JP2016004970A - 銅ボンディングワイヤの接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子の電極との間の接合信頼性に優れた銅ボンディングワイヤの接合方法を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる芯材10をパラジウム11で被覆した銅ボンディングワイヤ12の先端部を被接合部14に押圧して接合する方法において、シールドガス雰囲気16中で、銅ボンディングワイヤ12の先端部で発生させるアーク放電18の放電電流値と放電時間を調節して、銅ボンディングワイヤ12の先端部の芯材10が溶融した芯材溶融物22を球状に変形させながら、芯材溶融物22から分離して銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動したパラジウム分離物23を溶融させることにより、先端側に芯材溶融物22の固化相が露出した球状のボール部13を形成し、ボール部13の先端を被接合部14に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層25を形成する。
【選択図】図1
【解決手段】銅又は銅合金からなる芯材10をパラジウム11で被覆した銅ボンディングワイヤ12の先端部を被接合部14に押圧して接合する方法において、シールドガス雰囲気16中で、銅ボンディングワイヤ12の先端部で発生させるアーク放電18の放電電流値と放電時間を調節して、銅ボンディングワイヤ12の先端部の芯材10が溶融した芯材溶融物22を球状に変形させながら、芯材溶融物22から分離して銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動したパラジウム分離物23を溶融させることにより、先端側に芯材溶融物22の固化相が露出した球状のボール部13を形成し、ボール部13の先端を被接合部14に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層25を形成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体素子の電極に接合する銅ボンディングワイヤの接合方法に関する。
現在、半導体素子の電極と外部端子との間を接続するボンディングワイヤとして、線径が50μm以下の細線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や、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ治具等が用いられる。ボンディングワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボール部を形成させた後、150〜300℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上に、このボール部を圧着接合せしめ、その後に、直接ボンディングワイヤを外部リード側に超音波熱圧着により接合させる。
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度の金が主として用いられているが、金は高価であるという問題がある。このため、金ボンディングワイヤから、材料費が安価で、電気伝導性、ボール接合性に優れたボンディングワイヤとして、例えば、高純度銅を使用したボンディングワイヤが検討されている。しかし、高純度銅は酸化し易いため、管理や使用において細心の注意を払う必要があること、ボンディング後においても表面酸化が避けられず信頼性に劣る等の問題が顕在化している。そこで、表面酸化を防止するため、高純度銅線を貴金属あるいは耐食性金属で被覆した銅ボンディングワイヤが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、広いボール径範囲に亘って、真球のボール部を安定的に形成することが可能なボンディングワイヤとして、銅を主成分とする芯材、芯材上に形成され金又は白金からなる異種金属層、及び異種金属層の上に形成され、銅よりも融点が200℃以上高い耐酸化性金属からなる被覆層を有する銅ボンディングワイヤが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、銅ボンディングワイヤの酸化を防止すると共に、一定のボール径を有する真球のボール部を安定的に形成することにより、ボール部を半導体素子の電極に押付けた際の変形性を制御しても、半導体素子の電極とボンディングワイヤとの間の接合信頼性を安定化することができないという問題が生じている。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、半導体素子の電極との間の接合信頼性に優れた銅ボンディングワイヤの接合方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法は、銅又は銅合金からなる芯材をパラジウムで被覆した銅ボンディングワイヤの先端部を、加熱した被接合部に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて該被接合部と接合する銅ボンディングワイヤの接合方法において、
