JPH01110741A - 複合ボンディングワイヤ - Google Patents

複合ボンディングワイヤ

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JPH01110741A
JPH01110741A JP62173508A JP17350887A JPH01110741A JP H01110741 A JPH01110741 A JP H01110741A JP 62173508 A JP62173508 A JP 62173508A JP 17350887 A JP17350887 A JP 17350887A JP H01110741 A JPH01110741 A JP H01110741A
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JP
Japan
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bonding wire
purity
core material
added
pole
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JP62173508A
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Akiyasu Morita
森田　章靖
Tomiharu Matsushita
富春 松下
Shigeo Hattori
重夫 服部
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ａｇからなる芯材をＡｕからなる被覆材で被
覆した半導体装置用の複合ボンディングワイヤに関し、
特にボンディング時においてはポールの偏心を防止して
Ｓｔ基板への圧着を安定化でき、かつボンディング後に
おいては引張強度を高く保持できるようにした複合ボン
ディングワイヤに関する。
〔従来の技術〕
半導体素子のチップｔｉであるＡＩ蒸着パッドを外部リ
ードに連らなるリードフレーム、あるいはケースに接続
するに当たっては、従来がらボンディングワイヤが使用
されている。そしてこのボンディングワイヤを上記１着
バンドに接続する方法としては、ワイヤの先端をアーク
放電等で加熱して溶融させてポールを形成し、このポー
ルを上記７！ｉ、着パッドに圧着する方法（熱圧着ボン
ディング法）と、該熱圧着ボンディング法に超音波振動
を併用する方法（サーモソニックボンディング法、以下
、両方法をポールボンディング法と称す）が採用されて
いる。このようなポールボンディング法に用いられるボ
ンディングワイヤには、接合を阻害する酸化皮膜が形成
されないこと、適当な伸び及び接合強度を有すること、
アルミニウム蒸着パッドとの接合性が良いこと等の特性
が要求される。このような特性を満足するものとして、
従来、高純度の純金線が使用されていた。
しかし、金は高価であるから、その使用量を減少さゼる
ことにより低価格化を図ることができ、かつ金線と同等
の特性が得られる複合ボンディングワイヤが要請されて
いる。また、純金線はボンディング特性には優れている
が、ボンディング作業時の高温での機械的特性、特に破
断強さに問題がある。
そこで上記要請に応えることのできる複合ボンディング
ワイヤとして、特開昭５７−１２５４３号公報に提案さ
れたものがある。これはＣｕ、ＡＪ等の非貴金属製の芯
材をＡｕ、Ａｇ等の貴金属で被覆した複合ボンディング
ワイヤであり、芯材がＡｕに比べて大幅に低度なことか
ら、Ａｕの使用量が減少した分だけ低価格を実現できる
。
しかし、上記複合ボンディングワイヤでは、被覆材が金
でない場合には、■接合性を阻害する酸化を防ぐ為、大
