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WO2007111248A1 - 半導体素子接続用金線 - Google Patents

半導体素子接続用金線 Download PDF

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WO2007111248A1
WO2007111248A1 PCT/JP2007/056011 JP2007056011W WO2007111248A1 WO 2007111248 A1 WO2007111248 A1 WO 2007111248A1 JP 2007056011 W JP2007056011 W JP 2007056011W WO 2007111248 A1 WO2007111248 A1 WO 2007111248A1
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WO
WIPO (PCT)
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bonding
mass
wire
ball
calcium
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2007/056011
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English (en)
French (fr)
Inventor
Keiichi Kimura
Tomohiro Uno
Takashi Yamada
Kagehito Nishibayashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Micrometal Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Materials Co Ltd
Nippon Micrometal Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Materials Co Ltd, Nippon Micrometal Corp filed Critical Nippon Steel Materials Co Ltd
Priority to US12/294,416 priority Critical patent/US8415797B2/en
Publication of WO2007111248A1 publication Critical patent/WO2007111248A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01L2924/207—Diameter ranges
    • H01L2924/20752—Diameter ranges larger or equal to 20 microns less than 30 microns

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor element connecting gold wire.
  • a bonding wire as a semiconductor element connecting gold wire which is a semiconductor packaging material, is a material for connecting between a semiconductor chip and an external metal terminal. At present, most of the materials are mainly gold. The main reason for this is that a high throughput is used to connect the semiconductor and external terminals, the productivity is high, and a technique called ball bonding is used. Ball bonding is a bonding method in which one end of a bonding wire is melted to form a free air ball (FAB), which is bonded by crimping to one electrode, and the side surface of the bonding wire is directly crimped to the other electrode. .
  • FAB free air ball
  • first bonding ball bonding
  • second bonding bonding in which the bonding wire side is crimped to an electrode
  • gold is often used is that it is easy to bond in the atmosphere where the first and second bondability is hardly deteriorated due to the surface acid of the free air ball or bonding wire.
  • the strength of the bonding wire is strengthened by work hardening by wire drawing caustic. Since sufficient mechanical strength cannot be obtained with pure gold, a trace amount of a different element is added.
  • the force that has become a problem in recent years in the first bonding is the roundness of the pressure-bonded ball in which the free air ball is pressure-bonded to the pad. If the semiconductor chip is miniaturized and the distance between the electrode pads on it is narrowed, if the crimping shape of the first bonded crimping ball deviates from a perfect circle, there is a risk of the crimping ball protruding into the adjacent electrode pad and shorting Increase. Deviation from a perfect circle means that the crimped shape as shown in (1) of Fig. 1 has petal-like irregularities or the influence of ultrasonic waves that assist the bonding during bonding, and the direction of the ultrasonic waves. An example is one in which anisotropy occurs in the crimping ball deformation in the perpendicular direction and the crimping shape becomes an ellipse.
  • Patent Document 1 From 0.05 to 1% by weight of copper, lead, lithium, titanium, Patent Document 2, in 0.00001 to 0.0002 mass 0/0 of titanium force Patent Document 3, 0. From 1 to 0.8 mass% of platinum, in Patent Document 4, 0.0001-0.01 mass% of yttrium is effective, and the roundness of the press-bonded ball is effective.
  • the elements that have an effect on the roundness of the press-bonded ball are not determined in terms of the kind and amount, but are considered to differ depending on the combination with other elements.
  • Patent Document 2 JP 2000-144282 A
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 7-335685
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-345342 Disclosure of the invention
  • the present invention solves the above problems and provides a gold wire for connecting a semiconductor element that has both bondability and mechanical properties.
  • the present invention is summarized as follows, as a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art.
  • the total amount of one or more elements selected from calcium or rare earth elements is 0.001 mass% or more and 0.02 mass% or less, and The total amount of one or more elements selected from titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, and zirconium is 0.0005 mass% or more and 0.01 mass% or less, and the balance is gold and inevitable impurities.
  • This is a gold wire for connecting a semiconductor element.
  • the gold wire for connecting a semiconductor element according to claim 2 of the present invention has a prasedium content of 0.0001 mass% or more and 0.0017 mass% or less. Is a line.
  • the total amount of at least one element selected from calcium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium and samarium force is more than 0.005 mass%. 3.
  • the gold wire for connecting a semiconductor element according to claim 4 of the present invention contains 0.001% by mass or more and 2% by mass or less of palladium. Is a line.
  • the semiconductor element connection gold wire according to claim 5 of the present invention contains beryllium in an amount of 0.0002 mass% to 0.0011 mass%. A gold wire.
  • the gold wire for semiconductor element connection according to claim 6 of the present invention has crystal grains oriented ⁇ 111> in the longitudinal direction of the wire, and the elastic modulus in the longitudinal direction is 85 GPa or more.
  • the gold wire for connecting a semiconductor element according to claim 7 of the present invention is the gold wire for connecting a semiconductor element according to any one of claims 1 to 6, wherein the cross-section reduction rate from the ingot is 8% or more.
  • the gold wire for semiconductor element connection of the present invention contains a specific amount of calcium and rare earth elements to improve the strength and Young's modulus of the bonding wire, and at the same time, titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium and tungsten.
  • a specific amount of zirconium By containing a specific amount of zirconium, the roundness of the pressure-bonded shape of the pressure-bonded ball at the time of first bonding with calcium or rare earth elements is improved.
  • Bonding wires that have both mechanical properties and bonding properties compatible with miniaturization of semiconductors and narrower pitches of electrode pads can contribute to improving the workability of semiconductor device manufacturing and product yield. .
  • FIG. 1 is an optical microscope image obtained by observing typical press-bonded balls of Sample 48 (1) and Sample 51 (2) from above in Example 5.
  • Titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, and zirconium are refractory metals, and are elements that increase the solidus when added to gold.
  • Calcium is the opposite of rare earth elements. Bonding wires containing calcium and rare earth elements have a free air ball surface concentration of calcium and rare earth elements due to oxidation near the surface of the free air balls when the tips of the bonding wires melt during the formation of free air balls. Reduced and solidified before the inside of the free air ball due to heat removal from the surface. .
  • Concentrations that can effectively obtain the above-mentioned compensation effects in the concentration ranges of calcium and rare earth elements are the total amount of titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, and zirconium, and are 0.005 mass% or more and 0.01 mass. % Or less.
  • the approximate amount of addition is preferably 1Z2 times the total concentration of calcium and rare earth elements, and 1Z4 to 1 times the concentration range depending on the addition amount.
  • the upper limit is 0.01 mass% or less, which does not cause deterioration of the bondability due to acid.
  • Titanium and vanadium are elements that are advantageous in improving the roundness of a press-bonded ball among the above element groups. Titanium and vanadium have a function of refining the structure of the melted and solidified pressure-bonded ball in consideration of the above effects. As a result, when the free air ball is compressed and deformed on the electrode node and joined, the influence of the anisotropy of the deformation characteristics of the individual crystal grains is reduced by the finer crystal grain size, and the crimp ball is Isotropic deformation with respect to the compression shaft results in improved roundness of the crimped ball.
  • Braseodymium is the most excellent element for achieving the object of the present invention among calcium and rare earth elements. This is because the effect of the additive efficiency on the strength of the crimping shape is small.
  • the composition range of the placeodium that satisfies both the strength and the crimping shape is not less than 0.001% by mass and not more than 0.02% by mass.
  • Sound bonding is possible up to 0.02% by mass, but for the fine pitch connection of 35-60m electrode pad pitch, which is expected to become the mainstream in the future, in the case of a placeum, more than 0.001% by mass 0.07 Sufficient strength is obtained at a lower concentration than other elements in the range of 9% by mass or less, and composite addition of titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, zirconium, palladium and beryllium, especially titanium By combining with vanadium, it is possible to produce a bonding wire with an extremely excellent crimped shape.
  • the amount of calcium and rare earth element added exceeds 0.005 mass%, and the pressure-bonded ball This is particularly effective for high-strength, high-elastic bonding wires that make it difficult to ensure the roundness of the wire.
  • the addition amount of calcium and rare earth elements is increased, the effect of oxidation becomes greater. Therefore, it is desirable to use an element that has an effect on mechanical properties with the lowest addition amount.
  • elements that have an effect on mechanical properties according to prasedium are calcium, lanthanum, cerium, neodymium and samarium.
  • Calcium has a smaller mass number than the force rare earth element, which is an element having an effect on mechanical properties like prasedium, so that the atomic concentration is increased even if the same amount is added by mass.
  • the calcium content is preferably 0.0025 mass% or less. In the case of lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium and samarium, it may be added alone in excess of 0.005% by mass.
  • Palladium is not as effective as the high melting point elements of titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten and zirconium, but improves the roundness of the crimped ball.
  • Noradium is an element that is difficult to oxidize in comparison with these high melting point elements, so even if it is added in a large amount, the bonding property is not deteriorated.
  • Palladium is an element that is difficult to oxidize, so it can be added at a higher concentration than the above elements, and in the scope of the present invention, it is preferably 0.001% by mass or more and 2% by mass or less.
  • the approximate amount of addition should be at least about 1Z2 times the total concentration of calcium and rare earth elements.
  • the addition of palladium suppresses the growth of intermetallic compounds and voids between the aluminum electrode and the formation of voids in a high-temperature environment of 100 ° C to 250 ° C after bonding, resulting in an increase in high-temperature reliability. It is possible.
  • the addition of more than 2% by mass increases the hardness of the free air ball and increases the possibility of causing damage to the semiconductor chip under the electrode pad during first bonding, so the upper limit is 2% by mass.
  • Beryllium is an element that improves the roundness of a press-bonded ball, although the mechanism is different from that of the above element group.
