JP2010245390A - ボンディングワイヤ - Google Patents

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wire
bonding
ppm
coating layer
core material
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English (en)
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Takeshi Hasegawa
剛 長谷川
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Original Assignee
Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
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Abstract

【課題】ワイヤ径を１２μｍ以上２５．４μｍ以下としてＩＣチップの多ピン化、狭ピッチ化に対応した、半導体素子保護のための樹脂封止の際に、ワイヤフローを起こさないボンディングワイヤとする。
【解決手段】集積回路素子の電極ａと回路配線基板の導体配線ｃをボールボンディング法によって接続するためのボンディングワイヤＰである。その芯材１の組成が銀添加量５００ｐｐｍ以上、２００００ｐｐｍ以下で、残部が銅及び不可避不純物からなり、その芯材１の外周全面に、パラジウムによる厚み０．０５〜０．０９μｍの被覆層２を形成したものとする。このワイヤＰは、導電率が９５％以上、引張強さが２５０ＭＰａ以上、引張伸びが１０％以上であって、多ピン化、狭ピッチ化においても、電極と導体配線に十分な接合強度をもって接続され、その作業がストップすることがない。また、ワイヤフローを起こさない。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ等の集積回路素子上の電極と、リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等の回路配線基板の導体配線とをボールボンディング法によって接続するためのボンディングワイヤ及びその製造方法に関するものである。
この種のボールボンディング法による接続方法は、図１（ａ）〜（ｈ）に示す態様が一般的であり、同図（ａ）に示す、ワイヤＰがキャピラリー１０ａに挿通されてその先端にボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）ｂが形成された状態から、クランプ１０ｂが開いて、キャピラリー１０ａが集積回路素子上の電極ａに向かって降下する。このとき、ボール（ＦＡＢ）ｂはキャピラリー１０ａ内に捕捉され、キャピラリー１０ａの中心にボンディングされる。
ターゲットである電極ａにボールｂが接触すると（キャピラリー１０ａが電極ａに至ると）キャピラリー１０ａがボールｂをグリップし、ボールｂに熱・加重・超音波を与え、それによってボールｂと電極ａが固相接合され、１ｓｔボンドが形成されて電極ａと接着する（図１（ｂ））。
１ｓｔボンドが形成されれば、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後（同図（ｃ））、導体配線ｃの真上まで移動する（同図（ｄ）〜（ｅ））。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー１０ａに特殊な動きをさせてワイヤＰに「くせ」を付ける動作をする場合がある（同図（ｄ）の鎖線から実線参照）。
導体配線ｃの真上に至ったキャピラリー１０ａは、導体配線ｃに向かって降下し、ワイヤＰを導体配線（２ｎｄターゲット）ｃに押付ける（同図（ｅ）〜（ｆ））。これと同時に、その押付け部位に熱・加重・超音波を与え、それによってワイヤＰを変形させ、ワイヤＰを導体配線ｃ上に接合させるためのステッチボンドと、次のステップでテイルを確保するテイルボンドを形成する（図１（ｆ））。
その両ボンドを形成した後、キャピラリー１０ａはワイヤＰを残したまま上昇し、キャピラリー１０ａの先端に一定の長さのテイルを確保した後、クランプ１０ｂを閉じて（ワイヤＰをつかんで）、テイルボンドの部分からワイヤＰを引きちぎる（図１（ｇ））。このとき、テイルボンドがワイヤＰを仮止めしているため、テイルボンドをなすワイヤＰはキャピラリー１０ａと一緒に上昇しない。
