JP5023706B2 - ボンディングワイヤとその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、集積回路素子上の電極と回路配線基板の導体配線との間を接続するボンディングワイヤおよびその製造方法に関する。
ボンディングワイヤの加工は、伸線加工工程、熱処理工程、巻取工程の各工程からなる。加工中は、摩擦力を低減させたり、傷などの欠陥の発生を防いだりすることを目的として、各工程で、界面活性剤、天然油脂、鉱物油などの希釈液を処理液として、ボンディングワイヤの表面に塗布している。
使用された処理液は、最終製品の表面にも残留しているが、かかる処理液の存在により、ボンディングワイヤ同士の接合が防止され、良好な繰り出し性が保たれる。また、ボンディング作業中においてもスムーズなボンディングワイヤの供給が行われる。
必要に応じて、ボンディング作業中におけるスムーズなボンディングワイヤの供給を図るために、ボンディングワイヤの表面上に、意図的に界面活性剤を塗布することもある。この場合、界面活性剤は溶媒を用いて塗布され、溶媒を乾燥により蒸発させることで、界面活性剤をボンディングワイヤの表面に付着させている。
しかしながら、ボンディングワイヤの表面に残留した大量の処理液や塗布物が存在していると、ボンディング作業中のボンダーやキャピラリーに転写する量が短時間で増大するため、ワイヤ経路が狭くなり、ループ高さ異常が発生しやすくなってしまう。
また、かかる局所的に異常な膜厚を有する有機物の存在が、近年、狭ピッチ化がますます進んでいるデバイスにおいて、ボンディングワイヤ同士の短絡などの原因になっている。
この対策として、処理液の残留量や塗装物の塗布量を規制することがなされてきた。しかし、ボンディングワイヤの表面に有機被膜の形成が不十分であると、ボンディングワイヤ同士が接合し、かかる接合の防止や良好な繰り出し性の確保という効果が十分に得られない。
また、簡単な塗布および乾燥という従来の手法では、処理液や塗布物の有機材料が、ボンディングワイヤの表面で凝集してしまう。
具体的には、特開昭５９−１６７０４４号公報には、ボンディングワイヤの表面上に界面活性剤の被膜を、平均膜厚で５ｎｍ〜０．５ｎｍ塗布する方法が記載されている。しかし、このように薄い膜厚で塗布した場合、物質がボンディングワイヤの表面に化学的に吸着しているのか、または、該表面に単に付着しているだけなのか不明である。単に付着しているだけでは、経時変化や巻き替え工程での金線同士のこすれ合いで、界面活性剤の被膜が、表面から剥がれてしまい、接合防止および良好な繰り出し性という特性を有するボンディングワイヤをユーザーへ安定的に供給することは困難であった。
また、特開平６−１５１４９７号公報には、ボンディングワイヤの表面を洗浄して、ボンディングワイヤの炭素量を低減させる方法が記載されている。しかしながら、かかる場合においても、界面活性剤がボンディングワイヤの表面に化学的に吸着しているのか、単に付着しているだけなのかは不明である。よって、上記の先行技術と同様の問題が生ずる。
特開昭５９−１６７０４４号公報 特開平６−１５１４９７号公報
本発明は、有機被膜の膜厚が均一で、かつ、高い有機被膜の密着力を有するボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係るボンディングワイヤの製造方法は、伸線加工工程後のボンディングワイヤを洗浄し、熱処理することにより、該ボンディングワイヤの表面に存在する有機炭素の量を１５００μｇ／ｍ2以下とし、その後、ボンディングワイヤを、濃度と表面張力の傾きが−１．００〜−４００００ｍＮ／ｍ／％の範囲内にある界面活性剤に浸漬することにより、該ボンディングワイヤの表面に、直接、界面活性剤を単分子で化学的に吸着させることを特徴とする。
予め試験を行い、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、前記浸漬後のボンディングワイヤの表面に存在する前記界面活性剤を分析した場合に、表面プラズモン共鳴角のみを示すような浸漬条件をさらに得て、前記浸漬を行うことが好ましい。
本発明に係るボンディングワイヤは、前記製造方法により得られ、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、その表面に存在する界面活性剤を分析した場合に、表面プラズモン共鳴角のみを示すことを特徴とする。
表面プラズモン共鳴分光法を用いて前記界面活性剤の膜厚を測定した場合に、表面の洗浄前後において膜厚に変化がないことが好ましい。
