JP2014179412A - ボンディング用ワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】金ボンディングワイヤより安価でかつ安定してボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによる接続が可能な銀ボンディング用ワイヤとする。
【解決手段】Ａｇを主成分とし、Ａｕの添加量を０．９質量％以上２．６質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上１．５質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上３．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素を合計で２０質量ｐｐｍ以上、５００質量ｐｐｍ以下、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を合計で１０００質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下のワイヤＷである。そのワイヤＷの０．２％耐力と同引張強さとの比が９０％以上、同固有抵抗は３．０μΩ・ｃｍ以下である。このワイヤＷは、ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによる接続を安定して行える。
【選択図】図３

Description

この発明は、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡ（Ball Grid Array package）、ＱＦＮ（Quad Flat Non lead package）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体パッケージにおける半導体素子上の電極同士もしくは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およびスタッドバンプ法の組み合わせによって接続するためのボンディング用ワイヤに関するものである。
上記ＢＧＡ等の半導体パッケージは、例えば、図１に示すように、配線板１上にはんだボール２を介してパッケージ基板３を設け、さらに、そのパッケージ基板３にダイボンディング材４を介して半導体素子（チップ）５を設けて、その半導体素子５を封止材６によって封止した構造である。この半導体パッケージにおける半導体素子５の電極ａとパッケージ基板３の導体配線（端子）ｃとの電気接続では通常はボールボンディング法が用いられる。
しかし、電極ａ同士を接続する必要がある場合、電極ａに直接ステッチボンドすると電極ａが破壊される恐れがあるため、一方の電極ａ上にスタッドバンプを設け、他方の電極ａに１ｓｔ接合のあとスタッドバンプが設けられた電極ａ上にステッチボンドを行う。
また、電極aとパッケージ基板３の導体配線（端子）ｃとの電気接続では、ボールボンディング法によって接合が行われた後、接合信頼性を高めるためにステッチボンド部の上にスタッドバンプを設けることが行われる（セキュリティボンド）。
さらに、半導体パッケージの低背化のために、パッケージ基板３の導体配線（端子）ｃに１ｓｔボンドを形成し、電極ａにステッチボンドを行うこともなされるが、その場合、事前に電極ａにスタッドバンプを形成しておき、その上にステッチボンドを行う（逆ボンド）。
このように、半導体パッケージにおける半導体素子５の電極ａとパッケージ基板３の導体配線（端子）ｃとの電気接続ではボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせで接合が行われることがある。
また、上記半導体素子の一つであるＬＥＤのパッケージにおいては、例えば、図２に示すように、ケースヒートシンク１１にダイボンディング材１２を介してＬＥＤ１５を設けて、蛍光体ｅを混ぜ合わせた封止材１４によってＬＥＤ１５を封止した構造である。このパッケージにおけるＬＥＤ１５の電極ａと回路配線基板をなすケース電極１３の導体配線（端子）ｃとの電気接続は、ＢＧＡ等の半導体パッケージと同様に上記ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによって行われる。図中、１６は樹脂製ケースボディである。
上記のスタッドバンプ法におけるスタッドバンプは、例えば、図３（ａ）〜（ｆ）に示すようにして形成される。すなわち、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内に捕捉される。
ターゲットである電極ａに溶融ボール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が溶融ボールｂをグリップし、溶融ボールｂに熱・荷重・超音波を与え、それによって溶融ボールｂが圧着されて（圧着ボールｂ’となって）電極ａと固相接合された後（同図（ｂ）、クランプ１０ｂが開いてわずかにキャピラリー１０ａが上昇する。その後、クランプ１０ｂが閉じ、様々なキャピラリー１０ａの動作によってワイヤＷが圧着ボールｂ’から切断される（同図（ｃ）〜（ｆ））。このようにしてできた圧着ボールｂ’のことをスタッドバンプという。