気を遮断する必要がある、■樹脂モールドで保護される
半導体素子の場合は、この樹脂モールド中に含まれてい
る水分によりボンディングワイヤの接続部が腐蝕される
恐れがある、という問題がある。
また、被覆材としてＡｕを用いた場合は上記問題は解消
できるものの、芯材がＡｕより融点の高いＣｕ、Ｆｅ等
の金属の場合は、ポールが瓢箪状になって圧着不能とな
り、またＡＩのように融点がＡｕより低い場合はポール
は球形になるが、金属間化合物が晶出し、そのためポー
ルの硬度が高過ぎ、Ｓｉチップへの圧着時に該チップが
破損する場合がある。
そこでこのような瓢箪状ポール、金属間化合物の問題が
生じることがなく、また上記Ａｕ単線の破断強度の点で
不十分という問題も解消できる複合ボンディングワイヤ
として、例えば、特開昭５６−２１３５４号公報に記載
されたものがある。これは、純度９９．９９　　ｗ／ｏ
以上の高純度Ａｇからなる芯材の外周を、純度９９．９
９　　ｗ／ｏ以上の高純度Ａ’ｕ又はこれに特定元素を
ドーピングした被覆材で被覆した複合ボンディングワイ
ヤである。
このＡｇ線をＡｕで被覆したボンディングワイヤでは、
芯材の融点が被覆材の融点より低い点から、ポールが瓢
箪状になるのを防止できる。またＡｇとＡｕは金属間化
合物を形成することはないから、該化合物による問題を
解消でき、さらにＡ０単体よりも破断強度を向上できる
。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、本願発明者等の実験により、上記公報記載の
純Ａ、−純Ａｕ複合ボンディングワイヤでは、ボンディ
ング作業時に放電によりワイヤの先端にポールを形成し
た際に、第２図に示すように、ポールｌａの中心とワイ
ヤ１の軸芯１ｂとが偏心する傾向があることが判明した
。このポールの偏心が生じると、Ｓｉチップ上のＡｌ蒸
着パッドに圧着する際に、該パッドからポールがはみ出
ることがあり、安定した熱圧着あるいはサーモソニック
ボンディングができなくなり、ボンディングの作業性が
低下してしまうという問題点が生じる。
また、純度９９．９９％の高純度Ａｇは、軟化点が低く
、常温でも時効軟化して純Ａｇの完全焼鈍材の強度であ
る２０ｋｇｆ／ｍ’以下に低下してしまうことが−知ら
れている０本願発明者等はこの純Ａ、の常温軟化性に着
目し、上記公報記載の純Ａｇ−純Ａ１１？３［合ボンデ
ィングワイヤについて時効軟化の影響について実験した
ところ、伸ｉｔｘ後の引張強度はＡｕ単線と路間等であ
るものの、日時の経過に伴って低下し、結局純ＡｇをＡ
ｕで被覆したものではボンディングワイヤへの機械的強
度上の要請に応えるのは困難であることが判った。
そこで本発明の目的は、Ａｇ−Ａｕ複合ボンディングワ
イヤにおいて、ポールの偏心を抑制してボンディング作
業を容易化でき、かつ常温での時効軟化を抑制すること
によって高強度を保持できるＡｇ−Ａｕ複合ボンディン
グワイヤを提供する点にある。
〔問題点を解決するための手段〕
本願発明者等は、上記ポールが偏心する原因を解明する
ために、Ａｇ−Ａｕ複合ボンディングワイヤの横断面を
観察したところ、芯材と被覆材との間に１〜２μ−程度
の拡散層と思えるものが見られた。またこの拡散層は芯
材と被覆材の間に均質には存在せずその厚みは場所によ
り異なっていた。この拡散層が上記ポール偏心の原因で
あるとの仮定にたって、このような異常界面を生じさせ
ない添加物を見出すため、種々の実験研究を行うたとこ
ろ、被覆材と同じ純Ａｕを所定量以上添加すれば効果的
であることが判明した。
そこで本願の第１発明は、純度９９．９１１八以上の純
銀を主成分とする芯材の外周を純度９９．９９　　Ｈ／
。
以上の純金を主成分とする被覆材で被覆した半導体装置
