CN104241237B - 超声波键合用镀覆铜丝结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使变更镀覆铜丝的镀覆材料或者芯材种类和线径也可以不单独设定键合条件就稳定地进行超声波键合、且超声波键合时的工艺窗口范围广的超声波键合用镀覆铜丝结构。本发明的结构的特征在于，其表面形态为该芯材表面成型有沿该键合丝长度方向的多条卷云状槽，该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或合金(以下称“贵金属等”)构成的镀覆材料。

Description

超声波键合用镀覆铜丝结构
技术领域
本发明涉及适用于半导体装置中使用的IC芯片电极与外部引线等电路板连接的超声波键合(超音波接合)用镀覆铜合金丝，特别是车载用途、功率半导体、高速设备用途等高温环境下使用的超声波键合用键合撞击丝、或者连15μm以下的极细丝都使用的无空气焊球(FAB)用镀覆铜键合丝。
背景技术
一直以来，连接半导体装置的IC芯片电极与外部引线的铜丝不断被开发出各种各样的种类来。例如，纯铜合金丝有添加钛(Ti)或锆(Zr)的(特开昭62-102551)、添加硼(B)的(特开昭62-102552)、添加镁(Mg)的(特开昭62-130248)、添加稀土类元素(包括钇(Y))的(特开昭62-193254)、添加钙(Ca)的(特开昭62-102552)、添加磷(P)等的(特开平01-291435)、添加铱(Ir)的(特开平04-184946)、添加钯(Pd)等的(特开2012-222194)铜丝等。
此外，铜合金丝有含钯(Pd)的(特开昭59-139663)、含镁(Mg)的(特开昭60-236253)、含银(Ag)的(特开昭61-019158)、含镍(Ni)等的(特开平04-218632)、含铂(Pt)等的(特开平07-070673)、含金(Au)的(特开2011-003745)铜丝等。
另外，镀覆铜合金丝有镀贵金属的(特开昭61-285743)、镀钯(Pd)的(特开2004-006740)、镀金(Au)与钯(Pd)的(特开2010-225722)、具有Au-Pd混合层与钯(Pd)镀层的(专利5088981)铜丝等。
无空气焊球(FAB)用镀覆铜键合丝时，这些镀覆铜丝的线径一般都为十几μm到几十μm；功率半导体用粗丝时，则线径一般为几十μm到几百μm。
此外，出于成分组成观点的镀覆铜丝方面，在纯铜合金丝、质量百分比纯度99.999％以上的铜(Cu)或铜合金芯材上镀覆了亚微米级钯(Pd)的键合丝与IC芯片电极上的铝焊盘的键合可靠性卓越，因此，作为FAB用键合丝，探讨了实际应用(特开2004-006740号公报(后述的“专利文献1”))。最初，试验性地尝试了球焊法，即在该镀钯铜丝的一端形成熔球后，采用热压超声波键合法(第一次键合)球焊至IC芯片电极上的铝焊盘上，采用超声波法(第二次键合)将另一端针脚焊至印刷电路板上的外部引线等。
然后，经过各种各样的改良，提出了采用无空气焊球(FAB)的第一次键合特性卓越的镀无垢纯铜或铜合金的镀覆铜丝等若干方案。
此处，FAB指的是通过一边对键合工具顶端延伸出的键合丝顶端喷氮气、氨气等非氧化性气体或还原性气体一边进行火花放电而在键合丝顶端形成的熔球。FAB时，键合丝的熔球在第一次键合之前始终保持惰性环境或还原性环境，因此，纯铜合金丝本身在第一次键合时也不会发生氧化。
此外，即使是这种键合丝，还有不形成熔球，只采用超声波法，直接利用超声波进行第一次键合和第二次键合的楔焊法；以及用夹具将该实施了楔焊的镀覆铜丝扯断的柱形凸起焊接法等利用超声波的键合法。另外，为了使超声波键合更加容易，还可以将镀覆铜丝压扁，对变平的矩形截面状带状丝实施超声波键合。然后，采用这些方法实施了超声波键合的键合丝再被模制树脂密封，形成半导体装置。此外，铝焊盘常采用纯铝(Al)金属、以及在该铝(Al)金属中添加了质量百分比0.3～2.0％的铜(Cu)、硅(Si)、镍(Ni)等的合金，一般采用真空蒸镀等干式镀覆成形。
