JP2014073529A

JP2014073529A - 合金ワイヤ

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Publication number: JP2014073529A
Application number: JP2013223041A
Authority: JP
Inventors: Junde Li; 俊徳李
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-04-24
Also published as: JP2010167490A; TW201028240A

Abstract

【課題】純金からなるボンディングワイヤと同一の機能を有する上、コストを大幅に低減できる合金ワイヤを提供する。
【解決手段】
主材料である純銀を準備するステップと、主材料を真空溶解炉中に入れ、真空溶解炉中に副材料である純パラジウムを純銀と異なる比率で配合した後、混合溶解して銀パラジウム合金溶融金属を製造するステップと、銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、銀パラジウム合金線材に伸線するステップと、銀パラジウム合金線材を所定の直径の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線するステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディングワイヤに関し、特に、半導体素子を封止する工程に使用される合金ワイヤの製造方法およびその製品に関する。

半導体素子を封止する工程においては、通常、ボンディングワイヤがチップと回路基板とに接続される。ボンディングワイヤは、チップと回路基板とに接続されることにより、チップと回路基板との間の信号および電流の伝送経路となる。

一般に、ボンディングワイヤの耐荷重強度、延性、可撓性、融点、導電性、硬度、ＩＣチップを半田接続する能力などの主な特性は、ボンディングワイヤの材料と関連性がある。また、上述の特性は、半導体素子の寿命および安定性に影響を及ぼす。また、チップおよび回路基板に応じ、使用されるボンディングワイヤの規格は異なる。

従来のボンディングワイヤは、純金からなる。純金からなるボンディングワイヤは、優れた延性、導電性などの物理的性質を有する。しかし、純金からなるボンディングワイヤは、コストが高いため、半導体素子全体のコストが高くなってしまう。

上述の問題に鑑み、本発明が主に解決しようとする課題は、純金からなるボンディングワイヤと同一の機能を有する上、材料コストを大幅に低減できるボンディングワイヤを開発し、ユーザの選択肢を増やすことである。

特願平９−５２４７０号公報

本発明の目的は、銀とパラジウムとを配合して製造することにより、純金からなるボンディングワイヤと同一の機能を有する上、コストを低減できる合金ワイヤを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、合金ワイヤの製造方法を提供するものである。合金ワイヤの製造方法は、主材料である純銀を準備するステップと、主材料を真空溶解炉中に入れ、真空溶解炉中に副材料である純パラジウムを純銀と異なる比率で配合した後、混合溶解して銀パラジウム合金溶融金属を製造するステップと、銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、銀パラジウム合金線材に伸線するステップと、銀パラジウム合金線材を所定の直径の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線するステップと、を含む。

また、本発明では、上述の方法によって製造される合金ワイヤを提供する。合金ワイヤは、組成成分として、主に、９４．１重量％〜９８．５重量％の銀と、１．５重量％〜５．９重量％のパラジウムと、を含む。

本発明による合金ワイヤは、銀とパラジウムとが配合されて製造されることにより、純金からなるボンディングワイヤと同一の機能を有する上、コストを大幅に低減できた。

本発明の一実施形態による合金ワイヤの製造方法を示す流れ図である。図１の細部を示す流れ図である。本発明の合金ワイヤにおける長手方向の縦断面図である。本発明の合金ワイヤ構造における細長い結晶およびアニール双晶の画像を示す。従来の合金ワイヤ構造における一般的な結晶粒の画像を示す。本発明の合金ワイヤと従来の合金ワイヤを６００℃の環境に放置した後の両合金ワイヤの結晶粒の違いを示す。

本発明の目的、特徴および効果を示す実施形態を図面に沿って詳細に説明する。

図１および図２を参照する。図１は、本発明の一実施形態による合金ワイヤの製造方法を示す流れ図である。図２は、図１の細部を示す流れ図である。図１および図２に示すように、本発明の一実施形態による合金ワイヤの製造方法は、先ず、ステップ１００を行う。ステップ１００において、主材料である銀を準備する。

