JP6103806B2 - ボールボンディング用ワイヤ - Google Patents
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Description
この発明は、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡ（Ball Grid Array package）、ＱＦＮ（Quad Flat Non lead package）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体パッケージにおける半導体素子上の電極と、リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等の回路配線基板の導体配線とをボールボンディング法によって接続するためのボールボンディング用ワイヤに関するものである。
上記ＢＧＡ等の半導体パッケージは、例えば、図１に示すように、配線板１上にはんだボール２を介してパッケージ基板３を設け、さらに、そのパッケージ基板３にダイボンディング材４を介して半導体素子（チップ）５を設けて、その半導体素子５を封止材６によって封止した構造である。この半導体パッケージにおける半導体素子５の電極ａとパッケージ基板３の導体配線（端子）ｃとの電気接続は、上記ボールボンディング法によって行われる。
また、上記半導体素子の一つであるＬＥＤのパッケージにおいては、例えば、図２に示すように、ケースヒートシンク１１にダイボンディング材１２を介してＬＥＤ１３を設けて、蛍光体ｅを混ぜ合わせた封止材１４によってＬＥＤ１３を封止した構造である。このパッケージにおけるＬＥＤ１３の電極aとケース電極１５の導体配線（端子）ｃとの電気接続は、ＢＧＡ等の半導体パッケージと同様に上記ボールボンディング法によって行われる。図中、１６は樹脂製ケースボディである。
これらのボールボンディング法による接続方法は、図３（ａ）〜（ｈ）に示す態様が一般的であり、同図（ａ）に示す、ワイヤＷがキャピラリー１０ａに挿通されてその先端にボール（ＦＡＢ：Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ）ｂが形成された状態から、クランプ１０ｂが開いて、キャピラリー１０ａが集積回路素子上の電極ａに向かって降下する。このとき、ボール（ＦＡＢ）ｂはキャピラリー１０ａ内に捕捉される。
ターゲットである電極ａに溶融ボールｂが接触すると（キャピラリー１０ａが電極ａに至ると）キャピラリー１０ａが溶融ボールｂをグリップし、溶融ボールｂに熱・荷重・超音波を与え、それによって溶融ボールｂが圧着されて（圧着ボールｂ’となって）電極ａと固相接合され、１ｓｔボンドが形成されて電極ａと接着する（１ｓｔ接合、図３（ｂ））。
１ｓｔボンドが形成されれば、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後（同図（ｃ））、導体配線ｃの真上まで移動する（同図（ｄ）〜（ｅ））。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー１０ａに特殊な動きをさせてワイヤＷに「くせ」を付ける動作をする場合がある（同図（ｄ）の鎖線から実線参照）。
１ｓｔボンドが形成されれば、キャピラリー１０ａは、一定高さまで上昇した後（同図（ｃ））、導体配線ｃの真上まで移動する（同図（ｄ）〜（ｅ））。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー１０ａに特殊な動きをさせてワイヤＷに「くせ」を付ける動作をする場合がある（同図（ｄ）の鎖線から実線参照）。
導体配線ｃの真上に至ったキャピラリー１０ａは、導体配線ｃに向かって降下し、ワイヤＷを導体配線（２ｎｄターゲット）ｃに押付ける（図３（ｅ）〜（ｆ））。これと同時に、その押付け部位に熱・荷重・超音波を与え、それによってワイヤＷを変形させ、ワイヤＷを導体配線ｃ上に接合させるためのステッチボンドと、次のステップでテイルを確保するテイルボンドを形成する（２ｎｄ接合、同図（ｆ））。
その両ボンドを形成した後、キャピラリー１０ａはワイヤＷを残したまま上昇し、キャピラリー１０ａの先端に一定の長さのテイルを確保した後、クランプ１０ｂを閉じて（ワイヤＷをつかんで）、テイルボンドの部分からワイヤＷを引きちぎる（図３（ｇ））。
キャピラリー１０ａは、所要の高さまで上昇すると停止し、そのキャピラリー１０ａの先端に確保されたワイヤＷの先端部分に、放電棒ｇでもって高電圧を掛けて放電し（スパークし）、その熱でワイヤＷを溶かし、この溶けたワイヤ素材は表面張力によって球状に近い溶融ボールｂになって固まる（図３（ｈ））。
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極ａと導体配線ｃとのボールボンディング法による接続がなされる。
このボールボンディング法に使用されるボンディング線（ワイヤ）Ｗの材質としては、４Ｎ（純度：９９．９９質量％以上）〜２Ｎの金が使用されている。このように金が多用されるのは金ボールｂの形状が真球状となるとともに、形成される金ボールｂの硬さが適切であって、接合時の荷重、超音波によってチップ５を損傷することがなく、確実な接合ができ、その信頼性が高いからである。
一方、ＢＧＡ等の半導体パッケージにおいては、金ボンディングワイヤＷは高価であることから、安価な銅（Ｃｕ）ボンディングワイヤへの置き換えもなされている。さらに、その銅ボンディングワイヤ表面にパラジウム（Ｐｄ）等を被覆してボンディング性を高めたものが開発され、一部では使用されている（特許文献１）。また、銀（Ａｇ）ボンディングワイヤについても開発され、一部では使用されている（特許文献２、３、４）。