このスタッドバンプｂ’をボールボンディング法に組み合わせた接続方法は、例えば、逆ボンドでは、図３（ａ）〜（ｆ）に示す態様を経た後、同図（ｇ）に示すように、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後、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放電し（スパークし）、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溶融ボールｂになって固まる（同図（ｇ））。
つぎに、同図（ｈ）に示すように、この溶融ボールｂをグリップしたキャピラリー１０ａは導体配線ｃの真上まで移動した後、導体配線ｃに向かって降下し、押し付けられる（同図（ｉ）。これと同時に、その押付け部位に熱・荷重・超音波を与え、それによって溶融ボールｂが圧着されて（圧着ボールｂ’となって）導体配線ｃと固相接合された後、クランプ１０ｂが開いて上昇しつつ電極ａ上に向かって移動する（同図（ｊ）〜（ｋ））。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（ｋ）の鎖線から実線参照）。
電極ａ上に形成されたスタッドバンプｂ’の真上に至ったキャピラリー１０ａは、スタッドバンプｂ’に向かって降下し、ワイヤＷをスタッドバンプ（２ｎｄターゲット）ｂ’に押付ける。これと同時に、その押付け部位に熱・荷重・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をスタッドバンプｂ’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（２ｎｄ接合、同図（ｌ）〜（ｍ））。
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（同図（ｍ）〜（ｎ））。
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放電し（スパークし）、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溶融ボールｂになって固まる（同図（ｏ））。
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とのボールボンディング法とスタッドバンプ法との組み合わせによる接続がなされる。
以上のサイクルは、スタッドバンプ法−ボールボンディング法の場合であり、スタッドバンプｂ’を形成した後にボールボンディングを行うが、ボールボンディング法−スタッドバンプ法の場合（セキュリティボンドをする場合）は、一サイクルの中の順序が異なり、図３において、スタッドバンプｂ’の形成が後になる。すなわち、図３の（ｈ）〜（ｏ）の操作が図４（ａ）〜（ｈ）に示すように電極ａに対して先に行なわれた後、図３（ａ）〜（ｇ）の操作が図４（ｉ）〜（ｏ）に示すようにステッチボンドされた導体配線ｃに対して行なわれる。
このボールボンディング法とスタッドバンプ法を組み合わせで接合するボンディング線（ワイヤ）Ｗの材質としては、４Ｎ（純度：９９．９９質量％以上）〜２Ｎの金が使用されている。このように金が多用されるのは金が大気中で熱に曝されても酸化しないため、ステッチボンド上にスタッドバップを形成する場合も、スタッドバンプ上にステッチボンドを行う場合も、接合に特に影響がないからである。また、金は添加元素を適切に選択することによってスタッドバンプの形成時のワイヤ切断が容易にでき、生産が安定する。
一方、ＢＧＡ等の半導体パッケージにおいては、金ボンディングワイヤＷは高価であることから、安価な銅（Ｃｕ）ボンディングワイヤへの置き換えもなされている。さらに、その銅ボンディングワイヤ表面にパラジウム（Ｐｄ）等を被覆することによって、銅ボンディングワイヤで課題となる２ｎｄ接合性を高め、生産性を改善したＰｄ被覆銅ボンディングワイヤが開発され、一部では使用されている（特許文献１）。また、銀（Ａｇ）ボンディングワイヤについても開発され、一部では使用されている（特許文献２、３、４）。
特開２００７−１２３５９７号公報 特開昭５７−１９４２３２号公報 特開昭５８−６９４８号公報 特開平１１−２８８９６２号公報 特許第４７７１５６２号公報
金ボンディングワイヤは高価である。その代替材である銅ボンディングワイヤは安価ではあるが、金ボンディングワイヤに比べてＦＡＢが硬く、電極ａのチップが脆弱であるとチップダメージ発生の恐れが高くなる。また、金ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性が悪く、連続ボンディング性に問題がある。
Ｐｄ被覆銅ボンディングワイヤは、銅ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性がよく、連続ボンディング性がよいが、ＦＡＢが銅ボンディングワイヤよりもさらに硬くなるため、チップダメージ発生の問題がある。
