KR101902091B1 - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

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도모히로 우노
히로유키 데아이
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신닛테츠스미킹 마테리알즈 가부시키가이샤
닛데쓰스미킹 마이크로 메탈 가부시키가이샤
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Abstract

볼 접합부의 접합 신뢰성, 볼 형성성을 개선하여, 차량 탑재용 디바이스에 적합한 본딩 와이어를 제공한다. Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서, 상기 Cu 합금 코어재가 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1 내지 1.2wt.％이며, 상기 Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛인 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어{BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위하여 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 「본딩 와이어」라고 함)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합 방법은 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치나, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 모세관 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 볼을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합(이하, 「볼 접합」이라고 함)하고, 다음에 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 「웨지 접합」이라고 함)함으로써 완료한다. 본딩 와이어의 접합 상대인 반도체 소자 상의 전극에는 Si 기판 상에 Al을 주체로 하는 합금을 성막한 전극 구조, 외부 리드측의 전극에는 Ag 도금이나 Pd 도금을 실시한 전극 구조 등이 사용된다.
지금까지 본딩 와이어의 재료는 Au가 주류이었지만, LSI 용도를 중심으로 Cu로의 대체가 진행되고 있다. 한편, 최근의 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 보급을 배경으로, 차량 탑재용 디바이스 용도에 있어서도 Au로부터 Cu로의 대체에 대한 요구가 높아지고 있다.
차량 탑재용 디바이스는, 일반적인 전자 기기에 비하여, 가혹한 고온 고습 환경 하에서 동작할 필요가 있는 점에서, 볼 접합부에 있어서 우수한 접합 수명(이하, 「접합 신뢰성」이라고 함)을 갖는 것, 안정된 접합 강도를 얻기 위하여, 진구성이 우수한 볼을 안정되게 형성하는 것(이하, 「볼 형성성」이라고 함)이 요구된다.
또한, 차량 탑재용 디바이스에는 고기능화, 소형화에 수반하는, 실장의 고밀도화에의 대응도 요구된다. 실장이 고밀도화되면, 본딩 와이어의 선 직경이 가늘어져, 웨지 접합을 행할 때에 접합에 기여하는 면적이 감소되어 접합 강도를 얻는 것이 곤란해진다. 이 때문에 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도를 얻는 것, 즉 웨지 접합성을 개선하는 것이 필요해진다. 또한, 반도체 소자 상의 전극끼리의 간격이 좁아져, 인접하는 전극에 볼이 접촉하여 단락되는 것이 우려되기 때문에, 볼 접합을 행할 때에 볼을 진원 형상으로 변형시키는 기술이 요구된다. 또한, 수지 밀봉하여 사용하는 경우, 수지 유동에 의해 본딩 와이어가 변형되어, 인접하는 와이어끼리 접촉하는 것을 방지하기 위하여 루프의 직진성이나 높이 편차의 억제도 요구된다.
Cu 본딩 와이어에 대해서는, 고순도 Cu(순도: 99.99wt.％ 이상)를 사용한 것이 제안되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1). Cu는 Au에 비교하여 산화되기 쉬운 결점이 있어, 접합 신뢰성, 볼 형성성, 웨지 접합성 등이 떨어지는 과제가 있었다. Cu 본딩 와이어의 표면 산화를 방지하는 방법으로서, Cu 코어재의 표면을 Au, Ag, Pt, Pd, Ni, Co, Cr, Ti 등의 금속으로 피복한 구조가 제안되고 있다(특허문헌 2). 또한, Cu 코어재의 표면에 Pd를 피복하고, 그 표면을 Au, Ag, Cu 또는 이들 합금으로 피복한 구조가 제안되고 있다(특허문헌 3).
일본 특허 공개(소) 61-48543호 공보 일본 특허 공개 제2005-167020호 공보 일본 특허 공개 제2012-36490호 공보
본 발명자들에 의해, 차량 탑재용 디바이스에 요구되는 특성을 근거로 하여, 평가를 실시한 바, 종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어에서는, 후술하는 바와 같은 실용상의 과제가 남겨져 있는 것이 판명되었다.
