KR20090086448A - 반도체 장치용 본딩 와이어 - Google Patents

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도모히로 우노
유끼히로 야마모또
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신닛테츠 마테리알즈 가부시키가이샤
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    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48639—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644—Gold (Au) as principal constituent
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Abstract

본 발명은, 볼부의 형성성, 접합성을 개선하고, 루프 제어성도 양호하고, 웨지 접속의 접합 강도를 높이고, 공업 생산성도 확보하고, 금 와이어보다도 저렴한 구리를 주체로 하는 본딩 와이어를 제공하는 것이며, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 2종 이상이고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 갖는 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어이다.
코어재, 본딩 와이어, 볼, 네크부, 피복층

Description

반도체 장치용 본딩 와이어{BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 반도체 소자 상의 전극과 회로 배선 기판(리드 프레임, 기판, 테이프)의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자 상의 전극과 외부 단자와의 사이를 접합하는 본딩 와이어로서, 선 직경 20 내지 50 ㎛ 정도의 세선(細線)(본딩 와이어)이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합에는 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이고, 범용 본딩 장치, 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 이용하는 캐필러리 지그 등이 이용된다. 와이어 선단부를 아크 입열로 가열 용융하고 표면 장력에 의해 볼을 형성시킨 후에, 150 내지 300 ℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합시키고, 그 후에 직접 와이어를 외부 리드측에 초음파 압착에 의해 접합시킨다.
최근, 반도체 실장의 구조ㆍ재료ㆍ접속 기술 등은 급속하게 다양화되어 있고, 예를 들어 실장 구조에서는 현행의 리드 프레임을 사용한 QFP(Quad Flat Packaging)에 부가하여, 기판, 폴리이미드 테이프 등을 사용하는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Packaging) 등의 새로운 형태가 실용화되고, 루프성, 접합성, 대량 생산 사용성 등을 더욱 향상시킨 본딩 와이어가 요구되고 있다. 그러한 와이어의 접속 기술에서도, 현재 주류의 볼/웨지 접합 외에 협피치화에 적합한 웨지/웨지 접합에서는, 2군데의 부위에서 직접 와이어를 접합하기 때문에 세선의 접합성의 향상이 요구된다.
본딩 와이어의 접합 상대가 되는 재질도 다양화되어 있어, 실리콘 기판 상의 배선, 전극 재료로는, 종래의 Al 합금에 부가하여 보다 미세 배선에 적합한 Cu가 실용화되어 있다. 또한, 리드 프레임 상에는 Ag 도금, Pd 도금 등이 실시되어 있고, 또한 수지 기판, 테이프 등의 위에는 Cu 배선이 실시되고, 그 위에 금 등의 귀금속 원소 및 그 합금의 막이 실시되어 있는 경우가 많다. 이러한 다양한 접합 상대에 따라서, 와이어의 접합성, 접합부 신뢰성을 향상시키는 것이 요구된다.
본딩 와이어의 소재는 지금까지 고순도 4N계(순도 ＞ 99.99 mass%)의 금이 주로 이용되고 있다. 그러나, 금은 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 다른 종류의 금속의 본딩 와이어가 요구되고 있다.
와이어 본딩 기술에서의 요구로는, 볼 형성시에 진구성(眞球性)이 양호한 볼을 형성하고, 그 볼부와 전극과의 접합부에서 충분한 접합 강도를 얻는 것이 중요하다. 또한, 접합 온도의 저온화, 와이어의 세선화 등에 대응하기 위해서도 회로 배선 기판 상의 배선부에 와이어를 웨지 접속한 부위에서의 접합 강도, 인장 강도 등도 필요하다.
고점성의 열경화 에폭시 수지가 고속 주입되는 수지 밀봉 공정에서는, 와이 어가 변형되어 인접 와이어와 접촉하는 것이 문제가 되고, 게다가 협피치화, 장와이어화, 세선화도 진행되는 가운데, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 조금이라도 억제하는 것이 요구되고 있다. 와이어 강도의 증가에 의해 이러한 변형을 어느 정도 제어할 수는 있지만, 루프 제어가 곤란해지거나 접합시의 강도가 저하되는 등의 문제가 해결되지 않으면 실용화는 어렵다.
이러한 요구를 만족하는 와이어 특성으로서, 본딩 공정에 있어서의 루프 제어가 용이하고, 게다가 전극부, 리드부에의 접합성도 향상되고 있어, 본딩 이후의 수지 밀봉 공정에 있어서의 과잉의 와이어 변형을 억제하는 것 등의 종합적인 특성을 만족하는 것이 요망되고 있다.
재료비가 저렴하고, 전기 전도성이 우수하고, 볼 접합, 웨지 접합 등도 높이기 위해 구리를 소재로 하는 본딩 와이어가 개발되고, 일본 특허 공개 소57-149744호 공보나 일본 특허 공개 소61-99645호 공보 등에 개시되어 있다. 그러나, 구리의 본딩 와이어에서는 와이어 표면의 산화에 의해 접합 강도가 저하되는 것이나, 수지 밀봉되었을 때의 와이어 표면의 부식 등이 발생하기 쉬운 것이 문제가 된다. 이것이 구리의 본딩 와이어의 실용화가 진행되지 않는 원인으로도 되어 있다.
그래서, 구리 본딩 와이어의 표면 산화를 방지하는 방법으로서, 일본 특허 공개 소62-97360호 공보에는, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 크롬, 티탄 등의 귀금속이나 내식성 금속으로 구리를 피복한 와이어가 제안되어 있다. 또한, 볼 형성성, 도금액의 열화 방지 등의 면으로부터, 일본 특허 공개 제2004-64033호 공보에는, 구리를 주성분으로 하는 코어재, 상기 코어재 상에 형성된 구리 이외의 금 속으로 이루어지는 이종 금속층, 및 상기 이종 금속층 상에 형성되고 구리보다도 고융점의 내산화성 금속으로 이루어지는 피복층의 구조를 한 와이어가 제안되어 있다.
구리 본딩 와이어의 실용상의 문제로서, 와이어 표면이 산화되기 쉬운 것, 접합 강도가 저하되는 것 등이 발생하기 쉬운 것을 예로 들 수 있다. 또한, 고순도 구리 본딩 와이어에서는, 와이어 강도가 불충분하므로 수지 밀봉시의 와이어 변형이 큰 것, 네크부의 인장 강도가 낮은 것, 저루프화가 곤란한 것 등의 문제에 의해, 응용할 수 있는 반도체 제품이 적은 것도 문제이다. 그래서, 구리 본딩 와이어의 표면 산화를 방지하는 수단으로서, 와이어 표면에 귀금속이나 내산화성의 금속을 피복하는 것이 가능하다.
반도체 실장의 고밀도화, 소형화, 박형화 등의 필요성을 고려하여 본 발명자들이 평가한 결과, 구리 본딩 와이어의 표면을 구리와 다른 금속으로 피복한 구조의 종래의 피복 구리 와이어(이하, 종래 복층 구리 와이어라 기재함)에서는, 후술하는 실용상의 문제가 많이 남겨져 있는 것이 판명되었다.
종래 복층 구리 와이어의 선단부에 볼을 형성한 경우, 진구로부터 어긋난 편평 볼이 형성되거나, 볼 내부에 용융되지 않는 와이어가 남는 것이 문제가 된다. 이러한 정상이 아닌 볼부를 전극 상에 접합하면, 접합 강도의 저하, 칩 손상 등의 문제를 일으키는 원인이 된다. 또한, 저루프화 등의 엄격한 루프 제어에 수반하여, 네크부에 손상이 발생하기 쉽고, 인장 강도가 저하되는 경우도 있다.
종래 복층 구리 와이어로 복잡한 루프 제어 등을 실시하면, 피복층과 구리와 의 계면에서 박리되는 것 등으로 루프 형상이 불안정해지거나, 협피치 접속에서는 인접 와이어가 전기적 쇼트를 일으키는 것이 우려된다.
종래 복층 구리 와이어를 회로 기판 등의 전극에 웨지 접속할 때에, 피복층과 코어재와의 계면의 박리나, 와이어와 전극의 접합부로부터 피복층이 배출되어 구리가 직접 접합하는 것 등에 의해, 접합 강도가 불안정해지거나 저하되는 것 등이 우려된다.
전술한 종래 복층 구리 와이어의 문제를 개선할 인자로서, 피복층의 두께를 제어하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 피복층을 두껍게 하면, 웨지 접속 등의 개선은 기대되지만, 도금이나 증착 등으로 두꺼운 피복층을 형성함으로써, 생산성의 저하, 재료비의 상승 등의 공업 생산면에서 문제가 발생한다. 또한, 피복층을 두껍게 하면, 용융된 볼부 내에서 구리 이외의 원소의 농도가 상승함으로써 볼부가 경화되어 버려 볼 접합부에 칩 손상을 부여하는 것이 문제가 된다.
그 반대로, 종래 복층 구리 와이어의 피복층을 얇게 하는 것만으로는, 피복층과 코어재와의 계면에서의 박리가 발생하거나, 산화 방지나 웨지 접속의 개선 등이 어려워지는 문제가 발생한다.
또한, 금후 구리 와이어의 실용화를 추진하기 위해서는, 파워 IC 용도로 금 와이어에서는 별로 이용되지 않는 50 ㎛ 직경 이상의 굵은 선, 한편 구리의 고도전성을 활용하는 20 ㎛ 직경 이하의 세선에 충분히 적응하고, 특성에서는 굵은 선의 접합성 향상, 협피치의 작은 볼 접합, 저온 접합, 적층 칩 접속의 역본딩 등 더욱 엄격한 요구에의 적응이 필요해진다.
본 발명에서는, 상술하는 바와 같은 종래기술의 문제를 해결하여, 볼부의 형성성, 접합성을 개선하고, 루프 제어성도 양호하고, 웨지 접속의 접합 강도를 높이고, 공업 생산성도 확보하고, 금 와이어보다도 저렴한 구리를 주체로 하는 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 하기의 구성을 요지로 한다.
(1) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 및 니켈로부터 선택되는 2종 이상이고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(2) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 2종 이상이고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하는 동시에, 표피층의 주성분 중 적어도 1종이 와이어 직경 방향으로 증가와 감소의 양방의 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(3) 상기 표피층의 표면측에, 또한, 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 단일 금속 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(4) 상기 표피층의 내부에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 단일 금속 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(5) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 표피층의 표면측에 구리의 단일 또는 30 ㏖% 이상 구리를 함유하는 합금으로 이루어지는 최표면 영역을 갖고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속의 적어도 1종과 구리가 와이어의 직경 방향으로 증가와 감소의 양방의 농도 구배를 갖는 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(6) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 표피층의 표면측에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 2종 이상을 0.1 ㏖% 이상의 균일 농도로 함유하는 합금으로 이루어지는 최표면 영역이 존재하고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속의 적어도 1종과 구리의 농도 구배를 갖는 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(7) 상기 표피층 내에 금속간 화합물상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(8) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층 내에 와이어의 직경 방향으로 구리의 농도 구배를 갖고, 상기 표피층의 표면의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(9) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층 내에 와이어의 직경 방향으로 구리의 농도 구배와 금속간 화합물상을 갖고, 상기 표피층의 표면의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
*(10) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(11) 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속의 농도 구배를 갖는 영역이 존재하고, 상기 영역의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것을 특징으로 하는 (10)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(12) 상기 표피층 내에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 20 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.008 ㎛인 것을 특징으로 하는 (10) 또는 (11) 에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(13) 상기 표피층 내에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 40 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.006 ㎛인 것을 특징으로 하는 (10) 또는 (11)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(14) 상기 표피층의 표면측에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 와이어의 직경 방향으로 일정한 영역이 존재하고, 상기 영역의 두께가 0.007 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 (10) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(15) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛이고, 상기 표피층 내에서는 구리 이외의 도전성 금속이 최고 농도가 40 ㏖% 미만이고, 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(16) 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛이고, 최표면의 구리 농도가 50 내지 95 ㏖%의 범위이고, 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(17) 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 (8) 내지 (16)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(18) 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상이고, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 총합으로 1 내지 300 질량 ppm의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 (8) 또는 (9)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(19) 상기 표피층의 표면에서 도전성 금속 또는 구리가 농도 편중을 갖는 것을 특징으로 하는 (10) 내지 (16) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(20) 상기 표피층의 결정립계에 구리가 농화되어 있는 것을 특징으로 하는 (8) 내지 (13), (15) 내지 (18) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(21) 상기 표피층을 구성하는 구리 이외의 도전성 금속의 총합이 와이어 전체에 차지하는 함유량으로 0.02 내지 10 ㏖%의 범위인 것을 특징으로 하는 (8), (9), (17), (18) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(22) 와이어 전체에 차지하는 구리 이외의 도전성 금속 농도가 총합으로 0.002 내지 0.3 ㏖%의 범위인 것을 특징으로 하는 (8) 내지 (14), (16), (18), (19) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(23) 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 총합으로 1 내지 300 질량 ppm 함유하는 것을 특징 으로 하는 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(24) 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 은, 주석 또는 금으로부터 선택되는 1종 이상을 총합으로 0.1 내지 10 질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7), (23) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(25) 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 은, 주석 또는 아연으로부터 선택되는 1종 이상을 총합으로 0.02 내지 30 질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 (8), (9), (17), (18), (20), (21) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(26) 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ba, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 와이어 전체에 대한 상기 첨가 원소 농도의 총합으로 0.001 내지 0.03 질량%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 (10), (15), (16) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
*(27) 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ag, Pt, Pd, Sn 또는 Zn으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 와이어 전체에 대한 상기 첨가 원소 농도의 총합으로 0.01 내지 0.3 ㏖%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 (10), (15), (16) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어에 의해, 재료비가 저렴하고, 볼 접합성, 와이어 접합성 등이 우수하고, 루프 형성성도 양호한 협피치용 세선화, 파워계 IC 용도의 굵은 직경화에도 적용하는 구리계 본딩 와이어를 제공하는 것이 가능해 진다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 본딩 와이어는 구리를 주성분으로 하는 코어재로 하고, 그 위에 형성된 코어재와 다른 조성의 도전성 금속 혹은 도전성 금속과 구리로 이루어지는 표피층을 형성한 본딩 와이어를 제공하는 것이다. 크게 구별하면, <1> 표피층에 구리 또는 도전성 금속의 농도 구배를 존재시킨 본딩 와이어이고, 혹은 <2> 또한, 표피층의 내부에 구리의 농도 구배를 존재시키는 동시에 표면 영역의 구리의 농도를 높이거나, 혹은 구리를 노출시킨 본딩 와이어이며, 혹은 또한 <3> 표피층의 두께를 제어한 본딩 와이어를 제공하는 것이다.
*우선, <1>의 표피층에 구리 또는 도전성 금속의 농도 구배를 존재시킨 본딩 와이어[(1) 내지 (7), (23), (24)]에 대해 설명한다.
본 발명의 본딩 와이어는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층으로 구성되어 있다. 단, 구리의 코어재와 표피층의 단순한 2층 구조에서는, 볼 형성, 접합성, 루프 제어 등이 충분하지 않아, 단일층의 구리 와이어보다도 특성 열화가 발생하는 경우가 있다. 그래서, 단일층의 구리 와이어보다도 특성을 종합적으로 개선하기 위해, 본 발명의 상기 표피층에서는, 구리 및 상기 도전성 금속의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배 영역을 갖는다.
또한, 구리의 농도 구배만으로는 본딩 와이어 공정의 생산성이 현행 주류의 금 본딩 와이어보다도 저하될 경우가 있다. 그래서, 금 본딩 와이어와 동등 이상 으로 생산성을 향상시키는 표피층의 구성으로서, 구리 이외에 2종류 이상의 도전성 금속의 주성분이 농도 구배를 갖는 표피층, 그 주성분의 단일 금속 영역이 표면 또는 내부에 형성된 표피층, 주성분의 일정 농도의 합금 영역을 최표면 영역에 갖는 표피층 등을 특징으로 하는 것이 유효한 것을 발견하였다. 또한, 코어재에 특정한 원소를 갖는 구리 합금으로 하는 방법도 유효하다.
표피층과 코어재와의 경계는, 표피층을 구성하는 도전성 금속의 검출 농도가 10 ㏖% 이상의 영역으로 한다. 이 근거는, 본 발명의 표피층의 구조로부터 특성의 개선 효과를 기대할 수 있는 영역인 것, 특성 발현에 도전성 금속의 농도가 연속적으로 변화되는 경우가 많고, 그것을 평가하기 위한 통상의 정량 분석의 정밀도 등을 종합적으로 판단하여, 도전성 금속의 농도가 10 ㏖% 이상인 영역으로 하였다. 바람직하게는, 15 ㏖% 이상의 영역이면, 정량 분석의 정밀도가 상승하여 측정이 보다 간편해진다.
농도 구배를 구성 원소로 분류하면, 코어부를 구성하는 구리 원소의 유무에 의해 2종류로 구별된다. 즉, 코어부를 구성하는 구리 원소와 도전성 금속 원소로 이루어지는 농도 구배(이하, A형 농도 구배라 함)와, 코어부를 구성하는 구리 원소를 포함하지 않고 도전성 금속 원소만으로 이루어지는 농도 구배(이하, B형 농도 구배라 함)로 나눌 수 있다.
농도 구배의 정의는, 깊이 방향으로의 농도 변화의 정도가 1 ㎛당 5 ㏖% 이상인 것이 바람직하다. 이 변화를 넘으면, 전술한 농도 구배를 갖는 표피층으로서의 개선 효과를 기대할 수 있고, 정량 분석의 정밀도상으로도 재현 좋은 결과를 얻 을 수 있는 등의 이유에 관계된다. 단, 와이어 중의 원소 농도가 국소적으로 상하 이동하고 있는 경우, 불균일하게 분포되어 있는 경우 등과는 구별한다. 바람직하게는, 1 ㎛당 10 ㏖% 이상이면 제조가 용이하다. 더욱 바람직하게는, 1 ㎛당 20 ㏖% 이상이면, 표피층과 코어재의 다른 특성을 손상시키지 않고 서로 이용하는 높은 효과를 기대할 수 있다. 또한, 표피층을 두께를 제어한 본딩 와이어의 경우의 농도 구배에 대해서는 후술한다.
