JP2005150166A - 極細線のワイヤボンディング方法 - Google Patents

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bonding
bonding method
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micro
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Kazuhiko Yasuhara
和彦 安原
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Tanaka Denshi Kogyo KK
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Abstract

【課題】 極細線の更なる細線化や高強度化が可能となり、半導体装置の組立て時の歩留まりの向上、半導体装置の更なる小型化及び薄型化が可能なワイヤボンディング方法を提供する。
【解決手段】 極細線の先端部を半導体素子上の電極パッドと接合する第１ボンディング工程と、電極パッドをリード端子と接続するために必要な長さの極細線を引き出す工程と、引き出された極細線１´とリード端子４とをステッチ接合によって結線する第２ボンディング工程とを含むワイヤボンディング方法において、前記極細線としてＡｕ極細線１´を用い、しかも前記第２ボンディング工程を、該Ａｕ極細線１´の表層近傍のみを選択的に加熱し（好ましくは、アーク放電８により）、表層近傍の酸化膜の還元をした後、その表層部をリード端子４へステッチ接合することにより行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、極細線のワイヤボンディング方法に関し、特にリードフレームのリード幅が微細な場合でも良好なステッチ接合が得られる第２ボンディング工程を含むワイヤボンディング方法に関する。
従来よりＩＣやトランジスタなどの半導体装置の組立てにおいては、金属細線の先端部を半導体素子上の電極パッドと接合し（第１ボンディング）、次いで電極パッドとリード端子との接合に必要な長さの金属細線をツールから引き出し、引き出した金属細線をリード端子とステッチ接合する（第２ボンディング）ことにより行なわれている。この金属細線とリードフレームのリード端子とのワイヤボンディングにおける第２ボンディング方法は、超音波や熱によるステッチ接合が一般的である。
図１の（ａ）〜（ｅ）に従来のワイヤボンディング方法の各工程を示す。
先ず、図１の（ａ）に示すようにキャピラリー６に金属細線１を通し、その先端にボール５を形成させた後、該ボール５をキャピラリー６を用いて、例えば半導体素子２上の電極パッド３に圧着する（第１ボンディング）。次に図１の（ｂ）に示すようにキャピラリー６から金属細線１を引き出し、図１の（ｃ）及び（ｄ）に示すように例えばリード端子４に向かって最終的な接続状態における形状となるように、キャピラリー６を移動する。さらに図１の（ｅ）に示すようにキャピラリー６の先端でリード端子４上に金属細線１を圧着する（第２ボンディング）。そしてクランパ７により金属細線１をはさんで引っ張り、金属細線１を切断する。
前記第２ボンディングのステッチ接合は、前記したようにキャピラリーとよばれるツールの先端面で金属細線を押圧することによってボンディングされるが、この第２ボンディングは、金属細線が押圧された時にワイヤ形状の変形が容易な極細線ほど接合性が良く、逆に、高強度を有する極細線はワイヤ強度が強いためワイヤ変形が容易でなく、良好なステッチ接合の面積が得られないという問題があった。
