JP5546670B1 - 超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造 - Google Patents

超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造 Download PDF

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Abstract

【課題】コーティング銅ワイヤの被覆材ないし芯材の種類や線径が変更されても、個別に接合条件を設定することなく、安定して超音波接合することができる、超音波接合時のプロセスウィンドウ幅が広い超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造を提供する。
【解決手段】芯材表面に、ワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、芯材上には、芯材よりも酸化耐性の貴な金属または合金（以下、「貴な金属等」という）からなる被覆材が被覆された表面形態であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に用いられるＩＣチップ電極と外部リード等の基板の接続に好適な超音波接合用コーティング銅合金ワイヤに関し、特に車載用やパワー半導体や高速デバイス用などの高温環境下で使用される超音波接続用ボンディング・バンプワイヤ、あるいは、１５μｍ以下の極細線でも使用されるフリーエアーボール（ＦＡＢ）用コーティング銅ボンディングワイヤに関する。
従来から半導体装置のＩＣチップ電極と外部リードとを接続する銅ワイヤは、さまざまな種類が開発されてきた。例えば、純銅合金ワイヤとしては、チタン（Ｔｉ）またはジルコニウム（Ｚｒ）を添加するもの（特開昭６２−１０２５５１）、ホウ素（Ｂ）を添加するもの（特開昭６２−１０２５５２）、マグネシウム（Ｍｇ）を添加するもの（特開昭６２−１３０２４８）、希土類元素（イットリウム（Ｙ）を含む）を添加するもの（特開昭６２−１９３２５４）、カルシウム（Ｃａ）を添加するもの（特開昭６２−１０２５５２）、リン（Ｐ）等を添加するもの（特開平０１−２９１４３５）、イリジウム（Ｉｒ）を添加するもの（特開平０４−１８４９４６）、パラジウム（Ｐｄ）等を添加するもの（特開２０１２−２２２１９４）などがある。
また、銅合金ワイヤとしては、パラジウム（Ｐｄ）を含有するもの（特開昭５９−１３９６６３）、マグネシウム（Ｍｇ）を含有するもの（特開昭６０−２３６２５３）、銀（Ａｇ）を含有するもの（特開昭６１−０１９１５８）、ニッケル（Ｎｉ）等を含有するもの（特開平０４−２１８６３２）、白金（Ｐｔ）等を含有するもの（特開平０７−０７０６７３）、金（Ａｕ）を含有するもの（特開２０１１−００３７４５）などがある。
また、被覆銅合金ワイヤとしては、貴金属を被覆するもの（特開昭６１−２８５７４３）、パラジウム（Ｐｄ）を被覆するもの（特開２００４−００６７４０）、金（Ａｕ）とパラジウム（Ｐｄ）を被覆するもの（特開２０１０−２２５７２２）、Ａｕ・Ｐｄ混在層とパラジウム（Ｐｄ）被覆層を有するもの（特許５０８８９８１）などがある。
これらのコーティング銅ワイヤの線径も、フリーエアーボール（ＦＡＢ）用コーティング銅ボンディングワイヤの場合には十数μｍから数十μｍまでの線径のものが一般的であり、パワー系半導体用太線の場合には数十μｍから数百μｍまでのものが一般的である。
また、成分組成の観点からのコーティング銅ワイヤとしては、純銅合金ワイヤや純度９９．９９９質量％以上の銅（Ｃｕ）または銅合金の芯材にパラジウム（Ｐｄ）をサブミクロン被覆したワイヤが、ＩＣチップ電極上のアルミパッドとの接続信頼性に優れていることから、ＦＡＢ用ボンディングワイヤとして実用化が検討された（特開２００４−００６７４０号公報（後述する「特許文献１」））。当初は、このＰｄコーティング銅ワイヤは、その一端は溶融ボールを形成した後超音波併用熱圧着ボンディング法（第一ボンディング）によってＩＣチップ電極上のアルミパッドにボール接続され、他端がプリント基板上の外部リード線等へ超音波法（第二ボンディング）によってステッチ接続されるボールボンディング法が試験的に試されていた。
その後、さまざまな改良がなされ、フリーエアーボール（ＦＡＢ）による第一ボンディング特性の優れた無垢の純銅または銅合金を被覆したコーティング銅ワイヤがいくつも提案された。
ここで、ＦＡＢとは、ボンディングツール先端から延出したワイヤの先端へ窒素や窒素水素等の非酸化性ガスまたは還元ガスを吹き付けながらスパーク放電することによりワイヤの先端に形成される溶融ボールをいう。ＦＡＢの場合、ボンディングワイヤの溶融ボールが第一ボンドされるまでは不活性雰囲気または還元性雰囲気が保たれているので、純銅合金ワイヤ自体も第一ボンディング時に酸化することがない。
また、このようなボンディングワイヤであっても、溶融ボールを作らずに直接超音波によって第一ボンディングと第二ボンディングを超音波法のみで接続するウェッジボンディング法や、そのウェッジボンディングしたコーティング銅ワイヤをクランプによって引きちぎるスタッドバンプ法などの超音波によるボンディング法もある。また、超音波接合をさらに容易にするため、コーティング銅ワイヤを押しつぶして平坦にした矩形断面形状のリボンワイヤも超音波接合することができる。そして、これらの方法で超音波接合されたワイヤは、その後モールド樹脂によって封止され、半導体装置となる。なお、アルミパッドは、純アルミニウム（Ａｌ）金属やこのアルミニウム（Ａｌ）金属に０．３〜２．０質量％の銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等が添加された合金が多用され、通常は真空蒸着等の乾式メッキによって形成される。
