JP2005138113A - ボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法およびこれを用いて製造されたボンディングワイヤ - Google Patents

ボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法およびこれを用いて製造されたボンディングワイヤ Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体素子（４）パッドに接着したボール（２）の直上部（３）において、ボンディングワイヤ（１）が傾斜し、そのループ上部（１ａ）が、隣接するボンディングワイヤのループ上部（１ｂ）に近接するリーニング不良の発生を抑制する。
【解決手段】 ルツボ下部から徐冷してインゴットを鋳造する方法、ないしは、連続鋳造法によりインゴットを鋳造する方法において、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させる。当該鋳造方法により鋳造されたインゴットを使用することで、添加物が主成分の金属中に均一に分散されたボンディングワイヤを製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子のチップと外部リードを電気的に接続するために使用されるボンディングワイヤおよびボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法に関する。
半導体素子上の電極と外部リードとを接続するために用いられるボンディングワイヤを製造するためには、まず、所定組成のインゴットを製造し、その後、当該インゴットをロール加工または直接ダイス加工により、中間線径まで加工する。この中間線径の材料をダイヤモンドダイス等により、たとえば、１５μｍ、３０μｍなどの所定線径まで縮径伸線加工し、さらに、最終焼鈍により加工歪みを除去して、ボンディングワイヤとする。
ボンディングワイヤ用インゴットを鋳造するためには、溶湯を収容する容器、例えばインゴットケースを加熱装置の下部から徐冷しつつ引き抜く方法と、溶解炉の下部から水冷式ダイスを介して溶湯を徐冷しつつ凝固させて引き抜く連続鋳造法による場合がある。
図２に、インゴットケースであるルツボを炉（７）の下部から徐冷しつつ引き抜いてインゴットを鋳造する方法を示した。この場合、ルツボは下部から上部へと徐冷される。この鋳造方法では、炉（７）内において、溶湯を収容したルツボ（５）を炉内上部から下部方向へ移動させることにより、炉（７）から出たルツボ（５）の下部より、徐冷により溶湯が凝固することにより、ひけ巣（空洞）のないインゴット（６）が鋳造される。この場合、引き抜き速度は１０〜４０ｍｍ／分が一般的である。
図３に、連続鋳造法による場合を示した。この鋳造方法では、炉（１５）内に設置されたルツボ（９）の中に溶湯（１０）を流し込み、溶湯（１０）を水冷ジャケット（１１）により冷却されたダイス（１２）を通過させて凝固することにより、インゴット（１４）が鋳造される。この場合、引き抜き速度は１０〜３００ｍｍ／分である。
このようにして製造されるボンディングワイヤは、半導体素子ならびにパッケージサイズの小型縮小化に対応させるため、細線化と共に、より高い引張強度の実現が図られてきた。すなわち、半導体素子が小さくなると、半導体素子上の電極も小さくなるため、ワイヤボンディングの際に、ボンディングワイヤの先端に溶融形成されるボールのサイズも、小さくなった電極に合わせて、小さくしなければならない。そのため、ボンディングワイヤの線径も細線化しなければならず、細くなったボンディングワイヤの断線を防止するために、単位面積当たりの引張強度を３０ｋｇ／ｍｍ2 程度に高めることが必要である。
さらに、近年、半導体素子の高集積化ならびにパッケージの小型縮小化の進行に伴って、ワイヤ間隔（ボンディングピッチ）が狭まり、また、ボンディングワイヤのループ長も、４ｍｍや５ｍｍのように長くなっている。このため、角度にしてきわめて小さな曲がりやリーニング不良があると、隣り合うボンディングワイヤ同士が接触しやすくなり、ショート不良が多発するという問題がある。
図１に、ワイヤボンディング後のボンディングワイヤを側面図で示す。ワイヤボンディングにより形成されたボンディングワイヤのループが伸長する方向、すなわちボンディングワイヤが直線に見える方向から見た状態を図示している。
リーニング不良とは、半導体素子（４）のパッドに接着したボール（２）のすぐ上の部分であるボール直上部（３）において、ボンディングワイヤ（１）が横方向に傾斜し、傾斜したボンディングワイヤ（１）のループ上部（１ａ）が、隣接するボンディングワイヤのループ上部（１ｂ）に近接している状態をいう。こうした状態は、電気的ショートの原因となるため、リーニング不良の発生したパッケージは不良品として処理され、製品歩留りを大きく低下させる要因となっている。
リーニング不良を低減する方法の一つとして、材料の均質化が挙げられる。しかし、先に述べた通り、パッケージの小型化により引張強度を高める必要があり、添加物の総量は、ますます多くなる傾向にあり、０．００２％位になると、均質化を確保するのは難しくなっている。そこで、多くなった添加物を、均一に分散することが可能な溶解鋳造方法が求められている。
本発明は、ボンディングワイヤの製造において、添加物を均一に分散させることが可能なボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法を提供し、これにより、狭いボンディングピッチであっても、ワイヤボンディング時におけるリーニング不良の発生を抑制できるボンディングワイヤを提供する。
本発明に係るボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法の一態様では、加熱装置内に配置されて溶湯を収容したインゴットケースを加熱装置の下部から引き抜きつつ溶湯を凝固させる際に、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させることを特徴とする。
別の態様では、加熱装置内に配置された容器内に収容された溶湯を該容器の下部から水冷式ダイスを介して引き抜きつつ凝固させてボンディングワイヤ溶インゴットを連続鋳造法で形成して鋳造する際に、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させることを特徴とする。
