KR20240026924A

KR20240026924A - 반도체 장치용 본딩 와이어

Info

Publication number: KR20240026924A
Application number: KR1020237043684A
Authority: KR
Inventors: 다이조 오다; 모토키 에토; 다카시 야마다; 데루오 하이바라; 료 오이시
Original assignee: 닛데쓰마이크로메탈가부시키가이샤
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2024-02-29
Also published as: TW202301498A; JPWO2022270075A1; JPWO2022270051A1; EP4361299A1; EP4361300A1; CN117546278A; KR20240026929A; TW202301496A; WO2022270075A1; WO2022270051A1; CN117529802A

Abstract

양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 신규의 Cu 본딩 와이어를 제공한다. 해당 반도체 장치용 본딩 와이어는, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재와, 해당 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 포함하고, 해당 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖고, 해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이며, 와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni가 0.02 이상 0.7 이하이며, 해당 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치용 본딩 와이어

본 발명은, 반도체 장치용 본딩 와이어에 관한 것이다. 나아가, 해당 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.

반도체 장치에서는, 반도체 칩 상에 형성된 전극과, 리드 프레임이나 기판 상의 전극 사이를 본딩 와이어에 의해 접속하고 있다. 본딩 와이어의 접속 방법은 초음파 병용 열압착 방식이 일반적이며, 범용 본딩 장치, 본딩 와이어를 그 내부에 통과시켜 접속에 사용하는 캐필러리 지그 등이 사용된다. 접속 프로세스는, 반도체 칩 상의 전극에 1st 접합하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 리드 프레임이나 기판 상의 외부 전극에 와이어부를 2nd 접합함으로써 완료된다. 1st 접합은, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 프리 에어볼(FAB: Free Air Ball; 이하, 간단히 「볼」, 「FAB」라고도 함)을 형성한 후에, 해당 볼부를 반도체 칩 상의 전극에 압착 접합(이하, 「볼 접합」)한다. 또한, 2nd 접합은, 볼을 형성하지 않고, 와이어부를 초음파, 하중을 가함으로써 외부 전극 상에 압착 접합(이하, 「웨지 접합」)한다.

지금까지 본딩 와이어의 재료는 금(Au)이 주류였지만, LSI 용도를 중심으로 구리(Cu)로의 대체가 진행되고 있고(예를 들어, 특허문헌 1 내지 3), 또한, 근년의 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 보급을 배경으로 차량 탑재용 디바이스 용도에 있어서, 나아가 에어컨이나 태양광 발전 시스템 등의 대전력 기기에 있어서의 파워 디바이스(파워 반도체 장치) 용도에 있어서도, 열전도율이나 용단 전류의 높음으로부터, 고효율이며 신뢰성도 높은 Cu로의 대체가 기대되고 있다.

Cu는 Au에 비해 산화되기 쉬운 결점이 있어, Cu 본딩 와이어의 표면 산화를 방지하는 방법으로서, Cu 코어재의 표면을 Pd, Ni 등의 금속으로 피복한 구조도 제안되어 있다(특허문헌 4). 또한, Cu 코어재의 표면을 Pd로 피복하고, 또한 Cu 코어재에 Pd, Pt를 첨가함으로써, 1st 접합부의 접합 신뢰성을 개선한 Pd 피복 Cu 본딩 와이어도 제안되어 있다(특허문헌 5).

일본 특허 공개 소61-48543호 공보 일본 특허 공표 제2018-503743호 공보 국제 공개 제2017/221770호 일본 특허 공개 제2005-167020호 공보 국제 공개 제2017/013796호

차량 탑재용 디바이스나 파워 디바이스는, 작동 시에, 일반적인 전자 기기에 비해, 보다 고온에 노출되는 경향이 있어, 사용되는 본딩 와이어에 관해서는, 가혹한 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타낼 것이 요구된다.

본 발명자들은, 차량 탑재용 디바이스 등에서 요구되는 특성을 근거로 하여 평가를 실시한바, 종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어에서는, 고온 환경 하에서 갈바니 부식이 발생하여, 2nd 접합부에 있어서의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있음을 알아냈다. 한편, Pd 피복층을 갖고 있지 않은 베어 Cu 본딩 와이어에 관해서는, 갈바니 부식은 발생하지 않지만, FAB 형상이 불량하고, 나아가서는 1st 접합부의 압착 형상이 뒤떨어져, 고밀도 실장에서 요구되는 협피치 접속에 대한 대응이 충분하지 않을 뿐만 아니라, 고온 환경 하에서 1st 접합부에 있어서의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다.

양호한 FAB 형상을 실현함과 함께, 차량 탑재용 디바이스 등에 요구되는 가혹한 고온 환경 하에서도 접합 신뢰성의 악화가 적은 Cu계의 본딩 와이어에 대하여 검토한바, Cu 코어재의 표면을 Ni로 피복한 Ni 피복 Cu 본딩 와이어가 FAB 형상과 고온 환경 하에서의 접합 신뢰성의 점에서 어느 정도 양호한 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 그러나, Ni 피복 Cu 본딩 와이어에 관해서는, 2nd 접합부에 있어서의 접합성(접합 직후 2nd 접합부의 접합성)이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있음을 알아냈다.

이상과 같이, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성, 특히 1st 접합부의 접합 신뢰성이 개선된 Cu계의 본딩 와이어의 개발이 요망된다.

본 발명은, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 신규의 Cu 본딩 와이어를 제공한다.

본 발명자들은, 상기 과제에 대해 예의 검토한 결과, 하기 구성을 가짐으로써 상기 과제를 해결할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 이하의 내용을 포함한다.

[1] Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재와, 해당 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어이며,

해당 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖고,

해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이며,

와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni가 0.02 이상 0.7 이하이며,

해당 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하인, 반도체 장치용 본딩 와이어.

[2] 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가, 하기 <조건>에서 오제 전자 분광법(AES)에 의해 측정되는, [1]에 기재된 본딩 와이어.

<조건> 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하, 측정면의 길이가 측정면의 폭의 5배이다

[3] 피복층이, Cu 이외의 도전성 금속으로서 Pd를 더 함유하는, [1] 또는 [2]에 기재된 본딩 와이어.

[4] 와이어 전체에 대한 Ni, Au, Pd의 합계 농도 C_M(질량％)과 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Ni/C_M이 0.5 이상인, [1] 내지 [3] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[5] 와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서 Ni의 최대 농도가 80원자％ 이상인, [1] 내지 [4] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[6] 와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일이, 와이어의 표면으로부터 Ar 스퍼터링에 의해 깊이 방향으로 파내려 가면서, 하기 <조건>에서 오제 전자 분광법(AES)에 의해 측정하여 얻어지는, [5]에 기재된 본딩 와이어.

[7] 와이어를 사용하여 프리 에어볼(FAB: Free Air Ball)을 형성하였을 때, 해당 FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위를 측정한 결과에 있어서, 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 30％ 이상인, [1] 내지 [6] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[8] 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 50％ 이상인, [7]에 기재된 본딩 와이어.

[9] 피복층의 두께가 18㎚ 이상인, [1] 내지 [8] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[10] B, P 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제1 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하인, [1] 내지 [9] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[11] Se, Te, As 및 Sb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제2 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하인, [1] 내지 [10] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[12] Ga, Ge 및 In으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제3 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제3 첨가 원소의 총계 농도가 0.011질량％ 이상 1.5질량％ 이하인, [1] 내지 [11] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어.

[13] [1] 내지 [12] 중 어느 것에 기재된 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치.

본 발명에 따르면, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 신규의 Cu 본딩 와이어를 제공할 수 있다.

도 1은 AES에 의한 조성 분석을 행할 때의 측정면의 위치 및 치수를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면을 설명하기 위한 개략도이다.

이하, 본 발명을 그 적합한 실시 형태에 입각하여 상세하게 설명한다. 설명 시에 도면을 참조하는 경우도 있지만, 각 도면은, 발명을 이해할 수 있을 정도로, 구성 요소의 형상, 크기 및 배치가 개략적으로 나타내어져 있는 것에 지나지 않는다. 본 발명은, 하기 실시 형태 및 예시물에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허 청구 범위 및 그 균등의 범위를 일탈하지 않는 범위에 있어서 임의로 변경하여 실시될 수 있다.

[반도체 장치용 본딩 와이어]

본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어(이하, 간단히 「본 발명의 와이어」, 「와이어」라고도 함)는,

Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재와,

해당 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 포함하고,

해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이며,

해당 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하인 것을 특징으로 한다.