さらに、従来、ＬＥＤパッケージにおいてはＡｕ被覆した電極ａのＬＥＤ１５が用いられ、電極ａとの接続には金ボンディングワイヤが用いられている。この金を用いた組み合わせではコストダウンができないため、ＬＥＤ１５用にも安価なボンディングワイヤが望まれている。しかし、銅ボンディングワイヤは連続ボンディング性に難があり、Ｐｄ被覆銅ボンディングワイヤではＦＡＢが硬くなるため、チップダメージが発生する恐れがある。また、銅ボンディングワイヤ又はＰｄ被覆銅ボンディングワイヤを用いると、ボンディングワイヤ自体の反射率が低いため、ワイヤ部分が影になることからＬＥＤ１５の種類によってはＬＥＤ１５そのものの輝度を低下させることもある。
また、銅ボンディングワイヤ又はＰｄ被覆銅ボンディングワイヤを用いると、スタッドバンプｂ’を作製したあとステッチボンドを行う場合、ステッチボンドを行うまでの間にスタッドバンプｂ’が酸化してしまい、ステッチボンドが安定してできない。ステッチボンドを行ったあとにスタッドバンプｂ’を行うセキュリティボンドの場合も同じく、ステッチボンドのあとにスタッドバンプを行うまでの間にステッチボンド部が酸化するため、スタッドバンプが安定して接合できない。
また、従来の銀ボンディングワイヤでは、ボールｂを形成する際に酸化を防ぐために窒素（Ｎ２）ガスを吹き付けて放電するのが一般的である。これに対し、特許文献２、３に、Ａｇ（銀）にＡｌ（アルミニウム）もしくはＭｇ（マンガン）を添加することにより、Ｎ２ガスを吹き付けることなく大気中で放電しても形状のよいボールｂを得ることができることが記載されている。
しかし、近年、ＢＧＡの半導体パッケージでは、電極ａが小さくなり、また、電極ａ同士の距離も近くなっているので、より安定した真球状のボールｂを得る必要があるため、銀ボンディングワイヤにおいても、Ｎ２ガスを吹き付けて放電する方が好ましくなっている。このＮ２ガスを吹き付けて放電した場合、周囲からの酸素の侵入は防ぐことができるが、ワイヤ先端が溶融した際にワイヤ表面の酸化銀から上記添加したＡｌもしくはＭｇが酸素を奪い、Ａｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯができる。このとき、ＡｌもしくはＭｇを多量に含有していると、このＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯがボールｂ表面に大量に生成してしまい、電極ａとの接合の際に硬質なＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯが電極ａを損傷する問題がある。
同様に、特許文献４にワイヤ強度や耐熱性を向上させるために、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）を添加することが記載されているが、これらの元素については多量に添加すると、ボールｂの硬度が上がって電極ａを損傷する問題がある。
また、特許文献４にはワイヤの接合信頼性を高めるために、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕを添加することが記載されている。しかし、このような元素を多量に添加すれば、ワイヤ自体の電気抵抗が上がり、ボンディングワイヤＷとしての性能を損なう問題が生じる。すなわち、上述のとおりＢＧＡ等の半導体パッケージでは、電極ａはより小さく、その電極ａ間の距離もより近くなっているため、１ｓｔ接合部を小さくすることが求められている。
そのためには、ボンディングワイヤの直径を小さくする必要があるが、ワイヤの電気抵抗はワイヤの直径と反比例するため、ワイヤ自体の電気抵抗が高いと、ワイヤの直径を小さくすることができなくなる問題がある。また、ＬＥＤ１５においては、光度を上げるために動作電流が高くなってきているが、ワイヤの電気抵抗が高いと発熱の問題が生じ、封止樹脂の寿命を縮める不具合が生じる。
また、スタッドバンプｂ’を作製する際にキャピラリー１０ａの動作によってワイヤＷを切断するが（図３（ｄ）、（ｅ）参照）、ワイヤＷと溶融ボールｂ直上の結晶粒の大きさに差があれば、この切断が安定して行える。すなわち、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放電し（スパークし）、その熱でワイヤＷを溶かし溶融ボールｂを作る際に溶融ボールｂの直上のワイヤＷ部は熱影響を受けるが、ワイヤＷ自体の結晶粒が大きければ、熱影響による結晶粒の粗大化が進まず、結晶粒の差が出ない。反対にワイヤＷ自体の結晶粒が微細であれば、熱影響を受けて結晶粒の粗大化が起こった部分と微細な部分の境目で切断が容易に起こることになる。
ところで、従来の銀ボンディングワイヤでは、０．２％耐力（Ｙｉｅｌｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ：以下、「ＹＳ」とする）と引張強さ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ：以下、「ＴＳ」とする）の比（１００×ＹＳ／ＴＳ）が８０％を下回る領域を狙って調質されている。すなわち、高温もしくは長時間の調質熱処理を施しており、ワイヤＷの結晶粒は大きい。このようなワイヤＷの結晶粒が大きい場合、上述のように、溶融ボールｂの作成時、結晶粒の差が生じず、スタッドバンプ作製時の切断が安定して行えなくなり、スタッドバンプの形状にバラつきが発生するばかりでなく、切断がうまくできなかった場合はマシンストップが発生する。
