JP6276501B2 - 白色発光ダイオード用ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、青色LED素子と補色関係にある黄色蛍光体を用いた白色発光ダイオード用ボンディングワイヤに関し、特に擬似白色発光ダイオード用ボンディングワイヤに関する。
青色LEDと黄色発光蛍光体を組み合わせた擬似白色発光ダイオードは、視覚上明るくみえることから、さまざまな照明用途に用いられている。この原理は、青色LED素子から射出された450nm近辺の波長の青色レーザ光が蛍光体に吸収されると、補色関係にある590nm近辺の黄色光を新たに発光する蛍光体を用い、この黄色光と蛍光体に吸収されなかった青色光とが混ざり合って視覚上白色にみえることを利用するものである。この擬似白色発光ダイオードには、青色LED素子のパッド電極を配線基板上のリード電極と直交して用いる縦型発光ダイオードと平行して用いる横型発光ダイオードとがある。
従来、青色LED素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とを接続するためのボンディングワイヤには金線が用いられてきたが、99.99質量%以上の高純度の金(Au)は、金(Au)元素自体の反射率が低く、特に450nm近辺のレーザ光などの単色光に対しては反射率が40%になるため、有機シリコン樹脂の光出射面直上からみたときにボンディングワイヤの黒い影ができ、視覚上の白色効率が低下するという問題があった。
このため、これらの波長に対して反射率が100%近くある純銀(Ag)や銀合金をボンディングワイヤに使用することが考えられた。しかし、純銀(Ag)や純銀(Ag)に近い銀合金のボンディングワイヤは、硫化やマイグレーションの問題がある。また、LED素子のパッド電極がアルミニウム(Al)の場合には、これらのボンディングワイヤはAg−Al金属間化合物が形成され、この金属間化合物は使用する環境に水分があると、水分と反応して劣化して白色発光ダイオードの長期信頼性が劣化するという問題があり、ボンディングワイヤとしての使用が制限されていた。
上記問題を解決するため、銀(Ag)に別の元素を含有させ、銀(Ag)の純度を下げたボンディングワイヤが開発された。例えば、特開2012−99577号公報には「銀(Ag)を主成分とし、10000〜90000質量ppmの金(Au)、10000〜50000質量ppmのパラジウム(Pd)、10000〜30000質量ppmの銅(Cu)、から選ばれた少なくとも1種以上の成分を含み、塩素(Cl)含有量が1質量ppm未満であることを特徴とするボンディングワイヤ(後述の特許文献1の請求項1)」が請求され、直径16〜25μmのAg−1、2、3質量%Pd合金(同実施例1、2、3)およびAg−1質量%Pd―1.8質量%Au合金(同実施例17)、Ag−2.0質量%Pd―1質量%Au合金(同実施例18)ボンディングワイヤが開示されている。
しかし、上記のAg−Pd二元合金はフリー・エアー・ボール(FAB)を形成したときの溶融ボールの結晶粒が粗く、特に縦型発光ダイオードに用いた場合にはボンディングループが鋭角であるためワイヤ強度が不足するという問題がある。Ag−Pd−Au三元合金も、また、金(Au)が著しく硬さを増すため、FABを形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬くかつ粗く、特に縦型発光ダイオードに用いた場合にはワイヤのしなやかさに欠けるという問題がある。
また、特許第4771562号公報には「純度99.99質量%以上の銀(Ag)と純度99.999質量%以上の金(Au)と純度99.99質量%以上のパラジウム(Pd)とからなる三元合金系ボンディングワイヤであって、金(Au)が4〜10質量%、パラジウム(Pd)が2〜5質量%、希土類元素が15〜70質量ppmおよび残部が銀(Ag)からなる半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金系ボンディングワイヤ(後述の特許文献2の請求項1および請求項4)」が請求されている。しかし、上記のAg−Au−Pd三元合金系ボンディングワイヤは、金(Au)の量がパラジウム(Pd)の量よりも多いので、赤外分光光度計で測定すると乱反射光に金(Au)の黄色成分が含まれ、白色発光ダイオードとしては不適である。
