JP4637256B1 - 半導体用ボンディングワイヤー - Google Patents

Abstract

【課題】パラジウムめっきされたリードフレームであっても良好なウェッジ接合性を確保でき、耐酸化性に優れた、銅又は銅合金を芯線とする半導体素子用ボンディングワイヤーを提供する。
【解決手段】銅又は銅合金から成る芯線と、該芯線の表面に、10〜200nmの厚さを有するパラジウムを含む被覆層と、該被覆層の表面に、3〜80nmの厚さを有する金とパラジウムとを含む合金層と、を有し、前記金とパラジウムとを含む合金層中の金の濃度が15体積%以上75体積%以下である半導体用ボンディングワイヤーである。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子上の電極と外部接続端子を接続するために使用される半導体用ボ
ンディングワイヤーに関するものである。

現在、半導体素子上の電極と外部接続端子との間を接続する半導体用ボンディングワイ
ヤー（以下、「ボンディングワイヤー」という）としては、線径１５−５０μｍ程度で、
材質は高純度４Ｎ（４−Ｎｉｎｅ、純度が９９．９９質量％以上）の金（Ａｕ）であるボ
ンディングワイヤー（金ボンディングワイヤー）が主として使用されている。金ボンディ
ングワイヤーを半導体素子であるシリコンチップ上の電極に接合させるには、超音波併用
熱圧着方式のボールボンディングを行うことが一般的である。つまり、汎用ボンディング
装置を用い、前記ボンディングワイヤーをキャピラリと呼ばれる治具の内部に通して、ワ
イヤー先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボール部を形成させた後に、１５
０〜３００℃の範囲内で加熱した前記電極上に、加熱溶融して形成されたボール部を圧着
接合せしめる手法である。

一方、金ボンディングワイヤーをリードやランド等の外部接続端子に接続する場合には
、前述のようなボール部を形成することなく、金ボンディングワイヤーを直接電極に接合
する、いわゆるウェッジボンディングを行うことが一般的である。近年、半導体実装の構
造・材料・接続技術などは急速に多様化しており、例えば、実装構造では、現行のリード
フレームを使用したＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）に加え、基板や
ポリイミドテープなどを使用するＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＣＳＰ（
Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ）などの新しい実装形態が実用化され、外部
接続端子も多様化している。そのため、ウェッジボンディング特性は、従来以上に重要視
されつつある。

ところで、昨今の資源価格の高騰に伴い、金ボンディングワイヤーの原料となる金の価
格も急騰しており、金に代わる低コストなワイヤー素材として、銅（Ｃｕ）が検討されて
いる。しかしながら、金と比べて銅は酸化されやすいことから、単純な銅ボンディングワ
イヤーでは長期の保管が難しく、ウェッジボンディング特性も良好ではない。また、この
ような単純な銅ボンディングワイヤーの先端にボール部を形成する際には、ボール部が酸
化しないように、還元雰囲気にしなければならない。具体的には、窒素（Ｎ２）に4体積%程度の水素（Ｈ２）を混在させたガスを用いて、ボール部周辺を還元雰囲気とすることが一般的であるのであるが、それでも金ボンディングワイヤーを用いたような良好なボールボンディングを行うことは難しい。これらの理由から、銅ボンディングワイヤーの利用は、一般的なＬＳＩ分野にまだ広まっていない。

そこで、銅ボンディングワイヤーの酸化という課題を解決するため、銅ワイヤーの表面
に貴金属、具体的には金（Ａｕ）を被覆した銅ボンディングワイヤーが提案されている。
例えば、特許文献１では、銅ワイヤーに金を被覆した具体例は示されていないが、ボンデ
ィングワイヤーの内部金属としてアルミニウム（Ａｌ）、銅、鉄（Ｆｅ）、鉄とニッケル
の合金（ＦｅＮｉ）等の非純貴金属が挙げられ、前記ボンディングワイヤーの表面被覆金
属として水分、塩分、アルカリ等に対する耐食性のある金属、例えば、金や銀とすること
が開示されている。特許文献２では、銅又はスズを含んだ銅合金を芯線とし、その上に金
めっきしたボンディングワイヤーが開示され、破断強度が向上すると記載されている。ま
た、特許文献３では、銅ワイヤーに金を被覆した具体例は示されていないが、銅系ワイヤ
ーに金、銀を含む貴金属を被覆した銅ボンディングワイヤーが例示されており、銅系ワイ
ヤーに被覆を施せば、耐腐食性が一層向上すると記載されている。特許文献４では、アル
ミニウム（Ａｌ）や銅ワイヤーに、金や銀等の貴金属をメッキしたボンディングワイヤー
が開示され、銅ボンディングワイヤーの場合には、前記メッキによって耐食性及び熱酸化
の問題が解消され、リードフレームとの接合性も金ボンディングワイヤーと同様の信頼性
が得られるとされている。特許文献５では、高純度銅極細線の表面に、貴金属あるいは耐
食性金属を被覆した銅ボンディングワイヤーが開示され、前記被覆する貴金属の１つとし
て金が使用されている。このように構成することで、銅ボンディングワイヤーの表面酸化
（具体的には、大気中に１０日間放置後の表面酸化の有無である。）が抑制できるとして
いる。また、前記銅極細線の直径としては１５〜８０μｍとし、前記被覆する被膜は１０
ｎｍ〜１μｍの平均層厚であるとしている（実施例では、２５μｍ直径のワイヤーで、０
．１μｍの平均層厚の被膜である。）。特許文献６では、銅芯線の外周を金で被覆するこ
とが開示されており、アルミニウムから成る電極への接合性が向上すると記載されている
。特許文献７では、塑性変形しない芯材と、芯材よりも軟らかく塑性変形する外周材とか
ら成る複合導体が開示されて、芯材として金が、外周材として銅合金が一例として示され
ており、導線と回路との間の接続強度を高める効果があるとされている。特許文献８では
、銅合金の外側を金もしくは金合金で覆うことが開示されており、半導体素子を樹脂封止
する際にボンディングワイヤー同士が接触する不良事故を防げることが示されている。特
許文献９では、無酸素銅ワイヤーから成る線材の表面に純金めっきをすることが開示され
ており、高周波伝送に優れた信号導通率の高いボンディングワイヤーが示されている。特
許文献１０では、銅を主成分とする芯材の上に銅以外の金属から成る異種金属層を介して
銅よりも高融点の耐酸化性金属から成る被覆層を有するボンディングワイヤーが開示され
ており、真球のボール部を安定的に形成でき、更に被覆層と芯材との間の密着性に優れる
特性が示されている。

