JP5399581B1 - 高速信号用ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ボンディングワイヤの表面に不安定な硫化銀層を形成しても、強固な硫化銀(AgS)膜が無く、安定した数ギガHz帯等の超高周波信号を送ることができるAg−Pd−Au基合金の高速信号線用ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
【解決手段】 パラジウム(Pd)を2.5〜4.0質量%、金(Au)を1.5〜2.5質量%および残部が純度99.99質量%以上の銀(Ag)からなる三元合金であって、そのボンディングワイヤの断面は表皮膜と芯材とからなり、そのボンディングワイヤの断面は表皮膜と芯材とからなり、その表皮膜は、連続鋳造後に縮径された連鋳面と表面偏析層とからなり、その表面偏析層は、芯材よりも銀(Ag)の含有量が漸増し、かつ、金(Au)の含有量が漸減している合金領域からなることを特徴とする高速信号線用ボンディングワイヤである。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とを接続する高速信号線用ボンディングワイヤに関し、特に1〜15ギガHzの周波数を用いる高速信号線用ボンディングワイヤに関する。

近年、半導体装置の製造技術の発展に伴い、数ギガHz帯を超える超高周波を用いる高速信号線用の半導体集積回路装置を携帯電話機等に組み込むことが増えてきた。高周波伝送には、従来から純度99.99質量%以上の高純度金ボンディングワイヤが一般的に使用されてきた。しかし、数ギガないし十数ギガHz帯に通常のボンディングワイヤを使用して超高周波を用いる高速・超高速信号線用の半導体素子と配線電極等を接続すると、超高周波信号がボンディングワイヤの表皮層を流れるので、超高周波信号による高周波抵抗が一段と大きくなる。よって、高純度金ボンディングワイヤを用いたのでは、受信感度や送信出力等を低下させる原因となる。

このため電気比抵抗値が高純度金(Au)の2.4μΩcmに対し、電気比抵抗値が1.6μΩcmの純度99.99%の高純度銀(Ag)などのワイヤが検討された。しかし、溶解・鋳造後洗浄してから連続伸線を経てボンディングワイヤが製造される過程において、バルクの高純度銀(Ag)ワイヤは軟らかすぎて実用化に適さない。また、大気中で銀(Ag)が硫化してボンディングワイヤの表皮層に硫化銀(AgS)膜が形成され、溶融ボールを硬くしてしまうので、フリー・エアー・ボール(FAB)によるボールボンディング特性を損なってしまうという欠点がある。よって、純銀ボンディングワイヤが直接数μmの表皮層を流れる高周波伝送用に使用されることはなく、特開昭57−21830号公報でAg−Pd合金ワイヤが提案されたものの、特開2003−59963号公報(後述する特許文献1)に見られるように、純金メッキをした純銀ボンディングワイヤが実用化されているにすぎなかった。このように、純銀ボンディングワイヤが実用化されなかったのは、超高周波を用いる高速信号線として用いる以前に、安定した溶融ボールを形成することができなかったからである。すなわち、フリー・エアー・ボール(FAB)によるボールボンディングに用いようとして溶融ボールを形成したとき、ワイヤ表面に形成された強固な硫化銀(AgS)が溶融ボールを硬くするため、第一ボンディングにおいてチップ割れ等を生じていた。

他方、電気伝導性の高いAgの電気比抵抗を利用することを目的として、現在広く使用されている純度99%のAuワイヤ並の3.1μΩcm以下とさほど低下させることなく、Agに10000〜55000質量ppm(1〜5.5質量%)のAuおよび1〜100質量ppmのBiを添加するAg−Au二元系合金のボンディングワイヤが開発され、さらに、このワイヤにPdを20000質量ppm以下添加したAg−Au−Pd三元系合金のボンディングワイヤも開発されている(特開2012−49198号公報(後述する特許文献2))。ここで、Pdの添加量を20000質量ppm(2質量%)以下とするのは、「20000質量ppmを超えて添加するとボールの硬度が高くなってボールボンディング時のパッドダメージが発生する(同公報0021段落参照)」からであるとされる。

