JP2010040944A - 銅絶縁ボンディングワイヤ及びその製造方法 - Google Patents

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Akira Togashi
亮 富樫
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

【課題】Ａｕよりも安価で接合性が良好なＣｕを芯材とし、ステッチボンディング性に優れ、良好な真球ボールの形成を可能とする樹脂封止時のループの接触による電気的短絡を防止する銅絶縁ボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】銅極細線の表面に１０ｎｍ〜１００ｎｍ厚のパラジウム薄膜層を介して５０ｎｍ〜２００ｎｍ厚の熱硬化性共重合形ポリイミド樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂からなる絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする銅絶縁ボンディングワイヤ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いる銅絶縁ボンディングワイヤに関するものである。
一般に半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金線が用いられていた。
しかし、金線の組成は、９９ｍａｓｓ％から９９．９９ｍａｓｓ％がＡｕであるため非常に高価であることから、金線使用量のＩＯピン数が非常に多いプラスチックボールグリッドアレイパッケージ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｌｌｅｙ Ｐａｃｋａｇｅ）や製品価格が安いメモリパッケージでは、細い線径の金線を用いることで、金の使用量を減らし、そのコストを下げたいとの要請があった。
一方、金の電気比抵抗は約２．３μΩｃｍであるが、線径を細くすることで、その電気抵抗も上昇するため、電流値を変化させたくない半導体パッケージでは細線化には限界があり、更にパッケージの高密度化における発熱の低減などの観点から、電気比抵抗が約１．７μΩｃｍとＡｕより低く、安価なＣｕに代替したいという産業界からの要請があった。
このような状況から銅ボンディングワイヤが開発、製品化されてきている。
しかしながら、銅ボンディングワイヤを最新の高集積度半導体パッケージに適用するためには、シリコンチップ上の脆弱なアルミ電極パッドへのダメージを回避する初期銅ボールの軟らかさと、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食を阻止するための銅組成、さらには銅ボールとアルミニウム電極との接合界面に生成するアルミニウム銅合金層の酸化を阻止するための初期銅ボールの無酸素化、高集積化により狭まった隣接ワイヤループが樹脂封止時の樹脂流れによって起こる電気的短絡などを解消しなければならなかった。
そこで、初期銅ボールの軟らかさに関しては、例えば、特許文献１には、電解精錬を数回繰り返した後、前記電解精錬により得られた高純度の電気銅を帯域融解法により精製することにより、Ｃｕ９９．９９９ｍａｓｓ％以上の高純度の銅素材を得ることでチップクラックの発生率を低下させる方法が提案されている。
また、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食の防止については、グロー放電質量分析法によって検出される塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅を使用することで銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食を阻止できることが特許文献２に記載されている。
更に、初期銅ボールの無酸素化については、ワイヤ自体を無酸素銅にし、銅ボール形成時に窒素ガスに水素ガスを５％程度混入した還元性フォーミングガスを使用し、ワイヤボンダのノズルデザインにおいても、ワイヤ先端へ空気の混入を抑制すべく各ボンダメーカーが競って開発を行っている。
しかしながら、樹脂流れ性の向上については、銅ボール硬度の低減やステッチボンディング性向上のためにＰＢＧＡやメモリパッケージ向けの銅ボンディングワイヤは軟化処理によって弾性率は５２〜７０ＧＰａ程度と一般的な高強度金線の８０〜９０ＧＰａよりも低く、樹脂封止時のループへの流動応力に耐えずループが撓み、隣接するループと接触して電気的短絡を起こすことが問題となっていた。
