JP2003166082A - 半導体素子のボンディング用銅極細線 - Google Patents

半導体素子のボンディング用銅極細線

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JP2003166082A JP2001366428A JP2001366428A JP2003166082A JP 2003166082 A JP2003166082 A JP 2003166082A JP 2001366428 A JP2001366428 A JP 2001366428A JP 2001366428 A JP2001366428 A JP 2001366428A JP 2003166082 A JP2003166082 A JP 2003166082A
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copper
wire
bonding
copper wire
semiconductor element
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Keiichi Ishizuka
慶一 石塚
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子ボンディングのセカンド側接合強
度に関し、大気中少なくとも３０日間の経時劣化を抑制
できる半導体素子のボンディング用銅極細線を提供する
こと。 【解決手段】 銅極細線に酸化防止被覆をし、該酸化防
止被覆が環式アミンを含みかつ銅極細線表面の平均膜厚
が２．５〜１２nmである半導体素子のボンディング用銅
極細線。銅極細線をスプールにクロス多層巻きにする。
非酸化性雰囲気とした気密性袋内に封入する。

Description

【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上の電極
と外部リードを接続する為の銅極細線に関し、さらに詳
しくはセカンド側接合性に優れ金極細線の代替えとして
好適な半導体素子のボンディング用銅極細線に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から半導体装置の実装において、半
導体素子上の電極と外部リードを接続する極細線として
は、金極細線（以下「金線」ともいう）が信頼性に優れ
ているとして多用されているが、金線の代替品として経
済的に有利な銅極細線（以下「銅線」ともいう）の使用
が検討されてきた。
【０００３】通常半導体装置は、前記接続する方法とし
て、極細線として金線を用いたボールボンディング法が
主として用いられ、その後樹脂封止して半導体装置とさ
れている。
【０００４】ボールボンディング法により接続する方法
に於いては、繰り出された金線はボンディングツールと
してのキャピラリーに導入され、次いでそのツールの出
口側に導出された金線の先端を加熱溶解してボールを形
成した後、該ボールを半導体素子のＡｌ電極上に押圧
し、キャピラリーをＸＹＺ方向（前後、左右、上下方
向）に移動させて所定のループ形状を形成し、外部リー
ドにボンディングした後、金線を切断してワイヤボンデ
ィングする方法がとられている。ここでボールボンディ
ング法により配線し、ループを形成した状態を図１に示
す。１は半導体素子、２は半導体素子上のＡｌ電極、３
は金線、４はリードフレーム、５はファースト側接合
点、６はセカンド側接合点である。
【０００５】ここで、極細線として金線に替えて銅線を
用いると、銅線は酸化を起こしやすく前述のボールボン
ディング法によるボール形成時にボールが硬くなる欠点
がある。そこで本出願人は銅線表面に界面活性剤を塗布
して前述のボールが硬くなることを抑制し、ボールのボ
ンディング強度の低下を抑制する、即ちファースト側接
合点での接合強度の低下を抑制する銅線を特開昭６２−
７８６８２号公報で提案した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述の表
面に界面活性剤を塗布した銅線を用いてボールボンディ
ングするワイヤボンディング方法ではファースト側接合
点での接合強度は一応の成果が得られるものの、セカン
ド側接合点での接合強度不足が問題となってきた。
