JP3494175B2 - ボンディングワイヤ及びその製造方法 - Google Patents

ボンディングワイヤ及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子上の電
極とパッケージ等の外部電極とを電気的に接続するため
に用いる半導体素子用のボンディングワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体素子上の電極と外部リード
とを接続するために用いられるボンディングワイヤは、
溶解鋳造した後にロール加工を施して所定組成のワイヤ
鋳造材を作製し、これをダイヤモンドダイス等によっ
て、例えば１５μｍや３０μｍ等の所定線径まで縮径伸
線加工し、更に最終焼鈍により加工歪みを除去して製造
されている。
【０００３】このようにして製造されるボンディングワ
イヤは、半導体素子並びにパッケージのサイズの小型縮
小化に対応させるため、細線化と共に、より高い引張強
度の実現が図られてきた。即ち、半導体素子が小さくな
ると素子上の電極も小さくなるため、ワイヤボンディン
グの際にワイヤ先端に溶融形成されるボールのサイズも
電極に合わせて小さくしなければならない。そのためボ
ンディングワイヤの線径も細線化しなければならず、細
くなったボンディングワイヤの断線を防止するために、
単位面積当たりの引張強度を高めることが必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子の高
集積化並びにパッケージの小型縮小化の進行に伴って、
ワイヤ間隔（ボンディングピッチ）が狭まり、またボン
ディングワイヤのループ長も４ｍｍや５ｍｍのように長
くなってきた。このため、角度にして極めて小さな曲が
りやリーニングであっても、隣り合うボンディングワイ
ヤ同士が接触し易くなり、ショート不良が多発するとい
う問題が発生している。
【０００５】リーニング不良とは、図２に示すように、
ワイヤボンディング後のボンディングワイヤ１をそのル
ープと平行な方向から観察したときに、半導体素子４の
パッドに接着したボール２の直ぐ上の部分（ボール直上
部３）においてボンディングワイヤ１が横方向に傾斜
し、傾斜したボンディングワイヤ１のループ上部１ａが
隣接するワイヤのループ上部１ｂに近接している状態を
言う。こうした状態は電気的ショートの原因となるた
め、リーニング不良の発生したパッケージは不良品とし
て処理され、製品歩留りを大きく低下させる要因となっ
ている。
【０００６】しかも、ボンディングワイヤがリーニング
不良を起こしやすいか否かは、試験的にワイヤボンディ
ングを行った後に、ボール直上部の引張強度を測定する
ことによって評価していた。このため、リーニング不良
を起こし難いボンディングワイヤの評価管理が極めて面
倒であった。
【０００７】尚、焼鈍により伸び率を高めて柔らかくし
たボンディングワイヤでは、リーニング不良が低下する
傾向が認められる。しかしながら、その焼鈍によって同
時にボンディングワイヤの引張強度が低下してしまうた
め、後の樹脂モールド工程においてワイヤ流れが発生し
やすくなり、ネック倒れ不良を引き起こすという問題が
あった。
【０００８】ネック倒れ不良は、図３に示すように、ワ
イヤボンディング後のボンディングワイヤ１をそのルー
プに直角な方向から観察したときに、ボール直上部３で
ループがリードフレーム５等とのセカンドボンディング
側に引っ張られて倒れる現象である。このネック倒れ不
良は、千鳥ボンディングの外側ワイヤ１ｃで発生すると
内側ワイヤ１ｄに近接するため、リーニング不良と同様
に電気的ショートの原因となりやすかった。
【０００９】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
直進性に優れていてリーニング不良を抑制することがで
き、同時にワイヤ流れが少なく、ネック倒れ不良の発生
を防止することのできる、引張強度に優れたボンディン
