KR20200070424A

KR20200070424A - 반도체 장치용 본딩 와이어

Info

Publication number: KR20200070424A
Application number: KR1020207016488A
Authority: KR
Inventors: 다이조 오다; 다카시 야마다; 모토키 에토; 데루오 하이바라; 도모히로 우노
Original assignee: 닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤; 닛테츠 케미컬 앤드 머티리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2020-06-17
Also published as: US20200373226A1; KR102187539B1; CN111418047A; TWI764972B; WO2019130570A1; US11373934B2; JPWO2019130570A1; TW201936934A; KR20190120420A; DE112017000346T5; JP7036838B2

Abstract

반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중의 황 함유량이 증대된 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지는, 반도체 장치용 Pd 피복 Cu 본딩 와이어를 제공한다. Cu 합금 코어재와 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서, 본딩 와이어 중에 Ni, Rh, Ir, Pd의 1종 이상을 총계로 0.03 내지 2질량％ 포함하고, Li, Sb, Fe, Cr, Co, Zn, Ca, Mg, Pt, Sc, Y의 1종 이상을 총계로 0.002 내지 3질량％ 더 포함한다. 상기 본딩 와이어를 사용함으로써, 반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중의 황 함유량이 증대된 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성이 충분히 얻어진다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어{BONDING WIRE FOR SEMICONDUCTOR DEVICES}

본 발명은, 반도체 소자 위의 전극과 외부 리드 등의 회로 배선 기판의 배선을 접속하기 위해 이용되는 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다.

현재, 반도체 소자 위의 전극과 외부 리드 사이를 접합하는 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 「본딩 와이어」라고 함)로서, 선 직경 15 내지 50㎛ 정도의 세선이 주로 사용되고 있다. 본딩 와이어의 접합 방법은 초음파 병용 열 압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 모세관 지그 등이 사용된다. 본딩 와이어의 접합 프로세스는, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융시키고, 표면 장력에 의해 볼(FAB: Free Air Ball)을 형성한 후에, 150 내지 300℃의 범위 내에서 가열한 반도체 소자의 전극 위에 이 볼부를 압착 접합(이하, 「볼 접합」이라고 함)하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 외부 리드측의 전극에 와이어부를 압착 접합(이하, 「웨지 접합」이라고 함)시킴으로써 완료된다. 본딩 와이어의 접합 상대인 반도체 소자 위의 전극에는 Si 기판 위에 Al을 주체로 하는 합금을 성막한 전극 구조, 외부 리드측의 전극에는 Ag 도금이나 Pd 도금을 실시한 전극 구조 등이 사용된다.

지금까지 본딩 와이어의 재료는 Au가 주류였지만, LSI 용도를 중심으로 Cu로의 대체가 진행되고 있다. 한편, 근년의 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 보급을 배경으로, 차량 탑재용 디바이스 용도에 있어서도 Au로부터 Cu로의 대체에 대한 요구가 높아지고 있다.

Cu 본딩 와이어에 대해서는, 고순도 Cu(순도: 99.99질량％ 이상)를 사용한 것이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1). Cu는 Au에 비해서 산화되기 쉬운 결점이 있으며, 접합 신뢰성, 볼 형성성, 웨지 접합성 등이 떨어지는 과제가 있었다. Cu 본딩 와이어의 표면 산화를 방지하는 방법으로서, Cu 코어재의 표면을 Au, Ag, Pt, Pd, Ni, Co, Cr, Ti 등의 금속으로 피복한 구조가 제안되어 있다(특허문헌 2). 또한, Cu 코어재의 표면에 Pd를 피복하고, 그 표면을 Au, Ag, Cu 또는 이들 합금으로 피복한 구조가 제안되어 있다(특허문헌 3).

차량 탑재용 디바이스는 일반적인 전자 기기에 비하여, 가혹한 고온 고습 환경하에서의 접합 신뢰성이 요구된다. 특히, 와이어의 볼부를 전극에 접합한 볼 접합부의 접합 수명이 최대의 문제로 된다. 고온 고습 환경하에서의 접합 신뢰성을 평가하는 방법은 몇 가지 방법이 제안되어 있으며, 대표적인 평가법으로서, HAST(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test)(고온 고습 환경 노출 시험)가 있다. HAST에 의해 볼 접합부의 접합 신뢰성을 평가하는 경우, 평가용 볼 접합부를 온도가 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경에 노출시키고, 접합부의 저항값의 경시 변화를 측정하거나, 볼 접합부의 전단 강도 경시 변화를 측정하거나 함으로써, 볼 접합부의 접합 수명을 평가한다. 최근에는, 이러한 조건에서의 HAST에 있어서 100시간 이상의 접합 수명이 요구되도록 되어 있다. 반도체 장치의 패키지인 몰드 수지(에폭시 수지)에는, 분자 골격에 염소(Cl)가 포함되어 있다. HAST 평가 조건에서는, 분자 골격 중의 Cl이 가수분해해서 염화물 이온(Cl-)으로서 용출된다. Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어여도, 볼 본딩으로 Al 전극에 접합한 경우, Cu/Al 접합 계면이 130℃ 이상의 고온하에 놓이면 금속간 화합물인 Cu₉Al₄가 형성되고, 몰드 수지로부터 용출된 Cl에 의해 부식이 진행되어, 접합 신뢰성의 저하로 이어진다.

특허문헌 4 내지 8에 있어서는, Pd 피복 Cu 와이어가 Ni, Pd, Pt, In, As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, Ga, Ge로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유함으로써, 부식 반응을 늦춰서 고온 고습 환경에서의 접합 신뢰성을 향상시키는 발명이 개시되어 있다.

근년 차량 탑재용 반도체 장치에 있어서는, 175℃ 내지 200℃에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성 향상이 요구되고 있다. 반도체 장치의 패키지인 몰드 수지(에폭시 수지)에는, 실란 커플링제가 포함되어 있다. 보다 고온에서의 신뢰성이 요구되는 차량 탑재용 반도체 등, 높은 밀착성이 요구되는 경우에는 「황 함유 실란 커플링제」가 첨가된다. 몰드 수지에 포함되는 황은, 175℃ 이상(예를 들어, 175℃ 내지 200℃)의 조건에서 유리한다. 유리된 황이 Cu와 접촉하면, Cu의 부식이 심해진다. Cu 본딩 와이어를 사용한 반도체 장치에서 Cu의 부식이 생성되면, 특히 볼 접합부의 접합 신뢰성이 저하되게 된다.

반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중에 황 함유 실란 커플링제가 사용되고 있는 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성을 확보하는 것이 요구되고 있다. 그 목적을 달성하기 위해서, Pd 피복 Cu 본딩 와이어의 Cu 코어재 중에 다양한 합금 원소를 함유시키는 발명이 개시되어 있다. 특허문헌 6 내지 9에 있어서는, Pd 피복 Cu 와이어에 Pt, Pd, Rh, Ni, As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, Ni, Ir, Zn, Rh, In으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 소정량 함유함으로써, 각각 175℃ 이상의 고온 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 개선시킬 수 있는 것이 개시되어 있다.