【０００７】ここで本発明者がセカンド側接合上の問題
を詳細に検討したところ、銅線は大気中に放置されるこ
とによりセカンド側接合強度の点で経時劣化を生じてい
るとの知見を得た。この大気中に放置される時間として
は、前記ボールボンディングを実施する作業工程の都合
上、大気中に放置された状態で少なくとも３０日間の経
時劣化の抑制が求められている。
【０００８】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、前述のセカンド側接
合強度の点で、大気中において少なくとも３０日間の経
時劣化を抑制出来る半導体素子のボンディング用銅極細
線を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者はここで鋭意検
討の結果、半導体素子のボンディング用銅極細線の表面
に塗布する酸化防止被膜を所定膜厚としかつ環式アミン
を用いることにより本発明の課題を達成出来るという知
見を得た。即ち本発明は下記を提供することによりセカ
ンド側接合強度の点で、大気中において少なくとも３０
日間の経時劣化を抑制出来るものである。
【００１０】すなわち、本発明によれば下記が提供され
る。
【００１１】（１）銅極細線に酸化防止被覆をし、該酸
化防止被覆が環式アミンを含みかつ銅極細線表面の平均
膜厚が２．５〜１２nmであることを特徴とする半導体素
子のボンディング用銅極細線。
【００１２】（２）銅極細線をスプールにクロス多層巻
きにした（１）記載の半導体素子のボンディング用銅極
細線。
【００１３】（３）非酸化性雰囲気とした気密性袋内に
封入された（１）又は（２）記載の半導体素子のボンデ
ィング用銅極細線。
【００１４】
【発明の実施の形態】（１）組成 ｉ）銅原料としては一般的に９９．９９質量％以上、好
ましくは９９．９９５質量％以上、特に９９．９９９質
量％以上に精製した高純度銅が用いられる。
【００１５】ii）本発明になるボンディングワイヤの組
成は、高純度銅又は脱酸剤として用いたＰ，Ｂ，Ｍｇ等
を所定量残留させて含有したり、必要に応じて他の銅合
金組成として用いることが出来る。この中でもＰを４０
〜４００質量ppm 含有したリン脱酸銅が好ましく用いら
れる。リン脱酸銅は図１に示す配線した図においてファ
ースト側接合の為のボール形成の際、ボールの酸化を抑
制しファースト側接合強度の向上に優れた効果を有して
いる。 （２）製造方法 本発明のボンディング用銅極細線の製造方法は、所定の
高純度銅又は銅合金組成材料を用いて鋳造、伸線加工、
最終アニールする製造方法に加えて、所定の表面被覆処
理を施すことを特徴とするものである。
【００１６】ｉ）鋳造／伸線加工工程 先ず、高純度銅又は銅合金組成材料の鋳造工程では、一
般的には直径１０〜５０mm、長さ１００〜５００mmのイ
ンゴットを得る。該インゴットは、押出又は粗圧延を行
った後、極細線に伸線加工する。本発明になる半導体素
子のボンディング用銅極細線としては、直径が１０〜１
００μｍの極細線のものが好ましく用いられ、さらに好
ましくは直径が１５〜５０μｍである。
【００１７】ii）アニール工程 半導体素子のボンディング用銅極細線としての最終線径
に伸線加工した後、アニール処理を行い当該ワイヤを軟
化処理する。使用目的に対応して伸び率２〜２５％、好
ましくは６〜２０％に調整して用いる。アニール工程の
後表面洗浄処理を行うことは表面処理前準備として好ま
しい。
【００１８】iii)表面処理工程 アニールされた銅線は、表面酸化防止膜として環式アミ
ンを被覆して用いる。
【００１９】環式アミンとしては、トリアゾール及びそ
の誘導体、ベンゾトリアゾール及びその誘導体、例え
ば、１−メチルベンゾトリアゾール、ジカルボキシプロ
ピルベンゾトリアゾール、４−＆５−メチル−１Ｈ−ベ
ンゾトリアゾール混合物、９−（１Ｈ−ベンゾトリアゾ
ール−１−メチル）−９Ｈ−カルボアゾール及びジメチ
ル−ベンゾトリアゾールハイドレートなど、イミダゾー
ル及びその誘導体、例えばヒスタミン、ヒスチジン及び
ピロカルピンなど、ベンズイミダゾール及びその誘導
体、例えばジメチルベンズイミダゾール、プリン及びそ
の誘導体、その他を例示することができる。これらのう
ちでも、ベンゾトリアゾール、１−メチルベンゾトリア
ゾール、ジカルボキシプロピルベンゾトリアゾール、４