次に、ステップ１０２を行う。ステップ１０２において、主材料である銀を真空溶解炉に入れ（ステップ１０２ａ）、真空溶解炉中に副材料であるパラジウム（Ｐｄ）を加え、混合溶解し（ステップ１０２ｂ）、銀パラジウム合金溶融金属を製造する（ステップ１０２ｃ）。銀パラジウム合金溶融金属は、組成成分として、９４．１重量％〜９８．５重量％の銀と、１．５重量％〜５．９重量％のパラジウムと、を含む。

その後、銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、直径が４mm〜８ｍｍである銀パラジウム合金線材に伸線する（ステップ１０２ｄ）。次に、巻取装置により、銀パラジウム合金線材を巻き取る（ステップ１０２ｅ）。また、銀パラジウム合金線材の成分分析を行い（ステップ１０２ｆ）、成分比率が許容範囲内であるか否かを判断する。

次に、ステップ１０４を行う。ステップ１０４において、鋳造が完了した銀パラジウム合金線材を伸線する。直径が４mm〜８ｍｍであった銀パラジウム合金線材を第１の粗伸線機により、直径３ｍｍまたは３ｍｍ以下に伸線する（ステップ１０４ａ）。次に、第２の粗伸線機により、直径１．００ｍｍまたは１．００ｍｍ以下に伸線する（ステップ１０４ｂ）。次に、第１の細伸線機により、０．５０ｍｍまたは０．５０ｍｍ以下に伸線する（ステップ１０４ｃ）。その後、０．５０ｍｍまたは０．５０ｍｍ以下の銀パラジウム合金線材を順番に、第２の細伸線機による伸線（ステップ１０４ｄ）と、極細伸線機による伸線（ステップ１０４ｅ）と、超極細伸線機による伸線（ステップ１０４ｆ）と、により、直径が０．０５０８ｍｍ（２．００ｍｉｌ）から０．０１０ｍｍ（０．４０ｍｉｌ）の範囲の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線する。

次に、ステップ１０６を行う。ステップ１０６において、銀パラジウム合金ボンディングワイヤの表面を洗浄する。

次に、ステップ１０８を行う。ステップ１０８において、伸線が完了した銀パラジウム合金ボンディングワイヤの熱乾燥処理および焼なまし処理を行うことにより、銀パラジウム合金ボンディングワイヤの破断荷重（ＢｒｅａｋｉｎｇＬｏａｄ）、破断伸び（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）などの物理的性質を所定の範囲内にする。

本願の方法により製造した銀パラジウム合金線は、細長い結晶粒およびアニール双晶を含む結晶粒を同時に有することができ、そのアニール双晶を含む結晶粒の数量は、該合金線材の全結晶粒数量の２０％以上である。本願の方法により製造した銀パラジウム合金は、細長い結晶粒およびアニール双晶を含む結晶粒が同時に存在することができるため、比較的高い抗張力、靭性および展延性、比較的低い硬度、比較的良好な導電性および導熱性、比較的良好な抗酸化性および耐腐食性と、比較的強いエレクトロマイグレーション抵抗性を有し、特に線材接合の際、HAZがほとんど生じることがない利点を有する。周知のワイヤボンディング金属線材の内部組織はいずれも微粒子であり、これは十分な強度および展延性を提供することができるが、微粒子自体に大量の高角粒界（ＨｉｇｈＡｎｇｌｅＧｒａｉｎＢｏｕｎｄａｒｙ）が存在し、これらの高角粒界は電子の転送を阻害し、それにより線材の抵抗率が高くなる。この他、電気抵抗の上昇により温度が上昇し、線材に電流を流すと容易に焼けることになり、その信頼性に影響を及ぼす。一方で、大量の高角粒界は線材の硫化による腐食、破壊を加速させ、線材の導電性および信頼性を低下させる。これに対して、本発明の実施例において提供した合金線材は等軸粗大粒子を有するため、高角粒界の形成を抑制し、合金線材の抵抗率を低下させる。この他、大量のアニール双晶構造は材料強度を向上させることができ、そのために信頼性も向上させることができる。