  • Beryllium is an element that increases deformation resistance. In particular, it has the effect of suppressing the crimping diameter of the crimping ball from extending in the ultrasonic direction due to the application of ultrasonic waves during bonding. large. Therefore, by using this effect in combination, it is possible to obtain a greater effect that improves the roundness of the press-bonded ball. The effect is obtained when 0.0002 mass% or more is added. However, since beryllium is easily oxidized and has a high diffusion rate, it is easy to form an oxide on the surface of the bonding wire.
  • the second bondability may be deteriorated.
  • beryllium on the roundness improvement of crimped balls is similar to that of titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten and zirconium, but the mechanism is different, so beryllium and titanium, vanadium, chromium The effect is further enhanced when a combination of hafnium, niobium, tandasten and zirconium is added.
  • Element addition not described in the present invention is not particularly limited, but in general, as much as possible in order to easily oxidize the bonding wire or the surface of the free air ball during bonding. It is better not to click.
  • platinum group elements such as platinum, rhodium, ruthenium, osmium, iridium, copper and silver noble metals, molybdenum and manganese, etc. are contained because they do not promote so much oxidation of the bonding wire. You can do it.
  • Platinum group elements up to 2% by weight, copper and silver up to 1% by weight, and molybdenum and manganese up to 0.1% by weight are acceptable.
  • the content of indium, gallium and nickel is 0.005% by mass or less, the bonding characteristics will not be deteriorated by the acid. Depending on the bonding conditions, it has the effect of improving the first bond strength.
  • a bonding wire having high strength and elastic modulus needs a drawing force with a high surface area that cannot be obtained only by adding elements.
  • High strain reduction draws large strain in the bonding wire, increasing the strength and providing a high Young's modulus by orientation in the wire drawing direction.
  • 111> orientation is a processed texture obtained as a result of strong processing, and is a polycrystal.
  • the Young's modulus of isotropic polycrystalline gold with a randomly oriented crystal orientation is about 81 GPa.
  • the Young's modulus in the bonding wire length direction is higher than this.
  • Value which is an index representing the degree of orientation.
  • a crystal Adopt a Young's modulus that is important for use, not a scientific index.
  • the Young's modulus of 85 GPa or more has a total concentration of calcium and rare earth elements of 0.001% by mass or more, and a processing rate of 99.8 Obtained by more than% strong energy.
  • the Young's modulus of 85 GPa or higher has a total concentration of calcium and rare earth elements of 0.001% by mass or more, and a processing rate of 99.8 Obtained by more than% strong energy.
  • calcium and rare earth elements exceed 0.005 mass%, high elasticity that can maintain a Young's modulus of 85 GPa or higher up to 10% when elongation of 99.8% or higher is applied.
  • Bonding wire can be manufactured. Since such a highly elastic bonding wire suppresses the bonding wire flow at the time of sealing the resin, the bonding wire interval at the time of mounting can be narrowed, which is advantageous for narrowing the pitch of the electrode pads.
  • the structure in the bonding wire is refined, and a fibrous structure of 1 ⁇ m or less is exhibited in the radial direction of the bonding wire.
  • the axial target property of the bonding wire in the radial direction is ensured, and the linearity of the bonding wire is improved.
  • the processing rate mentioned here is calculated as (A -A) / AX 100 (%), where A is the cross-sectional area of the ingot after forging or intermediate annealing and A is the final wire diameter. Value.
  • Intermediate annealing is a recrystallization heat treatment performed in the middle of the wire drawing process. Therefore, although it may be carried out in the state of a rod or a wire, in the present invention, this intermediate material is also referred to as an ingot. Intermediate annealing removes the wire curl performed in the final process and differs from slight strain relief annealing to adjust the elongation at break, so the material temperature is substantially 400 ° C or higher, which is held for 1 minute or longer. Refers to heat treatment.
  • the crimping shape is affected by the degree of orientation of the bonding wire.
  • the Young's modulus in the length direction does not exceed 85 GPa. 111> Strong orientation!
  • the addition of titanium, vanadium, chromium, hafium, niobium, tungsten, zirconium and palladium affects the roundness of the crimped ball. Great effect.
  • a bonding wire having a 111> strong orientation with a Young's modulus in the length direction not exceeding 85GPa is roughly a ratio force in the length direction of the wire 111> orientated crystal grains 50% in cross-sectional area ratio This is the above bonding wire.
  • ⁇ 111> oriented crystal grains have an angle of 15 ° or less of one of the (111) plane normals of the crystal grains with respect to the length direction (drawing direction) of the bonding wire. Refers to the crystal grains.
  • Titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, zirconium, and palladium can be used with any element within the specified concentration range, depending on the loop shape and usage environment that are required.
  • the combination of high strength, Young's modulus and roundness of the crimped ball can be obtained with the minimum amount of addition, at least one of titanium or vanadium, praseodymium, calcium And beryllium
  • a bonding wire containing 0.001% by mass of calcium and lanthanum was manufactured, and the effect of adding titanium and vanadium was investigated.
  • Purity 99.9 An ingot having a diameter of 5 mm and a length of 100 mm was prepared by adding the above calcium and lanthanum to the raw material having a purity of 9998% by mass or more. Similarly, materials in which 0.001% by mass of titanium and vanadium were added in addition to these elements were also produced. After fabrication, the components were analyzed to confirm that the content of silicon was 0.001% by mass or less, and calcium, rare earth elements, lead, tin, lithium and sodium other than additive elements were 0.002% by mass or less.
  • the ingot was rolled to about 2 mm square with a grooved rolling mill and drawn to 0.56 mm in diameter by drawing Karoe using a diamond die, and this was drawn in argon at 400 ° C for 10 minutes. Intermediate annealing was performed. After that, using lOmZmin, a diamond die was used, and the drawing force was checked in the lubricating liquid, and the wire was drawn to 25 m. Each area reduction per die in the drawing process is about 12%, and the cross-sectional area reduction rate of intermediate annealing force is 99.8%.
  • the Young's modulus increases as the tempering heat treatment increases as compared with the wire in the drawn state. However, the Young's modulus takes a peak with respect to the tempering temperature, and when the set elongation is about 3% or more, the set elongation, It decreased as the heat treatment temperature increased. Since the Young's modulus of isotropic polycrystalline gold with a random crystal orientation is about 81 GPa, all bonding wires listed in Table 1 are 111> oriented. The reason why the Young's modulus decreases as the tempering heat treatment temperature increases is that crystal rotation occurs due to recrystallization, and ⁇ 111> orientation degree decreases.
  • a bonding wire containing 0.001% by mass of calcium has a set elongation of 4% or less (Sample No. 1), and a bonding wire containing 0.001% by mass of lanthanum has a set elongation of 3% or less (Sample No. 3).
  • the Young's modulus is 85 GPa or more, and in particular, 111> the degree of orientation is large.
  • the bonding test was performed using a chip having an electrode pad pitch interval of 70 ⁇ m and an electrode pad material of A1. Bonding used 8028pps made by K & S. The crimp diameter of the first joint was set to 52 ⁇ m, the loop height from the electrode pad was 90 ⁇ m, and the loop length was 1.5 mm. Bonding was performed in the air, and the chip surface temperature was 150 ° C.
  • the bonding wire was 0.001 mass 0/0 ⁇ Ka ⁇ calcium and lanthanum alone, there is a correlation Young's modulus and compression ball failure rate, especially Young's modulus of the bonding ball or more bonding wires 85GPa The roundness was poor (Sample Nos. 1 and 3).
  • the bonding wires calcium 0. 0 01 wt% and titanium 0.001 mass 0/0, lanthanum which is 0.001% by weight vanadium containing 00 05 wt% 0., crimped all settings elongation
  • the roundness of the ball was improved (Sample Nos. 2 and 4). In particular, the allowance for improving bonding wires with Young's modulus of 85 GPa or more was significant.
  • Example 2 In order to investigate the effect of calcium and rare earth elements on the crimping shape, the titanium component value was fixed at 0.0015 to 0.004% by mass according to the amount added, and the bonding characteristics were examined.
  • a raw ingot used in Example 1 and a predetermined additive element are added to produce a forged ingot with a diameter of 6 mm, and then the ingot is rolled to about 2 mm square by a grooved rolling mill. Then, with a drawing cage using a diamond die, the drawing force was checked in the lubricating liquid and the wire was drawn to 23 m. Each area reduction per die pass in the drawing process is about 10%. The processing rate of this bonding wire is 99.62%. After that, using a tubular furnace, heat treatment (refining heat treatment) was continuously performed in argon, and the bond wire bow I tension test was conducted while adjusting the elongation at break while changing the temperature. Aligned.
  • the probability of a bonded ball failure was measured in the same manner as in Example 1.
  • the ultrasonic bonding direction of the first joint and the crimping diameter in the direction perpendicular thereto are measured, and the value obtained by dividing the crimping diameter in the direction perpendicular to ultrasonic application by the crimping diameter in the ultrasonic application direction is 1.1.
  • those with a concave outer circumference when viewed from the first bonding direction during bonding were regarded as defective bonded balls, and the value divided by the number of observations was determined as the defective bonded ball rate.
  • Table 2 shows the mechanical properties of the bonding wire with a set elongation of 4% produced in Example 2 and the defect rate of the pressure-bonded ball.
  • the amount of additive to obtain the same strength of 300MPa was determined to require the least amount of plastic.
  • the element with a low atomic number has a high addition efficiency with respect to strength, especially praseodymium. Thulium, ytterbium and yttrium, be 0.02 mass 0/0 ⁇ Ka ⁇ strength of the 300MPa was obtained.
  • Crimp shape defect rate of crimp balls is the same when the amount of titanium added is the same The smaller the added element amount, the lower. This is because the amount of oxygen generated on the surface of the free air ball is small. Calcium has an effect on strength per added mass On the other hand, it is thought that the reason for the high compression shape defect rate of the press-bonded balls is that the amount added is large in terms of atomic weight.
