KR102155463B1

KR102155463B1 - 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어

Info

Publication number: KR102155463B1
Application number: KR1020197032506A
Authority: KR
Inventors: 다이조 오다; 다카시 야마다; 모토키 에토; 데루오 하이바라; 도모히로 우노
Original assignee: 닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤; 닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2020-09-11
Also published as: JP6510723B2; CN112820707A; KR102042953B1; DE112017008353B3; JP2021184484A; CN112820708A; TWI714779B; CN109496347A; JPWO2017221770A1; KR20190019948A; JP7174816B2; JP6450918B2; JP2019149559A; WO2017221770A1; SG10202002650XA; US20200312808A1; TW202143348A; WO2017221434A1; TW202113094A; TW201802257A

Abstract

반도체 장치용의 구리 합금 본딩 와이어에 있어서, 고온 고습 환경 하에서의 볼부 접합 수명의 향상을 실현한다. Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(제1 원소)를 총계로 0.03질량％ 이상 3질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어이다. 제1 원소를 소정량 함유함으로써, 와이어 접합 계면에 있어서 고온 고습 환경 하에서 부식되기 쉬운 금속간 화합물의 생성을 억제하여, 볼부 접합 수명의 향상이 이루어진다.

Description

반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어{COPPER ALLOY BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위하여 이용되는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어에 관한 것이다.

현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 간을 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 「본딩 와이어」라고 한다)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 반도체 장치의 전극으로의 본딩 와이어의 접합 방법은, 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜서 접속에 사용하는 모세관 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 볼(FAB: Free Air Ball)을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합(이하, 「볼 접합」이라고 한다)하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 「웨지 접합」이라고 한다)함으로써 완료된다. 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 금(Au)이 주류였지만, LSI 용도를 중심으로 구리(Cu)로의 대체가 진행되고 있다. 한편, 근년의 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 보급을 배경으로, 차량 탑재용 디바이스 용도에 있어서도 Au로부터 Cu로의 대체에 대한 요구가 높아지고 있다.

구리 본딩 와이어에 대해서는, 고순도 Cu(순도: 99.99질량％ 이상)를 사용한 것이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1). 구리 본딩 와이어를 사용하는 경우에 있어서도, 고밀도 실장에 있어서 접합 신뢰성이나 루프의 안정성이 높을 것이 요구된다. 접합 신뢰성 평가는, 실제의 반도체 디바이스의 사용 환경에 있어서의 접합부 수명을 평가할 목적에서 행하여진다. 일반적으로 접합 신뢰성 평가에는 고온 방치 시험, 고온 고습 시험이 사용된다. 고온 고습 시험은 온도가 121℃, 상대 습도가 100％의 조건에서 행하는 PCT(Pressure Cooker Test)라고 불리는 시험이 일반적으로 사용되고 있었다.

특허문헌 2에는, Pd를 0.13 내지 1.15질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금을 포함하는 반도체용 구리 합금 본딩 와이어가 기재되어 있다. 상기 농도 범위에서 Pd를 첨가함으로써, PCT 시험에 의한 고습 가열 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

일본 특허 공개 소61-48543호 공보 국제 공개 제2010/150814호

차량 탑재용 디바이스는 일반적인 전자 기기에 비하여, 가혹한 고온 고습 환경 하에서의 접합 신뢰성이 요구된다. 특히, 와이어의 볼부를 전극에 접합한 볼 접합부의 접합 수명이 최대의 문제로 된다. 고온 고습 환경 하에서의 접합 신뢰성을 평가하는 방법은 몇 가지의 방법이 제안되어 있는데, 근년 대표적인 평가 방법으로서, HAST(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test)(고온 고습 환경 폭로 시험)가 사용되게 되어 있다. HAST는, 평가 패키지로의 흡습이 균일하며, 평가 결과의 재현성이 높다는 특징이 있다. HAST에 의해 볼 접합부의 접합 신뢰성을 평가하는 경우, 평가용의 볼 접합부를 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경에 폭로하고, 접합부의 저항값의 경시 변화를 측정하거나, 볼 접합부의 전단 강도의 경시 변화를 측정하거나 함으로써, 볼 접합부의 접합 수명을 평가한다. 또한, 바이어스 전압을 인가함으로써, PCT보다도 엄격한 평가를 하는 것이 가능하다. 요즘은, 이러한 조건에서의 HAST에 있어서 100시간 이상의 접합 수명이 요구되도록 되어 있다.

본 발명은 본딩 와이어에 있어서, 고온 고습 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 개선하고, 차량 탑재용 디바이스에 바람직한 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는, 본 발명은 더 엄격한 평가 방법인 바이어스 전압을 인가한 HAST에 있어서도, 충분한 접합 신뢰성을 갖는 구리 합금 본딩 와이어에 최적인 첨가 원소 및 그들의 최적의 첨가 농도를 알아낸 것이다.

즉, 본 발명이 요지로 하는 바는 이하와 같다.

(1) Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 총계로 0.03질량％ 이상 3질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(2) 상기 구리 합금 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이, 와이어의 선 직경을 R(㎛)로 하면,

0.02×R+0.4 이상 (1a)

0.1×R+0.5 이하 (1b)

인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(3) 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(4) 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te, Se에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 와이어 전체에 대하여 각각 0.0001 내지 0.050질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(5) 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Ag, Au에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 와이어 전체에 대하여 총계로 0.0005 내지 0.5질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(6) 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Pd를 1.15질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

(7) 상기 구리 합금 본딩 와이어가 Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 원소를 2종 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.

본 발명에 따르면 반도체 장치용의 구리 합금 본딩 와이어 중에 Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 총계로 0.03질량％ 이상 3질량％ 이하 함유함으로써, 고온 고습 환경 하에서의 볼 접합부의 접합 수명을 향상시켜서, 접합 신뢰성을 개선할 수 있다.