キャピラリー１０ａは、所要の高さまで上昇すると停止し、そのキャピラリー１０ａの先端に確保されたワイヤＰの先端部分に、放電棒ｇでもって高電圧を掛けて火花を飛ばし（放電し）、その熱でワイヤＰを溶かし、この溶けたワイヤ素材は表面張力によって球状に近いボールｂになって固まる（図１（ｈ））。
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極ａと配線導体ｃのボールボンディング法による接続がなされる。
このボールボンディング法による接続において、ボンディングワイヤＰには、金線が主に使用されるが、金は高価であるため、近年、銅純度９９．９９質量％以上の安価な銅線を使用することが行われている。そのとき、銅は裸のままでは、表面の酸化が起こり易いことから、図２に示すように、銅線からなる芯線１に耐酸化金属２を被覆したものが使用されている。
その被覆金属（被覆層）２としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）等が採用されている（特許文献１〜３）。
特開２００３−１３３３６１号公報 特開２００４−６４０３３号公報 特開２００７−１２７７６号公報 ＷＯ２００６／０５７２３０Ａ１公報
この金属被覆の銅線からなるボンディングワイヤＰにおいて、近年の電子部品の小型化等による集積回路素子（ＩＣチップ）間の極小化（狭ピッチ化）及びＩＣチップの多ピン化に伴い、上記ボールｂもより小さくする必要から、ボンディングワイヤＰにも小径のものが望まれ、そのためには、その径Ｌを５０μｍ以下とするのが好ましいとされている（特許文献１段落０００９第１２〜１４行）。
しかし、上記ＩＣチップ間の狭ピッチ化、ＩＣチップの多ピン化がさらに進んで、上記ボールｂもさらに小さくする必要から、その径Ｌも２５．４μｍ以下が望まれるようになった。この細線化に伴い、集積回路素子の樹脂封止時、ワイヤＰが変形して隣同士が接触するワイヤフローの危惧が大きくなる。
この細線化の要求に応えるボンディングワイヤとして、Ｂｅ、Ｃａ等の微量を添加した金合金からなるものが提案されている（特許文献４参照）。
また、集積回路素子の電極ａへの接続において、ボールｂが下向き槍状（逆円錐状）になっていると、上記ボールｂの電極ａへの押付け時、そのボールｂの尖鋭端によって電極ａを損傷させる恐れがあるため、ボールｂはできるだけ、真球であることが好ましい。そのボールｂの真球度を高めるために、上記被覆層２の厚みｔを芯線径の０．００１以下としたり（特許文献１請求項１）、同じく被覆層２の厚みｔを０．００１〜０．２μｍとしたり（特許文献３請求項１）、芯材１の銅よりも高融点の耐酸化金属で被覆層２を形成したりしている（特許文献２段落００１４）。
以上のように、耐酸化金属で銅線を被覆したボンディングワイヤＰは、従来から、種々の工夫がなされてそれなりに好評を得ているが、近年の半導体装置の小型化・高密度化に伴うＩＣチップの多ピン化および狭ピッチ化に対応するため、ボンディングワイヤのさらなる細径化の要求が高まっている。
このような用途に対しては、上記のように金合金によって満足させることが提案されているが、その金合金からなるボンディングワイヤは高価なものとなっている。このため、銅線からなるボンディングワイヤにおいて、その要求を満たすものが望まれている。
この発明はその要求に応えることを課題とする。
上記課題を達成するために、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、この発明を完成したのであり、ボンディングワイヤＰの線径Ｌは１２μｍ以上２５．４μｍ以下とし、その芯材１の組成を、銀添加量５００ｐｐｍ（純銅に対する重量比、以下、同じ）以上、２００００ｐｐｍ以下で、残部が銅及び不可避不純物からなり（以下、これを「銅合金」と言う。）、その芯材の外周全面に、金、白金、パラジウム、銀の１種以上による厚み０．０２〜０．０９μｍの被覆層を形成した導電率が９０％以上、引張強さが２３０ＭＰａ以上である構成としたのである。
ボンディングワイヤＰの線径Ｌを、２５．４μｍ以下としたのは、上述の通り、ＩＣチップの小型化・多ピン化に対応するためである。線径Ｌを小さく（細く）して、ボールｂ（ＦＡＢ）の直径を小さく設定することで、狭いピッチへのボンディングが可能になる。また、線径Ｌの下限を１２μｍ以上としたのは、１２μｍ未満ではボンディング前にオペレータがワイヤＰをキャピラリー１０ａに通すのが困難になり、作業性が悪くなるからである。