一方、ＢＧＡ等の半導体パッケージにおいては、金ボンディングワイヤＷは高価であることから、安価な銅（Ｃｕ）ボンディングワイヤへの置き換えもなされている。さらに、その銅ボンディングワイヤ表面にパラジウム（Ｐｄ）等を被覆してボンディング性を高めたものが開発され、一部では使用されている（特許文献１）。また、銀（Ａｇ）ボンディングワイヤについても開発され、一部では使用されている（特許文献２、３、４）。
金ボンディングワイヤは高価である。その代替材である銅ボンディングワイヤは安価ではあるが、金ボンディングワイヤに比べてＦＡＢが硬く、電極ａのチップが脆弱であるとチップダメージ発生の恐れが高くなる。また、金ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性が悪く、連続ボンディング性に問題がある。
表面被覆銅ボンディングワイヤは、銅ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性がよく、連続ボンディング性がよいが、ＦＡＢが銅ボンディングワイヤよりもさらに硬くなるため、チップダメージ発生の問題がある。
表面被覆銅ボンディングワイヤは、銅ボンディングワイヤに比べて２ｎｄ接合性がよく、連続ボンディング性がよいが、ＦＡＢが銅ボンディングワイヤよりもさらに硬くなるため、チップダメージ発生の問題がある。
また、従来、ＢＧＡ等の半導体パッケージの電極ａにはＡｌ合金(Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）パッドが用いられていたが、高温信頼性、例えば１５０℃以上における信頼性が求められる車載などの用途ではＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ（ニッケル／パラジウム／金）被覆した電極ａが検討されている。さらに脆弱なチップ５に対するダメージ低減の必要もある。
このＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａに対し、上記表面被覆銅ボンディングワイヤは接合し難いという問題があり、銅ボンディングワイヤは、脆弱なチップ５に対してダメージを与えないような条件でボンディングしようとすると、十分な接合ができないという問題がある。
このＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａに対し、上記表面被覆銅ボンディングワイヤは接合し難いという問題があり、銅ボンディングワイヤは、脆弱なチップ５に対してダメージを与えないような条件でボンディングしようとすると、十分な接合ができないという問題がある。
さらに、従来、ＬＥＤパッケージにおいてはＡｕ被覆した電極ａのＬＥＤ１３が用いられ、電極ａとの接続には金ボンディングワイヤが用いられている。この金を用いた組み合わせではコストダウンができないため、ＬＥＤ１３用にも安価なボンディングワイヤが望まれている。しかし、銅ボンディングワイヤは連続ボンディング性に難があり、Ｐｄ表面被覆銅ボンディングワイヤではＦＡＢが硬くなるため、チップダメージが発生する恐れがある。また、銅ボンディングワイヤ又はＰｄ表面被覆銅ボンディングワイヤを用いると、ＬＥＤ１３の種類によってはＬＥＤ１３そのものの輝度を低下させることもある。
また、従来の銀ボンディングワイヤでは、ボールｂを形成する際に窒素（Ｎ２）ガスを吹き付けて非酸化雰囲気で放電するのが一般的である。これに対し、特許文献２、３に、Ａｇ（銀）にＡｌ（アルミニウム）もしくはＭｇ（マンガン）を添加することにより、Ｎ２ガスを吹き付けることなく大気中で放電しても形状のよいボールｂを得ることができることが記載されている。
しかし、近年、ＢＧＡの半導体パッケージでは、電極ａが小さくなり、また、電極ａ同士の距離も近くなっているので、より安定した真球状のボールｂを得る必要があるため、銀ボンディングワイヤにおいても、一般的なＮ２ガスを吹き付けて放電する方が好ましくなっている。このＮ２ガスを吹き付けて放電した場合、周囲からの酸素の侵入は防ぐことができるが、ワイヤ先端が溶融した際にワイヤ表面の酸化銀から上記添加したＡｌもしくはＭｇが酸素を奪い、Ａｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯができる。このとき、ＡｌもしくはＭｇを多量に含有していると、このＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯがボールｂ表面に大量に生成してしまい、電極ａとの接合の際に硬質なＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯが電極ａを損傷する問題がある。
しかし、近年、ＢＧＡの半導体パッケージでは、電極ａが小さくなり、また、電極ａ同士の距離も近くなっているので、より安定した真球状のボールｂを得る必要があるため、銀ボンディングワイヤにおいても、一般的なＮ２ガスを吹き付けて放電する方が好ましくなっている。このＮ２ガスを吹き付けて放電した場合、周囲からの酸素の侵入は防ぐことができるが、ワイヤ先端が溶融した際にワイヤ表面の酸化銀から上記添加したＡｌもしくはＭｇが酸素を奪い、Ａｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯができる。このとき、ＡｌもしくはＭｇを多量に含有していると、このＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯがボールｂ表面に大量に生成してしまい、電極ａとの接合の際に硬質なＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＯが電極ａを損傷する問題がある。