Pd 피복 Cu 본딩 와이어를 사용하여 볼 본딩을 행할 때, 양호한 볼 형상을 실현하기 위해서, 또한 볼 접합부의 찌부러짐 형상을 개선하여 볼 접합부 형상의 진원성을 개선시키기 위해서, Pd 피복 Cu 본딩 와이어 중에 미량 성분을 함유하는 발명이 개시되어 있다. 특허문헌 4 내지 9에서는, 와이어 중에 P, B, Be, Fe, Mg, Ti, Zn, Ag, Si, Ga, Ge, Ca, La로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를, 각각 0.0001 내지 0.01질량％(1 내지 100질량ppm) 함유함으로써, 양호한 볼 형상을 실현하거나, 혹은 볼 접합부의 찌부러짐 형상을 개선시키고 있다.

일본 특허공개 소61-48543호 공보 일본 특허공개 제2005-167020호 공보 일본 특허공개 제2012-36490호 공보 일본 특허 제5893230호 공보 일본 특허 제5964534호 공보 일본 특허 제5912005호 공보 일본 특허 제5937770호 공보 일본 특허 제6002337호 공보 일본 특허 제5912008호 공보

전술한 바와 같이, 반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중에 황 함유 실란 커플링제가 사용되고 있는 경우에도, Pd 피복 Cu 본딩 와이어의 Cu 코어재 중에 다양한 합금 원소를 함유시킴으로써, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성 향상이 실현되고 있다(특허문헌 6 내지 9).

한편, 몰드 수지 중의 황 함유량은, 근년에 있어서 증가되는 경향이 있다. 종래에는, 황 함유 실란 커플링제를 포함하는 시판 중인 에폭시 수지가 사용되고 있었다. 그에 반하여, 본딩 와이어의, 리드 프레임, 반도체 칩에 대한 밀착성을 향상시키고, 이에 의해 내 리플로우성을 향상시킬 목적으로, 최근의 에폭시 수지에 있어서는, 황 함유량이 종래보다도 증대되고 있다. 이와 같이 황 함유량이 증대된 에폭시 수지를, 반도체 장치 패키지의 몰드 수지로서 사용하면, 특허문헌 6 내지 9에 기재된 발명을 사용한 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성을 충분히 얻지 못하는 경우가 있다는 사실을 본 발명자들은 알아내었다.

본 발명은, Pd 피복 Cu 본딩 와이어를 대상으로 하고, 반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중의 황 함유량이 증대된 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지는, 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명이 요지로 하는 부분은 이하와 같다.

(1) Cu 합금 코어재와 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서,

상기 본딩 와이어가, Ni, Rh, Ir의 1종 이상(이하 「제1 합금 원소군」이라고 함)과, Pd: 0.05질량％ 이상의 한쪽 또는 양쪽(이하 「제1+합금 원소군」이라고 함)을 함유하고, 제1 합금 원소군 함유량은 본딩 와이어 중의 함유량으로서 평가하고, Pd 함유량은 Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량에 기초하여 본딩 와이어 중의 함유량으로 환산하여 평가했을 때, 상기 평가한 함유량에 있어서, 제1 합금 원소군과 Pd의 총계의 함유량이 0.03 내지 2질량％이며,

또한, 상기 본딩 와이어가, Li, Sb, Fe, Cr, Co, Zn, Ca, Mg, Pt, Sc, Y의 1종 이상(이하 「제2 합금 원소군」이라고 함)을 총계로 0.002 내지 3질량％ 포함하고, Ca, Mg를 함유하는 경우에는 본딩 와이어 중의 Ca, Mg의 함유량이 각각 0.011질량％ 이상이며, Zn을 함유하는 경우에는 상기 제1 합금 원소군과 Zn의 총계의 함유량이 2.1질량％ 이상인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.

(2) 상기 Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(3) 상기 Pd 피복층 위에 또한 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 갖는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(4) 상기 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 두께가 0.050㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 (3)에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(5) 상기 본딩 와이어가 또한, Al, Ga, Ge, In의 1종 이상(이하 「제3 합금 원소군」이라고 함)을 총계로 0.03 내지 3질량％ 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(6) 상기 본딩 와이어가 또한, As, Te, Sn, Bi, Se의 1종 이상(이하 「제4 합금 원소군」이라고 함)을 총계로 0.1 내지 1000질량ppm(Sn≤10질량ppm, Bi≤1질량ppm) 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(7) 상기 본딩 와이어가 또한, B, P, La의 1종 이상(이하 「제5 합금 원소군」이라고 함)을 총계로 0.1 내지 200질량ppm 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

(8) 상기 본딩 와이어의 최표면에 Cu가 존재하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 반도체 장치용 본딩 와이어.

본 발명에 따르면, 반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중의 황 함유량이 증대된 경우라도, 175℃ 이상의 고온 환경에서 볼 접합부의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지는, 반도체 장치용 본딩 와이어를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 그 바람직한 실시 형태에 입각해서 상세히 설명한다. 이하에 있어서, 함유량, 두께, 비율에 관련하여 나타내는 수치는, 별도로 명시하지 않는 한, 평균값을 나타낸다.

본 발명의 본딩 와이어는, Cu 합금 코어재와, 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는다. 이러한 Pd 피복 Cu 본딩 와이어를 사용하여, 아크 방전에 의해 볼을 형성하면, 본딩 와이어가 용융해서 응고하는 과정에서, 볼의 표면에 볼의 내부보다도 Pd의 농도가 높은 합금층이 형성된다. 이 볼을 사용하여 Al 전극과 접합을 행하고, 고온 고습 시험을 실시하면, 접합 계면에는 Pd가 농화된 상태로 된다. 이 Pd가 농화되어 형성된 농화층은, 고온 고습 시험 중의 접합 계면에 있어서의 Cu, Al의 확산을 억제하여, 부식 용이성 화합물의 성장 속도를 저하시킬 수 있다. 이에 의해 본 발명의 Pd 피복 Cu 본딩 와이어는, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 볼의 표면에 형성된 Pd의 농도가 높은 합금층은, 내산화성이 우수하기 때문에, 볼 형성 시에 본딩 와이어의 중심에 대해서 볼의 형성 위치가 어긋나는 등의 불량을 저감할 수 있다.

근년 차량 탑재용 반도체 장치에 있어서는, 175℃ 내지 200℃에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성 향상이 요구되고 있다. 전술한 바와 같이, 반도체 장치의 패키지인 몰드 수지(에폭시 수지)에는, 실란 커플링제가 포함되어 있다. 실란 커플링제는 유기물(수지)과 무기물(실리콘이나 금속)의 밀착성을 높이는 작용을 갖고 있기 때문에, 실리콘 기판이나 금속의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 보다 고온에서의 신뢰성이 요구되는 차량 탑재용 반도체 장치 등, 높은 밀착성이 요구되는 경우에는 「황 함유 실란 커플링제」가 첨가된다. 몰드 수지에 포함되는 황은, 175℃ 이상(예를 들어, 175℃ 내지 200℃)의 조건에서 사용하면 유리되어진다. 그리고, 175℃ 이상의 고온에서 유리된 황이 Cu와 접촉하면, Cu의 부식이 심해져서, 황화물(Cu₂S)이나 산화물(CuO)이 생성된다. Cu 본딩 와이어를 사용한 반도체 장치에서 Cu의 부식이 생성되면, 특히 볼 접합부의 접합 신뢰성이 저하되게 된다.

