JP4655426B2 - 半導体素子接続用Ａｕ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、半導体素子上の電極パッドと、外部リードとを電気的に接続するために用いる半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子上の電極パッドと、外部リードとの電気的接続には、一般的にワイヤ径が１０〜１００μｍ程度、主として２０〜４０μｍのＡｕボンディングワイヤが用いられる。
【０００３】
近年、半導体素子サイズは縮小化される傾向にあり、それに対応すべく、より高強度のＡｕボンディングワイヤの実現を図ってきた。すなわち、半導体素子が小さくなることで、半導体素子上の電極パッドとリードフレーム等の外部リードとの距離が、一般的には長くなり、そのため、ボンディング（接合）後に行われる樹脂モールド時のワイヤ流れによるＡｕボンディングワイヤ間の接触、いわゆる樹脂流れを防止すべく、Ａｕボンディングワイヤの強度を高めてきた。
【０００４】
また、コストダウンの一環として、ワイヤ径を細くする細線化志向が強まってきている。細線化する場合は、樹脂流れの懸念を解消するためや、ボンディングされたＡｕボンディングワイヤの強度を確保するために、より高強度のＡｕボンディングワイヤに置き換えられることが多い。
【０００５】
また、半導体素子の高集積度化に伴い、半導体素子上の電極間距離、いわゆるボンディングピッチは縮小される傾向もある。狭いボンディングピッチを実現するためには、ボンディングに用いるキャピラリーの先端径、つまりチップ径を小さくする必要があり、それに応じてワイヤ径も細くする必要がある。従って、半導体素子の高集積度化のために必要な細線化の場合でも、樹脂流れの懸念を解消するためや、ボンディングされたＡｕボンディングワイヤの強度を確保するために、より高強度のＡｕボンディングワイヤが求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｕボンディングワイヤを高強度化するためには、通常、Ａｕ以外の元素の添加量を増やすことで対応する。
【０００７】
しかし、Ａｕボンディングワイヤが高強度になると、必然的にワイヤ表面硬度も高く（硬く）なる。特に、ワイヤ径が細くなると、外部リードに接続する二次ボンディング側の接合面が縮小化するため、硬いＡｕボンディングワイヤでは、十分な接合強度が確保できずに、場合によっては未接合となることもある。
【０００８】
また、Ａｕボンディングワイヤには、解きほぐれ性等を確保するために、通常、アニール後に界面活性剤を塗布する。良好な解きほぐれ性を維持するために、界面活性剤の塗布量が潤沢となるような条件を設定するが、界面活性剤の塗布量が多すぎると、正常なボール形成や、正常なループ形成が阻害されることがあり、場合によっては接合不良を起こすこともあった。
【０００９】
本発明は、特に細線化されたＡｕボンディングワイヤのボンディングにおいて、樹脂流れが問題視されず、良好な解きほぐれ性を維持しながら、接合強度の問題や、ボール形成およびループ形成の異常が発生しないＡｕボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために鋭意検討した結果、Ａｕボンディングワイヤの降伏強度（耐力）と硬度が一定の範囲内にあれば、上記課題が解決できることを見出した。さらに、付着している有機物量も一定の範囲内にあれば、より望ましい。
【００１１】
すなわち、本発明の半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤは、炭素系被覆が付着し、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、ワイヤ表面硬度がビッカース硬度で７０以下である。
【００１２】
さらに、付着している炭素系被覆の総有機炭素量が４〜３０質量ｐｐｍであることが望ましい。なお、炭素系被覆は、有機被覆材のうち熱処理後に残った残留物を含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のＡｕボンディングワイヤは、細線化や狭ピッチのボンディングを目的としているので、まず高強度であることが求められる。そこで、Ａｕボンディングワイヤの持つ特性のうち、降伏強度である０．２％耐力に着目した。Ａｕボンディングワイヤが高強度になると、０．２％耐力も増加し、その値が２００ＭＰａ以上を示すと、樹脂流れに対して十分な耐性が認められる。従って、０．２％耐力の下限を２００ＭＰａとした。上限は特に定めないが、Ａｕを主成分とするＡｕボンディングワイヤでは、３００ＭＰａを超えることは稀である。