−＆５−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール混合物、９
−（１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メチル）−９Ｈ−
カルボアゾール、ジメチル−ベンゾトリアゾールハイド
レードが好ましい。更に１−メチルベンゾトリアゾール
及び４−＆５−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール混合
物は大気中に放置した時の経時劣化性能が特に優れてい
る。
【００２０】環式アミンの被覆を行なうに当っては、環
式アミンの含有率が０．０２〜０．２質量％になるよう
に溶液中に溶解した溶液を用いることが好ましい。溶液
媒体としては水溶液でも、アルコール等の有機溶媒の何
れでも良い。表面処理方法としては銅線を前記溶液中に
スプールのまま浸漬させたり、或いは走行中に浸漬させ
ることが好ましい。又銅線の走行中に前記溶液を液滴や
噴霧状にして塗布しても良い。
【００２１】iv）平均膜厚 本発明の銅極細線表面の酸化防止膜の膜厚は平均で２．
５〜１２nmの範囲内とする。
【００２２】本発明の被覆剤を用いて前記表面処理工程
で得られた銅極細線表面の平均膜厚が２．５〜１２nmの
時セカンド側接合強度が優れていると共に大気中に少な
くとも３０日間放置してもその経時劣化を抑制出来ると
いう優れた効果を有している。この中でも該平均膜厚が
２．５〜７．５nmのものはセカンド側接合強度及びその
経時劣化抑制の点で更に優れた効果を示すため好ましく
用いることが出来る。
【００２３】平均膜厚が２．５nm未満の時セカンド側接
合強度の点で経時劣化が顕著になってくる。又平均膜厚
が１２nmを超えると大気中に放置される前においてもセ
カンド側接合強度が得られない。
【００２４】ここで前述の平均膜厚は次の方法で測定し
たものである。まずオージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用
いて表面処理した銅極細線表面に電子線を入射させ散乱
電子のエネルギー分析をして原子の種類とそのスパッタ
リング時間（ｔ秒）を検出した。ここでＡＥＳの円筒鏡
型分析器（ＣＭＡ）条件としては加速電圧５KV、試料電
流０．０３μＡ、エミッション電流４５μＡとし、イオ
ンガン条件としては加速電圧４KV、レーザーサイズ４×
４mm、Ａｒ圧力１０MPa を用いた。次いで検出した有機
物原子のスパッタリング時間ｔ（秒）と式ｈ（Å）＝
（５／６）ｔ（秒）から得られる膜厚ｈ（Å）を平均膜
厚とした。ここで前式はＡＥＳによるＳｉＯ2 の膜厚ｈ
（Å）とスパッタリング時間ｔ（秒）との関係式である
為、平均膜厚とは有機物原子のスパッタリング時間ｔ
（秒）をＳｉＯ2 の膜厚ｈ（Å）からさらにｈ（nm）に
換算した。
【００２５】本発明の酸化防止膜の膜厚は上記の如く環
式アミンを被覆した後ＡＥＳで測定したものである。そ
のため、銅極細線表面の環式アミンの被覆の下側に存在
する場合には潤滑剤（界面活性剤）など前処理工程の残
存物（熱処理しても残存することがある）も含む膜厚に
なっている。このように本発明では銅極細線の表面に環
式アミンの被覆を有し、酸化防止膜の膜厚が２．５〜１
２nmであることが要件である。勿論、表面酸化防止膜の
全部が環式アミンからなることが好ましいが、一部が他
のもので置換されていてもよいものである。
【００２６】ｖ）巻き替え工程 このように表面処理された銅線は巻き替え工程でスプー
ルに巻き替えて製品とする。各スプールへの巻き替え長
さは１００〜３０００ｍが好ましく、更に長尺巻きとす
ることが出来、最大長さを５，０００ｍや１０，０００
ｍにすると半導体実装の生産性向上にも好ましい。
【００２７】スプールへの巻き替え形態は整列多層巻
き、クロス多層巻きが用いられる。この中でもクロス多
層巻きの方がセカンド側接合強度の点で大気中での経時
劣化のバラツキが小さくなる為好ましく用いられる。
【００２８】クロス多層巻きの方が優れた効果を示す理
由は明らかではないが銅線同志の接触が整列多層巻きの
線接触に対してクロス多層巻きは点接触であることに起
因していると考えられる。金属の接触箇所には水分が毛
細管現象で進入し易い為、その蒸発に伴い水分の進入と
蒸発が繰り返され、接触箇所が過酷な環境に晒されるこ
