JP6369994B2 - ボールボンディング用銅合金細線 - Google Patents

ボールボンディング用銅合金細線 Download PDF

Info

Publication number
JP6369994B2
JP6369994B2 JP2015173146A JP2015173146A JP6369994B2 JP 6369994 B2 JP6369994 B2 JP 6369994B2 JP 2015173146 A JP2015173146 A JP 2015173146A JP 2015173146 A JP2015173146 A JP 2015173146A JP 6369994 B2 JP6369994 B2 JP 6369994B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wire
mass
less
copper
copper alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015173146A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017048432A5 (ja
JP2017048432A (ja
Inventor
裕之 天野
裕之 天野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tanaka Denshi Kogyo KK
Original Assignee
Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tanaka Denshi Kogyo KK filed Critical Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority to JP2015173146A priority Critical patent/JP6369994B2/ja
Priority to TW105108784A priority patent/TWI643274B/zh
Priority to SG10201604101QA priority patent/SG10201604101QA/en
Priority to CN201610409423.8A priority patent/CN106486448B/zh
Publication of JP2017048432A publication Critical patent/JP2017048432A/ja
Publication of JP2017048432A5 publication Critical patent/JP2017048432A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6369994B2 publication Critical patent/JP6369994B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/43—Manufacturing methods
    • H01L2224/438—Post-treatment of the connector
    • H01L2224/43848—Thermal treatments, e.g. annealing, controlled cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/4501—Shape
    • H01L2224/45012—Cross-sectional shape
    • H01L2224/45015—Cross-sectional shape being circular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4554—Coating
    • H01L2224/45565—Single coating layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4554—Coating
    • H01L2224/4557—Plural coating layers
    • H01L2224/45572—Two-layer stack coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/48455—Details of wedge bonds
    • H01L2224/48456—Shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and for methods related thereto
    • H01L2224/78—Apparatus for connecting with wire connectors
    • H01L2224/7825—Means for applying energy, e.g. heating means
    • H01L2224/783—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
    • H01L2224/78301—Capillary
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00011—Not relevant to the scope of the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