차량 탑재용 디바이스는 일반적인 전자 기기에 비하여, 가혹한 고온 고습 환경 하에서의 접합 신뢰성이 요구된다. 접합 신뢰성을 평가하는 방법은 몇 가지의 방법이 제안되고 있으며, 대표적인 평가법의 하나로서 고온 고습 시험이 사용된다. 일반적인 전자 기기의 경우, 고온 고습 시험은 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 조건에서 평가하는 경우가 많다. 한편, 차량 탑재용 디바이스에서는, 보다 고온에서의 사용 성능이 필요해지기 때문에, 온도가 150℃, 상대 습도가 85％인 조건에서 1500시간 이상의 접합 신뢰성이 요구된다.
종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어를 사용하여 순Al 전극과 접합을 행하여, 에폭시 수지로 밀봉한 후, 온도가 150℃, 상대 습도가 85％에서 고온 고습 시험을 실시한 결과, 1500시간 이하에서, 접합 계면에 크랙이 발생하여 접합 강도가 저하되어, 차량 탑재용 디바이스에서 요구되는 접합 신뢰성을 얻지 못하는 것을 알 수 있다. 접합 계면의 상세한 관찰을 행한 바, Al과 Cu를 주체로 하는 복수의 금속간 화합물이 형성되어 있고, 이들 화합물 중 Cu9Al4가 우선적으로 부식된 것이 접합 강도 저하의 원인으로 추정되었다.
볼 형성성을 평가한 결과, 종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어에서는 차량 탑재용 디바이스에서 요구되는 볼 형성성을 만족할 수 없는 것이 판명되었다. 특히, 표면에 기포가 있는 볼, 진구성이 떨어지는 볼이 많이 보였다. 기포의 발생 원인에 대해서는, 아크 방전에 의해 Pd가 용융되었을 때에 흡수한 H2, N2가, Pd가 응고될 때에 방출되었기 때문으로 생각되어진다. 진구성이 저하된 원인에 대해서는, 열 전도율의 영향을 생각할 수 있다. 볼은 와이어 방향으로 열이 배출됨으로써 응고된다. 이로 인해, Pd의 열 전도율이 Cu에 비하여 낮은 점에서, Cu가 Pd보다도 먼저 응고됨으로써, 표면의 Pd가 Cu의 응고 수축에 추종하여 변형할 수 없어 표면에 요철이 발생한다고 생각되어진다. 이러한 현상은, Pd 피복층의 두께가 두꺼울수록 현저해진다. Pd 피복층 상에 Au, Ag, Cu를 피복한 경우에도 볼 형성성을 개선할 수는 없었다.
상기한 검토 결과에 의해, 종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어를 사용한 경우, 차량 탑재용 디바이스에 요구되는 접합 신뢰성, 볼 형성성의 기준을 만족할 수 없는 것이 판명되었다. 또한, 종래 검토되어 온 Pd 피복층의 막 두께 및 구조에 착안한 개선 방법을 사용해도, 차량 탑재용 디바이스에 요구되는 접합 신뢰성과 볼 형성성을 양립할 수 없는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명은, 볼 접합부의 접합 신뢰성, 볼 형성성을 개선하여, 차량 탑재용 디바이스에 적합한 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 본딩 와이어는, Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서, 상기 Cu 합금 코어재가 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1 내지 1.2wt.％이며, 상기 Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, Pd 피복층을 갖고, Cu 합금 코어재가 Ni를 포함함으로써, 볼 접합부에 있어서 전극과의 접합 계면에 Pd 또는 Ni가 농화되어, 고온 고습 시험 중의 접합 계면에 있어서의 Cu, Al의 확산을 억제하여, 부식 용이성 화합물의 성장 속도를 저하시키므로, 접합 신뢰성을 개선할 수 있다. 또한, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1wt.％ 이상임으로써, 볼의 표면의 요철의 발생도 저감할 수 있으므로, 볼 형성성을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
1. 실시 형태
(전체 구성)
본 발명의 실시 형태에 관한 본딩 와이어는, Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖고, 상기 Cu 합금 코어재는 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1 내지 1.2wt.％이며, Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛이다. 이에 의해 본딩 와이어는, 차량 탑재용 디바이스에서 요구되는 접합 신뢰성과 볼 형성성을 개선할 수 있다.