一方、半導体装置の一層の高集積化および小型化などの要請から、接続すべき外部接続電極の密度が飛躍的に高まりつつあり、これに伴って極細線の間隙や線径は微細化され、かつ、ステッチ接合部の面積は狭小化している。特にＡｌ電極間隔が６０μｍ以下の半導体装置では使用するキャピラリーの先端形状が細くなり、ステッチ接合させるリードフレームのリード幅が微小化し、またリードフレームの厚みが薄くなるため、これまでのワイヤ形状の変形が容易な極細線が使用できなくなっている。さらに半導体デバイスのファイン化に伴い、ワイヤ線径が細線化されている。ワイヤの細線化は、物理的にワイヤ強度が低下するため、モールド時のワイヤ流れが問題となる。よって従来より、更に高強度化したワイヤが使用されるが、第２ボンディングにおける接合性低下が懸念されている。
このため従来の第２ボンディング方法は、特開平１１−８７３９５号公報（特許文献１）に記載されているように極細線の第２ボンディング位置との接合予定部位を選択的に加熱した後、ボンディングしたり、特開平９−２８３５５１号公報（特許文献２）に記載されているように第２ボンディングの圧着点に対応する極細線の一部分を圧着する前に再結晶化するために加熱したり、特開平７−１８３３２３号公報（特許文献３）に記載されているように極細線の被接合部との間にアークを発生させるための専用電極を設け、接合前にこの専用電極と被接合部との間を不活性ガス雰囲気にすると共に両者間に電圧を印加してアークを発生させ、その直後にボンディングしたり、あるいは、特公平１−３２６５５公報（特許文献４）に記載されているようにリードポストに極細線を第２ボンディングする時にツールと載置台との間に電流を流して極細線をリードポストにボンディングしたりする方法が知られている。
しかしながら、これらの第２ボンディング方法はいずれも接合予定部位の金属の極細線全体を加熱するため、その部位の極細線の芯まで軟化して接合面積が大きくなってしまう結果、ステッチ接合させるリードフレームのリード幅が微小化した場合には、これまでと同様に極細線が使用できなくなるという問題があった。
特開平１１−８７３９５号公報 特開平９−２８３５５１号公報 特開平７−１８３３２３号公報 特公平１−３２６５５号公報
本発明者等、前記従来の問題点を解決すべく、接合予定部位の極細線全体を加熱せずに超音波だけでステッチ接合しようとすることも試みたが、接合時間が一桁近く多くかかるうえ、接合強度が良好な場合があったりそうでない場合があったりして、安定した接合強度のものが得られなかった。
そこで本発明者等は、この原因を鋭意検討したところ、金はほとんど酸化されることはないが、この酸化膜は、純度９９．９９重量％以上の高純度の金や高純度の銅でも表面偏析（添加元素や不純物元素が内部よりも表層に集中して析出する現象をいい、表層の添加元素等の分布がかたよっている現象をいうのではない。・・・「熱処理」、第４１巻第１号、社団法人 日本熱処理技術協会、平成１３年２月２８日発行、第１６〜２２頁を参照）によって数％のオーダーで表層数十ｎｍの範囲にまだらに存在する。特にＣａを３〜５０ｐｐｍ含有する９９．９９重量％以上の高純度の金である場合には、ＣａＯがＡｕの表面に出たりＡｕの内部に入ったりして不規則に動きまわる結果、酸化膜の出現する位置が特定できないという問題があった。
そのため極細線の表面層を酸処理や電解処理などによっていわゆる一皮むくことも考えられるが、そうすると極細線のボンディング特性が劣化してしまうという結果になる。
本発明の目的は、前記諸問題を解決した極細線のワイヤボンディング方法を提供することである。
即ち、本発明の目的は、接合予定部位の極細線全体を加熱せずに極細線の表層の数十ｎｍだけを加熱することによって、接合予定部位の極細線全体を軟化しないため、極細線全体の硬さを維持し、しかもリードフレームのリード幅が微小化してもファインピッチ実装することができるワイヤボンディング方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、これまで加熱による軟化が困難であった高強度極細線や低伸び率の極細線の表面偏析した表層近傍だけを加熱することによって、ステッチ接合することができるワイヤボンディング方法を提供することである。
本発明によれば、下記（ａ）〜（ｆ）が提供される。
