JP5429269B2 - ボンディングワイヤの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ボンディングワイヤの製造方法に関し、特に、銅を主成分とする芯材の周囲に被覆層を形成した被覆済みワイヤを複数のダイスに挿通させて段階的に伸線する伸線工程を有するボンディングワイヤの製造方法に関する。
従来から、銅を主成分とする芯材の周囲をパラジウム等の被覆層で被覆した複層銅ボンディングワイヤが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
かかる複層銅ボンディングワイヤは、銅からなる芯材の周囲をめっき等により被覆層で被覆した後、伸線工程を経て伸線加工され、所望の線径となるように細径化されて製造される。かかる複層銅ボンディングワイヤの伸線加工においては、金線および銅線に代表される単層ボンディングワイヤと同様のダイス設計にて伸線加工されてきた。
特許４５５４７２４号公報 特許４６１７３７５号公報
しかしながら、上述のような単層ボンディングワイヤを伸線するために設計されたダイスは、複層ボンディングワイヤを伸線加工する際、ワイヤの引抜時にかかる負荷が大きくなるという問題があった。特に、被覆層を形成した直後の線径が１００μｍある複層ボンデシングワイヤの連続伸線においては、ワイヤの引抜時にかかる負荷が非常に大きくなり、被覆層が芯材から脱落することがあるという問題があった。更に、被覆層が脱落し、芯材が露出することによって、ボンディングワイヤ表面の熱伝導性および金属流体への濡れ性が不均一となり、ボンディングにおけるボール形成時にボールの芯ズレや異形状を誘発するためにワイヤボンディング工程での収率および作業性を著しく悪化させるという問題があった。
ところで、発明者等の実験において、被覆層が芯材から脱落したボンディングワイヤを伸線方向と平行に断面加工し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Scanning Electron Microscope）で観察したところ、ダイスのベアリング部との摩擦により被覆層にしわが入ったり折り重なったりして、被覆層が芯材から脱落している部分が観察された。
また、従来の単層ボンディングワイヤのダイス設計を用いた評価では、被覆層の状態により被覆層が芯材から脱落し、ワイヤボンディングにおいて異常が発生することで収率および作業性が不安定になることが確認された。
そこで、本発明は、複層ボンディングワイヤの伸線工程において、被覆層が芯材から脱落することを抑制し、ワイヤボンディングにおける収率及び作業性を向上させることができるボンディングワイヤの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るボンディングワイヤの製造方法は、銅を主成分とする芯材の周囲に被覆層を形成した被覆済みワイヤを複数のダイスに挿通させて段階的に伸線する伸線工程を有するボンディングワイヤの製造方法であって、
前記伸線工程における前記ダイスのリダクション率を下記（１）式で定義したときに、
１つ目のダイスのリダクション率が５％以上１０％以下の範囲にあり、
２つ目以降のダイスのリダクション率が５％以上１５％以下の範囲にあり、
前記１つ目のダイスのリダクション率が前記２つ目のダイスのリダクション率よりも小さく設定されたことを特徴とする。
ここで、前記１つ目のダイスのリダクション率が５％以上８％以下の範囲で設定され、
前記２つ目以降のダイスのリダクション率が８％より大きく１３％以下の範囲で設定されることが好ましい。
また、前記被覆層は、パラジウムを主成分とする構成としてもよい。
更に、前記被覆層は、めっきにより形成されるめっき層であることとしてもよい。
なお、前記芯材は、リンを含有して構成されてもよい。
本発明によれば、被覆層が芯材から脱落することを防止することができ、ワイヤボンディングにおける収率を高めることができるとともに、ワイヤボンディング工程における作業性を向上させることができる。
