JP6462665B2 - 銅ボンディングワイヤおよびその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面を有するコアを含むボンディングワイヤに関し、コアは主成分として銅を含み、コア内の結晶粒の平均粒度は２．５μｍから３０μｍであり、ボンディングワイヤの降伏強度は１２０ＭＰａ未満である。

本発明はさらに、第１のボンドパッドと、第２のボンドパッドと、本発明に従うワイヤとを含むモジュールに関し、本発明のワイヤは、ボールボンディングによってボンドパッドの少なくとも一方に接続される。

本発明はさらに、本発明に従うワイヤを製造するための方法に関する。

ボンディングワイヤは、半導体デバイス製作の際に集積回路とプリント回路基板とを電気的に相互接続するために、半導体デバイスの製造において用いられる。さらに、ボンディングワイヤはパワーエレクトロニクス適用において、トランジスタおよびダイオードなどをハウジングのパッドまたはピンと電気的に接続するために用いられる。最初ボンディングワイヤは金から作られたが、現在はたとえば銅などのより安価な材料が用いられる。銅ワイヤは非常に良好な電気伝導性および熱伝導性を提供するが、銅ワイヤのボールボンディングおよびウェッジボンディングは課題を有する。さらに、銅ワイヤは酸化されやすい。

ワイヤジオメトリに関して、最も一般的なのは、円形断面のボンディングワイヤおよびほぼ矩形の断面を有するボンディングリボンである。どちらのタイプのワイヤジオメトリも、特定の適用に対して有用となる利点を有する。よって、両タイプのジオメトリが市場での占有率を有する。たとえば、ボンディングリボンは所与の断面積に対してより大きな接触面積を有する。しかし、リボンの屈曲は限られており、リボンと、それがボンディングされるエレメントとの許容できる電気的接触に到達するためには、ボンディングのときにリボンの向きを観察する必要がある。次にボンディングワイヤに関しては、これらは屈曲に対してより柔軟である。しかし、ボンディングはボンディングプロセスにおけるワイヤの溶接およびより大きな変形を伴い、それによって、ボンドパッドおよびその下にあるボンディングされるエレメントの電気的構造に損害または破壊すらもたらすおそれがある。

本発明に対するボンディングワイヤという用語は、すべての形状の断面およびすべての通常のワイヤ直径を含むが、円形断面および細い直径を有するボンディングワイヤが好ましい。

近年のいくつかの開発は、銅コアを有するボンディングワイヤに向けられたものであった。銅は電気伝導性が高いために、コア材料として選択される。ボンディング特性を最適化するために、銅材料に対する異なるドーパントが探索された。たとえば特許文献１は、多数の異なるドーパントおよび濃度を伴ういくつかの異なる銅ベースのテストワイヤを記載している。しかし、ボンディングワイヤ自体およびボンディングプロセスに関して、ボンディングワイヤ技術をさらに改善することが継続的に要求されている。

米国特許第７，９５２，０２８号明細書

したがって、本発明の目的は、改善されたボンディングワイヤを提供することである。

本発明の別の目的は、良好な処理特性を有し、かつ相互接続するときに特定の要求を有さないためにコストの節約になるボンディングワイヤを提供することである。

加えて本発明の目的は、優れた電気伝導性および熱伝導性を有するボンディングワイヤを提供することである。

本発明のさらなる目的は、改善された信頼性を示すボンディングワイヤを提供することである。

本発明のさらなる目的は、優れたボンディング性を示すボンディングワイヤを提供することである。

本発明の別の目的は、ボールボンディングに関して改善されたボンディング性を示すボンディングワイヤを提供することである。

本発明の別の目的は、ボールボンディングである第１のボンディングに関して改善されたボンディング性を示し、一方でウェッジボンディングである第２のボンディングに対するボンディング性能が少なくとも十分であるようなボンディングワイヤを提供することである。

本発明の別の目的は、ボンディング前のワイヤコアの軟らかさの増加を示すボンディングワイヤを提供することである。

本発明の別の目的は、腐食および／または酸化に対する抵抗性の改善を有するボンディングワイヤを提供することである。

別の目的は、標準的なチップおよびボンディング技術によって用いられる、電子デバイスまたはモジュールをボンディングするためのシステムを提供することであり、このシステムまたはモジュールは、少なくとも第１のボンディングに関する故障率の低減を示す。

別の目的は、本発明のボンディングワイヤを製造するための方法を提供することであり、この方法は基本的に、公知の方法に比べて製造コストの増加を示さない。

驚くべきことに、本発明のワイヤは、上述の目的の少なくとも１つを解決することが見出された。さらに、ワイヤ製造の課題の少なくとも１つを克服する、これらのワイヤを製造するためのプロセスが見出された。さらに、本発明のワイヤを含むシステムおよびモジュールは、本発明に従うワイヤと、たとえばプリント回路基板、パッド／ピンなどのその他の電気的エレメントとの間の界面において、より信頼性が高いことが見出された。

上記の目的の少なくとも１つの解決策に対する寄与は、カテゴリ形成請求項の主題によって提供され、カテゴリ形成独立請求項の従属下位請求項は、本発明の好ましい局面を表すものであり、従属下位請求項の主題も同様に、上述の目的の少なくとも１つの解決に寄与する。

本発明の第１の局面は、ボンディングワイヤであって、
表面を有するコアを含み、
コアは主成分として銅を含み、
コア内の結晶粒の平均粒度は２．５μｍから３０μｍであり、
ボンディングワイヤの降伏強度は１２０ＭＰａ未満である、ボンディングワイヤである。

本発明に従うこうしたワイヤは、機械的特性およびボンディング特性に関して最適化された結晶構造を有する。

もし他に特定の定義が提供されなければ、現在すべての成分の含有量または占有率は重量による占有率として与えられている。特に、パーセントで与えられる占有率は重量％であると理解され、ｐｐｍ（百万分率（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ））で与えられる占有率は重量ｐｐｍであると理解される。

ワイヤのコアは、表面下のバルク材料の均質な領域として定義される。基本的に、任意のバルク材料はある程度異なる特性を有する表面領域を有するため、ワイヤのコアの特性とは、このバルク材料領域の特性であると理解される。バルク材料領域の表面は、形態、組成（例、酸素含有量）またはその他の特徴の点で異なっていてもよい。好ましい実施形態において、表面とは本発明のワイヤの外表面であってもよい。さらなる実施形態において、ワイヤコアの表面は、ワイヤコアと、ワイヤコアに重ね合わせたコーティング層との間の界面領域として提供されてもよい。

結晶粒の平均粒度に関して、粒度は標準的な金属組織学的技術を用いて定められる。ワイヤコアのサンプルを切断し、次いでエッチングする。本発明の場合には、２ｇのＦｅＣｌ_３および６ｍｌの濃ＨＣｌを２００ｍｌのＤＩ水に加えた溶液をエッチングに用いた。線切片の原理によって、粒度を測定して算出する。本明細書において用いられる一般的な定義は、粒度を、粒を通過する直線のすべての部分のうちの最長のものとして定義するというものである。

一般的に好ましくは、ワイヤコアの直径と平均粒度との比率は２．５から５である。さらにより好ましくは、その比率は２．５から４である。この比率によって、ワイヤの異なる直径の範囲全体にわたるワイヤ特性の最適化が可能になる。特に、好ましい比率は細いワイヤの特性に対して有益であり得る。

