JP2014232762A - ボンディングワイヤ、ボールボンディング方法および半導体装置 - Google Patents

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浩次 山▲崎▼
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裕史 堀部
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Abstract

【課題】安価で、２００℃高温保存試験において十分な信頼性を有するボンディングワイヤ、それを用いたボールボンディング方法および半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明のボンディングワイヤは、芯材と、該芯材の表面を被覆した被覆材を有するボンディングワイヤであって、前記芯材は、銅を主成分としアルミニウムを３００〜５０００ｐｐｍ含むものであり、前記被覆材は、ニッケルであり、被覆材断面積／芯材断面積で定義される被覆割合（Ｘ）が、０．０５００＜Ｘ≰０．０６３０である。【選択図】図６

Description

本発明は、ボンディングワイヤ、それを用いたボールボンディング方法および半導体装置に関する。
現在、半導体素子上の電極と外部端子との間を接合するボンディングワイヤとして、線径２０〜５０μｍ程度の細線（ボンディングワイヤ）が主として使用されている。ボンディングワイヤの接合には超音波併用熱圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置、ワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。ボンディングワイヤを用いた一般的な半導体装置を図１に示す。半導体素子側ボンディング点１は、図２に示すように、ボンディングワイヤ２の先端を放電８より、加熱溶融させて、表面張力によりボール３を形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子４の電極５（通常、アルミニウム（Ａｌ）電極が用いられている）上にこのボール部をキャピラリ９で圧着接合させて形成される。次に、外部リード側ボンディング点６は、図３に示すように、直接ボンディングワイヤ２を外部リード７にキャピラリ９で超音波圧着により接合させて形成される。
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度４Ｎ系（純度＞９９．９９ｍａｓｓ％）
の金（Ａｕ）が主に用いられている。しかし、金は高価であるため、材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。そこで、材料費が安価で、電気伝導性に優れる銅（Ｃｕ）ボンディングワイヤがＡｕに替わって近年、使用されることが増えている。しかし、銅は金よりも硬く、酸化しやすいため、純銅ボンディングワイヤでは、ワイヤ表面の酸化により接合強度低下やボール形成が難しく、銅ボンディングワイヤの改良が必要である。
そこで、特許文献１には、ボンディング時のチップダメージを抑制し、接合性を改善する方法として、銅（Ｃｕ）中に０．５〜１５質量ｐｐｍのリン（Ｐ）を含み、Ｐ以外の金属元素がＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、ＰｂおよびＳｉの内のいずれか１種または２種以上であることを特徴とする高純度ボールボンディング用銅合金ワイヤが開示されている。また、特許文献２には、ボンディングワイヤの芯材が銅であり、表面に被覆層を有し、被覆層が、白金、パラジウム及びニッケルから選ばれる金属を主成分としており、被覆層の厚みとしては、ワイヤ断面においてＹ＝（被覆層断面積／芯材断面積）とした場合、０．００７≦Ｙ≦０．０５を満たすことで、ボール形状がより安定し、真球のボールがより得やすいボンディングワイヤが開示されている。
特開２０１０−１７１２３５号公報 特開２００５−１６７０２０号公報
