JP2766933B2 - 電子装置 - Google Patents

電子装置

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良一 梶原
弘 和知
孝雄 舟本
朝彦 志田
忠嗣 丹羽
義光 井手
節夫 関根
茂夫 原
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は導体を用いて装置内部を接続してなる電子装
置に係り、特に素子と外部端子を接続するに好適な導体
の接続構造と素材及び製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、半導体素子、磁気ヘッド素子、液晶表示素子、
各種センサーなどの回路素子と外部端子との接続には、
Au線として純Au線や特公昭62−22450号に記載のようなA
u合金線、Al線として純Al線やAl−Si合金線、Cu線とし
て純Cu線、特公昭61−113740号公報に記載のようなCu合
金線、特公昭62−287633号公報、特公昭62−287634号公
報に記載のようなCu特殊線などが使用され、超音波接
合、熱圧着、超音波併用熱圧着などの接続法によって接
続されている。
第７図に示す如く、ウェッジボンディングによる従来
の端子とワイヤの接続構造は、ウェッジボンディングの
際に被覆材（Au,Cuなど）を含むボンディングワイヤ全
体が圧着力により塑性変形し、ワイヤに圧痕やキズが残
存され、接合強度が低下したり、圧痕部からのワイヤ切
れなどが発生しやすく接続部の品質が悪い。またワイヤ
自体の強度が低いためワイヤの断線や健全なループが形
成することがむずかしくショートの原因となり、回路素
子の信頼性に欠ける。さらに従来法では、ボンディング
ワイヤの細径化がむずかしいため素子の高密度化に限界
がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記した従来技術であるAu,Al,Cuなどのボンディング
線を使用した半導体素子、磁気ヘッド素子などの回路素
子端子との接続では、端子にボンディング線を超音波接
合や熱圧着にて接合するが、ボンディング線は圧着され
るために圧痕が付き、つぶれたり、キズが残ったりし、
端子とボンディング線の接合部の接合強度が低く、圧痕
部から切断しやすい。またボンディング線は接合性を向
上させるために延性の高い材料を用いているが、ボンデ
ィング線が強度不足のため接合時又は接合後に断線した
り、たるみが生じてショートしたりして素子の機能を失
うおそれがある。一方、高強度化されたボンディング線
では、接合性が悪く、圧着力が高くなるために素子への
ダメージが大きくなり、信頼性に問題がある。
半導体素子、磁気ヘッド素子などの電子部品は、高密
度実装化の傾向であり、ボンディング線は線径が細くな
り、線径に対して結晶粒径が大きく強度不足や使用中に
成長して断線やショートの原因となる恐れがある。
本発明の目的は、接合強度に優れ、断線やショートが
少なく信頼性の高い電子装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、回路素子と端
子とを導体を用いて接続してなる電子装置において、前
記導体が前記回路素子若しくは端子とその端部を接続す
る時に用いたエネルギにより塑性変形しない芯材と、該
芯材を被覆し前記エネルギにより塑性変形する外周部材
と、からなる複合導体であることを特徴とする電子装置
を構成したものである。
また、本発明は、回路素子と端子とを導体を用いて接
続してなる電子装置において、前記導体を接続する時の
圧力により塑性変形しない芯材と、該芯材を被覆し前気
圧力により塑性変形する導電性の外周部材と、からなる
複合導体であることを特徴とする電子装置を構成したも
のである。
前記各電子装置を構成するに際しては、以下の要素を
付加することができる。
（１）前記導体の芯材と外周部材は、同種金属或いは35
0℃以下で化合物の生成しない金属からなり、或いは前
記芯材に非金属材料を用いてなる。
（２）前記導体の芯材材質は、Au合金、Al合金、Cu合
金、Ni合金、Fe合金、セラミックス、カーボン、プラス
チックの何れかから選ばれたものである。
（３）前記導体の外周部材質は、Au及びAu合金、Al及び
Al合金、Cu及びCu合金、Ag及びAg合金の何れかから選ば
れたものである。
（４）前記導体の芯材と外周部材は同種金属からなり、
該芯材は該外周部材より結晶粒が細くかつ再結晶温度が
高いものである。
（５）前記導体の芯材はAu合金、Al合金、Cu合金であ
り、前記導体の外周部材は該芯材より延性が高い同種金
属又は合金である。
〔作用〕