《제1 원소와 그 효과》

본 발명의 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어(이하, 간단히 「본딩 와이어」라고도 한다.)는, Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(「제1 원소」라고도 한다.)를 총계로 0.03질량％ 이상 3질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하는 구리 합금을 신선하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 본딩 와이어는, 구리를 주체로 하는 합금이기 때문에, 「구리 합금 본딩 와이어」라고도 한다. 본 발명의 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어는, 구리 이외의 금속을 주성분으로 하는 피복층을 갖고 있지 않은 본딩 와이어이며, 「베어 Cu 합금 와이어」라고도 한다. 본 발명의 본딩 와이어는, 차량 탑재용 디바이스에서 요구되는 고온 고습 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 개선할 수 있다.

반도체 장치의 패키지인 몰드 수지(에폭시 수지)에는, 분자 골격에 염소(Cl)가 포함되어 있다. HAST 평가 조건인 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서는, 분자 골격 중의 Cl이 가수분해되어 염화물 이온(Cl^-)로서 용출된다. 구리 합금 본딩 와이어를 Al 전극에 접합한 경우, Cu/Al 접합 계면이 고온 하에 놓이면, Cu와 Al이 상호 확산되어, 최종적으로 금속간 화합물인 Cu₉Al₄가 형성된다. Cu₉Al₄는 Cl 등의 할로겐에 의한 부식을 받기 쉬워, 몰드 수지로부터 용출한 Cl에 의해 부식이 진행되어, 접합 신뢰성의 저하로 이어진다. 그 때문에, 종래의 구리 합금 본딩 와이어에서는, HAST 평가에서의 볼 접합부 수명이 충분하지 않았다.

그에 반하여 본 발명과 같이 구리 합금 본딩 와이어가 제1 원소(Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소)를 총계로 0.03질량％ 이상 함유함으로써, 당해 구리 합금 본딩 와이어를 사용한 볼 접합부에 대해서는, HAST 평가에서의 볼 접합부 수명이 향상된다. 제1 원소를 총계로 0.03질량％ 이상 함유하고 있으면, 접합부에 있어서의 Cu₉Al₄ 금속간 화합물의 생성이 억제되는 경향이 있다고 생각된다. 볼 접합부에 있어서의 Cu와 Al 계면에 존재하는 제1 원소가, Cu와 Al의 상호 확산 억제 효과를 높이고, 그 결과, 고온 고습 환경 하에서 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄의 생성을 억제하는 것이라고 생각된다. 또한, 와이어에 포함되는 제1 원소가 Cu₉Al₄의 형성을 직접 저해하는 효과가 있을 가능성도 있다. 접합 계면 근방의 제1 원소의 역할은, 부식을 유발하는 할로겐의 이동을 저해하는 배리어 기능, Cu, Al의 상호 확산 및 금속간 화합물의 성장 등을 제어하는 기능 등이 생각된다.

또한, 제1 원소를 소정량 함유한 구리 합금 본딩 와이어를 사용하여 볼부를 형성하고, FAB를 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 바, FAB의 표면에 직경 수십nm 정도의 석출물이 다수 보였다. 에너지 분산형 X선 분석(EDS: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)으로 분석하면 제1 원소가 농화되어 있는 것이 확인되었다. 이상과 같은 상황으로부터, 상세한 메커니즘은 불분명하지만, FAB에 관찰되는 이 석출물이 볼부와 전극의 접합 계면에 존재함으로써, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성이 현저히 향상되어 있는 것이라고 생각된다. 본 발명의 본딩 와이어는, PCT 평가 보다도 엄격한 조건인 HAST 평가에서 양호한 결과가 얻어지고 있는 것으로부터도 명백한 바와 같이, PCT 평가에 있어서도 양호한 결과를 얻을 수 있다.

온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서의 볼 접합부의 접합 수명을 향상시켜, 접합 신뢰성을 개선한다는 관점에서, 와이어 중의 제1 원소의 함유량(「농도」라고도 한다)은 총계로 0.03질량％ 이상이며, 바람직하게는 0.050질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.070질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.090질량％ 이상, 0.100질량％ 이상, 0.150질량％ 이상, 또는 0.200질량％ 이상이다. 와이어 중의 제1 원소의 농도가 총계로 0.100질량％ 이상이면 더 엄격한 접합 신뢰성에 대한 요구에 대응할 수 있다.

한편, 양호한 FAB 형상을 얻는 관점, 본딩 와이어의 경질화를 억제하여 양호한 웨지 접합성을 얻는 관점에서, 와이어 중의 제1 원소의 농도는 총계로 3질량％ 이하, 바람직하게는 2.5질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 2.0질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.9질량％ 이하, 또는 1.5질량％ 이하이다. 또한, 제1 원소의 함유량 상한을 이렇게 규정함으로써, 저온 접합에서의 Al 전극과의 초기의 접합 강도가 양호해서, HAST 시험에서의 장기 신뢰성이나, BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package) 등의 기판, 테이프 등에의 접합의 양산 마진이 우수한 본딩 와이어를 얻는 관점, 칩 대미지를 저감한다는 관점에서도, 양호한 결과를 얻을 수 있다. 제1 원소의 함유량이 3.0질량％를 초과하면, 칩 대미지를 발생시키지 않도록 저하중으로 볼 본딩을 행할 필요가 있어, 전극과의 초기의 접합 강도가 저하되고, 그 결과 HAST 시험 신뢰성이 악화되는 경우가 있다. 본 발명의 본딩 와이어에서는, 제1 원소의 함유량(농도)의 총계를 상기 적합한 범위로 함으로써, HAST 시험에서의 신뢰성이 더욱 향상된다. 예를 들어, HAST 시험의 불량 발생까지의 수명이 250시간을 초과하는 본딩 와이어를 실현하는 것이 가능하다. 이것은, 종래의 Cu 본딩 와이어의 1.5배 이상의 장수명화에 상당하는 경우도 있고, 가혹한 환경에서의 사용에도 대응 가능하게 된다.

