WO2017154453A1 - ボンディングワイヤ - Google Patents

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聡子 土居
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タツタ電線株式会社
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    • H01L2924/01079—Gold [Au]

Definitions

  • the present invention relates to a bonding wire mainly composed of Ag (silver).
  • Bonding wires used for connecting the electrodes on the semiconductor element and the electrodes on the substrate are generally very thin, and are therefore made of a metal material having good conductivity and excellent workability.
  • bonding wires mainly composed of Au gold
  • the conventional bonding wire mainly composed of Au is very expensive since 99% or more of the mass is Au. Therefore, bonding wires mainly composed of Ag, which is cheaper than Au, have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2 below).
  • Ag has a higher light reflectance than Au, and there is an advantage that the luminous efficiency can be improved when a bonding wire containing Ag as a main component is used for connecting light emitting elements such as LEDs.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in a bonding wire mainly composed of Ag, it is possible to improve wire drawing workability, FAB formability, and heat resistance while suppressing a decrease in light reflectance. With the goal.
  • the bonding wire of the present invention has a total content of one or two elements selected from Au and Pd of 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less. Is 50 mass ppm or more and 100 mass ppm or less, and the balance is made of Ag.
  • the Au content of the bonding wire according to the present invention can be 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less.
  • the Ca content of the bonding wire according to the present invention can be 60 mass ppm or more and 90 mass ppm or less.
  • a bonding wire containing Ag as a main component it is possible to improve wire drawing workability, FAB formability, and heat resistance while suppressing a decrease in light reflectance.
  • the bonding wire of this embodiment includes one or two elements selected from 0.5 mass% to 1.0 mass% of Au (gold) and Pd (palladium), and 50 mass ppm to 100 mass ppm.
  • the following Ca (calcium) is contained, and the balance is made of Ag (silver).
  • the wire diameter of the bonding wire may be various sizes depending on the application. For example, the wire diameter of the bonding wire can be 5 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • Ag constituting the bonding wire may contain impurities inevitably present for purification, for example, Pd, Bi (bismuth), Cu (copper), Fe (iron), and the like.
  • the specific resistance of the bonding wire is preferably equal to or lower than the specific resistance (3.0 ⁇ ⁇ cm) of 2N (purity 99%) Au bonding wire. From this viewpoint, it is preferable to produce an Ag alloy that constitutes the bonding wire using Ag having a purity of 99.9% by mass or more.
  • Au and Pd can improve FAB formability and wire drawing workability.
  • a FAB is produced using a bonding wire made of high purity Ag, it is difficult to stably obtain a FAB having a high sphericity.
  • high-purity Ag tends to break when a rod-shaped ingot is drawn into a wire.
  • the total content of Au and Pd is 0.5 mass. When it is at least%, FAB-forming properties can be improved and FAB with a high sphericity can be formed, and disconnection hardly occurs during wire drawing.
  • the total content of Au and Pd exceeds 1.0% by mass, the amount of expensive noble metal used increases, and the light reflectance of the bonding wire decreases. If the total content of Au and Pd is 1.0% by mass or less, the content of the noble metal is low, and the manufacturing cost of the bonding wire can be suppressed, and the decrease in light reflectance can be suppressed.
  • the total content of Au and Pd can be 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less, but Au can form a FAB having a high sphericity with a small amount of addition, and It is preferable to add more Au than Pd because it is difficult to be eccentric with respect to the bonding wire.
  • the Au content is more preferably 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less.
  • Ca can improve the heat resistance of the wire.
  • a large region R of crystal grains called HAZ is generated in the wire portion immediately adjacent to the FAB due to heat at the time of FAB formation (see FIG. 1).
  • a bonding wire made of high-purity Ag has low heat resistance and is easily affected by heat, and therefore has a long HAZ. Therefore, the bonding wire made of high-purity Ag has a large loop formed when the electrodes are connected. When the loop becomes large, the wire is likely to be bent, and the loop shape tends to be abnormal. However, even if it contains a trace amount of Ca, the heat resistance is improved, and HAZ is less likely to occur during FAB formation, so that the loop at the time of connection can be made into a good shape.
  • the content of Ca is 50 mass ppm or more and 100 mass ppm or less. It is more preferable that it is 60 mass ppm or more and 90 mass ppm or less.
  • the Ca content is 50 mass ppm or more, the heat resistance is improved, the length of the HAZ generated at the time of FAB formation is short, and it is difficult for the abnormality of the loop shape in which the wire bends to occur.
  • the content of Ca is 60 mass ppm or more, the length of the HAZ can be further shortened.
  • the Ca content is less than 100 ppm by mass, FAB having a high sphericity can be stably obtained.
  • the connection can be reliably performed when stitch bonding is performed on the stud bump formed on the electrode.
  • At least one element of Au and Pd is added to Ag with a purity of 99.9% by mass or more so that the total amount of Au and Pd is 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less.
  • an Ag alloy added with 50 mass ppm or more and 100 mass ppm or less a rod-shaped ingot having a predetermined diameter is produced by a continuous casting method.
  • the rod-shaped ingot is drawn to reduce the diameter until it reaches a predetermined diameter to obtain a bonding wire.
  • the total content of Au and Pd is 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less
  • the content of Ca is 50 massppm or more and 100 massppm or less
  • the remainder is made of Ag. Therefore, while ensuring performance required for wire drawing workability, FAB formability, and heat resistance, the amount of elements other than Ag can be suppressed, and a decrease in light reflectance can be suppressed.
  • the total content of one or two elements selected from Au and Pd is 0.5 mass% to 1.0 mass%, and the Ca content is 50 massppm to 100 mass%.
  • the bonding wire which is not more than ppm and the balance is made of Ag and Ag unavoidable impurities has been described, but in addition to Ca, one or two selected from the group consisting of Ge, Cu, Bi, Y, La, and Sm You may contain 100 mass ppm or less of elements more than a seed
  • the measurement results are shown by converting the light amount of each Example and Comparative Example into an index when the light amount of the LED connected with a pure silver wire is 100%.
  • (3) FAB Formability For the bonding wires of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8, FAB having a wire diameter of 2.0 times the wire diameter is converted to nitrogen gas using a wire bonder (IConn, manufactured by K & S). It was produced in an atmosphere.
  • IConn manufactured by K & S
  • FAB formation 500 FABs were prepared for each of the bonding wires of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 8, and then applied to a general-purpose electron microscope (JSM-6510LA, manufactured by JEOL Ltd.). The appearance was observed, and the lengths of the fabricated FAB in the wire parallel direction and the vertical direction were measured. The ratio (X / Y) of the length X of the FAB in the wire parallel direction to the length Y in the vertical direction is used as an index of true sphericity. The number of FABs judged to be spherical was counted. The results show the ratio of the number of FABs judged to have true sphericity to the 500 FABs produced.
  • JSM-6510LA general-purpose electron microscope