用複合ボンディングワイヤにおいて、上記芯材に、上記
純度の金を０．００３〜１０　ｗ／ｏ添加したことを特
徴としている。
また第２発明は、芯材のＡｇに上記純Ａｕを添加すると
ともに、さらにＡｇの再結晶温度を向上させ、Ａｇ、Ａ
ｕとの３元合金が金属間化合物を形成することのない元
素を、上記３元合金の硬度がＨν４５以下となる量だけ
添加したことを特徴としている。
ここで、上君己第１．第２発明における芯材のＡ　　　
　−ｇは、純度が９９．９　ｗ／ｏ以上であれば採用で
きるが、９９．９９　　ｗ／ｏ以上の純度を有するもの
が好ましい。
また、被覆材には、純度９９．９９　　ｗ／ｏ以上の純
Ａｕが採用でき、この純Ａｕは不純物は可能な限り少な
いことが好ましいが、Ｃａ　、Ｂｅ　、Ｇｅ　、Ｍｌｖ
、ｐｂ等は極微量（５〜１０ｐｐｍ）であれば存在して
もよい。
また第１．第２発明において、Ａｇ芯材に純ＡＵを添加
したのは、第１に、芯材と被覆材との境界部に生じる拡
散層を抑制し、これによりポールの偏心を防止するため
であり、第２に、Ａｇの常温における時効軟化性を抑制
して高引張強度を保持するためである。そして、該Ａｕ
の添加量は、０．００３　　Ｗｌｏより少ない場合は、
主目的とするポールの偏心を抑制する効果が弱くなるか
ら、０．００３１４ｉｏ以上添加する必要がある。
一方、Ａｕの添加量の増大に伴って上記ポール偏心の抑
制効果及び時効軟化の抑制効果はともに向上する。しか
し、Ａｕを１０　’Ｉｄ１０を越えて添加した場合、■
電気抵抗が増大してボンディングワイヤとしての特性上
支障が生じる、■またそのポール偏心抑制効果のボンデ
ィング作業安定化への寄与度が飽和する、■時効軟化抑
制効果についても十分に確保されており、■これ以上Ａ
ｕの添加量を増大すると経済的効果も薄れることとなり
、これらの点からＡｕ添加量の上限は１０　Ｗｌｏとし
た。
また本願の第２発明においては、芯材のＡｇに上記第１
発明と同じ＜Ａｕを添加するとともに、特定元素を添加
するのであるが、この特定元素及びその添加量としては
、例えばＣｕ　Ｏ，００５〜１．０ｗ／ｏ．　Ｐｂ　Ｏ
，００５〜０．Ｉ　　Ｗｌｏ、Ｂｅ　Ｏ，００２〜０．
２ｗ／ｏ，Ｓｂ　Ｏ，００５〜０．２　　Ｗｌｏ、　Ａ
　Ｊｏ、００３〜０．２５ｗ／ｏ．　Ｇｏ　Ｏ，ＱＯ３
〜０．３　　Ｗｌｏ、　Ｓｎ　Ｏ，ＱＯ５〜０．５ｗ／
ｏ．　Ｎｉ　Ｏ，００３〜０．１　　Ｗｌｏのいずれか
が採用できる。
上記各添加元素は、芯材の再結晶温度を向上させて時効
軟化を抑制するとともに、ボンディング作業におけるポ
ール形成時の該元素、芯材のＡｇ及び被覆材のＡｕとで
形成される３元合金が金属間化合物を形成しない元素で
あり、各元素添加量の下限以下では上記再結晶温度向上
効果が得られず、また上限以上になると硬度が高くなり
過ぎ、ボンディング時のポールが硬くなって圧着時に変
形しにくくなり、Ｓ１ウエハの破損率が増大してしまう
。
〔作用〕
上述のように、純Ａｇ−純Ａｕ？ｘ合ボンディングワイ
ヤでは、ボンディング時に形成されるポールの中心とワ
イヤの軸芯とがずれるというポール偏心が発生し、ボン
ディング作業におけるポールの圧着が不安定化するとい
う問題があった。これは芯材と被覆材との間に生じる拡
散層が原因になっているもの思われるが、本発明では、
芯材のＡｇに被覆材と同一のＡｕを添加したことにより
、上記拡散層の発生が抑制され、ポールの偏心が防止さ
れてボンディング作業が安定化した。
また、上述のように、純Ａｇは再結晶温度が低いことか
ら、常温でも時効軟化し、必要な高引張強度を保持しに
くいという問題があるが、これに対して本発明では、上
記芯材のＡｇに、Ａｕを添加したので、純Ａｇの常温に
おける時効軟化が抑制され、その結果Ａｇ−Ａｕ複合ボ