しかしながら、上記のＰｄコーティング銅ワイヤはこれまでボンディングワイヤとしてあまり大々的に実用化されなかった。Ｐｄコーティング銅ワイヤが実用化されなかった理由は次のとおりである。
まず、無垢の高純度銅ワイヤは、ボンディング接続前に表面が酸化して酸化銅膜が形成されるという致命的な欠点が有った。このため、上記のように、さまざまな合金化元素を用いたり、貴な金属等の被覆層を厚くしたり多重層にしたり、あるいは、芯材・被覆層界面に拡散層を設けたりして酸化銅膜の形成を防止しようとしてした。ところが、パラジウム（Ｐｄ）等を厚く被覆したコーティング銅ワイヤでは、安定したＦＡＢが形成されにくく、突然、溶融ボールがいびつになったり、硬くなったり、チップダメージも発生したりするという原因不明の問題が生じていた。このような理由から、Ｐｄコーティング銅ワイヤはＦＡＢ用ボンディングワイヤとしてあまり普及しなかった。
やがて、金（Ａｕ）の表層とパラジウム（Ｐｄ）の被覆層を有するコーティング銅ワイヤが開発され（特開２０１２−８９６８５号公報（後述する「特許文献２」）、微量な卑金属元素の合金化によって軟化温度を純度９９．９９９９質量％の純銅ワイヤ並に下げながらも、第一ボンディング時の溶融ボールが硬くならないようにしてＦＡＢ作製時のボンディング特性を維持することが可能になり、本格的に実用化がされ始めるに至った。
金（Ａｕ）の表層とパラジウム（Ｐｄ）の被覆層を有するＰｄコート銅ワイヤの場合は、パラジウム（Ｐｄ）層と金（Ａｕ）層との総被覆層の厚さは１００ｎｍ弱の膜厚となる。このため両層のバランスが難しく、その調整は非常に困難であった。例えば、芯材の成分組成が変更されたり、線径が２５μｍから２０μｍ、さらには１８μｍへと変更されたりするたびごとに、最適な被覆層のバランスを求めることが必要となる。Ｐｄコート銅ワイヤは、第一ボンドのＦＡＢを真球形状にする必要があるため、コスト高になるとともに、量産段階では再度最適な被覆層のバランスを求めなければならなかった。
ところが、ボンディングワイヤが２０μｍから１８μｍへ、そして１８μｍから１５μｍへ細線化されていくと、Ｐｄコート銅ワイヤでは第二ボンドの超音波による接合領域が少なくなり、場合によってはまったく接合できる接合領域がなくなるなど、超音波による第二ボンディングが不安定になるという課題があった。このような課題は超音波による第一ボンディングでもスタッドボンディングでも同様の超音波接合に係る課題であった。
これは、超音波装置による細線用ボンディングワイヤの接合条件が周波数（数十〜数百ｋＨｚ程度）と出力（最大数Ｗ程度）と加圧力（数〜数十ｇｆ程度）によって定まるため、最適な超音波条件は、芯材の成分組成以外に被覆層の膜厚にも左右されるからである。
一方、高温下で使用する太線用のパワー半導体等の場合でも、高価な貴金属の使用量を減らして被覆層の膜厚を薄くすると、銅酸化膜が広範囲に形成される結果、この銅酸化膜の影響によって第二ボンドの接合強度が弱くなり、第二ボンドの接合界面の酸化膜の発達が加速されるため接合界面の接合強度をさらに弱くするという課題が残った。
他方、目的は様々であるが、銅ワイヤに直接カーボン層を被覆することも提案されている。
例えば、「Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕの何か一つを主要元素として１０〜５０μｍ程度の極細線に伸線加工され、スプールに所定長さを巻き込んだ状態でワイヤボンダに取り付けて使用される（特開平６−１５１４９７号公報（後述する「特許文献３」）０００２段落）」ボンディング用ワイヤを、溶解鋳造後にインゴットを酸洗いなどして「表面の総有機炭素量が５０〜１５００μｇ／ｍ２ であることを特徴とする半導体素子のボンディング用ワイヤ（同公報請求項１）」とすることも考えられた。この方法は、「表面の総有機炭素量が５０〜１５００μｇ／ｍ２ であるワイヤを製造する一つの方法は、通常の工程、すなわち溶解，鋳造，伸線，アニール，巻取り工程を経て製造されたワイヤの表面には既に１５００μｇ／ｍ２ を上回る総有機炭素が認められるので、これを…酸洗浄…等の方法で洗浄して、表面の総有機炭素量を５０〜１５００μｇ／ｍ２ の範囲に入るようにする（同公報請求項２）ものである。この方法は通常工程におけるアニール工程の前あるいは後に洗浄工程を設ければ良く、実施が容易である特徴がある。（同公報００１０段落）」そして、「潤滑剤成分としては、パラフィン系炭化水素、ナフテン系炭化水素、芳香族系炭化水素等の鉱油系、ポリオレフィン、アルキルベンゼン、脂肪酸、高級アルコール、脂肪酸せっけん、ポリグリコール、ポリフェニルエーテル、脂肪酸ジエステル、ポリオールエステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、スルフォン酸塩、アミン、アミン塩、シリコーン、燐酸エステル、フルオロカーボン、フルオロポリエーテル、フルオログリコール等の合成油系、牛脂、豚脂、パーム油、大豆油、菜種油、ひまし油、松根油等の天然油脂系があげられるが、どれを用いても良い。また、それら数成分の混合系でも良い（同公報００１２段落）」と記載されている。また、界面活性剤を用いるものもある（特開２００２−２４１７８２号公報等）。
