KR102167478B1 - 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어 - Google Patents

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닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
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Abstract

캐필러리 마모를 억제할 수 있는 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공한다. 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어는, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어
본 발명은, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판을 접속하기 위해 이용되는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 리드 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 본딩 와이어)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합 방법은, 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 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)하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 웨지 접합)함으로써 완료된다.
본딩 와이어의 재료는, 지금까지 금(Au)이 주류였지만, 최근에는 구리(Cu)가 사용되기 시작하고 있다. Cu를 사용한 본딩 와이어는, 전기 전도율이 높고, 저렴하다는 점에서, 다양한 반도체 패키지에 채용되고 있다. Cu를 사용한 본딩 와이어는, Cu의 표면에 Pd나 Au 등의 피복층을 갖는 것(이하, 복층 Cu 와이어)과 피복층을 갖지 않는 것(이하, 단상 Cu 와이어)으로 크게 구별된다. 복층 Cu 와이어는, 단상 Cu 와이어의 과제였던 와이어 표면의 구리의 산화의 억제 등에 의해, 사용 성능면에 있어서 우수한 점이 많다. 따라서, 복층 Cu 와이어는, 특히 선 직경이 가늘고, 엄격한 성능이 요구되는 고밀도 LSI 용도에서 많이 채용되고 있다. 한편, 단상 Cu 와이어는, 복층 Cu 와이어에 비해 저렴하다는 점에서, 선 직경이 굵고, 비교적 요구 성능이 낮은 파워 디바이스 용도를 중심으로 채용되고 있다.
한편, 단상 Cu 와이어의 비용 장점을 살려, 단상 Cu 와이어를 더 가느다란 선 직경으로 적용 확대하려고 하는 시도가 이루어져 왔다. 그러나 단상 Cu 와이어는 선 직경이 가늘어짐에 따라 캐필러리 마모가 증가한다는 과제가 있어, 그 적용처는 한정되어 있었다. 본 명세서에 있어서, 캐필러리 마모란, 본딩 와이어와 캐필러리 내부의 접촉 계면의 마찰에 의해, 캐필러리 내부가 마모되는 현상이라고 정의한다. 캐필러리 마모가 발생하면, 루프 형상의 흐트러짐, 볼 접합부나 와이어 접합부의 접합 강도 저하 등의 불량을 야기한다. 특히, 캐필러리 선단의 구멍의 근방은, 본딩 와이어와 접촉할 기회가 많기 때문에 마모되기 쉽다. 통상, 사용 전의 캐필러리 선단의 구멍의 형상은 원형이지만, 캐필러리 마모가 증가함에 따라서 타원형이 된다. 이러한 캐필러리 마모를 저감하는 방법에 대해서는, 주로 캐필러리의 내마모성을 향상시키는 방법이나, 와이어 표면에 이종 금속을 피복하는 방법이 검토되어 왔다.
특허문헌 1에는, 본딩 캐필러리에 관하여, 산화알루미늄의 결정을 주상으로 하는 제1 다결정 세라믹스로 이루어지고, 상기 산화알루미늄의 결정 입자의 평균 입자경이 0.38㎛ 이하임으로써, 구리 등으로 이루어지는 단단한 금속 세선(본딩 와이어)을 사용하는 경우에 적합한 내마모성의 향상을 도모할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, Ag를 주체로 하는 본딩 와이어에 관하여, 피복층의 최표면에 Au를 15 내지 50at.％ 이상 포함하는 Au 함유 영역을 가짐으로써 본딩 와이어의 표면과 캐필러리의 계면에 발생하는 마찰을 저감하고, 캐필러리의 사용 수명을 개선할 수 있는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, 볼 본딩용 귀금속 피복 구리 와이어에 있어서, 와이어 최표면에 금(Au) 극박 연신층을 형성한 경우의 효과로서, 캐필러리에 대한 와이어 표면의 슬립이 좋아지는 것이 개시되어 있다.
그러나 이러한 기술들을 사용해도 후술하는 과제가 있어, 요구되는 캐필러리 마모 성능을 만족시킬 수 없었다.
일본 특허 공개 제2014-146622호 공보 일본 특허 공개 제2016-115875호 공보 일본 특허 공개 제2017-92078호 공보
상술한 캐필러리 마모는, 주로 루프 형성 프로세스에서 발생한다. 루프 형성 프로세스에서는, 캐필러리로부터 본딩 와이어를 조출하면서 캐필러리를 이동시켜, 볼 접합부와 웨지 접합부 사이에 루프를 형성한다. 이 동안, 캐필러리 선단의 구멍의 내측과 본딩 와이어는 상시 계속해서 접촉하므로, 캐필러리 선단의 구멍 부근이 마모된다. 와이어의 선 직경이 가느다란 경우에는, 본딩 와이어와 캐필러리의 접촉 계면에 응력이 집중되기 쉬워, 캐필러리 마모가 증가하는 경향이 있었다.
캐필러리 마모를 저감하기 위해서는, 예를 들어 캐필러리의 내마모성을 향상시키는 것, 캐필러리와 본딩 와이어의 접촉 계면의 마찰 저항을 저감시키는 것이 유효하다고 여겨지고 있었다. 그러나 특허문헌 1에 개시되어 있는 캐필러리의 내마모성을 향상시키는 기술이나, 특허문헌 2, 3에 개시되어 있는 본딩 와이어의 최표면의 구조를 변화시키는 기술을 사용해도, 선 직경이 30㎛ 이하인 세세한 단상 Cu 와이어를 사용한 경우에는, 캐필러리 마모를 저감시키는 것은 곤란하였다. 이와 같이, 가느다란 선 직경의 단상 Cu 와이어를 사용한 경우에 있어서, 캐필러리 마모를 저감시키는 기술이 요구되고 있었다.
