JP6254841B2 - 半導体装置用ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子上の電極と、回路配線基板(リードフレーム、基板、テープ等)の配線とを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関するものである。
現在、半導体素子上の電極と、外部端子との間を接合する半導体装置用ボンディングワイヤ(以下、ボンディングワイヤ)として、線径20〜50μm程度の細線(ボンディングワイヤ)が主として使用されている。ボンディングワイヤは超音波併用熱圧着方式で接合するのが一般的である。本方式では、汎用ボンディング装置、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が用いられる。ボンディングワイヤを接続するには、まず、アーク放電を生じさせてワイヤ先端を加熱溶融し、表面張力によりボール部を形成した後に、150〜300℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上に、このボール部を圧着接合（ボール接合）する。次いで、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着により接合（ウェッジ接合）する。
近年、半導体実装の構造・材料・接続技術等は急速に多様化しており、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したQFP(Quad Flat Packaging)に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するBGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Scale Packaging)等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、量産使用性等をより向上したボンディングワイヤが求められている。
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度4N系(純度>99.99mass%)の金が主に用いられている。しかし、金は高価であるため、材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。
材料費が安価で、電気伝導性に優れたボンディングワイヤとして、特許文献１には、銅を主成分とする芯材と、前記芯材の上に設けられた、前記芯材と、成分及び組成のいずれか一方又は両方の異なる金属Mと銅を含有する外層とを有するボンディングワイヤが開示されている。
特開2010-212697号公報
しかしながら上記特許文献１の場合、ループ形成時において、芯材と外層のひずみや変形抵抗の違いにより、ボンディングワイヤが変形し異常ループが発生する、という懸念があった。
そこで本発明は、異常ループの発生を低減することができるボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係るボンディングワイヤは、金属Mを50mol％超含む芯材と、前記芯材の表面に形成され、Ni、Pd、前記金属M及び不可避不純物からなり、前記Niの濃度が15〜80mol％である中間層と、前記中間層上に形成され、Ni、Pd及び不可避不純物からなり、前記Pdの濃度が50〜100mol％である被覆層とを備え、前記金属MがCu又はAgであり、前記被覆層のNi濃度が前記中間層のNi濃度よりも低いことを特徴とする。
また本発明に係るボンディングワイヤは、前記被覆層がさらにAuを含み、前記被覆層上に形成され、AuとPdを含む合金からなり、前記Auの濃度が10〜70mol％、AuとPdの合計濃度が80mol％以上である表面層を備え、前記被覆層のAu濃度は、前記表面層のAu濃度よりも低いことを特徴とする。
本発明によれば、中間層が芯材と被覆層の変形抵抗の相違を緩和することにより、異常ループとしてスネークループの発生を低減することができる。
本発明によれば、表面層がワイヤ表面の硫化及び酸化を抑制して摺動抵抗を低減することにより、異常ループとしてスネークループに加え、サギングループの発生を低減することができる。
ボンディングワイヤの異常変形による不良の形態を示す模式図であり、図１Ａはスネークループ不良、図１Ｂはサギングループ不良を示す図である。
１．実施形態
（全体構成）
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るボンディングワイヤは、金属Mを50mol％超含む芯材と、芯材上に形成された中間層と、当該中間層上に形成された被覆層とを備える。金属Mは、Cu又はAgである。
