(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高純度金にカルシウム５〜５０重量ｐｐｍ、イットリウム５〜５０重量ｐｐｍ、サマリウム３〜７０重量ｐｐｍ、ベリリウム２〜１０重量ｐｐｍ、ゲルマニウム５〜５０重量ｐｐｍがそれぞれ添加され、これら添加元素の総量が２０〜２００重量ｐｐｍの範囲、残部が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線。
【請求項２】
高純度金にカルシウム１０〜３０重量ｐｐｍ  、イットリウム１０〜４０重量ｐｐｍ  、サマリウム１０〜５０重量ｐｐｍ  、ベリリウム３〜８重量ｐｐｍ  、ゲルマニウム１０〜４０重量ｐｐｍがそれぞれ添加され、これら添加元素の総量が４０〜１５０重量ｐｐｍの範囲、残部が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線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子用金合金線、更に詳しくは、主として、例えば半導体素子上の電極と外部リードとを接合するためのボンディングワイヤーとして用いられ、特に、長スパンボンディングを行うのに用いられる半導体素子用金合金線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年急速に普及しつつあるデバイスの多ピン化の傾向に伴って、長スパンのワイヤーボンディング、つまり長距離にボンディングを行うことが要求される。しかし、この長スパンのワイヤーボンディングにおいても、近年はコストの低減はいうまでもなく、この多ピン用デバイスに対応するためには、数多くのワイヤーボンディングを行うことから、一層の小ボール化、金線の細径化が求められている。
【０００３】
ところで、従来から例えば、ケイ素半導体素子上の電極と外部リードとの間を接続するボンディング線としては、金細線が使用されてきた。しかし、この金細線は、自動ボンダーにかけて先端を溶融して金ボールを形成させて接合を行うと、再結晶温度が低く、耐熱性を欠くために、金ボール形成時、その直上部において引張強度が不足し断線を起こす。また、断線を免れて接合されても、接合後の金細線は樹脂封止によって断線する。更に、半導体素子を封止樹脂で保護した場合、ワイヤーフローを呈し短絡を起こす問題がある。これらの問題点を解決するために、周知のとおり、従来より、接続時に形成される金ボールの形状及び硬さを損なわない程度に、高純度金中に微量の添加元素を加え、これによって破断強度と耐熱性を向上させた種々のボンディング用金合金細線が公表されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、前記従来から提案された種々の金合金細線について、これらが多ピン用デバイスのワイヤーボンディングに適するか否か、すなわち現実に実用性を備えているか否かについて検討してみた。その結果、多ピン用デバイスに対応するためのボンディングでは、デバイスの製造工程で、数多くのワイヤが長ループでボンディングされるため、これら従来の種々の提案はいずれもが不適合であった。すなわち、ボンディングされたワイヤーのループが変形し、隣接するワイヤー同士が不用意に接触し易いことも分かった。
【０００５】
この検討の結果を基にして、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、次のような手段を見出した。すなわち、高純度金にカルシウム、イットリウム、サマリウム、ベリリウムそしてゲルマニウムの各元素を含有させることによって、金合金細線が、高い耐熱性と、常温・高温状態での高い抗張力、つまり常温及び高温の高い引張り強さとを備えるようになることが分かった。そして、このような手段を採用することによって、従来の問題点をうまく解決できることを見いだして本発明をするに至った。
【０００６】
したがって、本発明は、一層の小ボール化、金線の細径化のために、十分な耐熱性と、常温並びに高温状態での十分な抗張力とを有することで、ワイヤボンディング時のループ垂れや、ループの変形が生じにくく、多ピン用デバイスのボンディング線としても、これに十分対応できるようにすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、高純度金にカルシウム５〜５０重量ｐｐｍ、イットリウム５〜５０重量ｐｐｍ、サマリウム３〜７０重量ｐｐｍ、ベリリウム２〜１０重量ｐｐｍ、ゲルマニウム５〜５０重量ｐｐｍがそれぞれ添加されていて、これら添加元素の総量が２０〜２００重量ｐｐｍの範囲、残部が不可避不純物からなるものである。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、高純度金にカルシウム１０〜３０重量ｐｐｍ、イットリウム１０〜４０重量ｐｐｍ、サマリウム１０〜５０重量ｐｐｍ、ベリリウム３〜８重量ｐｐｍ、ゲルマニウム１０〜４０重量ｐｐｍがそれぞれ添加され、これら添加元素の総量が４０〜１５０重量ｐｐｍの範囲、残部が不可避不純物からなるものである。