생산성 및 품질 안정성 등의 면으로부터, 표피층 내의 농도 구배는 연속적으로 변화되고 있는 것이 적합하다. 즉, 농도 구배의 경사 정도는, 표피층 내에서 반드시 일정할 필요는 없고, 연속적으로 변화하고 있어도 상관없다. 예를 들어 피복층과 코어재와의 계면 또는 최표면 근방 등에서의 농도 변화의 경사가 피복층의 내부와 다르거나, 지수 함수적으로 농도 변화되어 있는 경우라도 양호한 특성을 얻을 수 있다.
농도 구배 영역은 원자의 확산에 의해 형성된 영역인 것이 바람직하다. 이것은 확산으로 형성된 층이면, 국소적인 박리, 균열 등의 불량의 가능성이 낮은 것, 연속적인 농도 변화의 형성 등이 용이한 것 등의 이점이 많기 때문이다.
표피층을 합금의 조성, 농도 분포 등으로 적정화하는 기술을 구체적으로 설명한다.
구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층으로 구성되고, 상기 표피층은 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 2종 이상의 금속을 함유하고, 또한 상기 표피층의 내부에 주성분 금속 또 는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하는 본딩 와이어가 바람직하다.
이는, 표피층에 구리 이외의 2종 이상의 도전성 금속 원소를 갖고, 또한 코어부의 구리 원소를 포함하는 A형 농도 구배와, 코어부의 구리 원소를 포함하지 않고 도전성 금속 원소만으로 이루어지는 B형 농도 구배를 가짐으로써, 표피층의 원소 분포가 거의 균질인 합금화보다도 전기 저항의 증가 등을 억제하면서 볼 형성성, 와이어 강도, 루프 제어, 접합 강도 등을 개선할 수 있다. 농도 구배의 효과에 대해, 표피층과 코어부의 경계 근방의 A형 농도 구배는 와이어의 곡절부로 이루어지는 루프 형성의 안정성을 향상시키고, 표피층의 내부에 형성되는 B형 농도 구배는 볼 형성성, 와이어 강도의 향상 등에 유효하다.
표피층의 주요 원소가 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 1종뿐인 경우에, 종래의 표피층이 없는 구리 와이어보다는 루프 형상, 수지 흐름 제어 등은 개선되고 있지만, 현행의 금 와이어와 비교하면, 적정한 본딩 조건이 다르거나, 대량 생산 레벨에서 볼 형상, 루프 형상, 접합 강도 등을 종합적으로 향상시키는 것이 곤란하다. 표피층이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 2종 이상의 금속으로 구성됨으로써 요구 특성을 종합적으로 개선하고, 범용의 금 본딩 와이어와 동등한 특성을 갖는 것을 발견하였다. 또한, 표피층/코어재의 계면 근방에 확산 등에 의해 구리 원소의 농도 구배를 가짐으로써, 루프 형성시의 강제적인 굽힘에 의해서도 표피층의 박리를 억제하여 안정된 루프 형상을 얻을 수 있다.
표피층을 구성하는 원소의 조합에 대해, 금-팔라듐, 금-백금, 금-로듐, 금- 은, 금-니켈계에서는 웨지 접합성의 개선이 현저하고, 팔라듐-백금, 팔라듐-니켈, 팔라듐-로듐 등에서는 볼 형상의 진구성이 매우 양호한 것을 확인하였다. 이들 기능을 향상시키기 위한 표피층의 평균 합금 비율에 대해, 금-팔라듐, 금-백금, 금-로듐, 금-은, 금-니켈계에서는 금의 구성비를 50 내지 90 %로 함으로써, 웨지 접합성을 종래의 구리 와이어보다도 개선하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 팔라듐-백금, 팔라듐-니켈계에서는 팔라듐의 구성비를 40 내지 90 %로 함으로써, 아크 방전이 안정화되어, 볼 형상의 진구성이나 치수 변동 등을 향상시키는 효과를 높일 수 있다. 루프 형상의 제어 등을 고려하여, 상기 예시한 원소의 조합으로도 가능하다.
표피층이 3종 이상의 원소로 구성됨으로써, 상기한 특성 개선을 더욱 높이는 것도 가능하고, 금-팔라듐-백금, 금-팔라듐-은, 금-백금-니켈 등을 예시할 수 있다.
농도 구배 영역의 두께의 총합은, 표피층의 두께의 10 % 내지 100 %인 것이 바람직하고, 이것은 10 % 이상의 두께이면 평균적인 합금화의 경우에 비해 기능 향상되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 바람직하게는 20 % 내지 80 %이면, 전기 특성을 개선하는 효과를 높일 수 있다. 농도 구배의 정도는, 깊이 방향으로의 농도 변화가 1 ㎛당 2 ㏖% 이상이면, 본딩 공정의 생산성을 높이는 효과를 확보할 수 있다.
또한, 표피층은 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 2종 이상의 주요 금속(이하, 표피 주요 금속이라 칭함)을 함유하고, 표피층 내에 와이어 직경 방향으 로 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하는 동시에, 적어도 1종 이상의 표피 주요 금속의 농도 구배가 깊이 방향으로 증가와 감소의 양방이 존재하는 것이 바람직하다. 여기서, 표면으로부터 깊이 방향으로 농도가 감소하는 경우를 마이너스의 농도 구배, 농도가 증가하는 경우를 플러스의 농도 구배라 한다. 비교로서, 표피층과 코어재와의 경계에만 농도 구배가 존재하는, 표피 주요 금속이 마이너스의 농도 구배만을 갖고 있는 경우에는, 루프 형상, 웨지 접합성 등을 더욱 안정화시키는 것이 곤란하다. 그래서, 동일 원소의 플러스와 마이너스의 농도 구배가 동시에 존재함으로써, 표피층과 코어재와의 밀착성이 개선되고, 루프 높이의 변동 저감 등의 루프 형상의 안정화, 또한 웨지 접합에서의 변형 형상의 안정화, 접합부의 벗겨짐 불량의 저감 등을 개선할 수 있다. 이는, 불균일한 외력이나 충격 등이 와이어에 가해져도 플러스와 마이너스의 농도 구배가 서로 간섭하여 변형의 안정화를 촉진하기 때문이라 생각된다.
동일 원소의 플러스 및 마이너스의 농도 구배의 일례로서, 표피층의 주성분이 금, 팔라듐이고, 표면측에 금이 많은 경우에 팔라듐 원소의 농도 구배를 비교하면, 표피층 내의 금과 팔라듐으로 구성되는 B형 농도 구배의 부위에는, 팔라듐은 플러스의 농도 구배가 존재하고, 표피층과 코어부의 경계 근방에 팔라듐과 코어부의 구리로 구성되는 A형 농도 구배의 부위에는, 팔라듐은 마이너스의 농도 구배를 존재시킨 본딩 와이어를 제작할 수 있다.
표피층이 합금만으로 구성되는 경우에는, 고주파 IC 용도에서는 전기 저항의 증가 등이 우려된다. 그래서, 단일 금속 영역을 형성하면, 전기 특성 등을 개선할 수 있는 것을 발견하였다. 여기서의 단일 금속 영역이라 함은, 주요한 원소는 1종류이고, 그 이외의 금속계 원소의 농도의 총합이 0.01 ㏖% 미만이다. 단일 금속 영역과 합금층의 양자 모두 가장 표면에서의 C, S, Na 등의 표면 오염, O, N, H 등의 원소 등은 고려하지 않는다. 단일 금속 영역의 부위에 대해, 최표면과 표피층 내부로 구별되고, 각각에 대해 후술한다.
구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 형성된 표피층으로 구성되고, 상기 표피층은 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 2종 이상의 표피 주요 금속을 함유하고, 또한 상기 표피층의 내부에 표피 주요 금속과 구리의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하고, 최외표면에 표피 주요 금속 중 1종으로 이루어지는 단일 금속 영역을 갖는 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 이는, 와이어의 최표면에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈의 1종으로 이루어지는 단일 금속 영역을 가짐으로써 전기 특성을 향상시키고, 또한 볼부의 균일 조직을 촉진시킴으로써 압착 볼 형상이 안정화되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 형성된 표피층으로 구성되고, 상기 표피층은 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 2종 이상의 표피 주요 금속을 함유하고, 또한 상기 표피층의 내부에 표피 주요 금속 중 1종으로 이루어지는 단일 금속 영역과, 표피 주요 금속과 구리의 농도 구배를 갖는 부위를 갖는 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 이는, 단일 금속 영역을 표피층 내부에 형성시킴으로써, 전기 특성의 향상에 부가하여, 볼 근방의 네크부에 있어서의 열 영향 조직을 제어함으로써, 인장 강도의 증가나, 저루프화에도 대응 가능해지는 것 등이 이 점이다. 여기서, 네크부가 열 영향을 받을 때, 내부의 단일 금속 영역이 확산의 공급원으로서 작용하여, 단일 금속 영역의 양측에 확산층을 형성하여 인장 강도를 증가시키고, 또한 재결정의 억제에 의한 저루프화가 가능해진다고 생각할 수 있다.
최표면을 표피 주요 금속의 합금으로 함으로써, 표면의 합금부가 고강성에 기여하여, 장스팬화에서의 와이어 늘어짐의 방지, 직선성의 개선, 와이어 표면의 마모의 저감 등에 유효하다. 또한, 단일 금속 영역을 최표면과 표피층 내부의 양방에 형성시킴으로써, 전기 특성, 웨지 접합성, 인장 강도의 증가 등이 가능하다.
단일 금속 영역을 포함하는 와이어에 대해, 전술한 팔라듐-금 계를 예로, 표피층의 내부 구성을 구체적으로 설명한다. 와이어 표면으로부터 와이어 중심 방향으로, 금의 단일 금속 영역/(팔라듐과 금의 농도 구배층)/(금, 팔라듐, 구리의 농도 구배층)/(팔라듐, 구리의 농도 구배층)으로 대표되는 3원소가 혼재하는 농도 구배층을 갖는 제1 구성, (팔라듐과 금의 합금)/금/(금과 구리의 농도 구배 영역)/코어재와 같이 중간에 단일 금속 영역을 갖는 제2 구성, 금의 단일 금속 영역/(팔라듐과 금의 농도 구배층)/팔라듐 단일 금속 영역/(팔라듐과 구리의 농도 구배층)으로 대표되는 중간에 단일 금속 영역을 갖는 제3 구성 등을 예로 들 수 있다.
제1, 제3 구성에서는 최표면에 금 등의 단일 금속 영역이 접합 계면의 확산을 조장함으로써, 웨지 접합부의 접합 강도가 높고, 저온 접속에 있어서의 생산성의 향상 등에 유리하다. 게다가, 제1 구성에서는, 3원계 등보다 다수의 농도 구배층을 유효하게 이용함으로써, 와이어 강도의 증가, 또는 수지 흐름의 저감도 기대된다. 제2 구성에서는, 표면의 합금부에 의해 장스팬화에서의 와이어 늘어짐의 방 지, 직선성의 개선 등에 유리하다. 제3 구성에서는, 팔라듐, 금 모두 단일의 금속 영역을 가짐으로써, 농도 구배 영역을 얇게 하면, 전기 특성의 개선 효과를 보다 높일 수 있다.
농도 구배에 착안하면, 한층 특성 개선으로서, 제1, 제3 구성 모두, 표피 주요 금속인 팔라듐은 플러스와 마이너스의 농도 구배를 갖고 있으므로, 전술한 바와 같이 이것이 루프 형상의 안정화를 촉진하고 있다. 또한, 제2, 제3 구성에서는, 표피 주요 금속의 플러스와 마이너스의 농도 구배의 중간에 단일 금속 영역을 갖는 구조가 된다. 이와 같은 플러스의 농도 구배/단일 금속 영역/마이너스의 농도 구배의 3층 구조로 함으로써, 루프 형성의 절곡이나 웨지 접합의 과잉 소성 변형 등의 불균일 외력에 대한 와이어 변형의 안정화에는 더욱 유효하다.
예시의 조합으로, 팔라듐과 금을 교체한 구조라도 기능을 향상시킬 수 있다. 표피층의 단일 금속의 순도는 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈의 1종이 99.9 ㏖% 이상인 경우이고, 그 밖의 불순물이 0.1 ㏖% 미만으로 억제되어 있는 것이 바람직하다.
구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층과, 또한 최표면 영역을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속 중 적어도 1종과 구리의 농도 구배를 갖는 부위가 존재하고, 상기 최표면 영역이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 2종 이상을 0.1 ㏖% 이상의 균일 농도로 함유하는 합금이 존재하는 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 여기서, 주성분 금속 중 2종 이상을 0.1 ㏖% 이상의 균일 농도로 함유하는 합금이 표면에 존재함으로써, 표면의 강성을 높이고, 수지 밀봉시의 와이어 흐름을 억제하는 효과가 한층 높아지는 것, 또한 표면의 농도 구배를 제어할 필요가 없기 때문에, 제조상 관리가 용이해지는 것 등이 이점이다. 여기서, 합금의 농도가 0.1 ㏖% 미만에서는 특성 개선의 효과가 적다.
금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈, 구리 중 2종 이상의 원소의 표면에 있어서의 농도가 0.1 ㏖% 이상인 이유로서, 고강도화에 의한 수지 밀봉시의 와이어 흐름의 억제 등에 유리한 것을 기초로 한다.
표피층의 내부 구성에 대해, 와이어 표면으로부터 와이어 중심 방향으로의 변화를 백금/금의 계로 예시하면, (백금과 금의 농도 구배 영역)/금/(금과 구리의 농도 구배 영역)/코어재와 같이 중간에 단일의 금속 영역을 갖는 제4 구성, (백금과 금의 농도 구배 영역)/(백금, 금, 구리의 3원소를 포함하는 농도 구배 영역)/(금, 구리의 농도 구배 영역)으로 이루어지는 제5 구성 등을 들 수 있다. 제4 구성에서는, 전술한 제2 구성에서 표면이 농도 구배 영역으로 되어 있는 경우에 상당하고, 표면 개질에 의한 볼 접합, 루프 제어시의 와이어 표면의 손상의 저감 등의 개선 효과도 얻을 수 있다. 제5 구성에서는, 3원소를 포함하는 농도 구배를 유효 활용함으로써 강도의 대폭 개선도 달성 가능해진다. 이들 예시의 조합으로, 백금과 금을 교체한 구조에서도 기능을 향상시킬 수 있다. 상기 예에서, 금 원소의 농도 분포를 보면, 플러스와 마이너스의 농도 구배를 갖고 있어 특성의 안정화를 촉진하고, 이들 농도 구배의 길이, 변화량 등을 제어함으로써 루프 특성, 웨지 접합성 등 을 향상시키는 것도 가능하다.
상기 표피층의 구성이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 1종 이상의 표피 주요 금속을 함유하고, 또한 최외표면에, 코어재를 구성하는 구리와는 분리되고, 도금 등에 의해 표면에 형성시킨 구리 원소로 이루어지는 단일 금속 영역 또는 구리 원소를 30 ㏖% 이상 함유하는 합금층을 갖고, 상기 표피층의 내부에 표피 주요 금속 및 구리의 농도 구배를 갖고, 표피 주요 금속의 농도 구배가 깊이 방향으로 증가와 감소의 양방이 존재하는 본딩 와이어도 유효하다. 이하, 최표면 근방의 구리 원소를 "구리out"로 표기하고, 코어재를 구성하는 구리 원소를 "구리in"으로 구별하여 표기한다.
표피층의 구체적인 구조에 대해, 구리/금의 성분계로 예시하여 설명한다. 최외표면에 구리out의 단일 금속 영역이 노출되는 경우, 표면으로부터 깊이 방향으로의 표피층의 구성은 구리out의 단일 금속 영역/(구리out와 금의 농도 구배층 1)/금의 단일 금속 영역/(구리in과 금의 농도 구배층 2)로 나타내진다. 구리 원소에 착안하면, 외측의 (구리out와 금의 농도 구배층 1)과, 내부의 (구리in과 금의 농도 구배층 2)는 금 단일층을 사이에 두고 분리되어 있는 것이 특장으로, 구리 원소의 깊이 방향의 농도 구배를 비교하면, (구리out와 금의 농도 구배층 1)에서는 구리는 마이너스의 농도 구배, (구리in과 금의 농도 구배층 2)에서는 구리는 플러스의 농도 구배로 상반된다. 또한, 금 원소도 플러스와 마이너스의 농도 구배가 혼재한다. 이러한 구리와 금의 2원소에서 각각 플러스와 마이너스의 농도 구배에서 합계 4종의 농도 구배가 동시에 포함됨으로써, 웨지 접합성의 개선, 와이어의 강도, 굽힘 강성의 개선 등에 의해 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 4종의 농도 구배를 가짐으로써, 전술한 금 원소와 코어재의 구리 원소만으로 구성되는 단순한 구조의 표피층보다도 우수한 장점을 발현하는 것도 가능해진다. 또한, 금의 단일 금속 영역이 소실되는 경우라도 같은 개선 효과를 얻을 수 있다.
그 밖에, (구리out와 금의 농도 구배층 1)/금의 단일 금속 영역/(구리in과 금의 농도 구배층 2)로 예시되는 구리out와, 팔라듐, 백금, 니켈의 1종 이상의 원소와의 농도 구배층을 갖는 합금층이 최외표면에 노출되는 경우에도, 금 도금과의 접합성의 개선 등을 부여할 수 있다. 이들 와이어 구조의 제조법의 일례로서, 우선은 구리out/금/구리in 코어재의 초기 구조를 만들고, 그 후의 확산 열처리 등에 의해 구리 원소의 플러스와 마이너스의 농도 구배를 형성하는 것이 가능하다.
