KR20150140405A - 반도체 장치용 본딩 와이어 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20150140405A
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다카시 야마다
다이조 오다
료 오이시
데루오 하이바라
도모히로 우노
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닛데쓰스미킹 마이크로 메탈 가부시키가이샤
신닛테츠스미킹 마테리알즈 가부시키가이샤
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Abstract

리닝 불량과 스프링 불량을 모두 억제하기 위해서, (1) 와이어 중심을 포함해서 와이어 길이 방향으로 평행한 단면(와이어 중심 단면)에 있어서, 긴 직경(a)과 짧은 직경(b)의 비(a/b)가 10 이상이며 또한 면적이 15㎛2 이상인 결정립(섬유상 조직)이 존재하지 않고, (2) 와이어 중심 단면에 있어서의, 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하이고, (3) 와이어 표면에 있어서의, 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어. 신선 공정 중에 감면율이 15.5％ 이상의 신선 가공을 적어도 1회 행하고, 최종 열처리 온도와 최종 전 열처리 온도를 소정 범위로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어 및 그 제조 방법{BONDING WIRE FOR USE WITH SEMICONDUCTOR DEVICES AND METHOD FOR MANUFACTURING SAID BONDING WIRE}
본 발명은 반도체 장치용 본딩 와이어, 특히 Ag 또는 Ag 합금을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치는, 회로 배선 기판(리드 프레임, 기판, 테이프 등)에 반도체 소자를 적재하고, 반도체 소자 상의 전극과 회로 배선 기판 상의 전극과의 사이를 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 간단히 「본딩 와이어」라고도 함)로 접속함으로써 형성된다.
반도체 장치용 본딩 와이어로서, 선 직경 20 내지 50㎛ 정도의 가는 금속선이 사용되고 있다. 본딩 와이어의 일단부는, 초음파 병용 열 압착 방식을 사용하여, 와이어의 선단을 가열 용융해서 볼을 형성시킨 뒤에, 반도체 소자의 전극 상에 이 볼부를 압착 접합한다. 와이어의 타단부는 회로 배선 기판의 전극 상에 초음파 압착에 의해 접합한다.
본딩 와이어용 소재로서, 종래는 고순도 Au(금) 또는 Au 합금이 사용되고 있었다. 그러나, Au는 고가이기 때문에, 재료비가 저렴한 타종 금속이 요망되고 있다. Au를 대신하는 저비용의 와이어 소재로서, Cu(구리)가 검토되고 있다. Au와 비교해서 Cu는 산화되기 쉬우므로, 특허문헌 1에서는, 코어재와 피복층(외주부)의 2층 본딩 와이어로서, 코어재에 Cu를, 피복층에 Pd(팔라듐)를 사용하는 예가 나타나 있다. 또한 특허문헌 2에서는, Cu 또는 Cu 합금을 포함하는 코어재와, 해당 코어재의 표면에 Pd를 주성분으로 하는 피복층과, 해당 피복층의 표면에 Au와 Pd를 포함하는 합금층을 갖는 본딩 와이어가 개시되어 있다.
Cu 와이어 또는 Pd 피복 Cu 와이어는, 접합 후의 경도가 높기 때문에, 보다 경도가 낮은 재료가 요청되고 있다. Au와 동등 이상의 전기 전도성을 갖고, Cu보다도 경도가 낮은 원소이며, 또한 내산화성을 갖고 있는 원소로서 Ag(은)를 들 수 있다.
특허문헌 3에는, Ag를 주체로 하는 Ag-Au-Pd 3원 합금계 본딩 와이어가 개시되어 있다. 당해 본딩 와이어는 연속 다이스 신선 전에 어닐링 열처리가 되고, 연속 다이스 신선 후에 조질 열처리가 되어, 질소 분위기 중에서 볼 본딩된다. 이에 의해, 고온, 고습 및 고압 하의 가혹한 사용 환경 하에서 사용되어도, 알루미늄 패드와의 접속 신뢰성을 유지할 수 있다고 한다.
특허문헌 4에는, Ag를 주체로 하는 Ag-Au, Ag-Pd, Ag-Au-Pd 합금 선재가 개시되어 있다. 합금 선재의 중심부는 가늘고 긴 결정립 또는 등축 결정립을 포함하고, 합금 선재의 그 밖의 부분은 등축 결정립으로 이루어지고, 어닐링 쌍정을 포함하는 결정립이 총량의 20％ 이상이다. 패키지 제품의 품질과 신뢰성의 향상을 목적으로 하고 있다.