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ボールボンディング用銅合金細線に関し、特に１５μｍ以下の極細線でもテールワイヤが屈曲しない銅合金細線に関する。
一般に、銅ボンディングワイヤと電極との第一接合にはボールボンディングと呼ばれる方式が、銅ボンディングワイヤと半導体用回路配線基板上の配線とのウェッジ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。第一接合では、エレクトロン・フレーム・オフ（ＥＦＯ）方式によってトーチ電極からワイヤの先端にアーク入熱を与えることでワイヤの先端にフリーエアーボール（ＦＡＢ）と呼ばれる真球を形成させる。そして、１５０〜３００℃の範囲内で加熱したアルミパッド上へこのＦＡＢをキャピラリで押圧しながら超音波を印加してボンディングワイヤとアルミパッドとを接合させる。
次いで、ボンディングワイヤを繰り出しながらキャピラリを上昇させ、リードに向かってループを描きながらウェッジ接合地点にキャピラリを移動する。図示によって説明すると、キャピラリによるウェッジ接合では、図１に示すように、ボンディングワイヤ（１）がキャピラリ（２）によってリード（３）にウェッジ接合される。この際、ウェッジ接合されたボンディングワイヤ（１）の端部はキャピラリ（２）の先端部によって押し潰される。図２に示すように、接合箇所のワイヤ端面の面積はワイヤ径よりも細くなっている。そして、この接合箇所からボンディングワイヤ（１）が切り離される。これは、キャピラリ（２）の上部にあるワイヤクランパ（４）によってボンディングワイヤ（１）を掴んで上方に引き上げると、図３に示すように、リード（３）との接合個所におけるボンディングワイヤ（１）の先端部分でワイヤが簡単に切れるようになっている。
次いで、図示は省略するが、キャピラリを第一接合地点に移動する。そして、放電トーチによってスパーク放電し、ボンディングワイヤの先端に溶融ボール（ＦＡＢ）を形成し、ボンディングワイヤとアルミパッドとを第一接合させる。このようなボンディングサイクルを繰り返し、ボンディングワイヤ（１）を介してパッドとリード（３）との間を順次接続していく。
ところが、リン（Ｐ）を１０〜５００ｐｐｍおよび残部が純度９９．９％以上の銅（Ｃｕ）などからなる銅合金ボンディングワイヤでは、均質な機械特性を得ることが困難であった（特開平７−１２２５６４号公報）。そのためボンディングワイヤ（１）を第二接合した後、ワイヤクランパ（４）を閉じたままキャピラリ（２）とワイヤクランパ（４）とを上昇させてワイヤを切断すると、図４に示すように、ボンディングワイヤ先端が屈曲したり、ひどい場合には、ボンディングワイヤがキャピラリ内でＺ字状に屈曲したりすることがあった。
そのため、従来は、第二接合後に上方へボンディングワイヤを（ごくわずか）引っ張ることによってボンディングワイヤに減径部分を増長させ、ワイヤクランパをいったん開とし、そしてワイヤクランパを閉として再度ワイヤを（強く）引っ張るボンダーの改良によってボンディングワイヤを該減径部分から切断して（特開２００７−６６９９１号公報（後述する特許文献１））ボンディングワイヤの機械的性質の不具合を解決していた。
銅ボンディングワイヤでも線径が２５μｍと太い場合は、このようなＪの字状に変形したワイヤはほとんど見当たらなかった。しかし、ボンディングワイヤの線径が２０μｍを切り、細くなり、かつ、ボンディングスピードを速くしようとすると、上記のようなボンダーの改良が採用できず、Ｊの字状に変形したワイヤが顕在化しはじめた。
ボンディングワイヤにこのようなＪの字状に変形した先端部分が存在すると、ループを描いた時にループ形状を歪めてしまう。また、スパーク電流がボンディングワイヤの先端にうまく当たらなかったり、溶融ボールの中心がずれたりするため、ＦＡＢによる扁平な異形ボールの原因となることがある。また、Ｊの字状の変形がひどくなると、従来でもみられるようなＺの字状の変形となってしまい、キャピラリ詰まりの原因になっていた。
他方、９９．９９ｗｔ％以上の高純度無酸素銅にリン（Ｐ）を添加すると、リン（Ｐ）が３５０℃の酸化物を形成して銅（Ｃｕ）の脱酸作用をするので、第一接合におけるＦＡＢ形成時の表面酸化を防止し、清浄な真球形状が得られることが知られている（特開昭６２−８０２４１号公報）。また、リン（Ｐ）は多結晶の高純度銅（Ｃｕ）中を素早く拡散し（Ｐ．ＳＰＩＮＤＬＥＲら、ＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ Ａ誌，１９７８年６月、９Ａ巻７６３頁）、その表面に偏析しやすい（Ｉ． Ｎ． ＳＥＲＧＥＥＶら、Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｕｓｓｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ： Ｐｈｙｓｉｃｓ誌、２００８年１０月、７２巻１０号１３８８頁）ことも知られている。
なお、純度９９．９９ｗｔ％（４Ｎ）以上の高純度銅とは、Ｈ，Ｎ，Ｃ，Ｏ等のガス成分を除いた金属成分全体に対する銅の純度を重量で表示した百分率割合における「９」の個数が４個のものをいう。通常は高純度銅中に高価な貴金属成分が含まれないので、純度９９．９９ｗｔ％以上の高純度銅とは、銅（Ｃｕ）以外の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満のものをいう。また、通常、高純度銅の定義からガス成分は除かれる（青木庄司ら、銅と銅合金誌、２００３年１月、第４２巻第１号２１頁）。他方、酸素等のガス成分がボンディングワイヤ中に高濃度で存在すると、ボンディングワイヤのＦＡＢに悪影響を与えるといわれている。
このため、高純度銅中にガス成分をコントロールしたとする特許出願は多数ある。例えば、特開昭６１−２０６９３号公報の明細書には、「これら添加元素は、合金中のＨ，Ｏ，Ｎ，Ｃを固定し、Ｈ２，Ｏ２，Ｎ２及びＣＯガスの発生を抑制する。」と記載されている（同公報２ページ右上欄１２〜１４行）。同様に特開２００３−２２５７０５号公報では、銅ボンディング線ビッカース硬度（Ｈｖ）は、軟質銅線のイニシャルボールのビッカース硬度を線径ごとに測定したところ、銅材中に存在する酸素、炭素、窒素、硫黄のガス成分量と相関があることから「９９．９８重量％以上の銅を素材とし、断面積を０．０１ｍｍ２以下になるように展延加工され、焼鈍調質後の銅材中に存在する酸素、炭素、窒素、硫黄のガス成分合計量が０．００５重量％以下とする軟質銅材の加工方法において、上記展延工程で使用する潤滑液として、油分と界面活性剤の合計量で０．０２重量％以下の水溶液を採用することを特徴とする軟質銅材の加工方法」が開示されている。
また、４Ｎ以上の高純度銅地金に含まれない塩素を規定した出願もされている（特開２００８−１５３６２５号公報、特開２０１１−３７４５号公報）。
