JP2008198977A - 半導体実装用ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】初期ボールが真球状に形成され、ボール接合部の接合強度が充分に得られ、かつ、Auボンディングワイヤよりも安価なAu,Pt,Pd被覆型Au-Agボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】AuとAgの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にAu、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有する半導体実装用ボンディングワイヤであって、前記芯材にCr、Si、Ti、及びVの内の1種もしくは2種以上が総計で5〜10000質量ｐｐｍ含有されていることを特徴とする半導体実装用ボンディングワイヤである。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子用の電極とリードフレーム、基板、テープ等の半導体用回路配線基板の配線とを接続するために利用される半導体実装用ボンディングワイヤに関する。
現在、半導体素子上の電極とリードフレーム、基板、テープ等の半導体用回路配線基板の配線とを接続する半導体実装用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤという。）として、電気伝導性に優れた金属から成る２０〜５０μｍ程度の線径の細線が主として使用されている。一般に、ボンディングワイヤと前記電極との接合にはボール接合と呼ばれる方式が、ボンディングワイヤと前記半導体用回路配線基板の配線との接合にはウェッジ接合と呼ばれる方式が、それぞれ用いられることが多い。このボール接合では、ボンディングワイヤの先端にアーク入熱を与えることで該先端部を溶融させた後、表面張力を利用して溶融物を凝固させることでボンディングワイヤの先端に初期ボールと呼ばれる球を形成させ、この初期ボールと前記電極とを１５０〜３００℃の範囲内で加熱しながら超音波を印加して圧着することで接合させる。一方、前述のウェッジ接合では、直接ボンディングワイヤを１５０〜３００℃の範囲内で加熱しながら超音波を印加して圧着することで該配線上に接合させる。
ボンディングワイヤを電極や配線と接合させた後、熱硬化性のエポキシ樹脂を注入してから固体化する、いわゆる樹脂封止工程を経て、半導体素子はパッケージ化される。この時、注入中の樹脂によってボンディングワイヤが変形したり断線したりしないよう、ボンディングワイヤには一定の強度が要求される。
従来、ボンディングワイヤの素材として純度が９９．９９質量％（４Ｎ、Ｆｏｕｒ−ｎｉｎｅ）程度のＡｕが広く用いられてきた。しかし、Ａｕは高価であるため、材料費が安価な他種金属のボンディングワイヤが所望されている。材料費が安価で、電気伝導性、ボール接合性やウェッジ接合性に優れることから、ＡｕとＡｇの合金を素材とするＡｕ−Ａｇボンディングワイヤが開発され、特許文献１等が開示されている。しかしながら、該Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤでは、ワイヤ表面の酸化により接合強度が低下し易いことがしばしば問題となる。これが、Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤの実用化が進まない一因となっている。
そこで、Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤの表面酸化を防ぐ方法として、特許文献２には、ＡｕとＡｇの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にＡｕを主体とする表皮層を有する、いわゆるＡｕ被覆型Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤが提案されている。
特開昭５５−１５８６４２号公報 特開平１−１７４３７号公報
今般の半導体実装の高密度化、小型化、及び薄型化等のニーズを考慮して、本発明者らが評価したところ、前記Ａｕ被覆型Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤの問題点として、（１）初期ボールが真球状には形成され難く、適切なボール接合ができないこと、（２）ボール接合部の接合強度が充分に得られないこと、（３）初期ボール径のばらつきが大きいこと、（４）樹脂封止工程での変形や断線を防止する上ではワイヤ強度が十分でないこと等、実用上の問題が多く残されていることが判明した。