온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서의 볼 접합부의 접합 수명에 있어서 현저하게 우수한 구리 합금 본딩 와이어를 실현한다는 관점에서, 본 발명의 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어는, Ni, Zn, Ga, Ge, Rh, In, Ir, Pt에서 선택되는 원소(제1 원소)를 2종 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 제1 원소의 조합으로서는, Ni와 Zn, Ni와 Ga, Ni와 Ge, Ni와 In, Pt와 Zn, Pt와 Ga, Pt와 Ge, Pt와 In, Ir과 Zn, Ir과 Ge, Rh와 Ga, Rh와 In, Ni와 Pt와 Zn, Ni와 Pt와 Ga, Ni와 Pt와 Ge, Ni와 Pt와 In, Pt와 Ir과 Zn, Pt와 Ir과 Ga, Ir과 Rh와 Ge, Ir과 Rh와 In 등의 조합이 바람직하다.

《본딩 와이어의 평균 입경》

본딩 와이어 중의 결정립 직경이 와이어 품질에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 그 결과, 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경에는 적합 범위가 있고, 평균 결정립 직경(㎛)이, 와이어의 선 직경을 R(㎛)로 했을 때,

0.02×R+0.4 이상 (1a)

0.1×R+0.5 이하 (1b)

일 때에는, 볼 접합부의 찌부러짐 형상이나, 웨지 접합성이 특히 양호해지는 것이 판명되었다.

결정립 직경을 측정하는 시에는, 후방 산란 전자선 회절법(EBSD, Electron Backscattered Diffraction)을 사용하면 바람직하다. 입경 측정에 대해서는, EBSD법에 의한 측정 결과에 대하여 장치에 장비되어 있는 해석 소프트웨어를 이용함으로써 구할 수 있다. 본 발명에서 규정하는 결정립 직경은, 측정 영역 내에 포함되는 결정립의 상당 직경(결정립의 면적에 상당하는 원의 직경)을 산술 평균한 것이다.

《와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께》

본 발명에 있어서 바람직하게는, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005 내지 0.02㎛의 범위로 한다. 제1 원소를 총계로 0.03 내지 3질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금 본딩 와이어에 있어서, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위라면, HAST 신뢰성을 양산 레벨로 안정적으로 향상시키는 효과가 더한층 높여진다. 와이어 표면의 산화구리 막 두께가 0.02㎛보다도 두꺼워지면, 제1 원소를 함유하는 구리 합금을 포함하는 본딩 와이어의 볼 접합부의 HAST 신뢰성의 개선 효과에 변동이 발생하여, HAST 가열 후의 접합 강도 등이 불안정해지는 경향이 있다. 이 HAST 신뢰성의 변동은 선 직경이 20㎛ 이하인 본딩 와이어에서 보다 문제가 될 가능성이 있다. 제1 원소를 함유하는 구리 합금의 표면 산화구리가 HAST 신뢰성을 불안정화시키는 요인에 대해서, 아직 불분명한 점도 있지만, 구리 합금 본딩 와이어의 길이 방향 또는 와이어 표면으로부터 깊이 방향에서의 제1 원소의 농도 분포가 불균일해지는 것, 또는, 볼 내부의 침입 산소 또는 잔류 산화물이 제1 원소의 HAST 신뢰성의 향상 효과를 저해할 가능성이 있는 것, 등이 생각된다. 제1 원소를 함유하는 구리 합금 본딩 와이어에 의하면 표면 산화를 지연시키는 효과가 얻어지기 때문에, 산화구리의 평균 막 두께를 얇은 범위인 0.0005 내지 0.02㎛로 제어하는 것이 용이하다. 제1 원소를 총계로 0.03 내지 3질량％의 농도 범위에서 함유하는 구리 합금 본딩 와이어에서는, 고순도 구리와 비교하여 20 내지 40℃ 정도의 저온 영역에 있어서의 와이어 표면의 산화구리막의 성장을 지연시키는 작용을 갖는 것도 확인되었다.

와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.02㎛를 초과하면, 전술한 바와 같이, HAST 평가의 개선 효과에 변동이 발생하기 쉬워져, 예를 들어, 평가하는 접합수를 증가시키면 개선 효과에 변동이 발생하여 불안정해질 가능성이 높아지므로, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 상한은 0.02㎛로 하는 것이 바람직하다. 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께는, 개선 효과에 있어서의 변동을 적게 할 수 있다는 관점에서, 0.02㎛ 이하가 바람직하고, 0.015㎛ 이하가 보다 바람직하고, 0.013㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 한편, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 안정적으로 억제하기 위해서는 특수한 표면 처리, 제품 관리 등이 필요해져서, 접합성의 저하, 비용 상승 등을 유발하여, 공업적으로 적응하는 것이 곤란해지는 경우가 있으므로, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 하한은 0.0005㎛로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 억제할 목적에서, 와이어 표면의 방청제의 도포막을 두껍게 하면 접합 강도가 저하되어서 연속 본딩성이 저하한다는 문제가 있다. 또한, 산화구리의 평균 막 두께를 0.0005㎛ 미만으로 억제할 목적에서, 와이어 제품의 대기 보관의 보증 수명을 극단적으로 짧게 하면, 와이어 본딩의 양산 공정에서의 조업이 곤란해져서, 스크랩 문제가 발생하거나 하기 때문에, 공업적으로는 용인되지 않는 경우도 있다. 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께는, 공업적으로 적합한 본딩 와이어를 제공할 수 있다는 관점에서, 0.0005㎛ 이상이 바람직하고, 0.0008㎛ 이상이 보다 바람직하고, 0.001㎛ 이상이 더욱 바람직하다.