しかしながら、上述のように銅ワイヤーの表面に金を被覆した銅ボンディングワイヤー
では、銅の表面酸化（特に、保管中の酸化の進行）を抑制できるが、ボンディングする際
にワイヤー先端に形成するボール部が真球とならずにいびつとなることが多く、当該銅ボ
ンディングワイヤーの実用化を妨げている。これは、ワイヤー先端を加熱溶融しようとア
ークによって入熱が与えられる際、銅は比熱が大きい（380 J/kg・K）ため溶融させにく
いのに対し、金は比熱が小さい（128 J/kg・K）ことでわずかな入熱でも溶融可能であり
、その結果、銅と金の複層構造体では金が優先的に溶融してしまうことが関係していると
思われる。

一方、金を被覆する代わりに、銅ワイヤーの表面に別な貴金属、具体的にはパラジウム
（Ｐｄ）を被覆することも考えられる。実際に、特許文献３〜５には、被覆層には金以外
の貴金属としてパラジウムも例示されている。前記文献では、パラジウムの優勢性は示さ
れていないが、本発明者らは、パラジウムの比熱は金よりも高い（244 J/kg・K）ので、
パラジウムを被覆すると、上述の金のように銅ワイヤーが溶融してボール部が形成する前
に被覆層が溶融して真球状のボール部を形成できないという問題を解決できるものと考え
ている。即ち、銅ワイヤーの表面にパラジウムを被覆することで、銅の酸化防止とボール
部の真球性確保というふたつの課題を同時に解決できると考えられる。特許文献１１では
、芯線と被覆層（外周部）の２層ボンディングワイヤーにおいて芯線と被覆層との間に拡
散層を設けて被覆層の密着性等を改善することが開示されているが、芯線に銅を、被覆層
にパラジウムを使用する例が示されている。このようなパラジウムを被覆した銅ボンディ
ングワイヤーでは、銅ボンディングワイヤーの酸化が抑制されているため、ワイヤーの長
期保管やウェッジボンディング特性に優れるのみならず、ワイヤー先端にボール部を形成
する際にボール部が酸化するという懸念が大幅に改善されている。よって、危険なガスで
ある水素を使わずに、純窒素ガスを用いてボール部周辺を窒素雰囲気としただけでも、真
球のボール部が形成できる。

特開昭５７−１２５４３号公報 特開昭５９−１５５１６１号公報 特開昭５９−１８１０４０号公報 特開昭６１−２８５７４３号公報 特開昭６２−９７３６０号公報 特開昭６３−４６７３８号公報 特開平３−３２０３３号公報 特開平４−２０６６４６号公報 特開２００３−５９９６３号公報 特開２００４−６７４０号公報 再公表ＷＯ２００２−２３６１８

前述のように、銅ボンディングワイヤーの表面にパラジウムを被覆することで、金ボン
ディングワイヤーに比べて安価なボンディングワイヤーとして実用可能になってきたが、
最近の半導体実装における構造・材料・接続技術などの急速な変化や多様化に必ずしも対
応できないという問題が顕在化してきた。

例えば、これまでのリードフレームの表面は銀めっきされているのが一般的であったの
に対して、最近ではパラジウムめっきされたリードフレームの使用が進みつつある。これ
は、従来の銀めっきされたリードフレーム（以下、「銀めっきリードフレーム」という）
では、リードフレームをマザーボード等の基板に半田付けする前に、半田との濡れ性を少
しでも高める目的で、リードの先端にあらかじめ薄く半田をめっきする工程（半田めっき
工程）があり、高コストとなっていたので、銀よりも半田に対して高い濡れ性を確保でき
るパラジウムを銀の代わりにリードフレーム上にめっきすることで、該半田めっき工程を
省略し、低コストとするものである。

発明者らは、銅ワイヤーの表面にパラジウムを被覆した銅ボンディングワイヤーの場合
、これまでの銀めっきリードフレームでは顕在化していなかったが、パラジウムめっきさ
れたリードフレームに対するウェッジ接合性が不充分となるケースが多くなるという新た
な問題があることを明らかにした。更に、発明者らは、前記問題について詳細に検討した
ところ、該銅ボンディングワイヤーの最表面はパラジウムであるため、パラジウムめっき
されたリードフレームに対するウェッジ接合ではパラジウム同士が接触する。そうすると
、パラジウムの硬度（パラジウムのモース硬度４．７５、銅のモース硬度３．０）が高い
ためにパラジウムが変形し難しいので、よってパラジウム表面の酸化皮膜層の破壊が不充
分となることが、上記問題の原因であることを見出した。更に、ワイヤー最表面のパラジ
ウムとリードフレーム上のパラジウムとの間で生じる拡散が遅いことで、両パラジウム層
の間に充分な拡散層が形成されないことも上記問題の原因であることを見出した。

銅ボンディングワイヤーの酸化を防止するためには、銅ワイヤーの表面に、銅よりも酸
化しにくい貴な金属を被覆することが考えられる。一般に、銅よりも貴な金属として銀、
白金、金が知られているが、その内の金は、前記のようにボール部の形成性に難がある。
そこで、銅ワイヤーの表面に別な貴金属、具体的には銀や白金を被覆することも考えられ
る。しかしながら、発明者らは、銅ワイヤーの表面に銀を被覆した銅ボンディングワイヤ
ーでは、銅ボンディングワイヤーの保管中に、周辺の雰囲気中に微量に含有される硫黄に
よって銅ボンディングワイヤーの表面が汚染され、保管期間が長くなるにつれ、ウェッジ
ボンディング特性が低下するという問題を見出した。これは、銀が硫化し易い性質を有す
る元素であることに起因する。一方、白金は極めて高価な材料であることから、銅ワイヤ
ーの表面に白金を被覆した銅ボンディングワイヤーの工業的な利用は難しいと思われる。

