JPH0464121B2 - - Google Patents

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JPH0464121B2
JPH0464121B2 JP61208896A JP20889686A JPH0464121B2 JP H0464121 B2 JPH0464121 B2 JP H0464121B2 JP 61208896 A JP61208896 A JP 61208896A JP 20889686 A JP20889686 A JP 20889686A JP H0464121 B2 JPH0464121 B2 JP H0464121B2
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wire
ball
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annealing
ppm
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Shoji Shiga
Masaaki Kurihara
Kozo Okuda
Ichiro Kaga
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Description

【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野) 本発明は、電子機器用途に用いられる銅細線に
関し、特に半導体製造に用いられるボンデイング
ワイヤに関する。 (従来の技術) ICやトランジスタ等の半導体の製造において、
Siチツプ上の回路素子と外部の電源への接続や、
外部との情報のやりとりを行うために、回路素子
に接続したパツドと、半導体のリード間に線径15
〜100μmの金やアルミニウムあるいはアルミニウ
ム合金等の細線が用いられている。 (発明が解決しようとする問題点) このうち、アルミニウムやアルミニウム合金は
電源との接合は同種金属で行える利点を有し、安
価であるけれどもボールボンドが困難であり、生
産性に劣る超音波を用いるウエツジボンドが行わ
れているのみならず、さらに耐食性に劣るため
に、樹脂封止型の半導体では透湿水によるワイヤ
の腐食が生じるので、一部の気密封止型半導体に
専ら使用されている。 一方、金は耐食性に優れ、生産性の高いボール
ボンデイングを利用できる等の利点を有し、樹脂
封止型の半導体を中心に広く利用されている。し
かしながら、素材である金が著しく高価であるば
かりか、電極パツドのアルミニウムやアルミニウ
ム合金と脆弱なA−Auの金属間化合物を形成
したり、あるいは透湿水の存在下でアルミニウム
と電食対を形成してアルミニウムを腐食せしめる
等により、電気回路の断線を生じることが知られ
ている。特に半導体の高度集積化によつて熱発生
による温度上昇やチツプ面積の増大による透湿水
経路の短縮とともに多ピン化による信頼性の大幅
な低下が懸念される。 このために金に代替でき、かつ、特性的にも金
に劣らないワイヤの開発が望まれていた。 このために、銅のワイヤが提案されているけれ
ども、その変形能が金に劣り、パツド下にクラツ
クが生じたり、電極のアルミニウムとの接合が不
十分であるという問題点を生じている。特に高集
積ICでは、電極パツド下にSiO2等の脆い絶縁層
が存在する例が多く、金に匹敵するかまたはそれ
以上の変形能を有する銅ワイヤの開発が期待され
ていた。 (問題点を解決するための手段) 本発明は上記に鑑みて鋭意検討の結果成された
ものであり、0.1〜9ppmのTiと0.1〜9ppmの、
Nb,Mg,Ca、希土類元素、Hf,V,Ta,Pd,
Pt,Au,Cd,B,A,In,Si,Ge,Pb,P,
Sb,Biから成る群から選ばれた少なくとも1種
以上の元素とを合計で0.2〜9.5ppm含有し、残部
Cuから成ることを特徴とする銅細線及び真空ま
たは非酸化性雰囲気下で鋳造された0.1〜9ppmの
Tiと0.1〜9ppmの、Nb,Mg,Ca、希土類元素、
Hf,V,Ta,Pd,Pt,Au,Cd,B,A,In,
Si,Ge,Pb,P,Sb,Biから成る群から選ばれ
た少なくとも1種以上の元素とを合計で0.2〜
9.5ppm含有し、残部Cuから成る鋳塊を、伸線加
工と焼鈍処理を繰り返して所定の線径にするに当
り、少なくとも最終加工率を70〜99.99%とし、
焼鈍処理により2〜20%の伸びとすることを特徴