本発明により、ボンディングワイヤの表面に、界面活性剤を単分子で化学的に吸着させることによって、有機被膜を均一に形成することができる。かかる有機被膜は、膜厚が薄いにもかかわらず、ボンディングワイヤの表面から剥がれることがなく、ボンディングワイヤ同士の接合を防止し、その繰り出し性を良好に維持できる。したがって、ループ異常がなく、かつ、円滑なボンディングを可能とするボンディングワイヤが安定的に供給される。
本発明に係るボンディングワイヤの製造方法は、伸線加工工程後のボンディングワイヤを洗浄し、熱処理することにより、該ボンディングワイヤの表面に存在する有機炭素の量を１５００μｇ／ｍ2以下とし、その後、ボンディングワイヤを、濃度と表面張力の傾きが−１．００〜−４００００ｍＮ／ｍ／％の範囲内にある界面活性剤に浸漬することにより、該ボンディングワイヤの表面に界面活性剤を、直接、単分子で化学的に吸着させることに特徴を有する。
ボンディングワイヤの洗浄は、伸線加工工程で使用した界面活性剤、天然油脂、鉱物油などを除去する目的で行われ、アルコール洗浄、超音波洗浄、プラズマ洗浄、電解洗浄、温湯洗浄、フロン洗浄、洗剤洗浄、酸洗浄、アルカリ洗浄、オゾン洗浄、レーザー洗浄など任意の手段を用いることができる。
ボンディングワイヤの表面に存在する有機炭素の量を１５００μｇ／ｍ2以下とする。表面の有機炭素の量が１５００μｇ／ｍ2を超えると、次工程でボンディングワイヤの表面に界面活性剤が直接吸着することができなくなるからであり、また、洗浄が不十分で表面に界面活性剤などが残存している状態で、界面活性剤にボンディングワイヤを浸漬すると、表面に界面活性剤が凝集した状態で多く残留し、キャピラリーの詰まり、クランパの汚れが発生しやすくなり、作業性が低下するためである。
ここで、界面活性剤とは、分子内に、−ＣＯＯＨ（カルボキシ基）、−ＯＨ（水酸化基）などの親水基と、炭化水素などの親油基の部分を持つ物質を意味する。界面活性剤には、イオン性界面活性剤および非イオン（ノニオン）界面活性剤があり、用途に応じて種々の製品が存在する。
次に、洗浄後のボンディングワイヤを界面活性剤に浸漬するが、該界面活性剤として、濃度と表面張力の傾きが−１．００〜−４００００ｍＮ／ｍ／％の範囲内にあるものを選択する。具体的には、任意の界面活性剤について、濃度を種々変化させて、各濃度の表面張力を表面張力測定装置で測定して、プロットした場合に、得られたグラフの傾きが上記の数値範囲内にある濃度の界面活性剤を使用する。
かかる濃度と表面張力の傾きは、臨界ミセル濃度を超えている状態にあるのか否かを示し、単分子のみの吸着の指標となるものである。濃度と表面張力の関係は、界面活性剤の種類によって異なる。しかしながら、いずれの界面活性剤であっても、濃度と表面張力の傾きが−１．００ｍＮ／ｍ／％より大きな値になると、ボンディングワイヤの表面で界面活性剤が凝集して、ミセルが形成され、単分子吸着とミセルの付着が混在し、不均一な表面状態になるという問題を生ずる。また、表面張力が一定になってしまう。一方、−４００００ｍＮ／ｍ／％を超えると、界面活性剤の濃度が低すぎて、ボンディングワイヤの表面全体に有機被膜が形成できないという問題がある。好ましくは、−４００００〜−１００ｍＮ／ｍ／％の範囲内、さらに好ましくは、−１５００〜−３００ｍＮ／ｍ／％の範囲内とする。
浸漬は、上記範囲の界面活性剤について、予め表面プラズモン共鳴分光法により、ボンディングワイヤの表面に界面活性剤が化学的に吸着する条件を得て、該条件に従って行う。すなわち、本発明に係るボンディングワイヤでは、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、浸漬後のボンディングワイヤの表面における前記界面活性剤を分析した場合、その結果として、表面プラズモン共鳴角が現れる。しかしながら、反射角４８°付近にサブピークが現れることがない。
表面プラズモン共鳴分光法の原理は、次の通りである。すなわち、膜厚５０ｎｍ程度の金属薄膜表面にプリズムを介してレーザー光を入射させると、全反射角領域のある一定角度において特有の光の吸収（反射光の減衰)が見られる。この角度のことを表面プラズモン共鳴角という。この現象のことを表面プラズモン共鳴という。この現象は、エバネッセント光のしみだし距離中での媒体の屈折率の変化、すなわち、金属表面への分子の吸着により大きく影響を受けるものである。よって、これをモニターすることにより、表面での分子吸着挙動を高感度に測定することが可能となる。
すなわち、入射光の角度を変えて反射光強度をモニターすることにより、分子の吸着量を定量化することが可能となり、また、入射光の角度を固定し、反射光強度の時間変化を測定し、分子の吸脱着過程をリアルタイムでモニターすることも可能となる。この測定は、表面プラズモン共鳴分光装置により行うことができる。
