JP4860004B1 - ボンディングワイヤ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】集積回路素子電極aと回路配線基板導体配線cをボールボンディング法によって接続するための線径L50.8μm以下のボンディングワイヤWである。芯材1がPを10〜50質量ppm含有し、残部が銅及び不可避不純物からなり、その芯材1の外周全面に、Pdによる厚みt2:0.04〜0.09μmの被覆層2を形成し、さらにその表面に0.0001〜0.0005μm厚t3の炭素濃縮層3を形成する。また、室温での引張試験による引張強さTSRと250℃での引張試験による引張強さTSHの比(HR=TSH/TSR×100)を50〜70%とする。その炭素濃縮層3は、伸線時の潤滑剤の洗浄度合によって形成する。
【選択図】図1
Description
1stボンドが形成されれば、キャピラリー10aは、一定高さまで上昇した後(同図(c))、導体配線cの真上まで移動する(同図(d)〜(e))。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー10aに特殊な動きをさせてワイヤWに「くせ」を付ける動作をする場合がある(同図(d)の鎖線から実線参照)。
その被覆金属(被覆層)2としては、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)等が採用されている(特許文献1〜5)。
また、電子部品の小型化に伴い、ループを低背化(ループ高さ(図5のh)を低く)したり、限られたスペースに配線したりするために、多段に積層された電極aにボンディングしたりする必要がある。その多段積層の場合、一層目のボンディングは、そのループをできるだけ低くする必要があり、二層目以降は、その一層目以降のボンディングワイヤ(接続線)Wを超えてボンディングすることとなるから、従来より、高いループ(ループ高さh)を要求される。そのループを高くする際、通常、図3(d)鎖線で示す「くせ付け」が行われ、そのくせ付けがフレキシブルに行い得るワイヤWが求められている。
なお、特許文献4、5には、純銅からなる芯材1にP等を含有するものとするとともに、その外周全面にPd等を被覆したボンディングワイヤが開示されているが(同文献4、5 請求項1)、上記さらなる接合強度の向上や電子部品の小型化の要求には十分に応えていないのが実状である。
また、線径Lの下限は特に規定しないが、12μm未満ではボンディング前にオペレータがワイヤWをキャピラリー10aに通すのが困難になり、作業性が悪くなる。
芯材1の銅純度を99.99質量%以上(残部が不可避不純物)としたのは、高導電性を担保するためである。
一方、被覆層2が厚いと、ボールbの硬度が高くなり、Siチップ(電極a)の損傷による不良の可能性が高くなる。このため、後記実施例と比較例の実験結果から、被覆層2の厚みt2は0.09μm以下とする。
4Cu3P + 5O2 → 12Cu + 2P2O5↑
このとき、そのPの添加量が10質量ppm未満であると、上記のような酸素を取り除く効果が十分でない。また、Pの添加量が50質量ppmを超えるとP2O5が大量に生成し、大気中に飛散するため、微細な空孔がFAB表面に大量に発生し、この空孔が1stボンドの信頼性劣化の原因となる。また、多量のPを添加することによってFAB硬度が上がり、Siチップ(電極a)の損傷による不良の可能性が高くなる。
通常、HRを50%未満にするには、室温での引張強さTSRを高くする必要があるため、低温もしくは短時間で調質熱処理を行う。この場合、低温、短時間であることから、ワイヤWの銅の結晶組織は加工ひずみが残る微細組織となる。一方、上記図3(h)の放電棒gの放電によってそのワイヤWにボールbを形成する際、そのボールbからキャピラリー10aに向かってある長さのワイヤWは、溶融したのち再結晶した結晶組織の粗大化した熱影響部(図5のe参照)が生じる。このため、そのボールbから所要距離に結晶組織の境界ができる。この結晶組織の境界がループの途中にあるとその部分に亀裂が生じたり、場合によっては破断したりする不具合の原因となるため、ワイヤを高いループ形状(ループ高さ)でボンディングすることができなくなる。