他方、高純度銅−リン合金に添加元素としてニッケル（Ｎｉ）を添加した特許出願は多数存在する。例えば、特開昭６１−２０６９３号公報の特許請求の範囲（１）には、Ｎｉ、Ｐ等２４元素（希土類元素も一つとした）「から選択された１種又は２種以上の元素を０．００１〜２重量％含有し、残部が実質的に銅であるボンディングワイヤー」が開示されている。また、特開昭６１−５２３３３号公報の特許請求の範囲（１）には、銀（Ａｇ）等７個の「（第１添加元素群）から選択された１種又は２種以上の元素を０．００１重量％以上、０．１重量％未満含有し、かつ」Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐ等２２元素の「（第２添加元素群）から選択された１種又は２種以上の元素を０．００１〜２重量％含有し、残部が実質的に銅であるボンディングワイヤー」２重量％含有し、残部が実質的に銅であるボンディングワイヤー」も開示されている。
また、特開２０１０−１７１２３５号公報（後述する特許文献２）の請求項２と請求項５には、「リン（Ｐ）添加によりボンディングワイヤのイニシャルボールの室温硬さをリン（Ｐ）を除く純度が同等以上の銅合金よりも低下させ、かつそのリン以外の金属元素の総量がリン（Ｐ）の含有量以下であ」り、かつ、「銅（Ｃｕ）中のリン（Ｐ）以外の金属元素がＰｔ，Ａｕ，Ａｇ，Pｄ，Ｃａ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ａｌ，ＰｂおよびＳｉの内のいずれか1種または2種以上であることを特徴とする高純度ボールボンディング用銅合金ワイヤ」が開示されている。
また、特開平０１−２９０２３１号公報（後述する特許文献３）の特許請求の範囲（２）には、「Ｓ、ＳｅおよびＴｅの総含有量を１．０ｐｐｍ以下とした高純度無酸素銅に、少なくともＳｉを１．０ｐｐｍ添加し、さらに」Ｎｉ、Ｐ等８元素の「１種または２種以上をＳｉと総計で１．０〜５００ｐｐｍ添加したことを特徴とする半導体装置用銅合金極細線」が開示され、その本発明実施例１７には、「合金成分および含有量（ｐｐｍ）がＳｉ：１３２ Ｎｉ：２８ Ｐ：７６」を添加して直径：２５μｍを有する銅合金細線を製造した旨が示されている。
これらのガス成分をコントロールした高純度銅の先行技術および高純度銅−リン合金関連の先行技術は、材料費が安価で、ボール接合形状、ワイヤ接合性等に優れ、ループ形成性も良好であり、量産性にも優れた半導体素子用銅系ボンディングワイヤを提供することを目的としている。しかし、ボンディングワイヤ表面にリン（Ｐ）の濃化層を有したりするだけでは、細いボンディングワイヤではワイヤ自体の機械的性質が不安定になり、上述したテールワイヤが屈曲したり、ワイヤ先端が屈曲したりすることは解消されないままであった。
特開２００７―６６９９１号公報 特開２０１０−１７１２３５号公報 特開平０１−２９０２３１号公報
本発明は、第二接合後にワイヤをそのまま上方に引き上げて切断する際にテールワイヤがキャピラリ内で屈曲したり、ワイヤ先端が屈曲したりする課題を解決するためになされたものであり、銅−リン合金にニッケル（Ｎｉ）を含有させることによってテールワイヤがＪの字状に屈曲しない銅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ボールボンディング用銅合金細線の一つは、ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満および残部銅（Ｃｕ）からなることを特徴とする。
また、本発明の課題を解決するためのボールボンディング用銅合金細線の一つは、ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満および残部銅（Ｃｕ）からなる銅合金芯材にパラジウム（Ｐｄ）延伸層が被覆されていることを特徴とする。
また、本発明の課題を解決するためのボールボンディング用銅合金細線の一つは、ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満および残部銅（Ｃｕ）からなる銅合金芯材にパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されていることを特徴とする。
本発明の実施態様項の一つは、上記ニッケル（Ｎｉ）の上限が１質量％以下であることを特徴とする。
また、本発明の実施態様項の一つは、上記リン（Ｐ）の上限が２００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の実施態様項の一つは、上記ボールボンディング用銅合金細線の３発明の内のいずれかの発明が、上記ニッケル（Ｎｉ）含有量を１００質量％とした場合の３０質量％までがパラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）に置換されていることを特徴とする。
また、本発明の実施態様項のもう一つは、上記ボールボンディング用銅合金細線の３発明の内のいずれかの発明が、上記ニッケル（Ｎｉ）含有量を１００質量％とした場合の３０質量％までが金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）に置換されていることを特徴とする。
本発明において、「延伸層」および「薄延伸層」は、一般的にボンディングワイヤの断面および銅合金芯材が完全な円であるとし、銅合金芯材の外側のリングにパラジウム（Ｐｄ）層、またはパラジウム（Ｐｄ）層および金（Ａｕ）層が均一に被覆・縮径されていると仮定して算出した理論的な層をいう。よって、「延伸層」および「薄延伸層」の表現は、必ずしも実際の表面形態を正確に表現したものとは言えないが、ボンディングワイヤの表面からパラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）の微粒子がオージェ分析等によって検出される深さ方向の範囲を便宜的に厚さが存在する「層」で表現したものである。本発明のボンディングワイヤでは膜厚が極めて薄いためボンディングワイヤの表面から高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）によって検出されれば、「延伸層」や「薄延伸層」が存在するとした。
本発明のボールボンディング用銅合金細線において、６Ｎから４Ｎの高純度銅合金母材中に、通常は、酸素が０．２質量ｐｐｍ以上５０質量ｐｐｍ以下含まれる。これらの酸素量は、銅合金母材を再溶解・鋳造、一次伸線、中間熱処理、二次伸線、最終熱処理、保管等しても、本発明の銅合金組成ではほとんど変化しない。酸素が銅（Ｃｕ）マトリックス中に含まれると、卑金属元素が酸化物を形成しやすくなるので、酸素は１０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは５質量ｐｐｍ以下とできるだけ少ないことが好ましい。