  • the required bonding wire strength is low, it is confirmed that bonding is possible up to the addition of 0.02% by mass even if thulium, ytterbium and yttrium are used.
  • Prasedium has a high addition efficiency with respect to strength, and as a result, it was found that when compared at the same strength, the crimped shape was excellent. In particular, the effect was significant when the amount was 0.0015 to 0.0017% by mass (Sample Nos. 15 and 18).
  • the method for producing the bonding wire was the same as in Example 1, but the final wire diameter was 20 ⁇ m. After fabrication, the components were analyzed, and it was confirmed that the content of alkali metal elements, alkaline earth metal elements, rare earth metal elements, and transition metal elements other than additive elements was 0.0002 mass% or less.
  • the Young's modulus of the bonding wire for bonding evaluation reached about 90 GPa, and when the structure was examined by electron back diffraction, the length in the bonding wire radial direction was about 0.1 to 0.5 / ⁇ ⁇ . A polycrystalline fibrous structure of 0.5 to several tens of meters was exhibited in the direction, and it was found that most of the crystal grains were 111> oriented in the bonding wire length direction. This is why the Young's modulus is high.
  • UTC-400 manufactured by Shinkawa Co., Ltd. was used. First bonding was performed on the Al—Cu electrode on the semiconductor chip side, and wedge bonding (second bonding) was performed on the silver alloy electrode on the 42 alloy side.
  • the pitch interval of the electrode pads at the first bonding part of ball bonding was set to 50 ⁇ m, and the diameter of the press-bonded ball was adjusted to about 38 ⁇ m.
  • the wire span is about 1.5 mm and the loop height from the electrode pad is 90 m. Bonding was performed in the atmosphere, and the bonding temperature was 150 ° C.
  • the bonding characteristic evaluation was performed by measuring the probability of a bonded ball failure.
  • the ultrasonic bonding direction of the first joint and the crimping diameter in the direction perpendicular thereto are measured, and the value obtained by dividing the crimping diameter in the direction perpendicular to the ultrasonic application by the crimping diameter in the ultrasonic application direction is 1.1.
  • those with a concave outer circumference when viewed from the first bonding direction during bonding were regarded as defective bonded balls, and the value divided by the number of observations was determined as the defective bonded ball rate.
  • the number of observations is 1000.
  • Table 3 shows the mechanical characteristics of the bonding wire with a set elongation of 5% and the defective rate of the press-bonded ball produced in Example 3.
  • intensity of the set extends 5% carbon
  • Deinguwaiya the calcium and Puraseojiumu was 0.0055 mass 0/0 added in a total amount is more than 280 MPa, the Young's modulus reaches more than 89GPa.
  • the defect rate of pressure-bonded balls in the system (sample No. 21) containing only calcium and prasedium reached about 30% under the present bonding conditions.
  • the bonding ball shape defect rate of the bonding wire of ⁇ 35) was at least 1Z3.
  • Table 4 shows the mechanical properties of the bonding wire with a set elongation of 5% produced in Example 4 and the defect rate of the pressure-bonded ball.
  • Noradium is an element that is difficult to oxidize compared to titanium, vanadium, chromium, hafnium, niobium, tungsten, and dinoleconium, and is suitable as an element to be used in combination with these elements. Noh.
  • Purity 99 An ingot having a diameter of 5 mm and a length of 100 mm was manufactured by adding necessary amounts of prasedium, lanthanum, titanium, beryllium and palladium to the raw material having a purity of 9998% by mass or more. After forging, the components were analyzed to confirm that calcium, rare earth elements, lead, tin, lithium and sodium other than the additive elements were 0.0002 mass% or less. [0078] Next, the ingot was rolled to about 2 mm square with a grooved rolling mill, and was drawn to 23 / zm in a lubricating liquid by drawing with a diamond die. . Each area reduction per die pass in the drawing process is about 12%.
  • the rate at which petal-like defects that form recesses in the outer periphery of the press-bonded ball when viewed from above, that is, the ultrasonic wave applied to promote the bond during the first bonding The ratio of the diameter (YZX) of the crimped ball diameter in the direction (Y direction) and the perpendicular direction (X direction) exceeds 1.1 and the number of bonds with petal-like defects.
  • Pressurized ball share showing the calculated petal-like defect rate, variation in the average value of the crimped ball diameter in the ultrasonic direction (Y direction) and perpendicular direction (X direction) (standard deviation), and the joint strength of the first joint and the second joint Strength and second joint peel strength were evaluated. .
  • the total number of bonds is 1000.
  • the pressure ball shear strength was measured by peeling the pressure ball by moving the tool parallel to the electrode pad at a height of 1 ⁇ m above the electrode pad.
  • the second peel strength was measured by removing the first joint and grasping the lmm part on the side of the press-bonded ball and peeling it off.
  • the number of measurements of shear strength is 200.
  • Table 5 shows the mechanical properties of bonding wires with a set elongation of 4% produced in Example 5 and the results of these bonding evaluations.
  • FIG. 1 is an optical micrograph of a typical pressure-bonded ball observed from above the sample 48 (left side (1) in FIG. 1) and sample 51 (right side (2) in FIG. 1). As can be seen in Fig. 1, the roundness of the bonding wire containing titanium and beryllium is high.
  • the addition of titanium reduces particularly the petal-like defects and improves the roundness of the press-bonded ball. It was found that the addition of beryllium in an amount of 0.0002 mass% or more to the material particularly reduced the anisotropy of the pressed ball. In addition, the addition of palladium further improved the petal defect rate.
  • the relationship between the size of the crystal grains of the press-bonded ball and the press-bonded shape was examined for the component-based bonding wire of the present invention.
  • a component for improving the strength and Young's modulus either prasedium, lanthanum, or neodymium is contained in an amount of 0.0033 to 0.0010 mass%, and canorecicum is contained in an amount of about 0.0015 mass%. . 0006 mass 0/0, One to a system and 0.003 mass 0/0 ⁇ Ka ⁇ the Injiku arm or gallium was investigated Te.
  • Purity 99 Add necessary amount of prasedium, calcium, lanthanum, neodymium, titanium, beryllium, indium, gallium and nickel to the raw material with a purity of 9998% by mass or more, An ingot having a diameter of 5 mm and a length of 100 mm was produced. After fabrication, the components were analyzed to confirm that calcium, rare earth elements, lead, tin, lithium, and sodium other than the additive element were 0.0002 mass% or less.
  • the ingot was rolled to about 2 mm square by a grooved rolling mill, and was drawn to 23 / zm in a lubricating liquid by a drawing cage using a diamond die. . Each area reduction per die pass in the drawing process is about 12%. Then, using a tubular furnace, heat treatment (tempering heat treatment) was continuously performed in argon, and the temperature was changed to adjust the elongation at break to 4% to produce a bonding wire. The cross-section reduction rate from the ingot is 99.54%.
  • the evaluation was made based on the breaking strength, the Young's modulus in the length direction, and the bonding characteristics.
  • the Young's modulus was 85 GPa or more in all regions where the elongation at break was tempered to 10% or less.
  • the strength and Young's modulus are about 0.1 to 0.5 m in the bonding wire radial direction when the structure is examined by electron back diffraction. It exhibits a polycrystalline fibrous structure of 0.5 to several tens of meters in the length direction, and most of the crystal grains are 111> oriented in the length direction of the bonding wire. . This is why the Young's modulus is high and shows a value.
  • an arc is blown to the tip of the bonding wire using a bonder under the same conditions as the bonding conditions to form a free air ball. Collected.
  • a central cross section (C cross section) perpendicular to the bonding wire length direction was ground by polishing, the strain was removed by mechanical polishing, and the solidified structure was observed.
  • the structure was observed by electron back diffraction method, and the number of crystal grains in the cross section was measured. The larger the number of crystal grains, the stronger the crystal grains of the melted and solidified structure of the free air ball.
  • the number of crystal grains was determined by observing the C cross section of five free air balls and calculating the average.
  • the rate at which petal-like defects that form recesses in the outer periphery of the press-bonded ball when viewed from above, that is, the ultrasonic wave applied to promote the bonding during the first bonding The ratio of the diameter (YZX) of the crimped ball diameter in the direction (Y direction) and the perpendicular direction (X direction) exceeds 1.1 and the number of bonds with petal-like defects.
  • Pressurized ball share showing the calculated petal-like defect rate, variation in the average value of the crimped ball diameter in the ultrasonic direction (Y direction) and perpendicular direction (X direction) (standard deviation), and the joint strength of the first joint and the second joint Strength and second joint peel strength were evaluated.
  • the total number of bonds is 1000.
  • the pressure ball shear strength was measured by moving the tool parallel to the electrode pad at a height of 1 ⁇ m above the electrode pad and peeling the pressure ball.
  • the number of shear strength measurements is 50.
  • Table 6 shows the mechanical properties of bonding wires with a set elongation of 4% produced in Example 6 and the bonding evaluation results thereof.
  • the bonding wires evaluated in this example the bonding wires containing titanium, vanadium, chromium, and niobium (sample numbers 58 to 72) all showed a good pressure-bonding shape.
  • a bonding wire having an excellent crimping shape can be produced.
  • rare earth elements are mainly composed of praseodymium and are combined with calcium, the bonding wires are particularly suitable for miniaturization of semiconductor mounting size with excellent strength, Young's modulus and crimping shape.