인접하는 본딩 와이어의 간격이 좁아지는 협소 피치화가 진행되고 있다. 이것에 대응하는 본딩 와이어에의 요구로서, 세선화, 고강도화, 루프 제어, 접합성의 향상 등이 요구된다. 반도체 실장의 고밀도화에 의해 루프 형상은 복잡화되고 있다. 루프 형상의 분류로서, 루프 높이, 본딩의 와이어 길이(스판)가 지표가 된다. 최신의 반도체에서는, 하나의 패키지 내부에, 고루프와 저루프, 짧은 스판과 긴 스판 등, 상반되는 루프 형성을 혼재시키는 케이스가 증가하고 있다. 그것을 1종류의 본딩 와이어로 실현하는 데는, 엄격한 본딩 와이어의 재료 설계가 필요해진다.
양산으로 사용되는 와이어 특성으로서, 본딩 공정에서의 루프 제어가 안정되어 있고, 접합성도 향상되어 있고, 수지 밀봉 공정에서 와이어 변형을 억제할 것, 접속부의 장기 신뢰성 등의, 종합적인 특성을 만족함으로써, 최첨단의 협소 피치 접속, 적층 칩 접속 등의 고밀도 실장에 대응할 수 있을 것이 요망되고 있다.
재공표 WO2002-23618 공보 일본 특허 공개 제2011-77254호 공보 일본 특허 제4771562호 공보 일본 특허 공개 제2013-139635호 공보
다핀·협소 피치화에 의해, 하나의 IC 내에 와이어 길이, 루프 높이가 상이한 와이어 접속이 혼재하는 것이 행하여지고 있다. 협소 피치화하면, 볼 직립부의 리닝 불량이 발생하는 경우가 있다. 리닝 불량이란, 볼 접합 근방의 와이어 직립부가 쓰러져서, 인접 와이어의 간격이 접근하는 현상이다. 리닝 불량을 개선하는 와이어 재료가 요구된다.
또한, 적층 칩 접속에서는 스프링 불량이 문제가 되는 경우가 있다. 적층 칩의 와이어 접속에서는, 통상의 와이어 본딩과는 접합 위치가 역회전하는, 역 본딩이라고 불리는 접속이 많이 사용된다. 역 본딩이란, 제1 단계에서 칩 상의 전극에 스터드 범프를 형성하고, 제2 단계에서 기판의 전극 상에 볼부를 접합하여, 상기 스터드 범프 상에 본딩 와이어를 웨지 접합하는 방법이다. 이 역 본딩에 의해, 루프 높이를 낮게 억제할 수 있음과 함께, 칩 적층수가 증가해서 단차가 상당히 높은 경우에도 안정된 루프 제어가 가능하게 된다. 한편, 이 역 본딩에서는 본딩 와이어가 굴곡되는 스프링 불량이 발생하는 경우가 있다. 메모리 IC에서는 적층 칩이 주류로 되면서, 이 스프링 불량의 저감이 기대되고 있다.
Ag 함유량이 90질량％ 이상인 Ag 또는 Ag 합금(본 명세서에서, 「Ag 또는 Ag 합금」이라고 함)의 본딩 와이어(본 명세서에서, 「와이어」라고도 함)는 경도가 낮기 때문에 칩 대미지를 일으키기 어렵다. 그 때문에, 역 본딩에 사용되는 경우가 많다. 한편, 역 본딩에 있어서 상술한 바와 같이 스프링 불량을 일으키기 쉽다. 또한, Ag 또는 Ag 합금 와이어의 경도가 낮은 것에 기인하여 리닝 불량이 발생하기 쉽다.
Ag 또는 Ag 합금 와이어에 있어서, 리닝 불량과 스프링 불량 중 어느 하나를 개선하는 수단은 존재하고 있었지만, 리닝 불량과 스프링 불량을 동시에 개선하는 것은 곤란하였다. 본 발명은 리닝 불량과 스프링 불량을 모두 개선한 Ag 또는 Ag 합금을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 요지로 하는 바는 이하와 같다.
