JP2007250750A - 収容容器及びワイヤボンディング装置 - Google Patents

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wire
spool
bonding
rust preventive
bonding wire
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Tomohiro Uno
智裕 宇野
Keiichi Kimura
圭一 木村
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Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Materials Co Ltd
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Abstract

【課題】本発明は、半導体装置用ボンディングワイヤを収容する容器とすることで、表面酸化を抑制し、接合性等使用性能の経時劣化を抑えることができるボンディングワイヤの収容容器及び保管方法、ワイヤボンディング装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ボンディングワイヤを収容する容器であって、ワイヤを巻き付けたスプールと、気化性防錆剤とを、スプールケースに収納させることを特徴とするボンディングワイヤの収容容器及び保管方法、ワイヤボンディング装置である。本発明の収納容器を使用して半導体装置用ボンディングワイヤを収容することで、ワイヤ保管中の表面酸化を抑制し、使用開始時の特性を安定化させることができる。また、本発明のワイヤボンディング装置を使用することで、装置に装着中のボンディングワイヤの特性劣化を抑えることが可能となり、生産性の向上が期待される。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体用ボンディングワイヤ又は酸化性金属線を収容する容器及び保管方法、ワイヤボンディング装置に関するものである。
現在、半導体素子上の電極と外部リードを接続する細線として、金及び金合金を主成分とする細線（以下、金ボンディングワイヤと呼ぶ）が多用されている。線径は２０〜３５μｍ程度の範囲が最も使用量が多い。材料費を低減するために、金の代替品が検討され、銅、銀、アルミ、パラジウム等のボンディングワイヤの使用が検討されている。
ボンディングワイヤの接合には超音波併用熱圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置、ワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上に、このボール部を圧着接合せしめ、その後で、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着により接合させる。銅、アルミ、パラジウム等の酸化性金属では、ボール溶融時の酸化を抑制するため、ワイヤ先端に不活性ガス等を吹付けた状態でボール形成することが必要である。
近年、半導体実装の構造・材料・接続技術等は急速に多様化しており、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したＱＦＰ（Quad Flat Packaging）に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Scale Packaging）等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、量産使用性等をより向上したボンディングワイヤが求められている。そうしたワイヤの接続技術でも、現在主流のボール／ウェッジ接合の他に、狭ピッチ化に適したウェッジ／ウェッジ接合では、２ヶ所の部位で直接ワイヤを接合するため、細線の接合性の向上が求められる。
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も多様化しており、シリコン基板上の配線、電極材料では、従来のＡｌ合金に加えて、より微細配線に好適なＣｕが実用化されている。また、リードフレーム上には、Ａｇめっき、Ｐｄめっき等が施されており、また、樹脂基板、テープ等の上のＣｕ配線には、その上に金等の貴金属膜が施されている場合が多い。こうした種々の接合相手に対しても、接合性、長期信頼性を高めることが求められる。
ワイヤボンディング技術からの要求では、ボール形成時に真球性の良好なボールを形成し、そのボール部と電極との接合部で十分な接合強度を得ることが重要である。また、接合温度の低温化、ワイヤの細線化等に対応するためにも、回路配線基板上の配線部にワイヤをウェッジ接続した部位での接合強度、引張り強度等も必要である。
高粘性の熱硬化エポキシ樹脂が高速注入される樹脂封止工程では、ワイヤが変形して隣接ワイヤと接触することが問題となり、しかも、狭ピッチ化、長ワイヤ化、細線化も進む中で、樹脂封止時のワイヤ変形を少しでも抑えることが求められている。ワイヤ強度の増加により、こうした変形をある程度コントロールすることはできるものの、ループ制御が困難となったり、接合時の強度が低下する等の問題が解決されなくては実用化は難しい。
こうした要求を満足するワイヤ特性として、ボンディング工程におけるループ制御が容易であり、しかも電極部、リード部への接合性も向上しており、ボンディング以降の樹脂封止工程における過剰なワイヤ変形を抑制すること等の、総合的な特性を満足することが望まれている。
自動車搭載等で生産量が増加しているパワー系ＩＣでは、高出力に耐えられるため、線径が太いボンディングワイヤが求められている。線径は５０〜１００μｍと、現行のボンディングワイヤよりも太径であり、材料費を削減するために、金に代替する材料への要求が高まっている。
厳しい特性、信頼性の管理が要求されるボンディングワイヤの素材では、化学的に安定な金と比べて、前記の酸化性金属では、線表面の酸化、硫化等の化学反応が進行し易いことが問題となる。そこで、ワイヤ表面に防錆剤を塗布することが知られており、特許文献１では界面活性被膜を形成した銅ワイヤ、特許文献２では酸化防止被膜を形成したボンディングワイヤ用銅極細線が開示されている。
