JP6898705B2 - ボールボンディング用銅合金細線 - Google Patents
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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、特に線径が１５μｍ以下の極細線でもテールワイヤが変形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、図２に示すように、接合箇所のワイヤの面積が最も小さくなる。さらに、その後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、残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。
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、図２に示すように、接合箇所のワイヤの面積が最も小さくなる。さらに、その後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、残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、放電トーチの位置でスパーク放電し、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号公報参照）。そのためボンディングワイヤを第二接合した後、ワイヤクランパ（４）を閉じたままキャピラリ（２）ワイヤとクランパ（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、残されたボンディングワイヤがキャピラリ内で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形成させ、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）引っ張ることによってボンディングワイヤを該減径部分から切断すること（特開２００７−６６９９１号公報（後述する特許文献１））によって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。
線径が２５μｍと太い銅ボンディングワイヤでは、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も速くなると、Ｊの字状に変形したワイヤの問題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の字状の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いため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の字状の変形までになってしまい、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）中を素早く拡散すること（Ｐ．ＳＰＩＮＤＬＥＲら、ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ Ａ誌，１９７８年６月、９Ａ巻７６３頁）、そして高純度銅（Ｃｕ）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。
ここで、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、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）。
酸素等のガス成分は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ので、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、貴金属元素が銅（Ｃｕ）に対して耐食性や耐酸化性を有することから、貴金属元素を添加した高純度銅−リン合金の特許出願は多数存在する。例えば、特開２００８−８５３１９号公報（後述する特許文献２）の請求項２には、上述したリン（Ｐ）の偏析を利用して「Ｍｇ及びＰの少なくとも１種を総計で１０〜７００質量ｐｐｍの含有濃度で含有すると共に、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＡｕの少なくとも１種を総計で１０〜５０００質量ｐｐ含有し、表面にＭｇ及びＰの総計濃度が前記含有濃度の１０倍以上である濃化層を有することを特徴とする半導体装置用銅合金ボンディングワイヤ」が開示されている。さらに酸素を６〜３０質量ｐｐｍの範囲で含有する半導体装置用銅合金ボンディングワイヤも開示されている（特開２００８−８５３２０号公報）。
これらの先行技術は、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Ｐの濃化層を有したりする点で、ボンディングワイヤ全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キャピラリ内で屈曲したり、ワイヤ先端が折れ曲がったりすることは解消されないままであった。
また、特開２０１０−１７１２３５号公報（後述する特許文献３）の請求項４と請求項５には、「リン（Ｐ）が０．５〜１５質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８５質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金ワイヤであり、かつ、銅（Ｃｕ）中のリン（Ｐ）以外の金属元素リン（Ｐ）が０．５〜１５質量ｐｐｍ、および残部が純度９９．９９８５質量％以上の銅（Ｃｕ）からなる銅合金ワイヤであり、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種以上であり、それらの総量がリン（Ｐ）の含有量以下であって、当該銅合金ワイヤのイニシャルボール（ＦＡＢ）の室温硬さをリン（Ｐ）を添加しない純度９９．９９９９質量％以上の銅金属ワイヤのものよりも低下させた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。
この銅合金ワイヤは、貴金属等のその他の含有する不純物の総量をリン（Ｐ）の含有量、０．５〜１５質量ｐｐｍより低くすることにより、再結晶温度が高く、室温での伸線ダイス加工が容易で、かつイニシャルボール硬さが小さく、ＩＣチップ割れを生じないボールボンディングワイヤを提供するものである。しかし、高純度すぎるため高速ボンダーには不向きで実用化されなかった。
また、国際公開ＷＯ２０１１／１２９２５６号公報（後述する特許文献４）の請求項１には、「集積回路素子の電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するための線径１２μｍ以上５０．８μｍ以下のボンディングワイヤであって、その芯材が金又は白金族から少なくとも１種以上を耐酸化性を向上するために添加するとともに、リンを電気抵抗向上のため添加した純度９９．９質量％以上の銅からなり、その芯材の外周全面に、耐酸化性の白金又はパラジウムの厚み０．００２〜０．０９μｍの被覆層を形成したことを特徴とするボンディングワイヤ」が開示されている。
リン（Ｐ）は添加しても加工熱安定性があるとしているが、銀（Ａｇ）は酸化しやすいことから信頼性が劣るとされている（００１４段落）。「銀（Ａｇ）は酸化しやすい」という記載は、銀（Ａｇ）マトリックスが酸化しないことから、銀（Ａｇ）マトリックス中に含まれる卑金属元素が酸化して酸化物を形成し、この卑金属酸化物が銀（Ａｇ）マトリックスの機械的性質を阻害することを示している。すなわち、上述したテールワイヤがキャピラリ内で屈曲したり、ワイヤ先端が折れ曲がったりすることを解消するものでもない。
