JP3658668B2 - 半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上のチップ電極と外部リードとを接続するために用いられる金または金合金からなるボンディングワイヤとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ボンディングワイヤの加工工程は、伸線工程、顧客が指定する伸び率、破断強度を得るための熱処理工程を経て、製品スプールへ所定長さに巻き取る工程からなり、ボンディングワイヤは、製品スプールに巻かれた製品となる。最近では、製品スプールへの巻き数量が年々長尺化され、１，０００〜５，０００ｍをクロス多層巻きにした状態でワイヤボンダーに供給されている。しかしながら、熱処理工程を経て、製品スプール上に多層に巻かれたボンディングワイヤを、ワイヤボンダーに供給した際、密着したボンディングワイヤが円滑に解きほぐれずに、折れ曲がりの発生や、時には断線に至ることもある。
【０００３】
以上の現象は、熱処理工程を経たボンディングワイヤの表面が温度により活性化し、金属結合が促進し、上層と下層のボンディングワイヤ同士がくっつきやすくなることに起因すると考えられる。
【０００４】
これらの不具合への対応として、例えば特開昭５９−１６７０４４号公報や特開平２−９４５３４号公報等では、熱処理を経た金線表面に、潤滑防錆剤、界面活性剤、油脂等からなる被膜を形成し、金線同士のくっつきを防止する方法、さらに特開平５−２１４９９号公報では、被膜形成後のボインディングワイヤを所定温度で加熱し、金線と被膜の密着性を高める方法などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、ボンディングワイヤが、上記被膜を形成した後に、熱処理を施さずに、製品スプールに巻かれて、ワイヤボンダーに供給されると、金線と被膜の密着性が弱いので、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランバーをボンディングワイヤが通過する際に、被膜は容易にキャピラリーやクランバーに付着転写する。そして、ボンディング作業の増加と共に、キャピラリー内径のつまりや、クランバーへの堆積が生じ、ループ変形やワイヤ切れの原因となる。
【０００６】
また、被膜を形成した後に、熱処理を施すと、金線と被膜の密着性が向上し、上記問題は回避されるが、熱処理に必要な電気炉等の増設や、工程の追加が必要となり、コスト高につながる経済性の問題が生じる。
【０００７】
さらに、近年の半導体デバイスの多様化に伴い、それに使用されるボンディングワイヤの仕様も多様であり、例えば、熱処理温度が３００℃前後と低い軟質ワイヤから、６００℃以上の高温で熱処理される高耐熱性高強度ワイヤまで、幅広い特性のボンディングワイヤが要求されている。しかし、一般に、このように広い熱処理温度にわたって効果的な有機被膜の形成は困難であり、特に４００℃以上の高温に耐え得る被膜形成が難しいという問題もあった。
【０００８】
ボンディングワイヤのボンディング作業には、ワイヤボンダーを用いてキャピラリーを挿通したボンディングワイヤに、先ずスパーク放電によりボールを形成して、第１ボンディング点である半導体素子上の電極パットに圧着し、その後、第２ボンディング点に移動して、ボンディングワイヤを圧着せしめ、電気的接続を行う。
【０００９】
しかし、近年の半導体素子の高集積度化に伴い、例えば、パットピッチ、パットサイズの縮小により、従来は線径の２倍以上のボールを形成できれば十分であったものが、線径の１．５倍、もしくはそれ以下の小ボールが安定して形成できることや、隣接ワイヤと接触しないように、曲がり（カール）の無い直線性の高いループを形成できること等が必要とされてきている。このように、近年の半導体素子の高集積度化に伴い、ボンディングワイヤに対する特性の要求レベルが年々高度化する問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来では困難とされていた２５０〜７００℃の広い範囲の熱処理温度に耐え得る有機被膜が形成され、高度な特性要求にも応えることのできるボンディングワイヤを提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法は、伸線工程を経て、２５０〜７００℃の温度範囲内で熱処理を施し、前記熱処理を施す前に、粘度が０．５７〜１２３ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）の有機化合物を被覆する。
【００１２】
熱処理における２５０〜７００℃の広い温度範囲に有効な有機被膜を形成するにあたり、熱処理温度Ｔ（℃）から、Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）の式で得られる粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）の±２５％の範囲内に、有機化合物の粘度を調整して被覆することに特徴がある。
【００１３】
さらに、前記熱処理後に、前記有機化合物と同一もしくは異なる有機化合物で、被覆処理を施すとよい。また、有機化合物の被覆装置が熱処理装置と一体であり、前記熱処理と前記被覆処理を連続して施すとよい。有機化合物の被覆処理を、前記伸線工程で同時に施すか、もしくは伸線機に付属した被覆装置を用いて、前記伸線工程と連続して施すとよい。有機化合物の被覆処理を、有機化合物をノズルから噴射する方法によるか、有機化合物をプーリーまたはロールにより接触させて塗布する方法によるか、有機化合物中に浸漬させる方法によるか、あるいはそれらの方法を組み合わせた方法により、施すとよい。