中間層は、Ni、Pd、前記金属M及び不可避不純物からなり、前記Niの濃度が15〜80mol％である。被覆層は、Ni、Pd及び不可避不純物からなり、前記Pdの濃度が50〜100mol％である。被覆層のNi濃度は前記中間層のNi濃度よりも低い。なお、本明細書において濃度は、mol％であり、芯材を除いて、オージェ電子分光法(AES：Auger Electron Spectroscopy)に基づき深さ方向に測定したときの、各層における最高濃度とする。
芯材を構成するCu又はAgと、被覆層に含まれるPdは、強度で２倍以上、再結晶温度が400℃以上異なる。これに対しNiは、強度及び再結晶温度が、Cu又はAgとPdの中間程度である。したがって本実施形態の場合、中間層は、NiとPd、及び、Cu又はAgを含む合金であり、Niの濃度が15〜80mol％であり、被覆層に比べより多くNiが含まれることにより、中間層の強度及び再結晶温度が、芯材と被覆層の中間程度となる。これによりボンディングワイヤは、中間層が芯材と被覆層の変形抵抗の相違を緩和することにより、異常ループの発生を低減することができる。
異常ループについて図１Ａを参照して説明する。図１Ａに示すボンディングワイヤ１０は、ボール接合１２と、ウェッジ接合１４によって接合されており、異常ループとしてスネークループ１６が生じている。スネークループ１６は、ウェッジ接合１４に近い下降域において、複数回にわたってボンディングワイヤ１０に屈曲が生じた形状を有する。スネークループ１０は、ボール接合１２とウェッジ接合１４の高低差が大きくスパンが長い台形ループおいて発生頻度が高い。例えば、ボール接合１２とウェッジ接合１４の、高低差が500μm以上、距離（スパン）が3mm以上、下降域の長さ800μmの場合に発生頻度が高い。
中間層は、Niの濃度が15〜80mol％であることにより、芯材と被覆層の変形抵抗の相違をより確実に緩和することができる。中間層は、Niの濃度が80mol％超であると、ボール部内に気泡が発生する。
気泡が生じたボール部は、電極上に接合すると、ワイヤ中心からずれてボール部が変形する偏芯変形、真円からずれる形状不良として楕円変形、花弁変形等が生じ、電極面から接合部のはみ出し、接合強度の低下、チップ損傷、生産管理上の不具合等の問題を起こす原因となる。こうした初期接合の不良は、後述する接合頼性の低下を誘発する場合もある。
中間層は、厚さが8〜80nmであるのが好ましい。ボンディングワイヤは、中間層の厚さが8〜80nmであることにより、芯材と被覆層の変形抵抗の相違をより確実に緩和することができる。中間層は、厚さが80nm超であると、ボンディングワイヤを低温で接続した場合に、接合界面での拡散速度が遅くなることにより、ウェッジ接合の強度が低下する。
本実施形態の場合、被覆層と中間層の境界において、Niの濃度が15mol％以上であっても、Pdの濃度が50mol％以上である限り、本明細書では当該領域を被覆層とする。
被覆層は、Pdの濃度が50〜100mol％であることにより、ボンディングワイヤ表面の酸化を、より抑制することができる。因みにボンディングワイヤは、表面が酸化することにより、ウェッジ接合の強度が低下したり、樹脂封止されたときのワイヤ表面の腐食等が生じやすくなる。
また、被覆層は、金属Mを含んでもよい。ボンディングワイヤは、被覆層が金属Mを含むことにより、ボール部とネック部の境界近傍で問題となる唇状のダメージを低減する効果が高められる。
芯材は、金属MがCuの場合、P、Ti、B、Agから選ばれる１種以上の元素を含有してもよい。この場合、P、Ti、B、Agから選ばれる１種以上の元素は、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.0005〜0.02mass％の範囲であることにより、圧着ボールの真円性を向上することができる。因みに近年の最密度実装では、狭ピッチ接続が要求される。そのためボール接合部の変形形状が重要であり、花弁状、偏芯等の異形を抑制し、真円性を向上する必要がある。
また芯材は、金属MがCuの場合、Pd、Niから選ばれる１種以上の元素を含有してもよい。この場合、Pd、Niから選ばれる１種以上の元素は、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.2〜2.0mass％の範囲であることにより、接合信頼性を向上することができる。
因みに、接合信頼性は、自動車用半導体等のように高温で使用される用途の場合、ボンディングワイヤと電極の接合部において問題となる場合が多い。接合信頼性は、高温加熱試験等の加速試験により、上記接合部の強度の低下や、電気抵抗の上昇等を評価する。
