JP5420783B1 - 高速信号線用ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】安定した数ＧＨｚ帯等の超高周波信号を送ることができるＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金又はＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金の高速信号線用ボンディングワイヤの提供。
【解決手段】パラジウムを０．８〜２．５質量％、白金が０．１〜０．７質量％及び残部が純度９９．９９質量％以上の銀からなる三元合金又はこの三元合金に微量元素が添加された三元系合金であって、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、その銀合金の表皮膜には銀が高濃度の表面偏析層が存在す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。
【効果】銀の高濃度の表面偏析層と銀合金の耐硫化性により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（Ａｇ２Ｓ）膜が形成されず、表面に偏析した高純度銀層により数ＧＨｚ等の超高周波信号を送ることができる。
【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）は軟らかすぎる。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（Ａｇ２Ｓ）膜が形成されてしまう。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２００３−５９９６３号公報（後述する特許文献１）に見られるように、純銀ボンディングワイヤに純金メッキをして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の場合は、超高周波を用いる高速信号線として用いる以前に、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に強固な硫化銀（Ａｇ２Ｓ）が溶融ボールを硬くするため、安定した溶融ボールを形成することができなかった。
他方、電気伝導性の高いＡｇの電気比抵抗を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することを目的として、Ａｇに１００００〜５５０００質量ｐｐｍのＡｕを添加し、また、Ｂｉを１〜１００質量ｐｐｍ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の添加量は２００００質量ｐｐｍ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も開示されている（特開２０１２−１５１３５０号公報（後述する特許文献３））。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」とされるからである（同公報００１５段落参照）。
特開２００３−５９９６３号公報 特開２０１２−４９１９８号公報 特開２０１２−１５１３５０号公報
本発明は、ボンディン特性の良好なＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金の組成を利用しながら、新たにボンディングワイヤの表面に高濃度な純銀層を偏析させることにより、その最外周層に均一な厚さの高濃度純銀層を形成して安定した数ギガＨｚ帯等の超高周波信号を送ることができるＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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接続するための微量添加元素を含有するＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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０．８〜２．５質量％、白金（Ｐｔ）が０．１〜０．７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、その表皮膜は、連続鋳造された外皮層と、芯材よりも銀（Ａｇ）の含有量が多い合金からなるその外皮層の上の表面偏析層とからなるものである。
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接続するための微量添加元素を含有するＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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０．８〜２．５質量％、白金（Ｐｔ）が０．１〜０．７質量％、並びに、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）の少なくとも１種以上を含んでおり、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断面は表皮膜と芯材とからなり、その表皮膜は、連続鋳造された外皮層と、芯材よりも銀（Ａｇ）の含有量が多い合金からなるその外皮層の上の表面偏析層とからなるものである。
また、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、上記パラジウム（Ｐｄ）対白金（Ｐｔ）の比率が５：１〜１０：１の範囲内、特に好ましくは７：１〜１０：１の範囲内にあることである。ボンディングワイヤのボンディング特性が安定するからである。
また、本発明の課題を解決するための高速信号線用Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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。
（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を確実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。
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。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なので、この硫化物を嫌う。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、やがて硫化銀層が成長して数ｎｍ程度の強固な硫化銀（Ａｇ２Ｓ）膜が純銀ボンディングワイヤの表面に形成されてしまう。しかも、この表皮層に存在するイオウ化合物は、結晶粒界を伝って純銀ボンディングワイヤの内部へ進行し、ボンディング特性を阻害するものと考えられていた。ところが、銀（Ａｇ）濃度が高い銀合金の表面偏析層が存在すると、銀合金が純銀よりも耐硫化性があることと相まって、銀合金表面のイオウ化合物が内部へ進行するのを阻害するとともに、銀合金表面で強固な硫化銀（Ａｇ２Ｓ）膜が形成されるのも阻止することができることがわかった。
