WO2013015154A1 - ボンディングワイヤ用銅素線及びボンディングワイヤ用銅素線の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the special grain boundary is a crystallographically defined ⁇ value based on CSL theory (Kronberg et al: Trans.Met.Soc.AIME, 185,501 (1949)) satisfying 3 ⁇ ⁇ ⁇ 29.
- Corresponding grain boundaries, and the inherent corresponding site lattice orientation defects Dq at the corresponding grain boundaries are Dq ⁇ 15 ° / ⁇ 1/2 (DG Brandon: Acta. Metallurgica. Vol. 14, p. 1479). , (1966)).
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Abstract
このボンディングワイヤ用銅素線は、線径180μm以下のボンディングワイヤを形成するための銅素線である。銅素線の素線径が0.15mm以上3.0mm以下である。銅素線は、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有する。銅素線において、EBSD法にて測定された全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である。
Description
本発明は、線径180μm以下のボンディングワイヤを製出する際に使用されるボンディングワイヤ用銅素線及びボンディングワイヤ用銅素線の製造方法に関する。
本願は、2011年7月22日に日本に出願された特願2011-161036号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2011年7月22日に日本に出願された特願2011-161036号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
一般に、半導体素子を搭載した半導体装置においては、半導体素子とリードとを、上述のボンディングワイヤによって接続している。従来、ボンディングワイヤとしては、伸線性及び導電性等の観点から主にAu線が使用されている。しかしながら、Auは高価であることから、このAu線を代用するボンディングワイヤとして、Cu製のボンディングワイヤが提供されている。
ここで、Cuは、Auに比べて硬いため、ボンディング時にワイヤ先端に形成されたボールが、例えばSi半導体素子の表面に形成されたAl配線被膜を破壊してしまうおそれがあった。また、Cuは、Auに比べて伸びが低いため、適正なワイヤループ形状を維持することできないといった問題があった。
そこで、例えば、特許文献1,2には、純度が99.9999質量%以上の超高純度銅(6NCu)を用いたCu製のボンディングワイヤが提案されている。また、特許文献3には、Ti,Zr,Hf,V,Cr及びBを微量添加したCu製のボンディングワイヤが提案されている。
そこで、例えば、特許文献1,2には、純度が99.9999質量%以上の超高純度銅(6NCu)を用いたCu製のボンディングワイヤが提案されている。また、特許文献3には、Ti,Zr,Hf,V,Cr及びBを微量添加したCu製のボンディングワイヤが提案されている。
ところで、特許文献1,2に記載されているように、純度が99.9999質量%以上の超高純度銅(6NCu)を用いる場合においては、超高純度銅(6NCu)を得るために精錬処理工程が必要となる。このため、製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
また、特許文献3に記載されたボンディングワイヤにおいては、Auに比べると未だ硬く、かつ伸びも低い。このため、Au線の代用としては特性が不十分であった。
さらに、近年では、Cu線からなるボンディングワイヤの細線化が求められており、ボンディングワイヤ用銅素線には、断線することのない加工性も求められている。
また、特許文献3に記載されたボンディングワイヤにおいては、Auに比べると未だ硬く、かつ伸びも低い。このため、Au線の代用としては特性が不十分であった。
さらに、近年では、Cu線からなるボンディングワイヤの細線化が求められており、ボンディングワイヤ用銅素線には、断線することのない加工性も求められている。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、硬さが低く、かつ伸びが高く、さらに加工性に優れたボンディングワイヤ用銅素線及びボンディングワイヤ用銅素線の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るボンディングワイヤ用銅素線は、線径180μm以下のボンディングワイヤを形成するための銅素線であって、素線径が0.15mm以上3.0mm以下であり、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有し、EBSD法にて測定された全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である。
このボンディングワイヤ用銅素線においては、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有する。このため、銅中に含まれるSが上述の元素と反応して化合物を形成することになる。これにより、Sの影響が小さくなり、再結晶温度を低くすることができ、かつ硬さを低くすることができる。
また、EBSD法にて測定された全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である。このため、硬さを低く維持したまま、伸び及び加工性を向上させることが可能となる。
また、EBSD法にて測定された全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である。このため、硬さを低く維持したまま、伸び及び加工性を向上させることが可能となる。