グワイヤ及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
【００１０】
【課題を解決するために手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供するボンディングワイヤは、Ａｕを主
成分とし、少なくとも１０〜３５重量ｐｐｍのＣａと２
〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを添加したボンディングワイ
ヤであって、５２３Ｋの温度雰囲気にて１５〜２５秒間
加熱した後に引き続き前記温度雰囲気で測定した引張強
度が、２９８Ｋの温度雰囲気にて測定した０.２％耐力
よりも高いことを特徴とする。
【００１１】上記本発明のボンディングワイヤにおいて
は、５２３Ｋの温度雰囲気にて１５〜２５秒間加熱した
後に引き続き前記５２３Ｋの温度雰囲気で測定した引張
強度が、公称応力で２００ＭＰａ以上であることが好ま
しい。
【００１２】尚、５２３Ｋの温度雰囲気にて１５〜２５
秒間加熱された後に引き続き同じ温度雰囲気で測定した
引張強度は、古くから高温強度あるいは熱間強度と称さ
れ、ボンディング時のボンディングワイヤの特性を推察
する指標として世界的に広く利用されている。また、
０.２％耐力とは、負荷した応力とひずみとの関係で、
途中で除荷したときに０.２％の永久ひずみが残る応力
をいう。公称応力とは、変形前の最初の断面積で外力を
割った値を意味する。
【００１３】 また、本発明におけるボンディングワイ
ヤの製造方法は、Ａｕを主成分とし、少なくとも１０〜
３５重量ｐｐｍのＣａと２〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを
添加したワイヤ鋳造材を、所定の線径まで縮径伸線した
後に最終焼鈍するボンディングワイヤの製造方法におい
て、縮径伸線工程の途中に少なくとも１回の途中焼鈍を
行い、その途中焼鈍の温度をワイヤ鋳造材の１次再結晶
温度以上であって２次再結晶温度を超えない温度とする
と共に、ワイヤ鋳造材から最初の途中焼鈍まで、途中焼
鈍から次の途中焼鈍まで、及び最後の途中焼鈍から最終
焼鈍までの各縮径伸線におけるワイヤの面積加工率を７
５〜９９.９９７％とすることを特徴とする。
【００１４】上記本発明のボンディングワイヤの製造方
法においては、前記途中焼鈍の温度を、そのワイヤ鋳造
材の１次再結晶温度以上であって２次再結晶温度を超え
ない温度とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】ワイヤボンディング時には、キャ
ピラリー動作によってボール直上部に塑性変形が加えら
れ、ボンディングワイヤのループが形成されるため、リ
ーニング不良にはボール直上部の引張強度が関係すると
考えられる。そこで、本発明者らは、５２３Ｋ（２５０
℃）の温度雰囲気で１５〜２５秒間加熱された後に引き
続き同じ５２３Ｋの温度雰囲気で測定した引張強度（以
後、高温強度と云う）と、ワイヤボンディング後のボー
ル直上部の引張強度との関係を調査したところ、図１に
示すように両者には強い正の相関関係があることが判明
した。
【００１６】そこで、この高温強度とリーニング不良と
の関係について更に詳細に検討した結果、ボンディング
ワイヤの特性として、２９８Ｋ（２５℃）の温度雰囲気
で測定した０.２％耐力よりも高い高温強度を有すると
き、リーニング不良が激減することを見出した。また、
このような高温強度を有すると同時に、その高温強度が
公称応力で２００ＭＰａ以上であるボンディングワイヤ
は、樹脂モールド時のワイヤ流れによるネック倒れ不良
も激減し、更に好ましいことが分った。
【００１７】 即ち、本発明のボンディングワイヤは、
Ａｕを主成分とし、少なくとも１０〜３５重量ｐｐｍの
Ｃａと２〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを添加したものであ
り、高温強度が２９８Ｋの温度雰囲気で測定される０.