【００１４】
０．２％耐力が２００ＭＰａ以上を達成するためには、Ａｕ以外の元素の添加量を増やせばよいが、ワイヤ表面硬度も高くなり、接合不良が発生するのは前述の通りである。
【００１５】
しかし、本発明者らは、ワイヤ表面硬度をビッカース硬度で７０以下とすれば、接合不良が発生しないことを見出した。従って、ワイヤ硬度はビッカース硬度で上限を７０と設定した。ワイヤ表面硬度にも、下限は特に設定しないが、ビッカース硬度で４０以下となることはほとんどない。
【００１６】
上記特性を得るためには、添加元素とその添加量および製造条件を、適切に組み合わせる必要がある。Ａｕボンディングワイヤの強度を向上させる元素としては、Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、希土類元素等が良く知られている。
【００１７】
これらの内、Ｂｅは、強度向上効果は大きいが、加工硬化させやすい元素であるため、添加量は適切な範囲に設定するのが望ましい。
【００１８】
また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属元素は、Ａｕと全率固溶するため、大きな強度向上効果は望めない割に、ワイヤ表面硬度を比較的高くする性質を持つ。さらに、これらの元素は、Ａｕの精製時、不可避的不純物となるので、Ａｕボンディングワイヤに比較的多く含まれる。従って、これらの元素の添加量（混入量）には注意を要する。
【００１９】
次に、本発明を実現させるための製造条件を説明する前に、Ａｕボンディングワイヤの製造工程について説明する。
【００２０】
Ａｕボンディングワイヤは、高純度のＡｕと、添加する元素を混合して、溶解・鋳造後、溝ロール圧延を行い、ダイスを用いて伸線加工を行うことで、その線径を細くしていく。また、前述の加工の途中で、焼鈍を加えることもある。
【００２１】
最終線径まで伸線加工後、加工歪を除去するために焼鈍を行い、所定のスプールに巻き取らせて、ボンディング作業に供される。
【００２２】
伸線加工途中の焼鈍、および加工後の焼鈍により、ワイヤ表面硬度は低下するが、同時に強度も低下するので、本発明のＡｕボンディングワイヤの特性を実現させるためには、組成に合わせた焼鈍条件の最適化が必要となる。
【００２３】
組成に合わせた焼鈍条件の最適化以外に、芯材のＡｕ周りに、芯材よりも硬度の低いＡｕ、つまり芯材よりも添加元素濃度の低いＡｕで覆う二重構造のＡｕボンディングワイヤとしたり、中心部から周辺部に向けて、添加元素の濃度を低減させることによりワイヤ表面硬度を下げることで、本発明のＡｕボンディングワイヤの特性を実現させることも可能である。
【００２４】
また、ワイヤ表面に付着している総有機炭素量を、４〜３０質量ｐｐｍの範囲にすると、良好なＡｕボンディングワイヤが実現できる。
【００２５】
前記被覆材の総有機炭素量が４質量ｐｐｍ未満であると、良好な解きほぐれ性が維持できず、Ａｕボンディングワイヤが繰り出されるとき、折れ曲がる不具合のほかに、付与する潤滑性が乏しいためにキャピラリー内に金粉が堆積して、正常なループ形成が阻害される不具合の生じることがある。逆に、総有機炭素量が３０質量ｐｐｍを超えると、ワイヤ表面の有機物層に阻害されて、ボール形成や接合に障害が出たり、過剰な有機物がキャピラリーなどのボンディング治具に付着して、正常なループ形成が阻害されることがある。
【００２６】
本発明のＡｕボンディングワイヤは、細線、特に２５μｍ以下で有用であるが、もちろんそれ以上の線径のＡｕボンディングワイヤに対して適応しても良好な性能が得られる。
【００２７】
各特性値の測定は、次のようにして行った。
【００２８】
０．２％の耐力の測定は、試料長１００ｍｍ、歪速度０．１ｍｉｎ-1の条件で引張試験を行い、その荷重−伸び線図より読み取った。なお、０．２％耐力は、試験片の標点距離の０．２％の永久伸びを生ずるときの荷重を原断面積で除した商をいう。
【００２９】
ワイヤ表面のビッカース硬度は、微小硬さ試験機（アカシ製、ＭＶＫ−Ｇ３型）を用いて、ワイヤ表面に９．８ｍＮの荷重をかけたときの硬度を測定した。
【００３０】
総有機炭素量は、微量炭素分析計（堀場製作所製、ＥＭＩＡ Ｕ−５１１型）を用いて、所定の質量とした各試料を１３００℃に加熱し、加熱により発生した一酸化炭素および二酸化炭素の合計質量から、Ａｕボンディングワイヤの表面に付着した炭素量の評価をした。
【００３１】
ボンディング評価は、ワイヤボンダー（新川製、ＵＴＣ−３００型）を用いた。
【００３２】