와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 측정에 대해서는, 표면 분석에 적합한 오제 분광 분석이 유효하고, 와이어 표면의 랜덤한 위치의 최저 3군데 이상, 가능하면 5군데 이상에서 측정한 산화구리의 막 두께 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 산소 농도란, Cu, O, 금속 원소를 총계한 농도에 대한 O 농도의 비율을 사용한다. 와이어 표면의 대표적인 오염인 유기물은 제외하기 때문에, 상기 농도 계산에서는 C량은 포함되지 않는다. 산화구리의 막 두께의 절댓값을 고정밀도로 구하는 것이 곤란하기 때문에, 오제 분광법에서 일반적으로 사용되는 SiO₂ 환산값을 사용하여 산화구리 막 두께를 산출하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 산소 농도 30질량％를 산화구리와 금속 구리의 경계로 한다. 주된 산화구리는 Cu₂O, CuO가 알려져 있는데, 제1 원소를 함유하는 구리 합금의 표면에는 저온(25 내지 500℃)에서는 Cu₂O가 우선적으로 형성되는 경우가 많기 때문에, 산소 농도가 30질량％인 것을 경계로 한다.

《제2 원소와 그 효과》

본 발명의 본딩 와이어는 또한 Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te, Se에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(「제2 원소」라고도 한다.)를 와이어 전체에 대하여 각각 0.0001 내지 0.050질량％ 함유하면 바람직하다. 이에 의해, 고밀도 실장에 요구되는 볼 접합부의 찌부러짐 형상을 개선, 즉 볼 접합부 형상의 진원성을 개선할 수 있다. 또한 이에 의해, 보다 양호한 볼 형상을 실현할 수 있다. 제2 원소의 함유량(농도)은 볼 접합부의 압착 형상을 진원화시키는 효과를 향상시킬 수 있다는 관점에서, 총계로 0.0001질량％ 이상이 바람직하고, 0.0002질량％ 이상이 보다 바람직하고, 0.0003질량％ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 볼의 경질화를 억제하여 볼 접합 시의 칩 대미지를 억제한다는 관점에서, 제2 원소의 함유량은 0.050질량％ 이하가 바람직하고, 0.045질량％ 이하가 보다 바람직하고, 0.040질량％ 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 당해 제2 원소를 각각 0.0005질량％ 이상 함유함으로써, 웨지 접합부의 불량 발생을 저감시키는 효과가 얻어지므로, 더 바람직하다. 제2 원소의 첨가에 의해, 와이어가 변형될 때에 와이어의 가공 경화를 저감하고, 웨지 접합의 와이어 변형을 촉진하는 작용을 높일 수 있다. 상세한 기구는 불분명하지만, 제1 원소는 Cu 중에 고용되고, 제2 원소는 Cu 중의 고용도가 작기 때문에 석출, 편석함으로써, 이들 원소가 보완적으로 작용하여, 웨지 접합의 와이어 변형에 한층더 우수한 효과를 발휘할 수 있을 것으로 생각된다.

《제3 원소와 그 효과》

본 발명의 본딩 와이어는 또한 Ag, Au에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(「제3 원소」라고도 한다.)를 총계로 0.0005 내지 0.5질량％ 함유하면 바람직하다. 최근의 고밀도 실장에서 요구되는 협소 피치 접속에서는, 볼 접합부의 변형 형상이 중요해서, 꽃잎상, 편심 등의 이형을 억제하여, 진원화시킬 것이 요구된다. 제3 원소를 제1 원소와 병용하여 첨가함으로써, 볼 변형을 용이하게 등방적으로 할 수 있어, 압착 형상을 진원화시키는 효과가 높여진다. 이에 의해, 50㎛ 이하의 협소 피치 접속에도 충분히 적응할 수 있음이 확인되었다. 이 효과는, 제3 원소 함유량이 총계로 0.0005 질량 이상이라면 더 효과적으로 발휘된다. 제3 원소의 함유량은, 볼 접합부의 압착 형상을 진원화시키는 효과를 향상시킬 수 있다는 관점에서, 총계로 0.0005질량％ 이상이 바람직하고, 0.0007질량％ 이상이 보다 바람직하고, 0.001질량％ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 양호한 FAB 형상을 얻는다는 관점에서, 제3 원소의 함유량은 0.5질량％ 이하가 바람직하고, 0.4질량％ 이하가 보다 바람직하고, 0.3질량％ 이하가 더욱 바람직하다. 한편, 제3 원소의 함유량이 총계로 0.5질량％를 초과하면, FAB 형상이 악화될 우려가 있다. 본딩 와이어에 Au를 함유시키면, 재결정 온도가 높아지고, 신선 가공 중의 동적 재결정을 방지하기 위하여 가공 조직이 균일해져, 열처리 후의 결정립 사이즈가 비교적 균일해진다. 그에 의해 와이어의 파단 신장이 향상되어, 본딩했을 때에 안정적인 와이어 루프를 형성할 수 있다. Au를 더 함유시키는 경우, 와이어 중의 제1 원소의 총계가 0.1질량％를 초과하도록 함유량을 정하는 것이 바람직하다. 본 발명의 본딩 와이어는, 제2 원소와 함께 제3 원소를 포함하고 있어도 되고, 제2 원소 대신에, 제3 원소를 함유하고 있어도 된다.