（ａ）極細線の先端部を半導体素子上の電極パッドと接合する第１ボンディング工程と、電極パッドをリード端子と接続するために必要な長さの極細線を引き出す工程と、引き出された極細線とリード端子とをステッチ接合によって結線する第２ボンディング工程とを含むワイヤボンディング方法において、前記極細線としてＡｕ極細線を用い、しかも前記第２ボンディング工程を、該Ａｕ極細線の表層近傍のみを選択的に加熱し、表層近傍の酸化膜の還元をした後、その表層部をリード端子へステッチ接合することにより行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
（ｂ）前記Ａｕ極細線の材質が純度９９．９９重量％以上の高純度の金であることを特徴とする前記（ａ）に記載のワイヤボンディング方法。
（ｃ）前記Ａｕ極細線の材質が少なくともＣａを３〜５０ｐｐｍ、Ｂｅを０．５〜３０ｐｐｍ、Ｓｎを３〜５０ｐｐｍ、又はＩｎを３〜５０ｐｐｍの内のいずれか１種以上含有する純度９９．９９重量％以上の高純度の金であることを特徴とする前記（ａ）又は（ｂ）に記載のワイヤボンディング方法。
（ｄ）前記Ａｕ極細線の伸び率が１〜５％であることを特徴とする前記（ａ）〜（ｃ）のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
（ｅ）前記選択的な加熱による酸化膜の還元手段がアーク放電であることを特徴とする前記（ａ）〜（ｄ）のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
（ｆ）前記選択的な加熱による酸化膜の還元を還元性雰囲気で行うことを特徴とする前記（ａ）〜（ｅ）のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
本発明の極細線のワイヤボンディング方法によれば、高強度の極細線や低伸び率の極細線を使用しても、第２ボンディング工程においてステッチ接合不良が発生することがない。また、ファインピッチ実装が容易に達成できる。このため、極細線の更なる細線化や高強度化が可能になり、半導体装置の組立て時における歩留まりの向上が図れ、半導体装置の更なる小型化及び薄型化が可能である。
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ワイヤボンディング方法において、金属細線として化学的、物理的に安定で、かつ電気的特性に優れている点で金を用い、しかも半導体装置の高集積化、小型化の要請から、該金の極細線を用いるが、Ａｕ極細線中の添加元素ないし不純物元素は細線化工程中の熱処理などによって表面偏析し、極細線の表層の数十ｎｍだけに濃縮されて現れ、大気中の酸素と結びついて酸化膜を形成していることがわかった。添加元素ないし不純物元素の酸化物は大気中の酸素とくっつきやすいもの（酸化膜の表層に析出しやすいもの）やＡｕ原子とくっつきやすいもの（酸化膜の最下層に析出しやすいもの）がある。また、酸化膜は元素の種類や量によって強固なものであったりなかったりするので、本発明においてはその第２ボンディング工程において、酸化膜、特に強固な酸化膜であってもＡｕ極細線の表層近傍のみを加熱することによってボンディング前にこれらの酸化膜を除去しておくことを特徴とするものである。
ここでＡｕ極細線の表面近傍とは、ワイヤ径に対してワイヤ表面から５％以内の範囲のものを示す。
本発明において用いるＡｕ極細線は、純度９９．９９重量％以上の高純度の金を用いることが好ましい。添加元素ないし不純物元素としては、Ｃａ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂおよび希土類金属元素等が挙げられる。比較的安定しているものとしては、Ｃａを３〜５０ｐｍ、Ｂｅを０．５〜３０ｐｐｍ、Ｓｎを３〜５０ｐｐｍ、又はＩｎを３〜５０ｐｐｍの内のいずれか１種以上を含有する純度９９．９９重量％以上の高純度の金が好ましい。
また、本発明において用いるＡｕ極細線は、その伸び率が１〜５％のものが好ましい。該伸び率が１％未満のものはワイヤが硬すぎて、満足するアニール効果が得られないという問題を有し、一方５％より大きいものは軟化しすぎて、つぶれ幅が大きくなるという問題を有する。
