JP5087795B2 - ボンディングワイヤ - Google Patents
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Description
一般に半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は15〜75μmと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金線が用いられていた。
しかし、金線の組成は99mass%から99.99mass%が金であるため非常に高価であることから、金線使用のIOピン数が非常に多いP−BGAパッケージ(Plastic Ball Grid Alley )や製品価格が安いメモリパッケージでは、細い線径の金線を用いることで金の使用量を減らし、そのコストを下げたいとの要望があった。
一方、金の電気比抵抗は約2.3μΩcmであるが、線径を細くすることで、その電気抵抗が上昇するため、電流値を変化させたくない半導体パッケージでは細線化には限界があり、更にパッケージの高密度化における発熱の低減などの観点から、電気比抵抗が約1.7μΩcmと金より低く、安価な銅に代替したいとの要望があり、銅ボンディングワイヤが開発、製品化されてきている。
さらに、銅ボンディングワイヤは表面が酸化しやすいため、酸化によってスティッチボンディングの接合性が低下するという問題があり、この問題の解決策として高純度銅極細線の表面にパラジウム被膜を形成して銅表面の酸化を防止する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
更に、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤ表面のパラジウム被覆層と銅芯材との界面での剥離を防止するための方法が開示されており、被膜形成後に熱処理を施して銅パラジウム界面に濃度勾配を設けることが示されている(例えば、特許文献2、特許文献3参照。)。
特許文献2では、めっきで被覆する際の被覆材と芯材との拡散を課題とし、芯材をワイヤ表面に露出させない薄膜被覆の状態を述べている。オージェ電子分光法を用いて深さ方向にスパッタしたときの時間をSiO2の厚さで換算して得られるパラジウムと銅の強度
スペクトルから、深さによる両元素の存在比率すなわち原子分率が計算される。
この方法から例えばパラジウムの存在比率が10〜90at%となる領域の厚さ、いわゆる拡散層の厚みが算出されるが、拡散層の厚みに関わらずめっきが銅芯材表面から剥がれやすい場合があり、めっき後の伸線加工中に局部的にめっきが剥がれてパラジウム層の厚みが薄くなってしまったり、はがれたパラジウムが伸線ダイスとワイヤとの間に噛み込んで伸線キズを発生させたり、あるいは半導体素子組み立て中にボール形状の真球性が低いボールが発生したり、ボンディング後のボールにパラジウムが濃縮した部分が発生し、ボールボンディング時のパッドダメージの原因になる場合があった。
パラジウム層と銅芯材との間に金層を設けることによって、銅とパラジウムとの密着性を高める方法も提案されている(例えば、特許文献4参照。)が、ボールの真球度は高まるものの、ボール表面にパラジウムと金が濃縮して、パラジウムと金と銅との合金が形成されやすく、そのため合金化による加工硬化の上昇が著しく、ボールボンディング後のパッドダメージの発生がパラジウム層のみの場合に比べて高いという問題があり、実用化はパッドが堅牢な素子に限られていた。
このような問題は、電極に接合されたボールからワイヤクランパの開閉動作とタイミングを取ってワイヤを上方へ引っ張って引きちぎるバンプワイヤにおいても同様である。
