JP4158928B2 - ボンディングワイヤー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体のチップ電極と外部リードとの接続のために使用するボンディングワイヤーに関するものである。

ボンディングワイヤー（以下、ワイヤー）の製造は一般的に、芯材を所定の径まで伸線し、次いで焼鈍を施して芯材の機械的特性を調節する。被覆層を有するワイヤーを製造する場合は、芯材を所定の径まで伸線し次いでメッキを施すか、もしくは、伸線の後にメッキを施し次いで所定の径まで伸線する。さらに焼鈍を施すことにより、伸びと強度を調節したワイヤーが製造される。

ワイヤーボンディング工程において、半導体のチップ電極と、半導体の外部と電気的に接続をする外部リード（以下、リード）とを、以下のようにワイヤーを用いて電気的に接続する。
すなわち、ワイヤー先端と電極トーチ間を放電させ、ワイヤー先端を溶融させボンディングボール（以下、ボール）をあらかじめ形成する。その後チップ電極に前記ボールを押圧しつつ超音波を印加して、前記チップ電極と前記ボールと接合する。次いで超音波を印加してリードとワイヤーを接合し、ワイヤーボンディング工程を終了する。この際、チップ電極とリードの間を接続しているワイヤーの形状をループと呼び、チップ電極接合後にワイヤーに歪みを与え、隣り合うワイヤー同士が電気的に短絡しないようにループ形成する。

半導体のチップ電極と外部リードとの接続は、芯材に金を用いたボールボンディング法が一般的である。しかし金は高価であるため、価格の安い銅が芯材に用いられることが多くなった。

しかし銅芯材は大気中で表面が酸化するため、前記ワイヤーボンディング工程における接続信頼性が劣った。これに対し銅芯材の酸化防止を目的として、表面に耐食性金属のメッキを施したワイヤーが用いられている。
銅芯材の表面に金、パラジウム、白金の被覆層をメッキした例がある（例えば、特許文献１）。しかし、銅芯材に被覆層として金をメッキしたワイヤーの場合、良好な球状のボールが得られないという問題がある。この原因として、ボール形成時に芯材の銅とメッキの金からなる合金が生成するが、前記合金の融点は純銅や純金より低いことが考えられている。このため、芯材と被覆層の合金の融点が高くなる被覆層としてパラジウム、白金などが用いられることが多い。銅芯材の表面にパラジウム、白金、ニッケルの被覆層をメッキしたワイヤーの例がある（例えば、特許文献２）。この場合はボールが小径でも形状を良好にすることができる。また、リードフレームへパラジウムメッキした例がある。（例えば、特許文献３）
特開昭62-97360号公報 特開2004-14884号公報 特開平11-189891号公報

しかしながら従来のワイヤーはメッキを被覆する際に、被覆材と芯材が拡散し、芯材がワイヤー表面に露出してしまい、ワイヤーが酸化しやすくなるという問題が起きる。
この問題を回避するため被覆層を厚くすると、ボール形成時に被覆層が溶融して合金が形成する際に合金中の被覆層の割合が高くなり、ボールの硬度が増加してしまいチップ電極にダメージが生じる（チップクレータリング）という問題が生じてしまう。

本発明の目的は、メッキ厚が薄くかつ耐酸化性に優れるワイヤー、さらに前記ワイヤーを実現するための製造方法を提供するものである。特に、被覆層と芯材が混在する拡散層の厚さを薄くすることができるため、最小限のメッキ厚さで優れたボール形成性、耐酸化性を示す。

発明者らは、銅からなる芯材に白金又はパラジウムの被覆層を施したワイヤーを製造し、熱処理方法、メッキ方法、被覆層厚さを鋭意研究した結果、メッキ厚さが薄く且つ耐酸化性に優れるワイヤーを発明するに至った。
即ち、本発明は、
（１）芯材が銅及び不可避不純物からなり、被覆層がパラジウム及び不可避不純物からなるボンディングワイヤーであって、前記被覆層の厚さが５０Å以上４００Å以下、前記芯材と前記被覆層の拡散層の厚さが２００Å以下、前記被覆層の表面から５０Åまでの深さにおける銅の割合が８ａｔ％以下、かつ前記ボンディングワイヤーの断面において、Ｘ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合のＸが、Ｘ＜０．００６５であるボンディングワイヤー、
（２）芯材が銅及び不可避不純物からなり、被覆層がパラジウム及び不可避不純物からなるボンディングワイヤーを製造する方法であって、前記被覆層を、アンモニアを錯化剤としたパラジウムメッキ浴の金属濃度を３〜２０ｇ／Ｌ、電流密度を４．０〜５０Ａ／ｄｍ ^２ の条件で形成することにより、前記被覆層の厚さが５０Å以上４００Å以下、前記芯材と前記被覆層の拡散層の厚さが２００Å以下、前記被覆層の表面から５０Åまでの深さにおける銅の割合が８ａｔ％以下、かつ前記ボンディングワイヤーの断面において、Ｘ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合のＸが、Ｘ＜０．００６５であるボンディングワイヤーを得ることを特徴とするボンディングワイヤーの製造方法、
（３）被覆層を形成した後に、熱処理を行うボンディングワイヤーの製造方法、
を提供するものである。

