JP2014082368A - ボンディングワイヤ - Google Patents

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bonding wire
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Takashi Yamada
隆 山田
Taizo Oda
大造 小田
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Nippon Micrometal Corp
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Abstract

【課題】Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤにおいて、ダイスを用いた伸線時に削れによる摩耗粉を発生させることなく、さらに安価なボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａとを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属はＲｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とするボンディングワイヤ。これら金属を用いた被覆層Ａ形成により、安価に製造でき、ダイスを用いた伸線時にワイヤ削れによる摩耗粉を発生させることがない。被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなる。被覆層Ｂを有することにより、ダイス摩耗を防止しワイヤボンディング時の接合強度を向上させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤに関するものである。
半導体装置では、半導体素子上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤによって接続している。ボンディングワイヤの芯材に用いる材質として、超ＬＳＩなどの集積回路半導体装置では金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が用いられ、一方でパワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、３００μｍφのアルミニウムワイヤを用いる例が示されている。また、アルミニウムワイヤを用いたパワー半導体装置において、ボンディング方法としては、半導体素子上電極との接続とリードフレームや基板上の電極との接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。
特許文献２には、金被覆アルミニウムボンディングワイヤの製造方法が記載されている。アルミニウムボンディングワイヤに０．１〜３μｍの厚さで金被覆することにより、コストの安い樹脂パッケージにも適用することができ、アルミニウムワイヤであるにもかかわらずボールボンディングが可能になるとしている。
集積回路半導体装置に用いるボンディングワイヤとして、銅を芯線とするボンディングワイヤが用いられている。銅ボンディングワイヤの表面酸化を防ぐため、銅芯線の表面に金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタンなどの貴金属や耐食性金属からなる被覆層を形成したボンディングワイヤが提案されている（特許文献３）。さらに特許文献４では、芯材よりも高融点の金属を被覆層とし、被覆層のビッカース硬度が３００以下であるボンディングワイヤが提案されている。これにより、被覆層が高融点金属であっても、伸線時のダイス摩耗などを防止できるとしている。芯線素材として銅と銀が挙げられ、被覆層金属として白金、パラジウム、ニッケルが挙げられている。
特開２００２−３１４０３８号公報 特開平８−２４１９０７号公報 特開昭６２−９７３６０号公報 特開２００５−１６７０２０号公報
ボンディングワイヤを製造するに際しては、ダイスを用いた伸線処理が行われる。Ａｌ又はＡｌ合金ボンディングワイヤについても同様である。Ａｌ又はＡｌ合金ボンディングワイヤをダイスを用いて伸線する際、Ａｌ、Ａｌ合金は軟質であるため、ダイスによる摩耗でアルミニウムの摩耗粉が発生する。この摩耗粉が原因で、それ以降に伸線されるワイヤ表面に疵を発生させたり、軸上偏芯等の問題があった。特許文献２に記載のように、Ａｌワイヤの表面にＡｕを被覆することにより、ＡｕはＡｌよりも硬質であるため、伸線時の摩耗粉発生を防止することができる。ただし、特許文献２では高価な金を０．１〜３μｍの厚さで被覆しており、コストアップを免れない。
本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤにおいて、ダイスを用いた伸線時にワイヤ削れによる摩耗粉を発生させることなく、安価なボンディングワイヤを提供することを目的とする。
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａとを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属はＲｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とするボンディングワイヤ。
（２）前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする上記（１）に記載のボンディングワイヤ。
（３）線径が５０μｍ以上であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のボンディングワイヤ。
本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤにおいて、芯線を被覆する被覆層Ａを有し、被覆層Ａを構成する金属はＲｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする。これにより、ダイスを用いた伸線時に削れによる摩耗粉を発生させることなく、さらに安価なボンディングワイヤとすることができる。
金属被覆Ａｌボンディングワイヤの表面が軟らかすぎると、金属被覆を行ったとしても伸線時の摩耗粉発生を防止することができない。本発明では、Ａｌボンディングワイヤ表面の被覆金属について、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金であれば十分な硬度を有しており、伸線時の摩耗粉発生を防止できることを明らかにした。被覆層Ａは芯線の全周を覆っている。なお、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕのビッカース硬さは、それぞれ１２４６、４６１、３６９ＭＰａである。