【０００９】
本発明は、高純度金に長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力を十分に向上させる作用を備えるカルシウムと、カルシウムとの共存において線の軟化温度を高める作用を備える、つまり耐熱性を高める、イットリウムと、カルシウムとイットリウムとの共存において、常温・高温状態での抗張力並び耐熱性をともに一段と向上せしめるサマリウムと、更にカルシウム、イットリウム、サマリウムとの共存においてループの変形を生じ難くする、つまり常温での抗張力を向上させるベリリウムとゲルマニウムを添加することにより、これら五元素の相乗作用によって、耐熱性と常温・高温状態での抗張力を共に十分に向上させ、また、ワイヤボンディング時のループ垂れやループの変形を生じることがなく、特に長スパンのボンディングにうまく適合させるものである。
【００１０】
次に、この発明の金合金細線の成分組成を上記のとおりに限定した理由を説明する。
【００１１】
まず、カルシウムには、長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力、つまり、常温及び高温引張り強さ、を高める作用がある。しかし、添加量が５重量ｐｐｍ未満では、この長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力が十分に得られない。加えて、他の元素との相乗作用に欠け、十分な耐熱性が得られない。更にループ高さ（電気トーチによるボール形成の際のネック部分の再結晶領域）にバラツキが生じたり、ワイヤーフローも生じ易くなる。逆に、添加量が５０重量ｐｐｍを超えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪みを生じる。しかも、カルシウムが金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するようになる。以上の理由から、その添加量を５〜５０重量ｐｐｍと定めた。なお、その好ましい添加量は１０〜３０重量ｐｐｍである。
【００１２】
イットリウムには、カルシウムとの共存において、十分な耐熱性、つまり、線の軟化温度を高め、更に長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力、つまり、常温及び高温引張り強さ、を一段と向上させる作用がある。しかし、添加量が５重量ｐｐｍ未満では、カルシウムとの相乗作用に欠け、十分な耐熱性が得られない。また、長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力も得られず、更に、ループ高さにバラツキが生じたり、ワイヤーフローも生じ易くなる。逆に、５０重量ｐｐｍを超えて添加しても、特性の向上が見られず、かえってボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪みを生じる。しかも、イットリウムが金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するようになる。以上の理由から、その添加量を５〜５０重量ｐｐｍと定めた。なお、好ましい添加量は１０〜４０重量ｐｐｍである。
【００１３】
サマリウムは、長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力を更に一段と向上させる作用とともに、カルシウムおよびイットリウムとの共存において、耐熱性、つまり線の軟化温度、を一段と高めるほか、ループ高さ（電気トーチによるボール形成の際のネック部分の再結晶領域）のバラツキを一層効果的に抑制する作用がある。しかし、その添加量が３重量ｐｐｍ未満では、この長スパン化に必要な常温・高温状態での抗張力が十分に得られない。加えて、カルシウムおよびイットリウムとの相乗作用に欠け、十分な耐熱性が得られない。更に、ループ高さ（電気トーチによるボール形成の際のネック部の再結晶領域を抑制する）のバラツキを抑える効果が不十分となる。逆に、７０重量ｐｐｍを超えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪みを生じる。しかも、サマリウムが金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害するようになる。以上の理由から、その添加量を３〜７０重量ｐｐｍと定めた。なお、好ましい添加量は１０〜５０重量ｐｐｍである。