芯材１の導電率は高ければ高いほど好ましいが、９０％ＩＡＣＳ以上、より好ましくは９５％ＩＡＣＳ以上とするとよい。この範囲では、細径化してもワイヤの電気特性を低下させず、一般的な９９．９９％以上の純度を持つ無酸素銅では導電率が約１００％ＩＡＣＳであり、合金化による導電率の低下の上限を１０％以下に抑えることによって、この発明の細線化したワイヤでも電気特性の問題は起こらない。
要求されている剛性を得るために、芯材１の主成分をなす銅に種々の添加物を添加すると、その銅合金は、著しく導電率を低減させることがわかっているが、純銅に銀を添加した場合の導電率の低下は銀以外の元素を添加した場合の導電率の低下に比べて比較的緩やかであるため、芯材１の導電率の低下を抑制しつつ、剛性を高めることが可能である。その銀添加量は３００〜２００００ｐｐｍ、より好ましくは５００〜１２０００ｐｐｍとする。銀添加量が２００００ｐｐｍを上回ると、導電率が９０％ＩＡＣＳを下回り、また、銀添加量を１２０００ｐｐｍ以下とすると、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上となるからである。
樹脂封止時のワイヤフロー（変形態）は、ワイヤの剛性が低い程（引張強さが小さい程）、その恐れが大きくなる（上がる）。純銅に銀を添加すると、引張強さは向上するが、銀添加量が３００ｐｐｍを下回ると、引張強さが２３０ＭＰａを下回って、剛性が低下して耐ワイヤフロー性が損なわれる。一方、５００ｐｐｍを上回ると、引張強さが２５０ＭＰａ以上となり、高い耐ワイヤフロー性が得られ、より狭ピッチの用途にも使用できる。
以上から、銀添加量が３００ｐｐｍ以上の芯材１の引張強さは２３０ＭＰａ以上となり、同５００ｐｐｍ以上ではより好ましい２５０ＭＰａ以上となって、この範囲では、ワイヤフローを起こさない剛性を得ることができる。
また、銀以外の元素を、剛性を上げる目的で添加すると、導電率が著しく下がってしまう恐れがあるが、導電率を下げない程度、すなわち１００ｐｐｍ以下のリンを添加することによってボールｂの形状がより安定する。通常、リンは１０ｐｐｍ以上あれば、ボールｂの形状安定化に効果があるので、この発明のボンディングワイヤＰには、必要に応じて１０〜１００ｐｐｍのリンを添加することができる。
被覆層２の厚みｔは薄いほど、ボールｂが安定して真球形状となるが、薄すぎると、ステッチボンド接合の際に芯材１の銅が露出する度合いが大きくなり、被覆層２を有さない銅ワイヤ程度のステッチボンド接合性しか発現できない。例えば、後記実施例と比較例の実験結果から理解できるように、３回以上のマシンストップが生じる恐れがある（連続ボンディング性：Ｅ）。このため、その実施例と比較例３、１３の実験結果から、被覆層２の厚みｔは０．０２μｍ以上とする。
なお、より好ましい被覆層２の厚みｔは０．０４μｍ以上とする。この発明のボンディングワイヤは、通常の被覆ボンディングワイヤと比べて、芯材１に剛性の高い銅合金を用いているため、ステッチボンド接合に要する加重が大きく、被覆層２の厚みｔが０．０２μｍ以上から０．０４μｍ未満の範囲では芯材１の銅が露出する度合いが大きくなり、連続ボンディング性が損なわれる恐れがあるからである。
一方、被覆層２が厚いと、ボールｂの形状が悪くなり、上述のような下向き槍状（逆円錐状）になることがある。この発明のボンディングワイヤは狭ピッチ化に対応するためのものであり、このような用途ではボールｂの径を小さくする傾向にある。ボールｂの径を小さくするためにはボールｂを作製する際の放電電流を低く、放電時間を短くする必要があるが、このような小エネルギでも安定して真球状のボールｂを得るために、芯材１である銅合金と融点の異なる被覆層２の厚みはできる限り薄い方が好ましく、その上限を０．０９μｍとする。
また、被覆層２は放電の際に芯材１である銅合金よりも遅く溶融する方がボールｂの形状が安定し、さらに、被覆層２の融点が芯材１の融点に近い方が均一な溶融が起こりやすく、その結果として安定して真球のボールｂを得ることができる。これは、放電によって銅合金が溶融して真球となる時、その溶融部分が表面張力によって真上にワイヤを這い上がっていくが、被覆層２も溶融していると、その這い上がりが悪くなって、真球になりにくいためと考える。このことは、０．０２〜０．０９μｍ厚の被覆層２であると、顕著に表れる。このことから、銅合金よりも融点が高い被覆層は、白金とパラジウムからなるものとなる。
因みに、上記銅合金の融点：１０８０℃、金の融点：１０６４℃、パラジウムの融点：１５５４℃、銀の融点：９６２℃、白金の融点：１７７２℃である。