なお、電界放出型走査電子顕微鏡を用いたEBSD測定装置によって、結晶粒界、特殊粒界を特定し、全ての結晶粒界の長さL及び特殊粒界の長さLσを算出する。これら長さより、本態様における特殊粒界比率(Lσ/L)が得られる。
結晶粒界は、二次元断面観察の結果、隣り合う2つの結晶間の配向方位差が15°以上となっている場合の当該結晶間の境界として定義される。
また、特殊粒界とは、結晶学的にCSL理論(Kronberg et al:Trans.Met.Soc.AIME,185,501(1949))に基づき定義されるΣ値が3≦Σ≦29を満たす対応粒界であって、かつ、当該対応粒界における固有対応部位格子方位欠陥Dqが、Dq≦15°/Σ1/2(D.G.Brandon:Acta.Metallurgica.Vol.14,p.1479,(1966))を満たす結晶粒界であるとして定義される。
結晶粒界は、二次元断面観察の結果、隣り合う2つの結晶間の配向方位差が15°以上となっている場合の当該結晶間の境界として定義される。
また、特殊粒界とは、結晶学的にCSL理論(Kronberg et al:Trans.Met.Soc.AIME,185,501(1949))に基づき定義されるΣ値が3≦Σ≦29を満たす対応粒界であって、かつ、当該対応粒界における固有対応部位格子方位欠陥Dqが、Dq≦15°/Σ1/2(D.G.Brandon:Acta.Metallurgica.Vol.14,p.1479,(1966))を満たす結晶粒界であるとして定義される。
本発明の一態様に係るボンディングワイヤ用銅素線では、前記添加元素の含有量の合計が0.0003質量%以上0.002質量%以下であることが好ましい。
この場合、再結晶温度を確実に低く抑えることができ、硬さを低くすることができる。
この場合、再結晶温度を確実に低く抑えることができ、硬さを低くすることができる。
また、前記不可避不純物であるFe,Pb,及びSの含有量が、Fe;0.0001質量%以下、Pb;0.0001質量%以下、及びS;0.005質量%以下であることが好ましい。
前述のように不純物の含有量を規定することにより、再結晶温度を確実に低く抑えることができ、硬さを低くすることができる。
前述のように不純物の含有量を規定することにより、再結晶温度を確実に低く抑えることができ、硬さを低くすることができる。
前記ボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が1000個以下であることが好ましい。
この場合、ボンディングワイヤ用銅素線の内部に存在する酸不溶解残渣物の粒径が小さく、かつ、個数が少ない。このため、ボンディングワイヤを製造する際の伸線加工時における断線の発生を抑制することが可能となる。
この場合、ボンディングワイヤ用銅素線の内部に存在する酸不溶解残渣物の粒径が小さく、かつ、個数が少ない。このため、ボンディングワイヤを製造する際の伸線加工時における断線の発生を抑制することが可能となる。
前記ボンディングワイヤ用銅素線を硝酸溶液に加熱溶解して得られる酸不溶解残渣物の量が0.00015質量%以下であることが好ましい。
この場合、ボンディングワイヤ用銅素線の内部に存在する酸不溶解残渣物の存在比率が少ない。このため、ボンディングワイヤを製造する際の伸線加工時における断線の発生を抑制することが可能となる。
この場合、ボンディングワイヤ用銅素線の内部に存在する酸不溶解残渣物の存在比率が少ない。このため、ボンディングワイヤを製造する際の伸線加工時における断線の発生を抑制することが可能となる。
本発明の一態様に係るボンディングワイヤ用銅素線の製造方法は、前述のボンディングワイヤ用銅素線の製造方法であって、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料にMg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加し、銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、前記銅溶湯をベルト・ホイール式連続鋳造機に供給し、鋳塊を連続的に製出する連続鋳造工程と、製出された鋳塊を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程と、を備えている。
このボンディングワイヤ用銅素線の製造方法によれば、純度99.99質量%以上99.998質量%以下、いわゆる4NCuの銅原料を用いている。このため、6NCuを用いる場合比べて、ボンディングワイヤ用銅素線の製造コストを大幅に低減することができる。
さらに、製出された鋳塊を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程を備えている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線における特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
さらに、製出された鋳塊を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程を備えている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線における特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
また、本発明の他の態様に係るボンディングワイヤ用銅素線の製造方法は、前述のボンディングワイヤ用銅素線の製造方法であって、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料にMg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加し、銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、前記銅溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する鋳造工程と、得られた鋳塊を初期温度800℃以上の条件で押出加工して押出素線を製出する押出工程と、得られた押出素線に対して、圧延加工又は伸線加工のいずれかと焼鈍とを繰り返し実施する加工・焼鈍工程と、圧下率5%以上25%以下で圧延して最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする軽圧下工程と、を備えている。