ボンディングワイヤ製造時の熱処理により、被覆層Ａと芯線との境界には、被覆層Ａ金属と芯線金属との拡散領域が形成されることがある。拡散領域において、被覆層Ａ側から中心に向けて、被覆層Ａ金属含有量が漸減するとともに、芯線金属含有量が漸増する。本発明において、芯線金属含有量が５０ａｔ％となった位置を被覆層Ａと芯線との境界と定義する。
本発明のボンディングワイヤは、芯線としてＡｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有している。Ａｌを用いる場合、芯線のＡｌ含有量は９９．９質量％以上となる。Ａｌ合金を用いる場合、Ａｌ合金を用いる場合、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅなどの合金が使用され、Ａｌ合金の場合のＡｌ含有量は９０質量％以上である。
芯線を構成する含有成分は、上記Ａｌ又はＡｌ合金を構成する成分に加え、不可避不純物を含有している。さらに、芯線と被覆層Ａとの境界に上記拡散領域が形成されている場合には、芯線中の当該拡散領域において、芯線中には被覆層Ａの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
被覆層Ａを構成する含有成分は、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金であり、これに不可避不純物が含まれる。芯線と被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ａ中の当該拡散領域において、被覆層Ａ中には芯線の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
芯線を被覆する被覆層Ａの厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍとすると好ましい。被覆層Ａの厚さが薄すぎると、伸線時の摩耗粉発生防止効果を十分に発揮することができないが、１０ｎｍ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。また、被覆層Ａの厚さが厚すぎると高硬度被膜の場合は伸線ダイスの寿命が短くなるという問題が発生することがあるが、１０００ｎｍ以下であればこのような問題はさほど大きくない。
被覆層Ａとして用いる金属のうち、Ｒｈ、Ｐｄはビッカース硬さがそれぞれ１２４６ＭＰａ、４６１ＭＰａ程度と高硬度である。このため、これら金属又はそれらの合金で被覆したＡｌ芯線ワイヤをダイスによって伸線処理すると、ダイスの摩耗を助長する傾向が見られる。これに対し、本発明の金属被覆Ａｌ芯線ワイヤの被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなるボンディングワイヤにおいては、伸線時のダイス摩耗を比較的抑制できるがわかった。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのビッカース硬さは、それぞれ２１６、２５１、３６９ＭＰａ程度である。
また、Ｒｈ、Ｃｕ又はそれらの合金で被覆したＡｌ芯線ワイヤを用いて電極上にウェッジ接合を行ったとき、接合強度が合格基準ぎりぎりでの合格となることがわかった。これに対し、本発明の金属被覆Ａｌ芯線ワイヤの被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ又はそれらの合金の場合は、ウェッジ接合を行った接合部の接合強度が十分に高く保持されることがわかった。
即ち、本発明の好ましいボンディングワイヤは、前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする。被覆層Ｂは被覆層Ａの全周を覆っている。
ボンディングワイヤ製造時の熱処理により、被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界には、被覆層Ｂ金属と被覆層Ａ金属との拡散領域が形成されることがある。拡散領域において、被覆層Ｂ側から中心に向けて、被覆層Ｂ金属含有量が漸減するとともに、被覆層Ａ金属含有量が漸増する。本発明において、被覆層Ｂ金属含有量が５０ａｔ％となった位置を被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界と定義する。
被覆層Ｂを構成する含有成分は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金であり、これに不可避不純物が含まれる。被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ｂ中の当該拡散領域において、被覆層Ｂ中には被覆層Ａの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。同様に、被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ａ中の当該拡散領域において、被覆層Ａ中には被覆層Ｂの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
被覆層Ｂの厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍとすると好ましい。被覆層Ｂの厚さが薄すぎると、接合部の接合強度向上効果を十分に発揮することができないが、１ｎｍ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。また、被覆層Ｂの厚さが厚すぎるとめっき工程の生産性が悪くなり、高コストになるという問題が発生することがあるため、１００ｎｍ以下とすることが工業的に望ましい。
本発明のボンディングワイヤについては、半導体素子とボンディングワイヤを封止するモジュールが、真空または不活性ガスを封入したパッケージモジュールである場合には何ら問題なく使用することができる。一方、真空または不活性ガスを封入していない樹脂パッケージにおいては、高湿度の環境ではＡｌ芯線が酸化する可能性があるので注意を要する。
本発明のボンディングワイヤについては、線径が５０μｍ以上とすることが望ましい。これはパワーデバイスへ応用する場合、ＬＳＩに比して大電流に耐えうる必要があるが、ワイヤ径が細いと、高い発熱のため芯材のアルミニウムが再結晶化するなど、信頼性の問題を起こす可能性が高くなるためである。
本発明のワイヤの成分組成の評価方法について説明する。