さらに、パラジウムと白金では、パラジウムの方がボールｂを真球にできる条件のマージン（限界）が広くなる。これは、パラジウムの融点が白金の融点に比べて銅合金の融点に近く、被覆層２に白金を用いると、放電による銅合金の溶融後に白金が溶融するまでに、パラジウムに比べて時間差が生じるためと考える。
なお、上述のように、被覆層２の厚みｔを０．０４μｍ以上とした場合、ボールｂがより安定して真球になるが、特にパラジウムを被覆層２に採用した場合、後述の実験結果から、その厚みｔを０．０５μｍ以上とした時、最も安定したステッチボンド接合性及び真球のボールｂが得られる。これは、パラジウム被覆層２の場合、上記のように、銅合金とパラジウムの溶融時間差が小さく、より真球になりやすいこととの相乗効果に基づくものと考える。
これらの構成のボンディングワイヤＰの製造方法には種々のものが採用できるが、例えば、銀を３００〜２００００ｐｐｍ添加した銅合金からなる芯材１の外周全面に、金、白金、パラジウム、銀の１種以上による被覆層２を形成し、その被覆線を拡散熱処理して芯材と被覆層の密着性を高めた後、線径１２μｍ以上２５．４μｍ以下まで伸線し、さらに、引張伸び（破断するまでの伸び）が１０％以上となるように調質熱処理を行って、被覆層２の厚みｔを０．０２〜０．０９μｍとした構成を採用できる。
上記被覆層２は、電解メッキ、無電解メッキ、蒸着法等の周知の手段によって形成され、一般に、ワイヤＰは大きな線径の銅合金ロッドをダイスと呼ばれるツールに順次貫通させていくことにより、所定の線径に仕上げられるため、この工程途中の適宜な線径で被覆層２を上記手段により形成する。このとき、被覆する際の芯材１の線径は作業性・コストにより決定されるが、製造装置の制限から０．２〜０．８ｍｍが一般的である。外周全面にパラジウム等の金属を被覆された被覆線は２００〜５００℃（被覆線の温度）で拡散熱処理を施して前記芯材１と被覆層２の密着性を高めた後、線径１２μｍ以上２５．４μｍ以下まで伸線し、さらに、引張伸びが１０％以上となるように調質熱処理を行って、被覆層２の厚みｔを０．０２〜０．０９μｍとすることができる。
引張伸びを１０％以上とするのは、ステッチボンド接合性を上げ、より安定したボンディング性を得るためである。
この発明は、以上のようにしたので、近年の半導体装置の小型化・高密度化に伴うＩＣチップの多ピン化および狭ピッチ化に対応する、安定した接合強度を有してワイヤフローのない安価なボンディングワイヤを得ることができる。
ボールボンディング接続法の説明図であり、（ａ）〜（ｈ）はその途中図 この発明に係るボンディングワイヤの断面図 オージェピーク強度と被覆層（メッキ層）深さの関係図
表１に示す実施例１〜４４及び比較例１〜１７を製作し、そのボンディングワイヤＰの電気特性、ワイヤの剛性、連続ボンディング性、及びボールｂの真球性の試験を行った。
すなわち、まず、銅純度９９．９９質量％以上の純銅に添加量３００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下の銀を添加した０．２〜０．８ｍｍ径の銅合金線を用意し、その銅合金線に、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｇの貴金属を電解メッキ法によって被覆し、その被覆線を巻き戻し、焼鈍炉を通したのち、再び巻き取り用リールで巻き取ることによって連続拡散熱処理を行った。焼鈍炉は炉長１ｍの炉芯管を有する電気炉を用い、炉芯管には窒素ガスを流した。その炉温度は５００℃以上８００℃以下として被覆線の温度を２００〜５００℃とし、その被覆線の走行速度は５〜６０ｍ/分とした。以上の拡散熱処理を施して銅線（芯材）１と被覆層２の密着性を高めた後、線径１５〜２５μｍまで伸線し、さらに、引張伸びが１０％以上となるように調質熱処理を行って、被覆層２の厚みｔ：０．０１１〜０．１４６μｍのボンディングワイヤＰ（実施例１〜４４及び比較例１〜１７）を得た。表１中、２種の貴金属を示す例は、その２種の金属を同一厚で２重被覆したものである。
このとき、銅合金は、例えば、純銅に５重量％の銀を添加した母合金を作成し、その母合金と純銅を所容量配合・溶解して銀が所要添加量のものとした。因みに、リン等の元素を微少添加する場合も、例えば、０．５重量％リン−銅母合金を作成し、そのリン−銅母合金と純銅を所容量配合・溶解してリン等が所要添加量のものとする。
また、剛性は、仕上軟化温度によって調整し、このワイヤＰでは、その温度を通常の銅のそれに対して１００〜２００℃程高くする。
つぎに、この各ボンディングワイヤＰにおいて、下記の評価を行った結果を表１に示す。