웨지 접합에서는, 캐필러리를 통해, 본딩 와이어에 초음파와 하중을 인가하고, 외부 전극과 접합을 행한다. 외부 전극에는, Ag나 Pd를 도금한 전극이 일반적으로 사용된다. 웨지 접합에 의해, 본딩 와이어가 변형된 부분은 테일이라고 불린다. 테일의 변형 거동은, 웨지 접합부의 접합 강도나 접합의 안정성에 영향을 미치므로, 변형 거동의 제어가 중요해진다. 종래의 단상 Cu 와이어는, 웨지 접합을 행하였을 때의 테일의 변형량에 변동이 있어, 양호한 접합 강도가 얻어지지 않는 경우가 있었다. 테일의 변형량이 작은 경우에는, 웨지 접합부의 접합 강도가 부족하여, 본딩 와이어가 전극으로부터 박리되어 버리는 불량이 발생하는 경우가 있었다. 테일의 변형량이 큰 경우에는, 웨지 접합을 행하였을 때에 본딩 와이어가 테일부의 근방에서 파단되어 버려, 접합 장치가 정지해 버리는 경우가 있었다. 이상의 점으로부터, 단상 Cu 와이어를 사용한 경우에 있어서, 웨지 접합부의 접합 강도를 충분히 확보하여, 안정적으로 접합을 행하기 위해서는, 테일의 변형량을 적정한 범위로 제어하는 기술이 요구되고 있었다.
볼 접합 후, 루프를 형성하였을 때의 볼 바로 위의 곡절부를 넥부라고 칭한다. 넥부는, 그 밖의 루프부에 비해 큰 굽힘 변형을 받으므로, 그 일부가 손상되는 과제가 있었다. 넥부는, 볼 형성 시에 아크 입열의 영향을 받은 부분(이하, 열 영향부)에 상당한다. 열 영향부는, 입열에 의해 결정립이 조대화되므로, 다른 루프 부분에 비해 강도가 낮아, 손상을 받기 쉽다. 따라서, 단상 Cu 와이어에는, 열 영향부에 있어서의 강도 저하를 억제하여, 넥부의 손상을 저감시키는 기술이 요구되고 있었다.
반도체 디바이스의 장수명화에 수반하여, 장기 사용 수명의 개선이 요구되고 있다. 장기 사용 수명을 평가하는 방법으로서, 일반적으로 고온 방치 시험, 고온 고습 시험, 열 사이클 시험 등이 행해진다. 단상 Cu 와이어의 경우, 온도 130℃, 상대 습도 85％의 고온 고습 시험에 있어서, 비교적 단시간에 볼 접합부 근방에 박리가 발생하여, 접합 강도가 저하되는 과제가 있었다. 따라서, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명의 개선이 필요하고, 구체적으로는 400시간 이상의 조건에서 동작 성능을 만족시킬 필요가 있었다. 단상 Cu 와이어를 사용한 경우, 순Al 전극과 볼 접합을 행하고, 시판되는 밀봉 수지로 몰드하여, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％인 조건에서 고온 고습 시험을 실시한 결과, 300시간에 볼 접합부의 접합 강도가 현저하게 저하되었다. 접합 강도의 저하가 보인 볼 접합부의 단면을 연마하고, 주사형 전자 현미경에 의해 관찰한 결과, 볼 접합부의 접합 계면에는, Al과 Cu를 주체로 하는 복수의 금속간 화합물이 형성되어 있고, 그 근방에서 박리가 발생되어 있었다. 이와 같이, 단상 Cu 와이어에는, 고온 고습 환경에 있어서의 볼 접합부의 박리를 억제하여, 볼 접합부 수명을 개선하는 기술이 요구되고 있었다.
전자 기기의 고성능화나 고기능화에 수반하여, 반도체 실장의 고밀도화가 진행되고 있다. 실장의 고밀도화에 의해, 전극간의 협피치화가 진행되고 있다는 점에서, 높은 루프 직진성이 요구되고 있다. 한편, 사용되는 본딩 와이어의 선 직경은 가늘어지고 있고, 그 강도는 저하 경향에 있다. 가느다란 단상 Cu 와이어를 사용하는 경우, 접합 후의 수지 밀봉 공정에서 수지가 흘러 들어갈 때에 본딩 와이어의 루프 부분이 만곡되어, 직진성이 상실된다는 과제가 있었다. 따라서, 단상 Cu 와이어에는, 수지 밀봉 후에도 높은 루프 직진성을 유지하기 위해, 루프 부분의 변형을 억제하는 기술이 요구되고 있었다.
본 발명은, 캐필러리 마모를 억제할 수 있는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어는, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어는, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하로 함으로써, 가느다란 선 직경의 단상 Cu 와이어를 사용한 경우라도 캐필러리 마모를 저감할 수 있다.
도 1은 측정 영역의 설명에 제공하는 사시도다.
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어이며, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 한다.
(와이어 표면의 결정 방위의 결정 방법)
본 명세서에 있어서의 본딩 와이어 표면의 결정 방위의 측정 방법에 대해 설명한다. 본 명세서에 있어서, 와이어 표면의 결정 방위란, 와이어 표면에 존재하는 Cu 및 Cu를 주체로 하는 합금 부분의 결정 방위라고 정의한다. 와이어 표면의 결정 방위의 측정에는, 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 구비된, 후방 산란 전자선 회절(EBSD: Electron Backscattered Diffraction)법을 이용할 수 있다. EBSD법은, 시료에 전자선을 조사하였을 때에 발생하는 반사 전자의 회절 패턴을 검출기 면 상에 투영하고, 그 회절 패턴을 해석함으로써, 각 측정점의 결정 방위를 결정하는 방법이다. EBSD법에 의해 얻어진 데이터의 해석에는 전용 소프트웨어(TSL 솔루션즈 제조 OIM analysis 등)가 적합하다. 본 실시 형태에서는, 본딩 와이어를 시료대에 고정하고, 일방향으로부터 와이어 표면에 전자선을 조사시켜, 결정 방위의 데이터를 취득한다. 이 방법을 사용함으로써, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대한 결정 방위와, 와이어 중심축 방향에 대한 결정 방위를 결정할 수 있다. 상기 방법에 의해 결정한 결정 방위 데이터를 사용하여, 특정 결정 방위의 존재 비율을 산출한다.