シールドガス雰囲気中で、前記銅ボンディングワイヤの先端部で発生させるアーク放電の放電電流値と放電時間をそれぞれ調節することにより前記銅ボンディングワイヤの先端部を加熱し、前記芯材を溶融させて芯材溶融物を形成させながら、該芯材から分離したパラジウム分離物を前記銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動させた後、前記芯材溶融物を前記銅ボンディングワイヤの先端側で球状に変形させると共に前記パラジウム分離物を溶融させることにより、先端側に前記芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を前記銅ボンディングワイヤの先側に形成し、
前記ボール部の先端を前記被接合部に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層を形成する。
シールドガス雰囲気中で、前記銅ボンディングワイヤの先端部で発生させるアーク放電の放電電流値と放電時間をそれぞれ調節することにより前記銅ボンディングワイヤの先端部を加熱し、前記芯材を溶融させて芯材溶融物を形成させながら、該芯材から分離したパラジウム分離物を前記銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動させた後、前記芯材溶融物を前記銅ボンディングワイヤの先端側で球状に変形させると共に前記パラジウム分離物を溶融させることにより、先端側に前記芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を前記銅ボンディングワイヤの先側に形成し、
前記ボール部の先端を前記被接合部に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層を形成する。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しない(即ち、合金層は、ボール部、即ち、芯材を形成する材料(金属)と被接合部を形成する材料(金属)との相互拡散により構成される)ことが好ましい。
このような合金層を介在させることにより、銅ボンディングワイヤ(芯材)側と被接合部側との間で、組成的な不連続の発生を防止することができる。
なお、合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しなければよいので、パラジウムが合金層に固溶する場合、固溶限以下のパラジウムが合金層に含有されていても問題はない。従って、芯材溶融物の形成に伴ってパラジウム分離物が銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動する際、パラジウム分離物が全て移動することまでは要求されず、合金層におけるパラジウムの固溶限以下となる量のパラジウム分離物は、芯材溶融物と共に存在してもよいことになる。
このような合金層を介在させることにより、銅ボンディングワイヤ(芯材)側と被接合部側との間で、組成的な不連続の発生を防止することができる。
なお、合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しなければよいので、パラジウムが合金層に固溶する場合、固溶限以下のパラジウムが合金層に含有されていても問題はない。従って、芯材溶融物の形成に伴ってパラジウム分離物が銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動する際、パラジウム分離物が全て移動することまでは要求されず、合金層におけるパラジウムの固溶限以下となる量のパラジウム分離物は、芯材溶融物と共に存在してもよいことになる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記銅ボンディングワイヤの線径を20〜30μmとし、前記放電電流値が30ミリアンペアを超え50ミリアンペア未満では、前記放電時間を450マイクロ秒以下300マイクロ秒以上に設定することが好ましい。
これにより、銅ボンディングワイヤの先端部の芯材が溶融して形成される芯材溶融物を球状に変形させながら、芯材溶融物から分離して銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動したパラジウム分離物を更に溶融させることができ、先端側に芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を、銅ボンディングワイヤの先側に形成することができる。
これにより、銅ボンディングワイヤの先端部の芯材が溶融して形成される芯材溶融物を球状に変形させながら、芯材溶融物から分離して銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動したパラジウム分離物を更に溶融させることができ、先端側に芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を、銅ボンディングワイヤの先側に形成することができる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記ボール部の直径を30〜35μmの範囲に設定することができる。
銅ボンディングワイヤにおいて、アーク放電の放電電流値と放電時間から、溶融できる銅の質量が決まるので、形成できるボール部の直径が30〜35μmの範囲となる。