【００１４】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤは、上記製造方法で製造され、被覆層の炭素量が、４〜５０質量ｐｐｍである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者らは、金線および金合金線の表面への有機被膜形成に関して、鋭意研究を重ねた結果、次の知見を得た。すなわち、金線の表面に有機化合物を被覆し、管状熱処理炉に通して焼鈍して、ボンディングワイヤを作製すると、残存被膜が強固に密着し、ボンディング作業において、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗が安定して、直進性の高いループが形成できる。
【００１６】
しかしながら、有機化合物の粘度が低いと、表面張力により粒状となり、被膜ムラができやすくなる。この現象には熱処理温度の影響も大きく、熱処理温度が高い程、顕著となる。こうして得られたボンディングワイヤを、多層にスプールに巻き取ると、被覆の薄い部分ではボンディングワイヤ同士のくっつきを防止することができずに、ボンディング作業でのボンディングワイヤの折れ曲がりや断線の原因となる。
【００１７】
一方、有機化合物の粘度が高いと、表面張力の働きが抑制され、金線の表面に広く厚く濡れるようになるが、熱処理温度が低い条件では、焼鈍による消失量が小さく、金線の表面に油紋や汚れとして残留し、外観不良や、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランパーに付着転写し、ボンディング不良となったり、安定した小ボールの形成が困難となる。
【００１８】
上記問題の解決にあたり、本発明者らは熱処理温度に対して適正な粘度が存在することを突き止め、本発明に至った。
【００１９】
第１図に、実験により得られた熱処理温度Ｔ（℃）と、適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）との関係を示す。ここで、測定点及びそれを結んだ細線は実測値であり、太線は本発明の近似指数曲線である。実測値の熱処理温度Ｔ（℃）に対する適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）は、指数曲線的に変化する。該実測値より、指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）を求めたが、該式によれば、±２５％の誤差範囲内で、熱処理温度Ｔ（℃）に対する適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）が求められる。
【００２０】
実際に、上記近似式にて求めた粘度に有機化合物を調整し被覆して、作成したボンディングワイヤの外観は正常であり、解きほぐれ性も円滑で、さらにボンディング作業に於いても、有機化合物のキャピラリーへの付着転写が無く、安定して小ボールも形成できるボンディングワイヤの製造が可能であることを確認した。なお、有機化合物の粘度調整は、被覆剤の化学的性質に応じて純水や、アルコール、ケトン、エーテル、エステル等の有機溶媒で調整しても何ら問題はない。
【００２１】
上記の方法で有機化合物の被覆処理、熱処理を経てから、再度、同一もしくは異なる有機化合物を被覆すると、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗をさらに安定化させることも可能である。特に、熱処理温度の高い場合には、図１に示されるように、近似式による適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）は、実測値よりも低く計算されるため、必要に応じて熱処理後に、再度、被覆処理を行い、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗を向上させることが望ましい。
【００２２】
有機化合物の被覆処理は、被覆処理を単独の工程とはせずに、伸線加工中に行ったり、伸線機に付属した被覆装置か、熱処理機に付属した被覆装置を用いて連続的に処理すれば、新たに巻き直す時間を必要としないため、製造に要する時間は増大せず、経済的効果が高い。
【００２３】
被覆方法については、ノズル等によるスプレーや、蒸気やミストを金線につけて被覆したり、プーリー、ローラー等の部材に有機化合物を塗布したり、浸透性のある部材に含浸させて金線を接触させることで被覆したり、金線を有機化合物液中に浸漬した後、引き上げて被覆する等が挙げられる。また、これらの被覆方法は単独で実施しても、複数の方法を組み合わせて実施しても構わない。もちろん、被覆方法はここに示した方法に限定されるものではなく、前述の熱処理前に金線に被覆した効果が発揮される方法ならば、上記以外の方法でもよい。
【００２４】
上述したように、有機化合物を被覆処理後、熱処理を施した金線には、熱処理後に付着している炭素量は４〜５０質量ｐｐｍとなる。炭素量が４質量ｐｐｍ未満であると、ボンディングワイヤ同士のくっつき防止が不十分になる。熱処理後に再度、有機化合物を被覆処理する場合には、最終被覆後に４〜５０質量ｐｐｍの炭素が金線に付着するようにしなければならない。すなわち、５０質量ｐｐｍを超える炭素量が金線に付着していると、金線表面に汚れとして残留し、外観不良や、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランバーに付着転写し、ボンディング不良発生に繋がるからである。
【００２５】
（実施例１）線径２５μｍの金線を使い、被覆剤として非イオン系界面活性剤を用いて、粘度１．３０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）に、純水を用いて被覆剤を調整して、被覆処理の後、３００℃で熱処理すなわち焼鈍を毎分５０ｍの速度で連続的に行った。この粘度は、３００℃を熱処理温度Ｔとして、上述した近似式にて得た粘度Ｖである。