さらに、新たな問題として、銀(Ag)の純度を下げると比抵抗が増加しワイヤ自体が発熱する結果、ワイヤ周縁の有機シリコン樹脂も加熱され、有機シリコン樹脂の屈折率が変化する。また、ボンディングワイヤの最終線径は、最終ダイヤモンドダイスにより仕上げられるが、完全な円形状でないため、青色光や黄色光や白色光が反射・屈折等により複雑な動きをし、銀(Ag)合金の純度を下げると、ボンディングワイヤの黒い影ができるという白色発光ダイオード特有の問題も発生した。
特開2012−99577号公報 特許第4771562号公報
本発明の課題は、ボンディングワイヤの黒い影がみえず、かつ、白色発光ダイオードに適したワイヤ強度およびループ形状を有するAg−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。特に、本発明は、縦型擬似白色発光ダイオードに最適なAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤを提供することを目的とする。
本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金ボンディングワイヤの一つは、黄色蛍光体配合の有機シリコン樹脂で取り囲まれた、ベース基材の銀(Ag)または銀合金層に設置された青色LED素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とを接続するためのボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤが、パラジウム(Pd)が0.1〜4.0質量%、金(Au)が0.01〜2.0質量%および残部が純度99.999質量%以上の銀(Ag)からなる三元合金細線である白色発光ダイオード用ボンディングワイヤである。
また、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤは、黄色蛍光体と青色LED素子とボンディングワイヤを有する白色発光ダイオードであって、当該ボンディングワイヤが、パラジウム(Pd)が0.1〜4.0質量%、金(Au)が0.01〜2.0質量%、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種が合計で150質量ppmおよび残部が純度99.999質量%以上の銀(Ag)からなる三元系合金であり、上記青色LED素子上面のパッド電極が純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン (Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金であることを特徴とする白色発光ダイオードである。
また、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、上記パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が2:1〜10:1の範囲内にあることである。
また、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、青色LED素子上面のパッド電極が純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金であることである。
また、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、青色LED素子の底面がベース基材の銀(Ag)または銀合金層に設置されていることである。
また、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤの好ましい態様の一つは、ベース基材上の銀(Ag)または銀合金層に設置された青色LED素子のパッド電極がAu−Sn共晶合金で前記銀(Ag)または銀合金層上にハンダ付けされていることである。
なお、本発明の課題を解決するための半導体素子用Ag−Au−Pd三元合金またはAg−Au−Pd三元系合金ボンディングワイヤは、ダイヤモンドダイスにより断面減少率が99%以上連続して冷間伸線加工され、その後、調質熱処理によってボンディングワイヤの機械的特性が調えられる。
(主添加元素)
本発明において、パラジウム(Pd)を0.1〜4.0質量%添加しても、さらに金(Au)を0.01〜2.0質量%添加しても、銀(Ag)中に均一に固溶し、かつ、残りの銀(Ag)が95質量%以上あるので、当該銀合金の青色の反射率にほとんど影響を与えず、450nm近辺の光に対して80%以上の反射率を確保できる。そのため透明な有機シリコン樹脂で取り囲んでも、純金ボンディングワイヤのような黒い影ができることは無い。また、金(Au)をメイン元素(Ag)に対して数%含有させるサブ元素としたときに青色成分が出ないようにするためには、パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が2:1〜10:1の範囲内にあることが好ましい。
