JP2013172032A - ボンディングワイヤの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワイヤボンディングの際に、ボール形状のバラツキが小さく、電極からはみ出ることのない安定したボール形状が得られるボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】複数のダイスを通過させて金属細線１０を所定の線径まで伸線加工する伸線工程と、アニール炉１２０を通過させて伸線加工された金属細線をアニールするアニール工程とを有するボンディングワイヤの製造方法であって、アニール工程において、アニール後の金属細線に大気圧プラズマを照射して金属細線の表面を洗浄する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボンディングワイヤの製造方法に関し、特に、複数のダイスを通過させて金属細線を所定の線径まで伸線加工する伸線工程と、アニール炉を通過させて伸線加工された前記金属細線をアニールするアニール工程とを有するボンディングワイヤの製造方法に関する。
近年、半導体パッケージの製造において、コストダウンを目的とし、金ボンディングワイヤから銅ボンディングワイヤへ切り替えがなされている。
しかしながら、単独の銅ボンディングワイヤは、リードフレームとの接合強度を安定して得ることが難しいため、従来から、銅ボンディングワイヤにパラジウムメッキを施したパラジウム被覆銅ボンディングワイヤが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
パラジウム被覆銅ボンディングワイヤは、ワイヤボンディングを行う際、アーク放電によりワイヤ先端部を溶融し、ボールを形成することにより半導体素子の電極と接合する。その際、パラジウムがボールの表面を覆っていれば、銅の酸化を防ぐとともに、接合強度を安定させることができる。
特開２００４−４６０３３号公報
しなしながら、近年、半導体パッケージは高密度化が進み、電極の大きさも著しく小さくなり、異形状のボールで接合させると、隣接するボールと接触することで半導体の機能を失うこととなる。
パラジウム被覆銅ボンディングワイヤは、ボールを生成するときに、ワイヤ表面層に施したパラジウムメッキ膜がボール表面近傍に存在するが、パラジウムの溶け方に偏りがある場合、電極にボンディングされたボールは異形状となりやすく、隣接するボールと接触し不良を発生させてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、ワイヤボンディングの際に、ボール形状のバラツキが小さく、電極からはみ出ることのない安定したボール形状が得られるボンディングワイヤを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るボンディングワイヤの製造方法は、複数のダイスを通過させて金属細線を所定の線径まで伸線加工する伸線工程と、アニール炉を通過させて伸線加工された前記金属細線をアニールするアニール工程とを有するボンディングワイヤの製造方法であって、
前記アニール工程において、アニール後の前記金属細線に大気圧プラズマを照射して前記金属細線の表面を洗浄することを特徴とする。
ここで、前記大気圧プラズマの照射は、アニール後の前記金属細線を前記スプールに巻き取る際に行われてもよい。
また、伸線加工された前記金属細線をアニールする前に、水で超音波洗浄が行われることとしてもよい。
ここで、前記水の温度は、４５℃〜６０℃であることが好ましい。
また、前記超音波洗浄は、前記アニール炉の前に浴槽を設けて行われる構成としてもよい。
更に、前記伸線工程において、前記金属細線が最終ダイスを通過した後に、４５℃〜６０℃の水で水洗が行われることとしてもよい。
なお、前記水洗は、前記最終ダイスの後に浴槽を設けて行われる構成としてもよい。
ここで、前記伸線工程は、前記金属細線を最終線径まで伸線する最終伸線工程であり、
前記アニール工程は、最終アニール工程である構成であってもよい。
また、前記金属細線は、銅を主成分とする芯材の周囲に、パラジウムを主成分とする被覆層を形成したパラジウム被覆銅ボンディングワイヤである構成であってもよい。
本発明によれば、ワイヤボンディングの際、ボールが異形状になることを防止し、安定して電極内に収めることができる。
本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程の一例を示した図である。 本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程の一例を示した図である。 本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程で用いられる水洗ユニットの構成を示した拡大図である。 本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程で用いられる超音波洗浄ユニットの構成を示した拡大図である。 本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程で用いられるプラズマ照射装置の一例を示した図である。 本実施例に係る製法により製造されたパラジウム被覆銅ボンディングワイヤのボール径のヒストグラム及び正規分布を比較例とともに示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