175℃ 이상의 고온 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 평가하는 수단으로서, HTS(High Temperature Storage Test)(고온 방치 시험)가 이용된다. 고온 환경에 노출시킨 평가용 샘플에 대하여, 볼 접합부의 저항값 경시 변화를 측정하거나, 볼 접합부의 전단 강도 경시 변화를 측정하거나 함으로써, 볼 접합부의 접합 수명을 평가한다.

본 발명의, Cu 합금 코어재와 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서는, 본딩 와이어가, Ni, Rh, Ir의 1종 이상(제1 합금 원소군)과, Pd: 0.05질량％ 이상의 한쪽 또는 양쪽을 함유한다. 제1 합금 원소군의 함유량은 본딩 와이어 중의 함유량으로서 평가한다. Pd 함유량은 Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량에 기초하여 본딩 와이어 중의 함유량으로 환산하여 평가한다. 즉, Pd 함유량은, Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량을 분석하고, 당해 분석값에 「(와이어 단위 길이당 Cu 합금 코어재 질량)/(와이어 단위 길이당 본딩 와이어 질량)」을 곱함으로써 산출할 수 있다. Pd 피복층 중의 Pd는 당해 Pd 함유량에 가산하지 않는다. 본 발명은, 이와 같이 평가한 함유량에 있어서, 제1 합금 원소군과 Pd의 총계의 함유량이 0.03 내지 2질량％인 것을 특징으로 한다. 반도체 장치 패키지에서 사용하는 몰드 수지 중의 황 함유량이, 황 함유 실란 커플링제를 포함하는 종래의 몰드 수지와 동일 정도이면, 상기 제1 합금 원소군과 Pd의 한쪽 또는 양쪽(이하 「제1+합금 원소군」이라고 함)을 상기 함유량의 범위에서 함유함으로써, 175℃ 이상의 고온 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 개선할 수 있다. 이것은, 전술한 특허문헌 6 내지 9에 기재된 바와 같다. 또한, 제1+합금 원소군을 상기 함유량 범위에서 함유함으로써, 루프 형성성을 향상, 즉 고밀도 실장에서 문제가 되는 리닝을 저감할 수 있다. 이것은, 본딩 와이어가 이들 원소를 포함함으로써, 본딩 와이어의 항복 강도가 향상되어, 본딩 와이어의 변형을 억제할 수 있기 때문이다.

또한, 제1+합금 원소군을 상기 함유량 범위에서 함유함으로써, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경하에서의 볼 접합부의 접합 수명도 향상시킬 수 있다. 본 발명과 같이 Pd 피복 Cu 본딩 와이어가 제1+합금 원소군을 함유하고 있으면, 접합부에 있어서의 Cu₉Al₄금속간 화합물의 생성이 억제되는 경향이 있다고 생각된다. 이들 원소가 첨가되어 있으면, 코어재의 Cu와 피복층의 Pd의 계면 장력이 저하되어, 볼 접합 계면의 Pd 농화가 효과적으로 나타난다. 그 때문에, Pd 농화층에 의한 Cu와 Al의 상호 확산 억제 효과가 강해져서, 결과적으로 Cl의 작용으로 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄의 생성량이 적어지고, 볼 접합부의 고온 고습 환경하에서의 신뢰성이 향상되는 것이라고 추정된다.

Ni, Rh, Ir, Pd로 이루어지는 제1+합금 원소군의 함유량의 하한은, 전술한 바와 같이, 본딩 와이어 중에 있어서 총계로 0.03질량％로 한다. 보다 바람직하게는, 함유량 하한이 0.05질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 또는 0.5질량％ 이상이다. Pd를 함유하는 경우, Pd 함유량의 하한은 0.05질량％이다. 보다 바람직하게는, Pd 함유량의 하한은 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 0.4질량％ 이상, 또는 0.5질량％ 이상이다. 한편, 제1+합금 원소군의 함유량 상한은, 전술한 바와 같이, 2질량％로 한다. 제1+합금 원소군의 함유량이 2질량％를 초과하면, FAB가 경질화되어 와이어 본딩 시에 칩 크랙을 유발하기 쉽기 때문이다. 보다 바람직하게는, 함유량 상한이 1.8질량％ 이하, 또는 1.6질량％ 이하이다.

한편, 몰드 수지 중의 황 함유량이 증대되면, 상기와 같이 제1+합금 원소군을 함유한 것만으로는, 175℃ 이상의 고온 환경에 있어서, 볼 접합부의 접합 신뢰성을 충분히 얻지 못하는 경우가 있었다. 본 발명에 있어서는, 제1+합금 원소군의 함유 외에, 본딩 와이어 중에 Li, Sb, Fe, Cr, Co, Zn, Ca, Mg, Pt, Sc, Y의 1종 이상(제2 합금 원소군)을 총계로 0.002질량％ 이상 포함함으로써, 이 문제를 해결할 수 있었다. 제1+합금 원소군과 제2 합금 원소군을 모두 함유시켰을 때, 제1+합금 원소군 함유의 효과인, 접합부에 있어서의 황으로 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄ 금속간 화합물의 생성이 억제되는 경향이 실현되는 것에 더하여, 제2 합금 원소군을 함유함으로써, 밀봉 수지로부터 유리되는 황이 접합부의 Cu₉Al₄에 작용하여 부식이 진전 될 때 제2 합금 원소군이 황을 트랩(화합물화)하여 무해화한다. 그것에 의해 Cu₉Al₄가 생성되었다고 해도 부식의 진전을 억제함으로써 HTS 후의 접합 강도를 유지할 수 있다. 제2 합금 원소군의 총계의 함유량은, 보다 바람직하게는 0.005질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.02질량％ 이상, 0.05질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 또는 0.5질량％ 이상이다. 또한, 제2 합금 원소군 중, Ca와 Mg에 대해서는, 그것들 함유량이 0.011질량％ 이상에 있어서 상기 효과를 발휘함을 확인하고 있으므로, Ca, Mg를 함유하는 경우에는 당해 Ca, Mg 함유량의 하한을 각각 0.011질량％라고 정하였다. 즉, 본딩 와이어가 Ca를 함유하는 경우에는 본딩 와이어 중의 Ca의 함유량이 0.011질량％ 이상이며, 본딩 와이어가 Mg를 함유하는 경우에는 본딩 와이어 중의 Mg의 함유량이 0.011질량％ 이상이다. 당해 Ca, Mg의 함유량의 하한은 각각, 바람직하게는 0.015질량％ 이상, 0.02질량％ 이상, 0.03질량％ 이상, 0.05질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 또는 0.3질량％ 이상이다. 한편, 제2 합금 원소군의 총계의 함유량은 3질량％ 이하로 한다. 제2 합금 원소군의 총계의 함유량이 3질량％를 초과하면, FAB가 경질화되어 와이어 본딩 시에 칩 크랙을 유발하기 쉽다. 제2 합금 원소군의 함유량은, 보다 바람직하게는 2.5질량％ 이하, 2질량％ 이하, 1.8질량％ 이하, 또는 1.6질량％ 이하이다. 또한, 제2 합금 원소군으로서 Zn을 함유하는 경우에는, 제1 합금 원소군과 Zn의 총계의 함유량이 2.1질량％ 이상일 때 상기 효과가 얻어짐과 함께, 황의 트랩 효과 증대에 의해 부식의 진전을 더욱 억제할 수 있다. 제1 합금 원소군과 Zn의 총계의 함유량은 2.5질량％ 이상이면 보다 바람직하고, 3.0질량％ 이상, 3.5질량％ 이상이면 더욱 바람직하다.