本発明によれば複合ワイヤの高強度合金又は材料から
なる芯材がボンディング時に塑性変形しない構造であ
り、ボンディング時に複合ワイヤの芯材よりも軟かく、
接合性良好で導電性を有する外周部材が塑性変形され、
端子表面とボンディングされた構造である。この本発明
の端子と複合ワイヤの接続構造とすることによって、ワ
イヤ外周部にボンディングの際の圧痕やキズが残存して
もワイヤ芯材が塑性変形しないことから、ワイヤ圧痕部
からの断線や接合強度の低下を防止でき、接合強度のば
らつきも少なくなる。またワイヤ外周部は電気伝導性が
良好であり、従来の接続構造と同等となり、高品質、高
信頼性の接続部が得られる。
この本発明の複合ワイヤを用いて回路素子端子と外部
端子とを接続することは、ワイヤ芯材が高強度合金又は
材料から構成されているため高強度のワイヤとなり、端
子間のワイヤループが健全で容易にでき、ワイヤのたる
みによるショートを防止できる。またワイヤ外周材にキ
ズができても断線する恐れがなく、信頼性の高い回路素
子の製造ができる。
本発明の接続構造に用いる複合ワイヤはワイヤ芯材が
高強度合金又は材料で構成されていることから、ワイヤ
強度が大きいため細径ワイヤの製造が容易に可能であ
る。この細径ワイヤを回路素子と外部端子との接続に用
いることによって、端子構造を小さくすることができ、
回路素子の高密度化ができる。
本発明の接続構造に用いる複合ワイヤのワイヤ芯材の
結晶粒径をワイヤ外周部材よりも細かくする構造とする
ことによって、ワイヤ芯材の強さを向上させるともに耐
エレクトロマイグレーション性も向上させ、使用中の経
年変化によるワイヤ断線を防止することが可能となる。
本発明の接続構造に用いるワイヤにとって最も重要な
ことは、複合ワイヤの芯材と外周部材との構成比であ
る。すなわち、ワイヤ断面積に占める芯材の面積が多い
場合、ワイヤの変形能が少なく、ボンディング性が悪
く、その接合強度も低く、ワイヤの界面剥離欠陥が発生
し、接続部の品質が問題となる。またボンディング時の
圧着力が増加し、素子自体へのダメージを与える。一
方、ワイヤ断面積に占める芯材の面積が少ない場合、ワ
イヤ強度が低く、ワイヤの断線や健全な端子間のワイヤ
ループが形成されにくく、ワイヤのたるみによるショー
トが発生しやすくなり、信頼性が悪くなる。またワイヤ
の細線化がむずかしい。これらのことから、複合ワイヤ
に占める芯材の面積は、ワイヤ面積の1/5以上で、3/5以
下が最適であり、ワイヤ外周材が塑性変形して端子とボ
ンディングされ、良好な接合構造が得られる。
本発明の接合構造に用いる複合ワイヤの芯材の材質と
しては、高強度の合金又は材料である必要があり、好ま
しい合金としては、Au合金、Al合金、Cu合金、Ni合金、
Fe合金がよい。また合金以外の材料としては、カーボン
ファイバ、セラミックファイバがよく、高強度のプラス
チックファイバでも可能である。
次に本発明の接合構造に用いる複合ワイヤの外周部材
の材質は、芯材よりも延材が高く、導電性及び接合性の
優れた金属又は合金である必要があり、好ましい金属又
は合金としてAu及びAu合金、Al及びAl合金、Cu及びCu合
金がよい。
本発明の複合ワイヤの芯材と外周部材との材料構造
は、同種金属又は合金同士とするのが最も好ましい。た
とえば、ワイヤ芯材が高強度のCu合金とし、外周部材が
Cu又はCu合金とした複合ワイヤとする構成がある。また
他の構成として、350℃以下の温度で化合物の生成や反
応を起さない異種材料同士でもよい。これらによって、
製造時の高温によるワイヤの脆化を防止できる。
本発明の複合ワイヤをボールボンディングに適用する
ためには、芯材及び外周部材の構成は同種金属同士とす
る必要があり、複合ワイヤに占める芯材の面積を極力少
なくすることによって、外周部材による希釈率を高めボ
ール形成の際のボールの硬さを抑え、接合性を確保でき
る。即ちワイヤの外周材の面積が多いと芯材の合金組成
がボール形成時に希釈され、ボールの延性が高くなり、
接合性が向上する。しかしワイヤ断面積に占める芯材面
積が少ないとワイヤの強度が低下し、ループの形成がむ
ずかしく、ショートなどの問題が生ずる。またワイヤ芯
材が多く、ワイヤの外周材が少ないと希釈率が低下し、
ボールの延性が低下し、接合性が悪くなり、端子の損傷
などの悪影響を及ぼす。
本発明の複合ワイヤの構造は、他のリード素材にも適
用でき、ボンディング性が良好である。このリード素材
に配線パターンを形成し、フレキシブルプリント基板と
して使用できる。このフレキシブルプリント基板の端子
は、高強度で曲がったり、欠けたりすることがなく、接
合性も良好である。
この本発明の複合ワイヤにAu被覆層を形成することに