銅ボンディングワイヤにおいて、アーク放電の放電電流値と放電時間から、溶融できる銅の質量が決まるので、形成できるボール部の直径が30〜35μmの範囲となる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法においては、既存のボンディングワイヤの接合設備を用いて、アーク放電条件である放電電流値と放電時間を設定するだけで、芯材がパラジウムで被覆された銅ボンディングワイヤと半導体素子の電極との間の接合信頼性を向上することができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係る銅ボンディングワイヤの接合方法では、図1(A)に示すように、銅又は銅合金からなる芯材10がパラジウム11で被覆された銅ボンディングワイヤ12の先端部に形成したボール部13の先端を加熱した図示しない半導体素子に設けた電極14(被接合部の一例)に当接させ、次いで、図1(B)に示すように、ボール部13を電極14に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて電極14と接合する連結部15を形成することにより、銅ボンディングワイヤ12を電極14に接合している。以下、詳細に説明する。
本発明の一実施の形態に係る銅ボンディングワイヤの接合方法では、図1(A)に示すように、銅又は銅合金からなる芯材10がパラジウム11で被覆された銅ボンディングワイヤ12の先端部に形成したボール部13の先端を加熱した図示しない半導体素子に設けた電極14(被接合部の一例)に当接させ、次いで、図1(B)に示すように、ボール部13を電極14に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて電極14と接合する連結部15を形成することにより、銅ボンディングワイヤ12を電極14に接合している。以下、詳細に説明する。
図2に示すように、銅ボンディングワイヤ12の芯材10の酸化を防止するシールドガス雰囲気の一例である混合ガス気流16(例えば、窒素ガス95体積%、水素ガス5体積%)中で、銅ボンディングワイヤ12の先端部と放電電極17との間で発生させるアーク放電18の放電電流値に応じて放電時間を調節して、銅ボンディングワイヤ12の先端部にボール部13を形成する。ここで、銅ボンディングワイヤ12の線径は、例えば、20〜30μmである。そして、放電電流値は30ミリアンペアを超え50ミリアンペア未満とし、放電時間は450マイクロ秒以下300マイクロ秒以上に設定している。
なお、図2において、符号19は、銅ボンディングワイヤ12をその中央部に挿通させて先側から銅ボンディングワイヤ12の先端部を突出させると共に、銅ボンディングワイヤ12を把持して移動させるキャピラリ治具である。また、符号20は、内部に放電電極17が配置されたセラミック製(例えば、アルミナ製)の端封管である。端封管20の端封部側に形成された貫通孔21の上方から銅ボンディングワイヤ12の先端部を挿入させ、開口側から混合ガスを供給し貫通孔21から放出して内部に混合ガス気流16を形成させることにより、放電電極17と銅ボンディングワイヤ12の先端部の周囲を非酸化性雰囲気に保っている。
図3(A)に示すように、混合ガス気流16下で、線径が20〜30μmの銅ボンディングワイヤ12の先端部と放電電極17の間で、放電電流値を30ミリアンペアを超え50ミリアンペア未満に設定してアーク放電18を発生させると、銅ボンディングワイヤ12の先端部が加熱されて、先端部の温度は上昇する。これにより、図3(B)に示すように、銅ボンディングワイヤ12の先端部においては、先ず融点の低い芯材10の一部が溶融して芯材溶融物22が形成され、芯材溶融物22から分離したパラジウム分離物23は銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動する。そして、アーク放電18中に銅ボンディングワイヤ12の先端部の温度は更に上昇するので、銅ボンディングワイヤ12の先端部の芯材10の溶融が進み、芯材溶融物22及び銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動したパラジウム分離物23はそれぞれ増加していく。
温度が上昇して一定量の芯材溶融物22が形成されると、銅ボンディングワイヤ12の先端側では芯材溶融物22が表面張力により球状に変形する。また、温度がパラジウムの融点に到達すると、銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動したパラジウム分離物23は溶融を開始する。そして、放電時間が450〜300マイクロ秒の範囲に設定されているので、温度がパラジウムの融点に到達した後にアーク放電18は停止することになって、銅ボンディングワイヤ12の先端部の冷却が開始する。その結果、図3(C)に示すように、先端側に芯材溶融物22の固化相が露出し、銅ボンディングワイヤ12と連接する基側の表面にパラジウム分離物23が溶融した後に固化して形成されたパラジウム層24が存在する球状のボール部13が形成されることになる。
