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JP3484823B2 - ボンディングワイヤ - Google Patents

ボンディングワイヤ

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JP3484823B2
JP3484823B2 JP14001995A JP14001995A JP3484823B2 JP 3484823 B2 JP3484823 B2 JP 3484823B2 JP 14001995 A JP14001995 A JP 14001995A JP 14001995 A JP14001995 A JP 14001995A JP 3484823 B2 JP3484823 B2 JP 3484823B2
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wire
bonding
diameter
outer peripheral
core material
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寿一 清水
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばリードフレーム
等を用いる半導体デバイスにおいて半導体素子上の電極
と外部リードを接続する場合などに用いるボンディング
ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えばリードフレーム等を用いる
半導体デバイスにおいて該デバイス上に搭載されるＩＣ
やＬＳＩなどの半導体素子（チップ）の電極と外部リー
ドとを接続するために通常０．０２〜０．１ｍｍの範囲
の直径を有するボンディングワイヤが用いられている。
【０００３】上記のようなボンディングワイヤには、一
般に以下のような特性が要求される。 （１）大気中でワイヤの先端を加熱溶融する場合に、酸
化皮膜のない真球状のボールが形成される。 （２）超音波熱圧着方式によるボンディングを行った場
合に、ワイヤとチップの電極およびワイヤと外部リード
との間で、それぞれ良好な接合状態が得られる。 （３）半導体素子組み立て中に、隣り合うワイヤ同士の
接触が起こらない。 （４）長期間保存した場合にも、ワイヤとチップの電極
およびワイヤと外部リードとの間の接合力が劣下しな
い。そのため前記のようなボンディングワイヤとして、
従来は純度９９．９９重量％（以下、重量％を単に％と
記す）以上のＡｕ線が主に用いられてきた。
【０００４】しかしながら、近年の半導体デバイスの多
ピン化にともない、ボンディングワイヤ間隔の狭ピッチ
化およびボンディング距離の長距離化が進行してきてお
り、そのため従来のボンディングワイヤを用いた場合に
半導体デバイス組立時におけるワイヤ同士の接触不良が
頻発し、半導体デバイスの収率が低下することが大きな
問題となってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
に鑑みて提案されたもので、半導体デバイス組立時にお
けるワイヤ同士の接触不良が起こりにくく、多ピン半導
体デバイス用として好適なボンディングワイヤを提供す
ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によるボンディングワイヤは、以下の構成
としたものである。
【０００７】 すなわち、純度９９．９９重量％以上の
Ａｕよりなる芯材の周面にＡｕ合金より成る外周材を被
覆し、上記芯材の直径が全ワイヤ直径の３０％以上、９
０％以下であり、かつ上記外周材を構成するＡｕ合金
が、０．０５〜０．５重量％のＲｕ、０．１〜５．０重
量％のＰｔ、０．１〜５．０重量％のＰｄ、０．１〜１
０重量％のＡｇのうち１種もしくは２種以上を含有し、
残部がＡｕおよび不可避不純物よりなることを特徴とす
る。
【０００８】 或いは、純度９９．９９重量％以上のＡ
ｕよりなる芯材の周面にＡｕ合金より成る外周材を被覆
し、上記芯材の直径が全ワイヤ直径の３０％以上、９０
％以下であり、かつ上記外周材を構成するＡｕ合金が、
０．０５〜０．５重量％のＲｕ、０．１〜５．０重量％
のＰｔ、０．１〜５．０重量％のＰｄ、０．１〜１０重
量％のＡｇのうち１種もしくは２種以上を含有し、さら
にＮａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、
Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｙおよび希土類元素の
うち１種または２種以上を合計で０．０００１〜０．０
５重量％含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物よりな
ることを特徴とする。
【０００９】
【００１０】
【作用】一般に、半導体デバイス組立時に起こるワイヤ
同士の接触不良は、ワイヤボンディング時のワイヤの曲
がり（ワイヤカール）が大きい場合ほど、あるいはボン
ディング後に樹脂封入する際の樹脂の封入抵抗によるワ
イヤの変形が大きい場合ほど起こりやすい。従って、半
導体デバイス組立時に起こるワイヤ同士の接触不良を防
止するためには、ワイヤカールが小さく、同時に樹脂封
入時の樹脂の封入抵抗による変形が小さいことが望まし
い。
【００１１】通常、ボンディングワイヤは伸縮後の熱処
理によって適当な伸びを示すように調質された状態で用
いられるが、調質後のワイヤは加工組織が残って硬度が
高い芯部と再結晶が起こって硬度の低い表面部（外周
部）の２重構造を有する。本発明者等は種々検討の結
果、この硬度の低いワイヤ外周部がキャピラリ等のワイ
ヤボンディング機の各治具との間に大きな摩擦抵抗を有
することが、ワイヤカールが大きくなる原因の１つであ
ることを見いだした。
【００１２】そこで本発明は、前記のように純度９９．
９９％以上の金よりなる芯材の周面に金合金よりなる外
周材を被覆したもので、その外周材によってワイヤ外周
部の硬度が高くなり、ワイヤボンディング機の各治具と
の間の摩擦抵抗が低減され、それによってワイヤカール
が大きくなるのを防ぐことができる。また上記のように
外周部に硬度の高い金合金を用いることは、ボンディン
グ後の樹脂封入時の樹脂の封入抵抗によるワイヤの変形
を抑制する働きもあり、本発明のボンディングワイヤ
は、上記の両者の効果により、半導体デバイス等の組立
時にワイヤ同士が接触するのを可及的に低減することが
可能となるものである。
【００１３】また上記の芯材の直径を、前述のようにボ
ンディングワイヤ全体の直径の３０％以上、９０％以下
となるようにしたのは、芯材の直径がボンディングワイ
ヤ全体の直径の９０％を越えると、外周部が薄くなりす
ぎて上記のような効果を充分に発揮できないおそれがあ
り、また３０％未満であると芯材が少なすぎて単一構造
のワイヤと変わらなくなり、ワイヤを２重構造にする効
果が失われるからである。
【００１４】上記の芯材を構成する純度９９．９９％以
上の金としては、例えば従来よりボンディングワイヤと
して用いられている０．０１％未満のＣａ、Ｇｅ、Ｂｅ
等を含む希薄金合金を用いればよい。また外周材として
用いられる金合金としては、強度と耐熱性が高いこと、
およびボンディングワイヤに要求される諸特性を劣化さ
せる元素（例えばボール表面に酸化膜を形成させるＭｇ
やＣｒ等の酸化しやすい元素）を多量に含まないことが
好ましい。
【００１５】上記の外周材として用いられる金合金の実
施形態の一例としては、前述のようにＲｕ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ、Ａｇのうち１種もしくは２種以上を含有したものを
用いることができる。上記のような元素を含有する金合
金は、それらの添加元素（含有元素）が金中に固溶もし
くは析出することにより結晶粒が微細化して強度を向上
させることができるものである。
【００１６】この場合、上記の各元素の添加量は、前述
のようにＲｕにあっては０．０５〜０．５重量％、Ｐｔ
にあっては０．１〜５．０重量％、Ｐｄにあっては０．
１〜５．０重量％、Ａｇにあっては０．１〜１０重量％
の範囲が好ましい。各添加元素の添加量が、それぞれ上
記の下限未満であると添加の効果が不充分であり、逆に
上限を越えるとボールが真球にならなくなったり、伸線
が困難で細線を得られなくなったりする等の不都合が生
じるためである。
【００１７】また外周材として用いられる金合金の実施
形態の他の例としては、前述のように上記と同様にＲ
ｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇのうち１種もしくは２種以上を含