近年では、車載用途でより高温（２００℃）で高信頼性を確保できる材料が強く求められている。しかしながら、例えば金属被覆されていない銅ボンディングワイヤをアルミニウム電極上に接合して、２００℃高温保存試験をかけると、銅とアルミニウムの間に虚弱な金属間化合物（Ｃｕ９Ａｌ４、Ｃｕ３Ａｌ２などＡｌよりもＣｕの比率が高い）が形成され、封止樹脂が一部分解して、有機酸や、樹脂に添加されているＢｒ、Ｃｌ、Ｓなどの成分によって銅が腐食され、クラックが早期に進展する。さらに、銅ボンディングワイヤ表面に耐酸化性金属を被覆しても、材料の最適化がされていなければ、ワイヤ先端を加熱溶融させて、ボールを形成させた後に、被覆金属が芯材の銅内に拡散され、ボールとアルミニウム電極との接合界面に残存しておらず、高温での接合部の耐食性が何も被覆していない銅ボンディングワイヤと同程度となってしまう。そればかりか、図４に示すように、例えば一部樹脂から分解したギ酸などの有機酸１４が、高温でボール表面の銅酸化膜１３を還元し、銅の新生面が生成され、ボール表面に残存した被覆材１１の金属と芯材１０の銅との異種金属接触により、樹脂から発生する腐食性ガス１５、特に金属との密着性を向上させる目的で添加されているＳ成分によって、銅が加速度的に腐食して銅腐食エリア１６が形成され、純銅ワイヤを使用した時よりも早期に不良となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で、２００℃高温保存試験において十分な信頼性を有するボンディングワイヤ、それを用いたボールボンディング方法および半導体装置を提供することにある。
本発明は、芯材と、該芯材の表面を被覆した被覆材とを有し、芯材は、銅を主成分としアルミニウムを３００〜５０００ｐｐｍ含むものであり、被覆材は、ニッケルであり、被覆材断面積／芯材断面積で定義される被覆割合（Ｘ）が、０．０５００＜Ｘ≦０．０６３０であるボンディングワイヤを提供する。
また、本発明は、芯材と、該芯材の表面を被覆した被覆材とを有し、芯材は、銅を主成分としアルミニウムを３００〜５０００ｐｐｍ含むものであり、被覆材は、ニッケルであり、被覆材厚／ワイヤ半径で定義される被覆割合（Ｙ）が、０．０２５０≦Ｙ≦０．０３００であるボンディングワイヤを提供する。
また、本発明は、上記ボンディングワイヤを加熱溶融してボールを形成させ、該ボールを半導体装置の電極に接合するボールボンディング方法を提供する。
また、本発明は、上記ボールボンディング方法により製造される半導体装置を提供する。
本発明によれば、金よりも材料費が安価な銅を芯材の主成分として使用しており、銅よりも融点が高く、拡散しづらいニッケルを所定被覆割合で芯材の表面に覆うことで、ワイヤ先端を加熱溶融させて、ボールを形成させた後でも、ボールと電極との接合界面にニッケルが残存しているため、銅と電極金属の間に虚弱な金属間化合物相が形成されない。また、銅に初期ボール形成性を阻害しない程度にアルミニウムを微量含有することで、ボール表面に一部ニッケル被覆が残存していなくても、アルミニウムが濃化して強固な酸化膜を形成するため、封止樹脂から発生する有機酸成分、ハロゲン成分、Ｓ成分など腐食性成分によって銅が腐食されるのが抑制され、２００℃高温で十分な信頼性を確保することができる。
本発明の半導体装置の概略断面図である。 従来の半導体装置における半導体素子側ボンディング点を示した概略断面図である。 従来の半導体装置における外部リード側ボンディング点を示した概略断面図である。 従来の半導体装置における半導体素子側ボンディング状態を示した概略断面図である。 本発明のボンディングワイヤの概略断面図である。 本発明の半導体装置における半導体素子側ボンディング点を示した概略断面図である。
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、この実施形態は一例であり、種々の形態での実施が本発明の範囲内で可能である。
＜ボンディングワイヤ＞
本発明のボンディングワイヤは、図５に示すように、アルミニウム１２を含有した芯材１０と、該芯材の表面を被覆した被覆材１１を有するものである。
芯材１０は、銅を主成分とする。銅は、電気伝導性に優れかつ金より安価であり、また適度な剛性を有し樹脂封止の際の樹脂流によるワイヤ間の接触短絡の問題が少ないとの利点がある。
芯材１０は、アルミニウムを３００（０．０３％）〜５０００（０．５％）ｐｐｍ含有している。芯材にアルミニウムを含有することにより、一部露出した銅表面にアルミニウムが濃化して強固な耐食膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成し、有機酸成分、ハロゲン成分、Ｓ成分など腐食性成分によって酸化還元されず、耐食性を保持することができる。アルミニウムの含有量が３００ｐｐｍ未満であると、アルミニウム濃化層が不連続で、芯材の銅が露出するおそれがあるため、好ましくない。また、アルミニウムの含有量が５０００ｐｐｍを超えると、ボンディングにより形成されるボールが偏芯形状になるおそれがあるため、好ましくない。
芯材１０は、さらにニッケルおよびパラジウムの少なくともいずれかを１〜１００ｐｐｍ含有することが好ましい。芯材に所定量のニッケルやパラジウムを含有することにより、被覆材の芯材への拡散を抑制し、銅の再結晶温度を向上することができる。
被覆材１１は、ニッケルである。ニッケルは、銅よりも融点が高く、拡散しづらいので、ボンディングワイヤ先端を加熱溶融させて、ボールを形成させた後でも電極との接合界面に残存しやすいとの利点がある。