また、特開２０１２−１５３０７号公報（後述する特許文献５）の請求項２と請求項５には、「銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、前記芯材がリン及び硫黄を含有し、該リンの濃度が０．００１〜０．０１５質量％の範囲であり、該硫黄の濃度が０．０００１〜０．０００７質量％の範囲であり、かつ、前記芯材が金又はパラジウムを含有し、該金又はパラジウムの濃度が０．０００１〜１０質量％の範囲であることを特徴とするボンディングワイヤ。」が開示されている。
この先行技術によれば、ワイヤ表面の酸化及びボールボンディングの硬化を防止することができるとともに、ボール真球性及び接合性を高めることができる（００１４段落）とされている。しかし、銅合金ボンディングワイヤに好ましくないとされる硫黄（Ｓ）元素を添加している点で特殊な組成である。また、テールワイヤがキャピラリ内で屈曲したり、ワイヤ先端が折れ曲がったりする本願発明の課題を解消することは何も示していない。
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、ワイヤ先端が折れ曲がったりする課題を解決するためになされたものであり、配合割合を最適な割合に調整することによってヤング率の高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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下であ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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下である銅合金であって、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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下である銅合金であって、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。
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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上２，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上２５以下であ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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上２，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上２５以下である銅合金であって、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、金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上２，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上２５以下である銅合金であって、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。
本発明において、「延伸層」および「薄延伸層」の表現は、必ずしも実際の表面性状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）の微粒子が検出される深さ方向の範囲を便宜的に均一な厚さが存在するとした「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」および「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、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、リン（Ｐ）およびその他の卑金属元素の含有量、並びに、金（Ａｕ）、リン（Ｐ）およびその他の卑金属元素の含有量を所定の割合で含有することとしたのは、銅合金地金を高ヤング率の範囲に選択することによって第二接合時のセカンドバックが折れ曲がり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からである。すなわち、テールワイヤの折曲り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、当該金（Ａｕ）の含有量は、銀（Ａｇ）を含有する場合は、１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下である。金（Ａｕ）は、酸素原子と化合せず、またリン（Ｐ）とも化合物を形成しない。また、金（Ａｕ）はリン（Ｐ）の表面偏析効果を抑制する。よって、金（Ａｕ）は銅（Ｃｕ）のヤング率を高める。金（Ａｕ）の含有量が１００質量ｐｐｍ未満では上記のヤング率を高める効果がなくなり、３，０００質量ｐｐｍを超えるとＦＡＢの硬度が高くなるから、金（Ａｕ）の含有量を１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下とした。金（Ａｕ）が高価であることから、好ましくは、２，０００質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは１，０００質量ｐｐｍ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、当該銀（Ａｇ）の含有量は、１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下である。銀（Ａｇ）は、金（Ａｕ）および銅（Ｃｕ）と完全に固溶体を形成する。また、銀（Ａｇ）は、金（Ａｕ）および銅（Ｃｕ）よりも融点が低く、銅（Ｃｕ）よりも酸素をより速く透過する。よって、銀（Ａｇ）は金（Ａｕ）の希釈剤として作用し、銅（Ｃｕ）マトリックス中へ金（Ａｕ）が溶解するのを助ける役割を果たす。銀（Ａｇ）の含有量は、好ましくは、１，０００質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは３００質量ｐｐｍ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２００質量ｐｐｍ以下であるとした。リン（Ｐ）は、銅（Ｃｕ）および酸素に作用するが、金（Ａｕ）には作用しない元素である。また、リン（Ｐ）は、銀（Ａｇ）およびパラジウム（Ｐｄ）にも作用する。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、イオウ（Ｓ）がワイヤ表面を覆わなければ、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。
このリン（Ｐ）の上限を２００質量ｐｐｍ以下としたのは、２００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１５０質量ｐｐｍ以下が良く、より好ましくは１００質量ｐｐｍ以下が良い。下限を５質量ｐｐｍ以上としたのは、５質量ｐｐｍ未満では使用開始前の保管時に大気中からの酸素の混入を避けることができないからである。
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、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下であることとしたのは、この範囲の高ヤング率の範囲でセカンドバックが折れ曲がりにくいテールワイヤが得られるからである。特に線径が２０μｍから１５μｍへと細くなっていくと、折れ曲がりが顕著に現れやすくなる。よって、より好ましくは質量割合が２以上２５以下である。