전술한 표피층의 구조에 대해, 2종의 원소로 이루어지는 구조에 대해 설명하였지만, 더욱 원소수가 증가하고, 더욱 다수의 농도 구배층을 갖는 구조이면, 신형 실장에 있어서의 복잡한 루프 형상, 미세 접속 등에의 적용성을 더욱 높일 수도 있다.
제3 방법은, 코어재의 구리 합금의 조성을 적정화하는 기술이며, 구체적으로는, 구리를 주성분으로 하고, 게다가 은, 주석, 금 중 1종 이상을 총합으로 0.1 내지 30 질량% 함유하는 코어재와, 상기 코어재 상에 형성된 표피층으로 구성되고, 상기 표피층은 금, 팔라듐, 백금 중 적어도 1종 이상의 금속을 주성분으로 하고, 게다가 상기 표피층의 내부에 구리의 농도 구배를 갖는 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 코어재에 은, 주석, 금을 함유하는 구리 합금으로 함으로써, 단일의 구리뿐인 경우와 비교하여 볼부의 이형 등을 억제할 수 있고, 접합된 볼부의 진원성의 향상, 접합 강도의 증가 등을 달성할 수 있다. 여기서, 첨가량이 0.1 질량% 이상이면, 상기한 볼 접합성의 개선을 대량 생산 레벨로 안정되게 실현할 수 있고, 30 질량% 초과이면, 볼부의 경화에 의해 접합 바로 아래의 칩에 손상을 주는 것이 문제가 되기 때문이다.
표피층의 두께는 0.03 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이는, 0.03 ㎛ 이상이면, 와이어 전체에 균일하게 형성할 수 있어, 표면의 요철도 적고, 표피층의 박리 등의 문제도 없기 때문에, 산화 억제, 접합성 등의 충분한 효과를 얻을 수 있는 등의 이유에 관계된다. 또한, 선 직경의 70 % 이하이면, 공업적인 대량 생산성도 높고, 품질 관리 등도 충분히 대응할 수 있다. 두께의 하한에 대해, 바람직하게는 0.1 ㎛ 이상이면, 고온에 노출되었을 때의 산화 억제의 효과가 높아지고, 보다 바람직하게는 0.2 ㎛ 이상이면, 비교적 간편하게 분석할 수 있으므로 품질 보증 등이 용이해지는 등의 이점이 많다. 한편 상한에서는, 바람직하게는 선 직경의 50 % 이내이면 내부에 농도 변화층을 균일하게 형성하는 것이 용이하고, 더욱 바람직하게는 선 직경의 30 % 이내이면 전기 저항의 증가를 낮게 억제할 수 있는 등의 이점이 있다.
표피층의 농도 분석에 대해, 와이어의 표면으로부터 스퍼터 등에 의해 깊이 방향으로 파내려가면서 분석하는 방법, 혹은 와이어 단면에서의 라인 분석 또는 점 분석 등이 유효하다. 전자는, 표피층이 얇은 경우에 유효하지만, 두꺼워지면 측정 시간이 많이 걸린다. 후자의 단면에서의 분석은, 표피층이 두꺼운 경우에 유효하고, 또한 단면 전체에서의 농도 분포나, 여러 군데에서의 재현성의 확인 등이 비교적 용이한 것이 이점이지만, 표피층이 얇은 경우에는 정밀도가 저하된다. 와이어를 경사 연마하여, 확산층의 두께를 확대시켜 측정하는 것도 가능하다. 단면에서는 라인 분석이 비교적 간편하지만, 분석의 정밀도를 향상시키고자 할 때에는, 라인 분석의 분석 간격을 좁게 하거나, 계면 근방의 관찰하고자 하는 영역으로 좁혀진 점 분석을 하는 것도 유효하다. 이들 농도 분석에 이용하는 해석 장치에서는, EPMA, EDX, 오제 분광 분석법, 투과형 전자 현미경(TEM) 등을 이용할 수 있다. 또한, 평균적인 조성의 조사 등에는, 표면부로부터 단계적으로 산 등에 용해되어 가고, 그 용액 중에 포함되는 농도로부터 용해 부위의 조성을 구하는 것 등도 가능하다.
표피층 중에 농도 구배에 부가하여, 구리와 도전성 금속을 주체로 하는 금속간 화합물상(化合物相)이 포함되는 것도 유효하다. 즉, 구리를 주체로 하는 코어재와 도전성 금속의 표피층으로 구성되고, 표피층의 내부에는 구리의 농도 구배를 갖은 부위와, 구리와 도전성 금속을 갖는 금속간 화합물이 1층 이상 포함되는 본딩 와이어에서는 우수한 특성을 얻을 수 있다. 금속간 화합물상이 표피층 내에 포함됨으로써, 와이어의 강도, 탄성률 등의 기계적 특성이 증가하고, 루프의 직선성의 향상, 밀봉시의 와이어 흐름의 억제 등에 유효하다. 금속간 화합물상은 구리와 도 전성 금속이 주체이고, 그들의 총합 농도가 80 ㏖% 이상인 것이 바람직하지만, 코어재, 표피층에 함유되는 합금화 원소를 일부 함유해도 상관없다. 예를 들어, 도전성 금속이 금, 팔라듐, 백금 등인 경우에 형성되는 금속간 화합물상은 CuAu3, CuAu, Cu3Au, Cu3Pd, CuPd, Cu3Pt, CuPt, CuPt3, CuPt7 등이 후보이고, 이들 금속간 화합물상이 표피층 또는 표피층/코어재의 계면에 형성됨으로써 특성 개선에 유효하다. 이들 금속간 화합물상의 두께는 0.001 ㎛로부터 표피층 두께의 절반까지가 바람직하다.
표피층을 형성하는 표피 주요 금속이 금, 팔라듐, 백금, 은, 구리인 경우에, 또한 Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소 중 적어도 1종 이상을 총합으로 1 내지 300 질량 ppm 함유함으로써, 표피층의 강도, 조직, 소성 변형 저항을 조정할 수 있으므로, 웨지 접합시에 와이어와 전극재(Ag, Au, Pd 등)와의 변형을 제어하는 효과를 촉진할 수 있다. 전술한 표피 주요 금속이 농도 구배를 갖고 있는 경우에, 이들 원소의 첨가 효과는 높은 효과를 얻는 것이 판명되었다. 또한, Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소가 농도 구배를 가짐으로써 더욱 한층 높은 효과를 얻을 수 있다.
구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소 중 적어도 1종 이상을 총합으로 1 내지 300 질량 ppm 함유함으로써, 와이어의 조직, 소성 변형 저항을 조정함으로써, 웨지 접합시에 와이어와 전극재(Ag, Au, Pd 등)와의 변형을 제어하는 효과를 촉진할 수 있다. 게다가, 전술한 표피 주요 금속이 농도 구배를 갖고 있는 경우에, 이들 원소의 첨가 효과는 높은 효과를 얻는 것이 판명되었다. 여기서, 함유량이 1 질량 ppm 이상에서 상기 효과가 나타나고, 300 질량 ppm 미만이면, 볼 형성시의 산화 등에의 악영향을 억제할 수 있다. 또한, Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소가 농도 구배를 가짐으로써 더욱 한층 높은 효과를 얻을 수 있다.
구리를 주성분으로 하는 코어재가 은, 주석 또는 금의 1종 이상을 총합으로 0.1 내지 10 질량% 함유함으로써, 와이어를 고강도화하여 수지 밀봉시의 와이어 변형을 경감시킬 수 있다. 게다가, 전술한 표피 주요 금속이 농도 구배를 갖고 있는 경우에, 이들 원소의 첨가 효과는 높은 효과를 얻는 것이 판명되었다. 여기서, 함유량이 0.1 질량% 이상에서 상기 효과가 나타나고, 10 질량% 초과가 되면 와이어의 전기 저항이 상승하는 것이 문제가 되기 때문에다. 또한, Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소가 농도 구배를 가짐으로써 더욱 한층 높은 효과를 얻을 수 있다.
다음에, <2>의 표피층에 구리 또는 도전성 금속의 농도 구배를 존재시킨 본딩 와이어이며, 표피층의 표면 영역의 구리의 농도를 높이거나, 혹은 표면에 구리를 노출시킨 본딩 와이어[(8), (9), (17), (18), (20), (21), (25)]에 대해 설명한다.
또한, 이하의 <2>의 본딩 와이어의 설명에 있어서는, 농도 구배의 정의, 표피층과 코어재의 경계, 표피층의 농도 구배 방법, 표피층의 두께, 생산성 및 품질 안정성 등의 면으로부터의 표피층 내의 농도 구배의 연속적 변화가 적합한 것, 및 표피층의 농도 구배에 부가하여 포함되는 금속간 화합물상 등에 관한 설명은, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로, 설명을 생략한다.
본 발명 <2>의 본딩 와이어는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층으로 구성되어 있다. 단, 구리의 코어재와 표피층과의 단순한 2층 구조에서는, 볼 형성, 접합성, 루프 제어 등이 충분하지 않고, 단일층의 구리 와이어보다도 특성 열화가 발생하는 경우가 있다. 그래서, 단일층의 구리 와이어보다도 특성을 종합적으로 개선하기 위해, 본 발명의 상기 표피층에서는 내부에 구리의 농도 구배를 갖는다.
또한, 구리의 농도 구배만으로는 본딩 와이어 공정의 생산성이 현행 주류의 금 본딩 와이어보다도 저하되는 경우가 있다. 그래서, 금 본딩 와이어와 동등 이상까지 생산성을 향상시키기 위해서는, 표피층의 표면에 구리를 노출하는 것이 유효한 것을 처음 발견하였다.
즉, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 형성된 코어재와 다른 조성의 도전성 금속의 표피층, 예를 들어 구리 이외의 도전성 금속을 주체로 하는 표피층으로 구성되고, 상기 표피층의 내부에 구리의 농도 구배를 갖고, 상기 표피층의 표면에 있어서의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 구조로 이루어지는 본딩 와이어이다.
도전성 금속이라 함은, 구리 이외의 금속이며, 구리의 산화 방지에 효과가 있는 금속인 것이 바람직하다. 도전성 금속으로서, 금, 팔라듐, 백금, 은, 니켈 중 적어도 1종의 금속인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 금, 팔라듐, 백금, 은은 도전성이 높고, 반도체 디바이스의 고속화에도 대응할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 금은 밀봉 수지와의 밀착성, 전극에의 접합성 등에 실적이 많고, 품질 관리도 용이한 등의 이점이 있다. 은은 비교적 저렴하고, 표면 산화는 적고, 프레임의 표면에 다용되는 Ag 도금과의 양호한 접합성도 얻을 수 있는 등의 이점이 있기 때문이다. 팔라듐, 백금은 볼 형상을 안정화시키는 효과가 있다.
표피층은 구리와 구리 이외의 도전성 금속의 표피층으로 구성된다. 표피층 내의 구리의 분포는 구리의 농도 구배를 갖고 있는 것이 바람직하고, 층 전체에 균일하게 분포되어 있는 경우보다 코어재와 표피층의 밀착성의 향상과, 와이어의 웨지 접합성의 개선을 동시에 향상시킬 수 있다. 또한, 표피층의 내부에 구리의 농도 구배를 가짐으로써, 표피층을 얇게 해도 접합성을 충분히 향상시킬 수 있고, 그 결과, 볼부에 함유하는 도전성 금속의 농도를 저감시켜 볼부의 경화를 억제하는 효과도 얻을 수 있다. 이에 대해, 표피층 내에 구리가 균일하게 분포되는 등 농도 구배가 없는 경우에는, 산화 방지, 접합성의 개선, 밀착성의 향상, 볼 경화의 억제 등의 다수의 요구 특성을 동시에 만족시키는 것이 곤란하다.
농도 구배의 정의에 관해서는 <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
이 농도 구배는 도전성 금속 원소와 구리 원소와의 확산에 의해 형성된 영역인 것이 바람직하다. 이는, 확산으로 형성된 층이면, 국소적인 박리, 균열 등의 불량의 가능성이 낮은 것, 연속적인 농도 변화의 형성 등이 용이한 것 등의 이점이 많기 때문이다.
표피층의 표면에 있어서의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 이유는, 표피층과 코어부 모두 충분히 용해되어 진구의 볼부가 형성되고, 볼 접합부의 강도도 높은 것, 웨지 접합성이 양호한 것 등에 관계된다. 이에 대해, 표피층에 농도 구배가 포함 되어 있어도 표면에 구리가 존재하지 않는 경우에, 볼 형성시의 이형 불량, 구리 볼의 내부에 구리 와이어가 용해되지 않고 남는 문제 등을 해결할 수 없다. 표피층의 표면에 있어서의 구리 농도는 3 ㏖% 이상인 것이 보다 바람직하다. 이것은 3 ㏖% 이상이면, 웨지 접합부의 접합 강도를 높이는 충분한 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 더 바람직하게는, 10 ㏖% 이상이면, 볼부의 진구성이 향상되고, 예를 들어 와이어 직경의 2.5배 이하의 직경의 작은 볼부를 형성해도 진구성이 양호하기 때문이다. 또한 더욱 바람직하게는, 20 ㏖% 이상이면, 아크 방전을 안정시킴으로써 볼 직경의 변동을 저감시킬 수 있다. 여기서의 표면의 영역은, 최표면으로부터 깊이 방향으로 0.001 ㎛ 내지 표피층 두께의 절반까지의 영역으로 한다. 이는, 공간 분해능이 높은 오제 분광법 등의 해석 방법으로 안정되게 정량 분석할 수 있는 깊이가 0.001 ㎛ 정도인 것, 또한 표면의 Cu 농도와 특성과의 관련성을 고려한 결과, 상술한 효과를 얻기 위해서는 표피층 두께의 절반의 깊이까지의 Cu 농도가 중요한 것을 확인하였기 때문이다. 바람직하게는, 최표면으로부터 0.001 ㎛ 내지 0.002 ㎛까지의 범위를 표면으로 하고, 그 영역의 농도를 상기의 표면 농도로서 취급하는 것이 바람직하다. 0.002 ㎛까지의 깊이의 Cu 농도가 볼 형성성을 더욱 지급하기 때문이다.
표피층의 표면의 구리 농도의 상한이 90 ㏖% 이하이면, 볼 형성성은 양호하다. 또한, 80 ㏖% 이하이면, 와이어의 표면 산화를 억제하는 효과가 높고, 대기 중에서 방치해도 특성 열화를 억제하는 효과가 높다. 또한 70 ㏖% 이하이면, 웨지 접합시의 강도를 높이는 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.
구리의 농도 구배에 대해, 코어재측으로부터 최표면측의 방향으로 구리 농도가 감소하는 변화가 적합하다. 이는 표면에서의 구리 농도를 억제하면서 코어재와 표피층의 계면에서의 구리 농도를 높임으로써, 와이어 표면의 산화의 억제와, 코어재와 표피층의 밀착성의 향상을 양립할 수 있다. 웨지 접합성, 루프 제어성 등도 향상시킬 수 있다. 또한, 구리의 농도 구배에 부가하여, 도전성 금속도 구리와는 역의 농도 구배를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 와이어의 기계적 강도, 탄성률 등을 향상시킬 수 있기 때문이다.
생산성 및 품질 안정성 등의 면으로부터, 표피층 내의 농도 구배는 연속적으로 변화되고 있는 것이 적합하다. 즉, 농도 구배의 경사 정도는 표피층 내에서 반드시 일정할 필요는 없고, 연속적으로 변화되고 있어도 상관없다. 예를 들어, 표피층과 코어재의 계면 또는 최표면 근방 등에서의 농도 변화의 경사가 표피층의 내부와 다르거나, 지수 함수적으로 농도 변화하고 있는 경우라도 양호한 특성을 얻을 수 있다.
표피층의 최표면 근방의 영역에서는, 내부로부터 표면측의 방향으로 구리 농도가 상승하는 영역을 갖는 것도 유효한 농도 구배가 된다. 이는, 최표면에서의 구리 농도가 높은 것으로 볼 형성시의 아크 방전이 안정화되어 볼의 형상ㆍ사이즈를 안정시킬 수 있고, 또한 최표면으로부터 조금 깊은 방향의 구리 농도를 낮게 억제함으로써 웨지 접합성도 충분히 확보할 수 있기 때문이다. 전술한 내부의 농도 구배와 조합하면, 구리 농도의 변화를 표면으로부터 표피층 내부의 방향에서 보면, 농도가 감소하는 경우(마이너스의 농도 구배), 머지않아 농도가 증가하는 경우(플 러스의 농도 구배)에 상당한다.
표피층의 구조에서는, 표면 근방에 구리 농도가 일정한 합금층이 형성되고, 내부의 표피층에 농도 구배가 포함됨으로써 특성 개선되는 경우도 있다. 이는, 표면에서의 구리 농도가 일정한 영역은, 아크 방전을 안정시켜 볼의 형상, 치수 등이 안정되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 여기에서의 표면 근방의 영역이라 함은, 상술한 표면 영역의 바로 아래로부터 0.003 내지 0.01 ㎛까지의 깊이의 영역이다.
표피층의 표면에 Cu 산화물이 얇게 형성되어 있는 것으로 밀봉 수지와의 밀착성을 향상시킬 수 있다. Cu 산화물의 두께는 0.005 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 0.005 ㎛를 초과하면, 저온 등의 엄격한 조건에서의 와이어의 웨지 접합 강도가 저하되는 원인이 되기 때문이다.
이상, 구리를 주성분으로 하는 코어재 상에 형성되는 표피층에 대해, 구리 및 도전성 금속을 함유하는 합금층 또는 확산층으로 이루어지는 표피층인 것이 바람직하다.
여기서, 표피층과 코어재와의 경계에 관해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하기 때문에 생략한다.