同様に、特許文献４にワイヤ強度や耐熱性を向上させるために、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）を添加することが記載されているが、これらの元素についても多量に添加すると、それらの元素の酸化物が電極ａを損傷する問題がある。
また、特許文献４にはワイヤの接合信頼性を高めるために、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕを添加することが記載されている。しかし、このような元素を多量に添加すれば、ワイヤ自体の電気抵抗が上がり、ボンディングワイヤＷとしての性能を損なう問題が生じる。すなわち、上述のとおりＢＧＡ等の半導体パッケージでは、電極ａはより小さく、その電極ａ間の距離もより近くなっているため、１ｓｔ接合部を小さくすることが求められている。そのためには、ボンディングワイヤの直径を小さくする必要があるが、通常、その直径を小さくすることによって電気抵抗が高くなるため、ワイヤの直径を小さくして所要の径にすることができなくなる問題がある。また、ＬＥＤ１３においては、光度を上げるために動作電流が高くなってきているが、ワイヤの電気抵抗が高いと発熱の問題が生じ、封止樹脂の寿命を縮める不具合が生じる。
また、特許文献４にはワイヤの接合信頼性を高めるために、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕを添加することが記載されている。しかし、このような元素を多量に添加すれば、ワイヤ自体の電気抵抗が上がり、ボンディングワイヤＷとしての性能を損なう問題が生じる。すなわち、上述のとおりＢＧＡ等の半導体パッケージでは、電極ａはより小さく、その電極ａ間の距離もより近くなっているため、１ｓｔ接合部を小さくすることが求められている。そのためには、ボンディングワイヤの直径を小さくする必要があるが、通常、その直径を小さくすることによって電気抵抗が高くなるため、ワイヤの直径を小さくして所要の径にすることができなくなる問題がある。また、ＬＥＤ１３においては、光度を上げるために動作電流が高くなってきているが、ワイヤの電気抵抗が高いと発熱の問題が生じ、封止樹脂の寿命を縮める不具合が生じる。
因みに、金ボンディングワイヤとＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａ又はＡｕ被覆電極aとの接合であれば、同被覆電極との接合箇所の耐食性は良いが、材料費が高価になるという問題がある。因みに、金ボンディングワイヤとＡｌ電極との接合箇所は耐食性が低い。
この発明は、以上の実状の下、特に、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａ又はＡｕ被覆電極ａとの接合性がよく、かつ金ボンディングワイヤより安価なボンディング用ワイヤとすることを課題とする。
上記課題を達成するため、この発明は、半導体素子の電極と回路配線基板の導体配線と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又はその製造方法において、そのワイヤの引張伸びＥＬがその伸びの最小値ＥＬＬの１．５倍以上、同最大値ＥＬＨの０．８倍以下となるように、炉温度を３５０℃以上６００℃以下、ワイヤ走行速度を３０〜９０ｍ／分の調質熱処理を行なったＡｇを主成分とするものとしたのである。
Ａｇを主体（主成分）とするボンディングワイヤは、Ａｕを主体とする金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得る。
このＡｇを主成分とするボンディングワイヤＷの製造方法は、従来と同様に、例えば、連続鋳造法で大きな線径の所要の化学組成のロッドを作製し、そのロッドをダイスに順次貫通させていくことにより、所定の線径、例えば、５０．８μｍ以下に伸線する。その後、ワイヤＷに調質熱処理を施す。
このＡｇを主成分とするボンディングワイヤＷの製造方法は、従来と同様に、例えば、連続鋳造法で大きな線径の所要の化学組成のロッドを作製し、そのロッドをダイスに順次貫通させていくことにより、所定の線径、例えば、５０．８μｍ以下に伸線する。その後、ワイヤＷに調質熱処理を施す。
その調質熱処理は、所定の線径まで伸線を行いリールに巻きとられたワイヤＷを、巻き戻して管状の熱処理炉中に走行させ、再び巻き取りリールで巻き取ることによって連続熱処理を行う。管状の熱処理炉中にはＮ２ガスもしくはＮ２に微量のＨ２を混合させたガスを流す。また、その炉温度は３５０℃以上６００℃以下として、ワイヤ走行速度は３０〜９０ｍ／分で熱処理を行う。このとき、例えば、炉長：５０ｃｍであれば、ワイヤ走行速度：３０〜９０ｍ／分の場合、調質熱処理時間は０．３３〜１秒となる。
この調質熱処理において、ボンディングワイヤＷの「引張り伸び（ＥＬ）」は、そのワイヤＷが同一化学組成の場合、熱処理温度と熱処理時間に左右され、図４に示すワイヤＷの軟化曲線のように、熱処理温度が高くなったり、熱処理時間が長くなったりすれば、それに応じて大きくなる。そのいずれにおいても、同図のように、ある低温の熱処理温度又は短い熱処理時間までは、大きな伸びの変化はなく、そのある低温熱処理温度又は短い熱処理時間からある高温の熱処理温度又は長い熱処理時間までは、急な上昇カーブの伸びを示し、そのある高温の熱処理温度又は長い熱処理時間からは大きな変化を示さない。