銅ボンディングワイヤ12の先端部をアーク放電18により加熱した場合、放電電流値と放電時間で銅ボンディングワイヤ12の先端部に供給される熱量が決まるので、溶融する芯材10(得られる芯材溶融物22)の質量が決まる。従って、線径が20〜30μmの銅ボンディングワイヤ12の先端部を、放電電流値を30ミリアンペアを超え50ミリアンペア未満に設定し、ボール部13の直径を30〜35μmに想定すると、放電時間は450〜300マイクロ秒の範囲となる。
ここで、放電電流値を30ミリアンペア以下とすると、銅ボンディングワイヤ12の先端部の芯材10の溶融が生じ難く、芯材10を被覆しているパラジウムをパラジウム分離物23として銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動させることが困難になるため好ましくない。一方、50ミリアンペア以上に放電電流値を設定すると、銅ボンディングワイヤ12の先端部で芯材10とパラジウムが同時に溶融することになって、芯材溶融物22とパラジウム溶融物の混合が生じ、パラジウムをパラジウム分離物23として銅ボンディングワイヤ12の基側に向けて移動させることが困難になるため好ましくない。
450マイクロ秒を超える放電時間を設定すると、放電電流値を小さく設定してパラジウム溶融物の生成を芯材溶融物22の生成に対して遅らせても、パラジウム溶融物と芯材溶融物22との混合が生じるため好ましくない。一方、放電時間を300マイクロ秒未満に設定すると、放電電流値を大きく設定して芯材溶融物22の生成を促進しても、直径が30〜35μmのボール部13の形成に必要な量の芯材溶融物22が得られない。
そして、ボール部13の先端を電極14に押圧しながら超音波振動を加え、ボール部13を変形させて電極14と接合する連結部15を形成すると、ボール部13の先端側には芯材溶融物22の固化相が露出しているので、芯材溶融物22の固化相と電極14が当接することになる。このため、連結部15と電極14の間に形成される接合界面には、電極14を構成する材料と芯材溶融物22の固化相との相互拡散により形成される、即ち、パラジウムを含有する析出相が存在しない合金層25が一様に存在することになる。接合界面に合金層25が一様に形成されることにより、連結部15を介した銅ボンディングワイヤ12と電極14との間の接合信頼性が向上する。
線径が20μmのパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に直径が33μmのボール部を形成することを目標として、混合ガス雰囲気中で、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部との間でアーク放電(放電電流40mA、放電時間350μs)を発生させてボール部を形成した。次いで、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に形成したボール部を、半導体素子のアルミニウム電極に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて接合した。なお、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤを接合するアルミニウム電極は、予め240℃に加熱したヒータブロック上に載置する。形成されたボール部の平均直径は33.4μm、ボール部とアルミニウム電極との間のシェア強度の平均値は19.6gf、ボール部とアルミニウム電極との間の引張強度の平均値は7.3gfであった。
また、アルミニウム電極にパラジウム被覆銅ボンディングワイヤが接合された半導体素子を樹脂封止した後、50個の半導体素子を一つのグループとして、グループ毎に200、400、600、800、及び1000時間の、温度121℃の飽和加圧蒸気試験(PCT)を実施し、各グループ毎に接合界面に腐食クラック(例えば、接合界面部が酸化することにより発生するクラック)が発生した半導体素子の個数を求めたところ、時間が800時間までは腐食クラックの発生はなく、1000時間では3個(発生率6%)であった。測定結果を表1にまとめて示す。また、図4に、飽和加圧蒸気試験時間(PCT時間)と接合界面で腐食クラック(腐食割れ)の発生した半導体素子の個数との関係を示す。
比較例として、実施例で使用したパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に、アーク放電条件(放電電流と放電時間の関係)を調節して直径33μmのボール部を形成することを目標とし、実施例と同様の方法でアルミニウム電極に接合し、ボール部の平均直径、平均シェア強度、平均引張強度を測定した。また、アルミニウム電極にパラジウム被覆銅ボンディングワイヤが接合された半導体素子を樹脂封止した後、実施例と同様の方法で121℃の飽和加圧蒸気試験を行い、接合界面に腐食クラックが発生した半導体素子の個数を求めた。その結果を表1に示す。
表1に示すように、ボール部の直径を略33μmに調節することにより、ボール部が変形した連結部とアルミニウム電極との間の接合界面の面積を略一定にすることができ、実施例、比較例1〜4において、シェア強度と引張強度はそれぞれ近い値を示している。
一方、飽和加圧蒸気試験を行うと、実施例では800時間の飽和加圧蒸気試験を行っても、接合界面に腐食クラックが発生した半導体素子は存在せず、高い接合信頼性を有していることに対して、比較例1〜4では、800時間の飽和加圧蒸気試験を行うと、接合界面に腐食クラックが発生する半導体素子が現れ、接合信頼性が劣ることが確認できた。