よって、耐食性が良好となり、さらにウェッジボンディ
ング性も向上する。またワイヤ表面に絶縁層を形成する
ことによって、ショートを防ぎ、素子及びその装備の信
頼性を向上させる。
さらに半導体素子用リードフレーム材に本発明の構造
を適用すると、ボンディングワイヤとの接合性が向上す
る。
本発明の複合ワイヤを用いて回路素子端子や外部端子
の超音波接合法、熱圧着法、超音波併用熱圧着法によっ
てボンディングすると、本発明の接続構造が形成でき、
特殊な方法を必要としない。
本発明の接続構造を有する電子装置は、前記ししよう
に高品質、高信頼性が達成される。この接続構造を有す
る装置としては、半導体素子及びその装置、磁気ヘッド
及びその装置、液晶表示素子及びその装置や各種センサ
ーに適用できる。
本発明の複合ワイヤの製造法としては、まず芯材を線
引加工又は圧延加工によって最終線径とした後、芯材を
外周材用中空パイプの中を通しながら線引加工を行い、
所定の線径を複合したワイヤを製造し、複合ワイヤの材
質を調質するために熱処理を行って製造できる。他に外
周材の形成法としては、メッキ法、蒸着法、スパッタリ
ング法によっても形成できる。また製造後調質処理とし
て熱処理を行うことによって複合ワイヤの効果が発揮で
きる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１ 本発明の複合ワイヤとして、Cu合金製複合ワイヤを製
造した、まず芯材は高強度（引張強さ:48kgf/mm2）のCu
−Zr系合金であり、線引加工により線系40,35,30,25,20
μｍとした。次に外周部材となる純度99.99％のCuパイ
プ（内径0.2mm、外径0.35mm）の中に芯材を通し、線引
加工と熱処理を繰返して線径50μｍのCu合金製複合ワイ
ヤを製造した。
次にこの複合ワイヤを用いて、端子（Cuメッキ:10μ
ｍ）にウェッジボンディングを行い、接合性の評価を行
った。
第１図に複合ワイヤをボンディングした状態の縦断面
を示す。複合ワイヤ１は芯材２を被覆する外周部材３と
からなり、外周部材３は基板５上の端子４に接合部６で
ボンディングされ、その時の圧力により塑性変形してい
る。比較ワイヤとして、99.99％Cu線（線径50μｍ）を
用いた。第１表はボンディング条件を示す。条件は周波
数40KHz、出力1.0w、加圧力150g、発振時間0.6sであ
る。第２表は複合ワイヤとウェッジボンディング部の接
合強さを試験する90゜ピール試験結果を示す。
従来ワイヤ１を用いたウェッジボンディング部の90゜
ピール強度は平均約24gfであるが、強度のバラツキが大
きい。破断形態は全てワイヤの切れである。強度のバラ
ツキ要因は、ボンディング時の圧痕及びキズによるのが
大きい。次に芯材面積率16％の複合ワイヤ２によるウェ
ッジボンディング部の90゜ピール強度は約23gfであり、
強度のバラツキは少ないが複合ワイヤの効果が少ない。
破断形態はワイヤ切れである。複合ワイヤ３〜５（芯材
面積率25〜49％）によるウェッジボンディング部の90゜
ピール強度は、平均約30〜42gfと大きく、バラツキも少
ない。破断形態はワイヤ切れである。複合ワイヤ６（芯
材面積率64％）によるウェッジボンディング部の90゜ピ
ール強度は、約28gfであるが、バラツキも大きく、ワイ
ヤの界面剥離欠陥が発生し、接合性が悪い。
以上のように本発明の複合ワイヤによるウェッジボン
ディングは、接合性が良好で接合強度も強く、品質が安
定している。
実施例２ 本発明の複合ワイヤとして、第２図に示すような３本
芯材のより線構造の複合ワイヤを製造した。まず芯材２
は高強度（引張強さ:48kgf/mm2）のCu−Zr系合金であ
り、線引加工により線径８μｍとし、線径８μｍのCu−
Zr系合金線３本を用いてより線とした。このより線構造
のCu−Zr系合金芯材に対してCuメッキ処理を行い、約60
μｍの線径の複合ワイヤを製造した。次にこの複合ワイ
ヤを線引加工を行い、線径50μｍの本発明の芯材面積率
23％複合ワイヤを製造した。さらに調質処理として300
℃×1hの真空熱処理を行い、外周材３であるCuメッキ層
を結晶粒を粗大化させ軟化させた。
この複合ワイヤを用いて、Cu端子（厚さ10μｍ）にウ
ェッジボンディングを行ったところ、接合強度は約32gf
と高く、バラツキも少なく、品質も安定している。
又第３図に示すように複数の芯材２を環状に配置して
も良い。
第４図に本発明の複合ワイヤをボールボンディングし
て適用した例を示す。芯材２を被覆する外周部材３を先
端で球状に形成し、端子との接合に用いる。
芯材面積率20％（材質:Cu−Cr系合金）である本発明
の複合ワイヤ（線径25μｍ）と比較ワイヤとしてCu−Cr