本発明によれば、被覆材のメッキにおいて、メッキ浴への芯材の溶け出しを極めて小さくおさえ、被覆材との拡散領域を著しく小さくすることができる。そのため、被覆層が十分薄くても、ワイヤー保管時あるいはワイヤーボンディング時においてワイヤーが酸化しにくくなる。そのため優れた接合信頼性を有する。さらに、ボール形成時に不純物となる被覆材の占める体積比（被覆材／芯材）が小さいため、形成したボールの硬化が抑えられ、優れたボールボンディング性を示す。よって、産業上顕著な効果を奏する。

以下、本願発明のワイヤーを説明する。
本願発明のワイヤーは直径１〜２０ｍｍ程度の芯材を冷間にて伸線し、被覆層を形成する。本発明では、被覆層を形成する際、メッキ浴への芯材の溶け出しを小さくおさえて短時間で被覆材を形成する。その後、所定の径まで伸線し、最終焼鈍により強度を調整する。

被覆材を形成する前の伸線は、冷間にて加工率９９．９〜９９．９９９９％で行う。あるいは冷間で加工率７０〜９９．９％で伸線し、３００〜５００℃で１０分〜１時間のバッチ式焼鈍を繰り返してもかまわない。また走間焼鈍の場合は３００〜５００℃で０．５〜２秒加熱する。
次いで被覆層を形成する。パラジウムを電気メッキにて芯材に被覆するとき、アンモニア水を含むメッキ液に浸すため、電流密度によっては芯材である銅が容易にメッキ液中に溶け出す。そのためパラジウムが芯材に均一にメッキされず下地の銅が表面に露出しやすい。

本願発明の被覆層は電気メッキ法により施す。パラジウムを電気メッキにて被覆する際には、芯材である銅がメッキ浴に溶け出すのを極力おさえる。本発明では一般のストライクメッキより金属濃度が高いメッキ浴を用い、高電流密度でメッキをおこなうことで、芯材を腐食させるメッキ浴に浸漬しても、ピンホールの少ない被膜を形成する。

メッキ浴は、パラジウムの金属濃度が３．０〜２０ｇ／Ｌとし、電流密度を４．０〜５０Ａ／ｄｍ２とする。４．０Ａ／ｄｍ２未満ではメッキが薄く均一に被覆できないばかりか、メッキ中に芯材が溶け出して、表面に芯材の一部が露出し、ワイヤー表面が酸化してしまい、リードとワイヤーのボンディングにおける接続強度が低下するという問題が起きる。逆に５０Ａ／ｄｍ２を超えるといわゆるヤケメッキが生じ、変色が生じ、メッキ被覆層の凹凸が大きくなるという問題が起きる。好ましくは電流密度が５．０〜３０Ａ／ｄｍ２、より好ましくは６．０〜２０Ａ/ｄｍ２である。また、この電流密度ではパラジウムの堆積とともに水素ガスが発生し、芯材の表面を清浄化し、活性化する働きが強くなる。そのため、堆積したパラジウムと下地である芯材との密着性が向上する。

