KR101955867B1 - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

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다이조 오다
다쿠미 오카베
데루오 하이바라
다카시 야마다
데츠야 오야마다
도모히로 우노
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닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, Ag를 주성분으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서, 볼 접합부의 충분하며 안정된 접합 강도를 실현하며, 저루프에 있어서도 넥 대미지를 발생시키지 않고, 리닝 특성이 양호하며, FAB 형상이 양호한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 과제로 한다. 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 반도체 장치용 본딩 와이어는, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상을 총계로 0.031 내지 0.180원자％ 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5.00원자％ 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 볼부 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물층을 충분히 형성하여 볼 접합부의 접합 강도를 확보함과 함께, 저루프에 있어서도 넥 대미지를 발생시키지 않고, 리닝 특성이 양호하며, FAB 형상이 양호한 반도체 장치용 본딩 와이어로 할 수 있다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어
본 발명은, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속시키기 위해 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 사이를 접합시키는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어 또는 간단히 와이어라고 하는 경우가 있음)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합 방법은 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속하는 모세관 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는 이하와 같다. 먼저, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융시키고, 표면 장력에 의해 볼을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합(이하, 볼 접합이라 함)시킨다. 다음으로 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 웨지 접합이라 함)시킴으로써 완료된다. 본딩 와이어의 접합 상대인 반도체 소자 상의 전극에는, Si 기판 상에 Al을 주체로 하는 합금막을 성막한 전극 구조, 외부 리드측의 전극에는 Ag 도금, Pd 도금 등을 실시한 전극 구조가 사용되는 경우가 많다.
본딩 와이어에는, 우수한 볼 형성성, 볼 접합성, 웨지 접합성, 루프 형성성 등이 요구된다. 이들 요구 성능을 종합적으로 만족시키는 본딩 와이어의 재료로서 Au가 주로 사용되어 왔다. 그러나, Au는 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 다른 종류의 금속이 소망되고 있다. Au를 대신하는 저비용의 와이어 소재로서, Cu(구리)가 검토되어 있다. Au와 비교하여 Cu는 산화되기 쉬운 점에서, 특허문헌 1에서는, 코어재와 피복층(외주부)의 2층 본딩 와이어로서, 코어재에 Cu를, 피복층에 Pd(팔라듐)를 사용하는 예가 개시되어 있다.
Cu 와이어 또는 Pd 피복 Cu 와이어는 접합 후의 경도가 높기 때문에, 보다 경도가 낮은 재료가 요청되고 있다. Au와 동등 이상의 전기 전도성을 가지고, Cu보다도 경도가 낮은 원소이며, 또한 내산화성을 갖고 있는 원소로서 Ag(은)를 들 수 있다.
그러나, Ag를 사용한 본딩 와이어(이하, Ag 본딩 와이어라고 함)는, 고밀도 실장에 있어서 접합 신뢰성이나 루프의 안정성이 낮다는 과제가 있었다. 접합 신뢰성 평가는, 실제의 반도체 디바이스의 사용 환경에 있어서의 접합부 수명을 평가할 목적으로 행해진다. 일반적으로 접합 신뢰성 평가에는 고온 방치 시험, 고온 고습 시험이 사용된다. Ag 본딩 와이어는, Au를 사용한 본딩 와이어(이하, Au 본딩 와이어라고 함)에 비해, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부의 수명이 열악한 것이 과제였다. 고밀도 실장에서는, 소(小)볼 접합이 행해지는 점에서 접합에 기여하는 면적이 작아지기 때문에 접합부의 수명을 확보하기가 한층 더 곤란해진다.
특허문헌 2에는, Ag를 주체로 하는 Ag-Au-Pd 삼원 합금계 본딩 와이어가 개시되어 있다. 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 어닐링 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되며, 질소 분위기 중에서 볼 본딩된다. 이에 의해, 고온, 고습 및 고압 하의 가혹한 사용 환경 하에서 사용되어도, 알루미늄 패드와의 접속 신뢰성을 유지할 수 있다고 한다.
고온 고습 시험은 온도가 121℃, 상대 습도가 100％인 조건에서 행하는 PCT(Pressure Cooker Test)라 불리는 시험이 일반적으로 사용된다. 최근에는, 더욱 혹독한 평가 방법으로서 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 조건에서 행하는 HAST(Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test)라 불리는 시험이 사용되는 경우가 많다. 고밀도 실장용 반도체 디바이스는, 동작 환경을 상정한 경우, HAST에 있어서 300시간 이상 경과 후에도 정상적으로 동작하는 것이 요구된다. Ag 본딩 와이어는, HAST에 있어서 볼 접합부의 수명이 문제가 되고 있었다. Ag 본딩 와이어는, 고온 고습 환경에 노출됨으로써, 볼 접합부에 있어서 박리가 발생하고, 전기적인 접속이 상실되어 반도체 디바이스의 고장의 원인이 된다.
특허문헌 3에는, In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05 내지 5원자％ 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어가 개시되어 있다. 이에 의해, 고밀도 실장에 요구되는 접합 신뢰성을 개선할 수 있다.
재공표 WO2002-23618 공보 일본 특허 공개 제2012-169374호 공보 일본 특허 제5839763호 공보
인접하는 본딩 와이어의 간격이 좁아지는 협피치화가 진행되고 있다. 이것에 대응하는 본딩 와이어에 대한 요구로서, 세선화, 고강도화, 루프 제어, 접합성의 향상 등이 요구된다. 반도체 실장의 고밀도화에 의해 루프 형상은 복잡화되어 있다. 루프 형상의 분류로서, 루프 높이, 본딩의 와이어 길이(스판)가 지표가 된다. 최신의 반도체에서는, 하나의 패키지 내부에, 고루프와 저루프, 짧은 스판과 긴 스판 등 상반되는 루프 형성을 혼재시키는 케이스가 증가하고 있다.
고밀도 실장에서는, 협피치화에 대응하기 위해 통상보다도 소볼을 형성하여 접합(소볼 접합)시키는 경우가 많다. 본딩 와이어는, 소볼 접합의 경우에도 볼 접합부의 충분하며 안정된 접합 강도가 요구된다. 또한, 볼 접합을 위해 본딩 와이어 선단에 형성하는 FAB(Free Air Ball) 형상이 양호한 것도 요구된다.