すなわち、界面活性剤をボンディングワイヤの表面に吸着させるためには、表面プラズモン共鳴分光法を用いて測定したときの入射角と反射率の関係から得られるＳＰＲカーブにおいて、ＳＰＲカーブの最小反射率を与える入射角角度である共鳴角（表面プラズモン共鳴角）が発生するように、被膜吸着状態を制御することになる。
なお、「直接、単分子で化学的に吸着させる」とは、ボンディングワイヤの表面に界面活性剤の分子の一つ一つが層状に並び、界面活性剤の親水基ないし親油基のいずれかが表面の特定の活性部位（金属）との間に強力な不可逆的な化学結合を形成することをいう。
具体的には、浸漬に用いる界面活性剤の濃度、浸漬時間、浸漬温度などの条件を制御して、ボンディングワイヤを界面活性剤に浸漬した後、その表面を表面プラズモン共鳴分析装置で測定した場合に、表面プラズモン共鳴角が得られ、かつ、その他にサブピークが現れないようにする。実際の操業においては、予め、当該浸積条件を試験により得て、得られた条件により浸漬を行えばよい。
表面プラズモン共鳴角が検出されない場合には、有機被膜が化学的に吸着しておらず、ボンディングワイヤ表面に単に付着していることを示す。かかる場合には、有機被膜はボンディングワイヤ表面から簡単に剥離脱落してしまう。一方、界面活性剤の濃度が５０ｐｐｍ以上になると、表面プラズモン共鳴角だけでなく、反射角４８°付近にサブピークが現れるようになり、さらに濃度が濃くなるにつれて、該ピークがしっかりと現れるようになる。この現象は、ボンディングワイヤの表面で、界面活性剤が凝集して、ミセルを形成していることを意味する。このようなミセルが生成すると、ボンディングワイヤの表面には、凹凸のある有機被膜が形成され、ボンダー作業中にボンダーやキャピラリーに転写する量が変化するため、不定期にループ高さ異常をおこすという問題が生ずる。
本発明においては市販されている種々の界面活性剤を用いることができる。浸漬により、単分子で均一な膜厚の有機被膜を形成するための条件は、それぞれの界面活性剤により異なるが、本発明により、かかる条件を適確に把握することが可能となり、よって、適切な膜厚であり、かつ、剥がれ脱落のない有機被膜をボンディングワイヤの表面に形成することが可能となる。したがって、界面活性剤の種類に制限されることはないが、ノニオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、両性界面活性剤のいずれかが、本発明に適用可能である。
なお、界面活性剤が表面に単分子で化学的に吸着した場合、ボンディングワイヤの表面を洗浄した前後において、吸着の状況に変化はなく、表面プラズモン共鳴法によりその膜厚を測定した場合、洗浄の前後において変化が生じない。すなわち、ボンディングワイヤの表面に均一な有機被膜が形成されていると評価できる。
（有機被膜形成材料の評価）
有機被膜形成材料として、市販のノニオン界面活性剤を用いた。かかるノニオン界面活性剤を溶媒である純水に投入し、濃度と表面張力の傾きが−３３０ｍＮ／ｍ／％となる濃度４０ｐｐｍのものを調製した。なお、表面張力については、表面張力測定装置（Ｋｒｕｓｓ社製、Ｋ１２１）により測定を行った。
液温２０℃、６０分間の条件で、金板をそれぞれの界面活性剤の溶液に浸漬し、金板の表面に有機被膜を得た。
次に、有機被膜が存在する金板の表面を、表面プラズモン共鳴分光法を用いて分析し、評価したところ、図１に示す分析結果のグラフが得られた。該グラフから明らかなように、表面プラズモン共鳴角が現れており、かつ、他の角度におけるサブピークは存在していなかった。
さらに、該金板の表面を、水を流しながら洗浄し、その後、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、洗浄の前後の吸着量を測定した。その結果、表面プラズモン共鳴角の高角度側へのシフト量により吸着量を計算した結果、洗浄前後の吸着量が変化していないことがわかった。よって、この状態が化学的に吸着していることを意味することが理解され、かつ、洗浄などによっては、表面の有機被膜が簡単に剥離脱落することなく、吸着状態を維持することも理解される。
また、浸漬条件を代えて、表面プラズモン共鳴角が現れる条件を検討したところ、濃度と表面張力の傾きが−１１００ｍＮ／ｍ／％である当該ノニオン界面活性剤の場合、同様な結果であった。
（実施例１）
線径２５μｍの金（純度９９．９９％）のボンディングワイヤ（住友金属鉱山株式会社製）を使用し、エタノール洗浄を行った。次に、大気雰囲気で、５００℃、０．５秒の条件で、ボンディングワイヤの熱処理を行なった。ボンディングワイヤの表面に存在する有機炭素の量を極微量炭素分析装置（堀場製作所製、ＥＭＩＡ−Ｕ５１１）で測定したところ、有機炭素の量は１４００μｇ／ｍ2であった。よって、ボンディングワイヤの表面から有機物が十分に除去されていることが確認された。