本発明の実施形態１に係るワイヤボンディングの製造方法の伸線加工が行われる被覆済みワイヤの一例を示した断面図である。 本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程の一例を示した図である。 本発明の実施例１〜７及び比較例１〜６に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングの評価に用いた半導体パッケージを示した平面図である。 本発明の実施例８〜１０及び比較例７に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤの外観検査の結果を示した図である。図４（Ａ）は実施例８に係るボンディングワイヤの外観検査結果である。図４（Ｂ）は実施例９に係るボンディングワイヤの外観検査結果である。図４（Ｃ）は比較例６に係るボンディングワイヤの外観検査結果である。図４（Ｄ）は実施例１０に係るボンディングワイヤの外観検査結果である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
図１は、本発明の実施形態１に係るワイヤボンディングの製造方法において、伸線加工が行われる被覆済みワイヤの一例を示した断面図である。図１において、被覆済みワイヤ３０は、芯材１０と、被覆層２０とを有する。被覆済みワイヤ３０は、芯材１０の周囲を被覆層２０が被覆して構成される。
芯材１０は、銅（Ｃｕ）を主成分とする金属線から構成され、銅の純度は９９．９９％以上である。また、芯材１０は、微量のリン（Ｐ）を含有してもよい。なお、リンを銅からなる芯材１０に含有させるには、例えば、ダイカストで金型に溶融した銅を圧入し、芯材１０を連続鋳造により製造する際に、板状のリンを加えて銅と一緒に溶融させ、芯材１０に添加させるようにしてもよい。
被覆層２０は、銅を主成分とする芯材１０を被覆できれば、種々の材料を用いることができるが、例えば、パラジウム（Ｐｄ）を用いるようにしてもよい。銅を主成分とする芯材１０の被覆材としては、パラジウムが優れていることが判明しているので、被覆層２０はパラジウムで構成してもよい。
被覆層２０は、芯材１０の周面を覆って被覆することができれば、種々の形成方法により形成されてよいが、例えば、めっきにより形成されてもよい。めっきは、例えば、パラジウムめっき液を保持しためっき槽に芯材１０を浸漬させ、めっき槽内にアノードを浸漬させ、芯材１０を負電極に接触させてカソードとすれば、芯材１０の周囲にパラジウム膜が堆積し、パラジウムめっき層が被覆層２０として形成される。被覆層２０が他の金属で構成される場合であっても、同様にめっきを用いて、めっき層として形成することができる。
また、被覆層２０は、芯材１０の表面を確実に被覆することができれば、蒸着法やスパッタリング法を用いて形成するようにしてもよい。但し、めっきは蒸着法やスパッタリング法と比較して安価であるので、特別な事情が無ければ、めっきにより被覆層２０を形成することが好ましい。
このように、被覆済みワイヤ３０は、例えば、銅を主成分とする芯材１０の周囲に、被覆層２０をめっきで形成することにより得ることができる。
被覆済みワイヤ３０の線径は、１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲とすることが好ましい。最終的な製品となるボンディングワイヤは、用途により要求される線径は異なるが、例えば、１０〜８０μｍの範囲にあることが多い。かかる製品ニーズに合致させるため、最終の伸線工程で１０〜８０μｍの線径まで細径化できるように、被覆済みワイヤ３０の線径は１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲であることが好ましい。
図２は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程の一例を示した図である。図２において、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程に用いられる伸線装置が示されているが、伸線装置は、キャプスタン５０、５１と、複数のダイス６０〜６７とを備える。また、図２において、関連構成要素として、被覆済みワイヤ３０と、ボンディングワイヤ３１と、スプール４０、４１とが示されている。
キャプスタン５０、５１は、被覆済みワイヤ３０を支持するとともに、ダイス６０〜６７に送り出すための搬送支持手段である。キャプスタン５０、５１は、円筒形状を有し、２つのキャプスタン５０、５１が略平行に距離を空けて配置される。略平行に配置された２つのキャプスタン５０、５１に跨るように被覆済みワイヤ３０が巻き回され、キャプスタン５０、５１が同一方向に回転することにより、被覆済みワイヤ３０が送られる。