다핀·협피치화에 의해, 하나의 반도체 장치 내에 와이어 길이, 루프 높이가 다른 와이어 접속이 혼재하는 것이 행해지고 있다. 루프 높이가 낮은 저루프를 형성하면, 본딩부의 넥 대미지가 발생하기 쉬워진다. 또한, 협소 피치화하면, 볼 직립부의 리닝 불량이 발생하는 경우가 있다. 리닝 불량이란, 볼 접합 근방의 와이어 직립부가 쓰러져, 인접 와이어와의 간격이 근접하는 현상이다. 저루프 특성이나 리닝 특성을 개선하는 와이어 재료가 요구된다.
본 발명은, Ag를 주성분으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서, 고밀도 실장에 요구되는 접합 신뢰성을 확보함과 동시에, 볼 접합부의 충분하며 안정된 접합 강도를 실현하며, 저루프에 있어서도 넥 대미지를 발생시키지 않고, 리닝 특성이 양호하며, FAB 형상이 양호한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명이 요지로 하는 바는 이하와 같다.
(1)
Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상을 총계로 0.031원자％ 내지 0.180원자％ 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 내지 5.00원자％ 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(2)
또한 Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au의 1종 이상을 총계로 0.01원자％ 내지 5.00원자％ 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
여기서, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au는 상기 Ag의 일부 대신에 포함된다.
(3)
금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 0nm 내지 1nm의 영역(와이어 표층부)에 있어서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm 내지 10nm의 영역(와이어 표층 하부)에 있어서의 제2 원소 원자 비율의 1.1배 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(4)
금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 0 내지 10nm의 영역(와이어 표면부)에 있어서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm 내지 30nm의 영역(와이어 내부)에 있어서의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(5)
와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 내지 3.5㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 4) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(6)
상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 면적률로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(7)
In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 2.00원자％ 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
본 발명의 반도체 장치용 Ag 본딩 와이어는, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상을 총계로 0.031원자％ 내지 0.180원자％ 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 내지 5.00원자％ 포함함으로써, 볼부 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물층을 충분히 형성하여 볼 접합부의 접합 강도를 확보할 수 있다. 또한, 저루프에 있어서도 넥 대미지를 발생시키지 않고, 리닝 특성이 양호하며, FAB 형상이 양호한 반도체 장치용 본딩 와이어로 할 수 있다.
본 발명은, Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상(이하 「제1 원소군」이라고도 함)을 총계로 0.031원자％ 내지 0.180원자％ 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상(이하 「제2 원소군」이라고도 함)을 총계로 0.05원자％ 내지 5.00원자％ 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 성분의 함유량(％)은 특별히 언급하지 않는 한원자％를 나타낸다.
《제1 원소군(Be, B, P, Ca, Y, La, Ce)》
Ag 본딩 와이어를 Al 전극에 볼 접합하였을 때, 알루미늄 전극과 볼부의 접합 계면(이하 「볼부 접합 계면」이라고 함)에는 Ag-Al 금속간 화합물이 생성된다. 본 발명에 있어서, 볼 접합부의 충분하며 안정된 접합 강도를 실현하기 위해서는, 볼부 접합 계면에 안정된 금속간 화합물층이 형성되어 있는 것이 필요하다. 그러나, 종래의 Ag 본딩 와이어를 사용한 경우, 볼부 접합 계면의 금속간 화합물층의 생성이 불충분하였다.
그래서, 본딩 와이어 중에 Be, B, P, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상(제1 원소군)을 총계로 0.031원자％ 이상 함유함으로써, 볼부 접합 계면에 있어서의 금속간 화합물의 차지하는 비율을 90％ 초과로 할 수 있음을 알았다. 그 결과, 볼 접합부의 충분하며 안정된 접합 강도가 얻어진다. 제1 원소군을 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하의 범위로 함유함으로써, Ag 본딩 와이어를 Al 전극에 볼 접합할 때, 초기 접합 시의 Ag와 Al의 친화성이 높아지고, 볼부 접합 계면에 있어서의 Ag-Al 금속간 화합물 생성을 촉진시키고 있는 것으로 추정된다.
제1 원소군의 원소가 0.031원자％ 미만인 경우에는, Ag-Al 금속간 화합물이 충분히 생성되지 않고, 충분한 볼 접합 강도가 얻어지지 않는다. 한편, 제1 원소군의 원소가 0.180원자％를 초과하여 함유하면, FAB 형상이 악화된다.
제1 원소군의 원소 함유량의 하한은 바람직하게는 0.060원자％, 더욱 바람직하게는 0.090원자％이면 된다. 제1 원소군의 원소 함유량의 상한은 바람직하게는 0.180원자％, 더욱 바람직하게는 0.170원자％이면 된다.
반도체 장치의 와이어 접합에 있어서, 루프 높이가 낮은 저루프 접합을 행하면, 네크부에 손상이 발생하기 쉽다. 그 결과, 풀 강도가 저하되는 경우가 있었다. 제1 원소군의 원소를 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하의 범위로 함유함으로써, 저루프 접합에 있어서도 네크부의 손상을 방지할 수 있어, 저루프 접합을 안정되게 행하는 것도 가능해진다. 본딩 와이어에 있어서의 볼부 부근의 열 영향부(HAZ부)의 결정이 미세화되고, 그것에 의해 저루프 접합에 있어서의 네크부의 손상이 저감된 것으로 추정된다.
또한, 와이어 접합을 협소 피치화하면, 볼 직립부의 리닝 불량이 발생하는 경우가 있다. 특히 Ag 본딩 와이어는 경도가 낮기 때문에, 리닝 불량이 발생하기 쉽다. 제1 원소군의 원소를 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하의 범위로 함유함으로써, 협소 피치화한 경우에도 리닝 불량의 발생을 방지하는 것도 가능해진다. Ag 본딩 와이어에 제1 원소군을 함유함으로써, 와이어의 파단 강도가 증대되고, 그것에 의해 리닝 불량이 저감된 것으로 추정된다.
또한, 제1 원소군의 원소를 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하의 범위로 함유함으로써, FAB 형상을 개선하고, FAB의 편심이나 이형 FAB의 발생 비율을 저감시킬 수도 있다.