전술한 대로, 차량 탑재용 디바이스나 파워 디바이스에 사용되는 본딩 와이어는, 가혹한 고온 환경 하에서 양호한 접합 신뢰성을 나타낼 것이 요구된다. 예를 들어, 차량 탑재용 디바이스에 사용되는 본딩 와이어에서는, 150℃를 초과하는 고온 환경 하에서의 접합 신뢰성이 요구되고 있다. 본 발명자들은, 차량 탑재용 디바이스 등에서 요구되는 특성을 근거로 하여 평가를 실시한바, 종래의 Pd 피복층을 갖는 Cu 본딩 와이어에서는, 고온 환경 하에서 갈바니 부식이 발생하여, 2nd 접합부에 있어서의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있음을 알아냈다. 또한, Pd 피복층을 갖고 있지 않은 베어 Cu 본딩 와이어에 관해서는, 갈바니 부식은 발생하지 않지만, FAB 형상이 불량하고, 나아가서는 1st 접합부의 압착 형상이 뒤떨어져, 고밀도 실장에서 요구되는 협피치 접속에 대한 대응이 충분하지 않다. 그것 뿐만 아니라, 고온 환경 하에서는 1st 접합부에 있어서의 접합 신뢰성이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다.

양호한 FAB 형상을 실현함과 함께, 차량 탑재용 디바이스 등에 요구되는 가혹한 고온 환경 하에서도 접합 신뢰성의 악화가 적은 Cu계의 본딩 와이어에 대하여 검토한바, Cu 코어재의 표면을 Ni로 피복한 Ni 피복 Cu 본딩 와이어가 FAB 형상과 고온 환경 하에서의 접합 신뢰성의 점에서 어느 정도 양호한 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 그러나, Ni 피복 Cu 본딩 와이어에 관해서는, 2nd 접합부에 있어서의 접합성(접합 직후 2nd 접합부의 접합성)이 충분히 얻어지지 않는 경우가 있음을 알아냈다. 또한, Ni 피복 Cu 본딩 와이어를 사용하여 본딩을 행하면, 캐필러리 지그의 내부에 와이어 절삭 칩이 축적되어 막힘이 발생하여(이하, 이 현상을 「캐필러리 막힘」이라고도 함), 연속 본딩의 장해가 되는 경우가 있는 것도 알아냈다.

이에 반해, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재와, 해당 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어이며, 해당 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖고, 해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이며, 와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni가 0.02 이상 0.7 이하이며, 와이어 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하인 본딩 와이어에 의하면, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 것을 본 발명자들은 알아냈다. 또한, 이러한 와이어에 의하면, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘의 발생도 억제할 수 있어, 반도체 장치의 생산성을 양호하게 유지하는 것이 가능하다. 이와 같이 본 발명은, 차량 탑재용 디바이스 등에 있어서의 Cu 본딩 와이어의 실용화·그 촉진에 현저하게 기여하는 것이다.

본 발명의 와이어는, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재(이하, 간단히 「Cu 코어재」라고도 함)를 포함한다.

Cu 코어재는, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 한에 있어서 특별히 한정되지는 않고, 반도체 장치용 본딩 와이어로서 알려져 있는 종래의 Pd 피복 Cu 와이어를 구성하는 공지의 Cu 코어재를 사용해도 된다.

본 발명에 있어서, Cu 코어재 중의 Cu의 농도는, 예를 들어 Cu 코어재의 중심(축심부)에 있어서, 97원자％ 이상, 97.5원자％ 이상, 98원자％ 이상, 98.5원자％ 이상, 99원자％ 이상, 99.5원자％ 이상, 99.8원자％ 이상, 99.9원자％ 이상 또는 99.99원자％ 이상 등으로 할 수 있다.

Cu 코어재는, 예를 들어 후술하는 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소에서 선택되는 1종 이상의 도펀트를 함유해도 된다. 이들 도펀트의 적합한 함유량은 후술하는 대로이다.

일 실시 형태에 있어서, Cu 코어재는, Cu와 불가피 불순물로 이루어진다. 다른 일 실시 형태에 있어서, Cu 코어재는, Cu와, 후술하는 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소와, 불가피 불순물로 이루어진다. 또한, Cu 코어재에 대하여 말하는 용어 「불가피 불순물」에는, 후술하는Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 구성하는 원소도 포함된다.

본 발명의 와이어는, Cu 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층(이하, 간단히 「피복층」이라고도 함)을 포함한다. 피복층의 적합한 조성은 후술하지만, 본 발명의 와이어에 있어서, 피복층은, Cu 이외의 도전성 금속의 농도가 50원자％ 이상인 것이 바람직하다.

양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오기 위해, 본 발명의 와이어에 있어서의 피복층은, 이하의 (1) 내지 (4)의 조건을 모두 충족시키는 것이 중요하다.

(1) 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖는다

(2) 해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이다

(3) 와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni가 0.02 이상 0.7 이하가 되도록 Au와 Ni를 함유한다

(4) 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하가 되도록 Au를 함유한다

-조건 (1)-

조건 (1)은, 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 그 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖는 것에 관한 것이다.

조건 (2) 내지 (4)의 조합에 있어서, 조건 (1)을 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 본 발명의 와이어는, 양호한 FAB 형상이나 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오면서, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 우수하다. 또한, 조건 (1)을 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘을 억제할 수 있어, 반도체 장치의 생산성을 양호하게 유지하는 것이 가능하다.

조건 (1)에 있어서, 피복층은, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖는다. 본 발명에 있어서, 피복층에 대하여 말하는 「Ni를 주성분으로 하는 영역」이란, Ni의 농도가 50원자％ 이상인 영역을 의미한다. 후술하는 대로, 피복층은, Cu 이외의 도전성 금속으로서, Ni 이외에, 와이어 표면측에 Au를 포함하고, 또한 Pd 등의 도전성 금속을 포함해도 되지만, 양호한 FAB 형상이나 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 관점에서, 와이어 전체에 대한 Ni, Au, Pd의 합계 농도 C_M(질량％)과 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Ni/C_M이, 바람직하게는 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.6 이상, 더욱 바람직하게는 0.7 이상 또는 0.8 이상이 되도록, 피복층은 Ni를 포함하는 것이 적합하다. 상기 비 C_Ni/C_M의 상한은, 조건 (2) 내지 (4)를 충족시키는 한 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어, 0.995 이하 또는 0.99 이하 등으로 할 수 있다. 이러한 비 C_Ni/C_M은, 후술하는 [원소 함유량의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정한 와이어 전체에 대한 Ni의 농도 C_Ni(질량％)를, 마찬가지로 측정한 Ni, Au, Pd의 합계 농도 C_M(질량％)으로 제산함으로써 산출할 수 있다.

조건 (1)에 대하여, 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖는 것이나, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖는 것은, 와이어의 표면으로부터 Ar 스퍼터링에 의해 깊이 방향(와이어 중심으로의 방향)으로 파내려 가면서, 오제 전자 분광법(AES)에 의해 조성 분석을 행함으로써 확인할 수 있다. 상세하게는, 1) 와이어 표면의 조성 분석을 행한 후, 또한 2) Ar에 의한 스퍼터링과 3) 스퍼터링 후의 표면의 조성 분석을 반복함으로써, 와이어의 표면으로부터 깊이(중심) 방향의 각 원소의 농도 변화(소위, 깊이 방향의 농도 프로파일)를 취득하고, 해당 농도 프로파일로부터 확인할 수 있다. 본 발명에 있어서, 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득함에 있어서, 깊이의 단위는 SiO₂ 환산으로 하였다.

1) 와이어 표면의 조성 분석이나 3) 스퍼터링 후의 표면의 조성 분석을 행함에 있어서, 측정면의 위치 및 치수는, 이하와 같이 결정한다. 또한, 이하에 있어서, 측정면의 폭이란, 와이어 축에 수직인 방향(와이어의 굵기 방향)에 있어서의 측정면의 치수를 말하고, 측정면의 길이란, 와이어 축의 방향(와이어의 길이 방향)에 있어서의 측정면의 치수를 말한다. 도 1을 참조하여 더 설명한다. 도 1은 와이어(1)의 평면에서 본 개략도이며, 와이어 축의 방향(와이어의 길이 방향)이 도 1의 수직 방향(상하 방향)에, 또한, 와이어 축에 수직인 방향(와이어의 굵기 방향)이 도 1의 수평 방향(좌우 방향)에 각각 대응하도록 도시하고 있다. 도 1에는, 와이어(1)와의 관계에 있어서 측정면(2)을 나타내지만, 측정면(2)의 폭은, 와이어 축에 수직인 방향에 있어서의 측정면의 치수 w_a이며, 측정면(2)의 길이는, 와이어 축의 방향에 있어서의 측정면의 치수 l_a이다.