芯材は、金属MがAgの場合、Pd、Ni、Cuから選ばれる１種以上の元素を含有してもよい。この場合、Pd、Ni、Cuから選ばれる１種以上の元素は、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.5〜5.0mass％の範囲であることにより、上記接合信頼性を向上することができる。
さらに本実施形態に係るボンディングワイヤは、上記被覆層上に、AuとPdを含む合金からなる表面層を備えることとしてもよい。この場合、被覆層は、さらにAuを含む。また被覆層は、少量のNi、Cuを含有してもよい。
表面層は、Auの濃度が10〜70mol％、AuとPdの合計濃度が80mol％以上である。被覆層との境界において、Pdの濃度が50mol％以上であっても、Auの濃度が10mol％以上である限り、本明細書では表面層とする。
AuとPdを含む合金からなる表面層は、ワイヤ表面の硫化及び酸化を抑制して摺動抵抗を低減することができる。したがってボンディングワイヤは、表面層を備えることにより、スネークループに加え図１Ｂに示すサギングループ１８の発生を低減することができる。サギングループ１８は、スネークループ１６同様、ボール接合１２とウェッジ接合１４の高低差が大きくスパンが長い台形ループにおいて発生頻度が高い。またサギングループ１８は、スネークループ１６に比べ、緩やかに蛇行した形状を有する。
表面層は、Auの濃度が10〜70mol％、AuとPdの合計濃度が80mol％以上であることにより、より確実に摺動抵抗を低減することができる。表面層は、Auの濃度が70mol％超であると、ボール部が楕円形となる不良が発生する。このような楕円形のボール部は、小さい電極にボール接合する高密度実装には不適となる。
表面層、被覆層、及び中間層の総計厚さは、25〜200nmであるのが好ましい。上記範囲であることにより、ボンディングワイヤは、ウェッジ接合部のめくれであるピーリング不良を抑制し、ウェッジ接合性を向上することができる。表面層、被覆層、及び中間層の総計厚さは、40〜150nmであると、ウェッジ接合性をより確実に向上することができるので、より好ましい。
表面層の厚さが3〜30nmであるのが好ましい、上記範囲であることにより、ボンディングワイヤは、スネークループ及びサギングループの発生を、より確実に低減することができる。
（製造方法）
次に本実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法を説明する。ボンディングワイヤの製造においては、芯材の表面に中間層、被覆層、場合によって表面層を形成する工程、所望の太さにする加工工程、熱処理工程が必要となる。
中間層、被覆層、及び表面層を銅の芯材の表面に形成する方法には、メッキ法、蒸着法、溶融法等がある。メッキ法では、電解メッキ法、無電解メッキ法のどちらでも製造可能である。ストライクメッキ、フラッシュメッキと呼ばれる電解メッキ法では、メッキ速度が速く、下地との密着性も良好である。無電解メッキ法に使用する溶液は、置換型と還元型に分類され、膜が薄い場合には置換型メッキのみでも十分であるが、厚い膜を形成する場合には置換型メッキの後に還元型メッキを段階的に施すことが有効である。無電解メッキ法は装置等が簡便であり、容易であるが、電解メッキ法よりも時間を要する。
蒸着法では、スパッタ、イオンプレーティング及び真空蒸着等の物理吸着と、プラズマＣＶＤ等の化学吸着を利用することができる。いずれも乾式であり、膜形成後の洗浄が不要であり、洗浄時の表面汚染等の心配がない。
メッキ又は蒸着を施す段階について、狙いの線径で所望の膜を形成する手法と、太径の芯材に膜を形成してから、狙いの線径まで複数回伸線する手法とのどちらも有効である。前者の最終径での膜形成では、製造、品質管理等が簡便であり、後者の膜形成と伸線の組み合わせでは、膜と芯材との密着性を向上するのに有利である。それぞれの形成法の具体例として、狙いの線径の銅線に、電解メッキ溶液の中にワイヤを連続的に掃引しながら膜形成する手法、あるいは、電解又は無電解のメッキ浴中に太い銅線を浸漬して膜を形成した後に、ワイヤを伸線して最終径に到達する手法等が可能である。
中間層、被覆層、表面層を形成した後の加工工程では、ロール圧延、スエージング、ダイス伸線などを目的により選択、使い分ける。加工速度、圧加率またはダイス減面率などにより、加工組織、転位、結晶粒界の欠陥などを制御することは、中間層、被覆層、表面層の構造、密着性などにも影響を及ぼす。