ンディングワイヤの伸線直後における高引張強度を保持
できる効果もある。
さらにまた、第２発明では上記芯材のＡｇに、さらにＡ
ｇの再結晶温度を向上させるＣｕ等の特定元素を添加す
るようにしたので、芯材の再結晶温度がさらに向上し、
時効軟化を抑制して高い引張強度を保持できる。しかも
上記特定元素は、Ａｇ、及びＡｕとの３元合金が金属間
化合物を形成しない元素群の中から選択され、かつその
添加量は該元素とＡｇ、Ａｕとを溶融、鋳造した場合の
硬度Ｈｖが４５以下となる量に規制されているので、ボ
ンディング時に形成されるポールが十分に軟らかいもの
となって、圧着力により容易に変形し、Ｓｔチップを破
損することがな（、上記高強度を保持しながら安定した
ボンディング作業が可能となる。
〔実施例〕
以下、本願第１発明の複合ボンディングワイヤの効果を
明確にするための第１実施例、第２発明の効果を明確に
するための第２実施例について説明する。
まず、第１実施例では、純度９９．９９　　Ｈｌｏの純
Ａｇ芯材を、９９．９９　　Ｗｌｏの純Ａｕからなる被
覆材で被覆し、かつ該へ８芯材の面積比（第１図におい
て、複合ボンディングワイヤｌの横断面積Ａに対する芯
材２の横断面積Ａ１の百分率をいう）、及びＡｇへのＡ
ｕの添加量が第１表に示す値となっている複合ボンディ
ングワイヤを使用して、ポール偏心率の測定１時効軟化
の影響試験、ポールの接合性試験を以下の要領で行った
。
■　ポール形成時のポール偏心率：　これは各複合ボン
ディングワイヤを、市販のＡｕ１ｌ用マニユアルボンダ
ーを用いてアーク放電させ、これによりワイヤの先端部
に形成されたポールをＳＥＭによって撮影し、該ポール
の形状及び該ポールの中心とワイヤの軸芯との不一致の
度合を測定した。
■　時効軟化形１１１１！試験：　この試験では、上記
各複合ボンディングワイヤを伸線加工機によりΦ２５μ
ｍに伸線加工し、該加工後３０日間常温状態に保持した
ワイヤ、及び３０日経過後１５０℃のシリコンオイル中
に１分間浸漬したワイヤの２種類について引張強度を測
定した。
■　接合性試験：　この試験では、上記と同様にして形
成されたポールを圧着した際のＳｔチップの破損率につ
いて測定した。なお、この破損率は２５０℃、３５０℃
の２条件で行った。また、被接合体としては、１．３μ
−厚さにＡ１を蒸着したＳｉチフプを用いた。接合条件
は、まず市販のＡｕ線を用いて最適の諸条件（アーク電
流、極性、アーク時間、圧着時間、圧着荷重、圧着時の
超音波強度）を求め、これを使用した。
上記各試験におけるサンプル数は５０個とし、上記ポー
ルの偏心率、時効軟化の影響、接合性についての試験結
果をそれぞれ第１．第２．第３表に示す、第１表にお１
するポール偏心率は、全く偏心が見られない場合Ｑ印、
若干偏心しているがボンディング時の圧着作業への影響
はそれほどでもない場合Δ印、大きく偏心し、ボンディ
ング時の圧着作業が困難な場合ｘ印とした。また第２表
における時効軟化の影響については破断荷重で示し、１
０ｇ以下をｘ印、１０〜１５ｇをＯ印、１５ｇ以上を◎
印で表した。第３表の接合性については、Ｓｉチップの
破損率を百分率で表している。
第１〜第３表からも明らかなように、以下の点が理解で
きる。
■　ポール偏心率：　ポールの偏心は、Ａｇ芯材の面積
比にも影響されるが、芯材へのＡｕの添加量が０．０１
　ｗ／ｏ以下の場合はポール偏心の発生を防止できない
、しかし０．０３　ｗ／ｏ以上添加した場合は、面積比
が７５％の場合は若干偏心するが、それ以下の面積比で
は完全にポールの偏心を防止することが可能となってい
る。一方、Ａｕの添加量が１０−八を越えて添加しても
このポール偏心抑制効果については飽和していると考え
られる点、ｌｏＷｌｏ以上Ａｕを添加すると電気抵抗が