このような樹脂封止時のループの接触による電気的短絡防止アイデアとしては、特許文献３及び特許文献４に、ワイヤ表面を電気絶縁性の物質で覆い、仮にループが接触してもワイヤ表面の絶縁性被膜が電気的短絡を回避するいわゆる絶縁ボンディングワイヤが提案されている。
ところで、絶縁ボンディングワイヤの芯材が金線である場合には、Ａｕは化学的に安定な金属であるため、例えば熱可塑性であるナイロンやアクリルといった樹脂を直接塗布する方法を用いることが可能であるが、芯材が銅線の場合には、延性がＡｕよりも低いＣｕではステッチボンディングでの接合面積が小さくなり、ワイヤとリード電極との接合界面に延びた絶縁性被膜が残留し、金属接合を阻害するためにステッチボンディングが不十分となり、連続ボンディング性の低下による生産性の悪化やボンドプル強度の低下の原因となっている。
また、絶縁性被膜として熱可塑性のナイロンやアクリル系の樹脂、あるいは熱硬化性のポリウレタンは、ボール形成時の熱影響部での樹脂の溶け上がり量が多く、ボール直上部のワイヤがむき出しになってしまうため、チップを多数積層させた最新のスタックドパッケージで要求される低ループでのクロス配線における電気的短絡回避を解決できなかった。
更に、絶縁性確保のためには、所定の厚みの絶縁性被膜を設ける必要があるが、絶縁性被膜が厚くなるとステッチボンディング性は低下するというトレードオフの関係があるなか、高密度化を実現するためにワイヤの線径を細くしていくと、ステッチボンディングの接合面積は減少していくが、接合面積が小さくなっても高い接合強度を得るためには被膜樹脂が接合界面に残留しにくいことが重要であり、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂がこのような効果を示すことが知られていた。
この熱硬化性樹脂はステッチボンディング性が良好となることはわかっていたが、例えば液体ポリイミドなどの熱硬化性樹脂の溶媒として一般的に用いられているＮ−メチルピロリジノンはＣｕと直接反応して銅線表面を黒く変色し、変色層が異物となって５０ｎｍ程度の極薄いポリイミド膜を形成させてもプラズマ放電によって得られるワイヤ先端のボール形状が真球になりにくい、或いはステッチボンディング強度が低いといった問題が生じていた。
特開昭６０−２４４０５４号公報 特開２００８−１５３６２５号公報 特許２７０５９７８公報 特開２０００−１９５８９２号公報
このため、本発明者は、かかる弊害を是正するために鋭意検討した結果、銅絶縁ボンディングワイヤの実現のためには絶縁材料の主成分としてはポリイミド樹脂が有効で、ポリイミド液の溶媒としてＮ−メチルピロリジノンを使用する場合には銅線表面を化学的に安定させることが必要であることを見出し、本発明に至ったものである。
即ち、本発明は、Ａｕよりも安価で接合性が良好なＣｕを芯材とし、ステッチボンディング性に優れ、良好な真球ボール形成を可能とする銅絶縁ボンディングワイヤを提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の第一の発明は、銅極細線の表面にパラジウム薄膜層を介して熱硬化性樹脂からなる絶縁性被膜が形成されている銅絶縁ボンディングワイヤで、この絶縁性被膜が、熱硬化性共重合形ポリイミド樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂で、更にポリシロキサンを１０ｍａｓｓ％以下含むことを特徴とし、その絶縁性被膜の厚みは、５０ｎｍから２００ｎｍで、パラジウム薄膜の厚みは、５ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とするものである。
本発明の第二の発明は、第一の発明の銅絶縁ボンディングワイヤが、９９．９９ｍａｓｓ％以上のＣｕからなる無酸素銅線をアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗した前記無酸素銅線表面に、パラジウムストライクメッキ、水洗、パラジウムメッキ、水洗、湯洗の順に連続的に施して厚み５ｎｍから１００ｎｍのパラジウム薄膜を形成した後、縮径工程により所定線径まで減面し、次いで焼鈍処理、液状樹脂塗布処理、乾燥温度が３００℃以上で前記焼鈍処理の焼鈍温度より低温での乾燥処理を連続的に施して形成した厚み５０ｎｍから２００ｎｍの絶縁性被膜を有する銅絶縁ボンディングワイヤであることを特徴とするものである。