본 발명에 있어서는, 와이어 축에 수직인 방향에 있어서의 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하가 되도록 측정면을 결정한다. 측정면의 길이는, 측정면의 폭의 5배가 되도록 설정한다. 도 1에 있어서, 와이어의 폭은 부호 W로 나타내고, 와이어의 폭의 중심을 일점쇄선 X로 나타내고 있다. 따라서, 측정면(2)은, 그 폭의 중심이 와이어의 폭의 중심인 일점쇄선 X와 일치하도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭 w_a가 와이어 직경(와이어의 폭 W와 동일한 가격)의 5％ 이상 15％ 이하, 즉 0.05W 이상 0.15W 이하가 되도록 결정한다. 또한, 측정면의 길이 l_a는, l_a=5w_a의 관계를 충족시킨다. 측정면의 위치 및 치수를 상기와 같이 결정함으로써, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 가져오는 데 적합한, 피복층에 있어서의 Ni를 주성분으로 하는 영역이나 Au와 Ni를 포함하는 영역의 존재를 고정밀도로 확인할 수 있다.

본 발명에 있어서, 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖는 것은, 후술하는 [오제 전자 분광법(AES)에 의한 피복층의 두께 분석]란에 기재된 조건에서 측정한 결과에 기초하는 것이다.

일 실시 형태에 관한 본 발명의 와이어에 대하여 구해진, 깊이 방향의 농도 프로파일에 대하여, 그 경향을 이하에 설명한다. 와이어의 표면으로부터 일정한 깊이 위치까지는, Au와 Ni를 포함하는 영역이 존재한다. 해당 영역에서는, 와이어의 표면으로부터 깊이 방향으로 Au의 농도가 저하됨과 함께 Ni의 농도가 상승하는 경향이 있다. 또한 깊이 방향으로 진행하면, Ni의 농도가 최댓값이 되고, 이어서 Ni의 농도가 저하됨과 함께 Cu의 농도가 상승하는 경향이 있다. Ni는 어느 깊이 위치(d1)에 있어서 최대 농도를 나타내도 되고, 어느 깊이의 범위(d1 내지 d2)에 걸쳐 최댓값을 나타내도 된다. 이와 같은 농도 프로파일에 있어서, Au나 Ni의 농도의 증감에 주목하여, Au와 Ni를 모두 포함하는 영역이나 Ni를 주성분으로 하는 영역의 존재, 이들 영역의 위치를 구할 수 있다. 또한, 이와 같은 농도 프로파일에 있어서, Au나 Ni의 농도의 증감에 주목하여, 그것들의 농도가 최대가 되는 위치로부터, Au, Ni의 최대 농도를 구할 수 있다. 피복층에 있어서의 Au나 Ni의 최대 농도를 구함에 있어서는, 와이어 축 방향으로 서로 1㎜ 이상 이격한 복수 개소(n≥3)의 측정면에 대하여 농도 프로파일을 취득하고, 그 산술 평균값을 채용하는 것이 적합하다. Ni의 최대 농도의 적합 범위는 후술하지만, Ni의 최대 농도가 50질량％ 이상인 경우에, 상기 「Ni를 주성분으로 하는 영역」이 존재한다고 할 수 있다.

적합한 일 실시 형태에 있어서, 와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서 Au의 최대 농도를 나타내는 위치가 Ni의 최대 농도를 나타내는 위치보다도 와이어의 표면측에 있다.

조건 (2) 내지 (4)와의 조합에 있어서, 고온 환경 하에서의 한층 더 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 실현하는 관점에서, 와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서 Ni의 최대 농도는, 바람직하게는 80원자％ 이상, 보다 바람직하게는 85원자％ 이상, 더욱 바람직하게는 90원자％ 이상, 90원자％ 초과, 92원자％ 이상, 94원자％ 이상 또는 95원자％ 이상이다. 피복층에 있어서의 Ni의 최대 농도의 상한은, 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어 100질량％여도 된다.

-조건 (2)-

조건 (2)는, 피복층의 두께에 관한 것이다.

조건 (1), (3), (4)와의 조합에 있어서, 조건 (2)를 충족하는 피복층을 포함함으로써, 본 발명의 와이어는, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져올 수 있다.

조건 (2)에 대하여, 피복층의 두께(산출 방법은 후술함)는, 양호한 FAB 형상을 실현함과 함께 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 실현하는 관점에서, 10㎚ 이상이며, 바람직하게는 12㎚ 이상, 보다 바람직하게는 14㎚ 이상, 더욱 바람직하게는 15㎚ 이상, 더욱 보다 바람직하게는 16㎚ 이상, 특히 바람직하게는 18㎚ 이상 또는 20㎚ 이상이다. 특히 피복층의 두께가 18㎚ 이상이면, 양호한 FAB 형상을 실현할 수 있는 것에 더하여 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있음과 함께, 1st 접합부의 접합 신뢰성도 한층 더 향상시키기 쉽기 때문에 적합하다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, 피복층의 두께는 18㎚ 이상이다. 또한, 피복층의 두께가 10㎚ 미만이면, FAB 형성 시에 편심이 발생하여 FAB 형상이 악화됨과 함께, 1st 접합부의 압착 형상이 악화되는 경향이 있다. 또한, 피복층의 두께의 상한은, 양호한 FAB 형상을 실현하는 관점에서, 130㎚ 이하이며, 바람직하게는 125㎚ 이하, 120㎚ 이하, 115㎚ 이하, 110㎚ 이하, 105㎚ 이하, 100㎚ 이하, 95㎚ 이하 또는 90㎚ 이하이다. 피복층의 두께가 130㎚ 초과이면, FAB 형성 시에 이형이나 용융 불량이 발생하여 FAB 형상이 악화됨과 함께, 1st 접합부의 압착 형상이 악화되는 경향이 있다.

조건 (2)에 있어서의 피복층의 두께는, 상기 깊이 방향의 농도 프로파일로부터 결정할 수 있다. 처음에, Cu 코어재와 피복층의 경계를, Cu의 농도를 기준으로 판정한다. Cu의 농도가 50원자％인 위치를 경계로 판정하고, Cu의 농도가 50원자％ 이상인 영역을 Cu 코어재, 50원자％ 미만인 영역을 피복층으로 한다. 본 발명에 있어서 Cu 코어재와 피복층의 경계는 반드시 결정립계일 필요는 없다. 그리고, 피복층의 두께는, 와이어 표면으로부터 와이어 중심측을 향하여 농도 프로파일을 확인하고, 와이어 표면 위치로부터, 코어재인 Cu의 농도가 50원자％에 처음으로 도달한 깊이 위치까지의 거리로서 구할 수 있다. 본 발명에 있어서, 깊이 방향의 농도 프로파일로부터 피복층의 두께를 결정함에 있어서, 깊이의 단위는 SiO₂ 환산으로 하였다. 또한, 와이어 축방향으로 서로 1㎜ 이상 이격한 복수 개소(n≥3)의 측정면에 대하여 농도 프로파일을 취득하고, 그 산술 평균값을 채용하는 것이 적합하다.

-조건 (3)-

조건 (3)은, 와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni의 범위에 관한 것이다.

조건 (1), (2), (4)와의 조합에 있어서, 조건 (3)을 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 본 발명의 와이어는, 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오면서, 양호한 FAB 형상과 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 가져올 수 있다. 또한, 조건 (3)을 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘을 억제할 수 있어, 반도체 장치의 생산성을 양호하게 유지하는 것이 가능하다.

조건 (3)에 대하여, 비 C_Au/C_Ni는, 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 실현하는 관점, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘을 억제하는 관점에서, 0.02 이상이며, 바람직하게는 0.04 이상, 보다 바람직하게는 0.05 이상, 0.06 이상, 0.08 이상 또는 0.1 이상이다. 비 C_Au/C_Ni가 0.02 미만이면, 2nd 접합부에 있어서의 접합성이 악화되는 경향이 있고, 또한, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘의 발생 빈도도 높아지는 경향이 있다. 또한, 비 C_Au/C_Ni의 상한은, 양호한 FAB 형상을 가져오는 관점, 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현하는 관점에서, 0.7 이하이며, 바람직하게는 0.65 이하, 보다 바람직하게는 0.6 이하, 0.55 이하, 0.5 이하, 0.48 이하, 0.46 이하 또는 0.45 이하이다. 비 C_Au/C_Ni가 0.7 초과이면, FAB 형성 시에 편심이 발생하여 FAB 형상이 악화됨과 함께, 1st 접합부의 압착 형상이 악화되는 경향이 있다.

조건 (3)에 있어서의 비 C_Au/C_Ni는, 후술하는 [원소 함유량의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정한 와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)를, 마찬가지로 측정한 Ni의 농도 C_Ni(질량％)로 제산함으로써 산출할 수 있다.