本発明は係る課題であるパラジウムめっきと銅芯材表面との密着性阻害要因を解消し、銅芯材表面にパラジウム被膜を安定して形成し、ダイス引き抜き伸線においても該パラジウム被覆膜が削ぎ落とされることがなく、製品においてもワイヤボンダやキャピラリとの摺動によって該パラジウムがはがされることの無い、またボンディング中に形成されるボールの真球度は高く、ボンディング時の中にボールあるいはワイヤの変形時にパラジウムが剥がれることが無く、またパッドダメージの発生しない、すなわちパラジウムと銅の密着性を著しく向上させた半導体装置用ボンディングワイヤまたはバンプワイヤの提供を目的とする。
さらにパラジウム被覆層下の前記銅芯材界面近傍に存在するボイドの最大径が10nm以下であることを特徴とする膜厚0.6μm以下の電極膜用ボンディングワイヤである。
ここでボイドの最大径とは観察されるボイドの最も長い径をいい、被膜長さ1μmあたりのボイドの平均個数とは観察されたボイドの個数を観察した界面の長さで除して得られる値をいう。
なお、観察は少なくとも被膜長さ10000nm(10μm)以上で行う。
図7に従来のボンディングワイヤの長さ方向に沿った断面の走査イオン顕微鏡写真を示す。図7では銅芯材1と厚さ約60nmのパラジウム被覆層2との界面近傍に、円形あるいは楕円形のボイド3が観測できる。
ボイドの個数を平均0.6個以下とするのは、パラジウムと銅との接合界面での機械的剥離破壊を抑制するための十分な接合面積を得て、パラジウムと銅との剥離の起点を無くすためである。
図1に本発明のボンディングワイヤの断面構造を示す。また、図2に図1に示す本発明のボンディングワイヤの長さ方向に沿った断面の走査イオン顕微鏡写真を示す。
本発明のボンディングワイヤは銅芯材1の表面を平均厚みが25nm以上85nm以下のパラジウム被覆層2が覆っている。
図7に示す従来のボンディングワイヤの長さ方向に沿った断面の走査イオン顕微鏡写真と比較すると、銅芯材1とパラジウム被覆層2との界面近傍に有ったボイドが消滅している。
なお、最大径が60nm以下であっても、被膜1μm長さ当りに存在する最大径10nm以上60nm以下のボイドの個数が平均0.6個を超えると、被膜が薄い場合には伸線中に被膜が割れたり、剥がれたり、製品においてはスティッチボンディング時にパラジウム被膜が割れて銅芯材表面が露出し、同時に形成されるテールワイヤの先端にも銅が露出し、その後に形成されるボール表面はパラジウム濃度の高い部分と低い部分が形成され、ボールの真球度が損なわれたりボール変形における加工硬化の均一性が損なわれ、パッドダメージの原因となる。
また、スティッチボンディング時にパラジウム被膜が割れる場合には、スティッチ部分のワイヤ表面が酸化して接合強度が低下し、結果的にスティッチ強度が低下したりもする。
したがって、銅芯材界面層のボイドの最大径は60nm以下で、かつ被膜長さ1μm当りに存在する最大直径10nm以上60nm以下のボイドの個数は平均0.6個以下に抑えなければならない。
上記前処理工程は、通常は各工程ごとに20秒程度行われていたが、これでは銅芯材表面のパラジウムめっき面との界面近傍にボイドが発生し、洗浄前処理が不十分であることが判明した。
そこで本発明のボンディングワイヤでは、パラジウムめっきを施す前の洗浄前処理を十分に行うこととし、上記アルカリ洗浄剤溶液での脱脂、塩酸水溶液を使用した酸洗浄、硫酸系化学研磨剤溶液を使用した化学研磨、硫酸水溶液による表面の活性化の各工程を、それぞれ60秒間かけて入念に行うこととした。
その結果、銅芯材表面のパラジウムめっき面との界面近傍に発生するボイドが減少し、銅芯材表面とパラジウムめっき面との強固な接合を確保することを可能にした。
また、通常ベア銅線は窒素ガスを充填したプラスチック袋等にシールして供給されるが、一般的には開封直後から酸化が発生するためにボンディング中にも酸化が進行し、ワイヤ表面が酸化して連続ボンディングが不可能となるので、従来は1巻あたりの巻き長さは1000mが限界とされた。
しかし、本発明のボンディングワイヤでは、パラジウム被覆層の平均厚みを25nm以上とすることで巻き長さの限界は作業性が許す限り上限が無くなり、金線同様の長尺化が可能となる。さらにスティッチボンディングにおいてはキャピラリによって展延されたワイヤの表面にも接合を阻害するほどの酸化物層が形成されないため、スティッチ接合性は非常に良好となる。またそのパラジウム被覆層の平均厚みを80nm以下とすることでボール形成時のボール表面のパラジウム濃度を抑え、合金化による表面硬度や加工硬化の低下によるパッドダメージの発生が回避される。