このボンディングワイヤ用銅素線の製造方法によれば、純度99.99質量%以上99.998質量%以下、いわゆる4NCuの銅原料を用いている。このため、6NCuを用いる場合比べて、ボンディングワイヤ用銅素線の製造コストを大幅に低減することができる。
さらに、押出素線に対して圧延加工又は伸線加工のいずれかと焼鈍とを繰り返し実施する加工・焼鈍工程と、圧下率5%以上25%以下で圧延して最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする軽圧下工程と、を備えている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線における特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
さらに、押出素線に対して圧延加工又は伸線加工のいずれかと焼鈍とを繰り返し実施する加工・焼鈍工程と、圧下率5%以上25%以下で圧延して最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする軽圧下工程と、を備えている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線における特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
本発明の一態様によれば、硬さが低く、かつ、伸びが高く、さらに加工性に優れたボンディングワイヤ用銅素線及びボンディングワイヤ用銅素線の製造方法を提供することができる。
以下に、本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤ用銅素線及びボンディングワイヤ用銅素線の製造方法について説明する。
本実施形態に係るボンディングワイヤ用銅素線は、線径180μm以下、より望ましくは、線径20μm以上180μm以下のボンディングワイヤを製造する際の素材として使用される。
また、本実施形態に係るボンディングワイヤ用銅素線の素線径は、0.15mm以上3.0mm以下である。
また、本実施形態に係るボンディングワイヤ用銅素線の素線径は、0.15mm以上3.0mm以下である。
このボンディングワイヤ用銅素線は、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有する。好ましくは、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素の含有量の合計は、0.0003質量%以上0.002質量%以下である。
また、前記不可避不純物であるFe,Pb,Sの含有量は、Fe;0.0001質量%以下、Pb;0.0001質量%以下、S;0.005質量%以下である。
ここで、希土類元素とは、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,及びLuである。
また、前記不可避不純物であるFe,Pb,Sの含有量は、Fe;0.0001質量%以下、Pb;0.0001質量%以下、S;0.005質量%以下である。
ここで、希土類元素とは、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,及びLuである。
このボンディングワイヤ用銅素線の特殊粒界比率(Lσ/L)は50%以上である。ここで、特殊粒界比率は、全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である。電界放出型走査電子顕微鏡を用いたEBSD測定装置によって、結晶粒界、特殊粒界を特定し、全ての結晶粒界の長さL及び特殊粒界の長さLσを算出する。この算出された長さから、特殊粒界比率が得られる。すなわち、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線は、通常の結晶粒界よりも特殊粒界の方がより多く存在している。
結晶粒界は、二次元断面観察の結果、隣り合う2つの結晶間の配向方位差が15°以上となっている場合の当該結晶間の境界として定義される。
また、特殊粒界とは、結晶学的にCSL理論(Kronberg et al:Trans.Met.Soc.AIME,185,501(1949))に基づいて定義されるΣ値が3≦Σ≦29を満たす対応粒界であって、かつ、当該対応粒界における固有対応部位格子方位欠陥Dqが、Dq≦15°/Σ1/2(D.G.Brandon:Acta.Metallurgica.Vol.14,p.1479,(1966))を満たす結晶粒界であるとして定義される。
結晶粒界は、二次元断面観察の結果、隣り合う2つの結晶間の配向方位差が15°以上となっている場合の当該結晶間の境界として定義される。
また、特殊粒界とは、結晶学的にCSL理論(Kronberg et al:Trans.Met.Soc.AIME,185,501(1949))に基づいて定義されるΣ値が3≦Σ≦29を満たす対応粒界であって、かつ、当該対応粒界における固有対応部位格子方位欠陥Dqが、Dq≦15°/Σ1/2(D.G.Brandon:Acta.Metallurgica.Vol.14,p.1479,(1966))を満たす結晶粒界であるとして定義される。
また、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が1000個以下である。さらに、上述の酸不溶解残渣物の存在比率が0.00015質量%以下である。
酸不溶解残渣物の評価は、次のような手順で実施される。
まず、表面を洗浄したボンディングワイヤ用銅素線から所定量(100g)の試料をサンプリングし、加熱した硝酸溶液に加熱溶解する。溶解液を室温まで冷却後、フィルタでろ過し、残渣物を捕集する。
残渣物を捕集したフィルタを秤量し、残渣物の残渣質量を測定する。そして、試料(ボンディングワイヤ用銅素線)の量に対する残渣物の量(残渣質量)の割合(質量%)を算出する。以上により、ボンディングワイヤ用銅素線を硝酸溶液に加熱溶解して得られる酸不溶解残渣物の量(存在比率)が測定される。