それぞれのワイヤ直径を考慮して、特定的に最適化された有利な平均粒度の選択は、次のとおりに達成される。
ワイヤコアの直径が１５μｍから２８μｍであり、平均粒度が２．５μｍから６μｍであるか、または
ワイヤコアの直径が２８μｍから３８μｍであり、平均粒度が３μｍから１０μｍであるか、または
ワイヤコアの直径が３８μｍから５０μｍであり、平均粒度が７μｍから１５μｍであるか、または
ワイヤコアの直径が５０μｍから８０μｍであり、平均粒度が１０μｍから３０μｍである。

ワイヤは、特にマイクロエレクトロニクスにおけるボンディングのためのボンディングワイヤである。ワイヤは、好ましくは一体的な物体である。

ある成分の占有率が参照材料のさらなる成分のすべてを超えているとき、この成分は「主成分」である。好ましくは、主成分は材料の総重量の少なくとも５０％を含む。

降伏強度の定義のために、一般知識を参照する。工学および材料科学において、材料の「降伏強度」は、材料が塑性変形を開始する応力として定義される。塑性変形を開始する前は、材料は弾性変形し、加えられた応力が取り除かれると元の形に戻る。

一般的に好ましくは、本発明のボンディングワイヤの降伏強度は１１０ＭＰａ未満であり、より好ましくは９０ＭＰａ未満である。最も好ましくは、降伏強度は８０ＭＰａ以下である。原則として、降伏強度が低減されることが本発明のワイヤのボンディング特性にとって有利である。

本発明のワイヤの降伏強度の下限は、好ましくは５０ＭＰａより大きく、最も好ましくは６５ＭＰａより大きい。この下限によって、特に本発明のボンディングワイヤの降伏強度に対する好ましくかつ有利な範囲がもたらされる。本発明に従うボンディングワイヤは、好ましくは５０〜１２０ＭＰａ、５０〜１１０ＭＰａ、６５〜１１０ＭＰａ、６５〜９０ＭＰａ、または６５〜８０ＭＰａの範囲のうち１つまたはそれ以上の降伏強度を有する。

本発明の好ましい実施形態において、ワイヤのヤング率は１００ＧＰａ未満である。より好ましくは、ヤング率は９５ＧＰａ未満である。ワイヤのヤング率に関するワイヤの最適化は、ワイヤの機械的特性に有益であり、さらにボンディングプロセスにおけるワイヤの挙動にも有益である。

不利な影響を防ぐために、ヤング率の下限が説明され得る。最適化されたワイヤのヤング率は７５ＧＰａ以上、好ましくは８０ＧＰａ以上であるべきであることが明らかになった。本発明に従うボンディングワイヤは、好ましくは７５〜１００ＧＰａ、７５〜９５ＧＰａ、または８０〜９５ＧＰａの範囲のうち１つまたはそれ以上のヤング率を有する。

ヤング率の定義のために、一般知識を参照する。ヤング率は、引っ張り係数または弾性率としても公知であり、弾性材料の剛性の尺度であって、材料を特徴付けるために用いられる量である。ヤング率は、フックの法則を保持する応力の範囲における、軸に沿った歪みに対するその軸に沿った応力の比率として定義される。

本発明のワイヤの良好なボンディング特性を維持するために、ワイヤコアの銅の総量は少なくとも９７％であることが一般的に好ましい。より好ましくは、銅の量は少なくとも９８％である。

本発明の好ましい実施形態の１つにおいて、ワイヤコアは純銅からなる。好ましくは、純度は少なくとも３Ｎグレードの銅（＞＝９９．９％Ｃｕ）であり、最も好ましくは４Ｎグレードの銅（＞＝９９．９９％Ｃｕ）である。純銅ワイヤは一般的に、良好な伝導性および良好なボンディング特性を示す。

好ましい実施形態において、ワイヤコア中のホウ素の含有量は１００ｐｐｍ未満である。ホウ素は銅ベースのワイヤの結晶構造に影響することが知られているため、ホウ素の量を特定の閾値未満に保つことが有利である。これは特に、純銅からなるワイヤコアに当てはまる。別の好ましい実施形態の場合には、ホウ素は１０ｐｐｍから１００ｐｐｍの量で、制御された態様で提供される。

さらに別の好ましい実施形態において、ワイヤコア中のリンの含有量は２００ｐｐｍ未満である。リンは可能な限り避けられる（微量レベル）ことが規定されてもよいが、いくつかの実施形態においては少量のリンが提供され得る。こうした場合において、好ましいリンの量は１０ｐｐｍから２００ｐｐｍである。

別の好ましい実施形態において、ワイヤコアは、０．５％から３％、より好ましくは１．０％から２．５％の量のパラジウムを含有する。さらにより好ましい、最適化された実施形態において、パラジウム含有量は１．２％から２．５％であり、最も好ましくは１．２％から２．０％である。特に好ましい実施形態において、パラジウム占有率は１．２％から１．３％である。パラジウムの小さい占有率は本発明の有益な効果を低減させないことが実験によって示されており、一方でこうしたパラジウム含有量は一般的に腐食に対するワイヤの安定性を助け、かつさらに有益な効果を有する。

さらに好ましくは、本発明のこうしたＰｄ含有ワイヤは、８５〜９５ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）の範囲のワイヤコアの微小硬度を示す。さらにより最適化された実施形態において、ワイヤコアの硬度とパラジウム含有量との比率は、６０〜１２０ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）／ｗｔ．−％の範囲である。ワイヤコアの硬度は、たとえばアニーリング手順などによって、特定の範囲内で選択されたパラジウム含有量とは独立に調整され得ることが理解される。

さらに好ましい実施形態において、ワイヤコアは、４５ｐｐｍから９００ｐｐｍの量の銀を含有する。好ましい実施形態において、銀含有量は１００ｐｐｍから９００ｐｐｍであり、さらにより好ましくは１００ｐｐｍから７００ｐｐｍである。非常に好ましい実施形態においては、顕著に有利なワイヤ特性が得られるため、銀含有量は１００ｐｐｍから４００ｐｐｍの範囲である。さらに最適化された実施形態において、コアの銀含有量は１００ｐｐｍから３００ｐｐｍであり、最も好ましくは２００ｐｐｍから２５０ｐｐｍである。一般的に、ワイヤコア中に小さい占有率の銀を有するこうした実施形態は、良好なＦＡＢ（フリーエアボール（Ｆｒｅｅ Ａｉｒ Ｂａｌｌ））形成およびボールボンディングに対する大きなボンディングウィンドウを示す。

銀含有ワイヤに対して一般的に好ましくは、ワイヤコアのＣｕおよびＡｇ以外の成分の総量が１０００ｐｐｍ未満であり、さらにより好ましくは１００ｐｐｍ未満である。この総量は、ワイヤ特性の良好な再現性を提供する。

本発明のワイヤのさらに好ましい実施形態においては、４５ｐｐｍから９００ｐｐｍの量の占有率でＡｕが提供される。より好ましくは、Ａｕの量は１００ｐｐｍから７００ｐｐｍであり、最も好ましくは１００ｐｐｍから３００ｐｐｍである。

なお、上述のＰｄ、Ａｕ、Ａｇ、ＰおよびＢの占有率の２つまたはそれ以上が、本発明のワイヤに同時に提供されてもよい。最も好ましくは、上述の量の１つにおけるＰｄの占有率と、それぞれ上述された量のＡｕ、Ａｇ、ＰまたはＢの群より選択される１つの占有率とが組み合わされる。

一般的に好ましくは、本発明のワイヤのワイヤコアにおける特定の元素の望ましくない混入レベルに対する有益な上側閾値は、以下のとおりである。
Ａｇ：＜３５ｐｐｍ；
Ｎｉ：＜１５ｐｐｍ；
Ｐｄ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｍｇ，Ｌａ，Ａｌ，Ｂ，Ｚｒ，Ｔｉ：各場合において＜２ｐｐｍ；
Ｐ：＜６ｐｐｍ；
Ｆｅ：＜１０ｐｐｍ；
Ｓ，Ｍｎ：＜１５ｐｐｍ。