(1) Ag 함유량이 90질량％ 이상인 반도체 장치용 본딩 와이어이며,
와이어 중심을 포함해서 와이어 길이 방향으로 평행한 단면(이하, 「와이어 중심 단면」이라고 함)에 있어서, 긴 직경(a)과 짧은 직경(b)의 비(a/b)가 10 이상이며 면적이 15㎛2 이상인 결정립(이하, 「섬유상 조직」이라고 함) 이 존재하지 않고,
상기 와이어 중심 단면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하이고,
와이어 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
(2) 상기 반도체 장치용 본딩 와이어는, Pd, Cu, Au, Zn, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni의 1종 이상을 포함하고, Pd, Cu, Au, Zn을 포함하는 경우에는 그것들의 합계가 0.01 내지 8질량％이며, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni를 포함하는 경우에는 그것들의 합계가 0.001 내지 1질량％이며, 잔량부 Ag 및 불순물인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(3) 상기 불순물에 포함되는 S가 1질량ppm 이하, Cl이 0.5질량ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.
(4) 1회 이상 신선 가공을 행하는 신선 공정을 갖고, 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 갖고,
신선 공정 도중에 1회 이상의 열처리와 신선 공정 종료 후에 최종 열처리를 행하고, 최종 열처리의 직전의 열처리의 온도가 600℃ 이상 800℃ 이하이고, 최종 열처리의 온도가 300℃ 이상 600℃ 미만인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법.
본 발명은, Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어에 대해서, 와이어 중심 단면에 섬유상 조직이 존재하지 않고, 단면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하이고, 표면 <100> 방위 비율을 50％ 이상 90％ 이하로 함으로써, 리닝 불량과 스프링 불량을 동시에 개선하는 것을 가능하게 하였다. 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 행하고, 신선 공정 종료 후에 열처리를 행함(최종 열처리)과 함께, 신선 공정 도중에 1회 이상의 열처리를 행하고, 최종 열처리 직전의 열처리(최종전 열처리) 온도를 600℃ 이상 800℃ 이하로 하고, 최종 열처리 온도를 300℃ 이상 600℃ 미만으로 함으로써, 상기 결정 조직을 형성할 수 있다.
Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어에 보여지는 결정 조직을, 관찰면에 있어서의 형상으로 구별하면, 인접하는 결정 방위의 각도 차가 15도 이상인 경우를 결정립계라 정의했을 때의, 결정립의 긴 직경(a)과 짧은 직경(b)의 비(a/b)가 1에 가까운 형상의 결정과, a/b의 값이 큰 가늘고 긴 형상의 결정으로 분류할 수 있다. a/b가 1에 가까운 결정은 등축정이라고도 불린다. 여기에서는, a/b가 10 이상이고 또한 관찰면에 있어서의 결정립의 면적이 15㎛2 이상인 결정립을 「섬유상 조직」이라고 정의한다.
Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어에 대해서, 와이어 중심(와이어 중심축)을 포함해서 와이어 길이 방향으로 평행한 단면(본 명세서에서, 와이어 중심 단면이라고 부른다. 즉, 와이어 중심축을 포함하는 와이어 단면임)에서 관찰하면, 와이어 중심축 근방에 상기 정의한 섬유상 조직이 보여지는 경우가 많다. 특허문헌 4에서 가늘고 긴 결정립(18)이라고 불리고 있는 결정이 섬유상 조직에 해당한다(동 문헌 도 1B 참조). 섬유상 조직 이외의 부분은, a/b가 1에 가까운 결정립이다.
관찰면에 나타나 있는 각 결정 조직에 대해서 <100> 방위를 계측할 수 있다. 관찰면으로서 상기 와이어 중심 단면을 선택하여, 상기 와이어 중심 단면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율을 면적률로 나타내고, 「단면 <100> 방위 비율」이라고 명명한다. 또한, 관찰면으로서 와이어 표면을 선택하여, 상기 와이어 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율을 면적률로 나타내고, 「표면 <100> 방위 비율」이라고 명명한다.
본 발명에서는, Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어에 대해서, 와이어 중심 단면에 섬유상 조직이 존재하지 않고, 단면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하이고, 표면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하일 때, 리닝 불량과 스프링 불량을 억제할 수 있다. 또한, 단면 <100> 방위 비율과 표면 <100> 방위 비율을 모두 90％ 이하로 함과 동시에 섬유상 조직이 존재하지 않으면, 스프링 불량을 억제할 수 있다. 또한, 표면 <100> 방위 비율을 50％ 이상으로 하면, 리닝 불량을 억제할 수 있다. 그러나, 단면 <100> 방위 비율이 50％ 미만이면 리닝 불량이 발생하는 경우가 있으므로, 단면 <100> 방위 비율은 50％ 이상으로 하였다.
