JP5116101B2 - 半導体実装用ボンディングワイヤ及びその製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/48717—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
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Description

本発明は、半導体素子用の電極とリードフレーム、基板、テープ等の半導体用回路配線基板の配線とを接続するために利用される半導体実装用ボンディングワイヤに関する。
現在、半導体素子上のAlを主体とした電極と、リードフレーム、基板、テープ等の半導体用回路配線基板上の配線とを接続する半導体実装用ボンディングワイヤ（以下、ボンディングワイヤという）として、電気伝導性に優れた金属である純度４Ｎ（99.99質量%）の金から成る20〜50μm程度の線径の細線が主として使用されている。一般に、ボンディングワイヤの伸びと応力の関係は引張り試験と呼ばれる機械試験で評価することが多く、測定時においてボンディングワイヤが破断するまでの最大応力を引張り強さと呼び、最大伸びを破断伸びと呼ぶ。この時、破断伸びを大きくすると引張り強さは小さくなる傾向にあるのが一般的である。通常、ボンディングワイヤは、破断伸びを4%程度とすることが多く、例えば7%以上とすると半導体実装に利用できるような充分な強度が得られないと一般に言われている。また、引張り試験で得られる応力と伸びの関係図を引張り曲線と呼び、応力の小さい初期では材料は弾性変形し、さらに応力が大きくなって材料が塑性変形と呼ばれる永久変形を開始する点の応力は降伏応力と呼ばれる。
一般に、ボンディングワイヤと前記電極との接合にはボール接合と呼ばれる方式が、ボンディングワイヤと前記半導体用回路配線基板上の配線との接合にはウェッジ接合と呼ばれる方式が、それぞれ用いられることが多い。前記ボール接合では、ボンディングワイヤの先端にアーク入熱を与えることで該先端部を溶融させた後、表面張力を利用して溶融物を凝固させることでボンディングワイヤの先端に初期ボールと呼ばれる球を形成させ、この初期ボールと前記電極とを150〜300℃の範囲内で加熱しながら超音波を印加して圧着することで接合させる。一方、前述のウェッジ接合では、直接ボンディングワイヤを150〜300℃の範囲内で加熱しながら超音波を印加して圧着することで該配線上に接合させる。尚、前記ボール接合部はファースト接合（以下、1st接合という）部と、前記ウェッジ接合部はセカンド接合（以下、2nd接合という）部とそれぞれ呼ばれることが多い。近年、半導体の高密度化、小型化及び薄型化等のニーズを受けて、従来広く用いられてきたリードフレームから樹脂系半導体用回路配線基板（例：BGA：Ball Grid Array基板）を用いるケースが急増している。一般に、前記樹脂系基板を用いる場合は、従来のリードフレームよりも低い温度（リードフレーム：250℃程度。樹脂系：150℃程度）でボンディングワイヤをボンディングする必要がある。
また、ボンディングワイヤを電極や配線と接合させた後、熱硬化性のエポキシ樹脂を注入してから固体化する、いわゆる樹脂封止工程を経て、半導体素子はパッケージ化される。この時、注入中の樹脂によってボンディングワイヤが過剰に変形し、最悪のケースでは隣り合うボンディングワイヤ同士が接触してショートを招く、いわゆるワイヤ流れ不良が生じる危険性がある。この要因としては、ボンディングワイヤの機械強度が不足することが一般に挙げられており、ボンディングされたボンディングワイヤが封止前に隣り合うボンディングワイヤの方向に倒れこむ不良（リーニング不良）を抑制することが重要とされている。そこで、これらの対策としてボンディングワイヤに一定の強度を確保させることが一般的には重要と言われている。そのためにも、ボンディングワイヤは、強度が高くなるように、破断伸びを4%程度とすることが多い（特許文献１）。
更に、2nd接合部では接合強度不足に伴う剥離や断線といった不良が生じることがしばしばあり、この場合、2nd接合部の長期信頼性が不充分となってしまう。そのため、ボンディングワイヤには2nd接合部で充分な長期信頼性が確保できるような工夫が求められることが多い。
特開２００７−２７３３５号公報
今般の半導体実装品の高密度化、小型化及び薄型化等のニーズから、ボンディングワイヤの線径は25μm以下、さらには20μm以下というように細線化される傾向が強まっており、それに伴いボンディングワイヤの断面積が小さくなっている。一般に、ボンディングワイヤの引張り強さは単位面積あたりのボンディングワイヤの引張り強さに断面積を掛け算した値である。よって、単位面積あたりのボンディングワイヤの引張り強さに問題は無くとも、細線化に伴いボンディングワイヤの断面積が小さくなることによって、ボンディングワイヤにとって必要な引張り強さが確保しきれずに前記リーニング不良やワイヤ流れ不良等が生じるケースが増えており、問題視されている。この問題を解決するには単位面積あたりのボンディングワイヤの引張り強さを増加させれば良いことになる。上述のようにボンディングワイヤの破断伸びと引張り強さの関係から、ボンディングワイヤの破断伸びを小さくしてボンディングワイヤの引張り強さを増加させることも考えられるが、ボンディングワイヤの破断伸びが小さすぎるとワイヤーカールと呼ばれる巻き癖が発生し、配線できない。
特許文献１の図１〜３には、ボンディングワイヤの伸びが最大6.4%までの引張り強さが示されているが、ボンディングワイヤの引張り強さが、ボンディングワイヤの伸びが大きくなるとともに低下するので、上述のように通常はボンディングワイヤの引張り強さを確保するためにボンディングワイヤの伸びを4％程度とし、特に、特許文献１ではボンディングワイヤの伸びを2％前後としている。
そこで、ボンディングワイヤの引張り強さを増加させるには、添加元素を従来の含有量より高い含有量でボンディングワイヤ中に添加する手法が広く用いられている。しかしながら、ボンディングワイヤ中に充分に添加元素を添加させることでボンディングワイヤの引張り強さを充分に高めたにもかかわらず、リーニング不良が生じるケースが生じており、問題視されている。この傾向は従来の４Ｎ金ボンディングワイヤ全般で見られており、昨今、ボンディングワイヤの細線化の際に特に顕著な問題となってきている。