元素Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＢおよびＰに対する上記の一般的閾値は、これらの元素が他に定義される量で明示的に含有されていない本発明の実施形態に対してのみ有効であることが指摘される。

上記の特定の混入物限度の各々は、本発明の別個の特徴であることを意味する。

本発明は特に、細いボンディングワイヤに関する。特に粒度の制御に関して、観察される効果は細いワイヤに対して特に有益である。本発明の場合の「細いワイヤ」という用語は、８μｍから８０μｍの範囲の直径を有するワイヤとして定義される。特に好ましくは、本発明に従う細いワイヤは１２μｍから５５μｍの範囲の直径を有する。こうした細いワイヤにおいて、本発明の組成物およびアニーリングは特に、有益な特性を達成することを助ける。

本発明のワイヤの好ましい実施形態において、ボンディングステップの前に、ワイヤコアは少なくとも５８０℃の温度にて少なくとも０．１ｓの時間アニーリングされている。これによって、特に細いワイヤの場合に、十分なアニーリングおよび要求される粒度の達成が確実になる。さらにより好ましくは、アニーリング時間は少なくとも０．２ｓであり、最も好ましくは０．２５ｓである。本発明のワイヤのアニーリング温度が特に高いことによって、一般的に大きな平均粒度の調整が可能になる。最も好ましい場合には、６００℃を超えるアニーリング温度が選択される。

特に、ワイヤ直径を考慮してワイヤのアニーリングを最適化できる。こうした最適化された実施形態において、最低アニーリング温度は以下のとおりに選択される。
直径［μｍ］ 最低アニーリング温度［℃］
１５−２８ ６００
２８−３８ ６１０
３８−５０ ６２５
５０−８０ ６３５

本発明の一般的に好ましい局面において、アニーリング後のワイヤの伸び値は、最大伸び値の９２％以下である。より好ましくは、伸び値は最大伸び値の８５％以下であり、最も好ましくは８０％以下である。さらに好ましい場合において、ワイヤは、アニーリングによって最大伸び値が達成される温度よりも少なくとも１０℃高い温度でアニーリングされる。より好ましくは、その温度は最大伸び温度よりも少なくとも５０℃高く、最も好ましくは、その温度は最大伸び温度よりも少なくとも８０℃高い。

最大伸び値は、次のとおりに定義される。銅ベースのボンディングワイヤの一般的な場合において、ワイヤの伸びは最終アニーリングステップによって調整され得る。これに関する「最終」とは、その後にワイヤの形態に大きな影響を有する製造ステップが確立されないことを意味する。アニーリングパラメータを選択するとき、通常はパラメータの組が選択される。ワイヤをアニーリングする簡単な場合においては、所与の長さのオーブン内で一定の温度が調整され、ワイヤは一定の速度でそのオーブンを通過する。これによって、ワイヤのすべての箇所が所与の時間だけその温度に露出され、この温度およびこのアニーリング時間がアニーリング手順の２つの関連パラメータとなる。他の場合には、オーブンの特定の温度プロファイルが用いられて、システムにさらなるパラメータを追加してもよい。

いずれの場合にも、パラメータの１つが変数として選択され得る。次いで、この変数に依存するワイヤの伸び値を受取ることによって、一般的に極大値を有するグラフが得られる。この極大値が本発明の意味でのワイヤの最大伸び値として定義される。変数がアニーリング温度である場合には、こうしたグラフは通常「アニーリング曲線」と呼ばれる。

先行技術においては、極大が存在することによって特に安定な製造条件が提供されるために、変数パラメータに関するこうした最大伸び値に対して任意のワイヤをアニーリングすることが普通であった。

本発明に関しては、驚くべきことに、最大伸び値未満の異なる値に対するアニーリングによって、ワイヤ形態が正の態様で影響され得るために、有益なワイヤ特性がもたらされ得ることが明らかになった。変数パラメータとしてアニーリング温度が選択され、かつアニーリング時間を定数として設定するとき、最大伸びのアニーリング温度よりも高い値のアニーリング温度を選択するときが特に有益である。特にこの製造原理は、ワイヤの平均粒度をたとえばもっと大きな粒度に調整するために用いられ得る。この調整によって、たとえばワイヤの軟らかさ、ボールボンディング挙動などのその他の特性が、正の態様で影響され得る。

本発明に可能なさらなる発展において、コアの表面上にコーティング層が重ね合わされる。こうしたコーティング層は、本発明のワイヤにおいて可能であるが必須ではない特徴であることが理解される。ボンディングプロセスに対するこうしたコーティング層の材料の影響を最小化するために、コーティング層の質量は、好ましくはワイヤコアの質量の３％以下である。最も好ましくは、コーティング層の質量はワイヤコアの質量の１．０％以下である。有利には、コーティング層は、Ｐｄ、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇの群のうちの少なくとも１つを主成分として含む。

本発明の状況における「重ね合わされる（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ）」という用語は、たとえばコーティング層などの第２の品目に関する、たとえば銅コアなどの第１の品目の相対位置を説明するために用いられる。場合によっては、第１および第２の品目の間に、たとえば中間層などのさらなる品目が配置されてもよい。好ましくは、第２の品目は第１の品目の上に、たとえば第１の品目の合計表面に関して少なくとも３０％、５０％、７０％、または少なくとも９０％など、少なくとも部分的に重ね合わされる。最も好ましくは、第２の品目は第１の品目の上に完全に重ね合わされる。本発明の状況における「中間層」という用語は、銅コアとコーティング層との間のワイヤの領域のことである。この領域においては、コアと同様の材料およびコーティング層と同様の材料が組み合わされて存在する。

本発明の好ましい実施形態の場合、ボンディング前のワイヤコアの硬度は９５．００ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）以下である。より好ましくは、硬度は９３ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）以下である。こうしたワイヤコアの軟らかさは、敏感な基板がボンディングの過程で損傷することを防ぐ助けになる。加えて、本発明に従うこうした軟らかいワイヤは、非常に良好なフリーエアボール（ＦＡＢ）特性を示すことが実験によって示されている。機械的に敏感な構造がボンドパッドの下に整列されるとき、こうしたワイヤ硬度の限定は特に役に立つ。ボンドパッドがアルミニウムまたは金などの軟らかい材料からなるときは、これが特に当てはまる。敏感な構造はたとえば、特に２．５未満の誘電率を有する多孔質の二酸化ケイ素の１つまたはいくつかの層などを含んでもよい。こうした多孔質の、よって弱い材料は、デバイス性能を高める助けになり得るために一般的になってきている。したがって、弱い層の亀裂またはその他の損傷を避けるために、本発明のボンディングワイヤの機械的特性が最適化される。

ビッカース圧子を有するフィッシャースコープＨ１００Ｃテスタを用いて、硬度を測定した。異なる値が与えられないとき、５ｓの滞留時間に対して１０ｍＮの力（ｆｏｒｃｅ：Ｆ）の力を加え、１３６°の正方形ダイヤモンド圧子を用いて押込んだ。硬度テスト手順は、サンプル断面の平坦面におけるビッカース押込みの基本的な十分に確立された手順に基づく製造者の推奨に従った。走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いて、ワイヤの切断面における押込み対角線（ｄｉａｇｏｎａｌｓ：ｄ）を測定し、式

