JP5669335B1 - 銀金合金ボンディングワイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高純度の銀金合金ボンディングワイヤであっても、これまでと同一組成の銀金合金のものよりも、樹脂封止した場合の熱衝撃性に優れた効果を発揮する銀金合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。また、本発明は、スプールに巻かれた銀金合金ボンディングワイヤの巻ほどき性の良い銀金合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。【構成】本発明の銀金合金ボンディングワイヤは、銀金合金からなるボンディングワイヤにおいて、質量百分率で、金（Ａｕ）を１０％以上３０％以下含み、カルシウム（Ｃａ）を３０ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下含み、残部が、上記元素以外の金属元素の純度が９９．９９％以上の銀（Ａｇ）からなる合金であって、当該合金の表層に酸素（Ｏ）とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成され、かつ、当該表層直下の層に金濃化層が形成されてい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銀金合金ボンディングワイヤに関し、特に高輝度ＬＥＤやパワー半導体や車載用などの高温環境下で使用される銀金合金ボンディングワイヤに関する。
従来からＩＣ、ＬＳＩなどの半導体装置のＩＣチップ電極と外部リードとを接続するため２０〜５０μｍ程度の線径のボンディングワイヤが用いられている。ボンディングワイヤは、一般的に電気伝導性に優れた金属である純度４Ｎ（９９．９９質量％）の金合金からなる細線が主として使用されている。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、金合金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いる。そして、低コスト化の要求から、金合金ボンディングワイヤの代替材料として銀合金ボンディングワイヤが検討されてきた。この銀合金ボンディングワイヤの線径は、金合金よりも太く、一般的に３０μｍ前後である。
一般に、銀金合金ボンディングワイヤも金合金ボンディングワイヤと同様のボンディング方式で接合される。すなわち、銀金合金ボンディングワイヤと前記電極との第一接合にはボール接合と呼ばれる方式が、銀金合金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第二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。
第一接合のボール接合では、フリーエアーボール（ＦＡＢ）によって銀金合金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銀金合金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る。そして、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、第二接合のウェッジ接合では、直接銀金合金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一定温度に加熱された回路配線基板上の配線へ圧着することで該配線上に接合させる。そして、銀金合金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や有機シリコーン樹脂を注入してから固体化する、いわゆる樹脂モールド工程を経て、半導体素子はパッケージ化される。
これまで銀金合金からなる銀金合金ボンディングワイヤは、さまざまな種類のものが開発されてきた。例えば、特開平１１−２８８９６２号公報（後述する特許文献１）には、「半導体デバイスの低コスト化に対応できる、チップや外部リードとの接合信頼性が高い、Ａｇ合金からなるボンディングワイヤを提供することを目的（０００５段落）」として、実施例のＮｏ．２０に「Ａｕ：４０．０重量％，Ｃａ：０．０００５重量％，Ｇｅ：０．０００５重量％，Ａｇ：残」からなるＡｇ合金を溶解鋳造で得られた鋳塊を伸線加工した銀金合金ボンディングワイヤが開示されている。
また、特開２００９−３３１２７号公報（後述する特許文献２）には、銀金合金「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（００３６段落）。…（中略）…、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（００４０段落）。」ことが開示されている。ここで、金（Ａｕ）の含有量が高いのは、銀（Ａｇ）が大気中のイオウ（Ｓ）と結合して硫化物をつくりやすいため、この硫化物の形成を防ごうとするものである。