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Abstract

本発明は、高い強度と高い接合性を有する半導体素子接続用金線を提供する。 カルシウム、希土類元素から選ばれる元素群と、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウムから選ばれる元素群から、それぞれ１種以上の元素を限定した範囲で含有する半導体接続用金線である。更に、適量のパラジウムやベリリウムを含有させることが好ましい。本発明はこれにより、カルシウム、希土類元素を含有することで金線の強度、ヤング率を向上させると共に、チタン等を含有することで、カルシウム、希土類元素によるファースト接合時の圧着ボールの圧着形状の真円性悪化を改善する。半導体の小型化、狭電極パッドピッチ化に対応する機械的特性と接合性が両立したボンディングワイヤとすることができるので、半導体装置製造の作業性、製品歩留りの改善に貢献するものである。

Description

明 細 書
半導体素子接続用金線
技術分野
[0001] 本発明は、半導体素子接続用金線に関するものである。
背景技術
[0002] 半導体実装材料である半導体素子接続用金線としてのボンディングワイヤは、半導 体チップと外部金属端子との間を接続する材料である。現在、その殆どは金を主体と する材料が用いられている。この大きな理由は、半導体と外部端子の接続にスルー プットが高く、生産性が高 、ボールボンディングと呼ばれる手法が用いられて 、るた めである。ボールボンディングは、ボンディングワイヤの一端を溶融し、フリーエアボ ール (FAB)を形成して、一方の電極に圧着させて接合し、他方の電極にはボンディ ングワイヤの側面をそのまま圧着する接合方法である。ここでは、ボールボンディング をファースト接合、ボンディングワイヤ側部を電極に圧着する接合をセカンド接合と呼 ぶ。金が多く利用される理由は、フリーエアボールやボンディングワイヤの表面酸ィ匕 によるファースト及びセカンド接合性の劣化が起こり難ぐ大気中での接合が容易で あるためである。
[0003] ボンディングワイヤの強度は、伸線カ卩ェによる加工硬化により強化されている力 純 金では十分な機械強度が得られないため、微量の異種元素が添加されている。
[0004] 近年、半導体実装サイズの小型化が進み、電極パッドサイズが小さくなり、また、間 隔が狭くなつている。それに伴い、ボンディングワイヤ径も細くする必要があり、直径 力 S 15 mのボンディングワイヤも使用され始められている。線径が細くなると、ボンデ イングワイヤ製造にぉ 、て、引抜カ卩ェ時にボンディングワイヤ強度が持たず断線した り、ボンディングや榭脂封止等の実装時のループの維持も困難になるため、ボンディ ングワイヤ強度を向上させる必要がある。
[0005] ボンディングや榭脂封止等、実装時のループの維持には、強度のみならず弾性率 を向上させることが重要であり、特に、榭脂封止時のボンディングワイヤ流れを防止 するためには、ボンディングワイヤ長手方向の弾性率 (以下、ヤング率)の向上が必 要である。
[0006] 半導体実装サイズの小型化に伴って、ボンディングワイヤに求められる特性は、接 合性の向上である。し力し、一般的に用いられている添加元素はフリーエアボールの 形成時に酸ィ匕し易いため、多量に添加するとファースト接合性を劣化させる。また、 セカンド接合も添加元素の影響を受ける。一般的に、添加元素が少ない方がボンデ イングワイヤの表面酸ィ匕が少な 、ため、良好なセカンド接合性が得られる。
[0007] ファースト接合で近年問題になっているの力 フリーエアボールがパッドに圧着した 圧着ボールの真円性である。半導体チップが小型化され、その上の電極パッド間隔 が狭くなつた場合、ファースト接合の圧着ボールの圧着形状が、真円からずれると圧 着ボールが隣の電極パッドにはみ出してショートする危険性が増す。真円からのずれ とは、図 1の（1)に示したような圧着形状が花弁状に凹凸ができるものや、ボンディン グ時の接合を補助する超音波の影響により、超音波方向とその直角方向で圧着ボー ル変形に異方性が生じ、圧着形状が楕円となるものが挙げられる。
[0008] 圧着ボールの真円性を向上させる添加元素に関しては、多くの特許が公開されて いる。例えば、特許文献 1では、 0. 05〜1質量％の銅、鉛、リチウム、チタンが、特許 文献 2では、 0. 00001〜0. 0002質量0 /0のチタン力 特許文献 3では、 0. 1〜0. 8 質量％の白金が、特許文献 4では、 0. 0001-0. 01質量％のイットリウムが効果、 圧着ボールの真円性向上に効果があるとして 、る。
[0009] 圧着ボールの真円性に効果のある元素については、種類'量共、定まってはおら ず、他の元素との組み合わせによって異なるものと考えられる。
[0010] 半導体チップの小型化に対応する高強度、高ヤング率のボンディングワイヤに用い られる、カルシウムや希土類元素を多く含有するボンディングワイヤでは、圧着ボー ルの真円性が悪くなる傾向にあり、カルシウムや希土類元素と共存され、機械的特性 を維持したまま、フリーエアボールの接合性を向上させる添加元素が求められる。 特許文献 1 :特開平 9— 316567号公報
特許文献 2 :特開 2000— 144282号公報
特許文献 3：特開平 7— 335685号公報
特許文献 4：特開 2001— 345342号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] 本発明は、上記問題点を解決し、接合性と機械的特性が両立する半導体素子接 続用金線を提供する。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明は、上記従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、以下の構 成を要旨とする。
[0013] 本発明の請求項 1に係る半導体素子接続用金線は、カルシウム又は希土類元素か ら選ばれる 1種以上の元素の総量が 0. 001質量％以上 0. 02質量％以下、かつ、チ タン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及びジルコニウムから選 ばれる 1種以上の元素の総量が 0. 0005質量％以上 0. 01質量％以下を含み、残 部が金及び不可避不純物であることを特徴とする半導体素子接続用金線である。
[0014] 本発明の請求項 2に係る半導体素子接続用金線は、プラセォジゥムの含有量が、 0 . 0016質量％以上 0. 0079質量％以下である請求項 1に記載の半導体素子接続 用金線である。
[0015] 本発明の請求項 3に係る半導体素子接続用金線は、カルシウム、ランタン、セリウム 、プラセォジゥム、ネオジゥム及びサマリウム力 選ばれる 1種以上の元素の総量が 0 . 005質量％超 0. 02質量％以下、かつ、カルシウムの含有量が 0. 0025質量％以 下である請求項 1又は 2に記載の半導体素子接続用金線である。
[0016] 本発明の請求項 4に係る半導体素子接続用金線は、パラジウムを 0. 001質量％以 上 2質量％以下含有する請求項 1〜3のいずれかに記載の半導体素子接続用金線 である。
[0017] 本発明の請求項 5に係る半導体素子接続用金線は、ベリリウムを 0. 0002質量％ 以上 0. 0011質量％以下含有する請求項 1〜4のいずれかに記載の半導体素子接 続用金線である。
[0018] 本発明の請求項 6に係る半導体素子接続用金線は、結晶粒が線の長手方向に < 111 >配向し、長手方向の弾性率が 85GPa以上である請求項 1〜5のいずれかに 記載の半導体素子接続用金線である。 [0019] 本発明の請求項 7に係る半導体素子接続用金線は、インゴットからの断面減少率 力 8%以上である請求項 1〜6のいずれかに記載の半導体素子接続用金線であ る。
発明の効果
[0020] 本発明の半導体素子接続用金線は、カルシウム、希土類元素を特定量含有するこ とでボンディングワイヤの強度、ヤング率を向上させると共に、チタン、バナジウム、ク ロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウムを特定量含有することで、カル シゥム、希土類元素によるファースト接合時の圧着ボールの圧着形状の真円性悪ィ匕 を改善する。半導体の小型化、電極パッドの狭ピッチ化に対応する機械的特性と接 合性が両立したボンディングワイヤとすることができるので、半導体装置製造の作業 性、製品歩留りの改善に貢献するものである。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]実施例 5において、試料 48 (1)と試料 51 (2)の典型的な圧着ボールを上部か ら観察した光学顕微鏡像である。
発明を実施するための最良の形態
[0022] カルシウムと希土類元素とは、強度とヤング率とを向上させる。一方で、添加量を増 すと圧着ボールの真円性を劣化させる。半導体素子接続用金線としてのボンディン グワイヤの設定強度が低ぐこれらの元素の添加量が 0. 001質量％より低い場合は 、真円性の問題は生じない。これらの元素を 0. 001質量％以上添加して強度とヤン グ率を高めると、圧着ボールの真円性が劣化する。一方、これら元素の 0. 02質量％ 超の添加は、大気中でボールボンディングを行った場合、フリーエアボールの酸化 による接合性の劣化が著しくなり、実用に耐えなくなる。
[0023] チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及びジルコニウムは、 高融点金属であり、金に添加することにより固相線を上昇させる元素である。カルシゥ ムゃ希土類元素は逆である。カルシウム、希土類元素を添カ卩したボンディングワイヤ は、フリーエアボールの形成時にボンディングワイヤの先端が溶融した時、フリーエア ボールの表面近傍の酸化によってカルシウムや希土類元素のフリーエアボールの表 面濃度が低下し、表面からの抜熱も加わってフリーエアボール内部より先に凝固する 。その結果、フリーエアボール先端に引巣を生じさせ、引巣と表面層そのものがフリ 一エアボールを圧着した時の圧着ボールの等方的な変形を阻害し、圧着ボールの 真円性を劣化させる。チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン 及びジルコニウムは、フリーエアボール表面での固相線の上昇を補償する役割があ る。上記のカルシウム、希土類元素の濃度範囲における補償効果を有効に得られる 濃度は、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及びジルコ- ゥムの総量で、 0. 0005質量％以上 0. 01質量％以下である。凡そ添加量の目安は 、カルシウムと希土類元素の総量濃度の 1Z2倍、添加量によって 1Z4から 1倍の濃 度範囲であることが望ましい。上限は、酸ィ匕による接合性の劣化が生じない 0. 01質 量％以下である。これらの元素は単独で使用しても良いが、 2種類以上の元素を複 合添加しても良い。