を用いて算出し、ここでＦはｋｇｆ単位であり、ｄはｍｍ単位である。

本発明のさらなる局面は、第１のボンドパッドと、第２のボンドパッドと、本発明に従うワイヤとを含むモジュールであり、ワイヤは、ボールボンディングによってボンドパッドの一方に接続される。

こうしたモジュールは、ボンディングワイヤによって電気的に接続されるあらゆる特定の電子デバイスを含み得る。特に、そのデバイスは集積回路、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、またはディスプレイデバイスなどであってもよい。

本発明のモジュールの好ましい実施形態において、ボールボンディングに対するプロセスウィンドウ面積は、アルミニウムボンドパッドに直径２０μｍのワイヤをボンディングする場合には、少なくとも１２０ｇ^＊ｍＡの値を有する。より好ましくは、その値は少なくとも１３０ｇ^＊ｍＡであり、最も好ましくは、その値は少なくとも１４０ｇ^＊ｍＡである。

これらのボールボンディングウィンドウ面積の値は、標準的な手順によって測定される。ＫＮＳ−ｉＣｏｎｎボンダツールを用いて、テストワイヤをボンディングした。ボンディングワイヤに対するプロセスウィンドウ面積の定義は当該技術分野において公知であり、異なるワイヤを比較するために広く用いられる。原則として、プロセスウィンドウ面積は、ボンディングに用いられる超音波エネルギと、ボンディングに用いられる力との積であり、結果として得られるボンドは、たとえば３グラムの引っ張り力、パッドへの非粘着（ｎｏｎ−ｓｔｉｃｋ ｏｎ ｐａｄ）がないことなどの、特定のプルテスト仕様を満たす必要がある。所与のワイヤのプロセスウィンドウ面積の実際の値は、ワイヤ直径およびボンドパッド材料にさらに依存する。本発明のワイヤの特性の特定的な定義を与えるために、請求されるプロセスウィンドウ値は２０μｍ＝０．８ミルのワイヤ直径に基づいており、ここでボンドパッドはアルミニウム（Ａｌ、Ａｌ−０．５Ｃｕ、Ａｌ−１Ｓｉ−０．５Ｃｕなど）からなる。本発明のシステムの範囲は、この直径のワイヤおよびアルミニウムで作られたボンドパッドに限定されるものではなく、このデータは定義の目的のためだけに示すものである。

本発明のさらなる局面は、本発明に従うボンディングワイヤを製造するための方法であり、この方法は、
ａ．要求される組成を有する銅コア前駆物質を提供するステップと、
ｂ．ワイヤコアの最終直径に到達するまで前駆物質を延伸するステップと、
ｃ．延伸されたワイヤを規定の温度にて最低アニーリング時間だけアニーリングするステップとを含む。

特に好ましい実施形態において、アニーリングはストランドアニーリングによって行われることにより、高い再現性を伴うワイヤの高速製造を可能にする。ストランドアニーリングとは、ワイヤがアニーリングオーブンを通過して、オーブンから出た後にリールに巻かれている間に、アニーリングが動的に行われることを意味する。

本発明の主題を図面に例示している。しかし、図面は決して本発明または請求項の範囲を限定することが意図されるものではない。

ワイヤ１を示す図である。 ワイヤ１の断面図である。この断面図において、銅コア２は断面図の中央にある。銅コア２はコーティング層３に取り囲まれている。銅ワイヤ２の限界に、銅コアの表面１５が位置する。ワイヤ１の中心２３を通る線Ｌの上に、線Ｌと表面１５との交点の間の端から端までの距離として、銅コア２の直径が示される。ワイヤ１の直径は、中心２３を通る線Ｌとワイヤ１の外側限界との交点の間の端から端までの距離である。加えて、コーティング層３の厚さが示される。図２においては、コーティング層３の厚さが誇張されている。コーティング層３が設けられるとき、コーティング層３の典型的な厚さはコア直径に比べて非常に小さく、たとえばコア直径の１％未満などである。 本発明の場合には、ワイヤ１のコーティング層３は任意であることが理解される。最も好ましい実施形態においては、ワイヤコア上にコーティング層は設けられない。 本発明に従うワイヤを製造するためのプロセスを示す図である。 ２つのエレメント１１およびワイヤ１を含む、電気デバイス１０の形のモジュールを示す図である。ワイヤ１は、２つのエレメント１１を電気的に接続する。点線は、エレメント１１と、エレメント１１を囲むパッケージングデバイスの外部配線とを接続するさらなる接続または回路を意味する。エレメント１１は、ボンドパッド、リードフィンガ、集積回路、またはＬＥＤなどを含んでもよい。 ワイヤプルテストのスケッチを示す図である。基板２０にワイヤ１を、ボンド２１において４５°の角度１９にてボンディングする。プルフック１７がワイヤ１を引っ張る。プルフック１７がワイヤ１を引っ張るときに形成される角度２２は９０°である。 本発明の第１の実施例の、異なる直径のワイヤに対するアニーリング曲線の組を示す図である。この実施例は、コーティングを有さない４Ｎ銅コアからなるワイヤを含む。 第１の実施例の２５μｍワイヤのスティッチプル測定を、従来の純銅ワイヤと比較して示す図である。 第１の実施例の２０μｍおよび２５μｍワイヤの硬度測定を、それぞれ従来の純銅ワイヤと比較して示す図である。 従来の２５μｍ純銅ワイヤのボンディングウィンドウと比較したときの、第１の実施例の２５μｍワイヤのウェッジボンディングの第２のボンド処理ウィンドウの比較を示す図である。 本発明の第２の実施例に従う２０μｍワイヤのアニーリング曲線を示す図である。この実施例において、ワイヤコアの銅は少量の銀を含有する。 第２の実施例のワイヤと比較ワイヤとのスティッチプル比較を示す図である。 第２の実施例のワイヤと比較ワイヤとの硬度比較を示す図である。 第１の実施例のワイヤの熱エージング挙動を示す図である。 第２の実施例のワイヤの熱エージング挙動を示す図である。 本発明の第１および第２の実施例の異なる直径２０μｍワイヤに対する平均粒度の比較を示す図である。 ストランドアニーリングデバイスの概略図である。 本発明の第３の実施例に従う２０μｍワイヤのアニーリング曲線を示す図である。この第３の実施例において、ワイヤコアの銅は少量のパラジウムを含有する。 第３の実施例の２０μｍワイヤの平均粒度を示す図である。左側のデータ点はワイヤにおいて測定され、右側のデータ点はワイヤのフリーエアボールにおいて測定される。 ０μｍに位置するフリーエアボールからの異なる距離において測定された、ワイヤコアの微小硬度を示す図である。フリーエアボールと影響のないワイヤ領域との間のネック領域、および影響のないワイヤ領域における最大約２００μｍまで。このワイヤは８５〜９５ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）の範囲内の微小硬度を有することが明らかである。 本発明の２０μｍワイヤに対するボールボンド処理ウィンドウを示す図である。一方の処理ウィンドウは本発明の第１の実施例のワイヤ（「４ＮソフトＣｕ」と名付けられる）に関するものであり、他方の処理ウィンドウは本発明の第３の実施例のワイヤ（「Ｐｄ合金１Ｎ Ｃｕ」と名付けられる）に関するものである。 本発明の２０μｍワイヤに対する第２のボンド（「スティッチボンド」）処理ウィンドウを示す図である。一方の処理ウィンドウは本発明の第１の実施例のワイヤ（「４ＮソフトＣｕ」と名付けられる）に関するものであり、他方の処理ウィンドウは本発明の第３の実施例のワイヤ（「Ｐｄ合金１Ｎ Ｃｕ」と名付けられる）に関するものである。 本発明の第３の実施例の２０μｍワイヤの熱エージング挙動を示す図である。