また、Ca、Cu、Gd、Smから選ばれる2種以上の元素を合計で5〜500重量ppm含み、Pd、Auから選ばれる1種以上の元素を合計で0.5〜5.0重量%含んで、それ以外がAg及び不可避不純物からなることを特徴とするボールボンディング用ワイヤ(特開2012−151350号公報(後述する特許文献3))も開示されている。しかしながら、このボンディングワイヤは、半導体素子のNi/Pd/Au被覆された電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するためのボンディング用ワイヤ(W)であって、Al合金(Al−Si−Cu等)パッド電極を接合するものではない。「AlとAgとの接合個所は腐食し易い(特開2012−151350号公報(後述する特許文献3)0015段落参照)」とされるからである。

さらに、「銀(Ag)を主成分とし、10000〜90000質量ppmの金(Au)、10000〜50000質量ppmのパラジウム(Pd)、10000〜30000質量ppmの銅(Cu)、10000〜20000質量ppmのニッケル(Ni)から選ばれた少なくとも1種以上の成分を含み、塩素(Cl)含有量が1質量ppm未満」のボンディングワイヤも開示されている(特開2012−99577号公報(後述する特許文献4))。しかしながら、このボンディングワイヤは、「波長380〜560nmの光の反射率が95%以上であるため、青色系の発光を使用する白色LEDにも有効である(同公報0010段落参照)」とあるように、LED用であり、高速信号線用ボンディングワイヤとは目的・効果が異なる。

特開2003−59963号公報 特開2012−49198号公報 特開2012−151350号公報 特開2012−99577号公報

本発明は、Ag−Pd−Au基合金のボンディングワイヤの表面に、高濃度の純銀層および低濃度の金合金化層(以下、「高濃度純銀層」と略す)を偏析させることにより、その偏析した均一な厚さの高濃度純銀層の形成によってフリー・エアー・ボール(FAB)によるボンディング特性を良好にすると同時に、大気中に放置しても一定期間硫化銀の形成ないし内部進行を阻止し、安定した数ギガHz帯等の超高周波信号を送ることができるAg−Pd−Au基合金の高速信号線用ボンディングワイヤを提供することを目的とする。

本発明の課題を解決するための高速信号線用ボンディングワイヤの一つは、 半導体素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とをフリー・エアー・ボール(FAB)により接続するための微量添加元素を含有するAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤはパラジウム(Pd)を2.5〜4.0質量%、金(Au)を1.5〜2.5質量%および残部が純度99.99質量%以上の銀(Ag)からなる三元合金であって、そのボンディングワイヤの表面は連続鋳造後に縮径された連鋳面からなり、そのボンディングワイヤの断面は表面偏析層と芯材とからなり、その表面偏析層は、芯材よりも銀(Ag)の含有量が漸増し、かつ、金(Au)の含有量が漸減している合金領域からなる高濃度純銀層である。

また、本発明の課題を解決するための高速信号線用ボンディングワイヤの一つは、半導体素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とをフリー・エアー・ボール(FAB)により接続するための微量添加元素を含有するAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤはパラジウム(Pd)を2.5〜4.0質量%、金(Au)を1.5〜2.5質量%、並びに、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種以上の加微量元素をその合計で5〜300質量ppm、および残部が純度99.99質量%以上の銀(Ag)からなる三元系合金であって、そのボンディングワイヤの表面は連続鋳造後に縮径された連鋳面からなり、そのボンディングワイヤの断面は表面偏析層と芯材とからなり、その表面偏析層は、芯材よりも銀(Ag)の含有量が漸増し、かつ、金(Au)の含有量が漸減している合金領域からなる高濃度純銀層である。

また、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ag−Pd−Au基合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、上記高速信号が1〜15ギガHzの周波数であることである。

また、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ag−Pd−Au基合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、上記パッド電極が純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金であることである。

また、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ag−Pd−Au基合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、上記パッド電極が金(Au)、パラジウム(Pd)または白金(Pt)の表層からなる電極パッドであることである。

なお、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ag−Pd−Au基合金ボンディングワイヤは、純金ボンディングワイヤと同様に、ダイヤモンドダイスにより断面減少率が99%以上縮径され、連続して冷間伸線加工され、その後、調質熱処理によってボンディングワイヤの機械的特性が調えられる。この調質熱処理は、温度が低く、処理時間も短いので、高濃度純銀層の表面偏析層は消滅しない。