２％耐力よりも高いことを特徴とし、更に高温強度が公
称応力で２００ＭＰａ以上であることが好ましい。この
ようなボンディングワイヤは直進性に優れ、ボール直上
部での破断無しにワイヤを正常に変形させることが可能
となり、ループ形成のための過酷なキャピラリー動作に
おいてもループがより正しくキャピラリーに追従するこ
とができるため、リーニング不良が防止されることとな
る。
【００１８】従って、本発明によれば、実際にワイヤボ
ンディングした後のボール直上部の引張強度を測定する
代りに、ボンディングワイヤそのものから簡単に測定で
きる高温強度を基準とすることにより、リーニング不良
が起こり難いボンディングワイヤを簡単に評価管理して
提供することができる。
【００１９】このような高温強度を有する本発明のボン
ディングワイヤは、ワイヤの直進性を低下させ且つリー
ニング不良発生の大きな原因となっているワイヤ組織の
乱れを調整することによって、好ましくは縮径伸線工程
中に途中焼鈍を行うことにより、製造することができ
る。尚、従来の一般的な製造方法により、ワイヤ鋳造材
を途中で全く焼鈍することなく所定の最終線径まで縮径
伸線加工した後、最終焼鈍して製造したボンディングワ
イヤは、０.２％耐力よりも高い高温強度を有すること
はない。
【００２０】 次に、本発明によるボンディングワイヤ
の製造方法を具体的に説明する。本発明方法では、Ａｕ
を主成分とし、少なくとも１０〜３５重量ｐｐｍのＣａ
と２〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを添加したワイヤ鋳造材
を、所定の線径まで縮径伸線した後に最終焼鈍してボン
ディングワイヤを製造するが、その縮径伸線工程の間に
１回以上の途中焼鈍を行う。しかも、ワイヤ鋳造材から
途中焼鈍を経て最終焼鈍に至る各焼鈍時までのワイヤの
面積加工率、即ちワイヤ鋳造材から最初の途中焼鈍まで
の面積加工率、途中焼鈍から次の途中焼鈍までの面積加
工率、及び最後の途中焼鈍から最終焼鈍までの面積加工
率を、それぞれ７５〜９９.９９７％の範囲とする。
【００２１】ここで、ワイヤの面積加工率（％）とは、
｛１−（伸線縮径後の線径／伸線縮径前の線径）２｝×
１００で定義される。
【００２２】上記のごとく各焼鈍時までのワイヤの面積
加工率を７５〜９９.９９７％の範囲内とする理由は、
７５％未満では所定の線径まで縮径伸線した際のワイヤ
組織に十分な繊維組織が得られないため、ワイヤの直進
性が低下して、安定したループが得られないためであ
る。また、ワイヤの面積加工率が９９.９９７％を超え
てから焼鈍すると、歪みが飽和してワイヤ組織が乱れ、
途中焼鈍及び最終焼鈍の効果が低下するためである。
【００２３】 また、途中焼鈍における焼鈍温度がワイ
ヤ鋳造材の１次再結晶温度に満たない場合には、ワイヤ
内の繊維組織に乱れを生じさせる原因となる加工歪を十
分に除去できない。また、焼鈍温度が２次再結晶温度を
超えると、ワイヤ内の結晶が粗大化するため、焼鈍後の
ワイヤの強度が焼鈍前と比較して大幅に低下する。従っ
て、途中焼鈍の焼鈍温度は、Ａｕを主成分とし且つ微量
の添加成分として少なくともＣａとＢｅを含むワイヤ鋳
造材の１次再結晶温度以上で、且つ２次再結晶温度を超
えない温度とする。
【００２４】ここで、１次再結晶温度とは、加工歪がと
れて新しい結晶が形成される温度であり、一般に融点Ｔ
ｍに対して０.４〜０.５Ｔｍ程度となる。また、２次再
結晶温度とは、１次再結晶温度以上の温度であって、異
常に大きな結晶の発生が起こる温度である。
【００２５】尚、上記面積加工率の範囲内であれば、途
中焼鈍は複数回繰り返しても良く、ワイヤの直進性向上
の効果は保持される。また、途中焼鈍は、連続焼鈍若し
くは一定時間保持する焼鈍の何れの方式でも良い。しか
し、何れの方式においても、ワイヤの中心部まで十分に
歪を除去する必要がある。
【００２６】 ボンディングワイヤの組成は、金（Ａ
ｕ）を主成分とし、微量の添加成分として少なくともカ
