JP2009140942A - 半導体装置用ボンディングワイヤ - Google Patents

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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48639—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/48838—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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Abstract

【課題】本発明は、ボール接合部の形状、サイズの安定化、ループ形状の安定性などに優れている、細線化、狭ピッチ化、ロングスパン化、三次元実装などの半導体実装技術にも適応する、高機能のボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【解決手段】導電性金属からなる芯材と、該芯材の上に芯材とは異なる金属を主成分とする表皮層を有するボンディングワイヤであって、前記表皮層の金属が面心立方晶であって、前記表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合が、ともに50%未満であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤである。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子上の電極と、回路配線基板(リードフレーム、基板、テープ等)の配線とを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関するものである。
現在、半導体素子上の電極と、外部端子との間を接合するボンディングワイヤとして、線径20〜50μm程度の細線(ボンディングワイヤ)が主として使用されている。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、ボンディング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。ボンディングの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、直接ボンディングワイヤを外部リード側に超音波圧着により接合させる。
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。
隣接するボンディングワイヤの間隔が狭くなる狭ピッチ化が進行している。これに対応するボンディングワイヤへの要求として、細線化、高強度化、ループ制御、接合性の向上などが求められる。半導体実装の高密度化によりループ形状は複雑化している。ループ形状の分類として、ループ高さ、ボンディングのワイヤ長さ（スパン）が指標となる。最新の半導体では、一つのパッケージ内部に、高ループと低ループ、短いスパンと長いスパンなど、相反するループ形成を混載させるケースが増えている。それを１種類のボンディングワイヤで実現するには、厳しいボンディングワイヤの材料設計が必要となる。
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度4N系(純度>99.99mass%)の金が主に用いられている。高強度化、高接合などの特性を向上するため、微量の合金元素を調整することが行われている。最近では、接合部の信頼性を向上する目的などで、添加元素濃度を1%以下まで増加させた純度2N（純度＞99%）の金合金ワイヤも実用化されている。金に添加する合金元素の種類、濃度を調整することで、高強度化、信頼性の制御など可能である。一方で、合金化により、接合性が低下したり、電気抵抗が増加するなどの弊害が生じる場合もあり、ボンディングワイヤに要求される多様な特性を総合的に満足することは難しい。
また、金は高価であるため、材料費が安価である他種金属が所望されており、材料費が安価で、電気伝導性に優れた、銅を素材とするボンディングワイヤが開発されている。しかし、銅のボンディングワイヤでは、ボンディングのワイヤ表面の酸化により接合強度が低下することや、樹脂封止されたときのワイヤ表面の腐食等が起こり易いことが問題となる。これらが銅のボンディングワイヤの実用化が進まない原因ともなっている。
これまでに実用化されたボンディングワイヤは全て単層構造であることを特徴とする。素材が金、銅など変わっても、内部に合金元素を均一に含有しており、ボンディングのワイヤ断面でみるとワイヤ単層構造であった。ワイヤ表面に薄い自然酸化膜、表面保護のための有機膜などが形成されている場合もあるが、これらも最表面の極薄い領域（〜数原子層レベル）に限られる。
ボンディングワイヤに要求される多様なニーズに応えるため、ワイヤ表面に別の金属を被覆した多層構造のボンディングワイヤが提案されている。
銅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1には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタン等の貴金属や耐食性金属で銅を被覆したボンディングワイヤが提案されている。また、ボール形成性、メッキ液の劣化防止等の点から、特許文献2には、銅を主成分とする芯材、該芯材上に形成された銅以外の金属からなる異種金属層、及び該異種金属層の上に形成され、銅よりも高融点の耐酸化性金属からなる被覆層の構造をしたボンディングワイヤが提案されている。特許文献3には、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上に芯材と成分又は組成の一方または両方の異なる金属と銅を含有する外皮層を有し、その外皮層の厚さが0.001〜0.02μmの薄膜であるボンディングワイヤが提案されている。
また、金ボンディングワイヤでも、多層構造が多く提案されている。例えば、特許文献4には、高純度Au又はAu合金からなる芯線の外周面に高純度Pd又はPd合金からなる被覆材を被覆したボンディングワイヤが提案されている。特許文献5には、高純度Au又はAu合金からなる芯線の外周面に高純度Pt又はPt合金からなる被覆材を被覆したボンディングワイヤが提案されている。特許文献6には、高純度Au又はAu合金からなる芯線の外周面に高純度Ag又はAg合金からなる被覆材を被覆したボンディングワイヤが提案されている。
量産で使用され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安定しており、接合性も向上しており、樹脂封止工程でワイヤ変形を抑制すること、接続部の長期信頼性等の、総合的な特性を満足することで、最先端の狭ピッチ、３次元配線などの高密度実装に対応できることが望まれている。
ボール接合に関連して、ボール形成時に真球性の良好な初期ボールを形成し、そのボールを電極上に接合したボール接合部の形状が真円に近いことが重要となる。接合部で十分な接合強度も求められる。また、接合温度の低温化、ボンディング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ボンディング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。初期ボールまたはボール接合部の形状の安定性の追及、低温での接合性の向上などにより、半導体製造工程の不良発生率をppmオーダで管理する厳しい要求に適応できなくては実用化に至らない。
こうした半導体向けの多層構造のボンディングワイヤは、実用化の期待は大きいものの、これまで実用化されていなかった。多層構造による表面改質、高付加価値などが期待される一方で、ワイヤ製造の生産性、品質、またボンディング工程での歩留まり、性能安定性、さらに半導体使用時の長期信頼性などが総合的に満足されなくてはならない。
特開昭62-97360号公報 特開2004-64033号公報 特開2007-12776号公報 特開平4-79236号公報 特開平4-79240号公報 特開平4-79242号公報