상기 본딩 와이어의 Cu 합금 코어재, Pd 피복층의 정의를 설명한다. Cu 합금 코어재와 Pd 피복층의 경계는, Pd 농도를 기준으로 판정했다. Pd 농도가 50at.％인 위치를 경계로 하여, Pd 농도가 50at.％ 이상인 영역을 Pd 피복층, 50at.％ 미만인 영역을 Cu 합금 코어재로 판정했다. 이 근거는, Pd 피복층에 있어서 Pd 농도가 50at.％ 이상이면 Pd 피복층의 구조로부터 특성의 개선 효과가 얻어지기 때문이다. Pd 피복층은, Pd 단층의 영역, Pd와 Cu가 와이어의 깊이 방향으로 농도 구배를 갖는 영역을 포함하고 있어도 된다. Pd 피복층에 있어서, 해당 농도 구배를 갖는 영역이 형성되는 이유는, 제조 공정에서의 열 처리 등에 의해 Pd와 Cu의 원자가 확산되는 경우가 있기 때문이다. 또한, Pd 피복층은 불가피 불순물을 포함하고 있어도 된다. 또한, Cu 합금 코어재에 포함되는 Ni가, 열 처리 등에 의해 Pd 피복층에 확산되어, Pd 피복층 중에 존재하고 있어도 된다.
이 본딩 와이어를 사용하여, 아크 방전에 의해 볼을 형성하면, 본딩 와이어가 용융되어 응고되는 과정에서, 볼의 표면에 볼의 내부보다도 Pd, Ni의 농도가 높은 합금층이 형성된다. 이 볼을 사용하여 Al 전극과 접합을 행하여, 고온 고습 시험을 실시하면, 접합 계면에 Pd 또는 Ni가 농화된 상태로 된다. 이 Pd 또는 Ni가 농화되어 형성된 농화층은, 고온 고습 시험 중의 접합 계면에 있어서의 Cu, Al의 확산을 억제하여, 부식 용이성 화합물의 성장 속도를 저하시킬 수 있다. 이에 의해 본딩 와이어는, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 한편, Ni의 농도가 0.1wt.％ 미만, 또는 Pd 피복층의 두께가 0.015㎛ 미만인 경우, 상기 농화층이 충분히 형성되지 않아, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 없다.
볼의 표면에 형성된 Pd, Ni의 농도가 높은 합금층은, 내산화성이 우수하기 때문에, 볼 형성 시에 본딩 와이어의 중심에 대하여 볼의 형성 위치가 어긋나는 등의 불량을 저감시킬 수 있다.
또한, 코어재의 Cu 합금이 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1wt.％ 이상임으로써, 볼 표면의 요철의 발생도 저감할 수 있다. 이 이유는, 코어재의 Cu 합금에 Ni를 첨가하여, Cu 코어재 합금의 열 전도율을 저하시켜, Pd 피복층의 열 전도율에 접근함으로써, 볼 표면과 내부의 용융 상태부터 응고 완료까지 필요로 하는 시간차를 축소할 수 있기 때문으로 생각되어진다.
한편, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 1.2wt.％보다 커지면, 볼이 경질화되어, 볼 접합 시에 Si 칩에의 손상이 문제되기 때문에 실용에 적합하지 않다. 또한, Pd 피복층의 두께가 0.150㎛보다 두꺼워지면, 볼 형성 시에 표면에 기포가 발생하여 양호한 볼 형성성이 얻어지지 않는다.
이와 관련하여, Pd 피복층의 최표면에 Cu가 존재하는 경우가 있다.
본딩 와이어는, Pd 피복층의 표면에 Au 표피층을 0.0005 내지 0.050㎛ 더 형성하는 것으로 해도 된다. 이에 의해 본딩 와이어는, 접합 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있음과 함께 웨지 접합성을 개선할 수 있다.