被覆材の被覆割合Ｘ（被覆材断面積／芯材断面積）は、０．０５００＜Ｘ≦０．０６３０である。このような被覆材とすることにより、ボンディング後、銅と電極金属の接合界面にニッケルの濃化層が連続的に残存することができ、さらに、銅と電極金属間に虚弱な金属間化合物（たとえば、Ｃｕ９Ａｌ４、Ｃｕ３Ａｌ２などＡｌよりもＣｕの比率が高い化合物）相が形成されることを防止できる。
また、被覆材の被覆割合Ｙ（被覆材厚／ワイヤ半径）は、０．０２５０≦Ｙ≦０．０３００である。このような割合で被覆材を覆うことにより、ボンディング後、銅と電極金属の接合界面にニッケルの濃化層が連続的に残存することができ、さらに、銅と電極金属間に虚弱な金属間化合物相が形成されることを防止できる。
なお、ＸおよびＹは次のような式で計算した値のことをいう。
Ｘ＝（被覆材断面積）／芯材断面積）＝（ａ２−（ａ−ｂ）２）／（ａ−ｂ）２
Ｙ＝（被覆材厚／ワイヤ半径）＝ｂ／ａ
（ただし、ａ：ボンディングワイヤ半径、ｂ：被覆材厚）
被覆材の厚さは、特に限定されない。通常０．２５〜０．４０μｍであり、好ましくは０．３０〜０．３５μｍである。
ボンディングワイヤの直径は、特に限定されない。通常２０〜５０μｍであり、好ましくは２０〜３０μｍである。
＜ボールボンディング方法＞
本発明のボンディングワイヤを用い、ワイヤの先端を放電より加熱溶融させて、表面張力によりボールを形成させ、該ボールを、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体装置の電極上にキャピラリで圧着接合する。
ボール径については、ワイヤ径に対して、１．４≦（ボール径／ワイヤ径）≦２．１とすることが好ましい。これにより、ボールの明らかな形状不良を防止できるとともに、ボールと電極の接合界面にニッケル濃化層を連続的に残存させ、一部露出した銅表面にアルミニウム耐食膜を連続的に形成させて、さらに２００℃高温保存試験において十分な信頼性を有させることができる。
ボール形成雰囲気は窒素（Ｎ）などの不活性ガスと水素（Ｈ）ガス５％の混合ガスとした。水素（Ｈ）は爆発の危険があるため、少ないほうが良いが、一方で、酸素（Ｏ）と反応して、ボールの酸化をより防ぐことができる（還元作用）。ただし、上記混合ガスを吹き付けても、酸素（Ｏ）は完全に除去されることができず、一部残存してしまう。ガスの吹き付け量は、任意であるが、多すぎると、ボール形成時のアークを消してしまい、ボール形成が困難であり、少なすぎると、ガスの不活性、還元効果が薄れるおそれがある。
＜半導体装置＞
本発明の半導体装置は、図１に示すように、本発明のボンディングワイヤの一端を本発明のボールボンディング方法により、半導体素子側電極５に接合し、もう一端をキャピラリで超音波圧着により、外部リード７に接合することで製造される。
図６に示すように、本発明のボンディングワイヤのボールと電極との接合界面にはニッケルの濃化層が連続的に形成されている。具体的には、ボンディングワイヤのボールと電極との接合界面に連続的な５０ｗｔ％以上のニッケル濃化層が厚さ１００ｎｍ以上で形成されている。これは、被覆材のニッケルが、Ｘ(被覆材断面積/芯材断面積)=０．０５００＜Ｘ≦０．０６３０で、Ｙ（被覆材厚／ワイヤ半径）＝０．０２５０≦Ｙ≦０．０３００で被覆するためだと考えられる。
また、図６に示すように、本発明のボンディングワイヤのボールと電極との接合界面以外の表面は、一部ニッケル濃化層が不連続な箇所があるが、そこには５ｗｔ％以上のアルミニウム濃化層１７が厚さ０．１ｎｍ〜１０ｎｍで形成されている。アルミニウム濃化層１７は例えばＣｕＡｌ２などから構成される。これは、ボンディングワイヤの芯材におけるアルミニウム含有量が３００〜５０００ｐｐｍであるためだと考えられる。
以下に、本発明を実施例および比較例によりさらに具体的に説明するが、これらの実施例および比較例により本発明が限定されるものではない。
＜実施例１＞
芯材の主成分となる銅（Ｃｕ）中にアルミニウム（Ａｌ）を３００ｐｐｍ添加した直径２００μｍのアルミニウム添加銅ボンディングワイヤに電気メッキにてニッケルの被覆層を形成した。このときの被覆層の厚さは、最終の線径になったときに、目標の被覆層厚０．３μｍになるよう調整した。次にそれをワイヤ径２０μｍになるまで伸線した。
Ｘ(被覆材断面積/芯材断面積)=０．０６２８、Ｙ（被覆材厚／ワイヤ半径）＝０．０３００に伸線されたボンディングワイヤを用い、窒素（Ｎ）ガスと水素（Ｈ）ガス５％の混合ガス雰囲気で、ワイヤの先端を放電より、加熱溶融させて、直径４２μｍのボールを形成した。このとき、ボール形状の判定は、ワイヤの芯に対し、ボールが明らかに偏芯しているものを「×」とし、それ以外のものを「○」とした。その結果、ボール形状は「○」であった。