従来の単層構造のボンディングワイヤ(以下、単層ワイヤと記す)では、引張り強度、接合部の強度、信頼性などを改善するのに、合金化元素の添加が有効であるが、特性向上には限界が懸念されている。多層構造をしたボンディングワイヤ（以下、複層ワイヤと記す）では、単層ワイヤよりもさらに特性を向上して付加価値を高めることが期待される。高機能化をもたらす複層ワイヤとして、例えば、銅ボンディングワイヤの表面酸化を防ぐために、ワイヤ表面に貴金属や耐酸化性の金属を被覆することが可能である。金ボンディングワイヤでも、ワイヤ表面に強度の高い金属または合金を被覆することで、樹脂流れを低減する効果が期待される。
しかし、半導体実装の高密度化、小型化、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、複層ワイヤでは、後述するような実用上の問題が多く残されていることが判明した。
複層ワイヤのボール接合部の不具合の代表例として、花弁現象と芯ずれ現象がある。花弁現象とは、ボール接合部の外周近傍が花弁状に凹凸変形を起こして、真円性からずれるものであり、小さい電極上に接合するときにボールがはみ出たり、接合強度の低下を誘発したりする不良の原因となる。芯ずれ現象とは、初期ボールがワイヤ軸に対し非対称に形成される現象であり、そのずれ程度が激しければゴルフクラブ状となる場合もある。芯ずれした初期ボールを接合したときに、ボール接合部がワイヤ軸からずれて変形することによる形状不良を偏芯と呼ぶ。すなわち偏芯の原因として、初期ボールの芯ずれが関係している場合が多い。偏芯が発生すると、狭ピッチ接続では隣接するボールと接触するショート不良を起こすことが問題となる。これら複層ワイヤにおける花弁現象と芯ずれ現象の発生頻度は単層ワイヤより増える傾向であり、生産性の低下をもたらす一因であるため、ワイヤボンディング工程の管理基準を厳しくする必要がある。
特に最近の狭ピッチ接続に複層ワイヤを用いると、芯ずれおよび偏芯の発生頻度が上昇したり、また、ずれ程度が著しい強芯ずれ現象が発生する場合がある。強芯ずれ現象は、発生頻度は低いが、不良に直結する場合もあり、実用上の大きな障害となる。単層ワイヤでの芯ずれ不良は、ボンディング装置の汚れ、キャピラリ冶具の取付け不具合などが原因である場合が多く、ワイヤ材質に起因する芯ずれ不良の頻度は低かった。複層ワイヤでの芯ずれ不良は、単層ワイヤの場合に比べて、発生頻度で数十倍となる場合もあり、ずれの程度も1.5倍程度も増加する場合なども確認されている。これは、ボール形成の各プロセスと関連している。例えば理想的な真円のボール接合部を形成するには、ワイヤ先端に生じたアーク放電がボンディングワイヤに均一に広がることで軸対称なボールを形成し、そのボールを電極上で等方的に変形させることなどが必要である。単層ワイヤでは通常では容易に達成できるのに対して、複層ワイヤのボール接合では、全ての要素を同時に満足することが困難であると考えられる。
複層ワイヤの芯ずれの程度がひどい場合には、隣接するボール接合部と接触する危険性が高まる。この目安として、ワイヤ軸からボール最外周までの距離を比較すると、正常なボール変形より、偏芯レベルが最大で1.5倍程度まで変形する場合もある。このままでは狭ピッチ接続には不利である。接合条件で対応する手段として、ボール形成時のサイズを小さくすることも可能であるが、これにより接合強度を低下させるため、改善は困難である。
芯ずれまたは偏芯したボールでは、接合のときの荷重、超音波振動がボールに均一に伝わらないため、ボンディングワイヤと電極との接合界面の拡散および金属間化合物の形成が不均一となる可能性が高い。これは、連続ボンディング時に接合部での剥離が生じる不良を誘発したり、初期の接合強度を低下させることが問題となる。さらに、半導体使用時の長期信頼性を低下させる原因ともなる。こうした接合強度、信頼性の観点からも、芯ずれおよび偏芯を低減できなければ、複層ワイヤの実用範囲が限定されることが懸念される。
ウエッジ接合におけるボンディングワイヤの捲れまたは部分剥離などの不良も、複層ワイヤの実用化では問題となる。リード電極上にワイヤを接続するウエッジ接合では、接合後にボンディングワイヤを上方に引き上げ接合部で破断させること（テイルカット）が行われるが、その際に、接合の端部からワイヤが捲れたり剥離が生じることで、接合強度の低下、ボール径のばらつきなどの不良を起こすことが懸念される。複層ワイヤでは、表皮層と芯材はお互いに材質が異なるため、それぞれが接合にどのように影響するかにより、捲れや剥離が増加する場合がある。
複層ワイヤでループ形成したときの不具合として、ループの直線性が低下して、ボンディングワイヤの倒れ、垂れ、曲がりなどの不具合が生じる場合がある。このループの直線性が低下することで、製造歩留まりを低下させることが問題となる。
複層銅ワイヤでは、単層銅ワイヤより酸化を遅らせる効果が期待できるが、その効果は、表皮層またはワイヤ表面近傍における組成、構造、厚さなどにより大きく異なる。複層銅ワイヤの構造の適正化が重要となる。金ワイヤと同等の作業性を確保するには、例えば、２ヶ月程度の大気保管の後でも、ウェッジ接合性、ループ形状などが劣化しないことが保障される必要がある。これは、単層銅ワイヤの保管寿命に比べれば数十倍の寿命向上が必要であり、銅を主体とする材料においては相当厳しい条件が求められることになる。
本発明では、上述するような従来技術の問題を解決して、従来の基本性能に加えて、ボール形成の芯ずれを抑制して、ボール接合形状を改善し、ループ形状、直線性を安定化させるなどの性能向上を図った半導体装置用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、上記ボール形成の芯ずれ、ボール接合形状不良等の問題を解決するために複層構造のボンディングワイヤを検討した結果、特定の表皮層であって前記表皮層の組織を制御することが有効であることを見出した。
本発明は前記知見の基づいてなされたものであり、以下の構成の要旨とする。
本発明の請求項１に係るボンディングワイヤは、導電性金属からなる芯材と、前記芯材の上に芯材とは異なる金属を主成分とする表皮層を有する半導体装置用ボンディングワイヤであって、前記表皮層の金属が面心立方晶であって、前記表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合が、ともに50%未満であることを特徴とする。
本発明の請求項２に係るボンディングワイヤは、請求項１において、前記表皮層の表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位が<111>または<100>である結晶粒の面積が、ワイヤ表面の総面積に対する割合として、ともに35%以下であることを特徴とする。
本発明の請求項３に係るボンディングワイヤは、請求項１又は２において、前記表皮層の表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位が<111>または<100>である結晶粒の面積の総計が、ワイヤ表面の総面積に対する割合として、50%以下であることを特徴とする。
本発明の請求項４に係るボンディングワイヤは、請求項１又は２において、前記芯材の断面の結晶面におけるワイヤ長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>との占める割合の総計が30%以上であることを特徴とする。
本発明の請求項５に係るボンディングワイヤは、請求項１〜４のうちいずれか１項において、前記表皮層の表面における、円周方向の結晶粒サイズの平均が2μm以下であることを特徴とする。
本発明の請求項６に係るボンディングワイヤは、請求項１〜５のうちいずれか１項において、前記表皮層を構成する主成分がPd、Pt、Ruの少なくとも１種であることを特徴とする。
本発明の請求項７に係るボンディングワイヤは、請求項１〜６のうちいずれか１項において、前記芯材を構成する主成分がCu、Auの少なくとも１種であることを特徴とする。
本発明の請求項８に係るボンディングワイヤは、請求項１〜７のうちいずれか１項において、前記表皮層と前記芯材の間に、前記表皮層及び前記芯材を構成する主成分とは異なる成分からなる中間金属層を有することを特徴とする。