このように、銅ワイヤーの表面に単純に貴金属（金、パラジウム、銀、白金）を被覆し
ても、パラジウムめっきされたリードフレーム上での良好なウェッジ接合性、耐酸化性並
びに耐硫化性を同時に満足することは難しい。

また、モーター等の大電流を流すパワーデバイスに用いられるボンディングワイヤーは
、芯線の線径が２００μｍ程度必要であるが、この場合、線径が大きいので、ウェッジ接
合およびボール接合において特に不具合は生じない。これに対し、芯線の線径が１５−５
０μｍ程度であるＬＳＩ用のボンディングワイヤーの場合、線径が小さいのでワイヤー表
面の汚れや傷、あるいはボール形状などが接合性に悪影響を与えてしまうという問題があ
る。したがって、芯線の線径が１５−５０μｍ程度であるＬＳＩ用のボンディングワイヤ
ーでは、ウェッジ接合性とボール部の真球性が特に重要となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パラジ
ウムめっきされたリードフレームであっても良好なウェッジ接合性を確保でき、耐酸化性
と耐硫化性の両方に優れた、銅又は銅合金を芯線とする半導体素子用ボンディングワイヤ
ーを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。

請求項１に係る半導体用ボンディングワイヤーは、銅又は銅合金から成る芯線と、該芯
線の表面に、10〜200nmの厚さを有するパラジウムを含む被覆層と、該被覆層の表面に、3〜80nmの厚さを有する金とパラジウムとを含む合金層とを有し、前記合金層中の金の濃度が15体積%以上75体積%以下であり、前記合金層の表面結晶粒の内、<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積が、40%以上100%以下であることを特徴とする。

＿＿＿＿＿＿＿＿

請求項２に係る半導体用ボンディングワイヤーは、前記ボンディングワイヤーの表面の
マイヤー硬度が、0.2〜2.0GPaの範囲であることを特徴とする。

請求項３に係る半導体用ボンディングワイヤーは、前記合金層中の金の濃度が、40体積%以上75体積%以下であることを特徴とする。

請求項４に係る半導体用ボンディングワイヤーは、前記芯線が、B、P、Seの内の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有することを特徴とする。

本発明によれば、パラジウムめっきされたリードフレームであっても良好なウェッジ接
合性を確保でき、耐酸化性と耐硫化性の両方に優れた、銅又は銅合金を芯線とする安価な
半導体素子用ボンディングワイヤーを提供できる。また、300μm以上の高ループ高さという特殊なボンディングを行った際であっても、リーニング不良と呼ばれる、ボンディング方向と垂直な方向にループが倒れる不良が生じにくくなる。

以下に、本発明のボンディングワイヤーの構成について更に説明する。尚、以下の説明
において、特に断りの無い限り、「％」は「体積％」を意味する。また、組成は複数個所
を分析した際に得られた金属のみの数値の平均値であり、炭素は自然混入物（不可避不純
物）としては存在するが、以下で述べる組成には含めないものとする。

パラジウムめっきされたリードフレーム（以下、「パラジウムめっきリードフレーム」
という）上での良好なウェッジ接合性と耐酸化性の両者を確保し、かつ、銅又は銅合金を
芯線とする安価なボンディングワイヤーを提供するには、銅又は銅合金から成る芯線の表
面に特定の厚みのパラジウムを含む被覆層を形成し、更に、該被覆層の表面を特定の厚み
で特定の組成の金とパラジウムを含む合金としたボンディングワイヤーが有効であること
を、本発明者らは見出した。

まず、銅又は銅合金から成る芯線の表面に、適切な厚みのパラジウムを含む被覆層を有
する構成について説明する。前述のように銅又は銅合金は酸化されやすいため、銅又は銅
合金からなるボンディングワイヤーでは長期保管やウェッジボンディング特性が劣るもの
の、銅又は銅合金からなる芯線の表面にパラジウムを含む被覆層を形成しておけば、銅の
酸化が抑制されることで、前述の長期保管やウェッジボンディング特性に優れるのみなら
ず、ボンディングワイヤーの先端にボール部を形成する際にボール部が酸化する懸念が大
幅に改善されることになる。これは、前記被覆層に、銅に比べて酸化し難い（即ち、酸化
物生成熱△H0が大きい）パラジウムを含むので前記効果が得られるのである。そのため、危険なガスである水素と窒素との混合ガスを使用せずに、純窒素ガスを用いてボール部周辺を窒素雰囲気としただけでも、真球のボール部が形成できる。このような効果を得るためには、該被覆層の厚みは10〜200nmである必要があり、10nm未満であれば酸化抑制効果が不充分となる。該被覆層の厚みが200nmを超えると、ボール部の表面に直径数μｍの大きさの気泡が生じることが多く、好ましくない。ここで、パラジウムを含む被覆層におけるパラジウム以外に含まれる元素は、パラジウムの不可避不純物と芯線やボンディングワイヤーの最表面を構成する元素である。また、該被覆層のパラジウムの含有量は、50%以上であれば充分な酸化抑制効果が得られる。但し、該被覆層に含まれるパラジウム以外の元素として、後述する最表面を構成する金を含まないか、若しくは金を含む場合には金濃度が１５％未満であることが好ましい。該被覆層の金の濃度が１５％以上になると、上述のような金被覆ワイヤーの問題（ボール部が真球とならずにいびつとなる不良）が現れるからである。