Abstract

Ａｇを主成分とするボンディングワイヤにおいて、光反射率が高く伸線加工性やＦＡＢ形成性や耐熱性に優れたボンディングワイヤを提供する。　Ａｕ及びＰｄから選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下であり、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である、残部がＡｇからなるものとする。

Description

ボンディングワイヤ
　本発明は、Ａｇ（銀）を主成分とするボンディングワイヤに関する。
　半導体素子上の電極と基板の電極との結線に用いられるボンディングワイヤは、一般に非常に細いため、導電性が良好で加工性に優れた金属材料により製造されている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来からＡｕ（金）を主成分とするボンディングワイヤが広く用いられている。しかし、従来のＡｕを主成分とするボンディングワイヤは質量の９９％以上がＡｕであり非常に高価である。そこで、Ａｕに比べて安価なＡｇを主成分とするボンディングワイヤが提案されている（例えば、下記特許文献１及び２）。ＡｇはＡｕに比べて光反射率が高く、Ａｇを主成分とするボンディングワイヤをＬＥＤ等の発光素子の結線に用いると発光効率を向上させることができるという利点もある。
日本国特開２０１２－１５１３５０号公報 日本国特開２０１４－９６４０３号公報
　上記特許文献１及び２のボンディングワイヤでは、放電加熱等によりボンディングワイヤの先端に形成されるフリーエアボール（以下、ＦＡＢと略記する）の形成性や伸線加工性や耐熱性を良好にするため、ＡｕやＰｄ（パラジウム）やＣａ（カルシウム）や希土類元素などの元素が添加されている。
　しかし、上記特許文献１及び２のボンディングワイヤは、Ａｇのみからなるボンディングワイヤに比べて光反射率が低く、最近の発光効率の向上に対する要求を十分に満足するには至っていない。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ａｇを主成分とするボンディングワイヤにおいて、光反射率の低下を抑えつつ、伸線加工性やＦＡＢ形成性や耐熱性を良好にすることを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明のボンディングワイヤは、Ａｕ及びＰｄから選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下であり、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｇからなるものである。
　本発明に係るボンディングワイヤのＡｕの含有量は０．５質量％以上１．０質量％以下とすることができる。
　本発明に係るボンディングワイヤのＣａの含有量は６０質量ｐｐｍ以上９０質量ｐｐｍ以下とすることができる。
　本発明によれば、Ａｇを主成分とするボンディングワイヤにおいて、光反射率の低下を抑えつつ、伸線加工性やＦＡＢ形成性や耐熱性を良好にすることができる。
ＨＡＺ（Ｈｅａｔ　Ａｆｆｅｃｔ　Ｚｏｎｅ）が発生したボンディングワイヤの表面結晶組織の顕微鏡写真である。 ＦＡＢを作製したワイヤＷを拡大して示す図である。
　以下、本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤについて説明する。
　本実施形態のボンディングワイヤは、０．５質量％以上１．０質量％以下のＡｕ（金）及びＰｄ（パラジウム）から選択された１種又は２種の元素と、５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下のＣａ（カルシウム）を含有し、残部がＡｇ（銀）からなるものである。ボンディングワイヤの線径は用途に応じて種々の大きさとしてよい。例えば、ボンディングワイヤの線径は５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。