전술한 표피층에 관하여, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도가 총합으로 0.02 내지 10 ㏖%의 범위인 본딩 와이어이면, 웨지 접합성의 향상에 부가하여 볼부의 접합성을 확보할 수 있다. 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도를 제어함으로써 도전성 금속의 고용에 의한 볼 조직의 변화나 접합 계면의 확산에의 영향을 억제할 수 있으므로, 볼 접합부의 바로 아래의 칩 손상을 저감시킬 수 있다고 생각된다. 한편, 단순하게 표피층을 도전성 금속만으로 구성하고, 그 층 두께를 얇게 하는 것만으로는, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도를 낮게 억제하는 것은 곤란하다. 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도가 총합으로 0.01 ㏖% 미만에서 웨지 접합성, 루프 제어 등을 통합하여 만족시키는 것이 어렵고, 10 ㏖%를 초과하면 칩 손상이 문제가 되거나 이형 발생 등에 의해 볼 압착 형상이 불안정해지는 것이 문제가 된다. 바람직하게는 도전성 금속 농도가 0.03 내지 2 ㏖%의 범위이면, 대직경 볼의 접합시의 칩에의 손상을 저감시키는 효과가 높아진다. 더욱 바람직하게는, 0.04 내지 0.8 ㏖%의 범위이면, 작은 볼의 압착 형상을 안정화시키는 효과가 높아진다.
표피층의 두께에 관해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하기 때문에 생략한다.
표피층을 구성하는 원소의 분포에 관하여, 결정립계에 구리가 농화되어 있는 본딩 와이어이면, 종합적인 사용 성능은 유지하면서 공업 생산성이 높은 제품을 비교적 용이하게 제공할 수 있다. 구리의 농화에 대해, 결정립계의 0.01 ㎛ 정도의 영역에서 평균 농도보다도 5 % 이상 농화되는 것이 바람직하다. 후술하는 표피층 또는 표면층의 형성법인 도금법, 증착법 등에서는, 결정립계에 구리가 농화하는 현상이 발생하기 쉽고, 그것을 회피하기 위해서는 제조 조건의 제어가 복잡해지는 것, 한편 웨지 접합성, 루프 제어, 볼 형성 등에서는, 결정립계의 영향은 대부분 적은 것을 확인하였으므로, 결정립계에 구리가 농화되어 있는 구조로 함으로써 생산성, 수율 등을 향상시켜 비교적 저렴한 와이어를 제공할 수 있다.
표피층의 농도 분석 방법에 대해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하기 때문에 생략한다.
표피층 중에 농도 구배에 부가하여, 구리와 도전성 금속을 주체로 하는 금속간 화합물상이 포함되는 것에 대해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하기 때문에 생략한다.
표피층을 형성하는 표피 주요 금속이 금, 팔라듐, 백금, 은, 구리인 경우에, 또한, Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소 중 적어도 1종 이상을 총합으로 1 내지 300 질량 ppm 함유함으로써 표피층의 강도, 조직, 소성 변형 저항을 조정할 수 있으므로, 웨지 접합시에 와이어와 전극재(Ag, Au, Pd 등)와의 변형을 제어하는 효과를 촉진시킬 수 있다. 전술한 표피 주요 금속이 농도 구배를 갖고 있는 경우에, 이들 원소의 첨가 효과는 높은 효과를 얻는 것이 판명되었다. 또한, Ca, Sr, Be, Al, 희토류 원소가 농도 구배를 가짐으로써 더욱 한층 높은 효과를 얻을 수 있다.
상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 은, 주석 또는 아연의 1종 이상을 총합으로 0.02 내지 30 질량% 함유하는 것으로, 와이어 강도 등이 증가함으로써 롱 스팬에서의 루프의 직선성을 높이거나, 수지 밀봉시의 와이어 변형을 억제하여 협피치용 세선화에도 대응할 수 있게 된다. 통상은 와이어 강도가 저하되면 웨지 접합성이 저하되는 경우가 많지만, 상기한 원소 첨가에서는 강도 증가와 웨지 접합성의 향상을 양립하는 것이 가능하고, 고밀도 실장에 적합한 와이어를 제공하는 것이 가능해진다.
다음에, 본 발명의 <3>의 표피층의 두께를 제어한 본딩 와이어[(10) 내지 (17), (19) 내지 (21), (26), (27)]에 대해 설명한다. 또한, 이 두께를 제어한 표피층을 표피층(외피층)으로 기록하는 경우도 있다.
또한, 이하의 <3>의 본딩 와이어의 설명에 있어서는, 생산성 및 품질 안정성 등의 면으로부터의 표피층(외피층) 내의 농도 구배의 연속적 변화가 적합한 것, 표피층(외피층)의 농도 분석 방법 등에 관한 설명은 <1>의 본딩 와이어의 설명과 중복되고, 또한 구리의 농도 구배가 코어재측으로부터 최표면측으로 구리 농도가 감소하는 것, 표피층(외피층)을 구성하는 원소의 분포에 있어서의 결정립계로의 구리의 농화 등에 관한 설명은 <2>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 설명을 생략한다. 단, 이 경우, <1>, <2>의 본딩 와이어의 설명에 있어서, 표피층으로 되어 있는 것은, 표피층(외피층)의 의미인 것으로 한다.
본딩 와이어에 대해, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 도전성 금속을 함유하는 피복층으로 구성된 것을 검토한 결과, 와이어의 표면 근방에 도전성 금속을 함유함으로써 웨지 접합성의 향상, 산화 방지 등을 기대할 수 있는 반면, 볼의 불안정 형성, 볼 접합시의 칩 손상, 루프 형상의 변동 등의 문제점이 발생하는 경우가 있는 것이 판명되었다. 그래서, 종래의 범용적인 요구에 부가하여, 굵은 선의 접속, 협피치의 작은 볼 접합, 저온 접합, 적층 칩 접속의 역본딩 등의 새로운 실장 요구, 제조 마진 확대 등 대량 생산 적응성의 한층 향상 등에 대응할 수 있는 구리 와이어의 개발에 몰두함으로써, 도전성 금속층, 농도 구배의 영역 등의 두께, 농도 분포 등의 제어가 유효한 것을 발견하였다.
즉, 본 발명 <3>의 본딩 와이어의 첫째는, 구리를 주성분으로 하는 코어재 와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층(외피층)을 갖고, 상기 표피층(외피층)의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 반도체 장치용 본딩 와이어이다.
표피층(외피층)의 두께가 0.02 ㎛ 이하인 이유는, 표피층(외피층) 두께가 0.02 ㎛ 초과에서는 볼 선단부에 용해되고 남거나, 편평 볼 등의 불량 발생에 의해 볼의 진구성이 급격하게 저하되기 때문이다. 이 원인은, 아크 방전시의 표피층(외피층)과 코어부와의 용해 거동의 차이에 기인하는 것으로 생각된다. 볼 형상은 표피층(외피층)의 두께와 밀접하게 관련되어 있어, 0.02 ㎛를 대략 경계로 변화되고, 0.02 ㎛ 이하이면, 양립이 곤란해져 있던 볼 형성성과 접합성의 양방을 만족시킬 수 있는 것을 명백하게 하였다. 또한, 볼 직경이 작아져도 진구성을 안정 확보하기 위해서는, 표피층(외피층)의 두께가 0.015 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 더욱 바람직하게는, 0.01 ㎛ 이하이면, 볼부의 경화를 억제하여 볼부 바로 아래의 칩 손상을 저감시키는 높은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 두께의 하한에 대해, 0.001 ㎛ 이상이면 앞서 서술한 볼 형성의 개선 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
도전성 금속이라 함은, 구리 이외의 금속이며, 구리의 산화 방지에 효과가 있는 금속인 것이 바람직하다. 도전성 금속으로서, 금, 팔라듐, 백금, 은, 니켈 중 적어도 1종의 금속인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 금, 팔라듐, 백금, 은은 도전성도 충분하고, 반도체 디바이스의 고속화에도 대응할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 금은 밀봉 수지와의 밀착성, 전극에의 접합성 등에 실적이 많고, 품질 관리도 용이한 등의 이점이 있다. 은은 비교적 저렴하며, 표면 산화는 적고, 프레 임의 표면에 다용되는 Ag 도금과의 양호한 접합성도 얻을 수 있는 등의 이점이 있기 때문이다. 팔라듐, 백금은 볼 형상을 안정화시키는 효과가 있다.
표피층(외피층)은 구리와 도전성 금속을 함유하는 합금으로 구성되고, 또한 표피층(외피층) 내부에 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 얇은 영역이 포함되어 있는 것이 유효하다. 즉, 상기 구성에 부가하여, 표피층(외피층) 내에 있어서, 와이어 직경 방향으로 도전성 금속의 농도 구배를 갖는 영역의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 본딩 와이어인 것이 바람직하다. 표피층(외피층)의 내부에 도전성 금속의 농도 구배를 가짐으로써, 도전성 금속은 표피층(외피층) 전체에 균일 농도인 경우보다 코어재와 외피층의 밀착성의 향상과, 와이어의 웨지 접합성의 개선을 동시에 향상시킬 수 있다. 밀착성의 효용에 대해, 와이어의 곡절, 만곡, 직선 등을 복잡하게 조합하는 루프 제어에서도 안정된 루프 형상을 얻을 수 있고, 그에 수반하는 캐필러리의 내벽의 오염, 마모 등에 기인하는 캐필러리의 교환 수명을 개선시키는 효과가 있다. 도전성 금속의 농도 구배를 갖는 영역의 두께가 0.02 ㎛ 이하이면, 웨지 접합부의 강도를 높이면서 1 ㎜ 이하의 단스팬에서도 루프 형상을 안정화할 수 있고, 캐필러리의 교환 수명을 더욱 길게 할 수 있어 대량 생산성을 개선할 수 있다. 한편, 0.02 ㎛ 초과이면, 단스팬, 고단차 접속 등의 루프 높이의 변동이나, 캐필러리 막힘 등의 불량률이 증가하는 것이 우려된다.
표피층(외피층) 내의 농도 구배는 깊이 방향으로의 농도 변화의 정도가 1 ㎛당 10 ㏖% 이상인 것이 바람직하다. 이 변화율 이상이면, 전술한 농도 구배를 갖는 표피층(외피층)으로서의 개선 효과를 기대할 수 있고, 정량 분석의 정밀도상도 재현 좋은 결과를 얻을 수 있는 등의 이유에 관계된다. 두께 0.02 ㎛ 이하의 얇은 표피층(외피층)에서는, 이 농도 구배의 값은 낮은듯한 인상을 부여하지만, 이 완만한 농도 구배는 아크 방전에 의해 와이어 표면으로부터 서서히 용융 생성되는 볼 형상의 안정화, 복잡한 루프 제어에 의한 와이어의 굽힘 각도의 제어 등에는 효과가 확인되고 있다. 농도 구배치가 높아지면 더욱 효과가 높아지는 경우가 있고, 바람직하게는 0.1 ㎛당 10 ㏖% 이상이면, 표피층(외피층)과 코어재의 다른 특성을 손상시키지 않고 서로 이용하는 높은 효과를 기대할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 0.01 ㎛당 10 ㏖% 이상이면, 표피층(외피층)의 두께가 0.005 ㎛ 이하로 얇은 경우에도, 와이어의 강도 상승과 접합 강도의 향상을 동시에 만족시키는 높은 효과를 얻을 수 있다.
*도전성 금속의 농도 구배의 영역은 반드시 표피층(외피층) 전체가 아니라 부분적이라도 상관없다. 또한, 복수의 도전성 금속을 갖는 경우에는, 적어도 1종 이상의 도전성 금속이 농도 구배를 가지면 접합성, 루프 제어 등의 특성 향상을 얻을 수 있고, 포함되는 도전성 금속에 의해 농도 구배의 거동이 다른 것으로 단독의 도전성 금속의 경우보다 더욱 특성을 향상시킬 수 있는 경우도 있다. 예를 들어 1종의 도전성 금속은 농도 구배가 현저하고, 다른 도전성 금속은 주로 최표면에 존재하고 농도 구배가 적은 것으로, 접합성과 산화 방지 등 상반되는 성능을 높이는 것도 가능해진다.
농도 구배는 표면으로부터 깊이 방향을 향해 농도가 저하되는 경향이면, 표 피층(외피층)과 코어재와의 밀착성의 향상 등에 유리하다. 이 농도 구배의 형성법에 대해, 도전성 금속 원소와 구리 원소와의 확산에 의해 형성된 영역인 것이 바람직하다. 이는, 확산에 의해 형성된 층이면, 국소적인 박리, 균열 등의 불량 발생의 가능성이 낮은 것, 연속적인 농도 변화의 형성 등이 용이한 것 등의 이점이 많기 때문이다.
구리의 농도 구배에 대해, 코어재측으로부터 최표면측의 방향으로 구리 농도가 감소하는 변화가 적합한 것에 관해서는 <2>의 본딩 와이어에서의 설명과 같으므로 생략한다.
생산성 및 품질 안정성 등의 면으로부터, 외피층 내의 농도 구배는 연속적으로 변화되고 있는 것이 적합한 것에 대한 설명은, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
표피층(외피층)의 표면에 C 원소를 주체로 하는 박막을 형성하는 것도 구리 또는 도전성 금속의 산화막이 두껍게 형성되는 것을 방지하기 위해서는 유효하다. 이 C의 박막의 형성에는, 구리의 방청제의 도포도 유효하고, 예를 들어 벤조트리아졸 등을 얇게 도포하면 접합성을 유지하면서 산화를 억제할 수 있다.
표피층(외피층)의 표면에 Cu 산화물이 얇게 형성되어 있음으로써 밀봉 수지와의 밀착성을 향상시킬 수 있는 것에 대한 설명은, <2>의 본딩 와이어의 설명과 동일하므로 생략한다.
표피층(외피층)과 코어재와의 경계에 관해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속을 주성분으로 하는 표피층(외피층)을 갖고, 상기 표피층(외피층) 내에 있어서 도전성 금속 농도가 20 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.008 ㎛인 본딩 와이어이면, 종래의 구리 와이어보다 와이어 인장 강도의 상승과, 웨지 접합성의 향상을 양립하는 높은 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 도전성 금속 농도가 20 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 ㎛ 미만이면 인장 강도를 높이는 효과를 얻을 수 없고, 0.008 ㎛를 초과하면 편평 등 볼 형상의 불량이 증가하기 때문이다. 이러한 것부터, 도전성 금속의 농도 분포로 판단하는 것은, 본딩 성능의 향상에도 도움이 되는 것에 부가하여, 게다가 분석으로 직접적인 정보를 얻기 쉽고, 품질 보증 등도 비교적 용이한 것도 장점이 된다.
더욱 바람직하게는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 조성의 도전성 금속을 주성분으로 하는 표피층(외피층)을 갖고, 상기 표피층(외피층) 내에 있어서 도전성 금속 농도가 40 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.006 ㎛인 본딩 와이어이면, 인장 시험에서의 네크 파단 강도의 상승, 또한 표면 산화의 억제 등에 유효하다. 볼 형성시의 열 영향에 의해 네크부는 통상 강도가 저하된다. 그에 반해, 40 ㏖% 이상의 비교적 고농도의 도전성 금속의 층은 열 영향의 과정에서 도전성 금속을 와이어의 내부에 확산시키는 공급원으로서 작용함으로써 네크부의 강도를 상승시킨다고 생각된다. 또한, 와이어 표면의 산화 억제의 장점으로서, 종래의 구리 와이어에서는 출하시에 필요하게 되었던 불활성 가스, 탈산제 등을 사용한 봉입 등의 규준을 완화할 수 있거나, 대기 중에 방치되 어 있는 동안의 경시 변화를 억제함으로써, 와이어의 공업 생산성이 높아지고, 사용 기한의 연장 등도 도모할 수 있다. 농도, 두께의 근거로서, 농도 40 ㏖% 이상의 영역이면, 상술한 확산 공급의 작용을 기대할 수 있고, 또한 외부로부터의 산소의 침입을 저감시키는 효과도 높고, 또한 그 두께가 0.001 ㎛ 미만이면 이들의 개선 효과가 작아지고, 0.006 ㎛를 초과하면 편평 등 볼 형상의 불량이 증가하기 때문이다.
상기 표피층(외피층)의 표면측에 있어서, 와이어 직경 방향의 도전성 금속 농도가 일정한 영역의 두께가 0.007 ㎛ 이하인 본딩 와이어이면, 웨지 접합의 밀착 강도를 증가시키는 높은 효과를 얻을 수 있다. 일정 농도의 영역에 대해, 평균치가 60 ㏖% 이상이고, 0.001 ㎛ 이상의 범위에서 농도차가 5 % 이하로 억제되어 있는 것이 바람직하다. 이 두께의 근거에 대해, 두께가 0.007 ㎛를 초과하면, 볼 형성시의 이형이 발생하기 쉽기 때문이다. 작용 효과에 대해, 접합시의 열 인가, 초음파 진동에 의한 국소 가열 등에 있어서, 도전성 금속 농도가 일정한 영역이 확산을 조장함으로써 접합 상대인 전극막과의 밀착성이 증가하고 있다고 생각된다. 웨지 접합성의 효과는, 접합 상대의 소재와 외피층의 도전성 금속과의 조합에 의해 변화되고, 전극이 Ag 또는 Au이고 도전성 금속이 Au인 경우, 전극이 Pd이고 도전성 금속이 Pd인 경우에 가장 높은 개선 효과를 얻을 수 있고, 전극이 Cu이고 도전성 금속이 Au, Ag, Pd인 경우에도 효과가 확인되었다.