特許文献５には「ＡｇとＡｕとＰｄとからなる三元合金系ボンディングワイヤであって、金（Ａｕ）が４〜１０質量％、パラジウム（Ｐｄ）が２〜５質量％、酸化性非貴金属添加元素が１５〜７０質量ｐｐｍおよび残部が銀（Ａｇ）からなるボンディングワイヤ」に関する記載がある。しかし、この文献に記載されているようなボンディングワイヤは上述のようなスタッドバンプ作製時の切断性は考慮されておらず、スタッドバンプの形状のバラつき、マシンストップの発生の懸念があった。
この発明は、以上の実状の下、金ボンディングワイヤより安価でかつ安定してボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによる接続が可能な銀ボンディング用ワイヤを提供することを課題とする。
上記課題を達成するため、この発明は、ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによって接続するボンディング用ワイヤにおいて、Ａｇを主成分とし、Ａｕの添加量を０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上５．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上８質量％以下とし、そのワイヤ（Ｗ）の常温での０．２％耐力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）の比（１００×ＹＳ／ＴＳ）が８０％以上、好ましくは９０％以上の構成を採用したのである。
この構成において、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素を合計で２０質量ｐｐｍ以上、５００質量ｐｐｍ以下含むものとすることができ、さらにＣｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を合計で１０００質量ｐｐｍ以上、１００００質量ｐｐｍ以下含むものとすることができ、また、ワイヤの固有抵抗は、５．０μΩ・ｃｍ以下、好ましくは３．０μΩ・ｃｍ以下とすることができる。
このＡｇを主体とするボンディングワイヤは、Ａｕを主体とする金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得る。
Ａｕは、良好なＦＡＢを得るために添加する。通常、純Ａｇワイヤを用いてＦＡＢを作製すると、放電棒gによるスパークで溶融したワイヤＷ先端にできる溶融ボールｂが不安定となり、真球度の高いＦＡＢを安定的に得るのが難しい。しかし、Ａｕを０．９質量％以上、かつＡｕとＰｄの合計量で１．０質量％以上添加すれば、溶融ボールｂが安定し、真球度の高いＦＡＢを得ることができるようになる。また、Ａｕの添加量が５．０質量％を超えると、ワイヤが高価になる。この点から、Ａｕの添加量は２．６質量％以下とするのが好ましい。
Ｐｄは１ｓｔ接合部の耐食性を得るために添加する。ＢＧＡ等の半導体パッケージの電極ａにはアルミニウムもしくはアルミニウム合金が被覆されていることが多い。ＬＥＤの電極ａは金被覆の場合が多いが、アルミニウムもしくはアルミニウム合金の被覆材が用いられることもある。銀とアルミニウムを接合すると、接合界面に銀とアルミニウムの金属間化合物層が生成する。この化合物層のうち、Ａｇ２Ａｌが成長すると、湿潤環境下における耐食性が劣化する。ＡｇワイヤにＰｄを０．１質量％以上添加すると、ＦＡＢの外周部にＰｄ濃化層が形成され、そのことによってＡｇ２Ａｌの生成が抑制できる。しかし、Ｐｄの添加量が５．０質量％を超えると、ＦＡＢが硬くなり、電極ａにクラックが入るなどの不具合が生じる。
Ｐｄ、Ａｕはそれぞれ単独の添加でも効果があるが、ＰｄまたはＡｕのみをある一定量を添加する場合に比べて、同量をＰｄとＡｕの合計で添加する方がワイヤの融点が高くなるため、ＰｄとＡｕを複合添加したワイヤの方が耐熱性は高くなる。そこで、ＰｄとＡｕの添加量については合計を１．０質量％以上８．０質量％以下とする。
ＰｄとＡｕの添加量の合計が８．０質量％を超えた量を添加すると、ワイヤの電気抵抗が高くなる。また、ボールｂの硬度が高くなり、１ｓｔ接合時に電極ａが損傷する。さらに、添加量の合計が３．０質量％を下回れば、ワイヤの電気抵抗が金ワイヤに近くなるため、ワイヤ径を小さくすることが可能になる。
ここで、ワイヤの固有抵抗が３．０μΩ・ｃｍを超えて５.０μΩ・ｃｍ以下であればワイヤ径を大きくすることで必要な電気特性を得ることができるので問題はないが、３.０μΩ・ｃｍ以下であれば、２Ｎ（９９％）Ａｕワイヤの固有抵抗と同等以下となるため、その２ＮＡｕワイヤにこの発明のワイヤの置き換えが容易になる（置き換えをすることができる）。
Ｃａ、希土類元素は、ワイヤ強度や耐熱性を向上させるために添加するが、２０質量ｐｐｍ未満であると、そのワイヤの耐熱性が低くなって実用上の問題が生じる。また、５００質量ｐｐｍを超えて添加すると、ボールｂの硬度が高くなり、１ｓｔ接合時に電極ａが損傷する。よって、Ｃａ、希土類元素の合計添加量は２０質量ｐｐｍ以上５００質量ｐｐｍ以下とする。また、より好ましくは２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、この範囲であれば、ワイヤの耐熱性が高く、１ｓｔ接合時の電極ａの損傷の度合いもより低く抑えることができる。