本発明のボールボンディング用銅合金細線において、ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下としたのは、ニッケル（Ｎｉ）が銅合金地金中に含まれる酸素を固定し、かつ、リン（Ｐ）の表面偏析も防ぐことができるからである。銅合金マトリックス中の所定量のニッケル（Ｎｉ）は微細に分散し、マトリックス中の酸素を固定する。ニッケル（Ｎｉ）によって固定された酸素はリン（Ｐ）の脱酸化作用を受けないので、ワイヤ自身の剛性が増す。このため所定量のニッケル（Ｎｉ）は、銅合金のヤング率を高くする。
本発明者らは、高ヤング率の銅合金細線はテールワイヤの先端部の切断面積が短くなり、第二接合時のセカンドバックが屈曲しにくいテールワイヤを得ることができることがわかった。すなわち、テールワイヤの屈曲というボンディングワイヤの動的性質がヤング率という銅合金細線の静的性質に起因していることがわかった。
本発明のボールボンディング用銅合金細線において、ニッケル（Ｎｉ）は、酸素原子と結合し銅マトリックスの酸化を防止する。酸素と結合したニッケル（Ｎｉ）は銅合金マトリックス中に固定される。この場合、酸素を過度に供給し続けると、銅合金マトリックス中で分散した酸化ニッケル粒子として観察される。また、ニッケル（Ｎｉ）はリン（Ｐ）とも結合しやすく、銅マトリックス中のリン（Ｐ）の移動を防止する。このため、適度なニッケル（Ｎｉ）は銅（Ｃｕ）のヤング率を高める作用をする。
ニッケル（Ｎｉ）の下限量が０．０２質量％未満ではリン（Ｐ）の表面偏析を防ぐことができない場合があり、テールワイヤの先端部の切れ方が不安定化するから、ニッケル（Ｎｉ）の下限量を０．０２質量％以上とした。好ましくは、ニッケル（Ｎｉ）の下限量は０．０４質量％以上であり、より好ましくは０．０６質量％以上である。
また、ニッケル（Ｎｉ）の上限量が２質量％を超えると、ボンディングワイヤ表面からの酸化が速まるから、ニッケル（Ｎｉ）の上限量を２質量％以下とした。好ましくはニッケル（Ｎｉ）の上限量は１質量％以下である。より好ましくは、ニッケル（Ｎｉ）の好ましい上限量は０．５質量％以下であり、さらに好ましくは０．３質量％以下である。
本発明のボールボンディング用銅合金細線において、当該リン（Ｐ）の含有量は５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下であるとした。リン（Ｐ）は、銅（Ｃｕ）および酸素に作用して表面偏析しやすい元素である。また、リン（Ｐ）は、パーセントオーダーで存在すると銅（Ｃｕ）およびパラジウム（Ｐｄ）に対しハンダのようなフラックス作用を示すことが周知である。よって、上記の範囲で存在しても溶融ボール表面に析出してアルミパッドとの接合強度を高める作用をするものと思料する。また、リン（Ｐ）は、酸素と揮発性の燐酸イオン（ＰＯ４ ２−）を形成することから、ＦＡＢ形成時に銅合金マトリックス中に存在する酸素を溶融ボールから大気中へ放出する作用をする。ただし、銅合金マトリックス中の酸素に対しては、リン（Ｐ）よりもニッケル（Ｎｉ）が優先的に作用することがわかった。
このリン（Ｐ）の上限を８００質量ｐｐｍ以下としたのは、８００質量ｐｐｍを超えるとテールワイヤが安定しないからである。好ましくは５００質量ｐｐｍ以下が良く、より好ましくは２００質量ｐｐｍ以下が良く、さらに好ましくは１００質量ｐｐｍ未満が良い。下限を５質量ｐｐｍ以上としたのは、５質量ｐｐｍ未満ではフラックス作用を示すことができないからである。
本発明のボールボンディング用銅合金細線において、ニッケル（Ｎｉ）含有量を１００質量％とした場合の３０質量％までがパラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）に置換されていることとしたのは、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）もこの範囲内であればニッケル（Ｎｉ）と同様の効果を発揮するからである。高価なパラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）の含有量は、好ましくは、ニッケル（Ｎｉ）の２０質量％までであり、より好ましくはニッケル（Ｎｉ）の１０質量％までである。
また、本発明のボールボンディング用銅合金細線において、ニッケル（Ｎｉ）含有量を１００質量％とした場合の３０質量％までが金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）に置換されていることとしたのは、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）もこの範囲内であればニッケル（Ｎｉ）と同様の効果を発揮するからである。高価な金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）の含有量は、好ましくは、ニッケル（Ｎｉ）の２０質量％までであり、より好ましくはニッケル（Ｎｉ）の１０質量％までである。