예로서, 본딩 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 산출하는 방법에 대해 설명한다. <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계는, EBSD에 의한 측정 영역의 면적에 대해, 상기 방법에 의해 결정한 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위가 차지하는 면적의 비율을 합계한 값으로 한다.
본 명세서에 있어서, <110> 결정 방위, <111> 결정 방위란, 도 1에 도시하는 바와 같이, 와이어 표면의 각각, <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위 중 와이어 중심축 X를 포함하는 하나의 평면 P에 수직인 방향 Y에 대해 각도 차가 15도 이하인 것이라고 정의한다. 이것은, 상기 방위 차가 15도 이하이면, 본딩 와이어의 특성 개선 효과가 얻어지기 때문이다. 본딩 와이어의 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축 X 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율에 대해서도, 마찬가지의 방법을 사용하여 산출할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 특정 결정 방위의 존재 비율의 값에는 평균 면적률을 사용한다. 평균 면적률은, EBSD에 의해 적어도 10개소 이상을 측정하여 얻어진 존재 비율의 각 값의 산술 평균으로 한다. 측정 개소의 선택 시에는, 측정 데이터의 객관성을 확보하는 것이 바람직하다. 그 방법으로서, 측정 대상의 본딩 와이어로부터, 측정용의 시료를 본딩 와이어의 와이어 중심축 X 방향에 대해 3 내지 5m 간격으로 취득하여, 측정에 제공하는 것이 바람직하다. 측정 영역 A는, SEM의 화상 상에 있어서, 원주 방향의 길이 W가 와이어의 직경의 25％ 이하, 와이어 중심축 X 방향의 길이 L이 40㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다.
상기한 방법에 의해 EBSD 측정한 결정 방위 및 그 상기 면적률에 대해, 본 발명의 작용 효과인 캐필러리 마모의 저감 효과와 상관이 강한 것을 확인하였다. 와이어 표면은 곡면이며, 와이어의 정점(시료대에 고정한 와이어의 원주 방향에 대해 가장 높은 위치)으로부터 원주 방향을 향함에 따라, 와이어 표면에 수직인 방위로부터의 어긋남이 발생하지만, 상기 방법에 의한 측정 데이터가, 캐필러리 마모의 저감 효과를 나타내는 실태와 정합한다고 할 수 있다. 이것은, 측정 영역 A의 길이 W가 와이어의 직경의 적어도 25％ 이하이면, 곡면을 갖는 와이어 표면의 EBSD의 측정 영역 내에 있어서, 원주 방향에 대한 와이어 표면에 수직인 방위의 어긋남을 허용할 수 있어, 캐필러리 마모의 저감 효과가 얻어지기 때문이다. 와이어 중심축 X 방향에 대해 측정 영역 A에 하한을 설정하는 이유는, 길이 L이 40㎛ 이상이면 측정 데이터가 시료의 특성을 충분히 반영하고 있다고 판단하였기 때문이다. 와이어 중심축 X 방향에 대해 측정 영역 A에 상한을 설정하는 이유는, 길이 L이 100㎛ 이하이면 해석을 효율적으로 행할 수 있기 때문이다.
본딩 와이어의 표면에는 구리 산화막이나 불순물이 존재하는 경우가 있다. 불순물로서는, 유기물, 황, 질소나 그 화합물 등을 들 수 있다. 이들이 존재하는 경우도, 그 두께가 얇은 경우나 존재량이 적은 경우에는, EBSD법의 측정 조건을 적정화함으로써, 본딩 와이어 표면의 결정 방위를 측정 가능하다. 본딩 와이어 표면의 구리 산화막이 두꺼운 경우나 불순물의 부착량이 많은 경우에는, Cu 및 Cu 합금 부분의 결정 방위를 측정할 수 없는 경우가 있다. 이 경우에는, EBSD 측정을 행하기 전에, 알칼리 탈지나 산세, 이온 스퍼터 등에 의해, 본딩 와이어의 표면을 처리하는 것이 유효하다.
(캐필러리 마모의 저감 효과)
발명자들은, 단상 Cu 와이어를 사용하였을 때의 캐필러리 마모의 발생 원인을 조사한 결과, 와이어 표면의 결정 방위와 상관이 확인되는 것을 알아냈다. 즉, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계와 캐필러리 마모 사이에 상관이 있어, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 적정한 범위로 제어함으로써, 캐필러리 마모를 저감시키는 효과가 얻어진다.
구체적으로는, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하로 함으로써, 캐필러리 마모를 저감시키는 효과가 얻어진다. 실제로, 본 실시 형태의 본딩 와이어를 사용하여 3000개의 접합을 행한 후, 캐필러리 선단의 구멍을 광학 현미경으로 관찰한 결과, 캐필러리의 구멍은 원형을 유지하고 있어, 마모되어 있지 않음을 확인하였다. 또한, SEM에 의해 캐필러리의 선단을 상세하게 관찰한 결과, 와이어의 재료인 Cu 합금은 거의 부착되어 있지 않았다. 이 사실로부터, 본 실시 형태의 본딩 와이어가 캐필러리 마모를 저감시키는 효과를 발현한 이유는, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 높임으로써, 와이어와 캐필러리 사이에 발생하는 마찰이 저하되었기 때문이라고 생각된다.
상기 존재 비율의 합계가 평균 면적률로 40％ 미만인 경우는, 상기한 효과가 불충분하여, 캐필러리 마모를 저감시키는 효과는 확인되지 않았다. 상기 존재 비율의 합계가 평균 면적률로 90％를 초과하는 경우는, 볼 형성 공정에 있어서 이형 볼의 발생률이 증가하므로, 실용에 적합하지 않음을 알 수 있었다. 이 원인으로서, 본딩 와이어의 선단을 아크 방전에 의해 용융하여 볼을 형성할 때, 아크가 확산되어 버려, 본딩 와이어가 용융되기 시작하는 장소가 불안정해진 것 등을 생각할 수 있다.
와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 50％ 이상 85％ 이하인 경우, 캐필러리 마모를 저감시키는 우수한 효과가 얻어지기 때문에 바람직하다.