일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 본딩 와이어는, 제2 합금 원소군으로서, Sc 및 Y 중 적어도 한쪽을 필수적으로 포함한다. 이러한 실시 형태에 있어서, 본 발명의 본딩 와이어는, Sc 및 Y 중 적어도 한쪽을 포함하고, Li, Sb, Fe, Cr, Co, Zn, Ca, Mg, Pt, Sc, Y로 이루어지는 제2 합금 원소군의 총계의 함유량이 0.002 내지 3질량％이다. 제2 합금 원소군의 총계의 함유량, Ca, Mg의 함유량의 하한, Zn을 포함하는 경우의 제1 합금 원소군과 Zn의 총계의 함유량의 적합 범위는 상기한 바와 같지만, Sc 및 Y 중 적어도 한쪽의 함유량, 즉 Sc 및 Y의 총계의 함유량은, 바람직하게는 0.002질량％ 이상, 0.005질량％ 이상, 0.02질량％ 이상, 0.05질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 또는 0.5질량％ 이상이다. 또한, 이러한 실시 형태에 있어서, Sc 및 Y의 총계의 함유량은, 바람직하게는 2.5질량％ 이하, 2질량％ 이하, 1.8질량％ 이하, 또는 1.6질량％ 이하이다.

본 발명의 본딩 와이어에 있어서, Pd 피복층의 두께는, 차량 탑재용 디바이스에서 요구되는 고온 고습 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성을 보다 한층 개선시키는 관점, FAB의 편심을 억제하여 더 양호한 FAB 형상을 얻는 관점에서, 바람직하게는 0.015㎛ 이상, 보다 바람직하게는 0.02㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 0.025㎛ 이상, 0.03㎛ 이상, 0.035㎛ 이상, 0.04㎛ 이상, 0.045㎛ 이상, 또는 0.05㎛ 이상이다. 한편, FAB의 수축소를 억제하여 양호한 FAB 형상을 얻는 관점에서, Pd 피복층의 두께는, 바람직하게는 0.150㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.140㎛ 이하, 0.130㎛ 이하, 0.120㎛ 이하, 0.110㎛ 이하, 또는 0.100㎛ 이하이다.

상기 본딩 와이어의 Cu 합금 코어재, Pd 피복층의 정의를 설명한다. Cu 합금 코어재와 Pd 피복층의 경계는, Pd 농도를 기준으로 판정하였다. Pd 농도가 50원자％의 위치를 경계로 하고, Pd 농도가 50원자％ 이상의 영역을 Pd 피복층, Pd 농도가 50원자％ 미만의 영역을 Cu 합금 코어재라고 판정하였다. 이 근거는, Pd 피복층에 있어서 Pd 농도가 50원자％ 이상이면 Pd 피복층의 구조로부터 특성의 개선 효과가 얻어지기 때문이다. Pd 피복층은, Pd 단독의 영역, Pd와 Cu가 와이어의 깊이 방향으로 농도 구배를 갖는 영역을 포함하고 있어도 된다. Pd 피복층에 있어서, 해당 농도 구배를 갖는 영역이 형성되는 이유는, 제조 공정에서의 열처리 등에 의해 Pd와 Cu의 원자가 확산되는 경우가 있기 때문이다. 본 발명에 있어서, 농도 구배란, 깊이 방향으로의 농도 변화의 정도가 0.1㎛당 10mol％ 이상인 것을 의미한다. 또한, Pd 피복층은 불가피 불순물을 포함하고 있어도 된다.

본 발명의 본딩 와이어는, Pd 피복층 위에 Au와 Pd를 더 포함하는 합금 표피층을 갖고 있어도 된다. 이에 의해 본 발명의 본딩 와이어는, 웨지 접합성을 더욱 개선할 수 있다.

상기 본딩 와이어의 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 정의를 설명한다. Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층과 Pd 피복층의 경계는, Au 농도를 기준으로 판정하였다. Au 농도가 10원자％의 위치를 경계로 하고, Au 농도가 10원자％ 이상의 영역을 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층, 10원자％ 미만의 영역을 Pd 피복층이라고 판정하였다. 또한, Pd 농도가 50원자％ 이상의 영역이어도, Au가 10원자％ 이상 존재하면 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층이라고 판정하였다. 이들 근거는, Au 농도가 상기 농도 범위이면, Au 표피층의 구조로부터 특성의 개선 효과를 기대할 수 있기 때문이다. Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층은, Au-Pd 합금이며, Au와 Pd가 와이어의 깊이 방향으로 농도 구배를 갖는 영역을 포함하는 영역으로 한다. Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층에 있어서, 해당 농도 구배를 갖는 영역이 형성되는 이유는, 제조 공정에서의 열처리 등에 의해 Au와 Pd의 원자가 확산되기 때문이다. 또한, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층은 불가피 불순물과 Cu를 포함하고 있어도 된다.

본 발명의 본딩 와이어에 있어서, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층은, Pd 피복층과 반응하여, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층, Pd 피복층, Cu 합금 코어재 간의 밀착 강도를 높여, 웨지 접합 시의 Pd 피복층이나 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 박리를 억제할 수 있다. 이에 의해 본 발명의 본딩 와이어는, 웨지 접합성을 더욱 개선시킬 수 있다. Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 두께가 0.0005㎛ 미만에서는 상기 효과를 충분히 얻지 못해, 0.050㎛보다 두꺼워지면 FAB 형상이 편심되는 경우가 있다. 양호한 웨지 접합성을 얻는 관점에서, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 두께는, 바람직하게는 0.0005㎛ 이상, 보다 바람직하게는 0.001㎛ 이상, 0.002㎛ 이상, 또는 0.003㎛ 이상이다. 편심을 억제하여 양호한 FAB 형상을 얻는 관점에서, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 두께는, 바람직하게는 0.050㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.045㎛ 이하, 0.040㎛ 이하, 0.035㎛ 이하, 또는 0.030㎛ 이하이다. 또한 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층은, Pd 피복층과 마찬가지의 방법에 의해 형성할 수 있다.

본 발명의 본딩 와이어는 또한, Al, Ga, Ge, In의 1종 이상(제3 합금 원소군)을 총계로 0.03 내지 3질량％ 포함하고 있어도 된다. 이에 의해, HAST 평가 조건인 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경하에서 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. Pd 피복 Cu 본딩 와이어가 제3 합금 원소군을 상기 함유량 범위에서 함유하고 있으면, 접합부에 있어서의 Cu₉Al₄ 금속간 화합물의 생성이 더 억제되는 경향이 있다고 생각된다. 볼 접합부의 FAB 형성 시에, 와이어 중의 제3 합금 원소군은 Pd 피복층으로도 확산된다. 볼 접합부에 있어서의 Cu와 Al 계면의 Pd 농화층에 존재하는 제3 합금 원소군이, Pd 농화층에 의한 Cu와 Al의 상호 확산 억제 효과를 더 높여, 결과적으로 고온 고습 환경하에서 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄의 생성을 억제하는 것이라고 생각된다. 또한, 와이어에 포함되는 제3 합금 원소군이 Cu₉Al₄의 형성을 직접 저해하는 효과가 있을 가능성도 있다. 제3 합금 원소군의 총계의 함유량은, 바람직하게는 0.05질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.2질량％ 이상, 0.3질량％ 이상, 0.4질량％ 이상, 또는 0.5질량％ 이상이다.