-조건 (4)-

조건 (4)는, 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도에 관한 것이다.

조건 (1) 내지 (3)과의 조합에 있어서, 조건 (4)를 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 본 발명의 와이어는, 양호한 FAB 형상과 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 가져올 수 있다. 또한, 조건 (4)를 충족시키는 피복층을 포함함으로써, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘을 억제할 수 있어, 반도체 장치의 생산성을 양호하게 유지하는 것이 가능하다.

조건 (4)에 대하여, 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 실현하는 관점, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘을 억제하는 관점에서, 본 발명의 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도는, 10원자％ 이상이며, 바람직하게는 15원자％ 이상, 보다 바람직하게는 20원자％ 이상, 더욱 바람직하게는 25원자％ 이상, 더욱 보다 바람직하게는 30원자％ 이상, 32원자％ 이상, 34원자％ 이상, 35원자％ 이상, 36원자％ 이상, 38원자％ 이상 또는 40원자％ 이상이다. 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 미만이면, 2nd 접합부에 있어서의 접합성이 악화되는 경향이 있고, 또한, 연속 본딩 시의 캐필러리 막힘의 발생 빈도도 높아지는 경향이 있다. 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도의 상한은, 양호한 FAB 형상을 실현하는 관점, 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현하는 관점에서, 90원자％ 이하이며, 바람직하게는 85원자％ 이하, 보다 바람직하게는 80원자％ 이하, 78원자％ 이하, 76원자％ 이하, 75원자％ 이하, 74원자％ 이하, 72원자％ 이하 또는 70원자％ 이하이다. 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 90원자％ 초과이면, FAB 형성 시에 편심이 발생하여 FAB 형상이 악화됨과 함께, 1st 접합부의 압착 형상이 악화되는 경향이 있다.

조건 (4)에 있어서의 와이어 표면의 Au의 농도는, 와이어 표면을 측정면으로 하여, 오제 전자 분광법(AES)에 의해 와이어 표면의 조성 분석을 행하여 구할 수 있다. 여기서, 표면에 있어서의 Au의 농도를 구함에 있어서, 탄소(C), 황(S), 산소(O), 질소(N) 등 가스 성분, 비금속 원소 등은 고려하지 않는다.

와이어 표면의 조성 분석은, 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득하는 방법에 관련하여 설명한, 1) 와이어 표면의 조성 분석과 마찬가지의 조건에서 실시할 수 있다. 즉, 와이어 표면에 대하여 오제 전자 분광법(AES)에 의해 조성 분석을 행함에 있어서, 측정면의 위치 및 치수는, 이하와 같이 결정한다.

와이어 축에 수직인 방향에 있어서의 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하가 되도록 측정면을 결정한다. 측정면의 길이는, 측정면의 폭의 5배가 되도록 설정한다. 측정면의 위치 및 치수를 상기와 같이 결정함으로써, FAB 형상과 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 개선하는 데 적합한, 와이어 표면에 있어서의 Au의 농도를 고정밀도로 측정할 수 있다. 또한, 와이어 축 방향으로 서로 1㎜ 이상 이격한 복수 개소(n≥3)의 측정면에 대하여 실시하고, 그 산술 평균값을 채용하는 것이 적합하다.

상기 조건 (4)에 있어서의 와이어 표면의 Au의 농도는, 후술하는 [오제 전자 분광법(AES)에 의한 와이어 표면의 조성 분석]란에 기재된 조건에서 측정한 결과에 기초하는 것이다.

피복층은, 예를 들어 후술하는 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소에서 선택되는 1종 이상의 도펀트를 함유해도 된다. 이들 도펀트의 적합한 함유량은 후술하는 대로이다.

피복층은 또한, Cu 이외의 도전성 금속으로서 Pd를 함유해도 된다. 예를 들어, 와이어 전체에 대한 Pd의 농도 C_Pd(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Pd/C_Ni가 0.8 이하, 0.6 이하, 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하, 0.12 이하, 0.11 이하, 0.1 이하, 0.08 이하, 0.06 이하 또는 0.05 이하가 되는 양으로, 피복층은 Pd를 함유해도 된다. 피복층이 Pd를 함유하는 경우, 비 C_Pd/C_Ni의 하한은 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어 0.0001 이상, 0.0005 이상 또는 0.001 이상 등으로 할 수 있다.

일 실시 형태에 있어서, 피복층은, Ni 및 Au와; 불가피 불순물로 이루어진다. 다른 일 실시 형태에 있어서, 피복층은, Ni 및 Au와; Pd, 후술하는 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와; 불가피 불순물로 이루어진다. 또한, 피복층에 대하여 말하는 용어 「불가피 불순물」에는, 전술한 Cu 코어재를 구성하는 원소도 포함된다.

본 발명의 와이어는, B, P 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(「제1 첨가 원소」)를 더 함유해도 된다. 본 발명의 와이어가 제1 첨가 원소를 함유하는 경우, 와이어 전체에 대한 제1 첨가 원소의 총계 농도는 1질량ppm 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 보다 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 가져오는 본딩 와이어를 실현할 수 있다. 와이어 전체에 대한 제1 첨가 원소의 총계 농도는 2질량ppm 이상인 것이 보다 바람직하고, 3질량ppm 이상, 5질량ppm 이상, 8질량ppm 이상, 10질량ppm 이상, 15질량ppm 이상 또는 20질량ppm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 와이어의 경질화를 억제하여 1st 접합 시의 칩 손상을 저감하는 관점에서, 제1 첨가 원소의 총계 농도는 100질량ppm 이하인 것이 바람직하고, 90질량ppm 이하, 80질량ppm 이하, 70질량ppm 이하, 60질량ppm 이하 또는 50질량ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, 제1 첨가 원소를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제1 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하이다.

본 발명의 와이어가 제1 첨가 원소를 함유하는 경우, 제1 첨가 원소는, Cu 코어재 및 피복층 중 어느 한쪽에 함유되어 있어도 되고, 그 양쪽에 함유되어 있어도 된다. 보다 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 가져오는 본딩 와이어를 실현하는 관점에서, 제1 첨가 원소는, Cu 코어재 중에 함유되어 있는 것이 적합하다.

본 발명의 와이어는, Se, Te, As 및 Sb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(「제2 첨가 원소」)를 더 함유해도 된다. 본 발명의 와이어가 제2 첨가 원소를 함유하는 경우, 와이어 전체에 대한 제2 첨가 원소의 총계 농도는 1질량ppm 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 고온 환경 하에서의 1st 접합부의 접합 신뢰성을 개선할 수 있다. 와이어 전체에 대한 제2 첨가 원소의 총계 농도는 2질량ppm 이상인 것이 보다 바람직하고, 3질량ppm 이상, 5질량ppm 이상, 8질량ppm 이상, 10질량ppm 이상, 15 질량ppm 이상 또는 20질량ppm 이상인 것이 더욱 바람직하다. 양호한 FAB 형상을 실현하는 관점, 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현하는 관점에서, 제2 첨가 원소의 총계 농도는 100질량ppm 이하인 것이 바람직하고, 90질량ppm 이하, 80질량ppm 이하, 70질량ppm 이하, 60질량ppm 이하 또는 50질량ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, 제2 첨가 원소를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제2 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하이다.

본 발명의 와이어가 제2 첨가 원소를 함유하는 경우, 제2 첨가 원소는, Cu 코어재 및 피복층 중 어느 한쪽에 함유되어 있어도 되고, 그 양쪽에 함유되어 있어도 된다. 고온 환경 하에서의 1st 접합부의 접합 신뢰성을 보다 한층 더 개선하는 관점에서, 제2 첨가 원소는, 피복층 중에 함유되어 있는 것이 적합하다. 피복층이 제2 첨가 원소를 함유하는 경우, 제2 첨가 원소는, 와이어 표면측에 있는 Au와 Ni를 포함하는 영역에 함유되어 있어도 되고, 코어재측에 있는 Ni를 주성분으로 하는 영역에 함유되어 있어도 된다. 또한 피복층이 Pd를 함유하는 경우, 해당 Pd와 함께 제2 첨가 원소가 함유되어 있어도 된다.