本発明の半導体装置用ボンディングワイヤにより、ボール形成の芯ずれ不良、またはボール接合部の偏芯不良を改善できる。また、ループの直線性、ループ高さの安定性を向上できる。また、ボンディングワイヤの接合形状の安定化を促進できる。その結果、細線化、狭ピッチ化、ロングスパン化、三次元実装など最新の半導体実装技術にも適応する、高機能のボンディングワイヤを提供することが可能となる。
半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤという）について、導電性金属からなる芯材と、該芯材の上に芯材とは異なる面心立方晶の金属を主成分とする表皮層で構成されたものを検討した結果、ボンディングワイヤの表面近傍に導電性金属を含有することにより、ウェッジ接合強度の向上など期待できる反面、ボール形成での芯ずれ不良の発生、ボール接合部の偏芯不良の発生、ボールサイズのばらつきなどが問題となることを確認した。
そこで、狭ピッチ接続、３次元接続などの新たなニーズへの対応、小さい電極による生産性の向上などにも対応できる複層構造のボンディングワイヤを検討した結果、特定の表皮層であって前記表皮層の組織を制御することが有効であることを見出した。特に、これまでほとんど知られていなかった複層ワイヤの表面の集合組織とワイヤボンディングの使用性能の関係に着目することで、特定の結晶方位を制御することにより、ボール形成性、接合性、ループ制御性などの総合的な改善が可能であることを初めて確認した。更に効果的には、表皮層と芯材の組織の組合せなどの制御が有効であることを見出した。
即ち、導電性金属からなる芯材と、前記芯材の上に芯材とは異なる面心立方晶の金属を主成分とする表皮層を有するボンディングワイヤであって、表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合がそれぞれ50%未満であるボンディングワイヤであることが望ましい。前記ボンディングワイヤであれば、ボール接合部の芯ずれ不良を抑制する高い効果が得られる。
表皮層を構成する成分が面心立方晶の金属であれば、加工時の降伏降下もなく、加工性も良好であり、伸線加工、ループ制御などの複雑な加工、曲げなどに順応しやすい。面心立方晶の金属で形成、観察される結晶方位では、例えば、<111>、<100>、<110>、<210>、<211>、<221>、<113>、<320>などが知られている。
本発明者らは芯ずれを抑制する方策を検討した結果、1)ウェッジ接合の後にワイヤ切断するテイルカット工程でワイヤ破断部の長さ、形状などが安定していること、2)ワイヤ先端に生じたアーク放電がボンディングワイヤに均一に広がること、3)溶融された初期ボールが凝固する際にボンディングワイヤに軸対称を維持すること、4)そのボールを電極上に接合する際にボールが等方的に変形して真円を維持すること、などが同時に満足されることが重要であることを見出した。その改善手段の一つとして、ワイヤ長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合がそれぞれ50%未満であることが有効である。面心立方晶の金属の<111>及び<100>方位は、加工や熱処理の過程で起こる配向の代表的な結晶方位であり、これらの方位の割合が多い表皮層では、組成としては均一であっても組織としては不均一、即ち、特定の方位が発達した部分が不均一に分布する。このような不均一な組織表面では、同じ組成であっても結晶面によって仕事関数（化学ポテンシャル）が異なるので、例えば、ワイヤ先端の表面に組織的不均一があると、アーク放電がボンディングワイヤに均一に広がらないということが起こる。したがって、これらの方位の割合を抑えることで、テイルカット長さ、アーク放電、初期ボール部の凝固組織、超音波印加によるボール変形などをバランスよく制御できると考えられる。ここで該比率が50%以上では、芯ずれのレベルの激しい不良が突発的に発生し、例えばゴルフクラブ状の不良ボールなどが発生する場合が多いためである。好ましくは、該比率がそれぞれ40%以下であれば、ゴルフクラブ状などの著しい芯ずれを抑制し、さらに平均的な芯ずれの発生率を低減する効果も高められる。より好ましくは、30%以下であれば芯ずれを抑制する効果がさらに高まり、例えば、小さい電極への接合でもはみ出しを抑制できる。
複層ワイヤでは表層と芯材が異なる成分で構成されているため、ワイヤ表面を被覆している表層の組織を分離して制御することが比較的容易である。この表面組織の制御による特性改善効果も高い。こうした点では、従来の単層ワイヤの組織制御とは異なる。単層ワイヤでは、ワイヤ全体の集合組織および結晶方位を管理することはできるが、表面近傍だけワイヤ内部と分離して組織制御することは難しい。因って、複層ワイヤの表層の組織制御には、複層ワイヤ独自の考え方が求められ、単層ワイヤのワイヤ断面における集合組織および結晶方位の管理を当てはめることはできない。
ある結晶方位の配向率の表示法には、母集団の選定により２通りある。一つは、ワイヤ表面の測定面積に対する各結晶方位<hkl>が占める比率（以下、<hkl>面積比率とよぶ）、又は、測定エリアのなかで結晶方位が識別できる結晶粒または領域を母集団とした各結晶方位<hkl>の比率（以下、<hkl>方位比率とよぶ）である。これまでの説明では、測定できる結晶方位を基準とした方位比率で表示できた。今後狭ピッチ化に適応するため細線化が進めば、表面積の影響がますます増すことで、結晶方位の及ぼす効果をボンディングワイヤの表面を基準とした面積比率で整理する方が、実用の効果をより正確に把握することが可能となる。
具体的には、表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合（方位比率）がそれぞれ50%未満である複層構造のボンディングワイヤであって、さらに表皮層の表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位が<111>または<100>である結晶粒の面積の、ワイヤ表面の面積に対する割合（面積比率）であって、前記割合（面積比率）がともに35%以下であることが望ましい。これにより、テイルカット形状、ボール凝固時の軸対称性、ボールの高速圧縮変形などを総合的に安定化させ、線径22μm以下に細線化されたボンディングワイヤでもボール接合部の偏芯不良を低減することができる。線径22μm以下の細いボンディングワイヤでは、伸線加工歪みの増大などにより、測定が難しい結晶方位の領域が増加すること等で、測定できる結晶方位のうちの、<111>と<100>の比率（方位比率）だけでは、ボール接合部の形状を正確に把握することが難しい場合も多い。そこで表皮層の表面における<111>の面積比率を併せて適正化することで、細線でも良好な特性が得られる。該面積比が35%以下である理由は、<111>と<100>の方位比率がそれぞれ50%未満であっても、<111>と<100>の面積比率がそれぞれ35%を超えると、線径22μm以下のボンディングワイヤを用いた接続において、ボール接合部の偏芯不良が増えるためである。好ましくは、該面積比率が25%以下であれば、線径18μm以下の細線を接続しても、接合部の偏芯を低減できる。さらに好ましくは、該面積比率が12%以下であれば、線径15μm以下の細線での接合部の偏芯を抑制する効果がさらに高められるため、電極間隔が40μm以下の狭ピッチ接続にも有利となる。好ましくは、該面積比率の下限値として1%以上であれば、伸線、熱処理などのワイヤ製造が容易となる。
表皮層の表面における長手方向<hkl>のうち、<111>と<100>の方位比率が、ともに50%未満である複層構造のボンディングワイヤであって、さらに<111>または<100>である結晶粒の面積の総計がワイヤ表面の面積に対する割合（面積比率）が50%以下であれば、ウエッジ接合におけるボンディングワイヤの捲れまたは部分剥離などの不良を抑制することで、高速接続、低温接合などにおける量産歩留りを向上することができる。ボンディングワイヤの捲れまたは部分剥離を誘発する要因として、ウエッジ接合の変形形状、接合界面での接着力、テイルカット時のワイヤ破断力（テイルカット強さ）などが関与していると考えられる。例えば、テイルカット強さが接着力よりも高くなるほど、捲れ現象が増える傾向となる。<111>と<100>それぞれの方位の具体的な関与は必ずしも明確でないが、これらの方位が増えるほど、結晶粒の配向分布に局所的な偏りが生じる傾向にあることにより、ウエッジ接合での変形形状が不均一となったり、ワイヤ表面硬さの局部変動によりテイルカット強さが不安定になることなどが、ワイヤ捲れ、部分剥離などを発生させていると考えられる。言い換えれば、こうした変形形状、接着力、テイルカット強さなどを安定化させるには、<111>、<100>をトータルで低く抑えることが有効である。前記方位比率及び前記面積比率が50%以下であれば、ウエッジ接合におけるワイヤ捲れを低減する高い効果が得られる。例えば、線径25μmの細線を用い、接合温度が200℃程度の一般的な接合条件で上記効果を確認している。好ましくは、25%以下であれば、160℃以下の低温接合でも、ワイヤ捲れを低減する効果がさらに促進できる。好ましくは、該面積比率の下限値として1%以上であれば、伸線、熱処理などのワイヤ製造が容易となる。