「被覆層（表面皮膜層）２の厚み」：
オージェ電子分光分析法にて測定した。Ａｒで被覆層の表面からスパッタリングし、単位時間のスパッタリング毎にスペクトル測定を行った。深さ方向の単位はスパッタ時間とし、事前に測定しておいた標準試料ＳｉＯ２のスパッタリングレートから、対象材の深さ方向の距離をＳｉＯ２換算にて算出した。被覆層については、図３の通り、対象被覆層元素のオージェピーク強度を縦軸、深さを横軸にとったグラフにおいて、オージェピーク強度が８４％の位置から１６％の位置までの距離を被覆層の厚みとした。

「芯材（銅）の純度」：
ＩＣＰ発光分析にてＡｇ含有量を分析してＣｕ純度を決定した。

「電気特性」：
ワイヤの導電率９５％ＩＡＣＳ以上で「Ａ」、９０％ＩＡＣＳ以上９５％ＩＡＣＳ未満で「Ｂ」、９０％ＩＡＣＳ未満で「Ｅ」とした。

「ワイヤの剛性」：
２５０ＭＰａ以上で「Ａ」、２３０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ未満で「Ｂ」、２３０ＭＰａ未満で「Ｅ」とした。

「連続ボンディング性」：
ボンディングマシンで１０，０００回の連続ボンディングを行い、マシンストップが発生しなければ「Ａ」、１回のマシンストップが発生すれば「Ｂ」、２回のマシンストップが起これば「Ｃ」、３回以上のマシンストップが起これば「Ｅ」とした。このとき、ステージ温度は２００℃とした。

「ボールｂの真球性」：
ボンディング装置でボールｂを作成し、その形状を光顕とＳＥＭで観察した。このとき、100個の接合部を観察して、全て真球なら「Ａ」、１つの変形で「Ｂ」、２つの変形で「Ｃ」、３つ以上変形していたら「Ｅ」とした。