[0024] チタン、バナジウムは、上記の元素群の中でも圧着ボールの真円性を向上させるの に有利な元素である。チタンとバナジウムは、上記の効果にカ卩えて、溶融'凝固させ た圧着ボールの組織を微細化する働きがある。その結果、フリーエアボールを電極 ノ^ド上で圧縮変形させて接合させる時、結晶粒径が微細な分だけ、個々の結晶粒 の変形特性の異方性の影響が小さくなり、圧着ボールが圧縮軸に対して等方的な変 形をし、結果として、圧着ボールの真円性が向上する。
[0025] ブラセォジゥムは、カルシウムと希土類元素の中で本発明の目的を達成するために 最も優れた元素である。それは、強度に対して添加効率が高ぐ圧着形状に及ぼす 影響が小さいためである。強度と圧着形状が両立するプラセォジゥムの組成範囲は 、 0. 0016質量％以上 0. 02質量％以下である。 0. 02質量％までは健全なボンディ ングが可能であるが、特に今後主流になると予想される 35〜60 mの電極パッドピ ツチのファインピッチ接続には、プラセォジゥムの場合、 0. 0016質量％以上 0. 007 9質量％以下の範囲で他の元素より低濃度で十分な強度が得られ、チタン、バナジ ゥム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウム、パラジウム及びベリリウ ムの複合添加、特にチタン、バナジウムとの複合添加によって、圧着形状が極めて優 れたボンディングワイヤを製造できる。
[0026] 本発明は、カルシウム、希土類元素の添カ卩量が 0. 005質量％を超え、圧着ボール の真円性の確保が難しくなるような高強度、高弾性のボンディングワイヤに、特に有 効である。カルシウム、希土類元素の添加量が大きくなつた場合、酸化の影響が大き くなることから、なるべく低い添加量で機械的特性に効果のある元素を使用すること が望ましい。これらの元素の内、プラセォジゥムに準じて機械的特性に効果のある元 素は、カルシウム、ランタン、セリウム、ネオジゥム及びサマリウムである。カルシウムは 、プラセォジゥムと同様に機械特性に効果のある元素である力 希土類元素に比較 して質量数が小さいため、質量で同じ量を添加しても原子濃度は高くなる。希土類元 素と複合的に用い、その総量が 0. 005質量％を超える場合のカルシウムの含有量 は、 0. 0025質量％以下であることが望ましい。ランタン、セリウム、プラセォジゥム、 ネオジゥム及びサマリウムの場合は、単独で 0. 005質量％超の添カ卩をしても構わな い。
[0027] パラジウムは、上記チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及 びジルコニウムの高融点元素ほど効果が大きくないが、圧着ボールの圧着真円性を 向上させる。ノ ラジウムは、これら高融点元素に比較して酸ィ匕し難い元素であること から、多量に添加しても接合性を劣化させることがない。また、多量に添加すると、電 極パッド材質のアルミニウムと金の反応によって形成する金属間化合物の生成を抑 制し、高温信頼性を向上させる副次的な効果がある。パラジウムは、酸ィ匕し難い元素 であるため、上記の元素よりも高濃度の添加が可能であり、本発明の範囲では、 0. 0 01質量％以上 2質量％以下であることが望ましい。凡そ添加量の目安は、カルシゥ ムと希土類元素の総量濃度程度、少なくとも 1Z2倍以上が望ましい。パラジウムの添 加は、ボンディング後、 100°C〜250°Cの高温使用環境中で、アルミニウム電極との 間の金属間化合物の成長、ボイドの生成を抑制し、高温信頼性が増す効果が得られ る。ただし、 2質量％超添加するとフリーエアボールの硬度が高くなり、ファースト接合 時に電極パッド下の半導体チップの損傷を引き起こす可能性が大きくなるため、上限 は 2質量％である。
[0028] ベリリウムは、上記元素群と機構が異なるが、圧着ボールの真円性を高める元素で ある。ベリリウムは、変形抵抗を増大させる元素であり、特に、ボンディング時の超音 波の印加により、圧着ボールの圧着径が超音波方向に伸びることを抑制する効果が 大きい。従って、この効果を併用することで、圧着ボールの真円性を向上させる、より 大きな効果を得ることができる。効果が得られるのは 0. 0002質量％以上添加した場 合である。しかし、ベリリウムは、酸化し易ぐまた拡散速度も大きいことから、ボンディ ングワイヤ表面に酸ィ匕物を形成し易い。その結果、セカンド接合性を劣化させる場合 がある。また、ボンディング時のフリーエアボールの形成時にも、フリーエアボール表 面に酸化物を形成し易い。この観点から、ベリリウムの添加量は 0. 0011質量％以下 であることが望ましい。この範囲であれば、ファースト接合性に対して上記の利点が大 きい。圧着ボールの真円性向上に対して、ベリリウムの効果は、チタン、バナジウム、 クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及びジルコニウムの効果に近いが、その機 構が異なることから、ベリリウムとチタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タン ダステン及びジルコニウムを複合添加した場合、その効果はより一層高まる。
[0029] 本発明で記述されていない元素の添カ卩は、特に限定されるものではないが、一般 的にボンディングワイヤ、あるいはボンディング時のフリーエアボール表面を酸化し易 くするため、極力添カ卩しない方が望ましい。ただし、白金、ロジウム、ルテニウム、ォス ミゥム、イリジウム等の白金族元素、銅と銀の貴金属類、モリブデン及びマンガン等は 、ボンディングワイヤの酸ィ匕をそれほど促進しな 、ことから含有されて 、ても構わな ヽ 。 白金族元素は 2質量％まで、銅と銀は 1質量％、モリブデンとマンガンは、 0. 1質量 %まで許容できる。また、インジウム、ガリウム及びニッケルも 0. 005質量％以下の含 有率であれば、酸ィ匕によるボンディング特性の劣化は生じない。ボンディング条件に よっては、ファースト接合強度を向上させる作用を有する。
[0030] さらに高 、強度、弾性率を有するボンディングワイヤは、元素添加だけで得られるも のではなぐ高減面の伸線力卩ェが必要である。高い減面率の伸線カ卩ェによってボン デイングワイヤ内に大きな歪みが蓄積され、強度は増大し、伸線方向にく 111 >配 向することによって、高いヤング率が得られる。また、ここでいうく 111 >配向とは、強 加工の結果得られる加工集合組織であって、多結晶体である。結晶方位がランダム に向いた等方的な多結晶の金のヤング率は約 81GPaとされている力 伸線方向に く 111 >配向することによって、ボンディングワイヤ長さ方向のヤング率はこれ以上 の値となり、配向度を表す指標となる。本発明では、配向性を表す指標として、結晶 学的な指標ではなく、利用上重要なヤング率を採用する。
[0031] 通常ボンディングワイヤとして使用される破断伸び力 4%程度のボンディングワイ ャでは、 85GPa以上のヤング率は、カルシウムと希土類元素の総量濃度が 0. 001 質量％以上で、加工率 99. 8%以上の強力卩ェによって得られる。カルシウムと希土類 元素が 0. 005質量％を超える場合、 99. 8%以上の強い伸線カ卩ェをカ卩えると、破断 伸びが 10%まで、 85GPa以上のヤング率が維持される高弾性のボンディングワイヤ が製造できる。このような高弾性のボンディングワイヤは、榭脂封止時のボンディング ワイヤ流れを抑制するため、実装時のボンディングワイヤ間隔を狭くでき、電極パッド の狭ピッチ化には有利である。
[0032] また、このような強力卩ェによって、ボンディングワイヤ内の組織は微細化され、ボン デイングワイヤの径方向に 1 μ m以下の繊維状組織を呈する。その結果、ボンディン グワイヤの径方向の軸対象性が確保され、ボンディングワイヤの直線性が向上する。
[0033] ここで言う加工率は、铸造状態のインゴット、もしくは中間焼鈍後のインゴット断面積 を A、最終線径を Aとした場合、 (A -A ) /A X 100 (%)で計算される値である。
0 1 0 1 0
中間焼鈍とは、伸線工程の中間において行なわれる再結晶熱処理である。したがつ て、棒又は線の状態になっている状態で実施される場合もあるが、本発明では、この 中間材料も広くインゴットと呼ぶ。中間焼鈍は、最終工程で実施されるワイヤーカー ルを除去し、破断伸びを調整するための軽微な歪み取り焼鈍とは異なり、材料温度 が実質的に 400°C以上なり、これが 1分以上保定されるような熱処理を言う。
[0034] 成分添加量が同じであっても、ボンディングワイヤの配向度によって圧着形状は影 響を受ける。長さ方向のヤング率が 85GPaを超えるようなく 111 >配向が強!、ボン デイングワイヤでは、圧着ボールの真円性に及ぼすチタン、バナジウム、クロム、ハフ ユウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウム及びパラジウムの添加効果が大きい。
[0035] 長さ方向のヤング率が 85GPaを超えるようなく 111 >配向が強いボンディングワイ ャとは、概ね線材の長さ方向にく 111 >配向した結晶粒の占める割合力 断面面積 比で 50%以上あるボンディングワイヤである。ここで、く 111 >配向した結晶粒とは、 ボンディングワイヤの長さ方向（伸線方向）に対して、結晶粒の（111)面法線の 1つ 力 15° 以下の角度を有している結晶粒をいう。したがって、言い換えると、概ね線 材の長さ方向に < 111 >配向した結晶粒の占める割合力 断面面積比で 50%以上 あるボンディングワイヤに対して、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タ ングステン、ジルコニウム及びパラジウムの添加効果が大き 、。