メッキ浴のパラジウムの金属濃度は３〜２０ｇ／Ｌが適切である。金属濃度が３ｇ／Ｌ以下であると、ワイヤーへのパラジウムの供給が少なくなり、メッキ堆積速度が小さくなり、芯材である銅の溶け出しを抑えることができない。一方、金属濃度が２０ｇ／Ｌを越えると、水素の発生量が減少するため、被覆材と芯材との密着性が低くなる。そのため、その後の伸線中に、被覆材が芯材から剥がれてしまう不良が発生しやすくなる。パラジウムの供給は、パラジウム錯体からなるものを指し、ジクロロテトラアンミンパラジウムやジニトロジアミンパラジウム、塩化パラジウムなどを含む。
メッキ浴のｐＨは８〜１２の間になるようにｐＨを調整した。
通常のメッキ条件より電流密度が高いため、芯材が被覆材に拡散するのを防ぎ、ワイヤー表面にて、芯材の元素の割合を低くすることができる。さらに、被覆材と芯材の拡散層の厚さを小さくすることができる。そのため、薄い被覆材のメッキでボンディング性の優れたワイヤーを製造することができる。

被覆層を形成した後、所定の線径まで伸線をおこなう。最終径で被覆層を形成してもよいが、中間径にて被覆層を形成し、最終径まで伸線する方が生産効率が高い。次に、ワイヤーの機械的強度、伸びを調整するため、熱処理を行う。通常、ワイヤーの巻きグセを矯正するため、走間にて焼鈍を行う。

本願発明の被覆層は耐酸化性の金属で、かつ芯材と被覆層が溶融してなる合金の融点が、芯材及び被覆層いずれかの融点よりも高い、すなわち、芯材と被覆層からなる２元系合金状態図、もしくは、３元系以上の合金状態図において、全ての体積比領域の液相温度が、いずれかの元素の融点よりも高いため、良好な球形のボールの形成が可能である。この場合のボールの直径はワイヤー径の１．５倍から３倍程度のボールをいう。

本発明のワイヤーの表面において芯材の割合は８ａｔ％以下である。これは耐酸化性に優れるためである。被覆層に芯材の成分が８ａｔ％を超えて含まれていると、ワイヤー表面において芯材の成分が酸化されてしまうという問題が起きる。被覆層は好ましくは白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムのいずれか１元素と不可避不純物からなる。より好ましい被覆層は、パラジウムと不可避不純物とからなる。被覆層に金や銀を用いると、例えば芯材に銅を用いた場合、銅と金からなる合金或いは銅と銀からなる合金は純銅、純金、純銀より融点が低いため上記のように良好な球形のボールの形成が困難である。なお、ここでいう表面とはワイヤー外面から深さ０．００５ミクロン（５０Å）までを言う。ワイヤーの表面元素の測定は、オージェ電子分光法を用い、加速電圧１０ｋｅＶ、１０ｎＡにて、５ミクロン径の視野内分析を行った値をいう。なお、ワイヤー表面における芯材の成分比率は、ワイヤー表面に付着している有機物を主とするカーボンは含まない。

被覆層厚さはワイヤーの断面においてＸ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合、Ｘ＜0.0065であり、かつ、厚さが５０Å以上である。前記Ｘが０．００６５を超えると被覆層が厚いので、ボール形成時に被覆層が溶融して合金が形成する際に合金中の被覆層の割合が高くなりボールの硬度が増加してしまうので、ワイヤーボンディング中にチップ電極にダメージを与え、クレータリングやチップクラックという問題が発生する。ここでクレータリングとは チップのアルミ電極下の酸化膜およびチップ内部から破壊することである。また厚さが５０Å未満であるとワイヤー表面全体を被覆することができなくなるため耐酸化性に劣り、ワイヤーの接続強度が低下するという問題が起きる。好ましくはＸ＜0.005でかつ厚さが７０Å以上、より好ましくはＸ＜0.004でかつ厚さが１００Å以上とする。

なお、被覆層厚さは、オージェ電子分光法を用い、深さ方向にスパッタしたときの時間をＳｉＯ２の厚さで換算したものをいう。スパッタ条件は、Ａｒ加速電圧２ｋＶ２５ｍＡでおこない、ＳｉＯ２の換算厚さを被覆層厚さとした。本装置では、１０００ÅのＳｉＯ２膜を標準試料として、１０分で完全にスパッタされることから、１００Å／分をＳｉＯ２換算厚さとした。被覆層厚さは、被覆元素比が５０％となるスパッタ時間を被覆層厚さとした。
本発明では、被覆層と芯材が混在する拡散層の厚さが２００Å以下である。拡散層が厚いと表面に芯材が露出しやすく、耐酸化性が劣り、ボンディング強度が低下する。拡散層を極力小さくすると、薄い被覆層で十分な耐酸化性を示す。拡散層の厚さとは、被覆材と芯材の元素が混合している領域である。オージェ電子分光法を用い、スパッタしながら検出元素を測定し、被覆元素／（芯材元素＋被覆元素）のat％比が１０〜９０％の領域を拡散層として求めた。
本発明でいう、被覆層厚さと拡散層の厚さは図１に示すオージェ電子分光法を用いた測定から得られるものである。