《제2 원소군(In, Ga, Cd)》
Ag 본딩 와이어를 Al 전극에 볼 접합시키고, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 조건에서 고온 고습 시험(HAST 시험)을 행하였을 때, 볼 접합부의 전단 강도가 초기 전단 강도의 1/3이 될 때까지의 시간을 볼 접합부 수명으로서 평가하고 있다. 종래의 In, Ga, Cd를 함유하지 않는 Ag 본딩 와이어에서는 150시간 미만의 볼 접합부 수명밖에 얻어지지 않는다. 이에 비해, 본 발명자들은, In, Ga, Cd의 1종 이상(제2 원소군)을 총계로 0.05원자％ 이상 함유함으로써, 동일한 HAST 시험에 있어서 300시간 이상의 볼 접합부 수명을 얻을 수 있음을 알아내었다.
한편, 제2 원소군의 원소를 총계로 5.00원자％ 초과 함유하면, 본딩 공정 중의 볼 접합 시에 응력이 집중되어 칩 대미지가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, In, Ga, Cd의 1종 이상(제2 원소군)을 총계로 5.00원자％ 이하로 하면 된다.
제2 원소군의 원소 함유량의 하한은 바람직하게는 0.10원자％, 더욱 바람직하게는 0.50원자％이면 된다. 제2 원소군의 원소 함유량의 상한은 바람직하게는 3.00원자％, 더욱 바람직하게는 2.00원자％이면 된다.
《제3 원소군(Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au)》
본 발명자들은, 또한 Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au의 1종 이상(이하 「제3 원소군」이라고도 함)을 총계로 0.01원자％ 내지 5.00원자％ 포함함으로써, 본딩 와이어의 사용 수명을 더욱 개선할 수 있음을 알아내었다. In, Ga, Cd의 1종 이상(제2 원소군)의 원소와 결합력이 강한 원소인 제3 원소군을 복합 첨가하는 것은, 경시 열화에 대하여 유효하다.
종래의 본딩 와이어는, 시간의 경과에 따라서 표면에 황 원자가 흡착되고, 볼 형성성 등의 성능이 저하되는 경우가 있었다. 본딩 와이어 표면의 황 원자의 흡착을 억제하기(즉, 내황화성을 향상시키는 것.) 위해서는, 본딩 와이어 표면의 활성을 저하시키는 방법이 유효하다. 예를 들어, 본딩 와이어 표면의 Ag 원자를 Ag에 비해 황과의 흡착능이 낮은 원소로 치환하면 된다. 본 발명에 따른 Ag 본딩 와이어의 표면에는 In, Ga, Cd(제2 원소군)가 존재하는 점에서, 이들 원소와 결합력이 강한 원소를 첨가함으로써 보다 효율적으로 내황화성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 Ag 본딩 와이어는, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au의 1종 이상(제3 원소군)을 포함함으로써 내황화성이 향상되고, 본딩 와이어의 사용 수명을 개선할 수 있다. 제3 원소군 원소의 함유량이 0.01원자％ 미만인 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없다. 제3 원소군 원소의 함유량이 5.00원자％ 초과인 경우에는, 와이어 표면으로의 아크 방전에 의한 입열이 불안정해지고, 진구성이 높은 볼이 얻어지지 않게 되기 때문에 실용에 적합하지 않다. 바람직하게는, 제3 원소군 원소의 함유량이 0.5원자％ 내지 3.00원자％이면, 보다 높은 효과가 얻어진다. 이것은, 아크 방전에 의한 입열의 변동을 더 억제할 수 있기 때문이다.
본딩 와이어에 포함되는 원소의 함유량 분석에는, ICP 발광 분광 분석 장치 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 표면에 산소나 탄소 등의 원소가 흡착되어 있는 경우에는, 해석을 행하기 전에 표면으로부터 2nm의 영역을 스퍼터 등으로 깎고 나서 함유량을 측정해도 된다. 또는, 와이어 표면을 산세하고 나서 함유량을 측정해도 된다.
《와이어 표면 합금 농도 구배에 의한 웨지 접합성 개선》
본 발명의 Ag 본딩 와이어는, 본딩 와이어 표면부(본딩 와이어의 표면으로부터 깊이 방향으로 0 내지 10nm의 영역)의 In, Ga, Cd(제2 원소군)의 원자수의 총계가, 그 영역에서의 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 비인 제2 원소 원자 비율이, 본딩 와이어 내부(본딩 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm 내지 30nm의 영역)의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상이면 바람직하다. 이에 의해 웨지 접합성을 개선할 수 있다. 이 제2 원소 원자 비율에 대한 본딩 와이어 표면부와 내부의 비율의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 4배여도 문제는 없다. 즉, 제2 원소 원자 비율은, 어떤 영역의 금속 원소 원자수의 총계에 대한, In, Ga, Cd(제2 원소군)의 원자수의 총계의 비로서 정의한다.
제2 원소 원자 비율=(In, Ga, Cd의 원자수의 총계)/(금속 원소의 원자수의 총계)
본딩 와이어 표면으로부터 와이어의 중심축(와이어 축)을 향하는 반경 방향(이하, 깊이 방향이라고 함)의 함유량 분석은, 오제 전자 분광 분석 장치를 사용할 수 있다. 먼저, 본딩 와이어의 표면으로부터 스퍼터 등으로 깎으면서 함유량 측정을 행하고, 깊이 방향의 함유량 프로파일을 취득한다. 함유량 프로파일을 취득하는 대상의 원소는, 예를 들어 Ag와 제1 내지 3 원소군에서 첨가한 원소로 하면 된다. 와이어 표면으로부터 깊이 방향에 대하여 0 내지 10nm의 영역, 20 내지 30nm의 영역(이하, 깊이 0 내지 10nm, 깊이 20 내지 30nm 등이라고 함)으로 나누어, 각 영역에서의 각각의 원소의 평균 농도를 구하고, 각 영역에서의 각각의 원소의 농도로 한다.
웨지 접합에서는, 본딩 와이어를 변형시켜 접합 면적을 확보하기 위해서, 본딩 와이어의 표면부가 연질일수록 접합 면적의 확보가 용이해지고, 높은 접합 강도가 얻어진다. 따라서, 본딩 와이어의 내부에 비해, 본딩 와이어의 표면부에 Ag보다도 연질인 원소를 농화시키는 기술이 유효하다. 여기서, 본딩 와이어의 내부를 와이어 표면으로부터 깊이 20nm 내지 30nm의 영역(와이어 내부), 본딩 와이어의 표면부를 와이어 표면으로부터 깊이 0 내지 10nm의 영역(와이어 표면부)으로 하여, 이하 설명한다.