《Pd의 함유와 그 효과》

본 발명의 본딩 와이어는 또한 Pd를 1.15질량％ 이하의 범위로 함유하면 바람직하다. 이에 의해, 볼 접합부의 고습 가열 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본딩 와이어 중에 Pd를 상기 농도 범위에서 함유시킴으로써, Pd가 접합 계면까지 확산 또는 농화되어, Cu와 Al의 상호 확산에 영향을 미침으로써, 볼 접합부 접합 계면에 성장하는 Cu-Al계의 금속간 화합물의 부식 반응을 지연시킨다고 생각된다. Pd의 함유량은 HAST 신뢰성이 현저하게 높여진다는 관점에서, 1.15질량％ 이하인 것이 바람직하고, 1.0질량％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.9질량％ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 한편, Pd 농도가 1.15질량％를 초과하면, 와이어의 상온 강도·고온 강도 등이 상승함으로써, 루프 형상의 변동의 발생, 웨지 접합성의 저하 등이 보이는 경우가 있으므로, Pd 함유량 상한은 1.15질량％로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 본딩 와이어는, 제2 원소 및/또는 제3 원소와 함께 Pd를 포함하고 있어도 되고, 제2 원소 및 제3 원소 중 어느 한쪽 또는 양쪽 대신에 Pd를 포함하고 있어도 된다.

《본딩 와이어의 제조 방법》

본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법 개요에 대하여 설명한다.

구리 순도가 4N 내지 6N(99.99 내지 99.9999질량％)인 고순도 구리를 사용하고, 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해에 의해 제작한다. 용해에는, 아크 가열로, 고주파 가열로, 저항 가열로 등을 이용할 수 있다. 대기 중으로부터의 O₂, H₂ 등의 가스의 혼입을 방지하기 위해서, 진공 분위기 또는 Ar이나 N₂ 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다. 그 후에 로 중에서 서냉하여 잉곳(주괴)을 제작한다. 잉곳 표면의 세정을 위해서, 산세정 및 수세하고, 건조시킨다. 구리 중의 첨가 원소의 농도 분석에는, ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석 등이 유효하다.

이 합금화에서는, 고순도의 성분을 직접 첨가하는 방법과, 첨가 원소를 1％ 정도의 고농도 함유하는 모합금을 이용하는 방법이 있다. 모합금을 이용하는 방법은, 저농도로 함유하여 원소 분포를 균일화시키기 위해서는 유효하다. 본 발명의 첨가 성분에 있어서, 제1 원소를 0.5질량％ 이상의 비교적 고농도로 함유시키는 경우에는, 고순도의 직접 첨가를 이용할 수 있고, 제1 원소 및 제2 원소를 저농도로 안정적으로 함유시키기 위해서는, 모합금을 첨가하는 방법이 유리하다.

본딩 와이어 중에 제1 원소, 제2 원소, 제3 원소, 기타의 원소를 함유시키는 때에, 상술한 바와 같이, 이들 원소를 용해 시에 함유시키는 방법 외에, 본딩 와이어 표면에 합금 원소를 피착시켜서 함유시키는 방법을 채용했다고 해도, 상기 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.

와이어 제조 공정의 도중에, 와이어 표면에 합금 성분을 피착시킴으로써 함유시킬 수도 있다. 이 경우, 와이어 제조 공정의 어디에 내장해도 되고, 복수회 반복해도 된다. 복수의 공정에 내장해도 된다. 피착 방법으로서는, (1) 수용액의 도포⇒건조⇒열처리, (2) 도금법(습식), (3) 증착법(건식) 중에서 선택할 수 있다.

제조한 구리 합금 덩어리는 먼저 압연에 의해 큰 직경으로 가공하고, 이어서 신선 가공에 의해 최종 선직경까지 가늘게 된다. 압연 공정에서는, 홈형 롤 또는 스웨이징 등을 사용한다. 신선 공정에서는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용한다. 필요에 따라, 가공의 도중 단계 또는 최종 선직경으로 열처리를 실시한다.

구리 합금 본딩 와이어에 제1 원소를 함유시키면, 와이어의 재료 강도(경도)가 높아진다. 그 때문에, 본딩 와이어를 신선 가공하는 때에는, 신선 시의 감면율을 5 내지 8％로 낮은 감면율로 하고 있었다. 또한, 신선 후의 열처리에 있어서, 역시 경도가 높기 때문에, 본딩 와이어로서 사용할 수 있는 레벨까지 연질화하기 위하여 700℃ 이상의 온도에서 열처리를 행하고 있었다. 높은 열 처리 온도 때문에, 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이 (0.1×R+0.5) 초과가 되어 (R은 와이어 선 직경(㎛)), 웨지 접합성이 약간 저하되게 되었다. 한편, 열 처리 온도가 저하되면, 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이 (0.02×R+0.4) 미만이 되어, 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 약간 저하되는 결과가 되어 있었다.

그래서, 본 발명에 있어서는, 다이스를 사용한 신선 시에 있어서, 전 다이스수 중 절반 이상의 다이스에 있어서 감면율을 10％ 이상으로 하고, 또한 신선 후의 열처리에 있어서의 열 처리 온도를 600℃ 이하로 낮은 온도로 하는 것이 바람직하다. 그 결과, 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)을 적합 범위(0.02×R+0.4 이상, 0.1×R+0.5 이하)로 할 수 있다(R은 와이어 선 직경(㎛)). 최신의 신선 가공 기술을 적용하고, 윤활액으로서, 윤활액에 포함되는 비이온계 계면 활성제의 농도를 종래보다도 높게 설계하고, 다이스 형상으로 하고, 다이스의 어프로치 각도를 종래의 것보다도 완만하게 설계하고, 다이스의 냉각수 온도를 종래보다도 낮게 설정하는 것 등의 상승 효과에 의해, 구리 합금 본딩 와이어 중에 제1 원소 성분을 총계로 0.03질량％ 이상 함유하여 경질화하고 있음에도 불구하고, 감면율 10％ 이상의 신선 가공이 가능하게 되었다.