系合金線及び99.995％Cu線を用いて、Siチップ上のパッ
ド部にボールボンディングを行った。ボールの形成は、
放電方式を採用し、1000v15mA,Ar雰囲気で行った。
第３表は各種ワイヤによるボールボンディング部の接
合性評価を示す。
純Cu線によるボールボンディングでは、接合性が良好
であるが、その接合強度が約8gfと低く、ボールのつけ
ね（ネック）部破断を呈した。またワイヤのループの形
成は、ワイヤ自体の強度が低く、たるみが生じ形成しに
くく、ショートの恐れがある。Cu−Cr合金線によるボー
ルボンディングでは、ボール自体の延性が低く、ボンデ
ィング時のボールの変形が少ないため接合性が悪く、そ
の接合強度も強く、界面剥離欠陥を生じ、良好な接続部
が得られない。またワイヤのループの形成は、ワイヤ強
度が大きいため有利であるが、接合強度が低いため形成
しにくい。これらに対し、本発明の複合ワイヤによるボ
ールボンディングでは、ボール形成時に外周材（99.995
％Cu）と芯材（Cu−Cr系合金）とが溶融され、芯材の合
金組成が外周材によって希釈されるが、ボールの延性の
低下が少なく、結晶粒の細かいボールが形成できた。こ
のボールを用いてボールボンディングを行うと、純Cu線
より多少接合性が悪いが、その接合強度は約14gfと高
く、ボールのつけね（ネック）部破断ではなく、ワイヤ
切れを呈し、高品質の接合部が得られた。またワイヤの
ループ形成は、ワイヤ強度が高いためたるみなど生ぜず
容易であり、使用中のショートの心配もなく高信頼の接
続が可能となった。
実施例４ 第５図は本発明の複合ワイヤを用いた半導体装置の断
面図である。本発明の複合ワイヤは直径50μｍであり、
芯材:Al−３％Si−１％Cu合金（直径25μｍ）、外周材:
99.99％Alである。このAl合金製複合ワイヤは放電（正
負パルス電源:1000V,15mA,Ar雰囲気）方式によってボー
ルを形成し、Al蒸着膜13が設けられた半導体素子10に超
音波接合によってボールボンディングされ、Agメッキ層
12が設けられたリードフレーム11には、超音波接合によ
ってウエッジボンディングされ、半導体素子10とリード
フレーム11が複合ワイヤ１によって接続された構造とな
っている。又リードフレーム11を複合ワイヤ１で構成す
ることも可能である。
このように本発明の半導体装置は、複合ワイヤ１を使
用することによって、ワイヤループの形成が容易で、所
望のループが得られ、局部的な変形やキズによる断線も
少なく、ワイヤ同士、ワイヤと素子とのショート事故も
生じなかった。
実施例５ 第６図は本発明の複合ワイヤを用いた磁気ヘッドの断
面図である。本発明の複合ワイヤ１は、直径50μｍであ
り、芯材2:Cu−１％Zr合金（直径20μｍ）、外周材3:9
9.99％Cu、被覆層:99.99％Au（２μｍ）である。この本
発明のCu合金製複合ワイヤ１を用いてAuメッキ層（５μ
ｍ）を設けた磁気ヘッド端子４に超音波接合（条件:1W,
150g,0.8s）によってウエッジボンディングされた磁気
ヘッドである。この磁気ヘッドの端子４と複合ワイヤと
の接合部６は接合界面からの剥離や接合強度のバラツキ
が少なく、接合強度が高く、局部的な圧痕、キズによる
断線などがなかった。
以上述べたように、本発明によれば、ループの形成が
容易で断線やショートの発生を防ぐとともにボンディン
グ性に優れ、その接合強度も高く、バラツキ幅の少ない
高品質、高信頼性の接続構造が得られる。
また、ワイヤの耐エレクトロマイグレーション性が向
上し、ワイヤの細径化が可能となり、回路素子の高密度
化につながる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、導体を接続する時の圧力により塑性
変形しない芯材と、該芯材を被覆し圧力により塑性変形
する導電性の外周部材と、からなる複合導体の構成にす
ることにより、複合導体の端部を回路素子に接続する時
に外周部材が塑性変形して接合するので高い接合強度
と、塑性変形しない芯材の為引っ張り・ねじれ等に対す
る高い導体強度により断線を防止する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の複合ワイヤによる接続構造を示す断面
図、第2,3図は本発明の複合ワイヤの多芯線の構造を示
す断面図、第４図はボールを形成した本発明の複合ワイ
ヤの構造図、第５図は本発明の複合ワイヤを半導体装置
に適用した断面図、第６図は本発明の複合ワイヤを磁気
ヘッドに適用した拡大断面図、第７図は従来のワイヤに
よる接続構造を示す断面図である。 １……複合ワイヤ、２……芯材、３……外周部材、 ４……端子、５……基板、６……接合部、７……ワイ