また、本発明のボールボンディング用銅合金細線において、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満としたのは、銅合金マトリックス中に卑金属元素の酸化物の形成を妨げるためである。銅の結晶粒界に卑金属元素の酸化物が形成されると、セカンドバックされたテールワイヤが変形しやすくなるからである。好ましくは５０質量ｐｐｍ以下が良く、地金価格を無視すれば、より好ましくは１０質量ｐｐｍ未満が良く、さらに好ましくは５質量ｐｐｍ以下が良い。例えば、公称６Ｎ（９９．９９９９質量％）以上の純度の銅地金を用いると、その他の金属元素の総量が１質量ｐｐｍ未満になるが、銅地金が高価になりすぎて実用的ではなくなってしまうので適していない。なお、「その他の卑金属元素」とは、ビスマス（Ｂｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などの元素をいう。
また、６Ｎから４Ｎまでの高純度銅合金母材に含まれる通常の水素や塩素などの酸素以外のガス成分は、銅合金細線のヤング率に影響を及ぼさない。例えば、６Ｎの高純度銅合金母材に含まれる水素量は分析装置の検出限界（０．２質量ｐｐｍ）以下である。なお、銅合金中に水素が存在すると、溶融ボール形成時に水素が酸素と化合して水蒸気となり、溶融ボールを不安定にする。水素は、溶解ルツボの壁から溶蕩中へ水素が侵入したり、熱処理工程で急冷すると銅地金表面に水素が巻き込まれたり、あるいは、湿式めっきでパラジウム（Ｐｄ）を被覆したりすると吸蔵された水素が残っていることがあるので、これらの巻き込み等は避ける必要がある。
また、本発明のボールボンディング用銅合金細線において、パラジウム（Ｐｄ）延伸層、またはパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されていても、これらの延伸層は１００ｎｍ未満と極薄なので銅合金芯材のヤング率にほとんど影響しない。２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下のパラジウム（Ｐｄ）延伸層は、銅合金細線の酸化を遅延させる効果がある。また、３ｎｍ以下の金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されている場合は、表層電流に続いてワイヤ自身の発熱現象が生じるので、電流の通りが悪いパラジウム（Ｐｄ）延伸層のスパーク放電を安定化させ、均一な溶融ボールをつくる効果がある。
なお、「延伸」層および「薄延伸」層と表現したのは、単純に湿式・乾式めっきをしたままの被覆層と区別するためである。最終線径まで二次伸線してからパラジウム（Ｐｄ）や金（Ａｕ）の貴金属の被覆材を被覆しても、本発明の目的を達成することができない。なぜなら、ダイス摩耗による不規則な縦長溝を最終の被覆層で埋めることができず、ワイヤの全周をナノレベルのオーダーで覆うことができないからである。
本発明の極薄の薄延伸層を形成するには、芯材と被覆材の組合せの種類にもよるが、一般的にワイヤの直径で９０％以上の縮径が必要である。なお、本発明におけるワイヤ表面の極薄のパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層は、いずれも第二ボンディングの超音波接合時に接合箇所で消失するが、テールワイヤには残る。
本発明の組成範囲を有するボールボンディング用銅合金細線によれば、第二接合時のセカンドバックが屈曲にくくなり、テールワイヤの屈曲をこれまでのものより極端に少なくすることができる効果がある。また、テールワイヤの形状が安定すると、第一接合時のＦＡＢも異形ボールにならない効果がある。さらに、テールワイヤの形状が安定すると、第一接合時のＦＡＢがより少ない熱エネルギーでより小さい真球が得られる。よって、２０μｍから１５μｍへとワイヤ径を小さくすることができ、小径ボールによるボンディングワイヤの高密度配線をすることができる効果がある。また、ナノレベルのオーダーでパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されていると、溶融ボールを安定して形成することができる。
また、本発明のボールボンディング用銅合金細線によれば、銅マトリックス中に卑金属酸化物が分散していないので、ワイヤ自体が柔らかい。また、第一接合時のスパーク放電の位置も安定するので、パラジウム（Ｐｄ）延伸層、またはパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層もこれまでよりも薄く被覆しても、第一接合時のFABが安定する効果がある。