　具体的には、ボンディングワイヤを構成するＡｇは、精製上不可避的に存在する不純物、例えば、Ｐｄ、Ｂｉ（ビスマス）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）等を含有してもよい。また、ボンディングワイヤの固有抵抗は、２Ｎ（純度９９％）のＡｕ製のボンディングワイヤの固有抵抗（３．０μΩ・ｃｍ）以下であることが好ましい。この観点からは、純度９９．９質量％以上のＡｇを用いてボンディングワイヤを構成するＡｇ合金を製作することが好ましい。
　Ａｕ及びＰｄを含有することにより、ＦＡＢ形成性及び伸線加工性を向上させることができる。通常、高純度のＡｇからなるボンディングワイヤを用いてＦＡＢを作製すると、真球度の高いＦＡＢを安定的に得るのが難しい。また、高純度のＡｇは棒状インゴットをワイヤに伸線加工する際に断線しやすい。しかし、Ａｕ及びＰｄの含有量の合計（Ａｕ又はＰｄを単独で添加する場合はＡｕ又はＰｄの量、ＡｕとＰｄを複合して添加する場合はＡｕとＰｄの合計量）が０．５質量％以上であると、ＦＡＢ形成性が向上し真球度の高いＦＡＢを形成することができるとともに、伸線加工時に断線が起こりにくくなる。
　一方、Ａｕ及びＰｄの含有量の合計が１．０質量％を越えると、高価な貴金属の使用量が多くなることに加えボンディングワイヤの光反射率が低下する。Ａｕ及びＰｄの含有量の合計が、１．０質量％以下であれば貴金属の含有量が低くボンディングワイヤの製造コストを抑えることができるとともに、光反射率の低下を抑えることができる。
　よって、Ａｕ及びＰｄの含有量の合計は、０．５質量％以上１．０質量％以下とすることができるが、Ａｕは少量の添加で真球度の高いＦＡＢを形成できること、及びＦＡＢがボンディングワイヤに対して偏芯しにくいことからＡｕをＰｄより多く添加することが好ましい。Ａｕの含有量が０．５質量％以上１．０質量％以下であることがより好ましい。
　Ｃａは、ワイヤの耐熱性を向上させることができる。ボンディングワイヤは、ＦＡＢ形成時の熱によってＦＡＢ直近のワイヤ部分にＨＡＺと呼ばれる結晶粒の大きな領域Ｒが発生する（図１参照）。高純度のＡｇからなるボンディングワイヤは、耐熱性が低く熱の影響を受けやすいため、ＨＡＺが長くなる。そのため、高純度のＡｇからなるボンディングワイヤは、電極間を結線した時にできるループが大きくなる。ループが大きくなると、ワイヤの曲りが生じやすくなり、ループ形状が異常となりやすい。しかし、微量でもＣａを含有することにより、耐熱性が向上してＦＡＢ形成時にＨＡＺが発生しにくくなり結線時のループを良好な形状とすることができる。
　Ａｇを主成分とするボンディングワイヤにおいて、Ａｕ及びＰｄの含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下の場合、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、６０質量ｐｐｍ以上９０質量ｐｐｍ以下であることがより好ましい。Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上であると、耐熱性が向上しＦＡＢ形成時に発生するＨＡＺの長さが短く、ワイヤが曲がるループ形状の異常が発生しにくくなる。Ｃａの含有量が６０質量ｐｐｍ以上であると、ＨＡＺの長さをより一層短くできる。また、Ｃａの含有量が１００質量ｐｐｍ未満であると、真球度の高いＦＡＢを安定的に得ることがでる。Ｃａの含有量が９０質量ｐｐｍ以下であると、電極に形成したスタッドバンプ上でステッチボンドをする際に確実に接続できる。
　次に、このような構成のボンディングワイヤの製造方法の一例を説明する。
　まず、純度９９．９質量％以上のＡｇに、Ａｕ及びＰｄの合計量が０．５質量％以上１．０質量％以下となるようにＡｕ及びＰｄの少なくとも一方の元素を添加し、更にＣａを５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下添加したＡｇ合金を鋳造した後、連続鋳造法にて所定の直径の棒状インゴットを作製する。
　次いで、棒状インゴットを伸線加工して所定の直径に達するまで縮径してボンディングワイヤとする。なお、必要に応じて伸線加工の途中で軟化熱処理を行っても良い。
　そして、所定の直径まで伸線加工を行った後、熱処理炉中を走行させて調質熱処理を行う。