본 발명의 와이어는, Ga, Ge 및 In으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(「제3 첨가 원소」)를 더 함유해도 된다. 본 발명의 와이어가 제3 첨가 원소를 함유하는 경우, 와이어 전체에 대한 제3 첨가 원소의 총계 농도는 0.011질량％ 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 고온 환경 하에서의 1st 접합부의 접합 신뢰성을 한층 더 개선할 수 있다. 와이어 전체에 대한 제3 첨가 원소의 총계 농도는 0.015질량％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.02질량％ 이상, 0.025질량％ 이상, 0.03질량％ 이상, 0.031질량％ 이상, 0.035질량％ 이상, 0.04질량％ 이상, 0.05질량％ 이상, 0.07질량％ 이상, 0.09질량％ 이상, 0.1질량％ 이상, 0.12질량％ 이상, 0.14질량％ 이상, 0.15질량％ 이상 또는 0.2질량％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 양호한 FAB 형상을 실현하는 관점, 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현하는 관점, 양호한 2nd 접합성을 실현하는 관점에서, 제3 첨가 원소의 총계 농도는 1.5질량％ 이하인 것이 바람직하고, 1.4질량％ 이하, 1.3질량％ 이하 또는 1.2질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 와이어는, 제3 첨가 원소를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제3 첨가 원소의 총계 농도가 0.011질량％ 이상 1.5질량％ 이하이다.

본 발명의 와이어가 제3 첨가 원소를 함유하는 경우, 제3 첨가 원소는, Cu 코어재 및 피복층 중 어느 한쪽에 함유되어 있어도 되고, 그 양쪽에 함유되어 있어도 된다.

와이어 중의 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소의 함유량은, 후술하는 [원소 함유량의 측정]에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 발명의 와이어에 있어서, Cu, Ni, Au, Pd의 총계 농도는, 예를 들어 98.5질량％ 이상, 98.6질량％ 이상, 98.7질량％ 이상 또는 98.8질량％ 이상 등으로 할 수 있다.

-그 밖의 적합 조건-

이하, 본 발명의 와이어가 더 충족하는 것이 적합한 조건에 대하여 설명한다.

본 발명의 와이어는, 해당 와이어를 사용하여 FAB를 형성하였을 때, 해당 FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위를 측정한 결과에 있어서, 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 30％ 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있다.

전술한 대로, 본딩 와이어에 의한 접속 프로세스는, 반도체 칩 상의 전극에 1st 접합하고, 다음으로 루프를 형성한 후, 리드 프레임이나 기판 상의 외부 전극에 와이어부를 2nd 접합함으로써 완료된다. 1st 접합은, 와이어 선단을 아크 입열로 가열 용융하고, 표면 장력에 의해 FAB를 형성한 후에, 해당 FAB를 반도체 칩 상의 전극에 압착 접합(볼 접합)한다. 본 발명자들은, FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위를 측정한 결과에 있어서, 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율(이하, 간단히 「FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율」이라고도 함)이 30％ 이상이 되는 와이어가, 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있음을 알아낸 것이다.

보다 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현하는 관점에서, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율이, 보다 바람직하게는 35％ 이상, 더욱 바람직하게는 40％ 이상, 더욱 보다 바람직하게는 45％ 이상, 특히 바람직하게는 50％ 이상, 55％ 이상 또는 60％이 되는 와이어가 적합하다. 특히 FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율이 50％ 이상이 되는 와이어는, 각별히 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있다. 따라서 적합한 일 실시 형태에 있어서, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율은 30％ 이상이며, 보다 적합하게는 50％ 이상이다. FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율의 상한은 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어, 100％여도 되고, 99.5％ 이하, 99％ 이하, 98％ 이하 등이어도 된다.

도 2를 참조하여, FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면에 대하여 설명한다. 도 2에는, 와이어(1)의 선단을 아크 입열로 가열 용융하여, 표면 장력에 의해 FAB(10)를 형성하였을 때의 개략도를 도시한다. 형성한 FAB(10)를 반도체 칩 상의 전극(도시하지 않음)에 압착 접합한다. 도 2에서는, FAB(10)의 압착 접합 방향은 화살표 Z로 나타내어진 방향(도 2에 있어서의 수직 방향(상하 방향))이며, 압착 접합 방향 Z에 수직인 단면은, 해당 방향 Z에 수직인 점선 A-A를 따라서 FAB를 절단하여 노출되는 단면이다. 여기서, 단면 내기를 행할 때의 기준이 되는 점선 A-A는, 노출 단면의 직경이 최대가 되는 위치, 즉 FAB의 직경을 D로 하였을 때 노출 단면의 직경이 D가 되는 위치로 설정한다. 단면 내기 작업에 있어서는 직선 A-A가 목표로부터 어긋나 버려 노출 단면의 직경이 D보다도 작아지는 경우도 있을 수 있지만, 노출 단면의 직경이 0.9D 이상이면, 그 어긋남이 결정 방위의 비율에 미치는 영향은 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에, 허용할 수 있는 것으로 한다.

FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위는, 후방 산란 전자선 회절(EBSD: Electron Backscattered Diffraction)법을 사용하여 측정할 수 있다. EBSD법에 사용하는 장치는, 주사형 전자 현미경과 그것에 비치한 검출기에 의해 구성된다. EBSD법은, 시료에 전자선을 조사하였을 때 발생하는 반사 전자의 회절 패턴을 검출기 상에 투영하고, 그 회절 패턴을 해석함으로써, 각 측정점의 결정 방위를 결정하는 방법이다. EBSD법에 의해 얻어진 데이터의 해석에는 전용 소프트웨어(가부시키가이샤 TSL 솔루션즈제 OIM analysis 등)를 사용할 수 있다. FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면을 검사면으로 하고, 장치에 부속되어 있는 해석 소프트웨어를 이용함으로써, 특정의 결정 방위의 비율을 산출할 수 있다.

본 발명에 있어서, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율은, 측정 면적에 대한 <100> 결정 방위의 면적을 백분율로 나타낸 것으로 정의한다. 해당 비율의 산출에 있어서는, 측정면 내에서, 어느 신뢰도를 기준으로 동정한 결정 방위만을 채용하고, 결정 방위를 측정할 수 없는 부위, 혹은 측정할 수 있어도 방위 해석의 신뢰도가 낮은 부위 등은 측정 면적 및 <100> 결정 방위의 면적으로부터 제외하여 계산하였다. 여기서 제외되는 데이터가 예를 들어 전체의 2할을 초과하는 경우에는, 측정 대상에 약간의 오염이 있었을 가능성이 높기 때문에, 단면 내기부터 다시 실시해야 한다. 또한, 본 발명에 있어서, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율은, 3개 이상의 FAB에 대하여 측정하여 얻어진 비율의 각 값의 산술 평균으로 하였다.

FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율이 30％ 이상이 되는 와이어가 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있는 이유에 대하여, 본 발명자들은 이하와 같이 추찰하고 있다.

금속은, 특정의 결정면, 결정 방향으로 미끄러짐으로써(그 면, 그 방향을 「미끄럼면」, 「미끄럼 방향」이라고도 함), 변형되는 것이 알려져 있다. 본 발명의 와이어를 사용하여 형성되는 FAB는, 주로 코어재인 Cu 또는 Cu 합금으로 구성되고, 그 결정 구조는 면심 입방 구조이다. 이와 같은 결정 구조를 취하는 경우, 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위가 <100>이면, 압착면에 대하여 45도의 방향으로 금속의 미끄럼이 발생하여 변형되기 때문에, FAB는 압착면에 대해서는 45도 방향으로, 압착면과 평행인 평면에 대해서는 방사상으로 확대되면서 변형된다. 그 결과, 압착 형상은 보다 진원에 가까워지는 것으로 추찰하고 있다.

본 발명에 있어서, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율은, 피복층의 두께나 피복층 중의 Ni 농도, 코어재의 Cu 순도를 조정함으로써, 소기의 범위가 되는 경향이 있다. 예를 들어, 피복층의 두께가 FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율에 영향을 주는 이유에 대하여, 본 발명자들은 다음과 같이 추찰하고 있다. 즉, 용융의 단계에서 피복층의 Ni가 FAB 중심측을 향하여 적절하게 확산 혼합되고, 그 적절하게 확산 혼합된 Ni를 고용하여 함유하는 Cu 또는 Cu 합금이, 압착 접합 방향에 대하여 <100> 결정 방위가 배향되는 것으로 생각된다. 그리고, 피복층의 두께가 소정의 범위에 있으면 용융 시의 Ni의 확산 혼합이 적절해져 압착 접합 방향에 대하여 <100> 결정 방위가 배향되기 쉽고, 한편, 피복층의 두께가 너무 얇으면 배향성이 없는 랜덤한 결정 방위가 되기 쉽고, 피복층의 두께가 너무 두꺼우면 다른 결정 방위가 우선적으로 되기 쉬운 것으로 추찰하고 있다.

본 발명의 와이어의 직경은, 특별히 한정되지는 않고 구체적인 목적에 따라서 적절히 결정해도 되지만, 바람직하게는 15㎛ 이상, 18㎛ 이상 또는 20㎛ 이상 등으로 할 수 있다. 해당 직경의 상한은, 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어 80㎛ 이하, 70㎛ 이하 또는 50㎛ 이하 등으로 할 수 있다.