(웨지 접합부의 테일 형상의 변동을 저감시키는 효과)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하인 것이 바람직하다. 발명자들은, 웨지 접합부의 테일 형상에 영향을 미치는 인자에 대해 조사한 결과, 와이어 표면의 결정 방위와 상관이 있고, 상기 <100> 결정 방위의 존재 비율을 높임으로써, 웨지 접합부의 테일 형상의 변동을 저감시키는 효과가 얻어짐을 알아냈다. 이것은, 상기 <100> 결정 방위의 존재 비율을 높임으로써, 와이어 중심축 방향에 대한 변형 저항의 변동이 저감되는 효과와, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 제어함으로써, 캐필러리 마모를 저감시키는 효과가, 상승적으로 작용하였기 때문이라고 생각된다. 상기 <100> 결정 방위의 존재 비율이 30％ 미만인 경우에는, 와이어 중심축 방향에 대한 변형 저항의 변동을 저감시키는 효과가 불충분하여, 테일 형상의 변동을 저감시키는 효과가 충분하지는 않다.
(넥부의 와이어 손상 저감)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 25％ 이상 100％ 이하인 것이 바람직하다. 발명자들은, 넥부의 와이어 손상에 영향을 미치는 인자에 대해 조사한 결과, 와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 결정 방위와 상관이 있고, 상기 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 높임으로써, 넥부의 와이어 손상을 저감시키는 효과가 얻어짐을 알아냈다. 이것은, 상기 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 높임으로써, 넥부를 형성할 때의 열 영향부의 굽힘 변형에 대한 변형 저항을 높인 효과와, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 제어함으로써, 캐필러리 마모를 저감시키는 효과가, 상승적으로 작용하였기 때문이라고 생각된다. 상기 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계가 평균 면적률로 25％ 미만인 경우에는, 넥부를 형성할 때의 굽힘 변형에 대한 변형 저항을 향상시키는 효과가 불충분하여, 넥부의 와이어 손상을 저감시키는 효과가 충분하지는 않다.
(고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명의 개선 효과)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01질량％ 이상 1.5질량％ 이하 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물인 것이 바람직하다. 발명자들은, 온도 130℃, 상대 습도 85％의 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명에 영향을 미치는 인자에 대해 조사한 결과, 본딩 와이어에 포함되는 합금 원소의 종류와 농도에 의존하고, Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01질량％ 이상 1.5질량％ 이하 포함함으로써, 고온 고습 시험에 있어서 볼 접합부 수명을 개선하는 효과가 얻어짐을 알아냈다. 볼 접합부의 단면을 연마에 의해 노출시켜, 주사형 전자 현미경을 사용하여 관찰을 행한 바, 금속간 화합물의 성장이 억제되어 있었다. 이 사실로부터, Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 적정한 농도 포함함으로써, 볼 접합부의 접합 계면에 형성되는 금속간 화합물의 성장이 억제된 결과, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명이 개선되었다고 생각할 수 있다. 본딩 와이어에 포함되는 Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상의 농도가 총계로 0.01질량％ 미만인 경우에는, 금속간 화합물의 성장을 억제하는 효과가 불충분하여, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명을 개선하는 효과가 충분하지는 않다. Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 1.5질량％보다 많이 포함하는 경우에는, 볼의 경도가 상승하여, 금속간 화합물의 성장이 불균일해져, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명의 개선 효과가 충분하지는 않다.
본 실시 형태의 본딩 와이어가, Pt 또는 Pd를 포함하는 경우에는, 볼 접합부의 와이어와 전극의 계면에 형성되는 금속간 화합물의 성장을 억제하는 효과가 특히 높아, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명의 우수한 개선 효과가 얻어지므로, 바람직하다.
(캐필러리 마모의 더한층의 저감 효과)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함함으로써, 캐필러리 마모를 더욱 저감시키는 효과도 얻어진다. 이것은, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를, 40％ 이상 90％ 이하로 함으로써 캐필러리 마모를 저감시키는 효과와, 상기 원소의 일부가 와이어 표면으로 편석됨으로써 와이어와 캐필러리의 접촉 계면의 마찰 저항을 낮추는 효과가, 상승적으로 작용하였기 때문이라고 생각된다.
(웨지 접합부의 테일 형상 변동의 더한층의 저감 효과)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함함으로써, 웨지 접합부의 테일 형상의 변동을 더욱 저감시키는 효과도 얻어진다. 이것은, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율을 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하로 함으로써, 와이어 중심축 방향에 대한 변형 저항의 변동을 저감시키는 효과와, 상기 원소의 일부가 본딩 와이어의 강도를 높여 와이어 변형량의 변동을 저감시키는 효과가, 상승적으로 작용하였기 때문이라고 생각된다.
(루프 직진성의 개선 효과)
본 실시 형태의 본딩 와이어는, 또한 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함함으로써, 본딩 와이어를 접합하고, 수지 밀봉을 행한 후의 루프 직진성을 개선하는 효과가 얻어진다. 상기 원소 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 포함함으로써, 수지 밀봉 시의 수지 흐름에 대한 변형 저항을 높이는 효과와, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 제어함으로써, 캐필러리 마모를 저감시켜, 캐필러리로부터 본딩 와이어가 안정적으로 조출되는 효과가 상승적으로 작용하였기 때문이라고 생각된다. 본딩 와이어에 포함되는 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상의 농도가 총계로 0.001질량％ 미만인 경우에는, 수지 밀봉 후의 루프 직진성을 개선하는 효과가 충분하지는 않다. P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.75질량％보다 많이 포함하는 경우에는, 와이어 강도가 지나치게 증가함으로써, 목적으로 하는 루프 형상을 형성하는 것이 곤란해지므로, 루프 직진성의 개선 효과가 충분하지는 않다.
본 실시 형태의 본딩 와이어가, Ag를 포함하는 경우에는, 우수한 루프 직진성의 개선 효과가 얻어지므로, 바람직하다.
(본딩 와이어의 제조 방법)
본 실시 형태의 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법에 대해 설명한다.