９９．９９％の純度を有する銅を、直径１００ミクロンまで伸線加工した。次に、５００℃窒素雰囲気１ｍ長の炉を用いて５０ｍ／分の線速で走間焼鈍を行い、芯材を製造した。

次に、苛性ソーダ、炭酸ソーダ、ケイ酸ソーダからなるアルカリ浴に浸漬し、芯材が陰極になるように電流を５Ａ／ｄｍ２にて０．１−３０秒間通電し、芯材表面の有機物の汚れを除去した。次いで水洗したのち、１０％濃度の硫酸浴に０．１−３０秒間浸漬し、芯材表面の酸化被膜を除去した。再度水洗した後、被覆する元素を含む溶液に浸し、電流４〜２０Ａ／ｄｍ２にて０．１〜６０秒間電気メッキをおこない、被覆材を形成した。メッキ時間はメッキラインの線速度を増減させることによって制御した。メッキ液は、パラジウム金属量３−２０ｇ（実際は、パラジウム金属錯体であるジクロロテトラアンミンパラジウム７．８−３１３ｇ／Ｌ）、硝酸アンモニウム４００ｇ／Ｌ、塩化アンモニウム１６０ｇ／Ｌからなるもので、アンモニア水にてｐＨ８からｐＨ９の間になるようにｐＨを調整した。メッキ液温度は６０℃とした。

次に、被覆材を形成した後、ダイスを用いて伸線加工をおこない、直径２５ミクロン径まで伸線加工した。次に、３５０℃窒素雰囲気１ｍ長の炉を用いて５０ｍ／分の線速で走間焼鈍を行い、ワイヤーを製造した。

次いでワイヤーを、新川製ボンディング装置ＦＡ−ＣＵＢ１０を用いて放電加工してボールを製造し、半導体チップ電極と銀メッキをあらかじめ施したリードフレームへのボンディング作業を行い、各種評価を行った。各評価は以下の通りである。
耐破断性はＳＥＭＩ Ｇ７３−０９９７に基づくワイヤープル試験と、ＥＩＡＪ（日本電子機械工業会）ＥＤ−４７０３ １１３に基づくボールシェアを行い、破断強度、破断箇所の回数を記録した。ワイヤープル試験とボールシェア試験は、各ワイヤーにつき５０点のボンディングをおこなった。プル速度は０．５ｍｍ／秒とし、ボールシェア速度は０．２ｍｍ／秒とした。
破断箇所は以下のように分類した。すなわち、ボール接合部の下である半導体チップが破壊した場合はチップクレータリング、ボールとワイヤーの界面で切断した場合はネック部、リードフレームとワイヤーの界面で破断した場合はセカンド部、ワイヤーが破断した場合はループ部、チップ界面で破断したものはアルミ界面、ボールが破壊した場合はボール部と分類した。

メッキ厚さはオージェ電子分光法により、表面をスパッタして被覆材の元素体積比が５０％となるスパッタ時間を求めた。さらに、スパッタ速度を１００Å／分としてＳｉＯ２換算値を、被覆膜厚とした。ワイヤー表面の元素分析はオージェ電子分光法により、それぞれ異なる箇所を５回分析し、その平均値を用いた。

［実施例１］
表１に示すように被覆層の元素と厚さが異なるワイヤーをボンディングした後に各種評価を行った。ボールの放電加工は電流を４０ｍＡ、時間を１．４ミリ秒で行い、０．５Ｌ／分の流量で９９．９９％の窒素ガスをボール形成部に吹きかけ、直径６０ミクロンのボールを作製した。半導体チップに形成した０．５ミクロン厚のアルミ電極にファーストボンディングをおこない、５ミクロン厚のＡｇメッキをあらかじめ施したリードフレームにセカンドボンディングをおこなった。ボンディング条件は、ファーストボンディングでは、時間２５ミリ秒、荷重４５ｇ、超音波出力２０％（最大出力２．２５Ｗ）、セカンドボンディングでは時間２５ミリ秒、荷重６０ｇ、超音波出力４０％（最大出力２．２５Ｗ）にておこなった。なお、ステージ温度は２００℃とした。各種評価の結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明例のメッキ厚さでは、セカンドボンドでの破断が少なく、表面酸化が抑えられていることがわかる。また、チップダメージを示すプル試験でのクレータリング破壊の頻度、シェア試験でのクレータリングの頻度も低く、チップダメージが小さく抑えられている。