図１は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程の一例を示した図である。図１において、本実施形態に係るボンディングワイヤの伸線工程に用いられる伸線機１００が示されている。伸線機１００は、スプール２０、２１と、駆動キャプスタン３０と、案内キャプスタン３１と、ダイス４０〜４７と、洗浄ユニット９０とを備える。洗浄ユニット９０は、洗浄槽５０と、ノズル７０とを備え、洗浄槽５０には水６０が満たされている。また、図１において、伸線加工の対象である金属細線１０が示されている。
なお、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程は、製造工程中の種々の伸線工程に適用することができるが、例えば、最終伸線工程に適用されてもよい。
金属細線１０は、最終的に半導体実装に用いられるボンディングワイヤとして製品化される金属線材である。本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法は、種々の金属細線１０に適用することができ、金属細線１０は、例えば、金線のように単独金属から構成されてもよいし、銅を主成分とする芯材の周囲に、パラジウムを主成分とする被覆層を形成したパラジウム被覆銅線のような被覆金属線であってもよい。なお、金属細線１０が金線の場合には、金ボンディングワイヤが製造され、金属細線１０がパラジウム被覆銅線の場合には、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤが製造される。
スプール２０、２１は、金属細線１０が巻回された状態で、金属細線１０を保持するための部材であり、金属細線１０を巻回した状態で移動・搬送が可能である。スプール２０は、巻き回された金属細線１０を巻き出して伸線機１００に供給するための巻き出し用スプールである。一方、スプール２１は、伸線機１００により伸線加工された金属細線１０を巻き取るための巻き取り用スプールである。
駆動キャプスタン３０は、回転駆動して金属細線１０を引っ張り込み、金属細線１０を移動させる手段である。一方、案内キャプスタン３１は、金属細線１０をガイドして送り出す手段である。
ダイス４０〜４７は、金属細線１０を縮径するための手段である。ダイス４０〜４７は、入口側から出口側に向けて径が小さくなる形状を有しており、金属細線１０を挿通させることにより、縮径することができる。ダイス４０〜４７は、順に径が小さくなり、複数のダイス４０〜４７を通過することにより、金属細線１０は段階的に縮径化する。上述のように、図１に示す伸線工程は、最終伸線工程であってもよく、その場合には、最終ダイス４７を通過した金属細線１０は、最終製品であるボンディングワイヤの最終径に縮径される。
伸線工程においては、金属細線１０が複数のダイス４０〜４７を引き抜かれるようにして通過するため、金属細線１０の表面に潤滑剤が塗られている。かかる潤滑剤は、伸線工程においては必要なものであるが、最終製品のボンディングワイヤでは除去されるべきものである。特に、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤにおいては、表面に油分が残っていると、ワイヤボンディングの際に、ボールが電極からはみ出すという問題を生じる。
水洗ユニット９０は、金属細線１０の表面を水６０により洗浄し、金属細線１０の表面に存在する有機物、つまり油分を除去するための洗浄手段である。上述のように、伸線工程を経た金属細線１０は、表面に潤滑剤が付着しているため、水洗ユニット９０は、潤滑剤を含めた有機物を除去する。図１に示すように、洗浄ユニット９０は、最終ダイス４７と巻き取り用のスプール２１との間に設けられ、最終ダイス４７による伸線加工が終了した金属細線１０の有機物を除去するように構成される。水洗ユニット９０は、洗浄槽５０内にノズル７０から供給された水６０が満たされ、水６０の内部を金属細線１０が通過することにより連続的に洗浄されるが、水洗ユニット９０及びこれによる水洗の詳細は後述する。
図２は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程の一例を示した図である。図２において、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程に用いるアニール装置１４０が示されている。アニール装置１４０は、スプール２１、２２と、超音波洗浄ユニット９１と、ガイドローラ１１０、１１１と、アニール炉１２０と、プラズマ照射装置１３０とを備える。また、超音波洗浄ユニット９１は、洗浄槽５１と、ノズル７１と、超音波発振器８０とを備え、洗浄槽５１の内部には、ノズル７１から供給された水６１が満たされている。