<와이어의 제조 방법>

본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.

먼저, 고순도(4N 내지 6N; 99.99 내지 99.9999질량％ 이상)의 원료 구리를 연속 주조에 의해 대경(직경 약 3 내지 6㎜)으로 가공하여, 잉곳을 얻는다.

상술한 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소 등의 도펀트를 첨가하는 경우, 그 첨가 방법으로서는, 예를 들어, Cu 코어재 중에 함유시키는 방법, 피복층 중에 함유시키는 방법, Cu 코어재의 표면에 피착시키는 방법, 및, 피복층의 표면에 피착시키는 방법을 들 수 있고, 이들 방법을 복수 조합해도 된다. 어느 첨가 방법을 채용해도, 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 도펀트를 Cu 코어재 중에 함유시키는 방법에서는, 도펀트를 필요한 농도 함유한 구리 합금을 원료로서 사용하여, Cu 코어재를 제조하면 된다. 원재료인 Cu에 도펀트를 첨가하여 이러한 구리 합금을 얻는 경우, Cu에, 고순도의 도펀트 성분을 직접 첨가해도 되고, 도펀트 성분을 1％ 정도 함유하는 모합금을 이용해도 된다. 도펀트를 피복층 중에 함유시키는 방법에서는, 피복층을 형성할 때의 Ni, Au, Pd 도금욕(습식 도금의 경우)이나 타깃재(건식 도금의 경우) 중에 도펀트를 함유시키면 된다. Cu 코어재의 표면에 피착시키는 방법이나 피복층의 표면에 피착시키는 방법에서는, Cu 코어재의 표면 혹은 피복층의 표면을 피착면으로 하여, (1) 수용액의 도포⇒건조⇒열처리, (2) 도금법(습식), (3) 증착법(건식)에서 선택되는 1 이상의 피착 처리를 실시하면 된다.

대경의 잉곳을 단조, 압연, 신선을 행하여 직경 약 0.7 내지 2.0㎜의 Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 와이어(이하, 「중간 와이어」라고도 함)를 제작한다.

Cu 코어재의 표면에 피복층을 형성하는 방법으로서는, 전해 도금, 무전해 도금, 증착법 등을 이용할 수 있지만, 막 두께를 안정적으로 제어할 수 있는 전해 도금을 이용하는 것이 공업적으로는 바람직하다. 예를 들어, 중간 와이어 표면에 피복층을 형성해도 된다. 피복층은 또한, 대경의 잉곳의 단계에서 피착하는 것으로 해도 되고, 혹은, 중간 와이어를 신선하여 더 세선화한 후(예를 들어 최종적인 Cu 코어재의 직경까지 신선한 후)에, 해당 Cu 코어재 표면에 피복층을 형성해도 된다. Pd를 함유하는 피복층을 형성하는 경우, 소기의 피복층의 구성에 따라서, Ni 도금액, Pd 도금액, Ni와 Pd를 소정 비율로 포함하는 도금액을 사용하거나 하여, 피복층을 형성하면 된다. 예를 들어, Ni 도금액을 사용하여 Ni층을 마련한 후, Pd 도금액이나 Ni와 Pd를 소정 비율로 포함하는 도금액을 사용하여 Pd층이나 PdNi 합금층을 마련하여 피복층을 형성해도 된다. Cu 코어재와의 밀착성이 우수한 피복층을 형성하는 관점에서, Cu 코어재의 표면에, 도전성 금속의 스트라이크 도금을 실시한 후에, 소정의 피복층을 형성해도 된다.

피복층이 와이어 표면측에 갖는 Au와 Ni를 포함하는 영역은, 상술한 것과 마찬가지의 방법에 의해, 피복층의 표면측에 Au층을 마련함으로써 형성할 수 있다.

신선 가공은, 다이아몬드 코팅된 다이스를 복수개 세트할 수 있는 연속 신선 장치를 사용하여 실시할 수 있다. 필요에 따라서, 신선 가공의 도중 단계에서 열처리를 실시해도 된다. 열처리에 의해 와이어 표면의 Au층과 하층의 Ni층(마련하는 경우에는 Pd층이나 PdNi 합금층) 사이에서 구성 원소를 서로 확산시켜, 피복층의 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 형성할 수 있다. 그 방법으로서는 일정한 노 내 온도에서 전기로 중, 와이어를 일정한 속도 하에서 연속적으로 소인함으로써 합금화를 촉구하는 방법이, 확실하게 와이어 표면에 있어서의 Au 농도를 소기의 범위로 제어할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 피복층 상에 Au층을 추가로 마련한 후에 열처리에 의해 Au와 Ni를 함유하는 영역을 형성하는 방법 대신에, 처음부터 Au와 Ni를 함유하는 합금 영역을 피착하는 방법을 채용해도 된다.

본 발명의 와이어는, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 양호한 2nd 접합부에 있어서의 접합성을 가져올 수 있고, 나아가 고온 환경 하에서의 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져올 수 있다. 따라서 본 발명의 본딩 와이어는, 특히 차량 탑재용 디바이스나 파워 디바이스용의 본딩 와이어로서 적합하게 사용할 수 있다.

[반도체 장치의 제조 방법]

본 발명의 반도체 장치용 본딩 와이어를 사용하여, 반도체 칩 상의 전극과, 리드 프레임이나 회로 기판 상의 전극을 접속함으로써, 반도체 장치를 제조할 수 있다.

일 실시 형태에 있어서, 본 발명의 반도체 장치는, 회로 기판, 반도체 칩, 및 회로 기판과 반도체 칩을 도통시키기 위한 본딩 와이어를 포함하고, 해당 본딩 와이어가 본 발명의 와이어인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반도체 장치에 있어서, 회로 기판 및 반도체 칩은 특별히 한정되지는 않고, 반도체 장치를 구성하기 위해 사용할 수 있는 공지의 회로 기판 및 반도체 칩을 사용해도 된다. 혹은 또한, 회로 기판 대신에 리드 프레임을 사용해도 된다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2020-150116호 공보에 기재되는 반도체 장치와 같이, 리드 프레임과, 해당 리드 프레임에 실장된 반도체 칩을 포함하는 반도체 장치의 구성으로 해도 된다.

반도체 장치로서는, 전기 제품(예를 들어, 컴퓨터, 휴대 전화, 디지털 카메라, 텔레비전, 에어컨, 태양광 발전 시스템 등) 및 탈것(예를 들어, 자동 이륜차, 자동차, 전철, 선박 및 항공기 등) 등에 제공되는 각종 반도체 장치를 들 수 있다.

실시예

이하, 본 발명에 대하여, 실시예를 나타내어 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은, 이하에 나타내는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(샘플)

먼저 샘플의 제작 방법에 대하여 설명한다. Cu 코어재의 원재료가 되는 Cu는, 순도가 99.99질량％ 이상(4N)이며 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것을 사용하였다. 또한, 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소를 첨가하는 경우, 이들은 순도가 99질량％ 이상이며 잔부가 불가피 불순물로 구성되는 것, 혹은 Cu에 이들 첨가 원소가 고농도로 배합된 모합금을 사용하였다.

코어재의 Cu 합금은, 먼저, 흑연 도가니에 원료를 장전하고, 고주파로를 사용하여, N₂ 가스나 Ar 가스 등의 불활성 분위기에서 1090 내지 1500℃까지 가열하여 용해한 후, 연속 주조에 의해 직경 약 3 내지 6㎜의 잉곳을 제조하였다. 다음으로, 얻어진 잉곳에 대하여, 인발 가공을 행하여 직경 약 0.7 내지 2.0㎜의 중간 와이어를 제작하고, 또한 다이스를 사용하여 연속적으로 신선 가공 등을 행함으로써, 피복하는 선 직경까지 와이어를 세경화하였다. 신선 가공에서는, 시판되고 있는 윤활액을 사용하고, 신선 속도는 20 내지 150m/분으로 하였다. 피복층의 형성은, 와이어 표면의 산화막을 제거하기 위해, 염산 또는 황산에 의한 산세 처리를 행한 후, 코어재의 Cu 합금의 표면 전체를 덮도록 Ni층을 형성하고, 그 표면에 Au층을 마련하였다. 또한, 일부의 실시예에 있어서는, Ni층을 형성한 후, Pd층을 마련하고, 이어서 Au층을 마련하였다. Ni층, Au층, Pd층의 형성에는 전해 도금법을 사용하였다. Ni 도금액, Au 도금액, Pd 도금액은 시판되고 있는 도금액을 준비하고, 적절히 조제하여 사용하였다.