次いで、残渣物を捕集したフィルタを走査型電子顕微鏡により観察し、SEM写真を撮影する。SEM写真を画像解析し、残渣物の大きさ及び個数を測定する。そして粒径30μm以上の残渣物の個数を求める。以上により、ボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が測定される。
まず、表面を洗浄したボンディングワイヤ用銅素線から所定量(100g)の試料をサンプリングし、加熱した硝酸溶液に加熱溶解する。溶解液を室温まで冷却後、フィルタでろ過し、残渣物を捕集する。
残渣物を捕集したフィルタを秤量し、残渣物の残渣質量を測定する。そして、試料(ボンディングワイヤ用銅素線)の量に対する残渣物の量(残渣質量)の割合(質量%)を算出する。以上により、ボンディングワイヤ用銅素線を硝酸溶液に加熱溶解して得られる酸不溶解残渣物の量(存在比率)が測定される。
次いで、残渣物を捕集したフィルタを走査型電子顕微鏡により観察し、SEM写真を撮影する。SEM写真を画像解析し、残渣物の大きさ及び個数を測定する。そして粒径30μm以上の残渣物の個数を求める。以上により、ボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が測定される。
次に、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線の製造方法について説明する。
結晶粒界の全結晶粒界長さLに対する特殊粒界の全特殊粒界長さLσの比率(Lσ/L)が50%以上であるボンディングワイヤ用銅素線は、連続鋳造圧延方法又は鋳塊の押出加工方法によって製造される。
結晶粒界の全結晶粒界長さLに対する特殊粒界の全特殊粒界長さLσの比率(Lσ/L)が50%以上であるボンディングワイヤ用銅素線は、連続鋳造圧延方法又は鋳塊の押出加工方法によって製造される。
本実施形態では、図1に示す連続鋳造圧延装置10を用いた例で説明する。
図1に示す連続鋳造圧延装置10は、溶解炉11と、保持炉12と、鋳造樋13と、ベルト・ホイール式連続鋳造機30と、連続圧延装置15と、コイラー18とを有している。
図1に示す連続鋳造圧延装置10は、溶解炉11と、保持炉12と、鋳造樋13と、ベルト・ホイール式連続鋳造機30と、連続圧延装置15と、コイラー18とを有している。
本実施形態では、溶解炉11として、円筒形の炉本体を有するシャフト炉を用いている。炉本体の下部には複数のバーナ(図示略)が円周方向に配備され、かつ上下方向に多段状に配備されている。そして、炉本体の上部から原料である電気銅が装入される。前記バーナの燃焼によって電気銅が溶解され、銅溶湯が連続的につくられる。
保持炉12は、溶解炉11でつくられた純銅溶湯を、所定の温度で保持したまま一旦貯留し、一定量の銅溶湯を鋳造樋13に送る。
鋳造樋13は、保持炉12から送られた銅溶湯を、ベルト・ホイール式連続鋳造機30の上方に配置されたタンディシュ20まで移送する。この鋳造樋13は、例えばAr等の不活性ガス又は還元性ガスでシールされている。なお、この鋳造樋13には、不活性ガスによって銅溶湯を攪拌する攪拌手段(図示なし)が設けられている。
タンディシュ20には、移送された銅溶湯に対して元素を添加する元素添加手段21が設けられている。また、タンディシュ20の銅溶湯の流れ方向終端側には、注湯ノズル22が配置されている。この注湯ノズル22を介してタンディシュ20内の銅溶湯がベルト・ホイール式連続鋳造機30へと供給される。
ベルト・ホイール式連続鋳造機30は、外周面に溝が形成された鋳造輪31と、この鋳造輪31の外周面の一部に接触するように周回移動される無端ベルト32とを有する。前記溝と無端ベルト32との間に形成された空間に、注湯ノズル22を介して供給された銅溶湯を注入して冷却し、棒状鋳塊40を連続的に鋳造する。
ベルト・ホイール式連続鋳造機30は、外周面に溝が形成された鋳造輪31と、この鋳造輪31の外周面の一部に接触するように周回移動される無端ベルト32とを有する。前記溝と無端ベルト32との間に形成された空間に、注湯ノズル22を介して供給された銅溶湯を注入して冷却し、棒状鋳塊40を連続的に鋳造する。
そして、このベルト・ホイール式連続鋳造機30は、連続圧延装置15に連結されている。この連続圧延装置15は、ベルト・ホイール式連続鋳造機30から製出された棒状鋳塊40を連続的に圧延して、所定の外径の銅荒引線50を製出する。連続圧延装置15から製出された銅荒引線50は、洗浄冷却装置16および探傷器17を介してコイラー18に巻き取られる。
次に、このベルト・ホイール式連続鋳造機30を用いたボンディングワイヤ用銅素線の製造方法について、図1、図2を用いて説明する。
まず、溶解炉11に、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料(いわゆる4NCu)を投入して溶解して銅溶湯を得る(溶解工程S01)。この溶解工程S01では、シャフト炉の複数のバーナの空燃比を調整して溶解炉11の内部を還元雰囲気とする。
まず、溶解炉11に、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料(いわゆる4NCu)を投入して溶解して銅溶湯を得る(溶解工程S01)。この溶解工程S01では、シャフト炉の複数のバーナの空燃比を調整して溶解炉11の内部を還元雰囲気とする。
溶解炉11によって得られた銅溶湯は、保持炉12及び鋳造樋13を介してタンディシュ20まで移送される。
ここで、不活性ガス又は還元性ガスでシールされた鋳造樋13を通過する銅溶湯は、前述の攪拌手段によって攪拌される。これにより、銅溶湯と不活性ガス又は還元性ガスとの反応が促進される。
ここで、不活性ガス又は還元性ガスでシールされた鋳造樋13を通過する銅溶湯は、前述の攪拌手段によって攪拌される。これにより、銅溶湯と不活性ガス又は還元性ガスとの反応が促進される。
次に、元素添加手段(装置)21によって、タンディシュ20内の銅溶湯に、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の元素が連続的に添加される(元素添加工程S02)。これにより、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の元素の含有量が合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下、より好ましくは、0.0003質量%以上0.002質量%以下に調整された銅溶湯が生成される。