しかしながら、樹脂封止した銀金合金のボンディングワイヤは金合金のボンディングワイヤに比べて耐熱衝撃性に劣るため、実用的な半導体パッケージには未だ使用されていなかった。特に、高輝度ＬＥＤや自動車用等の高温半導体用途では、銀金合金のボンディングワイヤにかかる熱的負荷が増大傾向にあり、耐熱衝撃性に劣る銀金合金ボンディングワイヤは採用されていなかった。すなわち、銀金合金ボンディングワイヤは金合金ボンディングワイヤよりも有機シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などのモールド樹脂との密着性が良く、このためモールド樹脂の伸縮に追随して第一接合のボールネック部等や第二接合の接合箇所から断線する課題があった。
また、銀金合金ボンディングワイヤは、金合金のボンディングワイヤと同様に、連続伸線後、通常の調質熱処理がされ、スプールに巻き取られる。しかし、融点の低い銀金合金ボンディングワイヤでも高純度の金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）を用いているため、スプールに巻き取ったワイヤ同士が相互にくっついてしまうという課題があった。
特開平１１−２８８９６２号公報 特開２００９−３３１２７号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高純度の銀金合金ボンディングワイヤであっても、これまでと同一組成の銀金合金のものよりも、樹脂封止した場合の熱衝撃性に優れた効果を発揮する銀金合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。また、本発明は、スプールに巻かれた銀金合金ボンディングワイヤの巻ほどき性の良い銀金合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明は、銀金合金ボンディングワイヤの表面における酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層によって、ボンディングワイヤの金属露呈面を減少することによりボンディングワイヤの巻ほどき性およびモールド樹脂との流動性を向上させようとするものである。また、本発明は、銀金合金ボンディングワイヤの表層直下の層に金濃化層を形成することによりイオウ（Ｓ）や酸素の侵入を防ぎ、従来と同様のボンディングワイヤの特性を維持しようとするものである。
本発明者らは、上記課題を解決するため銀金合金ボンディングワイヤの表面特性として銀（Ａｇ）が金（Ａｕ）よりも大気中で容易にイオウ（Ｓ）や微量のハロゲン物質等の影響を受けやすく、化学的変化を起こしやすい特性を利用することとした。具体的には、銀金合金の溶解鋳造工程において連続鋳造等により冷却時間を長くして鋳造していくと、インゴットの最外層に銀（Ａｇ）の濃化層が形成される。この銀（Ａｇ）の濃化層は、従来の銅鋳型や冷却したカーボン鋳型で鋳造した銀金合金では形成されなかった。
そして、この銀（Ａｇ）の濃化層があると、銀金合金中に添加した微量のカルシウム（Ｃａ）がワイヤ表面に濃化されることがわかった。すなわち、インゴット表面にあるカルシウム（Ｃａ）は大気中の酸素と結合して酸化カルシウムとして固定される。次いで、銀（Ａｇ）の濃化層のカルシウム（Ｃａ）が大気中の酸素に引き寄せられてインゴット表面で酸化される。そうすると、銀金合金内部から銀（Ａｇ）の濃化層へ新たなカルシウム（Ｃａ）が補充される。これらの反応が繰り返される結果、縮径されたワイヤの全表面に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が積み重なっていき、合金の表層に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成される結果となる。
他方、従来の金合金表面では、カルシウム（Ｃａ）は表面酸化するものの、金合金内部のカルシウム（Ｃａ）は酸素が進行せず内部酸化しない。また、金合金中のカルシウム（Ｃａ）は金マトリックス中を移動しないので、従来の金合金表面の酸化カルシウムは増加しない。また、金（Ａｕ）含有量が少ない銀合金内部では、銀合金中のカルシウム（Ｃａ）は銀マトリックス中を移動しないが、酸素は銀マトリックスを透過するので、銀マトリックス中のカルシウム（Ｃａ）は内部酸化され、固定される。すなわち、表面酸化された酸化カルシウムは銀合金表面で固定され、内部酸化された酸化カルシウムは銀マトリックス内部で固定され、表面に移動しない。その結果、銀合金表面の酸化カルシウムも増加せず、カルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成されることはない。