(용해 방법)
먼저, 구리의 순도가 4N 내지 6N(Cu 농도: 99.99질량％ 이상 99.9999질량％ 이하)인 고순도 구리를 사용하여, 첨가 원소를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 용해에 의해 제작한다. 용해에는, 아크 용해로, 고주파 용해로 등을 이용할 수 있다. 대기 중으로부터의 O2, H2 등의 가스의 혼입을 방지하기 위해, 진공 분위기 혹은 Ar이나 N2 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다. 용해 후에는 노 내에서 서랭하여 잉곳(주괴)을 제작한다. 용해에 의해 제조한 잉곳은 표면에 대해 산 세정, 알코올 세정을 행하고, 그 후 건조시키는 것이 바람직하다.
(합금화)
구리에 합금 원소를 첨가하여 합금화하는 경우에는, 구리와 고순도의 첨가 성분을 직접 용해하여 합금화하는 방법과, 구리에 첨가 원소를 3 내지 5질량％ 정도 함유하는 모합금을 미리 제작해 두고, 구리와 모합금을 용해하여 합금화하는 방법 등을 사용할 수 있다. 모합금을 이용하는 방법은, 저농도로 원소 분포를 균일화하는 경우에 유효하다. 본딩 와이어에 포함되는 원소의 농도 분석에는, ICP 발광 분광 분석 장치 등을 이용할 수 있다. 본딩 와이어의 표면에 산소, 탄소, 황 등의 원소가 흡착되어 있는 경우에는, 농도 분석을 행하기 전에 본딩 와이어의 표면으로부터 1 내지 2㎚의 영역을 스퍼터 등으로 깎고 나서 농도 분석을 행해도 된다. 그 밖의 방법으로서, 산세를 사용하는 방법도 유효하다.
(신선 가공, 열처리의 설명)
제조한 구리 합금의 잉곳은, 먼저 압연이나 단조 가공에 의해 굵은 직경으로 가공하고, 이어서 인발 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 가공해 가는 것이 바람직하다. 인발 가공에는, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수 개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용할 수 있다. 연속 신선 시에는, 다이스의 마모 및 와이어의 표면 흠집의 저감을 목적으로 하여, 윤활액을 사용하는 것이 바람직하다. 최종 선 직경에 도달하기 전단계인 중간 선 직경에서는, 인발 가공의 도중 단계에서, 변형 제거를 주 목적으로 하여 중간 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 최종 선 직경에서는, 본딩 와이어를 재결정시켜 파단 연신율을 조정하기 위한 최종 열처리를 행한다. 중간 열처리 및 최종 열처리는, 와이어를 연속적으로 스위프하면서 행하는 방법을 사용하는 것이 유효하다. 또한, 열처리 시의 본딩 와이어 표면의 산화를 가능한 한 억제할 목적으로, Ar 가스나 N2 가스를 환류시키면서 행하는 것이 바람직하다. 산화를 더 방지하기 위해 H2를 수 ％ 포함하는 것도 유효하다.
(와이어 표면의 결정 방위의 제어 방법)
와이어 표면의 결정 방위는, 와이어의 인발 가공 조건이나 최종 열처리 조건을 제어하는 것이 유효하다. 그 대표적인 제어 방법을 이하에 나타낸다. 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하로 제어하는 방법의 일례를 나타낸다. 인발 가공을 행하면, 와이어 표면의 결정 방위는, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 <110> 결정 방위의 존재 비율이 증가하는 경향이 있다. 한편, 인발 가공을 행한 후에 열처리를 행하면, 재결정이 일어나, 상기 <110> 결정 방위는 감소하고, 상기 <111> 결정 방위는 증가하는 경향이 있다. 와이어 표면의 결정 방위를 제어하기 위해서는, 인발 가공에 의해 상기 <110> 결정 방위를 발달시킨 후, 최종 열처리에 의해 재결정시킴으로써, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 제어하는 것이 유효하다.
먼저, 인발 가공의 적정 조건에 대해 설명한다. 인발 가공에 있어서, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 발달시키기 위해서는, 인발 가공의 가공률을 증가시키는 것이 유효하다. 인발 가공에 있어서의 가공률을 다음 식으로 정의한다.
P＝{(R1 2-R2 2)/R1 2}×100
P: 인발 가공의 가공률
R1: 인발 가공 전의 와이어의 직경(㎜), R2: 최종 제품의 와이어 직경(㎜)
본 실시 형태의 본딩 와이어를 제조하기 위해서는, 인발 가공의 가공률을 92％ 이상 100％ 미만의 범위로 하는 것이 유효하다. 이것은, 인발 가공의 가공률이 92％ 이상이면, 인발 가공 직후의 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율을 증가시킬 수 있기 때문이다. 또한, 그 후의 최종 열처리를 적정한 온도 범위에서 행하면, 또한 상기 <111> 결정 방위를 증가시킬 수 있고, 최종적으로 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 40％ 이상으로 제어할 수 있다. 최종 제품의 와이어 선 직경에 도달하기 전에 중간 열처리를 행하는 경우에는, 중간 열처리를 행한 선 직경을, 인발 가공 전의 와이어의 직경(R1)으로서 사용한다.
다음으로, 최종 열처리의 적정 조건에 대해 설명한다. 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계의 값에 영향을 미치는 최종 열처리의 조건은, 주로 열처리 온도, 열처리 시간과 강온 프로세스이다.
최종 열처리의 온도 및 열처리 시간은, 각각 350℃ 이상 670℃ 이하, 0.05초 이상 1.6초 이하로 하는 것이 유효하다. 이 열처리 온도 및 열처리 시간의 범위 내이면, 인발 가공에 의해 발달시킨 상기 <110> 결정 방위를 남기면서, 재결정에 의해 상기 <111> 결정 방위를 증가시킬 수 있다. 최종 열처리의 온도의 하한이 350℃, 열처리 시간의 하한이 0.05초인 이유는, 이들 하한 미만의 조건에서는, 재결정이 일어나기는 하지만, 본딩 와이어에 요구되는 강도나 신장 특성 등의 기계적 특성이 충분히 얻어지지 않기 때문이다. 최종 열처리의 온도의 상한이 670℃, 열처리 시간의 상한이 1.6초인 이유는, 이들 상한을 초과하는 조건에서는, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위 이외의 결정 방위가 발달하여, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가 40％ 미만이 되기 때문이다.