また、半導体実装品の高密度化、小型化及び薄型化等のニーズから前記BGA基板等を用いる場合は、BGA基板が比較的熱に弱いこともあり、低い接合温度を採用しなければならないのであるが、この際には、低温での接合ということから接合部の拡散が進行しにくくなることに起因して、2nd接合強度が低下する不良が生じてしまい、問題視されている。
このように、昨今の半導体実装品の高密度化という技術動向に伴い、リーニングや2nd接合強度不足等の不良が目立ちつつある。
本発明では、上述した従来技術の問題を解決して、半導体実装品の高密度化においても、前記リーニング不良、2nd接合強度不足等の不良を生じさせない半導体実装用ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本願発明者らが鋭意検討した結果、上記2nd接合強度にはボンディングワイヤの変形性のみならずボンディングワイヤと接合対象物との密着性も密接に関係しており、ボンディングワイヤを変形しやすくすること、すなわち、破断伸びを大きくすることで、2nd接合部の面積を増加させることに加えてボンディングワイヤと接合対象物との密着性を高めることによって、2nd接合強度を高めることができることを明らかとした。しかしながら、上述のように、破断伸びが大きくなると引張り強さが不足して上記リーニング不良を招くので、本願発明者らは、次のことを見出した。
前記リーニング不良には、従来考えられてきたようなボンディングワイヤの引張り強さではなく、ボンディングワイヤの降伏強度が密接に関係しており、例え引張り強さが大きくても降伏強度が引張り強さに対して低すぎると、比較的小さな応力下でも塑性変形が生じて前記リーニング不良が発生することが明らかとなった。それに対して、降伏強度が引張り強さと同程度に高ければ、比較的大きな応力が印加されても塑性変形は生じないので、ボンディングワイヤは永久変形せず、破断伸びが大きなボンディングワイヤでも前記リーニング不良を抑制できることを、本願発明者らは見出した。
本願発明者らがさらに検討した結果、本発明は、上記知見に基づくものであって、以下の構成を要旨とする。
本発明の請求項１に係るボンディングワイヤは、20質量%を超え90質量%以下のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物からなり、破断伸びが7〜20%であり、伸び1%における応力が引張り強さの90〜100%の範囲内であることを特徴とする。
本発明の請求項２に係るボンディングワイヤは、請求項１において、55〜75質量%のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物であることを特徴とする。
本発明の請求項３に係るボンディングワイヤは、請求項１において、20質量%を超え45質量%以下のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物であることを特徴とする。
本発明の請求項４に係るボンディングワイヤは、請求項１〜３のいずれかにおいて、更に、Cu、Pr、Ti及びVの中から選ばれる1種もしくは2種以上の元素の総量が2〜10,000質量ppmであることを特徴とする。
本発明の請求項５に係るボンディングワイヤは、請求項４において更に、Al、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、Pd、La及びPt中から選ばれる1種もしくは2種以上の元素の総量が2〜100,000質量ppmであることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る半導体素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤを用い、Al又はAl合金である配線電極と接続したことを特徴とする。
本発明の請求項７に係る半導体素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤを用い、半導体基板上の配線電極と、リード上のAgメッキ面又はPdメッキ面とを接続したことを特徴とする。
本発明の請求項８に係る10〜90質量%のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物からなり、破断伸びが7〜20%であり、伸び1%における応力が引張り強さの90〜100%の範囲内である半導体実装用ボンディングワイヤの製造方法は、伸線工程において、線径100μm以上の太さではダイスの減面率を10〜18%として伸線し、線径100μm未満の太さではダイスの減面率を6〜14%として伸線することを特徴とする。
本発明のボンディングワイヤによれば、2nd接合部の接合強度と、充分なボンディングワイヤの強度とが同時に確保できるので、前記リーニング不良、2nd接合強度不足等の不良を大きく低減できるという作用効果を奏する。更に、半導体実装品の高密度化において、前記作用効果が顕著となるものである。