アニール双晶構造の形成については、冷間加工時、材料内部に歪み（Ｓｔｒａｉｎ）が蓄積し、これらの歪みが、後で行うアニール処理時に部分領域の原子が均等に切断（Shear)されるように駆動し、これが存在する結晶粒内部のまだ切られてない原子と相互に鏡面対称を形成する結晶粒格子を形成するが、これがすなわちアニール双晶の結晶粒（ＡｎｎｅａｌｉｎｇＴｗｉｎ）であり、その相対称の界面が双晶境界（ＴｗｉｎＢｏｕｎｄａｒｙ）である。アニール双晶は格子配列が最も密な面心立方（ＦａｃｅＣｅｎｔｅｒｅｄＣｕｂｉｃ、ＦＣＣ）結晶材料で主に生じ、その双晶境界は低エネルギーのΣ３特殊双晶境界であり、結晶方位はいずれも｛１１１｝面である。一般のアニールによる再結晶（Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）で形成される高角粒界（ＨｉｇｈＡｎｇｌｅＧｒａｉｎＢｏｕｎｄａｒｙ）と比較して、双晶境界の界面エネルギーは、高角粒界の約５％しかない。この他、一般的に述べると、積層欠陥エネルギー（ＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔＥｎｅｒｇｙ）が小さい材料ほど、アニール双晶が生じやすく、金、銀、パラジウム合金元素の積層欠陥エネルギーは、いずれも約５０ｅｒｇ／ｃｍ^２以下であるため、アニール双晶が形成されやすい。すなわち、あらゆる金属が双晶構造を容易に形成することができるわけではない。例えば、アルミニウムは面心立方結晶構造材料であるが、その積層欠陥エネルギーが２００ｅｒｇ／ｃｍ^２であるため、アニール双晶の発生は極めて少量である。

冷間加工生成ステップもアニール双晶構造を形成する要因の１つである。十分な冷間加工による変形量が累積した歪みは、原子駆動力を提供することができ、アニール双晶を生成するようにする。しかし、冷間加工による変形量が大きすぎる場合、アニール熱処理の一次再結晶（ＰｒｉｍａｒｙＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）の段階で、多数の結晶粒の核生成（ＮｕｃｌｅｉｏｆＲｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｄＧｒａｉｎ）が引き起こされ、そのため大量の微粒子が形成され、アニール双晶が生じる機会が低下する。

細長い結晶粒および双晶組織構造を同時に有するＡｇ−Ｐｄ合金線材を製造するため、特に連続製造で合金熔錬するとき、迅速にアニールを行わなければならず、したがって、その各成型段階のアニール速度および時間を制御しなければならない。例えば、高温溶融状態（約１２００℃）から室温（約２５℃）までアニールするのに必要な時間を０．３〜５秒に制御する。これ以外に、後に続くアニール熱処理時に十分な歪みで細長い結晶およびアニール双晶を形成するために、最後の１回の線引過程で十分な冷間加工による変形量を例えば３０％〜７０％にする必要がある。しかし、この最後の冷間加工による変形量も高くし過ぎることはできず、多くが再結晶核生成に至る。この他、適当なアニール温度およびアニール時間を制御しなければならない。この特定の条件の下、大部分の結晶粒の内部にアニール双晶境界が含有され、これらの低エネルギーの双晶境界は、一般的な周知の微細結晶粒組織線材に含有される大量の高角粒界より遥かに安定しており、そのため上記の利点を示すことができる。