なお、本アニール工程も、ボンディングワイヤの製造工程中の種々のアニール工程に適用することができるが、例えば、最終アニール工程に適用してもよい。
スプール２１、２２は、図１で説明したスプール２０、２１と同様であり、スプール２１は巻き出し用スプールであり、スプール２２は巻き取り用スプールである。なお、スプール２１は、伸線工程で伸線加工された金属細線１０を巻き取ったスプール２１が、そのままアニール装置１４０に搬送されて用いられているので、同一の参照符号を付している。このように、伸線工程とアニール工程は連続的に行われる。
超音波洗浄ユニット９１は、伸線加工され、水洗ユニット９０で水洗された金属細線１０を更に洗浄するための洗浄手段である。超音波洗浄ユニット９１は、アニール炉１２０の前に設けられているので、実質的には、水洗ユニット９０による水洗と連続して金属細線１０の洗浄を行うことになる。
超音波洗浄ユニット９１は、洗浄槽５１にノズル７１から供給された水６１が満たされ、水６１の中を連続的に金属細線１０が通過することにより金属細線１０の表面が洗浄され、表面の有機物を除去しようとする点では水洗ユニット９０と同様であるが、洗浄槽５１の内部に超音波発振器８０が設置され、超音波発振器８０から発振された超音波振動を利用して金属細線１０の洗浄を行う点で、水洗ユニット９０と異なっている。なお、超音波洗浄ユニット９１による超音波洗浄の内容の詳細は、後述する。
ガイドローラ１１０、１１１は、金属細線１０の移動方向をガイドするためにローラであり、アニール炉１２０の前にガイドローラ１１０、アニール炉１２０の後にガイドローラ１１１がそれぞれ設けられており、アニール炉１２０の前後で金属細線１０をガイドしている。
アニール炉１２０は、伸線加工された金属細線１０をアニールするための加熱炉（焼鈍炉）である。アニール炉１２０は、円筒形状を有し、円筒内を通過する金属細線１０を外周面から加熱する。本アニール工程が最終アニール工程の場合には、アニール炉１２０を金属細線１０が通過し、アニール工程を終了することにより、本実施形態に係るボンディングワイヤが完成する。なお、アニール工程は焼鈍工程と呼んでもよい。
プラズマ照射装置１３０は、アニールされた金属細線１０に大気圧プラズマを照射し、プラズマ洗浄を行うための洗浄手段である。プラズマ照射装置１３０は、アニール炉１２０の後に設けられ、アニールされてほぼボンディングワイヤとして完成した金属細線１０に、最後の洗浄を行う。なお、プラズマ照射装置１３０及びプラズマ照射装置１３０を用いたプラズマ洗浄の詳細については、後述する。
次に、図３〜図５を用いて、水洗ユニット９０、超音波洗浄ユニット９１及びプラズマ洗浄装置１２０の詳細と、これらによる洗浄処理の詳細について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程で用いられる水洗ユニット９０の構成を示した拡大図である。
図３において、水洗ユニット９０は、洗浄槽５０より上方にノズル７０が配置され、ノズル７０から供給された水６０を蓄えている。なお、供給する水６０は、純水を用いるようにしてよい。水洗ユニット９０は、上述のように、最終ダイス４７の後であって、巻き取り用のスプール２１の前に設置されている。そして、水６０が満たされた洗浄槽５０を貫くように、水６０中を金属細線１０が通過している。金属細線１０がスプール２１に巻き取られることにより、連続的に金属細線１０が水６０内を通過して洗浄される。伸線工程においては、金属細線１０の表面に潤滑剤が塗布されているが、最終ダイス４７を通過したすぐ後に水洗ユニット９０で水洗し、潤滑剤を可能な限り除去した状態で巻き取り用のスプール２１に金属細線１０を巻き取る構成としている。
なお、水６０は、潤滑剤を除去するとともに、表面の有機物を除去できる適切な温度に設定されてよいが、例えば、４５〜６０℃の温度に設定されてもよい。
水６０の供給は、金属細線１０が存在し、洗浄を行っている場合には、連続的に供給されることが好ましい。金属細線１０の進行方向にある洗浄槽５０の側面は、例えば、金属細線１０が通過できるような溝が形成されていてもよく、水６０をノズル７０から供給してオーバーフローさせながら金属細線１０を水洗するようにしてもよい。
このように、最終ダイス４７と巻き取り用のスプール２１との間に水洗ユニット９０を設置し、連続的に金属細線１０を水６０に浸漬して洗浄することにより、伸線工程における潤滑剤を含む有機物を効率よく除去できる。
図４は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程で用いられる超音波洗浄ユニット９１の構成を示した拡大図である。
