体素子用Ag-Au-Pd三元合金系ボンディングワイヤは、純度９９．９９９質量％以上の銀（Ａｇ）と純度９９．９９９質量％以上の金（Ａｕ）と純度９９．９９質量％以上のパラジウム（Ｐｄ）とからなる三元合金系ボンディングワイヤであって、金（Ａｕ）が４〜１０質量％、パラジウム（Ｐｄ）が２〜５質量％、酸化性非貴金属元素が２０〜１００質量ｐｐｍおよび残部が銀（Ａｇ）からなり、当該ボンディングワイヤは連続ダイス伸線前に焼鈍熱処理がされ、連続ダイス伸線後に調質熱処理がされ、窒素雰囲気中でボールボンディングされるものである。
【００１０】
（Ag-Au-Pd三元合金）
本発明のAg-Au-Pd三元合金は、金（Ａｕ）が４〜１０質量％、パラジウム（Ｐｄ）が２〜５質量％および残部が銀（Ａｇ）からなる完全に均一固溶した合金である。
本発明において、銀（Ａｇ）を８４質量％以上の残部としたのは、純アルミニウム（Ａｌ）パッドやアルミニウム合金パッドと接続する際に、大気中で形成されていた銀（Ａｇ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物が窒素雰囲気中ではほとんど形成されないことが判明したからである。
【００１１】
また、本発明において、金（Ａｕ）は、窒素雰囲気中で金（Ａｕ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物を形成せず、かつ、第一ボンディング時に溶融ボールを真円形状で接合する効果がある。本発明において、金（Ａｕ）を４〜１０質量％としたのは、１０質量％を超えると溶融ボールの形成温度が高くなりすぎて酸化性非貴金属元素の酸化物が形成されやすくなってFABの真球度が得られないからであり、４質量％未満では溶融ボールが不安定になってFABの真球度が確保できなくなるからである。金（Ａｕ）は６〜９質量％の範囲が好ましい。
【００１２】
また、本発明において、パラジウム（Ｐｄ）は第一ボンディング時に銀（Ａｇ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物の形成を阻止する効果、および半導体素子の高温高湿環境下での使用時に銀（Ａｇ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物の劣化を抑制する効果がある。
従来のＡｇワイヤの場合、これらの接合界面に金属間化合物Ａｇ２Ａｌが生成する。
このＡｇ２Ａｌとボールの界面は水分を含む環境下では腐食し、ＡｇとＡｌ２Ｏ３が生成する。本願発明のAg-Au-Pd＋微量添加元素αの場合、Ａｇ２Ａｌとボールの間にＡｇ２ＡｌとＰｄ濃化層が生成し、Ａｇ２Ａｌの腐食を抑制する働きをする。
図１の模式図に示すように、Ａｇワイヤの場合接合されたボールとアルミニウムパッドの界面でＡｇ２Ａｌ金属間化合物が形成され、水分を含む環境下で腐食が進行する同図（Ｂ）。
これに対して、本発明のAg-Au-Pd三元合金ワイヤの場合、同図（Ａ）に示すように、同じくボール接合界面ではＡｇ２Ａｌ金属間化合物が形成されるが、ＡｕとＰｄとは相溶性がよく、ボール側にＡｕ２ＡｌとＰｄ濃化層が形成されてＡｌの腐食を抑制され、シェア強度及びＨＳＴ信頼性を著しく向上する。
パラジウム（Ｐｄ）を２〜５質量％としたのは、５質量％を超えると窒素雰囲気中で形成した溶融ボールが硬くなりすぎるためであり、２質量％未満では銀（Ａｇ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物の劣化を抑制する効果が確保できなくなるからである。パラジウム（Ｐｄ）は３〜５質量％の範囲が好ましい。
【００１３】
（酸化性非貴金属添加元素）
本発明において、酸化性非貴金属添加元素は１５〜７０質量ｐｐｍである。本発明では銀（Ａｇ）の純度は９９．９９質量％以上であるが、実質的な不可避不純物は２０ｐｐｍ程度である。その不可避不純物も酸化性非貴金属添加元素とともにAg-Au-Pd三元合金中に微細に分散し、ピン止め作用によりAg-Au-Pd三元合金の結晶粒の粗大化を防止してその効果を発揮する。酸化性非貴金属添加元素の主な効果は、ワイヤの機械的特性を向上したり、第一ボンドの圧着ボールの真円性を向上したりすることである。酸化性非貴金属添加元素が最大７０質量ｐｐｍ以下であれば、Ag-Au-Pd三元合金を大気中で焼鈍熱処理しても合金表面に厚い酸化膜を作って合金表面が変色することは無い。酸化性非貴金属元素は２０〜６０質量ｐｐｍが好ましく、より好ましくは２０〜５０質量ｐｐｍである。