와이어 중심 단면에 섬유상 조직이 존재하는 경우, 와이어의 길이 방향에 따라 섬유상 조직이 존재하는 부분과 존재하지 않는 부분이 형성되게 되고, 각각의 부위에 따라 2nd 접합(웨지 접합)부의 파단 강도가 상이하기 때문에, 2nd 접합이 안정되지 않고, 스프링 불량이 발생하는 경우가 있다. 그러나, 본 발명은 섬유상 조직을 존재시키지 않음으로써, 스프링 불량 발생을 억제할 수 있다.
본 발명은, 단면 <100> 방위 비율과 표면 <100> 방위 비율이 모두 50％ 이상 90％ 이하이고, 즉 양자의 비율이 동일 정도이며 일정 비율(90％) 이하일 때, 2nd 접합부의 파단 강도는 적당한 크기이며, 또한 미크로한 부위에 의한 차가 적어지므로, 스프링 불량이 발생하기 어려워진다.
또한, 표면 <100> 방위 비율이 너무 낮으면, 볼 네크부가 가로 방향으로 변형되기 쉬워지기 때문에 리닝 불량이 발생하기 쉬워지지만, 표면 <100> 방위 비율을 50％ 이상으로 함으로써, 리닝 불량 발생을 억제할 수 있다.
본딩 와이어는, 신선 가공에 의해 제조된다. 신선 가공은, 선재를 구멍 다이스에 1회 이상 통과시켜서 소재의 단면적을 작게 하는 가공이다. 선 직경이 수 mm인 소재를 준비하고, 냉간에서의 신선 가공을 반복함으로써 순차 선 직경을 가늘게 하여, 목적으로 하는 선 직경의 본딩 와이어를 형성한다. 통상은, 1 패스당(구멍 다이스를 1회 통과시킬 때마다)의 감면율을 1 내지 15％로 하고 있다. 신선 공정 도중, 또는 신선 공정 종료 후에 열처리를 행하는 경우가 있다.
Ag 또는 Ag 합금 소재를 사용해서 통상의 신선 가공을 행하면, 와이어의 중심에 섬유상 조직이 형성된다. 또한, 신선 가공에서의 냉간 변형에 의해, 와이어 표면의 결정 방위가 영향을 받아, 표면 <100> 방위 비율이 높아진다.
신선 가공 후의 열처리에 의해, 와이어 중심의 섬유상 조직을 소멸시킬 수 있다. 단, 열처리로 섬유상 조직을 소멸시키려고 하면, 800℃를 초과하는 고온 열처리가 필요해지고, 열처리의 결과 와이어를 구성하는 결정의 결정 방위가 랜덤화하고, 표면 <100> 방위 비율이 저하되어, 표면 <100> 방위 비율 50％ 이상을 실현하는 것이 곤란해진다.
본 발명에서는, 신선 가공에 있어서의 감면율에 고안을 추가함과 함께, 신선 도중 및 신선 공정 종료 후에 행하는 열처리의 패턴을 한정함으로써 비로소, 섬유상 조직을 존재시키지 않고, 동시에 단면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하이고, 표면 <100> 방위 비율을 50％ 이상 90％ 이하로 할 수 있었다. 그리고 이에 의해, 리닝 불량과 스프링 불량을 모두 억제할 수 있었다.
즉, Ag 또는 Ag 합금 소재를 1회 이상의 신선 가공을 행하는 신선 공정을 갖고, 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 행한다. 또한, 신선 공정 도중에 1회 이상의 열처리를 행하고, 신선 공정 종료 후에도 열처리(최종 열처리)를 행한다. 최종 열처리 직전의 열처리(최종전 열처리) 온도를 600℃ 이상 800℃ 이하로 하고, 최종 열처리 온도를 300℃ 이상 600℃ 미만으로 함으로써, 와이어 중심 단면에 섬유상 조직이 존재하지 않고, 표면 <100> 방위 비율과 단면 <100> 방위 비율이 상기 본 발명의 바람직한 범위인 Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어로 할 수 있다. 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 행함으로써, 통상보다도 섬유상 조직이 적은 결정 조직을 실현할 수 있고, 그 후의 열처리에 의해 섬유상 조직이 소멸되기 쉬워진다. 최종 열처리 온도를 300℃ 이상으로 하는 것은, 이에 의해 단면 <100> 방위 비율을 본 발명의 상한 이하로 할 수 있기 때문이고, 600℃ 미만으로 하는 것은, 이에 의해 단면 <100> 방위 비율을 본 발명의 하한 이상으로 할 수 있기 때문이다. 최종 전 열처리 온도를 600℃ 이상으로 하는 것은, 와이어 전체를 재결정화시키기 위해서이며, 800℃ 이하로 하는 것은, 국소적으로 조대한 결정립이 성장하는 것을 억제하기 위해서이다.