(主添加元素)
本発明において、残部の銀(Ag)に純度99.99質量%以上のものを用いるのは、銀(Ag)の含有量が多い合金の表面偏析層をワイヤの全周縁に均一に生じさせるためである。純度が低いと、不純物の影響により銀(Ag)の含有量が多い合金の表面偏析層の厚さがばらつくおそれがあるからである。

純銀ボンディングワイヤの場合、硫化物が酸化物より安定するので、この硫化物が形成されるのを嫌う。これまでの純銀ボンディングワイヤでは、大気中の高純度銀(Ag)表面で表面の銀(Ag)がイオンとなり、大気中の硫化水素と結合して硫化物となる。この硫化物は、最初は純銀ワイヤ表面で不安定な硫化銀層が形成されるものの、この硫化銀層が純銀ボンディングワイヤの内部へ進んでいき、やがて硫化銀層が成長して数nm程度の強固な硫化銀(AgS)膜が純銀ボンディングワイヤの表面に確保されてしまう。しかも、この表皮層に存在するイオウ化合物は、結晶粒界を伝って更に純銀ボンディングワイヤの内部へ入り込んで強固な硫化銀(AgS)膜が拡がるものと考えられる。

純銀(Ag)にパラジウム(Pd)および金(Au)を合金化したバルクのAg−Pd−Au合金の場合、高濃度純銀層の硫化銀層の形成は純銀ボンディングワイヤよりも弱くなる。しかも、本発明のAg−Pd−Au基合金の場合、金(Au)濃度が表層から芯材内部に行くほど漸増し、芯材のほうはパラジウム(Pd)および金(Au)が4.0〜6.5質量%の含有量があるので、表面に形成された硫化銀(AgS)膜を内部へ入り込んでいくのを時間的に遅延させることができる。

Ag−Pd−Au基合金からなるボンディングワイヤのパラジウム(Pd)含有量を金(Au)の含有量よりも多くしたのは、銀(Ag)マトリックスよりも耐硫化性に対して貴なAg−Pdマトリックスを構成し、そのAg−Pdマトリックス中にさらに貴な金(Au)による表面偏析層を形成するためである。

本発明において、パラジウム(Pd)を所定量添加するのは、硫化の進行を遅らせるためである。湿気が多い環境下でボンディングワイヤを使用する場合などは、ボンディングワイヤ表面が硫化しやすくなるので、ワイヤ自体に耐硫化性のあるAg−Pd−Au基合金からなるワイヤが必要になる。パラジウム(Pd)含有量が2.5質量%あれば、純銀ボンディングワイヤの表面に強固な硫化銀(AgS)膜が形成されてしまうのを遅延させることができる。他方、パラジウム(Pd)が2.5質量%を超えていくと、銀濃度が低下するため高周波特性は多少悪くなり、超高周波信号線としては不適当になるが、高濃度純銀層が形成されているので、実用上4.0質量%までは差支えがない。

また、パラジウム(Pd)は著しく硬さを増す合金化元素であり、パラジウム(Pd)含有量が2.5質量%以上存在すると、フリー・エアー・ボール(FAB)を形成したとき、溶融ボールの硬度が高くなってボールボンディング時のチップ割れが懸念される(特許文献2第0021段落参照)が、金(Au)の含有量を多くして低融点の高濃度純銀層を設けることで、パラジウム(Pd)含有量が4.0質量%以内の範囲であれば、この問題は解決できた。なお、パラジウム(Pd)の濃度は、高濃度純銀層中も芯材中もほぼ一定である。

本発明において金(Au)の合金化元素は、銀(Ag)およびパラジウム(Pd)よりも比重が高く、Ag−Pd基合金マトリックスに対して表面偏析効果を発揮する。表面偏析した高濃度純銀層は、希薄合金の固相・気相間の表面現象を利用するものなので、この高濃度純銀層は一定の幅の層をボンディングワイヤの全周にわたって均一に形成することができる。この高濃度純銀層において、ワイヤの表面から中心をみた場合、銀(Ag)濃度が漸減して低くなると(図1の上側の曲線)、逆に金(Au)の合金化元素の濃度は漸増して高くなる(図1の下側の曲線)。そして、ワイヤ内には銀(Ag)が相対的に高濃度の高濃度純銀層の領域と相対的に低濃度の芯材の領域の二領域が存在することになる。このため、高濃度のワイヤ表面で不安定な硫化銀層が形成されても、銀(Ag)よりも貴な合金化元素(パラジウム(Pd)および金(Au))が存在することと相まって、室温大気中でボンディングワイヤが製造後信号線として使用されるまでの放置期間中は、銀合金表面のイオウ化合物が内部へ進行するのを遅延させるとともに、銀合金表面で強固な硫化銀(AgS)膜が形成されるのも遅延させることができる。