本願発明者らは、破断伸びが7〜20%であれば、2nd接合強度に優れ、前述の低温ボンディングにおいても良好な2nd接合性が得られることを見出した。この効果は、2nd接合がボンディングワイヤを大加工することで得られるという状況に起因している。一般に、2nd接合部では、もともと線状であったボンディングワイヤを、ウェッジ接合部の言わば三日月状の形状に大きく変形させている。4%伸びを有するボンディングワイヤは4%に相当する変形量しか変形できず、それを上回る変形を試みると材料が破壊してしまうのに対して、破断伸びが7〜20%であれば、7〜20%に相当する変形が可能となる。そのため、4%程度の破断伸びではボンディングワイヤをウェッジ形状に変形する能力は必ずしも充分ではなく、例えば前述の低温接合のような過酷な接合時にはボンディングワイヤと接合対象物との間の密着性が充分には得られないと考えられる。具体的な例としては、特許文献１に記載されているような2%程度の破断伸びでは、ヤング率や剛性が高くリーニング不良が少なくなるかもしれないが、低温接合における高い密着性が得られない。しかしながら、本願発明のようにボンディングワイヤの破断伸びを7〜20%とすれば、ボンディングワイヤの前記変形能が向上するので、大変形時においてもボンディングワイヤと接合対象物との間の密着性が充分確保でき、その結果、低温接合であっても2nd接合強度が得られるものと思われる。好ましくは、前記ボンディングワイヤの破断伸びが9〜20%であれば、2nd接合部の密着性がより一層向上することで2nd接合強度のばらつきが小さくなるので良い。これらに対し、前述の破断伸びが7%未満であると、低温接合の際に2nd接合部の面積が不安定となってしまうことで、2nd接合強度のばらつきが大きくなる場合がある。また、破断伸びが20%を超えると、ボンディングワイヤの引張り強さが減少して樹脂封止時のワイヤ流れが過大となり好ましくない場合がある。
従来、上述のように破断伸びが大きくすると、引張り強さが不足して上記リーニング不良を招くと考えられていたが、リーニング不良には、従来考えられてきたようなボンディングワイヤの引張り強さではなく、ボンディングワイヤの降伏強度（すなわち、伸びの小さい領域における応力）が密接に関係していることが本願発明者らの研究によって明らかとなった。即ち、降伏強度が引張り強さに対して低すぎると、比較的小さな応力下でも塑性変形が生じてしまうことで前記リーニング不良が生じるのに対し（前記傾向は、破断伸びが大きいボンディングワイヤで特に顕著となる）、降伏強度が引張り強さと同程度に高ければ、比較的大きな応力が印加されても塑性変形は生じないので、ボンディングワイヤは永久変形せず、前記リーニング不良を抑制できる。前記技術思想に基づき、本願発明者らがさらに検討を進めたところ、具体的には、伸び1%における応力が引張り強さ（ボンディングワイヤが破断するまでの最大応力）の90%以上100%以下の範囲内であれば、リーニング不良を抑制できることを見出した。つまり、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上であれば、比較的大きな応力が印加されても塑性変形は生じないので、ボンディングワイヤを通常使用する条件の下では前記リーニング不良を抑制する効果が著しくなる。それに対して、伸び1%における応力が引張り強さの90%を下回ると、引張り強さが高くても降伏強度が小さいために、比較的小さな応力下でも塑性変形が生じるので前記リーニング不良が発生する。例えば、従来の４Ｎ-AuボンディングワイヤやAu合金ボンディングワイヤでは、添加元素等を充分に前記ボンディングワイヤに添加することで前記ボンディングワイヤの引張り強さを充分に高められるが、伸び1%における応力が引張り強さの70%程度にとどまっているために、リーニング不良が発生するのである。一方、伸び1%における応力が引張り強さを上回ることは原理的に有り得ないので、伸び1%における応力の上限値は引張り強さの100%となる。すなわち、伸び1%域では弾性変形範囲或いは弾性変形の最大値（降伏点）であるので、引張り強さが高くなって塑性変形や延性を起こさずに弾性変形域でボンディングワイヤが破断したとしても伸び1%における応力は引張り強さ以下である。伸び1%でボンディングワイヤが破断したときに、伸び1%における応力と引張り強さが等しくなり、伸び1%における応力が引張り強さの100%となる。
図１に、本願発明のボンディングワイヤの引張り曲線の一例（図中Ａ）、並びに、４Ｎ-AuボンディングワイヤやAu合金ボンディングワイヤの引張り曲線の一例（図中Ｂ）を、それぞれ模式的に示す。図１にあるように、本願発明のボンディングワイヤの引張り曲線Ａでは伸び1%における応力が引張り強さの90%以上であり、本発明のボンディングワイヤの特徴的な引張り曲線となる。それに対し、４Ｎ-AuボンディングワイヤやAu合金ボンディングワイヤの引張り曲線Ｂでは、図１にあるように、引張り強さが本願発明のボンディングワイヤと同程度であっても、伸び1%での応力が引張り強さの70%程度と小さくなる。
また、本願発明のボンディングワイヤのように、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上であると、伸び1%から、7〜10%の破断伸びまでの領域はおおむね水平な直線で近似でき、破断時の応力が最大応力、即ち引張り強さとなることが通例である。従って、より好ましくは、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上100%以下の範囲内にあるボンディングワイヤであり、かつ、ボンディングワイヤの引張り強さをσM[MPa]、ボンディングワイヤの破断伸びをEL[%]とした時、引張り曲線における伸び1%から破断伸びまでの領域の任意の２点間における傾きSが、0（水平）≦S≦(0.1×σM)/（EL−1）の範囲であると、安定して前記効果が得られるので更に良い。最も好ましくは、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上100%以下の範囲内にあるボンディングワイヤであり、かつ、引張り曲線における0.2%耐力（試験片に0.2％の歪を与えた際の応力で、一定の塑性歪みが生じる応力）が引張り強さの80%以上100%以下を満足すると、前述の効果に加えてループの直進性が向上するという効果も合わせて得られる。例えば、5mm以上というような長尺スパンのボンディングを行う場合でも安定したループ制御ができるという良好な効果も得られる。一般に、ループには各種の応力が印加されることになるが、この中のループに垂直な成分が過度であると、ループが塑性変形し、ループの直進性が損なわれてしまう。これを防ぐには、降伏点が前記垂直成分を上回れば良い。つまり、前述のループの直進性が向上するという効果は、ボンディングワイヤの降伏応力が従来のボンディングワイヤよりも高いことにより得られると考えられる。