但是，上述的镀钯铜丝到目前为止尚未作为键合丝实现大规模的实际应用。镀钯铜丝未实现实际应用的原因如下所示。
首先，无垢高纯度铜丝存在键合前表面氧化，形成氧化铜膜的致命缺点。因此，如上所述，过去或采用各种合金元素、或加厚贵金属等的镀层、或采用多层，或者在芯材与镀层界面设置扩散层，企图防止氧化铜膜的形成。然而，采用镀覆了较厚的钯(Pd)等的镀覆铜丝时，就会难以形成稳定的FAB，突然发生熔球变形或变硬、或者芯片损伤等原因不明的问题。基于这些原因，镀钯铜丝未作为FAB用键合丝普及。
不久后，开发出了具有金(Au)表层和钯(Pd)镀层的镀覆铜丝(特开2012-89685号公报(后述的“专利文献2”)，通过微量卑金属元素的合金化，使软化温度降低到质量百分比纯度99.9999％的纯铜丝的水平，但第一次键合时的熔球却不会变硬，从而能够维持形成FAB时的键合特性，开始正式实现实际应用。
具有金(Au)表层和钯(Pd)镀层的镀钯铜丝时，钯(Pd)层和金(Au)层的总镀层厚度不到100nm。因此，难以实现两层的平衡，且相关调整非常困难。例如，变更芯材的成分组成、或将线径从25μm变更为20μm、继而变更为18μm，每次都需要寻求最佳的镀层平衡。由于需要使第一次键合的FAB为正球形，因此，镀钯铜丝不仅成本高昂，而且量产阶段必须重新寻求最佳的镀层平衡。
然而，键合丝在从20μm到18μm、以及从18μm到15μm的细线化处理后，采用镀钯铜丝时，存在第二次键合的超声波键合区变少、有时甚至完全没有可以键合的键合区等利用超声波的第二次键合变得不稳定的课题。这类课题在利用超声波的第一次键合、柱形凸起焊接时也同样是涉及超声波键合的课题。
这是因为，利用超声波装置的细丝用键合丝的键合条件是根据频率(几十～几百kHz左右)、输出(最大几W左右)及焊接压力(几～几十gf左右)决定的，因此，除了芯材的成分组成以外，最佳超声波条件还受镀层膜厚的影响。
一方面，高温下使用的粗线用功率半导体等时也存在课题，即减少高价贵金属的用量，使镀层的膜厚变薄后，会大范围形成铜氧化膜，其结果，因该铜氧化膜的影响，第二次键合的键合强度变低，第二次键合的键合面的氧化膜加速扩大，从而进一步降低键合面的键合强度。
另一方面，虽然目的各不相同，但都提出了直接在铜丝上镀覆碳层的方案。
例如，也考虑过对于“以Au、Al、Cu中的任意一种为主要元素，拉丝加工成10～50μm左右的极细丝，在线轴上卷绕规定长度后，以这种状态安装在键合机上使用(特开平6-151497号公报(后述的“专利文献3”)0002段落)”的键合丝，在熔铸后对铸块进行酸洗等，制成“特征为表面总有机碳量为50～1500μg/m2的半导体器件键合丝(该公报权利要求1)”。关于该方法，记载如下：“经一般工艺，即溶解、铸造、拉丝、退火、卷绕工艺制造的键合丝表面已可以看到超过1500μg/m2的总有机碳量，因此，制造表面总有机碳量为50～1500μg/m2的键合丝的方法之一就是采用…酸洗…等方法对其进行冲洗，使表面总有机碳量在50～1500μg/m2范围内(该公报权利要求2)。该方法的特征在于，只要在一般工艺的退火工艺前或后设置冲洗工艺就可以了，容易实施。(该公报0010段落)”，而且，“润滑剂成分有石蜡烃、环烷烃、芳烃等矿物油类；聚烯烃、烷基苯、脂肪酸、高级醇、脂肪酸皂、聚乙二醇、聚苯醚、脂肪酸二酯、多元醇酯、聚氧乙烯烷基醚、磺酸盐、胺、胺盐、硅酮、磷酸酯、碳氟化合物、氟聚醚、氟乙二醇等合成油类；牛油、猪油、棕榈油、豆油、菜油、蓖麻油、松油等天然油脂类，可以使用任意一种。此外，也可以使用上述多种成分的混合(该公报0012段落)”。此外，还有使用表面活性剂的(特开2002-241782号公报等)。
不过，迄今为止的镀覆铜丝往往采用以微米级为标准的足够厚的镀层来完全隔离芯材与大气，因此，并不需要镀覆碳层。