図３は、本発明の合金ワイヤにおける長手方向の縦断面図である。図３に示すように、合金線材１０のおおよその中心位置に細長い結晶１８を有し、要素の番号１２、１４および１６はそれぞれ等軸結晶粒、高角粒界およびアニール双晶を表す。続いて、本案製造方法の銀パラジウム合金線の線材構造および周知方法による製造の違いを比較する。図４および図５を参照されたい。図４は、本発明の合金ワイヤ構造における細長い結晶およびアニール双晶の画像を示す。図５は、従来の合金ワイヤ構造における一般的な結晶粒の画像を示す。図４に示すように、本案の製造方法により製造した合金線材の構造において、細長い結晶粒（ｓｌｅｎｄｅｒｇｒａｉｎ）および大量のアニール双晶を含む結晶粒を同時に有することができ、線材の中心は細長い結晶粒である。図５に示すように、従来の製造方法により製造した合金線材の線材構造において、線材の中心に細長い結晶粒はなく、アニール双晶を含む結晶粒も存在しない。

上述の本発明の一実施形態による合金ワイヤは、ＩＣ、ＬＥＤおよびＳＡＷを封止する工程におけるボンディングワイヤとして使用することができる。

以下に複数の実施例を示し、本発明の詳細な説明を行う。

主材料である銀を真空溶解炉に入れて溶解し、真空溶解炉中に副材料であるパラジウムを加えることにより、銀パラジウム合金溶融金属を製造した。銀パラジウム合金溶融金属は、組成成分として、９８．５重量％の銀と、１．５重量％のパラジウムと、を含んだ。

銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、直径４mmの銀パラジウム合金線材に伸線した。巻取装置により、銀パラジウム合金線材を巻き取り、銀パラジウム合金線材の成分分析を行った。

鋳造が完了した銀パラジウム合金線材を伸線した。直径が４ｍｍであった銀パラジウム合金線材を第１の粗伸線機により、直径３ｍｍに伸線した。次に、第２の粗伸線機により、直径１．０ｍｍに伸線した。次に、第１の細伸線機により、０．１８ｍｍに伸線した。その後、直径０．１８ｍｍの銀パラジウム合金線材を順番に、第２の細伸線機による伸線と、極細伸線機による伸線と、超極細伸線機による伸線と、により、直径が０．０５０ｍｍから０．０１０ｍｍの範囲の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線した。

最後に、伸線が完了した銀パラジウム合金ボンディングワイヤの表面を洗浄し、熱乾燥処理および焼なまし処理を行った。

主材料である銀を真空溶解炉に入れて溶解し、真空溶解炉中に副材料であるパラジウムを加えることにより、銀パラジウム合金溶融金属を製造した。銀パラジウム合金溶融金属は、組成成分として、９６．０重量％の銀と、４．０重量％のパラジウムと、を含んだ。

銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、直径６mmの銀パラジウム合金線材に伸線した。巻取装置により、銀パラジウム合金線材を巻き取り、銀パラジウム合金線材の成分分析を行った。

鋳造が完了した銀パラジウム合金線材を伸線した。直径が６ｍｍであった銀パラジウム合金線材を第１の粗伸線機により、直径３ｍｍに伸線した。次に、第２の粗伸線機により、直径１．０ｍｍに伸線した。次に、第１の細伸線機により、０．１８ｍｍに伸線した。その後、直径０．１８ｍｍの銀パラジウム合金線材を順番に、第２の細伸線機による伸線と、極細伸線機による伸線と、超極細伸線機による伸線と、により、直径が０．０５０ｍｍから０．０１０ｍｍの範囲の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線した。

主材料である銀を真空溶解炉に入れて溶解し、真空溶解炉中に副材料であるパラジウムを加えることにより、銀パラジウム合金溶融金属を製造した。銀パラジウム合金溶融金属は、組成成分として、９４．１重量％の銀と、５．９重量％のパラジウムと、を含んだ。

銀パラジウム合金溶融金属を連続鋳造し、直径８mmの銀パラジウム合金線材に伸線した。巻取装置により、銀パラジウム合金線材を巻き取り、銀パラジウム合金線材の成分分析を行った。