なお、最終のダイヤモンドダイスの表面性状により純銀表面には数十nmオーダーの微細な傷が発生するが、ワイヤ表面の傷が微細であるため調質熱処理後であってもボンディングワイヤ表面の銀光沢色が保持される。
本発明において、パラジウム(Pd)を0.1〜4.0質量%添加するのは、金(Au)との共添加効果によって純銀(Ag)の硫化やマイグレーションを抑制するためである。パラジウム(Pd)が0.1質量%未満では硫化やマイグレーションを抑制することができない。逆に、パラジウム(Pd)が4.0質量%を超えると、銀光沢色が失われるとともに、ボンディングワイヤの比抵抗が増加し、ワイヤ自体が発熱する結果、黒い影ができやすくなる。よって、パラジウム(Pd)の範囲を0.1〜4.0質量%とした。
本発明において、金(Au)を0.01〜2.0質量%添加するのは、パラジウム(Pd)との共添加効果によってボンディングワイヤの機械的強度を増し、Ag−Al金属間化合物の形成を避けるためである。金(Au)が0.01質量%未満では、ボンディングワイヤの機械的強度が不十分である。特に縦型擬似白色発光ダイオードに用いると、有機シリコン樹脂で取り囲んだときに注入樹脂の流動抵抗によるボンディングワイヤの変形である樹脂流れを起こしやすくなる。また、金(Au)は著しく硬さを増すため、2.0質量%を超えると、フリー・エアー・ボール(FAB)を形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬く、かつ、粗くなる。
本発明において、パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が2:1〜10:1の範囲内にあることが上記の青色成分が現れないためにも好ましい。しかも、擬似白色発光ダイオードに用いた場合、純銀(Ag)での硫化やマイグレーションを抑制する効果は、上記範囲内の関係にあるときにその効果が大きく、パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が10:1に近づくほど硫化やマイグレーションを抑制する効果が高くなる。逆に、パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が2:1未満になると、ワイヤ自体が硬くなりがちでループが描きにくくなりやすい。
(微量添加元素)
本発明のAg−Pd−Au三元系合金は、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種が合計で1〜50質量ppm添加した合金である。これらの微量添加元素は、Ag−Pd−Au三元合金の色を変化させることはないが、ボンディングワイヤの機械的強度を向上する効果がある。特に、本発明のAg−Pd−Au三元系合金はループ角度が鋭角の縦型擬似白色発光ダイオードに用いるのが好適である。Ag−Pd−Au三元合金にランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)の元素を所定範囲内で添加すると、FABの形状を損なうことなくボンディングワイヤのしなやかさを増す。しかし、これらの元素の合計が1質量ppm未満では添加効果が無く、50質量ppmを超えるとFABを形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬くなりすぎ、チップ割れを起こす。よって、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種が合計で1〜50質量ppmの範囲とした。
本発明において、青色LED素子の底面は、ベース基材の銀(Ag)または銀合金層に設置されていることが好ましい。銀(Ag)または銀合金層の反射率が高いので、高輝度が得られ、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤの黒い影が出にくくなるためである。より好ましくは、ベース基材に逆円錐台の窪みが設けられ、そこに青色LED素子の底面が設置されていることである。有機シリコン樹脂の光出射面以外の面がすべて反射されるからである。
また、青色LED素子のパッド電極がAu−Sn共晶合金で前記銀(Ag)または銀合金層上にハンダ付けされていることがより好ましい。青色LED素子が発熱しても、熱放散性が良いからである。