テスト方法
すべてのテストおよび測定は、Ｔ＝２０℃および相対湿度５０％にて行った。

結晶粒の平均粒度を測定するときは、標準的な金属組織学的技術を用いることによって粒度を定める。ワイヤコアのサンプルを切断し、次いでエッチングする。本発明の場合には、２ｇのＦｅＣｌ_３および６ｍｌの濃ＨＣｌを２００ｍｌのＤＩ水に加えた溶液をエッチングに用いた。線切片の原理によって、粒度を測定して算出する。ワイヤ軸の方向である長手方向に沿って粒度を測定した。

ボールボンディングプロセスウィンドウ面積の測定を、標準的な手順によって行う。ＫＮＳ−ｉＣｏｎｎボンダツールを用いて、テストワイヤをボンディングした。ボンディングワイヤに対するプロセスウィンドウ面積の定義は当該技術分野において公知であり、異なるワイヤを比較するために広く用いられる。原則として、プロセスウィンドウ面積は、ボンディングに用いられる超音波エネルギ（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｅｎｅｒｇｙ：ＵＳＧ）と力との積であり、結果として得られるボンドは、たとえば３グラムの引っ張り力、パッドへの非粘着がないことなどの、特定のプルテスト仕様を満たす必要がある。所与のワイヤのプロセスウィンドウ面積の実際の値は、ワイヤ直径およびボンドパッド材料にさらに依存する。本発明のワイヤの特性の特定的な定義を与えるために、現在プロセスウィンドウ値は２０μｍ＝０．８ミルのワイヤ直径に基づいており、ここでボンドパッドはアルミニウム（Ａｌ、Ａｌ−０．５Ｃｕ、Ａｌ−１Ｓｉ−０．５Ｃｕなど）からなる。プロセスウィンドウの四隅は、次の２つの主要な障害モードを克服することによって導出される。
（１）低すぎる力およびＵＳＧの供給によって、ＦＡＢのボンドパッドへの非粘着（ｎｏｎ−ｓｔｉｃｋ ｏｎ ｂｏｎｄ ｐａｄ：ＮＳＯＰ）がもたらされ、
（２）高すぎる力およびＵＳＧの供給によって、ボンドパッドクレーターがもたらされる。

実施例によって、本発明をさらに例示する。これらの実施例は本発明の例示的説明の役割をするものであって、決して本発明または請求項の範囲を限定することが意図されるものではない。

実施例１
少なくとも９９．９９％の純度の銅材料（「４Ｎ銅」）のある量を、るつぼ内で溶融する。溶融物にさらなる物質は加えない。次いで、その溶融物からワイヤコア前駆物質を鋳造する。

誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）器具（パーキン・エルマー（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ）ＩＣＰ−ＯＥＳ ７１００ＤＶ）を用いて、Ｃｕワイヤの化学組成を制御した。Ｃｕワイヤを濃硝酸に溶解して、その溶液をＩＣＰ分析に用いた。高純度Ｃｕワイヤをテストするための方法論は、バルクＣｕに対して採用される周知の技術に従って、機器製造者によって確立されたものである。

次いで、指定された直径のワイヤコア２を形成するために、いくつかの延伸ステップにおいてワイヤコア前駆物質を延伸する。異なる直径に対する本発明の有益な効果を確認するために、異なる直径を有するワイヤの選択物を製造した。下の表１は、異なるワイヤ直径のリストを示すものである。

表１はさらに、ワイヤコアの伸び値および平均粒度の範囲を示す。これらの範囲は、それぞれの直径のワイヤに対して好ましいものであり、本発明に従うこれらの値の調整をさらに下に説明する。さらに、右端の２列にはワイヤコアの伸びと平均粒度との比率に対する算出値、および伸びと標準的な条件下で生成されたフリーエアボール（ＦＡＢ）の平均粒度との比率に対する算出値を加えた。

ワイヤコア２の断面は、本質的に円形である。断面の形状などの変動のため、ワイヤ直径は高度に厳密な値とは考えられない。この意味において、もしワイヤがたとえば２０μｍの直径を有すると定められれば、その直径は１９．５μｍから２０．５μｍの範囲内であると理解される。

次いで、伸び、硬度、および結晶構造などのパラメータをさらに調整するために、最終アニーリングステップにおいてワイヤをアニーリングする。このアニーリングはストランドアニーリングとして、ワイヤ１を規定の速度で、規定の長さおよび温度のアニーリングオーブン２４に通すことによって動的に行う（図１５を参照）。ワイヤを第１のリール２５から引き出し、プーリー２６で案内する。オーブン２４から出た後、ワイヤを実装のために第２のリールに巻く。

本実施例において、移動するワイヤの所与の小片が加熱オーブン２４内にとどまる露出時間であるアニーリング時間は、すべてのワイヤ直径に対して約０．３ｓである。直径２０μｍのワイヤの場合には、６００℃のアニーリング温度を選択する。オーブン区域内は一定の温度に調整する。

原則として、アニーリング時間はアニーリング温度および／またはワイヤ直径に従って変動し得る。いずれにせよ、アニーリング法としてストランドアニーリングを選択するときは、妥当なスループットを得るためにワイヤの特定の最低速度が必要である。したがって、アニーリング時間は好ましくは、十分な長さのオーブンを容易に提供することを可能にする０．１秒から１秒の領域内で選択する。このアニーリング時間は、他方で十分に高いアニーリング温度を要求する。下の表２は、異なるワイヤ直径の範囲に対する、好ましい最低アニーリング温度を示すものである。

選択したワイヤサンプルの平均粒度を測定した。その結果を下の表３に示す。

図６は、本発明の実施例１に従う４Ｎ銅ワイヤのいくつかの例示的なアニーリング曲線を示す。ワイヤはその直径のみが異なっており、ここでは直径２０μｍ、３３μｍおよび５０μｍのワイヤを示している。アニーリング時間は、移動するワイヤの速度を調整することによって、一定の値に選択している。アニーリング温度はｘ軸の変数パラメータである。このグラフは、ワイヤの破壊荷重（ｂｒｅａｋ ｌｏａｄ：ＢＬ）および伸び（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ：ＥＬ）に対する測定値を、温度の関数として示している。伸びは、各場合において典型的な極大を示す。

３つの例示的なワイヤ直径に対して、伸びの最大値は、アニーリング曲線から次のとおりに推定できる。

本発明に従うワイヤは、それぞれの最大伸びの温度にてアニーリングするのではなく、もっと高い温度でアニーリングする。

２０μｍワイヤに対して選択されるアニーリング温度は６００℃であり、これは表４に従う最大伸びの温度よりも８０℃高い。結果的に得られる伸び値は約１１．８％（下の表５を参照）であり、これは最大伸び値１５．８％よりも２５％低い。

３３μｍワイヤに対して選択されるアニーリング温度は６１５℃であり、これは表３に従う最大伸びの温度よりも９５℃高い。結果的に得られる伸び値は約１３．３％であり、これは最大伸び値１８．０％よりも２６％低い。

５０μｍワイヤに対して選択されるアニーリング温度は６３０℃であり、これは表３に従う最大伸びの温度よりも１０５℃高い。結果的に得られる伸び値は約１８．５％であり、これは最大伸び値２４．１％よりも２３％低い。

アニーリング曲線の最大値の高温側におけるこうしたアニーリングは、プロセスパラメータの点で材料のかなり感受性の高い範囲で作業することを意味する。結果の良好な再現性を得るために、パラメータの組全体を注意深くモニタする必要がある。