Auと類似した貴金属ということで、PtやPdを被覆した場合もAuで被覆した場合と同じようにAu-Agボンディングワイヤの表面酸化を防ぐ効果が得られたが、その場合もAuを被覆した際と同様の前記課題が生じてしまった。
そこで、本発明では、上述した従来技術の問題を解決して、初期ボールが真球状に形成されて初期ボール径のばらつきが小さく、ボール接合部の接合強度が充分に得られ、十分なワイヤ強度を有し、かつ、Ａｕボンディングワイヤよりも安価なAu、Pt及びPd被覆型Au-Agボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、Ａｕ、Pt及びPd被覆型Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤの上記問題は、初期ボール形成時に該ボンディングワイヤの先端部が溶融された際、芯材であるＡｕ−Ａｇ合金が周辺の雰囲気中に含まれる酸素と反応することで、初期ボールが酸化されることで生じることが明らかとなった。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を要旨とする。
請求項１に係るボンディングワイヤは、AuとAgの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にAu、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有するボンディングワイヤであって、前記芯材にCr、Si、Ti、及びVの内の1種もしくは2種以上が総計で5〜10000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする。
また、請求項２に係るボンディングワイヤは、請求項１において、前記芯材に、さらにAl、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、La、及びPの内の1種もしくは2種以上が総計で5〜10000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする。
また、請求項３に係るボンディングワイヤは、AuとAgの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にAu、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有するボンディングワイヤであって、前記芯材と前記表皮層とを合わせたワイヤ全体の平均濃度で、Cr、Si、Ti及びVの内の1種もしくは2種以上が総計で2〜9000質量ｐｐｍ含有され、さらにAl、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、La、及びPの内の1種もしくは2種以上が総計で2〜9000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする。
また、請求項４に係るボンディングワイヤは、請求項1〜3のいずれか１項において、前記表皮層が0.01〜10μmの厚みを有することを特徴とする。
また、請求項５に係るボンディングワイヤは、請求項1〜4のいずれか1項において、前記表皮層がAuを主体とすることを特徴とする。
また、請求項６に係るボンディングワイヤは、請求項1〜5のいずれか１項において、前記芯材におけるAgの濃度が10〜90質量%の範囲であることを特徴とする。
本発明の半導体実装用ボンディングワイヤにより、初期ボールが真球状に形成され、ボール接合部の接合強度が充分に得られ、かつ、Ａｕボンディングワイヤよりも安価なAu、Pt及びPd被覆型Au-Agボンディングワイヤを提供することが可能となる。
第１の発明について説明する。