【００１４】
ベリリウムは、カルシウム、イットリウムそしてサマリウムとの共存において、常温での抗張力を高める、つまりループの変形を生じ難くする、作用がある。しかし、その添加量が２重量ｐｐｍ未満では、この常温での抗張力が十分に得られない。逆に１０重量ｐｐｍを越えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪みを生じ、ボンディング時の再結晶による結晶粒界破断を起こして、ネック切れが生じ易くなる。以上の理由から、その添加量を２〜１０重量ｐｐｍと定めた。なお、好ましい添加量は、３〜８重量ｐｐｍである。
【００１５】
ゲルマニウムは、ベリリウムと同様に、カルシウム、イットリウムそしてサマリウムとの共存において、常温での抗張力を高める、つまりループの変形を生じ難くする、作用がある。しかし、その添加量が５重量ｐｐｍ未満では、この常温での抗張力が十分に得られない。逆に５０重量ｐｐｍを越えると、ボール表面に酸化皮膜が形成され、ボール形状に歪みを生じ、ボンディング時の再結晶による結晶粒界破断を起こして、ネック切れが生じ易くなる。以上の理由から、その添加量を５〜５０重量ｐｐｍと定めた。なお、好ましい添加量は、１０〜４０重量ｐｐｍである。
【００１６】
更に、上記のカルシウム、イットリウム、サマリウム、ベリリウムそしてゲルマニウムの五元素は無駄なく、且つ、効率的に所期の目的を達成することが、つまり最小の添加量で最大の効果を発揮することが、肝要である。しかし、その添加総量が、２０重量ｐｐｍ未満では、常温・高温状態での抗張力を十分に向上できず、長スパン化が達成できないばかりか、耐熱性も十分に向上できず、ワイヤーフローを生じ、更にループ高さのバラツキも抑制できない。逆に２００重量ｐｐｍを超えると、ボール形状に歪みを生じ、微小電極との接合の信頼性を低下させることから、その添加総量を２０〜２００重量ｐｐｍと定めた。なお、好ましくい添加総量は４０〜１５０重量ｐｐｍである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を説明する。
金純度が９９．９９重量％以上の電解金を用いて、表１に示す化学成分の金合金を高周波真空溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊を圧延機で圧延した後、常温で伸線加工を行い最終線径を２５μｍφの金合金細線とし、焼鈍して伸び値が４％になるように調質する。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
得られた金合金細線について、常温引張強度並びに線がボンディング時に晒される条件に相当する条件、つまり２５０°に２０秒間保持した条件での高温引張強度の試験を夫々行い、破断荷重と伸びを測定し、常温並びに高温引張強度を評価した。
【００２０】
また、これらの金合金細線をボンディングワイヤーとして用い、高速自動ボンダーで、特に多ピン用デバイスに適応できるように、配線距離平均４．２mmの長スパンのボンディングを行い、ループ変形及びボール形状、接合のループ高さ、ループ高さのバラツキ更にはモールド時のワイヤフローを調べた結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
接合のループ高さは、高速自動ボンダーを使用して半導体素子上の電極と外部リードとの間を接合した後、形成されるループ頂高とチップの電極面とを光学顕微鏡で観察してその高さを測定し、５０個の測定値の平均値をもって表した。
【００２３】
また、ループ高さのバラツキは、前記５０個のループ高さの測定値より標準偏差を求めた。
【００２４】
ボール形状は、高速自動ボンダーを使用し、電気トーチ放電によって得られる金合金ボールを走査電子顕微鏡で観察し、その外観、引巣の２つの観点から評価した。
【００２５】
まず、外観については、ボール表面に酸化物が生じる状態によって良否の判断を行った。
○印：ボール表面が滑らか
△印：ボール表面に微かに酸化物が認められる
×印：ボール表面に明らかに酸化物が認められる
【００２６】
引巣については、ボール底部に収縮孔、所謂引け巣と言われる現象、の発生状況によって良否の判断を行った。
○印：全く認められない
△印：僅かに認められる
×印：ハッキリと認められる
【００２７】
ワイヤーフローは、高速自動ボンダーで半導体素子上の電極と外部リードとを接合し、薄形モールドの金型内にセットして封止用樹脂を注入した後、得られたパッケージをＸ線で観察し、封止用樹脂によるボンディング線の歪み、即ち、直線接合からの最大湾曲距離ｈと接合スパン距離ｋとを測定し、歪値（ｈ／ｋ×１００）からワイヤーフローの良否を評価した。
○印：歪値２％未満（薄形パッケージに適合する）