さらに、本発明のボールボンディング用銅合金細線は、ワイヤ最表面に金（Ａｕ）延伸層を設けた場合、ワイヤ同士を多重巻きにして１万メートル巻きにしてもワイヤ同士がくっつくことがない。その結果、ワイヤの巻きほぐし性がよくなる。また、付随的効果としてキャピラリに対するワイヤ表面の滑りがよくなる。また、本発明のボールボンディング用銅合金細線によれば、ワイヤ最表面の金（Ａｕ）の微粒子がパラジウム（Ｐｄ）の延伸層からはがれることはない。よって、繰り返し多数回ボンディングしても銅（Ｃｕ）の酸化物がキャピラリに付着することはないので、キャピラリが汚染することがない。
芯材は純度９９．９９９８質量％（５Ｎ）の銅（Ｃｕ）を用い、これにリン（Ｐ）およびニッケル（Ｎｉ）、さらには、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）を添加元素とした。卑金属元素としては、高純度銅に一般的に含まれる元素を選んだ。すなわち、ビスマス（Ｂｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）およびスズ（Ｓｎ）を適宜選択した。これらを所定の範囲で配合したものを実施例１〜実施例２３とした。
次いで、これを連続鋳造し、その後第一次伸線して延伸材を被覆する前の太線（直径１．０ｍｍ）を得た。次いで、中間熱処理（４００℃×４時間）をした。その後、必要に応じて金（Ａｕ）薄延伸層およびパラジウム（Ｐｄ）延伸層となる貴金属被覆層を設けた。これらの半製品ワイヤを湿式でダイヤモンドダイスにより連続して第二次伸線し、４８０℃×１秒の調質熱処理を行って最終的に直径１５μｍのボールボンディング用銅合金細線を得た。なお、平均の縮径率は６〜２０％、最終線速は１００〜１０００ｍ／分である。また、金（Ａｕ）の純度は９９．９９質量％以上であり、パラジウム（Ｐｄ）の純度は９９．９質量％以上である。
Figure 0006369994
表１中、実施例１〜８が本発明の請求項１に係る実施例である。また、実施例１５および実施例１６が本発明の請求項２に係る実施例である。また、実施例２１が本発明の請求項３に係る実施例である。他方、実施例９、１０、１４、１７、１９および２３が本発明の請求項４に係る実施例である。実施例１１〜１３、１８、２０および２２が本発明の請求項５に係る実施例である。
（ボンディングワイヤの屈曲試験等）
ボンディングワイヤの屈曲試験は、以下のようにして行った。すなわち、ワイヤボンダー（新川社製 ＵＴＣ−３０００）を用い、２５℃の周囲温度の銀（Ａｇ）めっき銅（Ｃｕ）板に超音波出力 １００ｍＡ、ボンド荷重９０ｇｆの条件で１００本ウェッジ接合をした。そして、このウェッジ接合の終了後、図１に示すように、キャピラリ（２）を上昇させてキャピラリ（２）の先端にボンディングワイヤ（１）を繰り出し、その後ワイヤクランパ（４）を閉にした後、キャピラリ（２）とワイヤクランパ（４）とを一緒に上昇させることにより、図３に示すように、キャピラリ（２）の先端に所定の長さのボンディングワイヤ（１）を延出させた状態でワイヤを切断した。これを千回行い、拡大投影機にてボンディングワイヤの屈曲本数を調べた。この測定結果を表１右欄に示す。なお、ヤング率も測定したが、いずれも高い値を示した。
比較例
表１に示す組成のボンディングワイヤを比較例１、２および３とした。これら比較例１および比較例２のワイヤは、リン（Ｐ）およびニッケル（Ｎｉ）の組成範囲が外れている。比較例３のワイヤは、パラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）の範囲が外れている。これらの比較例１〜３のボンディングワイヤを実施例と同様にしてテールワイヤの屈曲試験を行ったところ、表１右欄の結果を得た。
これらの試験結果から明らかなように、本発明のすべての実施例は、ヤング率が高く、テールワイヤの屈曲試験で屈曲したワイヤがなく、極めて良好な成績を示した。一方、比較例１〜３のワイヤは、屈曲試験で屈曲したワイヤがあった。
本発明のボールボンディング用銅合金細線は、従来の金合金ワイヤにとって代わり、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。
本発明の銅合金細線のウェッジ接合により得られるボンディングワイヤの断面図である。 銅合金細線のウェッジ接合工程を示す斜視図である。 銅合金細線のウェッジ接合直後の切断状態を示す模式的断面図である。 Jの字状に屈曲したボンディングワイヤの模式的断面図である。
１ ボンディングワイヤ
２ キャピラリ
３ リード
４ ワイヤクランパ