増大してボンディングワイヤとしての用途上支障が生じ
る点、及びＡｇ−Ａｕ複合ボンディングワイヤの当初の
目的であるＡｕ使用量低減による低価格化の目的が達成
できない点から、Ａｕ添加量の上限は１０稠１０が妥当
である。
■　時効軟化の影響：　Ａｇ芯材へのＡｕ添加量がゼロ
の場合、何れの面積比においても、常温３０日経過時、
１５０℃処理後の両方において伸線直後の破断荷重（１
７ｇ程度）から大きく低下しており、純Ａ、芯材の場合
は時効軟化が大きく生じていることがわかる。また、純
Ａｕを添加するにつれて破断荷重が太き（なっており、
時効軟化抑制効果が生じていることが判るが、Ａｕ添加
量が０．０１　Ｗｌｏの場合は、Ａｇ芯材の面積比が５
０％以上になると常温においても破断荷重が大きく低下
しており、実用に供し得ない、これに対して、Ａｕ添加
量が０．３％以上になると、少なくとも常温における破
断荷重は１０〜１５ｇが確保されており、このように時
効軟化抑制の観点においてもＡｕの添加量は０．００３
　ｗ／ｏ以上が必要となる。
■　ポール接合性：　この接合性を表すＳｉチップの破
損率は、第３表からも明らかなように、Ａｇ芯材に添加
するＡｕの量にはほとんど影響を受けることはない、な
お、Ａｇ芯材の面積比が高くなると破損率が増大してい
るが、これはＡｕを添加していない場合も同様であり、
また、同表に（）書きしているように、ポール周囲の酸
素濃第１表　　ボーＪＬ４ｙひ発生率（大気中）第２表
　　時効軟化影響試験結果（破断強度ｇ）Ｘ：ｌＱｇ以
下、　○：１０〜１５ｇ、　　◎：１５ｇ以上第３表　
接合性試験結果皺損率％） （）番謡劉着農度１００ρ−下でのポール形成度を１０
０ρｐｐｍに制御することにより破損を防止できる。
次に第２実施例では、上記第１実施例の複合ボンディン
グワイヤ（面積比５０％、Ａｕ添加量１゜０％）に特定
添加元素としてＣｕを０．００３〜２．０％添加したも
のを用いて、上述と同様にして時効軟化影響試験、ポー
ル接合性試験を行った。その結果を第４表に示す、なお
、破断強さについては伸線直後の値も求め、またポール
接合性試験については第３図（ａ）、　（ｂｌに示すよ
うに、変形量ＬＩＪｓを測定し、これから予測した。な
お、この変形量Ｌμ謡はキャピラリ４によってポールｌ
ａをＳｉチチッ５上のＡ１蒸着パフドロ上に押し付けた
際のポール１ａのワイヤ１側部分のせり上゛り量である
。
第４表からも明らかなように、芯材のＡｇに添加元素と
してＣｕを添加した場合、添加量が０．００３　　Ｉｄ
ｅａの場合はそれほど変化ないが、０．００５　　ｗ／
ｏ以上になると添加量が増大する程、伸線直後、３０日
経過後、１５０℃処理後の何れにおいても引張強度が向
上しており、Ｃｕの添加により時効軟化抑制効果が得ら
れていることが理解できる。従って時効軟化抑制効果の
みから言えば、Ｃｕの添加量は０．００５　　ｗ／ｏ以
上であれば多いほどよいことがわかる。
一方、Ｃｕの添加量が増加するにつれて、ポール変形量
が減少しており、これはボンディング時に形成されるポ
ールが硬くなるためであると考えられる。この変形量が
概ね１０．１１１１以下になると、Ｓｉチップの破損率
が増大しており、このチップ破損率は、基板の温度にも
影響を受けるが、３元合金の硬度をＨシー４５以下にす
ればゼロになっている。そしてこのＨｖ−４５以下にす
るためのＣｕの添加量は、ＡＩ芯材の面積比にも影響を
うけるが概ね１．０　１１１０以下である。従ってＣｕ
の添加量は０．００５〜１．０　　賀１０が妥当である
。
ところで、本実施例の結果からみて、基板温度が高い程
、ポールの硬度が低減され、ポール圧着時の変形量が増
大し、破損率は低下すると考えられるが、３５０℃以上
では逆に３１チツプの損傷が懸念され、実用的ではない