このように成分調整された銅溶湯は、ベルト・ホイール式連続鋳造機30に注湯ノズル22を介して供給され、棒状鋳塊40が連続的に製出される(連続鋳造工程S03)。ここで、連続鋳造工程S03では、鋳造輪31の溝と無端ベルト32との間に形成された空間が台形状をなしている。このため、断面が略台形状をなす棒状鋳塊40が製出される。
この棒状鋳塊40は、連続圧延装置15に供給されてロール圧延加工が施され、所定の外径(本実施形態では直径8mm)の銅荒引線50が製出される(連続圧延工程S04)。この連続圧延工程S04においては、400~900℃の範囲で圧延が実施される。本実施形態では、圧延の初期温度を800℃以上としている。圧延の初期温度は、好ましくは800℃以上、1050℃以下である。
連続圧延装置15から製出された銅荒引線50は、洗浄冷却装置16および探傷器17を介してコイラー18に巻き取られる。洗浄冷却装置16は、連続圧延装置15から製出された銅荒引線50の表面をアルコール等の洗浄剤で洗浄するとともに冷却する。また、探傷器17は、洗浄冷却装置16から送られた銅荒引線50の傷を探知する。
次に、得られた銅荒引線50に対して伸線加工を実施し、最終線径0.15mm以上3.0mm以下(本実施形態では直径0.9mm)とする(伸線加工工程S05)。
そして、上述の伸線加工工程S05の後に、150℃以上250℃以下で再結晶化熱処理を行う(仕上げ熱処理工程S06)。本実施形態では、220℃で2時間の雰囲気熱処理を実施する。
以上のような手順によって、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線が製出される。
そして、上述の伸線加工工程S05の後に、150℃以上250℃以下で再結晶化熱処理を行う(仕上げ熱処理工程S06)。本実施形態では、220℃で2時間の雰囲気熱処理を実施する。
以上のような手順によって、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線が製出される。
本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線は、さらに引き抜き加工が施されて直径180μm以下の細線とされ、ボンディングワイヤとして使用される。
このような特徴を有する本実施形態のボンディングワイヤ用銅素線によれば、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有する。より好ましくは、上記添加元素の含有量の合計は0.0003質量%以上0.002質量%以下である。このため、銅中に含まれるSが上述の添加元素と化合物を形成する。よって、Sの影響が小さくなるため、再結晶温度を低く、かつ硬さを低くすることができる。
また、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線の特殊粒界比率(Lσ/L)は50%以上である。なお、電界放出型走査電子顕微鏡を用いたEBSD測定装置によって、結晶粒界、特殊粒界を特定し、全ての結晶粒界の長さL及び特殊粒界の長さLσを算出する。そして、この算出された長さから、特殊粒界比率が得られる。この特殊粒界比率が高い場合には、組織全体の結晶粒界の整合性が向上して、転位が蓄積し難くなる。よって、硬さを低く維持したまま、伸び及び加工性を向上させることが可能となる。
また、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が1000個以下である。さらに、酸不溶解残渣物の量(存在比率)は0.00015質量%以下である。
このように、酸不溶解残渣物の粒径が小さく、且つ、個数が少なく、さらに、その存在比率も抑えられている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線をボンディングワイヤへと伸線加工する際の断線を抑制することが可能となる。
このように、酸不溶解残渣物の粒径が小さく、且つ、個数が少なく、さらに、その存在比率も抑えられている。このため、ボンディングワイヤ用銅素線をボンディングワイヤへと伸線加工する際の断線を抑制することが可能となる。
また、本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線の製造方法によれば、純度99.99質量%以上99.998質量%以下、いわゆる4NCuの銅原料を用いている。このため、6NCuを用いる場合と比べて、ボンディングワイヤ用銅素線の製造コストを大幅に低減することができる。
さらに、ベルト・ホイール式連続鋳造機30を用いて棒状鋳塊40を連続的に製出する連続鋳造工程S03と、製出された棒状鋳塊40を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程S04と、を備えている。このため、製出されるボンディングワイヤ用銅素線の特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
さらに、ベルト・ホイール式連続鋳造機30を用いて棒状鋳塊40を連続的に製出する連続鋳造工程S03と、製出された棒状鋳塊40を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程S04と、を備えている。このため、製出されるボンディングワイヤ用銅素線の特殊粒界比率(Lσ/L)を50%以上とすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態では、ベルト・ホイール式連続鋳造機を用いてボンディングワイヤ用銅素線を製造するものとして説明したが、これに限定されることはない。
本実施形態では、ベルト・ホイール式連続鋳造機を用いてボンディングワイヤ用銅素線を製造するものとして説明したが、これに限定されることはない。
例えば、図3に示すように、銅溶湯生成工程S11と、鋳造工程S12と、熱間押出工程S13と、加工・焼鈍工程S14と、軽圧下工程S15と、を実施することにより、特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上であるボンディングワイヤ用銅素線を製出してもよい。