감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 행하는 시기에 대해서는 특별히 한정은 없고, 최종 전 열처리 전이나 후도 상관없다. 바람직하게는, 최종 전 열처리의 직전이나 직후로 한다.
최종 전 열처리를 행한 후의 신선 가공에 대해서는, 그동안에 있어서의 토탈 감면율, 패스 횟수 모두 한정은 없다. 바람직하게는, 토탈 감면율을 95％ 이하로 한다. 그렇게 하면, 최종 열처리에서 비교적 용이하게 원하는 결정 조직을 얻을 수 있다.
최종 전 열처리 전에 행하는 신선 가공에 대해서도, 그동안에 있어서의 토탈 감면율, 패스 횟수 모두 한정은 없다. 또한, 최종 전 열처리 전에 열처리를 행할지 여부도 한정은 없다. 열처리를 행하는 경우의 열처리 온도 등에 대해서도 특별히 한정은 없다.
본 발명의 본딩 와이어는, 소재로서 Ag 함유량이 90질량％ 이상인 Ag 또는 Ag 합금을 사용함으로써 충분히 효과를 발휘할 수 있다. Ag 함유량이 90질량％보다 적으면 비저항이 너무 높아지고, 본딩 와이어로서의 사용에 적합하지 않다. Ag 이외의 조성으로서는, Ag와 고용체를 만들어, 신선 공정에서 단선되기 어려운 성분, 예를 들어 Pd, Cu, Au, Zn, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni를 함유할 수 있다.
본 발명의 본딩 와이어는 또한, 이하의 선택 성분을 함유하고, 잔량부 Ag 및 불순물을 포함하는 Ag 합금으로 함으로써, 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
본딩 와이어의 장기 신뢰성을 평가하는 방법으로서, 가장 많이 이용되는 가열 시험인 건조 분위기에서의 고온 보관 평가에 추가하여, 일반적인 고습 가열 평가로서 PCT 시험(프레셔 쿠커 테스트)이 행하여진다. 최근에는, 고습 가열 평가로서 더 엄격한 HAST 시험(High Accelerated Temperature and humidity Stress Test)(온도 130℃, 상대 습도 85％ RH(Relative Humidity), 5V)에서 불량이 발생하지 않을 것이 요구되고 있다. 본 발명에서는, 와이어의 성분 조성으로서 Pd, Cu, Au, Zn 중 적어도 1종 이상을 총 0.01질량％ 이상 함유함으로써, HAST 시험에서 양호한 고습 가열 평가 결과를 얻을 수 있다. 한편, Pd, Cu, Au, Zn의 함유량 총계가 8질량％를 초과하면, 와이어 자체의 강도가 높아지기 때문에, 2nd 접합부의 파단 강도도 높아져서 스프링 불량이 발생하기 쉬워지기 때문에, 함유량 합계를 8질량％ 이하로 한다.
본 발명에서는 또한, 와이어의 성분 조성으로서 Pt, Ge, Sn, Ti, Ni 중 적어도 1종 이상을 총 0.001질량％ 이상 함유함으로써, 1st 접합의 볼 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 한편, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni의 함유량 총계가 1질량％를 초과하면, 와이어 자체의 강도가 높아지기 때문에, 2nd 접합부의 파단 강도도 높아져서 스프링 불량이 발생하기 쉬워지기 때문에, 바람직하게는 함유량 합계를 1질량％ 이하로 한다.
본 발명에서는 또한, 와이어 중에 불순물로서 포함되는 S 함유량을 1질량ppm 이하, 또한 불순물로서 포함되는 Cl 함유량을 0.5질량ppm 이하로 함으로써, 1st 접합의 FAB 형상을 양호하게 할 수 있다.
본 발명의 본딩 와이어 제조 방법은 상술한 바와 같다. 즉, 상기 본 발명의 성분을 함유하는 Ag 또는 Ag 합금 소재를 사용해서 신선 가공을 행하고, 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 행하고, 신선 공정 종료 후에 열처리를 행함(최종 열처리)과 함께, 신선 공정 도중에 1회 이상의 열처리를 행하고, 최종 전 열처리(최종 열처리 직전의 열처리) 온도를 600℃ 이상 800℃ 이하로 하고, 최종 열 처리 온도를 300℃ 이상 내지 600℃ 미만으로 한다. 이에 의해, 와이어 중심 단면에 섬유상 조직이 존재하지 않고, 단면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하이고, 표면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하인 Ag 또는 Ag 합금 본딩 와이어로 할 수 있다.