본딩 와이어 표면부의 제2 원소 원자 비율이, 본딩 와이어 내부의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상이면, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어진다. 즉, 깊이 0 내지 10nm의 제2 원소 원자 비율을 X0-10nm, 깊이 20 내지 30nm의 제2 원소 원자 비율을 X20-30nm로 하면, X0-10nm/X20-30nm≥2가 성립되면, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어진다. X0 -10nm/X20-30nm<2인 경우에는, 상기 효과를 기대할 수 없다.
≪본딩 와이어의 제조 방법≫
본딩 와이어의 제조 방법에 대하여 설명한다. 본딩 와이어는, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행한다. 이 때, 200℃ 내지 500℃의 중간 열처리와 신선 가공을 반복해서 행하여 최종 선 직경에 이르기까지 가공을 행한다. 여기서, 200℃ 내지 500℃의 중간 열처리의 횟수를 3회 이상 행함으로써, 와이어 표면부의 제2 원소 원자 비율을, 와이어 내부의 제2 원소 원자 비율에 비해 2배 이상으로 높일 수 있다. 바람직하게는 중간 열 처리 온도가 1회째는 200℃ 내지 330℃, 2회째는 250℃ 내지 400℃, 3회째 이후에는 350℃ 내지 500℃의 범위에서 행하는 것이 보다 효과적이다. 이것은 상기 열처리에 의해, 첨가한 원소가 본딩 와이어의 표면으로 확산되기 때문이다.
≪와이어 결정 입경 개선에 의한 와이어의 조출성 개선≫
본 발명의 Ag 본딩 와이어는 또한, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 내지 3.5㎛이면 바람직하다. 이에 의해 와이어의 조출성을 개선할 수 있다. 여기서 와이어 축이란, 본딩 와이어의 단면 중심을 통과하고, 길이 방향에 평행한 축(와이어 중심축이라고도 함)이다.
와이어 단면을 노출시키는 방법은, 예를 들어 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 평균 결정 입경을 구하는 방법은, 예를 들어 후방 산란 전자선 회절법(EBSD: Electron Backscattered Diffraction)을 사용할 수 있다. EBSD법은 인접하는 측정점간의 결정 방위차를 구함으로써, 결정립계를 판정할 수 있다. 결정립계는 방위차가 15도 이상인 것을 대경사각 입계라 정의하고, 대경사각 입계에 둘러싸인 영역을 하나의 결정립으로 하였다. 결정 입경은, 전용의 해석 소프트웨어(예를 들어, TSL 솔루션즈사제 OIM analysis 등)에 의해 결정립의 면적을 산출하고, 그 면적을 원이라 가정하였을 때의 직경으로 하였다.
본딩 와이어를 접합할 때에는, 본딩 와이어를 스풀이라 불리는 원주상의 지그에 권취한 상태로부터 소량씩 조출하여 사용한다. 조출을 행할 때에는 본딩 와이어에는 와이어 축방향에 장력이 가해지기 때문에, 본딩 와이어가 변형되어 선 직경이 가늘어져버릴 우려가 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는, 와이어 축과 수직 방향으로 작용하는 전단 응력에 대한 강도를 확보할 필요가 있다. 전단 응력에 대한 강도를 확보하는 방법으로서는, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 결정 입경을 작게 하는 것이 유효하다.
본 발명에 있어서, 본딩 와이어의 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 내지 3.5㎛임으로써 높은 조출 성능이 얻어진다. 평균 결정 입경이 3.5㎛ 초과에서는, 인장 응력에 의해 와이어가 국부적으로 변형되어버리기 때문에, 상기 효과를 얻지 못하다. 상기 평균 결정 입경이 0.2㎛ 미만에서는, 본딩 와이어가 필요 이상으로 경질화되어버리므로 모세관과의 접촉부에 있어서의 마모가 심해지기 때문에 실용에 적합하지 않다. 바람직하게는 상기 평균 결정 입경이 0.4㎛ 내지 3.0㎛이면, 보다 높은 효과가 얻어진다. 0.5㎛ 내지 2.5㎛이면 더욱 바람직하다.
전술한 바와 같이, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행할 때, 200℃ 내지 500℃의 중간 열처리와 신선 가공을 반복해서 행함으로써 최종 선 직경에 이르기까지 가공을 행한다. 여기에 있어서, 중간 열처리를 실시하는 선 직경을 φ50㎛ 내지 φ100㎛ 이상으로 함으로써, 와이어 축에 수직인 방향의 단면에 있어서의 평균 결정 입경을 0.2㎛ 내지 3.5㎛로 제어할 수 있다. 이것은, 재결정 시의 결정립 성장을 제어할 수 있는 효과에 의한 것이다.
≪와이어 축방향 결정 방위와 웨지 접합성 개선≫
본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면(와이어 중심 단면)의 결정 방위를 측정하였을 때의 측정 결과에 있어서, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율(이하, <100> 존재 비율이라고 함)이 면적률로, 30％ 이상 100％ 이하이면 바람직하다. 이에 의해 웨지 접합성을 더욱 개선할 수 있다.
웨지 접합성에 대해서는, 본딩 와이어의 와이어 중심 단면에 있어서, <100> 존재 비율을 증가시킴으로써 접합부의 변형을 촉진시킬 수 있고, 높은 접합 강도가 얻어진다. 상기 효과를 얻기 위해서는, <100> 존재 비율이 30％ 이상을 차지하면 된다. <100> 존재 비율이 30％ 미만에서는, 접합부의 변형이 불충분해지고, 웨지 접합부에 있어서 높은 접합 강도가 얻어지지 않는다.
본딩 와이어의 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 단면 결정 방위는 EBSD법을 사용하여 결정할 수 있다. <100> 존재 비율은, EBSD 등을 사용한 결정 방위의 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율을 산출함으로써 구할 수 있다. 상기 측정 영역은 와이어 중심 단면이며, 와이어 축방향 길이가 100㎛이면 된다.