一方、飽和加圧蒸気試験を行うと、実施例では800時間の飽和加圧蒸気試験を行っても、接合界面に腐食クラックが発生した半導体素子は存在せず、高い接合信頼性を有していることに対して、比較例1〜4では、800時間の飽和加圧蒸気試験を行うと、接合界面に腐食クラックが発生する半導体素子が現れ、接合信頼性が劣ることが確認できた。
更に、比較例2〜4では、放電電流が大きいほど、短い飽和加圧蒸気試験で接合界面に腐食クラックが発生する半導体素子が現れることが確認できた。比較例2〜4では、図5(A)に示すように、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部と放電電極との間で放電電流が大きなアーク放電を発生させているので、先端部の温度が一気にパラジウムの融点を超えるため、図5(B)に示すように、芯材である銅線と銅線を被覆していたパラジウムが同時に溶融することになる。そして、一定量の銅溶融物が形成されると、銅溶融物は表面張力で球体に変形し、銅溶融物の移動に伴ってパラジウム溶融物は球体の表面及び内部に分散する。その後、アーク放電が停止すると、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部の冷却が開始し、図5(C)に示すように、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側には、銅からなる球体の表層にパラジウムが分散したボール部が形成されることになる。
従って、ボール部の先端をアルミニウム電極に押圧しながら超音波振動を加え、ボール部を変形させてアルミニウム電極と接合する連結部を形成すると、ボール部の表層にはパラジウムが分散しているので、アルミニウム電極上では、銅が当接する部分と、パラジウムが当接する部分が混在することになる。このため、連結部とアルミニウム電極の間に形成される接合界面には、アルミニウムと銅の相互拡散により形成される合金層中にパラジウムを含有する析出相が存在することになって、一様な接合層が形成されない。その結果、半導体素子の飽和加圧蒸気試験を実施すると、アルミニウム電極毎に連結部との接合界面の状況が変化することになって、接合信頼性は低下することになる。
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
10:芯材、11:パラジウム、12:銅ボンディングワイヤ、13:ボール部、14:電極、15:連結部、16:混合ガス気流、17:放電電極、18:アーク放電、19:キャピラリ治具、20:端封管、21:貫通孔、22:芯材溶融物、23:パラジウム分離物、24:パラジウム層、25:合金層
Claims (4)
- 銅又は銅合金からなる芯材をパラジウムで被覆した銅ボンディングワイヤの先端部を、加熱した被接合部に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて該被接合部と接合する銅ボンディングワイヤの接合方法において、
シールドガス雰囲気中で、前記銅ボンディングワイヤの先端部で発生させるアーク放電の放電電流値と放電時間をそれぞれ調節することにより前記銅ボンディングワイヤの先端部を加熱し、前記芯材を溶融させて芯材溶融物を形成させながら、該芯材から分離したパラジウム分離物を前記銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動させた後、前記芯材溶融物を前記銅ボンディングワイヤの先端側で球状に変形させると共に前記パラジウム分離物を溶融させることにより、先端側に前記芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を前記銅ボンディングワイヤの先側に形成し、
前記ボール部の先端を前記被接合部に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層を形成することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。 - 請求項1記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しないことを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
- 請求項1又は2記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記銅ボンディングワイヤの線径を20〜30μmとし、前記放電電流値が30ミリアンペアを超え50ミリアンペア未満では、前記放電時間を450マイクロ秒以下300マイクロ秒以上に設定することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
- 請求項3記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記ボール部の直径を30〜35μmの範囲に設定することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
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