ここで、希土類元素は入手性に難があるため、Ｃａの添加が最も好ましい。また、希土類元素の中では極微量の添加でワイヤの耐熱性・強度向上に効果があるＹ、Ｇｄおよび添加元素とＡｇが化合物を作ることによってマトリックスであるＡｇ中に化合物が分散しワイヤの高強度化に寄与するＬａ、Ｃｅが好ましい。
さらに、高強度化が必要な場合、Ｃａ、希土類元素の添加に加えて、Ｃｕ、Ｎｉの添加が効果的である。Ｃｕ、ＮｉはＣａ、希土類元素と反応せずにマトリックスのＡｇと容易に合金化するため、Ｃａ、希土類元素の添加効果を損なうことなく、マトリックスの高強度化に寄与する。ここで、その合計添加量が１０００質量ｐｐｍを下回ると、ワイヤの高強度化の効果がなく、１００００質量ｐｐｍを上回るとボールｂの硬度が高くなり、１ｓｔ接合時に電極ａが損傷する。よってＣｕ、Ｎｉの合計添加量は１０００質量ｐｐｍ以上１００００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
このワイヤＷの線径はボンディングワイヤとして使用し得れば任意であるが、例えば、１２μｍ以上５０．８μｍ以下とする。５０．８μｍ以下とすると溶融ボールｂをより小さくでき、１２μｍ未満であると、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、作業性が悪くなるうえに、空気圧によりワイヤに十分な張力をかけることができなくなり、ループ制御が困難になる恐れがある。
上述のボンディングワイヤＷの製造方法には種々のものが採用できるが、例えば、純度９９．９９質量％以上のＡｇにＡｕを０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄを０．１質量％以上５．０質量％以下、ＰｄとＡｕを合計で１．０〜８．０質量％添加し、Ｃａ、希土類から選ばれる１種以上の元素を合計で２０〜５００質量ｐｐｍ添加し、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を合計で１０００〜１００００質量ｐｐｍ添加し、連続鋳造法で大きな線径のその化学組成のロッドを作製し、線径５０．８μｍ以下までダイスに順次貫通させていくことにより、所定の線径に伸線する。その後、ワイヤＷに調質熱処理を施す。
その調質熱処理は、所定の線径まで伸線を行いリールに巻きとられたワイヤＷを、巻き戻して管状の熱処理炉中に走行させ、再び巻き取りリールで巻き取ることによって連続熱処理を行う。
ボンディングワイヤＷのＹＳおよびＴＳは、１５〜２５℃の室温中で長さ１００ｍｍの試料を引張試験して算出した。すなわち、引張試験において、破断に至るまでの最大荷重を初期断面積で除した値をＴＳ：０．２％の永久ひずみが残るときの荷重を初期断面積で除した値（徐荷時の永久ひずみが０．２％になる応力）をＹＳとする。
ここで、調質熱処理前のワイヤＷは伸線時の加工ひずみが残った変形組織になっており、その結晶組織は微細である。このような変形組織の１００×ＹＳ／ＴＳは、ほぼ１００％に近いが、低温もしくは短時間の調質熱処理を施すと加工ひずみが徐々に開放される「回復」が起こり、熱処理温度をより高温もしくは長時間にして調質熱処理を施すと加工ひずみがより開放され、結晶粒が大きくなる「再結晶」が起って、ＴＳに対してＹＳが徐々に低くなる（１００×ＹＳ／ＴＳが小さくなる）。
この１００×ＹＳ／ＴＳが８０％を下回ると、ワイヤの大部分が再結晶し結晶組織が大きくなるが、８０％以上であると再結晶はワイヤの一部に留まり、結晶粒も一部が大きくなる程度である。さらに、９０％以上であると、結晶粒は大部分が微細なままの変形組織となる。
スタッドバンプの作製時には、キャピラリーの様々な動作によってワイヤを圧着ボールから切断するが、ワイヤの結晶組織の境目があればその部分で容易に切断が可能になる。すなわち、微細な結晶粒の部分と粗大な結晶粒の部分があれば、その境界部分で破断しやすくなる。スタッドバンプを形成する際に、まずワイヤ先端に放電してワイヤを溶融させ、ＦＡＢを作製すると、ＦＡＢ直上のワイヤ部分は放電による熱によって結晶粒が大きくなる。ここで熱による影響を受けている部分をＨＡＺ（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔ Ｚｏｎｅ）と呼ぶ。ワイヤの１００×ＹＳ／ＴＳが８０％以上で結晶粒が微細であれば、ＨＡＺとワイヤで結晶粒の境界部分ができ、スタッドバンプ時の切断が容易に起こる。さらに、９０％以上であれば、結晶粒の境界がより明確になり、切断がより安定する。
この発明は、以上のようにＡｇを主体としたので、金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得て、かつ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃａ、希土類元素、Ｃｕ、Ｎｉの適量の添加と常温伸びの調整により、ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによる接続を安定して行なうことができる。