【００２６】
上記手順で作成したボンディングワイヤの一部により、炭素量を測定した。
【００２７】
炭素量の測定方法であるが、所定の質量としたボンディングワイヤを全炭素分析装置（堀場製作所製、ＥＭＩＡ Ｕ５１１１）を用いて１３００℃、助燃剤なしの条件で、加熱により発生した一酸化炭素及び二酸化炭素の合計量からボンディングワイヤの表面に付着した炭素量を測定した。
【００２８】
残りのボンディングワイヤはクロス多層巻きにて製品スプールに１，０００ｍ巻き取り、５００倍の金属顕微鏡で油紋等の被覆剤残留の有無を確認した。次に、製品スプールを１ｍの高さに保持し、ボンディングワイヤの自重で１０ｍ解きほぐし、そのほぐれ性を調査した。ほぐれ性は、１回も止まることなく、スムーズに解きほぐれたものを正常とした。次いで、ワイヤボンダー（新川製、ＵＴＣ−３００型）を用いて、ボンディング作業を行い、５万回ボンディング後のキャピラリー先端部の汚れを、５００倍の金属顕微鏡で確認した。さらに同じく、ワイヤボンダー（新川製、ＵＴＣ−３００型）を用いて、ループ長５ｍｍ、ピッチ６０μｍの条件で平行にループを形成し、２，０００回ボンド中の隣接ワイヤとのボンディングワイヤ同士の接触の有無を調査した。これらの結果を実施例１として、表１に記載する。
【００２９】
（実施例２）熱処理温度Ｔを４００℃とし、粘度Ｖを３．８４ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３０】
（実施例３）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３１】
（実施例４）熱処理温度Ｔを６００℃とし、粘度Ｖを３３．３２ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３２】
（実施例５）熱処理温度Ｔを７００℃とし、粘度Ｖを９８．１０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例５のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３３】
（実施例６）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の非イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例６のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３４】
（実施例７）熱処理温度Ｔを６００℃とし、粘度Ｖを３３．３２ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、ＩＰＡに溶かしたロジンで被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例７のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３５】
（実施例８）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを３５０℃とし、粘度Ｖを２．２４ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例８のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３６】
（実施例９）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを６．５９ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例９のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３７】
（実施例１０）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを５５０℃とし、粘度Ｖを１９．４１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例１０のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３８】
（実施例１１）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを６５０℃とし、粘度Ｖを５７．１７ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例８のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３９】
（実施例１２）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを６．５９ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の陰イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４０】
（実施例１３）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを６５０℃とし、粘度Ｖを５７．１７ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の陰イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４１】