상기 본딩 와이어의 Au 표피층의 정의를 설명한다. Au 표피층과 Pd 피복층의 경계는, Au 농도를 기준으로 판정했다. Au 농도가 10at.％인 위치를 경계로 하여, Au 농도가 10at.％ 이상인 영역을 Au 표피층, 10at.％ 미만인 영역을 Pd 피복층으로 판정했다. 또한, Pd 농도가 50at.％ 이상인 영역이라도, Au가 10at.％ 이상 존재하면 Au 표피층으로 판정했다. 이 근거는, Au 농도가 상기한 농도 범위이면, Au 표피층의 구조로부터 특성의 개선 효과를 기대할 수 있기 때문이다. Au 표피층은 Au-Pd 합금이며, Au와 Pd가 와이어의 깊이 방향으로 농도 구배를 갖는 영역을 포함하는 영역으로 한다. Au 표피층에 있어서, 해당 농도 구배를 갖는 영역이 형성되는 이유는, 제조 공정에서의 열 처리 등에 의해 Au와 Pd의 원자가 확산되기 때문이다. 또한, Au 표피층은 불가피 불순물을 포함하고 있어도 된다.
Au는 고온 고습 시험에 있어서, 볼 접합부의 접합 계면이 Ni, Pd와 함께 Au, Ni, Pd를 포함하는 3원계 합금으로 농화층을 형성하여, 부식 용이성 화합물의 성장 속도를 현저하게 저하시킬 수 있다. 이에 의해 본딩 와이어는, 접합 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, Au 표피층은, Pd 피복층 혹은 Cu 합금 코어재에 포함되는 Ni와 반응하여, Au 표피층, Pd 피복층, Cu 합금 코어재 사이의 밀착 강도를 높여, 웨지 접합 시의 Pd 피복층이나 Au 표피층의 박리를 억제할 수 있다. 이에 의해 본딩 와이어는, 웨지 접합성을 개선할 수 있다. Au 표피층의 두께가 0.0005㎛ 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않고, 0.050㎛보다 두꺼워지면 웨지 접합 시의 초음파의 전파가 나빠져, 양호한 접합 강도를 얻지 못하게 되기 때문에 실용에 적합하지 않다. 또한 Au 표피층은, Pd 피복층과 마찬가지의 방법에 의해 형성할 수 있다. 이와 관련하여, Au 표피층의 최표면에 Cu가 존재하는 경우가 있다.
본딩 와이어는 Cu 합금 코어재가 B, In, Ca, P, Ti로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 포함하고, 와이어 전체에 대한 상기 원소의 농도가 3 내지 100wt.ppm임으로써, 고밀도 실장에 요구되는 볼 접합부의 찌부러짐 형상을 개선, 즉 볼 접합부 형상의 진원성을 개선할 수 있다. 이것은, 상기 원소를 첨가함으로써, 볼의 결정 입경을 미세화할 수 있어, 볼의 변형을 억제할 수 있기 때문이다. 와이어 전체에 대한 상기 원소의 농도가 3wt.ppm 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않고, 100wt.ppm보다 커지면 볼이 경질화되어, 볼 접합 시의 칩 대미지가 문제되기 때문에 실용에 적합하지 않다.
본딩 와이어는, Cu 합금 코어재가 Pt 또는 Pd를 더 포함하고, Cu 합금 코어재에 포함되는 Pt 또는 Pd의 농도가 0.05 내지 1.20wt.％임으로써, 루프 형성성을 향상, 즉 고밀도 실장에서 요구되는 루프의 직진성을 향상시킴과 함께, 루프의 높이의 편차를 저감시킬 수 있다. 이것은, Cu 합금 코어재가 Pd 또는 Pt를 포함함으로써, 본딩 와이어의 항복 강도가 향상되어, 본딩 와이어의 변형을 억제할 수 있기 때문이다. 루프의 직진성의 향상이나 높이의 편차를 저감시키기 위해서는, Cu 합금 코어재의 강도가 높을수록 효과적이며, Pd 피복층의 두께를 두껍게 하는 등의 피복 구조의 개량으로는 충분한 효과는 얻지 못한다. Cu 합금 코어재에 포함되는 Pt 또는 Pd의 농도가 0.05wt.％ 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않고, 1.20wt.％보다 커지면 본딩 와이어가 경질화되어, 와이어 접합부의 변형이 불충분해져, 웨지 접합성의 저하가 문제가 된다.