또한, 제3 합금 원소군을 소정량 함유한 Pd 피복 Cu 본딩 와이어를 사용하여 볼부를 형성하고, FAB를 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 관찰하면, FAB의 표면에 직경 수십 ㎚φ 정도의 석출물이 다수 보인다. 석출물을 에너지 분산형 X선 분석(EDS: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)으로 분석하면 제3 합금 원소군이 농화되어 있음을 확인할 수 있다. 상세한 메커니즘은 불분명하지만, FAB에 관찰되는 이 석출물이 볼부와 전극의 접합 계면에 존재함으로써, 온도가 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성이 특히 향상되고 있는 것이라고 생각된다.

한편, 양호한 FAB 형상을 얻는 관점, 본딩 와이어의 경질화를 억제하여 양호한 웨지 접합성을 얻는 관점에서, 와이어 전체에 대한 제3 합금 원소군의 농도는 합계로 3질량％ 이하이고, 바람직하게는 2질량％ 이하, 보다 바람직하게는 1.5질량％ 이하, 또는 1.2질량％ 이하이다.

본 발명의 본딩 와이어는 또한, As, Te, Sn, Bi, Se의 1종 이상(제4 합금 원소군)을 총계로 0.1 내지 1000질량ppm(Sn≤10질량ppm, Bi≤1질량ppm) 포함하고 있어도 된다. 이에 의해, HAST 평가 조건인 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경하에서 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 제4 합금 원소군을 상기 함유량 범위에서 함유하면, 접합부에 있어서의 Cu₉Al₄ 금속간 화합물의 생성이 더 억제되는 경향이 있다고 생각된다. 이들 원소를 소정량 함유하고 있으면, 볼을 형성할 때, 코어재의 Cu와 피복층의 Pd의 계면 장력이 저하되고, 계면의 습윤성이 양호화되기 때문에, 볼 접합 계면의 Pd 농화가 보다 현저하게 나타난다. 그 때문에, HAST 평가 조건의 고온 고습 환경에 있어서, Pd 농화층에 의한 Cu와 Al의 상호 확산 억제 효과가 더욱 강해져서, 결과적으로 Cl의 작용으로 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄의 생성량이 적어져서, 볼 접합부의 고온 고습 환경에서의 접합 신뢰성이 특히 향상되는 것이라고 추정된다.

온도가 130℃, 상대 습도가 85％의 고온 고습 환경하에서의 볼 접합부의 접합 수명을 향상시켜, 접합 신뢰성을 개선시킨다는 관점에서, 본딩 와이어 전체에 대한, 제4 합금 원소군의 농도는 합계로 0.1질량ppm 이상이며, 바람직하게는 0.5질량ppm 이상, 보다 바람직하게는 1질량ppm 이상, 더욱 바람직하게는 1.5질량ppm 이상, 2질량ppm 이상, 2.5질량ppm 이상, 또는 3질량ppm 이상이다.

한편, 양호한 FAB 형상, 나아가서는 양호한 볼 접합성을 얻는 관점에서, 와이어 중 제4 합금 원소군의 농도는 합계로 1000질량ppm 이하이고, 바람직하게는 950질량ppm 이하, 900질량ppm 이하, 850질량ppm 이하, 또는 800질량ppm 이하이다. 또한, Sn 농도가 10질량ppm을 초과한 경우, 또는 Bi 농도가 1질량ppm을 초과한 경우에는, FAB 형상이 불량으로 되는 점에서, Sn≤10질량ppm, Bi≤1질량ppm으로 함으로써, FAB 형상을 보다 개선시킬 수 있으므로 바람직하다. 또한, Se 농도를 4.9질량ppm 이하로 함으로써, FAB 형상, 웨지 접합성을 보다 개선시킬 수 있으므로 보다 바람직하다.

본 발명의 본딩 와이어는, B, P, La의 1종 이상(제5 합금 원소군)을 0.1 내지 200질량ppm 더 포함하고 있어도 된다. 이에 의해, 고밀도 실장에 요구되는 볼 접합부의 찌부러짐 형상을 개선, 즉 볼 접합부 형상의 진원성을 개선시킬 수 있으므로 바람직하다.

본 발명과 같이 Pd 피복 Cu 본딩 와이어가 제1+합금 원소군을 소정량 함유하고 있는 경우, 또한 본딩 와이어의 최표면에 Cu가 존재하면, 접합부에 있어서의 Cu₉Al₄금속간 화합물의 생성이 더 억제되는 경향이 있다. 이 경우, 본딩 와이어에 포함되는 제1+합금 원소군과 Cu의 상호 작용에 의해, FAB 형성 시에 FAB 표면의 Pd 농화가 촉진되어, 볼 접합 계면의 Pd 농화가 보다 현저하게 나타난다. 이에 의해, Pd 농화층에 의한 Cu와 Al의 상호 확산 억제 효과가 더욱 강해져서, Cl의 작용으로 부식되기 쉬운 Cu₉Al₄의 생성량이 적어져서, 볼 접합부의 고온 고습 환경에서의 접합 신뢰성이 보다 한층 향상되는 것이라고 추정된다. 여기서, 최표면이란, 스퍼터 등을 실시하지 않은 상태에서, 본딩 와이어의 표면을 오제 전자 분광 장치에 의해 측정한 영역을 의미한다.

Pd 피복층의 최표면에 Cu가 존재하는 경우, 최표면의 Cu의 농도가 35원자％ 이상이 되면 와이어 표면의 내황화성이 저하되고, 본딩 와이어의 사용 수명이 저하되기 때문에 실용면에서 적합하지 않은 경우가 있다. 따라서, Pd 피복층의 최표면에 Cu가 존재하는 경우, 최표면의 Cu의 농도는 35원자％ 미만인 것이 바람직하다. 최표면의 Cu의 농도가 30원자％ 미만이면 보다 바람직하다.

본딩 와이어 중에 제1 내지 제5 합금 원소군을 함유시킬 때, 이들 원소를 Cu 합금 코어재 중에 함유시키는 방법, Cu 합금 코어재 혹은 와이어 표면에 피착시켜 함유시키는 방법 중 어느 것을 채용해도, 상기 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 이들 성분의 첨가량은 미량이므로, 첨가 방법의 베리에이션은 넓어, 어떤 방법으로 첨가해도 지정된 농도 범위의 성분이 포함되어 있으면 효과가 나타난다. 제1+합금 원소군 중 Pd에 대해서는, 본딩 와이어의 Pd 피복층과 구별할 필요가 있는 점에서, Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량의 분석값에 기초하여 본딩 와이어 중 함유량으로 환산하여 규정하도록 하고 있다. 즉, Pd 함유량은, Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량을 분석하고, 당해 분석값에 「(와이어 단위 길이당 Cu 합금 코어재 질량)/(와이어 단위 길이당 본딩 와이어 질량)」을 곱함으로써 산출할 수 있다. Pd 피복층 중의 Pd는 당해 Pd 함유량에 가산하지 않는다.

Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 농도 분석, Cu 합금 코어재 중에 있어서의 Pd의 농도 분석에는, 본딩 와이어의 표면으로부터 깊이 방향을 향해서 스퍼터 등으로 깎으면서 분석을 하는 방법, 혹은 와이어 단면을 노출시켜 선 분석, 점 분석 등을 행하는 방법이 유효하다. 이들 농도 분석에 사용하는 해석 장치는, 주사형 전자 현미경 또는 투과형 전자 현미경에 설치한 오제 전자 분광 분석 장치, 에너지 분산형 X선 분석 장치, 전자선 마이크로 애널라이저 등을 이용할 수 있다. 와이어 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용할 수 있다. 예를 들어, Cu 합금 코어재가 Pd의 농도 구배를 갖는 영역을 포함하는 경우에는, 본딩 와이어의 단면을 선 분석, 점 분석하고, Cu 합금 코어재의 단면에 있어서 Pd의 농도 구배를 갖지 않는 영역(예를 들어, 와이어 단면의 중심부(와이어 직경의 1/4의 직경 범위))에 대하여 농도 분석하면 된다. 본딩 와이어 중 Pd 이외의 제1 내지 제5 합금 원소군의 미량 분석에 대해서는, 본딩 와이어를 강산으로 용해한 액을 ICP 발광 분광 분석 장치나 ICP 질량 분석 장치를 이용하여 분석하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도로서 검출할 수 있다.

(제조 방법)

다음으로 본 발명의 실시 형태에 따른 본딩 와이어의 제조 방법을 설명한다. 본딩 와이어는, 코어재에 사용하는 Cu 합금을 제조한 후, 와이어 형상으로 가늘게 가공하고, Pd 피복층, Au층을 형성하고, 열 처리함으로써 얻어진다. Pd 피복층, Au층을 형성 후, 다시 신선과 열처리를 행하는 경우도 있다. Cu 합금 코어재의 제조 방법, Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 형성 방법, 열처리 방법에 대하여 상세히 설명한다.

코어재에 사용하는 Cu 합금은, 원료로 되는 Cu와 첨가하는 원소를 모두 용해하고, 응고시킴으로써 얻어진다. 용해에는, 아크 가열로, 고주파 가열로, 저항 가열로 등을 이용할 수 있다. 대기 중으로부터의 O₂, H₂ 등의 가스의 혼입을 방지하기 위해서, 진공 분위기 혹은 Ar이나 N₂ 등의 불활성 분위기 중에서 용해를 행하는 것이 바람직하다.

Pd 피복층, Au층을 Cu 합금 코어재의 표면에 형성하는 방법은, 도금법, 증착법, 용융법 등이 있다. 도금법은, 전해 도금법, 무전해 도금법 중 어느 쪽도 적용 가능하다. 스트라이크 도금, 플래시 도금이라고 불리는 전해 도금에서는, 도금 속도가 빠르고, 하지와의 밀착성도 양호하다. 무전해 도금에 사용하는 용액은, 치환형과 환원형으로 분류되고, 두께가 얇은 경우에는 치환형 도금만으로도 충분하지만, 두께가 두꺼운 경우에는 치환형 도금의 후에 환원형 도금을 단계적으로 실시하는 것이 유효하다.

증착법으로는, 스퍼터법, 이온 플레이팅법, 진공 증착 등의 물리 흡착과, 플라스마 CVD 등의 화학 흡착을 이용할 수 있다. 모두 건식으로, Pd 피복층, Au층 형성 후의 세정이 불필요하여, 세정 시의 표면 오염 등의 걱정이 없다.

Pd 피복층, Au층 형성 후에 열처리를 행함으로써, Pd 피복층의 Pd가 Au층 중으로 확산되고, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층이 형성된다. Au층을 형성한 후에 열처리에 의해 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성하는 것이 아니라, 처음부터 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 피착하도록 해도 된다.

Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 형성에 대해서는, 최종 선 직경까지 신선 후에 이들 층을 형성하는 방법과, 굵은 직경의 Cu 합금 코어재에 이들 층을 형성하고 나서 목표의 선 직경까지 복수 회 신선하는 방법 중 어느 쪽도 유효하다. 전자의 최종 직경으로 Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성하는 경우에는, 제조, 품질 관리 등이 간편하다. 후자의 Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층과 신선을 조합하는 경우에는, Cu 합금 코어재와의 밀착성이 향상되는 점에서 유리하다. 각각의 형성법의 구체예로서, 최종 선 직경의 Cu 합금 코어재에, 전해 도금 용액 중에 와이어를 연속적으로 소인하면서 Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성하는 방법, 혹은 전해 또는 무전해의 도금욕 중에 굵은 Cu 합금 코어재를 침지하여 Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성한 후에, 와이어를 신선하여 최종 선 직경에 도달하는 방법 등을 들 수 있다.

Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성한 후에는, 열처리를 행하는 경우가 있다. 열처리를 행함으로써 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층, Pd 피복층, Cu 합금 코어재의 사이에 원자가 확산되어 밀착 강도가 향상되기 때문에, 가공 중 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층이나 Pd 피복층의 박리를 억제할 수 있어, 생산성이 향상되는 점에서 유효하다. 대기 중으로부터의 O₂의 혼입을 방지하기 위해서, 진공 분위기 혹은 Ar이나 N₂등의 불활성 분위기 중에서 열처리를 행하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본딩 와이어에 실시하는 확산 열처리나 어닐링 열처리의 조건을 조정함으로써, 코어재의 Cu가 Pd 피복층이나 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층 중을 확산하고, 본딩 와이어의 최표면에 Cu를 도달시켜, 최표면에 Cu를 존재시킬 수 있다. 최표면에 Cu를 존재시키기 위한 열처리로서, 상기한 바와 같이 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 형성하기 위한 열처리를 사용할 수 있다. 합금 표피층을 형성하기 위한 열처리를 행할 때, 열 처리 온도와 시간을 선택함으로써, 최표면에 Cu를 존재시키거나, 혹은 Cu를 존재시키지 않을 수 있다. 또한, 최표면의 Cu 농도를 소정의 범위(예를 들어, 1 내지 50원자％의 범위)로 조정할 수도 있다. 합금 표피층 형성 시 이외에 행하는 열처리에 의해 Cu를 최표면에 확산시키도록 해도 된다.

전술한 바와 같이, 본딩 와이어 중에 제1 내지 제5 합금 원소군을 함유시킬 때, 이들 원소를 Cu 합금 코어재 중에 함유시키는 방법, Cu 합금 코어재 혹은 와이어 표면에 피착시켜 함유시키는 방법 중 어느 것을 채용해도, 상기 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다.

상기 성분의 첨가 방법으로서, 가장 간편한 것은 Cu 합금 코어재의 출발 재료에 첨가해 두는 방법이다. 예를 들어, 고순도의 구리와 상기 성분 원소 원료를 출발 원료로서 칭량한 다음, 이것을 고진공하 혹은 질소나 아르곤 등의 불활성 분위기하에서 가열하여 용해함으로써 목적의 농도 범위의 상기 성분이 첨가된 잉곳을 작성하고, 목적 농도의 상기 성분 원소를 포함하는 출발 재료로 한다. 따라서 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 본딩 와이어 Cu 합금 코어재는, 제1 내지 제5 합금 원소군의 원소를, 와이어 전체에 대한 상기 원소의 농도가 각각 규정의 농도로 되도록 포함한다. 해당 농도의 합계의 적합한 수치 범위는, 상술한 바와 같다.