次に、ワイヤのボールを接合温度２００℃にて、厚さ１μｍのアルミニウム電極上に接合し、接合部断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した。このとき、接合界面Ｎｉ濃化層の判定は、ボールと電極との接合界面に連続的な５０ｗｔ％以上のニッケル濃化層が厚さ１００ｎｍ以上で残存していないものを「×」とし、それ以外のものを「○」とした。その結果、接合界面Ｎｉ濃化層は「○」であった。
また、ボールと電極との接合界面以外の表面は、一部ニッケル濃化層が不連続な箇所があった。この箇所の断面を、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した。このとき、表面Ａｌ濃化層の判定は、ボールと電極との接合界面以外の表面に連続的な少なくとも５ｗｔ％以上のアルミニウム濃化層が厚さ０．１ｎｍ〜１０ｎｍで存在していないものを「×」とし、それ以外のものを「○」とした。その結果、表面Ａｌ濃化層は「○」であった。
次に、高温でも剥離しないように、Ｓを含む密着付与剤が添加された樹脂で上記のように接合されたボンディングワイヤを封止し、２００℃の高温保存試験を行った。このとき、２００℃高温保存試験の判定は、３０００時間後に、接触抵抗値上昇が２０％以下であったものを「○」とし、それ以外のものを「×」とした。その結果、３０００時間後でも抵抗値上昇がなく、良好に接合されているため、「○」であった。
＜実施例２〜実施例４、比較例１〜比較例１１＞
表１に示す条件とする以外は、実施例１と同様にして、ボール形状の判定、接合界面Ｎｉ濃化層の判定、表面Ａｌ濃化層の判定、２００℃高温保存試験を行った。その結果を表１に示す。
＜実施例５〜実施例６＞
表１に示すとおり、芯材にさらにニッケルやパラジウムを添加した以外は、実施例１と同様にして、ボール形状の判定、接合界面Ｎｉ濃化層の判定、表面Ａｌ濃化層の判定、２００℃高温保存試験を行った。その結果を表１に示す。
Figure 2014232762
表１からわかるように、実施例１〜実施例６のボンディングワイヤは２００℃高温保存試験において十分な信頼性を示したが、比較例１〜比較例１１のボンディングワイヤは本発明の効果を奏しなかった。
本発明は、ボンディングワイヤ、それを用いたボールボンディング方法及び半導体装置に好適に利用することができる。
１ 半導体素子側ボンディング点、２ ボンディングワイヤ、３ ボール、４ 半導体素子、５ 電極、６ 外部リード側ボンディング点、７ 外部リード、８ 放電、９ キャピラリ、１０ 芯材、１１ 被覆材、１２ アルミニウム、１３ 銅酸化膜、１４ 有機酸、１５ 腐食性ガス、１６ 銅腐食エリア、１７ アルミニウム濃化層。

Claims (8)

  1. 芯材と、該芯材の表面を被覆した被覆材を有するボンディングワイヤであって、
    前記芯材は、銅を主成分としアルミニウムを３００〜５０００ｐｐｍ含むものであり、
    前記被覆材は、ニッケルであり、被覆材断面積／芯材断面積で定義される被覆割合（Ｘ）が、０．０５００＜Ｘ≦０．０６３０であるボンディングワイヤ。
  2. 芯材と、該芯材の表面を被覆した被覆材を有するボンディングワイヤであって、
    前記芯材は、銅を主成分としアルミニウムを３００〜５０００ｐｐｍ含むものであり、
    前記被覆材は、ニッケルであり、被覆材厚／ワイヤ半径で定義される被覆割合（Ｙ）が０．０２５０≦Ｙ≦０．０３００であるボンディングワイヤ。
  3. 前記芯材は、さらにニッケルおよびパラジウムの少なくともいずれかを１〜１００ｐｐｍ含む請求項１または２に記載のボンディングワイヤ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のボンディングワイヤを加熱溶融してボールを形成させ、該ボールを半導体装置の電極に接合するボールボンディング方法。
  5. 前記ボールの径と前記ボンディングワイヤの径の比率が１．４〜２．１である請求項４に記載のボールボンディング方法。
  6. 請求項４または５に記載のボールボンディング方法により製造される半導体装置。
  7. 前記ボールと前記電極の接合界面に、連続的な５０ｗｔ％以上のニッケル濃化層が厚さ１００ｎｍ以上で形成されている請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記ボールの連続的な５０ｗｔ％以上のニッケル濃化層がない表面に、少なくとも５ｗｔ％以上のアルミニウム濃化層が厚さ０．１ｎｍ〜１０ｎｍで形成されている請求項６または７に記載の半導体装置。
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