図４において、巻き出し用のスプール２１とアニール炉１２０との間に超音波洗浄ユニット９１が設けられている。超音波洗浄ユニット９１は、洗浄槽５１よりも上方にノズル７１が設けられ、ノズル７１から供給された水６１で洗浄槽５１が満たされている。洗浄槽５１の内部、例えば洗浄槽５１の底面上には超音波発振器８０が設けられ、超音波振動を水６１に加えることができるように構成されている。そして、金属細線１０が、水６１中を通り、水６１内に浸漬した状態で、超音波振動を印加されながら洗浄される。金属細線１０は、スプール２１から巻き出され、アニール炉１２０を通過する前に超音波洗浄ユニット９１を通り、超音波を受けながら水中で連続的に洗浄されることになる。超音波の印加により、水６１に振動が与えられるので、水洗ユニット９０よりも効果的に表面の有機物を除去することができると考えられる。
なお、水６１は、表面の潤滑剤を含む有機物を除去できる適切な温度に設定されてよいが、例えば、４５〜６０℃の温度に設定されてもよい。
また、金属細線１０の進行方向にある側面には、金属細線１０が通過できる溝が形成され、洗浄槽５１のノズル７１から供給される水がオーバーフローにより供給されてよい点は、水洗ユニット９０と同様である。また、水洗ユニット９０による水洗と、超音波洗浄ユニット９１による超音波洗浄が、実質的に連続する洗浄となることは、図１及び図２において説明した通りである。水洗と超音波洗浄の処理を連続させることにより、水洗による粗洗浄と超音波洗浄によるよりきめ細かい洗浄の２段階洗浄となり、伸線加工された金属細線１０の表面を効果的に洗浄することができ、潤滑剤を含む表面の有機物を効果的に除去することができる。
図５は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法のアニール工程で用いられるプラズマ照射装置１３０の一例を示した図である。
プラズマ照射装置１３０は、アニール炉１２０を通過してアニールされた金属細線１０に大気圧プラズマＰを照射し、金属細線１０の表面をプラズマ洗浄し、表面に残存する有機物を除去するための洗浄手段である。プラズマ洗浄装置１２０は、大気圧下でプラズマＰを生成して金属細線１０に照射し、イオン化されているプラズマが金属細線１０の表面に衝突して表面にある有機物を吸引した状態で反射し、金属細線１０の表面の有機物を除去する。
プラズマ照射装置１３０は、アニール炉１２０よりも後段であれば、種々の位置に配置してよいが、図５に示すように、例えば、巻き取り用のスプール２２に対向して設けられ、スプール２２で巻き取った金属細線１０にプラズマＰを照射するようにしてもよい。スプール２２には、アニールされた直後の金属細線１０の箇所だけでなく、アニールされてスプール２２に既に巻き取られた金属細線１０も隣接して存在するので、アニールされた直後の金属細線１０と、既にスプール２２に巻き取られた金属細線１０に継続的にプラズマＰを照射することができ、効果的にプラズマ洗浄を行うことができる。なお、十分な洗浄効果が得られる場合には、アニール炉１２０とスプール２２との間の金属細線１０が１本でピンと張った状態の箇所にプラズマＰを照射してもよい。
プラズマ照射装置１３０によるプラズマ洗浄は、水洗ユニット９０及び超音波洗浄ユニット９１による水洗及び超音波洗浄よりも、有機物を除去する洗浄効果は高いと考えられる。よって、洗浄効果が十分であれば、水洗ユニット９０及び超音波洗浄ユニット９１を設けず、プラズマ照射装置１３０のみを設けるようにしてもよい。又は、水洗ユニット９０と超音波洗浄ユニット９１のいずれか一方のみと、プラズマ照射装置１３０の組み合わせで設置するようにしてもよい。水洗ユニット９０、超音波洗浄ユニット９１及びプラズマ照射装置１３０をいかに組み合わせるかは、用途に応じて種々定めることができる。但し、最大の洗浄効果を得るためには、伸線工程において、伸線加工が行われた金属細線１０を水洗ユニット９０にて水洗し、更にアニール工程において、アニール前の金属細線１０を超音波洗浄ユニット９１にて超音波洗浄する処理を行うことが好ましい。
このように、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法においては、伸線工程とアニール工程において効果的な洗浄を導入することにより、表面の有機物が除去され、ワイヤボンディング時に電極内にボールが収まるボンディングワイヤを製造することができる。
次に、本実施例に係るボンディングワイヤの製造方法の実施結果について説明する。本実施例においては、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法によって製造された直径２０．０μｍの本実施例に係るパラジウム被覆銅ボンディングワイヤと、従来製法で得られた直径２０．０μｍの比較例に係るパラジウム被覆銅ボンディングワイヤを用いてボンディングを行い、電極に接合されたボールの直径のバラツキについて、比較を実施した。なお、測定は、ボンディングワイヤ自動測定装置で行い、対象とするボールは、本実施例及び比較例に１３４４個のボールで実施した。
表１は、本実施例に係るボンィングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤと比較例に係るボンィングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤとのボンディングボールバラツキ比較結果を示す。