본 발명의 <3>의 본딩 와이어의 둘째는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 다른 도전성 금속과 구리를 주성분으로 하는 표피층(외 피층)을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층(외피층) 내에서는 도전성 금속의 최고 농도가 40 ㏖% 미만이고, 와이어 직경 방향으로 도전성 금속의 농도 구배를 갖고 있고, 표피층(외피층)의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 범위인 본딩 와이어이면, 웨지 접합성의 향상에 부가하여, 저루프, 단스팬, 역방향 접속 등의 엄격한 루프 제어에서도 안정된 루프 형성이 가능해지고, 또한 칩 사이를 접속할 때의 스터드 범프 상의 와이어 접속에서 양호한 접합성을 얻는 것 등의 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 경우의 외피층은 도전성 금속의 최고 농도를 억제한 낮은 농도이고, Cu 농도 쪽이 높은 것이 특징이다. 외피층은 루프 제어시의 와이어 단면에서의 가공 왜곡을 균일 분산시키는 효과가 높아지는 것, 또한 범프 상의 와이어 접속의 Cu/Cu 동종 접합에 대해 표피층(외피층)이 확산의 장해가 되지 않는 것을 생각할 수 있다. 표피층(외피층)을 이용함으로써 높은 작용 효과를 얻을 수 있는 용도의 일례에서는, 종래의 구리 와이어에서는 생산이 곤란한, 최고 높이 100 ㎛ 이하의 저루프화, 와이어 길이 0.8 ㎜ 이하의 단스팬, 적층 칩 접속에 필요해지는 역방향 접속(기판측에 볼 접속, 칩 상의 전극측에 웨지 접속하는 구조로, 통상의 접속과 역방향) 등에의 적용이다. 농도, 두께의 근거로서, 농도 구배의 영역에서 항상 도전성 금속의 최고 농도는 40 ㏖% 미만이고, 그 저농도 표피층(외피층)의 두께가 0.001 ㎛ 이상이면, 상술한 작용 효과를 충분히 얻을 수 있기 때문이고, 0.02 ㎛를 초과하면, 볼 형성이 불안정해지거나 범프 상의 와이어 접속에서 접합 강도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 때문이다.
본 발명 <3>의 본딩 와이어의 셋째는, 구리를 주성분으로 하는 코어재와, 상 기 코어재 상에 코어재와 다른 도전성 금속과 구리를 주성분으로 하는 표피층(외피층)을 갖는 본딩 와이어이며, 최외표면의 구리 농도가 50 내지 95 ㏖%의 범위에서 상기 표피층(외피층) 내에 와이어 직경 방향으로 구리의 농도 구배를 갖고 있고, 표피층(외피층)의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 범위인 본딩 와이어이면, 웨지 접합성의 향상에 부가하여, 볼을 초음파 압착할 때의 이방 변형을 억제하여 볼 접합의 진원성을 향상시키는 등의 높은 효과를 얻을 수 있다. 이는, 표피층(외피층) 중 구리 농도를 높임으로써, 와이어 선단부에 아크 방전을 집중시키거나, 표피층(외피층)과 코어부에서 용융을 대략 병행하여 진행시킴으로써 미용융부를 억제할 수 있고, 응고 조직도 균일화되어 있다고 생각된다. 농도, 두께의 근거로서, 최외표면의 구리 농도가 50 ㏖% 이상이면 아크 방전, 용융 거동이 안정화되어 있고, 95 ㏖%을 초과하면 도전성 금속에 의한 웨지 접합성의 개선 효과를 거의 얻을 수 없기 때문이다. 또한, 구리의 농도 구배를 갖는 영역의 두께가 0.001 ㎛이면, 전술한 작용 효과를 높일 수 있고, 또 0.02 ㎛를 초과하면 200 ℃ 미만의 저온에서의 웨지 접합성이 저하되기 때문이다.
전술한 표피층(외피층)에 관하여, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도가 총합으로 0.002 내지 0.3 ㏖%의 범위인 본딩 와이어이면, 웨지 접합성의 향상에 부가하여, 볼부의 경화를 억제하여 칩 손상을 저감시키는 높은 효과를 얻을 수 있다. 구리 와이어 선단부의 볼부는 경도가 높고, 변형시의 가공 경화도 높은 것 등 때문에, 볼 접합 바로 아래의 칩에 손상을 부여하는 것이 실용상 과제가 된다. 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도를 낮게 억제함으로써, 도전성 금속이 볼 중에 고용되어도 경화의 정도를 억제하여 칩 손상을 일으키지 않도록 하는 것이 가능해진다. 또한, 도전성 금속 농도를 낮게 억제하는 것은 재료 비용의 저감에도 유리하다. 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 표피층(외피층)으로 하고, 그 층 두께를 얇게 함으로써, 웨지 접합성 등의 특성을 향상시키면서 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도의 저감을 도모하는 것이 가능해진다. 한편, 단순하게 표피층(외피층)을 도전성 금속만으로 구성하고, 그 층 두께를 얇게 하는 것만으로는, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도를 낮게 억제하는 것은 곤란하다. 표피층(외피층)의 농도, 두께의 근거로서, 도전성 금속 농도가 10 ㏖% 미만인 영역은 웨지 접합성 등에의 영향이 작은 것, 상기 농도가 10 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.01 ㎛ 이상이면, 상술한 작용 효과를 충분히 얻을 수 있는 것, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도가 총합 0.002 ㏖% 미만으로 억제된 외피층을 공업적으로 안정 형성하는 것은 곤란하고, 0.3 ㏖%를 초과하면, 전극이 Al 박막, low-k 유전막/Cu 배선 등인 경우에 볼 바로 아래의 칩이나 low-k막에의 손상이 증가하는 것 등을 들 수 있다.
지금까지 서술한 표피층(외피층)의 표면에 있어서의 원소 분포에 대해, 도전성 금속 또는 구리가 농도 편중을 갖는 본딩 와이어이면, 웨지 접합성의 향상에 부가하여, 작은 볼의 형성에 있어서 진구성이 양호한 볼을 형성하는 것에 유리해진다. 예를 들어 범용 금 와이어라도 대량 생산에서는 과제가 많고, 게다가 구리 와이어로는 실현이 곤란해지는 50 ㎛ 이하의 협피치화, 와이어 직경의 2.3배 이하의 압착 볼 직경에서의 작은 볼 접합 등에도 대응 가능해진다. 농도 편중의 구조는 미시적으로 도전성 금속 또는 구리의 농도가 높은 영역이 섬 형상으로 분포되거나, 부정형의 고농도 영역이 존재하는 것이라도 상관없다. 농도 편중의 정도는 10 ㏖% 이상의 농도차가 있는 것이 바람직하고, 그 크기는 0.002 내지 1 ㎛ 범위에서 표면 또는 깊이 방향으로 농도 분포를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 농도 편중에 의한 볼의 안정화에 대해, 외피층이 두꺼운 경우에 효과가 높기 때문에, 앞서 서술한 다양한 본 발명에 관계되는 비교적 표피층(외피층)이 얇은 구조를 갖는 어떠한 본딩 와이어라도 충분한 작용 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 볼 안정화의 기구는 분명하지 않지만, 복층 와이어에서 발생하는 것이 우려되는, 아크 방전의 전자 방출이 표피층(외피층)의 광범위로 확대되어 버리는 현상에 대해, 도전성 금속과 구리가 농도 편중하고 있음으로써 아크 방전이 더욱 와이어 선단부의 일정 영역에 집중하기 때문이라 예상된다.
표피층(외피층)을 구성하는 원소의 분포에 대해, 결정립계에 구리가 농화되어 있는 것에 대해서는, <2>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
표피층(외피층)의 농도 분석 방법에 대해서는, <1>의 본딩 와이어에서의 설명과 동일하므로 생략한다.
표피층(외피층) 중에 농도 구배에 부가하여, 구리와 도전성 금속을 주체로 하는 금속간 화합물상이 포함되는 것도 유효하다. 즉, 구리를 주체로 하는 코어재와 도전성 금속의 표피층(외피층)으로 구성되고, 표피층(외피층)의 내부에는 구리의 농도 구배를 갖은 부위와, 구리와 도전성 금속을 갖는 금속간 화합물이 1층 이상 포함되어 있고, 표피층(외피층)의 표면에 있어서의 구리 농도가 0. 1 ㏖% 이상 인 본딩 와이어에서는 우수한 특성을 얻을 수 있다. 금속간 화합물상이 외피층 내에 포함됨으로써, 와이어의 강도, 탄성률 등의 기계적 특성이 증가하여 루프의 직선성의 향상, 밀봉시의 와이어 흐름의 억제 등에 유효하다.
코어재의 구성 성분 중에서 가장 함유 농도가 높은 원소를 주성분으로 하면, 본 발명에 관한 코어재의 주성분은 구리이다. 코어재의 재료는 구리 또는 구리 합금이고, 구리 합금 중 성분, 조성에 의해서도 특성은 개선된다.
상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ba, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 함유하고, 와이어 전체에 차지하는 상기 첨가 원소 농도가 총합으로 0.001 내지 0.03 질량%의 범위인 것에 의해, 와이어의 인장 강도, 탄성률을 증가시켜 수지 흐름을 저감시키는 높은 효과를 얻을 수 있다. 세선화, 협피치화에서의 실용성이 유리해진다. 표피층(외피층)을 구성하는 도전성 금속이 금, 팔라듐, 백금, 은 또는 니켈인 경우에, 볼 용융에 의해 코어재 중의 상기 첨가 원소는 도전성 금속과 상승 작용함으로써, 볼 변형시의 진원성을 더욱 향상시키는 효과가 있다. 이러한 첨가 효과에 대해, 표피층(외피층)이 형성되어 있지 않은 종래의 구리 와이어에 첨가된 경우와 비교하여, 표피층(외피층)과 상기 첨가 원소가 병용된 경우의 쪽이 효과가 촉진되는 것이 발견되었다. 상기 첨가 원소의 농도가 0.001 질량% 미만이면 상술한 개선 효과가 작고, 0.03 질량%를 초과하면 볼의 선단부에 수축 공동이 발생하거나 하여 볼 형상이 불안정해지고, 표피층(외피층)을 얇게 해도 볼의 형상, 접합 강도 등을 개선하는 것은 곤란하기 때문이다.
상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Au, Ag, Pt, Pd, Sn 또는 Zn의 1종 이상의 첨가 원소를 함유하고, 와이어 전체에 차지하는 상기 첨가 원소 농도가 총합으로 0.001 내지 0.3 질량%의 범위인 것으로, BGA 기판 상 등의 웨지 접합에 있어서 파단 벗겨짐의 저감 등에 의해 접합 형상을 안정화할 수 있다. 또한, 수지 흐름의 저감에도 유효하다. 이는, 전술한 외피층과 코어재의 구조를 갖는 와이어의 코어재부에 적용함으로써, 웨지 접합성의 향상과 볼 형성성의 안정 등을 만족시킬 수 있어, 종래의 단일층의 구리 와이어에의 첨가보다도 더욱 총합 특성의 향상이 도모된다. 상기 첨가 원소의 농도가 0.001 질량% 미만이면 상술한 개선 효과가 작고, 0.3 질량%를 초과하면 볼의 경화에 의해 칩 손상이 발생하거나, 외피층을 얇게 해도 볼의 형상, 접합 강도 등을 개선하는 것은 곤란하기 때문이다.
이상 설명한 본 발명의 본딩 와이어 <1>, <2>, <3>에서 와이어를 제조하는 데 있어서, 코어재와 표피층(외피층의 경우를 포함 이하 동일)을 형성하는 공정과, 구리 원소의 표피층 내의 농도 구배 및 최표면에의 노출되는 열처리 공정이 필요해진다.
표피층을 구리의 코어재의 표면에 형성하는 방법에는, 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법에서는, 전해 도금, 무전해 도금법 중 어느 쪽이라도 제조 가능하다. 스트라이크 도금, 플래쉬 도금이라 불리는 전해 도금에서는, 도금 속도가 빠르고, 베이스와의 밀착성도 양호하다. 무전해 도금에 사용하는 용액은 치환형과 환원형으로 분류되고, 막이 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두꺼운 막을 형성하는 경우에는 치환형 도금 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시 하는 것이 유효하다. 무전해법은 장치 등이 간편하고, 용이하지만, 전해법보다도 시간을 필요로 한다.
증착법에서는, 스퍼터법, 이온 플레이팅법, 진공 증착 등의 물리 흡착과, 플라즈마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식이며, 막 형성 후의 세정이 불필요하여 세정시의 표면 오염 등의 걱정이 없다.
도금 또는 증착을 실시하는 단계에 대해, 목표의 선 직경으로 도전성 금속의 막을 형성하는 방법과, 굵은 직경의 코어재로 막 형성한 후 목표의 선 직경까지 복수회 신선(伸線)하는 방법 중 어느 쪽이라도 유효하다. 전자의 최종 직경으로의 막 형성에서는, 제조, 품질 관리 등이 간편하고, 후자의 막 형성과 신선의 조합에서는, 막과 코어재와의 밀착성을 향상시키는 데 유리하다. 각각의 형성법의 구체예로서, 목표의 선 직경의 구리선에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 막 형성하는 방법, 혹은 전해 또는 무전해의 도금욕 중에 굵은 구리선을 침지하여 막을 형성한 후에 와이어를 신선하여 최종 직경에 도달하는 방법 등이 가능하다.
*표피층이 2종 이상의 표피 주요 금속으로 이루어지는 복수의 층을 형성하는 경우에, 복수의 다른 표피 주요 금속의 층을 도금법, 증착법, 용융법 등에 의해 단계적으로 형성하게 된다. 그 때에, 다른 표피 주요 금속을 모두 형성한 후 열처리하는 방법, 1층의 표피 주요 금속의 형성과 열처리를 교대로 실시하는 방법 등이 유효하다.
상기 방법에 의해 형성된 표피층과 코어재를 이용하여, (i) 표피층 중에 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 형성하는 공정으로서, 혹은 (ii) 표피층 중에 구리의 농도 구배 및 최표면에 구리를 노출시키는 공정으로서 가열에 의한 확산 열처리가 유효하다. 이는 표피층과 코어재의 계면에서 구리와 도전성 금속과의 상호 확산을 조장하기 위한 열처리이다. 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 열처리를 행하는 방법이 생산성, 품질 안정성이 우수하다. 그러나, 단순히 와이어를 가열한 것 만으로는, 표피층의 표면 및 내부에서의 구리의 분포를 제어할 수 있는 것은 아니다. 통상의 와이어 제조에서 이용되는 가공 왜곡 제거 어닐링을 그대로 적용해도 표피층과 코어재와의 밀착성의 저하에 의해 루프 제어가 불안정해지거나, 캐필러리 내부에 와이어 절삭칩이 퇴적하여 막힘이 발생하거나, 또한 표면에 노출된 구리가 산화되어 접합 강도가 저하되는 등의 문제를 완전히 해결하는 것은 곤란하다. 그래서, 열처리의 온도, 속도, 시간 등의 제어가 중요하다.
바람직한 열처리법으로서, 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 열처리를 행하고, 게다가 일반적인 열처리인 노내 온도를 일정하게 하는 것이 아니라, 노내에서 온도 경사를 부여함으로써, 본 발명이 특징으로 하는 표피층 및 코어재를 갖는 와이어를 대량 생산하는 것이 용이해진다. 구체적인 사례에서는, 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방법, 온도를 노내에서 변화시키는 방법 등이 있다. 와이어의 표면 산화를 억제하는 경우에는, N2나 Ar 등의 불활성 가스를 노내에 흐르게 하면서 가열 하는 것도 유효하다.
온도 경사의 방식에서는, 노 입구 근방에서의 플러스의 온도 경사(와이어의 스위핑 방향에 대해 온도가 상승), 안정 온도 영역, 노 출구 근방에서의 마이너스의 온도 경사(와이어의 스위핑 방향에 대해 온도가 하강) 등 복수의 영역에서 온도에 경사를 부여하는 것이 효과적이다. 이에 의해, 노 입구 근방에서 표피층과 코어재의 박리 등을 발생시키는 일 없이 밀착성을 향상시키고, 안정 온도 영역에서 구리와 도전성 금속과의 확산을 촉진하여 원하는 농도 구배를 형성하고, 또한 노 출구 근방에서 표면에서의 구리의 과잉 산화를 억제함으로써 얻어진 와이어의 접합성, 루프 제어성 등을 개선할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 출입구에서의 온도 구배를 1 ℃/㎜(10 ℃/㎝) 이상 형성하는 것이 바람직하다.
온도를 변화시키는 방법에서는, 노내를 복수개 영역으로 분할하여, 각 영역에서 다른 온도 제어를 행함으로써 온도의 분포를 만드는 것도 유효하다. 예를 들어 3군데 이상으로 노내를 분할하고, 독립하여 온도 제어를 행하고, 노의 양단부를 중앙부보다도 저온으로 함으로써, 온도 경사의 경우와 같은 개선 효과를 얻을 수 있다. 또한, 와이어의 표면 산화를 억제하기 위해, 노의 양단부 또는 출구측을 구리의 산화 속도가 느린 저온으로 함으로써 웨지 접합부의 접합 강도의 상승을 얻을 수 있다.
이러한 온도 경사 또는 온도 분포가 있는 열처리는, 생산성의 면에서는 최종 선 직경으로 실시하는 것이 바람직하지만, 한편 열처리 후에 신선을 실시함으로써 표면의 산화막을 제거하여 저온에서의 접합성을 향상시키거나, 또한 신선과 왜곡 제거 어닐링을 병용함으로써 캐필러리 내부에서의 와이어 마모를 저감시키는 효과 등도 얻을 수 있다.
*또한, 용융법에서는, 표피층 또는 코어재 중 어느 하나를 용융시켜 주입하는 방법이고, 1 내지 50 ㎜ 정도의 굵은 직경으로 표피층과 코어재를 접속한 후에 신선함으로써 생산성이 우수한 것, 도금, 증착법에 비해 표피층의 합금 성분 설계가 용이하고, 강도, 접합성 등의 특성 개선도 용이한 등의 이점이 있다. 구체적인 공정에서는, 미리 제작한 코어선의 주위로 용융한 도전성 금속을 주입하여 표피층을 형성하는 방법과, 미리 제작한 도전성 금속의 중공 원기둥을 이용하여 그 중앙부에 용융된 구리 또는 구리 합금을 주입(鑄入)함으로써 코어선을 형성하는 방법으로 나뉘어진다. 바람직하게는, 후자의 중공 원기둥의 내부에 구리의 코어재를 주입하는 쪽이 표피층 중에 구리의 농도 구배 등을 안정 형성하는 것이 용이하다. 여기서, 미리 제작한 표피층 중에 구리를 소량 함유시켜 두면, 표피층의 표면에서의 구리 농도의 제어가 용이해진다. 또한, 용융법에서는 표피층에 Cu를 확산시키기 위한 열처리 작업을 생략하는 것도 가능하지만, 표피층 내의 Cu의 분포를 조정하기 위해 열처리를 실시함으로써 한층 특성 개선도 예상할 수 있다.