パラジウム（Ｐｄ）を０．８〜２．５質量％および白金（Ｐｔ）を０．１〜０．７質量％の範囲で銀（Ａｇ）に添加しても、共に銀（Ａｇ）中に均一に固溶して銀（Ａｇ）濃度が高い銀合金の表面偏析層を形成する。
本発明において、表面偏析による高濃度銀（Ａｇ）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、表面偏析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確実に形成することができる。
他方、残りの銀（Ａｇ）が９６．８質量％以上あるので、純度９９．９９％の高純度銀（Ａｇ）ワイヤよりも硫化の程度は軽いが、この三元合金の芯材は大気中のイオウと結びついて硫化する。しかし、通常の保管状態ではこの三元合金のボンディングワイヤの最表面に形成された硫化銀層は結晶粒界に沿ってワイヤ内部に入り込むことはなく、後述するようにボンディング特性に影響しないことがわかった。また、高純度の銀（Ａｇ）と高純度のパラジウム（Ｐｄ）は表面偏析し、また、高純度の銀（Ａｇ）と高純度の白金（Ｐｔ）も表面偏析し、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）の原子半径は近いので、パラジウム（Ｐｄ）と金（Ａｕ）を高純度の銀（Ａｇ）に添加して溶解鋳造すると、表皮層近傍に銀（Ａｇ）の高濃度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、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２０μｍのワイヤの伸線段階で図１のような銀（Ａｇ）の高濃度層が観察された。
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るので、わずかでも銀（Ａｇ）の高濃度層が存在すれば、銀（Ａｇ）の高濃度層が無いもの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。
本発明において、パラジウム（Ｐｄ）を０．８〜２．５質量％添加するのは、白金（Ｐｔ）との共添加効果によって、高周波信号線に最適なボンディング特性を得るとともに、純銀（Ａｇ）の表面偏析を起こしやすくするためでもある。上記のパラジウム（Ｐｄ）の添加量の範囲では確実に表面偏析が起きる。パラジウム（Ｐｄ）が２．５質量％を超えると、ボンディングワイヤの比抵抗が増加し、高周波信号線としては不適当になる。また、パラジウム（Ｐｄ）は著しく硬さを増すため、２．５質量％を超えると、フリー・エアー・ボール（ＦＡＢ）を形成したとき、溶融ボールの結晶粒が硬く、高周波信号線に最適なボンディング特性を得ることができなくなる。逆に、パラジウム（Ｐｄ）が０．８質量％未満では、銀（Ａｇ）が硫化しやすくなり、かつ、十分な偏析層を形成することができない。よって、パラジウム（Ｐｄ）の範囲は０．８〜２．５質量％とした。
本発明において、白金（Ｐｔ）を０．１〜０．７質量％添加するのは、パラジウム（Ｐｄ）との共添加効果によって、高周波信号線に最適なボンディング特性を得るとともに、純銀（Ａｇ）の表面偏析を起こしやすくするためである。上記の白金（Ｐｔ）の添加量の範囲では確実に表面偏析が起きる。白金（Ｐｔ）が０．７質量％を超えると、ボンディングワイヤの比抵抗が増加し、高周波信号線としては不適当になる。逆に、白金（Ｐｔ）が０．１質量％未満では、銀（Ａｇ）が硫化しやすくなり、かつ、十分な偏析層を形成することができない。よって、白金（Ｐｔ）の範囲は０．１〜０．７質量％とした。
また、パラジウム（Ｐｄ）対白金（Ｐｔ）の比率が５：１〜１０：１の範囲内にあることがより好ましい。パラジウム（Ｐｄ）対白金（Ｐｔ）の比率が５：１未満になると、ワイヤ自体が硬くなりがちでループが描きにくくなりやすいからである。逆に、パラジウム（Ｐｄ）対白金（Ｐｔ）の比率が１０：１を超えると、ＦＡＢの形状が不安定になりやすい。よって、安定したボンディング特性を得るには、７：１〜１０：１の範囲内がより好ましい。
（微量添加元素）
本発明のＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金は、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添加した合金である。これらの微量添加元素は、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金の表面偏析層を変化させることはないが、ボンディング特性に効果があるので採択した。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−Ｐｔ三元合金にロジウム（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、１００質量ｐｐｍ以下で使用されることが多い。
なお、パッド電極は、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が好ましい。本発明のＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金のボンディングワイヤとＦＡＢによる接合性が良いからである。
本発明のＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金のボンディングワイヤは、高速信号の伝達に適した高濃度銀（Ａｇ）層の表面偏析を確実に起こすことができ、高濃度銀（Ａｇ）層がＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金のボンディングワイヤは、高濃度銀（Ａｇ）層の厚さが薄いので、これまでの優れたボンディングワイヤと同様の機械的強度があり、原則としてＦＡＢ特性やループ特性などのボンディング特性は、従来のボンディングワイヤと遜色は無いが、溶融ボールとパッド電極との接合性については従来の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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金の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２．５質量％以下なので、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−Ｐｔ三元合金またはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系合金の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、パラジウム（Ｐｄ）の含有量が少ないので本発明のボンディングワイヤ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、高温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−Ｐｔ三元系合金（いずれも銀（Ａｇ）の純度は９９．９９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）を各５〜３００ｐｐｍを通常の純金ボンディングワイヤと同様にして、溶解し、８ｍｍ径で不活性雰囲気連続鋳造した。この連続鋳造した太線を引き続きそのまま湿式の冷間で２０μｍの最終線径までダイヤモンドダイスにより断面減少率が９９．９９％以上の連続伸線をし、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）１〜３８を製造した。