その大きな伸びを示さない低温の熱処理温度又は短い熱処理時間までの引張り伸びＥＬを最小値「ＥＬＬ」、一方、大きな伸びを示さなくなる高温の熱処理温度又は長い熱処理時間引張り伸びＥＬを最大値「ＥＬＨ」とする。例えば、Ｐｄを２．０質量％、Ｃａを１０質量ｐｐｍ、Ｃｕを５０質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｇである組成で線径が３０μｍのワイヤＷであると、炉長５０ｃｍの電気炉を用いて調質熱処理をした場合、２００℃・９０ｍ／分でＥＬが１．０％となり、この値がＥＬＬとなる。一方、６５０℃・３０ｍ／分でＥＬが２８％となり、この値がＥＬＨとなる。
このようにして、各化学組成のワイヤＷにおける熱処理温度及び熱処理時間を変化させて、そのＥＬＬとＥＬＨを決定すると、後記の実施例と比較例の対比から、ワイヤＷの引張試験における伸び（ＥＬ）がその最小値（ＥＬＬ）の１．５倍以上、最大値（ＥＬＨ）の０．８倍以下となるように調整する。
すなわち、通常、ＥＬがＥＬＬの１．５倍未満であると、低温もしくは短時間で調質熱処理を行うこととなって、ワイヤＷは硬質となるため、ワイヤＷはボンディングの際にクセがつけにくくなる。そのため、１ｓｔ接合部と２ｎｄ接合部の距離が近い場合、ワイヤＷが硬質であることから、１ｓｔ、２ｎｄ接合部の両方に負荷がかかり、接合部付近のワイヤ部分が破断に至ることがある。また、２ｎｄ接合の際にワイヤが変形しにくくなるため、２ｎｄ接合性が悪くなって、連続ボンディング性が悪くなる。
一方、ＥＬがＥＬＨの０．８倍を上回ると、高温もしくは長時間で調質熱処理を行うこととなって、ワイヤＷは軟質となるため、１ｓｔ接合部に比べて２ｎｄ接合部の高さが著しく低く、１ｓｔ接合部直上のワイヤ部分（ネック部分）に負荷がかかる場合、このネック部分に亀裂が生じる恐れがある。また、ワイヤ強度が低下するため、その低下によってワイヤフローが発生する恐れがある。
一方、ＥＬがＥＬＨの０．８倍を上回ると、高温もしくは長時間で調質熱処理を行うこととなって、ワイヤＷは軟質となるため、１ｓｔ接合部に比べて２ｎｄ接合部の高さが著しく低く、１ｓｔ接合部直上のワイヤ部分（ネック部分）に負荷がかかる場合、このネック部分に亀裂が生じる恐れがある。また、ワイヤ強度が低下するため、その低下によってワイヤフローが発生する恐れがある。
以上から、ＥＬをＥＬＬの１．５倍以上、ＥＬＨの０．８倍以下とすれば、後記実施例と比較例の対比から、連続ボンディング性が良好となり、ループに亀裂などの欠陥がなく、ワイヤフローの発生の恐れも少なくなる。
例えば、上記Ｐｄを２．０質量％、Ｃａを１０質量ｐｐｍ、Ｃｕを５０質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｇである組成で線径が３０μｍのワイヤＷの場合、ＥＬＬ：１．０％、ＥＬＨ：２８％であることから、５００℃・３０ｍ／分で熱処理すれば、ＥＬが１０％となるので、ＥＬＬの１．５倍以上、ＥＬＨの０．８倍以下となり、上記の好ましい特性が得られる。
特に、後記実施例と比較例の対比から、ＥＬをＥＬＬの２．０倍以上でかつＥＬＨの０．７倍以下とすれば、ループに亀裂などの欠陥が発生する可能性をより低減できる。
例えば、上記Ｐｄを２．０質量％、Ｃａを１０質量ｐｐｍ、Ｃｕを５０質量ｐｐｍ含有し、残部がＡｇである組成で線径が３０μｍのワイヤＷの場合、ＥＬＬ：１．０％、ＥＬＨ：２８％であることから、５００℃・３０ｍ／分で熱処理すれば、ＥＬが１０％となるので、ＥＬＬの１．５倍以上、ＥＬＨの０．８倍以下となり、上記の好ましい特性が得られる。
特に、後記実施例と比較例の対比から、ＥＬをＥＬＬの２．０倍以上でかつＥＬＨの０．７倍以下とすれば、ループに亀裂などの欠陥が発生する可能性をより低減できる。
なお、調質熱処理において、炉温度を３５０℃以上６００℃以下、ワイヤ走行速度を３０〜９０ｍ／分としたのは、その熱処理温度とワイヤ走行速度の範囲内であると、伸びの最小値（ＥＬＬ）：１．５倍以上、同最大値（ＥＬＨ）：０．８倍以下となるように調整することが容易にできたからである。
このボンディングワイヤＷの化学組成は、上記のＥＬＬ：１．５倍以上、ＥＬＨ：０．８倍以下となるＡｇを主成分とする従来周知の構成を適宜に採用すれば良いが、例えば、Ｐｄを０．５〜３．０質量％含み、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素を合計で１〜１０質量ｐｐｍ含み、かつ、Ｃｕを５〜３００ｐｐｍ含み、それ以外がＡｇ及び不可避不純物からなる構成とすることができる。
Ｐｄは、耐食性及び良好な電気特性を得るために添加するが、図３（ｈ）に示すように、ＦＡＢを作製する時にワイヤ先端部と放電棒ｇとの間で放電させてワイヤ先端を溶融させる際、Ａｇに比べて高融点なＰｄがＦＡＢ表面に集積するため、ＦＡＢ（ボールｂ）表面がＰｄの高濃度層になり、同図（ｂ）の、次に続く１ｓｔ接合時に電極ａとの接合界面の高信頼性化に寄与する。
このＰｄの添加において、Ｐｄが０．５質量％未満であると、接合部の信頼性が低くなる。より好ましくは０．７質量％以上であれば、特に湿潤環境下での信頼性が確保できる。また、３．０質量％を超えた量を添加すると、一般的に用いられているＡｕ−Ｐｄ合金ボンディングワイヤの電気抵抗（固有抵抗３．０μΩ・ｃｍ）よりも本発明に係るワイヤの電気抵抗が高くなるため、直径を小さくすることが難しくなる。また、より好ましくは１．５質量％以下とすると、一般的に用いられている４ＮのＡｕボンディングワイヤよりも低い電気抵抗（固有抵抗２．３μΩ・ｃｍ以下）を得ることができる。