もっとも、これまでのコーティング銅ワイヤの場合には、マイクロオーダーを基準とした十分厚い被覆層によって芯材と大気とを完全に遮断していることが多いので、あえてカーボン層を被覆する必要性はなかった。
例えば、粒子径が１００ｎｍ以下の貴金属粒子を含有する液状組成物を塗布後加熱することによって、「コスト低減上貴金属皮膜の膜厚は１μｍ以下が好まし」い「卑金属ワイヤ上に均一で薄い貴金属被覆膜を形成する製造」法（特開２００６−２１０６４２号公報００１０・００１１段落）がある。また、ナノオーダーを基準とした膜厚であっても、「また、外層厚さが２０ｎｍ未満では、酸化を抑制する効果が小さいためウェッジ接合でも接合不良が生じ、セカンド接合における信頼性評価を改善することも困難となる」（特開２００９−１４０９５３号公報の請求項１および００５３段落）など、これまでのコーティング銅ワイヤの場合には、被覆層によって芯材と大気とは完全に遮断されていることがわかる。
特開２００４−００６７４０号公報 特開２０１２−８９６８５号公報 特開平６−１５１４９７号公報
本発明は、コーティング銅ワイヤを細線化すると超音波による接合性が不安定になるという上記課題を解決するためになされたもので、ボンディングに使用する純銅合金または銅合金における芯材の成分組成や線径が変更されても、被覆材の構造をそのまま維持できるコーティング銅ワイヤの構造を提供することを目的とする。すなわち、コーティング銅ワイヤの被覆材ないし芯材の種類や線径が変更されても、個別に接合条件を設定することなく、安定して超音波接合することができる、超音波接合時のプロセスウィンドウ幅が広い安価なコーティング銅ワイヤの構造を提供することを目的とする。
本発明者らは、超音波接合時にワイヤが変形しても、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝がほぼ等間隔に広がり、上下方向に一対のＵ字形の溝および逆Ｕ字形の溝となることによって超音波接合性を安定させる構成にして本発明を完成した。換言すれば、被覆層の厚さを可能な限り薄くして、仮に第一ボンドのＦＡＢを形成する場合であっても、芯材の周囲を取り囲む被覆材の影響が無視できるようにするとともに、第二ボンドの超音波接合時にはワイヤの変形とともに被覆材の筋雲状の溝が横方向にはほぼ均等に広がり、押圧方向には多数本の溝がクサビ構造となって超音波接合に寄与できるようになることを利用して本発明を完成した。
本発明の課題を解決するための超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造の一つは、被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に芯材よりも酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材が被覆された表面形態であることを特徴とする。
本発明の課題を解決するための超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造のもう一つは、被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に貴な金属または貴な金属の合金（以下、「貴な金属等」という）からなる被覆材が被覆された表面形態であり、そのコーティング銅ワイヤの表面には、総有機炭素量（ＴＯＣ値）が５０〜３，０００μｇ／ｍ２の有機カーボン層が存在していることを特徴とする。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造における好ましい実施態様は、以下のとおりである。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材の表面形態がその芯材の結晶粒界に沿って形成されていることが好ましい。
また、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材の表面形態が海島構造における球体状の島となって形成されていることが好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材の表面形態は、その芯材の金属色が見える部分とその被覆材の貴な金属等の金属色が見える部分のモザイク模様で形成されていることが好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該総有機炭素量（ＴＯＣ値）が２００〜１，０００μｇ／ｍ２であることが好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属であることが好ましい。この高純度貴金属には、貴金属を１〜４０質量％および残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金が含まれる。