有し、さらにＮａ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｙおよび希
土類元素のうち１種または２種以上を含有したものを用
いることもできる。上記のように前者の添加元素の他に
更に後者の添加元素を加えることにより強度や耐熱性を
さらに向上させることが可能となる。
【００１８】この場合、各元素の添加量は前述のように
上記前者の添加元素については上記と同様とし、後者の
添加元素については合計の添加量が０．０００１〜０．
０５重量％の範囲とするのが好ましい。上記の添加量が
０．０００１％未満では添加による効果が不充分であ
り、逆に０．０５％を越えるとボールに表面酸化膜がで
きワイヤの接合性が低下するためである。
【００１９】なお本発明のような２重構造のボンディン
グワイヤを製造する手段等は適宜であり、例えば金合金
と金からなる２重構造のビレットを、熱間押し出し加工
や冷間溝圧延加工等により圧接した後、伸線加工する方
法等を用いればよい。また上記のように２重構造とする
ことにより、ボンディングワイヤに要求される諸特性を
劣化させることなく、半導体デバイス等の組立時のワイ
ヤ同士の接触が起こりにくい多ピン半導体デバイス用と
して好適なボンディングワイヤを得ることが可能とな
る。
【００２０】
【実施例】以下、本発明によるボンディングワイヤの具
体的な実施例について説明する。純度９９．９９９％の
高純度金、および所定の添加元素を０．１〜１％を含む
金母合金を用いて、芯材用のＡｕ−０．０００５％Ｂｅ
合金を溶解鋳造した。なお後述する実施例では全て同じ
材質の芯材を用いた。また下記表１に示すような種々の
添加元素を含有する組成Ｎo.１〜１４の外周材用の金合
金を溶解鋳造した。
【００２１】
【表１】
【００２２】上記の芯材用の鋳塊は円柱状に形成し、外
周材用の鋳塊は芯材用の鋳塊が丁度入る内径を有する中
空円筒状に形成した。その中空円筒状の外周材用の鋳塊
の内穴内に芯材用の鋳塊を挿入した状態で溝ロール加工
を施した後、１０００℃で３時間の接合熱処理を施し
た。さらに熱処理後の試料について、ダイヤモンドダイ
スを用いて伸線加工を施し、図１に示すような芯材１の
周面に外周材２を被覆してなる直径０．０３ｍｍの実施
例１〜１６の複数種のボンディングワイヤを作製した。
その各ボンディングワイヤに熱処理を施すことにより破
断伸びを６％前後に調整して試料とし、それらの特性を
調べた。その結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】
【００２４】なお上記表２中の外周材の組成は、前記表
１の組成Ｎo.を表し、芯材直径比率はボンディングワイ
ヤ全体の直径に対する芯材の直径の比率を百分率で表し
たもので、その比率の調整は、前記の鋳塊の直径および
中空穴の径を変えることによって行い、それらの鋳塊を
加工して得られたボンディングワイヤ全体の直径に対す
る芯部の直径の比率を断面写真より測定した。
【００２５】ワイヤ強度は引張り試験により求めた。ま
たボール性状は、正常なボールが形成されるかどうかを
調べるもので、ワイヤボンディング機を用いてボールを
形成し、その外観を観察することにより判定し、ボール
形状が真球状でボールの表面に酸化皮膜が全く観察され
なかったものを良とした。
【００２６】ボンディング接合性は、ボンディングワイ
ヤと半導体素子の電極および外部リードとの接合状況を
調べるもので、ワイヤボンディング機を用い超音波熱圧
着方式によりボンディングを実施したワイヤについて、
そのワイヤにフックを引っかけた状態で引張り試験を実
施した場合の破断強度（プル強度）を求め、その値によ
り評価した。またボンディング接合性の経時変化につい
ては、上記と同様な方法でワイヤボンディングした試料
を２００℃で１００時間保持した後のプル強度を求め評
価した。
【００２７】ワイヤカール量δ１については、半導体チ
ップをダイボンディングした１００ピンのリードフレー
ムに、上記と同様な方法で４ｍｍの間隔でワイヤボンデ
ィングした試料について、工場顕微鏡を用いて測定し
た。なお上記のワイヤカール量δ１は、図２の（ａ）に
示すように真上から見て本来まっすぐに接続される理想
的な配線状態Ｗに対して実際にボンディングされたとき
にワイヤＷが図のＷ１に変位したときの変位量δ１で定
義し、ワイヤ間の比較は１００本のワイヤにおける測定