熱処理工程では、芯材と中間層、中間層と被覆層、被覆層と表面層のそれぞれの界面で、各構成に含まれる金属元素の相互拡散を助長する。目的に応じて、熱処理を１回または複数回実施することが有効である。中間層、被覆層、表面層の構造で所望とする膜厚、組成を得るには、％オーダの濃度、nmオーダの膜厚などを、厳しい精度で制御する製造技術が求められる。熱処理工程は、膜形成直後の焼鈍、加工途中での焼鈍、最終径での仕上げ焼鈍に分類され、これらを選択、使い分けることが重要となる。
単純にワイヤを加熱しただけでは、ボンディングワイヤの表面及び内部における各金属元素の分布を制御できる訳ではない。通常のワイヤ製造で用いられる最終線径での加工歪取り焼鈍をそのまま適用しても、芯材、中間層、被覆層、表面層の密着性の低下によりループ制御が不安定になったり、ワイヤ長手方向の各層の均質性、ワイヤ断面での各層の分布をコントロールすることは困難である。そこで、熱処理のタイミング、温度、速度、時間等の制御が重要である。
加工と熱処理を組合せて拡散の進行度を制御することにより、所望とする膜厚、組成、構造を制御することが可能となる。熱処理する前の加工履歴は、芯材と中間層、中間層と被覆層、被覆層と表面層のそれぞれの界面での組織などに関係するため、熱処理での拡散挙動にも影響を及ぼす。どの加工段階で熱処理を行うかにより、最終の各層の組成、厚さなどが変化する。
熱処理法として、ワイヤを連続的に掃引しながら熱処理を行い、しかも、一般的な熱処理である炉内温度を一定とするのでなく、炉内で温度傾斜をつけることで、本実施形態の特徴とする芯材、中間層、被覆層、表面層を有するボンディングワイヤを容易に量産することができる。具体的な事例では、局所的に温度傾斜を導入する方法、温度を炉内で変化させる方法等がある。ボンディングワイヤの表面酸化を抑制するには、N2やAr等の不活性ガスを炉内に流しながら加熱することも有効である。
温度傾斜の方式では、炉入口近傍での正の温度傾斜(ワイヤの掃引方向に対し温度が上昇)、安定温度領域、炉出口近傍での負の温度傾斜(ワイヤの掃引方向に対し温度が下降)等、複数の領域で温度に傾斜をつけることが効果的である。これにより、炉入口近傍で各層と芯材の剥離等を生じることなく密着性を向上させ、安定温度領域で各金属元素の拡散を促進して所望の濃度勾配を形成し、さらに炉出口近傍で表面での銅の過剰な酸化を抑えることにより、得られたボンディングワイヤの接合性、ループ制御性等を改善することができる。こうした効果を得るには、出入口での温度勾配を10℃/cm以上設けることが望ましい。
温度を変化させる方法では、炉内を複数の領域に分割して、各領域で異なる温度制御を行うことで温度の分布を作ることも有効である。例えば、3ヶ所以上に炉内を分割して、独立に温度制御を行い、炉の両端を中央部よりも低温とすることで、温度傾斜の場合と同様の改善効果が得られる。また、ボンディングワイヤの表面酸化を抑制するため、炉の出口側を銅の酸化速度の遅い低温にすることで、ウェッジ接合部の接合強度の上昇が得られる。
また、溶融法では、各層又は芯材のいずれかを溶融させて鋳込む手法であり、1〜50mm程度の太径で各層と芯材を接続した後に伸線することで生産性に優れていること、メッキ法、蒸着法に比べて各層の合金成分設計が容易であり、強度、接合性等の特性改善も容易であること等の利点がある。具体的な工程では、予め作製した芯材の周囲に、溶融した各層を構成する金属を順に鋳込んで各層を形成する方法と、予め作製した中間層、被覆層、表面層からなる中空円柱を用い、その中空部に例えば溶融した銅又は銅合金を鋳込むことで芯材を形成する方法に分けられる。好ましくは、後者の中空円柱の内部に銅の芯材を鋳込む方が、中間層及び被覆層中に銅の濃度勾配等を容易に安定形成することができる。また、溶融法では、中間層及び被覆層に銅を拡散させるための熱処理作業を省略することも可能であるが、中間層及び被覆層内の銅の分布を調整するために熱処理を施すことで更なる特性改善も見込める。
さらに、こうした溶融金属を利用する場合、芯材と各層の少なくとも一方を連続鋳造で製造することも可能である。この連続鋳造法により、上記の鋳込む方法と比して、工程が簡略化され、しかも線径を細くして生産性を向上させることも可能となる。
また、金属Mを含まない被覆層を形成する製法としては、被覆層内での金属Mの体拡散、粒界拡散などを抑えるため、熱処理温度が低いことが望ましい。具体的には、熱処理を２回以上に分けて行い、加工途中での太線の中間熱処理は高温として、最終線径の最終熱処理は低温化することにより、金属Mを含まない被覆層を形成することが有効である。例えば、２種の熱処理を実施する線径の差は2倍以上、温度差は100℃以上であることが望ましい。
