説明

ボンディングワイヤ

【課題】銅製芯材1と被覆層2との密着性を向上させる。
【解決手段】集積回路素子の電極aと回路配線基板の導体配線cをボールボンディング法によって接続するための線径L12μm以上50.8μm以下のボンディングワイヤWである。純度99.99質量%以上の銅からなる芯材1の外周面をビースブラウト、ショットブラスト、酸処理、ストライキめっき等によってRa:0.1〜0.4μmの粗面化する。その粗面化した芯材外周面にPd、Ptからなる耐酸化性の被覆層2を形成する。この粗面化によって芯材外周面と被覆層2との密着面積が増加して密着力が改善される。このため、ワイヤの屈曲によって被覆層の亀裂が生じにくく、Cu表面が被覆層表面に露出し難い。このように露出しないことは、被覆層の厚みを薄くし得ることであり、FABの硬化を招き難く、また経済的である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、IC、LSI、トランジスタ等の集積回路素子上の電極と、リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等の回路配線基板の導体配線とをボールボンディング法によって接続するためのボンディングワイヤ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
この種のボールボンディング法による接続方法は、図1(a)〜(h)に示す態様が一般的であり、同図(a)に示す、ワイヤWがキャピラリー10aに挿通されてその先端にボール(FAB:Free Air Ball)bが形成された状態から、クランプ10bが開いて、キャピラリー10aが集積回路素子の電極aに向かって降下する。このとき、ボール(FAB)bはキャピラリー10a内に捕捉され、キャピラリー10aの中心にボンディングされる。
【0003】
ターゲットである電極aにボールbが接触すると(キャピラリー10aが電極aに至ると)キャピラリー10aがボールbをグリップし、ボールbに熱・加重・超音波を与え、それによってボールbと電極aが固相接合され、1stボンドが形成されて電極aと接着する(1st接合、図1(b))。
1stボンドが形成されれば、キャピラリー10aは、一定高さまで上昇した後(同図(c))、導体配線cの真上まで移動する(同図(d)〜(e))。このとき、安定したループを形成するため、キャピラリー10aに特殊な動きをさせてワイヤWに「くせ」を付ける動作をする場合がある(同図(d)の鎖線から実線参照)。
【0004】
導体配線cの真上に至ったキャピラリー10aは、導体配線cに向かって降下し、ワイヤWを導体配線(2ndターゲット)cに押付ける(同図(e)〜(f))。これと同時に、その押付け部位に熱・加重・超音波を与え、それによってワイヤWを変形させ、ワイヤWを導体配線c上に接合させるためのステッチボンドと、次のステップでテイルを確保するテイルボンドを形成する(2st接合、図1(f))。
【0005】
その両ボンドを形成した後、キャピラリー10aはワイヤWを残したまま上昇し、キャピラリー10aの先端に一定の長さのテイルを確保した後、クランプ10bを閉じて(ワイヤWをつかんで)、テイルボンドの部分からワイヤWを引きちぎる(図1(g))。このとき、テイルボンドがワイヤWを仮止めしているため、テイルボンドをなすワイヤWはキャピラリー10aと一緒に上昇しない。
【0006】
キャピラリー10aは、所要の高さまで上昇すると停止し、そのキャピラリー10aの先端に確保されたワイヤWの先端部分に、放電棒gでもって高電圧を掛けて火花を飛ばし(放電し)、その熱でワイヤWを溶かし、この溶けたワイヤ素材は表面張力によって球状に近いボールbになって固まる(図1(h))。
【0007】
以上の作用で一サイクルが終了し、以後、同様な作用によって、電極aと導体配線cのボールボンディング法による接続がされる。
【0008】
このボールボンディング法による接続において、ボンディングワイヤWには、金線が主に使用されるが、金は高価であるため、近年、安価な銅線を使用することが行われている。
この銅線製ボンディングワイヤWは、その剛性が高いと、円滑に変形せず(図1(d)〜(f))、十分な接合強度を得ることができず、連続ボンディング性(例えば、10,000回ボンディングしてマシンストップの有無(回数)により判定)が良くない。また、その接合強度を得るために、2nd接合時の圧接強度(キャピラリー10aによる押し付け強度)を大きくすると、キャピラリー10aの寿命が短くなる問題がある。