銅溶湯生成工程S11では、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料(いわゆる4NCu)に、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加して銅溶湯を得る。
鋳造工程S12では、銅溶湯を鋳型に注湯して直径200mm~400mmの鋳塊を得る。
熱間押出工程S13では、鋳塊を初期温度800℃以上の条件で押出加工して、押出素線を得る。押出加工の初期温度は、好ましくは800℃以上、1050℃以下である。
加工・焼鈍工程S14では、押出素線に対して圧延加工又は伸線加工のいずれかと、焼鈍とを繰り返し実施する。焼鈍は、断面減少率が80%以上となる毎に実施する。
軽圧下工程S15では、圧下率5%以上25%以下で圧延し、最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする。
銅溶湯生成工程S11では、純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料(いわゆる4NCu)に、Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加して銅溶湯を得る。
鋳造工程S12では、銅溶湯を鋳型に注湯して直径200mm~400mmの鋳塊を得る。
熱間押出工程S13では、鋳塊を初期温度800℃以上の条件で押出加工して、押出素線を得る。押出加工の初期温度は、好ましくは800℃以上、1050℃以下である。
加工・焼鈍工程S14では、押出素線に対して圧延加工又は伸線加工のいずれかと、焼鈍とを繰り返し実施する。焼鈍は、断面減少率が80%以上となる毎に実施する。
軽圧下工程S15では、圧下率5%以上25%以下で圧延し、最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする。
(実施例1)
以下に、前述した本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線について評価した評価試験の結果について説明する。
図2のフロー図に示す方法により、本発明例1~5及び比較例1,2のボンディングワイヤ用銅素線を製出した。詳細には、4NCuに、表1に記載の添加元素を添加して銅溶湯を得た。銅溶湯をベルト・ホイール式連続鋳造機に注湯して連続鋳造圧延を行った。さらに伸線加工及び仕上げ熱処理を実施し、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
図3のフロー図に示す方法により、本発明例6~10及び比較例3,4のボンディングワイヤ用銅素線を製出した。詳細には、4NCuに、表1に記載の添加元素を添加して銅溶湯を得た。銅溶湯を用いて直径240mmの鋳塊を製出した。この鋳塊を800℃で熱間押出加工して直径8mmの押出素線を製出した。この押出素線に対して圧延と焼鈍とを繰り返して線径1mmの銅素線を製出した。その後、この銅素線に対して圧延率10%の圧延を実施した。次いで220℃で仕上げ熱処理を行い、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
従来例のボンディングワイヤ用銅素線を以下の方法により製出した。まず、4NCuに、0.0030質量%のZrを添加して銅溶湯を得た。銅溶湯を用いて直径240mmの鋳塊を製出した。この鋳塊を800℃で熱間押出加工して直径8mmの押出素線を製出した。この押出素線に対して伸線加工を実施した。次いで220℃で仕上げ熱処理を行い、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
また、得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線に対して、伸線加工を実施して直径180μmのボンディングワイヤを製出した。
以下に、前述した本実施形態であるボンディングワイヤ用銅素線について評価した評価試験の結果について説明する。
図2のフロー図に示す方法により、本発明例1~5及び比較例1,2のボンディングワイヤ用銅素線を製出した。詳細には、4NCuに、表1に記載の添加元素を添加して銅溶湯を得た。銅溶湯をベルト・ホイール式連続鋳造機に注湯して連続鋳造圧延を行った。さらに伸線加工及び仕上げ熱処理を実施し、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
図3のフロー図に示す方法により、本発明例6~10及び比較例3,4のボンディングワイヤ用銅素線を製出した。詳細には、4NCuに、表1に記載の添加元素を添加して銅溶湯を得た。銅溶湯を用いて直径240mmの鋳塊を製出した。この鋳塊を800℃で熱間押出加工して直径8mmの押出素線を製出した。この押出素線に対して圧延と焼鈍とを繰り返して線径1mmの銅素線を製出した。その後、この銅素線に対して圧延率10%の圧延を実施した。次いで220℃で仕上げ熱処理を行い、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
従来例のボンディングワイヤ用銅素線を以下の方法により製出した。まず、4NCuに、0.0030質量%のZrを添加して銅溶湯を得た。銅溶湯を用いて直径240mmの鋳塊を製出した。この鋳塊を800℃で熱間押出加工して直径8mmの押出素線を製出した。この押出素線に対して伸線加工を実施した。次いで220℃で仕上げ熱処理を行い、直径0.9mmのボンディングワイヤ用銅素線を製出した。
また、得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線に対して、伸線加工を実施して直径180μmのボンディングワイヤを製出した。
(特殊粒界比率)
得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線について、特殊粒界比率(Lσ/L)を以下の方法により測定した。
各試料について、耐水研磨紙及びダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った。次いで、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。