本発明の第２ボンディング工程における、ボンディング前に行う前記酸化膜を還元するための加熱手段としては、アーク放電、スパッタリング、還元ガス炎、レーザ光等がある。この内アーク放電によるものが放電エネルギーの安定化、微小での放電性に優れる点で好ましい。特にＰｔ電極によるアーク放電によれば、接合予定部位の極細線の表層近傍のみが軟化でき極細線全体が軟化しないため、リードフレームのリード幅が微小化しても簡単にファインピッチ実装することができる。また、Ｐｔは酸素と化合しないので、ＷよりもＰｔ専用電極を用いればボンディング時の雰囲気中から酸素を完全に除去することができる。本発明において、アーク放電による加熱は、ワイヤ径の２倍のボールを作成した場合の条件の１／４〜１／２程度でよい。
本発明において「還元」というのは、Ａｕ極細線の表面にある酸化物層を取り除くことをいい、熱エネルギーによってこの酸化物層が酸化物粒子群となって純Ａｕマトリックス中に分散する結果Ａｕ極細線の表面上の酸化物が取り除かれることも含まれる。
本発明の第２ボンディング工程におけるアーク放電により加熱する際の第２ボンディング工程部分の拡大図を図２に示す。
図２において、キャピラリー６から引き出されたＡｕ極細線１′と該Ａｕ極細線１のリード端子４の被接合部との間にアーク放電８を発生されるための専用電極９を設け、第２ボンディング直前に、該専用電極９により該Ａｕ極細線の表面近傍のみに対して選択的にアーク放電８を発生させ、該Ａｕ極細線１′の表面近傍のみの酸化膜を還元し、次いでリード端子４とステップ接合する。
他の加熱手段としてのスパッタリングは、水素トーチを用いる方法があり、また還元ガス炎を用いる方法は、ガスとしてＨ２を用いる方法がある。
上記酸化膜還元のための加熱は、還元性雰囲気で行えば、更に効率良くこれらの酸化膜が除去できることを見出した。
上記加熱を還元性雰囲気とするには、アルゴンや窒素などの不活性ガスに１〜５％の水素を混合させた雰囲気にすればよい。
実施例１〜５
純度９９．９９９重量％の高純度の金に添加元素を所定量だけ添加し（表中、「Ａ」はＣａを５ｐｐｍかつＧｅを２０ｐｐｍ、「Ｂ」はＣａを５ｐｐｍかつＢｅを１０ｐｐｍ、及び「Ｃ」はＣａを２０ｐｐｍかつＳｎを２０ｐｐｍ添加したもの。）、真空溶解炉で溶解鋳造し、インゴットを得た。このインゴットを溝ロール加工し、次いで伸線機を用いて冷間加工および必要に応じた約２００〜７００℃での中間熱処理を施し、最終線径が２０μｍのところで約２００〜７００℃で最終熱処理し、表１に示すとおりの機械的特性を調整した。これらの極細線を用いて、キャピラリーに通し、ボンダー付近のトーチ電源によって該Ａｕ極細線の先端に直径がワイヤ径の１.５〜２.０倍のボールを形成させ、該ボールをキャピラリーを用いて電極パッドに圧着した。次にキャピラリーからＡｕ極細線をループ長さ分引き出しながら、リード端子の上までキャピラリーを移動させた。次いで、Ｐｔの専用電極を用いて接合直前にアーク条件：初期ボール作製条件の１／１０〜１／２でＡｕ極細線に対してアーク放電し、表面近傍のみを加熱されて酸化膜を還元し、キャピラリー先端でリード端子上に圧着させた。
比較例１〜５
比較例１、２、５は実施例１、２、５において、ワイヤ径２５μｍ、４０ｍＡ、０．６ｍｓでボール作成条件の２／３〜３／４程度の放電をすることによりＡｕ極細線をアニール効果の深さの割合がそれぞれ、５０％、１００％、５０％のものを用いた。また、比較例３、４は実施例３、４においてアーク放電を行わないＡｕ極細線を用いた。すなわち、各Ａｕ極細線を常温の王水に数秒間浸漬したものを用いた。
これらの実施例及び比較例で用いたＡｕ極細線の種類及びこれらの機械的特性と、これらを用いて第２ボンディングを行った際の試験結果を表１に示す。
Figure 2005150166
表１に示すＡｕ極細線の物性の測定方法及び第２ボンディングの評価方法は、下記のとおりである。
（１）「機械的特性」は、オリエンテック社製のテンシロン引張試験機（ＵＴＭ−II）を用いて引張速度が毎分１０ｍｍ、標点距離が１００ｍｍ、２５℃の大気雰囲気で測定した。