Claims (5)

  1. ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満、酸素が１０質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなることを特徴とするボールボンディング用銅合金細線。
  2. ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満、酸素が１０質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなる銅合金芯材にパラジウム（Ｐｄ）延伸層が被覆されていることを特徴とするボールボンディング用銅合金細線。
  3. ニッケル（Ｎｉ）が０．０２質量％以上２質量％以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満、酸素が１０質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなる銅合金芯材にパラジウム（Ｐｄ）延伸層および金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されていることを特徴とするボールボンディング用銅合金細線。
  4. 上記ニッケル（Ｎｉ）の上限が１質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のボールボンディング用銅合金細線。
  5. 上記リン（Ｐ）の上限が２００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のボールボンディング用銅合金細線。
JP2015173146A 2015-09-02 2015-09-02 ボールボンディング用銅合金細線 Active JP6369994B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015173146A JP6369994B2 (ja) 2015-09-02 2015-09-02 ボールボンディング用銅合金細線
TW105108784A TWI643274B (zh) 2015-09-02 2016-03-22 Copper alloy thin wire for ball bonding
SG10201604101QA SG10201604101QA (en) 2015-09-02 2016-05-23 Copper alloy fine wire for ball bonding
CN201610409423.8A CN106486448B (zh) 2015-09-02 2016-06-12 球焊用铜合金细线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015173146A JP6369994B2 (ja) 2015-09-02 2015-09-02 ボールボンディング用銅合金細線