特開昭６２−７８８６２号公報 特開２００３−１６６０８２号公報
前述した酸化性金属を主成分とする金属線の表面に防錆剤を塗布することで、塗布後しばらくの期間は酸化を抑制することが期待されるものの、日数が経過したときの経時劣化により、防錆効果が低下することが問題となる。表面問題は、金属線の全般的な問題であるが、特に、半導体素子の実装に使用されるボンディングワイヤではより厳しい管理が必要となる。
ボンディングワイヤの表面酸化により発生する問題は多く、例えば、ワイヤをリード端子に接合するときの接合強度が低下したり、連続ボンディング性の低下により装置が停止することで生産性の低下等が問題となる。また、ワイヤ先端を溶融させたボール部の形状が不安定になったり、酸化されたボールの硬化により接合時にチップ損傷を与えること等も懸念されている。ボンディングワイヤに要求される多くの特性を満足し、ｐｐｍオーダの不良率の低減が求められる厳しい生産管理を行うためにも、表面酸化の進行は許容できない。
銅ボンディングワイヤ等の保管、輸送では、ワイヤの酸化を抑えるために、ボンディングワイヤが気密性袋に封入されて保管、輸送されることが検討されている。さらに、気密性袋の内部を非酸化性雰囲気にするために、Ａｒガス、Ｎ2ガス等の不活性雰囲気や真空で封入したり、袋内に脱酸素剤を封入することも検討されている。外界からの酸素の侵入を防ぐためには、酸素透過性を抑えるために内部処理した気密性袋の使用や、脱酸素剤の併用が必要であり、大幅なコストアップが避けられない。代わりに、比較的安価なポリエチレン、塩化ビニル等の通常の気密性袋だけでは、使用特性の経時変化を避けられず、保管期間が限られることになる。
袋を開封して取り出したワイヤ製品が、ワイヤボンディング装置に装着されて使用される期間は、ワイヤは大気中に曝される。ワイヤ表面の酸化を制御するためワイヤの使用保障期間が限定される。保障期間内にワイヤを使い切るとは限らず、生産工程の都合等により、使用途中である期間の保管が求められる場合が多い。防錆剤を塗布されたボンディングワイヤでも、開封されて大気中に保管されることで、塗布剤の効果が徐々に低下するために、使用期限を制限したり、未使用分も処分する等の処置を取らざるを得ない。これらの処置は、生産性、歩留まり等の大幅な低下の要因となる。
また、前述した気密性袋及び脱酸素剤を用いた保管方法が有効であるためには、未開封のままでの保管が必須である。一度開封すると、その後で再封入する作業、装置等が必要となり、実装の量産ラインでの対応は困難である。しかも、再封入しても気密性が十分でなければ、外界からの酸素侵入を完全に抑えられず、酸化抑制の効果が十分でない。
これら気密性袋及び脱酸素剤を使用した場合のさらなる問題として、大気中に曝された期間に応じて低減した防錆効果を修復させることは不可能である。開封されたボンディングワイヤの再封入を何とか実施できても、劣化した特性を維持することが難しい。こうしたことを懸念して、敢えて封入して保管してまで再使用することは実施されていない。
こうした酸化及び使用性能の経時変化の問題は、酸化性金属のボンディングワイヤの実用化が進まない一因でもあり、高価な金ボンディングワイヤの使用に頼らざるを得ないことは問題である。
本発明は、前述の事情を鑑みて、酸化性金属を主成分とする金属線、特に半導体素子用ボンディングワイヤの保管、輸送における表面劣化を抑制し、使用途中の保管における防錆効果も修復させると言う優れた効果を発揮する、ボンディングワイヤの収容容器及び保管方法、ワイヤボンディング装置を提供するものである。
（１） ボンディングワイヤを収容する容器であって、該ボンディングワイヤを巻き付けたスプールと、気化性防錆剤とを少なくとも収容してなるスプールケースであることを特徴とする収容容器。
（２） 前記スプールの胴体内側に気化性防錆剤収納手段を有する（１）に記載の収容容器。
（３） 前記スプールケースの内部に気化性防錆剤収納手段を有する（１）に記載の収容容器。
（４） （１）〜（３）のいずれかに記載のスプールケースの１個又は複数個を密封可能な保護用袋に収容してなることを特徴とする収容容器。
（５） 前記スプールケースが密封できる構造を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の収容容器。
（６） ボンディングワイヤを収容する容器であって、該ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを内側に収容してなるスプールケースの１個又は複数個を、少なくとも気化性防錆剤と共に、密封可能な保護用袋に収容してなることを特徴とする収容容器。
（７） 前記スプールケースの一部に、ボンディングワイヤを外部に引き出せるワイヤ通過部を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の収容容器。
（８） ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、（１）〜（３）のいずれかに記載の収容容器の一部又は全体を、ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを保護した状態で装着することを特徴とするワイヤボンディング装置。
（９） ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、該スプール及び気化性防錆剤を覆う構造である保護用カバーで該スプールを覆うことを特徴とするワイヤボンディング装置。
（１０） ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、内部に気化性防錆剤収納手段を有する構造である保護用カバーで該スプール及び気化性防錆剤を覆うことを特徴とするワイヤボンディング装置。
（１１） 前記ボンディングワイヤが、銅、銀、パラジウム、又はこれらの少なくとも１種を主成分とする合金である（１）〜（１０）のいずれかに記載の収容容器。