와이어 제조 공정의 도중에, 와이어 표면에 상기 성분을 피착시킴으로써 함유시킬 수도 있다. 이 경우, 와이어 제조 공정의 어디에 편성해 넣어도 되고, 복수 회 반복해도 된다. 복수의 공정에 편성해 넣어도 된다. Pd 피복 전의 Cu 표면에 첨가해도 되고, Pd 피복 후의 Pd 표면에 첨가해도 되고, Au 피복 후의 Au 표면에 첨가해도 되며, 각 피복 공정에 편성해 넣어도 된다. 피착 방법으로서는, 수용액의 도포⇒ 건조⇒ 열처리, 도금법(습식), 증착법(건식)으로부터 선택할 수 있다.

실시예

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

(샘플)

우선 샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. 코어재의 원재료가 되는 Cu는 순도가 99.99질량％ 이상이며, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 제1 내지 제5 합금 원소군은 순도가 99질량％ 이상이며, 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 와이어 또는 코어재의 조성이 목적의 것이 되도록, 코어재에 대한 첨가 원소인 제1 내지 제5 합금 원소군을 조합한다. 제1 내지 제5 합금 원소군의 첨가에 관해서는, 단체에서의 조합도 가능하지만, 단체에서 고융점의 원소나 첨가량이 극미량인 경우에는, 첨가 원소를 포함하는 Cu 모합금을 미리 제작해 두어 목적의 첨가량이 되도록 조합해도 된다.

코어재의 Cu 합금은, 직경이 φ3 내지 6㎜의 원기둥형으로 가공한 카본 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여, 진공 중 혹은 N₂나 Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1090 내지 1300℃까지 가열하여 용해시킨 후, 로랭을 행함으로써 제조하였다. 얻어진 φ3 내지 6㎜의 합금에 대해서, 인발 가공을 행하여 φ0.9 내지 1.2㎜까지 가공한 후, 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행함으로써, φ300 내지 600㎛의 와이어를 제작하였다. 신선에는 시판 중인 윤활액을 사용하고, 신선 속도는 20 내지 150m/분으로 하였다. 와이어 표면의 산화막을 제거하기 위해서, 염산에 의한 산세 처리를 행한 후, 코어재의 Cu 합금의 표면 전체를 덮도록 Pd 피복층을 1 내지 15㎛ 형성하였다. 또한, 일부의 와이어는 Pd 피복층 위에 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 0.05 내지 1.5㎛ 형성하였다. Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 형성에는 전해 도금법을 사용하였다. 도금액은 시판 중인 반도체용 도금액을 사용하였다. 그 후, 200 내지 500℃의 열처리와 신선 가공을 반복해서 행함으로써 직경 20㎛까지 가공하였다. 가공 후에는 최종적으로 파단 신장이 약 5 내지 15％가 되는 N₂ 혹은 Ar 가스를 흐르게 하면서 열처리를 하였다. 열처리 방법은 와이어를 연속적으로 소인하면서 행하고, N₂ 혹은 Ar 가스를 흐르게 하면서 행하였다. 와이어의 이송 속도는 20 내지 200m/분, 열 처리 온도는 200 내지 600℃에서 열처리 시간은 0.2 내지 1.0초로 하였다.

Pd 피복층, Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 농도 분석은, 본딩 와이어의 표면으로부터 깊이 방향을 향해서 Ar 이온으로 스퍼터하면서 오제 전자 분광 분석 장치를 사용하여 분석하였다. 피복층 및 합금 표피층의 두께는, 얻어진 깊이 방향의 농도 프로파일(깊이의 단위는 SiO₂ 환산)로부터 구하였다. Pd의 농도가 50원자％ 이상이며, 또한, Au의 농도가 10원자％ 미만이었던 영역을 Pd 피복층이라 하고, Pd 피복층의 표면에 있는 Au 농도가 10원자％ 이상의 범위였던 영역을 합금 표피층이라 하였다. 피복층 및 합금 표피층의 두께 및 조성을 각각 표 1 내지 표 6에 기재하였다. Cu 합금 코어재에 있어서의 Pd의 농도는, 와이어 단면을 노출시키고, 주사형 전자 현미경에 설치한 전자선 마이크로 애널라이저에 의해, 와이어 단면의 중심부(와이어 직경의 1/4의 직경 범위)에 대하여 선 분석, 점 분석 등을 행하는 방법에 의해 측정하였다. 와이어 단면을 노출시키는 방법으로서는, 기계 연마, 이온 에칭법 등을 이용하였다. 본딩 와이어 중의 Pd 함유량은, 상기 분석한 Cu 합금 코어재 중의 Pd 함유량 분석값에 「(와이어 단위 길이당 Cu 합금 코어재 질량)/(와이어 단위 길이당 본딩 와이어 질량)」을 곱함으로써 산출하였다. 본딩 와이어 중 Pd 이외의 제1 내지 제5 합금 원소군의 농도는, 본딩 와이어를 강산으로 용해한 액을 ICP 발광 분광 분석 장치, ICP 질량 분석 장치를 이용하여 분석하고, 본딩 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도로서 검출하였다.

(평가 방법)

고온 고습 환경 또는 고온 환경에서의 볼 접합부의 접합 신뢰성은, 접합 신뢰성 평가용 샘플을 제작하고, HAST 및 HTS 평가를 행하여, 각각의 시험에 있어서의 볼 접합부의 접합 수명에 의해 판정하였다. 접합 신뢰성 평가용 샘플은, 일반적인 금속 프레임 위의 Si 기판에 두께 0.8㎛의 Al-1.0％ Si-0.5％ Cu의 합금을 성막하여 형성한 전극에, 시판 중인 와이어 본더를 사용하여 볼 접합을 행하였다. 볼은 N₂+5％ H₂ 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/min으로 흐르게 하면서 형성시키고, 그 크기는 φ33 내지 34㎛의 범위로 하였다. 본딩 와이어의 접합 후, 서로 다른 2종류의 황 함유량의 에폭시 수지에 의해 밀봉해서 샘플을 제작하였다. 저농도 황 함유 수지로서는, 황 함유량이 2질량ppm인 것을 사용하고, 고농도 황 함유 수지로서는, 황 함유량이 16 질량ppm인 것을 사용하였다. 에폭시 수지 중의 황 함유량 평가에 대해서는, 수지를 분쇄해서 질소 가스 플로우 중에서 200℃, 10시간 과열하고, 캐리어 질소 가스에 포함되는 수지로부터의 아웃 가스를 과산화수소수로 포집하고, 이온 크로마토그래피에 의해 황 함유량의 평가를 행하였다.

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

HAST 평가의 점유율 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10군데의 측정값의 평균값을 이용하였다. 상기 평가에 있어서, 접합 수명이 96시간 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 96시간 이상 144시간 미만이면 실용 가능하지만 약간 문제가 있다고 하여 △ 표시, 144시간 이상 288시간 미만이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○ 표시, 288시간 이상 384시간 미만이면 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 384시간 이상이면 매우 우수하다고 판단하여 ◎◎ 표시로 하여, 표 1 내지 표 6의 「HAST」란에 표기하였다.

HTS 평가에 대해서는, 제작한 접합 신뢰성 평가용 샘플을, 고온 항온기를 사용하여, 온도 200℃의 고온 환경에 노출시켰다. 볼 접합부의 접합 수명은 500시간마다 볼 접합부의 점유율 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/2이 되는 시간으로 하였다. 고온 시험 후의 점유율 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하고, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다.