（実施例１４）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを５５０℃とし、粘度Ｖを１９．４１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、ＩＰＡに溶かしたロジンで被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４２】
（比較例１）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを６．５０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例１のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、５７％である。
【００４３】
（比較例２）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１５．００ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、１３３％である。
【００４４】
（比較例３）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを５．００ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、７６％である。
【００４５】
（比較例４）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを９．５０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、１４４％である。
【００４６】
（比較例５）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを計算値に従って１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の非イオン系界面活性剤で被覆処理をし、非イオン系界面活性剤の量を多くした以外は、実施例１と同様にして、比較例５のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。本比較例では、最終被覆処理後の炭素量が本発明の範囲である４〜５０質量ｐｐｍから外れ、６９質量ｐｐｍであった。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
表１に示した実施例１〜１４より、熱処理温度に対する被覆剤粘度を近似式より求めて作成した本発明のボンディングワイヤは、油紋や汚れの残留のない、良好な外観を有し、スプールからの解きほぐれも円滑で、且つ５万回ボンディング後のキャピラリー先端への汚れや転写も少なく、ループの直進性も良好な結果が得られている。
【００５０】
一方、表２に示されるように、熱処理温度に対して、近似式より求めた粘度から２５％以上低い粘度の有機化合物で被覆した比較例１、３では、ボンディングワイヤ同士がくっつき、スプールからボンディングワイヤがほぐれにくくなり、ボンディング作業中に断線に至る不良が多発して、連続ボンディングが不可能な状態であった。
【００５１】
また、熱処理温度に対して、近似式より求めた粘度から２５％以上高い粘度の有機化合物で被覆した比較例２、４では、外観不良を誘発し、キャピラリー先端への汚れや転写も非常に多くなる傾向にあることが確認された。
【００５２】
さらに、比較例５では、熱処理後の被覆で、多量に被覆して金線に付着した炭素量が４〜５０質量ｐｐｍの範囲を超えて、外観不良を誘発し、キャピラリー先端への汚れや転写も非常に多くなる傾向にあることが確認された。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように、金線および金合金線の表面に有機化合物を被覆するにあたり、粘度を本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）より求めて、被覆剤の粘度を調整して被覆することで、２５０〜７００℃の広範囲な熱処理を必要とする軟質ワイヤから高耐熱性高強度ワイヤまで、あらゆる金線の被膜形成が可能となる。
【００５４】
その結果、金線と被膜の密着性を高めるための熱処理等、新たな工程の追加が不要であり、且つ熱処理温度に対する適正粘度で被覆することで、金線表面との密着性のよい最適な被膜形成が可能となり、外観不良や金線同士のくっつきの発生しない優れたボンディング性を有するボンディングワイヤを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱処理温度と、熱処理前に被覆する被覆剤の適切な粘度との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上のチップ電極と外部リードとを接続するために用いられる金または金合金からなるボンディングワイヤとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ボンディングワイヤの加工工程は、伸線工程、顧客が指定する伸び率、破断強度を得るための熱処理工程を経て、製品スプールへ所定長さに巻き取る工程からなり、ボンディングワイヤは、製品スプールに巻かれた製品となる。最近では、製品スプールへの巻き数量が年々長尺化され、１，０００〜５，０００ｍをクロス多層巻きにした状態でワイヤボンダーに供給されている。しかしながら、熱処理工程を経て、製品スプール上に多層に巻かれたボンディングワイヤを、ワイヤボンダーに供給した際、密着したボンディングワイヤが円滑に解きほぐれずに、折れ曲がりの発生や、時には断線に至ることもある。
【０００３】