실시예
본딩 와이어의 원재료로서, 주성분인 Ag에는 순도가 99.99질량％ 이상의 고순도의 소재를 사용하고, 첨가 원소인 Pd, Cu, Au, Zn, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni의 원재료에는 순도 99.9질량％ 이상의 소재를 사용하였다. 불순물 원소인 S, Cl을 함유하는 수준에 대해서는, 의도적으로 S, Cl을 함유시켰다.
소정의 성분을 함유하는 Ag 또는 Ag 합금으로 한 뒤에, 연속 주조에 의해 수 mm의 선 직경의 소재로 하고, 계속해서 냉간에서의 다이스 인발에 의한 신선 가공과 열처리를 행하였다. 신선 가공의 감면율에 대해서, 본 발명예 및 비교예의 일부에서는 도중의 1 내지 10 패스에서 감면율 15.5 내지 30.5％로 하는 공정을 부여하고, 그 이외의 패스에서는 감면율을 5.5％ 내지 15.0％로 하였다. 감면율을 15.5％ 이상으로 하는 패스는, 최종 전 열처리 직후로 하였다. 신선 가공 종료 후의 최종 선 직경을 15 내지 25㎛로 하였다.
신선 전후의 열 처리로서는, 신선 공정 종료 후에 행하는 최종 열처리, 신선 공정 도중에 행하는 열처리 중에서 최종 열처리 직전에 행하는 최종 전 열처리를 행하였다. 최종 전 열처리에 있어서, 본 발명예의 모두와 비교예의 일부는, 최종 전 열 처리 온도를 600℃ 이상 800℃ 이하로 하였다. 최종 열처리에 대해서, 본 발명예의 모두와 비교예의 일부는 최종 열 처리 온도를 300℃ 이상 600℃ 미만으로 하였다. 최종 전 열처리부터 신선 종료까지의 합계 감면율을 80 내지 90％로 하였다.
[본딩 와이어의 함유 성분 분석]
본딩 와이어 중의 함유 성분(불순물 이외)의 농도는, ICP 분석, ICP 질량 분석 등에 의해 측정하였다. 본딩 와이어 중의 불순물 농도는, GDMS(Glow Discharge Mass Spectrometry) 분석에 의해 측정하였다. GDMS 분석이란, Ar 분위기 하에서 시료를 음극으로 해서 글로우 방전을 발생시켜, 플라즈마 내에서 시료 표면을 스퍼터하고, 이온화된 구성 원소를 질량 분석계로 측정하는 방법이다.
[본딩 와이어의 결정 조직]
와이어 중심을 포함해서 와이어 길이 방향으로 평행한 단면(와이어 중심 단면) 및 와이어 표면을 관찰면으로 해서, 결정 조직의 평가를 행하였다. 평가 방법으로서, 후방 산란 전자선 회절법(EBSD, Electron Backscattered Diffraction)을 사용하였다. EBSD법은 관찰면의 결정 방위를 관찰하여, 인접하는 측정점간에서의 결정 방위의 각도 차를 도시할 수 있다는 특징을 갖고, 본딩 와이어와 같은 세선이라도, 비교적 간편하면서 고정밀도로 결정 방위를 관찰할 수 있다.
와이어 표면과 같은 곡면을 대상으로 하여, EBSD법을 실시하는 경우에는 주의가 필요하다. 곡률이 큰 부위를 측정하면, 정밀도가 높은 측정이 곤란해진다. 그러나, 측정에 제공하는 본딩 와이어를 평면에 직선 상에 고정하고, 그 본딩 와이어의 중심 근방의 평탄부를 측정함으로써, 정밀도가 높은 측정을 하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 다음과 같은 측정 영역으로 하면 된다. 원주 방향의 사이즈는 와이어 길이 방향의 중심을 축으로 해서 선 직경의 50％ 이하로 하고, 와이어 길이 방향의 사이즈는 100㎛ 이하로 한다. 바람직하게는, 원주 방향의 사이즈는 선 직경의 40％ 이하로 하고, 와이어 길이 방향의 사이즈는 40㎛ 이하로 하면, 측정 시간의 단축에 의해 측정 효율을 높일 수 있다. 또한 정밀도를 높이기 위해서는, 3개소 이상 측정하여, 편차를 고려한 평균 정보를 얻는 것이 바람직하다. 측정 장소는 근접하지 않도록, 1mm 이상 이격시키면 된다.