また、HRが70%を超えるようにするためには、室温での引張強さTSRを低くする必要があるため、高温もしくは長時間で調質熱処理を行う。この場合、高温、長時間であることから、ワイヤWの銅の結晶組織が粗大化して脆弱となり、ボンディング時のくせ付けする(わん曲)部分で結晶粒界から亀裂が生成したり破断したりする不具合の原因となる。
以上から、この発明によるワイヤWのHRを50〜70%とすれば、後記実施例と比較例の対比から、微細組織と粗大化した再結晶組織の境界が発生しないため、ループの途中で亀裂が生じることがなく、また、ワイヤWの結晶組織が粗大化していないため、くせ付けのときに結晶粒界から亀裂が生じることもない、と考える。このため、ワイヤWに亀裂が発生することなく、フレキシブルにくせ付けが可能になる。
そのワイヤWの密着を防ぐため、被覆層2表面に炭素濃縮層を設けることが好ましい。この炭素濃縮層の炭素濃度は1〜80質量%とする。その炭素濃度が1質量%未満では密着を防ぐ効果が発現できず、80質量%を超えると、ステッチボンド接合性が下がり、連続ボンディング性が損なわれる恐れがある。
後述の実施例と比較例の実験結果から、この炭素濃縮層の厚みが0.0001μm未満であると、上記の繰り出し性を向上させるには至らず、0.0005μmを超えると、ステッチボンド接合性が下がり、連続ボンディング性が損なわれる恐れがある。
グロー放電質量分析(GDMS)法を用いて分析した。
蛍光X線膜厚計で、X線を照射し発生した蛍光X線の強度を皮膜厚さに換算して皮膜厚とした。
Arイオンで深さ方向に単位時間のスパッタを行い、その都度炭素濃度を測定していき、最外層の炭素濃度の1/2の濃度になったところまでを炭素濃縮層3の厚みとするオージェ分光分析法(AES)で測定した。厚さの換算には一般的なSiO2換算を用いた。
室温(23℃)において、100mmのワイヤを10mm/分の引張速度にて引張試験を行い、破断した際の荷重を引張試験前のワイヤWの断面積で除した値を引張強度とした。
また、250℃においても同様の試験を行うが、250℃の雰囲気に試料をセットした後、低下した温度が250℃に復帰した20秒後に引張試験を行うようにした。
上記TSRとTSHから、HR=TSH/TSR×100として求めた。例えば、表1の実施例2線径20μmのワイヤWのTSRは234MPa、TSHは143MPaであり、HRは143/234×100=61%となる。
1stボンド部と2ndボンド部の高さが同じであるフラットボンドにおいて、1stボンド部および2ndボンド部の接地点を基準として最高地点のワイヤまでの高さhを表す(図5参照)。ワイヤ径Lの3倍〜5倍の高さhのときを低ループ、10倍以上の高さhのときを高ループとし、表1においては、それぞれ「低」、「高」とした。
ボンディングマシンで10,000回の連続ボンディングを行い、マシンストップが発生しなければ「A」、1回のマシンストップが発生すれば「B」、2回以上のマシンストップが起これば「D」とした。このとき、ステージ温度が低くなれば、その連続ボンディングが困難になることから、200℃(±5℃)、150℃(±5℃)の2水準で行った。
ボンディング後、1stボール接合部直下のSiチップ損傷を評価するために、ボール接合部および電極膜を王水で溶解し、Siチップのクラックを光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。このとき、100個の接合部を観察して5μm以下の微小なピットが1個もしくはまったく見られない場合は「A」、5μm以上のクラックが認められた場合は「D」とした。