本実施形態に係るボンディングワイヤの接続において、ボール部形成時に用いるシールドガスは、標準的な5vol％H2+N2ガスのほか、純N2ガスを用いることもできる。アーク放電を生じさせワイヤ先端にボール部を形成する際に、シールドガスを吹き付けることにより、アーク放電を安定化し、溶融されたボール部表面の酸化を抑制することができる。
２．実施例
実施例について、試料、評価内容、評価結果の順に説明する。
（１）試料
ボンディングワイヤの原材料として、芯材に用いるCu、Agは純度が約99.99mass%以上の高純度の素材を用い、被覆層のPd、中間層のNi、表面層のAuには純度99.9mass%以上のメッキ液を用意した。芯材を溶解する工程で、合金元素を適量添加した。
直径が約1〜3mmの太径のワイヤを準備し、そのワイヤ表面に中間層、被覆層、表面層などを電解メッキ法により形成した。電解メッキ液は、電子部品や半導体向けに市販されているメッキ液を使用した。
芯材、中間層、被覆層からなるボンディングワイヤの場合、Niメッキ処理による中間層の形成後、Pdメッキ処理による被覆層の形成の順番で２段階処理を施した。また、芯材、中間層、被覆層、表面層からなるボンディングワイヤの場合、Niメッキ処理による中間層の形成、Pdメッキ処理による被覆層の形成、Auメッキ処理による表面層の形成の順番で３段階処理を実施した。密着性を向上するため必要に応じて、最後のメッキ処理を施した後に、加熱処理を施した。加熱条件は、窒素雰囲気で150〜300℃の低温で30分間のバッチ加熱とした。また必要に応じて、中間層を形成した後に加熱処理を施した。その加熱条件は上記範囲とした。
中間層、被覆層、表面層などを形成した後に、伸線により最終線径の18〜20μmまで細く加工した。伸線速度は10〜100m/minの範囲とし、伸線ダイスは個々の減面率が3〜15%のダイスを使用した。
最終径まで伸線した後に、加工歪みを取り除き伸び値を5〜20%の範囲になるよう仕上げ焼鈍を実施した。必要に応じて、線径30〜100μmまでダイス伸線した後に、中間焼鈍を施し、さらに伸線加工を施した。
ワイヤの仕上げ焼鈍または中間焼鈍では、ワイヤを連続的に掃引しながら連続的に加熱する連続焼鈍を利用した。温度は300〜700℃の範囲に設定し、ワイヤ掃引速度は10〜100mm/minの範囲で調整した。温度分布と合わせて、ワイヤ掃引速度等も適正化した。焼鈍の雰囲気には、酸化を抑制する目的で窒素ガスを使用した。ガス流量は、0.0002〜0.004m3/minの範囲で調整した。伸線加工途中での中間焼鈍、最終径での仕上げ焼鈍を適宜組み合わせた。中間焼鈍は伸線加工の途中である線径0.1〜1mmで、ワイヤを焼鈍した。
ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダー(Ｋ＆Ｓ社製)を使用して、ボール/ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にボール部を作製し、当該ボール部をシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。ボール溶融時の酸化を抑制するために、ワイヤ先端に5vol％H2+N2ガスを吹き付けた。接合温度は、通常の175℃と、低温の150℃とした。接合相手としてのシリコン基板上の電極はアルミ電極(Al-0.5％Cu膜)を使用し、その厚さは0.8μmとした。一方、ウェッジ接合の相手は、リードフレーム上のAu／Pd電極を使用した。
ワイヤ表面の膜厚測定にはAESによる深さ分析を用いた。Arイオンでスパッタしながら深さ方向に測定して、深さの単位にはSiO2換算で表示した。ボンディングワイヤ中の合金元素の濃度は、AESまたは誘導結合プラズマ（ICP：Inductively Coupled Plasma）分析を利用した。芯材に含有する元素がワイヤ表面に形成した中間層、被覆層、表面層の元素と重複する場合には、芯材に含有する元素の濃度は、芯材断面における電子線マイクロアナライザ（EPMA：Electron Probe MicroAnalyser ）、エネルギー分散型X線分析(EDX：Energy dispersive X-ray spectrometry)、AESを用いた分析手法により求めた濃度の平均値を用いた。これに該当する元素はPd、Ni、Au元素である。他方、芯材に含有する元素がPd、Ni、Au以外の元素であり、中間層、被覆層、表面層の元素とは異なる場合には、ワイヤ全体のICP分析により測定した濃度を利用した。
（評価内容）