「総合評価」：
「Ａ」：全ての評価がＡであるもの、「Ｂ」：Ａ、Ｂが混在するもの、「Ｃ」：Ａ、Ｂ、Ｃが混在し、Ｃが１つあるもの、「Ｄ」：Ａ、Ｂ、Ｃが混在し、Ｃが２つ以上あるもの、「Ｅ」：ひとつでもＥがあるもの。
Figure 2010245390
この試験結果から、芯材１の銀添加量（Ａｇ濃度）：３００ｐｐｍ未満では、ワイヤＰの剛性に問題があり（比較例１、５〜６、１０、１６）、同２００００ｐｐｍを越えると、電気特性の問題が生じる（比較例２、７、１５、１７）。
被覆層厚ｔが０．０２μｍ未満であると、連続ボンディング性が低下し（比較例３、１３）、０．０２μｍに近くなると、連続ボンディング性が向上し（比較例１）、０．０２μｍ以上となると、連続ボンディング性が満足できるものとなり得る可能性が理解できる（実施例１〜４４、比較例５〜１２、１４〜１７）。
一方、被覆層厚ｔが０．０９μｍを越えると、ボールｂが硬くなって、ボールｂの真球性の問題が認められるようになる（比較例４、９、１１、１４）。
また、表面被覆層にＰｄを使用し、銀濃度：５００ｐｐｍ以上、被覆層厚ｔ：０．０５μｍ以上としたもの（実施例１４〜１８、２３、２４、２７〜２９）では、総合評価が「Ａ」となって、線径（Ｌ）：１２μｍ以上２５．４μｍ以下のボンディングワイヤＰとしては、非常に有効であることが理解できる。
Ｐ ボンディングワイヤ
１ 芯材
２ 被覆層
ａ 集積回路素子の電極
ｂ ボンディングボール
ｃ 回路配線基板の導体配線

Claims (7)

  1. 集積回路素子の電極（ａ）と回路配線基板の導体配線（ｃ）をボールボンディング法によって接続するための線径（Ｌ）：１２μｍ以上２５．４μｍ以下のボンディングワイヤ（Ｐ）であって、
    その芯材（１）の組成が、銀添加量５００ｐｐｍ以上、２００００ｐｐｍ以下で、残部が銅及び不可避不純物からなり、その芯材（１）の外周全面に、金、白金、パラジウム、銀の１種以上による厚み（ｔ）０．０２〜０．０９μｍの被覆層（２）を形成した導電率が９０％以上、引張強さが２３０ＭＰａ以上であることを特徴とするボンディングワイヤ。
  2. 上記銀の添加量を５００ｐｐｍ以上１２０００ｐｐｍ以下とした、導電率が９５％以上、引張強さが２５０ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項１に記載のボンディングワイヤ。
  3. 上記被覆層（２）の厚み（ｔ）が０．０４〜０．０９μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のボンディングワイヤ。
  4. 上記被覆層（２）をその融点が上記芯材（１）の融点より高いパラジウム又は白金としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のボンディングワイヤ。
  5. 上記被覆層（２）をその融点が上記芯材（１）の融点より高いパラジウムとし、その厚み（ｔ）が０．０５〜０．０９μｍであることを特徴とする請求項２に記載のボンディングワイヤ。
  6. 集積回路素子の電極（ａ）と回路配線基板の導体配線（ｃ）をボールボンディング法によって接続するための請求項１に記載のボンディングワイヤ（Ｐ）の製造方法であって、
    純度９９．９９質量％以上の銅に添加量３００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下の銀を添加した芯材（１）の外周全面に、金、白金、パラジウム、銀の１種以上による被覆層（２）を形成し、その被覆線を拡散熱処理して前記芯材（１）と被覆層（２）の密着性を高めた後、線径（Ｌ）１２μｍ以上２５．４μｍ以下まで伸線し、さらに、引張伸びが１０％以上となるように調質熱処理を行ったことを特徴とするボンディングワイヤの製造方法。
  7. 上記銀の添加量を５００ｐｐｍ以上１２０００ｐｐｍ以下とし、上記被覆層（２）がパラジウムから成ってその厚み（ｔ）を０．０５〜０．０９μｍとしたことを特徴とする請求項６に記載のボンディングワイヤの製造方法。
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