銅又は銅合金から成る芯線の表面にパラジウムを含む被覆層を有する上述の構成のみで
は、パラジウムめっきリードフレーム上で良好なウェッジ接合性を確保することはできな
い。この課題を解決するには、本発明者らは、更に、金とパラジウムとを含む合金層を該
被覆層の表面に更に有すると良いことを見出した。該合金層は、前記被覆層の上に、更に
3〜80nmの厚みを有するものである。これは、ウェッジ接合性はワイヤーの最表面から3nm程度の領域の物性値に支配されることに起因する。つまり、ワイヤーの最表面から3nmの領域が、金とパラジウムとの合金であれば、パラジウムめっきリードフレーム上にウェッジ接合させる際、ワイヤーの最表面を構成する金とパラジウムとを含む該合金中の金がパラジウムめっきリードフレーム上のパラジウムに向けて優先的に拡散し、ボンディングワイヤーとパラジウムめっきリードフレームの両者の間に合金層を形成しやすくする。そのため、パラジウムめっきリードフレームとのウェッジボンディング性が向上し、例えば、2ndピール強度が良好となるのである。これは、金とパラジウムとの間の相互拡散の方が、パラジウムの自己拡散よりも早いことに起因する。但し、該合金層の厚みが3nmに満たないと、ボンディングワイヤーの下地である被覆層が前記ウェッジボンディング性に影響してしまうので、パラジウムめっきリードフレームとのウェッジボンディング性は確保できない。前記効果を得るためには、前記金とパラジウムとを含む合金層の厚みの上限に特に制限は無いが、該厚みを80nm超とするには、後述する電解めっきであれば大電流下で、無電解めっきであれば長時間、蒸着法であれば長時間、それぞれ金めっきもしくは金蒸着した上、更に、後述する加熱工程での加熱温度を700℃超と高温にしなければならず、安定した品質を確保しがたくなるので該合金の厚みの上限を80nm以下とした。なお、合金の厚みは、上限を50nm以下とすることがより好ましい。上限を50nm以下とすると、該加熱温度を600℃〜650℃にできるからである。

また、前記金とパラジウムとを含む合金層による上記効果を得るためには、該合金層中
の金の組成（金濃度）が特定の範囲である必要がある。具体的には、前記金とパラジウム
とを含む合金層中の金濃度が、15%以上75%以下であり、より好ましくは40%以上75%以下であれば前述のパラジウムめっきリードフレームとのウェッジボンディング性が更に高まるので良い。前記金濃度が15%未満では前述の効果は得られない。逆に、前記金濃度が75%を超えると、ワイヤー先端にボール部を形成する際に金とパラジウムとを含む前記合金層中の金が優先的に溶融することで、いびつなボール部が形成される危険性が増すので良くない。これは、既述のように、ワイヤー先端をアーク入熱で加熱溶融する際に、熱伝導率の低い金（317 W/m・K）では熱がこもり易く、金が優先的に溶融してしまうのに対し、熱伝導率の高い銅（401 W/m・K）では抜熱し易いことで、銅は一部分のみしか溶融しないことが関係していると思われる。それに対し、該合金層中の金濃度が75%以下であれば、ワイヤーの表面層では金とパラジウムが均質に混ざっているため、ワイヤー先端にボール部を形成する際に、金だけ優先的に溶融して、いびつなボール部が形成される危険性は無く、ボール部の真球性や寸法精度を損なうことは無い。また、前記金濃度が、15%以上40%未満であればボール部の真球性や寸法精度が更に良好となるので良い。

したがって、銅又は銅合金から成る芯線の表面に特定の厚みのパラジウムを含む被覆層
を有し、該被覆層の表面に特定の厚みと特定の組成の金とパラジウムとを含む合金層を有
するボンディングワイヤーでは、パラジウムめっきリードフレーム上での良好なウェッジ
接合性、耐酸化性並びに耐硫化性を確保し、かつ、銅又は銅合金を芯線とする安価なボン
ディングワイヤーを提供することができるのである。

被覆層並びに合金層の厚さと組成の測定は、ボンディングワイヤーの表面からスパッタ
法により深さ方向に掘り下げながら分析する手法や、ボンディングワイヤーの断面での線
分析又は点分析する方法を用いる。ここで、合金層の厚さは、表面から深さ方向に組成分
析して金の濃度が15%以上である部分の距離（深さ）である。また、被覆層の厚さは、前記合金層の厚さとなる界面から深さ方向に組成分析してパラジウムの濃度が５０％以上である部分の距離（深さ）である。これらの分析に用いる分析装置として、EPMA（電子線マイクロ分析、Electron Probe Micro Analysis）、EDX（エネルギー分散型Ｘ線分析、Energy Dispersive X-Ray Analysis）、AES（オージェ電子分光法、Auger Electron Spectroscopy）、TEM（透過型電子顕微鏡、Transmission Electron Microscope）等が利用できる。上記いずれか１つの方法で得られる厚さや組成が本発明の範囲内であれば、本発明の作用効果が得られるものである。

上述のような、パラジウムめっきリードフレーム上での良好なウェッジ接合性と耐酸化
性の両者を確保し、更に、後述するループ特性も満足させるためには、ワイヤー表面の結
晶方位、ワイヤー表面の硬さ、又は芯線中の添加元素の種類と組成を特定の範囲としたボ
ンディングワイヤーが有効であることを、発明者らは見出した。

ワイヤー表面の結晶方位に関しては、前記合金層の表面結晶粒の内、<111>結晶方位の
伸線方向に対する傾きが無い又は小さい方がより好ましい。具体的には、前記傾きが15度以下である結晶粒の面積を40%以上100%以下とすれば、300μm以上の高ループ高さという特殊なボンディングを行った際であっても、リーニング不良と呼ばれる、ボンディング方向と垂直な方向にループが倒れる不良が生じにくくなるので良く、より好ましくは70%以上100%以下とすれば更にその効果が高まるので更に良い。これは、該方位が<111>結晶方位もしくはその近傍であると、材料の強度や弾性率が高くなるためである。本発明者らが更に検討を重ねた結果、リーニング不良の発生率を抑制するためには、ワイヤー表面において<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きを小さくし、該傾きが15度以下である結晶粒の面積を40%以上とすると、リーニング不良の発生率を抑制するに足る強度並びに弾性率が確保できることが判明した。しかし、該傾きが15度以下である結晶粒の面積が50%未満では、リーリング不良の発生率を抑制する効果は十分ではない。ここで、前記合金層の表面で観察される結晶粒の<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きは、TEM観察装置中に設置した微小領域Ｘ線法あるいは電子後方散乱図形（ＥＢＳＤ、Electron Backscattered Diffraction）法等で測定できるものである。中でも、ＥＢＳＤ法は個別の結晶粒の方位を観察し、隣り合う測定点間での結晶方位の角度差を図示できるという特徴を有し、ボンディングワイヤーのような細線であっても、比較的簡便ながら精度良く結晶粒の傾きを観察できるのでより好ましい。また、該傾きが15度以下である結晶粒の面積は、微小領域Ｘ線法ではそれぞれの結晶粒における結晶方位のＸ線強度をもとに結晶方位の体積比率として求めることができ、またＥＢＳＤ法では、前記で観察した個別の結晶粒の方位から直接算出可能である。前記面積の比率を算出するには、ワイヤー表面の任意の面であって、ボンディングワイヤーの伸線方向と垂直な方向においてボンディングワイヤーの直径の少なくとも1/4の幅を、ボンディングワイヤーの伸線方向に少なくとも100μmの長さの面を観察し、その観察面積を１００として、該傾きが15度以下である結晶粒の占める面積の百分率とする。上記いずれか１つの方法で得られる厚さや組成が本発明の範囲内であれば、本発明の作用効果が得られるものである。

