JP6387426B2

JP6387426B2 - ボンディングワイヤ

Info

Publication number: JP6387426B2
Application number: JP2017011018A
Authority: JP
Inventors: 山田　隆; 隆山田; 大造小田
Original assignee: Nippon Micrometal Corp
Current assignee: Nippon Micrometal Corp
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: JP2017073574A

Description

本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤに関するものである。

半導体装置では、半導体素子上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤによって接続している。ボンディングワイヤの芯材に用いる材質として、超ＬＳＩなどの集積回路半導体装置では金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が用いられ、一方でパワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、３００μｍφのアルミニウムワイヤを用いる例が示されている。また、アルミニウムワイヤを用いたパワー半導体装置において、ボンディング方法としては、半導体素子上電極との接続とリードフレームや基板上の電極との接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。

アルミニウムボンディングワイヤは金ボンディングワイヤに比較して安価である反面、高湿度の中では酸化し、劣化しやすくなるため、高価な真空または不活性ガスを封入したパッケージが必要で、安価な樹脂パッケージを使用できない。特許文献２には、金被覆アルミニウムボンディングワイヤの製造方法が記載されている。アルミニウムボンディングワイヤに金被覆することにより、コストの安い樹脂パッケージにも適用することができ、アルミニウムワイヤであるにもかかわらずボールボンディングが可能になるとしている。

集積回路半導体装置に用いるボンディングワイヤとして、銅を芯線とするボンディングワイヤが用いられている。銅ボンディングワイヤの表面酸化を防ぐため、銅芯線の表面に金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、クロム、チタンなどの貴金属や耐食性金属からなる被覆層を形成したボンディングワイヤが提案されている（特許文献３）。さらに特許文献４では、芯材よりも高融点の金属を被覆層とし、被覆層のビッカース硬度が３００以下であるボンディングワイヤが提案されている。これにより、被覆層が高融点金属であっても、伸線時のダイス摩耗などを防止できるとしている。芯線素材として銅と銀が挙げられ、被覆層金属として白金、パラジウム、ニッケルが挙げられている。

特開２００２−３１４０３８号公報特開平８−２４１９０７号公報特開昭６２−９７３６０号公報特開２００５−１６７０２０号公報

ボンディングワイヤを製造するに際しては、ダイスを用いた伸線処理が行われる。Ａｌ又はＡｌ合金ボンディングワイヤについても同様である。Ａｌ又はＡｌ合金ボンディングワイヤをダイスを用いて伸線する際、Ａｌ、Ａｌ合金は軟質であるため、ダイスによる摩耗でアルミニウムの摩耗粉が発生する。この摩耗粉が原因で、それ以降に伸線されるワイヤ表面に疵を発生させたり、軸上偏芯等の問題があった。特許文献２に記載のように、Ａｌワイヤの表面にＡｕを被覆することにより、ＡｕはＡｌよりも硬質であるため、伸線時の摩耗粉発生を防止することができる。

Ａｌ、Ａｌ合金は酸化しやすい。特許文献２においては、アルミニウムボンディングワイヤに金被覆することにより、ボンディングワイヤ表面の酸化を抑え、コストの安い樹脂パッケージにも適用することができると記載されている。ところが、Ａｕ被覆Ａｌボンディングワイヤを実際に樹脂パッケージで使用すると、Ａｕ被覆層とＡｌ芯線との境界部分において、Ａｌ芯線の腐食が発生することが確認された。

本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤにおいて、ダイスを用いた伸線時に削れによる摩耗粉を発生させることなく、さらに安価な樹脂パッケージに使用してもＡｌ芯線に腐食が発生することのないボンディングワイヤを提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａと、前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ又はそれらの合金からなり、前記被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とするボンディングワイヤ。
（２）Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａと、前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属が、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅ又はそれらの合金からなり、前記被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなり、
前記被覆層Ａの厚さは１０ｎｍ〜１０００ｎｍであり、前記被覆層Ｂの厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とするボンディングワイヤ。

本発明は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有するボンディングワイヤにおいて、芯線を被覆する被覆層Ａを有し、被覆層Ａを構成する金属が、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅ又はそれらの合金からなるので、被覆層Ａを構成する金属はビッカース硬度がＡｕと同等又はそれ以上であり、被覆層Ａを構成する金属とアルミニウムとの標準酸化還元電位差が１．６Ｖ以下であることにより、ダイスを用いた伸線時に削れによる摩耗粉を発生させることなく、さらに安価な樹脂パッケージに使用してもＡｌ芯線に腐食が発生することがない。