以上のように、ボンディングワイヤの破断伸びが7〜20%で、伸び1%での応力が引張り強さの90%以上100%以下の範囲内にあるボンディングワイヤであれば、リーニング不良やワイヤ流れ不良等の抑制並びに低温接合であっても高い2nd接合強度が確保できるので良い。
さらに前記効果に加えて、本発明のボンディングワイヤによれば、スプリング不良を抑制する効果も合わせて得られる。例えば、昨今増加しつつある、2nd接合用電極にボール接合をし、1st接合用電極にウェッジ接合を行うことでループ高さを抑制してチップの薄型化に寄与する、いわゆる逆打ちボンディング時であってもスプリング不良を抑制できるので更に良い。
このような逆打ちボンディングでは、まず1st接合用電極にボール接合を行い、接合したボール直上のボンディングワイヤを切断し、その後2nd接合用電極にボール接合をし、最後に先ほど作製した1st接合用電極上のボールに対してウェッジ接合を行う。前記スプリング不良とは、1st接合用電極にボール接合した後でボール直上のボンディングワイヤを切断する際に、ボンディングワイヤに大きな衝撃が加えられることで、ボンディングワイヤがばね状（スプリング状）に塑性変形することで生じる不良である。本願発明者らが鋭意検討した結果、このスプリング不良を抑制するためには、衝撃が加わった際に塑性変形させにくくするための高い引張り強さと、衝撃を吸収させるための高延性（すなわち、大きな破断伸び）との、両者を同時にボンディングワイヤに与える必要があることが判明した。つまり、ボンディングワイヤの破断伸びが7〜20%であれば高い2nd接合強度が確保という効果が得られ、また、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上100%以下の範囲内である場合はリーニング不良やワイヤ流れ不良等の抑制という効果が得られる。しかし、ボンディングワイヤの破断伸びが7〜20%で、伸び1%における応力が引張り強さの90%以上100%以下の範囲内にすれば、前記両効果に加えて、さらにスプリング不良の抑制という効果が得られるので良い。
通常の製造方法では本願発明のボンディングワイヤを製造することは難しく、特殊な製法が要求される。例えば、インゴットを鋳造時に急冷と加熱を3回以上繰り返すことで、材料の組織を微細化することが効果的である。なぜなら、一般に、微細化された組織は高強度のみならず高延性を示すことが広く知られているからである。好ましくは、伸線中に使用する各ダイスの減面率を15%以上というように大きくすることも有効である。なぜなら、高い減面率によってダイスを通過するごとにボンディングワイヤに大変形が与えられ、それによって組織がより一層微細化するからである。その反面、このような製造方法ではボンディングワイヤの加工に無理が生じやすく、最悪の場合にはボンディングワイヤの断線が多発することになる。それを避けるため、ボンディングワイヤを工業的に量産する上では好ましくないものの、伸線速度は可能な限り遅くし、例えば2〜5m/min程度とすることが重要である。
本願発明のボンディングワイヤの組成としては特に制限は無いが、本願発明者らが鋭意検討した結果、10〜90質量%のAgを含有し、残部をAu及びそれらの不可避不純物とするボンディングワイヤであれば、ボンディングワイヤの破断伸びが7〜20%で伸び1%における応力を引張り強さの90%以上100%以下にすることが、速い伸線速度下でも安定してできることを見出した。つまり、工業的に安定して製品を製作することを考えても、前記成分系が望ましい。これは、該組成のAu-AgボンディングワイヤではAuの示す<111>方向と線方向とが並行となる集合組織とAgの示す<100>方向と線方向とが並行となる集合組織の両者が相乗的に作用することで、Auの集合組織が高い強度を担い、Agの集合組織が高い延性を示すことによるものと予想される。
それに対して、前記Ag含有量が10質量%未満である場合、あるいは従来の4N-AuやAu合金ボンディングワイヤでは、Auの集合組織のみが発達してしまうあるいは優勢となってしまうことにより、強度は高められても伸びを大きくすることは極めて困難である。例えば破断伸びを7%以上という高い値にした際に、前述のような製造方法を取らない限りは引張り曲線における1%から破断伸びまでの範囲内の強度が引張り強さの90%を下回ってしまう場合が多い。
一方、前記Ag含有量が90質量%を超えると、ボンディングワイヤの主たる構成元素がAgとなることで、ボンディングワイヤの表面が硫化あるいは酸化されてしまうことで充分な2nd接合強度が確保されないことがあるので好ましくない場合がある。
従って、ボンディングワイヤの破断伸びを7〜20%の範囲とし、さらに10〜90質量%のAgを含有させ、残部をAu及びそれらの不可避不純物とすれば、2nd接合強度が充分に確保され、樹脂封止時にワイヤ流れ不良が生じることも無く、前記課題を解決できる。その上、ボンディングワイヤの表面が硫化あるいは酸化されることも少ない。
前記組成のボンディングワイヤを製造するためには、まず高純度のAu並びに高純度のAgを出発原料として秤量した後、これら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、溶解し、インゴットを得て、それを最終的な芯材の直径まで金属製のダイスを用いて伸線する方法が利用できる。この方法では製造や品質管理等が簡便である。
しかしながら、本願発明に基づく該組成のAu-Agボンディングワイヤを伸線すると、従来の高純度Auのみから成るボンディングワイヤとは異なり、ボンディングワイヤの線方向におけるAuとAgの組成のばらつき及び組織の不均一な分布の両者が生じやすい。そこで、該ボンディングワイヤを伸線する際には、従来とは異なる手法を用いる必要がある。例えば、線径100μm以上の太さでは前記ダイスの減面率を10〜18%程度として伸線し、線径100μm未満の太さにおける伸線時は前記減面率を6〜14%程度とする必要がある。これは、線径100μm以上の太さではさほど断線の心配はないので可能な限り大きな減面率を用いて材料の組織を微細化させてしまい、線径100μm未満の太さでは断線のリスクが高まるので、それよりも小さな減面率とするという考え方に基づく。より好ましくは、前記溶解時に可能な限り均質なAu-Ag合金を得た方が伸線によって生じる組成ばらつきを抑制し易くなることから、溶解中に溶解炉中を攪拌すると良い。