그 후, 또한 신선 가공 등을 행하여, 최종 선 직경인 φ20㎛까지 가공하였다. 필요에 따라서, 신선 가공의 도중에 있어서, 300 내지 700℃, 2 내지 15초간의 중간 열처리를 1 내지 2회 행하였다. 중간 열처리를 행하는 경우, 와이어를 연속적으로 소인하고, N₂ 가스 혹은 Ar 가스를 흘리면서 행하였다. 최종 선 직경까지 가공 후, 와이어를 연속적으로 소인하고, N₂ 가스 혹은 Ar 가스를 흘리면서 조질 열처리를 행하였다. 조질 열처리의 열처리 온도는 200 내지 600℃로 하고, 와이어의 이송 속도는 20 내지 200m/분, 열처리 시간은 0.2 내지 1.0초로 하였다. 피복층이 얇은 경우나 Au 농도가 낮은 경우에는 열처리 온도를 낮추고, 와이어의 이송 속도를 빠르게 설정하고, 반대의 경우에는 열처리 온도를 높이고, 와이어의 이송 속도를 느리게 설정하였다.

(시험·평가 방법)

이하, 시험·평가 방법에 대하여 설명한다.

[오제 전자 분광법(AES)에 의한 와이어 표면의 조성 분석]

와이어 표면에 있어서의 Au의 농도는, 와이어 표면을 측정면으로 하여, 이하와 같이 오제 전자 분광법(AES)에 의해 측정하여 구하였다.

먼저 측정에 제공하는 본딩 와이어를 시료 홀더에 직선상으로 고정하였다. 이어서, 와이어 축에 수직인 방향에 있어서의 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하가 되도록 측정면을 결정하였다. 측정면의 길이는 측정면의 폭의 5배로 하였다. 그리고, AES 장치(알박·파이제 PHI-700)를 사용하여, 가속 전압 10kV의 조건에서 와이어 표면의 조성 분석을 행하여, 표면 Au 농도(원자％)를 구하였다.

또한, AES에 의한 조성 분석은, 와이어 축 방향으로 서로 1㎜ 이상 이격한 3개소의 측정면에 대하여 실시하고, 그 산술 평균값을 채용하였다. 표면에 있어서의 Au의 농도를 구함에 있어서, 탄소(C), 황(S), 산소(O), 질소(N) 등 가스 성분, 비금속 원소 등은 고려하지 않았다.

[오제 전자 분광법(AES)에 의한 피복층의 두께 분석]

피복층의 두께 분석에는 AES에 의한 깊이 분석을 사용하였다. AES에 의한 깊이 분석이란 조성 분석과 스퍼터링을 교대로 행함으로써 깊이 방향의 조성의 변화를 분석하는 것이며, 와이어 표면으로부터 깊이(중심) 방향의 각 원소의 농도 변화(소위, 깊이 방향의 농도 프로파일)를 얻을 수 있다.

구체적으로는, AES에 의해, 1) 와이어 표면의 조성 분석을 행한 후, 또한 2) Ar에 의한 스퍼터링과 3) 스퍼터링 후의 표면의 조성 분석을 반복함으로써 깊이 방향의 농도 프로파일을 취득하였다. 2)의 스퍼터링은 Ar⁺ 이온, 가속 전압 2kV에서 행하였다. 또한, 1), 3)의 표면의 조성 분석에 있어서, 측정면의 치수나 AES에 의한 조성 분석의 조건은, 상기 [오제 전자 분광법(AES)에 의한 와이어 표면의 조성 분석]란에서 설명한 것과 동일하게 하였다.

또한, 깊이 방향의 농도 프로파일의 취득은, 와이어 축 방향으로 서로 1㎜ 이상 이격한 3개소의 측정면에 대하여 실시하였다.

-피복층의 두께-

취득한 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서, 와이어 표면으로부터 와이어 중심측을 향하여 농도 프로파일을 확인하고, 와이어 표면 위치로부터, 코어재인 Cu의 농도가 50원자％에 처음으로 도달한 깊이 위치까지의 거리를, 측정된 피복층의 두께로서 구하였다. 3개소의 측정면에 대하여 취득한 수치의 산술 평균값을 피복층의 두께로서 채용하였다.

또한, AES 분석에서 측정되는 깊이는, 스퍼터링 속도와 시간의 곱으로서 구해진다. 일반적으로 스퍼터링 속도는 표준 시료인 SiO₂를 사용하여 측정되기 때문에, AES로 분석된 깊이는 SiO₂ 환산값이 된다. 즉 피복층의 두께 단위에는 SiO₂ 환산값을 사용하였다.

-피복층에 있어서의 Ni 등의 최대 농도-

취득한 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서, Ni의 농도의 증감에 주목하여, Ni의 농도가 최대가 되는 위치로부터, 그것들의 최대 농도를 구하였다. 3개소의 측정면에 대하여 취득한 수치의 산술 평균값을 Ni의 최대 농도로서 채용하였다.

또한, 실시예의 와이어에 관하여, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖는 것, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖는 것, Ni의 최대 농도가 80원자％ 이상인 것, 또한, Au의 최대 농도를 나타내는 위치가 Ni의 최대 농도를 나타내는 위치보다도 표면측에 있는 것을 확인하였다. 피복층이 Pd를 포함하는 영역을 갖는 실시예의 와이어에 관해서는, Pd의 최대 농도를 나타내는 위치가 Ni의 최대 농도를 나타내는 위치보다도 표면측에 있는 것, 또한, Pd의 최대 농도를 나타내는 위치가 Au의 최대 농도를 나타내는 위치와 Ni의 최대 농도를 나타내는 위치 사이에 있는 것을 확인하였다.

[원소 함유량의 측정]

와이어 중의 Au, Ni, Pd, 제1 첨가 원소, 제2 첨가 원소, 제3 첨가 원소의 함유량은, 본딩 와이어를 강산으로 용해한 액을 ICP 발광 분광 분석 장치, ICP 질량 분석 장치를 사용하여 분석하고, 와이어 전체에 포함되는 원소의 농도로서 검출하였다. 분석 장치로서, ICP-OES((주) 히타치 하이테크 사이언스제 「PS3520UVDDII」) 또는 ICP-MS(애질런트·테크놀로지스(주)제 「Agilent 7700x ICP-MS」)를 사용하였다. 또한, Ni, Au, Pd의 합계 농도 C_M(질량％)은, Ni, Au, Pd의 각 농도를 합계함으로써 산출하였다.

[FAB 형상]

FAB 형상의 평가는, 리드 프레임에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 FAB를 제작하고, 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다(평가수 N=100). 또한, FAB는 전류값 30 내지 75mA, EFO의 갭을 762㎛, 테일의 길이를 254㎛로 설정하고, N₂+5％ H₂ 가스를 유량 0.4 내지 0.6L/분으로 흘리면서 형성하고, 그 직경은 와이어 선 직경에 대하여 1.5 내지 1.9배의 범위로 하였다. FAB 형상의 판정은, 진구상의 것을 양호로 판정하고, 편심, 이형, 용융 불량이 있으면 불량으로 판정하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

○: 불량 5개소 이하

△: 불량 6 내지 10개소(실용상 문제없음)

×: 불량 11개소 이상

[FAB의 단면에 있어서의 결정 방위의 측정]

시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여, 상기 [FAB 형상]란에 기재된 조건에서 FAB를 형성하고, FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면을 측정면으로 하여 결정 방위를 측정하였다. 본 발명에 있어서, FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면이란, 도 2에 도시한 점선 A-A를 따라서 FAB를 절단하여 노출되는 단면을 의미하고, 기준이 되는 점선 A-A는, 노출 단면의 직경이 최대가 되는 위치로 설정하였다. 측정에는, EBSD법을 사용하고, 장치에 부속되어 있는 해석 소프트웨어를 이용함으로써, 전술한 수순으로 <100> 결정 방위의 비율을 산출하였다. 3개의 FAB에 대하여 측정하고, 얻어진 비율의 각 값을 산술 평균하여, FAB의 단면에 있어서의 <100> 결정 방위의 비율로 하였다.

[2nd 접합부의 접합성]

2nd 접합부의 접합성은, 2nd 접합 윈도우 시험에 의해 평가하였다. 2nd 접합 윈도우 시험은, 횡축에 2nd 접합 시의 초음파 전류를 30mA로부터 80mA까지 10mA마다 6단계 마련하고, 종축에 2nd 접합 시의 하중을 20gf로부터 70gf까지 10gf마다 6단계 마련하여, 전체 36의 2nd 접합 조건에 대해 접합 가능한 조건의 수를 구하는 시험이다.