（１２） 前記ボンディングワイヤが、銅、銀、パラジウム、又はこれらの少なくとも１種を主成分とする合金であり、かつ、ワイヤ表面に防錆被膜が施されてなる（１）〜（１０）のいずれかに記載の収容容器。
（１３） 前記気化性防錆剤が、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる少なくとも１種を含有する（１）〜（１２）のいずれかに記載の収容容器。
（１４） 前記防錆被膜が、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる少なくとも１種を含有する（１２）に記載の収容容器。
（１５） ボンディングワイヤを（１）〜（７）、（１１）〜（１４）のいずれかに記載の収容容器に収容、密封して保管することを特徴とする保管方法。
（１６） ボンディングワイヤを使用しない時には、（１）〜（７）、（１１）〜（１４）のいずれかに記載の収容容器に収容、密封してから保管することを特徴とする保管方法。
本発明の収納容器を使用することで、半導体装置用ボンディングワイヤを収容する容器とすることで、ワイヤ保管中の表面酸化を抑制し、使用開始時の特性を安定化させることができる。また、本発明のワイヤボンディング装置を使用することで、装置に装着中のボンディングワイヤの特性劣化を抑えることが可能となり、生産性の向上が期待される。さらに、使用中断時のボンディングワイヤを本発明の収容容器に収容、密封して保管する方法により、酸化抑制効果を容易に得ることができ、特に保管期間の延長化を図れ、ボンディングワイヤの長寿命化が可能である。
半導体用ボンディングワイヤを中空円筒（スプール）に巻き付けた状態で、気化性防錆剤を収容して密封できる構造を有することで、表面の酸化、硫化等の化学反応を抑制することができる。気化性防錆剤は、自発的に発散する気化ガスが金属表面に吸着・反応することで防錆効果を発現する防錆剤のことを総称している。気化性防錆剤を利用することで、気密性が完全でなくても簡便な密封により、酸化抑制効果を長期維持できることから、前述した気密性袋及び脱酸素剤を用いた従来法と比較して、経済的、簡便な作業性、繰り返し使用等多くのメリットが得られる。
半導体の電気的接続に利用されるボンディングワイヤで、その素材が銅、銀、パラジウムを主成分とすることが好ましい。銅、銀、パラジウムの純金属又は合金は、ボンディングワイヤの要求特性を満足することが可能であるが、大気中の酸化による特性劣化が懸念されるため酸化防止策が求められる。その改善として、気化性防錆剤と合わせて容器に収容することで、酸化等の経時変化を抑制する高い効果が得られる。各素材の利点では、銅は安価で電気伝導性に優れ、工業用純度の高い原料の入手が容易であること、銀は安価で大気中でもボール溶融が可能であること、パラジウムは高強度化が容易であること等が挙げられる。アルミもボンディングワイヤの素材として利用できるが、表面に形成された酸化膜が緻密であり、大気中での経時変化が少ないため、上記の金属と比べて気化性防錆剤を利用する期待効果が薄い。また、アルミではボール形成ができないため、実装の用途も限定される。
気化性防錆剤を封入するメリットでは、通常の電線、金属線等と比較して、半導体用ボンディングワイヤが極めて高い改善効果が得られる。電線では、表面に絶縁被覆が厚く形成されており、使用時の酸化の影響が小さいのに対し、前述したように、ボンディングワイヤでは、接合性、ボール形成等の使用性能が、ワイヤ表面性状に特に敏感であり、酸化が不良を誘発するためである。以下、総合的に厳しい表面特性、管理が求められるボンディングワイヤを例示して、詳細な説明をするが、それ以外の用途にも十分適用されることも多い。
ボンディングワイヤの線径は、最終製品では１０〜３００μｍの範囲であることが望ましい。この範囲であるボンディングワイヤであれば実用性が高く、気化性防錆剤を利用した酸化抑制がより効果的である。線径が１０μｍ未満では、ワイヤ曲がり、樹脂流れ等が問題となるためであり、３００μｍ超では、ループ制御が難しく、材料費の上昇も懸念されるためである。好ましくは、１０〜２００μｍの範囲であれば、酸化抑制をされたボンディングワイヤを使用することで、量産性、操作性、電気特性等が総合的に改善される。
気化性防錆剤を封入した容器は、製造途中の酸化性金属を主成分とする中間材の保管にも有効である。その材料サイズでは、径が２０μｍ〜２０ｍｍの広い範囲で利用できる。太径ではスプールに巻き取り難いため、中間材をそのまま単体あるいは変形させた状態で、気化性防錆剤を同封して、ケース、保護用袋等で密封させることもできる。
気化性防錆剤は、粉末のまま使用したり、乾燥剤のように布、不織布、紙等の袋に粉末を入れて使用したり、気化性防錆紙として使用したり、粉末、粒状等の固形物の表面に気化性防錆剤を塗布した状態で使用したりすることが可能である。本発明で使用する気化性防錆剤では、前述したように状態が異なるものを総称する。これらの使い分けは、使用量、ケース、封入法、防錆効果等により最も有効な方法を選択することが望ましい。気化性防錆剤の使用量は、０．１〜５０ｇ／スプールの範囲であれば十分な防錆効果が期待できる。より好ましくは０．５〜１５ｇ／スプールの範囲であれば、作業性、長期保存、ケース内のスペース確保等の点からも有利である。
酸化性金属の表面に防錆被膜を施したボンディングワイヤを、先述した、気化性防錆剤を同封する容器に収容することで、防錆効果をより高めることができる。ボンディングワイヤの表面に防錆被膜を予め施しておくことで、スプールケースに封入する以前の表面酸化、硫化等を抑制して、封入後の気化性防錆剤による酸化抑制、防錆膜の修復等の効果をより助長することができるためである。これに対し、事前に防錆被膜の処理を施されていない場合でも、気化性防錆剤と同封させた段階で防錆被膜を形成することができるものの、封入以前にワイヤ表面の酸化がかなり進行している場合に、防錆被膜の形成が十分でなかったり、使用法によっては経時劣化が早い場合等が懸念される。