ＡｌとＡｕとの間の標準酸化還元電位差は３．１９６Ｖである。Ａｕ被覆Ａｌボンディングワイヤを樹脂パッケージで使用したときにＡｌ芯線の腐食が発生する原因は、ＡｌとＡｕとの間の標準酸化還元電位差が大きすぎることが原因であると判明した。そして、Ａｌボンディングワイヤに金属被覆を行ったとき、Ａｌと被覆金属との間の標準酸化還元電位差が１．６Ｖ以下であれば、当該金属被覆Ａｌボンディングワイヤを樹脂被覆パッケージで使用してもＡｌ芯線の腐食が発生しないことがわかった。

金属被覆Ａｌボンディングワイヤの表面が軟らかすぎると、金属被覆を行ったとしても伸線時の摩耗粉発生を防止することができない。本発明では、Ａｌボンディングワイヤ表面の被覆金属について、Ａｕと同等又はそれ以上の硬度を有する金属を被覆金属として用いることにより、伸線時の摩耗粉発生を防止できることを明らかにした。

表１に、主要金属のビッカース硬さ（ＭＰａ）、標準酸化還元電位（Ｖ）、Ａｌとの標準酸化還元電位差（Ｖ）を示す。標準酸化還元電位は標準水素電極を参照極として測定されるのが一般であるが、ここでは第５版電気化学便覧（ＩＳＢＮ４−６２１−０４７５９−０Ｃ３０５８）ｐ９２−９５に記載される数値を参照した。この表から明らかなように、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅについては、Ａｕと同等又はそれ以上の硬度を有し、及びＡｌとの標準酸化還元電位差が１．６Ｖ以下であって本発明の条件を満足しており、これら金属又はそれらの合金を本発明の被覆金属として使用できることがわかる。

即ち、本発明のボンディングワイヤは、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａとを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属が、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅ又はそれらの合金からなることを特徴とする。被覆層Ａは芯線の全周を覆っている。

ボンディングワイヤ製造時の熱処理により、被覆層Ａと芯線との境界には、被覆層Ａ金属と芯線金属との拡散領域が形成されることがある。拡散領域において、被覆層Ａ側から中心に向けて、被覆層Ａ金属含有量が漸減するとともに、芯線金属含有量が漸増する。本発明において、芯線金属含有量が５０ａｔ％となった位置を被覆層Ａと芯線との境界と定義する。

本発明のボンディングワイヤは、芯線としてＡｌ又はＡｌ合金からなる芯線を有している。Ａｌを用いる場合、芯線のＡｌ含有量は９９．９質量％以上となる。Ａｌ合金を用いる場合、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅなどの合金が使用され、Ａｌ合金の場合のＡｌ含有量は９０質量％以上である。

芯線を構成する含有成分は、上記Ａｌ又はＡｌ合金を構成する成分に加え、不可避不純物を含有している。さらに、芯線と被覆層Ａとの境界に上記拡散領域が形成されている場合には、芯線中の当該拡散領域において、芯線中には被覆層Ａの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。

被覆層Ａを構成する含有成分は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅ又はそれらの合金であり、これに不可避不純物が含まれる。芯線と被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ａ中の当該拡散領域において、被覆層Ａ中には芯線の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。

芯線を被覆する被覆層Ａの厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍとすると好ましい。被覆層Ａの厚さが薄すぎると、伸線時の摩耗粉発生防止効果及びＡｌ芯線の腐食防止効果を十分に発揮することができないが、１０ｎｍ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。また、被覆層Ａの厚さが厚すぎると高硬度被膜の場合は伸線ダイスの寿命が短くなるという問題が発生することがあるが、１０００ｎｍ以下であればこのような問題を発生することなく良好に使用することができる。

被覆層Ａとして用いるＭｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅは硬い金属であり、表１に示すように、ビッカース硬さが６０８ＭＰａ以上である。このため、これら金属又はそれらの合金で被覆したＡｌ芯線ワイヤをダイスによって伸線処理すると、ダイスの摩耗を助長する傾向が見られる。また、これら金属で被覆したＡｌ芯線ワイヤを用いて電極上にウェッジ接合を行ったとき、接合強度が合格基準ぎりぎりでの合格となることがわかった。これに対し、本発明の金属被覆Ａｌ芯線ワイヤの被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなるボンディングワイヤにおいては、伸線時のダイス摩耗が低減するとともに、ウェッジ接合を行った接合部の接合強度が十分に高く保持されることがわかった。