以上の現象は、熱処理工程を経たボンディングワイヤの表面が温度により活性化し、金属結合が促進し、上層と下層のボンディングワイヤ同士がくっつきやすくなることに起因すると考えられる。
【０００４】
これらの不具合への対応として、例えば特開昭５９−１６７０４４号公報や特開平２−９４５３４号公報等では、熱処理を経た金線表面に、潤滑防錆剤、界面活性剤、油脂等からなる被膜を形成し、金線同士のくっつきを防止する方法、さらに特開平５−２１４９９号公報では、被膜形成後のボインディングワイヤを所定温度で加熱し、金線と被膜の密着性を高める方法などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、ボンディングワイヤが、上記被膜を形成した後に、熱処理を施さずに、製品スプールに巻かれて、ワイヤボンダーに供給されると、金線と被膜の密着性が弱いので、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランバーをボンディングワイヤが通過する際に、被膜は容易にキャピラリーやクランバーに付着転写する。そして、ボンディング作業の増加と共に、キャピラリー内径のつまりや、クランバーへの堆積が生じ、ループ変形やワイヤ切れの原因となる。
【０００６】
また、被膜を形成した後に、熱処理を施すと、金線と被膜の密着性が向上し、上記問題は回避されるが、熱処理に必要な電気炉等の増設や、工程の追加が必要となり、コスト高につながる経済性の問題が生じる。
【０００７】
さらに、近年の半導体デバイスの多様化に伴い、それに使用されるボンディングワイヤの仕様も多様であり、例えば、熱処理温度が３００℃前後と低い軟質ワイヤから、６００℃以上の高温で熱処理される高耐熱性高強度ワイヤまで、幅広い特性のボンディングワイヤが要求されている。しかし、一般に、このように広い熱処理温度にわたって効果的な有機被膜の形成は困難であり、特に４００℃以上の高温に耐え得る被膜形成が難しいという問題もあった。
【０００８】
ボンディングワイヤのボンディング作業には、ワイヤボンダーを用いてキャピラリーを挿通したボンディングワイヤに、先ずスパーク放電によりボールを形成して、第１ボンディング点である半導体素子上の電極パットに圧着し、その後、第２ボンディング点に移動して、ボンディングワイヤを圧着せしめ、電気的接続を行う。
【０００９】
しかし、近年の半導体素子の高集積度化に伴い、例えば、パットピッチ、パットサイズの縮小により、従来は線径の２倍以上のボールを形成できれば十分であったものが、線径の１．５倍、もしくはそれ以下の小ボールが安定して形成できることや、隣接ワイヤと接触しないように、曲がり（カール）の無い直線性の高いループを形成できること等が必要とされてきている。このように、近年の半導体素子の高集積度化に伴い、ボンディングワイヤに対する特性の要求レベルが年々高度化する問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来では困難とされていた２５０〜７００℃の広い範囲の熱処理温度に耐え得る有機被膜が形成され、高度な特性要求にも応えることのできるボンディングワイヤを提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法は、伸線工程を経て、２５０〜７００℃の温度範囲内で熱処理を施し、前記熱処理を施す前に、粘度が０．５７〜１２３ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）の有機化合物を被覆する。
【００１２】
熱処理における２５０〜７００℃の広い温度範囲に有効な有機被膜を形成するにあたり、熱処理温度Ｔ（℃）から、Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）の式で得られる粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）の±２５％の範囲内に、有機化合物の粘度を調整して被覆することに特徴がある。
【００１３】
さらに、前記熱処理後に、前記有機化合物と同一もしくは異なる有機化合物で、被覆処理を施すとよい。また、有機化合物の被覆装置が熱処理装置と一体であり、前記熱処理と前記被覆処理を連続して施すとよい。有機化合物の被覆処理を、前記伸線工程で同時に施すか、もしくは伸線機に付属した被覆装置を用いて、前記伸線工程と連続して施すとよい。有機化合物の被覆処理を、有機化合物をノズルから噴射する方法によるか、有機化合物をプーリーまたはロールにより接触させて塗布する方法によるか、有機化合物中に浸漬させる方法によるか、あるいはそれらの方法を組み合わせた方法により、施すとよい。
【００１４】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤは、上記製造方法で製造され、被覆層の炭素量が、４〜５０質量ｐｐｍである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者らは、金線および金合金線の表面への有機被膜形成に関して、鋭意研究を重ねた結果、次の知見を得た。すなわち、金線の表面に有機化合物を被覆し、管状熱処理炉に通して焼鈍して、ボンディングワイヤを作製すると、残存被膜が強固に密着し、ボンディング作業において、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗が安定して、直進性の高いループが形成できる。
【００１６】
しかしながら、有機化合物の粘度が低いと、表面張力により粒状となり、被膜ムラができやすくなる。この現象には熱処理温度の影響も大きく、熱処理温度が高い程、顕著となる。こうして得られたボンディングワイヤを、多層にスプールに巻き取ると、被覆の薄い部分ではボンディングワイヤ同士のくっつきを防止することができずに、ボンディング作業でのボンディングワイヤの折れ曲がりや断線の原因となる。