樹脂流れ性の評価は、２００μｍのループ高さ、かつ５ｍｍのループ長で、ボンディングした後に、ループに垂直に、一般的な条件で樹脂モールドを行い、ループが樹脂に流されて湾曲し、モールド前の位置から変位した最大距離を、ループ長で除した値の５点の平均値が、３％未満ならば、良好とした。
【００３３】
接合性の評価は、ＡｇめっきしたＣｕ材の２０８ｐｉｎＱＦＰリードフレームにテストダイをつけ、２００μｍのループ高さでボンディングを行い、２０８のループの二次ボンディング側のツィーザ強度をボンドテスター（デイジ製、２４００Ａ型）を用いて測定した。測定値のうち、３９．２ｍＮ以下のものを不良とみなし、その割合を接合性の指標とした。なお、ツィーザ強度とは、２次ボンディング側のワイヤーを、所定のツィーザ治具で挟んで引っ張った時の破断強度である。
【００３４】
さらに、２０８ｐｉｎＱＦＰリードフレームへのボンディングを、４００のＩＣで連続して行い、二次ボンディング側のワイヤ不着回数、ループ形成異常の有無を評価した。
【００３５】
（実施例）
（試料１〜４）
高純度Ａｕに、Ｃａ、Ｇｅを添加して溶解・鋳造後、溝ロール圧延を施し、ダイスを用いて伸線加工を行い、最終線径２５μｍのＡｕボンディングワイヤを得た。
【００３６】
伸線加工途中の熱処理条件、および最終の熱処理条件を示す条件１から条件４のうち、試料１は条件１で、試料２は条件２で、試料３は条件３で、および、試料４は条件４で、それぞれ伸線加工を行った。伸線加工後に、ワイヤ表面の総有機炭素量が１０質量ｐｐｍ程度となる条件で、ノニオン系界面活性剤の塗布を行い、所定のスプールに巻き取り、ボンディングに供した。
【００３７】
熱処理条件は以下の通りである。
【００３８】
［条件１］
・伸線加工途中の熱処理条件：線径が０．３ｍｍの時点にて、伸び率が５％となるように調整した連続焼鈍
・最終の熱処理条件：伸び率が３％となるように調整した焼鈍
［条件２］
・伸線加工途中の熱処理条件：線径が０．３ｍｍの時点にて、伸び率が５％となるように調整した連続焼鈍
・最終の熱処理条件：伸び率が８％となるように調整した焼鈍
［条件３］
・伸線加工途中の熱処理条件：線径が４．０ｍｍの時点にて、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、かつ、線径が０．３ｍｍの時点にて、伸び率が５％となるように調整した連続焼鈍
・最終の熱処理条件：伸び率が３％となるように調整した焼鈍
［条件４］
・伸線加工途中の熱処理条件：線径が４．０ｍｍの時点にて、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、かつ、線径が０．３ｍｍの時点にて、伸び率が５％となるように調整した連続焼鈍
・最終の熱処理条件：伸び率が８％となるように調整した焼鈍
以上の試料について各測定の結果を表１に示す。
【００３９】
（試料５〜８）
高純度Ａｕに添加する元素をＣａ、Ｇｅ、Ｃｕとした以外は、試料１〜４と同様に、それぞれ試料５〜８を作製した。０．２％の耐力の測定、ワイヤ表面のビッカース硬度の測定、総有機炭素量の測定、樹脂流れ性の評価、接合性の評価、二次ボンディング側のワイヤ不着回数、ループ形成異常の有無の評価を、試料１〜４と同じように行った。結果を表１に示す。
【００４０】
（試料９〜１２）
高純度Ａｕに添加する元素をＣａ、Ｂｅ、Ｌａとした以外は、試料１〜４と同様に、それぞれ試料９〜１２を作製した。０．２％の耐力の測定、ワイヤ表面のビッカース硬度の測定、総有機炭素量の測定、樹脂流れ性の評価、接合性の評価、二次ボンディング側のワイヤ不着回数、ループ形成異常の有無の評価を、試料１〜４と同じように行った。結果を表１に示す。
【００４１】
（試料１３〜１６）
高純度Ａｕに添加する元素をＣａ、Ｂｅ、Ｌａ、Ｃｕとした以外は、試料１〜４と同様に、それぞれ試料１３〜１６を作製した。０．２％の耐力の測定、ワイヤ表面のビッカース硬度の測定、総有機炭素量の測定、樹脂流れ性の評価、接合性の評価、二次ボンディング側のワイヤ不着回数、ループ形成異常の有無の評価を、試料１〜４と同じように行った。結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
Figure 0004655426
【００４３】
表１に示されるように、全試料とも、ワイヤに付着した総有機炭素量は、１０質量ｐｐｍ前後と、本発明の範囲内であるため、ループ形成異常は見出されなかったが、０．２％耐力が２００ＭＰａ未満である試料２、４、８は、樹脂流れ量が多く、樹脂流れ性に問題があった。
【００４４】
また、ワイヤ表面のビッカース硬度が７０を超える試料５、７、９、１３、１４、１５は、二次ボンディング側のツィーザ強度が低いものがあり、接合不良が起きている。さらに、試料５、９、１３、１５では、二次ボンディング側で未接合も発生した。