気化性防錆剤の主成分は、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる、少なくとも１種を含有することが望ましい。例えば、１，２，３−ベンゾトリアゾール、１−メチルベンゾトリアゾール、カルボキシルベンゾトリアゾール、ベンズイミダゾール、メチルベンズイミダゾール、ジメチルベンズイミダゾールハイドレート等が使用できる。こうした防錆剤成分であれば、大気中での酸化、硫化等を抑制して、表面を保護する機能が高く、しかも、ボンディングワイヤを電極端子等に接続する使用時でも、十分な接合強度が得られ、量産性も高められるためである。特に、銅、銀、パラジウムを主成分とするボンディングワイヤの場合に、上記の防錆剤はより有効であり、このワイヤと防錆被膜の組合せにより、防錆性と接合性の相反する特性を両立する高い効果が得られる。
ボンディングワイヤ表面の防錆被膜の成分は、気化性防錆剤と同様に、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる、少なくとも１種以上を含有するものとすることで、防錆効果をさらにより一層高められる。防錆被膜と気化性防錆剤の主成分が同種であることで、ワイヤ使用時に防錆被膜が損傷を受けた場合でも、防錆効果の修復作用が高められ、酸化抑制、接合性の長期安定化等の高い相乗効果が得られる。
次に、ボンディングワイヤを巻きつけるスプール、そのスプールを収容するスプールケース等について説明する。
スプール２の形状（図１（ａ））は円筒形で、内側が空洞状であるものが汎用性が高く、サイズ、材質は選定可能であるが、例えば、円筒の径が２０〜３００ｍｍのものが作業性が良く、材質は加工性等を考慮してアルミ、銅又はその合金等が利用できる。
スプールケース３は、その内部に気化性防錆剤のガス雰囲気を形成させることが必要である。図１（ｂ）、図１（ｃ）にスプールケースの基本的な構成を示す。スプールケースの構造は、上蓋と下蓋に分離できるもの、上蓋と下蓋が一体型の連結しているもの等が利用できる。前者の場合、上蓋５と下蓋４を一組とし、その上下の蓋を組み合わせることで密封させている（図２）。上下の蓋を組み合わせる部位に、テーパ等を設けて接触部位の隙間を減らすことで、気密性が高められる。前述した隙間を完全になくすことは困難であるものの、外界からの空気が自由に出入りすることがなければ、気化性防錆剤による防錆雰囲気を保つことができる。そこで、上蓋と下蓋の接触部位で、上蓋と下蓋に一部重複するようにテープで密封することで、気密性を高められる。
スプールケースの細部について例示する。図２に示したように、ケース中央部に、スプールを固定するための円筒形又は角型等のスプール保持部７を形成することが望ましい。そのスプール保持部の大きさをスプール胴体の内径サイズに合わせることで、輸送時でもスプールを固定することで、巻き崩れ等を防止できる。スプール表面に巻き付けた金属線１とスプールケース３との間に空間を設け、その空間が気化性防錆剤６の保管場所と通じていることが必要である。この空間により、金属線への傷付きを防止する空間として利用でき、しかも、防錆剤のガス雰囲気を形成することもできる。
気化性防錆剤の保管部位は、スプールケースの内部で、ワイヤと通じている空間が設けられていれば、基本的にはどこでも構わない。好ましくは、図３（ａ）に示したように、スプール２の円筒内部のスペースに気化性防錆剤６を設置することで、スプールケース全体の大きさを縮小したり、ケースの形状設計等が容易となる。スプール脱着時の作業性の向上等のために、スプールケース５の一部に気化性防錆剤６を設置する専用保管スペース１０を設けることも有効である（図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ））。ここで、専用保管スペース１０の場所で区別すると、図３（ｂ）ではスプールケースの上蓋５の内側に形成した場合、図３（ｃ）ではスプールケースの下蓋４に突起状に保管スペースを形成した場合、図３（ｄ）ではスプールケースの下蓋４に凹状に保管スペースを形成した場合であり、それぞれ作業性、耐久性等で使い分けることも可能である。この専用スペース１０を利用することで、気化性防錆剤の状態を容易に観察でき、スプール脱着時に気化性防錆剤を移動させる手間を省き、金属線に触れる危険性も回避する等、作業性の向上も図られる。
１個のスプールを１個のスプールケースに収容することが、作業性、酸化抑制等の観点から効率的である。一方で、気化性防錆剤の利用によるコスト増加を低減するには、１個のスプールケースに２個以上のスプールを収容させることも可能である。そこでは、全てのスプールが防錆剤の雰囲気に曝されるように、スプールケースの形状、配置等を検討することが有効である。
ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを内側に収容するスプールケースを１個又は２個以上と、気化性防錆剤とを、保護用袋１２で密封させた容器とすることも有効である（図４）。これにより、スプールケースでは気密性が十分でない場合でも、保護用袋で密封することで外界からの酸素侵入をより防止することができる。また、保護用袋に封入することで、気化性防錆剤から発生する気化ガスが外界に漏れることを防止でき、気化性防錆剤の消耗を抑えることで防錆効果の長寿命化が図られたり、周辺部材への気化ガスの付着等の影響を抑えることもできる。保護用袋の素材は多くのものが対象になるが、密封性、経済性、作業性等を考慮して選択可能である。例えば、比較的安価なポリエチレン、塩化ビニル等の気密性袋、袋の内部に酸素透過を抑える機能を持つ金属膜等を接着させた袋等が有効である。保護用袋の内部雰囲気は、不活性ガスのＮ2、Ａｒ等に置換することが望ましいが、真空でも有効である。保護用袋に収容するスプール又はスプールケースの数は１個でも十分であるが、２個以上を収容することでよりコスト低減に有効である。
こうした保護用袋に収容する場合の気化性防錆剤の保管場所は、前述したようにスプールケースの内部に設置すること（図４（ａ））、スプールケースの外部に気化性防錆剤を設置すること（図４（ｂ））、さらに、複数のスプールケースと気化性防錆剤を保護用袋に収容すること（図４（ｃ））もできる。図４（ｂ）、（ｃ）のスプールケースの外部に気化性防錆剤を設置する場合には、スプールケースの気密性が十分でない方が気化ガスの侵入が容易であるため、図３（ｅ）に示したように、スプールケースの一部に外気進入用の通気穴１１を設けたり、上下蓋の接触部の気密性を弱めること等が望ましい。
