JP2011222882A - ボンディングワイヤ - Google Patents

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wire
bonding
core material
ball
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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】銅製芯材１と被覆層２との密着性を向上させる。
【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線径Ｌ１２μｍ以上５０.８μｍ以下のボンディングワイヤＷである。純度９９．９９質量％以上の銅からなる芯材１の外周面をビースブラウト、ショットブラスト、酸処理、ストライキめっき等によってＲａ：０．１〜０．４μｍの粗面化する。その粗面化した芯材外周面にＰｄ、Ｐｔからなる耐酸化性の被覆層２を形成する。この粗面化によって芯材外周面と被覆層２との密着面積が増加して密着力が改善される。このため、ワイヤの屈曲によって被覆層の亀裂が生じにくく、Ｃｕ表面が被覆層表面に露出し難い。このように露出しないことは、被覆層の厚みを薄くし得ることであり、ＦＡＢの硬化を招き難く、また経済的である。
【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Ｗ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（１ｓｔ接合、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Ｗ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Ｗ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Ｗを変形させ、ワイヤＷ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（２ｓｔ接合、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Ｗ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Ｗをつかんで）、テイルボンドの部分からワイヤＷを引きちぎる（図１（ｇ））。このとき、テイルボンドがワイヤＷを仮止めしているため、テイルボンドをなすワイヤＷ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Ｗ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Ｗ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と導体配線ｃのボールボンディング法による接続がされる。
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Ｗには、金線が主に使用されるが、金は高価であるため、近年、安価な銅線を使用することが行われている。
この銅線製ボンディングワイヤＷは、その剛性が高いと、円滑に変形せず（図１（ｄ）〜（ｆ））、十分な接合強度を得ることができず、連続ボンディング性（例えば、１０，０００回ボンディングしてマシンストップの有無（回数）により判定）が良くない。また、その接合強度を得るために、２ｎｄ接合時の圧接強度（キャピラリー１０ａによる押し付け強度）を大きくすると、キャピラリー１０ａの寿命が短くなる問題がある。
このため、線径を細くしたり、純度の高い銅、例えば、純度９９．９質量％以上（３Ｎ）や同９９．９９質量％以上（４Ｎ）さらに同９９．９９９質量％以上（５Ｎ）のものを使用したりしている。
さらに、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、銅線からなる芯材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
この金属被覆の銅線からなるボンディングワイヤＷ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間の極小化に伴い、上記ボールｂもより小さくする必要、及び上記剛性の点から、ボンディングワイヤＷ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）。
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０．００１〜０．０２μｍ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）。
さらに、芯材１の銅に、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｇ）を添加して、ピール試験（剥離試験）での破断伸びを増加させると共に、ボールの溶融時にそのＰ等の添加金属が被覆層２を形成する耐酸化性金属との相乗効果によって、ボールの真球性を向上させる技術も開示されている（特許文献４段落００５５）。