例如，就有涂布含有粒径100nm以下的贵金属粒子的液态组分后进行加热，藉此“在卑金属丝上形成均匀且薄的贵金属涂层的制造”法，“在降低成本方面，贵金属涂层的膜厚应为1μm以下”(特开2006-210642号公报0011、0010段落)。此外，即使是以纳米级为标准的膜厚，“如果外层厚度不到20nm，抑制氧化的效果就小，因此，楔焊时也会发生键合不良，难以改善第二次键合时的可靠性评估”(特开2009-140953号公报的权利要求1及0053段落)等，迄今为止的镀覆铜丝都是通过镀层来完全隔离芯材与大气的。
[在先技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]特开2004-006740号公报
[专利文献2]特开2012-89685号公报
[专利文献3]特开平6-151497号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是为了解决对镀覆铜丝进行细线化处理后利用超声波的键合性变得不稳定的上述课题而实施的，旨在提供即使变更键合时使用的纯铜合金或铜合金中的芯材成分组成及线径也可以原样维持镀覆材料结构的镀覆铜丝结构。即，旨在提供即使变更镀覆铜丝的镀覆材料或者芯材种类和线径也可以不单独设定键合条件就稳定地进行超声波键合、超声波键合时的工艺窗口范围广、且又廉价的镀覆铜丝结构。
解决课题的方法
本发明人等采用即使超声波键合时键合丝发生变形，沿该键合丝长度方向的多条卷云状槽以大致相等的间隔扩大，在上下方向上形成一对U形槽和倒U形槽，由此使超声波键合性稳定的结构，完成了本发明。换言之，在尽可能降低镀层厚度，使得在形成第一次键合的FAB时也可以无视包住芯材周围的镀覆材料的影响的同时，利用第二次键合的超声波键合时键合丝变形，以及镀覆材料的卷云状槽大致均等地横向扩大，多条槽在按压方向上形成楔形结构，可以有助于超声波键合这一点，完成了本发明。
用以解决本发明课题的超声波键合用镀覆铜丝结构之一就是由镀层和质量百分比纯度99.99％以上的纯铜合金或铜合金的芯材构成的镀覆铜丝结构，其特征在于，该芯材表面是环状成型有多条沿该键合丝长度方向的卷云状槽，且该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料的表面形态。
用以解决本发明课题的超声波键合用镀覆铜丝的另一种结构就是由镀层和质量百分比纯度99.99％以上的纯铜合金或铜合金的芯材构成的镀覆铜丝结构，其特征在于，该芯材表面是环状成型有多条沿该键合丝长度方向的卷云状槽，且该芯材上镀覆了由贵金属或贵金属合金(以下称“贵金属等”)构成的镀覆材料的表面形态，且该镀覆铜丝的表面存在总有机碳量(TOC值)为50～3,000μg/m2的有机碳层。
本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构的理想实施状态如下所示。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该镀覆材料的表面形态优选沿着该芯材的晶粒边界形成。
此外，在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该镀覆材料的表面形态优选形成为海岛结构中的球体状岛屿。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该镀覆材料的表面形态优选采用可以看见该芯材的金属色的部分与可以看见该镀覆材料的贵金属等的金属色的部分的马赛克纹样形成。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该总有机碳量(TOC值)优选为200～1,000μg/m2。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该镀覆材料优选是由质量百分比纯度99.99％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属。该高纯度贵金属含有贵金属占质量百分比1～40％，且其余部分由质量百分比纯度99.99％以上的铜(Cu)构成的铜合金。