実施例では、銅原料として純度99.9995%以上の高純度電気銅(5N5銅)又は純度99.99%以上の電気銅(4N銅)を使用し、リンが15質量%の濃度になるように鋳造された、りん銅地金を添加して、下記の表1に示すリン含有量になるように配合調整して溶解鋳造を行った。
鋳造径は8mmで、ダイスによる引き抜き伸線加工により線径1mmまで縮径した後、軟化処理のために窒素ガス中で再結晶以上の温度で加熱したのち、再びダイスによる引き抜き伸線加工により線径0.2mmまで縮径した。
その後、市販のアルカリ洗浄剤溶液で脱脂後塩酸水溶液で酸洗浄し、市販の硫酸系化学研磨剤溶液で銅新生面を露出させ、硫酸水溶液で表面を活性化して、パラジウムを0.1μm厚にストライクめっきした後、所定のパラジウム厚にパラジウムめっきを行った。
本発明の実施例では脱脂、酸洗浄、化学研磨、酸活性の各工程の処理時間をそれぞれ60秒間とし、さらに試料番号1、4、6〜11の脱脂はバイポーラ電解脱脂とし、化学研磨は電解研磨とした。
なお、パラジウムストライクめっきとパラジウムめっきのめっき液中の銅イオン除去については、めっき槽からのオーバーフロー液にキレート剤を添加して濾過し、その濾液を再び連続してポンプでめっき槽に戻して循環させて行った。めっき厚はめっきを施す時間を変えることで調整した。
実施例ではパラジウムめっき後は連続的に縮径して線径25μmまたは20μmとし、連続加熱処理によって伸び率を線径25μmの線は12%、線径20μmの線は10%となるように焼鈍した。
表2の試料番号12〜21が比較例である。
比較例では、実施例と同様に、銅原料として純度99.9995%以上の高純度電気銅(5N5銅)又は純度99.99%以上の電気銅(4N銅)を使用し、リンが15質量%の濃度になるように鋳造された、りん銅地金を添加して、下記の表2に示すリン含有量になるように配合調整して溶解鋳造を行った。
鋳造径は8mmで、ダイスによる引き抜き伸線加工により線径1mmまで縮径した後、軟化処理のために窒素ガス中で再結晶以上の温度で加熱したのち、再びダイスによる引き抜き伸線加工により線径0.2mmまで縮径した。
その後、市販のアルカリ洗浄剤溶液で脱脂後塩酸水溶液で酸洗浄し、市販の硫酸系化学研磨剤溶液で銅新生面を露出させ、硫酸水溶液で表面を活性化して、パラジウムを0.1μm厚にストライクめっきした後、所定のパラジウム厚にパラジウムめっきを行った。
さらに比較例では脱脂、酸洗浄、化学研磨、酸活性の各工程の処理時間をそれぞれ20秒間とした。
また、パラジウムストライクめっきとパラジウムめっきのめっき液中の銅イオン除去については、実施例と同様に、めっき槽からのオーバーフロー液にキレート剤を添加して濾過し、その濾液を再び連続してポンプでめっき槽に戻して循環させて行った。めっき厚はめっきを施す時間を変えることで調整した。
さらに、実施例と同様、パラジウムめっき後は連続的に縮径して線径25μmまたは20μmとし、連続加熱処理によって伸び率を線径25μmの線は12%、線径20μmの線は10%となるように焼鈍した。
ボンダ(キューリック&ソファ社製のI Conn)を使用して、ボール形成に用いたガスは、5%水素95%窒素のフォーミングガスと、100%窒素ガスの2種類とした。使用したボンダは、ボール形成に用いるガスをボンディングサイトへも吹き付ける機能があり、顧客の使用条件と同条件での評価とするため、今回の評価でもガスのボンディングサイトへの吹き付けを採用した。