단면 <100> 방위 비율 및 표면 <100> 방위 비율은, 전용 소프트웨어(예를 들어, TSL 솔루션즈사 제조 OIM analysis 등)에 의해 특정할 수 있었던 전체 결정 방위를 모집단으로 해서, 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율(면적률)을 산출하였다. 섬유상 조직에 대해서는, 전용 소프트웨어(예를 들어, TSL 솔루션즈사 제조 OIM analysis 등)에 의해, 긴 직경(a), 짧은 직경(b)의 비(a/b) 및 결정립의 면적을 산출하여, 정의에 따라서 섬유상 조직의 유무를 평가하였다.
[리닝]
평가용의 리드 프레임에, 루프 길이 5mm, 루프 높이 0.5mm로 100개 본딩하였다. 평가 방법으로서, 칩 수평 방향으로부터 와이어 직립부를 관찰하여, 볼 접합부의 중심을 통과하는 수선과 와이어 직립부와의 간격이 최대일 때의 간격(리닝 간격)으로 평가하였다. 리닝 간격이 와이어 직경보다도 작은 경우에는 리닝은 양호, 큰 경우에는 직립부가 경사져 있기 때문에 리닝은 불량하다고 판단하였다. 100개의 본딩한 와이어를 광학 현미경으로 관찰하여, 리닝 불량의 개수를 세었다. 불량이 0개이면 ◎, 1 내지 5개이면 ○, 6개 이상이면 ×로 하였다.
[스프링]
평가용의 Si 칩에, 루프 길이 2.5mm, 루프 높이 0.15mm로 100개 본딩하였다. 스프링 특성의 평가를 위해서, 전극 상에 형성된 스터드 범프 상에 본딩 와이어의 웨지 접합을 행하는 접속 방법인 역 본딩을 행하여, 본딩 와이어가 굴곡되는 스프링 불량을 관찰하였다. 평가 방법으로서, 100개의 본딩한 와이어를 광학 현미경으로 관찰하여, 스프링 불량의 개수를 세었다. 불량이 0개이면 ◎, 1 내지 3개이면 ○, 4 내지 5개이면 △, 6개 이상이면 ×로 하였다.
[HAST]
고습 가열 평가로서 HAST 시험을 행하였다. 와이어 본더로 본딩을 행한 반도체 장치에 대해서, 온도 130℃, 습도 85％ RH, 5V라는 환경 하에 방치하고, 48시간 간격으로 취출해서 평가하였다. 평가 방법으로서, 전기 저항을 측정하여, 저항이 상승한 것을 NG로 하였다. NG가 될 때까지의 시간이 480시간 이상이면 ◎, 384시간 이상 480시간 미만인 것을 ○, 288시간 이상 384시간 미만인 것을 △, 288시간 미만인 것을 ×로 하였다.
[FAB 편심]
1st 접합의 FAB 형상을 평가하였다. 평가용의 리드 프레임에, 와이어 본더로 FAB를 100개 제작하였다. 평가 방법으로서, FAB를 SEM(전자 현미경)으로 100개 관찰하여, 진구 형상인 것을 OK, 편심, 수축공을 NG라고 해서 그 수를 카운트하였다. NG가 0개이면 ◎, NG가 1 내지 5개이면 ○, 6 내지 10개이면 △, 11개 이상이면 ×로 하였다.
[압착 볼 형상]
1st 접합의 볼 형상을 평가하였다. 평가용의 Si 칩에, 와이어 본더로 100개 본딩하였다. 평가 방법으로서, 압착 볼부를 광학 현미경으로 100개 관찰하여, 진원에 가까운 것을 OK, 꽃잎 형상으로 되어 있는 것을 NG라고 해서 그 수를 카운트하였다. NG가 0개이면 ◎, NG가 1 내지 5개이면 ○, 6 내지 10개이면 △, 11개 이상이면 ×로 하였다.
상기 어느 평가에서도, ◎, ○, △는 합격이며, ×만이 불합격이다.
결과를 표 1에 나타낸다. 본 발명 범위로부터 벗어나는 수치, 항목에 밑줄을 그엇다.
본 발명예 1 내지 43은, 본 발명 범위의 성분을 함유하고, 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 1회 행하고, 최종 전 열 처리 온도를 600℃ 이상 800℃ 이하로 하고, 최종 열 처리 온도를 300℃ 이상 600℃ 미만으로 하고 있다. 그 결과, 섬유상 조직을 존재시키지 않고, 동시에 단면 <100> 방위 비율이 50％ 이상 90％ 이하이고, 표면 <100> 방위 비율을 50％ 이상 90％ 이하로 할 수 있었다.