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该芯材优选是含有质量百分比纯度99.99％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属，且其余部分由质量百分比纯度99.99％以上的铜(Cu)构成的铜合金。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该芯材优选是由质量百分比纯度99.99％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属占质量百分比0.5～5％，且其余部分由质量百分比纯度99.99％以上的铜(Cu)构成的铜合金。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该超声波键合用镀覆铜丝优选为无空气焊球用键合丝。
在本发明的纯铜合金键合丝结构中，上述芯材的成分组成采用由质量百分比纯度99.99％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材，是为了在形成第一次键合的FAB时可以形成正球体的球。此外，也是为了选择连接纯铝(Al)焊盘及Al-0.5％Cu(质量百分比)合金等焊盘时可以防止发生铝液飞溅的已知的纯铜合金或铜合金的成分组成。
此外，纯铜合金丝时，可以使铜(Cu)以外的氧化性金属成分的下限为40质量ppm。使下限为40质量ppm，是为了事先形成即使纯铜合金基质中溶解有氧和硫，这些金属成分也可以固定所有的氧和硫，并与大气中的氧结合，进行内部氧化的状态。通过事先使纯铜合金基质变成这种缺氧状态，可以延迟键合丝表面纳米层中的不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层变成饱和铜氧化物(Cu2O)层的过程。
另外，纯铜合金丝的上限应不到100质量ppm。纯铜合金丝时，使上限不到100质量ppm，是因为已与表示“9999金”的纯金合金键合丝混合。此外，如果金属成分不到100质量ppm，则纯铜合金键合丝的表层附近金属杂质就不会发生偏析。
在本发明的镀覆铜丝结构中，决定在该芯材周围环状成型沿该键合丝长度方向的多条卷云状槽，是基于键合丝因超声波键合时的按压力而在任意位置发生变形时，键合丝变形部位的上下方向上可以形成多个一对U形/倒U形结构的情况。其结果，由于相关的各U形与倒U形结构与位于非变形部位的卷云状环状槽是相连的，因此，镀覆铜丝的超声波键合强度就会稳定。由于相关的多条卷云状槽与线径无关，因此，不只是细线径，粗线径时也可以利用。
此外，在本发明的镀覆铜丝中，即使是在通过FAB形成第一次键合的熔球时，多条卷云状槽也会变成洋葱状结构，因此，镀覆铜丝的熔球可能会变成正球形。
在本发明中，为了成型沿键合丝长度方向的多条卷云状槽，在芯材的外周成型宽大的波纹，在波纹上镀覆贵金属等镀覆材料，并对层状结构缩径，直到理论膜厚达到几纳米(nm)为止，藉此，通过芯材与镀覆材料的界面形状效果及缩径阻力的差异来实现。此外，如果事先这样适当地对芯材的外形进行成型加工，之后通过适当地调节一般的拉丝速度和缩径率就能简单地制造了。
理想的测量10处时卷云状槽的平均粗糙度(RZ)应为最终线径的3～15％，5～11％则更佳。只有芯材时，即使缩径，也不会形成卷云状槽。此外，理论膜厚为几埃米(0.1nm)时，会形成多条卷云状槽，但为次埃米(＜0.01nm)时，镀覆材料过薄，不会形成卷云状槽。此处，“理论膜厚”指的是根据键合丝线径的缩径率对膜厚的实测值进行比例计算时的膜厚推测值。
在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，使该镀覆材料的表面形态沿该芯材的晶粒边界形成，是因为如果在显微镜下看不到沿芯材的晶粒边界形成的情况了，则镀覆材料过厚，在通过FAB形成第一次键合的熔球时，会难以形成正球形的FAB。此外，由于呈海岛结构之岛的镀覆材料稀稀拉拉地分散在芯材的表面，因此，可能会不能防止芯材内部的氧化。