接合部の高温信頼性について、ボンディング後に樹脂封止された試料を、処理温度185℃、処理時間2000時間の条件で加熱処理した後に、60本のボンディングワイヤの電気特性を評価した。電気抵抗が初期の3倍以上に上昇したボンディングワイヤの割合が30%以上の場合には接合不良のため×印、電気抵抗が3倍以上に上昇したボンディングワイヤの割合が5%以上30%未満の範囲の場合には信頼性要求が厳しくないICには使用可能なため△印、電気抵抗が3倍以上に上昇したボンディングワイヤの割合が5%未満で且つ1.5倍以上に上昇したボンディングワイヤの割合が10%以上30%未満の場合には実用上は問題ないため○印、電気抵抗が1.5倍以上に上昇したボンディングワイヤの割合が10%未満であれば良好であるため◎印で、表１，２中の「高温信頼性」の欄に表示した。
スネークループ不良の評価について、ミドルスパン高段差およびロングスパン高段差の２種類のループで評価した。ミドルスパン高段差では、ワイヤ長さは3.5mmで下降域の長さは0.5mm、ウェッジ接合部からループ最高位置までの高低差が0.7mmとなるように台形ループを接続した。ロングスパン高段差では、ワイヤ長さは5mmで下降域の長さは0.7mm、ウェッジ接合部からループ最高位置までの高低差が0.8mmとなるように台形ループを接続した。線径は20μmである。上方からループの下降域を光学顕微鏡で観察して、1本のループの下降域における屈曲が2回以上であればスネークループ不良と判定して、500本のループ接続における発生頻度を評価した。この発生頻度が10%超の場合は不良と判定して×印で表示し、5％超10％以下の場合は量産性が気になるため△印、2％超5％以下の場合は比較的良好であるため○印、0〜2％以下の場合はループ形状が安定していると判断し、◎印で、表１，２中の「スネークループ」の欄に表示した。
サギングループ不良の評価について、ワイヤ長さは5mmで下降域長さは1.5mm、ウェッジ接合部からループ最高位置までの高低差が0.7mmとなるように台形ループを接続した。線径は20μmである。光学顕微鏡で上方からループを観察して、0.2mm以上の長周期でループが蛇行している場合、サギングループ不良と判断して、400本のループ接続における発生頻度を評価した。この発生頻度が10%超の場合は不良と判定して×印で表示し、5％超10％以下の場合は量産性が気になるため△印、2％超5％以下の場合は比較的良好であるため○印、0〜2％以下の場合はサギングループ不良が問題にならないと判断し、◎印で、表２中の「サギングループ」の欄に表示した。
ウェッジ接合性は、リード電極にボンディングワイヤを接合したときのめくれ不良の発生頻度で評価した。ボンディングワイヤの製造後の保管は、スプールケースに入れた状態でクリーンルーム内の大気中に30日間だけ常温で保管した。接合条件において、超音波出力を少し減らし、さらにステージ温度を160℃の低温とし、ウェッジ接合の不着を誘発した。1000本のボンディングにより不着発生頻度を評価した。めくれ不良数が10本以上の場合は改善が必要であるため×印、4〜9本の場合には△印、1〜3本の場合にはほぼ良好であるため○印、不良がゼロの場合にはウェッジ接合性が優れていると判断して◎印で、表１，２中の「ウェッジ接合性」の欄に表示した。
圧着ボール部の接合形状の判定では、接合されたボール部を200本観察して、形状の真円性、異常変形不良、寸法精度等を評価した。ワイヤ径は20μmを使用し、初期ボール径/ワイヤ径の比率を約２として厳しい小ボール接合で評価した。
真円からずれた異方性や花弁状等の不良ボール形状が5本以上であれば不良と判定し×印、真円からずれた不良ボール形状が2〜4本ある場合は二つに分類して、異常変形が1本以上発生していれば量産での改善が望ましいから△印、異常変形が発生していなければ使用可能であることから○印、不良ボール形状が1本以下であれば良好であるため◎印で、表１，２中の「圧着ボール形状」の欄に表示した。
（評価結果）
実施例1〜18のボンディングワイヤは、芯材、中間層、被覆層からなり、中間層のNiの濃度が15〜80mol％であることにより、スネークループ不良が低減できることが確認された。一方、中間層を含まない比較例1、2、5、又は中間層のNiの濃度が上記範囲外である比較例3、4、6は、スネークループ不良が高頻度で発生した。
実施例2〜5、7〜18は、中間層の厚さが8〜80nmであることにより、ウェッジ接合におけるめくれ不良を低減できることが確認された。
実施例19〜35のボンディングワイヤは、芯材、中間層、被覆層、表面層からなり、中間層のNiの濃度が15〜80mol％であり、さらに表面層のAuの濃度が10〜70mol％、AuとPdの合計濃度が80mol％以上であることにより、スネークループ不良及びサギングループ不良が低減できることが確認された。一方、中間層を含まない比較例7、9、又は中間層のNiの濃度が上記範囲外である比較例8、10は、スネークループ不良及びサギングループ不良が高頻度で発生した。また表面層のAuの濃度が上記範囲外である比較例11は、スネークループ不良を低減できるものの、サギングループ不良が発生した。