接合強度についてはデイジ社のボンドテスター5000を用いて、ワイヤボンダのトランスデューサの振動方向であるY方向にボンディングされたワイヤのシア強度と、スティッチボンディング近傍にフックを掛けて引っ張って行うスティッチプル強度を測定した。 Y方向にはボールボンディング時にボールによるアルミニウム押出しが発生しやすく、接合性評価時の接合部破壊のきっかけになりやすく、またY方向でのスティッチボンディング時にはワイヤが銀メッキ上で滑りやすくなるため、いずれの接合もX方向に比べて不十分になりやすく、接合性を比較評価する試料として主にY方向にボンディングされたワイヤで行った。
スティッチ接合性評価としては、ワイヤを100mの長さにわたって顕微鏡で観察するワイヤ外観観察、Y方向にボンディングされたスティッチ接合部のワイヤが黒色に観察されるワイヤ端部傾斜部であるスティッチ部の形状観察、X方向にボンディングされたワイヤのキャピラリで押しつぶされた、いわゆるフィッシュテール部の色を観察するスティッチ部外観観察、及びY方向にボンディングされたワイヤのプル破断強度で評価した。その結果を表4に示す。
ボール形状については100個を水平方向から観察し、ワイヤの軸中心とボールの軸中心が一致しないいわゆる芯ずれあるいは鏃状ボールが発生した場合を×、ボールの底部がわずかに尖ったボールが発生した場合を△、いずれの異常も発生しない場合を○とした。
図3に水平方向から観察したボール形状の例を示す。図3(a)は球状ボールが形成された例を示し、図3(b)は先端が鏃状に尖ったボールが形成された例を示す。
図4に潰しボール形状を上方から観察した例を示す。図4(a)は最も長い径と短い径の差が3μmを超えたボールの例(×)を、図4(b)はボール形状に異常が発生しなかった場合の例(○)を示す。
ワイヤ外観については、銅の露出が観察された場合を×、パラジウムに亀裂が観察された場合を△、いずれの異常も観察されなかった場合を○とした。
スティッチ接合部の形状については、図5に示すようにスティッチ接合部のワイヤが黒色に観察される傾斜部の長さをA、最も幅広の部分の長さをBとし、AをBで除した値A/Bで判断した。A/Bが0.65以上を×、0.5以上0.65未満を△、0.5未満を○とした。パラジウムめっきが剥がれ難いほどワイヤは銀めっき上で滑らないのでA/Bは小さくなる。
図5にスティッチボンディング部を上方から観察した例を示す。図5(a)は、黒色に見えるワイヤの長さ方向の傾斜部の長さをA、ワイヤの垂直方向の潰れ幅Bとした時に、Aが長い場合を示している。図5(b)は、同様にAが短い場合を示している。Aが長いものは、スティッチボンディング中にめっきがワイヤから剥がれてワイヤがリード上でキャピラリから遠ざかる方向へより滑っていることを示す。
図6にキャピラリで押しつぶされたフィッシュテール部の例を示す。図6において4が銅色に観察される部分、5がパラジウム色に観察される部分で、図6(a)は銅色が四分の一から二分の一程度である(△)の場合を、図6(b)は銅色が四分の一未満の場合(○)の例を示している。
スティッチプル強度については測定値の最小値が16.2kgf/mm2以上を○、14.3kgf/mm2を越え16.2kgf/mm2未満を△、14.3kgf/mm2以下を×として評価した。
2 パラジウム被覆層
3 ボイド
4 銅色に観察される部分
5 パラジウム色に観察される部分
Claims (2)
- リンを30質量ppm以上120質量ppm以下含有する銅芯材にパラジウムめっきを施した100%窒素雰囲気下でボール形成するためのボンディングワイヤであって、平均厚みが25nm以上85nm以下の前記パラジウム被覆層下の前記銅芯材界面近傍に存在するボイドの最大径が60nm以下で、かつ該被膜長さ1μm当りに存在する最大径が10nm以上のボイドの個数が平均0.6個以下であることを特徴とする膜厚0.6μm以下の電極膜用ボンディングワイヤ。
- 前記パラジウム被覆層下の前記銅芯材界面近傍に存在するボイドの最大径が10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の膜厚0.6μm以下の電極膜用ボンディングワイヤ。
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