다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행할 때, 중간 열처리와 신선 가공을 반복해서 행함으로써 최종 선 직경에 이르기까지 가공을 행한다. 여기에 있어서, 신선 시의 와이어 이송 속도를 200m/분 내지 300m/분으로 하고, 중간 열처리의 온도를 200℃ 내지 300℃로 함으로써, <100> 존재 비율을 30％ 이상으로 증가시킬 수 있다. 또한, 본 기술은 중간 열처리를 복수회 행하는 경우에 있어서도 유효하다.
≪와이어 표면 합금 농도 구배와 모세관 사용 수명 개선≫
본딩 와이어를 조출할 때의 마찰에 의해, 모세관의 내부가 마모된다. 이에 대해, 본딩 와이어의 표면 조성을 제어하여, 본딩 와이어의 표면 강도를 저감시킴으로써, 모세관과 본딩 와이어간의 마찰력을 저감시킬 수 있어, 모세관의 사용 수명을 개선할 수 있다. 와이어 표면 강도를 저감시키기 위해서는, 와이어 표면에 있어서의 In, Ga, Cd의 적어도 하나의 원소의 함유량을 많게 하면 된다.
즉, 와이어 표층부(본딩 와이어의 표면으로부터 깊이 0 내지 1nm의 영역)에 있어서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표층 하부(본딩 와이어의 표면으로부터 깊이(1nm 내지 10nm의 영역)에 있어서의 제2 원소 원자 비율의 1.1배 이상이면 된다. 이에 의해, 모세관의 사용 수명을 개선할 수 있다. 이 제2 원소 원자 비율에 대한 본딩 와이어 표층부와 표층 하부의 비율의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 2배여도 문제는 없다.
즉, 와이어 표층부의 제2 원소 원자 비율을 X0-1nm, 와이어 표층 하부에 있어서의 제2 원소 원자 비율을 X1-10nm로 하면, X0-1nm/X1-10nm≥1.1이면, 우수한 모세관의 사용 수명이 얻어진다. X0-1nm/X1-10nm<1.1인 경우에는, 상기 효과를 기대할 수 없다.
신선 가공 후의 와이어는 최종적으로 파단 신도가 소정의 값이 되도록 최종 열처리를 행한다. 여기서, 최종 열 처리 후에 추가 열처리를 350℃ 내지 500℃에서 0.2초 내지 0.5초간 실시함으로써, 와이어 표층 하부의 제2 원소 원자 비율에 대하여, 와이어 표층부의 제2 원소 원자 비율을 1.1배 이상으로 하는 것이 가능하다.
실시예
이하, 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 원재료가 되는 Ag는 순도가 99.9원자％ 이상이며, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. Be, B, P, Ca, Y, La, Ce, Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au, In, Ga, Cd는, 순도가 99.9원자％ 이상이며 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다.
표 1-1, 표 1-2에 나타내는 성분 조성을 갖는 Ag 본딩 와이어를 제조하였다. 본딩 와이어에 사용하는 Ag 합금은, 직경이 φ3mm 내지 φ6mm인 원주형으로 가공된 카본 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여, 진공 중 또는 N2, Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1080℃ 내지 1600℃까지 가열하여 용해시켰다. 그 후, 로랭 또는 공랭을 행하였다.
얻어진 Ag 합금에 대하여, 인발 가공을 행하여 φ0.9mm 내지 φ1.2mm까지 가공한 후, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행함으로써, φ300㎛ 내지 φ600㎛의 와이어를 제작하였다. 이 때, 와이어 표면에 산소나 황이 흡착되어 있는 경우에는, 염산 등에 의한 산세 처리를 행하였다. 그 후, 200℃ 내지 500℃의 중간 열처리와 신선 가공을 반복해서 행함으로써, 최종 선 직경이 φ15㎛ 내지 φ25㎛가 될 때까지 가공하였다. 신선에는 시판되고 있는 윤활액을 사용하고, 신선 시의 와이어 이송 속도는 20m/분 내지 300m/분으로 하였다. 중간 열처리는 Ar 가스 분위기 중에 와이어를 연속적으로 통과시켰다. 중간 열 처리 시의 와이어의 이송 속도는 20m/분 내지 200m/분으로 하였다.
여기서, 200℃ 내지 500℃의 중간 열처리의 횟수를 변경함으로써, 와이어 표면으로부터 깊이 20 내지 30nm의 제2 원소 원자 비율에 대하여, 0 내지 10nm의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 비(X0-10nm/X20-30nm)를 조정하였다. 중간 열처리의 횟수를 증가시킬수록, X0-10nm/X20-30nm를 높이는 것이 가능하다. 바람직한 조건으로서 중간 열 처리 온도가 1회째는 200℃ 내지 330℃, 2회째는 250℃ 내지 400℃, 3회째 이후에는 350℃ 내지 500℃의 범위에서 행하였다. 이들 열처리에 의해 첨가한 원소가 본딩 와이어의 표면으로 확산되는 것이다.
또한, 중간 열처리를 실시하는 선 직경을 할당함으로써, 와이어의 평균 결정 입경을 조정하였다. 바람직한 조건으로서, 중간 열처리를 실시하는 선 직경을 φ50㎛ 내지 φ100㎛ 이상으로 함으로써, 와이어 축에 수직인 방향의 단면에 있어서의 평균 결정 입경을 0.2㎛ 내지 3.5㎛로 하였다. 재결정 시의 결정립 성장을 제어할 수 있는 효과에 의한 것이다.
또한, 신선 시의 와이어 이송 속도와 중간 열처리의 온도를 조정함으로써, <100> 존재 비율을 조정하였다. 바람직한 조건으로서, 신선 시의 와이어 이송 속도를 200 내지 300m/분으로 하고, 중간 열처리의 온도를 200 내지 300℃로 함으로써, <100> 존재 비율을 30％ 이상으로 증가시켰다. 또한, 본 기술은 중간 열처리를 복수회 행하는 경우에 있어서도 유효하다.
신선 가공 후의 와이어는 최종적으로 파단 신도가 약 9 내지 15％가 되도록 최종 열처리를 실시하였다. 최종 열처리는 중간 열처리와 동일한 방법으로 행하였다. 최종 열 처리 시의 와이어의 이송 속도는 중간 열 처리와 마찬가지로 20m/분 내지 200m/분으로 하였다. 최종 열 처리 온도는 200℃ 내지 600℃이며 열처리 시간은 0.2초 내지 1.0초로 하였다. 여기서, 실시예의 일부에 대해서, 최종 열 처리 후에 추가 열처리를 350℃ 내지 500℃에서 0.2초 내지 0.5초간 실시함으로써, 와이어 표면으로부터 깊이 1 내지 10nm(와이어 표층 하부)의 제2 원소 원자 비율에 대하여, 깊이 0 내지 1nm(와이어 표층부)의 제2 원소 원자 비율(X0-1nm/X1-10nm)을 1.1배 이상으로 제어하였다.