本発明のボンディングワイヤは、AuとAgの合金を主体とする芯材と、Au、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層とで構成されている。因みに、AuとAgの合金を主体とする芯材と、Au、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層の単純な2層構造としただけでは、初期ボールの適切な形成、ボール接合部の接合強度の確保等が充分でない。そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、前記芯材にＣｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びＶ（以下これら元素を「第１合金元素」ともいう。）の内の１種もしくは２種以上を総計で５〜１００００質量ｐｐｍ含有させれば、前述の単純な２層構造よりも特性を改善できることを見出した。これは、初期ボールを形成するためにボンディングワイヤの先端部を溶融する際、芯材であるＡｕ−Ａｇ合金が周辺の雰囲気中に含まれる酸素と反応するのであるが、芯材に第１合金元素が添加されていると、初期ボール形成のための溶融時に添加第１合金元素が優先的に酸化されることで、合金中のＡｕ−Ａｇマトリクス部分の酸化反応が抑制されるため、得られる効果である。
雰囲気中の酸素と結合した第１合金元素酸化物は、初期ボール表面に微細に分散し、一部はボール内部に点在する。初期ボール表面の大部分はＡｕ−Ａｇマトリクス部分で占められ、Ａｕ−Ａｇマトリクス部分は酸化が抑制されているので、初期ボール形状、ボール接合部強度等が良好に保たれるのである。
初期ボール中の酸素濃度については、初期ボールを酸で洗浄して表面に微細分散する第１合金元素酸化物を除去し、その後で初期ボールを溶解し、その溶液中に含まれる酸素濃度を赤外線吸収法で定量分析することができる。また、初期ボールの断面のＡｕ−Ａｇマトリクス部分に電子ビームを当て、オージェ電子分光分析法でマトリクスの酸素濃度を分析することもできる。
芯材における添加第１合金元素の濃度が総計で５質量ｐｐｍ以上であれば、初期ボール形成時にボンディングワイヤの先端部が溶融される際、これら添加元素がＡｕ−Ａｇ合金中に均一に拡散し、第１合金元素が雰囲気中の酸素と優先酸化することで前述のＡｕ−Ａｇ合金の酸化反応を抑制する効果が充分に得られ、その結果、真球状の初期ボールが得られ、かつ、充分な接合強度を有するボール接合部も得られる。尚、このときの初期ボール中の酸素濃度はおおむね１０質量ｐｐｍ程度となる。好ましくは、前記添加元素の濃度が総計で１０質量ｐｐｍ以上であれば、初期ボール中の酸素濃度が８質量ｐｐｍ以下となることで初期ボールの真球性が向上し、例えば、ワイヤ径の１．８倍を超えて２倍以下の直径という小さな初期ボールを形成させても真球性が良好となるので良い。中でも、Ｖを１０質量ｐｐｍ以上添加すると、初期ボール中の酸素濃度が５質量ｐｐｍ以下となることで初期ボールの真球性がさらに向上し、例えば、ワイヤ径の１．８倍の直径という極めて小さな初期ボールを形成させても真球性が良好となるので、特に好ましい。これらに対し、第１合金元素の濃度が５質量ｐｐｍ未満であると、初期ボール中の酸素濃度が２０質量ｐｐｍを超えてしまうため初期ボールが真球状に形成され難くなり、前記課題を解決できない。
芯材における第１合金元素の濃度が１００００質量ｐｐｍ以下であれば、添加元素と酸素との反応によって形成される酸化物が初期ボール表面に微細に分散し、初期ボール表面に現れるＡｕ−Ａｇマトリクス部分の酸化が抑制されているので、初期ボールの真球性が充分確保できる。好ましくは、５０００質量ｐｐｍ以下であれば、前記酸化物の微細化がさらに促進されることで、初期ボール径のばらつきが低減できるので良い。これに対して、前記濃度が１００００質量ｐｐｍを超えると、前記酸化物が初期ボールの表面に強固な膜を作ることで初期ボール形成時の抜熱のバランスが崩れ、初期ボールが真球状に形成され難くなり、前記課題を解決できない。
芯材に第１合金元素を添加することにより、ボンディングワイヤの強度を高める効果も得ることができる。これにより、樹脂封止工程でのボンディングワイヤの変形や断線発生を低減させることができる。
第２の発明について説明する。
第１合金元素の添加に加えて、さらに前記芯材がＡｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ｌａ、及びＰ（以下これら元素を「第２合金元素」ともいう。）の内の１種もしくは２種以上を総計で５〜１００００質量ｐｐｍ含有していれば、ボンディングワイヤの強度がさらに高まることで、ボンディングワイヤの線径が例えば２２μｍを超えて２５μｍ以下というように細線であっても、樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を回避できるので良い。