최종 열처리 후의 강온 프로세스에 대해 설명한다. 최종 열처리 후의 와이어는, 300℃ 이상 350℃ 미만의 온도 범위에서, 0.03초 이상 1.0초 미만 유지한 후, 실온까지 냉각하는 것이 유효하다. 이것은, 강온 중에 상기 온도 범위로 유지함으로써, 상기 <110> 결정 방위를 남기면서, <111> 결정 방위를 갖는 결정립을 우선적으로 성장시킬 수 있기 때문이다. 강온 프로세스의 온도, 유지 시간이 300℃ 미만, 0.03초 미만인 경우에는, 상기 <110> 결정 방위를 남기면서, <111> 결정 방위를 갖는 결정립을 우선적으로 성장시키는 효과가 얻어지지 않는다. 강온 프로세스의 온도, 유지 시간이 350℃ 이상, 1.0초 이상이 되면, 재결정 등이 일어남으로써, 상기 <110> 결정 방위가 저하되어, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가 40％ 미만이 될 가능성이 있기 때문이다. 이 강온 프로세스는, 예를 들어 와이어를 연속적으로 스위프하는 구조를 상정한 경우, 와이어에 열처리를 행한 후에, 불활성 가스를 순환시킨 장소를 마련하여, 그 장소를 통과시키는 기구로 하는 것이 유효하다. 이러한 최종 열처리에 의해 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계를 40％ 이상 90％ 이하의 범위로 제어할 수 있다.
(와이어 표면의 와이어 중심축 방향에 대한 결정 방위의 제어 방법)
와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율을, 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하로 제어하는 방법에 대해 설명한다. 상기 <100> 결정 방위를 제어하기 위해서는, 인발 가공 시의 와이어의 이송 속도와 인발 가공의 가공률을 제어하는 것이 유효하다. 와이어의 이송 속도를 변화시킴으로써, 와이어 표면의 와이어 중심축 방향의 결정 방위의 발달에 기여하는 다이스와 와이어의 계면에 발생하는 마찰력을 제어할 수 있다. 인발 가공의 가공률을 높일수록, <100> 결정 방위가 증가하는 경향이 있다. 상기 <100> 결정 방위를 제어하기 위해서는, 와이어의 이송 속도는 500m/min 이상 700m/min 이하로 하는 것이 유효하다. 인발 가공의 가공률은, 95％ 이상으로 하는 것이 유효하다. 상기한 조건이면, 상기 <100> 결정 방위를, 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하로 제어할 수 있다. 와이어의 이송 속도가 500m/min 미만, 인발 가공의 가공률의 하한이 95％ 미만이면, 상기 <100> 결정 방위의 존재 비율이 30％ 미만이 되어 버린다. 와이어의 이송 속도가 700m/min 초과이면 다이스의 마모가 커져, 생산성의 저하가 문제가 된다.
(와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 결정 방위의 제어 방법)
와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계를, 평균 면적률로 25％ 이상 100％ 이하로 제어하는 방법에 대해 대표적인 제어 방법을 나타낸다. 상기 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위를 제어하기 위해서는, 인발 가공에 사용하는 다이스 1개당의 감면율을 제어하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 다이스 1개당의 가공률은 18％ 이상으로 하는 것이 유효하다. 여기서, 다이스 1개당의 가공률이란, 인발 가공 전의 와이어의 단면적에 대한, 인발 가공에 의해 감소한 와이어의 단면적 비율로 한다. 이것은, 다이스 1개당의 가공률을 18％ 이상으로 함으로써, 와이어 표면뿐만 아니라, 와이어 내부까지 인발 가공에 의한 결정의 회전이나 슬립 변형이 일어나기 때문이다.
실시예
(본딩 와이어의 제작 방법)
본딩 와이어의 제작 방법에 대해 설명한다. 원재료가 되는 Cu는 순도가 99.99질량％ 이상이고 잔부가 불가피 불순물로 이루어지는 것을 사용하였다. 본딩 와이어가, 첨가 원소로서 Ni, Pd, Pt, Au, P, In, Ga, Ge, Ag를 포함하는 경우에는, Cu와 이 원소들을 고주파 용해로에 의해 용해시켜, 합금화를 행하였다. 불가피 불순물 이외의 첨가 원소의 합계의 목표 농도가 0.5질량％ 미만인 경우에는, 첨가 원소를 고농도로 포함한 Cu 합금을 사용하여, 목적으로 하는 농도의 합금을 제조하였다.
용해 시의 분위기는, 산소 등의 불순물의 혼입을 최대한 방지하기 위해 Ar 분위기로 하였다. 용해에 의해 제조한 잉곳의 형상은, 직경이 수 ㎜인 원기둥 형상이다. 얻어진 잉곳에 대해, 표면의 산화막을 제거하기 위해, 황산, 염산 등에 의한 산 세정을 행하였다. 그 후, 잉곳에 대해, 압연 가공 및 단조 가공을 행하여, φ0.3 내지 0.5㎜의 와이어를 제작하였다. 그 후, 중간 열처리를 행하고, 또한 인발 가공에 의해 φ20㎛까지 가공하였다. 인발 가공 시의 와이어의 이송 속도는 500m/min 이상 700m/min 이하로 하였다. 윤활액은 시판되고 있는 것을 사용하였다. 이때, 다이스 1개당의 가공률은 19％ 이상 25％ 이하로 하였다. 인발 가공의 가공률은 92％ 이상 99.5％ 이하로 하였다. 중간 열처리 및 최종 열처리는, 350 이상 670℃ 이하의 온도에서, 와이어를 20 내지 700m/min의 이송 속도로 연속적으로 스위프하면서 행하였다. 열처리 시의 분위기는, 산화를 방지할 목적으로 N2 분위기 혹은 Ar 분위기로 하였다. 제작한 본딩 와이어의 구성은, 표 1에 나타내는 바와 같다.