[0036] チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン、ジルコニウム及びパ ラジウムは、規定された濃度範囲であれば、どの元素を用いても良ぐ必要とさせるル ープ形状や使用環境によってどれを選択しても構わないが、必要最小限の添加で、 高い強度、ヤング率と圧着ボールの真円性が得られる組み合わせは、チタン、又は バナジウムの少なくてもどちらか一方に、プラセォジゥム、カルシウム及びベリリウムを
、上述した濃度範囲で複合含有させた場合である。
実施例
[0037] 以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、これは本発明の好適な一例 を示すものであり、本発明は実施例によって何ら限定されるものではない。
[0038] (実施例 1)
0. 001質量％のカルシウムとランタンとがそれぞれ含有されたボンディングワイヤを 製造し、チタンとバナジウムの添加効果を調べた。
[0039] 純度 99. 9998質量％以上の原料金に上記のカルシウムとランタンとを添カ卩して、 直径 5mm、長さ 100mmのインゴットを铸造した。また、同様に、これらの元素に加え て、 0. 001質量％のチタンとバナジウムを添加した材料も製造した。铸造後、成分を 分析して、ケィ素が、 0. 001質量％以下、添加元素以外のカルシウム、希土類元素 、鉛、錫、リチウム及びナトリウムが 0. 0002質量％以下であることを確認した。
[0040] 次に、インゴットを溝型圧延機で約 2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた 引抜カロェにより、直径 0. 56mmまで伸線し、これをアルゴン中、 400°Cで 10分間の 中間焼鈍を施した。その後、 lOmZminで、ダイヤモンドダイスを使用し、潤滑液中 で引抜力卩ェを行い、 25 mまで伸線を行った。引抜工程におけるダイス 1パス当たり の各回減面率は約 12%であり、中間焼鈍力もの断面減少率は 99. 8%である。その 後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続的に熱処理 (調質熱処理)を行い、温度を変 えて破断伸びを調整しながら、ボンディングワイヤの引張試験を実施し、破断強度、 破断伸び、長さ方向のヤング率を測定した。表 1に、実施例 1において作製したボン デイングワイヤの機械特性と圧着ボール形状の結果を示す。
[0041] [表 1]
Figure imgf000012_0001
[0042] ヤング率は、調質熱処理を上げていくと伸線状態のボンディングワイヤより大きくな るが、調質温度に対してピークを取り、設定伸びが約 3%以上では設定伸び、即ち調 質熱処理温度が大きくなるほど減少した。結晶方位がランダムに向いた等方的な多 結晶の金のヤング率は約 81GPaであるから、表 1に記載されている全てのボンディン グワイヤはく 111 >配向しているといえる。調質熱処理温度が大きくなるほどヤング 率が減少する理由は、再結晶により結晶回転が起き、く 111 >配向度が小さくなる ためである。
[0043] カルシウムを 0. 001質量％含有したボンディングワイヤでは設定伸び 4%以下（試 料番号 1)、ランタンを 0. 001質量％添カ卩したボンディングワイヤでは設定伸び 3% 以下 (試料番号 3)で、ヤング率が 85GPa以上の値となり、特にく 111 >配向度が大 きい。これらの成分のボンディングワイヤにそれぞれ、チタンを 0. 001質量0 /0、バナ ジゥムを 0. 0005質量0 /0添加したボンディングワイヤでは、強度とヤング率は僅かに 向上したが、大きな差は認められな力つた (試料番号 2, 4)。
[0044] 電子背面回折（EBSD： Electron Back Scatter Diffraction Patterns)法で、ヤング率 が 85GPa以上のボンディングワイヤの断面の結晶方位解析を行ったところ、結晶粒 の（111)面法線の 1つが、線材の長さ方向に対して 15° 以下の角度を有して!/、る結 晶粒の占める割合力 断面面積比で 50%以上であり、線材の長さ方向に強くく 111 >配向していることが分力つた。
[0045] ボンディング試験は、電極パッドピッチ間隔が 70 μ m、電極パッド材質が A1のチッ プを用いて実施した。ボンディングは、 K&S社製 8028ppsを使用した。ファースト接 合の圧着径を 52 μ mに設定し、電極パッドからのループ高さ 90 μ m、ループ長は 1 . 5mmとした。ボンディングは大気中で行い、チップ表面温度は 150°Cとした。
[0046] ボンディング特性の評価は、圧着ボール不良確率を測定した。圧着ボール不良の 基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角方向の圧着径を測定し、 超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着径で割った値が 1. 1を超 えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時の圧着外周が凹形状に なったものを圧着ボール不良として、観察数で割った値を圧着ボール不良率とした。 圧着ボールの観察数は 1000個である。ボンディング評価結果を表 1に示した。
[0047] カルシウムとランタンを単独で 0. 001質量0 /0添カ卩したボンディングワイヤでは、ヤン グ率と圧着ボール不良率に相関があり、特にヤング率が 85GPa以上のボンディング ワイヤの圧着ボールの真円性が悪かった (試料番号 1, 3)。一方、カルシウムが 0. 0 01質量％とチタンが 0. 001質量0 /0、ランタンが 0. 001質量％とバナジウムが 0. 00 05質量％を含有するボンディングワイヤでは、全ての設定伸びで圧着ボールの真円 性が改善した (試料番号 2, 4)。特に、 85GPa以上のヤング率を有するボンディング ワイヤの改善代が大き力つた。
[0048] 以上により、カノレシゥムとランタンにカ卩えて、それぞれチタンとバナジウムを添加した 場合、く 111 >配向性の大きくなるヤング率が 85GPa以上のボンディングワイヤで、 圧着ボールの真円性が向上することが実証された。言い換えると、線材の長さ方向 に対して、結晶粒の（111)面法線の 1つ力 15° 以下の角度を有している結晶粒の 占める割合が、断面面積比で 50%以上ある場合、チタンとバナジウムを含有させるこ とによって、圧着ボールの真円性の向上に効果のあることが示された。
[0049] (実施例 2) カルシウムや希土類元素の圧着形状に及ぼす影響を調べるために、その添加量に 応じてチタン成分値を 0. 0015-0. 004質量％に固定して、ボンディング特性を調 ベた。
[0050] 実施例 1で用いた原料金と所定の添加元素を添カ卩して、直径 6mm φの铸造インゴ ットを作製し、次に、インゴットを溝型圧延機で約 2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイ スを用いた引抜カ卩ェにより、潤滑液中で引抜力卩ェを行い 23 mまで伸線を行った。 引抜工程におけるダイス 1パス当たりの各回減面率は約 10%である。このボンディン グワイヤの加工率は、 99. 62%である。その後、管状炉を用いて、アルゴン中で連続 的に熱処理 (調質熱処理)を行い、温度を変えて破断伸びを調整しながら、ボンディ ングワイヤの弓 I張試験を実施し、破断伸びを 4%に揃えた。
[0051] ボンディング試験は、（株)新川製 UTC— 400を用いた。半導体チップ側の Al— C u電極上にファースト接合、 42ァロイ側の銀めつき電極上にゥエッジ接合 (セカンド接 合）を行った。ボールボンディングのファースト接合部の電極パッドピッチ間隔は 60 μ mとし、圧着ボールの径を約 44 mになるように調整した。ワイヤスパンは、約 1. 5m mで、電極パッドからのループ高さは 90 mである。ボンディングは大気中で実施し 、接合温度は 150°Cとした。
[0052] ボンディング特性の評価は、実施例 1と同じように、圧着ボール不良確率を測定し た。圧着ボール不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角 方向の圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着 径で割った値が 1. 1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時 の圧着外周が凹形状になったものを圧着ボール不良として、観察数で割った値を圧 着ボール不良率とした。
[0053] 表 2に、実施例 2で作製した設定伸び 4%のボンディングワイヤの機械特性と、圧着 ボール不良率を示した。
[0054] [表 2]
Figure imgf000015_0001
カルシウムと希土類元素の中で、同じ 300MPaの強度を得るための添カ卩量は、プラ セォジゥムが最も少なくて済むことが分力つた。希土類元素の中では、原子番号の低 い元素で強度に対して添加効率が高力つた力 特にプラセォジゥムは優れていた。 ツリウム、イッテルビウム及びイットリウムは、 0. 02質量0 /0添カ卩しても、 300MPaの強 度は得られなかった。圧着ボールの圧着形状不良率は、チタン添加量が同じ場合は 、添加元素量が小さいほど低かった。これは、フリーエアボール表面に生成する酸ィ匕 物量が少な力つたためである。カルシウムは、添加質量当たりの強度に対する効果が
Figure imgf000016_0001
、で大き 、一方、圧着ボールの圧着形状不良率が高 、理由は、 原子量でみた場合の添加量が多いためと考えられる。
[0056] 必要なボンディングワイヤの強度が低 、場合は、ツリウム、イッテルビウム及びイット リウムを使用しても 0. 02質量％の添加までボンディング可能であることは確認された 力 高い強度を必要とする用途には、ブラセォジゥム、カルシウム、ランタン、セリウム 、ブラセォジゥム、ネオジゥム及びサマリウムの利用が望ましい。特に、今回試験した 成分範囲において、プラセォジゥムは強度に対して添加効率が高ぐその結果として 、同じ強度で比較した時に圧着形状が優れことが分力つた。特に、その効果が大きい のが 0. 0015質量％〜0. 0079質量％の時であった（試料番号 15, 18)。