ルシウム（Ｃａ）とベリリウム（Ｂｅ）を含むものであ
る。金を主成分とするボンディングワイヤは、ワイヤ内
に良好な繊維組織を有するため直進性が高く、リーニン
グ不良の少ないループを安定して得ることができる。金
に添加するＢｅ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｄなどの微量成
分は、添加量の増大と共にワイヤ強度を向上させるが、
多く添加し過ぎるとボンディング中に接合不良を起こす
等の不具合が生じるので、添加量を適宜調整することが
好ましい。具体的には、Ｂｅは２〜１０重量ｐｐｍ、及
びＣａは１０〜３５重量ｐｐｍの範囲に調整することが
好ましい。
【００２７】
【実施例】実施例１ 純度９９.９９９重量％以上の高純度ＡｕにＣａを２０
重量ｐｐｍとＢｅを１０重量ｐｐｍ添加した組成（以
下、「４Ｎ組成」と言う）の金合金と、同じ高純度Ａｕ
にＣａを３０重量ｐｐｍとＢｅを５重量ｐｐｍとＰｄを
５００重量ｐｐｍ添加した組成（以下「３Ｎ組成」とい
う）の金合金について、それぞれ溶解鋳造後に溝ロール
圧延して、線径２５ｍｍのワイヤ鋳造材を製造した。
【００２８】得られた各ワイヤ鋳造材について、下記表
１に示すように縮径伸線と途中焼鈍を実施して、最終線
径を２５μｍとした後、常温での伸び率が４〜６％とな
るように最終焼鈍（連続焼鈍）を施した。本発明例及び
比較例の各試料について、各焼鈍時の線径と各焼鈍まで
の面積加工率、各焼鈍の温度と時間又は方式を、それぞ
れ下記表１に示した。最後に、ワイヤ表面に単分子膜厚
相当のポリオキシレンアルキルエーテルを塗布し、金ボ
ンディングワイヤとした。
【００２９】
【表１】
【００３０】得られた各試料の金ボンディングワイヤに
ついて、２９８Ｋの温度雰囲気での０.２％耐力、同温
度での引張強度と伸び率を測定すると共に、５２３Ｋの
温度雰囲気で１５〜２５秒間加熱した後に引き続き同温
度雰囲気での引張強度（高温強度）を測定し、且つその
公称応力を求め、表２に示した。また、各ボンディング
ワイヤについて、内径３０μｍのキャピラリーを用いて
ワイヤ間隔６０μｍ、ループ長５ｍｍにて３８２０本の
ボンディングを行った後、隣接するワイヤ同士のループ
上部の間隔を測定顕微鏡で測定し、その間隔が４０μｍ
以下のワイヤをリーニング不良と判定して、その本数を
下記表２に示した。尚、ワイヤボンダ―には新川社製の
ＵＴＣ３００を用い、ループモードを「ＳＱＲ」、ルー
プ高さは２８０μｍに設定した。
【００３１】
【表２】
【００３２】上記の結果から分るように、ワイヤ鋳造材
から最終焼鈍まで加工する間に、ワイヤの面積加工率が
７５〜９９.９９７％の範囲内で１回以上の途中焼鈍を
行った本発明例の試料１〜３のボンディングワイヤで
は、２９８Ｋの温度雰囲気で測定される０.２％耐力よ
りも高温強度（５２３Ｋ）が高くなるように調整され、
その公称応力も全て２００ＭＰａ以上となっていると共
に、リーニング不良本数が少なく、直進性が良好であっ
た。
【００３３】尚、試料２及び３においては、２次再結晶
温度を超えない温度で途中焼鈍を行っており、２次再結
晶温度を超える温度で途中焼鈍を行った試料１よりも若
干高い強度のボンディングワイヤが得られた。また、試
料１〜３の結果が示す通り、面積加工率７５〜９９.９
９７％の範囲内での途中焼鈍は複数回行っても、直進性
向上の効果は低下しない。
【００３４】一方、ワイヤ鋳造材から最終線径まで加工
する間に、途中で焼鈍を全く行わなかった比較例の試料
４及び試料６、ワイヤの面積加工率が９９.９９７％を
超えた時点で最終焼鈍を行った比較例の試料５、及びワ
イヤの面積加工率が９９.９９７％を超えて中間焼鈍を
行うと共に７５％未満で最終焼鈍を行った比較例の試料
７では、いずれも０.２％耐力よりも高温強度（５２３
Ｋ）が低く、リーニング不良の本数が１００本を超え、
良好な直進性は得られなかった。
【００３５】実施例２ 純度９９.９９９重量％以上の高純度Ａｕと、所定量の
Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａ等の微量成分とを高周波誘導加
熱炉にて溶解し、下記表３に示す組成の合金鋳塊を得
た。これらの合金鋳塊に溝ロール圧延を施し、線径が２
５ｍｍのワイヤ鋳造材を製造した。
【００３６】得られたワイヤ鋳造材について、最終線径
までの間に後述の焼鈍条件で途中焼鈍を行いつつ順次ダ
イスによる縮径伸線加工を行ない、最終的に直径２８μ
ｍの極細線とした。その後、各極細線に室温での伸び率
が５〜１０％となるように最終焼鈍（連続焼鈍）を施
し、ワイヤ表面に実施例１と同様にポリオキシレンアル
キルエーテルを塗布して、金ボンディングワイヤとし
た。
【００３７】
【表３】
【００３８】上記縮径伸線加工の間に行った途中焼鈍の
条件は以下のとおりである。 条件１： 線径が４.０ｍｍの時点（面積加工率９
７.４％）で、焼鈍後のワイヤ表面のビッカース硬度が
焼鈍前の７０％となるように、温度３９０℃で途中焼鈍
（６０分）を行う。 条件２： 線径が４.０ｍｍの時点で条件１と同一
の途中焼鈍を行った後、更に線径が０.３ｍｍの時点
（面積加工率９９.４％）で、伸び率が１０％となるよ
うに温度５６０℃で途中焼鈍（連続焼鈍）を行う。 条件３： 線径が０.３ｍｍの時点（面積加工率９
９.９９％）で、伸び率が５％となるように温度５６０
℃で途中焼鈍（連続焼鈍）を行う。 条件４： 最終線径まで途中焼鈍は一切行わない。
【００３９】このようにして得られた各試料の金ボンデ
ィングワイヤについて、２９８Ｋの温度雰囲気での０.
２％耐力、同温度での引張強度と伸び率を測定すると共
に、５２３Ｋの温度雰囲気で１５〜２５秒間加熱した後
に引き続き同温度雰囲気での引張強度（高温強度）を測
定し、且つその公称応力を求めた。得られた結果を下記
表４に示した。
【００４０】
【表４】
【００４１】上記の結果から分るように、本発明例の試
料８〜１３は、２９８Ｋの温度雰囲気で測定される０.
２％耐力よりも高温強度（５２３Ｋ）が高くなるように
調整され、その公称応力も試料１３を除いて２００ＭＰ
ａ以上となっている。一方、比較例の試料１４では、途
中焼鈍を行っていないので、引張強度（２９８Ｋ）に比
べて高温強度（５２３Ｋ）が大幅に低下すると共に、公
称応力も２００ＭＰａ以下となっている。
【００４２】次に、上記各試料の金ボンディングワイヤ
を用い、新川社製ＵＴＣ−３００型ワイヤボンダーによ
り、それぞれワイヤ間隔８０μｍ、ループ高さ２００μ
ｍ、ループ長５ｍｍで、６２４０本を平行にワイヤボン
ディングした。測定顕微鏡を用いてループに平行な方向
から観察し、ループ上部間のギャップが３５μｍ以下と
なるまで左右に傾斜したワイヤをリーニング不良と判定
して、その本数を測定した。また、ループに直角な方向
から観察して、ネック倒れ不良の本数を測定した。この
ようにして得られたリーニング不良とネック倒れ不良の
各本数、並びにこれらの合計不良率を下記表５に示し
た。
【００４３】更に、上記のごとくループ高さ２００μｍ
且つループ長５ｍｍでボンディングした各試料の金ボン
ディングワイヤについて、ループに垂直に一般的な条件
で樹脂モールドを行なった後、ワイヤ流れ率を測定し
た。ワイヤ流れ率は、樹脂に流されて湾曲したループに
ついて、モールド前の位置から変位した最大距離をルー
プ長で徐した値を求め、５点の平均値をパーセントで示
した。求めたワイヤ流れ率を表５に併せて示した。
【００４４】
【表５】
【００４５】以上の結果から、本発明例の試料８〜１３
の金ボンディングワイヤは０.２％耐力（２９８Ｋ）よ
りも高温強度（５２３Ｋ）が高く、特に試料８〜１２は
２００ＭＰａを越える高い公称応力（５２３Ｋ）を有
し、リーニング不良を１０本以下に抑えられることが分
る。また、本発明例の試料８〜１３の金ボンディングワ
イヤでは、比較例の試料１４のように従来のリーニング
不良が少ないワイヤで見られたネック倒れ不良の発生も
解消され、ワイヤ流れ率は一般的に良好とされる３％以