とが考えられる。この為接触の態様が点接触であるクロ
ス多層巻きの方が優れた効果を示すと考えられる。 （３）製品の包装形態 環式アミンを含む酸化防止被覆を有する本発明の銅極細
線は、大気中に放置されてから少なくとも３０日間は劣
化が抑制されるので、半導体素子のボンディングに用い
てもファースト側のみならずセカンド側の接合強度も十
分に高いことが可能である。
【００２９】この酸化防止性能維持期間を有効に利用す
るために、本発明の銅極細線は製造後非酸化性雰囲気中
に保管した後、半導体素子のボンディング作業及び樹脂
封止に使用を開始するときに、大気中に取り出してその
作業に使用し、かつ、一旦大気中に取り出してからは銅
極細線（のスプール）を３０日以内に使い切るようにす
ることが推賞される。このようにすれば大気中での経時
劣化示してボンディング作業（及び樹脂封止）を終了す
ることができる。
【００３０】すなわち、銅極細線を製造後前記非酸化性
雰囲気中に保管した後、ボンディング作業を開始時に大
気中に取り出して作業に供し、必要都度使用しながら３
０日以内にボンディング作業を終了させるようにすれ
ば、銅線の製造後ボンディング作業の終了までの期間を
長期にすることが出来るという効果を有している。
【００３１】特には、スプールに多層巻きにした銅極細
線をスプールケースに収納した後、そのスプールケース
を内部が非酸化性雰囲気である塩化ビニール、ポリエチ
レン等の気密性袋に封入して保管、輸送することが最も
好ましい。このように内部を非酸化性雰囲気とした気密
性袋内に本発明の銅極細線を封入して保管、輸送して、
ボンディング作業開始時に気密性袋を開封して大気中に
取り出し少なくとも３０日以内にボンディング作業及び
樹脂封止作業を終了させるようにすれば、銅線の製造後
ボンディング作業の終了までの期間を長期にすることが
出来、作業工程全体の時間の管理が容易であるという効
果を有している。
【００３２】ここで非酸化性雰囲気としてはＮ2 やＡｒ
ガスを用いた不活性ガス雰囲気にしたり、真空に保持し
た雰囲気又はこれらの雰囲気に鉄粉等の脱酸素剤を封入
した雰囲気が例示出来る。
【００３３】
【実施例】（実施例１）９９．９９９質量％以上の高純
度銅を原料としてリンの含有量が２００質量ppm 、残部
が銅及び不可避不純物である組成であって、伸線加工、
アニール処理を施した直径２５μｍの銅線を準備した。
次いで表面処理被覆剤としてベンゾトリアゾールを水に
溶解し被覆剤濃度が０．０２質量％水溶液を準備した。
前記銅線を１００ｍ／分の速度で水溶液中を浸漬走行さ
せた。次いで巻き替え工程で表面処理銅線を１０００ｍ
単位でスプールにクロス多層巻きして試料を作成しその
平均膜厚を測定しその結果を表１に示す。
【００３４】該試料を用いてボールボンディング試験を
行い、図１に示す配線を行った。該ボンディング試験は
新川製ＵＴＣ４００ＢＩボンダーを用いてファースト側
接合、セカンド側接合を行って配線した。
【００３５】ここでセカンド側接合条件としてリードフ
レームはＡｇめっきを施したＦｅ−Ｎｉ合金平板を用い
て、これを２００℃に加熱し荷重４５gfで銅線側面をリ
ードフレーム上に熱圧着した。次いでセカンド側の接合
強度を次の要領で測定した。即ち、図２に示す配線のフ
ァースト側接合点５とセカンド側接合点６間の後者から
１／４の位置で銅線を上方に引っ張ってセカンド側接合
点での剥離荷重を測定した。試料数４０個の平均値をセ
カンド側接合強度とした。銅線をスプールにクロス多層
巻きして製造直後と製造後大気中での経過日数が３０日
のものについて各々セカンド側接合強度の測定を行いそ
の結果を表１に示す。
【００３６】（実施例２〜５ 比較例１〜３）被覆剤及
び被覆剤濃度を表１のようにして平均膜厚を表１のよう
にしたこと以外は実施例１と同様にして銅線を製造し
て、平均膜厚の測定及びセカンド側接合強度の測定を行
った。但し比較例１〜３の製造後大気中での経過日数が
３０日のものは何れも連続ボンディングでセカンド側接
合が出来なかった為測定を中止した。その結果を表１に
示す。
【００３７】（実験例１）実施例３の条件で製造したク
ロス多層巻きにした銅線を試料としてポリエチレン製袋
に入れて、該袋の内部を真空処理した後Ｎ2 ガスを封入
して後、該袋を密封した。
【００３８】製造直後と密封保管して後３００日目のセ