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該芯材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属を含有し、かつ、残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金であることが好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該芯材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属を０．５〜５質量％および残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金であることが好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該超音波接合用コーティング銅ワイヤがフリーエアーボール用ボンディングワイヤであることが好ましい。
本発明の純銅合金ボンディングワイヤの構造において、上記芯材の成分組成を、純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材としたのは、第一ボンドのＦＡＢ形成時に真球ボールができるようにするためである。また、純アルミニウム（Ａｌ）パッドやＡｌ−０．５質量％Ｃｕ合金等のパッドと接続する際にアルミスプラッシュが生じないようにすることができる公知の純銅合金または銅合金の成分組成を選ぶためである。
また、純銅合金ワイヤの場合には、銅（Ｃｕ）以外の酸化性金属成分の下限を４０質量ｐｐｍとすることができる。下限を４０質量ｐｐｍとしたのは、純銅合金マトリックス中に酸素やイオウが溶存していても、これらの金属成分がすべての酸素やイオウを固定化し、さらに大気中の酸素と結合して内部酸化できる状態にしておくためである。純銅合金マトリックスをこのような酸素欠乏状態にしておくことにより、ワイヤ表面のナノオーダー層にある未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層が飽和した銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）層になるのを遅延させておくことができる。
他方、純銅合金ワイヤの上限は、１００質量ｐｐｍ未満が好ましい。純銅合金ワイヤの場合に上限を１００質量ｐｐｍ未満としたのは、「フォーナインゴールド」を表示する純金合金ボンディングワイヤに合わせたためである。なお、金属成分が１００質量ｐｐｍ未満であれば、純銅合金ボンディングワイヤの表面層近傍に金属不純物が偏析することはない。
本発明におけるコーティング銅ワイヤの構造において、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝がその芯材の周囲に環状に形成されることとしたのは、超音波接合時の押圧力によってワイヤが任意の箇所で変形しても、ワイヤの変形箇所では上下方向に一対のＵ字形・逆Ｕ字形構造が多数できることによる。その結果、その個々のＵ字形と逆Ｕ字形の構造は非変形箇所にある筋雲状の環状溝に連なっていることによって、コーティング銅ワイヤの超音波の接合強度が安定するからである。この多数本の筋雲状の溝は線径によらないので、細い線径だけでなく太い線径でも利用することができる。
また、本発明におけるコーティング銅ワイヤにおいてＦＡＢにより第一ボンドの溶融ボールが形成される場合でも、多数本の筋雲状の溝はタマネギ状構造に変化するので、コーティング銅ワイヤの溶融ボールが真球形状になると考えられる。
本発明においてワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝を形成するには、芯材の外周にゆるやかな波目模様を形成し、その上に貴な金属等の被覆材をコーティングし、理論的膜厚が数ナノメートル（ｎｍ）まで積層構造を縮径することにより、芯材と被覆材の境界面の形状効果および縮径抵抗の相違によって達成される。なお、このように芯材の外形を適当に成形加工しておけば、あとは通常の伸線速度および縮径率を適宜調節することによって容易に製造することができる。
好ましい１０点測定した時の筋雲状の溝の平均粗さ（ＲＺ）は、最終線径の３〜１５％、より好ましくは５〜１１％である。芯材単独では縮径しても、筋雲状の溝は形成されない。また、理論的膜厚が数オングストローム（０.１ｎｍ）までは多数本の筋雲状の溝が形成されるが、サブオングストローム（＜０.０１ｎｍ）では被覆材が薄すぎて筋雲状の溝は形成されない。ここで、「理論的膜厚」とは、膜厚の実測値をワイヤの線径の縮径率で比例計算したときの膜厚の推測値をいう。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材の表面形態がその芯材の結晶粒界に沿って形成されていることとしたのは、芯材の結晶粒界に沿って形成されていることが顕微鏡下で観えなくなれば、被覆材が厚くなりすぎ、ＦＡＢにより第一ボンドの溶融ボールを形成する場合には真球状のＦＡＢが形成されにくくなってしまうからである。なお、海島構造の島となる被覆材は、芯材の表面に粗に分散しているので、芯材内部の酸化までを防止することはできないと考えられる。
また、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材の表面形態をモザイク模様で形成されていることとしたのは、このモザイク模様が見えなくなれば、被覆材が薄くなりすぎることがわかり、超音波接合時のプロセスウィンドウ幅が狭くなってしまうからである。