このＰｄの添加において、Ｐｄが０．５質量％未満であると、接合部の信頼性が低くなる。より好ましくは０．７質量％以上であれば、特に湿潤環境下での信頼性が確保できる。また、３．０質量％を超えた量を添加すると、一般的に用いられているＡｕ−Ｐｄ合金ボンディングワイヤの電気抵抗（固有抵抗３．０μΩ・ｃｍ）よりも本発明に係るワイヤの電気抵抗が高くなるため、直径を小さくすることが難しくなる。また、より好ましくは１．５質量％以下とすると、一般的に用いられている４ＮのＡｕボンディングワイヤよりも低い電気抵抗（固有抵抗２．３μΩ・ｃｍ以下）を得ることができる。
Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは、ワイヤ強度や耐熱性を向上させるために添加するが、その１種以上の元素の合計添加が１質量ｐｐｍ未満であると、そのワイヤの耐熱性が低くなって実用上の問題が生じる。すなわち、耐熱性が低ければ、ボールｂ生成の際の放電による熱影響によってボールｂ直上のワイヤ部分の強度が低くなり、樹脂封止時にその部分が曲がったり断線したりする不具合が生じる。一方、合計添加量が１０質量ｐｐｍを超えると、添加元素がワイヤ表面の酸化銀から酸素を奪い、酸化物となって大量にボールｂ表面に生じる。この酸化物の大量析出によって、１ｓｔ接合時に電極ａが損傷するため、合計添加量は１０質量ｐｐｍ以下とする。
ここで、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは希土類元素であり、入手性に難があるため、Ｃａの添加が最も好ましい。
ここで、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは希土類元素であり、入手性に難があるため、Ｃａの添加が最も好ましい。
また、ワイヤの強度を上げるためにＣｕを５質量ｐｐｍ以上添加する。Ａｇの強度を上げるために添加する元素としては、Ｎｉ、Ｔｉ（チタン）なども挙げられるが、Ｎｉは添加するための鋳造・凝固の際に２相に分離することがあるため、添加が難しく、ＴｉはＡｇ、Ｐｄと反応してそれぞれ脆弱な金属間化合物を作るので、好ましくない。ＣｕについてはＡｇ中に安定して添加できるため最適である。
Ｃｕが５質量ｐｐｍ未満であると、ワイヤの強度が不足するため、ワイヤボンディング後の樹脂封止の際にワイヤフローを起こしやすくなる。また、Ｃｕの添加量が３００質量ｐｐｍを超えると、ボールｂの形状が安定した真球状にならず、異形のボールｂが発生し易くなる。
Ｃｕが５質量ｐｐｍ未満であると、ワイヤの強度が不足するため、ワイヤボンディング後の樹脂封止の際にワイヤフローを起こしやすくなる。また、Ｃｕの添加量が３００質量ｐｐｍを超えると、ボールｂの形状が安定した真球状にならず、異形のボールｂが発生し易くなる。
このワイヤＷの線径はボンディングワイヤとして使用し得れば任意であるが、例えば、１２〜５０．８μｍとする。５０．８μｍ以下とすると溶融ボールｂをより小さくでき、１２μｍ未満であると、ボンディング前にオペレータがワイヤＷをキャピラリー１０ａに通すのが困難になり、作業性が悪くなるうえに、空気圧によりワイヤに十分な張力をかけることができなくなり、ループ制御が困難になる恐れがある。
この発明は、以上のようにＡｇを主体としたので、金ボンディングワイヤに比べれば、安価なものとし得るとともに、その引張伸びＥＬがその伸びの最小値ＥＬＬの１．５倍以上、同最大値ＥＬＨの０．８倍以下となるようにしたので、連続ボンディング性及び亀裂等の欠陥が発生し難い適度な強度のワイヤとなってＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極又はＡｕ電極との接合性が良いものとすることができる。
純度が９９．９９質量％以上（４Ｎ）の高純度Ａｇを用いて、表１に示す化学成分の銀合金を鋳造し、８ｍｍφのワイヤロッドを作成した。そのワイヤロッドを伸線加工し所定の最終線径（１２〜５０μｍφ）の銀合金線とし、窒素雰囲気中で種々の加熱温度・加熱時間にて連続焼鈍した。その連続焼鈍による調質熱処理は、炉長：５０ｃｍの炉において、その炉温度を３５０℃以上６００℃以下、ワイヤ走行速度を３０〜９０ｍ／分で行なった。なお、化学成分の定量はＩＣＰ−ＯＥＳ(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法)により行った。
その連続焼鈍した各ワイヤＷの引張試験を行なって伸びＥＬを測定した。その引張試験は試料長さ：１００ｍｍ（Ｗ０）のワイヤＷを引張速度１０ｍ／分の速度で引張り、破断に至る時のワイヤ長（ＷＬ）を測定し、伸びＥＬ＝（ＷＬ―Ｗ０）／Ｗ０×１００として算出した。この伸びＥＬを、各化学組成のワイヤＷにおいてそれぞれ種々の加熱温度・加熱時間の熱処理条件において測定し、図４に示す各化学組成のワイヤＷにおける伸びの最小値ＥＬＬ、最大値ＥＬＨを求めた。
表１の化学組成の各実施例及び比較例において、その伸びＥＬがＥＬＬの２．０倍以上でかつＥＬＨの０．７倍以下となるように調質されたワイヤＷは、その伸びＥＬを「Ａ１」とし、同伸びＥＬがＥＬＬの１．５倍以上でかつＥＬＬの２．０倍未満であれば「Ａ２」、同伸びＥＬＨの０．７倍を超えてかつＥＬＨの０．８倍以下であれば「Ａ３」、同伸びＥＬがＥＬＬの１．５倍未満であれば「Ｂ」、同伸びＥＬがＥＬＨの０．８倍を超えれば「Ｃ」と区分した（図４参照）。
この各実施例及び各比較例に対し、それぞれ下記の試験を行った。
『評価項目』