본딩 와이어에 포함되는 원소의 농도 분석은, ICP 발광 분광 분석 장치에 의해 행하였다. 본딩 와이어의 표면에 산소나 탄소 등의 원소가 흡착되어 있는 경우에는, 해석을 행하기 전에 표면으로부터 2nm의 영역을 스퍼터 등으로 깎고 나서 농도 측정을 행하였다.
본딩 와이어 표면으로부터 깊이 방향의 농도 분석은, 오제 전자 분광 분석 장치에 의해 행하였다. 먼저, 본딩 와이어의 표면으로부터 스퍼터 등으로 깎으면서 농도 측정을 행하고, 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득하였다. 예를 들어, 농도 프로파일을 취득하는 대상의 원소는 Ag와 제1 내지 3 원소군에서 첨가한 원소로 하면 된다. 와이어 표면으로부터 깊이 0 내지 1nm의 영역(와이어 표층부), 1nm 내지 10nm의 영역(와이어 표층 하부), 0 내지 10nm의 영역(와이어 표면부), 20nm 내지 30nm(와이어 내부)의 영역으로 나누어, 각 영역에서의 각각의 원소의 함유량을 결정하였다. 와이어 표면을 포함하는 영역(이 경우에서는 와이어 표면으로부터 깊이 0 내지 10nm의 영역 및 와이어 표면으로부터 깊이 20 내지 30nm의 영역)을 오제 전자 분광 분석 장치로 평가할 때, 와이어 표면에 부착된 탄소 등의 비금속 원소도 분석된다. 그 때문에, 분석된 전체 원소를 분모로 하여 합금 원소 함유량을 산출하면, 실제로 와이어의 표면 부근에서는, 와이어 중에 함유하는 합금 원소 함유량보다도 적은 값으로서 평가된다. 여기에서는, 와이어 표면을 포함하는 표면 부근(이하, 표면 부근이라고 함)의 합금 원소 함유량을 평가하는 데 있어서는, 분모로서 분석된 금속 원소만의 총계를 사용하는 것으로 하고, 비금속 원소는 분모로부터 배제하였다. 이에 의해, 와이어 표면 부근의 합금 원소 함유량을 오차없이 평가할 수 있다.
그리고, 와이어 표면부에 있어서의 금속 원소의 총계 원자수에 대한 In, Ga, Cd의 제2 원소 원자 비율을 X0-10nm, 와이어 내부에 있어서의 제2 원소 원자 비율을 X20-30nm로 하여, 그 비인 X0-10nm/X20-30nm를 「표층 조성비 1」로서 표 2-1, 표 2-2에 나타내었다. 또한, 와이어 표층부에 있어서의 금속 원소의 총계 원자수에 대한 In, Ga, Cd 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소의 제2 원소 원자 비율을 X0-1nm, 와이어 표층 하부에 있어서의 제2 원소 원자 비율을 X1-10nm로 하여, 그 비인 X0-1nm/X1-10nm를 「표층 조성비 2」로서 표 2-1, 표 2-2에 나타내었다.
와이어 축에 수직 방향인 단면에 있어서의 평균 결정 입경의 평가에 있어서, 와이어 단면을 노출시키는 방법은 기계 연마에 의해 행하였다. EBSD를 사용하여, 인접하는 측정점간의 결정 방위차를 구하고, 방위차가 15도 이상인 것을 대경사각 입계라 정의하고, 대경사각 입계에 둘러싸인 영역을 하나의 결정립으로 하였다. 결정 입경은 전용의 해석 소프트웨어에 의해 면적을 산출하고, 그 면적을 원으로 가정하였을 때의 직경으로서, 표 2-1, 표 2-2의 「평균 결정 입경」의 란에 나타내었다.
와이어 축에 평행한 단면의 결정 방위 평가에 있어서, 본딩 와이어의 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마를 사용하였다. 본딩 와이어의 단면 결정 방위는 EBSD법을 사용하여 평가하였다. <100> 존재 비율은, EBSD를 사용한 결정 방위의 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율을 산출함으로써 구하고, 표 2-1, 표 2-2의 「결정 방위비」의 란에 나타내었다. 상기 측정 영역은, 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면이며, 길이 방향을 와이어 축방향으로 100㎛ 이하, 짧은 방향을 와이어 전체(와이어 직경과 대략 동일한 길이)로 하였다.
볼 본딩부의 각종 평가를 행하기 위한 샘플은, 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행함으로써 제작하였다. 볼은 N2+5％ H2 가스를 유량 0.4L/min 내지 0.6L/min으로 흘리면서 형성하고, 볼 직경은 와이어 선 직경에 대하여 1.5배 내지 1.6배가 범위로 하였다.
볼 본딩을 행하였을 때의 볼부 접합 계면(Al 전극과 볼부의 접합 계면)에 있어서의 Ag-Al 금속간 화합물층의 평가 방법에 대하여 설명한다. 볼부 접합 계면에 형성되는 금속간 화합물층은, 층의 두께가 매우 얇기 때문에, 그 자체로는 현미경으로도 관찰이 어렵다. 여기에서 본 발명이 채용하는 평가에서는, 볼 본딩을 행한 샘플에 대해서 180℃×4시간의 열처리를 행하였다. 이 열처리에 의해, 볼부 접합 계면 중, 금속간 화합물층이 형성되어 있는 부분에 대해서는 당해 금속간 화합물이 더욱 성장하여 광학 현미경에서의 평가가 가능해진다. 한편으로, 볼부 접합 계면 중에서 본딩 시에 금속간 화합물층이 형성되지 않은 부분에 대해서는, 열처리를 행해도 금속간 화합물이 새롭게 형성되는 일은 없다. 따라서, 180℃×4시간의 열처리를 행해도 금속간 화합물층의 범위는 변화되지 않고, 보다 관찰하기 쉬워지기 때문에 확실하게 평가가 가능해진다. 평가에 대해서는, 열처리를 행한 후에 본딩 와이어와 볼부를 산 용해시켜 볼부 접합 계면을 노출시키고, 노출된 볼부 접합 계면에 있어서의 Ag-Al 금속간 화합물을 광학 현미경으로 관찰하여, 화상 해석에 의해 금속간 화합물 형성 면적률을 구한다. 여기서 금속간 화합물 형성 면적률이란, 볼부 접합 계면의 전체 면적에 대한 금속간 화합물층의 면적이 차지하는 비율(％)이다. 금속간 화합물 형성 면적률이 80％ 이하이면 ×(불가), 80％ 초과 90％ 이하이면 △(가능), 90％ 초과 95％ 이하이면 ○(양호), 95％ 초과이면 ◎(매우 뛰어남)로 하였다. ○와 ◎가 합격이다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「금속간 화합물층 형성성」의 란에 나타내었다.