또한, 이러한 용융 금속을 이용하는 경우, 코어선과 표피층 중 적어도 한쪽을 연속 주조로 제조하는 것도 가능하다. 이 연속 주조법에 의해 상기의 주입하는 방법에 비해 공정이 간략화되고, 게다가 선 직경을 가늘게 하여 생산성을 향상시키는 것도 가능해진다.
또한, <1>의 본딩 와이어에 있어서 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 표피 주요 금속의 단일 금속 영역을 표피층의 표면 또는 내부에 형성하는 방법으로서, 다른 표피 주요 금속으로 이루어지는 2층의 단일 금속 영역을 코어재의 표면에 형성하고, 전술한 농도 구배를 형성시키는 확산 열처리를 이용하여 표면 또는 내부에 단일 금속 영역이 남도록 열처리 조건을 적정화하는 것이 유효하다.
또한, 표피층의 표면에 단일 금속 영역을 형성하는 다른 방법으로서, 확산 열처리를 실시한 후에, 단일 금속 영역을 상술한 도금법, 증착법 등에 의해 새롭게 형성하는 것도 가능하다. 이 단일 금속 영역의 베이스와의 밀착성을 향상시키기 위해, 단일 금속 영역의 형성 후에 다시 열처리를 적절히 행하는 것도 유효하다.
구리의 단일 또는 30 ㏖% 이상 구리를 함유하는 합금으로 이루어지는 최표면 영역을 형성하는 한 방법으로서, 코어재의 표면에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 층을 형성하고, 그 표면에 또한 구리층을 형성하고, 그 후에 다른 표피 주요 금속으로 이루어지는 2층의 단일 금속 영역을 코어재의 표면에 형성하고, 확산 열처리를 적정한 조건으로 행하는 것이 유효하다. 여기서의 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 층 및 구리층의 형성 공정에 대해서는 전술한 도금법, 증착법, 용융법 등을 이용한다.
이하, 실시예에 대해 설명한다.
<1> 본딩 와이어 : 제1 실시예 내지 제78 실시예
본딩 와이어의 원재료로서, 코어재에 이용하는 구리는 순도가 약 99.99 질량% 이상인 고순도의 소재를 이용하고, 외주부의 Au, Pt, Pd, Cu, Ag, Ni, Rh의 소 재에는 순도 99.9 질량% 이상의 원료를 준비하였다.
임의의 선 직경까지 가늘게 한 구리 와이어를 코어재로 하고, 그 와이어 표면에 다른 금속의 층을 형성하기 위해서는 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법, 용융법 등을 행하고, 농도 구배를 형성하기 위해서도 열처리를 실시하였다. 최종 선 직경으로 표피층을 형성하는 경우와, 임의의 선 직경으로 표피층을 형성한 후, 다시 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 하는 방법을 이용하였다. 전해 도금액, 무전해 도금액은 반도체 용도로 시판되고 있는 도금액을 사용하고, 증착은 스퍼터법을 이용하였다. 직경이 약 50 내지 200 ㎛인 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의해 피복하고, 최종 직경의 15 내지 25 ㎛까지 신선하여 마지막에 가공 왜곡을 제거하고, 신장치가 4 % 정도가 되도록 열처리를 실시하였다. 필요에 따라서, 선 직경 30 내지 100 ㎛까지 다이스 신선한 후에, 확산 열처리를 실시한 후, 다시 신선 가공을 실시하였다.
용융법을 이용하는 경우에는, 미리 제작한 코어선 주위로 용융한 금속을 주입하는 방법과, 미리 제작한 중공 원기둥의 중앙부에 용융한 구리 또는 구리 합금을 주입하는 방법을 채용하였다. 코어선의 직경은 약 3 내지 8 ㎜, 외주부의 직경은 약 5 내지 10 ㎜로 행하였다. 그 후, 단조(鍛造), 롤 압연, 다이스 신선 등의 가공과, 열처리를 행하여 와이어를 제조하였다. 또한, 복수의 층을 형성하기 위해, 용융법으로 형성한 중간 제품의 표면에 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법 등에 의해 다른 층을 형성하는 복합적인 용법도 행하였다.
본 발명예의 와이어의 열처리에 대해, 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 가 열하였다. 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방식, 온도를 노내에서 변화시키는 방식 등을 이용하였다. 이 온도차는 30 내지 200 ℃의 범위로 하고, 온도 분포, 와이어 스위핑 속도 등을 적정화하여, 인장 신장이 4 % 전후가 되도록 조정하였다. 열처리의 분위기에서는, 대기 외에, 산화를 억제할 목적으로 N2, Ar 등의 불활성 가스도 이용하였다. 비교예의 열처리 공정에 대해, 신선 후의 Cu 와이어에 열처리를 실시한 후 도금층을 형성한 경우(제2 비교예, 제4 비교예, 제7 비교예, 제8 비교예)와, 열처리를 신선 후와, 도금층의 형성 후에 2회 실시한 경우(제3 비교예, 제6 비교예)로 시료를 준비하였다.
와이어의 인장 강도 및 탄성률은 길이 10 ㎝의 와이어 5개의 인장 시험을 실시하고, 그 평균치에 의해 구하였다.
본딩 와이어의 접속에는, 시판되고 있는 자동 와이어 본더를 사용하여, 볼/웨지 접합을 행하였다. 아크 방전에 의해 와이어 선단부에 볼(초기 볼 직경 : 35 내지 50 ㎛)을 제작하고, 그것을 실리콘 기판 상의 전극막에 접합하고, 와이어 타단부를 리드 단자 상에 웨지 접합하였다. 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단부에 N2 가스를 블로잉하면서 방전시켰다.
접합 상대로서는, 실리콘 기판 상의 전극막의 재료인, 두께 1 ㎛인 Al 합금막(Al-1 % Si-0.5 % Cu막, Al-0.5 % Cu막)을 사용하였다. 한편, 웨지 접합의 상대에는, 표면에 Ag 도금(두께 : 1 내지 4 ㎛)한 리드 프레임, 또는 Au 도금/Ni 도금/Cu의 전극 구조의 수지 기판을 사용하였다.
본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해, 와이어 길이가 3 ㎜와 5 ㎜인 2종류의 본딩 시료를 제작하고, 각각 500개의 와이어를 투영기에 의해 관찰하여, 와이어의 직선성, 루프 높이의 변동 등을 판정하였다. 와이어 길이가 긴 5 ㎜에서의 조건은, 더욱 엄격한 평가가 된다. 와이어 길이 3 ㎜에서, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는, 문제 있음으로 판단하여 ×표로 나타내고, 와이어 길이 3 ㎜에서 불량이 2 내지 4개이고, 또한 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 5개 이상인 경우에는, 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 와이어 길이 3 ㎜에서 불량이 1개 이하, 또한 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 2 내지 4개인 경우에는, 루프 형상은 비교적 양호하므로 ○표로 나타내고, 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정된다고 판단하여 ◎표로 나타냈다. 불량 원인의 하나로, 코어선과 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것, 단면에서의 특성 변동 등이 상정된다.
*수지 밀봉시의 와이어 흐름(수지 흐름)의 측정은, 와이어 길이 5 ㎜의 본딩 시료를 제작하고, 시판되고 있는 에폭시 수지로 밀봉한 후에, 연X선 비파괴 검사 장치를 이용하여 와이어 흐름이 최대 부분의 흐름량을 20개 측정하고, 그 평균치를 와이어의 스팬 길이로 나눈 값(백분율)을 밀봉시의 와이어 변형률이라 하였다. 이 와이어 변형률이 6 % 이상이면 불량이라 판단하여 ×표, 4 % 이상 6 % 미만이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 2.5 % 이상 4 % 미만이면 실용상으로는 문제 없다고 판단하여 ○표, 2.5 % 미만이면 와이어 변형의 저감이 양호하므로 ◎표로 나타냈 다.
초기 볼 형상의 관찰에서는, 접합 전의 볼을 20개 관찰하여, 형상이 진구인지, 치수 정밀도가 양호한지 등을 판정하였다. 이상 형상의 볼 발생이 2개 이상이면 불량하기 때문에 ×표, 이형이 2개 이하이지만, 와이어에 대한 볼 위치의 코어 어긋남이 현저한 개수가 5개 이상인 경우에는 △표, 코어 어긋남이 2 내지 4개이면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 코어 어긋남이 1개 미만이고 치수 정밀도도 양호한 경우에는, 볼 형성은 양호하므로 ◎표로 표기하였다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 500개 관찰하여 형상의 진원성, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 볼 압착 직경은 와이어 직경의 2 내지 3배의 범위가 되는 조건을 선정하였다. 진원으로부터의 어긋남이 큰 이방성이나 타원 형상 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량이라 판정하여 ×표, 불량 볼 형상이 2 내지 4개, 또는 꽃잎 형상 등의 볼 압착부의 외주부가 8개 이상이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 불량 볼 형상이 1개 미만, 또한 꽃잎 형상 변형이 3 내지 7개이면 실용상으로는 문제 없는 레벨이라 판정하여 ○표, 꽃잎 형상 변형이 2개 이하이면 양호하므로 ◎표로 표기하였다.
네크부의 강도 평가는, 루프의 하부에 건 훅을 상방 이동시켜 파단 강도를 판독하는 인장 시험법으로, 20개의 파단 하중(인장 강도)을 측정하였다. 측정 부위에 맞추어 훅 위치를 바꿀 수 있고, 네크부의 강도를 평가하기 위해서는 볼 접합부의 근방에서 인장 시험(네크 인장 강도)을 행하고, 웨지 접합부의 강도 평가에서는 웨지 접합부로부터 와이어 스팬의 1/4 정도의 근방에서 인장 강도를 측정하였 다. 네크 인장 강도가 와이어 강도의 60 % 이상이면 양호하므로 ◎표, 40 % 미만이면 개선이 필요하므로 △표, 그 중간이면 ○표로 표기하였다.
리드측에 와이어를 접합하는 웨지 접합성의 판정에서는, 저온이 될수록 접합이 곤란해지므로, 스테이지 온도를 220 ℃, 180 ℃의 저온에서 각각 1000개의 본딩을 행하여, 연속 작업성, 와이어의 변형 형상 등을 조사하였다. 220 ℃에서 접합부에서의 완전 박리가 2개 이상 발생한 경우에는 ×표, 220 ℃에서의 완전 박리가 2개 미만, 또한 와이어 파단 근방의 부분적인 박리가 발생하고 있는 경우에는 개선이 필요하기 때문에 △표, 220 ℃에서는 불량은 없고, 게다가 180 ℃에서의 완전 박리가 1개 이하인 경우에는 ○표, 180 ℃에서의 완전 박리가 없고, 부분 박리도 3개 미만인 경우에는 ◎표로 표시하였다.
웨지 접합부의 인장 강도 측정에서는, 접합 계면의 밀착성을 판정하기 위해 와이어 길이가 3 ㎜의 시료에서 웨지 접합부의 근방에서 인장 시험을 행하고, 20개의 평균치를 구하였다.
표1 내지 표10, 표13, 표14에는 본 발명에 관계되는 구리 본딩 와이어의 평가 결과를 나타내고, 표11, 표12에는 비교예를 나타내고 있다.
[표1]
Figure 112009038695688-PAT00001
[표2]
Figure 112009038695688-PAT00002
[표3]
Figure 112009038695688-PAT00003
[표4]
Figure 112009038695688-PAT00004
[표5]
Figure 112009038695688-PAT00005
[표6]
Figure 112009038695688-PAT00006
[표7]
Figure 112009038695688-PAT00007
[표8]
Figure 112009038695688-PAT00008
[표9]
Figure 112009038695688-PAT00009
[표10]
Figure 112009038695688-PAT00010
[표11]
Figure 112009038695688-PAT00011
[표12]
Figure 112009038695688-PAT00012
[표13]
Figure 112009038695688-PAT00013
[표14]
Figure 112009038695688-PAT00014
본 발명의 (1)에 관계되는 본딩 와이어는 제1 실시예 내지 제55 실시예이며, 본 발명의 (2)에 관계되는 본딩 와이어는 제1 실시예 내지 제51 실시예이고, 본 발명의 (3)에 관계되는 본딩 와이어는 제1 실시예 내지 제40 실시예, 본 발명의 (4)에 관계되는 본딩 와이어는 제1 실시예 내지 제29 실시예, 제41 실시예 내지 제46 실시예, 본 발명의 (5)에 관계되는 본딩 와이어는 제56 실시예 내지 제69 실시예, 본 발명의 (6)에 관계되는 본딩 와이어는 제52 실시예 내지 제55 실시예, 본 발명의 (7)에 관계되는 본딩 와이어는 제3 실시예, 제7 실시예, 제10 실시예, 제32 실 시예, 제43 실시예, 제50 실시예, 제59 실시예, 제61 실시예, 본 발명의 (23)에 관계되는 본딩 와이어는 제74 실시예 내지 제78 실시예, 본 발명의 (24)에 관계되는 본딩 와이어는 제70 실시예 내지 제75 실시예에 상당한다. 표11, 표12의 제1 비교예 내지 제8 비교예에는, 본 발명의 <1>의 본딩 와이어에 해당하지 않는 본딩 와이어의 결과를 나타낸다.
각각의 본딩 와이어의 대표예에 대해, 평가 결과의 일부를 설명한다.
제1 실시예 내지 제55 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 내부에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 2종 이상의 주성분 금속을 포함하고, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 주성분 금속 또는 구리의 한쪽 또는 양쪽의 농도 구배를 가짐으로써, 볼부의 형성성, 와이어 강도도 충분히 높은 것이 확인되었다. 이들 특성은, 제1 비교예 내지 제8 비교예의 구리 이외의 원소의 막을 단순히 표면에 형성한 Cu 와이어로는 충분하지 않고, 와이어 직경 방향으로 농도 구배를 갖는 제1 실시예 내지 제55 실시예에서는 개선되어 있는 것이 명확해졌다.
제1 실시예 내지 제51 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층 내에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은, 니켈 중 적어도 1종 이상이 깊이 방향으로 증가와 감소의 양방의 농도 구배를 가짐으로써, 루프 제어성, 웨지 접합성이 양호한 것을 확인하였다.
제1 실시예 내지 제40 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층 중에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 단일 금속 영역을 가짐으로써, 웨지 접합성, 압착 형상이 양호한 것을 확인하였다.
제1 실시예 내지 제29 실시예, 제41 실시예 내지 제46 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는 표피층의 내부에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 단일 금속 영역을 가짐으로써, 인장 강도가 높고, 네크 손상이 저감되어 있어, 낮은 루프화에 충분히 대응할 수 있는 것을 확인하였다.
제56 실시예 내지 제69 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 구리의 단일 또는 30 ㏖% 이상 구리를 함유하는 합금으로 이루어지는 최표면 영역과, 표피층의 내부에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈 중 적어도 1종과 구리가 와이어 직경 방향으로 증가와 감소의 양방의 농도 구배를 갖는 부위가 존재함으로써, 볼 형성성이 양호하고, 인장 강도도 높고, 웨지 접합성도 향상되어 있는 것을 확인하였다.
제52 실시예 내지 제55 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 내부에 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈의 주성분 금속 중 적어도 1종과 구리의 농도 구배와, 주성분 금속 중 2종 이상을 0.1 ㏖% 이상으로 균일 농도로 함유하는 합금층을 가짐으로써, 인장 강도가 높고, 네크 손상의 저감, 인장 강도의 증가 등에 의해 저루프화에 대응할 수 있는 것을 확인하였다.
제3 실시예, 제7 실시예, 제10 실시예, 제32 실시예, 제43 실시예, 제50 실시예, 제59 실시예, 제61 실시예의 본딩 와이어는 표피층 중에 금속간 화합물을 형성하는 것이 확인되어 있고, 와이어가 고강도화되어 사용시의 직선성, 수지 흐름 억제 등이 향상되어 있었다.
제74 실시예 내지 제78 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 코어부에 Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소를 소정량 함유함으로써, 웨지 접합성이 향상되어 있고, 또한 제70 실시예 내지 제75 실시예의 본딩 와이어는, 코어부에 은, 주석 또는 금을 소정량 함유함으로써 수지 흐름이 개선되어 있었다.
<2> 본딩 와이어 : 제101 실시예 내지 제145 실시예
본딩 와이어의 원재료로서, 코어재에 이용하는 구리는 순도가 약 99.99 질량% 이상의 고순도의 소재를 이용하고, 외주부의 Au, Pt, Pd, Ni, Ag의 소재에는 순도 99.9 질량% 이상의 원료를 준비하였다.
임의의 선 직경까지 가늘게 한 구리 와이어를 코어재로 하고, 그 와이어 표면에 다른 금속의 층을 형성하기 위해서는 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법, 용융법 등을 행하고, 농도 구배를 형성하기 위해서도 열처리를 실시하였다. 최종 선 직경으로 표피층을 형성하는 경우와, 임의의 선 직경으로 표피층을 형성한 후 다시 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 하는 방법을 이용하였다. 전해 도금액, 무전해 도금액은 반도체 용도로 시판되고 있는 도금액을 사용하고, 증착은 스퍼터법을 이용하였다. 직경이 약 50 내지 200 ㎛인 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의해 피복하고, 최종 직경의 15 내지 25 ㎛까지 신선하여 마지막으로 가공 왜곡을 제거하여 신장치가 4 내지 10 % 정도의 범위가 되도록 열처리를 실시하였다. 필요에 따라서, 선 직경 30 내지 100 ㎛까지 다이스 신선한 후에, 확산 열처리를 실시한 후 다시 신선 가공을 실시하였다.