ヤ、 ８……被覆材、９……ボール、10……半導体素子、 11……リードフレーム、12……Agメッキ層、 13……Al蒸着膜、14……低融点ガラス、 15……樹脂、16……下地膜、 17……磁気ヘッド素子、18……圧痕部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舟本 孝雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 志田 朝彦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 丹羽 忠嗣 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式 会社日立製作所小田原工場内 (72)発明者 井手 義光 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式 会社日立製作所小田原工場内 (72)発明者 関根 節夫 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式 会社日立製作所小田原工場内 (72)発明者 原 茂夫 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式 会社日立製作所小田原工場内 (56)参考文献 特開 昭63−79926（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−141750（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−287633（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−155161（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−158637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−141750（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−189131（ＪＰ，Ａ) 実開 昭50−70870（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/60

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回路素子と端子とを導体を用いて接続して
    なる電子装置において、前記導体が前記回路素子若しく
    は端子とその端部を接続する時に用いたエネルギにより
    塑性変形しない芯材と、該芯材を被覆し前記エネルギに
    より塑性変形する外周部材と、からなる複合導体である
    ことを特徴とする電子装置。
  2. 【請求項２】回路素子と端子とを導体を用いて接続して
    なる電子装置において、前記導体を接続する時の圧力に
    より塑性変形しない芯材と、該芯材を被覆し前気圧力に
    より塑性変形する導電性の外周部材と、からなる複合導
    体であることを特徴とする電子装置。
  3. 【請求項３】前記導体の芯材と外周部材は、同種金属或
    いは350℃以下で化合物の生成しない金属からなり、或
    いは前記芯材に非金属材料を用いることを特徴とする請
    求項１または請求項２に記載の電子装置。
  4. 【請求項４】前記導体の芯材材質は、Au合金、Al合金、
    Cu合金、Ni合金、Fe合金、セラミックス、カーボン、プ
    ラスチックの何れかから選ばれたものであることを特徴
    とする請求項１または請求項２に記載の電子装置。
  5. 【請求項５】前記導体の外周部材質は、Au及びAu合金、
    Al及びAl合金、Cu及びCu合金、Ag及びAg合金の何れかか
    ら選ばれたものであることを特徴とする請求項１または
    請求項２に記載の電子装置。
  6. 【請求項６】前記導体の芯材と外周部材は同種金属から
    なり、該芯材は該外周部材より結晶粒が細くかつ再結晶
    温度が高いものであることを特徴とする請求項１または
    請求項２に記載の電子装置。
  7. 【請求項７】前記導体の芯材はAu合金、Al合金、Cu合金
    であり、前記導体の外周部材は該芯材より延性が高い同
    種金属又は合金であることを特徴とする請求項１または
    請求項２に記載の電子装置。
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