JP3602892B2 - ボンディングワイヤの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ICチップ電極と外部リードとを接続するために使用される半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法に関し、詳しくは、半導体装置の多ピン化に伴うワイヤ同士のショート防止に有用なボンディングワイヤの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ICチップ等の半導体素子の電極と外部リードとを接続する方法として、一般には直径0.01〜0.1mmの金属細線(ボンディングワイヤ)で接続するワイヤボンディグ方法が用いられている。該金属細線としてはその用途に応じて金、アルミ、銅等の純金属、又はこれらを主要元素とする合金が用いられている。前記ワイヤボンディング方法は、ICチップ等の半導体素子の電極面に前記金属細線の先端を第1ボンディングし、その後、該金属細線をループ状に張設して外部リード上に第2ボンディングするものである。
この種のワイヤボンディング方法は簡単な装置によって量産出来る方法であるが、ループ状に張設された金属細線が配線方向に対して左右に曲がって、隣同士の金属細線が接触してショートを起こすことがある。
このような左右への曲がりを防止する方法として、従来においては、前記主要元素中に1〜100重量ppmという微量の元素を含有させた金属細線が用いられている。
【0003】
一方、近年のICはより一層の高機能化,高集積化が行われ、電極数が増加している。
これに対応するため、長ループで且つ配線密度の高いワイヤボンディングが要求され、その結果、ループ状に張設された金属細線が配線方向に対して左右に曲る許容量を小さくして、前記ショート防止に対応する必要性が生じてきたが、前記したような微量の元素を含有させた金属細線を用いるだけでは十分に対応出来なくなって来た。
【0004】
これの対応方法として、特開平6−61292号には、ワイヤをパーフロロ3級アミン等を含有した処理液に浸積して効率良く冷却することにより、ループ異常等のトラブルの回避を図った冷却装置が提案されている。
該方法は、焼鈍炉出側の補助ローラの冷却機能及び焼鈍炉出口から冷却水槽迄の距離に配慮がなされていないものの、前記処理液を用いて冷却を施すことでスプールに巻き取られたワイヤの巻きほどき性を良好にして、ループ異常の発生を防止するために効果的であることが開示されている。
しかし乍ら該方法では、ワイヤ材質に起因する本質的なループ曲がりの許容量を抑制することに対して未だ不十分である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような従来事情に鑑みてなされたものであり、ICチップ等の半導体素子の電極と外部リードとをボンディングワイヤで接続する際、長ループで且つ配線密度が高くなった場合においても、張設されたループが配線方向に対して左右方向に曲がる量を小さくして、隣同士のループが接触してショートを起こすことを効果的に防止することが出来るボンディングワイヤの製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願出願人は、伸線加工した後に最終焼鈍を施したワイヤを冷却水を用いて冷却する半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法において、前記冷却水による冷却過程を制御することを提案し、先に出願した(特願平7−126256号)。
該方法によれば、ワイヤとワイヤ潤滑剤との密着性が高まってボンディング装置のキャピラリに異物が付着しにくくなり、高価なキャピラリの交換頻度を大幅に少なくすることが出来るボンディングワイヤを製造し得、さらに、ループ曲がりの許容量を抑制することに対してもある程度の効果が期待できるものの、本課題に対しては更なる前記許容量の抑制が求められている。
本発明者等はさらに鋭意検討を行った結果、ボンディングワイヤを所定の線径に加工した後に焼鈍処理を行っているが、該焼鈍後の冷却過程の差異が、ボンディングワイヤをループ状に張設する際、配線方向に対して左右方向の曲がる量に影響を及ぼすことを見出だし、前記焼鈍後の冷却を固体冷却体を用いて行うと共にその冷却過程を制御することにより本願の課題を達成し得ることを知見して本発明に至った。
【0007】
即ち発明は、伸線加工したワイヤに焼鈍処理を施す半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法であって、前記焼鈍処理した直後のワイヤを、20℃以下に維持された固体冷却体を用いて、下記式数2で示す冷却速度が1000℃/秒以上となるように冷却することを特徴とする。
【数2】
【0008】
上記固体冷却体としては、ローラとしての滑車や、固定された板の上を摺動させる方法等が例示できるが、後述の理由から、滑車を用いることが好ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明に係るボンディングワイヤの製造方法は、上記した従来事情に鑑み、伸線加工したワイヤの焼鈍後の冷却過程を制御して、ボンディングワイヤをループ状に張設する際、配線方向に対して左右方向に曲がる量を抑制するようにするものである。