本発明の課題を解決するための請求項１に記載の銀金合金ボンディングワイヤは、銀金合金からなるボンディングワイヤにおいて、質量百分率で、金（Ａｕ）を１０％以上３０％以下含み、カルシウム（Ｃａ）を３０ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下含み、残部が、上記元素以外の金属元素の純度が９９．９９％以上の銀（Ａｇ）からなる合金であって、当該合金の表層に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成され、かつ、当該表層直下の層に金濃化層が形成されていることを特徴とする。
ボンディングワイヤのループ特性やリーニング等の一般的な機械的特性は、ボンディングワイヤの線径の３乗に比例する。そこで、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、銀金合金の成分組成を上記のように定め、強靭なボンディングワイヤとなるよう選択した。他方、モールド樹脂との密着性ないし流動性は、線径の２乗に比例するとともにワイヤの表面性状にも大きく依存するので、上記のような構成とした。
本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、上記金（Ａｕ）の質量百分率が１５％以上２５％以下であることが好ましい。より好ましくは１８％以上２３％以下である。
また、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、上記表層直上の層にカーボン層が存在することが好ましい。
また、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、上記金濃化層の金（Ａｕ）含有量が上記表層の金（Ａｕ）含有量よりも１０％以上多いことが好ましい。
また、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、上記表層が１０ｎｍ未満であることが好ましい。
また、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤにおいて、その線径は３０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２５μｍ以下である。ＬＥＤ等の用途に合わせて銀金合金ボンディングワイヤの線径を適宜選択できる。
本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤに用いる原料の銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）は、電気比抵抗の上昇や溶解鋳造後の酸化性介在物の低減を図る目的のため、純度９９．９９質量％以上の高純度の銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）を使用することが必要である。このため金（Ａｕ）およびカルシウム（Ｃａ）以外の金属元素の純度が９９．９９％以上の銀（Ａｇ）からなる合金とした。
さらに純度９９．９９９質量％以上の高純度の銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）を使用するのが好ましい。すなわち、より高純度の銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）を使用した銀金合金を連続鋳造等すると、銀金合金ボンディングワイヤの表面に１０ｎｍ前後の銀濃化層が形成されやすくなる。他方、通常の銅鋳型や水冷したカーボン鋳型でインゴットを作製すると、インゴットが急冷されているため、銀金合金ボンディングワイヤの表面に１０ｎｍ前後の銀濃化層は形成されない。
金（Ａｕ）は、銀金合金ボンディングワイヤの耐硫化性を向上させる元素であり、１０質量％以上で銀金合金ボンディングワイヤの硫化を防止することができる。他方、金（Ａｕ）の含有量を増加させていくと、銀金合金ボンディングワイヤの電気抵抗を上昇させる。金（Ａｕ）を１０％以上３０％以下含む銀金合金ボンディングワイヤでは、表層直下の層に金濃化層が形成され、ここでイオウ（Ｓ）や酸素の侵入が止まることがわかった。表層と金濃化層とのあいだに電池が形成されているものと思われる。そこで、金（Ａｕ）を１０％以上３０％以下とし、実用的な観点から１５％以上２５％以下が好ましく、１８％以上２３％以下がより好ましいとした。
添加元素としてカルシウム（Ｃａ）を選択したのは、銀（Ａｇ）の濃化層があると、カルシウム（Ｃａ）が大気中の酸素と反応して銀金合金ボンディングワイヤの表面に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成されるからである。カルシウム（Ｃａ）は、金ボンディングワイヤでは周知の添加元素であるが、上述したように、金マトリックス中のカルシウム（Ｃａ）が大気中の酸素と反応することはない。同様に、銀マトリックス中のカルシウム（Ｃａ）はマトリックス内で内部酸化されるが、表層に濃化層を形成することはない。