実施例19〜21、24〜35のボンディングワイヤは、表面層、被覆層、及び中間層の総計厚さが25〜200nmであることにより、ウェッジ接合におけるめくれ不良を低減できることが確認された。さらに実施例19〜21、24〜29、31〜35のボンディングワイヤは、表面層、被覆層、及び中間層の総計厚さが40〜150nmであることにより、ウェッジ接合におけるめくれ不良をより確実に低減できることが確認された。
実施例19〜22、25〜35のボンディングワイヤは、表面層の厚さが3〜30nmであることによりスネークループ不良及びサギングループ不良の発生をより確実に低減できることが確認された。
実施例3、4、6〜9、20、21、23〜26のボンディングワイヤの場合、芯材は、前記金属MがCuであり、P、Ti、B、Agから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.0005〜0.02mass％の範囲であることにより、圧着ボール形状が良好であることが確認された。
実施例10〜12、27〜29のボンディングワイヤの場合、芯材は、前記金属MがCuであり、Pd、Niから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.2〜2.0mass％の範囲であることにより、加熱処理後の信頼性（高温信頼性）が高いことが確認された。
実施例15〜18、32〜35ボンディングワイヤの場合、芯材は、前記金属MがAgであり、Pd、Ni、Cuから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.5〜5.0mass％の範囲であることにより、加熱処理後の信頼性が高いことが確認された。
Figure 0006254841
Figure 0006254841

Claims (8)

  1. 金属Mを50mol％超含む芯材と、
    前記芯材の表面に形成され、Ni、Pd、前記金属M及び不可避不純物からなり、前記Niの濃度が15〜80mol％である中間層と、
    前記中間層上に形成され、Ni、Pd、Au及び不可避不純物からなり、前記Pdの濃度が50〜100mol％である被覆層と、
    前記被覆層上に形成され、AuとPdを含む合金からなり、前記Auの濃度が10〜70mol％、AuとPdの合計濃度が80mol％以上である表面層と
    を備え、
    前記金属MがCu又はAgであり、
    前記被覆層のNi濃度が前記中間層のNi濃度よりも低く、
    前記被覆層のAu濃度が前記表面層のAu濃度よりも低い
    ことを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
  2. 前記中間層の厚さが8〜80nmであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  3. 前記表面層、前記被覆層、及び前記中間層の総計厚さが25〜200nmであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  4. 前記表面層の厚さが3〜30nmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  5. 前記金属MがCuであり、前記芯材は、P、Ti、B、Agから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.0005〜0.02mass％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  6. 前記金属MがCuであり、前記芯材は、Pd、Niから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.2〜2.0mass％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  7. 前記金属MがAgであり、前記芯材は、Pd、Ni、Cuから選ばれる１種以上の元素を含有し、ワイヤ全体に占める前記元素濃度が総計で0.5〜5.0mass％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  8. 前記被覆層がさらに前記芯材と同じ前記金属Mを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
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