本発明によるボンディングワイヤの好ましい製造工程は次の通りである。
先ず、所定の組成になるよう金属元素を溶解、鋳造してインゴットを作成し、このインゴットに塑性加工(圧延加工又は押出加工等)を施した後、ダイスを用いて伸線加工を行い、所定径の細線を作成する。この細線に最終焼鈍を施し、その直後に後述する方法で冷却するものである。
【0010】
本発明に用いるボンディングワイヤは金、銀、アルミ、銅、鉛、錫等の純金属、若しくはこれらの金属を主成分をする合金が用いられる。
これらの中でも、主成分が金であるものが耐蝕性に優れ、信頼性が大きいことから好ましく用いられる。
また本発明におけるボンディングワイヤは、直径5〜500μmの範囲に伸線加工して用いられる。
なかでも直径20〜50μmの範囲の細線が好ましく用いられる。
【0011】
また本発明においては通常、ボンディングワイヤの伸び率が2〜10%になるように、最終焼鈍を施して調質される。
焼鈍処理方法の一例を図1を用いて説明する。伸線加工により所定径に伸線されたワイヤ1は繰り出し側リール10から繰り出され、管状電気炉(焼鈍炉)11を通って巻取り側リール14に巻き取られる。管状電気炉11の炉内雰囲気温度は、ワイヤ1の種類に応じて300〜650℃に設定する。
この焼鈍炉11内に、ワイヤ1を所定の速度で通過させて焼鈍を行う。上記した所定の伸び率を得るためには、前記焼鈍炉11内のワイヤ速度を30〜80m/分とすることが好ましい。
【0012】
以下、上記した最終焼鈍を施した直後に行う冷却工程について述べる。
先ず、図1に示す横型焼鈍炉11を用いて最終焼鈍を行う場合について説明すれば、最終の伸線加工の後、所定の方法で洗浄されたワイヤ1は繰り出し側リール10から引き出され、焼鈍炉11で焼鈍された後、固定冷却体としての冷却用滑車12、サイド滑車13を経て巻取り側リール14に巻き取られる。
本発明においては該冷却工程において、固定冷却体としての滑車12を20℃以下に維持すると共に、下記式数3で定める冷却速度を1000℃/秒以上とすることが必要である。
【数3】
【0013】
該冷却速度を1000℃/秒以上、好ましくは1000〜30000℃/秒として冷却を行うことにより、長ループで且つ配線密度が高くなった場合においても、本発明の課題、即ち張設されたループが配線方向に対して左右方向に曲がる量を小さくすることが出来るという優れた効果を有する。
更に好ましい冷却速度は2000〜30000℃/秒である。
該冷却速度を達成するためには、焼鈍炉出口11aから冷却用滑車12迄の距離(焼鈍炉出口11aを出たワイヤ1が冷却用滑車12に接するまでの距離)Lを短くして対応することが好ましい。
因みに、焼鈍炉内雰囲気温度−固体冷却体温度の温度差600℃、ワイヤ速度60m/分の時、冷却速度を1000℃/秒以上とするためには、前記距離Lは60cm以下にする必要がある。
前記温度差が300℃になると、前記距離Lは30cm以下にする必要がある。
冷却速度を大きくするためには、前記距離Lは更に短くすることが必要である。
【0014】
本発明における20℃以下に維持された固体冷却体で冷却する方法としては、ローラとして滑車を用いたり、固定された板の上を慴動させる方法等が例示出来るが、ワイヤ表面疵を防ぐためには滑車を用いることが好ましい。
前記固定冷却体はその蓄熱を防ぎ、20℃以下に維持することが必要である。蓄熱を防ぎ20℃以下に維持する方法としては、固体冷却体内部に液体、気体の冷媒を循環させる方法、固体冷却体の外部に気体の冷媒を吹き付ける方法等が例示出来る。
これらの中で、固体冷却体内部に液体、気体の冷媒を循環させる方法が安定した操業が出来るため、好ましく用いられる。
【0015】
従来の製造方法においては、冷却用滑車12の代わりに通常の滑車が用いられる。該通常の滑車では操業中に高温状態となり、冷却機能を果たさなくなる。またこの場合、焼鈍直後のワイヤを適度な空冷を経た後に滑車に接触させる必要があることから、焼鈍炉出口11aから滑車までの距離は通常50cm程度に設定され、よって上記冷却速度は1000℃/秒に達しない。さらにこの場合、焼鈍炉出口11aから滑車までの距離を50cm以下に設定すると、焼鈍直後のワイヤの熱により滑車が加熱され、上記冷却速度は1000℃/秒に達しない。
また従来において、ワイヤの十分な冷却を行うために冷却水を貯溜した冷却水槽を用いることも行われている。しかしこの場合、前記の如く適度な空冷を経た後水冷を施すことが考慮されて、焼鈍炉出口11aから冷却水面迄の距離は1m以上に設定して使用されており、上記式数3における固体冷却体温度を冷却水温度とし、焼鈍炉出口11aから冷却水面迄の距離を1mとし、焼鈍炉内雰囲気温度−冷却水温度の温度差400℃、ワイヤ速度60m/分の時、冷却速度は400℃/秒である。前記温度差が600℃になると冷却速度は600℃/秒である。
このように冷却速度が1000℃/秒未満の場合、長ループで且つ配線密度が高くなった場合において、本課題のボンディングワイヤが配線方向に対して左右方向に曲がる量が大きいという欠点を有する。