본 시험은, 실시예 및 비교예의 각 와이어에 대하여, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여, 리드 프레임의 리드 부분에, 각 조건에 대하여 200개씩 본딩을 행하였다. 리드 프레임에는, Ag 도금을 실시한 리드 프레임을 사용하고, 스테이지 온도 200℃, N₂+5％ H₂ 가스 0.5L/분 유통 하에 본딩을 행하였다. 그리고, 불착이나 본더의 정지의 문제없이 연속 본딩할 수 있었던 조건의 수를 구하고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

◎: 33 조건 이상

○: 30 내지 32 조건

△: 26 내지 29 조건

×: 25 조건 이하

[1st 접합부의 접합 신뢰성]

1st 접합부의 접합 신뢰성은, 고온 방치 시험(HTSL: High Temperature Storage Life Test)에 의해 평가하였다.

일반적인 금속 프레임 상의 Si 기판에 두께 1.5㎛의 Al-1.0질량％ Si-0.5질량％ Cu의 합금을 성막하여 마련한 전극에, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 볼 접합한 샘플을, 시판되고 있는 열경화성 에폭시 수지에 의해 밀봉하여, 1st 접합부의 접합 신뢰성 시험용의 샘플을 제작하였다. 볼은 상기 [FAB 형상]란에 기재된 조건에서 형성하였다. 제작한 접합 신뢰성 평가용의 샘플을, 고온 항온기를 사용하여, 온도 175℃의 환경에 폭로하였다. 1st 접합부의 접합 수명은, 500시간마다 볼 접합부의 전단 시험을 실시하고, 전단 강도의 값이 초기에 얻어진 전단 강도의 1/2가 되는 시간으로 하였다. 전단 강도의 값은 무작위로 선택한 볼 접합부의 50개소의 측정값의 산술 평균값을 사용하였다. 고온 방치 시험 후의 전단 시험은, 산 처리에 의해 수지를 제거하여, 볼 접합부를 노출시키고 나서 행하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

◎: 접합 수명 2000시간 이상

○: 접합 수명 1000시간 이상 2000시간 미만

×: 접합 수명 1000시간 미만

[압착 형상]

1st 접합부의 압착 형상(볼의 찌부러짐 형상)의 평가는, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여, 상기 [FAB 형상]란에 기재된 조건에서 볼을 형성하고, 그것을 Si 기판에 두께 1.5㎛의 Al-1.0질량％ Si-0.5질량％ Cu의 합금을 성막하여 마련한 전극에 압착 접합하고, 바로 위로부터 광학 현미경으로 관찰하였다(평가수 N=100). 볼의 찌부러짐 형상의 판정은, 찌부러짐 형상이 진원에 가까운 경우에 양호로 판정하고, 타원형이나 꽃잎상의 형상이면 불량으로 판정하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

◎: 불량 없음

○: 불량 1 내지 3개소

△: 불량 4 또는 5개소

×: 불량 6개소 이상

[캐필러리 수명]

시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여 연속 본딩을 실시하고, 캐필러리 막힘이 발생하여 본딩 불능이 될 때까지의 본딩수를 카운트하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

○: 100만회 이상

×: 100만회 미만

[칩 손상]

칩 손상의 평가는, 시판되고 있는 와이어 본더를 사용하여, 상기 [FAB 형상]란에 기재된 조건에서 볼을 형성하고, 그것을 Si 기판에 두께 1.5㎛의 Al-1.0질량％ Si-0.5질량％ Cu의 합금을 성막하여 마련한 전극에 압착 접합한 후, 와이어 및 전극을 약액으로 용해하여 Si 기판을 노출하고, 접합부 바로 아래의 Si 기판을 광학 현미경으로 관찰함으로써 행하였다(평가수 N=50). 그리고, 이하의 기준에 따라서, 평가하였다.

평가 기준:

○: 크랙 및 본딩의 흔적 없음

△: 크랙은 없지만 본딩의 흔적이 확인되는 개소 있음(3개소 이하)

×: 그것 이외

실시예 및 비교예의 평가 결과를 표 2 내지 4에 나타낸다.

실시예 No.1 내지 54의 와이어는 모두, 본건 특정의 조건 (1) 내지 (4)를 모두 충족시키는 피복층을 구비하고 있어, 양호한 FAB 형상을 가져옴과 함께, 2nd 접합부에 있어서의 접합성도 양호하고, 나아가 고온 환경 하에서 양호한 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 것을 확인하였다.

더하여, 제1 첨가 원소를 총계로 1질량ppm 이상 함유하는 실시예 No.13 내지 18, 27 내지 30, 41 내지 43, 47 내지 49의 와이어는, 한층 더 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 가져오는 것을 확인하였다. 제2 첨가 원소를 총계로 1질량ppm 이상 함유하는 실시예 No.19 내지 30, 44 내지 49의 와이어는, 한층 더 양호한 고온 환경 하에서의 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 것을 확인하였다. 제3 첨가 원소를 총계로 0.011질량％ 이상 함유하는 실시예 No.33 내지 49의 와이어는, 한층 더 양호한 고온 환경 하에서의 1st 접합부의 접합 신뢰성을 가져오는 것을 확인하였다.

한편, 비교예 No.1 내지 7의 와이어는, 본건 특정의 조건 (1) 내지 (4) 중 적어도 하나를 충족시키지 않는 피복층을 구비하고 있어, FAB 형상, 2nd 접합부에 있어서의 접합성, 1st 접합부의 접합 신뢰성 중 어느 1개 이상이 불량인 것을 확인하였다.

와이어를 사용하여 FAB를 형성하였을 때, 해당 FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위를 측정한 결과에 있어서, 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 30％ 이상이면, 양호한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있음을 확인하였다(실시예 No.55 내지 65). 특히 해당 <100> 결정 방위의 비율이 50％ 이상이면, 각별히 우수한 1st 접합부의 압착 형상을 실현할 수 있음을 확인하였다(실시예 No.56, 57, 63, 64).

Claims

Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 코어재와, 해당 코어재의 표면에 형성된 Cu 이외의 도전성 금속을 함유하는 피복층을 포함하는 반도체 장치용 본딩 와이어이며,
해당 피복층이, 피복층의 두께 방향에 있어서, 코어재측에 Ni를 주성분으로 하는 영역을 갖고, 또한, 와이어 표면측에 Au와 Ni를 포함하는 영역을 갖고,
해당 피복층의 두께가 10㎚ 이상 130㎚ 이하이며,
와이어 전체에 대한 Au의 농도 C_Au(질량％)와 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Au/C_Ni가 0.02 이상 0.7 이하이며,
해당 와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가 10원자％ 이상 90원자％ 이하인, 반도체 장치용 본딩 와이어.
제1항에 있어서,
와이어의 표면에 있어서의 Au의 농도가, 하기 <조건>에서 오제 전자 분광법(AES)에 의해 측정되는, 본딩 와이어.
<조건> 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하, 측정면의 길이가 측정면의 폭의 5배이다
제1항 또는 제2항에 있어서,
피복층이, Cu 이외의 도전성 금속으로서 Pd를 더 함유하는, 본딩 와이어.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어 전체에 대한 Ni, Au, Pd의 합계 농도 C_M(질량％)과 Ni의 농도 C_Ni(질량％)의 비 C_Ni/C_M이 0.5 이상인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일에 있어서 Ni의 최대 농도가 80원자％ 이상인, 본딩 와이어.
제5항에 있어서,
와이어의 깊이 방향의 농도 프로파일이, 와이어의 표면으로부터 Ar 스퍼터링에 의해 깊이 방향으로 파내려 가면서, 하기 <조건>에서 오제 전자 분광법(AES)에 의해 측정하여 얻어지는, 본딩 와이어.
<조건> 와이어의 폭의 중심이 측정면의 폭의 중심이 되도록 위치 결정하고, 또한, 측정면의 폭이 와이어 직경의 5％ 이상 15％ 이하, 측정면의 길이가 측정면의 폭의 5배이다
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어를 사용하여 프리 에어볼(FAB: Free Air Ball)을 형성하였을 때, 해당 FAB의 압착 접합 방향에 수직인 단면의 결정 방위를 측정한 결과에 있어서, 압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 30％ 이상인, 본딩 와이어.
제7항에 있어서,
압착 접합 방향에 대하여 각도차가 15도 이하인 <100> 결정 방위의 비율이 50％ 이상인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
피복층의 두께가 18㎚ 이상인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
B, P 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제1 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제1 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항 있어서,
Se, Te, As 및 Sb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제2 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제2 첨가 원소의 총계 농도가 1질량ppm 이상 100질량ppm 이하인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
Ga, Ge 및 In으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소(이하, 「제3 첨가 원소」라 함)를 포함하고, 와이어 전체에 대한 제3 첨가 원소의 총계 농도가 0.011질량％ 이상 1.5질량％ 이하인, 본딩 와이어.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 본딩 와이어를 포함하는 반도체 장치.