ボンディングワイヤを半導体の接続工程で使用するには、専用のボンディング装置が用いられる。通常、ワイヤを巻き付けたスプールをボンディング装置に装着し、使用期間は大気中に曝される。ワイヤ表面の酸化が進行することから、ワイヤの保障期間が限定される。ワイヤの使用期間中でも、表面酸化を抑制して、初期の良好な状態を保持することが必要である。その方策について、以下に述べる。
ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを保護した状態で、前述したボンディングワイヤと気化性防錆剤とを収容してなる収容容器の一部又は全体を、ワイヤボンディング装置に装着して使用するワイヤボンディング方法が望ましい。従来のボンディング装置は収容容器をそのまま装着できる構造ではないため、該装置又は収容容器の少なくとも一方の装着部を改良して両者の密着性を高める構造とすることで、より高い防錆効果が得られる。収容容器であるスプールケースは上蓋と下蓋で形成される場合、上蓋と下蓋の一方又は両方にスプールと気化性防錆剤を装着した状態で、ボンディング装置に取り付ける。好ましくは、スプールを収容容器から取り出すことなく、スプールと収容容器の一部又は全体をボンディング装置に装着することで、大気放置を抑えることができる。
前記スプールケースの一部に、ボンディングワイヤを外部に引き出せるワイヤ通過部を有し、ワイヤボンディング装置に装着して使用することで、防錆効果を高めつつワイヤボンディング工程の作業性、生産性を高めることができる。ワイヤ通過部のエッジ部にワイヤが接触するとキズ発生の原因となるため、ワイヤ引き出し角度、気密性等を考慮して、ワイヤ通過部の形状は円形、楕円、長方形等で、サイズは０．１ｍｍ程度の小径から４０ｍｍ程度の大きさ等、適正化することが望ましい。
スプールケースを使用しない場合でも、ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、該スプール及び気化性防錆剤を覆う構造である保護用カバーで該スプールを覆うワイヤボンディング装置であれば、使用中等のワイヤを装着している期間に、ワイヤ表面酸化を抑制して、使用寿命を高めることができる。収容容器から取り出したスプールを、なるべく早期に上記の保護用カバー付きのスプール設置箇所に取り付けることで、放置時間が短時間であれば十分な防錆効果を維持できることを確認した。ワイヤを外部に引き出せる機能が付いていれば、保護用カバーは気密性を少しでも保つことが望ましい。具体的には、保護用カバーの一部にワイヤ通過部が形成されていれば、良好な作業性、連続生産性を得られる。
ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、内部に気化性防錆剤収納手段を有する構造であるスプールケース又は保護用カバーで該スプール及び気化性防錆剤を覆うことを特徴とするワイヤボンディング装置であることが望ましい。ここでのボンディング装置に設置されたスプールケース又は保護用カバーに設けられた気化性防錆剤収納手段について、前述したワイヤを保管するスプールケースに設けられた気化性防錆剤収納手段で説明した具体的な構成、事例と基本的には同様である。該収容手段について、スプールケース又は保護用カバーに内接しており、気化性防錆剤の出し入れが可能であり、ワイヤと通じている空間が設けられていることが基本である。気化性防錆剤収納手段を設けておくことで、スプール脱着時に気化性防錆剤を移動させる手間を省き、ワイヤを傷つける危険性も回避でき、作業性、耐久性等も向上する。
ボンディングワイヤの接続工程で使用されるボンディング装置及びその一部を用いて構造、操作等を説明する。
ワイヤ１を巻き付けたスプール２を、ボンディング装置の一部であるスプール装着部及び回転部１３に取り付ける際に、スプールをスプールケースの上蓋５に装着したままで、ワイヤボンディング装置のスプール固定部１４に取り付ける。そのスプール固定部と、スプールケース固定部１５との密着性を高めるよう、両者の接合部のサイズ、形状等を適正化することで、防錆雰囲気の気密性を高めることで、より高い防錆効果が得られる。また、図５（ａ）に、スプールケースの上蓋５に気化性防錆剤６を保持する専用スペース１０を設けることで、作業性を損なうことなく、ワイヤの周囲に常に防錆雰囲気を形成することができる。装着手順では、図６（ａ）のようにスプールケースの下蓋４と上蓋５を開封して、上蓋の保持部２５にスプールを保持した状態で、図６（ｂ）のように上蓋５とスプール２を同時にボンダ装着部１３に設置する。スプール上蓋にスプールが保持・固定したり、取り外したりするため、スプール上蓋の保持部２５にスプール押付け部２６等を取り付けることが有効である。例えば、スプール押付け部２６をスプール内壁に押付けて保持する構造になっていることが望ましく、突起状の保持冶具等で例示できる。使用手順では、スプールを上蓋に保持した状態で下蓋を取り外し、さらに上蓋をボンダ装置のスプール装着部１３に取り付けるまでは、スプール押付け部２６を外側に押し出してスプールを上蓋に固定しておく。その後、スプール押付け部２６を内側に引っ込め、上蓋から開放されたスプールをボンダ装置のスプール装着部１３に固定させ、ボンディング操作を行なう。図６（ｃ）に示すように、ワイヤをボンディング装置に設置した後に、ワイヤはワイヤ貫通部１６を通された後に、さらにクランパ１９、キャピラリ２０を通すことで、連続ボンディング作業に実用することができる。例えば、ワイヤ１の先端にアーク放電により形成したボール２１を半導体チップ２３の電極に接合し、さらにループ形状２２を形成し、外部電極端子２４にも接続する。スプールケースでなく、保護用カバー１７を装置に設置した場合でも構造、操作等は同様であり、安定した作業管理等が可能となる（図５（ｂ）（ｃ））。
袋を開封して取り出したワイヤ製品が、ワイヤボンディング装置に装着されて使用される期間は、ワイヤは大気中に曝される。ワイヤ表面の酸化を制御するためワイヤの使用保障期間が限定される。保障期間内にワイヤを使い切るとは限らず、生産工程の都合等により、使用途中である期間の保管が求められる場合が多い。防錆剤を塗布されたボンディングワイヤでも、開封されて大気中に保管されることで、塗布剤の効果が徐々に低下するために、使用期限を制限したり、未使用分も処分する等の処置を取らざるを得ない。これらの処置は、生産性、歩留まり等の大幅な低下の要因となる。