【００１７】
一方、有機化合物の粘度が高いと、表面張力の働きが抑制され、金線の表面に広く厚く濡れるようになるが、熱処理温度が低い条件では、焼鈍による消失量が小さく、金線の表面に油紋や汚れとして残留し、外観不良や、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランパーに付着転写し、ボンディング不良となったり、安定した小ボールの形成が困難となる。
【００１８】
上記問題の解決にあたり、本発明者らは熱処理温度に対して適正な粘度が存在することを突き止め、本発明に至った。
【００１９】
第１図に、実験により得られた熱処理温度Ｔ（℃）と、適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）との関係を示す。ここで、測定点及びそれを結んだ細線は実測値であり、太線は本発明の近似指数曲線である。実測値の熱処理温度Ｔ（℃）に対する適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）は、指数曲線的に変化する。該実測値より、指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）を求めたが、該式によれば、±２５％の誤差範囲内で、熱処理温度Ｔ（℃）に対する適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）が求められる。
【００２０】
実際に、上記近似式にて求めた粘度に有機化合物を調整し被覆して、作成したボンディングワイヤの外観は正常であり、解きほぐれ性も円滑で、さらにボンディング作業に於いても、有機化合物のキャピラリーへの付着転写が無く、安定して小ボールも形成できるボンディングワイヤの製造が可能であることを確認した。なお、有機化合物の粘度調整は、被覆剤の化学的性質に応じて純水や、アルコール、ケトン、エーテル、エステル等の有機溶媒で調整しても何ら問題はない。
【００２１】
上記の方法で有機化合物の被覆処理、熱処理を経てから、再度、同一もしくは異なる有機化合物を被覆すると、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗をさらに安定化させることも可能である。特に、熱処理温度の高い場合には、図１に示されるように、近似式による適正粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）は、実測値よりも低く計算されるため、必要に応じて熱処理後に、再度、被覆処理を行い、キャピラリーとボンディングワイヤ間のすべり抵抗を向上させることが望ましい。
【００２２】
有機化合物の被覆処理は、被覆処理を単独の工程とはせずに、伸線加工中に行ったり、伸線機に付属した被覆装置か、熱処理機に付属した被覆装置を用いて連続的に処理すれば、新たに巻き直す時間を必要としないため、製造に要する時間は増大せず、経済的効果が高い。
【００２３】
被覆方法については、ノズル等によるスプレーや、蒸気やミストを金線につけて被覆したり、プーリー、ローラー等の部材に有機化合物を塗布したり、浸透性のある部材に含浸させて金線を接触させることで被覆したり、金線を有機化合物液中に浸漬した後、引き上げて被覆する等が挙げられる。また、これらの被覆方法は単独で実施しても、複数の方法を組み合わせて実施しても構わない。もちろん、被覆方法はここに示した方法に限定されるものではなく、前述の熱処理前に金線に被覆した効果が発揮される方法ならば、上記以外の方法でもよい。
【００２４】
上述したように、有機化合物を被覆処理後、熱処理を施した金線には、熱処理後に付着している炭素量は４〜５０質量ｐｐｍとなる。炭素量が４質量ｐｐｍ未満であると、ボンディングワイヤ同士のくっつき防止が不十分になる。熱処理後に再度、有機化合物を被覆処理する場合には、最終被覆後に４〜５０質量ｐｐｍの炭素が金線に付着するようにしなければならない。すなわち、５０質量ｐｐｍを超える炭素量が金線に付着していると、金線表面に汚れとして残留し、外観不良や、ワイヤボンダーのキャピラリーやクランバーに付着転写し、ボンディング不良発生に繋がるからである。
【００２５】
（実施例１）線径２５μｍの金線を使い、被覆剤として非イオン系界面活性剤を用いて、粘度１．３０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）に、純水を用いて被覆剤を調整して、被覆処理の後、３００℃で熱処理すなわち焼鈍を毎分５０ｍの速度で連続的に行った。この粘度は、３００℃を熱処理温度Ｔとして、上述した近似式にて得た粘度Ｖである。
【００２６】
上記手順で作成したボンディングワイヤの一部により、炭素量を測定した。
【００２７】
炭素量の測定方法であるが、所定の質量としたボンディングワイヤを全炭素分析装置（堀場製作所製、ＥＭＩＡ Ｕ５１１１）を用いて１３００℃、助燃剤なしの条件で、加熱により発生した一酸化炭素及び二酸化炭素の合計量からボンディングワイヤの表面に付着した炭素量を測定した。
【００２８】
残りのボンディングワイヤはクロス多層巻きにて製品スプールに１，０００ｍ巻き取り、５００倍の金属顕微鏡で油紋等の被覆剤残留の有無を確認した。次に、製品スプールを１ｍの高さに保持し、ボンディングワイヤの自重で１０ｍ解きほぐし、そのほぐれ性を調査した。ほぐれ性は、１回も止まることなく、スムーズに解きほぐれたものを正常とした。次いで、ワイヤボンダー（新川製、ＵＴＣ−３００型）を用いて、ボンディング作業を行い、５万回ボンディング後のキャピラリー先端部の汚れを、５００倍の金属顕微鏡で確認した。さらに同じく、ワイヤボンダー（新川製、ＵＴＣ−３００型）を用いて、ループ長５ｍｍ、ピッチ６０μｍの条件で平行にループを形成し、２，０００回ボンド中の隣接ワイヤとのボンディングワイヤ同士の接触の有無を調査した。これらの結果を実施例１として、表１に記載する。