そして、EBSB測定装置(HITACHI社製 S4300-SEM、EDAX/TSL社製 OIM Data Collection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製 OIM Data Analysis ver.5.2)によって、結晶粒界、特殊粒界を特定し、全ての結晶粒界の長さL及び特殊粒界の長さLσを算出した。これにより、平均結晶粒径及び特殊粒界長さ比率の解析を行った。測定方法の詳細を以下に示す。
まず、走査型電子顕微鏡を用いて、試料表面の測定範囲内の個々の測定点に電子線を照射し、電子線を試料表面に2次元で走査させた。後方散乱電子線回折による方位解析により、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を結晶粒界とした。
測定範囲における結晶粒界の全粒界長さ(全ての結晶粒界の長さ)Lを測定した。また隣接する結晶粒の界面が特殊粒界である結晶粒界の位置を決定するとともに、特殊粒界の全粒界長さ(全ての特殊粒界の長さ)Lσを測定した。そして、上記測定した結晶粒界の全粒界長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率Lσ/Lを求め、特殊粒界比率(Lσ/L)とした。
得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線について、特殊粒界比率(Lσ/L)を以下の方法により測定した。
各試料について、耐水研磨紙及びダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った。次いで、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。
そして、EBSB測定装置(HITACHI社製 S4300-SEM、EDAX/TSL社製 OIM Data Collection)と、解析ソフト(EDAX/TSL社製 OIM Data Analysis ver.5.2)によって、結晶粒界、特殊粒界を特定し、全ての結晶粒界の長さL及び特殊粒界の長さLσを算出した。これにより、平均結晶粒径及び特殊粒界長さ比率の解析を行った。測定方法の詳細を以下に示す。
まず、走査型電子顕微鏡を用いて、試料表面の測定範囲内の個々の測定点に電子線を照射し、電子線を試料表面に2次元で走査させた。後方散乱電子線回折による方位解析により、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を結晶粒界とした。
測定範囲における結晶粒界の全粒界長さ(全ての結晶粒界の長さ)Lを測定した。また隣接する結晶粒の界面が特殊粒界である結晶粒界の位置を決定するとともに、特殊粒界の全粒界長さ(全ての特殊粒界の長さ)Lσを測定した。そして、上記測定した結晶粒界の全粒界長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率Lσ/Lを求め、特殊粒界比率(Lσ/L)とした。
(硬さ試験)
次に、本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線、及びそれらのボンディングワイヤ用銅素線から製出されたボンディングワイヤについて、硬さを測定した。
なお、硬さ試験は、AKASHI製のマイクロビッカース試験機MVK-700を用いて、JIS Z 2241に準拠して実施した。
次に、本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線、及びそれらのボンディングワイヤ用銅素線から製出されたボンディングワイヤについて、硬さを測定した。
なお、硬さ試験は、AKASHI製のマイクロビッカース試験機MVK-700を用いて、JIS Z 2241に準拠して実施した。
(伸び)
次に、本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線、及びそれらのボンディングワイヤ用銅素線から製出されたボンディングワイヤについて、AKASHI製のアムスラー式竪型引張試験機を用いて引張試験を実施し、伸びを評価した。
次に、本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線、及びそれらのボンディングワイヤ用銅素線から製出されたボンディングワイヤについて、AKASHI製のアムスラー式竪型引張試験機を用いて引張試験を実施し、伸びを評価した。
(加工性)
得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線に対して、さらに伸線加工を施し、直径が87μm、50μm、又は20μmのワイヤを作製した。伸線加工時の断線回数を評価した。
得られた本発明例1~10、比較例1~4、及び従来例のボンディングワイヤ用銅素線に対して、さらに伸線加工を施し、直径が87μm、50μm、又は20μmのワイヤを作製した。伸線加工時の断線回数を評価した。
ボンディングワイヤ用素線の特殊粒界比率(Lσ/L)、硬さ、及び伸び、ボンディングワイヤの硬さ及び伸び、並びに伸線加工時の断線回数について、評価した結果を表1に示す。
本発明例1~10においては、特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上となっていることが確認される。一方、比較例1~4及び従来例では、特殊粒界比率(Lσ/L)が50%未満であった。本発明例6~10と従来例とを対比すると、最終線径を有する素線に対して仕上げ熱処理を実施する前に、圧延率10%の加工を実施することで、特殊粒界比率(Lσ/L)を増加させることが可能であることが確認される。
特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である本発明例1~10においては、線径180μmのボンディングワイヤの状態で硬さが40Hv以下と低くなっていることが確認される。
また、本発明例1~10においては、比較例に比べて、伸線時の断線が抑制されており、細径まで伸線可能であることが確認される。