実施例１〜１４が請求項１に係る実施品、実施例１５〜３８が請求項２に係る実施品、実施例８〜１４、および２７〜３８が請求項３に係る実施品である。
Figure 0005420783
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３９〜４７（以下、「比較品」という）を製造した。
なお、比較品４７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比較品を形成したものである。よって、比較品４７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、純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銀（Ａｇ）層が消失することは無かった。
[表面偏析層の確認]
実施品１の組成を有するＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元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）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のようになった。
図１から明らかな通り、実施品は表面から１０ｎｍ近辺まで高濃度の銀（Ａｇ）表面偏析層が存在することがわかる。
［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（Ａｇ２Ｓ）の膜厚を測定した。その結果、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）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３９のボンディングワイヤを実施品１と同様に放置して、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）の膜厚を測定した。その結果、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）膜が検出された。これを図２の緑線（階段状曲線）に示す。
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（Ａｇ２Ｓ）を形成した比較品３９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、時間の経過に伴い電圧は変化した。したがって、実施品１のボンディングワイヤの最表面は硫化銀（Ａｇ２Ｓ）を形成していないことがわかる。
また、実施品１の最表面を定性分析し、イオウ（Ｓ）の検出量を見た。これを図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（Ａｇ２Ｓ）は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）と反応して強固な硫化銀（Ａｇ２Ｓ）膜を形成せずに、物理的に吸着した不安定な硫化銀層の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）と白金（Ｐｔ）は無く、実質的に高濃度の銀（Ａｇ）層なので、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１〜３８および比較品３９〜４７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。
Figure 0005420783
 ［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／ｍｍ２以上、○は１０ｋｇ／ｍｍ２以上１２ｋｇ／ｍｍ２未満、そして、×は１０ｋｇ／ｍｍ２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１〜３８はすべて劣化が見られないのに対し、比較品３９〜４７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１〜３８はすべて良好であるのに対し、比較品３９と４０は圧着ボールのシェア強度試験が劣っており、比較品４２〜４６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、本発明の高濃度銀（Ａｇ）層の分布を示す断面模式図である。 図２は、実施品１と比較品３９の時間に伴う電圧変化をグラフ化した図である。 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接続するための微量添加元素を含有するＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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０．８〜２．５質量％、白金（Ｐｔ）が０．１〜０．７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、その表皮膜は、連続鋳造された外皮層と、芯材よりも銀（Ａｇ）の含有量が多い合金からなるその外皮層の上の表面偏析層と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接続するための微量添加元素を含有するＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔ三元系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０．８〜２．５質量％、白金（Ｐｔ）が０．１〜０．７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断面は表皮膜と芯材とからなり、その表皮膜は、連続鋳造された外皮層と、芯材よりも銀（Ａｇ）の含有量が多い合金からなるその外皮層の上の表面偏析層と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. 上記パラジウム（Ｐｄ）対白金（Ｐｔ）の比率が５：１〜１０：１の範囲内に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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