ダイス６０〜６７は、被覆済みワイヤ３０を伸線し、細径化するための伸線加工手段である。ダイス６０〜６７は、複数備えられ、図２においては、８つのダイス６０〜６７が設けられている。ダイス６０〜６７は、入口側の径が広く、出口側の径が入口側よりも狭くなったテーパー形状部分を有する穴を備え、穴に被覆済みワイヤ３０を挿通することにより、被覆済みワイヤ３０が縮径（減面）されてゆく。１つのダイスの減面率は限界があるため、複数個のダイス６０〜６７を用意し、これに連続的に挿通させることにより、段階的に伸線加工を行う。つまり、１つのダイス６０〜６７を通過する度に、被覆済みワイヤ３０は減面される。図２においては、８つのダイス６０〜６７が設けられ、被覆済みワイヤ３０は、これをダイス６０から順に通過してゆくため、８段階で縮径されることになる。
被覆済みワイヤ３０は、スプール４０に巻回された状態で伸線装置に供給される。また、ダイス６０〜６７を通過して伸線加工されたボンディングワイヤ３１も、スプール４１に巻き取られて収納される。ここで、スプール４０、４１は、ワイヤを巻き取るための円筒形又はローラ型の部材である。
かかる伸線装置を用いた本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法においては、被覆済みワイヤ３０は、スプール４０から巻き出され、キャプスタン５０、５１により搬送支持されて複数のダイス６０〜６７を順に連続的に通過し、伸線済みのボンディングワイヤ３１がスプール４１に巻き取られて伸線工程を終了する。
次に、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法に用いられるダイス６０〜６７の構成についてより詳細に説明する。図２に示したダイス６０〜６７の縮径率は、リダクション率又は減面率とも呼ばれるが、（１）式のように定義される。
本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法においては、１つ目のダイス６０、２つ目のダイス６１、３つ目のダイス６２、４つ目のダイス６３、５つ目のダイス６４、６つ目のダイス６５、７つ目のダイス６６、８つ目のダイス６７は、全てが同一のリダクション率に設定されている訳ではなく、１つ目のダイス６０のリダクション率は、２つ目以降のダイス６１〜６７よりも、小さなリダクション率を有している。具体的には、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法においては、１つ目のダイス６０のリダクション率は５％以上１０％以下の範囲内にあり、２つ目以降のダイス６１〜６７のリダクション率は５％以上１５％以下の範囲内にあり、かつ１つ目のダイス６０のリダクション率が２つ目以降のダイス６１〜６７のリダクション率よりも小さく設定されている。そして、かかるリダクション率のダイス６０〜６７を用いて、伸線工程を行う。
また、より好ましくは、１つ目のダイス６０のリダクション率が５％以上８％以下の範囲内で設定され、２つ目以降のダイス６１〜６８のリダクション率が８％より大きく１３％以下の範囲内で設定される。
なお、被覆済みワイヤ３０の線径は、上述のように、１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲であり、その範囲の線径を有する被覆済みワイヤ３０に対し、上述のリダクション率が有効となる。
このように、１つ目のダイス６０のリダクション率を、２つ目以降のダイス６１〜６７のリダクション率よりも小さく設定するとともに、所定の範囲内にあるように制限を加えることにより、１つ目のダイス６０において、大きな減面率で伸線加工を行うことが無くなる。被覆層２０を有するボンディングワイヤにおいては、１つ目のダイス６０による伸線加工において、大きな減面率で伸線を行うと、被覆層２０から芯材１０が露出するおそれが出てくる。１つ目のダイス６０による伸線加工では、被覆層２０が芯材１０を確実に被覆した状態を維持しつつ、可能な範囲で伸線を行うことが重要である。１つ目のダイス６０による伸線加工で、被覆層２０をあまり薄くすることなく伸線できれば、２つ目以降のダイス６１〜６７のよる伸線加工では、大きな制約無く、伸線加工を行うことができる。
一方、１つ目のダイス６０と２つ目以降のダイス６１〜６７とで大きな差が無い、全体が平均化したリダクション率で伸線を行った場合には、伸線工程全体で上述の場合と同じリダクション率となるように設定すると、１つ目のダイス６０による伸線加工のリダクション率が大きくなってしまい、１つ目の伸線加工で被覆層２０が薄くなり過ぎてしまう。そうすると、２つ目以降のダイス６１〜６７においてリダクション率が小さくても、被覆層２０が芯材１０から脱落する結果を招いてしまう。