各ワイヤＷについて、自動ワイヤボンダで、図３に示すボールボンディングを行った。すなわち、放電棒ｇによるアーク放電によりワイヤＷ先端にＦＡＢ（ボールｂ）を作製し、それを半導体素子（チップ）５、１３上のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａ又はＡｕ被覆電極ａに接合し、ワイヤ他端をリード端子（導体配線）ｃに接合した（図１、図２参照）。なお、ＦＡＢ作製時にはワイヤＷ先端部に窒素（Ｎ２）ガスを流しながらアーク放電を行った。リード端子ｃにはＡｇ被覆４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金を使用した。
評価に用いたボンディング試料における連続ボンディング性、ループ形状（亀裂等の欠陥発生の有無）、ＨＡＳＴ、１ｓｔ接合部のチップ損傷、電気抵抗、樹脂封止時のワイヤフロー、ＦＡＢの形状安定性及び総合評価を表２に示す。それらの評価方法等は以下の通りである。
『評価項目』
各ワイヤＷについて、自動ワイヤボンダで、図３に示すボールボンディングを行った。すなわち、放電棒ｇによるアーク放電によりワイヤＷ先端にＦＡＢ（ボールｂ）を作製し、それを半導体素子（チップ）５、１３上のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ被覆電極ａ又はＡｕ被覆電極ａに接合し、ワイヤ他端をリード端子（導体配線）ｃに接合した（図１、図２参照）。なお、ＦＡＢ作製時にはワイヤＷ先端部に窒素（Ｎ２）ガスを流しながらアーク放電を行った。リード端子ｃにはＡｇ被覆４２％Ｎｉ−Ｆｅ合金を使用した。
評価に用いたボンディング試料における連続ボンディング性、ループ形状（亀裂等の欠陥発生の有無）、ＨＡＳＴ、１ｓｔ接合部のチップ損傷、電気抵抗、樹脂封止時のワイヤフロー、ＦＡＢの形状安定性及び総合評価を表２に示す。それらの評価方法等は以下の通りである。
『評価方法』
「連続ボンディング性」
ボンディングマシンで１０，０００回の連続ボンディングを行い、マシンストップが発生しなければ「Ａ」、１回のマシンストップが発生すれば「Ｂ」、２回以上のマシンストップが起これば「Ｄ」とした。このとき、ステージ温度が低くなれば、その連続ボンディングが困難になることから、２００℃(±５℃)、１５０℃(±５℃)の２水準で行った。
「連続ボンディング性」
ボンディングマシンで１０，０００回の連続ボンディングを行い、マシンストップが発生しなければ「Ａ」、１回のマシンストップが発生すれば「Ｂ」、２回以上のマシンストップが起これば「Ｄ」とした。このとき、ステージ温度が低くなれば、その連続ボンディングが困難になることから、２００℃(±５℃)、１５０℃(±５℃)の２水準で行った。
「ループ形状（亀裂等の欠陥発生の有無）」
ボンディング後のループを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で３０本確認し、ワイヤ表面の亀裂の有無により判定した。ワイヤ表面が平滑に弧を描き、３０本どこにも亀裂が生じていないものの評価を「Ａ」とし、ワイヤ径の３％未満の亀裂が生じているものがあっても同３％以上の亀裂のあるものがない場合は使用上の問題がないと判断して「Ｂ」、1本でもワイヤ径の３％以上の亀裂が生じているものがある場合は使用上問題があると判断して評価を「Ｄ」とした。
ボンディング後のループを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で３０本確認し、ワイヤ表面の亀裂の有無により判定した。ワイヤ表面が平滑に弧を描き、３０本どこにも亀裂が生じていないものの評価を「Ａ」とし、ワイヤ径の３％未満の亀裂が生じているものがあっても同３％以上の亀裂のあるものがない場合は使用上の問題がないと判断して「Ｂ」、1本でもワイヤ径の３％以上の亀裂が生じているものがある場合は使用上問題があると判断して評価を「Ｄ」とした。
「ＨＡＳＴ(Highly Accelerated temperature & humidity Stress Test)による信頼性評価」
ボンディング試料３０本を１３０℃／８５％ＲＨ（Relative Humidity）の試験槽中に１０００時間装入し、１０００時間経過後のシェア強度Ｈ(１０００)を初期のシェア強度Ｈ(Initial)で除した割合Ｒ(Ｒ=Ｈ(１０００)/Ｈ(Initial)×１００)を用いて評価した。各試料のＲが全て８０％以上なら「Ａ」、各試料のＲ平均値が６０％以上８０％未満では「Ｂ」、同６０％未満では「Ｄ」とした。
ボンディング試料３０本を１３０℃／８５％ＲＨ（Relative Humidity）の試験槽中に１０００時間装入し、１０００時間経過後のシェア強度Ｈ(１０００)を初期のシェア強度Ｈ(Initial)で除した割合Ｒ(Ｒ=Ｈ(１０００)/Ｈ(Initial)×１００)を用いて評価した。各試料のＲが全て８０％以上なら「Ａ」、各試料のＲ平均値が６０％以上８０％未満では「Ｂ」、同６０％未満では「Ｄ」とした。
「ボンディング後、１ｓｔ接合部直下のチップ損傷の評価」
１ｓｔ接合部および電極膜を王水で溶解し、半導体素子５、１３のクラックを光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の接合部を観察して３μｍ未満の微小なピットが１個もしくはまったく見られない場合は「Ａ」、３μｍ以上のクラックが２個以上認められた場合を「Ｄ」とした。