表１において、本実施例及び比較例とも、１３４４個のボールについてボールの直径を測定し、その平均等を算出した。まず、ボール直径の平均は、本実施例による製法では４３．１１μｍ、比較例による製法では４２．８７μｍで、大きな差は無かった。
標準偏差は、本実施例に係る製法が０．７３、比較例に係る製法が１．０６であり、本実施例による製法の方が、ボール径のバラツキが小さいことが確認できた。
工程能力係数Ｃｐｋについては、上限規格置を直径４７μｍ、下限規格値を直径３９μｍとして計算した。なお、工程能力指数Ｃｐｋは、
Ｃｐｕ＝（上限規格値−平均値）／３σ
Ｃｐｌ＝（下限規格値−平均値）／３σ
とし、ＣｐｕとＣｐｌの小さい方をＣｐｋとしている。ここで、σは標準偏差を示している。
表１に示すように、工程能力指数Ｃｐｋは、本実施例に係る製法がＣｐｋ＝１．７８で１．３３を超えており、工程能力があることが示されている。一方、比較例に係る製法は、Ｃｐｋ＝１．２１となっており、１．３３を下回り、工程能力があるとは言えない結果となった。
図６は、本実施例に係る製法により製造されたパラジウム被覆銅ボンディングワイヤと比較例に係る製法により製造されたパラジウム被覆銅ボンディングワイヤのボール径のヒストグラム及び正規分布を示した図である。
図６に示すように、本実施例に係る製法により製造されたパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの方が、比較例に係る製法により製造されたパラジウム被覆銅ボンディングワイヤよりも、ヒストグラム及び正規分布とも幅が狭くなっており、ボール径のバラツキが小さくなっていることが示されている。
このように、本実施例に係るボンディングワイヤの製法で製造されたボンディングワイヤは、比較例に係るボンディングワイヤの製法に比較してボンディングボールのバラツキを低減させ安定したボンディングボールを得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
本発明は、半導体実装に用いられるボンディングワイヤに利用することができる。
１０ 金属細線
２０、２１、２２ スプール
３０ 駆動キャプスタン
３１ 案内キャプスタン
４０〜４７ ダイス
５０、５１ 洗浄槽
６０、６１ 水
７０、７１ ノズル
８０ 超音波発振器
９０ 水洗ユニット
９１ 超音波洗浄ユニット
１００ 伸線機
１１０、１１１ ガイドローラ
１２０ アニール炉
１３０ プラズマ照射装置
１４０ アニール装置

Claims (9)

  1. 複数のダイスを通過させて金属細線を所定の線径まで伸線加工する伸線工程と、アニール炉を通過させて伸線加工された前記金属細線をアニールするアニール工程とを有するボンディングワイヤの製造方法であって、
    前記アニール工程において、アニール後の前記金属細線に大気圧プラズマを照射して前記金属細線の表面を洗浄することを特徴とするボンディングワイヤの製造方法。
  2. 前記大気圧プラズマの照射は、アニール後の前記金属細線を前記スプールに巻き取る際に行われる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の製造方法。
  3. 伸線加工された前記金属細線をアニールする前に、水で超音波洗浄が行われ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の製造方法。
  4. 前記水の温度は、４５℃〜６０℃であることを特徴とする請求項３に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  5. 前記超音波洗浄は、前記アニール炉の前に浴槽を設けて行われることを特徴とする請求項３又は４に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  6. 前記伸線工程において、前記金属細線が最終ダイスを通過した後に、４５℃〜６０℃の水で水洗が行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  7. 前記水洗は、前記最終ダイスの後に浴槽を設けて行われる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。
  8. 前記伸線工程は、前記金属細線を最終線径まで伸線する最終伸線工程であり、
    前記アニール工程は、最終アニール工程であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  9. 前記金属細線は、銅を主成分とする芯材の周囲に、パラジウムを主成分とする被覆層を形成したパラジウム被覆銅ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のボンディングワイヤの製造方法。
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