와이어의 성분 조성으로서 Pd, Cu, Au, Zn 중 적어도 1종 이상을 총계 0.01질량％ 이상 함유하는 본 발명예는, HAST 시험 결과가 ○ 또는 ◎로 특히 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 와이어의 성분 조성으로서 Pt, Ge, Sn, Ti, Ni 중 적어도 1종 이상을 총계 0.001질량％ 이상 함유하는 본 발명예는, 압착 볼 형상이 ○ 또는 ◎로 특히 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 와이어 중의 불순물로서 S 함유량: 1질량ppm 이하, Cl 함유량: 0.5질량ppm 이하의 본 발명예는, FAB 형상이 ○ 또는 ◎로 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
비교예 44, 45는, 신선 공정 중에 감면율이 15.5％ 이상인 공정이 없고, 와이어 중에 섬유상 조직이 발생하여, 스프링 평가가 불량하였다. 비교예 46은 최종 열 처리 온도가 낮았기 때문에, 단면 <100> 방위 비율이 상한을 벗어나, 스프링 평가가 불량하였다. 비교예 47은 최종 열 처리 온도가 높았기 때문에, 단면 <100> 방위 비율이 하한을 벗어나, 표면 <100> 방위 비율이 70％ 미만이었던 것과 더불어, 리닝 평가가 불량하였다. 비교예 48은 최종 전 열 처리 온도가 낮음과 함께 최종 열 처리 온도가 높았기 때문에, 단면 <100> 방위 비율과 표면 <100> 방위 비율이 모두 하한을 벗어나, 리닝 평가가 불량하였다. 비교예 49는 최종 전 열 처리 온도가 낮음과 함께 신선 공정 중에 감면율이 15.5％ 이상인 공정이 없고, 표면 <100> 방위 비율이 낮음과 함께 섬유상 조직이 존재하여, 스프링 불량과 리닝 불량이 발생하였다. 비교예 50은 최종 전 열 처리 온도가 낮음과 함께 최종 열 처리 온도가 낮았기 때문에, 표면 <100> 방위 비율이 높아, 스프링 평가가 불량하였다. 비교예 51은 최종 전 열 처리 온도가 낮음과 함께 최종 열 처리 온도가 낮고, 또한 신선 공정 중에 감면율이 15.5％ 이상인 공정이 없고, 단면 <100> 방위 비율과 표면 <100> 방위 비율이 모두 상한을 벗어남과 함께 섬유상 조직이 존재하여, 스프링 평가가 불량하였다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
본 발명은 반도체에 이용할 수 있다.

Claims (4)

  1. Ag 함유량이 90질량％ 이상인 반도체 장치용 본딩 와이어이며, 와이어 중심을 포함해서 와이어 길이 방향으로 평행한 단면인 와이어 중심 단면에 있어서, 긴 직경(a)과 짧은 직경(b)의 비(a/b)가 10 이상이며 면적이 15㎛2 이상인 결정립이 존재하지 않고, 상기 와이어 중심 단면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하이고, 와이어 표면에 있어서의 와이어 길이 방향의 결정 방위를 측정한 결과, 상기 와이어 길이 방향에 대하여 각도 차가 15° 이하인 결정 방위 <100>의 존재 비율이 면적률로 50％ 이상 90％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 본딩 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 장치용 본딩 와이어는, Pd, Cu, Au, Zn, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni의 1종 이상을 포함하고, Pd, Cu, Au, Zn을 포함하는 경우에는 그것들의 합계가 0.01 내지 8질량％이며, Pt, Ge, Sn, Ti, Ni를 포함하는 경우에는 그것들의 합계가 0.001 내지 1질량％이며, 잔량부가 Ag 및 불순물인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 불순물에 포함되는 S가 1질량ppm 이하, Cl이 0.5질량ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
  4. 1회 이상의 신선 가공을 행하는 신선 공정을 갖고, 상기 신선 공정 중에 감면율이 15.5 내지 30.5％인 신선 가공을 적어도 1회 갖고, 상기 신선 공정의 도중에 1회 이상의 열처리와 신선 공정 종료 후에 최종 열처리를 행하고, 상기 최종 열처리의 직전의 열처리 온도가 600℃ 이상 800℃ 이하이고, 상기 최종 열처리의 온도가 300℃ 이상 600℃ 미만인 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된, 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법.
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