上記方法は、任意の種類のボンディングワイヤを製造するために用いられるインゴットの鋳造に適用しうるが、特に、添加物の総量が０．００２質量％以上であり、金を主成分とするボンディングワイヤの製造において適用することが好ましい。ここに添加物は、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素の少なくとも１元素である。
本発明により、リーニング不良の発生を抑えるボンディングワイヤが提供され、よって、半導体素子のさらなる小型化、高密度化を達成することができる。
本発明に係るボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法は、ルツボを下部から上部へと徐冷してインゴットを鋳造する方法、ないしは、連続鋳造法によりインゴットを鋳造する方法において、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させる。
図２に示したルツボを下部から上部へ徐冷する方法においては、溶湯と凝固部分の界面（８）の相対移動速度は、１１００℃以上で金の融点以下に保持された炉（７）の温度および炉外に出された距離により制御される。すなわち、炉外に出された距離が長い程、また、炉（７）の温度が低い程、溶湯と凝固部分の界面（８）の移動速度は速くなる。
図３に示した連続鋳造法においては、溶湯と凝固部分の界面（１３）の相対移動速度は、溶湯の温度（１１００℃以上）、水冷温度（約３０℃）およびインゴット引出し速度（１０〜３００ｍｍ／分）により制御されるが、一般的には、インゴット引出し速度と同等である。
本発明者らは、一般に１％以上の添加では冷却速度が遅いと偏析が発生し易いことに着目し、ボンディングワイヤのような１％以下の添加領域でも偏析により均一性が損なわれる可能性があることに着目した。そのため、種々実験を繰り返した結果、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させることにより、組成に含まれる添加物を主成分となる金属中に均一に分散させることができるとの知見を得た。
相対移動速度が２０ｍｍ／分未満では、凝固時に固体液体間の組成に差が生じ、後で凝固する部分に添加物が濃縮されることが予想される。実際、インゴットの上部では、添加物の濃縮が確認される。また、インゴットの表面と内部でも、同様な原理により偏析が生じているものと考えられるが、微小領域での現象であることもあり、分析では証明されていない。相対移動速度は２０ｍｍ／分以上であれば、速度の制限はないが、実操業上は、生産性向上のため、より速い速度が望まれる。冷却能力を考慮すると、比較的、冷却速度を速められる連続鋳造でも、最大３００ｍｍ／分までの範囲で行う。
これにより、引張強度を高めるために添加される添加物の総量が、０．００２質量％以上となるような場合においても、主成分となる金属中に該添加物がきわめて均一に分散されたインゴットを鋳造でき、当該インゴットを使用することにより、リーニング不良の発生を抑制できるボンディングワイヤを製造できる。添加物の総量の上限は、金線の場合、最大でも１％である。
（実施例１〜１０、比較例１〜３）
純度９９．９９９％（５Ｎ）まで精製したＡｕに、表１に示すＣａ、Ｂｅ、希土類元素からなる添加物を溶かし込み、表１に示す鋳造方法および溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度により、インゴット（寸法２５ｍｍφ）を鋳造した。
得られたインゴットから、縮径伸線と途中焼鈍を実施して、最終線径を２５μｍとした後、常温での伸び率が４〜６％となるように最終焼鈍（連続焼鈍）を施し、ボンディングワイヤを得た。
得られたボンディングワイヤについて、内径３０μｍのキャピラリーを用いて、ワイヤ間隔６０μｍ、ループ長５ｍｍ、ループ高さ２８０μｍにて、３８２０本のワイヤボンディングを行った後、隣接するボンディングワイヤ同士のループ上部の間隔を、測定顕微鏡（オリンパス社製）で測定し、該間隔が４０μｍ以下を、リーニング不良と判定した。その試験結果を表１に示す。
試験結果に見られるように、本発明の実施例１〜１０におけるリーニング本数は、比較例１、２におけるリーニング本数と比べて１／１０程度で、本発明はリーニング不良の防止に効果のあることが分かる。
比較例３は、総添加量が０．００２質量％未満の例であるが、本発明の実施例１〜１０と比較して、リーニング本数はやや多かったが、比較例１、２に比較すると少なかった。これは、添加量の総量が０．００１質量％と厳しくしているからであり、この結果、相対移動速度が低くても、成分の偏析が生じなかったと思われるが、引張強度が２０ｋｇ／ｍｍ2 で他の例と比較して劣っていた。
Figure 2005138113
ワイヤボンディング後のボンディングワイヤを示す側面図である。 ルツボ下部から徐冷することによりインゴットを鋳造する装置を示す断面図である。 連続鋳造法によりインゴットを鋳造する装置を示す断面図である。
符号の説明
１ ボンディングワイヤ
１ａ、１ｂ ループ上部
２ ボール
３ ボール直上部
４ 半導体素子
５ ルツボ
６ インゴット
７ 炉
８ 溶湯と凝固部分の界面
９ ルツボ
１０ 溶湯
１１ 水冷ジャケット
１２ ダイス
１３ 溶湯と凝固部分の界面
１４ インゴット
１５ 炉

Claims (3)

  1. 加熱装置内に配置されて溶湯を収容したインゴットケースを、加熱装置の下部から引き抜きつつ溶湯を凝固させてボンディングワイヤ用インゴットを形成する方式の鋳造方法において、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させることを特徴とするボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
  2. 加熱装置内に配置された容器に収容された溶湯を、該容器の下部から水冷式ダイスを介して引き抜きつつ凝固させてボンディングワイヤ用インゴットを連続鋳造で形成する鋳造方法において、溶湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／分以上として凝固させることを特徴とするボンディングワイヤ用インゴットの連続鋳造方法。
  3. 請求項１または２の鋳造方法を用いて製造され、添加物の総量が０．００２質量％以上であり、金を主成分とするボンディングワイヤ。
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