本発明の第三の発明は、銅絶縁ボンディングワイヤの製造方法であって、９９．９９ｍａｓｓ％以上のＣｕからなる無酸素銅線をアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗した前記無酸素銅線表面に、パラジウムストライクメッキ、水洗、パラジウムメッキ、水洗、湯洗の順に連続的に施してパラジウム薄膜層を形成した後、縮径工程により所定線径まで減面し、次いで焼鈍処理、液状樹脂塗布処理、乾燥温度が３００℃以上で前記焼鈍処理の焼鈍温度より低温での乾燥処理を連続的に施すことを特徴とするものである。
本発明に係る銅絶縁ボンディングワイヤによれば、絶縁性被膜の形成が液状樹脂を用いて行われる場合にも、液状樹脂は銅に直接塗布されずにパラジウム薄膜上に塗布できることから、Ｎ−メチルピロリジノンなどのＣｕと反応を起こす溶剤を使用した熱硬化性液状樹脂を用いた場合でも、銅線表面を侵すことなく銅絶縁ボンディングワイヤを容易に形成する。
また、熱硬化性樹脂として共重合型ポリイミド樹脂を用いるため、塗布回数による被膜の厚み調整が容易で、更に、ポリイミド中にポリシランを分散させてガラス転位温度や延性の調整も可能となるため、絶縁性が高くかつボンダビリティの高い銅絶縁ボンディングワイヤの提供が可能となる。
絶縁性被膜の厚みが、５０ｎｍから２００ｎｍであることから連続ボンディング性も保持されつつ、その絶縁性も良好となり、また、パラジウム薄膜の厚みが、５ｎｍから１００ｎｍであるために、銅線表面の変色もなく、ワイヤ先端に溶融形成される銅ボール表面に濃縮するパラジウム層の厚みは薄くなり、チップダメージの損傷を抑えたボールボンディングを可能としている。
更に、本発明の製造方法によれば、ボンダビリティの高い本発明に係る銅絶縁ボンディングワイヤを連続して効率よく生産することを可能とするもので、工業上顕著な効果を奏するものである。
本発明において、熱硬化性の共重合型ポリイミド樹脂を絶縁性被膜に用いるのは、塗布回数による被膜の厚み調整が容易で、また、ポリイミド中にポリシランを分散させてガラス転位温度や延性の調整も可能となるため、絶縁性が高くかつボンダビリティの高い絶縁性被膜を容易に形成するためである。
更に、共重合型ポリイミド樹脂に対して、１０ｍａｓｓ％以下の範囲でポリシロキサンを添加した絶縁性被膜は、より高い絶縁性を示す。１０ｍａｓｓ％を超えての含有は、ステッチボンディング強度を弱め、銅ボール形成時の真球度が悪化する。
その絶縁性被膜の厚みが、５０ｎｍから２００ｎｍであれば、連続ボンディング性も維持しつつ、良好な絶縁性も得られる。５０ｎｍ未満では、必要とする絶縁性が得られず、２００ｎｍを超える厚みでは、ステッチボンディング強度が必要とする強度より低下してしまう。より望ましくは、５０ｎｍから１００ｎｍにすると更に諸特性が良好となる。
銅極細線の表面にパラジウム薄膜を設けることで、絶縁性被膜を形成するときの絶縁性被膜成分による銅極細線の表面汚染、即ち変色を防止する効果や銅ボール形成時のボールの真球度を悪化させない予防効果が得られるもので、そのパラジウム薄膜の厚みを、５ｎｍから１００ｎｍとするのは、この範囲内では、銅線表面の変色を抑え、ワイヤ先端に溶融形成される銅ボール表面に濃縮するパラジウム層の厚みも薄くなり、チップダメージの損傷を抑えたボールボンディングが可能である。５ｎｍ未満では効果がなく、１００ｎｍを超える厚みのパラジウム薄膜では、銅ボールを形成したときの真球度が低下するためで、望ましくは、１０ｎｍから３０ｎｍが良く、更に望ましくは１０ｍｎから１５ｎｍである。
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
芯材の銅極細線表面に、表１に示す金属被膜層、絶縁性被膜の組み合わせで被覆した実施例１〜５、比較例１〜１０の銅絶縁ボンディングワイヤを以下の製造法で作製した。