１ｓｔ接合部および電極膜を王水で溶解し、半導体素子５、１３のクラックを光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の接合部を観察して３μｍ未満の微小なピットが１個もしくはまったく見られない場合は「Ａ」、３μｍ以上のクラックが２個以上認められた場合を「Ｄ」とした。
「電気抵抗」
４端子法を用いて室温での電気抵抗を測定した。３試料の固有抵抗の平均値が２．３μΩ・ｃｍ未満であれば十分な導電性を有すると考えられるので「Ａ」、同２．３μΩ・ｃｍ以上３.０μΩ・ｃｍ未満であれば「Ｂ」、同３.０μΩ・ｃｍ以上であれば「Ｄ」とした。
４端子法を用いて室温での電気抵抗を測定した。３試料の固有抵抗の平均値が２．３μΩ・ｃｍ未満であれば十分な導電性を有すると考えられるので「Ａ」、同２．３μΩ・ｃｍ以上３.０μΩ・ｃｍ未満であれば「Ｂ」、同３.０μΩ・ｃｍ以上であれば「Ｄ」とした。
「樹脂封止時のワイヤフローの評価」
ワイヤ長：５ｍｍのボンディング試料をエポキシ樹脂で封止した後で、Ｘ線非破壊観察装置にて最大ワイヤフロー量を測定した。測定は２０本行い、その平均値をワイヤ長５ｍｍで除した割合をワイヤフロー率とした。このワイヤフロー率が５％未満なら「Ａ」、５％以上７％未満では「Ｂ」、７％以上では実用上の問題があると考えて評価を「Ｄ」とした。
ワイヤ長：５ｍｍのボンディング試料をエポキシ樹脂で封止した後で、Ｘ線非破壊観察装置にて最大ワイヤフロー量を測定した。測定は２０本行い、その平均値をワイヤ長５ｍｍで除した割合をワイヤフロー率とした。このワイヤフロー率が５％未満なら「Ａ」、５％以上７％未満では「Ｂ」、７％以上では実用上の問題があると考えて評価を「Ｄ」とした。
「ＦＡＢ形状の安定性の評価」
ワイヤ径に対するＦＡＢ径の比率が小さくなると、安定性の確保が難しいことから、ＦＡＢ径/ワイヤ径の比率が１．９〜２．１の時の真球性を評価した。接合前のボールを５０本観察して、ＦＡＢ形状が真球状であるか否かを判定した。真球状の比率が９５％以上であれば「Ａ」、同９５％未満であれば、「Ｄ」とした。ここで、ＦＡＢ（ボールｂ）の作製はＮ２ガスを吹き付けながら行なった。
ワイヤ径に対するＦＡＢ径の比率が小さくなると、安定性の確保が難しいことから、ＦＡＢ径/ワイヤ径の比率が１．９〜２．１の時の真球性を評価した。接合前のボールを５０本観察して、ＦＡＢ形状が真球状であるか否かを判定した。真球状の比率が９５％以上であれば「Ａ」、同９５％未満であれば、「Ｄ」とした。ここで、ＦＡＢ（ボールｂ）の作製はＮ２ガスを吹き付けながら行なった。
「総合評価」
各評価において、すべてが「Ａ」であるものを「Ａ」、「Ａ」と「Ｂ」が混在するものを「Ｂ」、一つでも「Ｄ」があり、その「Ｄ」が連続ボンディング性又はループ形状以外のものは「Ｃ」、同連続ボンディング性又はループ形状を含むものは「Ｄ」とした。この発明は、連続ボンディング性及びループ形状の向上を目的とし、「ＨＡＳＴ」等の向上は要求されない場合があり、評価「Ｃ」であっても使用し得る場合があるからである。
各評価において、すべてが「Ａ」であるものを「Ａ」、「Ａ」と「Ｂ」が混在するものを「Ｂ」、一つでも「Ｄ」があり、その「Ｄ」が連続ボンディング性又はループ形状以外のものは「Ｃ」、同連続ボンディング性又はループ形状を含むものは「Ｄ」とした。この発明は、連続ボンディング性及びループ形状の向上を目的とし、「ＨＡＳＴ」等の向上は要求されない場合があり、評価「Ｃ」であっても使用し得る場合があるからである。
この表１、２において、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素の合計が１０質量ｐｐｍを超えると、比較例１、３、１０からＦＡＢ表面に析出物の生成が確認され、１ｓｔ接合部のチップ損傷が発生するために「１ｓｔ接合部のチップ損傷」が「Ｄ」となり、総合評価でも「Ｄ」となっている。これらの元素を含有しない場合は、比較例６、９から、樹脂封止時にワイヤフローが起こり、「Ｄ」となって総合評価で「Ｄ」となっている。
また、Ｐｄが０．５質量％未満であると、比較例２から、ＨＡＳＴ評価において「Ｄ」、３．０質量％を超えると、比較例６、７から、電気抵抗の評価において「Ｄ」となって、総合評価で「Ｄ」となっている。
また、Ｃｕの添加量が５質量ｐｐｍ未満であると、比較例１〜４、１０から樹脂封止の際にワイヤフローが起こるため、その評価において「Ｄ」、３００質量ｐｐｍを超えると、比較例６〜９から、ＦＡＢ形状の安定性評価が「Ｄ」となり、総合評価で「Ｄ」となっている。
また、Ｃｕの添加量が５質量ｐｐｍ未満であると、比較例１〜４、１０から樹脂封止の際にワイヤフローが起こるため、その評価において「Ｄ」、３００質量ｐｐｍを超えると、比較例６〜９から、ＦＡＢ形状の安定性評価が「Ｄ」となり、総合評価で「Ｄ」となっている。
さらに、伸びＥＬが「Ｂ」又は「Ｃ」であると、比較例１〜１０から、ループ形状の観察において、亀裂が認められるため「Ｄ」となる。ＥＬが「Ｂ」であると、比較例１、２、５、６、８、９から、連続ボンディング性が「Ｄ」となり、ＥＬが「Ｃ」であると、比較例３、４、７、１０からワイヤフローが起こるためその評価において「Ｄ」となって、総合評価で「Ｄ」となっている。
このように、比較例１〜１０においては、各評価において、「Ｄ」が２つ以上あるとともに、連続ボンディング性又はループ形状の評価において「Ｄ」となっている。
このように、比較例１〜１０においては、各評価において、「Ｄ」が２つ以上あるとともに、連続ボンディング性又はループ形状の評価において「Ｄ」となっている。
これに対し、各実施例１〜２５は、ワイヤＷの引張伸びＥＬが伸びの最小値ＥＬＬの１．５倍以上、最大値ＥＬＨの０．８倍以下（Ａ１〜Ａ３）であるボンディング用ワイヤであることから、総合評価において「Ａ」、「Ｂ」又は「Ｃ」を得て、実用上問題がないか（Ａ、Ｂ）又は使用条件を特定すれば、使用可能である（Ｃ）ことが理解できる。