この耐酸化金属で銅線を被覆したボンディングワイヤＷは、上記ボールｂの真円度を得るためには、被覆層２の厚みは出来るだけ薄い方が好ましいが、下記の熱焼鈍処理後の伸線時、その被覆層２が薄いと、被覆層２に切れ（亀裂）が発生して芯材１の銅が露出して酸化する恐れがある。
また、近年のボールボンディング法による作業の安定化が望まれ、その安定化の手段の一つとして、ボールｂの接合強度の向上があり、その向上には、芯材の電気抵抗値を高めてボールｂを速く溶融することが考えられ、その場合、上記Ｐ等を芯材に添加する手段などの選択をし得る。電気抵抗値を高めることで、ＦＡＢ形成の際のスパークを低電流・短時間で行うことができる。
さらに、作業を高速化すると、上記ボールボンディング法による接続において、図１（ｅ）〜（ｆ）に示した、キャピラリー１０ａが導体配線ｃに向かって降下し、ワイヤＷを導体配線（２ｎｄターゲット）ｃに押付けて、ワイヤＷを海老の尻尾のように屈曲させると（同図（ｆ）参照）、その屈曲に伴って被覆層２に亀裂が入る場合がある。被覆層２に亀裂が入れば、その亀裂個所の耐酸化性が劣化することとなり、同図（ｈ）におけるボールｂの形成時、その真球の形成に問題が生じる。
この発明は、上記被覆層２の薄肉化を図り得るようにすることを第１の課題、芯材の電気抵抗値を高めるとともに耐酸化性の低下を防止することを第２の課題とする。
上記第１課題を達成するために、この発明は、芯材の外周面を粗面化し、その粗面化した外周面に耐酸化性の被覆層を形成することとしたのである。
粗面化すれば、芯材外周面と被覆層が３次元方向に接触してその接触面積が増大するため、アンカー効果によって芯材と被覆層の密着度が向上する。
この発明の具体的の構成としては、集積回路素子の電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するための線径：１２〜５０．８μｍのボンディングワイヤにおいて、純度９９．９質量％以上の銅からなる芯材の外周面は粗面化され、その粗面化された外周面に耐酸化性の被覆層が形成されている構成を採用することができる。
この構成において、ボンディングワイヤＷの線径Ｌを、５０．８μｍ以下としたのは、上述の特許文献１ではその径Ｌを５０μｍ以下としているが、５０．８μｍ以下であれば、５０μｍ以下とかわらない程度でもって、上記ボールｂをより小さくできるからである。
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Ｗ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の銅純度を９９．９質量％以上としたのは、銅の高導電性及び低剛性を担保するためである。
さらに、芯材外周面の粗度（Ｒａ）は、被覆層２の厚み、材質等と下記の伸線時の被覆層の切れ（割れ）度合が生じない密着度を考慮して実験などによって適宜に決定すれば良いが、粗度が低い、例えば、Ｒａ＝０．１μｍ未満とあると、密着度が低く、前記切れが生じやすい。一方、粗度が高い、例えば、Ｒａ＝０．４μｍを超えると、伸線時、粗面凸部の被覆層が剥がれてダイスにたまり易く、その剥がれた被覆はキズの原因となる。
その芯材外周面の粗面化には種々の手段が考えられるが、例えば、ビーズブラスト、ショットブラスト、希硝酸、希塩酸による電解処理（酸処理）、シアン系Ｃｕストライクめっき等を採用できる。因みに、シアン系Ｃｕストライクめっきは、初期段階では、銅ワイヤ表面（外周面）に粒子状に銅が析出して凹凸状にめっきされ、さらにその上に覆い被さるように銅がめっきされて堆積していき、それが繰り返されることでめっき層が形成されるものであり、初期段階において、所要の粗面になった時点でめっき処理を止めることによって、粗面化しためっき面を得ることができる。
上記被覆層を形成する耐酸化性金属としては、従来と同様に、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ等を採用できる。
この被覆層を形成した場合、通常、その被覆層と芯材との密着性を向上させるため、拡散焼鈍のための熱焼鈍処理が行われるが、芯材外周面の粗面化によって密着度が向上すれば、その熱焼鈍処理を行うことなく伸線加工を行うことできることとなって、製作作業の向上を図ることができる。この伸線加工においては、その加工時、被覆層と芯材の各表面が割れ（切れ）、互いの新生面（酸化などをしていない新鮮な面）同士が新たに接合することとなってその被覆層と芯材の間は密着することとなるが、粗面化して密着面積が増大していると、その新生面同士の接合面積が前記割れ面積より多くなって密着性は向上する。一方、粗面化されていないと、その新生面同士の接合面積も少なく、前記割れ面積の方が多くなって密着性は低下する。低下すれば、被覆層の剥離が生じる。
また、被覆層２の厚みｔは薄いほど、ボールｂの硬度が低くなり、Ｓｉチップ（電極ａ）の損傷の可能性が低くなるが、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、粗面化によって密着度を向上させているにも拘わらず、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恐れがある。このため、例えば、被覆層２の厚みｔは０．０１〜０．０２μｍとする。