용융법을 이용하는 경우에는, 미리 제작한 코어선의 주위로 용융한 금속을 주입하는 방법과, 미리 제작한 중공 원기둥의 중앙부에 용융한 구리 또는 구리 합금을 주입하는 방법을 채용하였다. 코어선의 직경은 약 3 내지 8 ㎜, 외주부의 직경은 약 5 내지 10 ㎜로 행하였다. 그 후, 단조, 롤 압연, 다이스 신선 등의 가공과, 열처리를 행하여 와이어를 제조하였다.
본 발명예의 와이어의 열처리에 대해, 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 가열하였다. 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방식, 온도를 노내에서 변화시키는 방식 등을 이용하였다. 이 온도차는 30 내지 200 ℃의 범위로 하고, 온도 분포, 와이어 스위핑 속도 등을 적정화하여 인장 신장이 4 % 전후가 되도록 조정하였다. 열처리의 분위기에서는, 대기 외에 산화를 억제할 목적으로 N2, Ar 등의 불활성 가스도 이용하였다. 비교예의 열처리 공정에 대해, 신선 후의 Cu 와이어에 열처리를 실시한 후 도금층을 형성한 경우(제102 비교예, 제105 비교예 내지 제109 비교예)와, 열처리를 신선 후와, 도금층의 형성 후에 2회 실시한 경우(제103 비교예, 제104 비교예)로 시료를 준비하였다.
와이어의 인장 강도 및 탄성률은 길이 10 ㎝의 와이어 5개의 인장 시험을 실시하고, 그 평균치에 의해 구하였다.
와이어 표면의 막 두께 측정에는 AES에 의한 깊이 분석을 이용하고, 결정립계의 농화 등의 원소 분포의 관찰에는 AES, EPMA 등에 의한 면 분석, 선 분석을 행하였다. 와이어 중의 도전성 금속 농도는 ICP 분석, ICP 질량 분석 등에 의해 측정하였다. 표피층의 결정립계의 근방에서 구리 농도가 5 % 이상 높은 경우에는 ○ 표, 그 이하의 경우에는 농화 없음으로 나타냈다.
본딩 와이어의 접속에는, 시판되고 있는 자동 와이어 본더를 사용하여 볼/웨지 접합을 행하였다. 아크 방전에 의해 와이어 선단부에 볼(초기 볼 직경 : 35 내지 50 ㎛)을 제작하고, 그것을 실리콘 기판 상의 전극막에 접합하여 와이어 타단부를 리드 단자 상에 웨지 접합하였다. 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단부에 N2 가스를 블로잉하면서 방전시켰다.
접합 상대로서는, 실리콘 기판 상의 전극막의 재료인 두께 1 ㎛의 Al 합금막(Al-1 % Si-0.5 % Cu막, Al-0.5 % Cu막)을 사용하였다. 한편, 웨지 접합의 상대에는, 표면에 Ag 도금(두께 : 1 내지 4 ㎛)한 리드 프레임, 또는 Au 도금/Ni 도금/Cu의 전극 구조의 수지 기판을 사용하였다.
본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해, 와이어 길이가 3 ㎜와 5 ㎜인 2종류의 본딩 시료를 제작하고, 각각 500개의 와이어를 투영기에 의해 관찰하여 와이어의 직선성, 루프 높이의 변동 등을 판정하였다. 와이어 길이가 긴 5 ㎜에서의 조건은 보다 엄격한 평가가 된다. 와이어 길이 3 ㎜에서, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는, 문제 있음이라 판단하여 ×표로 나타내고, 와이어 길이 3 ㎜에서 불량이 2 내지 4개이고, 또한 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 5개 이상인 경우에는 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 와이어 길이 3 ㎜에서 불량이 1개 이하, 또한 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 2 내지 4개인 경우에는 루프 형상은 비교적 양호하므로 ○표로 나타내고, 와이어 길이 5 ㎜에서 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정된다고 판단하여 ◎표로 나타냈다. 불량 원인의 하나로, 코어선과 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것, 단면에서의 특성 변동 등이 상정된다.
수지 밀봉시의 와이어 흐름(수지 흐름)의 측정은, 와이어 길이 5 ㎜의 본딩 시료를 제작하고, 시판되고 있는 에폭시 수지로 밀봉한 후에, 연X선 비파괴 검사 장치를 이용하여 와이어 흐름이 최대 부분의 흐름량을 20개 측정하고, 그 평균치를 와이어의 스팬 길이로 나눈 값(백분율)을 밀봉시의 와이어 변형률이라 하였다. 이 와이어 변형률이 6 % 이상이면 불량이라 판단하여 ×표, 4 % 이상 6 % 미만이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 2.5 % 이상 4 % 미만이면 실용상으로는 문제 없다고 판단하여 ○표, 2.5 % 미만이면 와이어 변형의 저감이 양호하므로 ◎표로 나타냈다.
초기 볼 형상의 관찰에서는, 접합 전의 볼을 20개 관찰하여, 형상이 진구인지, 치수 정밀도가 양호한지 등을 판정하였다. 이상 형상의 볼 발생이 2개 이상이면 불량하므로 ×표, 이형이 2개 이하이지만, 와이어에 대한 볼 위치의 코어 어긋남이 현저한 개수가 5개 이상인 경우에는 △표, 코어 어긋남이 2 내지 4개이면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 코어 어긋남이 1개 미만이고 치수 정밀도도 양호한 경우에는, 볼 형성은 양호하므로 ◎표로 표기하였다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 500개 관찰하여 형상의 진원성, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 볼 압착 직경은 와이어 직경의 2 내지 3배의 범위가 되는 조건을 선정하였다. 진원으로부터의 어긋남이 큰 이방성이나 타원 형상 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량이라 판정하여 ×표, 불량 볼 형상이 2 내지 4개, 또는 꽃잎 형상 등의 볼 압착부의 외주부가 8개 이상이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 불량 볼 형상이 1개 미만, 또한 꽃잎 형상 변형이 3 내지 7개이면 실용상으로는 문제 없는 레벨로 판정하여 ○표, 꽃잎 형상 변형이 2개 이하이면 양호하므로 ◎표로 표기하였다.
볼 접합부의 접합 강도에 대해서는, 알루미늄 전극의 2 ㎛ 상방에서 지그를 평행 이동시켜 전단 파단 강도를 판독하는 전단 테스트법으로, 40개의 파단 하중(전단 강도)을 측정하였다. 전단 강도의 절대치는 접합 조건의 변경 등에 의해 증감시키는 것은 용이하지만, 전단 강도의 변동은 볼 변형의 안정성과 밀접하게 관련하여 대량 생산성의 면에서도 중요해진다. 전단 강도의 표준 편차가 14.7 mN 이상이면 변동의 개선이 필요하기 때문에 △표, 7.8 내지 14.7 mN이면 실용상의 큰 문제는 없기 때문에 ○표, 7.8 mN 미만이면 안정되어 있으므로 ◎표로 표기하였다.
볼 접합부 바로 아래의 실리콘 기판에의 손상을 평가하기 위해, 볼 접합부 및 전극막은 왕수(王水)에 의해 제거한 후, 실리콘 기판 상의 균열, 미소 피트 구멍 등을 광 현미경이나 SEM 등에 의해 관찰하였다. 500개의 접합부를 관찰하여, 5 ㎛ 이상의 균열이 3개 이상 확인되는 경우에는 칩 손상이 문제가 된다고 판단하여 △표로 나타내고, 균열이 1 내지 3개 발생하고 있거나, 또는 1 ㎛ 정도의 피트 구멍이 2개 이상 확인되는 경우에는 칩 손상이 우려되지만 실용상으로는 문제는 없기 때문에 ○표로 나타내고, 균열은 발생하고 있지 않고 피트 구멍도 1개 이하인 경우에는 매우 양호한 것이므로 ◎표로 표시하였다.
리드측에 와이어를 접합하는 웨지 접합성의 판정에서는, 저온이 될수록 접합이 곤란해지므로, 스테이지 온도를 220 ℃, 180 ℃의 저온에서 각각 1000개의 본딩을 행하여 연속 작업성, 와이어의 변형 형상 등을 조사하였다. 220 ℃에서, 접합부에서의 완전 박리가 2개 이상 발생한 경우에는 ×표, 220 ℃에서의 완전 박리가 2개 미만, 또한 와이어 파단 근방의 부분적인 박리가 발생하고 있는 경우에는 개선이 필요하기 때문에 △표, 220 ℃에서는 불량은 없고, 게다가 180 ℃에서의 완전 박리가 1개 이하인 경우에는 ○표, 180 ℃에서의 완전 박리가 없고, 부분 박리도 3개 미만인 경우에는 ◎표로 표시하였다.
웨지 접합부의 인장 강도 측정에서는, 접합 계면의 밀착성을 판정하기 위해 와이어 길이가 3 ㎜인 시료로 웨지 접합부의 근방에서 인장 시험을 행하고, 20개의 평균치를 구하였다.
표15, 표16, 표19 내지 표22에는, 본 발명에 관계되는 구리 본딩 와이어의 평가 결과를 나타내고, 표17, 표18에는 비교예를 나타낸다.
[표15]
Figure 112009038695688-PAT00015
[표16]
Figure 112009038695688-PAT00016
[표17]
Figure 112009038695688-PAT00017
[표18]
Figure 112009038695688-PAT00018
[표19]
Figure 112009038695688-PAT00019
[표20]
Figure 112009038695688-PAT00020
[표21]
Figure 112009038695688-PAT00021
[표22]
Figure 112009038695688-PAT00022
본 발명의 (8)에 관계되는 본딩 와이어는 제101 실시예 내지 제125 실시예이고, 본 발명의 (9)에 관계되는 본딩 와이어는 제105 실시예, 제107 실시예, 제119 실시예, 제123 실시예이고, 본 발명의 (17)에 관계되는 본딩 와이어는 제101 실시예 내지 제125 실시예, 본 발명의 (18)에 관계되는 본딩 와이어는 제126 실시예 내지 제134 실시예, 본 발명의 (25)에 관계되는 본딩 와이어는 제35 실시예 내지 제 45 실시예, 본 발명의 (21)에 관계되는 본딩 와이어는 제101 실시예 내지 제145 실시예, 본 발명의 (20)에 관계되는 본딩 와이어는 제102 실시예 내지 제107 실시예, 제109 실시예 내지 제119 실시예, 제121 실시예 내지 제124 실시예, 제126 실시예 내지 제131 실시예, 제133 실시예 내지 제134 실시예, 제136 실시예 내지 제141 실시예, 제143 실시예 내지 제145 실시예에 상당한다. 표17, 표18에는, 본 발명 <2>의 본딩 와이어에 해당하지 않는 본딩 와이어의 결과를 나타낸다.
각각의 본딩 와이어의 대표 예에 대해 평가 결과의 일부를 설명한다.
제101 실시예 내지 제125 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 내부에 구리의 농도 구배를 갖고, 표면에 있어서의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 것에 의해 볼부의 형성성, 접합 형상, 웨지 접합성 등이 양호한 것이 확인되었다. 이들 특성은, 제101 비교예 내지 제109 비교예의 구리 이외의 원소의 막을 표면에 형성한 Cu 와이어로는 충분하지 않고, 제101 실시예 내지 제125 실시예에서는 개선되어 있는 것이 명확해졌다.
제101 실시예 내지 제145 실시예에서는, 와이어 전체에 차지하는 상기 첨가 원소 농도가 총합으로 0.01 내지 10 ㏖%인 것에 의해, 칩 손상이 저감되어 있었던 데 반해, 상기 농도가 10 ㏖% 초과인 제101 비교예 내지 제107 비교예에서는 칩 손상이 많이 관찰되었다.
제105 실시예, 제107 실시예, 제119 실시예, 제123 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 내부에 구리의 농도 구배와 구리와 금속간 화합물을 갖고, 표면에 있어서의 구리 농도가 0.1 ㏖% 이상인 것에 의해 와이어 강도가 상승 하고, 수지 밀봉시의 와이어 변형이 저감되어 있었다.
제126 실시예 내지 제134 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 주성분이 금, 팔라듐 또는 백금이고, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소를 소정량 함유함으로써 웨지 접합성이 향상되어 있었다.
제135 실시예 내지 제145 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 코어재가 은, 주석 또는 아연의 1종 이상을 소정량 함유하는 구리 합금으로 이루어짐으로써, 충분한 웨지 접합성을 확보하면서 와이어 강도를 증가시켜 수지 밀봉시의 와이어 흐름을 억제하는 효과가 향상되어 있었다.
제102 실시예 내지 제107 실시예, 제109 실시예 내지 제119 실시예, 제121 실시예 내지 제124 실시예, 제126 실시예 내지 제131 실시예, 제133 실시예, 제134 실시예, 제136 실시예 내지 제141 실시예, 제143 실시예 내지 제145의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 결정립계에 구리의 농화가 확인되고, 볼 직경, 루프 형상 등의 사용 성능이 안정화됨으로써 변동이 감소하고 있고, 와이어 제조 공정의 총합 수율도 평균적으로 5% 이상은 개선되어 있었다.
<3> 본딩 와이어 : 제201 실시예 내지 제241 실시예
본딩 와이어의 원재료로서, 코어재에 이용하는 구리는 순도가 약 99.99 질량% 이상의 고순도의 소재를 이용하고, 표피층(외피층)의 Au, Pt, Pd, Ag, Ni의 소재에는 순도 99.9 질량% 이상의 원료를 준비하였다.
임의의 선 직경까지 가늘게 한 구리 와이어를 코어재로 하고, 그 와이어 표면에 다른 금속의 층을 형성하기 위해서는 전해 도금법, 무전해 도금법, 증착법, 용융법 등을 행하고, 농도 구배를 형성하기 위해서도 열처리를 실시하였다. 최종 선 직경으로 표피층(외피층)을 형성하는 경우와, 임의의 선 직경으로 외피층을 형성한 후 다시 신선 가공에 의해 최종 선 직경까지 가늘게 하는 방법을 이용하였다. 전해 도금액, 무전해 도금액은 반도체 용도로 시판되고 있는 도금액을 사용하고, 증착은 스퍼터법을 이용하였다. 직경이 약 50 내지 200 ㎛의 와이어를 미리 준비하고, 그 와이어 표면에 증착, 도금 등에 의해 피복하고, 최종 직경의 15 내지 75 ㎛까지 신선시켜 마지막으로 가공 왜곡을 제거하여 신장치가 4 % 정도가 되도록 열처리를 실시하였다. 필요에 따라서, 선 직경 30 내지 100 ㎛까지 다이스 신선시킨 후에, 확산 열처리를 실시한 후, 다시 신선 가공을 실시하였다.
용융법을 이용하는 경우에는, 미리 제작한 코어선 주위로 용융한 금속을 주입하는 방법과, 미리 제작한 중공 원기둥의 중앙부에 용융한 구리 또는 구리 합금을 주입하는 방법을 채용하였다. 그 후, 단조, 롤 압연, 다이스 신선 등의 가공과, 열처리를 행하여 와이어를 제조하였다.
본 발명예의 와이어의 열처리에 대해, 와이어를 연속적으로 스위핑하면서 가열하였다. 국소적으로 온도 경사를 도입하는 방식, 온도를 노내에서 변화시키는 방식 등을 이용하였다. 이 온도차는 30 내지 200 ℃의 범위로 하고, 온도 분포, 와이어 스위핑 속도 등을 적정화하여 인장 신장이 4 % 전후가 되도록 조정하였다. 열처리의 분위기에서는, 대기 외에, 산화를 억제할 목적으로 N2, Ar 등의 불활성 가스도 이용하였다. 비교예의 열처리 공정에 대해, 신선 후의 Cu 와이어에 열처리를 실시한 후 도금층을 형성한 경우와, 열처리를 신선 후와, 도금층의 형성 후에 2회 실시한 경우로 시료를 준비하였다.
와이어의 인장 강도, 신장은 길이 10 ㎝의 와이어 5개의 인장 시험을 실시하고, 그 평균치에 의해 구하였다.
와이어 표면의 막 두께 측정에는 AES에 의한 깊이 분석을 이용하여 결정립계의 농화 등의 원소 분포의 관찰에는 AES, EPMA 등에 의한 면 분석, 선 분석을 행하였다. 와이어 중의 도전성 금속 농도는, ICP 분석, ICP 질량 분석 등에 의해 측정하였다. 표면의 농도 편중에 대해 랜덤인 위치의 4군데의 농도 분석을 행하고, 구리 농도가 10% 이상 다른 경우에는 농도 편중이 있다고 판단하여 ○표, 그 이하의 경우에는 편중 없음으로 나타냈다. 결정립계의 근방에서 구리 농도가 5 % 이상 높은 경우에는 ○표, 그 이하의 경우에는 농화 없음으로 나타냈다.
본딩 와이어의 접속에는 시판되고 있는 자동 와이어 본더를 사용하여 볼/웨지 접합을 행하였다. 아크 방전에 의해 와이어 선단부에 볼을 제작하고, 그것을 실리콘 기판 상의 전극막에 접합하고, 와이어 타단부를 리드 단자 상에 웨지 접합하였다. 볼 용융시의 산화를 억제하기 위해, 와이어 선단부에 N2 가스를 블로잉하면서 방전시켰다.
접합 상대로서는, 실리콘 기판 상의 전극막의 재료인 두께 1 ㎛의 Al 합금막(Al-1 % Si-0.5 % Cu막, Al-0.5 % Cu막)을 사용하였다. 한편, 웨지 접합의 상대로는, 표면에 Ag 도금(두께 : 1 내지 4 ㎛)한 리드 프레임, 또는 Au 도금/Ni 도금 /Cu의 전극 구조의 수지 기판을 사용하였다.