Pd 피복층, Au 표피층을 결정하기 위한 와이어 표면의 농도 분석에는, 본딩 와이어의 표면으로부터 깊이 방향을 향하여 스퍼터 등으로 깎으면서 분석을 하는 방법, 혹은 와이어 단면을 노출시켜 선 분석, 점 분석 등을 행하는 방법이 유효하다. 와이어 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 농도 분석에 사용하는 해석 장치는, 주사형 전자 현미경 또는 투과형 전자 현미경에 비치한 오제 전자 분광 분석 장치, 에너지 분산형 X선 분석 장치, 전자선 마이크로 애널라이저 등을 이용할 수 있다. 이들 농도 분석 방법 중에서도 스퍼터 장치와 오제 전자 분광 분석 장치를 동시에 구비한 주사형 전자 현미경을 사용하는 분석 방법은, 비교적 단시간에 복수의 원소에 대하여, 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득할 수 있으므로 바람직하다. 본딩 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도 분석에는 ICP 발광 분광 분석 장치를 이용할 수 있다.
(제조 방법)
다음에 본 발명의 실시 형태에 관한 본딩 와이어의 제조 방법을 설명한다. 본딩 와이어는 코어재에 사용하는 Cu 합금을 제조한 후, 와이어 형상으로 미세하게 가공하여, Pd 피복층, Au 표피층을 형성하고, 열 처리함으로써 얻어진다. Pd 피복층, Au 표피층을 형성 후, 다시 신선과 열 처리를 행하는 경우도 있다. Cu 합금 코어재의 제조 방법, Pd 피복층, Au 표피층의 형성 방법, 열 처리 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
코어재에 사용하는 Cu 합금은, 원료가 되는 Cu와 첨가하는 원소를 모두 용해하고, 응고시킴으로써 얻어진다. 용해에는 아크 가열로, 고주파 가열로, 저항 가열로 등을 이용할 수 있다. 대기 중으로부터의 O2, N2, H2 등의 가스의 혼입을 방지하기 위하여, 진공 분위기 혹은 Ar이나 N2 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다.
Pd 피복층, Au 표피층을 Cu 합금 코어재의 표면에 형성하는 방법은, 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법은, 전해 도금법, 무전해 도금법 모두 적용 가능하다. 스트라이크 도금, 플래시 도금이라고 불리는 전해 도금에서는, 도금 속도가 빠르고, 하지와의 밀착성도 양호하다. 무전해 도금에 사용하는 용액은, 치환형과 환원형으로 분류되어, 두께가 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두께가 두꺼운 경우에는 치환형 도금 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시하는 것이 유효하다.
증착법에서는, 스퍼터법, 이온 플레이팅법, 진공 증착 등의 물리 흡착과, 플라즈마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식이며, Pd 피복층, Au 표피층 형성 후의 세정이 불필요하여, 세정 시의 표면 오염 등의 걱정이 없다.
Pd 피복층, Au 표피층의 형성에 대해서는, 최종 선 직경까지 신선 후에 형성하는 방법과, 대경의 Cu 합금 코어재에 형성하고 나서 목적하는 선 직경까지 복수회 신선하는 방법 모두 유효하다. 전자의 최종 직경으로 Pd 피복층, Au 표피층을 형성하는 경우에는 제조, 품질 관리 등이 간편하다. 후자의 Pd 피복층, Au 표피층과 신선을 조합하는 경우에는, Cu 합금 코어재와의 밀착성이 향상되는 점에서 유리하다. 각각의 형성법의 구체예로서, 최종 선 직경의 Cu 합금 코어재에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 소인하면서 Pd 피복층, Au 표피층을 형성하는 방법, 혹은 전해 또는 무전해의 도금욕 중에 굵은 Cu 합금 코어재를 침지하여 Pd 피복층, Au 표피층을 형성한 후에, 와이어를 신선하여 최종 선 직경에 도달하는 방법 등을 들 수 있다.