即ち、本発明の好ましいボンディングワイヤは、前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有し、被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とする。被覆層Ｂは被覆層Ａの全周を覆っている。

ボンディングワイヤ製造時の熱処理により、被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界には、被覆層Ｂ金属と被覆層Ａ金属との拡散領域が形成されることがある。拡散領域において、被覆層Ｂ側から中心に向けて、被覆層Ｂ金属含有量が漸減するとともに、被覆層Ａ金属含有量が漸増する。本発明において、被覆層Ｂ金属含有量が５０ａｔ％となった位置を被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界と定義する。

被覆層Ｂを構成する含有成分は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金であり、これに不可避不純物が含まれる。被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ｂ中の当該拡散領域において、被覆層Ｂ中には被覆層Ａの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。同様に、被覆層Ｂと被覆層Ａとの境界に前記拡散領域が形成されている場合には、被覆層Ａ中の当該拡散領域において、被覆層Ａ中には被覆層Ｂの成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。

被覆層Ｂの厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍとすると好ましい。被覆層Ｂの厚さが薄すぎると、接合部の接合強度向上効果を十分に発揮することができないが、１ｎｍ以上であれば本発明の効果を発揮することができる。また、被覆層Ｂの厚さが厚すぎるとめっき工程の生産性が悪くなり、高コストになるという問題が発生することがあるが、１００ｎｍ以下とすることが工業的に望ましい。

本発明のワイヤの成分組成の評価方法について説明する。

被覆層Ｂ、被覆層Ａ、芯線及びそれらの境界部における拡散領域などの濃度分析について、ボンディングワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げていきながら分析する手法、あるいはワイヤ断面でのライン分析又は点分析等が有効である。前者は、外層が薄い場合に有効であるが、厚くなると測定時間がかかりすぎる。後者の断面での分析は、外層が厚い場合に有効であり、また、断面全体での濃度分布や、数箇所での再現性の確認等が比較的容易であることが利点であるが、外層が薄い場合には精度が低下する。ボンディングワイヤを斜め研磨して、拡散領域の厚さを拡大させて測定することも可能である。

断面では、ライン分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上したいときには、ライン分析の分析間隔を狭くするとか、界面近傍の観察したい領域に絞っての点分析を行うことも有効である。

これらの濃度分析に用いる解析装置では、電子線マイクロ分析法（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）、オージェ分光分析法（ＡＥＳ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、ＩＣＰ分析、ＩＣＰ質量分析等の利用することができる。特にＡＥＳ法は、空間分解能が高いことから、最表面の薄い領域の濃度分析に有効である。また、平均的な組成の調査等には、表面部から段階的に酸等で溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解部位の組成を求めること等も可能である。

その他、５０ｎｍよりも薄い中間層の厚さおよび組成を精度良く測定するためには、手間はかかるものの、中間層を含む薄膜試料を作製し、ＴＥＭによる観察および電子線回折などを利用することが有効である。

次に、本発明の半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法について説明する。

まず、芯線の組成にあわせ、高純度のＡｌ（純度９９．９９％以上）と添加元素原料を出発原料として秤量した後、これ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して溶解することで、所定の成分を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物であるインゴットを得る。このインゴットを最終的に必要とする芯線の直径まで金属製のダイスを用いて伸線する。

芯線の表面に被覆層Ａを形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。その後、必要に応じて被覆層Ａの表面に被覆層Ｂを形成する。被覆層Ａの表面に更に被覆層Ｂを形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。芯線の表面に被覆層Ａ及び被覆層Ｂを被着する段階については、インゴットの段階で被着すると最も好ましいが、芯線の途中段階で所定の線径まで伸線し、ダイスによるＡｌ摩耗粉の発生が認められたあとの段階で被着し、最終線径まで伸線することとしても良い。

ボンディングワイヤの原材料として、芯線に用いたＡｌ、被覆層Ａに用いたＭｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｆｅ、被覆層Ｂに使用したＡｕ、Ａｇ、Ｃｕとして純度が９９．９９質量％以上の素材をそれぞれ用意した。Ａｌを加熱して溶解することでインゴットを鋳造し、このワイヤ表面に被覆層Ａと被覆層Ｂを電解めっき方法で形成した。その後、伸線及び焼鈍を行って最終線径５００μｍのボンディングワイヤを作製し、被覆層Ａと被覆層Ｂをそれぞれ実施例記載の厚みに制御した。

できあがったボンディングワイヤにおける被覆層Ａ及び被覆層Ｂの厚みは、ＩＣＰ分析によって平均膜厚を測定した。被覆層Ａ及び被覆層Ｂの厚み及び組成をそれぞれ表２に記載した。