此外，在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，以马赛克纹样形成该镀覆材料的表面形态，是因为如果该马赛克纹样看不见了，就知道镀覆材料过薄了，超声波键合时的工艺窗口范围就会变小。
此外，在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，使该总有机碳量(TOC值)为200～1,000μg/m2，是为了尽可能减小包住芯材周围的镀覆材料的厚度。虽然为了防止铜丝氧化，总有机碳量越多越好，但在形成FAB时，会作为碳粉残留，并不理想。因此，作为从厚镀层时(海岛结构)的最佳值到薄镀层时(马赛克纹样)的最佳值的理想范围，选择了200μg/m2到1,000μg/m2的范围。
使镀覆铜丝表面的总有机碳量(TOC值)为50～3,000μg/m2，是因为不能直接测量极薄的碳层。如果存在碳层，则会污染毛细管等键和工具，造成误动作，因此，碳层应尽可能薄。因此，应为200～1,000μg/m2。可以根据芯材与镀覆材料的种类及使用的超声波键合的半导体用途适当地选择。
有机碳层应在纯铜合金键合丝的整个面上设置极薄的有机碳层。这是为了使大气中的氧难以与键合丝表面的纳米级不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层相触，在纯铜合金键合丝表面保留自然形成的键合丝表面的不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层的极薄氧化膜层的状态下不再扩大。200～1,000μg/m2的范围可以通过纯水高温烫洗及超声波冲洗、或者有机高分子化合物超稀溶液浸渍来控制，稀溶液浸渍更佳。因为总有机碳量(TOC值)的变化小。
有机碳层可以使用专利文献5第0012段的润滑油成分，虽然这些对纯铜合金都具有还原作用，但水溶性醇衍生的有机碳层最理想。采用水溶性醇衍生的有机碳层，是因为醇对纯铜合金具有更强的还原性。因此，可以将纯铜合金键合丝浸渍于极低浓度的乙醇水溶液中，在保留键合丝表面的不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层的状态下，在键合丝的整个面上设置极薄的有机碳层。此外，对键合丝表面进行酸洗，在没有不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层的状态下，即使形成了有机碳层，但由于键合丝表面是有活性的，因此，大气中的氧会与键合丝表面的铜(Cu)直接反应，形成饱和的铜氧化物(Cu2O)层。因此，键合丝表面不应进行酸洗。
水溶性醇有乙醇、甲醇、1-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-甲基-2-丙醇、乙二醇、甘油等。乙醇、甲醇或异丙醇衍生物更佳。
本发明的键合丝表面的不饱和铜氧化物(Cu2-xO)层、有机碳层及镀覆材料均极薄，因此，在第一次键合的FAB键合时会蒸发或向球内分散并消失。但是，槽部相对较厚，因此，可能膨胀成洋葱状并消失。此外，第二次键合的超声波键合时，与纯铜合金键合丝表面松散结合的铜氧化物(Cu2-xO)层及有机碳层也会因超声能量而发生热分解，这也会消失。但是，槽部比较抗变形，因此，可能向与键合丝长度方向垂直的方向逐渐扩大并消失。
使本发明的拉丝加工面的整个面上形成有机碳层，是因为如果存在未形成有机碳层的部位，即使只有一部分，也存在大气中的氧(O)经此结合的危险。
此外，使有机碳层的厚度为总有机碳量(TOC值)50～3,000μg/m2，是因为球焊用键合丝的线径一般为15～25μm，可以根据总有机碳量(TOC值)通过计算简单地算出有机碳层的理论厚度。
此外，在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该镀覆材料采用规定的高纯度贵金属，是因为对于芯材铜合金的抗氧化效果高。