特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上である本発明例1~10においては、線径180μmのボンディングワイヤの状態で硬さが40Hv以下と低くなっていることが確認される。
また、本発明例1~10においては、比較例に比べて、伸線時の断線が抑制されており、細径まで伸線可能であることが確認される。
(実施例2)
次に、本発明例1~10のボンディングワイヤ用銅素線を用いて酸不溶解残渣物の残渣量と粒度分布を評価した。
試料を硝酸にてエッチング処理を行い、表面に付着した不純物を除去した。次いで、100gの試料を秤量した。この試料を硝酸溶液に加熱溶解した。加熱温度は60℃とした。この作業を繰り返し行った。
次に、室温まで冷却し、そしてフィルタでろ過して残渣を捕集した。
ここでは、ポリカーボネイトフィルタ(孔径0.4μm)を用いてろ過を行った。残渣物を捕集したポリカーボネイトフィルタをクリーンルーム内で精密に秤量し、残渣物の残渣質量を測定した。
次に、本発明例1~10のボンディングワイヤ用銅素線を用いて酸不溶解残渣物の残渣量と粒度分布を評価した。
試料を硝酸にてエッチング処理を行い、表面に付着した不純物を除去した。次いで、100gの試料を秤量した。この試料を硝酸溶液に加熱溶解した。加熱温度は60℃とした。この作業を繰り返し行った。
次に、室温まで冷却し、そしてフィルタでろ過して残渣を捕集した。
ここでは、ポリカーボネイトフィルタ(孔径0.4μm)を用いてろ過を行った。残渣物を捕集したポリカーボネイトフィルタをクリーンルーム内で精密に秤量し、残渣物の残渣質量を測定した。
また、酸不溶解残渣物の粒度分布を測定した。前述の残渣物を捕集したフィルタを走査型電子顕微鏡により観察し、SEM画像を撮影した。画像をパソコンに取り込み、画像解析用ソフト(WinRoofソフト)にて画像を2値化処理の解析を行った。そして、残渣物の投影面積を測定し、この投影面積と同じ面積を有する円の直径(円相当径)を算出した。この円相当径を残渣物の粒径として用いた。残渣物の大きさ(円相当径)及び個数を測定した。なお、本発明例1のデータから粒度分布のグラフを作成した。その結果を図4に示す。
WinRoofソフトの画像解析の結果、本発明例1~10の試料(ボンディングワイヤ用銅素線)100gを硝酸溶液に加熱溶解した際、粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数がいずれも1000個以下であることが確認された。また、上述の方法で残渣物の残渣質量を測定した結果、本発明例1~10の試料における酸不溶解残渣物の質量比は、0.00015質量%以下であることが確認された。
本実施形態のボンディングワイヤ用銅素線は、硬さが低く、かつ、伸びが高く、さらに加工性に優れる。このため、本実施形態の銅素線は、Au線の代わりに使用されるCuボンディングワイヤの製造工程に好適に適用できる。
30 ベルト・ホイール式連続鋳造機
Claims (7)
- 線径180μm以下のボンディングワイヤを形成するための銅素線であって、
素線径が0.15mm以上3.0mm以下であり、
Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を合計で0.0001質量%以上0.01質量%以下の範囲で含有し、残部が銅及び不可避不純物である組成を有し、
EBSD法にて測定された全ての結晶粒界の長さLに対する特殊粒界の長さLσの比率である特殊粒界比率(Lσ/L)が50%以上であることを特徴とするボンディングワイヤ用銅素線。 - 前記添加元素の含有量の合計が0.0003質量%以上0.002質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のボンディングワイヤ用銅素線。
- 前記不可避不純物であるFe,Pb,及びSの含有量が、Fe;0.0001質量%以下、Pb;0.0001質量%以下、及びS;0.005質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のボンディングワイヤ用銅素線。
- 前記ボンディングワイヤ用銅素線100gを硝酸溶液に加熱溶解して得られる粒径30μm以上の酸不溶解残渣物の個数が1000個以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のボンディングワイヤ用銅素線。
- 前記ボンディングワイヤ用銅素線を硝酸溶液に加熱溶解して得られる酸不溶解残渣物の量が0.00015質量%以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のボンディングワイヤ用銅素線。
- 請求項1~5のいずれか一項に記載のボンディングワイヤ用銅素線の製造方法であって、
純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料にMg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加し、銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、
前記銅溶湯をベルト・ホイール式連続鋳造機に供給し、鋳塊を連続的に製出する連続鋳造工程と、
製出された鋳塊を初期温度800℃以上の条件で連続的に圧延する連続圧延工程と、を備えていることを特徴とするボンディングワイヤ用銅素線の製造方法。 - 請求項1~5のいずれか一項に記載のボンディングワイヤ用銅素線の製造方法であって、
純度99.99質量%以上99.998質量%以下の銅原料にMg,Ca,Sr,Ba,Ra,Zr,Ti,及び希土類元素から選択される1種以上の添加元素を添加し、銅溶湯を生成する銅溶湯生成工程と、
前記銅溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する鋳造工程と、
得られた鋳塊を初期温度800℃以上の条件で押出加工して押出素線を製出する押出工程と、
得られた押出素線に対して、圧延加工又は伸線加工のいずれかと焼鈍とを繰り返し実施する加工・焼鈍工程と、
圧下率5%以上25%以下で圧延して最終線径0.15mm以上3.0mm以下とする軽圧下工程と、を備えていることを特徴とするボンディングワイヤ用銅素線の製造方法。
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