より好ましくは、第２合金元素の濃度範囲が１０〜１００００質量ｐｐｍであれば、ボンディングワイヤの強度がより一層高まることで、ボンディングワイヤの線径が例えば２０μｍを超えて２２μｍ以下というようにさらに細線化されても、樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を回避できるのでさらに良い。中でも、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｐの内の１種もしくは２種以上を総計で１０〜１００００質量ｐｐｍ含有していれば、ボンディングワイヤの強度がより一層高まる効果が得られることで、ボンディングワイヤの線径が例えば１８μｍを超えて２０μｍ以下というようにより一層細線化されても、樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を回避できるので最も好ましい。
以上、本発明の好適な例を述べたが、本発明は適宜変形が可能である。例えば、該ボンディングワイヤにおける前記添加元素は、芯材のみに添加、表皮層のみに添加、あるいは芯材に一部を添加して表皮層にその残りを添加するというように、含有させることができる。これは、表皮層を構成するＡｕ、Ｐｔ、及びＰｄの内の１種もしくは２種以上が芯材を構成する主要元素の内の一つと同一の元素であることから、初期ボール形成のためにワイヤ先端を溶融した際に充分に芯材と表皮層とが拡散し、その結果、前記添加元素も初期ボール中に均一に分布できるためである。上記第１の発明及び第２の発明のように、芯材のみに添加した場合においては、元素が初期ボール中に均一に分布した結果として初期ボール中における元素濃度は当初の芯材中における元素濃度よりも薄くなる。第１合金元素、第２合金元素いずれも、芯材中に５質量ｐｐｍ以上含有していれば、初期ボール中において濃度が半分程度まで薄くなったとしても本発明の効果を奏することができる。
第３の発明について説明する。
本発明者らが調査した結果、ＡｕとＡｇの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にＡｕ、Ｐｔ及びＰｄの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有するボンディングワイヤにおいて、芯材と表皮層とを合わせたワイヤ全体の平均濃度で、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ及びＶ（第１合金元素）の内の１種もしくは２種以上が２〜９０００質量ｐｐｍ含有され、さらにＡｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ｌａ、及びＰ（第２合金元素）の内の１種もしくは２種以上が総計で２〜９０００質量ｐｐｍ含有されていれば、効率よくボンディングワイヤの強度を向上でき、ボンディングワイヤの線径が例えば２２μｍを超えて２５μｍ以下というように細線であっても、樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を回避できるのでさらに良いことが判明した。この効果は、添加元素が芯材のみに含有されていても、表皮層のみに含有されていても、あるいは芯材と表皮層のそれぞれに一部ずつ含有されていても、充分得られる。中でも、Ｖが２〜９０００質量ｐｐｍ含有され、さらにＧｅ、Ｈｆ、Ｐの内の１種もしくは２種以上が総計で２〜９０００質量ｐｐｍ含有されていれば、２０μｍを超えて２２μｍ以下というように一層細線であっても上述の効果が得られるので特に好ましい。また例えば、芯材と表皮層との界面においてＡｕあるいはＡｇの濃度勾配が生じていても良い。
第１〜第３の発明に共通する事項について説明する。
表皮層を構成する元素は、Au、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上とするのが良い。これは、これら元素が貴金属であることから酸化防止の効果が高いことによる。表皮層の厚さは０．０１μｍ以上であることが望ましい。これは、０．０１μｍ以上であればワイヤ全体に均一に表皮層を形成できるためである。また、厚さの上限は、１０μｍ以下であることが望ましい。これは、１０μｍ以下であれば工業的に量産性が高く、比較的安価に生産できるためである。好ましくは、０．１μｍ以上であれば高温に曝された時の酸化抑制の効果が高まるので良い。より好ましくは、表皮層を構成する元素としてAuを選択すれば、0.05μm以上の厚みであっても高温に曝された時の酸化抑制の効果が充分得られるので良い。この効果は、AuがPt又はPdよりも耐酸化性に富むことに起因すると思われる。