芯材の断面におけるワイヤ長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合（方位比率）の合計が30%以上であれば、ボール接合部の外周近傍が凹凸変形する花弁不良を低減することになり、ボール接合部を真円に近づけて安定化させることができる。真円性が良好であれば接合面積の縮小に有利となり、接合工程の製造管理が容易となったり、あるいは狭ピッチ接合の生産性を向上できる。ボール部の凝固組織は、芯材の組織にも大きく反映され、芯材の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>との占める割合を高くすることが有効であることを確認した。この作用効果は、通常のボールサイズの場合に、より高い効果が確認されている。例えば、初期ボール径／ワイヤ径の比率が1.9〜2.2の通常サイズのボールを接合する場合に、ボール接合部における花弁状などの形状不良を低減して、真円性を向上できる。圧縮変形、超音波印加によるボール部の変形挙動を調査した結果、ボール接合形状に関しては、表皮層の組織との相関は小さく、むしろ芯材の組織が支配的に作用することが確認された。ここで、芯材における<111>と<100>との占める割合の合計が30%未満であれば、ボールが接合時に花弁状の変形を起こす頻度が高くなり、不良となる場合がある。ボンディングワイヤの組織がボール変形に及ぼす影響は、複層ワイヤの方が顕著であり、単層ワイヤの組織の影響とは異なる場合が多い。好ましくは、芯材における<111>と<100>との占める割合の合計が50%以上であれば、小径ボールの接合形状の真円性を向上できる。例えば、初期ボール径／ワイヤ径の比率が1.5〜1.7の範囲である小径ボールを接合する場合に、ボール接合部の真円性を向上することで、電極間隔が40μm以下の狭ピッチ接続にも有利となる。
こうした芯材の組織と、前述した表皮層の組織とを組み合わせることにより相乗作用が期待でき、ループ形状の制御、ボール変形の安定化を同時に改善することが可能となる。すなわち、表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位のうち、<111>と<100>の方位比率が、ともに50%未満であり、且つ、芯材の断面におけるワイヤ長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>との占める割合が30%以上である複層構造のボンディングワイヤであることが望ましい。これにより、最新ニーズである高密度実装の代表例である狭ピッチ接続での小ポール接合、あるいはBGA、CSPを用いる場合に必要となる低温接合など、厳しい接合条件でもボール接合性を高める高い効果が得られる。
表皮層の表面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の方位比率が、ともに50%未満である複層構造のボンディングワイヤであって、さらに表皮層の表面における円周方向の結晶粒サイズの平均が2μm以下であることにより、初期ボール径のバラツキを低減させて、ボール接合部のサイズも安定化させることができる。初期ボール径のバラツキを低減するには、ワイヤ先端とトーチ電極との距離（トーチ間隔）をなるべく一定にすることが望ましい。ワイヤボンディングの高速動作の過程でトーチ間隔を一定にさせる方策として、テイルカット時の破断形状、破断長さを安定化させることが有効である。表皮層の表面における結晶粒の平均サイズを小さくすることは、単層ワイヤでは効果は小さいものの、複層ワイヤでは、ワイヤ長手方向に表面の硬度、延性のばらつき、変動を抑えることができ、テイルカット時の破断形状、破断長さを安定化させることが可能である。表面の結晶粒サイズを微細化しても、<111>、<100>の方位比率が片方でも高いと、上記効果が半減することからも、表面の微細化と結晶方位制御とを両立することが有効である。ここで表面の結晶粒が2μm以下であれば、上記のボールサイズを安定化させる十分な効果が得られる。好ましくは、結晶粒の平均サイズが1μm以下であれば、初期ボール径／ワイヤ径の比率が1.8〜2.0である比較的小さい初期ボールを形成する場合でも、ボール径を安定化させる効果が高められる。さらに好ましくは、0.5μm以下であれば、初期ボール径／ワイヤ径の比率が1.5〜1.8の範囲である極小のボールでもサイズを安定化させる効果がさらに高められる。
表皮層の主成分となる面心立方晶の金属とは、芯材の主成分である導電性金属とは異なる金属であり、ボンディングワイヤの接合性の改善に効果があり、ボンディングワイヤの酸化防止にも有効である金属であることが望ましい。具体的には、Pd、Pt、Ru、Rhが候補となり、さらに実用性、コストパフォーマンスなどを重視すれば、Pd、Pt、Ruの少なくとも1種の金属であることがより望ましい。ここでの主成分とは濃度が50mol%以上を有する元素のことである。Pdは、封止樹脂との密着性、電極への接合性も十分であり、品質管理も容易である等の利点がある。Ptは、ボール形状を安定化させることが比較的容易である。Ruは硬質で緻密な膜を形成し易く、材料費も比較的安価である。Rhは耐酸化性など性能は良好であるが、材料費が高価であるため、薄膜化など今後の検討が期待される。
すなわち、表皮層はPd、Pt、Ruの少なくとも1種を主成分とする純金属、または導電性金属を主成分とする合金であることが好ましい。純金属であれば耐酸化性、接合性の向上などが容易である利点があり、合金であれば引張強度、弾性率の上昇により樹脂封止時のワイヤ変形を抑制する利点がある。ここでの上記純金属とは、表皮層の一部に99mol%以上の濃度を有する層が含まれるか、あるいは拡散層を除く表皮層の平均濃度が80mol%以上であることに相当する。上記合金とは、Pd、Pt、Ruの少なくとも1種の金属を50mol%以上含有するものである。
芯材を構成する導電性金属は、Cu、Au、Agが候補となり、実用性を重視すれば、Cu、Auの少なくとも1種を主成分することが望ましい。Cuは、材料費が安く、電気伝導性が高く、ボール形成時にシールドガスを吹付ければ良好なボール形成も容易であるなど操作性も比較的良好である。Auは、耐酸化性が強く、ボール形成時にシールドガスなどが不要であり、接合時の変形も良好であり、接合性を確保し易いなどの利点がある。Agは、導電性が優れているが、伸線加工にやや難があり、製造技術を適正化することが必要である。一方、Cu、Auは単層ボンディングワイヤ用素材としての使用実績が多いことは利点でもある。
芯材は導電性金属を主成分とする合金であれば、ワイヤ強度の増加による細線化、または接合信頼性の向上などに有利な場合もある。Cu合金の場合には、B、Pd、Bi、Pの1種以上を5〜300pmの範囲で含有することで、ボンディングワイヤの引張り強度、弾性率の増加などにより、スパン5mm程度までのロングスパンでの直線性を向上する効果が得られる。Au合金の場合には、Be、Ca、Ni、Pd、Ptの1種以上を5〜8000pmの範囲で含有有すれば、同様の効果があり、良好な直線性を確保するのが容易となる。
複層ワイヤの構成では、表皮層と前記芯材の間に、前記表皮層及び前記芯材を構成する主成分とは異なる成分からなる中間金属層を有することで、前述した表皮層の結晶方位の配向を制御するのが、より有利となる。表皮層の形成では下地の結晶方位の影響を受けることがあり、芯材の結晶方位を制御するよりも、芯材の上に形成した中間金属層の結晶方位を制御する方が比較的容易であるためである。具体的には、表皮層の金属と同じ面心立方晶の金属が、中間金属層として好ましい。特に、表皮層の金属の格子定数と中間金属層の金属の格子定数が近いものが、より好ましい。