鋳造が完了した銀パラジウム合金線材を伸線した。直径が８ｍｍであった銀パラジウム合金線材を第１の粗伸線機により、直径２ｍｍに伸線した。次に、第２の粗伸線機により、直径１．０ｍｍに伸線した。次に、第１の細伸線機により、０．１８ｍｍに伸線した。その後、直径０．１８ｍｍの銀パラジウム合金線材を順番に、第２の細伸線機による伸線と、極細伸線機による伸線と、超極細伸線機による伸線と、により、直径が０．０５０ｍｍから０．０１０ｍｍの範囲の銀パラジウム合金ボンディングワイヤに伸線した。

本願の方法により製造した銀パラジウム合金は、細長い結晶粒およびアニール双晶を含む結晶粒が同時に存在することができるため、比較的高い抗張力、靭性および展延性、比較的低い硬度、比較的良好な導電性および導熱性、比較的良好な抗酸化性および耐腐食性と、比較的強いエレクトロマイグレーション抵抗性を有し、特に線材接合の際、HAZがほとんど生じることがない利点を有する。（詳細は表１の通り）。

表１で本願および周知の製造方法による銀パラジウム合金線の特性の違いを比較する。合金組成がＡｇ−４％Ｐｄ、線径が０．８ｍｉｌの銀パラジウム合金線を例とする。

次に、熱安定性の比較に関して、ワイヤ径が17.5 μmのAg-4%Pd及び4N Auを600℃の環境に異なる時間放置した後、FIB (Focused Ion Beam) を利用して線材をカットし、高倍率の電子顕微鏡で結晶粒の変化を観察した。その結果、Ag-4%Pdが600℃、180分の環境においても結晶粒の大きさにはあまり変化がなく、大量のアニール双晶が存在することから、熱安定性が比較的良好であることが分かる。一方、4N Auワイヤは高温での結晶粒の成長が非常に早く、熱安定性があまり良くない。結晶粒が大きければ結晶粒界｛（けっしょう）りゅうかい｝エネルギーも大きくなるため、電気抵抗値が大きくなり、同一条件の電流でワイヤは比較的容易に折損するため寿命が短い。信頼性テスト時に、線材結晶粒の変化の重要性が判明する。なぜならば、信頼性テストは高温、高湿及び電流の厳しい環境で行うため、線材の結晶粒の大きさの変化を容易に招くことから、線材の良・不良が判断できる。図６に本発明の合金ワイヤと従来の合金ワイヤを６００℃の環境に放置した後の両合金ワイヤの結晶粒の違いを示す。

上述のように、本発明の合金ワイヤは、銀とパラジウムとを配合して製造された銀パラジウム合金ボンディングワイヤであり、純金からなるボンディングワイヤと同一の機能を有する上、コストを大幅に低減できた。

上述の詳細な説明は、本発明の実施形態および実施例を示すものであり、本発明の実施範囲を限定するものではない。本発明の特許請求の範囲に基づく変更および修飾は、全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１０合金線材
１２等軸結晶粒
１４高角粒界
１６アニール双晶
１８細長い結晶粒
１００〜１０８ステップ
１０２ａ〜１０２ｆステップ
１０４ａ〜１０４ｆステップ

Claims

組成成分として、９４．１〜９８．５重量％の銀成分と、１．５〜５．９重量％のパラジウム成分とを含み、合金溶融金属から連続鋳造され、さらに伸線して形成される合金ワイヤ。
前記合金ワイヤが、細長い結晶粒およびアニール双晶を含む結晶粒を有し、さらにそのアニール双晶を含む結晶粒の数量が、前記合金ワイヤの全結晶粒数量の２０％以上である、請求項１に記載の合金ワイヤ。
伸線の最後の１回の線引における、冷間加工による変形量が３０％〜７０％である、請求項１に記載の合金ワイヤ。
前記合金ワイヤの形成がさらにアニールステップを含み、１２００℃から２５℃まで焼なましを行うのに必要な時間が０．３〜５秒に制御される、請求項１に記載の合金ワイヤ。