また、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該総有機炭素量（ＴＯＣ値）を２００〜１，０００μｇ／ｍ２としたのは、芯材の周囲を取り囲む被覆材の厚さをできるだけ薄くしているためである。銅ワイヤの酸化を防止するには総有機炭素量が多いほど好ましいが、ＦＡＢを形成した場合に炭素粉として残るので好ましくない。よって、被覆層が厚い場合（海島構造）の最適値から薄い場合（モザイク模様）の最適値までの好ましい範囲として２００μｇ／ｍ２から１，０００μｇ／ｍ２までの範囲を選んだ。
コーティング銅ワイヤの表面の総有機炭素量（ＴＯＣ値）を５０〜３，０００μｇ／ｍ２としたのは、極薄のカーボン層は直接測定できないためである。カーボン層が存在すると、キャピラリ等のボンディングツールを汚染し、誤動作の原因となることから、カーボン層はできるだけ薄いことが好ましい。そこで、好ましくは２００〜１，０００μｇ／ｍ２とした。芯材と被覆材の種類および使用する超音波接合された半導体の用途によって適宜選択することができる。
有機カーボン層は、純銅合金ボンディングワイヤの全面に極薄の有機カーボン層を設けることが好ましい。大気中の酸素がワイヤ表面のナノオーダーの未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層とくっつきにくくし、純銅合金ボンディングワイヤの表面に自然形成されたワイヤ表面の未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層の極薄酸化膜層を残したまま発達しないようにするためである。２００〜１，０００μｇ／ｍ２の範囲には、純水による湯温湯洗や超音波洗浄、あるいは、有機高分子化合物の超希薄溶液の浸漬によって制御することができるが、より好ましくは希薄溶液による浸漬が良い。総有機炭素量（ＴＯＣ値）の変動が少ないからである。
有機カーボン層は、特許文献５の００１２段の潤滑油成分を用いることができ、これらはいずれも純銅合金に対して還元作用を有するが、水溶性アルコール由来の有機カーボン層が望ましい。水溶性アルコール由来の有機カーボン層としたのは、アルコールが純銅合金に対してさらに強い還元性を有するからである。よって、純銅合金ボンディングワイヤを極低濃度のアルコール水溶液に浸漬し、ワイヤ表面の未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層を残したままワイヤの全面に極薄の有機カーボン層を設けることができる。なお、ワイヤ表面を酸洗いして未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層がないまま有機カーボン層を形成しても、ワイヤ表面が活性化されるため大気中の酸素とワイヤ表面の銅（Ｃｕ）とが直接反応して飽和した銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）層を形成してしまう。よって、ワイヤ表面は酸洗いしないことが望ましい。
水溶性アルコールとしては、エタノール、メタノール、１−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−メチル−２−プロパノール、エチレングリコール、グリセリンなどがある。より好ましくは、エタノール、メタノールまたはイソプロピルアルコール由来のものである。
本発明におけるワイヤ表面の未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層や有機カーボン層および被覆材はいずれも極めて薄いので、第一ボンディングのＦＡＢ接合時には、蒸発したり、ボール内部へ分散したりして消失する。ただし、溝部分は相対的に厚いので、タマネギ状に膨らんで消失するものと考えられる。また、第二ボンディングの超音波接合時には、純銅合金ボンディングワイヤ表面に弱く結合した銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）層や有機カーボン層も超音波エネルギーによって熱分解してこれも消失する。ただし、溝部分は変形に対して比較的強いので、ワイヤの長手方向と直交する方向に末広がりに広がって消失するものと考えられる。
本発明の伸線加工面の全面に有機カーボン層が形成されていることとしたのは、一部でも形成されていない箇所があると、そこから大気中の酸素（Ｏ）が結合してしまうおそれがあるからである。
また、有機カーボン層の厚さを総有機炭素量（ＴＯＣ値）を５０〜３，０００μｇ／ｍ２としたのは、ボールボンディング用ワイヤの線径が一般的に１５〜２５μｍであり、総有機炭素量（ＴＯＣ値）から容易に有機カーボン層の理論的厚さを計算で求めることができるからである。
また、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該被覆材を所定の高純度貴金属としたのは、芯材の銅合金に対する酸化抑制効果が高いからである。
他方、当該芯材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属を０．５〜５質量％および残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金であることとしたのは、これらの貴金属合金化元素は銅（Ｃｕ）の酸化を遅延すると共に、芯材が貴金属の表面偏析層を有する場合には、貴な金属等の被覆材との接合性がさらに良好になるからである。