저루프 특성에 대해서는, 평가용 리드 프레임에, 루프 길이 1mm, 루프 높이 60㎛로 100개 본딩하였다. 이어서, 볼 접합부의 넥 손상의 유무를 SEM(주사형 전자 현미경)으로 평가하였다. 볼 접합부의 넥 부분에 균열이 발생하거나, 넥 부분이 변형되어 와이어가 가늘어져 있거나 한 경우, 넥 손상 있음으로 하였다. 100개 중, 넥 손상 있음이 3개 이상이면 ×(불가), 2개는 △(가능), 1개는 ○(양호), 0개는 ◎(매우 뛰어남)로 하였다. ○와 ◎가 합격이다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「저루프 특성」의 란에 나타내었다.
리닝 평가에 대해서는, 평가용 리드 프레임에, 루프 길이 5mm, 루프 높이 0.5mm로 100개 본딩하였다. 평가 방법으로서, 칩 수평 방향으로부터 와이어 직립부를 관찰하여, 볼 접합부의 중심을 통과하는 수선과 와이어 직립부의 간격이 최대일 때의 간격(리닝 간격)으로 평가하였다. 리닝 간격이 와이어 직경보다도 작은 경우에는 리닝은 양호, 큰 경우에는 직립부가 경사져 있기 때문에 리닝은 불량하다고 판단하였다. 100개의 본딩된 와이어를 광학 현미경으로 관찰하여, 리닝 불량의 개수를 세었다. 불량이 0개를 ◎(매우 뛰어남), 1 내지 3개를 ○(양호), 4 내지 5개를 △(가능), 6개 이상을 ×(불가)로 하였다. ○와 ◎가 합격이다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「리닝 특성」의 란에 나타내었다.
FAB 형상에 대해서는, 시판되고 있는 와이어 본더로 본딩 와이어에 볼 접합용 볼(FAB)을 형성하고, 그 상태에서 SEM을 사용하여 FAB 형상을 관찰하였다. 합계 100개의 FAB를 형성하여 평가를 행하였다. 진구 형상의 것을 양호, 편심, 기형의 것을 불량으로 하였다. 불량이 0개를 ◎(매우 뛰어남), 1 내지 5개를 ○(양호), 6 내지 10개를 △(가능), 11개 이상을 ×(불가)로 하였다. ○와 ◎가 합격이다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「FAB 형상」의 란에 나타내었다.
접합 신뢰성 평가용 샘플은, 상기 볼 본딩을 행한 후, 시판되고 있는 에폭시 수지에 의해 밀봉하여 제작하였다. 고온 고습 환경에 있어서의 접합 신뢰성은, 불포화형 프레셔 쿠커 시험기를 사용하고, 온도 130℃, 상대 습도 85％의 고온 고습 환경에 노출되었을 때의 볼 접합부의 접합 수명에 의해 판정하였다. 볼 접합부의 접합 수명은 100시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/3이 되는 시간으로 하였다. 고온 고습 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하고, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다. 전단 시험기는 DAGE사제의 미소 강도 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10군데의 측정값의 평균값을 사용하였다. 상기 평가에 있어서, 접합 수명이 300시간 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×(불가), 300 이상 500시간 미만이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 △(가능), 500시간 이상이면 특히 우수하다고 판단하여 ○(양호), 1000시간 이상이면 ◎(매우 뛰어남)로 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「HAST」의 란에 나타내었다.
칩 대미지 성능의 평가는, 상기 볼 본딩을 행한 샘플에 대해서, 볼 접합부 바로 아래의 Si 기판을 광학 현미경으로 관찰함으로써 행하였다. Si 기판에, 균열이 보인 경우에는 불량이라 판정하였다. 100군데 관찰하여, 불량이 1군데 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×(불가), 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ○(양호)라 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「칩 대미지」의 란에 나타내었다.
본딩 와이어의 사용 수명의 평가는, 본딩 와이어를 대기 분위기에 일정 기간 방치한 후, 접합을 행하고, 양호한 볼 형성이 되어 있거나, 볼 접합부 및 웨지 접합부에 있어서 양호한 접합 상태가 얻어진 것인지 여부를 평가하였다. 볼 형성의 판정은, 100개의 볼을 광학 현미경으로 관찰하여, 진구성이 낮은 볼이나 표면에 요철이 있는 볼이 5개 이상 있으면 불량이라 판정하였다. 볼의 형성 조건은, N2+5％ H2 가스를 사용하여 가스 유량 0.4 내지 0.6L/min, 볼의 직경은 와이어 선 직경의 1.5 내지 1.6배의 범위로 하였다. 볼 접합부 및 웨지 접합부에 있어서 양호한 접합 상태가 얻어졌는지의 판정은, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 1000회의 접합을 연속적으로 행하여 판정하였다. 볼 접합부나 웨지 접합부를 광학 현미경으로 관찰하여, 박리 등의 불량이 3개 이상 발생한 경우에는 불량이라 판정하였다. 방치 기간이 12개월 미만이며 상기 어느 불량이 발생한 경우에는 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×(불가), 방치 기간이 12개월 경과 후 18개월 미만 사이에 불량이 발생한 경우에는 실용상 문제가 없다고 판단하여 △(가능), 방치 기간이 18개월 경과 후 24개월 미만 사이에 불량이 발생한 경우에는 우수하다고 판단하여 ○(양호), 방치 기간이 24개월 경과 후에도 불량이 거의 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ◎(매우 뛰어남)라고 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「사용 수명」의 란에 나타내었다.