（２）「ピールテスト」は、ボンディング試料のファーストネック部を切断し、Ａｕ極細線を垂直方向へ引張って測定した。測定機はＤＡＧＥ社製の万能ボンドテスター（ＢＴ−２４００）を用いて引張速度が毎秒２５０μｍにて測定した。
（３）「強度判定」は、Ａｕ極細線の強度がワイヤ強度に対するピール強度比が５０％以上のものを○、４０以上５０％未満のものを△、そして４０％未満のものを×とした。
（４）「ボンディング性」は、３０万回連続して第２ボンディングを行った時のボンダーの停止やループ形成の良否を目視にてカウントし、ボンダーの停止回数が０．０５％未満かつループ形成時の異常発生率が０．０５％未満のものを○とし、ボンダーの停止回数が０．１％未満またはループ形成時の異常発生率が０．１％未満のものを△とし、ボンダーの停止回数が０．１％以上またはループ形成時の異常発生率が０．１％以上のものを×とした。
（５）「ワイヤ径に対する接合部分の大きさ」は、キャピラリーによって圧着されたワイヤ（Ａｕ極細線）の大きさを元のワイヤ径に対する百分率で測定した。
（６）「ワイヤ径に占めるアニール効果」は、加熱・還元処理されたＡｕ極細線の長手方向断面におけるＡｕ極細線の直径に占めるアニール効果の深さの割合を調べた。なお、アニール効果はキャピラリーの先端面でＡｕ極細線を圧潰したときのＡｕ極細線の元の線径からの減少率で測定した。
上記結果から明らかなように、比較例の場合は、接合間隙を十分に確保しなければ満足のいくボンディング効果が得られない（特に比較例３、４）のに対し、実施例のワイヤはいずれも接合間隙が無くても満足のいくボンディング効果が得られることがわかる。
従来のワイヤボンディング方法を示す図である。 本発明のワイヤボンディング方法における第２ボンディング工程を示す図である。
符号の説明
１ 金属細線
１′ Ａｕ極細線
２ 半導体素子
３ 電極パッド
４ リード端子
５ ボール
６ キャピラリー
７ クランパ
８ アーク放電
９ 専用電極
１０ 電源

Claims (6)

  1. 極細線の先端部を半導体素子上の電極パッドと接合する第１ボンディング工程と、電極パッドをリード端子と接続するために必要な長さの極細線を引き出す工程と、引き出された極細線とリード端子とをステッチ接合によって結線する第２ボンディング工程とを含むワイヤボンディング方法において、前記極細線としてＡｕ極細線を用い、しかも前記第２ボンディング工程を、該Ａｕ極細線の表層近傍のみを選択的に加熱し、表層近傍の酸化膜の還元をした後、その表層部をリード端子へステッチ接合することにより行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
  2. 前記Ａｕ極細線の材質が純度９９．９９重量％以上の高純度の金であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング方法。
  3. 前記Ａｕ極細線の材質が少なくともＣａを３〜５０ｐｐｍ、Ｂｅを０．５〜３０ｐｐｍ、Ｓｎを３〜５０ｐｐｍ、又はＩｎを３〜５０ｐｐｍの内のいずれか１種以上を含有する純度９９．９９重量％以上の高純度の金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤボンディング方法。
  4. 前記Ａｕ極細線の伸び率が１〜５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
  5. 前記選択的な加熱による酸化膜の還元手段がアーク放電であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
  6. 前記選択的な加熱による酸化膜の還元を還元性雰囲気で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤボンディング方法。
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