このように、発明者等は、芯材１０の表面に被覆層２０を形成した直後の、被覆済みワイヤ３０の線径が１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲において連続伸線加工を行う際、１つ目のダイス６０のリダクション率が１０％以下かつ２つ目以降のセットダイス６１〜６７のリダクション率が１５％以下であれば、ダイス６０〜６７から被覆済みワイヤ３０にかかる負荷が低減され芯材１０から被覆層２０が脱落することを低減できることを経験的に把握した。
一方でリダクション率を５％未満とした場合、伸線を行ううえでダイス６０〜６７の個数が増加し、生産性、経済性を損ねる。また、リダクション率が５％以上の場合には、ダイス６０〜６７をワイヤが通過する際には、ワイヤには外側から内側に向かう応力が殆どを占めるが、リダクション率が５％未満になると、内側から外側に向かう応力がワイヤ内部に発生することが発明者等の実験により確かめられている。そうすると、ワイヤ内部で外側へとかかる応力、内側へとかかる応力の双方が発生することで、その界面に引張応力を生じる。引張応力を生じる場所が特に芯材１０と被覆層２０の界面であった場合、被覆層２０が芯材１０より脱落し易くなると考えられる。よって、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法においては、ダイス６０〜６７のリダクション率の下限を５％に設定している。
このように、被覆層２０を有する複層ボンディングワイヤ３１においては、単層ボンディングワイヤと異なり、１つ目のダイス６０による伸線加工において、リダクション率を２つ目以降のダイス６１〜６７よりも小さく設定するとともに、適切な所定範囲内に設定することが重要であり、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の伸線工程においては、そのような伸線加工を行うことにより、被覆層２０の芯材１０からの脱落の少ないボンディングワイヤ３１を製造することができる。
また、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法は、伸線槽内でキャプスタン５０、５１やダイス６０〜６７を伸線液中に沈めた状態で伸線したり、ダイス６０〜６７やキャプスタン５０、５１上に伸線液を吹き付けて伸線したりするといった伸線機の形態に左右されずに適用できる。また、円筒状のストレート型キャプスタンであるか、ワイヤ径が細くなるに従いキャプスタン径が大きくなるコーン型キャプスタンであるかといったキャプスタン形状には左右されずに適用できる。
次に、本発明のボンディングワイヤの製造方法を実施した実施例について説明する。なお、理解の容易のため、今まで説明した本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法の構成要素と同様の構成要素には同一の参照符号を付す。
本実施例に係るボンディングワイヤの製造方法においては、ボンディングワイヤ３１の原材料として、芯材１０に用いる銅は純度が９９．９９９％以上の無酸素銅を用い、被覆層２０のパラジウムの素材には市販のパラジウムめっき液を用いた。
ある線径まで伸線した銅を主成分としたボンディングワイヤを芯材１０とし、そのワイヤの表面に、電解めっき法を用いてパラジウムの被覆層２０を形成した。その後、さまざまなダイス６０〜６７を用意して連続伸線加工を行った。
直径が１００〜５００μｍのリンを含有する銅を主成分としたボンディングワイヤを別途作製し、電解めっき法により、その表面にパラジウムを被覆した。その後、最終径２５μｍまで伸線加工し、最後に加工ゆがみを取り除き伸び値が５〜１５％となるように熱処理を施した。
表１は、本実施例に係るボンディングワイヤの製造方法の実施条件と評価結果を示している。
表１に示すように、実施例１〜７に係るボンディングワイヤの製造方法で製造されたボンディングワイヤ３１は、１個目のダイス６０による減面率（リダクション率）が５．０％以上１０．０％以下となっており、２個目以降のダイス６１〜６７による減面率（リダクション率）が８．８％以上１４．７％以下となっており、かつ１個目のダイス６０のリダクション率が２個目以降のダイス６１〜６７のリダクション率よりも小さく設定され、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法で述べたリダクション率となっている。