芯材であるＡｕ−Ａｇ合金におけるＡｇの濃度が１０質量％以上であれば、省Ａｕに伴うコスト削減の効果が充分得られるので良い。好ましくは、４１質量％以上であれば、ボンディングワイヤの強度等が増加することにより、電極と配線の間を接続するボンディングワイヤの長さが例えば５ｍｍ以上というように長尺化されても樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を回避できるので良い。Ａｇ濃度の上限は、９０質量％以下であることが望ましい。これは、９０質量％以下であれば芯材が充分な延性を確保できることから、良好なウェッジ接合性が得られるためである。
第１、第２の発明において、ＡｕとＡｇの合金を主体とする芯材とは、ＡｕとＡｇに更に第１の合金元素と必要に応じて第２の合金元素を含有すると好ましい。またＡｕ、Ｐｔ、及びＰｄを主体とする表皮層とは、Ａｕ、Ｐｔ、及びＰｄの内の１種もしくは２種以上とすると好ましい。また第３の発明において、ＡｕとＡｇの合金を主体とする芯材と、芯材の上にＡｕ、Ｐｔ、及びＰｄを主体とする表皮層とは、それぞれＡｕ、Ｐｔ、及びＰｄの内の１種もしくは２種以上と、ＡｇあるいはＡｕに必要に応じて第１合金元素と第２合金元素を含有すると好ましい。
ボンディングワイヤの含有元素濃度を分析する手法については、ボンディングワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げながら分析する手法や、ワイヤ断面での線分析又は点分析等が有効である。前者の掘り下げながら測定する手法は、表皮層が薄い場合に有効であるものの、厚くなると測定時間が掛かり過ぎる。後者の断面での分析は、表皮層が厚い場合に有効であり、また、断面全体での濃度分布や数箇所での再現性の確認等が比較的容易である点が利点であるが、表皮層が薄い場合には測定精度が低下する。ワイヤ断面では線分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上させたい場合には、線分析での分析間隔を狭くしたり、特に詳細に分析したい領域を拡大した上で点分析を行うことも有効である。これらの分析に用いる分析装置として、ＥＰＭＡ（電子線微小部分析装置）、ＥＤＸ（エネルギー分散型X線分析装置）、ＡＥＳ（オージェ電子分光分析装置）、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）等が利用できる。また、平均的な組成の調査には、表面部から段階的に酸等の薬液でボンディングワイヤを溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解した部位の組成を求める手法も可能である。
本発明のボンディングワイヤを製造するに当たり、芯材を形成する工程、表皮層を形成する工程、並びに熱処理する工程とが必要となる。芯材の形成では、まず、Ａｕ、Ａｇ並びに必要な添加元素を出発原料として秤量した後、これらを高真空下もしくは窒素やＡｒ等の不活性雰囲気下で加熱、溶解し、インゴットを得て、それを最終的な芯材の直径まで伸線してから表皮層を形成する工程に進む方法、もしくは前記直径よりも太径で一度伸線を中断してから表皮層を形成し、その後、再度最終的な芯材の直径まで伸線する方法とが利用できる。前者の最終径で膜形成する方法では製造や品質管理等が簡便であり、後者の膜形成後に再度伸線する方法では芯材と膜（表皮層）との密着性を向上できる。
表皮層を芯材上に形成する方法には、めっき法、蒸着法等がある。めっき法では、電解めっき法、無電解めっき法のどちらでも製造可能である。電解めっき法としては、ストライクめっきやフラッシュめっきを利用すれば、めっき速度が速く、下地との密着性も良好である。一方、無電解めっき法は電解めっき法よりもめっきに要する時間が長いものの、必要な装置等が簡便であり、容易に実行できる。無電解めっき法に使用する溶液は、置換型と還元型のいずれも使用でき、１〜２μｍ以下程度の薄い膜を形成させる場合には置換型めっきのみでも充分であるが、それよりも厚く成膜する場合には、まず置換型めっきを施した後、その上にさらに還元型めっきを段階的に実施することが有効である。蒸着法では、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等の物理吸着法と、プラズマＣＶＤ等の化学吸着の両者とも利用できる。これら蒸着法は、いずれも乾式であることから成膜後の洗浄が不要であり、洗浄時に懸念される表面の汚染等の心配は無い。