　本実施形態のボンディングワイヤは、Ａｕ及びＰｄの含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｇからなるので、伸線加工性やＦＡＢ形成性や耐熱性について必要な性能を確保しながら、Ａｇ以外の元素の添加量を抑えることができ、光反射率の低下を抑えることができる。
　上記した実施形態では、Ａｕ及びＰｄから選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｇ及びＡｇの不可避不純物からなるボンディングワイヤについて説明したが、Ｃａに加えて、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｍからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を１００質量ｐｐｍ以下、好ましくは５０質量ｐｐｍ含有してもよい。Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｍからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を１００質量ｐｐｍ以下含有することによっても、光反射率やＦＡＢ形成性や伸線加工性を悪化させることなくボンディングワイヤの耐熱性を向上させることができる。
　以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
　純度９９．９質量％以上のＡｇ原料を用いて、下記表１に示すような組成のＡｇ合金を溶解し、連続鋳造法にて棒状インゴットを作製した。作製した棒状インゴットに対して伸線加工を施して直径２０μｍに達するまで縮径し、その後、調質熱処理を施し、実施例１～１２及び比較例１～８のボンディングワイヤを得た。
　得られた実施例１～１２及び比較例１～８のボンディングワイヤにつき、（１）光反射率の測定、（２）伸線加工時の断線回数、（３）ＦＡＢ形成性、（４）ＦＡＢ形成時の熱によってＦＡＢ直近のワイヤ部分に生じたＨＡＺの長さ、及び（５）偏芯発生率の評価を行った。具体的な評価方法は以下のとおりである。
（１）光反射率
　同種のLEDに実施例１～１２、比較例１～８及び純銀のボンディングワイヤを結線し、樹脂封止をして各実施例、比較例及び純銀のボンディングワイヤによって結線したＬＥＤ素子を作製した。作製した素子をＪＩＳ　Ｃ８１５２に規定の方法により全光束測定を行った。測定結果は、純銀のワイヤで結線したＬＥＤの光量を１００％としたときの各実施例、比較例の光量を指数に換算して示した。
（２）伸線加工時の断線回数（伸線加工性）
　実施例１～１２及び比較例１～８のボンディングワイヤについて、１ｋｇのワイヤを直径５０μｍから直径２０μｍまで伸線した時に発生した断線回数をカウントした。
（３）ＦＡＢ形成性
　実施例１～１２及び比較例１～８のボンディングワイヤに対して、ワイヤボンダー（Ｋ＆Ｓ社製、ＩＣｏｎｎ）にてワイヤ直径の２．０倍の大きさのＦＡＢを窒素ガス雰囲気で作製した。ＦＡＢ形成性の評価としては、実施例１～１２及び比較例１～８のボンディングワイヤ毎にＦＡＢを５００個ずつ作製した後、汎用型電子顕微鏡（日本電子（株）製、ＪＳＭ－６５１０ＬＡ）にて外観観察を行い、作製したＦＡＢのワイヤ平行方向と垂直方向の長さをそれぞれ測定した。ＦＡＢのワイヤ平行方向の長さＸと垂直方向の長さＹの比（Ｘ／Ｙ）を真球性の指標として、９５％～１００％であれば「真球性有り」と判断し、真球性有りと判断したＦＡＢの個数をカウントした。結果は、作製した５００個のＦＡＢに対する真球性有りと判断したＦＡＢの個数の比率を示す。
（４）ＨＡＺ長さ
　上記（３）においてＦＡＢを作製したワイヤを上記汎用型電子顕微鏡にて外観観察を行い、ＦＡＢ直近のワイヤ部分に発生したＨＡＺの長さを測定し、その平均値を算出した。
（５）偏芯発生率
　上記（３）においてＦＡＢ１を作製したワイヤＷを上記汎用型電子顕微鏡にて外観観察を行い、ＦＡＢ１の重心位置ＣからワイヤＷの中心軸Ｌまでのワイヤ垂直方向（ワイヤの短手方向）Ｐに沿った距離Ｄを計測した（図２参照）。計測した距離Ｄがワイヤ直径φｗの０．１倍以上離れていたワイヤＷを偏芯があると判断した。偏芯発生率は、作製した５００個のＦＡＢ１に対する偏芯が発生した個数の比率を示す。


Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　結果は、表１に示すとおりであり、実施例１～１２では、光反射率が９９．５％以上、伸線加工時の断線回数が５回以下、ＦＡＢ形成性が１００％、ＨＡＺ長さが１００μｍ以下となり、いずれの評価項目も良好な結果が得られた。
　また、Ａｕの含有量が０．５質量％以上である実施例１、３～６、８、９では、偏芯発生率が１０％より小さくなり作製したＦＡＢが偏芯しにくかった。
　一方、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ未満である比較例１及び２では、ＨＡＺの長さが１００μｍより長く耐熱性に問題があった。
　Ａｕ及びＰｄの合計量が０．５質量％未満である比較例３、４及び５では、断線回数が５回を越え伸線加工性が悪く、ＦＡＢ形成性も低かった。
　Ａｕ及びＰｄの合計量が１．０質量％を越える比較例６及び７では、光反射率が９９．５％未満となり、光反射率が大幅に低下した。
　Ｃａの含有量が１００質量ｐｐｍを越える比較例８ではＦＡＢ形成性が低かった。

Claims (3)

  1. 　Ａｕ及びＰｄから選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が０．５質量％以上１．０質量％以下であり、Ｃａの含有量が５０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｇからなるボンディングワイヤ。
  2. 　Ａｕの含有量が０．５質量％以上１．０質量％以下である請求項１に記載のボンディングワイヤ。
  3. 　Ｃａの含有量が６０質量ｐｐｍ以上９０質量ｐｐｍ以下である請求項１又は２に記載のボンディングワイヤ。
PCT/JP2017/004771 2016-03-11 2017-02-09 ボンディングワイヤ WO2017154453A1 (ja)

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