とする銅細線の製造方法を提供するものである。 本発明の銅細線の製造は、非酸化性雰囲気、も
しくは真空中で前記組成の銅合金の鋳塊ビレツト
を鋳造した後、必要に応じて熱間加工を行い、そ
の後伸線加工と焼鈍を繰り返して所定線径とした
後、最終焼鈍を行つて所定の性能とする工程によ
り行うことができる。この際少なくとも焼鈍前の
最終加工率を70〜99.99%、好ましくは90〜99.95
%とし、さらに150〜400℃の温度で所定時間焼鈍
して伸びを2〜20%、好ましくは6〜16%に調整
すると、より優れた特性とすることができる。ま
た、焼鈍により細線の特性を発現する代わりに、
過剰に焼鈍した後、1〜5%の加工率の伸線加工
を行つて同様の特性としてもよい。 半導体素子とインナーリード間のワイヤボンデ
イングはボールボンデイングされる例が多い。 ボールボンデイングにおいて、細線はH2炎又
は放電により先端をメルトしてボールを形成され
るがボールが真球に近く偏芯していないこと、ボ
ールが電極であるアルミニウムパツドに容易に接
合すること、ワイヤのループが適当な高さを保持
すること、ステツチ側の接合が十分であること等
が必要とされる。 銅は純度の向上により、変形能が優れたものと
できるけれども、常温軟化し易くループのダレを
生じたりすること、ロツトによる特性のバラツキ
を生じ易いこと、またボールボンデイング時に電
極パツドのアルミニウムと接合しない、ボール浮
き現象を生じ易いことなどの欠点を有していた。 また、従来Ti単独でも、ボンデイング特性の
改善効果が知られているけれども、Tiそれ自身
O2やN2と反応し易く、そのため特性のバラツキ
が大きいこと、またTiの添加によつてECが大き
く変化することが欠点として知られていた。 本発明によれば、0.1〜9ppmのTiと0.1〜9ppm
の、Nb,Mg,Ca、希土類元素、Hf,V,Ta,
Pd,Pt,Au,Cd,B,A,In,Si,Ge,Pb,
P,Sb,Biから成る群から選ばれた1種又は2
種以上の元素を合計で0.2〜9.5ppm添加すること
により、上記に述べた欠点を解消できるばかりで
はなく、チツプの機械的損傷を防止するために、
低荷重、低超音波出力を要求される高集積ICに
対するボールボンドでも金に匹敵する以上のボン
デイング特性を得ることができる。 以上の効果は、Nb,Mg,Ca、希土類元素、
Hf,V,Ta,Pd,Pt,Au,Cd,B,A,In,
Si,Ge,Pb,P,Sb,Biをベースの銅に添加
後、Tiを添加すること及び、99.999%以上、好ま
しくは99.9999%以上の純銅を使用することによ
り一層発現できる。 銅細線については以上のボール及びステツチ側
ボンデイング性と共にループ形状やワイヤ強度が
実用的に重要である。これらの特性には、ワイヤ
の機械的特性が関与するけれども半導体の種類
や、ボンデイング方式及び装置条件によつて要求
される特性は異なる。しかしながら、伸びが著し
く小さいと、ループ高さが大きくなり、ワイヤ間
でのシヨートを引起こす原因となる他、ワイヤ変
形能が小さく、ステツチボンドを行うに高荷重、
高超音波出力を必要とするほど、ボンデイング性
が低下する。一方、伸びが著しく大きいと、ルー
プ高さが低くなり、チツプとの接触を招く危険が
ある他、ステツチボンドでのワイヤ潰れが大きく
なり、ネツク部が脆弱となり易い。また、ボンド
後のワイヤテイルが不均一となり、ボール形成が
行えない事態が生じることとなる。 このため、前記の機械的特性が実用上有効であ
る。これらの特性を実用的に安定して有利に発現
するためには、製造工程、特に最終伸線工程での
加工率が特に重要であり、前記加工範囲が必要と
される。 (実施例) 次に本発明を実施例に基づきさらに詳しく説明
する。 実施例 1 真空溶解炉を用いて99.9996%の純銅に添加元
素を加え第1表の実験No.1〜34に示した合金組成
の鋳塊(25mm×140mm)ビレツトを鋳造した。こ
のビレツトを面削して約20mm(直径)×100mm(長
さ)とした後、熱間圧延で直径約10mmとし、その
後直径8mmまで皮ムキを入れて伸線を行つた。 さらに92%の加工率での伸線と、350℃での真
空焼鈍を繰り返して、直径25μmのワイヤとした。
最後にアルゴン雰囲気中250〜400℃の温度とした
走間焼鈍炉で焼鈍を行い、伸び約15%前後にした
ワイヤを製造した。この実験No.1〜34で得られた
ワイヤの機械的特性を第2表に示した。同表中B
は破断強度、Eは伸びである。 ワイヤ中の酸素量はいずれも5ppm以下であつ
た。
【表】
【表】 これらのワイヤを10%H2−N2雰囲気中で、ボ