気化性防錆剤を同封させた容器の使用法により、防錆効果をより高めることができる。スプールケースの内部にボンディングワイヤを巻き付けたスプールと気化性防錆剤を収容させた容器を例示する。スプールケースから取り出されたボンディングワイヤをボンダ装置等に装着して使用されるが、使用後はスプールを速やかにスプールケースの内部に戻し、密封することが望ましい。例えば、銅ワイヤでは大気放置を連続で２日間に抑えて、未使用時はスプールケースに戻して、防錆雰囲気に収容することで、酸化を抑えることができる。大気中に連続的に放置している期間に伴い、防錆効果が低減することが懸念されるが、スプールケースの内部で気化性防錆剤の雰囲気に曝すことで、防錆効果を修復することが可能である。密封性を高めることで、防錆効果の低減、防錆剤の消耗の抑制等が向上する。
尚、本発明の収容容器では、気化性防錆剤の機能を阻害しなければ、他の部材、例えば脱酸素剤等を併用することを妨げるものではない。
以下、実施例について説明する。
ボンディングワイヤの原材料は、純度が約９９．９質量％以上の高純度の銅、銀、パラジウムを使用した。その原料、又は、合金化元素を加えた原料を鋳型に設置し、Ｎ2ガス雰囲気中で溶解して、インゴットを作製した。インゴットの径は５〜３０ｍｍの範囲で実施した。インゴットを、圧延、加工により形状を整え、ダイス伸線により最終径の１０〜１００μｍまで細線化した。使用した合金の例として、Ｃｕ合金１はＢｅを０．００１質量％、Ｃｕ合金２はＳｎ、Ａｇをそれぞれ０．００２質量％含有する銅合金である。
ワイヤの熱処理は、ワイヤを連続的に掃引しながら加熱した。所定の引張伸びになるように、温度、ワイヤ掃引速度等を調整した。熱処理雰囲気は、酸化を抑制する目的でＮ2、Ａｒ等の不活性ガスを利用した。熱処理後に酸化抑制のために、一部のワイヤに防錆被膜を塗布した。塗布工程は、防錆剤を水又は溶剤等に溶解させた防錆溶液中に、ワイヤを通過させる方法、又は、ワイヤを巻き付けたスプールを防錆溶液中に浸漬させる方法を用いた。尚、表１の略号は、後述する気化性防錆剤の略号と同じ成分である。
スプールは、径が５０ｍｍ、長さが４７ｍｍ、つば部が５ｍｍの円筒形で、アルミ合金製のものを使用した。ワイヤ巻取り機を用いて、ボンディングワイヤを１００〜１０００ｍ巻きつけて実験した。スプールケース３は透明で、上蓋５、下蓋４を組み合わせる構造であり、その中央部にボンディングワイヤ１を巻き付けたスプール２を収容させた（図２）。図３に、用いた３タイプのスプールケースを示した。図３（ａ）は汎用型でスプールの内部に気化性防錆剤を設置した容器であり、図３（ｂ）はスプールケースの一部を加工した保管スペースに気化性防錆剤を保管させた容器であり、図３（ｅ）はスプールケースの一部に通気穴を設けた容器である。
気化性防錆剤は、ベンゾトリアゾール（ＢＴ）、メチルベンゾトリアゾール（ＭＢＴ）、ジメチルベンズイミダゾールハイドレート（ＤＭＢＴ）及びイミダゾール（ＩＺ）等を主成分とし、粉末、粒状の固形物、又は粒状の固形物の表面に気化性防錆剤を塗布したものを使用した。そのままでの使用と、上記の気化性防錆剤を十分な通気性を有する加工紙でパックしたものとを使用した。
保護用袋は、ポリエチレンの気密性袋と、袋の内部に酸素透過を抑える機能を持つアルミ膜を接着させた袋の２種類を用いた。保護用袋の内部雰囲気は、真空脱気の後に、Ｎ2ガスで置換させた。
ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダーを使用して、ボール／ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にボールを作製し、それをシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。ボール溶融時の酸化を抑制するために、ワイヤ先端にＮ2ガス又はＮ2／Ｈ2の混合ガスを吹き付けながら、放電させた。接合相手は、シリコン基板上の電極膜である、厚さ１μｍのＡｌ合金膜（Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ膜、Ａｌ−０．５％Ｃｕ膜）を使用した。ウェッジ接合の相手には、表面にＡｇめっき（厚さ：１〜４μｍ）したリードフレームを使用した。
連続ボンディング試験では、新川ボンダ装置ＵＴＣ４００を使用して、チップ上のアルミ電極とＡｇめっきされたリード端子をボンディングワイヤで接続する実験を行い、３０００本の連続ボンディング中に装置が停止したり、接続部が剥離している不良率で判定した。Ｎ2ガス又はＮ2＋５％Ｈ2混合ガスをワイヤ先端に吹き付けながらボール形成を行い、ボール径は線径の２〜３倍の範囲として、接合温度は２３０℃で実施した。評価するワイヤは、封入直前と、封入してから３０日、８０日、２００日後のワイヤを個別に準備し、開封後は速やかに連続ボンディング試験を実施した。連続ボンディング性の判断は、接合部での剥離が生じない場合は接合性が良好であるため◎印、剥離が１〜２本発生した場合は接合条件の適正化で対応可能であるため○印、剥離が３〜９本の範囲であれば接合性の低下が認められ量産マージンの低下が問題となるため△印、剥離が１０本以上であれば不良が量産での実用化に問題があることから×印で表示した。
ワイヤを巻き付けたスプールをボンディング装置に装着する方法として、以下のＡ、Ｂ、Ｃの３種類で比較した。Ａ：ケースからスプールだけ取り出してスプールのみ装着する場合、Ｂ：スプールと気化性防錆剤をケース上蓋内に保持した状態で装着する場合（図６（ａ）、（ｂ））、Ｃ：スプールをケースから取り出し速やかに装置に設置後、気化性防錆剤を内在させる保護カバーで覆う場合である（図５（ｂ）又は図５（ｃ））。接合性の評価法は、各々の収容容器で４０日放置した後に、開封してワイヤをボンディング装置に装着し、さらに５日、１０日、３０日間経過した後に、連続ボンディング試験を行った。接合温度は２００℃で実施した。連続ボンディング性の判断は、接合部での剥離が生じない場合は接合性が良好であるため◎印、剥離が１〜２本発生した場合は接合条件の適正化で対応可能であるため○印、剥離が３〜９本の範囲であれば接合性の低下が認められ量産マージンの低下が問題となるため△印、剥離が１０本以上であれば不良が量産での実用化に問題があることから×印で表示した。