【００２９】
（実施例２）熱処理温度Ｔを４００℃とし、粘度Ｖを３．８４ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３０】
（実施例３）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３１】
（実施例４）熱処理温度Ｔを６００℃とし、粘度Ｖを３３．３２ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３２】
（実施例５）熱処理温度Ｔを７００℃とし、粘度Ｖを９８．１０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例５のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３３】
（実施例６）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の非イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例６のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３４】
（実施例７）熱処理温度Ｔを６００℃とし、粘度Ｖを３３．３２ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、ＩＰＡに溶かしたロジンで被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例７のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３５】
（実施例８）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを３５０℃とし、粘度Ｖを２．２４ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例８のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３６】
（実施例９）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを６．５９ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例９のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３７】
（実施例１０）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを５５０℃とし、粘度Ｖを１９．４１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例１０のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３８】
（実施例１１）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを６５０℃とし、粘度Ｖを５７．１７ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、実施例８のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００３９】
（実施例１２）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを６．５９ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の陰イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４０】
（実施例１３）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを６５０℃とし、粘度Ｖを５７．１７ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の陰イオン系界面活性剤で被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４１】
（実施例１４）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを５５０℃とし、粘度Ｖを１９．４１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、ＩＰＡに溶かしたロジンで被覆処理をした以外は、実施例１と同様にして、実施例１４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表１に記載する。
【００４２】
（比較例１）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを６．５０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例１のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、５７％である。
【００４３】
（比較例２）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを１５．００ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、１３３％である。