【００４５】
０．２％耐力、ワイヤ表面のビッカース硬度の両特性が本発明の範囲内である試料１、３、６、１０、１１、１２、１６は、樹脂流れ性、接合性がともに問題なく、良好な結果を示した。
【００４６】
（試料１７〜２１）
高純度Ａｕに添加する元素をＣａ、Ｂｅ、Ｌａとして、ノニオン系界面活性剤の濃度等を変えることで、ワイヤ表面の総有機炭素量を３質量ｐｐｍ、４質量ｐｐｍ、１０質量ｐｐｍ、２９質量ｐｐｍ、４１質量ｐｐｍにそれぞれ調整した以外は、試料４と同様に、それぞれ試料１７〜２１を作製した。０．２％の耐力の測定、ワイヤ表面のビッカース硬度の測定、総有機炭素量の測定、樹脂流れ性の評価、接合性の評価、二次ボンディング側のワイヤ不着回数、ループ形成異常の有無の評価を、試料１〜４と同じように行った。結果を表２に示す。
【００４７】
なお、試料１９は、試料１２と同一である。
【００４８】
【表２】
Figure 0004655426
【００４９】
試料１７〜２１は、０．２％耐力、ワイヤ表面のビッカース硬度がともに、本発明の範囲内であるので、樹脂流れ性、接合性に関しては問題は見られない。
【００５０】
しかし、試料１７は、付着した総有機炭素量が３質量ｐｐｍと少ないので、ループ形成異常が発生した。ボンディング後のキャピラリーを観察すると、金粉を主成分とする堆積物があり、これが正常なループ形成を阻害したものと考えられる。また、ワイヤを解きほぐしてみると、一部にワイヤのひっかかりも観察された。
【００５１】
試料２１は、付着した総有機炭素量が４１質量ｐｐｍと多いため、ループ形成異常が発生した。ボンディング後のキャピラリーを観察すると、有機物を主成分とする堆積物が観察され、これが正常なループ形成を阻害したものと考えられる。
【００５２】
一方、ワイヤ表面の総有機炭素量が本発明の範囲内である試料１８〜２０は、ループ形成異常の発生もなく、良好なボンディングとなった。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のＡｕボンディングワイヤは、高い０．２％耐力と、比較的低いワイヤ表面のビッカース硬度とを併せ持つため、特に細線化や狭ピッチのボンディングなど、細線化したＡｕボンディングワイヤのボンディングを行う際に、良好な樹脂流れ性と接合性の維持を実現した。
【００５４】
さらに、ワイヤ表面に付着した有機物量を適切な範囲としたため、ループ形成異常の発生も抑制できた。
【００５５】
本発明のＡｕボンディングワイヤを提供することにより、半導体組立産業に多大なる貢献が可能となる。

Claims (2)

  1. Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、および希土類元素の群から選択される添加元素を総量で２５〜６０質量ｐｐｍ含有し、表面に炭素系被覆が付着している半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤであって、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上であり、ワイヤ表面硬度がビッカース硬度で７０以下であり、かつ、付着している炭素系被覆の総有機炭素量が４〜３０質量ｐｐｍであることを特徴とする半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤ。
  2. Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、および希土類元素の群から選択される添加元素を含有するＡｕを、溶解・鋳造後、溝ロール圧延を施し、ダイスを用いて伸線加工を行い最終線径まで伸線加工し、伸線加工後に炭素系被覆を表面に施す工程を有し、かつ、伸線加工途中および加工後に焼鈍を施す半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤの製造方法において、該Ａｕボンディングワイヤ表面の総有機炭素量を４〜３０質量ｐｐｍとすると共に、前記添加元素の含有量を総量で２５〜６０質量ｐｐｍの範囲とし、該Ａｕボンディングワイヤの組成に応じて前記焼鈍の焼鈍条件を規制することにより、得られるＡｕボンディングワイヤの０．２％耐力を２００ＭＰａ以上、かつ、ワイヤ表面硬度をビッカース硬度で７０以下とすることを特徴とする半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤの製造方法。
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