ンデイング条件を、荷重35g、超音波出力0.02W、
時間30msce、ステージ温度275℃としてマニユア
ル型のワイヤボンダーでボールボンドを行い、次
の項目について比較試験した。 1 ボールの形状(真球度、偏芯) 2 ボールの歪(ボールアツプ直後のボールの径
と押潰した後のボール径との比較) 3 ボール浮き(Siウエハ上に蒸着した1μm厚の
Aにボールボンドした時の接合不成功率) 4 チツプ割れ 5 接合ワイヤ破断モード(ボンデイング後ワイ
ヤプル試験を行つた時の破断の部位が接合部か
ワイヤ切れかをみる。ワイヤ切れの割合(%)
で示す。) 6 ループ形状(ボンデイング後のループの形
状) なお、5)、6)の項目については基材として
メツキレスのCu−0.15Cr−0.1Sn合金条(0.25mm
厚)を用いた。 この結果を第2表に示した。同表の結果から本
発明に対して実験No.16(無添加)や実験No.18〜21
(過剰添加)はボール変形能が小さく、ボール浮
き率が大きいこと、ループ形状が適当でなく、接
合強度が弱いことが分る。
【表】
【表】 実施例 2 実施例1の実験No.2と同じ合金組成の鋳塊ビレ
ツトを用いてワイヤを製造した。この場合最終伸
線加工率を80,99.95,99.97%とするとともに、
焼鈍温度を変えて種々の伸びのものを作つた以外
は実施例1と同様にして行つた。 これらワイヤについて実施例1の条件でメツキ
レスのCu−0.15Cr−0.1Sn合金条(0.25mm厚)に
ボールボンドを行い、そのプル試験を実施して、
ワイヤ破断モードの割合を求めた。 結果を第1図に示した。 同図の結果より高加工率でも、2〜20%の範囲
内で良好なボンデイング特性が得られることがわ
かる。 (発明の効果) 本発明の銅細線は変形能が優れるばかりでな
く、ワイヤ強度が高く、常温軟化せず、ループの
ダレを生じない。またボールの形状が良好でボー
ルボンデイングにおいて電極パツドやリードフレ
ームとのボンデイング性に優れ、ボンデイング性
のバラツキも少なく、ボール浮き率が大きいとい
う優れた効果を奏する。 さらに本発明の銅細線によれば、チツプの機械
的損傷を防止できるため低荷重、低超音波出力条
件を要求される高集積ICのボールボンドにおい
ても金に匹敵する以上のボンデイング特性が得ら
れる。 本発明によれば安価な銅線を用いて金線を有利
に代替できる。 本発明は、高純度Cuの特性を追求して得られ
た成果であり、上記の効果のほか長期の信頼性に
ついては、前述の如くA/Auは固相拡散して
脆弱な界面相を形成し、パープルブラーグ現象を
起こし易いが、A−Cuはこれに比して数分の
1以下であることが知られており、この意味でも
効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図はCu−0.15Cr−0.1Sn条にボールボンド
したワイヤの破断モード中、正常なワイヤ切れの
割合を、ワイヤの最終伸線加工率と伸びについて
比較した結果である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 0.1〜9ppmのTiと0.1〜9ppmの、Nb,Mg,
    Ca、希土類元素、Hf,V,Ta,Pd,Pt,Au,
    Cd,B,A,In,Si,Ge,Pb,P,Sb,Biか
    ら成る群から選ばれた少なくとも1種以上の元素
    とを合計で0.2〜9.5ppm含有し、残部Cuから成る
    ことを特徴とする銅細線。 2 残部のCuが純度99.999重量%以上のCuであ
    る特許請求の範囲第1項記載の銅細線。 3 真空または非酸化性雰囲気下で鋳造された
    0.1〜9ppmのTiと0.1〜9ppmの、Nb,Mg,Ca、
    希土類元素、Hf,V,Ta,Pd,Pt,Au,Cd,
    B,A,In,Si,Ge,Pb,P,Sb,Biから成
    る群から選ばれた少なくとも1種以上の元素とを
    合計で0.2〜9.5ppmを含有し、残部Cuから成る鋳
    塊を、伸線加工と焼鈍処理を繰り返して所定の線
    径にするに当り、少なくとも最終加工率を70〜
    99.99%とし、焼鈍処理により2〜20%の伸びと
    することを特徴とする銅細線の製造方法。 4 焼鈍処理後に1〜5%の加工を加えて2〜20
    %の伸びとする特許請求の範囲第3項記載の銅細
    線の製造方法。
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