しかし比較例１〜３はメッキが厚いのでチップクレータリングが多く、また破断荷重が劣った。比較例４と５はメッキが薄いのでセカンド部で破断が多く発生し、破断荷重が劣った。比較例６はメッキが厚いのでチップクレータリングが多く、また破断荷重が劣った。比較例７はメッキが薄いのでセカンド部で破断が多く発生し、破断荷重が劣った。比較例８、９はメッキが厚いのでチップクレータリングが多く、また破断荷重が劣った。

［実施例２］
表２に示すメッキ条件により、被覆層としてパラジウムの厚さが５０Å〜４００Åであるワイヤーを作製した。その他の条件は実施例１と同様である。ボールへの加工条件は４５ｍＡ、１．４ｍｓｅｃ、５％水素と窒素との混合ガスを０．７Ｌ／分流した。ボンディング条件は、ファーストボンディングでは、時間２５ミリ秒、荷重４５ｇ、超音波出力２０％（最大出力２．２５Ｗ）、セカンドボンディングでは、時間２５ミリ秒、荷重６０ｇ、超音波出力４０％（最大出力２．２５Ｗ）にておこなった。なお、ステージ温度は２００℃とした。表面の芯材である銅の露出量、および、オージェ電子分光による拡散層の厚さ、ワイヤーボンディング後のプル試験の結果を表２に示す。また、本発明に関わるボンディングワイヤーのオージェ電子分光分析結果の代表例を図１に、本発明の限定範囲外の条件で作成したボンディングワイヤーのオージェ電子分光分析結果の代表例を図２にそれぞれ示す。

表２に示すように、本発明（本発明例１１〜２５）は破断荷重が高く、接続性に優れていることがわかる。しかし比較例では、表層に芯材が８at％以上露出するか（比較例１２，１６，１８，２３、表層の芯材の割合が８at％以上）、拡散層の厚さが２００Å以上となる（比較例１０，１１，１６，１７、２２，２３）ため、破断荷重が低くなってしまい、接続性に問題が生じた。また、高電流密度でメッキしたワイヤーは、ヤケメッキが生じて凹凸が激しくワイヤーとして使用できなくなった（比較例１３〜１５）。また、パラジウム金属量が多いものは、芯材への密着性が悪く、その後の伸線にてメッキ剥がれ不良が生じ、ワイヤーを製造できなかった（比較例２４，２５）。

本発明に関わるボンディングワイヤーのオージェ電子分光分析結果 本発明限定範囲外の条件で作成したボンディングワイヤーのオージェ電子分光分析結果

Claims (3)

1. 芯材が銅及び不可避不純物からなり、被覆層がパラジウム及び不可避不純物からなるボンディングワイヤーであって、
   前記被覆層の厚さが５０Å以上、４００Å以下、
   前記芯材と前記被覆層の拡散層の厚さが２００Å以下、
   前記被覆層の表面から５０Åまでの深さにおける銅の割合が８ａｔ％以下、
   かつ前記ボンディングワイヤーの断面において、Ｘ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合のＸが、Ｘ＜０．００６５である
   ことを特徴とするボンディングワイヤー。
2. 芯材が銅及び不可避不純物からなり、被覆層がパラジウム及び不可避不純物からなるボンディングワイヤーを製造する方法であって、
   前記被覆層を、アンモニアを錯化剤としたパラジウムメッキ浴の金属濃度を３〜２０ｇ／Ｌ、電流密度を４．０〜５０Ａ／ｄｍ ^２ の条件で形成することにより、
   前記被覆層の厚さが５０Å以上、４００Å以下、
   前記芯材と前記被覆層の拡散層の厚さが２００Å以下、
   前記被覆層の表面から５０Åまでの深さにおける銅の割合が８ａｔ％以下、
   かつ前記ボンディングワイヤーの断面において、Ｘ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合のＸが、Ｘ＜０．００６５であるボンディングワイヤーを得ることを特徴とするボンディングワイヤーの製造方法。
3. 前記被覆層を形成した後に、熱処理を行うことを特徴とする請求項２記載のボンディングワイヤーの製造方法。

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