Pd 피복층, Au 표피층을 형성한 후는 열 처리를 행하는 경우가 있다. 열 처리를 행함으로써 Au 표피층, Pd 피복층, Cu 합금 코어재 사이에서 원자가 확산되어 밀착 강도가 향상되기 때문에, 가공 중의 Au 표피층이나 Pd 피복층의 박리를 억제할 수 있어, 생산성이 향상되는 점에서 유효하다. 대기 중으로부터의 O2의 혼입을 방지하기 위하여, 진공 분위기 혹은 Ar이나 N2 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다.
(변형예)
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지 범위 내에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.
2. 실시예
이하에서는, 실시예를 기재하면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 본딩 와이어에 대하여, 구체적으로 설명한다.
(샘플)
먼저 샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. 코어재의 원재료가 되는 Cu, Ni는 순도가 99.99wt.％ 이상이고 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용했다. B, In, Ca, P, Ti, Pt, Pd는 순도가 99wt.％ 이상이고 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용했다.
코어재의 Cu 합금은, 직경이 φ 3 내지 6㎜인 원기둥형으로 가공한 카본 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여, 진공 중 혹은 N2나 Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1090 내지 1300℃까지 가열하여 용해시킨 후, 노냉을 행함으로써 제조했다. 얻어진 φ 3㎜의 합금에 대하여, 인발 가공을 행하여 φ 0.9 내지 1.2㎜까지 가공한 후, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행함으로써, φ 300 내지 600㎛의 와이어를 제작했다. 신선에는 시판되고 있는 윤활액을 사용하고, 신선 속도는 20 내지 150m/분으로 했다. 와이어 표면의 산화막을 제거하기 위하여, 염산에 의한 산 세정 처리를 행한 후, 코어재의 Cu 합금의 표면 전체를 덮도록 Pd 피복층을 1 내지 15㎛ 형성했다. 또한, 일부의 와이어는 Pd 피복층 상에 Au 표피층을 0.05 내지 1.5㎛ 형성했다. Pd 피복층, Au 표피층의 형성에는 전해 도금법을 사용했다. 도금액은 시판되고 있는 반도체용 도금액을 사용했다. 그 후, 200 내지 500℃의 열 처리와 신선 가공을 반복하여 행함으로써 직경 20㎛까지 가공했다. 가공 후는 최종적으로 파단 신장이 약 9 내지 15％가 되도록 진공 중 혹은 Ar 가스를 흐르게 하면서 열 처리를 했다. 열 처리 방법은 와이어를 연속적으로 소인하면서 행하고, Ar 가스를 흐르게 하면서 행했다. 와이어의 이송 속도는 20 내지 200m/분, 열 처리 온도는 200 내지 600℃이고 열 처리 시간은 0.2 내지 1.0초로 했다.
상기한 수순으로 제작한 각 샘플의 구성을 표 1-1, 표 1-2, 표 1-3 및 표 2에 나타낸다. 표 중에 기재된 Pd 피복층과 Au 표피층의 두께는, Ar 이온 스퍼터에 의해 와이어 표면을 깎으면서, 오제 전자 분광 분석을 행함으로써 얻은 Pd, Au, Cu의 깊이 방향의 농도 프로파일을 바탕으로 산출한 값을 나타냈다.
[표 1-1]
Figure 112016101817289-pct00001
[표 1-2]
Figure 112016101817289-pct00002
[표 1-3]
Figure 112016101817289-pct00003
[표 2]
Figure 112016101817289-pct00004
(평가 방법)
접합 신뢰성은, 접합 신뢰성 평가용 샘플을 제작하고, 고온 고습 환경에 폭로되었을 때의 볼 접합부의 접합 수명에 의해 판정했다.
접합 신뢰성 평가용 샘플은 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al-0.5％Cu의 합금을 성막하여 형성한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하여, 시판되는 에폭시 수지에 의해 밀봉하여 제작했다. 볼은 N2+5％H2 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 흐르게 하면서 형성시키고, 그 크기는 φ 34 내지 36㎛의 범위로 했다.
제작된 접합 신뢰성 평가용 샘플을, 불포화형 프레셔 쿠커 시험기를 사용하여, 온도 150℃, 상대 습도 85％의 고온 고습 환경에 폭로했다. 볼 접합부의 접합 수명은 100시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하여, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/2가 되는 시간으로 했다. 고온 고습 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하여, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행했다.