攪拌する手法としては、例えばタングステンのような高融点金属を材料としたファンを炉内に設置し、それを炉外に設置したモーターと接続して回転させる手法や、炉内にスターラーと呼ばれる磁性を有する攪拌子を挿入し、外部から周期的な磁場を印加する手法等が利用できる。また、溶解炉中の原料の重量が例えば50kg以上と多量である場合は前記攪拌法のみでは不充分であり、その場合は、アルゴンや窒素等の不活性ガスを溶解した原料の下部から噴出させることで、原料に対流を与え、それによって攪拌する手法が利用できる。但し、不活性ガス中に1,000ppm以上の酸素が混入すると、原料が酸化してしまうので不活性ガスの純度の管理は極めて重要である。
伸線後はボンディングワイヤを熱処理する工程が必要となる。この工程では、炉内の温度を一定とした電気炉中を一定の速度でボンディングワイヤを連続的に掃引する方法が利用できる。ここで、Au-AgボンディングワイヤはAgが主たる構成元素として配合されていることもあり、酸化あるいは硫化されやすいので、炉内の雰囲気は窒素やAr等の不活性雰囲気とすることで、ボンディングワイヤの酸化と硫化を防止する必要がある。この目的のためには、従来の高純度Auのみから成るボンディングワイヤとは異なり、不活性雰囲気中に含有される酸素濃度および硫黄濃度をいずれも1,000ppm以下とする必要がある。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1,000ppm混入させると、ボンディングワイヤの酸化と硫化を防止する効果が高まるので良い。最も好ましくは、酸素や硫黄等の不純物ガスが装置外部から持ち込まれることを可能な限り避けるため、雰囲気炉の外側にさらにもう1層の第二の雰囲気炉を設置すると、例え第二の雰囲気路中に外部から不純物ガスが微量混入したとしても、第二の雰囲気炉中の還元ガスが該不純物ガスを中和してくれるので、これら不純物ガスは第一の雰囲気炉には到達できなくなるので良い。また、炉内の適切な温度はボンディングワイヤの組成やボンディングワイヤを掃引する速度によっても異なるが、おおむね200℃から700℃の範囲とすると、安定した品質のボンディングワイヤが得られるので良い。この時、炉内の温度にむらができると前述のボンディングワイヤの線方向における組成のばらつきが生じやすくなるので、炉内の温度は目的温度値の前後５℃以内の範囲を維持するというように、従来の高純度Auのみから成るボンディングワイヤ以上に精密に管理することが、本願発明のボンディングワイヤを製造する上では重要である。より好ましくは、炉の両端に断熱材を設置しておくと、炉の両端から外部に熱が逃げにくくなることで炉中の温度が安定し易くなるので良い。
本願発明者らがさらに鋭意検討したところ、前記Ag含有量を55〜90質量%とすれば、ボンディングワイヤの電気抵抗率が低下するので、高速応答性を要求するデバイスへボンディングワイヤを適用する際に適する。また、この範囲のAg含有量であれば、Auを相当量削減できるので、高騰化するAuの材料費を抑制できる効果も、併せて得られる。また、Ag濃度を10〜75質量%とすると、ボンディングワイヤの耐酸化性や耐硫化性が更に高まるので、例えばボンディングワイヤを大気中で数ヶ月保管した際や、ボンディングワイヤを高温下で保管した場合であっても、ボンディングワイヤの表面が硫化あるいは酸化されにくいので良い。従って、Ag含有量を55〜75質量%とすれば、ボンディングワイヤの電気抵抗率を低下でき、Auの材料費を抑制できる上、更に、前述のボンディングワイヤの耐酸化性や耐硫化性が更に高まる効果も併せて得られるので非常に良い。
本願発明者らがさらに鋭意検討したところ、前記Ag含有量を15〜45質量%とすれば、1st接合部における長期信頼性が向上することが見出された。これは、前記Ag含有量を該範囲とすれば、1st接合部の接合界面におけるAu、Ag、及びAl（電極の構成元素）の相互拡散によって生じる空孔の発生と堆積が抑制されることで、ボイドの発生が抑制できることによる。より好ましくは、前記Ag含有量が20質量％を越え40質量%以下とすれば、ボイドの発生がさらに抑制されることで、1st接合部における長期信頼性がさらに向上するので良い。この場合、例えば昨今増加しつつあるAl-Cuを主体とした1st接合電極においても、Au、Ag、Alの相互拡散が充分確保でき、良好な長期信頼性が得られるので良い。
さらに、該ボンディングワイヤにCu、Pr、Ti又はVの内の1種もしくは2種以上を総計で2〜10,000質量ppm含有させれば、初期ボールの組織が微細化するので、1st接合部の真円性が増す。その結果、例えば、電極間間隔（パッドピッチ）が70μm以下と狭ピッチ（狭電極間隔）化されても、隣り合う接合部間でショート不良を回避できるので良い。この場合、例えば、複数の半導体チップが積層され、ボンディングされたボンディングワイヤが複雑に配置されることで、ショート不良の回避が厳しく管理されているようなスタックド構造の半導体デバイスにおいても、ショート不良を回避できるので良い。前記元素の組成が2質量ppm未満であると、上記の高い効果は得られない場合がある。また、前記元素の組成が10,000質量ppmを超えると、添加元素がボンディングワイヤの表面に偏析することでボンディングワイヤの表面が硫化あるいは酸化する危険性が増して好ましくない場合がある。
さらに、Al、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、Pd、La又はPtの内の1種もしくは2種以上を総計で2〜100,000質量ppm含有させれば、初期ボールの組織がさらに微細化するので、1st接合部の接合強度が増加する。その結果、例えば、初期ボール径が50μm以下と小ボール化されても、良好な接合に必要な接合強度を確保できるので良い。この場合、昨今増加している狭ピッチボンディング時において接合強度を確保する際、特に効果的である。しかしながら、前記元素の組成が2質量ppm未満であると、上記の高い効果は得られない場合がある。また、前記元素の組成が100,000質量ppmを超えると、添加元素がボンディングワイヤの表面に偏析することでボンディングワイヤの表面が硫化あるいは酸化する危険性が増して好ましくない場合がある。