半導体パッケージの概略図 ＬＥＤパッケージの概略図 スタッドバンプ法−ボールボンディング法の説明図であり、（ａ）〜（ｏ）はその途中図 ボールボンディング法−スタッドバンプ法の説明図であり、（ａ）〜（ｏ）はその途中図
純度が９９．９９質量％以上（４Ｎ）の高純度Ａｇを用いて、表１に示す化学成分の銀合金を鋳造し、８ｍｍφのワイヤロッドを作成した。そのワイヤロッドを伸線加工し所定の最終線径（２５μｍφ）の銀合金線とし、種々の加熱温度・加熱時間にて連続焼鈍した。なお、化学成分の定量はＩＣＰ−ＯＥＳ(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法)により行った。
その連続焼鈍した各ワイヤＷを１５〜２５℃の常温で引張試験を行なって０．２％耐力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）を測定した。
Figure 2014179412
この各試作例及び各比較例に対し、それぞれ下記の試験を行った。
『評価項目』
各ワイヤＷについて、自動ワイヤボンダで、図３（ａ）〜（ｆ）に示す方法でスタッドバンプｂ’を連続して作製する評価を行った。すなわち、放電棒ｇによるアーク放電によりワイヤＷ先端にＦＡＢ（ボールｂ）を作製し、それをＡl被覆電極上に押し付けてスタッドバンプｂ’を連続で作製した。なお、ＦＡＢ作製時にはワイヤＷ先端部に窒素（Ｎ２）ガスを流しながらアーク放電を行った。
また、図３（ａ）〜（ｏ）に示すスタッドバンプ法−ボールボンディング法の組み合わせによる接続をＡｇ被覆４２Ｎｉ−Ｆｅ板上で行った。
評価に用いたボンディング試料における連続バンプ性、スタッドバンプ部のチップ損傷、電気抵抗、樹脂封止時のワイヤフロー、及び総合評価を表２に示す。それらの評価方法等は以下の通りである。
『評価方法』
「連続バンプ性」
ボンディングマシンで１０，０００回の連続バンプ形成を行った。ここで、マシンストップが発生しなければ「Ａ」、ワイヤの切断がうまくいかずに１回のマシンストップが発生すれば「Ｂ」、２回以上のマシンストップが起これば「Ｄ」とした。
「ボンディング後、スタッドバンプ部直下のチップ損傷の評価」
半導体素子５のスタッドバンプ部および電極膜を王水で溶解し、クラックを光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の接合部を観察して３μｍ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」、３μｍ以上のクラックが２個以上５個未満認められた場合は使用上問題はないと考えて「Ｂ」、３μｍ以上のクラックが５個以上認められた場合は「Ｄ」とした。
「樹脂封止時のワイヤフローの評価」
ワイヤ長：５ｍｍのボンディング試料をエポキシ樹脂で封止した後で、Ｘ線非破壊観察装置にて最大ワイヤフロー量を測定した。測定は２０本行い、その平均値をワイヤ長５ｍｍで除した割合をワイヤフロー率とした。このワイヤフロー率が５％未満なら「Ａ」、５％以上７％未満では「Ｂ」、７％以上では実用上の問題があると考えて評価を「Ｄ」とした。
「電気抵抗」
４端子法を用いて室温での電気抵抗を測定した。３試料の固有抵抗の平均が３.０μΩ・ｃｍ以下であれば金ワイヤからの置き換えにあたって電気特性の変化が少ないため「Ａ」、３．０μΩ・ｃｍを上回って５.０μΩ・ｃｍ以下であれば金ワイヤからの置き換えにあたって実用上の問題が少ないため「Ｂ」、５.０μΩ・ｃｍを超えれば金ワイヤからの置き換えには向かないと考えて「Ｄ」とした。
「Ａｕワイヤからの置き換え」
本ワイヤＷが検討される大きな要因は金ワイヤを銀ワイヤに置き換える時に発生するコストメリットである。このため、ワイヤＷのコストについても大きな比較要因となる。ここで、ワイヤＷがＡｕを５質量％を超えて含有していると、Ａｕワイヤからの置き換えが進みにくいと考えて「Ｄ」、２．６質量％を超えて５質量％以下であればある程度のコストメリットが見いだせるので「Ｂ」、２．６質量％以下であればコストメリットが大きいと考えて「Ａ」とした。
「ＦＡＢ真球度」
ワイヤボンダで各線径の２倍の大きさのＦＡＢをそれぞれ１００個作製し、ＦＡＢのワイヤと平行な方向と直角な方向の径を測定した。このそれぞれの径の差が２μｍ以下であれば、真球に近いと考えて「Ａ」、２μｍを超えると真球度が低いと考えて「Ｄ」とした。
「耐食性評価 （ＨＡＳＴ）」
電極へのボンディング後、１ｓｔボール接合部の耐食性を評価するために１３０℃／８５％雰囲気中に１６８時間放置するＨＡＳＴ（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ）を行った。ここで、ＨＡＳＴ前後のシア強度を測定し、ＨＡＳＴ前のシア強度（ＳＳｂとする）とＨＡＳＴ後のシア強度（ＳＳａとする）の比（ＳＳａ／ＳＳｂ×１００）が７０％を上回れば、耐食性があると考えて「Ａ」、７０％未満となれば耐食性に問題があると考えて「Ｄ」とした。なお、ＨＡＳＴ前後のシア強度の測定はｎ＝３０ずつ行った。
「総合評価」
各評価において、すべてが「Ａ」であるものを「Ａ」、「Ａ」と「Ｂ」が混在するものを「Ｂ」、一つでも「Ｄ」があるものは「Ｄ」とした。
