JP2714560B2 - ダイレクトボンディング性の良好な銅合金 - Google Patents

ダイレクトボンディング性の良好な銅合金

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体機器のリード材用銅合金に、ワイヤー
ボンディング用リード線を直接接着（ダイレクトボンデ
ィング）する事を可能にするダイレクトボンディング性
の良好な銅合金に関する。
［従来の技術］ 従来、半導体機器は、まず銅または銅合金のリード材
用素材を打抜き又はエッチングにより所定の形状に成形
し、次に、半導体素子の接合部分および半導体素子とリ
ード材とを金線等でワイヤーボンディングするために、
リード材の所定部分へメッキを行い、ついでメッキされ
た部分へ半導体素子をダイボンドしさらに半導体素子と
リード材をワイヤーボンディング用リード線でワイヤー
ボンディングを行い、最後にこれを封止して製品として
いた。
これから分かるように、リード材と半導体素子および
半導体素子とリード材との接合のためには、必ずメッキ
を必要としていた。
ところがメッキ操作自体は、微小な個所へのメッキで
あるために、非常に高い精度を必要とし、メッキの良否
がダイボンドおよびワイヤーボンドに直接影響を与え
て、場合により不良品が発生した。
また半導体素子およびリード材との材質の関係および
耐久性、電導性、付着性などからみて、金または銀のメ
ッキが行われているが、これが半導体機器の非常なコス
ト高を招いた。
このためメッキ厚やメッキ面積を減少させたり、また
前記金や銀にかえて、卑金属を用いることなどを検討し
ているが、あまり画期的な効果は上っていない。
さらに半導体素子のダイボンドのみをペーストで代替
させて接合する技術が開発されて、半導体素子のダイボ
ンドの際のメッキが一応不要となったが、あいかわらず
リード材と半導体素子とを金線で接合するワイヤーボン
ディングの為にはメッキが必要であり、工程数はいっこ
うに減少せず、根本的な解決策にはなっていない。
ところで、ダイレクトボンディング性を改善させるべ
く、過去にリードフレーム材料の観点から若干の検討は
行われている。例えば特公昭62−46071では材料の表面
粗さが最大高さ（Rmax）で0.5μｍ以下とする事、ある
いはさらに析出物、介在物等の単一面積が３×10-6mm2
以下にする事でダイレクトボンディング性が改善される
事がわかっている。
［発明が解決しようとする課題］ 実際の製品に上記公知技術を適用した場合、要求され
る信頼性が高いIC、LSI、VLSI製品としては、まだまだ
満足できるレベルにはなっておらず、一部トランジスタ
ー用に使用されている現状である。
従って、ダイレクトボンディング性という観点から一
層の改善をはかり、トランジスターからVLSIまでの全て
の半導体製品に適用できるリードフレーム用銅合金が望
まれている。
［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、ダイレクトボンディング性に及ぼす種
々の材料因子について検討を行ったところ、材料の表面
粗さ規定はRmaxでは不十分であり、中心線平均粗さ（R
a）といった全体的な表面粗さのレベルの規定が必要で
あることを見出した。従来Rmax0.5μｍ以下といわれて
いたが、一部Rmax0.5μｍを越えてもRaがある値以下で
あれば優れたダイレクトボンディング性を示す事等が判
明した。
さらに、材料の硬さもある値以上にしなければならな
い事を見出した。
そこで、本発明はNi 0.4〜4.0重量％、Si 0.1〜1.0
重量％を含み、残部Cu及び不可避不純物からなる合金の
材料表面を表面硬さがHv 180以上で、かつ表面粗さが
中心線平均粗さ（Ra）で0.15μｍ以下、最大高さ
（Rmax）で0.8μｍ以下となるように調整することによ
り、ワイヤーボンディング用リード線を直接接着可能と
したことを特徴とするダイレクトボンディング性の良好
な銅合金およびNi 0.4〜4.0重量％、Si 0.1〜1.0重量
％を含み、残部Cu及び不可避不純物からなる合金に副成
分としてＰ、As、Sb、Fe、Co、Cr、Sn、Al、Ti、Zr、M
g、Be、Mn、Zn、In、Ｂ、Hf、希土類元素からなる群よ
り選択された１種又は２種以上を総量で0.001〜2.0重量
％添加した合金の材料表面を表面硬さがHv 180以上で
かつ表面粗さが中心線平均粗さ（Ra）で0.15μｍ以下、
最大高さ（Rmax）で0.8μｍ以下となるように調整する
ことにより、ワイヤーボンディング用リード線を直接接
着可能としたことを特徴とするダイレクトボンディング
性の良好な銅合金および前記合金で析出粒子が５μｍ以
下であるダイレクトボンディング性の良好な銅合金およ
び前記合金で酸素含有量が10ppm以下であるダイレクト
ボンディング性の良好な銅合金である。
次に合金成分並びに他の項目の限定理由を説明する。
Niの含有量を0.4〜4.0重量％とする理由は、Ni含有量が
0.4重量％未満では、Siを0.1重量％以上添加しても高強
度でかつ高導電性を示す合金が得られず、逆にNi含有量
が4.0重量％を超えると加工性が低下し、半田付け性も
低下する為である。
Si含有量を0.1〜1.0重量％とした理由は、Si含有量が
0.1重量％未満ではNiを0.4重量％以上添加しても高強度
でかつ高導電性を示す合金が得られず、Si含有量が1.0
重量％を超えると加工性、導電性の低下が著しくなり、