전단 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용했다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10개소의 측정값의 평균값을 사용했다. 상기한 평가에 있어서, 접합 수명이 1500시간 미만이면 실용 상 문제가 있다고 판단하고 △ 표시, 1500 내지 2000시간이면 실용 상 문제없다고 판단하고 ○ 표시, 2000시간 이상이면 특히 우수하다고 판단하고 ◎ 표시로 하여, 표 3-1, 표 3-2 및 표 4의 「고온 고습 시험」의 란에 표기했다.
볼 형성성의 평가는, 접합을 행하기 전의 볼을 채취하여 관찰하여, 볼 표면의 기포의 유무, 원래 진구인 볼의 변형의 유무를 판정했다. 상기 중 어느 하나가 발생한 경우는 불량이라고 판단했다. 볼의 형성은 용융 공정에서의 산화를 억제하기 위하여, N2+5％H2 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 분사하면서 행했다. 볼의 크기는 26㎛, 32㎛, 38㎛로 했다. 1조건에 대하여 30개의 볼을 관찰했다. 관찰에는 SEM을 사용했다. 볼 형성성의 평가에 있어서, 불량이 3개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하고 △ 표시, 불량이 1 내지 2개인 경우에는 문제없다고 판단하고 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우에는 우수하다고 판단하고 ◎ 표시로 하여, 표 3-1, 표 3-2 및 표 4의 「볼 형성성」의 란에 표기했다.
와이어 접합부에 있어서의 웨지 접합성의 평가는, 리드 프레임의 리드 부분에 1000개의 본딩을 행하여, 접합부의 박리의 발생 빈도에 의해 판정했다. 리드 프레임은 1 내지 3㎛의 Ag 도금을 실시한 Fe-42at.％ Ni 합금 리드 프레임을 사용했다. 본 평가에서는, 통상보다도 엄격한 접합 조건을 상정하고, 스테이지 온도를 일반적인 설정 온도 영역보다도 낮은 150℃로 설정했다. 상기한 평가에 있어서, 불량이 6개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하고 △ 표시, 불량이 1 내지 5개인 경우에는 문제없다고 판단하고 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우에는 우수하다고 판단하고 ◎ 표시로 하여, 표 3-1, 표 3-2 및 표 4의 「웨지 접합성」의 란에 표기했다.
볼 접합부의 찌부러짐 형상의 평가는, 본딩을 행한 볼 접합부를 바로 위로부터 관찰하여, 그 진원성에 따라 판정했다. 접합 상대는 Si 기판 상에 두께 1.0㎛의 Al-0.5％Cu의 합금을 성막한 전극을 사용했다. 관찰은 광학 현미경을 사용하여, 1조건에 대하여 200개소를 관찰했다. 진원으로부터의 어긋남이 큰 타원 형상인 것, 변형에 이방성을 갖는 것은 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 불량이라고 판단했다. 상기한 평가에 있어서, 불량이 6개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하고 △ 표시, 1 내지 5개인 경우에는 문제없다고 판단하고 ○ 표시, 모두 양호한 진원성이 얻어진 경우는, 특히 우수하다고 판단하고 ◎ 표시로 하여, 표 3-1, 표 3-2 및 표 4의 「찌부러짐 형상」의 란에 표기했다.
루프 형성성의 평가는, 직진성과 높이의 편차에 의해 판정했다. 루프의 형성 조건은 루프 길이를 2㎜, 최대 높이를 80㎛로 했다. 루프의 최대 높이는 볼 접합부의 전극의 표면부터 와이어의 최고 지점까지의 거리로 했다. 직진성의 평가는, 1조건에 대하여 50개의 본딩 와이어를 주사형 전자 현미경으로 관찰하여, 볼 접합부와 와이어 접합부를 직선으로 연결한 축과 본딩 와이어의 사이의 최대의 어긋남이 45㎛ 미만인 경우는 양호, 45㎛ 이상인 경우에는 불량으로서 판단했다. 높이의 편차의 평가는, 1조건에 대하여 50개의 본딩 와이어를 주사형 전자 현미경으로 관찰하여 평균의 높이를 산출하고, 평균값으로부터의 어긋남이 15㎛ 미만인 경우는 양호, 15㎛ 이상인 경우에는 불량이라고 판단했다. 상기한 평가에 있어서, 직진성 및 높이 편차의 어느 한 불량이 6개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하고 △ 표시, 불량이 1 내지 5개인 경우에는 문제없다고 판단하고 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우는 우수하다고 판단하고 ◎ 표시로 하여, 표 3-1, 표 3-2 및 표 4의 「루프 형성성」의 란에 표기했다.