高純度のAg−Pd合金マトリックスに対し高純度の金(Au)は表面偏析するので、パラジウム(Pd)と金(Au)を高純度の銀(Ag)に添加して連続鋳造すると、表皮層近傍に銀(Ag)の高濃度領域と金(Au)の低濃度領域の高濃度純銀層がドーナッツ状に形成される。ボンディングワイヤの製造工程において、この高濃度層を保持したまま、水で冷却などして冷間で連続伸線すれば、この高濃度層は細線の線径に比例して縮径される。よって、この高濃度純銀層は、数ギガヘルツ(Hz)以上の高周波信号用に利用することができる。

直径8mmの連続鋳造ワイヤを20μmのボンディングワイヤまで縮径する場合(断面減少率99.9%以上)、ボンディングワイヤの表皮には理論的には表面から数nm以下の銀(Ag)の高濃度層が残り、実際に直径8mmの連続鋳造ワイヤから直径20μmのワイヤの伸線段階で、図1のような銀(Ag)の高濃度領域(図1の上側の曲線)と金(Au)の低濃度領域(図1の下側の曲線)の高濃度純銀層が観察された。

一般的に数ギガHzの高周波信号は1μm程度の表層を流れ、周波数が高くなればなるほどより表面近傍を流れるとされているので、高濃度の銀(Ag)層が表層に存在すれば、高濃度層が無い従来のボンディングワイヤに比べて、信号量が増え、なおかつ、信号波形を安定させることができる。

パラジウム(Pd)の範囲が2.5〜4.0質量%のとき、金(Au)の範囲が1.5〜2.5質量%であれば、FABの溶融ボールがチップ割れを起こすこともなく、安定したボンディング特性を得ることができる。

(微量添加元素)
本発明のAg−Pd−Au基合金は、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、ユーロピウム(Eu)またはアンチモン(Sb)の少なくとも1種が合計で5〜300質量ppm添加することができる。これらの微量添加元素は、Ag−Pd−Au基合金の表面偏析層を変化させることはないが、高濃度純銀層の無いAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤにおいてボンディング特性に効果があるので、本発明のA−Pd−Au基合金ボンディングワイヤにおいても採択した。具体的には、溶融ボールとアルミニウム(Al)金属またはアルミニウム(Al)合金のパッド電極との接合性、特に長期間の安定性に効果がある。また、Ag−Pd−Au基合金にロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、ユーロピウム(Eu)またはアンチモン(Sb)の元素を所定範囲内で添加すると、FABの形状を損なうことなくボンディングワイヤのしなやかさを増す。しかし、これらの元素の合計が5質量ppm未満では添加効果が無く、300質量ppmを超えるとFABを形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬くなりすぎ、チップ割れを起こす。よって、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、ユーロピウム(Eu)またはアンチモン(Sb)のうちの少なくとも1種が合計で5〜300質量ppmの範囲とした。通常のボンディングワイヤは、これらの微量添加元素は合計で100質量ppm以下で使用されることが多いので、これらの微量添加元素は5〜100質量ppmが好ましい。

なお、パッド電極は、金(Au)、パラジウム(Pd)または金(Au)または白金(Pt)の表層からなる電極パッドであることが好ましい。本発明のAg−Pd−Au三元合金およびAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤは、低融点の高濃度純銀層があるためこれらの電極パッドとFABによる接合性が良いからである。