このようにして表皮層を芯材上に形成した後、ボンディングワイヤを熱処理する工程が必要となる。この工程では、炉内の温度を一定とした電気炉中を一定の速度でボンディングワイヤを連続的に掃引する方法が利用できる。ここで、炉内の雰囲気は窒素やＡｒ等の不活性雰囲気とすれば、ボンディングワイヤの酸化を防止できるので良い。
上記の製造方法とは異なり、溶融法と呼ばれる方法も利用できる。この方法は、表皮層又は芯材のいずれかを溶融させて鋳込む方法であり、生産性に優れ、めっき法や蒸着法に比べて表皮層の成分を調整し易い等の利点がある。つまり、予め作製した芯材の周辺に溶融した表皮層成分を流し込んでからそれを凝固させることで表皮層を形成する方法と、予め中空かつ円柱状に加工した表皮層の中空部に溶融した芯材成分を流し込んでからそれを凝固させる方法とが利用できる。そして、これらの凝固材を上述したように最終的に必要な線径まで伸線することで、芯材と表皮層の密着性に優れたボンディングワイヤを得ることができる。
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として、芯材に用いたＡｕとＡｇ並びに表皮層に用いたＡｕ、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上として、純度が９９．９９質量％以上という高純度の素材をそれぞれ用意した。予め組成を調整してから作製した直径約４〜９ｍｍのＡｕ−Ａｇ合金の周囲に、溶融した表皮層金属を流し込んでから凝固させることで、総計で直径１０ｍｍ程度のインゴットを得た。その後、鍛造、圧延、伸線を行って所定の直径のワイヤを作製し、最後に熱処理を行うことでワイヤの直径が２０〜３０μｍのＡｕ被覆型Ａｕ−Ａｇボンディングワイヤを得た。できあがった該ボンディングワイヤにおける芯材の直径及び表皮層の厚みは、ボンディングワイヤを断面研磨してからＥＤＸで組成を分析しながらＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で測定した。芯材及び表皮層を構成する元素の濃度は、表面部から段階的に酸でボンディングワイヤを溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解した部位の組成を求めることで得た。これらの値を表１〜３に記載した。表皮層によるボンディングワイヤの酸化防止効果を評価するため、湿度が85%・温度が85℃という高温高湿炉中に336時間、ボンディングワイヤを放置し、あえてワイヤ表面の酸化を促進するような加速試験を行った。加熱後、ボンディングワイヤを炉から取り出し、表面の酸化の度合いを光学顕微鏡で観察した。この時、ワイヤ表面の全面が酸化していれば×印で、表面の一部が酸化していれば△印で、ワイヤ表面が酸化していなければ○印で表1、2中の「ワイヤ表面の酸化防止」の欄に記した。
ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤーボンダーを使用した。ボンディングワイヤの接合の相手としては、Ｓｉチップ上に形成された厚さ１μｍのＡｌ電極と、表面がＡｇめっきされたリードフレームのリードをそれぞれ用いた。ボンディングの直前にアーク放電によりボンディングワイヤの先端に初期ボールを作製したが、その直径はボンディングワイヤの直径の１．８〜２．１倍となるようにしておいた。
実際の直径は、各初期ボールとも２０個ずつＳＥＭを用いて測定し、この平均値を表１〜３に記載した。このとき、測定した初期ボール径の最大値と最小値の差が、初期ボール径の平均値の１０％超であればばらつきが激しく不良であるとして×を、５％超かつ１０％以下であれば中間程度として△を、３％超かつ５％以下であれば実用上の不具合は無く良好とみなして○を、３％以下であれば極めて良好として◎を、表１〜３中の「初期ボール径のばらつき」の欄に記した。さらに、同時に初期ボールの形状もＳＥＭで確認し、異常な形状の初期ボールが１本以上あれば不良として×を、形状の異常は無いもののボンディングワイヤに対するボールの位置の芯ずれが顕著である場合は△を、芯ずれが１〜３本程度であれば実用上の不具合は無く良好とみなして○を、芯ずれも無く真球であれば極めて良好として◎を、表１，２及び３中の「初期ボールの形状」の欄に記した。尚、初期ボール径とボンディングワイヤの直径の比は、上述のそれぞれの値を使って算出し、これらの値を表１〜３の「初期ボール径とワイヤの直径の比」の欄に記載した。