酸化性非貴金属添加元素としては、カルシウム（Ca)，希土類元素（Ｙ、Ｌａ、Ce、Eu、Gd、NdおよびSm）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）がある。好ましくは、カルシウム（Ca)および希土類元素、特にランタン（Ｌａ）、ベリリウム（Ｂｅ）がよい。
【００１４】
（焼鈍熱処理）
本発明における焼鈍熱処理は、Ag-Au-Pd三元合金の伸線加工による加工ひずみを除去して加工割れを防ぐためである。酸化性非貴金属元素はAg-Au-Pd三元合金内に微細に分散させておく必要があるため、熱処理においてAg-Au-Pd三元合金の融点（約１０００℃）近くまで温度を高くすることはできない。通常は、５００℃で2時間、６００℃で30分、７００℃で１０分程度である。焼鈍熱処理後に伸線加工を施すことによってボンディングワイヤに伸線組織が形成される。このため、最終の連続伸線前に焼鈍熱処理をしておくことが好ましい。また、焼鈍熱処理を繰り返すと、ボンディングワイヤの伸線組織が緻密になると考えられるので、２回以上繰り返すのが好ましいが、生産性が悪くなるので、２〜３回が好ましい。
【００１５】
（調質熱処理）
本発明における調質熱処理は、金線の場合と同様に、管状炉において、温度およびスピードを調整の上、引張り破断試験機で伸びが４％となるように調整するための熱処理である。通常は、５００℃で2秒程度である。
【発明の効果】
【００１６】
上述のように、本発明のボンディングワイヤ用Ag-Au-Pd合金線は、窒素雰囲気で第一ボンドを行っているので、溶融ボールと純アルミニウム（Ａｌ）パッドやアルミニウム合金パッドとの接合性が良好であり、圧着ボールの真円性を確保することができ、また、高温高湿下の半導体装置の使用においてもアルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物が第一ボンドの接合界面で粗大化が進展することが無く、安定した接合信頼性を確保することができる。さらに、本発明のAg-Au-Pd合金からなるボンディングワイヤは、機械的性質が軟質になっているので、リーニングやループ高さのばらつきがなく、しかも、超音波接合による第二ボンドの接合強度のばらつきも少なくなるという効果がある。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
表１左欄に示される成分組成を有するAg-Au-Pd合金を溶解鋳造し、１０ｍｍ径から３ｍｍ径まで伸線加工して６００℃で３０分間焼鈍熱処理をし、次いで径０．１ｍｍまで伸線加工して６００℃で３０分間焼鈍熱処理をした。その後、湿式で最終の連続伸線をすることにより２０μｍの線径を有する本発明に係るボンディングワイヤ用Ag-Au-Pd合金線（以下、本発明ワイヤという。）１〜２７と本発明の組成範囲に入らない比較品のボンディングワイヤ用Ag-Au-Pd合金線（以下、比較ワイヤという。）２８〜３６を製造した。これらの本発明ワイヤ１〜２７および比較ワイヤ２８〜３６をＫｕｌｉｃｋｅ＆Ｓｏｆｆａ（キューリック・アンド・ソファ）製のワイヤボンダー（商品名：Ｍａｘμｍ  ｕｌｔｒａ）にセットし、半導体ＩＣチップに搭載されたＡｌ−０．５質量％Ｃｕ合金からなる５０μｍ角Ａｌ合金パッドに、吹き付け窒素雰囲気下で３８μｍ狙いでＦＡＢを作製し、加熱温度：２００℃、ループ長さ：５ｍｍ、ループ高さ：２２０μｍ、圧着ボール径：４８μｍ、圧着ボール高さ：１４μｍ、の条件でボンディングを行なって、ＦＡＢ真球度、真円性のばらつき、１stボールシェア、ＨＡＳＴ信頼性について評価を行なった。
【００１８】
〔ＦＡＢ真球度の評価方法］
各々の合金組成に対し、ワイヤボンダーでＦＡＢを１００個作製し、ＦＡＢのＸ（ワイヤと直角方向）とＹ（ワイヤ方向）の長さを測定し、その差により評価した。それらの評価結果を表１右側欄に示す。
【００１９】
［真円性のばらつきの評価方法］