すなわち、前記表皮層と前記芯材の間に、前記表皮層及び前記芯材を構成する主成分とは異なる成分からなる中間金属層を有することを特徴とする複層構造のボンディングワイヤが望ましい。中間金属層を加える効果として、表皮層と芯材の密着性の向上などにより、ウェッジ接合部の接合強度の指標のひとつであるピール強度を高めることができる。ここで、ピール強度の測定には、ウェッジ接合近傍でのプル強度を測定する簡便な方法で代用できる。従って、中間金属の挿入によりピール強度を増加させることができる。ここで、中間金属層の成分は、表皮層および芯材の成分との組み合わせで選定されるべきものであり、上述のような金属成分とするのが好ましく、特に、Au、Pd、Ptがより好ましい。更に好ましくは、表皮層／芯材の主成分の組合せがPd／Cuである場合、中間金属層の主成分がAuであれば、表皮層の結晶方位の制御に有利であり、さらに表皮層／中間金属層／芯材のそれぞれの界面での密着性も比較的良好である。また、表皮層／芯材の主成分の組合せがPd／Auである場合、中間金属層の主成分がPtであれば、結晶方位の制御と表皮層の組成、膜厚の均一性に有利である。
表皮層の厚さが0.005〜0.2μmの範囲であれば、前述した表皮層の結晶方位の制御にも有利であり、接合性、ループ制御などの要求特性も総合的に満足することが容易となる。厚さが0.005μm以上であれば、結晶方位を制御した表皮層の十分な効果が得られるためであり、0.2μmを超えると、ボール部の合金化による硬化が顕著となり、接合時にチップにクラックなどの損傷を与えることが問題となる場合がある。
好ましくは、表皮層の厚さが0.01〜0.15μmの範囲であれば、複雑なループ制御でも速度を落とすことなく、所望するループ形状を安定して形成することができる。より好ましくは、0.020〜0.1μmの範囲であれば、ボンディングワイヤの使用性能を維持しつつ、膜形成工程の処理効率を高められるなど、安定した膜質を得ることが容易である。
中間金属層の厚さが0.005〜0.2μmの範囲であれば、表皮層の結晶方位を制御するのが容易となり、また芯材との界面の密着性を向上し、複雑なループ制御にも対応できる。好ましくは、0.01〜0.1μmの範囲であれば、膜厚の均一性、再現性を確保することが容易となる。
ここで、表皮層と芯材の境界は、表皮層を構成する導電性金属の検出濃度の総計が50mol%の部位とする。よって、本発明でいう表皮層とは、表皮層を構成する導電性金属の検出濃度の総計が50mol%の部位から表面であり、即ち、表皮層を構成する導電性金属の検出濃度の総計が50mol%以上の部位である。
本発明における結晶方位は、ボンディングワイヤの長手方向に対する結晶方位の角度差が15°以内のものを含むことが好ましい。通常、ある方向の結晶方位に着目しても、個々の結晶はある程度の角度差を有しており、またサンプル準備、結晶方位の測定法などの実験法によっても若干の角度差が生じる。ここで、角度差の範囲が15°以内であれば、それぞれの結晶方位の特性を有しており、ボンディングワイヤの諸特性に及ぼす影響度も有効に活用できるためである。
25μm径程度の微細線の表面の集合組織に関して、これまであまり知られておらず、特に、微細線の複層ワイヤの最表面の集合組織に関する報告例も少ない。ボンディングワイヤのように、比較的軟質で線径の細い金属線における集合組織を精度良く測定するには、高度な測定技術が必要となる。
集合組織の測定法には、測定領域を微小に絞ったり、最表面だけの情報を得るのに有利であることから、最近開発された後方電子散乱図形（Electron Back Scattering Pattern、以降EBSPという）法を用いることができる。EBSP法による集合組織の測定により、ボンディングワイヤのような細線でも、その表面または断面の集合組織を精度良く、しかも十分な再現性をもって測定できる。本測定方法により、ボンディングワイヤの微細組織に関して、サブミクロンの微細結晶粒の結晶方位、ワイヤ表面の結晶方位の分布などを、高精度に再現良く測定できる。
EBSP法では、通常、試料の凹凸、曲面が大きい場合は、結晶方位を高精度測定するのが難しい。しかしながら、測定条件を適正化すれば高精度の測定、解析が可能である。具体的には、ボンディングワイヤを平面に直線状に固定し、そのボンディングワイヤの中心近傍の平坦部をEBSP法で測定する。測定領域について、円周方向のサイズはワイヤ長手方向の中心を軸として線径の50%以下であり、長手方向のサイズは100μm以下であれば、精度に加えて測定効率を高められる。好ましくは、円周方向のサイズは線径の40%以下、長手方向のサイズは40μm以下であれば、測定時間の短縮により測定効率をさらに高められる。
EBSP法で高精度の測定を行うには、１回で測定できる領域は限られるため、３箇所以上の測定を行い、ばらつきを考慮した平均情報を得ることが望ましい。測定場所は近接しないよう、円周方向に異なる領域を観察できるように、測定場所を選定することが好ましい。
例えば、線径25μmのボンディングワイヤの測定では、平板上にワイヤ向きをなるべく変えるように固定したボンディングワイヤを用い、そのワイヤ軸を中心に円周方向に8μm、長手方向には30μmのサイズを一回の測定エリアとし、1mm以上離して3箇所の測定を行うことで、ワイヤ表面の結晶方位の平均的情報を入手することが可能である。ただし測定の領域、場所の選定はこの限りでなく、測定装置、ワイヤ状態などを考慮して適正化することが望ましい。
また芯材の結晶方位を測定する場合は、ボンディングワイヤの長手方向の垂直断面または、長手方向と並行でワイヤ中心近傍の平行断面のどちらの測定も可能である。好ましくは、垂直断面の方が求める研磨面を容易に得られる。機械的研磨により断面を作製したときは、研磨面の残留歪みを軽減するためにエッチングにより表層を除去することが望ましい。
EBSP法による測定結果の解析では、装置に装備されている解析ソフトを利用することで、上述したワイヤ表面の測定面積に対する各方位の結晶粒の面積が占める面積比、又は、測定エリアのなかで結晶方位が識別できる結晶粒または領域の総面積を母集団として各結晶方位が占める比率などを算出できる。ここで結晶方位の面積を算出する最小単位は、結晶粒または、結晶粒内の一部の微小領域でも構わない。結晶粒のサイズに関しても長手方向と円周方向での平均サイズなどを計算できる。
本発明のボンディングワイヤを製造するに当り、芯材の表面に表皮層を形成する工程と、表皮層、拡散層、芯材などの構造を制御する加工・熱処理工程とが必要となる。
表皮層を芯材の表面に形成する方法には、メッキ法、蒸着法、溶融法等がある。メッキ法では、電解メッキ、無電解メッキ法は使い分けることが可能である。電解メッキでは、メッキ速度が速く、下地との密着性も良好である。電解メッキは１回のメッキ処理でも構わないが、フラッシュメッキと呼ばれる薄付けメッキと、その後に膜を成長させる本メッキとに区分でき、これら複数の工程に分けて行うことで、より膜質の安定化に有利である。無電解メッキに使用する溶液は、置換型と還元型とに分類され、膜が薄い場合には置換型メッキのみでも十分であるが、厚い膜を形成する場合には置換型メッキの後に還元型メッキを段階的に施すことが有効である。無電解法は装置等が簡便であり、容易であるが、電解法よりも時間を要する。
蒸着法では、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着等の物理吸着と、プラズマCVD等の化学吸着を利用することができる。いずれも乾式であり、膜形成後の洗浄が不要であり、洗浄時の表面汚染等の心配がない。
メッキ又は蒸着を施す段階について、狙いの線径で導電性金属の膜を形成する手法と、太径の芯材に膜形成してから、狙いの線径まで複数回伸線する手法とのどちらも有効である。前者の最終径での膜形成では、製造、品質管理等が簡便であり、後者の膜形成と伸線の組み合わせでは、膜と芯材との密着性を向上するのに有利である。それぞれの形成法の具体例として、狙いの線径の細線に、電解メッキ溶液の中にボンディングワイヤを連続的に掃引しながら膜形成する手法、あるいは、電解又は無電解のメッキ浴中に太線を浸漬して膜を形成した後に、ボンディングワイヤを伸線して最終径に到達する手法等が可能である。