なお、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造において、当該貴な金属等が金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または白金（Ｐｔ）を５〜２０質量％および残部が純度９９．９９質量％以上のパラジウム（Ｐｄ）からなるパラジウム合金であることがより好ましい。
被覆材の厚さの上限は、当該筋雲状の溝に被覆材の球状体が列をなした海島構造である状態が好ましい。これ以上厚くなると、当該筋雲状の溝が被覆材で覆われて「被覆層」を形成し、貴金属を使用する場合には高価になるからである。また、ボールボンディングの場合には「被覆層」の材質および厚さの影響が強く出て、真球状の溶融ボールを形成することが困難になると共に、超音波接合時のプロセスウィンドウ幅が狭くなるからである。なお、被覆材は、例えば異なる貴金属の積層構造であっても良い。
被覆材の厚さの下限は、当該被覆材の表面形態は、その芯材の金属色が見える部分とその金属色が見えない被覆材の貴な金属等の金属色の部分のモザイク模様で形成されている状態が好ましい。モザイク模様の下に芯材の結晶粒界があるので、モザイク模様によって大気中の酸素が芯材と結合するのが阻害される。ただし、理論的膜厚がサブオングストローム未満に薄くなると、モザイク模様が消失してしまい、芯材の酸化を防ぐことができなくなるからモザイク模様の存在が好ましい。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造によれば、芯材にそのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が形成されているので、超音波接合時にそれらの溝が一対のＵ字形・逆Ｕ字形構造をとり、超音波の接合性を安定させることができる。すなわち、線材が細くなったとしても、芯材にそのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が形成されているので、超音波の設定条件をひろくとることができ、安定した接合強度が安価に得られる効果がある。よって、超音波接合用コーティング銅ワイヤの細線化が可能になる。また、多数本の筋雲状の溝によって芯材表面に形成される未飽和の銅酸化物（Ｃｕ２−ｘＯ）の広がりを寸断することができ、銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）層の形成を遅延することができる。他方、溶融ボールを形成するボンディングワイヤの場合も、被覆材の厚さの影響を受けないで、被覆材の材質によらず比較的安定した真球ボールが得られる。また、コーティング銅ワイヤの表面に有機カーボン層を形成した場合は、芯材の金属色が見える部分であってもワイヤ表面の酸化をさらに遅延させることができる。すなわち、ボンディングワイヤが製造されてから製品に使用されるまでのあいだに一定期間が経過しても、純銅合金ボンディングワイヤの表面で大気中の酸素（Ｏ）と結合して飽和した銅酸化物（Ｃｕ２Ｏ）層を形成してしまうことはない。また、本発明の純銅合金接続線の断面構造によれば、繰り返しボンディングしてもキャピラリが汚染することはない。また、本発明のコーティング銅ワイヤの構造によれば、被覆材の影響を受けないので、良好な芯材の金属成分は、第一ボンドやループ形成のボンディング特性も良好になる。よって、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤは、使用開始までのボンディングワイヤとしての製品寿命を保証することができる。
表１に示す芯材および被覆材の成分組成を有する純銅合金ワイヤ（銅（Ｃｕ）および銀（Ａｇ）は純度９９．９９９９質量％以上、他の合金化成分はそれぞれ純度９９．９９質量％以上）を均一に溶融鋳造し、中間熱処理をしながら圧延し、直径１ｍｍの太線を得た。この太線の外周にサブμｍ〜数μｍの溝を付け、被覆材を被覆した。その後、湿式でダイヤモンドダイスにより連続伸線し、最終的に直径１５μｍのワイヤを得た。実施品１〜実施品１９の理論的膜厚は、すべて５ｎｍである。また、平均の縮径率は６〜２０％、最終線速は１００ｍ／分である。
なお、後述の実施品のセカンドウィンドウ試験と表面形態の撮影のためのワイヤは別途作製した。
Figure 0005546670
（セカンドウィンドウ試験）
超音波装置によるセカンドウィンドウ試験は、Ｘ軸に超音波電流を１０ｍＡから１３０ｍＡまで１０ｍＡごとに１３段階設け、Ｙ軸に加圧力を１０ｇｆから１００ｇｆまで１０ｇｆごとに１０段階設け、全１３０の領域中で接合可能な領域の個数を求める試験である。表２に示す例では、実施例１の成分組成を有する製造直後の直径３０μｍのボンディングワイヤについて、 ケイ・アンド・エス社製全自動ワイヤボンダＩＣＯＮＮ型超音波装置にて、Ａｇめっきされたリードフレーム（ＱＦＰ−２００）上に１２０ｋＨｚの周波数でセカンドウィンドウ試験を各ウィンドウにつき１，０００本ずつ行ったものである。表２に示す例の場合の接合可能な領域（白色のボックス）の個数は６５個である。不着またはボンダが停止した領域（網目模様のボックス）の個数も６５個である。この試験結果から、線径が太く超音波出力が大きなボンディングワイヤの場合には、縮径前の波目模様の溝のピッチや深さ等を適宜変形すれば良いことがわかる。