被覆層Ｂ、被覆層Ａ、芯線及びそれらの境界部における拡散領域などの濃度分析について、ボンディングワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げていきながら分析する手法、あるいはワイヤ断面でのライン分析又は点分析等が有効である。前者は、外層が薄い場合に有効であるが、厚くなると測定時間がかかりすぎる。後者の断面での分析は、外層が厚い場合に有効であり、また、断面全体での濃度分布や、数箇所での再現性の確認等が比較的容易であることが利点であるが、外層が薄い場合には精度が低下する。ボンディングワイヤを斜め研磨して、拡散領域の厚さを拡大させて測定することも可能である。
断面では、ライン分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上したいときには、ライン分析の分析間隔を狭くするとか、界面近傍の観察したい領域に絞っての点分析を行うことも有効である。
これらの濃度分析に用いる解析装置では、電子線マイクロ分析法（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）、オージェ分光分析法（ＡＥＳ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、ＩＣＰ分析、ＩＣＰ質量分析等の利用することができる。特にＡＥＳ法は、空間分解能が高いことから、最表面の薄い領域の濃度分析に有効である。また、平均的な組成の調査等には、表面部から段階的に酸等で溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解部位の組成を求めること等も可能である。
その他、５０ｎｍよりも薄い中間層の厚さおよび組成を精度良く測定するためには、手間はかかるものの、中間層を含む薄膜試料を作製し、ＴＥＭによる観察および電子線回折などを利用することが有効である。
次に、本発明の半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法について説明する。
まず、芯線の組成にあわせ、高純度のＡｌ（純度９９．９９％以上）と添加元素原料を出発原料として秤量した後、これを高真空下もしくは窒素やＡｒ等の不活性雰囲気下で加熱して溶解することで、所定の成分を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物であるインゴットを得る。このインゴットを最終的に必要とする芯線の直径まで金属製のダイスを用いて伸線する。
芯線の表面に被覆層Ａを形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。その後、必要に応じて被覆層Ａの表面に被覆層Ｂを形成する。被覆層Ａの表面に更に被覆層Ｂを形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。芯線の表面に被覆層Ａ及び被覆層Ｂを被着する段階については、インゴットの段階で被着すると最も好ましいが、芯線の途中段階で所定の線径まで伸線し、ダイスによるＡｌ摩耗粉の発生が認められる前の段階で被着し、最終線径まで伸線することとしても良い。
ボンディングワイヤの原材料として、芯線に用いたＡｌ、被覆層Ａに用いたＲｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、被覆層Ｂに使用したＡｕ、Ａｇ、Ｃｕとして純度が９９．９９質量％以上の素材をそれぞれ用意した。Ａｌを加熱して溶解することでインゴットを鋳造し、このワイヤ表面に被覆層Ａと被覆層Ｂを電解めっき方法で形成した。その後、更に伸線及び焼鈍を行って最終線径５００μｍのボンディングワイヤを作製し、被覆層Ａと被覆層Ｂをそれぞれ実施例記載の厚みに制御した。
できあがったボンディングワイヤにおける被覆層Ａ及び被覆層Ｂの厚みは、ＩＣＰ分析によって平均膜厚を測定した。被覆層Ａ及び被覆層Ｂの厚み及び組成をそれぞれ表１に記載した。
ボンディングワイヤの接続には、市販のウェッジボンダーを使用した。評価用のサンプルは銅基板上にＳｉＣチップをマウントしたものを用いた。ＳｉＣチップ上には予めＳｉＣチップ側からチタン、ニッケル、アルミニウムを蒸着形成し、それぞれ厚さ０．１，２，４μｍとした。
ボンディングワイヤのウェッジボンディング性については、シェア強度について評価を行った。シェア強度については、ウェッジ接合された状態のボンディングワイヤをワイヤに垂直な方向にせん断歪を加え、破断に至るまでの最大強度を記録した。この最大強度が合格基準値の１．２倍以上の場合を○、合格基準値未満を×、その中間を△とした。
表１に示す条件でボンディングワイヤを製造し、評価を行った。
Figure 2014082368
表１の本発明例１〜３，９，１１は被覆層Ａを有して被覆層Ｂを有しない本発明例、本発明例４〜８、１０は被覆層Ａと被覆層Ｂを有する本発明例である。比較例１２〜１３が比較例である。
伸線疵については、本発明例１〜１１のいずれも、評価が「○」であり、伸線疵の発生を防止することができた。比較例１２は何ら被覆を有しないＡｌボンディングワイヤであり、伸線疵が「×」であった。比較例１３は、被覆層ＡとしてＡｕの膜を形成しており、そのために伸線疵は「○」であった。
伸線用のダイスの摩耗については、本発明例４〜８、１０は被覆層Ａに加えて被覆層Ｂを有するので良好であり、同様に比較例１２、１３も良好であった。本発明例１〜３，９，１１は、硬質の被覆層Ａを有して被覆層Ｂを有しない例であり、ダイス摩耗のためダイス寿命が他の本発明例よりも短めだったが、製品の品質は良好であった。
接合強度については、表面に露出する金属がＡｕ、Ａｇ、Ｐｄである本発明例２〜７，９〜１０は「○」、表面に露出する金属がＣｕ、Ｒｈである本発明例１〜３，８、１１は「△」という結果であった。比較例１２は接合強度が「○」であった。これは接合するアルミニウム電極パッドと同種金属の接合が得られるためと考えられる。
比較例１３は伸線疵、接合強度ともに○であるが、高価なＡｕを用いて被覆層Ａを形成しており、コスト増大を招くこととなった。

Claims (3)

  1. Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａとを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属はＲｈ、Ｐｄ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とするボンディングワイヤ。
  2. 前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からな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。
  3. 線径が５０μｍ以上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。
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