ボンディングワイヤの成分含有量を分析する手法については、ボンディングワイヤの表面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、ボンディングワイヤの断面での線分析又は点分析等が有効である。前者の掘り下げながら測定する手法は、ボンディングワイヤが太くなると測定時間が掛かり過ぎる。後者の断面での分析は、断面全体での濃度分布や数箇所での再現性の確認等が比較的容易である点が利点である。ボンディングワイヤの断面では線分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上させたい場合には、線分析での分析間隔を狭くしたり、特に詳細に分析したい領域を拡大した上で点分析を行うことも有効である。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。また、平均的な組成の調査には、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も可能である。
本発明のボンディングワイヤは、Al又はAl合金である配線電極と接続するために好適に使用され、信頼性の高い半導体素子とすることができる。また、本発明の半導体実装用ボンディングワイヤは、半導体基板上の配線電極と、リード上の銀メッキ面又はPdメッキ面とを接続するために好適に使用され、信頼性の高い半導体素子とすることができる。さらに、本発明の半導体実装用ボンディングワイヤは、半導体用リードフレーム上もしくはBGA基板上に設置されたシリコンチップ上のAlもしくはAlを主体とする合金から成る配線電極と、前記リードフレーム上のリード上の銀メッキ面若しくはPdメッキ面、又は前記BGA基板上の金若しくは銅から成るランドとの間を接続するためにより好適に使用され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
以下、実施例について説明する。
ボンディングワイヤの原材料として、純度が99.99質量%以上という高純度のAu及び各添加元素をそれぞれ用意した。予め組成を調整してからAr雰囲気中で溶解し、その後鋳造することで、直径約10mmのAu合金インゴットを得た。その後、鍛造、圧延、伸線を行って所定の直径25μmの細線を作製し、最後に380〜420℃に維持された電気炉中でAr雰囲気下で熱処理を行うことでAuボンディングワイヤを得た。尚、インゴットを鋳造時に水冷（急冷）と加熱とを3回繰り返した。さらに、伸線中に使用する各ダイスの減面率は18%以上と大きくした。そして、ボンディングワイヤの断線を避けるため、伸線速度は2m/minとした（表１の「ワイヤの製造方法」の欄に「○」で示す）。この比較例として、通常の製法でボンディングワイヤを作製しておいた。この場合には、上述のインゴット鋳造時の急冷と加熱の繰り返しはせず、ダイスの減面率は8%と通常程度とし、さらに伸線速度は25m/minと通常程度とした（表１の「ワイヤの製造方法」の欄に「×」で示す）。こうして作製したAuボンディングワイヤに関する各種データを実施例として表1にまとめて示す。
上記にAuボンディングワイヤに加えて、Au-Agボンディングワイヤも作成した。その原材料として、純度が99.99質量%以上という高純度のAu、Ag及び各添加元素をそれぞれ用意した。予め組成を調整してからAr雰囲気中で溶解し、その後鋳造することで、直径約10mmのAu-Ag合金インゴットを得た。その後、鍛造、圧延、伸線を行って所定の直径25μmの細線を作製し、最後に398〜402℃に維持された電気炉中でAr雰囲気下（酸素濃度は100ppm程度）で熱処理を行うことでAu-Agボンディングワイヤを得た。尚、伸線時も熱処理時も、ボンディングワイヤの掃引速度は25m/minとし、伸線時のダイスの減面率は線径100μm以上の太さでは14%程度として伸線し、線径100μm未満の太さでは8%程度とした。こうして作製したAu-Agボンディングワイヤに関する各種データを実施例として表2〜6にまとめて示す。
上記のボンディングワイヤを作製する際には、製造の工程で断線等のトラブルが一部で生じた。そこで、製造歩留まりを示す指標として、100m伸線する間に生じた断線回数（製造歩留まり＝１００×（断線したボンディングワイヤ数／伸線したボンディングワイヤ数））を表1〜6の「製造歩留まり／％」の欄に記載した。
得られた該ボンディングワイヤを構成する元素の含有量は、表面部から段階的に酸でボンディングワイヤを溶解していき、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ことで得た。これらの値の内の不可避不純物以外の組成を表1〜6の「微量添加元素／質量ppm」の欄に記載した。
ボンディングワイヤの表面を光学顕微鏡及びSEM（走査型電子顕微鏡、Scanning Electron Microscope）を用いて観察し、硫化もしくは酸化のいずれかが認められたら×印を、いずれも認められなければ○印を表2〜6の「ワイヤ表面の硫化、酸化」の欄にそれぞれ記載した。更に、ボンディングワイヤの耐酸化性並びに耐硫化性を加速して評価するため、ボンディングワイヤを150℃に保持された電気炉（炉中の雰囲気は大気）中に24時間放置した後、ボンディングワイヤの表面を光学顕微鏡及びSEMを用いて観察し、硫化も酸化もいずれも認められなければ◎印を表2〜6の「ワイヤ表面の硫化、酸化」の欄にそれぞれ記載した。
ボンディングワイヤの機械特性は、市販の引張り試験機を用いて測定した。その結果、得られたボンディングワイヤの破断伸びを、表1〜6に記載した。ここで、ボンディングワイヤの伸びと応力の関係を引張り曲線図として記録し、伸びが1%での応力と引張り強さを当図から読み取り、伸び1%での応力の引張り強さに対する比率を、表1〜6に記載した。