와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위에 양산 레벨로 관리하기 위한 제조 조건으로서는, 와이어 제조 공정에서의 산화를 억제하는 것이 바람직하다. 열처리 공정에서의 산화구리의 형성을 제어하기 위해서는, 온도(200 내지 850℃), 열처리 공정에서의 불활성 가스 유량의 조정(1 내지 8L/분), 로 내의 산소 농도의 관리 등이 유효하다. 산소 농도는, 로의 중앙부에서 측정하고, 그 농도 범위가 0.1 내지 6 체적％이도록 조정하는 것이 유효하다. 산소 농도를 상기 범위로 제어하는 방법으로서, 상기 가스 유량의 적정화, 로의 입구, 출구 등의 형상을 바꿈으로써 외계로부터 열처리로 내로의 대기 말려 들어감 방지 등을 관리함으로써 가능하다. 또한 양산 레벨에서는, 신선 공정도 관리하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 수중에서의 신선 공정에 1패스 후에 와이어를 권취하기 전에 건조(40 내지 60℃의 온풍 대기의 분사)함으로써 와이어 표면의 수분을 적극적으로 제거하는 것, 제조 공정 도중에서의 보관의 습도를 관리(2일 이상 보관에서는 상대 습도 60％ 이하)하는 것 등도 유효하다.

실시예

이하에서는, 실시예를 나타내면서, 본 발명의 실시 형태에 따른 본딩 와이어에 대해서, 구체적으로 설명한다.

(샘플)

먼저 샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. 코어재의 원재료가 되는 Cu는 순도가 99.99질량％ 이상(본 실시예에서는 6N(농도는 99.9999질량％ 이상의 것)을 사용)에서 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 제1 원소, 제2 원소, 제3 원소 및 Pd는 순도가 99질량％ 이상이며 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 와이어 또는 코어재의 조성이 목적으로 하는 것이 되도록, 코어재에의 첨가 원소인 제1 원소, 제2 원소, 제3 원소, Pd의 합금 원소를 조합한다. 각 원소의 첨가에 대해서는, 단체의 조합도 가능한데, 단체이며 고융점의 원소나 첨가량이 극미량일 경우에는, 첨가 원소를 포함하는 Cu 모합금을 미리 제작해 두고 목적으로 하는 첨가량이 되도록 조합해도 된다.

구리 합금은, 연속 주조에 의해 수mm의 선 직경으로 결정되도록 제조하였다. 얻어진 수mm의 합금에 대하여 인발 가공을 행하여 φ 0.3 내지 1.4mm의 와이어를 제작하였다. 신선에는 시판하고 있는 윤활액을 사용하고, 신선 속도는 20 내지 150m/분으로 하였다. 일부의 실시예를 제외하고, 와이어 표면의 산화막을 제거하기 위해서, 염산 등에 의한 산세 처리를 행한 후, 전 다이스수 중 절반 이상의 다이스에 있어서 감면율 10 내지 21％의 다이스를 사용하여 신선 가공을 행하고, 또한 도중에 1 내지 3회의 열처리를 200 내지 600℃에서 행함으로써 직경 20㎛ 또는 직경 18㎛까지 가공하였다. 가공 후에는 최종적으로 파단 신장이 약 5 내지 15％로 되도록 열처리를 하였다. 열처리 방법은 와이어를 연속적으로 소인하면서 행하고, N₂ 또는 Ar 가스를 흘리면서 행하였다. 와이어의 이송 속도는 10 내지 90m/분, 열 처리 온도는 350 내지 600℃에서 열처리 시간은 1 내지 10초로 하였다. 실시예 6, 10, 11, 23, 55, 56, 62, 77의 제조 방법에 대해서는, 실시예 11, 56에서는 열 처리 온도를 300℃ 이하로 낮은 온도라고 하고, 실시예 6, 10, 55, 62, 77에서는 열 처리 온도를 700℃ 이상으로 높은 온도로 하였다.

(평가 방법)

[원소의 함유량]

와이어 중의 각 합금 원소의 함유량에 대해서는, ICP 발광 분광 분석 장치를 이용하여 분석하였다.

[결정립 직경]

결정립 직경에 대해서는, EBSD법으로 평가하였다. EBSD 측정 데이터의 해석에는 전용 소프트웨어(TSL 솔루션즈제 OIM Analysis 등)를 이용하였다. 결정립 직경은, 측정 영역 내에 포함되는 결정립의 상당 직경(결정립의 면적에 상당하는 원의 직경)을 산술 평균한 것이다.

[산화구리의 평균 막 두께]

와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께의 측정에는, 오제 분광 분석에 의한 깊이 분석을 행하고, 와이어 표면의 랜덤한 위치의 최저 3군데 이상에서 측정한 산화구리의 막 두께 평균값을 사용하였다. Ar 이온으로 스퍼터하면서 깊이 방향으로 측정하고, 깊이의 단위는 SiO₂ 환산으로 표시하였다. 산소 농도 30질량％를 산화구리와 금속 구리의 경계로 한다. 여기에서의 산소 농도란, Cu, 산소, 금속 원소를 총계한 농도에 대한 산소 농도의 비율을 사용하였다. 측정에는 SAM-670(PHI사제, FE형)을 사용하고, 전자 빔의 가속 전압을 5kV, 측정 영역은 10nA로 하고, Ar 이온 스퍼터의 가속 전압이 3kV, 스퍼터 속도는 11nm/분으로 측정을 실시하였다. 산화구리의 평균 막 두께의 측정 결과를 각 표의 「산화구리 평균 막 두께」의 란에 기재하였다.

[HAST]

고온 고습 환경 또는 고온 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성은, 접합 신뢰성 평가용의 샘플을 제작하여, HAST 평가를 행하고, 볼 접합부의 접합 수명에 의해 판정하였다. 접합 신뢰성 평가용의 샘플은, 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 0.8㎛의 Al-1.0％ Si-0.5％ Cu의 합금을 성막하여 형성한 전극에, 시판하고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하고, 시판하고 있는 에폭시 수지에 의해 밀봉하여 제작하였다. 볼은 N₂+5％ H₂ 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 흘리면서 형성시키고, 그 크기는 φ33 내지 34㎛의 범위로 하였다.