Figure 0005546670
（実施品の表面形態）
実施品１の成分組成を有する製造直後の直径１８μｍのボンディングワイヤを用いてＦＡＢを形成した時の熱影響を受けていない箇所および超音波接合した時の潰れた箇所の表面状態についてレーザー顕微鏡（キーエンス社製ＶＫ−９７１）で撮影したものを、それぞれ図１および図２に示す。図１から明らかなように、ワイヤの長手方向に沿って楕円体状のパラジウム（Ｐｄ）粒子が列をなし、純銅合金ワイヤ上に分散している海島構造が見える。ＪＩＳ Ｂ０６０１およびＢ００３１に基づき、１０点測定した時の平均粗さ（ＲＺ）は、１．４μｍである。
なお、図１および図２に示す芯材の周囲を取り囲むパラジウム（Ｐｄ）被覆材の理論的膜厚は５ｎｍである。ＦＩＢを用いてこのボンディングワイヤを切断し、２万倍の走査電子顕微鏡を用いて切断箇所の断面を観察したが、パラジウム（Ｐｄ）被覆材の膜は観察されなかった。
その後、表１に示すコーティング銅ワイヤ（実施品１〜実施品１９）を純水またはそれぞれの濃度の有機化合物溶液に連続浸漬した後、それぞれの最適温度で調質熱処理をして本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤ（実施品１〜実施品１９）を得た。
（総有機炭素量（ＴＯＣ）の測定）
総有機炭素量（ＴＯＣ）の測定は、次のようにして行った。
総有機炭素量の測定は、それぞれ１０，０００ｍの純銅合金接続線を秤量し、０．１Ｎ−ＮａＯＨ水溶液を２００ｇ加えてウォーターバスで３０分間煮沸して抽出を行い、冷却後８Ｎ−ＨＣｌを２．５ｍｌ加えて軽く振盪し、高純度空気で１５分間バブリングする。これを島津製作所製ＴＯＣ−５０００型有機炭素測定機に供給して有機炭素濃度を測定し、この値から総有機炭素重量を計算して２０μｍ径の純銅合金接続線の表面積で除して表面の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量とした。
（実施品のセカンドウィンドウ試験）
次いで、上記本発明のボールボンディング用純銅合金接続線（実施品１〜実施品１９）を２０℃×湿度３０％のクリーンルーム内で７２時間保管する前後で、表２に示すようなセカンドウィンドウ試験をしたところ、表３の結果を得た。
Figure 0005546670
なお、セカンドウィンドウ試験についての良否の判定は、全１３０の領域中で接合可能な領域が１５個以上を○印とし、１０〜１４個までを●印とし、５〜９個までを△印とし、そして４個以下を×印とした。ただし、超音波装置による出力は、ボンディングワイヤの線径に応じて最適な周波数（４０〜１２０ｋＨｚ程度）と最適な出力（０．１〜５Ｗ程度）は、適宜定めた。
比較例
実施例と同様にして直径１ｍｍの太線からそれぞれ直径１５μｍのワイヤを得、表１に示すそれぞれの濃度の有機化合物溶液に連続浸漬し、比較例のボールボンディング用純銅合金接続線（比較品１〜比較品４）を得た。なお、平均の縮径率は６〜２０％、最終線速は１５０ｍ／分である。
比較品１は、純度９９．９９質量％の純銅合金の芯材の周囲を取り囲むパラジウム（Ｐｄ）被覆層の理論的膜厚は０．０５ｎｍである。被覆材は均一な層となり、被覆材のモザイク模様はみられない。
比較品２は、純度９９．９９質量％の純銅合金の芯材の周囲を取り囲むパラジウム（Ｐｄ）被覆層の理論的膜厚は２０ｎｍである。被覆材は均一な層となり、被覆材の球状体が列をなした海島構造はみられない。
比較品３は、純度９９．９９質量％の純銅合金の芯材の周囲を取り囲むパラジウム（Ｐｄ）被覆層の理論的膜厚は５ｎｍである。高温の７００℃の調質熱処理により被覆材の海島構造は消失している。
比較品４は、純度９９．９９質量％の純銅合金の芯材の周囲を取り囲むパラジウム（Ｐｄ）被覆層（表層は金（Ａｕ）とパラジウム（Ｐｄ）の混合層）の理論的膜厚は８０ｎｍであり、従来品（２０μｍ）よりも線径が細いもの（１５μｍ）である。
次いで、この比較品１〜比較品４を２０℃×湿度３０％のクリーンルーム内で７２時間保管した前後の比較例のボールボンディング用純銅合金接続線について、表２に示すようなセカンドウィンドウ試験をしたところ、表３の結果を得た。
超音波のセカンドウィンドウ試験から明らかなように、ボールボンディング用純銅合金接続線（実施品１〜実施品１９）は接合可能な領域がすべて１１個以上あり、多少接合条件が変化しても安定した超音波接合が得られることがわかる。他方、比較例のボールボンディング用純銅合金接続線（比較品１〜比較品４）は、製造直後のボンディングワイヤであってもいずれも５個以下しかない。しかも、製造後２０℃×湿度３０％のクリーンルーム内で７２時間保管したものは、すべて３個以下しかなく、わずかに接合条件が変動するだけで接合可能な領域が外れ、良好な接合が得られないことがわかる。
なお、本発明および比較例のボールボンディング用純銅合金接続線（実施品１〜実施品１９および比較品１〜比較品４）は、ボンディング回数が１万ボンドを超えてもすべてキャピラリの詰まりがなく、これまでと同様、キャピラリの滑り性は良好であることがわかる。