また、ボンディングワイヤの引張り強さをσM[MPa]、ボンディングワイヤの破断伸びをEL[%]とした時、引張り曲線における伸び1%から破断伸びまでの領域の任意の２点間における傾きSが、常に0（水平）≦S≦(0.1×σM)/（EL−1）を満足していれば○印を、常には満足しなければ×印を表1〜6の「伸び1%から破断伸びまでの領域の任意の２点間における傾き」の欄にそれぞれ記載した。
さらに、ボンディングワイヤの降伏強度として0.2%耐力を当図から見積もり、0.2%耐力の引張り強さに対する比率が80%以上100%以下であれば○印を、80%を下回れば×印を表1〜6の「0.2%耐力の引張り強さに対する比」の欄に記載した。
ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤーボンダーを使用した。ボンディングワイヤ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Agメッキされたリードフレームのリードをそれぞれ用いた。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の先端に直径46μmの初期ボールを作製した。作製した初期ボールを250℃（低温接合時は150℃）に加熱した前記電極とボール接合した後、該ボンディングワイヤの母線部を250℃（低温接合時は150℃）に加熱した前記リードとウェッジ接合し、再び初期ボールを作製することで、連続的にボンディングを繰り返した。ループ長が5mmとなるようにボンディングした。接合時の温度を表1〜6に記載した。
ウェッジ接合部のいわゆる2nd接合強度は、市販のピール試験機で行った。各条件とも20本のピール試験を行い、その時の接合強度の平均値が100mN以上であれば極めて良好な2nd接合強度が確保されたとして◎印を、80mN以上100mN未満であれば良好な2nd接合強度が確保されたとして○印を、60mN以上80mN未満であれば実用上充分なレベルの2nd接合強度が確保されたとして△印を、60mN未満であれば2nd接合強度が不充分であったとして×印を、表1〜6の「2nd接合強度」の欄にそれぞれ記載した。
さらに、2nd接合強度のばらつきもあわせて算出し、最大値と最小値の差が10mN未満であればばらつきが極めて抑制されているとして◎印を、10mN以上20mN未満であればばらつきが抑制されているとして○印を、20mN以上40mN未満であれば実用上充分なレベルとみなして△印を、40mN以上であればばらつきの抑制が不充分であったとして×印を、表1〜6の「2nd接合強度のばらつき」の欄にそれぞれ記載した。
ボンディングワイヤのリーニング不良の程度を測定するため、上記で作製したボンディング済みのサンプルにおいて、各1st接合部上における接合面に対する垂線に対するループのずれ、即ちリーニング量を光学顕微鏡装置を用いて各試料とも500本観察し、リーニング量の平均値が30μm以上であれば不良と判断して×印で、20μm以上30μm未満であれば実用上は問題ないとして○印で、20μm未満であれば極めて良好であるため◎印で、表1〜6の「リーニング不良の抑制」の欄にそれぞれ表記した。
ループの直進性の程度を測定するため、上記で作製したボンディング済みのサンプルを各試料とも光学顕微鏡でＺ方向から50本観察し、1stボンディング点と2ndボンディング点とを結ぶ直線とループとが成す最大乖離距離を測定した。その乖離量の平均値が30μm以上であれば不良と判断して×印で、20μm以上30μm未満であれば実用上は問題ないとして○印で、20μm未満であれば極めて良好であるため◎印で表1の「ループの直進性」の欄に表記した。
ボンディングワイヤのスプリング不良の程度を測定するため、上記で作製したボンディング済みのサンプルを光学顕微鏡で各試料とも500本観察し、ループにスプリング状の曲がり、即ちスプリング不良が1本でもあれば不良と判断して×印で、1本も無ければ問題ないとして○印で表1〜6の「スプリング不良の有無」の欄にそれぞれ表記した。
初期ボールと電極との1st接合強度については、電極の2μm上方で冶具を電極表面と平行に移動させることで該1st接合部のせん断破談強度を読み取る、いわゆるシェア強度測定法で、40本の破断荷重(シェア強度)を測定した。シェア強度の平均値が250mN以上であれば極めて良好な1st接合強度が確保されたとして◎印を、200mN以上250mN未満であれば実用上充分なレベルの1st接合強度が確保されたとして○印を、200mN未満であれば1st接合強度が不充分であったとして×印を、表2〜6の「1st接合強度」の欄にそれぞれ記載した。
ボンディングワイヤの電気抵抗率を測定するため、上記で作製したボンディングワイヤを10cm長さに切断し、四端子法によって電位降下の程度を評価した。その結果算出された電気抵抗率が、9μΩ・cm以下であれば極めて良好な電気抵抗率が確保されたとして◎印を、9μΩ・cmを超えるものの12μΩ・cm以下であれば良好な電気抵抗率が確保されたとして○印を、12μΩ・cmを超えた場合は電気抵抗率が不十分として×印を、表2及び表3の「電気抵抗率」の欄にそれぞれ記載した。
また、初期ボールと電極との接合部における長期信頼性を測定するため、上記試験片を175℃の電気炉に1000h放置し、その後、前記シェア強度測定法で、40本の該接合部におけるシェア強度を測定した。シェア強度の平均値が300mN以上であれば極めて良好な信頼性が確保されたとして◎印を、250mN以上300mN未満であれば良好な信頼性が確保されたとして○印を、200mN以上250mN未満であれば実用上充分なレベルの信頼性が確保されたとして○印を、200mN未満であれば信頼性が不充分であったとして×印を、表2〜6の「1st接合部の信頼性」の欄にそれぞれ記載した。
さらに、1st接合部の真円性を測定するため、工場顕微鏡を用いて該接合部の形状を評価した。この時、Ｘ方向の値とＹ方向の値との差が2μm未満であればばらつきが極めて抑制されているとして◎印を、2μm以上4μm未満であれば実用上充分なレベルとみなして△印を、4μm以上であればばらつきの抑制が不充分であったとして×印を、表2〜6の「1st接合部の真円性」の欄にそれぞれ記載した。