前記界面活性剤を、濃度と表面張力の傾きが−３３０ｍＮ／ｍ／％となるように調製し（濃度０．００４％、表面張力２８．４ｍＮ／ｍ）、前記ボンディングワイヤをかかる界面活性剤の溶液に、液温２０℃、６０分間の条件で浸漬し、その表面に有機被膜を吸着させた。なお、かかる条件は、前記評価試験において、事前に有機被膜を吸着させることを確認したものである。
次に、得られたボンディングワイヤを、以下のように評価した。
表面プラズモン共鳴分光法を用いて、得られた有機被膜の吸着量を測定したところ、２ｎｍ〜３ｎｍで、均一な有機被膜が形成されていることを確認した。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、ボンディングワイヤの表面の観察を行ったところ、界面活性剤が単分子で均一に吸着していることが確認された。その結果を図２に示した。
また、得られた有機被膜の洗浄等による影響を調べるために、ボンディングワイヤの表面を水で６０分間洗浄した後、ＡＦＭで観察したが、変化はみられなかった。さらに、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、洗浄前後の共鳴角を調べたが、共鳴角に変化はなく、かつ、吸着量も変化していなかった。
（比較例１）
前記界面活性剤を、濃度と表面張力の傾きが＋２８ｍＮ／ｍ／％となるように調製し（濃度０．０１０％、表面張力２６．９ｍＮ／ｍ）、かかる界面活性剤の溶液を浸漬に用いた以外は、実施例１と同様に各工程を行った。
表面プラズモン共鳴分光法を用いて観測を行ったが、共鳴角は観測されなかった。その結果を図１に示す。
また、得られた有機被膜の表面をＡＦＭで観察した結果、その表面に３００ｎｍ程度の付着物が観察された。その結果を図３に示した。これは、有機被膜の表面に界面活性剤が凝集してミセルを形成し、ミセルが付着していることを意味する。
さらに、得られたボンディングワイヤの表面の有機被膜を水で洗浄し、ＡＦＭで観察したところ、有機被膜が剥離したことが確認された。その結果を図４に示す。
本発明によるボンディングワイヤは、その表面に有機被膜を化学的に吸着させており、有機物がクランパやキャピラリーに転写することなく、かつ、良好な繰り出し性が維持される。よって、直進性に優れ、狭ピッチのものにも対応することができ、半導体材料の接続用途に好適である。
本実施例で用いたノニオン界面活性剤について、濃度と表面張力の傾きが実施例１における−３３０ｍＮ／ｍ／％の場合および、比較例１における＋２８ｍＮ／ｍ／％とした場合の表面プラズモン共鳴分光法の測定結果を示すグラフである。 上記濃度と表面張力の傾きが−３３０ｍＮ／ｍ／％のノニオン界面活性剤を用いた場合の表面状態を示すＡＦＭ観察の結果を示す図である。 上記濃度と表面張力の傾きが＋２８ｍＮ／ｍ／％のノニオン界面活性剤を用いた場合の表面状態を示すＡＦＭ観察の結果を示す図である。 上記濃度と表面張力の傾きが＋２８ｍＮ／ｍ／％のノニオン界面活性剤を用いた後純水で洗浄した場合の表面状態を示すＡＦＭ観察の結果を示す図である。

Claims (4)

  1. 伸線加工工程後のボンディングワイヤを洗浄し、熱処理することにより、該ボンディングワイヤの表面に存在する有機炭素の量を１５００μｇ／ｍ2以下とし、その後、ボンディングワイヤを、濃度と表面張力の傾きが−１．００〜−４００００ｍＮ／ｍ／％の範囲内にある界面活性剤に浸漬することにより、該ボンディングワイヤの表面に、直接、界面活性剤を単分子で化学的に吸着させることを特徴とするボンディングワイヤの製造方法。
  2. 予め試験を行い、表面プラズモン共鳴分光法を用いて、前記浸漬後のボンディングワイヤの表面に存在する前記界面活性剤を分析した場合に、表面プラズモン共鳴角のみを示すような浸漬条件をさらに得て、前記浸漬を行う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の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載のボンディングワイヤの製造方法により得られ、表面プラズモン共鳴分光法を用いて前記界面活性剤を分析した場合に、表面プラズモン共鳴角のみを示すことを特徴とするボンディングワイヤ。
  4. 表面プラズモン共鳴分光法を用いて前記界面活性剤の膜厚を測定した場合に、表面の洗浄前後において膜厚に変化がないことを特徴とする請求項３に記載のボンディングワイヤ。
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