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2017048432A JP2017048432A (ja) 2017-03-09
JP2017048432A5 JP2017048432A5 (ja) 2018-02-08
JP6369994B2 true JP6369994B2 (ja) 2018-08-08

Family

ID=58238203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015173146A Active JP6369994B2 (ja) 2015-09-02 2015-09-02 ボールボンディング用銅合金細線

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6369994B2 (ja)
CN (1) CN106486448B (ja)
SG (1) SG10201604101QA (ja)
TW (1) TWI643274B (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113748493A (zh) * 2019-03-12 2021-12-03 田中电子工业株式会社 钯覆盖铜接合线、钯覆盖铜接合线的制造方法、及使用了其的引线接合结构、半导体装置以及其制造方法
CN114540660A (zh) * 2021-11-11 2022-05-27 佛山中国发明成果转化研究院 一种高强高导的铜合金及其制备方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5834536B2 (ja) * 1980-06-06 1983-07-27 日本鉱業株式会社 半導体機器のリ−ド材用の銅合金
JPS61157650A (ja) * 1984-12-28 1986-07-17 Hitachi Metals Ltd リ−ドフレ−ム用銅合金
US8887980B2 (en) * 2005-06-10 2014-11-18 Senju Metal Industry Co., Ltd. Method of soldering portions plated by electroless Ni plating
JP4705078B2 (ja) * 2006-08-31 2011-06-22 新日鉄マテリアルズ株式会社 半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ
JP4691533B2 (ja) * 2006-08-31 2011-06-01 新日鉄マテリアルズ株式会社 半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ
JP4482605B1 (ja) * 2009-01-23 2010-06-16 田中電子工業株式会社 高純度Ｃｕボンディングワイヤ
CN106119595A (zh) * 2009-06-24 2016-11-16 新日铁住金高新材料株式会社 半导体用铜合金接合线
JPWO2011129256A1 (ja) * 2010-04-14 2013-07-18 タツタ電線株式会社 ボンディングワイヤ
JP5053456B1 (ja) * 2011-12-28 2012-10-17 田中電子工業株式会社 半導体装置接続用高純度銅細線
JP5668087B2 (ja) * 2013-02-22 2015-02-12 田中電子工業株式会社 半導体装置接合用銅希薄ニッケル合金ワイヤの構造
JP2015023213A (ja) * 2013-07-22 2015-02-02 株式会社デンソー 電子装置
JP6254841B2 (ja) * 2013-12-17 2017-12-27 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 半導体装置用ボンディングワイヤ

Also Published As

Publication number Publication date
CN106486448A (zh) 2017-03-08
TW201711116A (zh) 2017-03-16
JP2017048432A (ja) 2017-03-09
SG10201604101QA (en) 2017-04-27
CN106486448B (zh) 2020-09-29
TWI643274B (zh) 2018-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101341725B1 (ko) 반도체　장치용　본딩 와이어 및 와이어 본딩 방법
JP4866490B2 (ja) 半導体用銅合金ボンディングワイヤ
JP6618662B2 (ja) 半導体装置用Ｃｕ合金ボンディングワイヤ
WO2012169067A1 (ja) 高強度、高伸び率金合金ボンディングワイヤ
JP5213146B1 (ja) 半導体装置接続用銅ロジウム合金細線
JP4637256B1 (ja) 半導体用ボンディングワイヤー
JP5219316B1 (ja) 半導体装置接続用銅白金合金細線
JP5497360B2 (ja) 半導体用ボンディングワイヤー
JP5616165B2 (ja) 銀ボンディングワイヤ
JP5343069B2 (ja) ボンディングワイヤの接合構造
JPWO2002023618A1 (ja) 半導体用ボンディングワイヤおよびその製造方法
JP5165810B1 (ja) 銀金パラジウム系合金バンプワイヤ
JP4482605B1 (ja) 高純度Ｃｕボンディングワイヤ
JP2010245390A (ja) ボンディングワイヤ
WO2011118009A1 (ja) 高純度Ｃｕボンディングワイヤ
JP6369994B2 (ja) ボールボンディング用銅合金細線
WO2012117512A1 (ja) 金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ
JP6410692B2 (ja) 銅合金ボンディングワイヤ
JP6898705B2 (ja) ボールボンディング用銅合金細線
WO2019151130A1 (ja) ボンディングワイヤ
JP2003059964A (ja) ボンディングワイヤ及びその製造方法
JP4947670B2 (ja) 半導体素子用ボンディングワイヤの熱処理方法
JP5024907B2 (ja) 金（Ａｕ）合金ボンディングワイヤ
JP2003031609A (ja) 半導体素子接続用Ａｕボンディングワイヤ

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20171222

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171225

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20171225

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20180117

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180216

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180411

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180709

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6369994

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250