(평가 방법)
본 실시 형태의 본딩 와이어에 포함되는 각 첨가 원소의 농도는, ICP 발광 분광 분석 장치를 사용하여 분석하였다. 본 평가에 사용한 본딩 와이어의 선 직경은 φ20㎛로 하였다.
본 실시 형태의 본딩 와이어의 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계의 값은, EBSD법에 의해 측정한 데이터로부터 산출하였다. 상기 존재 비율은, 와이어를 3m 간격으로 10개소의 측정값의 산술 평균으로 하였다. 상기 측정 영역은, EBSD의 측정을 행하는 화면 상에 있어서, 원주 방향이 5㎛(와이어 직경의 25％), 와이어 중심축 방향이 40㎛인 직선으로 둘러싸이는 영역으로 하였다. 또한 상기 측정 영역은, 시료대에 고정한 샘플의 원주 방향에 대해 가장 높은 위치가 포함되는 영역으로 하였다.
본 실시 형태의 본딩 와이어의 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율은, EBSD법에 의해 측정한 데이터로부터 산출하였다. 상기 존재 비율은, 와이어를 3m 간격으로 10개소의 측정값의 평균값으로 하였다. 측정 영역은, EBSD의 측정을 행하는 화면 상에 있어서, 원주 방향이 5㎛(와이어 직경의 25％), 와이어 중심축 방향이 40㎛인 직선으로 둘러싸이는 영역으로 하였다. 또한 상기 측정 영역은, 시료대에 고정한 샘플의 원주 방향에 대해 가장 높은 위치가 포함되는 영역으로 하였다.
본 실시 형태의 와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 본딩 와이어의 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계는, 와이어 단면을 Ar 이온빔으로 연마하여 노출시킨 후, EBSD에 의해 측정하였다. 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계는, 와이어를 3m 간격으로 10개소의 측정값의 산술 평균으로 하였다. 측정 영역은, 와이어 중심축 방향은 80㎛, 직경 방향은 20㎛로 하였다. 이때, 직경 방향은 와이어의 양단이 모두 포함되도록 측정 영역을 설정하였다.
(캐필러리 마모의 평가 방법)
캐필러리 마모의 평가는, 캐필러리 마모가 발생할 때까지 요한 본딩 와이어의 접합 시행 횟수에 의해 판정하였다. 캐필러리 및 접합 장치는 범용품을 사용하였다. 캐필러리 마모의 발생 유무의 판정은, 캐필러리의 선단의 구멍을 광학 현미경으로 관찰하여, 진원성이 유지되어 있으면 문제없음이라고 판단하고, 진원성이 손상되어 있으면 마모되어 있다고 판단하였다. 상술한 캐필러리의 관찰은, 접합 시행 횟수 500개마다 실시하였다. 접합 시행 횟수가 3000개 미만에서 캐필러리 마모가 발생한 경우는, 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점으로 하였다. 접합 시행 횟수가 3000개 이상 5000개 미만에서 캐필러리 마모가 발생한 경우에는, 실용상 문제 없다고 판단하여 1점으로 하였다. 접합 시행 횟수가 5000개 이상 7000개 미만에서 캐필러리 마모가 발생한 경우에는, 양호하다고 판단하여 2점으로 하였다. 접합 시행 횟수가 7000개 이상이라도 캐필러리 마모가 발생하지 않으면, 우수하다고 판단하여 3점으로 하였다. 평가 결과는, 표 2의 「캐필러리 마모」의 란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고, 그 이외는 합격이다.
(웨지 접합부의 테일 형상 변동의 평가 방법)
웨지 접합부의 테일 형상의 변동은, 웨지 접합의 연속 접합성 평가에 의해 평가할 수 있다. 이것은, 테일 형상의 변동이 크면 접합 강도 부족에 의해 웨지 접합부로부터 본딩 와이어가 박리되거나, 웨지 접합부 근방에서 본딩 와이어가 파단되므로, 접합 장치가 정지하기 때문이다. 웨지 접합에 있어서의 연속 접합성의 평가에는, 윈도 평가를 사용하였다. 윈도 평가는, 웨지 접합을 행할 때의 초음파와 하중의 파라미터를 변화시켜, 일정 횟수 연속 접합이 가능한 접합 조건의 확대에 의해 연속 접합성을 판정하는 방법이다. 캐필러리는 범용품을 사용하였다. 접합 장치는 Kulicke & Soffa사 제조 IConn을 사용하였다. 접합 상대의 전극에는, 리드 프레임에 Ag 도금을 실시한 전극을 사용하였다. 접합 시의 스테이지 온도는 175℃로 하였다. 초음파의 발진 출력의 파라미터를 20 내지 80, 하중의 파라미터를 20 내지 80의 범위에서, 각각 10씩 변화시켜, 합계 49조건에 대해 접합을 시행하였다. 49조건 중, 연속해서 200개 이상 접합 가능한 조건이 40조건 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점으로 하였다. 상기 조건이 40조건 이상 43조건 미만이면 실용상 문제 없다고 판단하여 1점으로 하였다. 상기 조건이 43조건 이상 45조건 미만이면 양호하다고 판단하여 2점으로 하였다. 상기 조건이 45조건 이상이면, 우수하다고 판단하여 3점으로 하였다. 평가 결과는, 표 2의 「웨지 접합의 윈도 평가」의 란에 표기하였다. 0점이 불합격이고, 그 이외는 합격이다.
(넥부의 와이어 손상의 평가 방법)
넥부의 와이어 손상의 평가는, 범용의 접합 장치를 사용하여 접합 후, 넥 부분을 관찰하여, 손상이 발생하였는지 여부를 평가하였다. 루프 길이는 2.5㎜, 루프 높이는 0.2㎜, 루프 형상은 사다리꼴로 하였다. 접합한 200개의 본딩 와이어의 넥 부분을 전자 현미경으로 관찰하여, 손상이 발생한 개소가 2개소 이상 있으면 불량이라고 판단하여 0점으로 하였다. 손상이 발생한 개소가 1개소이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 1점, 불량이 전혀 발생하지 않으면 우수하다고 판단하여 2점으로 하였다. 평가 결과는, 표 2의 「넥부의 와이어 손상」의 란에 표기하였다. 0점이 불합격, 그 이외는 합격이다.