本発明のAg−Pd−Au三元合金およびAg−Pd−Au三元系合金のAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤは、高速信号の伝達に適した高濃度の銀(Ag)の高濃度純銀層を確実に形成することができ、高濃度純銀層および低濃度金(Au)層がAg−Pd−Au三元合金およびAg−Pd−Au三元系合金の芯材に付加されているので、従来のボンディングワイヤよりもパッドとの接合性も良く、数ギガないし十数ギガHzの高周波信号の伝送に適した安定した富銀合金の信号層が形成できる。
また、本発明のAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤは、高濃度純銀層の厚さが薄いので、ワイヤ自体のバルクの機械的強度があり、これまでのボンディングワイヤと同様の優れたループ特性を有する。
また、FAB特性やなどのボンディング特性は、低融点の高濃度純銀層が表層にあるので、溶融ボールとパッド電極との接合性およびセカンド接合性については高濃度純銀層が無いボンディングワイヤよりも優れているという追加的効果がある。特に、パッド電極の表層が、金(Au)、パラジウム(Pd)または金(Au)または白金(Pt)からなる電極パッドの場合は接合強度が安定している。

また、本発明のAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤは、ボンディングワイヤの機械的強度に影響を与えるパラジウム(Pd)の添加量が4.0質量%以下および金(Au)の添加量が2.5質量%以下なので、低融点の表面偏析層によってFABを形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬くなりすぎることも無い。また、本発明のAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤは、純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金からなるやわらかいアルミパッドを用いた場合でも、低融点の表面偏析層によってチップ割れやパッドめくれが生じることは無い。この結果、一定期間室温大気中で放置しても、接合界面にマイグレーションが発生せず、高周波信号を安定して伝送できる効果がある。

表1に示す成分組成を有するAg−Pd−Au三元合金およびAg−Pd−Au三元系合金(いずれも、パラジウム(Pd)および金(Au)の純度は99.99質量%以上とし、銀(Ag)の純度は99.999質量%以上とし、 微量添加元素として、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、チタン(Ti)、イットリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、ユーロピウム(Eu)、アンチモン(Sb)の合計を5〜300ppmとした。また、その製造方法は、通常の純金ボンディングワイヤと同様に溶解し、不活性雰囲気中で8mm径まで連続鋳造した。引き続き、この連続鋳造した太線をダイヤモンドダイスにより連続して20μmの最終線径まで湿式で断面減少率が99.99%以上の連続冷間伸線をし、所定の調質熱処理を施して、20μmの線径を有する本発明に係るボンディングワイヤ(以下、「実施品」という)1〜21を製造した。
実施例1〜9が請求項1に係る実施品および実施例10〜21が請求項2に係る実施品である。

比較例

実施例と同様にして、本発明の組成範囲に入らない表1に示す成分組成の比較品のボンディングワイヤ22〜25(以下、「比較品」という)を製造した。
なお、比較品25は、実施例と同様にして連続鋳造した8mmφの太線を80℃の希硝酸で酸洗いした素線を連続伸線(縮径)し、表層に表面偏析層がないボンディングワイヤを形成したものである。よって、比較品25は、組成範囲は本発明の範囲内にあるが、酸洗いされている点で実施品と異なっている。

なお、本発明および比較例における調質熱処理は、金線の場合と同様に、管状炉において、温度およびスピードを調整の上、引張り破断試験機による測定で伸びが所定の値となるように調整するための熱処理であり、この調質熱処理では実施品の表面に偏析したドーナッツ状の高濃度純銀層が消失することは無かった。
[高濃度純銀層の確認]

実施品1の組成を有するAg−Pd−Au基合金を不活性雰囲気下で直径8mmの太線に連続鋳造した。この太線を水冷で連続伸線し、伸び率が4%となるように調質熱処理して直径20μmのボンディングワイヤを得た。このボンディングワイヤの銀(Ag)および金(Au)元素について表層から中心方向への深さ方向のオージェ分析をした。その結果は図1上側の模式図で示す曲線および下側の曲線のようになった。
図1の模式図で示す通り、実施品は表面から10nm近辺まで高濃度の銀(Ag)の漸減層が存在し、対照的に、金(Au)の合金化元素は逆の低濃度の漸増層が存在する。なお、パラジウム(Pd)の濃度は、図示していないが、高濃度純銀層中も芯材中もほぼ一定であった。
[硫化銀の確認]

実施品1のボンディングワイヤを室温の大気中に30日間放置して、硫化膜厚測定機(サーマトロニクス社製QC−200)を用いて、最表面を連続電気化学還元法による硫化銀(AgS)の膜厚を測定した。その結果、硫化銀(AgS)膜は検出されなかった。これを図2の赤線(L字状曲線)に示す。