另外，该芯材采用质量百分比纯度99.99％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属占质量百分比0.5～5％、且其余部分由质量百分比纯度99.99％以上的铜(Cu)构成的铜合金，是因为这些贵金属合金元素会延迟铜(Cu)的氧化，同时，当芯材具有贵金属表面偏析层时，与贵金属等镀覆材料的键合性会变得更好。
此外，在本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构中，该贵金属等为金(Au)、银(Ag)或铂(Pt)占质量百分比5～20％、且其余部分由质量百分比纯度99.99％以上的钯(Pd)构成的钯合金，则更佳。
镀覆材料厚度上限的状态应是镀覆材料球状体在该卷云状槽中排列的海岛结构。因为如果更厚，则该卷云状槽将被镀覆材料覆盖，形成“镀层”，使用贵金属时，则会提高价格。此外，还因为球焊时，“镀层”材质和厚度的影响会变强，难以形成正球形的熔球，同时，超声波键合时的工艺窗口范围会变小。另外，镀覆材料也可以是不同贵金属的层状结构。
镀覆材料厚度下限的状态应是该镀覆材料的表面形态是以可以看见该芯材的金属色的部分与不能看见该金属色的镀覆材料的贵金属等的金属色部分的马赛克纹样形成的。马赛克纹样下有芯材的晶粒边界，因此，通过马赛克纹样，阻碍了大气中的氧与芯材的结合。但是，如果理论膜厚薄到不到次埃米，则马赛克纹样会消失，就不能防止芯材氧化了，因此，应存在马赛克纹样。
发明效果
如果采用本发明的超声波键合用镀覆铜丝结构，由于芯材上成型有沿该键合丝长度方向的多条卷云状槽，因此，超声波键合时，这些槽就会变成一对U形/倒U形结构，可以使超声波键合性稳定。即，即使线材变细，但由于芯材上成型有沿该键合丝长度方向的多条卷云状槽，因此，具有可以更广泛地采用超声波设定条件，廉价地获得稳定的键合强度的效果。因此，可以实现超声波键合用镀覆铜丝的细线化。此外，通过多条卷云状槽，可以防止芯材表面形成的不饱和铜氧化物(Cu2-xO)的扩大，延迟铜氧化物(Cu2O)层的形成。另外，形成熔球的键合丝时，也可以不受镀覆材料厚度的影响，在镀覆材料材质不限的情况下获得比较稳定的正球形球。此外，镀覆铜丝表面形成了有机碳层时，即使存在可以看到芯材的金属色的部分，也可以进一步延迟键合丝表面的氧化。即，从键合丝制造出来到在产品中使用为止，即使经过一定期间，纯铜合金键合丝表面也不会与大气中的氧(O)结合，形成饱和的铜氧化物(Cu2O)层。此外，如果采用本发明的纯铜合金键合丝截面结构，即使反复键合，毛细管也不会发生污染。另外，如果采用本发明的镀覆铜丝结构，则不受镀覆材料的影响，因此，优质芯材的金属成分的第一次键合及成环的键合特性都会变好。因此，本发明的超声波键合用镀覆铜丝可以保证键合丝在开始使用前的产品寿命。
附图说明
图1显示本发明的超声波键合用镀覆铜丝的表面状态。
图2显示对本发明的超声波键合用镀覆铜丝实施超声波键合时坍塌部位的表面状态。
具体实施方式
实施例
将具有表1所示芯材和镀覆材料的成分组成的纯铜合金丝(铜(Cu)及银(Ag)为质量百分比纯度99.9999％以上，其他合金成分分别为质量百分比纯度99.99％以上)均匀熔铸后，一边进行中间热处理一边进行滚轧，得到直径1mm的粗丝。在该粗丝的外周上形成次μm米～几μm的槽，镀上镀覆材料。然后，采用湿式通过金刚石模具连续拉丝，最后得到15μm的键合丝。实施例1～实施例19产品的理论膜厚均为5nm。此外，平均缩径率为6～20％，最终线速度为100m/分钟。
另外，用于后述的实施例产品的第二窗口试验与表面形态拍摄的键合丝为另外制作。
[表1]
(第二窗口试验)
利用超声波装置的第二窗口试验是在X轴上将超声波电流在从10mA到130mA的范围内以10mA为间隔分为13段，在Y轴上将焊接压力在从10gf到100gf的范围内以10gf为间隔分为10段后，计算全部130个区域中可键合区个数的试验。在表2所示的示例中，对于具有实施例1的成分组成的刚制造的直径30μm的键合丝，采用K&S公司产全自动键合机ICONN型超声波装置，以120kHz的频率在镀银引线框架(QFP-200)上对各窗口进行了1000根第二窗口试验。表2所示的示例时的可键合区(白色格子)的个数为65个。不到或键合机停止的区域(网纹格子)的个数也是65个。从该试验结果可知，线径粗、超声波输出大的键合丝时，可以适当地使缩径前波纹状槽的间隔和深度等变形。