△印：歪値２〜４％
×印：歪値５％以上
【００２８】
ループ変形は、ボンディング後の結線の最偏位点と、半導体素子上の電極と外部リードとの接合点との間を結ぶ仮想直線に対する前記最偏位点からの垂直な仮想直線とが交わる点との間の距離、つまり直線接合からの最大偏位距離、を精密投影機で（サンプルを投影し、投影されたものから）測定し、５０個の測定値の平均値を求めた。この場合、実用的には直線接合からの最大偏位距離が６０μｍ以内であることが要求されることから、６０μｍ以内のものを可とし、それ以上のものを不可とした。
【００２９】
結果から理解されるように、本発明に係る実施例１〜７は、イットリウム、カルシウム、サマリウム、ベリリウム、そしてゲルマニウムの各元素の配合比率並びに各元素の総量、更には不可避不純物の添加量が理想的であるため、最終線径が２５μｍφといった格段に細い金合金細線であるにかかわらず、長スパン化に必要な常温及び高温強度が高く、且つ、耐熱性も良好で、ワイヤーループの変形が生じにくく、隣接するワイヤー同士が不用意に接触する恐れがなく、また封止樹脂によるワイヤーフローの影響も無視することができ、且つボール形状も良好であるため信頼性のある接合が可能となり、多ピン用デバイスのワイヤーボンディング線として採用する場合、これに十分に対応できる。このように、実施例１〜７に記載の範囲内であれば、実用上特段の不都合は生じないと判断される。
【００３０】
ただ、好ましくは、カルシウム１０〜３０重量ｐｐｍ、イットリウム１０〜４０重量ｐｐｍ、サマリウム１０〜５０重量ｐｐｍ、ベリリウム３〜８重量ｐｐｍ、ゲルマニウム１０〜４０重量ｐｐｍ、そしてこれら添加元素の総量が４０〜１５０重量ｐｐｍの範囲、残部が不可避不純物である場合には、本発明の所期の目的が理想的に達成される。
【００３１】
以上の本発明に対して、比較例１はカルシウム、イットリウム、サマリウム、ベリリウム、ゲルマニウムの総ての元素の配合量とそれらの総量が、また比較例２ないし６は、それぞれ添加元素の一つの配合量が許容限度よりも少ないため、常温、高温状態での抗張力が十分に得られなかったり、また、他の元素との相乗作用に欠け、耐熱性が劣り、ループ高さにバラツキが生じたり、ワイヤーフローが生じ、実用に供しえなかった。
【００３２】
そして比較例７ないし１１は、それぞれ添加元素の一つの配合量が許容限度を越えているために、ボール表面に酸化被膜が形成されて、ボール形状に歪みを生じたり、カルシウムやイットリウム、更にはサマリウムが金の結晶粒界に析出して脆性を生じ、伸線加工性を阻害したり、ボンディング時の再結晶による結晶粒界破断をお越してネック切れを生じやすくなったりして、実用に供しえなかった。また、比較例１２は添加元素の配合量は全て許容限度内にあるが、総量が許容限度を超えているために、ボール形状に歪みを生じ、極小電極との接合の信頼性が低下して、実用に供しえなかった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明は、以下の効果を奏する。
格段に小さなボールで、また、細い径（実施の形態レベルで２５μｍφ）の金合金細線であっても、以上のように、常温及び高温引張強度が共に優れ、且つ、耐熱性並びに常温での抗張力に優れ、ループ垂れやループの変形を生じることがないから、特に多ピン用デバイスのボンディング線として採用する場合は、隣接するワイヤー同士が不用意に接触して短絡を起こす心配がない。併せてループ高さのバラツキも極めて小さいから、製品の信頼性が高く、製品歩留りを格段に高めることができる。さらに加えて、高い軟化温度を有しているので、ボンディング時の結晶粗大化に起因する脆化や、ボール形状の歪みも生じにくく、製品の信頼性が一段と高く、且つ、高速自動ボンダーに十分対応でき、実用に十分に供し得る。また、小ホール化並びに細径化が果たされる結果、必然的にコストの低減が可能になる。このように本発明による半導体素子用金合金線は、産業利用上有用な特性を備える。
【００３４】
また、請求項２記載の発明は、以下の効果を奏する。
格段に小さなボールで、また、細い径（実施の形態レベルで２５μｍφ）の金合金細線であっても、以上のように、常温及び高温引張強度、耐熱性並びに常温での抗張力、共に夫々が著しく優れ、ループ垂れやループの変形を生じず、特に多ピン用デバイスのボンディング線として採用する場合は、隣接するワイヤー同士が不用意に接触して短絡を起こす心配が殆どなく、併せてループ高さのバラツキも極めて小さいから、製品の信頼性が高く、製品歩留りを格段に高めることができるほか、高い軟化温度を有しているので、ボンディング時の結晶粗大化に起因する脆化や、ボール形状の歪みも生じず、製品の信頼性が格段に高く、且つ、高速自動ボンダーに十二分対応でき、実用に十二分に供し得、併せてコスト低減が図れ、産業利用上の価値は多大である。