表２は、比較例に係るボンディングワイヤの製造方法の実施条件と評価結果を示している。
表２に示すように、比較例１〜４に係るボンディングワイヤの製造方法で製造されたボンディングワイヤは、１個目のダイスによる減面率（リダクション率）が１０．０％以上となっており、本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法で述べたリダクション率に入っていない。同様に、比較例５、６に係るボンディングワイヤの製造方法で製造されたボンディングワイヤは、２個目以降のダイス６１〜６７による減面率（リダクション率）が１５．０％以上の１６．０％となっており、やはり本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法で述べたリダクション率に入っていない。
本実施例及び比較例において、ボンディングワイヤ３１の評価はワイヤ表面の元素マッピング（オージェ電子分光による面分析、Auger Electron Spectroscopy、以下「ＡＥＳ分析」と呼ぶ。）、およびボール形状により評価を行った。
ＡＥＳ分析による評価においては、最終径まで伸線した後、熱処理を施したボンディングワイヤ３１を、被覆元素と芯材元素を全体として、被覆元素の割合が９８％を超える領域が観察視野内の９９％以上を占める場合をＡ、９５−９９％の場合をＢ、９５％未満の場合をＣとして評価した。
ボンディングワイヤ３１のボールの評価においては、固定電気トーチを持つカイジョー製ワイヤボンダＦＢ７８０を用いて、通常の銅ワイヤボンディングに用いられる５％の水素と９５％の窒素ガスからなる雰囲気ガス（以下、「５％Ｈ２−Ｎ２」、又は「フォーミングガス」と呼ぶ。）を用いて１０００ワイヤ連続ボンディングを行った。そして、ワイヤボンダ装置が途中でボンディング不良により停止しなかったものをＡ、接合不良などにより装置が１−３回停止したものをＢとして評価した。また、接合不良などにより装置が４回以上停止したもの、又は１回以上ワイヤがボンディング中キャピラリより抜けてワイヤボンダ装置が停止したものをＣとして評価した。
図３は、本発明の実施例１〜７及び比較例１〜６に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤを用いた連続ボンディングについて、ワイヤボンディングの評価に用いた半導体パッケージを示した平面図である。
図３において、評価用の半導体パッケージは、銅ボンディングワイヤ３１と、ボール７０と、シリコンチップ８０と、アルミニウム電極９０と、パラジウムめっき付リード１００を有する。評価に当たっては、厚さ０．８μｍのアルミニウム電極９０と、アルミニウム電極９０とシリコン層との間に５０ｎｍ厚のチタン層と５０ｎｍの酸化シリコン層とを有するシリコンチップ８０の間に、各種銅ボンディングワイヤ３１の超音波熱圧着ボールボンディングを行った。
表１の結果から、本実施においては、ＡＥＳ分析において銅露出を抑制し連続ボンディングにおける作業性を向上させる効果が見られた。
一方、表２の結果から、比較例ではＡＥＳ分析において銅露出が確認され、結果連続ボンディングにおける作業性が悪化した。
このように、実施例１〜７、比較例１〜６による結果から、本実施例に係るボンディングワイヤの製造方法で製造されたボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングの優位性を確認することができた。
表３は、実施例８〜１０及び比較例７に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されているボンディングワイヤついて、１つ目のダイス６０による伸線加工の後の外観検査の結果を示している。実施例８〜１０及び比較例７に係るボンディングワイヤの製造方法においても、実施例１〜７及び比較例１〜６と同様の被覆済みワイヤ３０を用いて伸線工程を実施している。
表３に示すように、実施例８〜１０、比較例７とも、被覆層２０のめっき厚は０．８μｍであるが、めっき後の線径は各例で異なっている。具体的には、実施例８及び９では、めっき後の線径は２２５．０μｍであるが、実施例１０では１９０．０μｍ、比較例７では２１６．０μｍとなっている。