初期ボール中の酸素濃度は、同一条件で作製した初期ボールをそれぞれ１００個用意し、それらを酸で洗浄して表面の酸化物を除去し、その後初期ボールを溶解し、溶解した溶液中に含まれる酸素濃度を赤外線吸収法で測定した。このとき、酸素濃度が２０質量ｐｐｍ以上であれば酸素濃度が過剰であるとして×を、１５〜２０質量ｐｐｍである場合は△を、８を超えて１５質量ｐｐｍ以下であれば良好とみなして○を、５を超えて８質量ｐｐｍ以下であれば非常に良好として◎を、５質量ｐｐｍ以下であれば極めて良好として◎◎を、表１中の「初期ボール中の酸素濃度」の欄に記した。
作製した初期ボールを２６０℃に加熱した前記電極とボール接合した後、ボンディングワイヤの母線部を２６０℃に加熱した前記リードとウェッジ接合し、再び初期ボールを作製することで、連続的にボンディングを繰り返した。ここで、ループ長が５ｍｍもしくは３ｍｍとなるようにボンディングし、ループ長の値を表１〜３の「ループ長さ」の欄に記載した。
初期ボールと電極との接合強度については、電極の２μｍ上方で冶具を電極表面と平行に移動させることで該接合部のせん断破断強度を読み取る、いわゆるシェア強度測定法で、４０本の破断荷重（シェア強度）を測定した。シェア強度の標準偏差が１４．７ｍＮ超であればばらつきが大きく改善が必要であるため×を、７．８超１４．７ｍＮ以下であれば実用上の大きな問題はないので○を、７．８ｍＮ以下であれば極めて安定しているので◎を、表１〜３の「初期ボールと電極の接合強度」の欄に表記した。
樹脂封止時のワイヤ流れを測定するため、上記で作製したボンディング済みのサンプルを市販のエポキシ樹脂で封止した後に、Ｘ線観察装置を用いて内部を透過観察し、ワイヤ流れが最も大きなボンディングワイヤの流れ量を２０本測定した。ここで、その平均値をループ長さで除した値をワイヤ変形率とし、この値が４％以上であれば不良と判断して×印で、２％以上４％未満であれば実用上は問題ないとして○印で、２％未満であればワイヤ変形に対する抵抗が良好であるため◎印で、表１〜３の「封止時のワイヤ流れ」の欄に表記した。
ウェッジ接合は低温でボンディングするほど接合が困難になることから、ウェッジ接合部の接合強度を加速した条件で測定するため、接合時の加熱温度を２２０℃及び１７０℃という低温にして、それぞれの温度で１０００本のボンディングを行った。この時、２２０℃の接合温度でウェッジ接合に失敗してリードとボンディングワイヤとが剥離した本数が１本以上あった場合には×印を、２２０℃ではそのような剥離は生じなかったものの１８０℃の接合温度でウェッジ接合に失敗してリードとボンディングワイヤとが剥離した本数が１本以上あった場合には○印を、いずれの接合温度でも前記剥離が生じなかった場合には極めて良好であるとして◎印を、表１〜３の「ウェッジ接合強度」の欄に記載した。
Figure 2008198977
Figure 2008198977
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請求項１に係るボンディングワイヤは実施例1〜52であり、請求項２に係るボンディングワイヤは実施例26〜52であり、請求項３に係るボンディングワイヤは実施例53〜58であり、請求項４に係るボンディングワイヤは実施例1〜21,23,24,26〜48,51,52であり、請求項５に係るボンディングワイヤは実施例1,4,7,10,13〜26,29,32,35〜58であり、請求項６に係るボンディングワイヤは実施例1〜22,25〜50,53〜58である。ここで、それぞれの請求項の代表例について、評価結果の一部を説明する。
表１に示す実施例１〜２５、比較例１、２は、ワイヤ全体の直径を３０μｍとしている。実施例１〜２５のボンディングワイヤでは、本発明に係る、ＡｕとＡｇの合金を主体とする芯材に適切な量の第１合金元素が含有されていたことにより、初期ボールの形状、初期ボールと電極との接合強度、初期ボール径のばらつき、封止時のボンディングワイヤの流れのいずれもが良好であることが確認された。一方、比較例１及び２で示すボンディングワイヤでは、芯材中の第１合金元素の濃度がそれぞれ不足又は過剰であるために、これらの特性は充分ではなかった。
表２に示す実施例２６〜５２、比較例３、４は、ワイヤ全体の直径を２０、２５μｍとし、表１に示すものよりも細線としている。実施例２６〜５２のボンディングワイヤでは、本発明に係る、前記芯材に、第１合金元素に加え、さらにＡｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ｌａ、及びＰの内の１種もしくは２種以上を適切な量含有されていたことにより、細線であっても樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を抑制できていることが確認された。一方、比較例３及び４で示すボンディングワイヤでは、芯材中の添加元素の濃度がそれぞれ不足又は過剰であるために、これらの特性は充分ではなかった。