下の表５は、表３からの本発明のワイヤのさらなる機械的および電気的特性の測定結果を示すものである。

表５の結果は、本発明のワイヤが、４Ｎ銅ワイヤについて典型的に公知である値と同様に低い電気抵抗率の値を有することを示すものである。

予想どおり、降伏強度はワイヤ直径に関係しない。本発明のワイヤの値は各々の場合に１２０ＭＰａよりも十分に低く、さらに８０ＭＰａよりも十分に低い。

最大伸び値の近くでアニーリングした典型的な先行技術の４Ｎ銅ワイヤは、１６０ＭＰａよりも高い降伏強度を有する。

ヤング率もワイヤ直径とは独立しており、１００ＧＰａよりも十分に低い値を有する。典型的な先行技術の４Ｎ銅ワイヤは、約１２５ＧＰａのヤング率を有する。

同様に予想どおりワイヤ直径とは独立している引っ張り強度は、約２２５ＭＰａである。なお、典型的な先行技術の４Ｎ銅ワイヤは、約２４５ＭＰａの引っ張り強度を有することが測定されている。本発明に従うワイヤの引っ張り強度は典型的に、標準的なワイヤの値よりも数パーセント低い。これは、本発明のワイヤが軟らかいことによるものと予想される。いずれにせよ、引っ張り強度のこうしたわずかな減少は、標準的なボンディング手順および／または標準的なボンディング機器による使用に対して負の影響をもたらさないだろう。

Ｉｎｓｔｒｏｎ（登録商標）−５３００器具を用いて、ワイヤの引っ張り特性をテストした。１０インチのゲージ長に対して、１インチ／分の速度にてワイヤをテストした。ＡＳＴＭ規格Ｆ２１９−９６に従って、破壊荷重および伸びを得た。製造者によって確立された方法によって、細いワイヤのヤング率および降伏荷重（降伏強度）を得た。すなわち、引っ張りプロットの弾性領域に沿って接線を引く。ワイヤのヤング率を表す、その線の勾配を測定する。塑性領域の始めに測定される荷重が降伏強度を定める。製造者の開発した「Ｂｌｕｅｈｉｌｌ（登録商標）ソフトウェア」は、引っ張りプロットから直接降伏荷重およびヤング率を得ることができた。降伏強度（エンジニアリング強度）は、降伏強度＝降伏荷重／ワイヤ断面積の式を用いて算出した。ＡＳＴＭ規格Ｆ２０５に従う秤量法によって、直径を測定した。

第１の実施例のワイヤのさらなる結果および比較を図７、図８および図９に示す。

図７において、２５μｍワイヤのスティッチプル比較は、本発明に従うワイヤが先行技術のワイヤに比べてさらに大きなスティッチプル値を有することを示す。実施例１に従う本発明のワイヤの結果を右側に示し、「ソフトＣｕ」とタグ付けしている。

図８は、２０μｍワイヤおよび２５μｍワイヤの硬度比較を示す。各場合において、先行技術のワイヤ（「従来」）および実施例１の本発明のワイヤ（「ソフトＣｕ」）の測定ビッカース硬度１０ｍＮ／５ｓを示している。本発明のワイヤは、これらの直径に対して９０ＨＶ１０ｍＮ／５ｓ未満の範囲の、有意に低いビッカース硬度を有することが明らかである。

図９は、先行技術のワイヤ（「従来」）および実施例１に従う本発明のワイヤ（「ソフトＣｕ」）に対する、ボールボンディングのボンディングプロセスウィンドウを示す。ワイヤ直径は２０μｍを選択し、アルミニウムボンドパッドにおいてテストボンディングを行った。本発明のワイヤに対するプロセスウィンドウは、従来のワイヤのウィンドウよりも有意に大きいことが明らかである。

図１３ａは、２５μｍの４Ｎ Ｃｕワイヤサンプルの熱エージング実験を示す。ボールボンディングしたサンプルのボールプル値を測定したものであり、ここではサンプルを１７５℃の熱露出下で最高１０００時間にわたりエージングした。その結果は、ワイヤの非常に良好なエージング挙動を示している。加えてこの結果は、本発明に従うワイヤが高温および／または高エネルギの適用に対して好適であることを実証するものである。

上記の実施例は純銅（４Ｎ純度）から作られたワイヤに関するものであるが、本発明はこうした純度のワイヤに限定されない。より大きな粒の成長制御と、より低い伸び値への調整とを伴う高温アニーリングという基本的発明概念は、銅に基づくあらゆる好適なワイヤシステムに移行できる。本発明の範囲を限定するものではないが、特に好ましいのは、下の表６のシステムである。

リストされた元素のすべての占有率は、ワイヤコア中に存在するものと理解される。表６のシステムは、各場合に付加的に設けられ得るワイヤコアの任意のコーティングには関係しない。

元素の占有率が与えられていないとき（「−」）、その元素は許容できる微量レベルを超えて存在してはならない。表６に与えられたもの以外の、元素のさらなる組み合わせも可能であることが理解される。特に、表６の元素占有率のさらなる組み合わせとしては、たとえば銀の占有率と金の占有率との組み合わせなどが考えられる。加えて、表６に挙げられるもの以外のさらなる元素を加えることも有利であり得る。

一般的に好ましくは、ワイヤコア中の銅の総量は、本発明の良好な適用可能性を提供する９７％を大きく下回らないものである。

以下に、本発明のワイヤのさらなる実施例を詳細に説明する。これらの実施例はコアに少量の銀を含んでおり、よって表６において提案されるシステムＮｏ．３に関連するが、表６においてこのシステムに対して与えられた元素占有率の特定の組に限定されるものではない。

実施例２
少なくとも９９．９９％の純度の銅材料（「４Ｎ銅」）のある量を、るつぼ内で溶融する。溶融物に少量の銀（Ａｇ）を加え、銅溶融物中の添加成分の均一な分散を提供する。次いで、その溶融物からワイヤコア前駆物質を鋳造する。

次いで、ここでは２０μｍである指定された直径のワイヤコア２を形成するために、いくつかの延伸ステップにおいてワイヤコア前駆物質を延伸する。ワイヤコア２の断面は、本質的に円形である。断面の形状などの変動のため、ワイヤ直径は高度に厳密な値とは考えられないことが理解されるべきである。この意味において、もしワイヤがたとえば２０μｍの直径を有すると定められれば、その直径は１９．５μｍから２０．５μｍの範囲内であると理解される。

この手順によって、本発明のワイヤのいくつかの異なるサンプルおよび比較ワイヤを製造した。

上の表７は、直径２０μｍの本発明のワイヤの、１〜５と番号を付けられた異なるサンプルの組成を示す。ワイヤの銀含有量は、それぞれ４５ｐｐｍ、１１０ｐｐｍ、２２５ｐｐｍ、３５０ｐｐｍ、および９００ｐｐｍである。４Ｎ純度の銅からなる比較ワイヤを加えている。

次いで、伸び、硬度、および結晶構造などのパラメータをさらに調整するために、最終アニーリングステップにおいてワイヤをアニーリングする。このアニーリングはストランドアニーリングとして、ワイヤ１を規定の速度で、規定の長さおよび温度のアニーリングオーブン２４に通すことによって動的に行う（図１５を参照）。ワイヤを第１のリール２５から引き出し、プーリー２６で案内する。オーブン２４から出た後、ワイヤを実装のために第２のリールに巻く。

本実施例において、移動するワイヤの所与の小片が加熱オーブン２４内にとどまる露出時間であるアニーリング時間は約０．３ｓである。直径２０μｍのワイヤの場合には、６４０℃のアニーリング温度を選択する。オーブン区域内は一定の温度に調整する。