Ｃｕ９９．９９ｍａｓｓ％以上の無酸素銅鋳造線を線径１ｍｍまで縮径した銅極細線を、アルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗後に、０．１μｍ厚のＰｄストライクメッキを行い、さらに水洗し、表１の所定厚みでＰｄメッキ、或いはＡｕメッキを行い、メッキ後水洗、湯洗を行い、直径２５μｍまで縮径した後、５％Ｈ２−９５％Ｎ２雰囲気で焼鈍を行なって加工歪みを除去し、更にＮ２ガス雰囲気中で、Ｎ−メチルピロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合型ポリイミド溶液をワイヤ表面にメニスカスを利用して表１に示す厚みになるように塗布し、その後に３００℃以上で且つ加工歪み除去の焼鈍温度よりも低い温度で硬化熱処理を行い、表１の銅絶縁ボンディングワイヤを作製した。
作製した銅絶縁ボンディングワイヤの断面形状を図１に示す。図１において、１０は銅絶縁ボンディングワイヤ、１は銅極細線、２はＰｄ薄膜（金属被膜層）、３は絶縁性被膜の熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜である。
Figure 2010040944
この作製した銅絶縁ボンディングワイヤを用いて、その銅線表面性状、ボール形成能、ステッチ接合性、絶縁性の各特性を以下に示す方法で評価し、その結果を表２に示す。
銅線表面性状については、その表面変色について目視観察し、光沢のある銅線表面が光沢のない褐色あるいはチョコレート色になった場合を「×」とし、変化しなかった場合を「○」と判定した。
ボール形成能は、ＡＳＭ製Ｃｕキット付ワイヤボンダを用いて、５％Ｈ２−９５％Ｎ２雰囲気下で直径５０μｍの初期銅ボールを５０個作成し、ボールの変形についてはボールの真球度（真円度と偏芯性）が目視観察で明らかに劣るものが１つでも発生した場合を「×」と判断し、発生しない場合を「○」と評価して変形性として記した。
一方、溶上量については、低加速電圧走査顕微鏡を用いて、所謂ＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）領域の金属肌が完全に露出するか、或いは溶け上がって溶融樹脂の盛り上がりが見られる場合を「×」、ＨＡＺ領域が露出せず、或いは溶融樹脂の盛り上がりが見られない場合を「○」と判断した。
ステッチ接合性は、プラスチック基板上のＡｕメッキ面と、プラスチック基板にダイボンディンされたアルミニウム蒸着チップとの間でボールボンディングを行った後、ボンドプル強度を測定し、センタープル強度で３９ｍＮ未満となるワイヤが観察された場合を「×」と判定し、３９ｍＮ以上の場合を「○」とした。
絶縁性については、図２及び図３に示す、プラスチック基板２０上にダイボンディングされたアルミニウムパッド７を有するテストチップ６と、基板上のＡｕメッキリード８との間でワイヤボンディングを行なう際に、２本毎に外側ループワイヤ５を内側ループワイヤ４上で接触するように交差するクロスボンディングを行い一対とし、２本のリード間での電気抵抗を抵抗測定器９を用いて導通の有無を測定する絶縁性試験装置を用い、その導通が観察された場合を「×」とし、絶縁状態の場合を「○」判定した。
Figure 2010040944
表２から明らかなように、本発明に係る実施例１から５は、銅線表面性状、ボール形成能、ステッチ接合性、絶縁性共に優れている。
一方、本発明の範囲を逸脱した比較例１〜１０では、何らかの特性が劣っていることがわかる。
比較例１は、銅極細線表面直上の金属被膜層にＰｄ薄膜の代わりにＡｕ薄膜を用いたもので、真球度の高い銅ボールが形成できないことがわかる。
比較例２は、絶縁性被膜としてＮ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性変性型ポリイミド樹脂を用いたもので、ボール形成能における溶上性及びステッチ接合性に劣っている。
比較例３は、Ｐｄ薄膜を設けず、直接銅極細線表面に絶縁性被膜のＮ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合型ポリイミドを用いたもので、真球度の高い銅ボールが形成できず、更にステッチ接合性や銅極細線の表面が変色してしまっている。
比較例４は、比較例３と同様にＰｄ薄膜を設けずに、直接銅極細線表面に絶縁性被膜の固体のポリシロキサンをスパッタ蒸着したもので、真球度の高い銅ボールが形成できず、更にステッチ接合性が劣るばかりでなく、良好な絶縁性が得られていない。
比較例５は、絶縁性被膜としてＮ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合ポリイミドを使用したが、絶縁性被膜の厚みを薄い３０ｎｍとしたもので、絶縁性以外の各特性は良好であってが、満足する絶縁性が得られていない。