本発明の銀金合金ボンディングワイヤの表面に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が存在することは、表層直上の層にカーボン層が存在することによって確認される。すなわち、本発明の銀金合金ボンディングワイヤを界面活性剤の希薄溶液に浸漬した後水洗してもカーボン層が検出される。しかし、純度９９．９９９質量％の純金合金ボンディングワイヤや純度９９．９９９質量％の銀合金ボンディングワイヤを同様に、界面活性剤の希薄溶液に浸漬した後水洗してもカーボン層は検出されない。これは、酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層によってカーボン層がつなぎとめられていることを示唆する。他方、酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が存在することは、ボンディングワイヤのループ特性やリーニング等の一般的な機械的特性を阻害することになるので、上記表層が１０ｎｍ未満であることが好ましい。
カルシウム（Ｃａ）の含有量を３０ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下としたのは、銀金合金ボンディングワイヤの線径が２０μｍ以下に細くなっても、モールド後の熱衝撃試験でワイヤ剥がれが起きないようにするためである。ワイヤ剥がれが起きないようにするためには、ワイヤ表面にある程度の酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が必要であり、少なくともカルシウム（Ｃａ）の含有量を３０ｐｐｍ以上にすることが必要である。他方、カルシウム（Ｃａ）の含有量が９０ｐｐｍを超えると、ボンディングワイヤ自体が硬くなるため細線化工程で断線しやすくなる。カルシウム（Ｃａ）の含有量は４０ｐｐｍ以上６０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、銀金合金ボンディングワイヤの線径は、断線を避けるため３０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２５μｍ以下である。
本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤは、ＬＥＤ等のパッケージ用銀金合金ボンディングワイヤとして好適なもので、樹脂封止した場合の熱衝撃性に優れた効果を発揮する。また、本発明に係る銀金合金ボンディングワイヤは、高温放置後であってもスプールからの巻ほどき性に優れた効果を発揮する。
以下、実施例について説明する。
銀金合金ボンディングワイヤの原材料として、純度が９９．９９９質量％以上という高純度の銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）を用意した。表１左欄に示すように、予め組成を調整してから不活性雰囲気中で溶解し、その溶湯をそのまま連続鋳造し、直径１０ｍｍの銀金合金粗線を得た。
その後、これらの銀金合金粗線を大気中で伸線を行って所定の直径２ｍｍまで伸線して６００℃の中間熱処理をした。これらのワイヤのうち実施例１のワイヤについて、さらに湿式の連続伸線で直径２５μｍまで伸線して５００℃の調質熱処理をした。このワイヤの表層から中心方向への深さ方向のオージェ分析をした。分析装置は、英国ＶＧサイエンティフィック社製走査型オージェ電子顕微鏡ＭＩＣＲＯＬＡＢ−３１０Ｄを用い、加速電圧１０ｋＶおよび試料電流２０ｎＡで行った。その結果は図１のようになった。
図１から明らかな通り、実施例１のワイヤは、約８ｎｍまでの深さにカーボン層が存在し、大気中のイオウ（Ｓ）が表面に付着していることがわかる。また、酸素も検出されているところから、銀金合金中のカルシウム（Ｃａ）が酸化物を形成していることがわかる。そして、約８ｎｍのところの金（Ａｕ）の濃化層の最大のところでイオウ（Ｓ）および酸素の侵入が止まっていることがわかる。なお、金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の曲線を詳細に検討したところ、表面の金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の割合（原子％）は約２５ｎｍ以降の金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）の割合（原子％）と同じであることがわかった。
また、同装置を用いて上記ワイヤの最表面から深さ方向へ毎分１８ｎｍでエッチングをして銀（Ａｇ）の定性分析したところ、図１と同様の結果であった。