さらに、上記拡散焼鈍処理を行えば、被覆層と芯材の密着性を高めることができるが、その際、安定した作業とし得るために、その拡散（合金）層の厚さは０．００５μｍ以下となるように、低温・短時間の拡散焼鈍処理を施すようにし得る。このようにすれば、被覆層２に芯材１の銅が析出すること（銅化）が無くなるとともに、被覆層２の厚みｔを必要以上に厚くする必要が無くなるため、ＦＡＢの硬化を招かず、また、Ｐｄ等の使用量も少なくなって経済的となる。因みに、拡散焼鈍処理を行う場合、被覆層２が厚ければ厚いほど、被覆層２の銅化の恐れはないが、その被覆層を成すＰｄ等は値段が高く、被覆層が厚くなれば、経済的で無いうえに、ＦＡＢの硬化を招く。
上記被覆層２は、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等の周知の手段によって形成され、一般に、ワイヤＷは大きな線径の銅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を前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Ｐｄ等の金属を被覆された被覆線は、必要に応じて２００〜３００℃（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５０．８μｍ以下まで伸線し、さらに、引張伸びが８％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：０．０１〜０．０２μｍとすることができる。
引張伸びを８％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。
上記第２の課題を達成するため、この発明は、芯材に上記の電気抵抗値を高めるＰ、Ｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｍｇの内、Ｐを添加することとしたのである。
このＰの添加によって電気抵抗値が高くなり、ＦＡＢ形成の際のスパークを低電流・短時間で安定して供給してそのＦＡＢの形成ができる。
Ｐは、添加しても加工熱安定性がある上に、一般的にＣｕ−Ｐ合金として販売されていて、その入手も容易である上に、所要の添加量を得やすい。これに対し、Ｂは熱安定性が悪いことから、添加が困難であり、Ｂｉは環境面から好ましくなく、Ｓｎは溶解によって煤ができる問題があり、Ａｇは酸化し易いことから、信頼性が劣り、Ｍｇは蒸気圧が低いことから添加し難い問題がある。
そのＰの添加量は、ワイヤの溶融度合、１ｓｔ接合、２ｎｄ接合における接合度合を考慮して適宜に設定すれば良いが、例えば、その添加量を５〜２５０ｐｐｍとする。２５０ｐｐｍを超えると、ワイヤの電気抵抗が高くなりすぎて、Ｓｉチップ等の素子（電極ａ）からリード（導体配線ｃ）に信号を伝えるというボンディングワイヤとしての機能を阻害する恐れがあり、一方、同５ｐｐｍ未満では、低電流・短時間によるボール形成の効果を得ることができない恐れがある。
また、このＰを添加した芯材１において、さらに、その芯材１の耐酸化性を高めるために、上記のＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ等を添加することができるが、これらの内、Ａｇ、Ｎｉ、鉄（Ｆｅ）、Ｍｎは容易にＰと化合物（Ａｇ−Ｐ、Ｎｉ−Ｐ、Ｆｅ−Ｐ、Ｃｒ−Ｐ、Ｍｎ−Ｐ）を作るため、Ｐとの化合によって耐酸化性の劣化を招く恐れがあって、耐酸化性の向上に寄与しなくなる。このため、溶融してもＰと化合しない、Ａｕ又はＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｐｔの白金族（Ｐｔ族）の少なくとも１種以上を添加することとする。このとき、所要量の添加のし易さから、１種がより好ましく、２種にするのが好ましい。
このように、Ｐと化合しないＡｕ及びＰｔ族であれば、Ｐの添加による電気抵抗値（抵抗熱）の向上を得ることができるとともに、Ａｕ等の添加による耐酸化性の向上を図ることができる。
その耐酸化性向上のためのＡｕ等の添加量は、例えば、合計で１０〜１０００ｐｐｍとする。１０００ｐｐｍを越えると、ワイヤＷの強度が高くなりすぎて、１ｓｔ接合時のチップクラックの原因となる恐れがあり、１０ｐｐｍ未満では耐酸化性の効果を望めなく恐れがある。
この発明は、以上のように、芯材外周面を粗面化して被覆層との密着度を向上させたので、被覆層の厚みを薄くすることができて、ＦＡＢ硬度の低減により、安定した接合性を得ることができる。
また、電気抵抗値を高めたので、低電流・短時間で安定してＦＡＢの形成ができる。
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（めっき層）深さの関係図 オージェピーク強度と被覆層（めっき層）深さの関係図
表１に示す実施例１〜１１及び比較例１〜６を製作し、そのボンディングワイヤＷの被覆層２の組成度合、同被覆層のキズ度合、同１ｓｔ接合部のＳｉチップ（電極ａ）の損傷度合、及びＨＴＳＴ（High Temperature Storage Test）の試験（観察）を行った。