実施例５３〜５８のボンディングワイヤでは、本発明に係る、適切な量の元素が添加されていたことにより、より一層の細線であっても樹脂封止時のボンディングワイヤの変形や断線を抑制できていることが確認された。この効果は、添加元素が芯材のみに含有されていても、表皮層のみに含有されていても、あるいは芯材と表皮層のそれぞれに一部ずつ含有されていても、充分得られることが併せて確認された。特に、実施例５３〜５６で示すように、Ｖ、Ｇｅ、Ｈｆ、及びＰは、それぞれ２質量ｐｐｍという微量な添加でありながら、極めて優秀な成績を収めた。一方、比較例５及び６で示すボンディングワイヤでは、ワイヤ中の添加元素の濃度がそれぞれ不足及び過剰であるために、これらの特性は充分ではなかった。
実施例1〜21,23,24,26〜48,51,52のボンディングワイヤでは、本発明に係る、表皮層の厚みが0.01〜10μmであったことにより、ワイヤ全体に均一に表皮層を形成できていた。一方、比較例1〜6で示すボンディングワイヤでは、表皮層の厚みが薄かったためにこの特性が充分ではなかった。
実施例1,4,7,10,13〜26,29,32,35〜58ボンディングワイヤでは、本発明に係る、表皮層を構成する元素がAuであったために、0.05μm以上の厚みであっても高温に曝された時の酸化抑制の効果が充分得られた。
実施例1〜22,25〜50,53〜58のボンディングワイヤでは、本発明に係る、芯材におけるAgの濃度が適切な範囲であったことにより、良好なウェッジ特性が得られていた。一方、比較例1〜6で示すボンディングワイヤでは、Agの濃度が91%と過剰であったためにこの特性が充分ではなかった。
ウェッジ接合特性に着目すると、実施例1〜22,25〜50,53〜58のボンディングワイヤでは、本発明に係る、芯材におけるＡｇの濃度が適切な範囲であったことにより、良好なウェッジ特性が得られていた。一方、比較例1〜6で示すボンディングワイヤでは、Ａｇの濃度が９１％と過剰であったためにこの特性が充分ではなかった。

Claims (6)

  1. AuとAgの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にAu、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有する半導体実装用ボンディングワイヤであって、前記芯材にCr、Si、Ti及びVの内の1種もしくは2種以上が総計で5〜10000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする半導体実装用ボンディングワイヤ。
  2. 前記芯材に、さらにAl、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、La、及びPの内の1種もしくは2種以上が総計で5〜10000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  3. AuとAgの合金を主体とする芯材と、該芯材の上にAu、Pt、及びPdの内の１種もしくは２種以上を主体とする表皮層を有する半導体実装用ボンディングワイヤであって、前記芯材と前記表皮層とを合わせたワイヤ全体の平均濃度で、Cr、Si、Ti、及びVの内の1種もしくは2種以上が総計で2〜9000質量ｐｐｍ含有され、さらにAl、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、La及びPの内の1種もしくは2種以上が総計で2〜9000質量ｐｐｍ含有されてなることを特徴とする半導体実装用ボンディングワイヤ。
  4. 前記表皮層が0.01〜10μmの厚みを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  5. 前記表皮層がAuを主体とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  6. 前記芯材におけるAgの濃度が10〜90質量%の範囲であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
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