【００４４】
（比較例３）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを５．００ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例３のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、７６％である。
【００４５】
（比較例４）被覆剤を陰イオン系界面活性剤とし、熱処理温度Ｔを４５０℃とし、粘度Ｖを９．５０ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とした以外は、実施例１と同様にして、比較例４のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。粘度Ｖは、本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）により求められる適正粘度Ｖに対して、１４４％である。
【００４６】
（比較例５）熱処理温度Ｔを５００℃とし、粘度Ｖを計算値に従って１１．３１ｍＰａ・ｓ（２５℃の条件において）とし、熱処理後に、熱処理前に被覆した有機化合物と同一の非イオン系界面活性剤で被覆処理をし、非イオン系界面活性剤の量を多くした以外は、実施例１と同様にして、比較例５のボンディングワイヤを作成して、同様に評価した結果を表２に記載する。本比較例では、最終被覆処理後の炭素量が本発明の範囲である４〜５０質量ｐｐｍから外れ、６９質量ｐｐｍであった。
【００４７】
【表１】
【表２】
表１に示した実施例１〜１４より、熱処理温度に対する被覆剤粘度を近似式より求めて作成した本発明のボンディングワイヤは、油紋や汚れの残留のない、良好な外観を有し、スプールからの解きほぐれも円滑で、且つ５万回ボンディング後のキャピラリー先端への汚れや転写も少なく、ループの直進性も良好な結果が得られている。
【００５０】
一方、表２に示されるように、熱処理温度に対して、近似式より求めた粘度から２５％以上低い粘度の有機化合物で被覆した比較例１、３では、ボンディングワイヤ同士がくっつき、スプールからボンディングワイヤがほぐれにくくなり、ボンディング作業中に断線に至る不良が多発して、連続ボンディングが不可能な状態であった。
【００５１】
また、熱処理温度に対して、近似式より求めた粘度から２５％以上高い粘度の有機化合物で被覆した比較例２、４では、外観不良を誘発し、キャピラリー先端への汚れや転写も非常に多くなる傾向にあることが確認された。
【００５２】
さらに、比較例５では、熱処理後の被覆で、多量に被覆して金線に付着した炭素量が４〜５０質量ｐｐｍの範囲を超えて、外観不良を誘発し、キャピラリー先端への汚れや転写も非常に多くなる傾向にあることが確認された。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように、金線および金合金線の表面に有機化合物を被覆するにあたり、粘度を本発明の指数曲線の近似式Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）より求めて、被覆剤の粘度を調整して被覆することで、２５０〜７００℃の広範囲な熱処理を必要とする軟質ワイヤから高耐熱性高強度ワイヤまで、あらゆる金線の被膜形成が可能となる。
【００５４】
その結果、金線と被膜の密着性を高めるための熱処理等、新たな工程の追加が不要であり、且つ熱処理温度に対する適正粘度で被覆することで、金線表面との密着性のよい最適な被膜形成が可能となり、外観不良や金線同士のくっつきの発生しない優れたボンディング性を有するボンディングワイヤを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱処理温度と、熱処理前に被覆する被覆剤の適切な粘度との関係を示すグラフである。
Claims (6)
- 伸線工程を経て、２５０〜７００℃の温度範囲内で熱処理を施すボンディングワイヤの製造方法において、前記熱処理を施す前に、熱処理温度Ｔ（℃）から、Ｖ＝０．０５１１ｅｘｐ（０．０１０８Ｔ）の式で得られる粘度Ｖ（ｍＰａ・ｓ、２５℃の条件において）の±２５％の範囲内に、有機化合物の粘度を調整して被覆処理を施すことを特徴とする半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
- 前記熱処理後に、前記有機化合物と同一もしくは異なる有機化合物で、被覆処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
- 有機化合物の被覆装置が熱処理装置と一体であり、前記熱処理と前記被覆処理を連続して施すことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
- 有機化合物の被覆処理を、前記伸線工程で同時に施すか、もしくは伸線機に付属した被覆装置を用いて、前記伸線工程と連続して施すことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
- 有機化合物の被覆処理を、有機化合物をノズルから噴射する方法によるか、有機化合物をプーリーまたはロールにより接触させて塗布する方法によるか、有機化合物中に浸漬させる方法によるか、あるいはそれらの方法を組み合わせた方法により、施すことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
- 請求項１から５のいずれかに記載の製造方法で製造され、被覆層の炭素量が、４〜５０質量ｐｐｍである半導体素子用ボンディングワイヤ。
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