すなわち、まず、銅純度９９．９９質量％（４Ｎ）の純銅からなる芯材１の外周面に、ショットブラスト、希硝酸処理、又はシアン系Ｃｕストライクめっきによって粗面化処理を行い、その純銅線にＰｄ又はＰｔを電解めっき法によって被覆し、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（銅合金線）の温度を２００〜３００℃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１５〜５０μｍまで伸線し、さらに、引張伸びが８％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：０．００２〜０．０４１μｍのボンディングワイヤＷ（実施例１〜１１及び比較例１〜６）を得た。
つぎに、この各ボンディングワイヤＷにおいて、表１に示す各線径、被覆厚等において、下記の評価を行った結果を表２に示す。
記
「表面被覆層の厚み」
オージェ分光分析法による深さ分析を行った。深さ分析はＡｒイオンでスパッタしながらＰｄまたはＰｔの濃度を測定し、ＳｉＯ２換算して表層からの距離を算出した。表面被覆層２の厚みは、表層のＰｄまたはＰｔ濃度の測定値の１／２の濃度になる点までを表面被覆層の厚みとした（図３参照）。
「拡散焼鈍」
繰り出し機から繰り出したワイヤＷを各温度に設定した電気炉の中に通し、反対側から巻き取る方法で連続的に処理した。
「拡散(合金)層」
オージェ分光分析法による深さ分析の結果から算出した。ＰｄまたはＰｔの濃度が８４％から１６％になるまでの距離（めっき膜厚）を拡散(合金)層とした（図４参照）。
「表面被覆組成」
表面からのオージェ分光分析の結果、ごく表層のＣｕ濃度が５ｍａｓｓ％未満ならＡ、５ｍａｓｓ％以上ならＣとした。
「粗度」
非接触の超深度形状測定顕微鏡（株式会社キーエンス製 ＶＫ−８５５０）により、線（ワイヤＷ）の長さ方向の粗度：Ｒａを測定した。なお、長さ方向としたのは、径方向（周方向）にずれると、芯材１の伸線時の凹凸も含まれて、適切な粗度を確認できないからである。
「表面被覆キズの発生」
同超深度形状測定顕微鏡で観察し、表面にキズが確認されない場合はＡ、３μｍ以上のキズが確認できた場合はＣとした。
「１ｓｔ接合部のＳｉチップ損傷」
ボンディング後、１ｓｔボール接合部直下のＳｉチップ損傷を評価するために、ボール接合部および電極膜を王水で溶解し、Ｓｉチップのクラックを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）５００倍の倍率で観察した。
１００個の接合部を観察して５μｍ未満の微小なピットが１個もしくはまったく見られない場合はＡ、５μｍ以上のクラックが２個以上認められた場合をＣとした。
「ＨＴＳＴ」
ボンディング後、２００℃に加熱された大気炉にリードフレームを入れ、１０００ｈｒ経過後のワイヤＷの状態を光学顕微鏡５００倍の倍率で確認した。酸化が進んでいないものはＡ、キズが発生し、Ｃｕが露出することによってワイヤＷに酸化部が点在しているものはＢ、表面被覆層全体が酸化しているものはＣとした。
「総合評価」
すべての項目がＡのものをＡ、ひとつでもＢまたはＣがあるものをＣとした。
Figure 2011222882
Figure 2011222882
この試験結果から、芯材１の外周面を粗面化した本発明に係る実施例１〜１１においては、総合評価に置いて「Ａ」を全て得ているのに対し、粗面化しないもの（比較例２、５）は、キズが発生したり、ＨＴＳＴにおいて満足いけるものでなかったりしている。また、他の比較例１、３、４、６においても、被覆層厚等によって、各評価において問題がある。このため、被覆層厚等は、使用態様によって適宜に決定する。
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 (4)

  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）：１２〜５０．８μｍのボンディングワイヤ（Ｐ）であって、純度９９．９質量％以上の銅からなる芯材（１）の外周面は粗面化されて、その粗面化された外周面に耐酸化性の被覆層（２）が形成されていることを特徴とするボンディングワイヤ。
  2. 上記被覆層（２）の層厚（ｔ）を０．０１〜０．０２μｍ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. 上記芯材（１）の外周面の粗面度Ｒａを０．１μｍ以上０．４μｍ未満とした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. 上記記芯材（１）の外周面は、ビーズブラスト、ショットブラスト、酸処理又はシアン系Ｃｕストライクめっきによって粗面化されたものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載のボンディングワイヤ。
JP2010092891A 2010-04-14 2010-04-14 ボンディングワイヤ Pending JP2011222882A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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