セカンド接合部のプル強度評価（２ｎｄプル強度）では、ワイヤ長が２〜３ｍｍの範囲で連続ボンディングを行い、Ｄａｚｙ製プル試験機を使用して、セカンド接合部の近傍にフックを掛けて、プル強度を２０本測定した。接合温度は２３０℃、１７０℃の２水準で比較した。評価したワイヤは、封入直前と３０日封入後で２ｎｄプル強度を測定した。封入直前の２ｎｄプル強度に対する３０日封入後の２ｎｄプル強度の割合が、８０％以上であれば接合性が良好であるため◎印で表記し、６０〜８０％の範囲であれば接合条件の適正化により改善できる範囲であるため○印で表記し、４０〜６０％の範囲であれば初期接合は何とか確保できても長期的な信頼性が懸念されるため△印で表記し、４０％未満であれば接合性の低下が問題であるため×印で表記した。
変色試験では、ボンディングワイヤを４０日封入後に、光学顕微鏡でワイヤ表面の変色を観察し、光顕でも変色が認められない場合には◎印、肉眼では変化ないが光顕で変色が認められる場合を△印、肉眼でも変色が認められる場合には、酸化等の表面変質が進行しているとして×印で表記した。
表１、２、３には、本発明に係わるボンディングワイヤ及び金属線の評価結果と比較例を示す。表１と表２は共にワイヤの保管状況は同じであるが、表１は主に、封入状態で一定期間放置された後、開封後は速やかに連続ボンディング試験を実施した結果であり、表２、３は、それぞれの収容容器で４０日放置した後に、ワイヤをボンディング装置に装着したまま一定時間経過した後の連続ボンディング試験の結果である。
第１請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１〜３１、第２請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１〜１１、１３、１７〜２１、２３〜３１、第３請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１２、２２、第４請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１９、２５、２７、３０、第５請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１〜１３、１７〜３１、第６請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１４、１５、１６、第７請求項に係わるボンディングワイヤ用容器及び第８請求項に係わるボンディング装置は実施例２ｂ、５ｂ、６ｂ、１９ｂ、２２ｂ、２８ｂ、３０ｂ、第９請求項又は第１０請求項に係わるボンディング装置は実施例７ｂ、１５ｂ、２５ｂ、３２ｂ〜３５ｂ、第１１請求項及び第１３請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１〜３１、第１２請求項及び第１４請求項に係わるボンディングワイヤ用容器は実施例１〜１６、１９、２１〜２３、２５、２６、２８、３０である。
比較例１〜７は、気化性防錆剤を用いない容器での実験例であり、その内、比較例３は保護用袋に収容する事例、比較例４は脱酸剤と一緒に保護用袋に収容する事例，比較例７は汎用の金ボンディングワイヤの事例である。
Figure 2007250750
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実施例１〜３１では、スプール又はスプールケース内に気化性防錆剤を同封する容器を使用しており、比較例１〜６と比べて、連続ボンディング性、２ｎｄプル強度は経時変化が明らかに改善されていた。これらの結果から、加工紙で覆われた気化性防錆剤をスプール胴体内側に配置させた収容と、スプールケースの専用スペースに気化性防錆剤を保管させた収容のどちらの手法でも同様に、時間経過後も良好な接合性が確認された。実施例１〜３０は気化性防錆剤の質量が０．５ｇ以上であり、８０日後の連続ボンディングでも不良は認められず、現行の金ボンディングワイヤの比較例７と比較しても、ほぼ同様の良好な接合性が維持されていることを確認できた。一方、実施例３１は気化性防錆剤の質量が少ないため、８０日後の連続ボンディングで少しだけ剥離が認められた。
実施例１４、１５、１９、２５、２７、３０では、スプールケースの外側を保護用袋で密封されることで、気化ガスの放散が抑えられているため、２００日後の連続ボンディング性もほぼ良好であった。これらは、気化性防錆剤をスプールケース内に収容するか、通気性のよいスプールケースを用いることで、ワイヤ表面の周囲に防錆雰囲気が十分形成されていたと考えられる。それと比べて、類似の実施例１６では、保護用袋で密封しているが、気化性防錆剤をスプールケースの外側に設置し、そのスプールケースの通気性が十分でないため、保護用袋の効果は少なかった。実施例１３では、保護用袋を使用してなくても、スプールケースの上蓋と下蓋に重複するようにテープ封止して気密性を高めることで、保護用袋と同様の良好な接合性が確認された。
実施例１８、１９では、３日間大気放置したボンディングワイヤを、気化性防錆剤と合わせてスプールケースに収容した場合であり、封入直前のボンディング性で少しだけ不良が認められたが、封入後の評価では連続ボンディング性が改善されていた。ワイヤ表面に防錆被膜を形成していない実施例１８と、ワイヤ表面に防錆被膜を形成している実施例１９では同様の結果が得られたことから、ワイヤ表面の防錆被膜の有無に拘わらず、気化性防錆剤との封入による防錆効果の修復作用が確認された。