[0057] (実施例 3)
実施例 1で用いた原料金に、 0. 004質量％のプラセォジゥムと 0. 0015質量％の カルシウムを添カ卩した系に、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングス テン、ジルコニウム、鉛、リチウム、錫、ストロンチウム、コバルト及びシリコンを添カ卩した 系につ 、て、圧着ボールの圧着形状の評価を実施した。
[0058] ボンディングワイヤの作製方法は、実施例 1と同じであるが、最終線径は 20 μ mとし た。铸造後、成分を分析して、添加元素以外のアルカリ金属元素、アルカリ土類金属 元素、希土類金属元素、遷移金属元素の含有量が 0. 0002質量％以下であることを 確認した。
[0059] 0. 004質量0 /0のプラセォジゥムと 0. 0015質量0 /0のカルシウムを添カ卩した系では、 設定伸び 10%以下の領域でヤング率が 85GPa超であった。ボンディング評価を実 施するボンディングワイヤの設定破断伸び値は 5%に固定した。
[0060] このボンディング評価用ボンディングワイヤのヤング率は、約 90GPa〖こ達し、電子 背面回折法で組織を調べたところ、ボンディングワイヤ径方向に約 0. 1〜0. 5 /ζ πι、 長さ方向に 0. 5〜数 10 mの多結晶繊維状組織を呈しており、その殆どの結晶粒 がボンディングワイヤ長さ方向にく 111 >配向していることが分かった。ヤング率が 高い値を示すのは、このためである。 [0061] ボンディング試験は、（株)新川製 UTC— 400を用いた。半導体チップ側の Al— C u電極上にファースト接合、 42ァロイ側の銀めつき電極上にゥエッジ接合 (セカンド接 合）を行った。ボールボンディングのファースト接合部の電極パッドのピッチ間隔は 50 μ mとし、圧着ボールの径を約 38 μ mになるように調整した。ワイヤスパンは、約 1. 5 mmで、電極パッドからのループ高さは 90 mである。ボンディングは大気中で実施 し、接合温度は 150°Cとした。
[0062] ボンディング特性の評価は、実施例 1と同じように、圧着ボール不良確率を測定し た。圧着ボール不良の基準として、ファースト接合部の超音波印加方向とその直角 方向の圧着径を測定し、超音波印加直角方向の圧着径を超音波印加方向の圧着 径で割った値が 1. 1を超えるものと、ボンディング時のファースト接合方向から見た時 の圧着外周が凹形状になったものを圧着ボール不良として、観察数で割った値を圧 着ボール不良率とした。観察数は 1000個である。表 3に、実施例 3で作製した設定 伸び 5%のボンディングワイヤの機械特性と、圧着ボール不良率を示した。
[0063] [表 3]
Figure imgf000018_0001
[0064] カルシウムとプラセォジゥムを総量で 0. 0055質量0 /0添加した設定延び 5%のボン デイングワイヤの強度は、 280MPa以上、ヤング率は 89GPa以上に達する。しかし、 カルシウムとプラセォジゥムのみを添加した系（試料番号 21)の圧着ボール不良率は 、本ボンディング条件では、約 30%に達した。
[0065] 一方、これに添加総量 0. 001質量0 /0以上のチタン、バナジウム、クロム、ハフ-ゥ ム、ニオブ、タングステン及びジルコニウムを添カ卩した系（試料番号 22, 23, 24, 26 〜35)のボンディングワイヤの圧着ボール形状不良率は、少なくとも 1Z3になった。
[0066] チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及びジノレコ-ゥムを添 加した系では、総量濃度が 0. 003質量％添カ卩した系（試料番号 23, 26, 28, 30, 3 2, 34)のボンディングワイヤの圧着ボール不良率は 1Z10近くに改善されている。 特に、チタンとバナジウムを添加した系（試料番号 23)の圧着ボール不良率は低かつ た。
[0067] チタンとバナジウムの総量濃度は 0. 01質量％を超える系（試料番号 25)で、圧着 ボール形状が悪化した理由は、フリーエアボール形成をするための放電後、圧着前 のフリーエアボールの先端部に生じる引巣によるくぼみが大きくなつたためである。
[0068] 比較のために、鉛、リチウム、錫、ストロンチウム、コバルト及びシリコンを 0. 003質 量0 /0添カ卩した添カ卩した系（試料番号 36〜41)についても調べた力 シリコンを添加し た系でやや改善されたが、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タンダス テン及びジルコニウムと比較して、圧着ボール形状の大きな改善は認められな力つた
[0069] (実施例 4)
次に、パラジウムの添加効果について調べた。
[0070] 実施例 1で用いた原料金に、プラセォジゥムを 0. 004質量％、カルシウムを 0. 001 質量％及びノヽフニゥムを 0. 004質量％添カ卩した系にパラジウムを添カ卩したボンディ ングワイヤを作製し、圧着ボールの圧着形状の評価を実施した。
[0071] ボンディングワイヤの作製方法、ボンディング評価方法は、実施例 3と全く同じであ る。
[0072] プラセォジゥムを 0. 004質量％と、カルシウムを 0. 001質量％添カ卩した系では、設 定伸び 9%以下の領域でヤング率が 85GPa超であった。ボンディング評価を実施す るボンディングワイヤの設定破断伸び値は 5%に固定した。
[0073] 表 4に、実施例 4で作製した設定伸び 5%のボンディングワイヤの機械特性と、圧着 ボール不良率を示した。
[0074] [表 4]
Figure imgf000020_0001
[0075] プラセォジゥムを 0. 004質量％と、カルシウムを 0. 001質量％添加した系（試料番 号 43)にハフニウムを 0. 004質量％添加することによって、圧着形状が改善する効 果が認められた。これにパラジウムを添加した系（試料番号 44〜47)では、更に圧着 ボール形状が向上する効果が認められた。特に、 0. 005質量％以上の高濃度側（ 試料番号 45)で圧着形状が優れ、 1質量％添加した系（試料番号 47)のボンディン グワイヤでも優れた圧着ボール形状を維持した。ノ ラジウムは、チタン、バナジウム、 クロム、ハフニウム、ニオブ、タングステン及ぴジノレコニゥムに比較して酸化し難い元 素であり、これらの元素と複合して使用する元素として適しており、多量の添加が可 能である。
[0076] (実施例 5)
さらに、本発明の成分系のボンディングワイヤに対してベリリウムを添カ卩した時のボ ンデイング特性に与える影響を調べた。強度、ヤング率を向上させるための成分とし て、プラセォジゥムを約 0. 0045質量％、ランタンを約 0. 001質量％含有させた系に ついて調べた。
[0077] 純度 99. 9998質量％以上の原料金に、プラセォジゥム、ランタン、チタン、ベリリウ ム及びパラジウムを必要量添加して、直径 5mm、長さ 100mmのインゴットを铸造し た。铸造後、成分を分析して、添加元素以外のカルシウム、希土類元素、鉛、錫、リ チウム及びナトリウムが 0. 0002質量％以下であることを確認した。 [0078] 次に、インゴットを溝型圧延機で約 2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた 引抜カ卩ェにより、潤滑液中で引抜力卩ェを行い 23 /z mまで伸線を行った。引抜工程に おけるダイス 1パス当たりの各回減面率は約 12%である。その後、管状炉を用いて、 アルゴン中で連続的に熱処理 (調質熱処理)を行 ヽ、温度を変えて破断伸びを 4% に調整してボンディングワイヤを作製した。インゴットからの断面減少率は、 99. 54% である。
[0079] 評価は、破断強度と長さ方向のヤング率、及びボンディング特性にっ 、て評価した 。プラセォジゥムを約 0. 0045質量0 /0、ランタンを約 0. 001質量0 /0含有させた系では 、破断伸びが 10%以下に調質した全ての領域でヤング率が 85GPa以上であった。
[0080] 破断伸びを 4%に調整したボンディングワイヤのヤング率は、 90GPa以上に達し、 電子背面回折法で組織を調べたところ、ボンディングワイヤ径方向に約 0. 1〜0. 5 μ m、長さ方向に 0. 5〜数 10 mの多結晶繊維状組織を呈しており、その殆どの結 晶粒がボンディングワイヤの長さ方向にく 111 >配向していることが分力つた。ヤン グ率が高い値を示すのは、このためである。
[0081] ボンディング試験は、（株)新川製 UTC— 400を用いた。また、キヤビラリは、東陶 機器 (株)製 TO - 11 - 9SAを使用し、高さ 480 μ mの半導体チップから 42ァロイの リードフレームまで、上記のボンディングワイヤで接続した。半導体チップ側の A1電極 上にファースト接合、 42ァロイ側の銀めつき電極上にゥェッジ接合 (セカンド接合)を 行った。圧着ボール径の平均値は 45 mとなるように調整した。ワイヤスパンは、 5m mで、電極パッドからのループ高さは 85 μ mである。ボンディングは大気中で実施し 、接合温度は 150°Cとした。
[0082] ボンディング特性の評価項目として、圧着ボールを上から見た時に圧着ボールの 外周部に凹部ができる花弁状欠陥が生じる率、即ち、ファースト接合時に接合を促 進するために印加する超音波方向（Y方向）と直角方向（X方向）の圧着ボール径の 比 (YZX)が 1. 1を超えたボンド数と花弁状欠陥が生じたボンド数を足して、総ボン ド数に対する割合で算出した花弁状欠陥率、超音波方向 (Y方向）と直角方向 (X方 向）の圧着ボール径の平均値のばらつき (標準偏差）、ファースト接合部及びセカンド 接合の接合強度を示す圧着ボールシェア強度、セカンド接合ピール強度を評価した 。総ボンド数は 1000本である。
[0083] 圧着ボールシェア強度は、電極パッド上 1 μ mの高さで電極パッドと平行にツール を移動させて圧着ボールを剥離させることで測定した。セカンドピール強度は、ファ 一スト接合部を外しておき、セカンド接合部力も圧着ボール側 lmmの部分を掴み、 剥離させることで測定した。シェア強度の測定数は 200個である。