上述のように、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤを擬似白色発光ダイオードに用いた場合、銀(Ag)の純度が95質量%以上あるので、450nmの青色光に対して80%以上の反射率を確保でき、純銀(Ag)に匹敵する高輝度が確保される。そのため、有機シリコン樹脂の光出射面直上に本発明のボンディングワイヤの黒い影ができることはない。
また、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤは、縦型擬似白色発光ダイオードでも横型擬似白色発光ダイオードでもボンディング強度があり、1種類のワイヤで擬似白色発光ダイオード用ボンディングワイヤとして用いることができる効果がある。
また、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤは、ボンディングワイヤの機械的強度に影響を与える金(Au)の添加量が2.0質量%以下なので、FABを形成したときの溶融ボールの結晶粒が硬くなりすぎることも無い。また、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤは、純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金からなるやわらかいアルミパッドを用いた場合でも、本発明のボンディングワイヤによってチップ割れやパッドめくれが生じることは無い。
表1左欄に示される成分組成を有するAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金(いずれも銀(Ag)の純度は99.9999質量%以上である)を通常の純金ボンディングワイヤと同様にして、溶解し、5mm径で連続鋳造した。この連続鋳造した太線を引き続きそのまま湿式で25μmの最終線径までダイヤモンドダイスにより断面減少率が99.9%以上の連続伸線をし、所定の調質熱処理を施して、25μmの線径を有する本発明に係る白色発光ダイオード用ボンディングワイヤ(以下、「本発明ワイヤ」という)1〜20と本発明の組成範囲に入らない比較品のボンディングワイヤ3および4および従来品のAu−Pd合金ボンディングワイヤ1および2(以下、まとめて「比較ワイヤ」という)1〜4を製造した。
本発明における調質熱処理は、金線の場合と同様に、管状炉において、温度およびスピードを調整の上、引張り破断試験機で伸びが4%(通常品)となるように調整するための熱処理である。
Figure 0006276501
実施例1〜6が請求項1に係る発明、実施例7〜20が請求項2に係る発明、実施例1〜4、7〜16および18〜20が請求項3に係る発明である。
これらの本発明ワイヤ1〜20および比較ワイヤ1〜4をキューリック・アンド・ソファ製のワイヤボンダー(製品名:「Maxμm ultra」)にセットし、ダミーの半導体IC(テストパターンをウェーハに埋め込んだもの、略称「TEG」)表面のAl−1.0質量%Si−0.5質量%Cu合金からなる60μm角アルミパッドに、吹付け窒素雰囲気下、45μm狙いでフリー・エアー・ボール(FAB)を作製し、基材の加熱温度:200℃、ループ長さ:5mm、ループ高さ:220μm、圧着ボール径:54μm、圧着ボール高さ:8μm、の条件で第一ボンディングをしてから真空蒸着した純銀(Ag)層上に超音波接合で第二ボンドをした。このときのループ高さのばらつきおよび第一ボンディング時における溶融ボールのシェア強度について評価を行なった。
ついで、第一ボンディングをしたアルミパッドを水酸化ナトリウム溶液で溶解し、パッドダメージの評価を行った。さらに、車載部品の品質規格AEC−Q100に準拠して、175℃で1000時間放置した後、放置前の電気抵抗に対する放置後の電気抵抗の上昇率を評価した。また、uHAST装置で1000時間放置した後、放置前の電気抵抗に対する放置後の電気抵抗の上昇率を評価した。
また、別途、10mm径で連続鋳造したワイヤの一部をカットし、ロール圧延により平板加工をし、パーキンエルマー社製の紫外可視近赤外分光光度計(型式LAMBDA750)で全可視光域の反射率を測定し、450nmの反射率を評価した。
なお、5mm厚の黄色透明アクリル板の裏面に25μm径のボンディングワイヤを貼り付け、後方から450nmの青色光源を照射して黄色透明アクリル板の表面の影を目視で観察したところ、比較例2のボンディングワイヤだけワイヤ部分が黒く観察され、その他の実施例1〜20および比較例1、3、4のボンディングワイヤは黒い影がみられなかった。