比較品22のボンディングワイヤを実施品1と同様に、室温の大気中に30日間放置して、硫化銀(AgS)の膜厚を測定した。その結果、硫化銀(AgS)膜が検出された。これを図2の緑線(階段状曲線)に示す。

詳述すると、図2は時間に伴う電圧変化をグラフ化したものである。硫化銀(AgS)を形成した比較品22の場合、電圧が−0.25〜−0.80Vの区間において時間が変化した場合でも、図2の緑線(階段状曲線)に示すように、硫化銀(AgS)膜が存在する範囲で、電圧は変化しない現象が生じる。一方、実施品1のボンディングワイヤは、上述した電圧の区間において、上述した階段状現象はみられず、図2の赤線(L字状曲線)に示すように、時間の経過に伴って電圧が変化した。電圧が変化しなかった領域がなかったことから、実施品1のボンディングワイヤの最表面は、硫化銀(AgS)膜を形成していないことがわかる。

また、実施品1の最表面を走査型オージェ分析装置(VG社製MICROLAB-310D)によって定性分析したところ、イオウ(S)が検出された。この定性分析結果を図3に示す。
図3に示すように、実施品1のボンディングワイヤの最表面にはイオウ(S)が存在していることがわかる。しかし、図2の結果から硫化銀(AgS)膜が検出されなかったことから、実施品1のボンディングワイヤのイオウ(S)は最表面に存在する銀(Ag)と反応しているものの、強固な硫化銀(AgS)膜を形成していないことから、物理的に吸着した不安定な硫化銀の結合状態であることがわかる。また、図3から明らかな通り、実施品1のボンディングワイヤの最表面の金属元素には、銀(Ag)以外のパラジウム(Pd)と金(Au)が検出されず、実質的に高濃度の銀(Ag)層だけなので、高速信号層として最適な構成であることがわかる。
[アルミスプラッシュ試験]

これらの実施品1〜21および比較品22〜25を汎用のワイヤボンダーにセットし、ダミーの半導体IC(テストパターンをウェーハに埋め込んだもの、略称「TEG」)表面のAl−1.0質量%Si−0.5質量%Cu合金からなる70μm角アルミパッド(表面に20nmの金(Au)層を蒸着したもの)に、吹付け窒素雰囲気下にて38μm狙いでフリー・エアー・ボール(FAB)を作製し、基材の加熱温度:200℃、ループ長さ:5mm、ループ高さ:220μm、圧着ボール径:50μm、圧着ボール高さ:10μm、の条件でボールボンディングをおこなった。アルミスプラッシュ量の測定方法は、汎用の走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて各ワイヤの圧着ボールを直上から観察し、圧着ボールの外周部を基点とし、圧着ボールから最もはみ出したアルミニウムの位置を計測した。はみだしたアルミニウム量が2μm未満の場合を○とし、2μm以上4μ未満の場合を△、4μm以上を×と判定した。このアルミスプラッシュ試験について評価結果を表2に示す。

[チップダメージ試験]

さらに、この試料についてチップダメージをみた。チップダメージ試験は、水酸化ナトリウム水溶液で上記の基材のアルミパッドを溶かした後にチップを実体顕微鏡で観察した結果である。表2中の「チップダメージ試験」は、、傷やクラックが少しでも入っている場合は×とし、傷やクラックがまったくない場合を○として、それぞれ。表2に示す。

[信号波形の劣化試験]

次に、信号波形の劣化試験は四端子法を用いて測定した。試料は実施品・比較品のワイヤ(それぞれ、線径20μm、長さ100mm)を使用した。測定には汎用性ファンクションジェネレーターを用いて10GHz、2Vのパルス波形を実施品ワイヤおよび比較品ワイヤへ伝播させ、10GHz帯域のパルス波形が測定可能な所定の汎用のデジタルオシロスコープおよびプローブを用いて信号波形を測定した。測定用プローブ間隔は50mmとした。信号波形の劣化の度合いはワイヤへ伝播する出力信号波形が入力電圧値に達するまでの遅延時間を測定した。ここで、実験結果より従来の純金ワイヤ(Ca15ppm、Eu20ppmおよび残部99.999質量%Au)の信号遅延時間は20%であることを確認した。したがって、信号遅延時間の判定は、遅延時間が従来のワイヤと比較して20%未満の場合は○、20%より遅延が大きい場合は×とした。この信号波形の劣化試験について実施品・比較品のワイヤの評価結果を表2に示す。
[圧着ボールのシェア強度試験]