本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤは、汎用ＩＣ、ディスクリートＩＣ、メモリＩＣの他、高温高湿の用途ながら低コストが要求されるＬＥＤ用のＩＣパッケージ、自動車半導体用ＩＣパッケージ等の半導体用途がある。
図１は、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤの表面状態を示す。 図２は、本発明の超音波接合用コーティング銅ワイヤを超音波接合した時の潰れた箇所の表面状態を示す。

Claims (11)

  1. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に芯材よりも酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材がその芯材の結晶粒界に沿って形成されている被覆された表面形態であることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  2. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材がその芯材の結晶粒界に沿って形成されている被覆された表面形態であり、そのコーティング銅ワイヤの表面には、総有機炭素量（ＴＯＣ値）が５０〜３，０００μｇ／ｍ２の有機カーボン層が存在していることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  3. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に芯材よりも酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材が海島構造における球体状の島となって形成されている被覆された表面形態であることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  4. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材が海島構造における球体状の島となって形成されている被覆された表面形態であり、そのコーティング銅ワイヤの表面には、総有機炭素量（ＴＯＣ値）が５０〜３，０００μｇ／ｍ２の有機カーボン層が存在していることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  5. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に芯材よりも酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材がその芯材の金属色が見える部分とその被覆材の酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金の金属色が見える部分のモザイク模様で形成されている被覆された表面形態であることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  6. 被覆層と純度９９．９９質量％以上の純銅合金または銅合金からなる芯材とから構成されるコーティング銅ワイヤの構造であって、その芯材表面は、そのワイヤの長手方向に沿った多数本の筋雲状の溝が環状に形成され、その芯材上に貴な金属または貴な金属の合金からなる被覆材がその芯材の金属色が見える部分とその被覆材の酸化耐性の貴な金属または貴な金属の合金の金属色が見える部分のモザイク模様で形成されている被覆された表面形態であり、そのコーティング銅ワイヤの表面には、総有機炭素量（ＴＯＣ値）が５０〜３，０００μｇ／ｍ２の有機カーボン層が存在していることを特徴とする超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  7. 当該総有機炭素量（ＴＯＣ値）が２００〜１，０００μｇ／ｍ２であることを特徴とする請求項２、４または６のいずれか１項に記載の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  8. 当該被覆材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  9. 当該芯材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属を含有し、かつ、残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  10. 当該芯材が純度９９．９９質量％以上の金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）ロジウム（Ｒｈ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）またはそれらの合金からなる高純度貴金属を０．５〜５質量％および残部が純度９９．９９質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
  11. 当該超音波接合用コーティング銅ワイヤがフリーエアーボール用ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波接合用コーティング銅ワイヤの構造。
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