Figure 2014179412
この表１、２において、Ａｕの添加量が０．９質量％未満であったり、添加されなかったりすると、比較例１、６、７から「ＦＡＢの真球度」が「Ｄ」となる。また、同５．０質量％を超えると、比較例５、１２から、「Ａｕワイヤからの置き換え」が「Ｄ」となる。
また、Ｐｄの添加量が０．１質量％未満であったり、添加されなかったりすると、比較例２、７、１１から、「ＨＡＳＴ」が「Ｄ」となり、５．０質量％を超えると、比較例４から、「スタッドバンプ部真下のチップ損傷」が「Ｄ」となる。
さらに、ＡｕとＰｄの添加量の合計が１．０質量％未満であると、「樹脂封止時のワイヤフロー」が比較例１、６は「Ｄ」となり、一方、比較例７は、ＡｕとＰｄの添加量の合計が１．０質量％未満であるものの、後述のＣａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素が合計で３５０質量ｐｐｍ添加されているため、「樹脂封止時のワイヤフロー」は「Ｂ」となる。また、ＡｕとＰｄの添加量の合計が８質量％を超えると、比較例５、８から、「電気抵抗」が「Ｄ」となる。
ワイヤＷの０．２％耐力（ＹＳ）と同引張強さ（ＴＳ）との比が８０％未満であると、比較例２、３、８〜１０から「連続バンプ性」が「Ｄ」となる。
これに対し、この発明に係るＡｕの添加量を０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上５．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上８質量％以下とし、そのワイヤＷの０．２％耐力と同引張強さとの比が８０％以上である試作例１〜１５にあっては、「連続バンプ性」、「スタッドバンプ部真下のチップ損傷」、「樹脂封止時のワイヤフロー」、「Ａｕワイヤからの置き換え」、「ＦＡＢの真球度」、「ＨＡＳＴ」及び「総合評価」において、「Ａ」又は「Ｂ」の何れかであって、実用上、支障なく使用できることが理解できる。
Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素が合計で２０質量ｐｐｍ未満であると、比較例１、６から、「樹脂封止時のワイヤフロー」が「Ｄ」となり、一方、試作例５、１３、比較例５は、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素が合計で２０質量ｐｐｍ未満であるが、「樹脂封止時のワイヤフロー」性を向上させるＡｕとＰｄの添加量の合計が１．０質量％以上であったり、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素が合計で１０００質量ｐｐｍ以上であったりすることから、「樹脂封止時のワイヤフロー」が「Ｂ」となる。また、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素が合計で５００質量ｐｐｍを超えると、比較例４、８、９から、「スタッドバンプ部真下のチップ損傷」が「Ｄ」となる。
また、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素が合計で１０００質量ｐｐｍ未満であると、比較例１、６から、「樹脂封止時のワイヤフロー」が「Ｄ」となり、一方、試作例１０、１３〜１５、比較例７〜９はＣｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素が合計で１０００質量ｐｐｍ未満であるが、「樹脂封止時のワイヤフロー」性を向上させるＡｕとＰｄの添加量の合計が１．０質量％以上であったり、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素が合計で２０質量ｐｐｍであったりすることから、「樹脂封止時のワイヤフロー」が「Ｂ」となる。また、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素が合計で１００００質量ｐｐｍを超えると、比較例３から「スタッドバンプ部真下のチップ損傷」が「Ｄ」となる。
また、ワイヤＷの０．２％耐力と同引張強さとの比が８０％以上であると、試作例１〜１５、比較例１、４〜７、１１、１２から、連続バンプ性において「Ａ」又は「Ｂ」となるが、９０％以上であると、試作例２、３、６〜８、１１〜１３、１５、比較例５から、連続バンプ性において「Ａ」となり、より優れていることが理解できる。
さらに、Ａｕの添加量を０．９質量％以上２．６質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上１．５質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上３．０質量％以下含むものであると、試作例１〜３、６〜８から「スタッドバンプ部真下のチップ損傷」、「電気抵抗」、「Ａｕワイヤからの置き換え」、「ＦＡＢの真球度」、「ＨＡＳＴ」において「Ａ」となり、優れていることが理解できる。
ワイヤＷの固有抵抗が５．０μΩ・ｃｍを超えると、比較例５、８から、「電気抵抗」が「Ｄ」となる。一方、同固有抵抗が３．０μΩ・ｃｍ以下に抑えられると、試作例１〜８、１０、１１、１５、比較例１〜３、６、７、１１から「電気抵抗」が「Ａ」となる。