値の平均値および最大値で行った。
【００２８】ワイヤ流れ量は、上記のようにワイヤボン
ディングした後にそれらを樹脂で被覆する際の樹脂の封
入抵抗によるワイヤの変形状況を調べるもので、上記と
同様な方法で４ｍｍの間隔にワイヤボンディングした試
料についてモールディング機（トランスファーモールド
型）によりエポキシ樹脂（住友ベークライト製、ＥＭＥ
−６３００）を金型温度１８０℃、射出圧１００Ｋｇ／
ｃｍ2 の条件でモールドしたときのワイヤの流れ量δ２
をＸ線透過装置により撮影したＸ線写真から求め、その
値から評価した。なおワイヤ流れ量δ２は、前記図２の
（ａ）のワイヤ変位状態Ｗ１から更にエポキシ樹脂をモ
ールドしたときにワイヤＷが同図（ｂ）のＷ２の状態に
変形した場合のワイヤ変形量δ２で示した。
【００２９】上記実施例１〜１６に対する比較例１、２
として、芯材の直径比率が前記の条件を満たさないもの
を製造すると共に、既存の市販品１、２についても上記
と同様の諸特性値を測定した。その結果を下記表３に示
す。なお市販品１、２は本発明のような外周材が被覆さ
れていない単層構成のもので、その材質は市販品１が
０．００４重量％のＧｅと、それ以外がＡｕよりなり、
市販品２は０．０００５重量％のＣａ、０．０００５重
量％のＢｅと、それ以外がＡｕよりなる。
【００３０】
【表３】
【００３１】上記の表２と表３との対比からも明らかな
ように、表２に示す本発明による実施例１〜１６のボン
ディングワイヤは、表３の比較例１、２や市販品１、２
に比べてワイヤカール量の平均値や最大値が小さく、ま
たワイヤ流れ量も同等もしくはそれ以下で、他の諸特性
においても極めて良好であることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるボン
ディングワイヤは、純度９９．９９重量％以上のＡｕよ
りなる芯材の周面にＡｕ合金より成る外周材を被覆し、
上記芯材の直径が全ワイヤ直径の３０％以上、９０％以
下となるようにしたことによって、ワイヤカール量やワ
イヤ流れ量を小さくできるもので、例えば半導体デバイ
ス組立時におけるワイヤ同士の接触不良が起こりにくい
多ピン半導体デバイス用として好適なボンディングワイ
ヤを提供できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるボンディングワイヤの概略構成を
示す斜視図。
【図２】（ａ）・（ｂ）はワイヤカール量やワイヤ流れ
量を示す説明図。
【符号の説明】
１ 芯材 ２ 外周材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 純度９９．９９重量％以上のＡｕよりな
    る芯材の周面にＡｕ合金より成る外周材を被覆し、上記
    芯材の直径が全ワイヤ直径の３０％以上、９０％以下で
    あり、かつ上記外周材を構成するＡｕ合金が、０．０５
    〜０．５重量％のＲｕ、０．１〜５．０重量％のＰｔ、
    ０．１〜５．０重量％のＰｄ、０．１〜１０重量％のＡ
    ｇのうち１種もしくは２種以上を含有し、残部がＡｕお
    よび不可避不純物よりなることを特徴とするボンディン
    グワイヤ。
  2. 【請求項２】 純度９９．９９重量％以上のＡｕよりな
    る芯材の周面にＡｕ合金より成る外周材を被覆し、上記
    芯材の直径が全ワイヤ直径の３０％以上、９０％以下で
    あり、かつ上記外周材を構成するＡｕ合金が、０．０５
    〜０．５重量％のＲｕ、０．１〜５．０重量％のＰｔ、
    ０．１〜５．０重量％のＰｄ、０．１〜１０重量％のＡ
    ｇのうち１種もしくは２種以上を含有し、さらにＮａ、
    Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉ
    ｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｙおよび希土類元素のうち１種
    または２種以上を合計で０．０００１〜０．０５重量％
    含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物よりなることを
    特徴とするボンディングワイヤ。
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