実施例２ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、１５ｂ、１９ｂ、２２ｂ、２５ｂ、２８ｂ、３０ｂ、３２ｂ〜３５ｂでは、気化性防錆剤を収容する収容容器内に保管し、さらにボンディング装置への装着方法の分類がＢ（スプール＋気化性防錆剤＋スプールケース）、Ｃ（スプール＋気化性防錆剤＋保護用カバー）であり、装着中のワイヤが防錆雰囲気に覆われているため、４０日放置後でも高い連続ボンディング性を維持できており、装着の分類がＡ（スプールのみ）である実施例と比較して長期間の表面酸化防止に優れていた。また、実施例３２ｂ〜３５ｂでは、気化性防錆剤を含まない収容容器に保管されていたスプールをボンディング装置に装着するとき、気化性防錆剤を含む保護用カバー内に保管する場合であり、１０日放置で少数の剥離が発生する場合があるものの、その後の劣化は最小限に抑えられ、３０日後では１０日後とほぼ同等の接合性を維持しており、比較的良好な結果が確認された。
実施例１〜１６、１９、２１〜２３、２５、２６、２８、３０では、防錆被膜を形成したボンディングワイヤを用いているため、接合温度が１７０℃の低い場合でも、防錆被膜を形成していない場合と比べて、封入１０日、大気放置２日後の２ｎｄプル強度で十分良好な結果が得られた。
金属線を巻きつけるスプール、それを収容するスプールケースである。 本発明に関わる、金属線を巻きつけるスプール、気化性防錆剤を収容するスプールケースの容器と、それらの収容する方法である。 本発明に関わる、金属線を巻きつけるスプールと気化性防錆剤を収容するスプールケースの容器である。 本発明に関わる、金属線を巻きつけるスプールと気化性防錆剤を収容するスプールケース、それらの外側を覆う保護用袋である。 本発明に関わる、金属線を巻きつけるスプールと気化性防錆剤を収容するスプールケースをワイヤボンディング装置に装着した状態である。 本発明に関わる、金属線を巻きつけるスプールと気化性防錆剤を収容するスプールケースを、ワイヤボンディング装置に装着する手順の一部である。
符号の説明
１ ： ボンディングワイヤ（金属線）
２ ： スプール
３ ： スプールケース
４ ： スプールケースの下蓋
５ ： スプールケースの上蓋
６ ： 気化性防錆剤
７ ： スプール保持部
８ ： スプールをスプールケースに固定する方向
９ ： スプールケースの上下蓋の装着方向
１０ ： 気化性防錆剤を保持する専用スペース（スプールケース内部）
１１ ： スプールケースの通気穴
１２ ： 保護用袋
１３ ： スプール装着部及び回転部
１４ ： ワイヤボンディング装置のスプール固定部
１５ ： スプールケース固定部
１６ ： ワイヤ貫通部
１７ ： 保護用カバー
１８ ： 気化性防錆剤を保持する専用スペース（保護用カバー内部）
１９ ： ワイヤクランパ
２０ ： キャピラリ
２１ ： ワイヤ先端のボール部
２２ ： ワイヤが接続されたループ形状
２３ ： 半導体チップ
２４ ： 外部電極端子
２５ ： スプールケース上蓋の保持部
２６ ： スプール押付け部

Claims (16)

  1. ボンディングワイヤを収容する容器であって、該ボンディングワイヤを巻き付けたスプールと、気化性防錆剤とを少なくとも収容してなるスプールケースであることを特徴とする収容容器。
  2. 前記スプールの胴体内側に気化性防錆剤収納手段を有する請求項１記載の収容容器。
  3. 前記スプールケースの内部に気化性防錆剤収納手段を有する請求項１記載の収容容器。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のスプールケースの１個又は複数個を密封可能な保護用袋に収容してなることを特徴とする収容容器。
  5. 前記スプールケースが密封できる構造を有する請求項１〜３のいずれかに記載の収容容器。
  6. ボンディングワイヤを収容する容器であって、該ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを内側に収容してなるスプールケースの１個又は複数個を、少なくとも気化性防錆剤と共に、密封可能な保護用袋に収容してなることを特徴とする収容容器。
  7. 前記スプールケースの一部に、ボンディングワイヤを外部に引き出せるワイヤ通過部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の収容容器。
  8. ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、請求項１〜３のいずれかに記載の収容容器の一部又は全体を、ボンディングワイヤを巻き付けたスプールを保護した状態で装着することを特徴とするワイヤボンディング装置。
  9. ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、該スプール及び気化性防錆剤を覆う構造である保護用カバーで該スプールを覆うことを特徴とするワイヤボンディング装置。
  10. ワイヤボンディング装置のボンディングワイヤを巻き付けたスプールの設置箇所に、内部に気化性防錆剤収納手段を有する構造である保護用カバーで該スプール及び気化性防錆剤を覆うことを特徴とするワイヤボンディング装置。
  11. 前記ボンディングワイヤが、銅、銀、パラジウム、又はこれらの少なくとも１種を主成分とする合金である請求項１〜１０のいずれかに記載の収容容器。
  12. 前記ボンディングワイヤが、銅、銀、パラジウム、又はこれらの少なくとも１種を主成分とする合金であり、かつ、ワイヤ表面に防錆被膜が施されてなる請求項１〜１０のいずれかに記載の収容容器。
  13. 前記気化性防錆剤が、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる少なくとも１種を含有する請求項１〜１２のいずれかに記載の収容容器。
  14. 前記防錆被膜が、トリアゾール又はその誘導体、ベンゾトリアゾール又はその誘導体、イミダゾール又はその誘導体から選ばれる少なくとも１種を含有する請求１２記載の収容容器。
  15. ボンディングワイヤを請求項１〜７、１１〜１４のいずれかに記載の収容容器に収容、密封して保管することを特徴とする保管方法。
  16. ボンディングワイヤを使用しない時には、請求項１〜７、１１〜１４のいずれかに記載の収容容器に収容、密封してから保管することを特徴とする保管方法。
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