ここで、前述した最終線径で表皮層を形成する最終メッキ法では、成膜後には熱処理工程だけである。また、太径の芯材に膜形成する太径メッキ法では、狙いの線径までの加工工程と熱処理工程を組み合わせることが必要となる。
表皮層を形成した後の加工工程では、ロール圧延、スエージング、ダイス伸線などを目的により選択、使い分ける。加工速度、圧加率またはダイス減面率などにより、加工組織、転位、結晶粒界の欠陥などを制御することは、表皮層の組織、密着性などにも影響を及ぼす。
単純にワイヤを成膜、加工及び加熱しただけでは、表皮層の表面及び内部での集合組織の結晶方位を制御できない。通常のワイヤ製造で用いられる最終線径での加工歪取り焼鈍をそのまま適用しても、表皮層と芯材との密着性の低下によりループ制御が不安定になったり、ワイヤ長手方向の表皮層の均質性、ワイヤ断面での表皮層、拡散層などの分布をコントロールすることは困難である。そこで、表皮層の成膜条件、伸線工程における減面率、速度などの加工条件、熱処理工程のタイミング、温度、速度、時間等の適正化などを総合的に組合せることで、表皮層の集合組織を安定して制御することが可能となる。
ワイヤの圧延、伸線の工程では加工集合組織が形成され、熱処理工程では回復、再結晶が進行して再結晶集合組織が形成され、これらの集合組織が相互に関連して、最終的に表皮層の集合組織および結晶方位が決定する。
表層の表面での結晶方位が<111>、<100>への配向するのを抑えるためのワイヤ製法では、表層を形成した後に加工、熱処理による集合組織の変化を利用して配向を制御することが望ましい。面心立方晶の金属の加工集合組織、再結晶集合組織では、<111>、<100>への配向が高まる傾向にあることから、逆に、これらの方位を低減するには、表皮層を形成した直後の組織を有効に利用する方が有効であると考えられる。例えば成膜後の処理では、ワイヤ加工率を70%以下に抑える、あるいは、熱処理を再結晶温度以下の低温または短時間で行うこと、などの適性処理を施すことで、本願の発明に関する、表層の表面での<111>、<100>への配向を抑えることが可能となる。
熱処理工程では、熱処理を１回または複数回実施することが有効である。膜形成直後の焼鈍と、加工途中での焼鈍と、最終径での仕上げ焼鈍とに分類され、これらを選択、使い分けることが重要となる。どの加工段階で熱処理を行うかにより、最終の表皮層、表皮層と芯材との界面での拡散挙動などが変化する。一例では、メッキ処理後の加工途中に中間焼鈍を施し、さらにワイヤを伸線し、最終径で仕上げ焼鈍を施す工程で作製することで、中間焼鈍を施さない工程と比較して、表皮層／芯材の界面に拡散層を形成して密着性を向上するのに有利である。
熱処理法として、ワイヤを連続的に掃引しながら熱処理を行い、しかも、一般的な熱処理である炉内温度を一定とするのでなく、炉内で温度傾斜をつけることで、本発明の特徴とする表皮層及び芯材を有するボンディングワイヤを量産することが容易となる。具体的な事例では、局所的に温度傾斜を導入する方法や、温度を炉内で変化させる方法等がある。ボンディングワイヤの表面酸化を抑制する場合には、N2やAr等の不活性ガスを炉内に流しながら加熱することも有効である。
溶融法では、表皮層又は芯材のいずれかを溶融させて鋳込む手法であり、10〜100mm程度の太径で表皮層と芯材を接続した後に伸線することで生産性に優れていること、メッキ、蒸着法に比べて表皮層の合金成分設計が容易であり、強度、接合性等の特性改善も容易である等の利点がある。具体的な工程では、予め作製した芯線の周囲に、溶融した導電性金属を鋳込んで表皮層を形成する方法と、予め作製した導電性金属の中空円柱を用い、その中央部に溶融金属を鋳込むことで芯線を形成する方法に分けられる。好ましくは、後者の中空円柱の内部に芯材を鋳込む方が、表皮層中に芯材の主成分の濃度勾配等を安定形成することが容易である。ここで、予め作製した表皮層中に銅を少量含有させておけば、表皮層の表面での銅濃度の制御が容易となる。また、溶融法では、表皮層にCuを拡散させるための熱処理作業を省略することも可能であるが、表皮層内のCuの分布を調整するために熱処理を施すことで更なる特性改善も見込める。
さらに、こうした溶融金属を利用する場合、芯線及び表皮層のうち少なくとも一方を連続鋳造で製造することも可能である。この連続鋳造法により、上記の鋳込む方法と比して、工程が簡略化され、しかも線径を細くして生産性を向上させることも可能となる。
芯材の主成分が銅である複層銅ワイヤを用いてボンディングするときは、ボールを形成するときのシールドガスが必要であり、1〜10%の範囲でH2を含有するN2混合ガス、または純N2ガスを用いる。従来の単層の銅ワイヤでは、5%H2+N2に代表される混合ガスが推奨されていた。一方、複層銅ワイヤでは、安価な純N2ガスを使用しても良好な接合性が得られるため、標準ガスである5%H2+N2ガスよりも、ランニングコストを低減できる。N2ガスの純度は99.95%以上であることが望ましい。すなわち、純度が99.95%以上のN2ガスをワイヤ先端またはその周囲に吹付けながらアーク放電を生じさせてボール部を形成し、該ボール部を接合するボンディング方法であることが望ましい。
また、表皮層と芯材との間に拡散層を形成することで密着性を向上することができる。この拡散層を制御するため、熱処理を利用することが有効である。
表皮層、芯材などの濃度分析について、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ていきながら分析する手法、あるいはワイヤ断面でのライン分析又は点分析する方法等が有効である。前者は、表皮層が薄い場合に有効であるが、厚くなると測定時間がかかり過ぎる。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、数ヶ所での再現性の確認等が比較的容易であることが利点であるが、表皮層が薄い場合には精度が低下する。ボンディングワイヤを斜め研磨して、拡散層の厚さを拡大させて測定することも可能である。断面では、ライン分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上したいときには、ライン分析の分析間隔を狭くしたり、界面近傍の観察したい領域に絞っての点分析を行うことも有効である。これらの濃度分析に用いる解析装置では、電子線マイクロ分析法（EPMA）、エネルギー分散型Ｘ線分析法（EDX）、オージェ分光分析法（AES）、透過型電子顕微鏡(TEM)等を利用することができる。特にAES法は、空間分解能が高いことから、最表面の薄い領域の濃度分析に有効である。また、平均的な組成の調査等には、表面部から段階的に酸等に溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解部位の組成を求めること等も可能である。本発明では、前記全ての分析手法で得られる濃度値が本発明の規定範囲を満足する必要はなく、１つの分析手法でえられる濃度値が本発明の規定範囲を満足すればその効果が得られるものである。
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、芯材に用いるCu、Au、Agは純度が約99.99質量%以上の高純度の素材を用い、表皮層または中間金属層に用いられるAu、Pt、Pd、Ru、Rhの素材には純度99.9質量%以上の原料を用意した。
ある線径まで細くしたワイヤを芯材とし、そのワイヤ表面に異なる金属の層を形成するには、電解メッキ法、無電解メッキ法、蒸着法、溶融法等を行い、熱処理を施した。最終の線径で表皮層を形成する方法と、ある線径で表皮層を形成してからさらに伸線加工により最終線径まで細くする方法とを利用した。電解メッキ液、無電解メッキ液は、半導体用途で市販されているメッキ液を使用し、蒸着はスパッタ法を用いた。線径が約15〜1500μmのワイヤを予め準備し、そのワイヤ表面に蒸着、メッキ等により被覆し、最終径の15〜50μmまで伸線して、最後に加工歪みを取り除き伸び値が5〜15%の範囲になるよう熱処理を施した。必要に応じて、線径25〜200μmまでダイス伸線した後に、拡散熱処理を施してから、さらに伸線加工を施した。伸線用ダイスの減面率は、1個のダイス当たり5〜15%の範囲で準備し、それらダイスの組み合わせにより、ワイヤ表面の加工歪みの導入などを調整した。伸線速度は20〜500m/minの間で適正化した。