[表2]
(实施例产品的表面形态)
用激光显微镜(基恩士公司产VK-971)拍摄采用具有实施例1产品的成分组成的刚制造的直径18μm的键合丝形成FAB时未受到热影响的部位及超声波键合时坍塌部位的表面状态的结果分别如图1、图2所示。从图1可以明显看到椭圆体钯(Pd)粒子沿键合丝长度方向排列、分散于纯铜合金丝上的海岛结构。按照JIS B0601和B0031测量10处时的平均粗糙度(RZ)为1.4μm。
此外，图1和图2所示的包住芯材周围的钯(Pd)镀覆材料的理论膜厚为5nm。利用FIB将该键合丝切断，利用2万倍的扫描电镜观测了切断部位的截面，没有看到钯(Pd)镀覆材料的膜。
然后，将表1所示的镀覆铜丝(实施例1～实施例19产品)连续浸渍于纯水或各种浓度的有机化合物溶液中后，以各自的最佳温度进行调质热处理，得到本发明的超声波键合用镀覆铜丝(实施例1～实施例19产品)。
(总有机碳量(TOC)的测量)
总有机碳量(TOC)的测量如下所示。
总有机碳量的测量为，分别称量10,000m纯铜合金键合丝，加入200g的0.1N-NaOH水溶液，用水浴煮沸30分钟，进行萃取，冷却后加入2.5ml的8N-HCl，轻轻振荡，在高纯度空气下起泡15分钟。将其放入岛津制作所产TOC-5000型有机碳分析仪中，测量有机碳浓度，根据该值计算总有机碳重量，除以20μm直径的纯铜合金键合丝的表面积，作为表面的非离子表面活性剂的总有机碳量。
(实施例产品的第二窗口试验)
接着，在20℃×湿度30％的洁净室内将上述本发明的球焊用纯铜合金键合丝(实施例1～实施例19产品)保管72小时前后，进行如表2所示的第二窗口试验，得到表3的结果。
[表3]
此外，第二窗口试验好坏的判定为，在全部130个区域中，可键合区为15个以上则标○，10～14个标●，5～9个标△，4个以下标×。但是，对于超声波装置的输出，根据键合丝的线径适当地规定最佳频率(40～120kHz左右)与最佳输出(0.1～5W左右)。
[比较例]
与实施例一样，分别从直径1mm的粗丝得到直径15μm的键合丝，连续浸渍于表1所示的各种浓度的有机化合物溶液中，得到比较例的球焊用纯铜合金键合丝(比较例1～比较例4产品)。此外，平均缩径率为6～20％，最终线速度为150m/分钟。
比较例1产品的包住质量百分比纯度99.99％的纯铜合金芯材周围的钯(Pd)镀层的理论膜厚为0.05nm。镀覆材料形成均匀的层，看不到镀覆材料的马赛克纹样。
比较例2产品的包住质量百分比纯度99.99％的纯铜合金芯材周围的钯(Pd)镀层的理论膜厚为20nm。镀覆材料形成均匀的层，看不到镀覆材料球状体排列的海岛结构。
比较例3产品的包住质量百分比纯度99.99％的纯铜合金芯材周围的钯(Pd)镀层的理论膜厚为5nm。经高温700℃的调质热处理后，镀覆材料的海岛结构已经消失。
比较例4产品的包住质量百分比纯度99.99％的纯铜合金芯材周围的钯(Pd)镀层(表层为金(Au)和钯(Pd)的混合层)的理论膜厚为80nm，线径比传统产品(20μm)更细(15μm)。
接着，对在20℃×湿度30％的洁净室内将该比较例1～比较例4产品保管72小时前后的比较例的球焊用纯铜合金键合丝进行如表2所示的第二窗口试验，得到表3的结果。
从超声波的第二窗口试验明显可知，球焊用纯铜合金键合丝(实施例1～实施例19产品)的可键合区均为11个以上，即使键合条件稍有变化，也可以实现稳定的超声波键合。而比较例的球焊用纯铜合金键合丝(比较例1～比较例4产品)，即使是刚制造的键合丝，也最多只有5个可键合区。而且，制造后在20℃×湿度30％的洁净室内保管了72小时的比较例产品最多只有3个可键合区，键合条件只改变一点点，可键合区就会偏离，不能实现优良的键合。