ボンディングワイヤの伸線疵の評価については、ボンディングワイヤ表面をＳＥＭで観察し、同径の金ワイヤと同等であれば合格、そうでないものを不合格とした。

ボンディングワイヤの接続には、市販のウェッジボンダーを使用した。評価用のサンプルは銅基板上にＳｉＣチップをマウントしたものを用いた。ＳｉＣチップ上には予めＳｉＣチップ側からチタン、ニッケル、アルミニウムを蒸着形成し、それぞれ厚さ０．１，２，４μｍとした。

ボンディングワイヤのウェッジボンディング性については、シェア強度について評価を行った。シェア強度については、ウェッジ接合された状態のボンディングワイヤをワイヤに垂直な方向にせん断歪を加え、破断に至るまでの最大強度を記録した。この最大強度が合格基準値の１．２倍以上の場合を○、合格基準値未満を×、その中間を△とした。

信頼性評価はＨＡＳＴ試験によって行った。ボンディングしたサンプルをシリコーンゲルで封止した半導体装置について、温度１３５℃、相対湿度８５％ＲＨ（ＲｅｌａｔｉｖｅＨｕｍｉｄｉｔｙ）、５Ｖという高温高湿炉中に放置し、半導体装置の累積不良率が５０％を超えるまでの時間が２００時間以上であれば○、９８時間未満であれば×とし、その中間を△とした。

表２に示す条件でボンディングワイヤを製造し、評価を行った。

表２の本発明例１〜８は被覆層Ａを有して被覆層Ｂを有しない本発明例、本発明例９〜２４は被覆層Ａと被覆層Ｂを有する本発明例である。比較例２５〜２８が比較例である。

伸線疵については、本発明例１〜２４のいずれも、評価が「○」であり、伸線疵の発生を防止することができた。比較例２５は何ら被覆を有しないＡｌボンディングワイヤであり、伸線疵が「×」であった。比較例２６〜２８は、被覆層としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかの膜を形成しており、そのために伸線疵は「○」であった。

伸線用のダイスの摩耗については、被覆層Ｂを有しＡｕ，Ａｇ，Ｃｕで被覆した本発明例９〜２４は良好であり、また比較例２６〜２８も同様に良好であった。本発明例１〜８は、硬質の被覆層Ａを有して被覆層Ｂを有しない例であり、ダイス摩耗のためダイス寿命が他の本発明例よりも短めだったが、製品の品質は良好であった。

信頼性については、本発明例のうち、被覆層Ａ金属としてＮｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａを用いた本発明例は信頼性評価が「○」であり、被覆層Ａ金属としてＭｏ、Ｃｏ、Ｆｅを用いた本発明例は信頼性評価が「△」であった。Ａｌとの標準酸化還元電位差が１Ｖ付近に境界があり、それよりも標準酸化還元電位差が小さい金属においては信頼性評価が「○」であり、標準酸化還元電位差がそれよりも大きくかつ１．６Ｖ以下の場合は信頼性評価が「△」であった。一方、標準酸化還元電位差が１．６Ｖを超える金属を被覆した比較例２６〜２８は信頼性評価が「×」であった。また、Ａｌボンディングワイヤに何も被覆を行っていない比較例２５の信頼性評価は「△」であった。

信頼性評価試験終了後の半導体装置を分解し、ボンディングワイヤの表面状況について確認したところ、信頼性評価が△、×のそれぞれについて、腐食によるものと思われる断線または線細りが観察された。

接合強度については、被覆層Ａと被覆層Ｂを有する本発明例９〜２４はいずれも「○」、被覆層Ａのみを有し被覆層Ｂを有しない本発明例１〜８はいずれも「△」という結果であった。比較例２５〜２８は接合強度が「○」であった。これはＡｕ・Ｃｕからなる被覆層Ｂを備えた本発明例、さらにはＡｕ・Ｃｕを被覆層Ａに備えた比較例に比べて、被覆層Ｂを有さずに高硬度の被覆層Ａが表面に現れている本発明例の場合はＳｉＣチップ上に形成されたアルミ電極パッドとの接合性が弱いためと考えられる。

Claims

Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯線と、当該芯線を被覆する被覆層Ａと、前記被覆層Ａの外側にさらに被覆層Ｂを有するボンディングワイヤであって、前記被覆層Ａを構成する金属が、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ又はそれらの合金からなり、前記被覆層Ｂを構成する金属が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ又はそれらの合金からなることを特徴とするボンディングワイヤ。