溶融法を利用する場合には、予め作製した芯線の周囲に、溶融した金属を鋳込む方法と、予め作製した中空円柱の中央部に溶融した金属を鋳込む方法とを採用した。その後、鍛造、ロール圧延、ダイス伸線等の加工と、熱処理とを行い、ワイヤを製造した。
本発明例のワイヤの熱処理について、ワイヤを連続的に掃引しながら加熱した。局所的に温度傾斜を導入する方式、温度を炉内で変化させる方式等を利用した。例えば、炉内温度を３分割して制御できるよう改造した熱処理炉を利用した。温度分布の一例では、ワイヤの挿入口から出口に向かって、高温→中温→低温、または中温→高温→低温の分布を得て、それぞれの加熱長さも管理した。温度分布と合わせて、ワイヤ掃引速度等も適正化した。熱処理の雰囲気では、酸化を抑制する目的でN2、Ar等の不活性ガスも利用した。ガス流量は、0.0002〜0.004m3/minの範囲で調整し、炉内の温度制御にも利用した。熱処理を行うタイミングとして、伸線後のワイヤに熱処理を施してから表皮層を形成する場合と、熱処理を加工前、加工途中、または表皮層を形成した直後などのうち２回以上行う場合に分類できる。
表皮層を形成した後の圧延、伸線による加工レベルについて、成膜時のワイヤと最終線径との面積比率で算出する累積の加工率で整理できる。この加工率（％）が30％未満の場合にはR1、30％以上70％未満ではR2、70％以上95％未満ではR3、95％以上ではR4で標記した。
表皮層の表面組織を制御するには、材質、組成、厚さなどの材料因子と、膜形成条件、加工・熱処理条件などプロセス因子を適正化することが必要である。実施例において、表層の表面での結晶方位を<111>、<100>への配向を抑える方策として、加工率を低減すること、初期の膜厚を厚くすること、熱処理を低温化することなどが有効である。一例として、上記加工率がR1〜R3であり、表皮層を構成する素材の再結晶温度よりも低温で熱処理することなどで、<111>、<100>への配向を抑えることが比較的容易となる。一方の比較例では、<111>または<100>への配向を高めるために、加工率を増加させたり、熱処理を高温または長時間で実施することが有効であった。
ワイヤ表面の組織観察について、ボンディングワイヤの表層における表面のある領域において、EBSP法により結晶方位を測定した。測定試料の準備では、3〜5本のボンディングワイヤを平板上に互いにワイヤ向きをなるべく変えるように固定した。観察領域はワイヤ軸を含む四角形の領域として、サイズは円周方向に5〜10μm、長手方向に10〜50μmを一回の測定エリアとした。測定箇所は、3〜10箇所とし、お互いに0.5mm以上離して選定した。測定ポイントの間隔は0.01〜0.2μmの間隔で実施した。主に線径25μmのボンディングワイヤを用いてEBSP測定した結果で比較した。線径がさらに細い場合にも、同様の傾向が認められることが確認された。
芯材の組織観察では、ボンディングワイヤの断面を研磨し、化学エッチングにより表面の加工歪みを低減した試料を用いて、EBSP法により結晶方位を測定した。断面は、ワイヤ長手方向に垂直の断面を主として測定したが、試料状態、再現性などを検討しながら必要に応じて、ワイヤ長手方向に平行で中心軸を通る断面でも測定を実施した。
EBSP測定データの解析には専用ソフト（TSL製 OIM analysisなど）を利用した。測定エリアでの結晶方位を解析し、そのうち<111>、<100>方位などの結晶粒の割合を求めた。ボンディングワイヤの長手方向を基準に方位を決定し、それぞれの結晶方位の角度差が15°以内のものまで含めた。その結晶粒の割合の算出法について、測定エリアの全体面積を母集団として算出する各方位の割合（以下、面積比率と呼ぶ）と、測定エリア内である信頼度を基準に同定できた結晶方位だけの面積を母集団として算出する各方位の割合（以下、方位比率と呼ぶ）との2種類を求めた。後者の方位比率を求める過程では、結晶方位が測定できない部位、あるいは測定できても方位解析の信頼度が低い部位などは除外して計算した。ここで、信頼度とは、解析ソフトにパラメータが用意されている場合があり、例えばConfidential Index（CI値）、Image Quality（IQ値）など数種のパラメータを利用して、試料状態、解析目的などに応じて判定基準を選定することが望ましい。
ワイヤ表面の膜厚測定にはAESによる深さ分析を用い、結晶粒界の濃化など元素分布の観察にはAES、EPMAなどによる面分析、線分析を行った。AESによる深さ分析では、Arイオンでスパッタしながら深さ方向に測定して、深さの単位にはSiO2換算で表示した。ボンディングワイヤ中の導電性金属濃度は、ICP分析、ICP質量分析などにより測定した。
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。ボール形成時の酸化を抑制するために用いるシールドガスは、主に純N2ガスを用いた。ガス流量は、0.001〜0.01m3/minの範囲で調整した。
接合相手は、シリコン基板上の電極膜の材料である、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。一方、ウェッジ接合の相手には、表面にAgメッキ(厚さ:2〜4μm)したリードフレームを用いた。尚、BGA基板上のAu/Ni/Cuの電極への接合性についても、一部のワイヤ試料を用いて、前記リードフレームと同様の効果が得られることを確認している。
ボンディングされたループの直線性を評価するため、ワイヤ間隔(スパン)が2mmの通常スパン、5mmのロングスパン、7mmの超ロングスパンの３種でボンディングを行った。線径は25μmとする。30本のボンディングワイヤを投影機により上方から観察して、ボール側とウェッジ側の接合部を結ぶ直線に対し、ボンディングワイヤが最も離れている部位のずれを曲がり量として測定した。その曲がり量の平均が、線径の1本分未満であれば良好であると判断し◎印で表示し、2本分以上であれば不良であるため△印、その中間であれば、通常は問題とならないため○印で表示した。
初期ボールの芯ずれ挙動の評価について、線径25μmのボンディングワイヤを用いて、ボール径／ワイヤ径の比率が、1.8〜2.5倍の範囲の初期ボールを30本採取し、光顕またはSEMで観察して、ゴルフクラブ状の著しい芯ずれと、軽度の芯ずれについてそれぞれ評価した。ゴルフクラブ状の著しい芯ずれでは、発生数が6本以上であれば不良であるため×印、2〜5本である場合には△印、1本であれば接合条件などで改善可能と判断して○印、0本であれば良好であるため◎印で表記した。一方、軽度の芯ずれについて、8本以上であれば不良であるため×印、5〜7本である場合には△印、2〜4本であれば実用上の大きな問題はないと判断して○印、1本以下であれば、芯ずれの問題はなく良好であるため◎印で表記した。
ボール接合部の偏芯に関する評価では、線径が22μm、18μm、15μmそれそれでボール接合部を400本観察した。電極はみ出しの不良となる可能性が高い顕著な偏芯の発生が7本以上であれば不良であるため×印、3〜6本である場合には△印、顕著な偏芯は2本以下、且つ、電極はみ出しの可能性は低く通常は問題となることのない微小な偏芯が5〜20本の範囲であれば実用上の大きな問題はないと判断して○印、顕著な偏芯は0本、且つ、微小な偏芯が4本以下であれば、偏芯の問題はなく良好であるため◎印で表記した。
初期ボールのサイズ安定性について、線径25μmのボンディングワイヤを用いて、接合ボール径／ワイヤ径の比率が、2.0以上2.3未満（通常ボール径）、1.8以上2.0未満（小ボール）、1.5以上1.8未満（極小ボール）の3水準をそれぞれ30個のボールを作製して、光学顕微鏡で測定した。初期ボール径の偏差で評価した。ボール径の偏差が1.5μｍ以上であればバラツキが問題であり×印、偏差が0.8μｍ以上1.5μｍ未満の範囲でしかも極端なサイズ異常が3本以上の場合には必要に応じて改善が望ましいから△印、偏差が0.5μｍ以上0.8μｍ未満であれば実用上は問題ないと判断して○印、偏差が0.5μｍ未満であればサイズは安定しているため◎印で表記した。