比較例６は、比較例５と同じくＮ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合ポリイミドを絶縁性被膜とした使用したが、逆に絶縁性被膜の厚みを２５０ｎｍと厚くしたもので、有効な絶縁性を有しているが、ステッチ接合性が劣っているのが判る。
比較例７は、絶縁性被膜としてＮ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性縮合ポリイミドを用いたもので、ステッチ接合性が低下している。
比較例８は、Ｎ−メチルポロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合型ポリイミド中に１５ｍａｓｓ％のポリシロキサンを含有させた絶縁性被膜を用いたもので、銅ボールの真球度及びステッチ接合性が悪いことが判る。
絶縁性被膜として熱可塑性アクリル樹脂を用いた比較例９及び熱可塑性ナイロン樹脂を用いた比較例１０では、どちらもボール形成能、ステッチ接合性及び肝心な絶縁性に劣っていることが判る。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの断面図である。 絶縁性試験装置の模式平面図である。 図２の絶縁性試験装置のボンディングループを表す側面図である。
符号の説明
１ 銅極細線
２ パラジウム薄膜（金属被覆層）
３ 絶縁性被膜
４ 内側ループワイヤ
５ 外側ループワイヤ
６ テストチップ
７ アルミニウムパッド
８ Ａｕメッキリード
９ 抵抗測定器
１０ 銅絶縁ボンディングワイヤ
２０ プラスチック基板

Claims (7)

  1. 銅極細線の表面にパラジウム薄膜層を介して熱硬化性樹脂からなる絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする銅絶縁ボンディングワイヤ。
  2. 前記絶縁性被膜が、熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の銅絶縁ボンディングワイヤ。
  3. 前記絶縁性被膜が、熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂と、ポリシロキサンを１０ｍａｓｓ％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の銅絶縁ボンディングワイヤ。
  4. 前記絶縁性被膜の厚みが、５０ｎｍから２００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の銅絶縁ボンディングワイヤ。
  5. 前記パラジウム薄膜の厚みが、５ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の銅絶縁ボンディングワイヤ。
  6. ９９．９９ｍａｓｓ％以上のＣｕからなる無酸素銅線をアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗した前記無酸素銅線表面に、パラジウムストライクメッキ、水洗、パラジウムメッキ、水洗、湯洗の順に連続的に施して厚み５ｎｍから１００ｎｍのパラジウム薄膜を形成した後、縮径工程により所定線径まで減面し、次いで焼鈍処理、熱硬化性液状樹脂塗布処理、乾燥温度が３００℃以上で前記焼鈍処理の焼鈍温度より低温での乾燥処理を連続的に施して形成した厚み５０から２００ｎｍの絶縁性被膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の銅絶縁ボンディングワイヤ。
  7. ９９．９９ｍａｓｓ％以上のＣｕからなる無酸素銅線をアルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗した前記無酸素銅線表面に、パラジウムストライクメッキ、水洗、パラジウムメッキ、水洗、湯洗の順に連続的に施してパラジウム薄膜を形成した後、縮径工程により所定線径まで減面し、次いで焼鈍処理、熱硬化性液状樹脂塗布処理、乾燥温度が３００℃以上で前記焼鈍処理の焼鈍温度より低温での乾燥処理を連続的に施すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の銅絶縁ボンディングワイヤの製造方法。
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