また半田付け性も低下する為である。
副成分として、Ｐ、As、Sb、Fe、Co、Cr、Sn、Al、T
i、Zr、Mg、Be、Mn、Zn、In、Ｂ、Hf、希土類元素から
なる群より選択された１種以上の総量が0.001重量％未
満では高強度でかつ耐食性のある合金が得られず、また
2.0重量％を超えると導電性の低下及び半田付け性の低
下が著しくなる為である。また酸素含有量を10ppm以下
とした理由は、10ppmを超えるとめっき密着性が低下す
るためである。析出粒子を５μｍ以下にした理由は、５
μｍを越えると半田付け性、めっき密着性が低下するた
めである。
表面粗さをHv 180以上とした理由は、Hv 180未満で
はダイレクトボンディング後のボンディングワイヤーの
接着強度が低く、樹脂封止工程等での剥離を起こす場合
があるためである。
表面粗さを中心線平均粗さ（Ra）で0.15μｍ以下、最
大高さ（Rmax）で0.8μｍ以下とした理由は、安定して
強い接着を得るには、表面の平均的レベルが低く、かつ
部分的にも有害な粗さにならない事が必要であるためで
ある。すなわち、本合金系ではRaが0.15μｍを超えると
接着強度が低下し、また、Raが0.15μｍ以下であっても
Rmaxが0.8μｍを超えるとその部分の密着強度が低下
し、前述したように樹脂封止工程等でのストレスにより
剥離を起こす場合があり、信頼性を損ねるためである。
［実施例］ 第１表に示す組成の合金材料を、インゴットから熱間
圧延さらには冷間圧延、焼鈍（溶体化焼鈍及び時効熱処
理を含む）のくり返しにより0.25mm厚さの板とした。こ
の際、表面硬さの違いは時効熱処理後圧延したり、さら
にそれを熱処理したり、過時効させたり、溶体化させる
といった方法を用い作り分けた。
また、表面粗さは各種表面粗さの圧延ロールを用いた
り、最終板厚になった後に、各種粗さの表面研摩を行い
作製した。
このようにして製造した各種試料にワイヤーボンディ
ングを行い、見かけ上の接合状態を観察するとともに、
プルテストによる接合強度の測定並びに破断箇所の観察
を行った。
なお、ワイヤーボンディングとしてはサーモソニック
法を用い、以下に示すボンディング条件で行った。
ボンディングワイヤの材質及びワイヤ径:Cu線25μｍ
φ、雰囲気:10Vol％H2−Ar、超音波出力:0.1W、基板温
度:300℃、加圧力:80g、時間:25msec。
結果を第１表に示す。この結果からもわかるように表
面硬さがHv 180以上でかつ表面粗さもRaで0.15μｍ以
下、Rmaxで0.8μｍ以下という全ての条件がそろった時
に始めて、従来のメッキ材並のボンディング性が得られ
る事がわかる。
［発明の効果］ 本発明は、ある特定の成分系で表面硬さ、表面粗さ等
を特定の範囲内になるように作り込むことにより、ダイ
レクトボンディング性を改善し、IC用としても信頼性を
持って使用可能ならしめたもので、メッキ工程を省き、
コストを大巾に減少させる極めて実用的価値の高いもの
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 時田 正憲 大阪府東大阪市岩田町２丁目３番１号 タツタ電線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−109134（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−86838（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−18744（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−145749（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Ni 0.4〜4.0重量％、Si 0.1〜1.0重量％
    を含み、残部Cu及び不可避不純物からなる合金の材料表
    面を表面硬さがHv 180以上で、かつ表面粗さが中心線
    平均粗さ（Ra）で0.15μｍ以下、最大高さ（Rmax）で0.
    8μｍ以下となるように調整することにより、ワイヤー
    ボンディング用リード線を直接接着可能としたことを特
    徴とするダイレクトボンディング性の良好な銅合金。
  2. 【請求項２】Ni 0.4〜4.0重量％、Si 0.1〜1.0重量％
    を含み、残部Cu及び不可避不純物からなる合金に副成分
    としてＰ、As、Sb、Fe、Co、Cr、Sn、Al、Ti、Zr、Mg、
    Be、Mn、Zn、In、Ｂ、Hf、希土類元素からなる群より選
    択された１種又は２種以上を総量で0.001〜2.0重量％添
    加した合金の材料表面を表面硬さがHv 180以上で、か
    つ、表面粗さが中心線平均粗さ（Ra）で0.15μｍ以下、
    最大高さ（Rmax）で0.8μｍ以下となるように調整する
    ことにより、ワイヤーボンディング用リード線を直接接
    着可能としたことを特徴とするダイレクトボンディング
    性の良好な銅合金。
  3. 【請求項３】析出粒子が５μｍ以下である特許請求範囲
    （１）又は（２）の銅合金。
  4. 【請求項４】酸素含有量が10ppm以下である特許請求範
    囲（１）、（２）又は（３）の銅合金。
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