また、実施例８〜１０では、１つ目のダイス６０の減面率がそれぞれ７．８４％、９．７９％、５．８１％であり、総て５％以上１０％以下の範囲にあるが、比較例７では２．１２％であり、原面率が５％未満の条件で伸線加工を行った。なお、１つ目のダイス６０を通過した後の外観検査であるので、２つ目以降のダイス６１〜６７の減面率は特に示されていない。
評価結果は、表面に銅露出が無い場合をＡ、一部銅露出がある場合をＢ、全体に亘り銅露出がある場合をＣとして示した。表３において、実施例８〜１０においては銅露出が無かったが、比較例７では全体に亘り銅露出が存在する結果となっている。
図４は、本発明の実施例８〜１０及び比較例７に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤの外観検査の結果を示した図である。図４（Ａ）は実施例８に係るボンディングワイヤの外観検査結果であり、図４（Ｂ）は実施例９に係るボンディングワイヤの外観検査結果であり、図４（Ｃ）は比較例７に係るボンディングワイヤの外観検査結果であり、図４（Ｄ）は実施例１０に係るボンディングワイヤの外観検査結果である。
図４（Ａ）〜（Ｄ）において、各々３箇所の外観が示されている。図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、実施例８〜１０に係る図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）は、３箇所とも良好な外観結果を示し、表面に銅の露出が見られない。しかしながら、比較例７に係る図４（Ｃ）においては、３箇所とも銅の露出が見られ、銅の露出が全体に見られる状態となっていることが分かる。
このように、１つ目のダイス６０のリダクション率を５％未満とした場合にも、被覆層２０が剥がれ易くなり、銅の露出が発生してしまう。
図４（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、外観検査においても、本実施例に係るボンディングワイヤの製造方法により製造されたボンディングワイヤ３１の優位性が確認され、被覆層２０の表面への芯材１０の露出が殆ど無いボンディングワイヤを製造することができることが分かる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
本発明は、半導体チップを実装するワイヤボンディングに使用するボンディングワイヤに利用することができる。
１０ 芯材
２０ 被覆層
３０ 被覆済みワイヤ
３１ ボンディングワイヤ
４０、４１ スプール
５０、５１ キャプスタン
６０〜６７ ダイス
７０ ボール
８０ シリコンチップ
９０ アルミニウム電極
１００ パラジウムめっき付きリード

Claims (5)

  1. 銅を主成分とする芯材の周囲に被覆層を形成した被覆済みワイヤを複数のダイスに挿通させて段階的に伸線する伸線工程を有するボンディングワイヤの製造方法であって、
    前記伸線工程における前記ダイスのリダクション率を下記（１）式で定義したときに、
    １つ目のダイスのリダクション率が５％以上１０％以下の範囲にあり、
    ２つ目以降のダイスのリダクション率が５％以上１５％以下の範囲にあり、
    前記１つ目のダイスのリダクション率が前記２つ目のダイスのリダクション率よりも小さく設定されたことを特徴とするボンディングワイヤの製造方法。
  2. 前記１つ目のダイスのリダクション率が５％以上８％以下の範囲で設定され、
    前記２つ目以降のダイスのリダクション率が８％より大きく１３％以下の範囲で設定された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. 前記被覆層は、パラジウムを主成分とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  4. 前記被覆層は、めっきにより形成されるめっき層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボンディングワイヤの製造方法。
  5. 前記芯材は、リンを含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のボンディングワイヤの製造方法。
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