[표 3-1]
Figure 112016101817289-pct00005
[표 3-2]
Figure 112016101817289-pct00006
[표 4]
Figure 112016101817289-pct00007
(평가 결과)
실시예 1 내지 94에 관한 본딩 와이어는, Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖고, 상기 Cu 합금 코어재는 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1 내지 1.2wt.％이며, Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛이다. 이에 의해 실시예 1 내지 94에 관한 본딩 와이어는, 양호한 접합 신뢰성 및 우수한 볼 형성성이 얻어지는 것을 확인했다. 한편, 비교예 1 내지 4는 Ni 농도가 상기 범위 밖인 점, 비교예 5는 Pd 피복층의 두께가 상기 범위 밖인 점에서, 접합 신뢰성이나 볼 형성성에 있어서 충분한 효과를 얻지 못한다.
실시예 10 내지 21, 28 내지 39, 42, 43, 46, 47, 50, 51, 56 내지 65, 68 내지 72, 75, 76, 85, 86, 89, 90, 93, 94는, Pd 피복층 상에 더 Au 표피층을 가짐으로써, 우수한 접합 신뢰성이 얻어지는 것을 확인했다. 또한, 실시예 10 내지 21, 28 내지 39, 42, 43, 46, 47, 50, 51, 56 내지 65, 68 내지 71, 85, 89는 Au 표피층의 층 두께가 0.0005 내지 0.050㎛임으로써, 더욱 우수한 웨지 접합성이 얻어지는 것을 확인했다.
실시예 22 내지 51, 64, 65, 70, 71, 74, 76, 78, 80, 82, 92, 94는, Cu 합금 코어재가 B, In, Ca, P, Ti로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 포함하고, 와이어 전체에 대한 상기 원소의 농도가 3wt.ppm 이상임으로써, 진원성이 우수한 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 얻어지는 것을 확인했다.
실시예 52 내지 71은, Cu 합금 코어재가 Pt 또는 Pd를 더 포함하고, Cu 합금 코어재에 포함되는 Pt 또는 Pd의 농도가 0.05 내지 1.20wt.％임으로써, 양호한 루프 형성성이 얻어지는 것을 확인했다. 이와 관련하여, 실시예 83, 85, 87, 89는, Pt 또는 Pd의 농도가 상기 범위의 하한 미만이기 때문에, 우수한 루프 형성성은 얻지 못했다. 또한 실시예 84, 86, 88, 90은, Pt 또는 Pd의 농도가 상기 범위의 상한을 초과하고 있었기 때문에, 우수한 루프 형성성이 얻어지기는 했지만, 웨지 접합성이 저하되었다.

Claims (6)

  1. Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서,
    상기 Cu 합금 코어재가 Ni를 포함하고, 와이어 전체에 대한 Ni의 농도가 0.1wt.％ 이상 1.2wt.％ 이하이며,
    상기 Pd 피복층의 두께가 0.015㎛ 이상 0.150㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Pd 피복층 상에 Au 표피층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Au 표피층의 두께가 0.0005㎛ 이상 0.050㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Cu 합금 코어재가 B, In, Ca, P, Ti로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 포함하고, 와이어 전체에 대한 상기 원소의 농도가 3wt.ppm 이상 100wt.ppm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Cu 합금 코어재가 Pt 또는 Pd를 더 포함하고, 상기 Cu 합금 코어재에 포함되는 Pt 또는 Pd의 농도가 0.05wt.％ 이상 1.20wt.％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 최표면에 Cu가 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
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