HAST 평가에 대해서는, 제작한 접합 신뢰성 평가용의 샘플을, 불포화형 프레셔 쿠커 시험기를 사용하여, 온도 130℃, 상대 습도 85％의 고온 고습 환경에 폭로하고, 7V의 바이어스를 걸었다. 볼 접합부의 접합 수명은 48시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/2이 되는 시간으로 하였다. 고온 고습 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하고, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다.

HAST 평가의 전단 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10군데의 측정값의 평균값을 사용하였다. 상기 평가에 있어서, 접합 수명이 96시간 미만이라면 실용상 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 96시간 이상 144시간 미만이라면 실용 가능하지만 약간 문제 있음으로 하여 △ 표시, 144시간 이상 192시간 미만이라면 실용상 문제 없다고 판단하여 ○ 표시, 192시간 이상이라면 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 각 표의 「HAST」의 란에 표기하였다. ×만이 불합격이며, 그 이외에는 합격이다.

[FAB 형상]

볼부에 있어서의 볼 형성성(FAB 형상)의 평가는, 접합을 행하기 전의 볼을 채취하여 관찰하고, 볼 표면의 기포의 유무, 원래 진구인 볼의 변형의 유무를 판정하였다. 상기 중 어느 것이 발생한 경우에는 불량이라고 판단하였다. 볼의 형성은 용융 공정에서의 산화를 억제하기 위해서, N₂ 가스를 유량 0.5L/min으로 분사하면서 행하였다. 볼의 직경은, 와이어 선 직경의 1.7배로 하였다. 1 조건에 대하여 50개의 볼을 관찰하였다. 관찰에는 SEM을 사용하였다. 볼 형성성의 평가에 있어서, 불량이 5개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 불량이 3 내지 4개라면 실용 가능하지만 약간 문제 있음으로 하여 △ 표시, 불량이 1 내지 2개인 경우에는 문제 없다고 판단하여 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우에는 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 각 표의 「FAB 형상」의 란에 표기하였다. ×만이 불합격이며, 그 이외에는 합격이다.

[웨지 접합성]

와이어 접합부에 있어서의 웨지 접합성의 평가는, 리드 프레임의 리드 부분에 1000개의 본딩을 행하고, 접합부의 박리의 발생 빈도에 의해 판정하였다. 리드 프레임은 1 내지 3㎛의 Ag 도금을 실시한 Fe-42원자％ Ni 합금 리드 프레임을 사용하였다. 본 평가에서는, 통상보다도 엄격한 접합 조건을 상정하고, 스테이지 온도를 일반적인 설정 온도 영역보다도 낮은 150℃로 설정하였다. 상기 평가에 있어서, 불량이 11개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 불량이 6 내지 10개라면 실용 가능하지만 약간 문제 있음으로 하여 △ 표시, 불량이 1 내지 5개인 경우에는 문제 없다고 판단하여 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우에는 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 각 표의 「웨지 접합성」의 란에 표기하였다. ×만이 불합격이며, 그 이외에는 합격이다.

[찌부러짐 형상]

볼 접합부의 찌부러짐 형상의 평가는, 본딩을 행한 볼 접합부를 바로 위에서 관찰하고, 그 진원성에 의해 판정하였다. 접합 상대는 Si 기판 상에 두께 1.0㎛의 Al-0.5％ Cu의 합금을 성막한 전극을 사용하였다. 관찰은 광학 현미경을 사용하고, 1 조건에 대하여 200군데를 관찰하였다. 진원으로부터의 어긋남이 큰 타원 상인 것, 변형에 이방성을 갖는 것은 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 불량하다고 판단하였다. 상기 평가에 있어서, 불량이 6개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 불량이 4 내지 5개라면 실용 가능하지만 약간 문제 있음으로 하여 △ 표시, 1 내지 3개인 경우에는 문제 없다고 판단하여 ○ 표시, 모두 양호한 진원성이 얻어진 경우에는, 특히 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 각 표의 「찌부러짐 형상」의 란에 표기하였다.

(평가 결과)

표 1, 2에 도시하는 바와 같이, 제1 원소의 농도가 합계로 0.03 내지 3.0질량％의 실시예 1 내지 103에 관한 구리 합금 본딩 와이어에서는, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서의 HAST 시험에서 볼 접합부 신뢰성이 얻어지는 것을 확인하였다.

또한, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005 내지 0.02㎛의 범위인 실시예 1 내지 103에 관한 본딩 와이어는 모두, HAST 평가 결과가 양호하였다.

또한, 실시예의 본딩 와이어 중, 전 다이스수 중 절반 이상의 다이스에 있어서 신선 시의 감면율을 10％ 이상으로 하고, 신선 후의 열처리에 있어서의 열 처리 온도를 600℃ 이하로 낮은 온도로 한 실시예 1 내지 5, 7 내지 9, 12 내지 22, 24 내지 54, 57 내지 61, 63 내지 69, 71 내지 76, 78 내지 103에 관한 본딩 와이어에서는, 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이 0.02×R+0.4 이상, 0.1×R+0.5 이하의 범위 내(R은 와이어의 선 직경(㎛))였다. 여기서, 제1 원소의 함유량이 0.8 내지 1.0질량％인 실시예 7 내지 14의 평가 결과를 비교하면, 평균 결정립 직경이 상기 범위 내의 본딩 와이어(실시예 7 내지 9, 실시예 12 내지 14)에 있어서는, 평균 결정립 직경이 상기 범위 밖의 본딩 와이어(실시예 10, 11)보다도, 웨지 접합성과 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 양호하였다. 이 결과로부터, 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이 0.02×R+0.4 이상, 0.1×R+0.5 이하의 범위 내(R은 와이어의 선 직경(㎛))이면, 웨지 접합성과 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 양호해지는 것을 알았다.