본딩 공정에서의 루프 형상 안정성에 대해, 와이어 길이가 2 ㎜인 범용 스팬과 0.5 ㎜인 단스팬의 2종류로, 사다리꼴 루프를 제작하고, 각각 500개의 와이어를 투영기에 의해 관찰하여, 와이어의 직선성, 루프 높이의 변동 등을 판정하였다. 와이어 길이가 짧은 0.5 ㎜로 사다리꼴 루프의 형성은 칩 단부로의 접촉을 회피하기 위해 보다 엄격한 루프 제어가 필요해진다. 와이어 길이 2 ㎜에서, 직선성, 루프 높이 등의 불량이 5개 이상 있는 경우에는, 문제 있음이라 판단하여 ×표로 나타내고, 와이어 길이 0.5 ㎜에서 불량이 2 내지 4개이고, 또한 와이어 길이 0.5 ㎜에서 불량이 5개 이상인 경우에는, 개선이 필요하다고 판단하여 △표로 나타내고, 와이어 길이 2 ㎜에서 불량이 1개 이하, 또한 와이어 길이 0.5 ㎜에서 불량이 2 내지 4개인 경우에는 루프 형상은 비교적 양호하므로 ○표로 나타내고, 와이어 길이 0.5 ㎜에서 불량이 1개 이하인 경우에는 루프 형상은 안정된다고 판단하여 ◎로 나타냈다. 불량 원인 중 하나로, 코어선과 외주부의 계면의 밀착성이 충분하지 않은 것, 단면에서의 특성 변동 등이 상정된다.
캐필러리 수명의 평가에서는, 와이어를 5만개 접속한 후, 캐필러리 선단부의 오염, 마모 등의 변화로 판정하였다. 표면이 청정하면 ○표, 부착물 등이 조금 있는 경우에는 통상의 조업에는 문제 없기 때문에 △표, 부착물의 양이 크기가 현저한 경우에는 ×표로 표기하였다.
수지 밀봉시의 와이어 흐름(수지 흐름)의 측정은 와이어 길이 4 ㎜의 본딩 시료를 제작하고, 시판되고 있는 에폭시 수지로 밀봉한 후에, 연X선 비파괴 검사 장치를 이용하여 와이어 흐름이 최대 부분의 흐름량을 20개 측정하고, 그 평균치를 와이어의 스팬 길이로 나눈 값(백분율)을 밀봉시의 와이어 변형률이라 하였다. 이 와이어 변형률이 5 % 이상이면 불량이라 판단하여 ×표, 3 % 이상 5 % 미만이면 개선이 필요하기 때문에 △표, 2 % 이상 3 % 미만이면 실용상으로는 문제 없다고 판단하여 ○표, 2 % 미만이면 와이어 변형의 저감이 양호하므로 ◎표로 나타냈다.
와이어 직경에 대한 볼 직경의 비율이 작아지면 안정 형성이 어렵기 때문에, 초기 볼 형상의 평가에서는 볼 직경/와이어 직경의 비율이 1.9 내지 2.2 범위의 통상 사이즈와, 1.6 내지 1.7 범위인 소직경 볼의 2종류로 평가하였다. 접합 전의 볼을 20개 관찰하여, 형상이 진구인지, 치수 정밀도가 양호한지 등을 판정하였다. 이상 형상의 볼 발생이 2개 이상이면 불량하므로 ×표, 이형이 2개 이하이지만, 와이어에 대한 볼 위치의 코어 어긋남이 현저한 개수가 5개 이상인 경우에는 △표, 코어 어긋남이 2 내지 4개이면 실용상의 큰 문제는 없다고 판단하여 ○표, 코어 어긋남이 1개 미만이고 치수 정밀도도 양호한 경우에는, 볼 형성은 양호하므로 ◎표로 표기하였다.
스터드 범프 상에의 접합성 평가에서는, 우선은 스터드 범프를 형성하고, 그 상부에 동일한 와이어를 연속적으로 웨지 접속하는 과정을 1000개 실시하였다. 도중에의 본더 장치의 정지, 범프 상의 와이어가 쓰러지는 등의 형상 불량이 1개 이하이면 양호하다고 판단하여 ○표로 나타내고, 1 내지 5개의 범위에서는 실용상으로는 문제 없는 레벨이라 판단하여 △표로 나타내고, 5개를 초과하면 범프 상의 접합에 개선이 필요하다고 판단하여 ×표로 나타냈다.
역본딩성의 평가에서는, 기판측에 볼 접합하고, 칩측의 스터드 범프 상에 와이어를 웨지 접합하여 그 루프 형상의 안정성을 평가하였다. 1000개의 접속을 행하여, 굴곡, 컬 굴곡 등의 와이어 변형 불량이 5개 이상이면 ×표, 2 내지 4개이면 △표, 1개 이하이면 ○표로 나타냈다.
압착 볼부의 접합 형상의 판정에서는, 접합된 볼을 500개 관찰하여 형상의 진원성, 치수 정밀도 등을 평가하였다. 초기 볼 직경/와이어 직경의 비율이 1.6 내지 1.7의 범위인 소직경 볼을 이용하고, 볼 압착 직경은 와이어 직경의 2 내지 3배의 범위가 되는 조건을 선정하였다. 진원으로부터 어긋난 이방성이나 꽃잎 형상 등의 불량 볼 형상이 5개 이상이면 불량이라 판정하여 ×표, 불량 볼 형상이 2 내지 4개이면, 필요에 따라서 개선이 바람직하기 때문에 △표, 불량 볼 형상이 1개 이하이면 양호하므로 ○표로 표기하였다.
볼 접합부 바로 아래의 실리콘 기판에의 손상을 평가하기 위해, 볼 접합부 및 전극막은 왕수에 의해 제거한 후, 실리콘 기판 상의 균열, 미소 피트 구멍 등을 광 현미경이나 SEM 등에 의해 관찰하였다. 500개의 접합부를 관찰하여, 5 ㎛ 이상의 균열이 3개 이상 확인되는 경우에는 칩 손상이 문제가 된다고 판단하여 △표로 나타내고, 균열이 1 내지 3개 발생하고 있거나, 또는 1 ㎛ 정도의 피트 구멍이 2개 이상 확인되는 경우에는, 칩 손상이 우려되지만 실용상으로는 문제는 없기 때문에 ○표로 나타내고, 균열은 발생하고 있지 않고 피트 구멍도 1개 이하인 경우에는 매우 양호하므로 ◎표로 표시하였다.
리드측에 와이어를 접합하는 웨지 접합성의 판정에서는, 저온일수록 접합이 곤란해지기 때문에, 스테이지 온도를 220 ℃, 180 ℃의 저온에서, 각각 1000개의 본딩을 행하여 연속 작업성, 와이어의 변형 형상 등을 조사하였다. 220 ℃에서, 접합부에서의 완전 박리가 2개 이상 발생한 경우에는 ×표, 220 ℃에서의 완전 박리가 2개 미만, 또한 와이어 파단 근방의 부분적인 박리가 발생하고 있는 경우에는 개선이 필요하기 때문에 △표, 220 ℃에서는 불량은 없고, 게다가 180 ℃에서의 완전 박리가 1개 이하인 경우에는 ○표, 180 ℃에서의 완전 박리가 없고, 부분 박리도 3개 미만인 경우에는 ◎표로 표시하였다.
볼 접합 바로 위의 네크부의 인장 강도 평가에서는, 와이어 길이가 3 ㎜인 시료 20개에서, 볼 접합부의 근방에 훅을 걸어 인장 시험을 행하였다. 그 평균치가 와이어의 파단 강도에 대해, 7할 이상이면 인장 강도가 높다고 판단하여 ◎표, 5 내지 7할의 범위이면 통상 문제 없다고 판단하여 ○표, 5할 미만이면 데미지가 우려되므로 △표로 표기하였다.
웨지 접합의 형상 평가에서는, 프레임의 내측 리드 상의 Ag 도금층에 웨지 접합을 행하여, 파단 벗겨짐이나, 접합 형상이 변동되는 등의 이형으로 판정하였다. 1000개의 본딩부를 관찰하여 이형이 5개 이상이면 ×표, 3 내지 5개이면 △표, 1 내지 2개이면 ○표, 1개 미만이면 양호하다고 판단하여 ◎표로 나타냈다.
[표23]
Figure 112009038695688-PAT00023
[표24]
Figure 112009038695688-PAT00024
[표25]
Figure 112009038695688-PAT00025
[표26]
Figure 112009038695688-PAT00026
[표27]
Figure 112009038695688-PAT00027
[표28]
Figure 112009038695688-PAT00028
표23, 표24는 본 발명에 관계되는 구리 본딩 와이어의 평가 결과를 나타내고, 표25, 표26은 비교예의 평가 결과를 나타낸다. 또한, 표27, 표28은 본 발명에 관한 구리 본딩 와이어 및 비교예의 평가 결과를 나타낸다.
본 발명의 (10)에 관계되는 본딩 와이어는 제201 실시예 내지 제241 실시예이며, 본 발명의 (11)에 관계되는 본딩 와이어는 제203 실시예 내지 제241 실시예, 본 발명의 (12)에 관계되는 본딩 와이어의 일례는 제203 실시예 내지 제225 실시예, 본 발명의 (13)에 관계되는 본딩 와이어는 제204 실시예, 제206 실시예 내지 제217 실시예, 제219 실시예, 제220 실시예, 제222 실시예, 제223 실시예, 제225 실시예, 본 발명의 (14)에 관계되는 본딩 와이어는 제203 실시예, 제212 실시예, 제214 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예, 제223 실시예, 본 발명의 (15)에 관계되는 본딩 와이어는 제226 실시예 내지 제232 실시예, 제234 실시예, 본 발명의 (16)에 관계되는 본딩 와이어는 제229 실시예 내지 제237 실시예, 본 발명의 (19)에 관계되는 본딩 와이어는 제201 실시예 내지 제206 실시예, 제208 실시예 내지 제211 실시예, 제213 실시예, 제215 실시예, 제216 실시예, 제218 실시예, 제219 실시예, 제221 실시예, 제222 실시예, 제224 실시예, 제225 실시예, 제226 실시예 내지 제241 실시예, 본 발명의 (20)에 관계되는 본딩 와이어는 제201 실시예 내지 제204 실시예, 제206 실시예 내지 제209 실시예, 제211 실시예 내지 제214 실시예, 제216 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예 내지 제225 실시예, 제227 실시예 내지 제231 실시예, 제233 실시예 내지 제239 실시예, 제241 실시예, 본 발명의 (22)에 관계되는 본딩 와이어는 제202 실시예 내지 제216 실시예, 제218 실시예 내지 제241 실시예, 본 발명의 (26)에 관계되는 본딩 와이어는 제203 실시예, 제205 실시예, 제208 실시예, 제209 실시예, 제212 실시예, 제216 실시예, 제222 실시예, 제224 실시예, 제229 실시예, 제234 실시예, 제237 실시예, 본 발명의 (27)에 관계되는 본딩 와이어 제203 실시예, 제206 실시예, 제215 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예, 제223 실시예, 제231 실시예, 제234 실시예, 제237 실시예에 상당한다.
각각의 본딩 와이어의 대표예에 대해 평가 결과의 일부를 설명한다.
제201 실시예 내지 제241 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층 또는, 외피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 범위인 것에 의해, 볼부의 형성성, 웨지 접합성의 양방을 동시에 만족하는 것이 확인되었다. 한편, 표피층(외피층)을 갖지 않는 종래의 구리 와이어에 관한 제201 비교예에서는, 웨지 접합성이 매우 나쁜 문제가 확인되었다. 또한, 제203 비교예 내지 제212 비교예에서는 표피층(외피층)의 두께가 0.02 ㎛ 초과이며, 웨지 접합성은 양호하고, 통상 직경의 볼이라도 형상은 양호하지만, 소직경 볼에서는 형상 불량이 발생하고 있으므로, 용도가 한정되는 것이 우려된다.
제203 실시예 내지 제241 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층(외피층) 내에서의 도전성 금속의 농도 구배를 갖는 영역의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛의 범위인 것에 의해 단스팬 등의 루프 제어성이 향상되고, 또한 캐필러리 수명도 개선되어 양호하였다. 한편, 제201 비교예, 제202 비교예에서는 표피층(외피층) 두께가 0.001 ㎛ 미만이며, 루프 제어성, 캐필러리 수명 모두 충분하지 않고, 제203 비교예 내지 제219 비교예에서는 표피층(외피층)의 두께가 0.02 ㎛ 초과이며, 볼 형상 불량이 발생하고 있었다.
제203 실시예 내지 제225 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층(외피층) 내에서 도전성 금속 농도가 20 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.008 ㎛인 것에 의해, 웨지 접합성, 저온 웨지 접합성, 와이어 인장 강도 등에서 양호한 특성이 확인되었다.
제204 실시예, 제206 실시예 내지 제217 실시예, 제219 실시예, 제220 실시예, 제222 실시예, 제223 실시예, 제225 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층(외피층) 내에서 도전성 금속 농도가 40 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.006 ㎛인 것에 의해, 볼 접합부의 근방에서의 인장 강도가 향상되어 있는 것이 확인되었다.
제203 실시예, 제212 실시예, 제214 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예, 제223 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 도전성 금속 농도가 일정한 영역의 두께가 0.007 ㎛ 이하인 것에 의해, 저온 웨지 접합성이 한층 개선되어 있는 것이 확인되었다.
제226 실시예 내지 제232 실시예, 제234 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층(외피층)은 도전성 금속의 최고 농도가 40 ㏖% 이하이고, 표피층(외피층) 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것에 의해, 역본딩성과, 스터드 범프 상의 와이어 접합성 모두 우수한 특성인 것이 확인되었다.
제229 실시예 내지 제237 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 최표면의 구리 농도가 50 내지 95 ㏖%의 범위이고, 표피층(외피층) 내에 농도 구배를 갖고, 표피층(외피층) 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것에 의해, 작은 볼의 압착 형상이 개선되어 있는 것이 확인되었다.
제201 실시예 내지 제206 실시예, 제208 실시예 내지 제211 실시예, 제213 실시예, 제215 실시예, 제216 실시예, 제218 실시예, 제219 실시예, 제221 실시예, 제222 실시예, 제224 실시예, 제225 실시예, 제226 실시예 내지 제241 실시예의 본 딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층의 표면에서 도전성 금속과 구리가 농도편중을 가짐으로써, 소직경 볼 형상의 안정성이 한층 더 향상되어 있는 것이 확인되었다.
제202 실시예 내지 제204 실시예, 제206 실시예 내지 제209 실시예, 제211 실시예 내지 제214 실시예, 제216 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예 내지 제225 실시예, 제227 실시예 내지 제231 실시예, 제233 실시예 내지 제239 실시예, 제241 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 표피층(외피층)의 결정립계에 구리의 농화가 확인되고, 볼 직경, 루프 형상 등의 사용 성능이 안정되고, 와이어 제조 공정의 총합 수율도 평균적으로 5 % 정도 개선되어 있었다.
제202 실시예 내지 제216 실시예, 제218 실시예 내지 제241 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 와이어 전체에 차지하는 도전성 금속 농도가 총합으로 0.002 내지 0.3 ㏖%인 것에 의해 칩 손상이 대폭으로 경감되어 있는 것이 확인 되었다.
제203 실시예, 제205 실시예, 제208 실시예, 제209 실시예, 제212 실시예, 제216 실시예, 제222 실시예, 제224 실시예, 제229 실시예, 제234 실시예, 제237 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ba, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 함유하고, 와이어 전체에 차지하는 상기 첨가 원소 농도가 총합으로 0.001 내지 0.3 질량%인 것에 의해 수지 밀봉시의 와이어 흐름이 경감되어 있는 것이 확인되었다.
제203 실시예, 제206 실시예, 제215 실시예, 제217 실시예, 제220 실시예, 제223 실시예, 제231 실시예, 제234 실시예, 제237 실시예의 본딩 와이어는, 본 발명에 관계되는, 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ag, Pt, Pd, Sn 또는 Zn의 1종 이상의 첨가 원소를 함유하고, 와이어 전체에 차지하는 상기 첨가 원소 농도가 총합으로 0.001 내지 0.3 질량%인 것에 의해, 웨지 접합의 이형이 경감하고 있는 것이 확인되었다.

Claims (13)

  1. 구리를 포함하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표피층 내에 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속의 농도 구배를 갖는 영역이 존재하고, 상기 영역의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표피층 내에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 20 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.008 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표피층 내에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 40 ㏖% 이상인 영역의 두께가 0.001 내지 0.006 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표피층의 표면측에 있어서, 구리 이외의 도전성 금속의 농도가 와이어의 직경 방향으로 일정한 영역이 존재하고, 상기 영역의 두께가 0.007 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  6. 구리를 포함하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛이고, 상기 표피층 내에서는 구리 이외의 도전성 금속이 최고 농도가 40 ㏖% 미만이고, 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  7. 구리를 포함하는 코어재와, 상기 코어재 상에 코어재와 성분 또는 조성의 한쪽 또는 양쪽이 다른 도전성 금속과 구리를 함유하는 표피층을 갖는 본딩 와이어이며, 상기 표피층의 두께가 0.001 내지 0.02 ㎛이고, 최표면의 구리 농도가 50 내지 95 ㏖%의 범위이고, 와이어 직경 방향으로 구리 이외의 도전성 금속이 농도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  8. 제1항, 제2항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표피층의 주성분이 금, 팔라듐, 백금, 로듐, 은 또는 니켈로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  9. 제1항, 제2항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표피층의 표면에서 도전성 금속 또는 구리가 농도 편중을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  10. 제1항, 제2항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표피층의 결정립계에 구리가 농화되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  11. 제1항, 제2항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 전체에 차지하는 구리 이외의 도전성 금속 농도가 총합으로 0.002 내지 0.3 ㏖%의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  12. 제1항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Ba, Ca, Sr, Be, Al 또는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 와이어 전체에 대한 상기 첨가 원소 농도의 총합으로 0.001 내지 0.03 질량%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  13. 제1항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리를 주성분으로 하는 코어재가 Au, Ag, Pt, Pd, Sn 또는 Zn으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가 원소를 와이어 전체에 대한 상기 첨가 원소 농도의 총합으로 0.001 내지 0.3 질량%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
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