請求項１に係るボンディングワイヤは実施例1〜138であり、請求項２に係るボンディングワイヤは実施例5〜84であり、請求項３に係るボンディングワイヤは実施例45〜59であり、請求項４に係るボンディングワイヤは実施例60〜84であり、請求項５に係るボンディングワイヤは実施例85〜101であり、請求項６に係るボンディングワイヤは実施例102〜138である。ここで、それぞれの請求項の代表例について、評価結果の一部を説明する。
実施例1〜4のボンディングワイヤでは、本発明に係る、ボンディングワイヤの破断伸びと伸び1%での応力の引張り強さに対する比の範囲が適切であったことにより、2nd接合強度が充分確保され、リーニング不良が抑制され、さらにスプリング不良が抑制されたことが確認された。特に、実施例3及び4のボンディングワイヤでは、本発明に係わる、0.2%耐力の引張り強さに対する比が適切な範囲であったことにより、ループの直進性が極めて良好であった。また、実施例4は、10%のAgが含有され、製造歩留まりが向上した。一方、比較例1〜4で示すボンディングワイヤでは、ボンディングワイヤの破断伸びと伸び1%での応力の引張り強さに対する比が小さかったことから、リーニング不良やスプリング不良が生じた。また、比較例3及び4では、Agが含有されているものの、従来の製造方法であるので高い製造歩留とならなかった。また、比較例4では、破断伸びが21%と高いため、ループの直進性が劣悪であった。
Figure 0005116101
実施例5〜84のボンディングワイヤでは、本発明に係る、伸び1%での応力の引張り強さに対する比の範囲とボンディングワイヤの破断伸びの範囲が適切であることに加えて、AuとAgの合金の組成が適切であったことにより、リーニング不良も生じず、150℃という低温接合であっても2nd接合強度が充分に確保され、スプリング不良も抑制され、さらにボンディングワイヤの表面が硫化されなかったことが確認された。一方、比較例5で示すボンディングワイヤでは伸び1%での応力が小さかったことから、リーニング不良が生じた。比較例6で示すボンディングワイヤでは、伸び1%での応力の引張り強さに対する比の範囲が適切であったにもかかわらずボンディングワイヤの破断伸びが6%と小さかったことから、2nd接合強度が不充分であった。
Figure 0005116101
実施例45〜59のボンディングワイヤでは、本発明に係る、Ag含有量の最適化が行われていたことにより、ワイヤ表面の酸化や硫化が極めて良好に抑制された上、電気抵抗率が極めて良好であった。
Figure 0005116101
実施例60〜84のボンディングワイヤでは、本発明に係る、Ag含有量の最適化が行われていたことにより、1st接合部の信頼性が実用上充分なレベルを確保できた。実施例70〜84のボンディングワイヤでは、本発明に係る、Ag含有量のさらなる最適化、すなわちAg含有量が20質量％を越え40質量%以下としたことにより、極めて良好な1st接合部の信頼性が確保された。
Figure 0005116101
実施例85〜101のボンディングワイヤでは、本発明に係わる、添加元素の適切な添加が行われていたことにより、1st接合部の真円性が極めて良好であった。一方、比較例7〜10で示すボンディングワイヤでは、添加元素の含有量が過剰であったため、ボンディングワイヤの表面が硫化した。
Figure 0005116101
実施例102〜138のボンディングワイヤでは、本発明に係る、添加元素の適切な添加が行われていたことにより、1st接合強度が極めて良好であった。一方、比較例11〜14で示すボンディングワイヤでは、添加元素の含有量が過剰であったため、ボンディングワイヤの表面が硫化した。
Figure 0005116101
本願発明のボンディングワイヤの引張り曲線の一例（図中Ａ）、並びに、従来の４Ｎ-AuボンディングワイヤやAu合金ボンディングワイヤ等の引張り曲線の一例（図中Ｂ）を模式的に示すグラフである。

Claims (8)

  1. 20質量%を超え90質量%以下のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物からなり、破断伸びが7〜20%であり、伸び1%における応力が引張り強さの90〜100%の範囲内であることを特徴とする半導体実装用ボンディングワイヤ。
  2. 55〜75質量%のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  3. 20質量%を超え45質量%以下のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  4. 更に、Cu、Pr、Ti及びVの中から選ばれる1種もしくは2種以上の元素の総量が2〜10,000質量ppmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  5. 更に、Al、Co、Fe、Ge、Mn、Ca、Be、In、Hf、Pd、La及びPt中から選ばれる1種もしくは2種以上の元素の総量が2〜100,000質量ppmであることを特徴とする請求項４記載の半導体実装用ボンディングワイヤ。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤを用い、Al又はAl合金である配線電極と接続したことを特徴とする半導体素子。
  7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体実装用ボンディングワイヤを用い、半導体基板上の配線電極と、リード上のAgメッキ面又はPdメッキ面とを接続したことを特徴とする半導体素子。
  8. 伸線工程において、線径100μm以上の太さではダイスの減面率を10〜18%として伸線し、線径100μm未満の太さではダイスの減面率を6〜14%として伸線することを特徴とする、10〜90質量%のAgを含有し、残部がAu、Auの不可避不純物及びAgの不可避不純物からなり、破断伸びが7〜20%であり、伸び1%における応力が引張り強さの90〜100%の範囲内である半導体実装用ボンディングワイヤの製造方法。
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