図１０は、銀ドープ２０μｍ銅ワイヤの例示的なアニーリング曲線を示す。アニーリング時間は、移動するワイヤの速度を調整することによって、一定の値に選択している。アニーリング温度はｘ軸の変数パラメータである。このグラフは、ワイヤの破壊荷重（ＢＬ）および伸び（ＥＬ）に対する測定値を示している。

示される実施例において、伸びは約１４．５％の典型的な極大値を示しており、この極大値は約４６０℃のアニーリング温度において達成されている。

ここでサンプル１〜５に従う本発明のワイヤは、この最大伸びの温度にてアニーリングするのではなく、図１０に従う最大伸びの温度よりも１８０℃高い６４０℃にてアニーリングする。結果的に得られる伸び値は約１０％であり、これは最大伸び値よりも３０％以上低い。

実施例１と同様に、アニーリング曲線の高温側におけるこうしたアニーリングは、プロセスパラメータの点で材料のかなり感受性の高い範囲で作業することを意味する。結果の良好な再現性を得るために、パラメータの組全体を注意深くモニタする必要がある。

ワイヤサンプルＮｏ．１〜５の平均粒度を測定した。その結果は各場合において３μｍから６μｍの範囲である。サンプルＮｏ．３に対する平均粒度は５μｍである。

ワイヤコアの平均粒度はアニーリングステップによって大きく影響され、銀含有量によってさらに影響される。

さらなる実験は、１５〜２８μｍの範囲の直径を有するワイヤに対しては３〜６μｍの範囲の平均粒度を達成でき、これは銀含有量の範囲全体、すなわち４５ｐｐｍから９００ｐｐｍに対して好ましいことを示した。

下の表８は、ボールボンディング性能に対する評価の結果を示す。上で定義した本発明のワイヤサンプル１〜５および純銅ワイヤの比較例のボールボンディングを、上記「テスト方法」に記載したとおりにテストした。

プロセスウィンドウ面積は、超音波エネルギおよび印加された力の、それぞれの上下の境界の差の積として定義する。

本発明のワイヤはすべて、工業的適用によく適したプロセスウィンドウをもたらす。特に、本発明のワイヤサンプル２、３および４は１２０ｍＡ^＊ｇを超える値を示し、これは４Ｎ Ｃｕワイヤに比べて特に改善している。よって、少なくとも１００〜３５０ｐｐｍの範囲のＡｇ含有量において、ボールボンディングプロセスウィンドウの改善が存在する。

本発明に従うワイヤの有益な特性は、ボールボンディングプロセスウィンドウという唯一のパラメータに限定されないことが理解される。その他の特性は、たとえばＦＡＢ形状および再現性、ＦＡＢ硬度、ボンディング前のワイヤの軟らかさ、ボンディング後のボンディング範囲（ボールおよびネック）におけるワイヤの軟らかさ、ワイヤの電気伝導性、スティッチプル強度、およびエージング挙動などである。

図１１は、ワイヤサンプルＮｏ．３（２２５ｐｐｍの銀含有量）と、比較４Ｎ銅サンプルとのスティッチプル値の比較を示す。本発明のワイヤは、改善されたスティッチプル値を示す。この測定は図５に従って行った。

図１２は、ワイヤサンプルＮｏ．３と、本発明の実施例１の４Ｎ銅サンプル（「ソフト４Ｎ Ｃｕ」とタグ付けしている）との硬度値（ＨＶ１５ｍＮ／１０ｓ）の比較を示す。測定のエラーバーが幾分重複しているが、第２の実施例の本発明のワイヤは、第１の実施例のワイヤよりもさらに低い硬度を有する。

図１３ｂは、ワイヤサンプルＮｏ．３の熱エージング実験を示す。ボールボンディングしたサンプルのボールプル値を測定したものであり、ここではサンプルを熱露出下で最高１０００時間にわたりエージングした。その結果は、ワイヤの非常に良好なエージング挙動を示している。

図１４は、本発明の実施例２のサンプルＮｏ．３のＡｇドープワイヤと、２０μｍの４Ｎ Ｃｕワイヤとの測定平均粒度の比較を示す。４Ｎ Ｃｕワイヤは、「実施例１」において上述したとおりに本発明に従ってアニーリングした。４Ｎ Ｃｕワイヤは「ソフト４ＮＣｕ」とタグ付けしている。測定のエラーバーがかなり重複しているが、Ａｇドープワイヤの場合に粒度が大きくなる傾向が推定できる。

直径２０μｍワイヤに対して上述した実施例２の結果を参照すると、好ましい最適化されたバージョンの本発明のワイヤは、４５〜９００ｐｐｍの範囲の銀含有量を有する。この銀含有量は、さらに調査したボンディングワイヤの直径範囲すべてに当てはまると考えられる。

この銀含有量の範囲に基づいて、平均粒度、ワイヤコアの軟らかさおよびボールボンディング挙動に関して、他の直径のワイヤを最適化した。

直径３３μｍのワイヤに対して、最適なアニーリング温度は６５０℃であることを見出した。他のパラメータおよびワイヤの製造方法は、実施例１のワイヤと変わらずそのままにした。

さらなる実験は、２８〜３８μｍの範囲の直径を有するワイヤに対しては４〜１０μｍの範囲の平均粒度を達成でき、これは銀含有量の変動範囲全体、すなわち４５ｐｐｍから９００ｐｐｍに対して好ましいことを示した。

３３μｍの直径および２２５ｐｐｍの銀含有量を有するワイヤに対しては、６５０℃にてアニーリングすることによって６μｍの平均粒度を達成した。

直径５０μｍのワイヤに対して、最適なアニーリング温度は６７０℃であることを見出した。他のパラメータおよびワイヤの製造方法は、実施例１のワイヤと変わらずそのままにした。

さらなる実験は、３８〜５０μｍの範囲の直径を有するワイヤに対しては８〜１５μｍの範囲の平均粒度を達成でき、これは銀含有量の変動範囲全体、すなわち４５ｐｐｍから９００ｐｐｍに対して好ましいことを示した。

直径５０μｍおよび銀含有量２２５ｐｐｍのワイヤに対しては、６７０℃にてアニーリングすることによって１５μｍの平均粒度を達成した。

実施例３
少なくとも９９．９９％の純度の銅材料（「４Ｎ銅」）のある量を、るつぼ内で溶融する。溶融物に少量のパラジウム（Ｐｄ）を加え、銅溶融物中の添加成分の均一な分散を提供する。次いで、その溶融物を連続的にゆっくりと鋳造して直径２ｍｍから２５ｍｍのロッドにすることによって、ワイヤコア前駆物質を製造する。

次いで、ここでは２０μｍである指定された直径のワイヤコア２を形成するために、いくつかの延伸ステップにおいてワイヤコア前駆物質を延伸する。延伸は冷間延伸として室温にて行う。

ワイヤコア２の断面形状に関しては、上記実施例に対する注釈を参照する。

この手順によって、本発明のワイヤのいくつかの異なるサンプルを製造した。第１の変形においては、銅中のパラジウムの量を０．８９％に調整した。第２の最も好ましい変形においては、パラジウムの量を１．２５％に調整した。

さらなる元素の不純物の閾値に関しては、上記の本発明の第２の実施例を参照し、表７を参照されたい。なお、第３の実施例の場合の銀含有量は、好ましくは２５ｐｐｍ未満である。にもかかわらず、本発明に従うパラジウム含有銅ワイヤの場合には、さらに多い量の銀が許容できるか、または有益な効果を有することすらあることが明らかになった。特に、上記の第１の実施例の表６を参照すると、Ｐｄ含有ワイヤのいくつかの実施例が言及されている。こうした組み合わせは、本発明の第３の実施例に従うワイヤの好ましいさらなる変形として理解される。