カンド側接合強度を測定した。その結果を表２に示す。
【００３９】（実験例２〜３）クロス多層巻きにした銅
線の製造条件を表２のようにした試料を用いたこと以外
は実験例１と同様にして保管試験を行い、セカンド側接
合強度を測定した。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】（試験結果） （１）銅極細線に環式アミンを被覆し、銅極細線表面の
平均膜厚を２．５〜１２nmである実施例１〜９のものは
セカンド側接合強度が５．２〜６．９gfと優れていると
共に、大気中に３０日間放置してもその経時劣化を抑制
出来、セカンド側接合強度を４．８gf以上に維持出来て
優れたものであることが判る。
【００４３】（２）銅極細線表面の平均膜厚が２．５〜
７．５nmである実施例１〜３及び実施例５〜９のものは
セカンド側接合強度が５．９〜６．９gfであり、大気中
に３０日間放置した時のセカンド側接合強度が５．５gf
以上と更に優れたものであることが判る。
【００４４】（３）環式アミンが１−メチルベンゾトリ
アゾール又は４−＆５−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾ
ール混合物である実施例５，７のものは平均膜厚７〜
７．５nmとして大気中に３０日間放置した時のセカンド
側接合強度が５．９gf以上と最も優れたものであること
が判る。
【００４５】（４）銅極細線表面の平均膜厚が２nmであ
る比較例１のものは大気中に３０日間放置した時、連続
ボンディングでセカンド側接合が出来なかった。
【００４６】（５）環式アミンを被覆して銅極細線表面
の平均膜厚が２０nmである比較例２のものは、セカンド
側接合強度が０．８gfであり、大気中に３０日間放置し
た時、連続ボンディングセカンド側接合が出来なかっ
た。
【００４７】（６）環式アミンに替えて脂肪酸エステル
を被覆して平均膜厚が８nmである比較例３のものは、セ
カンド側接合強度が１．５gfであり、大気中に３０日間
放置した時、連続ボンディングでセカンド側接合が出来
なかった。
【００４８】（７）実施例３で用いた本発明の銅線を非
酸化性雰囲気中に３００日保管した実験例１のものは、
セカンド側接合強度が５．９gfと優れたものであること
が判る。
【００４９】（８）比較例１，３で用いた銅線を非酸化
性雰囲気中に３００日保管した実験例２，３のものは、
セカンド側接合強度が１．５〜２．７gfと悪いものであ
ることが判る。
【００５０】（９）実験例１〜３から本発明の銅線は長
期保管が可能であることが判る。従って銅線の製造から
ボンディング作業の開始までは非酸化性雰囲気中に保管
し、ボンディング作業開始後は３０日以内に作業を終了
させることにより銅線の製造後ボンディング作業の終了
までの期間を長期にすることが出来、作業工程全体の時
間の管理が容易であるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボールボンディング方法によりボンディングし
た半導体素子を説明する図である。
【図２】半導体素子のボンディングにセカンド側の接合
強度の測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…半導体素子 ２…Ａｌ電極 ３…金線（銅線） ４…リードフレーム ５…ファースト側接合点 ６…セカンド側接合点 ７…銅極細線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 銅極細線に酸化防止被覆をし、該酸化防
    止被覆が環式アミンを含みかつ銅極細線表面の平均膜厚
    が２．５〜１２nmであることを特徴とする半導体素子の
    ボンディング用銅極細線。
  2. 【請求項２】 銅極細線をスプールにクロス多層巻きに
    した請求項１記載の半導体素子のボンディング用銅極細
    線。
  3. 【請求項３】 非酸化性雰囲気とした気密性袋内に封入
    された請求項１又は２記載の半導体素子のボンディング
    用銅極細線。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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