(고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명의 평가 방법)
고온 고습 시험용의 샘플은, 일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.0㎛의 Al막을 성막한 전극에, 범용의 접합 장치를 사용하여 볼 접합을 행하고, 시판되고 있는 에폭시 수지에 의해 밀봉하여 제작하였다. 볼은 N2+5vol.％ H2 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 흐르게 하면서 형성하고, 볼 직경은 와이어 선 직경에 대해 1.5 내지 1.6배의 범위로 하였다. 고온 고습 시험의 시험 온도는 130℃, 상대 습도는 85％로 하였다. 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부의 수명은, 볼 접합부의 접합 강도가 시험 개시 전의 50％ 이하로 저하될 때까지 요하는 시간으로 하였다. 본 평가에서는, 볼 접합부의 접합 강도를 100시간마다 측정하였다. 볼 접합부의 접합 강도는, DAGE사 제조의 미소 강도 시험기를 사용하여 측정한 값을 사용하였다. 고온 고습 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하여 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10개소의 측정값의 평균값을 사용하였다. 상기한 평가에 있어서, 볼 접합부의 수명이 400시간 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 0점, 400시간 이상 600시간 미만이면 실용상 문제 없다고 판단하여 1점, 600시간 이상이면 우수하다고 판단하여 2점, 1000시간 이상이면 특히 우수하다고 판단하여 3점으로 표기하였다. 평가 결과는, 표 2의 「고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명」의 란에 표기하였다. 0점만이 불합격이고, 그 이외는 합격이다.
(루프 직진성의 평가 방법)
루프 직진성의 평가는, 범용의 접합 장치를 사용하여 접합 후, 수지로 밀봉하고, 루프 부분을 관찰하여, 루프가 구부러져 있는지 여부를 평가하였다. 루프 길이는 2.5㎜, 루프 높이는 0.2㎜로 하였다. 200개의 본딩 와이어의 루프 부분을 연X선 장치에 의해 관찰하여, 볼 접합부와 와이어 접합부를 직선으로 연결한 위치로부터 가장 이격되어 있는 위치가, 20㎛ 이상이면 불량으로 하였다. 불량의 개수가, 3개소 이상이면 불량이라고 판단하여 0점으로 하였다. 불량의 개수가 2개소이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 1점, 불량의 개수가 1개소이면 우수하다고 판단하여 1점, 불량이 전혀 발생하지 않으면 특히 우수하다고 판단하여 2점으로 하였다. 평가 결과는, 표 2의 「루프 직진성」의 란에 표기하였다. 0점이 불합격, 그 이외는 합격이다.
(평가 결과의 설명)
실시예 No.1 내지 72는, 반도체 장치용 구리 합금 본딩 와이어이며, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하이므로, 캐필러리 마모의 평가에 관하여, 모두 실용상 문제 없었다. 실시예 No.3 내지 72는, 상기 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 50％ 이상 85％ 이하이므로, 캐필러리 마모의 평가에 관하여, 양호한 평가 결과가 얻어졌다.
실시예 No.5 내지 72는, 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어이며, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하이므로, 웨지 접합의 윈도 평가에 관하여, 모두 양호한 평가 결과가 얻어졌다.
실시예 No.7 내지 72는, 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어이며, 와이어 중심축에 평행인 방향인 단면에 있어서의 결정 방위 중, 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111>과 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 25％ 이상 100％ 이하이므로, 넥부의 와이어 손상에 관하여, 우수한 평가 결과가 얻어졌다.
실시예 No.9 내지 22는, Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01질량％ 이상 1.5질량％ 이하 포함하므로, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명에 관하여, 우수한 평가 결과가 얻어졌다. 실시예 No.10, 11, 13, 14, 16, 17, 19 내지 22는, Pd, Pt를 포함하므로 특히 우수한 평가 결과가 얻어졌다.
실시예 No.59 내지 72는, P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함하므로, 루프 직진성, 캐필러리 마모, 넥부의 와이어 손상에 관하여, 우수한 평가 결과가 얻어졌다. 실시예 No.63, 68 내지 72는, Ag를 포함하므로, 루프 직진성에 관하여, 특히 우수한 효과를 나타냈다.
실시예 No.23 내지 58은, Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01질량％ 이상 1.5질량％ 이하 포함하고, 또한 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함하므로, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명, 캐필러리 마모, 웨지 접합부의 테일 형상의 변동, 루프 직진성에 관하여, 우수한 평가 결과가 얻어졌다. 실시예 No.27, 32 내지 40, 45, 50 내지 58은, Ag를 포함하므로, 루프 직진성에 관하여 특히 우수한 효과를 나타냈다. 실시예 No.23 내지 58은, Pd, Pt를 포함하므로, 고온 고습 시험에 있어서의 볼 접합부 수명에 관하여, 특히 우수한 평가 결과가 얻어졌다.
Figure 112020023986059-pct00001
Figure 112020023986059-pct00002

Claims (6)

  1. 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어이며, 와이어 표면의 결정 방위 중, 와이어 중심축을 포함하는 하나의 평면에 수직인 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <110> 결정 방위와 <111> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 40％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 표면의 결정 방위 중, 상기 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 존재 비율이, 평균 면적률로 30％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 와이어 중심축에 평행인 방향의 단면에 있어서의 결정 방위 중, 상기 와이어 중심축 방향에 대해 각도 차가 15도 이하인 <111> 결정 방위와 <100> 결정 방위의 존재 비율의 합계가, 평균 면적률로 25％ 이상 100％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    Ni, Pd, Pt, Au 중 1종 이상을 총계로 0.01질량％ 이상 1.5질량％ 이하 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
  6. 제4항에 있어서,
    또한 P, In, Ga, Ge, Ag 중 1종 이상을 총계로 0.001질량％ 이상 0.75질량％ 이하 포함하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 Cu 합금 본딩 와이어.
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