ワイヤー表面の硬さに関しては、前記ワイヤー表面のマイヤー硬度を0.2〜2.0GPaの範
囲とすると、80μmクラスのループ高さという低ループボンディング時であっても、ネッ
クダメージと呼ばれる不良の発生が抑制されるので更に良い。

このネックダメージは、ボール部と母線部との境界領域（ネック部）における損傷を指
し、極端に低いループ高さでループを形成する際に、ネック部に過度な負担がかかること
で生じる不良である。昨今のフラッシュメモリー等の薄型電子機器では、メモリーの容量
を少しでも大容量化するために、薄いシリコンチップを複数枚搭載した薄型デバイスを使
用しているのであるが、このような薄型デバイスでは必然的にループ高さを低くせざるを
得ないため、従来、前記ネックダメージが発生し易くなっていた。

本発明者らは、上記ネックダメージの発生には、ワイヤー表面の硬度が密接に関係して
いることを明らかにし、該硬度を低くすれば、低ループボンディング時にネックに過度の
負荷が与えられても、表面が塑性変形でき、ネックダメージを抑制できることを見出した
。具体的には、前記ボンディングワイヤーの表面のマイヤー硬度を2.0GPa以下とすれば、上記効果が十分得られる。但し、前記ボンディングワイヤーの表面のマイヤー硬度が2.0GPaを超える場合、通常の金合金並みの硬度となってしまい、低ループボンディング時にネックに過度の負荷が与えられると、表面層が充分には塑性変形し難くなり、前記効果が十分得られない。一方、前記ボンディングワイヤーの表面のマイヤー硬度が0.2GPa未満の場合では、硬度が小さすぎるのでボンディングワイヤーの取り扱い過程でワイヤー表面に容易に傷が入り易くなり、取り扱い方法によっては多くの表面傷が生じる場合がある。ここで、マイヤー硬度とは、鋼球あるいは超硬合金球の圧子を用いて計測する硬さのことで、圧子で試験面にくぼみをつけたときの荷重を、永久くぼみの直径の投影面積で除した値を指し、その値は応力の次元を有する。ナノインデンション法と呼ばれる物質表面の解析手法を用いると、1nm程度の深さにおけるマイヤー硬度も測定可能であるので、本発明のマイヤー硬度値の確認には、ナノインデンション法を用いるのが好ましい。また、ボンディングワイヤーの表面のマイヤー硬度は、合金層及び被覆層を有するボンディングワイヤーの最表面をナノインデンション法で測定して得られるものである。尚、0.2〜2.0GPaのマイヤー硬度は、おおむね50〜570Hvのビッカース硬度に相当する。

芯線中の添加元素の種類と組成に関し、本発明に係る伸線は、銅又は銅合金からなるも
のであるが、前記芯線には、本発明の作用効果を損なわない範囲で種々の添加元素を添加
してもよい。該芯線に添加できる元素の例としては、Ca、B、P、Al、Ag、Se等が挙げられる。これらの添加元素の中で、B、P、Seの内の少なくとも1種を含むのがより好ましい。該添加元素が総計で5〜300質量ppm含有すると、ボンディングワイヤーの強度がより向上する。その結果、例えば、ループ長さが5mmを超える長尺ループのボンディングをした際でもループの直進性が確保できるようになる。これは、該添加元素が芯線における銅結晶粒内での固溶強化あるいは結晶粒界の強化に寄与するためと思われる。但し、5質量ppmを下回る添加では上記強度の更なる向上という効果が十分得られない。一方、300質量ppmを超える添加は、ボール部をより硬化するようになるので、ボールボンディング時にチップを損傷する危険性が高まり好ましくない場合がある。芯線中の成分含有量を分析するには、ボンディングワイヤーを切断し、その断面部からスパッタ等により深さ方向に掘り下げながら分析する手法や、該断面での線分析又は点分析する手法を用いる。これらの分析に用いる分析装置として、EPMA、EDX、AES、TEM等が利用できる。また、平均的な組成の分析には、表面部から段階的に酸等の薬液でボンディングワイヤーを溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解した部位の組成を求める手法を用いることができる。上記いずれか１つの方法で得られる厚さや組成が本発明の範囲内であれば、本発明の作用効果が得られるものである。

以上、本発明の好適な例を述べたが、本発明は適宜変形が可能である。例えば、前記芯
線と前記被覆層との間には拡散層が形成されていても良い。例えば、パラジウムを含有す
る領域が前記被覆層と連続して、前記パラジウムや芯線を構成する銅が拡散してパラジウ
ムを５０％未満含有する拡散層である。このような拡散層が存在することにより、ボンデ
ィングワイヤーは、被覆層と芯線との密着性を向上することができる。