FAB径/ワイヤ径の比率が1.9〜2.1の時の真球性を評価した。接合前のボールbを30本観察して、形状が真球状であるかを判定した。すべて真球状になり、ワイヤWの中心位置とFABの中心位置がずれる芯ずれが1本以下であればA、異形状のFAB発生が1本以上もしくは芯ずれが2本以上であれば使用できないと判断して評価をDとした。
ボンディング装置に取り付けるためのスプールに完成品を500m巻き取り、そのスプールを巻き取り方向とは逆の方向に回転させることによって、ワイヤWを自然落下させて、ワイヤの繰り出し性を評価した。自然落下させるときのスプールから接地点までの距離を1mとし、500m分の自然落下中、ワイヤの引っかかりが2回以下なら「A」、3回以上ならば使用上問題があると判断して評価を「D」とした。
ボンディング後のループを走査型電子顕微鏡(SEM)で確認し、ワイヤ表面の亀裂の有無により判定した。ワイヤ表面が平滑に弧を描き、どこにも亀裂が生じていないものの評価を「A」とし、ワイヤ径の3%以上の亀裂が生じているものは使用上問題があると判断して評価を「D」とした。
「連続ボンディング性」の評価が200℃・150℃ともに「A」であり、かつ「1st接合部のSiチップ損傷」、「FAB形状の安定性」、「ワイヤの繰り出し性」及び「ループ形状」の評価がすべて「A」のものを「A」、「連続ボンディング性」の評価が200℃では「A」であり、150℃では「B」であり、かつ他の全ての評価がすべて「A」のものを「B」とした。また、他の評価のひとつでも「D」のあるものについては実用上問題であるので「D」とした。
芯材のP濃度が10質量ppm未満であると、FAB形状が異形になる不具合が発生する(比較例2、5、8、9)が、10質量ppm以上ではFAB形状が安定して真球状になる(実施例1〜15、比較例1、3、4、6、7、10)。
これに対し、HRが50〜70%であると、そのHR:65%(実施例9)を示す図2(a)の写真に示すように、良好な再結晶組織となって、繊維組織と粗大化した二次再結晶組織の境界が発生し難いため、くせ付けのときに結晶粒界から亀裂が生じることもなかった(実施例1〜15、比較例1、6、7)。
1 芯材
2 被覆層
3 炭素濃縮層
a 集積回路素子の電極
b ボンディングボール
c 回路配線基板の導体配線
Claims (3)
- 集積回路素子の電極(a)と回路配線基板の導体配線(c)をボールボンディング法によって接続するための線径(L)50.8μm以下のボンディングワイヤ(W)であって、芯材(1)が、FABを形成する際のそのFABが安定的な真球状になるため、及びFAB表面の微細な空孔の大量発生を防止するために、Pを10〜50質量ppm含有した銅及び不可避不純物からなり、その芯材(1)の外周全面に、Pdによる厚み(t2)0.01〜0.09μmの被覆層(2)を形成し、かつ、調質熱処理を、炉温度:400℃以上800℃以下、ワイヤ走行速度:30〜90m/分で行って、室温での引張試験による引張強さ(TSR)と250℃での引張試験による引張強さ(TSH)との比(HR=TSH/TSR×100)が50〜70%となるようにして、前記銅からなる芯材(1)の再結晶組織と粗大化した二次再結晶組織の境界が発生し難くなっていることを特徴とするボンディングワイヤ。
- 上記被覆層(2)の外周部に炭素濃度:1〜80質量%の炭素濃縮層(3)を有し、その炭素濃縮層(3)の厚み(t3)が0.0001〜0.0005μmであることを特徴とする請求項1に記載のボンディングワイヤ。
- 請求項2に記載のボンディングワイヤ(W)の製造方法であって、Pを10〜50質量ppm含有した所要径の銅線からなる芯材(1)にPdを被覆し、その被覆線に拡散熱処理を施して芯材(1)と被覆層(2)の密着性を高めた後、潤滑剤を塗布して伸線し、その後、その伸線を洗浄工程を経て酸素遮断状態で上記調質熱処理を行い、前記洗浄工程の洗浄度合を調整することによって前記被覆層(2)の表面に前記潤滑剤からなる上記炭素濃縮層(3)を形成することを特徴とするボンディングワイヤの製造方法。
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