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以下としたのは、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。なお、「その他の卑金属元素」の中には硫黄（Ｓ）は含まれない。硫黄（Ｓ）が１質量ｐｐｍ存在しても、銅合金ワイヤの表層に析出し、ＦＡＢが硬くなり第一接合時にチップ割れを起こすからである。
本発明のボールボンディング用銅合金細線において、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、酸素はできるだけ少ないことが好ましい。
また、６Ｎから４Ｎの高純度銅合金母材に含まれる水素や塩素などの酸素以外のガス成分は、本発明における銅合金細線の高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することがある。また、電気めっきでは陰極中に水素が発生するので、これらの巻き込みは避ける必要がある。なお、ヤング率の測定値は使用する機器によってばらつきが大きく、また、銅合金中に含まれる微量の卑金属元素によっても大きく左右されるので、ヤング率の測定値による特定付けは困難である。本発明では、本発明の配合割合の範囲内にある銅合金のヤング率が範囲外にある銅合金のヤング率よりも高いことから高ヤング率とした。
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）延伸層及び／又は金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されていても、これらの被覆層は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。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、金（Ａｕ）薄延伸層が被覆されている場合は、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る効果がある。
なお、「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。本発明の極薄の表皮層を形成するには、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）延伸層及び／又は金（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折れ曲がりにくくなり、テールワイヤの折れ曲がりをこれまでのものより極端に少なくすることができる特異な効果がある。テールワイヤの形状が安定すると、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）延伸層及び／又は金（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。
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、パラジウム（Ｐｄ）延伸層及び／又は金（Ａｕ）薄延伸層も薄いので、ワイヤ自体の硬度に影響しない。このため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。
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）、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）をすべて選択した。これらを所定の範囲で配合したものを実施例１〜実施例２７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（６００℃×１時間）をした。その後、必要に応じて金（Ａｕ）の薄延伸層およびパラジウム（Ｐｄ）の延伸層を設けた。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９９．９９９９質量％以上であり、パラジウム（Ｐｄ）の純度は９９．９９９質量％以上である。
表１中、実施例１〜５、１３および１４が本発明の請求項１に係る実施例である。また、実施例１５〜１７が本発明の請求項２に係る実施例である。また、実施例２４〜２７が本発明の請求項３に係る実施例である。他方、実施例６〜１２が本発明の請求項４に係る実施例である。実施例１８〜２０が本発明の請求項５に係る実施例である。実施例２１〜２３が本発明の請求項６に係る実施例である。
（テールワイヤの折曲り試験等）
テールワイヤの折曲り試験は、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、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、いずれも本発明の範囲外の銅合金ワイヤよりも高い値を示した。
テールワイヤの折曲り試験は、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、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、いずれも本発明の範囲外の銅合金ワイヤよりも高い値を示した。
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のワイヤは、リン（Ｐ）の組成範囲が外れ、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合の範囲が外れている。比較例２のワイヤは、リン（Ｐ）、金（Ａｕ）およびその他の不純物元素の総量の範囲が外れている。比較例３のワイヤは、金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）の範囲が外れ、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合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折曲り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、テールワイヤの折曲り試験で折れ曲がったワイヤがなく、極めて良好な成績を示した。一方、比較例１〜３のワイヤは、ヤング率が低く、折曲り試験ですべて折れ曲がったワイヤがあった。
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。
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
２ キャピラリ
３ リード
４ ワイヤクランパ
Claims (3)
- 金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下であることを特徴とするボールボンディング用銅合金細線。
- 金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下である銅合金であって、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。
- 金（Ａｕ）が１００質量ｐｐｍ以上３，０００質量ｐｐｍ以下、銀（Ａｇ）が１０質量ｐｐｍ以上１，０００質量ｐｐｍ以下、リン（Ｐ）が５質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下、その他の卑金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ以下および残部銅（Ｃｕ）からなり、かつ、リン（Ｐ）に対する金（Ａｕ）の質量割合が２以上１００以下である銅合金であって、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。
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