以下、本発明のボンディングワイヤーの製造方法について一例を説明する。

前記組成のボンディングワイヤーを製造するためには、高純度の銅（純度99.99％以上
）、又は、これら高純度の銅と添加元素原料を出発原料として秤量した後、これを高真空
下もしくは窒素やAr等の不活性雰囲気下で加熱して溶解することで銅又は銅合金のインゴットを得る。該インゴットを最終的に必要とする芯線の直径まで金属製のダイスを用いて伸線する。本発明に係るパラジウムを含む被覆層は、最終的な芯線の直径まで伸線した後に施される。パラジウムを含む被覆層を形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、膜厚を安定的に制御できる電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。その後、前記被覆層の表面に金とパラジウムを含む合金層を形成する。その方法はどのような方法でもよいが、前記被覆層を形成した後、更にその表面に表皮層として金膜を形成し、一定の炉内温度で電気炉中、ワイヤーを一定の速度の下で連続的に掃引することで合金化を促す方法が、確実に該合金の組成と厚みを制御できるので好ましい。前記被覆層の表面に更に金膜を形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、上記の理由から電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。前記合金化のための加熱時は、原料の汚染を考慮して、炉内の雰囲気を窒素やAr等の不活性雰囲気とし、更に、従来のボンディングワイヤーの加熱法とは異なり、該雰囲気中に含有される酸素濃度を5000ppm以下とする。より好ましくは、不活性ガス中に水素等の還元性ガスを少なくとも500ppm混入させると、ワイヤーの原料の汚染を防止する効果が更に高まるので良い。また、炉内の適切な温度はワイヤーの組成やワイヤーを掃引する速度によっても異なるが、おおむね210℃〜700℃の範囲とすると、安定した品質のボンディングワイヤーが得られるので良い。そして、伸線工程中にワイヤーを掃引する速度は、例えば20〜40m/min程度とすると安定した操業ができるので好ましい。

本願発明のボンディングワイヤーの製造方法において、<111>結晶方位の伸線方向に対
する傾きが15度以下である結晶粒の面積が50%以上100%以下とする製造方法は、通常の製造方法では製造することは難しく、特殊な方法で製造される。

具体的には、前記の要領でインゴットを得た後、前記インゴットにパラジウムを含む被
覆層を上記と同様にして形成する。更にその上に金膜を上記と同様にして形成する。前記
被覆層と金膜を形成したインゴットを、最終的な芯線の直径まで金属製のダイスを用いて
伸線する際に、線径150μm以上の太さでは前記ダイスの減面率を14〜21%程度として伸線し、線径150μm未満の太さにおける伸線時は前記減面率を12〜19%程度という、通常よりも大きな減面率で伸線する。これによって、金膜上の方向性を有する集合組織（伸線方向に結晶方位が揃った集合組織）を発達させることができる。但し、大きな減面率で伸線すると断線が生じる危険性が高まることから、ボンディングワイヤーの断線を防ぐため、伸線速度は、例えば、2〜4m/minというような通常よりも低速とするのがより好ましい。本ボンディングワイヤーでも、伸線後に、前述と同様に合金化を促す熱処理を行う。伸線後に合金化を促す熱処理工程における温度が、低温であれば、<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積の割合が高まり、高温であれば、該面積の割合が低下する。この面積の低下は、該工程で、加熱して再結晶化が促進されると、前述の集合組織における方向性が失われ易くなることに起因する。具体的には、前記炉内温度が210℃〜260℃であれば、前記面積の割合が100%となり、前記炉内温度が660℃〜700℃の範囲であれば、前記面積の割合が50%程度となり、前記面積の割合は熱処理の温度で制御できる。

本願発明のボンディングワイヤーの製造方法において、被覆層の表面のマイヤー硬度が
0.2〜2.0GPaの範囲となるボンディングワイヤーの製造方法は、通常の製造方法では製造
することは難しく、特殊な方法で、ワイヤー表面の金とパラジウムとを含む合金を格別に
やわらかくして製造する。具体的には、上述のいずれかの方法で目的の線径まで伸線し、
前述の合金化のための熱処理工程を終えた後、更に、該ボンディングワイヤーをスプール
ごとにアルゴンに4%の水素が混入された雰囲気に制御された電気炉中に設置し、130〜180℃で２４〜２８時間の加熱をすることで製造できる。130℃より低温又は24時間より短時間の加熱では、金とパラジウムとを含む合金を上記硬度のように格別にやわらかくすることはできない。180℃より高温又は28時間より長時間の加熱をすると、隣り合うワイヤー間の拡散が促進され、ワイヤー同士がくっついてしまう場合があるので注意が必要である。

以下、実施例について説明する。

ボンディングワイヤーの原材料として、芯線に用いた銅、芯線中の添加元素としてＢ、
Ｐ、Ｓｅ、Ｃａ、Ａｌ、被覆層に用いたパラジウム、表皮層に使用した金として純度が９
９．９９質量％以上の素材をそれぞれ用意した。前記の銅、又は銅と添加元素原料を出発
原料として秤量した後、これを高真空下で加熱して溶解することで銅又は銅合金の直径１
０ｍｍ程度のインゴットを得た。その後、鍛造、圧延、伸線を行って所定の直径のワイヤ
ーを作製した。その後、各ワイヤーの表面にパラジウムを含む被覆層を電解めっきで形成
した。ここで、前記被覆層の厚さは、電解めっきの時間で制御した。更にその後、前記被
覆層の表面に電気めっきで金膜を形成し、300〜800℃に保たれた炉内で該ワイヤーを30m/minの速度で連続的に掃引することで、前記被覆層の表面に金とパラジウムとの合金層を形成した。ここで、合金層の厚さは、前記金膜の目付け量、即ち、電気めっき時間で制御した。このようにして芯線の直径が２０μｍのボンディングワイヤーを得た。尚、一部の試料においては、<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積を制御するため、線径150μm以上の太さでは前記ダイスの減面率を16〜20%程度として伸線し、線径150μm未満の太さにおける伸線時は前記減面率を13〜15%程度という、通常よりも大きな減面率で伸線した。また、一部の試料においては、被覆層の表面のマイヤー硬度を制御するため、該ボンディングワイヤーをスプールごとアルゴン雰囲気に制御された電気炉中に設置し、150〜200℃で２０〜２４時間の加熱を施した。

できあがった該ボンディングワイヤーにおける芯線の直径、被覆層及び合金層の厚みは
、ボンディングワイヤーの表面をスパッタしながらＡＥＳで分析し、また、該ボンディン
グワイヤーを断面研磨し、ＥＤＸで組成を分析しながら測定した。パラジウムの濃度が50%以上で、かつ、金の濃度が15%未満であった領域を被覆層とし、被覆層の表面にある金とパラジウムとを含む合金層においては金濃度が15〜75%の範囲であった領域を合金層とした。被覆層及び合金層の厚み及び組成をそれぞれ表１〜５に記載した。