他方、上述した直径約２ｍｍの銀金合金粗線から大気中で湿式の連続伸線を行い、表１の実施例１〜６までのワイヤについて、所定の直径２０μｍまで伸線し、５００℃の調質熱処理を行うことで、伸び率を４％とする銀金合金ボンディングワイヤを得た。
こうして作製した銀金合金ボンディングワイヤについてワイヤの巻ほどき性とモールド樹脂との密着性を次のように評価した。その評価結果を表１右欄に示す。
ワイヤの巻ほどき試験：
表１に左欄に示す組成のボンディングワイヤをスプール（直径５０ｍｍ）に巻き取り、スプールを毎分９回転の回転速度で１５分間回転させつつ３０ｃｍの高さからボンディングワイヤを垂らしてボンディングワイヤを巻きほどき、ボンディングワイヤが繰り出される位置によってボンディングワイヤの巻ほどき性を評価した。すなわち、スプールからボンディングワイヤ（１）が繰り出される位置（２）が、図２のようにＡの領域であれば良好（○）、図３のようにＢ領域以下Ｄ領域までの領域であれば不良（×）と評価した。各評価水準についてはＮ数５の評価を行った。
モールド樹脂との密着性評価試験：
２０本の足を有する銀（Ａｇ）メッキされたＦｅ−Ｎｉ合金製リードフレームに模擬半導体のＡｌパッドを搭載し、株式会社新川製の汎用ボンディング装置（モデル：ＵＴＣ−１０００型）を用いて表１左欄の合金組成のボンディングワイヤについてＦＡＢボンディングを行った。４０μｍの溶融ボールにより圧着径５０μｍになるように第一ボールボンディングを行い、所定のループを描いて基板温度１５０℃、超音波出力０．２５Ｗ、１０ミリ秒で超音波接合の第二接合を行った。次いで、模擬半導体チップとリードフレームを市販されているＬＥＤ用シリコーン樹脂で充填した。この樹脂モールドした状態で１５０℃／−５５℃の熱サイクル試験を１０００サイクル行った後に、モールド樹脂を開封し、第二接合のはがれを観察した。表１右欄で得られたはがれ率は、Ｎ数＝２００個で、◎は０％、○は１％以下、△は１％以上３％未満をそれぞれ示す。
Figure 0005669335
［比較例１〜２］
表１左欄に、実施例と金（Ａｕ）およびカルシウム（Ｃａ）の成分組成が外れる比較例の各組成を示す。比較例の銀金合金極細線は、実施例と同様にして、線径が１５μｍのところで最終熱処理をして伸び率を４％に調整し、実施例１と同様にして評価した。その結果を表１右欄に示す。比較例１および比較例２の破断した部分は、ボールネック部およびボールネック部と再結晶していない部分の境界付近で観察されたが、第二接合の接合箇所も破断する可能性が高かった。
上記の結果から明らかなように、本発明の銀金合金ボンディングワイヤは、成分組成が所定の範囲内にあれば、高温の伸び率に優れており、繰返し熱サイクルの過酷な環境下でも満足のいく効果が得られることがわかる。また、ボンディングワイヤの巻ほどき性においても優れた効果が得られている。
本発明の銀金合金ボンディングワイヤは、繰返しの熱サイクルを受ける分野、例えば発光ダイオードやフリップチップパッケージ、鉛フリーはんだを適用したデバイスなどのボンディングワイヤに用いられる。また、上記適用デバイスを含む過酷な熱衝撃を受ける分野、例えば熱電機器用や車載基板半導体用などにおけるボンディングワイヤに用いられる。よって、半導体機器の製造技術の分野に貢献するところ大である。
１ ボンディングワイヤ
２ ワイヤが繰り出される位置
図１は本発明のボンディングワイヤにおける深さ方向のオージェ分析結果である。 図２はボンディングワイヤの良好な巻ほどき性を示す図である。 図３はボンディングワイヤの良好でない巻ほどき性を示す図である。

Claims (5)

  1. 銀金合金からなるボンディングワイヤにおいて、質量百分率で、金（Ａｕ）を１０％以上３０％以下含み、カルシウム（Ｃａ）を３０ｐｐｍ以上９０ｐｐｍ以下含み、残部が、上記元素以外の金属元素の純度が９９．９９％以上の銀（Ａｇ）からなる合金であって、当該合金の表層に酸素とカルシウム（Ｃａ）の濃化層が形成され、かつ、当該表層直下の層に金濃化層が形成されていることを特徴とする銀金合金ボンディングワイヤ。
  2. 上記金（Ａｕ）の質量百分率が１５％以上２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の銀金合金ボンディングワイヤ。
  3. 上記表層直上の層にカーボン層が存在することを特徴とする請求項１に記載の銀金合金ボンディングワイヤ。
  4. 上記金濃化層の金（Ａｕ）含有量が上記表層の金（Ａｕ）含有量よりも１０％以上多いことを特徴とする請求項１に記載の銀金合金ボンディングワイヤ。
  5. 上記表層が１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の銀金合金ボンディングワイヤ。


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