실시예 11에서는, 열 처리 온도를 300℃ 이하로 낮게 했기 때문에 평균 결정립 직경이 적합 범위의 하한 미만이고, 웨지 접합성이 「△」이며 약간 저하되는 결과가 되었다.

실시예 10에서는, 열 처리 온도를 700℃ 이상으로 높은 온도로 했기 때문에 평균 결정립 직경이 적합 범위의 상한 초과이며, 그 결과로서, 실시예 10에서는, 찌부러짐 형상이 「△」이며 약간 저하되는 결과가 되었다.

제1 원소를 2종 이상 포함하는 실시예 24 내지 43에 관한 본딩 와이어에서는, 제1 원소를 1종류만 포함하고, 그 함유량이 동일 정도의 실시예 7 내지 14에 관한 본딩 와이어보다도 HAST 시험의 결과가 더욱 양호하였다. 이 결과로부터, 제1 원소를 2종류 이상 포함하는 본딩 와이어에 있어서는, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서의 HAST 시험에서 볼 접합부 신뢰성이 더욱 양호해지는 것을 알았다.

실시예에 관한 본딩 와이어 중, 또한 제2 원소를 각각 0.0001 내지 0.050질량％ 포함하는 실시예 44 내지 66에 관한 본딩 와이어에서는, 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 양호하였다.

실시예에 관한 본딩 와이어 중, 또한, Ag, Au에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(제3 원소)를 총계로 0.0005 내지 0.5질량％ 함유하는 실시예 67 내지 92에 관한 본딩 와이어에서는, 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 양호하였다.

실시예에 관한 본딩 와이어 중, 또한 Pd를 1.15질량％ 이하 함유하는 실시예 93 내지 103에 관한 본딩 와이어에서는, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 고온 고습 환경 하에서의 HAST 시험에서 볼 접합부 신뢰성이 더욱 양호해지는 것을 확인하였다.

실시예에 관한 본딩 와이어 중, 제1 원소에 추가로, 또한, 제2 원소를 각각 0.0001 내지 0.050질량％, 및 Ag, Au에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(제3 원소)를 총계로 0.0005 내지 0.07질량％를 함유하는, 실시예 75, 76, 84, 85, 90 내지 92에 관한 본딩 와이어에서는, HAST 평가 결과, 웨지 접합성, 및 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 모두 양호하다는 바람직한 결과가 얻어졌다. 그 중에서도 제1 원소를 2종류 이상 포함하는, 실시예 75 및 76에서는 HAST 평가 결과가 특히 양호하였다.

또한, 실시예에 관한 본딩 와이어 중, 제1 원소에 추가로, 또한 제2 원소를 각각 0.0001 내지 0.050질량％, 및 Pd를 1.15질량％ 이하 함유하는 실시예 98 내지 99에 관한 본딩 와이어에서는, HAST 평가 결과가 더욱 양호해서, FAB 형상, 웨지 접합성, 및 볼 접합부의 찌부러짐 형상이 양호하다는 바람직한 결과가 얻어졌다.

한편, 비교예의 본딩 와이어 중, 제1 원소 합계 농도가 0.03질량％ 보다도 적은 비교예 3, 4의 본딩 와이어에서는, HAST 시험에서 볼 접합부 신뢰성이 얻어지지 않고, 제1 원소 합계 농도가 3질량％ 보다도 많은 비교예 1, 2, 5, 6의 본딩 와이어에서는, FAB 형상 및 웨지 접합성이 불량하였다.

Claims

Ni, Zn, Ga, Ge, In, Ir에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소를 총계로 0.05질량％ 이상 3질량％ 이하 함유하고,
P 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 각각 0.0001질량％ 이상 0.050질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하며, 베어 Cu 합금 와이어인 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어이며,
상기 구리 합금 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이, 와이어의 선 직경을 R(㎛)로 하면,
0.02×R+0.4 이상 (1a)
0.1×R+0.5 이하 (1b)
인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
Ni, Zn, Ga, Ge, In, Ir에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소를 총계로 0.05질량％ 이상 함유하고,
Rh 및 Pt에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 총계로 0.03질량％ 이상 함유하고, 또한 상기 원소와 상기 제1 원소의 총계가 3질량％ 이하이며,
잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하고, 베어 Cu 합금 와이어인 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어이며,
상기 구리 합금 본딩 와이어의 와이어축에 수직 방향의 코어재 단면에 있어서의 평균 결정립 직경(㎛)이, 와이어의 선 직경을 R(㎛)로 하면,
0.02×R+0.4 이상 (1a)
0.1×R+0.5 이하 (1b)
인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
Zn, Ga, Ir에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소를 총계로 0.05질량％ 이상 3질량％ 이하 함유하고,
P 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 각각 0.0001질량％ 이상 0.050질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하며, 베어 Cu 합금 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
Zn, Ga, Ir에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소를 총계로 0.05질량％ 이상 함유하고,
Rh를 0.03질량％ 이상 함유하고, 또한 상기 Rh와 상기 제1 원소의 총계가 3질량％ 이하이며,
잔부가 Cu와 불가피 불순물을 포함하고, 베어 Cu 합금 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제2항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te, Se에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 와이어 전체에 대하여 각각 0.0001질량％ 이상 0.050질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제4항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Ti, B, P, Mg, Ca, La, As, Te, Se에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 와이어 전체에 대하여 각각 0.0001질량％ 이상 0.050질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 표면의 산화구리의 평균 막 두께가 0.0005㎛ 이상 0.02㎛ 이하의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Ag, Au에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를, 와이어 전체에 대하여 총계로 0.0005질량％ 이상 0.5질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Pd를 1.15질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제8항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 추가로 Pd를 1.15질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.
제3항, 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금 본딩 와이어가 Zn, Ga, Ir에서 선택되는 제1 원소를 2종 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어.