下に収まっている。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、直進性に優れていてリ
ーニング不良を抑制でき、同時にワイヤ流れが少なく、
ネック倒れ不良の発生を防止することのできる、引張強
度に優れたボンディングワイヤ及びその製造方法を提供
することができる。
【００４７】また、リーニング不良が起こり難いボンデ
ィングワイヤを評価管理する際に、従来のごとくわざわ
ざワイヤボンディングした後のボール直上部の引張強度
を測定する必要がなくなり、ワイヤボンディング前のボ
ンディングワイヤから簡単に測定できる高温強度を基準
として、簡単に評価管理することができる。
【００４８】従って、半導体素子の高集積化並びにパッ
ケージの小型縮小化に対応し、１００μｍ以下の狭いボ
ンディングピッチであっても、ワイヤボンディング工程
及び樹脂モールド工程における不良を低減させ、半導体
素子の組立工程における製品の歩留及び信頼性の向上を
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線径２５μｍのボンディングワイヤにおけるボ
ール直上部引張強度と高温強度との関係を示すグラフで
ある。
【図２】ボンディングワイヤのリーニング不良の状態を
模式的に示す側面図である。
【図３】ボンディングワイヤのネック倒れ不良の状態を
模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
１ ボンディングワイヤ １ａ、１ｂ ループ上部 １ｃ 外側ワイヤ １ｄ 内側ワイヤ ２ ボール ３ ボール直上部 ４ 半導体素子 ５ リードフレーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−36430（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−7163（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−241942（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 301 C22F 1/14 C22C 5/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ａｕを主成分とし、少なくとも１０〜３
    ５重量ｐｐｍのＣａと２〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを添
    加したボンディングワイヤであって、５２３Ｋの温度雰
    囲気にて１５〜２５秒間加熱した後に引き続き前記温度
    雰囲気で測定した引張強度が、２９８Ｋの温度雰囲気に
    て測定した０.２％耐力よりも高いことを特徴とするボ
    ンディングワイヤ。
  2. 【請求項２】 ５２３Ｋの温度雰囲気にて１５〜２５秒
    間加熱した後に引き続き前記温度雰囲気で測定した引張
    強度が、公称応力で２００ＭＰａ以上であることを特徴
    とする、請求項１に記載のボンディングワイヤ。
  3. 【請求項３】 Ａｕを主成分とし、少なくとも１０〜３
    ５重量ｐｐｍのＣａと２〜１０重量ｐｐｍのＢｅとを添
    加したワイヤ鋳造材を、所定の線径まで縮径伸線した後
    に最終焼鈍するボンディングワイヤの製造方法におい
    て、縮径伸線工程の途中に少なくとも１回の途中焼鈍を
    行い、その途中焼鈍の温度をワイヤ鋳造材の１次再結晶
    温度以上であって２次再結晶温度を超えない温度とする
    と共に、ワイヤ鋳造材から最初の途中焼鈍まで、途中焼
    鈍から次の途中焼鈍まで、及び最後の途中焼鈍から最終
    焼鈍までの各縮径伸線におけるワイヤの面積加工率を７
    ５〜９９.９９７％とすることを特徴とするボンディン
    グワイヤの製造方法。
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