被覆層によるボンディングワイヤーの酸化防止効果を評価するため、湿度が85%、温度が85℃という高温高湿炉中に72時間、ボンディングワイヤーをスプールごと放置し、あえてワイヤー表面の酸化を促進するような加速試験を行った。加熱後、ボンディングワイヤーを高温高湿炉から取り出し、表面の酸化の度合いを光学顕微鏡で観察した。この時、ワイヤー表面の全面が酸化していれば×印で、ワイヤー表面が酸化していなければ○印で表１、５中の「長期保管（酸化）」の欄に表記した。

被覆層によるボンディングワイヤーの硫化防止効果を評価するため、大気雰囲気下で温
度が195℃に保たれた高温炉中に155時間、ボンディングワイヤーをスプールごと放置し、あえてワイヤー表面の硫化を促進するような加速試験を行った。前記のように大気雰囲気中に高温で放置すると、大気中に含まれる極微量の硫黄であっても硫化反応を加速できる。加熱後、ボンディングワイヤーを高温炉から取り出し、表面の硫化の度合いを市販の色彩計（ミノルタＣＲ−３００）で観察し、明度（L*）が30以下であれば硫化とみなした。この時、ワイヤー表面に硫化部が観察されれば×印で、ワイヤー表面が硫化していなければ○印で表１、５中の「長期保管（硫化）」の欄に表記した。

ボンディングワイヤーの接続には、市販の自動ワイヤーボンダーを使用した。ボンディ
ングの直前にアーク放電によりボンディングワイヤーの先端にボール部を作製したが、そ
の直径はボンディングワイヤーの直径の１．７倍となるように３４μｍとしておいた。ボ
ール部作製時の雰囲気は窒素とした。

ボール部の実際の直径は、各ボール部とも２０個ずつＳＥＭを用いて測定し、その最大
値と最小値の差が、ボール径の平均値の１０％超であればばらつきが激しく不良であると
して×を、５％超かつ１０％以下であれば中間程度として△を、３％超かつ５％以下であ
れば実用上の不具合は無く良好とみなして○を、３％以下であれば極めて良好として◎を
、表１、５中の「窒素中ＦＡＢ真球性」の欄に表記した。

また、ボール部をＳＥＭで観察し、その外観に気泡が見られれば、表１、５中の「窒素
中ＦＡＢ気泡抑制」の欄に×印を、外観に気泡が見られなければ○印をそれぞれ表記した
。

ボンディングワイヤーの接合の相手としては、Ｓｉチップ上に形成された厚さ１μｍの
Ａｌ電極と、表面が銀又はパラジウムめっきリードフレームのリードをそれぞれ用いた。
作製したボール部を２６０℃に加熱した前記電極とボール接合した後、ボンディングワイ
ヤーの母線部を２６０℃に加熱した前記リードとウェッジ接合し、再びボール部を作製す
ることで、連続的にボンディングを繰り返した。ループ長が4.9mmとなるようにした。尚、一部の試料においてはループ高さが約304.8μm（12mil）でループ長が約2mmの前記高ループボンディングを、また別な試料においてはループ長が約3mmでループ高さが76.2μm（3mil）の低ループボンディングを、更に別な試料においてはループ長が5.3mm（210mil）という長尺ボンディングをそれぞれ行った。

ボンディングワイヤーのウェッジボンディング性については、ウェッジ接合された状態
のボンディングワイヤーをウェッジ接合部直上でつまみ、切断するまで上方に持ち上げ、
その切断時に得られる破断荷重を読み取る、いわゆるピール強度測定法で、４０本の破断
荷重（ピール強度）を測定した。ピール強度の標準偏差が5mN超であればばらつきが大きく改善が必要であるため×を、3mN超かつ5mN以下であれば実用上の大きな問題はないので○を、3mN以下であればばらつきが極めて小さく良好なので◎を、表１、５の「Ag-L/F 2nd接合」（銀めっきリードフレームのリードの場合）並びに「Pd-L/F 2nd接合」（パラジウムめっきリードフレームのリードの場合）の欄に表記した。

前記被覆層の表面で観察される結晶粒の<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きは、Ｅ
ＢＳＤ法で個別の結晶粒の方位を観察した上で算出した。該算出にあたっては、ボンディ
ングワイヤーの伸線方向と垂直な方向に8μmの幅を有し、ボンディングワイヤーの伸線方向に150μmの長さを有する面を、各試料とも３視野ずつ観察した。その値を表２〜４の「<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積」欄に表記した。

前記の高ループボンディングをした後の、ボンディングワイヤー表面におけるリーニン
グ不良は、各試料とも２０本のループを光学顕微鏡で観察し、1本もリーニング不良が観
察されなければ極めて良好で◎◎印で、１〜２本のループのみにリーニング不良が観察さ
れた場合は良好で◎印で、３〜４本のループのみにリーニング不良が観察された場合は実
用上問題の無いレベルで○印で、５本以上のループにリーニング不良が観察されれば劣悪
で×印で、表２〜４の「高ループリーニング抑制」欄に表記した。

ワイヤー表面のマイヤー硬度は、ナノインデンション法によって、1nm程度の深さ精度
で測定し、その値を表３〜４の「ワイヤーの表面のマイヤー硬度」欄に表記した。

前記の低ループボンディングをした後の、ネック部におけるダメージの有無は、各試料
とも２０本のループを光学顕微鏡で観察し、1本もダメージが無ければ良好で◎印で、２
０本中１〜２本でダメージが観察されれば問題の無いレベルで○印で、２０本中３本以上
でダメージが観察されれば劣悪で×印で、表３〜４の「76.2μm(3mil)級低ループネック
ダメージ」欄に表記した。

前記の長尺ボンディングをした後のループの曲がりについては、各試料のループ２０本
を投影機を用いて測定した。ここで、その平均値をループ長さで除した値をワイヤー曲が
り率とし、４％未満であれば極めて良好で◎印で、４〜５％であれば実用上問題ないレベ
ルとして○印で、５％超であれば不良と判断して×印で、表４の「5.3mm(210mil)級長尺
曲がり」の欄に表記した。