各々の合金組成に対し、評価用のＩＣチップに１００本ボンディングしたときの圧着ボールのＸ方向（超音波印加と直角方向）とＹ方向（超音波印加と方向）の長さを測定し、その比のばらつきを評価した。それらの評価結果を表１右側欄に示す。
【００２０】
［１ｓｔボールシェア評価方法］
各々の合金組成に対し、専用のＩＣチップにワイヤボンダーでボンディングを行い、１００点について、Ｄａｇｅ社製の製品名「万能ボンドテスター（ＢＴ）（型式４０００）」を用い、１ｓｔ圧着ボールのｓｈｅａｒ強度評価を行った。それらの評価結果を表１右側欄に示す。
【００２１】
［ＨＡＳＴ信頼性評価方法］
各々の合金組成に対し、専用のＩＣチップ（２００ｐｉｎ）にワイヤボンダーでボンディングを行い、専用のプラスチック樹脂で封止し、電気抵抗測定用サンプルを作製した。そのサンプルを高度加速寿命試験（ＨＡＳＴ）装置内に温度１３０℃、湿度８５％、圧力２．２気圧の条件で１９２時間放置後、電気抵抗を測定した。電気抵抗は、ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製の製品名「ソースメーター（型式２００４）」を用い、専用のＩＣソケットおよび専用に構築した自動測定システムで行った。測定方法は、いわゆる直流四端子法で測定している。測定用プローブから隣接する外部リード間（ＩＣチップ上のパッドが短絡した対を選択）に一定電流を流し、プローブ間の電圧が測定される。
電気抵抗は外部リード１００対（２００ピン）について、ＨＡＳＴ装置放置前と放置後に電気抵抗測定を行い電気抵抗の上昇率を評価した。それらの評価結果を表１右側欄に示す。
【００２２】
【表−１】
0004771562.tif 000002
【００２３】
表１右側欄中、ＦＡＢ真球度は観察結果を示し、◎は差が１μｍ以内、○は２μｍ以内、△は２μｍ超を、それぞれ示す。
表１右側欄中、真円性のばらつきは標準偏差の値を示し、◎は０．８未満、○は０．８以上１．０未満、△は１．０以上１．５未満、×は１．５以上を、それぞれ示す。
表１右側欄中、１ｓｔボールシェアは、シェア荷重値を示し、◎は１５ｇｆ以上、○は１２ｇｆ以上、△は１０ｇｆ以上、１０ｇｆ未満もしくはボール剥がれ発生の場合は×を、それぞれ示す。
表１右側欄中、ＨＡＳＴ信頼性は、ＨＡＳＴ装置放置前の電気抵抗値に対する放置後の電気抵抗の上昇率を示し、◎は２０％以下、○は５０％以下、×は５０％超を、それぞれ示す。
【００２４】
表１右欄に示される結果から明らかなように、本発明ワイヤは、溶融ボールの真球度がよく、圧着ボールの真円性が良く、１ｓｔボールの接合性がよく、ＨＡＳＴ信頼性が良好であるのに対し、比較ワイヤ２５〜３１はこれら特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。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のボンディングワイヤは、高温高湿の用途において、低コストが要求されるICパッケージやCuボンディングワイヤが使いにくいICパッケージ（スタックドIC、Low-k
IC）、あるいは、車載用や高輝度ＬＥＤ用の半導体の用途がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明のAg-Au-Pd三元合金系ワイヤとアルミニウムパッドとの接合界面を示す模式図（Ａ）、及びＡｇワイヤとアルミニウムパッドとの接合界面を示す模式図（Ｂ）である。
【要約】
【課題】高温、高湿度環境で使用される半導体用ボンディングワイヤにおいて、アルミパッドとの接合信頼性を向上する。
【解決手段】純度９９．９９９質量％以上の金：４〜１０質量％、純度９９．９９質量％以上のパラジウム：２〜５質量％、残部が純度９９．９９９質量％以上の銀からなる三元合金系ボンディングワイヤであって、酸化性非貴金属ｊ元素が１５〜７０質量ｐｐｍ含有し、連続ダイス伸線前に焼きなまし熱処理がされ、連続ダイス伸線後に調質熱処理がされ、窒素雰囲気中でボールボンディングされる半導体用ボンディングワイヤ。Ag-Au-Pd三元合金ワイヤとアルミニウムパッドの接合界面でＡｇ２Ａｌ金属間化合物層とワイヤとの間の腐食がＡｕ２ＡｌとＰｄ濃化層によって抑制される。
【選択図】  図１【図１】
0004771562.tif 000003