以上から、試作例２、３、６〜８、１１は、ワイヤＷの０．２％耐力と同引張強さとの比が９０％以上、Ａｕの添加量：０．９質量％以上２．６質量％以下、Ｐｄの添加量：０．１質量％以上１．５質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計：１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｃａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素を合計で２０質量ｐｐｍ以上５００質量ｐｐｍを以下、固有抵抗が３．０μΩ・ｃｍ以下、Ｃｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を合計で１０００質量ｐｐｍ以上、１００００質量ｐｐｍ以下であって、総合評価において「Ａ」となっており、最も優れていることが理解できる。
３、１３ 回路配線基板（ケース電極）
５ 半導体素子
１５ ＬＥＤ
Ｗ ボンディング用ワイヤ
ａ 半導体素子（ＬＥＤ）の電極
ｂ 溶融ボール
ｂ’ 圧着ボール（スタッドバンプ）
ｃ 回路配線基板の導体配線（リード端子）
上記課題を達成するため、この発明は、ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによって接続するボンディング用ワイヤにおいて、Ａｇを主成分とし、Ａｕの添加量を０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上５．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上８．０質量％以下とし、そのワイヤ（Ｗ）の常温での０．２％耐力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）の比（１００×ＹＳ／ＴＳ）が８０％以上、好ましくは９０％以上の構成を採用したのである。
上記課題を達成するため、この発明は、ボールボンディング法とスタッドバンプ法の組み合わせによって接続するボンディング用ワイヤにおいて、Ａｕの添加量を０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上５．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上８．０質量％以下とし、残部が純度９９．９９質量％以上の高純度Ａｇであって、そのワイヤ（Ｗ）の常温での０．２％耐力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）の比（１００×ＹＳ／ＴＳ）が８０％以上、好ましくは９０％以上の構成を採用したのである。

Claims (7)

  1. 半導体素子（５、１５）の電極（ａ）と回路配線基板（３、１３）の導体配線（ｃ）とをボールボンディング法およびスタッドバンプ法の組合せによって接続するためのボンディング用ワイヤ（Ｗ）であって、
    Ａｇを主成分とし、Ａｕの添加量を０．９質量％以上５．０質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上５．０質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上８質量％以下とし、
    そのワイヤ（Ｗ）の０．２％耐力と同引張強さとの比が８０％以上であることを特徴とするボンディング用ワイヤ。
  2. 上記ワイヤ（Ｗ）の組成に、さらにＣａ、希土類元素から選ばれる１種以上の元素を合計で２０質量ｐｐｍ以上、５００質量ｐｐｍ以下含むことを特徴とする請求項１に記載のボンディング用ワイヤ。
  3. 上記ワイヤ（Ｗ）の組成に、さらにＣｕ、Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を合計で１０００質量ｐｐｍ以上、１００００質量ｐｐｍ以下含むことを特徴とする請求項２に記載のボンディング用ワイヤ。
  4. 上記ワイヤ（Ｗ）のＡｕの添加量を０．９質量％以上２．６質量％以下、Ｐｄの添加量を０．１質量％以上１．５質量％以下、かつＡｕとＰｄの添加量の合計を１．０質量％以上３．０質量％以下含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のボンディング用ワイヤ。
  5. 上記ワイヤ（Ｗ）の０．２％耐力と同引張強さとの比が９０％以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のボンディング用ワイヤ。
  6. 上記ワイヤ（Ｗ）の固有抵抗が５．０μΩ・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のボンディング用ワイヤ。
  7. 上記ワイヤ（Ｗ）の固有抵抗が３．０μΩ・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のボンディング用ワイヤ。
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