圧着ボール部の接合形状の判定では、接合されたボールを200本観察して、花弁変形を評価した。線径は25μmとする。初期ボール径／ワイヤ径の比率が2.0〜2.5の通常サイズのボールを形成する場合と、比率が1.5〜1.7の範囲である小径ボールを形成する場合の、２種類でそれぞれ評価した。真円からずれた花弁変形などの不良ボール形状が5本以上であれば不良と判定し×印、不良ボール形状が2〜4本であれば、必要に応じて改善が望ましいから△印、不良ボール形状が1本以下であれば良好であるため○印で表記した。
ウェッジ接合部のめくれ不良の評価について、線径25μmのボンディングワイヤを用いて、接合温度が200℃、160℃の2水準でワイヤ接続を行い、接合部のワイヤ端でのめくれを400本観察した。幅5μm以上の顕著なめくれが3個以上であれば、問題となるレベルと判定して×印、顕著なめくれが2個以下であれば、すぐに問題とならないが改善が望ましいことから△印、顕著なめくれは観察されないが、幅2μm以下程度の軽微なめくれが4〜10個の範囲であれば実用上は問題ないと判断して○印、軽微な偏芯が3本以下であれば良好であるため◎印で表記した。
表1及び2には、本発明に係わるボンディングワイヤの実施例と比較例を示す。
第1請求項に係わるボンディングワイヤは実施例1〜30であり、第2請求項に係わるボンディングワイヤは実施例2〜21、23〜27、29、30、第3請求項に係わるボンディングワイヤは実施例3〜21、23〜30、第4請求項に係わるボンディングワイヤは実施例1〜7、10〜12、15〜17、19〜30、第5請求項に係わるボンディングワイヤは実施例1〜4、6〜12、14〜23、25〜30、第6請求項に係わるボンディングワイヤは実施例1〜17、19〜23、25〜30、第7請求項に係わるボンディングワイヤは実施例1〜24、26〜30、第8請求項に係わるボンディングワイヤは実施例26〜30に相当する。比較例1〜6では、第1請求項を満足しない場合の結果を示す。
図1には、実施例3のボンディングワイヤの表面において、EBSP測定結果の一例を示す。ワイヤ長手方向の結晶方位が<111>、<100>方位から角度差15°以内の領域を着色し、角度差が15°以上の結晶粒界を線表示した。図1における<111>と<100>面積比率の総計は37%であった。
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。
実施例1〜30の複層構造のボンディングワイヤは、本発明に係わる、表皮層の表面における長手方向の結晶方位のうち、<111>と<100>の占める割合（<111>、<100>方位比率）がともに50%未満であることにより、初期ボール形状について、ゴルフクラブ状の強い芯ずれが抑制されていることが確認された。一方、表皮層の表面における<111>、<100>方位比率がともに50%未満である複層構造のボンディングワイヤに関する比較例1〜6では、強い芯ずれが多数確認された。好ましい事例として、<111>、<100>方位比率がともに40%以下である実施例2〜4、6、7、10、11、14〜21、24〜27、29、30では、軽度のものも含めた芯ずれの発生率が低減しており、さらに表皮層の<111>、<100>方位比率がともに30%以下である実施例4、6、10、15、17、20、21、24、27、30では、芯ずれの発生をさらに抑制する効果が確認された。
実施例2〜21、23〜27、29、30の複層構造のボンディングワイヤは、本発明に係わる、表皮層の表面における<111>または<100>の面積比率がともに35％以下であることにより、線径22μmでのボール接合部の偏芯不良を抑えられることが確認された。好ましくは、該面積比率が25％以下である実施例4、6〜12、14〜21、23〜27、30では、線径18μmでのボール接合部の偏芯不良を抑えられ、さらに好ましくは、該面積比率が12％以下である実施例4、8〜10、12、14、15、17、18、20、23、24、26、27では、線径15μmでの偏芯不良を抑えられることが確認された。
実施例3〜21、23〜30の複層構造のボンディングワイヤは、本発明に係わる、芯材の断面における<111>と<100>の面積比率の総計が50％以下であることにより、温度200℃での接続において、ウェッジ接合部のめくれ不良を低減できることを確認した。好ましくは、該面積比率が25％以下である実施例4、8〜10、12、14〜18、20、21、23〜27では、温度160℃の低温接続において、ウェッジ接合部のめくれ不良を低減できることを確認した。
実施例1〜7、10〜12、15〜17、19〜30の複層構造のボンディングワイヤは、本発明に係わる、芯材の断面における<111>と<100>を合計した方位比率が30％以上であることにより、通常のボール寸法で、ボール接合部の花弁不良を低減して、形状を安定化できることを確認した。好ましくは、該方位比率が50％以上である実施例3、7、10、11、19〜21、23、24、26、29、30では、厳しい接合条件である小径ボールでも、ボール接合部の真円性が向上することを確認した。
実施例1〜4、6〜12、14〜23、25〜30の複層構造のボンディングワイヤは、本発明に係わる、表皮層の表面における円周方向の結晶粒サイズの平均が2μm以下であることにより、通常ボール径での初期ボールのサイズのバラツキを低減できることを確認した。好ましくは、該結晶粒サイズが1μm以下である実施例4、8〜10、12、14、15、17、18、20、21、23、27、29では、小ボールでの初期ボールのサイズを安定化できること、より好ましくは、該結晶粒サイズが0.5μm以下である実施例9、10、12、15、17、20では、極小ボールでの初期ボールのサイズを安定化できることを確認した。
複層構造のボンディングワイヤ（線径25μｍ）のEBSP測定結果 （ワイヤ長手方向に<111>、<100>方位に配向した領域を着色。結晶粒界を線表示）

Claims (8)

  1. 導電性金属からなる芯材と、前記芯材の上に芯材とは異なる金属を主成分とする表皮層を有する半導体装置用ボンディングワイヤであって、前記表皮層の金属が面心立方晶であって、前記表皮層の表面の結晶面における長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>の占める割合が、ともに50%未満であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
  2. 前記表皮層の表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位が<111>または<100>である結晶粒の面積が、ワイヤ表面の総面積に対する割合として、ともに35%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  3. 前記表皮層の表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位が<111>または<100>である結晶粒の面積の総計が、ワイヤ表面の総面積に対する割合として、50%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  4. 前記芯材の断面の結晶面におけるワイヤ長手方向の結晶方位<hkl>のうち、<111>と<100>との占める割合の総計が30%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  5. 前記表皮層の表面における、円周方向の結晶粒サイズの平均が2μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  6. 前記表皮層を構成する主成分がPd、Pt、Ruの少なくとも１種であることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  7. 前記芯材を構成する主成分がCu、Auの少なくとも１種であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  8. 前記表皮層と前記芯材の間に、前記表皮層及び前記芯材を構成する主成分とは異なる成分からなる中間金属層を有することを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
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