웨지 접합성의 평가는, Ag 도금을 실시한 일반적인 금속 프레임을 사용하고, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 웨지 접합을 행하고, 웨지 접합부를 관찰함으로써 행하였다. 접합 조건은 일반적으로 사용되는 접합 조건을 사용하였다. 50개의 웨지 접합부를 광학 현미경으로 관찰하여, 접합부에 있어서 본딩 와이어의 박리가 5개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×(불가), 박리가 3 내지 4개이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 △(가능), 박리가 1 내지 2개이면 우수하다고 판단하여 ○(양호), 불량이 거의 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ◎(매우 뛰어남)라고 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「웨지 접합성」의 란에 나타내었다.
본딩 와이어의 조출 성능의 평가는, 일반적인 접합 조건에서 접합을 행한 후, 루프 부분의 본딩 와이어를 주사형 현미경으로 관찰하여, 직경을 측정하고, 접합 전의 본딩 와이어에 대한 직경의 감소율을 구함으로써 행하였다. 감소율이 80％ 이하이면 불량이라 판정하였다. 30개의 본딩 와이어를 관찰하여, 불량이 5개 이상 있으면 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×(불가), 불량이 3 내지 4개이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 △(가능), 불량이 1 내지 2개이면 우수하다고 판단하여 ○(양호), 불량이 거의 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 ◎(매우 뛰어남)라고 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「와이어 조출 성능」의 란에 나타내었다.
모세관의 사용 수명은, 사용 전후에 모세관의 선단 구멍을 관찰하여, 모세관 선단의 구멍의 마모량에 의해 평가하였다. 접합 조건은 일반적인 조건으로 하고, 본딩 와이어를 3000회 접합 후의 모세관을 관찰하여, 실용상 문제가 없어도 마모가 확인된 경우에는 △(가능), 마모가 없으면 ○(양호), 또한 10000회 접합 후의 모세관을 관찰하여, 마모가 없으면 우수하다고 판단하여 ◎(매우 뛰어남)라고 표기하였다. 결과를 표 2-1, 표 2-2의 「모세관 사용 수명」의 란에 나타내었다.
[표 1-1]
Figure 112018050942227-pct00001
[표 1-2]
Figure 112018050942227-pct00002
[표 2-1]
Figure 112018050942227-pct00003
[표 2-2]
Figure 112018050942227-pct00004
표 1-1, 표 1-2, 표 2-1, 표 2-2의 본 발명예 No.1 내지 46이 본 발명예이다. 본 발명예 No.1 내지 46은 어느 품질 지표에 있어서도 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
표 1-2, 표 2-2의 비교예 No.101 내지 117이 비교예이다. 또한, 비교예에 있어서 평가란이 공란인 것에 대해서는, 평가를 행하지 않았다. 비교예 No.101 내지 103은 제1 원소군을 함유하지 않고, 비교예 No.111 내지 113은 제1 원소군의 함유량이 본 발명의 하한을 벗어나고, 비교예 No.114 내지 117은 제1 원소군의 함유량이 본 발명의 상한을 벗어나고, 모두, 금속간 화합물층 형성성, 저루프 특성, 리닝 특성, FAB 형상이 불량하였다.
비교예 No.104 내지 107은 제2 원소군의 함유량이 본 발명의 하한을 벗어나고, HAST 성적이 불량하였다. 비교예 No.108 내지 110은 제2 원소군의 함유량이 본 발명의 상한을 벗어나고, 칩 대미지가 불량하였다.
본 발명은 반도체 장치에 이용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 본딩 와이어는, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속시키기 위해 이용할 수 있다.

Claims (28)

  1. P를 0.060원자％ 이상 0.180원자％ 이하, 또는 Be, B, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상 및 P를 총계로 0.060원자％ 이상 0.180원자％ 이하 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 이상 5.00원자％ 이하 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 또한 Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au의 1종 이상을 총계로 0.01원자％ 이상 5.00원자％ 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때, 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 1.1배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때, 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 30nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  5. 제3항에 있어서, 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때, 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 30nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  6. P를 0.031원자％ 이상 0.060원자％ 미만, 또는 Be, B, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상 및 P를 총계로 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하(이 경우, P는 0.031원자％ 이상 0.060원자％ 미만) 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 이상 5.00원자％ 이하 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하고, 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때,
    (A) 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 1.1배 이상인 것, 및
    (B) 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 30nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상인 것
    의 (A) 및 (B)의 한쪽 또는 양쪽을 만족시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  7. Be, B, Ca, Y, La, Ce의 1종 이상을 총계로 0.031원자％ 이상 0.180원자％ 이하 포함하고, 또한 In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 이상 5.00원자％ 이하 포함하고, 잔부가 Ag 및 불가피 불순물을 포함하고, 금속 원소의 원자수의 총계에 대한 In, Ga, Cd의 원자수의 총계의 비를 제2 원소 원자 비율로 할 때,
    (A) 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 1nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 1.1배 이상인 것, 및
    (B) 와이어 표면으로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 10nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율이, 와이어 표면으로부터 깊이 방향으로 20nm로부터, 당해 표면으로부터 깊이 방향으로 30nm까지의 영역에서의 제2 원소 원자 비율의 2배 이상인 것
    의 (A) 및 (B)의 한쪽 또는 양쪽을 만족시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 또한 Ni, Cu, Rh, Pd, Pt, Au의 1종 이상을 총계로 0.01원자％ 이상 5.00원자％ 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  10. 제3항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  11. 제4항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  12. 제5항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  13. 제6항 또는 제7항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  14. 제8항에 있어서, 와이어 축에 수직인 단면에 있어서의 평균 결정 입경이 0.2㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  16. 제3항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  17. 제4항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  18. 제5항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  19. 제6항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  20. 제7항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  21. 제8항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  22. 제9항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  23. 제10항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  24. 제11항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  25. 제12항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  26. 제13항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  27. 제14항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 와이어 축을 포함하는 와이어 축에 평행한 단면에 있어서의 와이어 축방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 측정 영역의 면적에 대하여, 본딩 와이어의 와이어 축방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위를 갖는 영역이 차지하는 면적의 비율로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  28. 제1항 또는 제2항에 있어서, In, Ga, Cd의 1종 이상을 총계로 0.05원자％ 이상 2.00원자％ 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
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