[0084] 表 5に、実施例 5で作製した設定伸び 4%のボンディングワイヤの機械特性とこれら のボンディング評価結果を示した。
[0085] [表 5]
Figure imgf000023_0001
[0086] プラセォジゥムを約 0. 0045質量0 /0と、ランタンを約 0. 001質量0 /0含有させた系（ 試料番号 49)においても、圧着ボール形状に及ぼすチタンの効果は大きぐ特に花 弁状欠陥率が、数、程度とも著しく改善された。この結果、圧着径の標準偏差と、圧 着ボールシェア強度も改善した。
[0087] 更にこれにベリリウムを 0. 0002質量％以上添カ卩した場合、更にこれらの評価結果 は良くなつた (試料番号 50〜53)。特に、超音波方向（Y方向）と直角方向（X方向） の圧着ボール径の比 YZXがほぼ 1となり、その結果を反映して、圧着ボール不良率 が更に改善した。図 1は、試料 48 (図 1の左側（1) )と試料 51 (図 1の右側（2) )の圧 着ボールを上部から観察した典型的な圧着ボールの光学顕微鏡写真である。図 1で 見られるように、チタンとベリリウムを含有させたボンディングワイヤの真円性は高くな つていることが分かる。
[0088] 結果の良かった、プラセォジゥムを約 0. 0045質量0 /0、ランタンを約 0. 001質量0 /0 、チタンを 0. 003質量0 /0、及びベリリウムを約 0. 007%添カ卩した系にパラジウムを添 加して、同様の評価を行なった (試料番号 54〜56)。この結果、パラジウムを添加す ることによって、花弁状欠陥率が更に改善することが分力つた。
[0089] 以上の結果から、希土類元素で強度と、ヤング率を向上させたボンディングワイヤ において、チタンを添加することによって、特に花弁状欠陥が減少し、圧着ボールの 真円性が向上し、これにベリリウムを 0. 0002質量％以上添加することにより、特に圧 着ボール異方性が小さくなることが分力つた。また、更にパラジウムを添加することに よって、花弁状欠陥率が更に改善することが分力つた。
[0090] (実施例 6)
さらに、本発明の成分系のボンディングワイヤに対して、圧着ボールの結晶粒の大 きさと圧着形状の関係について調べた。強度、ヤング率を向上させるための成分とし て、プラセォジゥム、又はランタン、ネオジゥムのいずれかを 0. 0034〜0. 0052質量 %、カノレシクムを約 0. 0015質量％含有さ~¾：、ベジジクムを 0. 0006質量0 /0、インジク ム又はガリウムを 0. 003質量0 /0添カ卩した系につ 、て調べた。
[0091] 純度 99. 9998質量％以上の原料金に、プラセォジゥム、カルシウム、ランタン、ネ ォジゥム、チタン、ベリリウム、インジウム、ガリウム、及びニッケルを必要量添加して、 直径 5mm、長さ 100mmのインゴットを铸造した。铸造後、成分を分析して、添加元 素以外のカルシウム、希土類元素、鉛、錫、リチウム、及びナトリウムが 0. 0002質量 %以下であることを確認した。
[0092] 次に、インゴットを溝型圧延機で約 2mm角に圧延し、ダイヤモンドダイスを用いた 引抜カ卩ェにより、潤滑液中で引抜力卩ェを行い 23 /z mまで伸線を行った。引抜工程に おけるダイス 1パス当たりの各回減面率は約 12%である。その後、管状炉を用いて、 アルゴン中で連続的に熱処理 (調質熱処理)を行ヽ、温度を変えて破断伸びを 4% に調整してボンディングワイヤを作製した。インゴットからの断面減少率は、 99. 54% である。
[0093] 評価は、破断強度と長さ方向のヤング率、及びボンディング特性にっ 、て評価した 。本実施例で作製した成分系では、破断伸びが 10%以下に調質した全ての領域で ヤング率が 85GPa以上であった。
[0094] 破断伸びを 4%に調整したボンディングワイヤのヤング率は、全てのボンディングヮ ィャで、 89GPa以上に達した。プラセォジゥムを同量のランタン、もしくはネオジゥム 置き換えた系のボンディングワイヤの場合、強度、ヤング率は、電子背面回折法で組 織を調べたところ、ボンディングワイヤ径方向に約 0. 1〜0. 5 m、長さ方向に 0. 5 〜数 10 mの多結晶繊維状組織を呈しており、その殆どの結晶粒がボンディングヮ ィャの長さ方向にく 111 >配向して 、ることが分力つた。ヤング率が高 、値を示すの は、このためである。
[0095] ボンディング試験は、 K&S社の 8028ppsを用いた。また、キヤビラリは、東陶機器（ 株)製 T13— 11 (8)を使用し、高さ 480 μ m半導体チップから 42ァロイのリードフレ ームまで、上記のボンディングワイヤで接続した。半導体チップ側の A1— Cu電極上 にファースト接合、 42ァロイ側の銀めつき電極上にゥェッジ接合 (セカンド接合)を行 つた。圧着ボール径の平均値は 41 μ mとなるように調整した。ワイヤスパンは、 3mm で、電極パッドからのループ高さは 150 mである。ボンディングは大気中で実施し、 接合温度は 150°Cとした。
[0096] ボンディング評価実施前に、ボンダ一を用いてボンディング条件と同じ条件でボン デイングワイヤ先端にアークを飛ばして、フリーエアボールを形成し、フリーエアボー ルを採取した。採取したフリーエアボールについて、ボンディングワイヤ長さ方向と直 交する中央断面 (C断面)を研磨で出し、その断面をィ匕学研磨で歪みを除去して、凝 固組織を観察した。組織の観察は電子背面回折法で行い、断面内の結晶粒の数を 測定した。結晶粒も数が多いほど、フリーエアボールの溶融凝固組織の結晶粒は細 力 、ことになる。結晶粒の数は 5個のフリーエアボールの C断面を観察して、その平 均を算出することによって求めた。
[0097] ボンディング特性の評価項目として、圧着ボールを上から見た時に圧着ボールの 外周部に凹部ができる花弁状欠陥が生じる率、即ち、ファースト接合時に接合を促 進するために印加する超音波方向（Y方向）と直角方向（X方向）の圧着ボール径の 比 (YZX)が 1. 1を超えたボンド数と花弁状欠陥が生じたボンド数を足して、総ボン ド数に対する割合で算出した花弁状欠陥率、超音波方向 (Y方向）と直角方向 (X方 向）の圧着ボール径の平均値のばらつき (標準偏差）、ファースト接合部及びセカンド 接合の接合強度を示す圧着ボールシェア強度と、セカンド接合ピール強度を評価し た。総ボンド数は 1000本である。
[0098] 圧着ボールシェア強度は、電極パッド上 1 μ mの高さで電極パッドと平行にツール を移動させて圧着ボールを剥離させることで測定した。シェア強度の測定数は 50個 である。
[0099] 表 6に、実施例 6で作製した設定伸び 4%のボンディングワイヤの機械特性とこれら のボンディング評価結果を示した。
[0100] [表 6]
Figure imgf000027_0001
[0101] フリーエアボール断面内の結晶粒数は、チタンとバナジウムの含有量が大きくなる と増加した。即ち、チタンとバナジウムは、フリーエアボール凝固組織を微細化させる 作用があることが分力つた。クロムとニオブもフリーエアボールの結晶粒を微細化する 作用を有している力 チタンとバナジウム程の効果は認められな力つた。
[0102] 一方、圧着ボール不良率も試験した範囲内ではチタンとバナジウムを含有したもの は、低い水準となった (試料番号 64, 65)。圧着ボール不良率が著しく小さくなつた 理由は、ベリリウムとチタン、バナジウムの複合添カ卩によるものである。チタンとバナジ ゥムの添加作用は、凝固組織の微細化によって、フリーエアボールを圧着した時の 変形の等方性が高まったためと言える。
[0103] プラセォジゥム (試料番号 59)、ランタン (試料番号 66)、及びネオジゥム (試料番号 68)の中で比較した場合、プラセォジゥムを含有したボンディングワイヤの圧着形状 が優れていた。これは、同じ強度、ヤング率を得ようとした時、プラセォジゥムは、ラン タンと、ネオジゥムに比較して低い含有量で済むため、フリーエアボール形成時に酸 化し難いためである。
[0104] 本実施例で評価したボンディングワイヤのうち、チタン、バナジウム、クロム、及び- ォブを含有したボンディングワイヤ (試料番号 58〜72)は、いずれも良好な圧着形状 を示した力 特に、ベリリウムと、チタン及びバナジウムの少なくとも一方を組み合わせ た場合 (試料番号 58〜65, 71, 72)、圧着形状が優れたボンディングワイヤを製造 することができる。更に、希土類元素のうちプラセォジゥムを主体として、カルシウムと 複合含有させた場合、特に強度、ヤング率と圧着形状が優れる半導体実装サイズの 小型化に対応したボンディングワイヤとなる。

Claims

請求の範囲
[1] カルシウム又は希土類元素から選ばれる 1種以上の元素の総量が 0. 001質量％ 以上 0. 02質量0 /0以下、かつ、チタン、バナジウム、クロム、ハフニウム、ニオブ、タン ダステン及びジルコニウムから選ばれる 1種以上の元素の総量が 0. 0005質量％以 上 0. 01質量％以下を含み、残部が金及び不可避不純物であることを特徴とする半 導体素子接続用金線。
[2] プラセォジゥムの含有量力 0. 0016質量％以上 0. 0079質量％以下である請求 項 1に記載の半導体素子接続用金線。
[3] カルシウム、ランタン、セリウム、プラセォジゥム、ネオジゥム及びサマリウムから選ば れる 1種以上の元素の総量が 0. 005質量％超 0. 02質量％以下、かつ、カルシウム の含有量が 0. 0025質量％以下である請求項 1又は 2に記載の半導体素子接続用 金線。
[4] パラジウムを 0. 001質量％以上 2質量％以下含有する請求項 1〜3のいずれかに 記載の半導体素子接続用金線。
[5] ベリリウムを 0. 0002質量％以上 0. 0011質量％以下含有する請求項 1〜4のいず れかに記載の半導体素子接続用金線。
[6] 結晶粒が線の長手方向にく 111 >配向し、長手方向の弾性率が 85GPa以上であ る請求項 1〜5のいずれかに記載の半導体素子接続用金線。
[7] インゴットからの断面減少率が 99. 8%以上である請求項 1〜6のいずれかに記載 の半導体素子接続用金線。
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