チップダメージの評価では、ボール接合部２０個を断面研磨し、電極に亀裂が生じてい
れば不良と判断して×印で、亀裂が観察されなければ良好として○印で、表４の「チップ
ダメージ」欄に表記した。

表１の実施例１及び参考例２〜３６に記載のように、銅の芯線の表面に１０〜２００ｎｍの厚みのパラジウム被覆層を有し、該被覆層の表面に更に３〜８０ｎｍの厚みの金とパラジウムとの合金層を有するボンディングワイヤーでは、耐酸化性（「長期保管（酸化）」欄）、耐硫化性（「長期保管（硫化）」欄）、やボール部の真球性（「窒素中ＦＡＢ真球性」欄）を確保しつつ、かつパラジウムめっきリードフレーム上での良好なウェッジ接合性（「Pd-L/F 2nd接合」欄）が得られるものである。これらに対し、比較例１に示すように、銅ワイヤーの上に特に被覆層を設けない芯線のみでは、長期保管や2nd接合性が劣悪である。また、比較例２に示すように、銅芯線の表面の被覆層を銀とした場合は、窒素中でのボール部の真球性が大きく劣り、長期保管中に硫化の問題が生じた。また、比較例３に示すように、銅芯線の表面の被覆層を金とした場合は、窒素中でのボール部の真球性が大きく劣っている。また、比較例４〜６に示すように、銅芯線の上にパラジウムの被覆層のみを設けた場合は、パラジウムめっきリードフレーム上でのウェッジ接合性に劣っている。また、比較例７に示すように、銅芯線の上に１０〜２００ｎｍの範囲内の厚みでパラジウムの被覆層を形成しても、更にその表面上に形成した金とパラジウムとの合金層の厚みが３ｎｍより薄い場合は、パラジウムめっきリードフレーム上でのウェッジ接合性が十分ではない。また、比較例８に示すように、銅芯線の上に１０〜２００ｎｍの範囲内の厚みでパラジウムの被覆層を形成しても、更にその表面上に形成した金とパラジウムとの合金層の厚みが８０ｎｍよりも厚い場合は、安定した品質を確保しにくくなり、パラジウムめっきリードフレーム上でのウェッジ接合性（「Pd-L/F 2nd接合」欄）が劣っており、また、該合金層が酸化されることで、ボール部の真球性（「窒素中ＦＡＢ真球性」欄）が満足できるものではない。また、比較例９に示すように、銅芯線の上に１０〜２００ｎｍの範囲内の厚みでパラジウムの被覆層を形成し、更にその表面上に形成した金とパラジウムとの合金層中の金濃度が１５％よりも低い場合はパラジウムめっきリードフレーム上でのウェッジ接合性が十分ではない。また、比較例１０に示すように、銅芯線の上に１０〜２００ｎｍの範囲内の厚みでパラジウムの被覆層を形成し、更にその表面上に形成した金とパラジウムとの合金層中の金濃度が７５％を超えて高い場合は窒素中でのボール部の真球性が劣る。また、比較例１１に示すように、銅芯線の上に形成したパラジウムの被覆層の厚みが１０〜２００ｎｍの範囲を超えると、更にその表面上に形成した金とパラジウムとの合金層の厚みが３〜８０ｎｍの範囲であっても、窒素中で小径のボール部を形成すると気泡が発生する（「窒素中ＦＡＢ気泡抑制」欄）。

実施例１及び参考例２〜１８，８４、８６，８９に示すように、前記金とパラジウムとから成る合金
中の金濃度が、15%以上40%未満であればボール部の真球性がより向上する（「窒素中ＦＡＢ真球性」）。

参考例１９〜３６，８５，８７，８８，９０〜９３に示すように、前記金とパラジウム
とから成る合金中の金濃度が40%以上であると、ウェッジボンディング特性がより向上する（「Pd-L/F 2nd接合」欄）。

表２の実施例３７〜５２に示すように、前記ボンディングワイヤーの表面で観察される
<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積が50%以上100%以下であると、高ループボンディングした際にリーニング不良の発生を抑制する効果が高くなり（「高ループリーニング抑制」欄）、該面積が70%以上であるとその効果が更に高まった。

表３の実施例５３〜５６、５９〜６２に示すように、前記ボンディングワイヤーの表面
のマイヤー硬度が0.2〜2.0GPaの範囲であると、更に、低ループボンディングを行っても
ネックダメージが抑制される（「７６．２μｍ（３ｍｉｌ）級低ループネックダメージ」
欄）。

表４の実施例６８〜７６、８０〜８３に示すように、前記芯線が、B、P、Seの内の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有する銅合金では、長尺ボンディングを行った際であってもループの曲がりが抑制される（「５．３ｍｍ（２１０ｍｉｌ）級長尺曲がり」欄）。一方、実施例７７に示すように、前記芯線に300質量ppm超の添加を行うと、チップダメージが生じた（「チップダメージ」）。

表５の参考例８４〜９３に示すように、前記被覆層と前記芯線の間に拡散層が生じてい
たり、前記芯線に含まれる銅が前記被覆層中に拡散していたりしていても、本願発明の効
果が確保できた。

Claims (4)

1. 銅又は銅合金から成る芯線と、
   該芯線の表面に、10〜200nmの厚さを有するパラジウムを含む被覆層と、
   該被覆層の表面に、3〜80nmの厚さを有する金とパラジウムとを含む合金層と
   を有し、
   前記合金層中の金の濃度が15体積%以上75体積%以下であり、
   前記合金層の表面結晶粒の内、<111>結晶方位の伸線方向に対する傾きが15度以下である結晶粒の面積が、40%以上100%以下であることを特徴とする半導体用ボンディングワイヤー。
2. 前記ボンディングワイヤーの表面のマイヤー硬度が、0.2〜2.0GPaの範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体用ボンディングワイヤー。
3. 前記合金層中の金の濃度が、40体積%以上75体積%以下であることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の半導体用ボンディングワイヤー。
4. 前記芯線が、B、P、Seの内の少なくとも1種を総計で5〜300質量ppm含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体用ボンディングワイヤー。