アルミスプラッシュ試験と同様の部材および評価装置を用いて、実施品ワイヤおよび比較品ワイヤに対し、専用のICチップにワイヤボンダーでボンディングを行い、100点について、デイジ社製の製品名「万能ボンドテスター(BT)(型式4000)」を用い、ボールボンディング時の圧着ボールのシェア強度評価を行った。この圧着ボールのシェア評価結果を表2に示す。

表2中、「ボールシェア」は、第一ボンドにおけるシェア荷重値を示し、○は12kg/mm以上、△は10kg/mm以上12kg/mm未満、そして、×は10kg/mm未満もしくはボール剥がれが発生した場合を示す。

表2の結果から明らかな通り、信号波形の劣化試験について、本発明の実施品1〜21はすべて劣化が見られないのに対し、比較品22〜25はいずれも劣っていることがわかる。
また、アルミスプラッシュ試験、チップダメージ試験および圧着ボールのシェア強度試験については、本発明の実施品1〜21はすべて良好であるのに対し、比較品22は圧着ボールのシェア強度試験が劣っており、比較品23と24はアルミスプラッシュ試験およびチップダメージ試験が劣っていることがわかる。

本発明のボンディングワイヤは、数ギガないし十数ギガヘルツの超高周波信号の伝送に最適なボンディングワイヤであり、広く高周波信号の伝送に適した信号用ボンディングワイヤの用途がある。

図1は、本発明の高濃度純銀層の分布を示す断面模式図で、上方の曲線は銀(Ag)濃度を示し、下方の曲線は金(Au)濃度を示す。 図2は、実施品1および比較品22の時間に伴う電圧変化をグラフ(L字形曲線および階段形曲線)にした図である。 図3は、実施品1の最表面近傍を定性分析した結果を示す。

Claims (6)

  1. 半導体素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とをフリー・エアー・ボール(FAB)により接続するためのAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤがパラジウム(Pd)を2.5〜4.0質量%、金(Au)を1.5〜2.5質量%および残部が純度99.99質量%以上の銀(Ag)からなる三元合金であって、そのボンディングワイヤの表面は連続鋳造後に縮径された連鋳面からなり、そのボンディングワイヤの断面は表面偏析層と芯材とからなり、その表面偏析層は、最表面から芯材に向かって銀(Ag)の含有量が漸減し、かつ、金(Au)の含有量が漸増している合金領域からなることを特徴とする高速信号線用ボンディングワイヤ。
  2. 半導体素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とをフリー・エアー・ボール(FAB)により接続するための微量添加元素を含有するAg−Pd−Au基合金ボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤがパラジウム(Pd)を2.5〜4.0質量%、金(Au)を1.5〜2.5質量%、並びに、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ベリリウム(Be)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、セリウム(Ce)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種以上含んでおり、添加微量元素の合計が5〜300質量ppmおよび残部が純度99.99質量%以上の銀(Ag)からなる三元系合金であって、そのボンディングワイヤの表面は連続鋳造後に縮径された連鋳面からなり、そのボンディングワイヤの断面は表面偏析層と芯材とからなり、その表面偏析層は、最表面から芯材に向かって銀(Ag)の含有量が漸減し、かつ、金(Au)の含有量が漸増している合金領域からなることを特徴とする高速信号線用ボンディングワイヤ。
  3. 上記ボンディングワイヤの銀(Ag)が純度99.999質量%以上であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の高速信号線用ボンディングワイヤ。
  4. 上記高速信号が1〜15ギガHzの周波数であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の高速信号線用ボンディングワイヤ。
  5. 上記パッド電極が純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の高速信号線用ボンディングワイヤ。
  6. 上記パッド電極が金(Au)、パラジウム(Pd)または白金(Pt)の表層からなる電極パッドであることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の高速信号線用ボンディングワイヤ。




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