HTS 평가의 점유율 시험기는 DAGE사제의 시험기를 사용하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 10군데의 측정값의 평균값을 이용하였다. 상기 평가에 있어서, 접합 수명이 250시간 미만이면 실용상 문제가 있다고 판단하여 ×표시, 250시간 이상 500시간 미만이면 실용 가능하지만 개선을 요한다고 판단하여 △ 표시, 500시간 이상 1000시간 미만이면 실용상 문제가 없다고 판단하여 ○ 표시, 1000시간 이상 2000시간 미만이면 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하고, 2000시간 이상 3000시간 이하이면 매우 우수하다고 판단하여 ◎◎ 표시로 하여, 표 1 내지 표 6의 「HTS」란에 표기하였다.

볼 형성성(FAB 형상)의 평가는, 접합을 행하기 전의 볼을 채취하여 관찰하고, 볼 표면의 기포의 유무, 본래 진구인 볼의 변형의 유무를 판정하였다. 상기 중 어느 것이 발생한 경우에는 불량이라고 판단하였다. 볼의 형성은 용융 공정에서의 산화를 억제하기 위해서, N₂가스를 유량 0.5L/min으로 분사하면서 행하였다. 볼의 크기는 34㎛로 하였다. 하나의 조건에 대해서 50개의 볼을 관찰하였다. 관찰에는 SEM을 사용하였다. 볼 형성성의 평가에 있어서, 불량이 5개 이상 발생한 경우에는 문제가 있다고 판단하여 × 표시, 불량이 3 내지 4개이면 실용 가능하지만 약간 문제가 있다고 하여 △ 표시, 불량이 1 내지 2개인 경우에는 문제가 없다고 판단하여 ○ 표시, 불량이 발생하지 않은 경우에는 우수하다고 판단하여 ◎ 표시로 하여, 표 1 내지 표 6의 「FAB 형상」란에 표기하였다.

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

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

칩 대미지의 평가에서는, Si 기판 위에 두께 1.0㎛의 Al-0.5％ Cu의 합금을 성막한 전극에 200군데 볼 본딩을 행하고, 와이어 및 Al 전극을 약액으로 용해하여 Si 기판을 노출시키고, Si 기판 위에 대미지가 포함되어 있는지 여부를 관찰함으로써 행하였다. 대미지가 2개 이상 포함되었으면 불량이라고 판단하여 × 표시, 대미지가 1개이면 문제 없다고 하여 ○ 표시, 대미지가 관찰되지 않았으면 양호하다고 하여 ◎ 표시로 하여, 표 1 내지 표 6의 「칩 대미지」란에 표기하였다. ○와 ◎는 합격이다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 1-3]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-3]

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 3-3]

[표 4-1]

[표 4-2]

[표 4-3]

[표 5-1]

[표 5-2]

[표 5-3]

[표 6-1]

[표 6-2]

[표 6-3]

표 1-1 내지 표 6-3에 결과를 나타낸다. 표 1-1 내지 표 5-3의 본 발명예 No. 1 내지 127이 본 발명예이며, 표 6-1 내지 표 6-3의 비교예 No. 1 내지 15가 비교예이다. 본 발명 범위로부터 벗어나는 수치에 밑줄을 긋고 있다.

표 1-1 내지 표 5-3의 본 발명예 No. 1 내지 127은, Cu 합금 코어재와 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어이며, 와이어의 성분 조성이 본 발명 범위 내에 들어가 있어, HAST 결과, HST 결과(저농도 황 함유 수지, 고농도 황 함유 수지 모두), FAB 형상, 웨지 접합성, 볼 접합부의 찌부러짐 형상, 칩 대미지의 모든 평가 항목에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

표 6-1 내지 표 6-3의 비교예 No. 1 내지 15에 대하여 설명한다. 비교예 No. 1 내지 5, 12는, 제1+합금 원소군의 함유량이 본 발명 범위의 하한을 벗어나 있어, HAST, HTS(저농도 황 함유 수지를 포함함) 모두 불량이었다.

비교예 No. 6 내지 8, 11은, 제1+합금 원소군의 함유량은 본 발명 범위에 있지만, 제2 합금 원소군의 함유량이 본 발명 범위의 하한을 벗어나 있으며, 비교예 No. 9는, Zn을 함유함과 함께 제1 합금 원소군과 Zn의 합계 함유량이 본 발명 범위를 벗어나 있어, 어느 것이나 모두 고농도 황 함유 수지를 사용한 HTS 결과가 불량이었다.

비교예 No. 10, 13 내지 15는, 제1+합금 원소군 또는 제2 합금 원소군 모두 함유량이 본 발명 범위의 상한을 벗어나 있어, 칩 대미지가 불량이었다.

Claims

Cu 합금 코어재와 상기 Cu 합금 코어재의 표면에 형성된 Pd 피복층을 갖는 반도체 장치용 본딩 와이어에 있어서,
상기 본딩 와이어가, Ni, Rh, Ir의 1종 이상(이하 「제1 합금 원소군」이라고 함)과, Pd: 0.05질량％ 이상의 한쪽 또는 양쪽을 함유하고, 제1 합금 원소군 함유량은 본딩 와이어 중의 함유량으로서 평가하고, Pd 함유량은 Cu 합금 코어재 중 Pd 함유량에 기초하여 본딩 와이어 중의 함유량으로 환산하여 평가했을 때, 상기 평가한 함유량에 있어서, 제1 합금 원소군과 Pd의 총계의 함유량이 0.03 내지 2질량％이며,
또한, 상기 본딩 와이어가, Li, Sb, Fe, Cr, Zn, Ca, Mg, Sc, Y의 1종 이상을 총계로 0.002 내지 3질량％ 포함하고, 이하의 (i) 내지 (vi) 중 적어도 하나의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
(i) 본딩 와이어 중의 Ca의 함유량이 0.03질량％ 이상.
(ii) 본딩 와이어 중의 Mg의 함유량이 0.03질량％ 이상.
(iii) 본딩 와이어 중의 상기 제1 합금 원소군과 Zn의 총계의 함유량이 2.1질량％ 이상.
(iv) 본딩 와이어 중의 Sb의 함유량이 0.002질량％ 이상.
(v) 본딩 와이어 중의 Fe의 함유량이 0.02질량％ 이상.
(vi) Li, Cr, Sc, Y의 1종 이상을 총계로 0.002 내지 3질량％ 포함.
제1항에 있어서,
상기 Pd 피복층의 두께가 0.015 내지 0.150㎛인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
상기 Pd 피복층 위에 또한 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층을 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제3항에 있어서,
상기 Au와 Pd를 포함하는 합금 표피층의 두께가 0.050㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
상기 본딩 와이어가 또한, Al, Ga, Ge, In의 1종 이상을 총계로 0.03 내지 3질량％ 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
상기 본딩 와이어가 또한, As, Te, Sn, Bi, Se의 1종 이상을 총계로 0.1 내지 1000질량ppm(Sn≤10질량ppm, Bi≤1질량ppm) 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
상기 본딩 와이어가 또한, B, P, La의 1종 이상을 총계로 0.1 내지 200질량 ppm 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본딩 와이어의 최표면에 Cu가 존재하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치용 본딩 와이어.