次いで、伸び、硬度、および結晶構造などのパラメータをさらに調整するために、最終アニーリングステップにおいてワイヤをアニーリングする。このアニーリングはストランドアニーリングとして、ワイヤ１を規定の速度で、規定の長さおよび温度のアニーリングオーブン２４に通すことによって動的に行う（図１５を参照）。ワイヤを第１のリール２５から引き出し、プーリー２６で案内する。オーブン２４から出た後、ワイヤを実装のために第２のリールに巻く。

本実施例において、移動するワイヤの所与の小片が加熱オーブン２４内にとどまる露出時間であるアニーリング時間は約０．３ｓである。直径２０μｍのＰｄ含有ワイヤの場合には、８００℃のアニーリング温度を選択する。オーブン区域内は一定の温度に調整する。

図１６は、２０μｍ銅ワイヤの第１の変形（１．２５％パラジウム合金）の例示的なアニーリング曲線を示す。アニーリング時間は、移動するワイヤの速度を調整することによって、一定の値に選択している。アニーリング温度はｘ軸の変数パラメータである。このグラフは、ワイヤの破壊荷重（ＢＬ）および伸び（ＥＬ）に対する測定値を示している。示される図１０の実施例において、伸びは約１７．９％の典型的な極大値を示しており、この極大値は約５７０℃のアニーリング温度において達成されている。

ここで第３の実施例の本発明のワイヤは、この最大伸びの温度にてアニーリングするのではなく、図１６に従う最大伸びの温度よりも１８０℃高い約７５０℃にてアニーリングする。結果的に得られる伸び値は約１４％であり、これは最大伸び値１７．９％よりも２２％以上低い。

下の表９は、本発明の第３の実施例の２０μｍワイヤに対するいくつかの測定値を示すものである。

なお、上の表５にすでにリストしている本発明の第１の実施例の比較ワイヤ（「４ＮＣｕ」）を加えている。

表９の値は、Ｐｄ合金ワイヤが予想どおり純銅ワイヤよりもわずかに高い抵抗率を有することを示す。他方で、Ｐｄ合金化によって、腐食抵抗性の改善などの有益な効果が得られる。この表はさらに、もし本発明に従うアニーリング手順を行えば、Ｐｄ含有ワイヤが純銅ワイヤ（４ＮＣｕ）に非常に近い機械的特性を達成できることを示す。表９において、硬度測定は、ワイヤコア（左の値）および標準的なボール形成手順後のフリーエアボール（ＦＡＢ）に対して行い、平均化した。１．２５％Ｐｄ合金２０μｍワイヤのさらなる詳細な硬度測定値を、図１８にみることができる。この図は、フリーエアボールからの距離の増加を伴うワイヤ表面に対する多数の測定値を示すものである。ＦＡＢ領域の近くにおいて、硬度の少しの減少がみられる。

第３の実施例のワイヤのさらなる変形を、下の表１０にリストしている。

ワイヤの伸び値はワイヤ直径とともに増加することが明らかである。しかし、それぞれの最大値よりも低い伸び値に対するアニーリングという本発明の原理は、すべての異なる実施例およびワイヤ直径を通じて保持されている。

図１６から図２１のデータは、それぞれ直径２０μｍのワイヤのサンプルに対して測定されたものである。

図１７より、Ｐｄ合金のアニーリングされたワイヤの平均粒度は、純銅ワイヤの粒度に近いことを導出できる。

図１９は、Ｐｄ合金ワイヤが本発明の純銅ワイヤよりもわずかに大きいボールボンディングプロセスウィンドウを有することを示しており、これらのウィンドウはかなり類似している。

図２０は、第２のボンドプロセスウィンドウの場合においては、本発明のＰｄ合金サンプルが超音波エネルギおよび力の値の両方に関して有意に大きなウィンドウを示すことを示している。

図２１は、最高２０００時間までの１７５℃の温度における熱エージング挙動を示す。この時間尺度においては、ワイヤの高温保存における顕著な熱エージングはみられない。

一般的に、それぞれの要求に従って、それぞれの実施形態の特定の特徴を互いに組み合わせてもよい。好適であれば、たとえばワイヤコアのコーティングなどのさらなる特徴を、特定の実施形態のいずれかに加えてもよい。

Claims (14)

1. コアを有するボンディングワイヤを製造するための方法であって、
   ａ．銅を主成分として有するコア前駆物質を提供するステップと、
   ｂ．前記ワイヤのコアの最終直径に到達するまで前記コア前駆物質を延伸するステップと、
   ｃ．前記延伸されたワイヤを、前記ワイヤが最大伸び値となるアニーリング温度よりも高く、６００℃以上の仕上げアニーリング温度にて、０．１秒以上１秒以下のアニーリング時間だけ、仕上げアニーリングするステップと
   を含み、
   前記コアが０．５％から３％の量のパラジウムを含有するか、又は、
   前記コアが４５ｐｐｍから９００ｐｐｍの量の銀を含有するか、又は、
   前記コアが４５ｐｐｍから９００ｐｐｍの量の銀と、０．５％から３％の量のパラジウムと、を含有し、
   これらにより
   降伏強度が５０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ未満であり、
   前記コアの主成分として銅を含み、
   前記コア内の結晶粒の平均粒度は２．５μｍから３０μｍであり、且つ、
   前記ワイヤの伸び値が最大伸び値の９２％以下であるボンディングワイヤを製造する、
   ボンディングワイヤの製造方法。
2. 前記仕上げアニーリング温度が、アニーリングによって前記最大伸び値が達成される温度よりも少なくとも１０℃高い温度である、
   請求項１に記載の製造方法。
3. 前記仕上げアニーリングがストランドアニーリングである、
   請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記ワイヤのコアにおける銅の総量は少なくとも９７％である、
   請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記コアが少なくとも３Ｎグレードの銅純度を有する純銅を含有する、
   請求項１から４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記ワイヤのコアの直径と、前記平均粒度との比率が２．５から５である、
   請求項１から５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記ワイヤは８μｍから８０μｍの範囲の直径を有する、
   請求項１から６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記ワイヤのコアの表面が外表面となる、
   請求項１から７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記コアの表面上にコーティング層を重ね合わせる、
   請求項１から７のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記コーティング層の質量は、前記ワイヤのコアの質量の３％以下である、
    請求項９に記載の製造方法。
11. 前記コーティング層は、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ及びＡｇの群のうちの少なくとも１つを主成分として含む、
    請求項９又は１０に記載の製造方法。
12. ボンディング前の前記ワイヤのコアの硬度は９５．０ＨＶ（０．０１０Ｎ／５ｓ）以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
13. 前記ワイヤのコアにおけるホウ素の含有量は、１００質量ｐｐｍ未満である、
    請求項１から１２のいずれかに記載の製造方法。
14. 前記ワイヤのコアの直径が１５μｍから２８μｍであり、前記平均粒度が２．５μｍから６μｍであるか、又は、
    前記ワイヤのコアの直径が２８μｍから３８μｍであり、前記平均粒度が３μｍから１０μｍであるか、又は、
    前記ワイヤのコアの直径が３８μｍから５０μｍであり、前記平均粒度が７μｍから１５μｍであるか、又は、
    前記ワイヤのコアの直径が５０μｍから８０μｍであり、前記平均粒度が１０μｍから３０μｍである、
    請求項１から１３のいずれかに記載の製造方法。

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