また、調質熱処理前と調質熱処理後の実施例および比較例の細線の反射率を測定し、調質熱処理前後で変わりないことを確認した。
[圧着ボールのシェア評価方法]
各々の合金組成に対し、専用のICチップにワイヤボンダーでボンディングを行い、100点について、ダージ社製の製品名「万能ボンドテスター(BT)(型式4000)」を用い、第一ボンド時の圧着ボールのシェア強度評価を行った。それらの評価結果を表1右欄に示す。
[高温放置・HAST信頼性評価方法]
各々の合金組成に対し、専用のICチップ(200/平方インチ)にワイヤボンダーでボンディングを行い、専用のプラスチック樹脂で封止し、電気抵抗測定用サンプルを作製した。そのサンプルを高温放置信頼性評価では175℃の温風乾燥炉内で1000時間放置し、HAST信頼性試験では高度加速寿命試験(HAST)装置内に温度130℃、湿度85%、圧力2.2気圧の条件で1000時間放置後、電気抵抗を測定した。電気抵抗は、ケースレー・インスツルメンツ社製の製品名「ソースメーター(型式2004)」を用い、専用のICソケットおよび専用に構築した自動測定システムで行った。測定方法は、いわゆる直流四端子法により、測定用プローブから隣接する外部リード間(ICチップ上のパッドが短絡した対を選択)に一定電流を流し、プローブ間の電圧を測定した。
電気抵抗は外部リード100対(200ピン)について、それぞれ放置前と放置後に電気抵抗測定を行い電気抵抗の上昇率を評価した。それらの評価結果を表1右欄に示す。
表1右欄中、「1stボールシェア」は、第一ボンドにおけるシェア荷重値を示し、◎は12kg/mm以上、○は10kg/mm以上、△は8kg/mm以上をそれぞれ示し、そして、8kg/mm未満もしくはボール剥がれが発生した場合は、×を示す。
また、表1右欄中、「チップダメージ」は、水酸化ナトリウム水溶液でアルミパッドを溶かした後にチップを実体顕微鏡で観察した結果を示し、傷やクラックが少しでも入っている場合は×とし、傷やクラックがまったくない場合を◎として、それぞれ示す。
また、表1右欄中、「高温放置信頼性」は、175℃で1000時間放置した後、放置前の電気抵抗に対する電気抵抗の上昇率を示し、◎は20%以下、○は50%以下、×は50%超を、それぞれ示す。
また、表1右欄中、「HAST信頼性」は、HAST装置放置前の電気抵抗値に対する放置後の電気抵抗の上昇率を示し、◎は20%以下、○は50%以下、×は50%超を、それぞれ示す。
また、表1右欄中、「反射率」は、450nmの波長における反射率を示し、◎は85%以上、○は80%以上、△は80%未満をそれぞれ示す。
表1右欄に示される結果から明らかなように、本発明のAg−Pd−Au三元合金またはAg−Pd−Au三元系合金のボンディングワイヤは、ボンディングワイヤの黒い影が見えない効果のほかに、1stボールの接合性がよく、チップダメージが発生せず、高温放置後およびHAST評価後の電気抵抗の上昇が少なく、反射率が高い。一方、比較ワイヤ2は黒い影がみえ、比較ワイヤ1、3および4は、黒い影ができないものの、ボンディング特性が不十分で、これらの特性のうち少なくともいずれか一つは不良となることが分かる。
本発明のボンディングワイヤは、縦型擬似白色発光ダイオードにも横型擬似白色発光ダイオードにも適用でき、広く白色発光ダイオードの用途がある。

Claims (2)

  1. 黄色蛍光体配合の有機シリコン樹脂で取り固まれた、ベース基材の銀(Ag)または銀合金層に設置された青色LED素子のパッド電極と配線基板上のリード電極とを接続するためのボンディングワイヤであって、当該ボンディングワイヤが、パラジウム(Pd)が0.1〜4.0質量%、金(Au)が0.05〜0.92質量%、ランタン(La)、カルシウム(Ca)またはユーロピウム(Eu)のうちの少なくとも1種が合計で1〜50質量ppmおよび残部が純度99.999質量%以上の銀(Ag)からなる三元系合金であり、上記青色LED素子上面のパッド電極が純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)金属または0.5〜2.0質量%のシリコン(Si)または銅(Cu)および残部純度99.9質量%以上のアルミニウム(Al)合金であることを特徴とする白色発光ダイオード用ボンディングワイヤ。
  2. 上記パラジウム(Pd)対金(Au)の比率が2:1〜10:1の範囲内にある請求項1に記載の白色発光ダイオード用ボンディングワイヤ。



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