此外还知，本发明及比较例的球焊用纯铜合金键合丝(实施例1～实施例19产品、以及比较例1～比较例4产品)在键合次数超过1万次后均未发生毛细管堵塞，与迄今为止一样，毛细管滑动性优良。
工业适用性
本发明的超声波键合用镀覆铜丝除了通用IC、分立IC、内存IC外，还具有既要求高温高湿用途又要求低成本的LED用IC封装、汽车半导体用IC封装等半导体用途。

Claims (11)

1.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料沿该芯材的晶粒边界形成的表面形态。
2.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料沿该芯材的晶粒边界形成的表面形态，该镀覆铜丝的表面存在总有机碳量(TOC值)为50～3,000μg/m2的有机碳层。
3.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料形成海岛结构中的球状体岛屿的表面形态。
4.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料形成海岛结构中的球状体岛屿的表面形态，该镀覆铜丝的表面存在总有机碳量(TOC值)为50～3,000μg/m2的有机碳层。
5.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料以可以看见该芯材金属色的部分与可以看见该镀覆材料的抗氧化性贵金属或贵金属合金的金属色的部分的马赛克纹样形成的表面形态。
6.超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，是由镀层和纯度99.99质量％以上的纯铜合金或铜合金构成的芯材构成的镀覆铜丝结构，该芯材表面是环状成型有多条沿该铜丝长度方向的卷云状槽、该芯材上镀覆了由贵金属或贵金属合金构成的镀覆材料、且镀覆材料以可以看见该芯材的金属色的部分与可以看见该镀覆材料的抗氧化性贵金属或贵金属合金的金属色的部分的马赛克纹样形成的表面形态，该镀覆铜丝的表面存在总有机碳量(TOC值)为50～3,000μg/m2的有机碳层。
7.如权利要求2、4或6的任意一项中记载的超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，该总有机碳量(TOC值)为200～1,000μg/m2。
8.如权利要求1～6的任意一项中记载的超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，该镀覆材料是由纯度99.99质量％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属。
9.如权利要求1～6的任意一项中记载的超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，该芯材为含有纯度99.99质量％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属，且其余部分由纯度99.99质量％以上的铜(Cu)构成的铜合金。
10.如权利要求1～6的任意一项中记载的超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，该芯材为纯度99.99质量％以上的金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)、或者这些的合金构成的高纯度贵金属占质量百分比0.5～5％，且其余部分由纯度99.99质量％以上的铜(Cu)构成的铜合金。
11.如权利要求1～6的任意一项中记载的超声波键合用镀覆铜丝结构，其特征在于，该超声波键合用镀覆铜丝是无空气焊球用键合丝。
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