このため前記冷却速度を1000℃/秒以上と定めた。
【0016】
尚、前記冷却速度は、前述したように焼鈍炉内雰囲気温度を300〜650℃、ワイヤ速度を30〜80m/分とした場合、焼鈍炉から固体冷却体迄の距離Lを小さくすることで、50000℃/秒程度迄設定することは可能であるが、前記距離Lを1cm未満とすることは装置作製の面で好ましくない。よって前記冷却速度の好ましい上限は30000℃/秒である。
【0017】
而して、上述したように、伸線加工したワイヤを300〜650℃の炉内雰囲気温度で最終焼鈍した直後に、固体冷却媒体を用いて1000℃/秒以上の冷却速度で冷却することより、本課題に対して優れた効果が得られる理由は明らかではないが、前記構成にすることにより、加工歪の除去が均一に行われているためではないかと考えられる。
即ち、加工歪の除去が均一に行われた場合、本課題のように長ループで且つ配線密度が高くなった場合においても、ボンディングワイヤが配線方向に対して左右方向に曲がる量を小さく抑えることに効果が生じてくるものと考えられる。
【0018】
【実施例】
(実施例1)
40重量ppmのYを含有し、残部が金からなる直径30mmの金合金インゴットを溝ロールにて圧延した後、伸線加工と中間焼鈍を繰り返し、最終の伸線加工により直径25μmの極細ワイヤに仕上げた。この極細ワイヤを、図1に示す横型焼鈍炉11を備えた装置を用いて、繰り出し側リール10から繰り出しながら最終焼鈍を施し、その直後に内部が冷媒として20℃の循環水で冷却された冷却用滑車12で急速冷却し、補助ロール13を経て巻取り側リール14に巻き取った。
この時、焼鈍炉温度(焼鈍炉内雰囲気温度)は420℃、ワイヤ速度を60m/分、焼鈍炉出口11aから冷却用滑車12迄の距離Lを40cmとし、焼鈍炉加熱ゾーンの長さを調節して伸び率4%になるように焼鈍した。またこの時、上記冷却速度は1000℃/秒であった。
このようにして得られたワイヤを用いてループの曲がり試験を行った。
ループ形成方法は新川社製の50型ボンダーを用いてボンディングを行った。ICチップ電極上に最初のボール接合を行った後、ループ形成と逆方向にキャピラリーを一旦動かし、リバース変形を行った後、正規のループを形成した。ボンディング条件はループ高さ:200μm、チップ電極と外部端子間を5mmとした。
このようにして、図2(a),(b)に示すように、ICチップ20の電極21と外部リード22をワイヤでループ状に接続し、そのループ2を平面的に顕微鏡で観察し、ICチップ20上の電極21と外部リード22の各々の接続点を結ぶ直線(図中に点線で示すX)からの偏位量(Y)を測定し、100個の平均値をワイヤ曲り量とした。
上記製造条件と測定結果を表1〜表2に示す。
【0019】
(実施例2〜8/比較例1)
焼鈍炉温度、ワイヤ速度、固体冷却体の種類、冷却体内部への冷媒の種類、焼鈍炉出口から固体冷却体迄の距離、冷却速度を表中記載のようにしこと以外は実施例1と同様にして試験を行った。
製造条件と測定結果を表1〜表2に示す。
【0020】
(比較例2〜4)
焼鈍炉出口から固体冷却体迄の距離及び冷却速度を表中記載のようにし、固体冷却体内部の冷媒での冷却を行わなかった(通常の滑車を用いた)こと以外は実施例1と同様にして試験を行った。
製造条件と測定結果を表1〜表2に示す。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
以上の測定結果から、従来提案されているボンディングワイヤの製造方法(比較例1〜4)と対比して、本発明の構成になる製造方法とすることにより、本願課題に対して優れた効果を有することが判る。
またその中でも、冷却速度を2000℃/秒以上とした場合により優れた効果を示し(実施例1と対比した実施例2,8〜9から)、冷却速度を10000℃/秒以上とした場合さらに優れた効果を示す(実施例2,8〜9と対比した実施例3〜7から)ことが判る。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、最終の焼鈍処理を施した直後のワイヤを、20℃以下に維持された固体冷却体を用いて、上述した冷却速度が1000℃/秒以上となるよう冷却する新規なボンディングワイヤ製造方法としたので、加工歪の除去が均一に行われ、長ループで且つ配線密度が高くなった場合においても、ボンディングワイヤが配線方向に対して左右方向に曲がる量を小さく抑えることが出来る。
従って、半導体装置の多ピン化に伴うワイヤ同士のショート防止に有用であり、高機能,高集積な半導体装置の組立てに極めて有用なボンディングワイヤを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法に係る冷却工程の概要を示す簡略図である。
【図2】ワイヤ曲り量の測定方法を示す概略図で(a)は側面図、(b)は平面図である。
【符号の説明】
1:ワイヤ
2:ループ
10:繰り出し側リール
11:焼鈍炉
11a:焼鈍炉出口
12:冷却用滑車
13:サイド滑車
14:巻取り側リール
L:焼鈍炉出口から固体冷却体までの距離
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