この引張伸びのワイヤＷにおいて、実施例１〜２０は、いずれも、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素を合計で１〜１０質量ｐｐｍ含み、Ｐｄを０．５〜３．０質量％含み、Ｃｕを５〜３００質量ｐｐｍ含み、ＥＬがＡ１、Ａ２又はＡ３であることから、連続ボンディング性、ループ形状、ＨＡＳＴ、１ｓｔ接合部のチップ損傷、電気抵抗、樹脂封止時のワイヤフロー及びＦＡＢ形状の安定性の各評価において、「Ａ」又は「Ｂ」を得ており、総合評価においては、「Ｂ」以上を得て、実用上問題ないことがわかる。
この引張伸びのワイヤＷにおいて、実施例１〜２０は、いずれも、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素を合計で１〜１０質量ｐｐｍ含み、Ｐｄを０．５〜３．０質量％含み、Ｃｕを５〜３００質量ｐｐｍ含み、ＥＬがＡ１、Ａ２又はＡ３であることから、連続ボンディング性、ループ形状、ＨＡＳＴ、１ｓｔ接合部のチップ損傷、電気抵抗、樹脂封止時のワイヤフロー及びＦＡＢ形状の安定性の各評価において、「Ａ」又は「Ｂ」を得ており、総合評価においては、「Ｂ」以上を得て、実用上問題ないことがわかる。
また、Ｐｄが０．７質量％以上であれば、実施例３〜１５、１８〜２０、比較例１、３、５〜１０から、ＨＡＳＴ評価において「Ａ」となり、高い信頼性を有することが理解できる。一方、Ｐｄが１．５質量％以下であると、実施例１〜３、５〜９、１１、１２、１４〜１８、２０〜２２、２５、比較例１〜５、８、９から、電気抵抗評価において「Ａ」となり、良好な電気特性を得られることが理解できる。
さらに、ＥＬがＡ１であれば、実施例１〜１１、実施例２４、２５から１５０℃での連続ボンディング性、ループ形状が「Ａ」となり、優れた連続ボンディング性とループ形状を得られることが理解できる。さらに、ＥＬがＡ２であれば、実施例１２〜１５、２１〜２３から、１５０℃での連続ボンディング性、ループ形状が「Ｂ」となり、また、ＥＬがＡ３であれば、実施例１６〜２０から、１５０℃での連続ボンディング性が「Ａ」、ループ形状が「Ｂ」となることがわかる。
以上から、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素を合計で１〜１０質量ｐｐｍ含み、Ｐｄを０．５〜３．０質量％含み、Ｃｕを５〜３００質量ｐｐｍ含み、それ以外がＡｇ及び不可避不純物からなり、ワイヤの引張伸びＥＬが伸びの最小値ＥＬＬの１．５倍以上、最大値ＥＬＨの０．８倍以下（Ａ１〜Ａ３）であるボンディング用ワイヤにおいて、Ｐｄが０．７質量％以上であれば、ＨＡＳＴ評価において高い信頼性を有するものとなり（実施例３〜１５、１８〜２０）、また、Ｐｄが１．５質量％以下であると、良好な電気特性を得られるものとなり（実施例１〜３、５〜９、１１、１２、１４〜１８、２０）、Ｃａ等及びＣｕの添加量が全てそれらの値であって、ＥＬがＥＬＬの２．０倍以上、同ＥＬＨの０．７倍以下（Ａ１）のボンディングワイヤＷでは、全ての評価が「Ａ」、又は「Ａ」以外は「Ｂ」の評価が一つ（実施例１〜１１）と、実用性のより高いものとなり、特に、Ｐｄが０．７質量％以上、１．５質量％以下であると、全ての評価が「Ａ」となって（実施例３、５〜９、１１）、さらに実用性の高いものとなることが理解できる。
３、１５ 回路配線基板
５ 半導体素子
１３ ＬＥＤ
Ｗ ボンディング用ワイヤ
ａ 半導体素子（ＬＥＤ）の電極
ｂ 溶融ボール
ｂ’ 圧着ボール
ｃ 回路配線基板の導体配線（リード端子）
５ 半導体素子
１３ ＬＥＤ
Ｗ ボンディング用ワイヤ
ａ 半導体素子（ＬＥＤ）の電極
ｂ 溶融ボール
ｂ’ 圧着ボール
ｃ 回路配線基板の導体配線（リード端子）
Claims (4)
- 半導体素子（５、１３）の電極（ａ）と回路配線基板（３、１５）の導体配線（ｃ）と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）の製造方法であって、
そのワイヤ(Ｗ)の引張伸び（ＥＬ）がその伸びの最小値（ＥＬＬ）の１．５倍以上、同最大値（ＥＬＨ）の０．８倍以下となるように、炉温度を３５０℃以上６００℃以下、ワイヤ走行速度を３０〜９０ｍ／分の調質熱処理を行なうＡｇを主成分とするボールボンディング用ワイヤの製造方法。 - 半導体素子（５、１３）の電極（ａ）と回路配線基板（３、１５）の導体配線（ｃ）と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、
そのワイヤ（Ｗ）の化学組成が、Ｐｄを０．５〜３．０質量％含み、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素を合計で１〜１０質量ｐｐｍ含み、かつ、Ｃｕを５〜３００質量ｐｐｍ含み、それ以外がＡｇ及び不可避不純物からなり、
そのワイヤ(Ｗ)の引張伸び（ＥＬ）がその伸びの最小値（ＥＬＬ）の１．５倍以上、同最大値（ＥＬＨ）の０．８倍以下となっているボールボンディング用ワイヤ。 - 上記ワイヤ(Ｗ)の引張伸び（ＥＬ）がその伸びの最小値（ＥＬＬ）の２．０倍以上、同最大値（ＥＬＨ）の０．７倍以下となっている請求項２に記載のボールボンディング用ワイヤ。
- Ｐｄを０．７質量％以上、１．５質量％以下としたことを特徴とする請求項２又は３に記載のボールボンディング用ワイヤ。
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