ことから本実施例では３５０℃以上については実施しな
かった。
なお、上記実施例では、添加元素としてＣｕのみを示し
たが、この再結晶温度を向上でき、かつＡｇ、Ａｕとの
３元合金が金属間化合物を形成しない元素及びその添加
量としては、本発明者等の実験により、Ｐｂ　Ｏ，００
５〜０．Ｉ　Ｗｌｏ　、　Ｂｅ　Ｏ，００２＝０．２　
Ｗｌｏ　、　　Ｓｂ　Ｏ，００５〜０．２　Ｗｌｏ　、
　Ａ　ｊ！０．００３〜０．２５　Ｈｌｏ、　Ｇｅ　Ｏ
，００３〜０．３　Ｎ１０　、　　Ｓｎ　Ｏ，００５〜
０．５　Ｗｌｏ　、　Ｎｉ　０．００３〜０．１　Ｗｌ
ｏ等が確認されている。
〔発明の効果〕 以上のように本願の第１発明に係る複合ボンディングワ
イヤによれば、Ａｇ芯材をＡｕ被覆材で被覆するととも
に、Ａ、芯材に被覆材Ａｕと同一のＡｕを０．００３〜
１０　ｗ／ｏ添加したので、ポールの偏心を抑制してポ
ールのＳＩチップへの圧着を容易確実にしてボンディン
グ作業を安定化できる効果があり、また上記Ａｕの添加
によりＡｇ芯材の時効軟化を抑制して高引張強度を保持
できる効果がある。
また、本願第２発明の複合ボンディングワイヤによれば
、Ａｇ芯材にＡｕを添加するとともに、さらに該Ａｇの
再結晶温度を向上させる特定元素を添加したので、上記
Ａｇ芯材の時効軟化をさらに確実に抑制でき、伸線直後
の高強度を保持しながら、ポールの偏心を抑制してボン
ディング作業を安定化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の複合ボンディングワイヤの面積比を説
明するための断面図、第２図はポールの偏心を説明する
ための模式図、第３図（ａ）、（１））はポールの変形
量の測定状態を示す模式図である。 図において、１は複合ボンディングワイヤ、２は芯材、
３は被覆材である。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人　　　　弁理士　下布　努

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）純度９９．９ｗ／ｏ以上の純銀を主成分とする芯
    材の外周を純度９９．９９ｗ／ｏ以上の純金を主成分と
    する被覆材で被覆した半導体装置用複合ボンディングワ
    イヤにおいて、上記芯材に純度９９．９９ｗ／ｏ以上の
    純金を０．０３〜１０ｗ／ｏ添加したことを特徴とする
    複合ボンディングワイヤ。
  2. （２）純度９９．９ｗ／ｏ以上の純銀を主成分とする芯
    材の外周を純度９９．９９ｗ／ｏ以上の純金を主成分と
    する被覆材で被覆した半導体装置用複合ボンディングワ
    イヤにおいて、上記芯材に、純度９９．９９ｗ／ｏ以上
    の純金を０．０３〜１．０ｗ／ｏ添加するとともに、銀
    の再結晶温度を向上させ、かつボンディング作業におけ
    るポール形成時の銀、及び金との３元合金が金属間化合
    物を形成しない元素を、該元素、芯材及び被覆材を均一
    に溶融、鋳造したときの硬度がＨｖ４５以下となる量添
    加したことを特徴とする複合ボンディングワイヤ。
  3. （３）上記元素及びその添加量が、Ｃｕ０．００５〜１
    ．０ｗ／ｏ、Ｐｂ０．００５〜０．１ｗ／ｏ、Ｂｅ０．
    ００２〜０．２ｗ／ｏ、Ｓｂ０．００５〜０．２ｗ／ｏ
    、Ａｌ０．００３〜０．２５ｗ／ｏ、Ｇｅ０．００３〜
    ０．３ｗ／ｏ、Ｓｎ０．００５〜０．５ｗ／ｏ、Ｎｉ０
    ．００３〜０．１ｗ／ｏのいずれかであることを特徴と
    する特許請求の範囲第２項記載の複合ボンディングワイ
    ヤ。
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