このため、線径を細くしたり、純度の高い銅、例えば、純度99.9質量%以上(3N)や同99.99質量%以上(4N)さらに同99.999質量%以上(5N)のものを使用したりしている。
【0009】
さらに、銅は裸のままでは、表面の酸化が起こり易いことから、図2に示すように、銅線からなる芯材1に耐酸化金属2を被覆したものが使用されている。
その被覆金属(被覆層)2としては、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)等が採用されている(特許文献1〜3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2003−133361号公報
【特許文献2】特開2004−64033号公報
【特許文献3】特開2007−12776号公報
【0011】
この金属被覆の銅線からなるボンディングワイヤWにおいて、近年の電子部品の小型化等による集積回路素子間の極小化に伴い、上記ボールbもより小さくする必要、及び上記剛性の点から、ボンディングワイヤWにも小径のものが望まれ、そのためには、その径Lを50μm以下とするのが好ましいとされている(特許文献1段落0009第12〜14行)。
【0012】
また、集積回路素子の電極aへの接続において、ボールbが下向き槍状(逆円錐状)になっていると、上記ボールbの電極aへの押付け時、そのボールbの尖鋭端によって電極aを損傷させる恐れがあるため、ボールbはできるだけ、真球であることが好ましい。そのボールbの真球度を高めるために、上記被覆層2の厚みtを芯線径の0.001以下としたり(特許文献1請求項1)、同0.001〜0.02μmとしたり(特許文献3請求項1)、芯材1の銅よりも高融点の耐酸化金属で被覆層2を形成したりしている(特許文献2段落0014)。
【0013】
さらに、芯材1の銅に、リン(P)、ボロン(B)、ビスマス(Bi)、錫(Sn)、銀(Ag)、マンガン(Mg)を添加して、ピール試験(剥離試験)での破断伸びを増加させると共に、ボールの溶融時にそのP等の添加金属が被覆層2を形成する耐酸化性金属との相乗効果によって、ボールの真球性を向上させる技術も開示されている(特許文献4段落0055)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
この耐酸化金属で銅線を被覆したボンディングワイヤWは、上記ボールbの真円度を得るためには、被覆層2の厚みは出来るだけ薄い方が好ましいが、下記の熱焼鈍処理後の伸線時、その被覆層2が薄いと、被覆層2に切れ(亀裂)が発生して芯材1の銅が露出して酸化する恐れがある。
また、近年のボールボンディング法による作業の安定化が望まれ、その安定化の手段の一つとして、ボールbの接合強度の向上があり、その向上には、芯材の電気抵抗値を高めてボールbを速く溶融することが考えられ、その場合、上記P等を芯材に添加する手段などの選択をし得る。電気抵抗値を高めることで、FAB形成の際のスパークを低電流・短時間で行うことができる。
さらに、作業を高速化すると、上記ボールボンディング法による接続において、図1(e)〜(f)に示した、キャピラリー10aが導体配線cに向かって降下し、ワイヤWを導体配線(2ndターゲット)cに押付けて、ワイヤWを海老の尻尾のように屈曲させると(同図(f)参照)、その屈曲に伴って被覆層2に亀裂が入る場合がある。被覆層2に亀裂が入れば、その亀裂個所の耐酸化性が劣化することとなり、同図(h)におけるボールbの形成時、その真球の形成に問題が生じる。
【0015】
この発明は、上記被覆層2の薄肉化を図り得るようにすることを第1の課題、芯材の電気抵抗値を高めるとともに耐酸化性の低下を防止することを第2の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
上記第1課題を達成するために、この発明は、芯材の外周面を粗面化し、その粗面化した外周面に耐酸化性の被覆層を形成することとしたのである。
粗面化すれば、芯材外周面と被覆層が3次元方向に接触してその接触面積が増大するため、アンカー効果によって芯材と被覆層の密着度が向上する。
【0017】
この発明の具体的の構成としては、集積回路素子の電極と回路配線基板の導体配線をボールボンディング法によって接続するための線径:12〜50.8μmのボンディングワイヤにおいて、純度99.9質量%以上の銅からなる芯材の外周面は粗面化され、その粗面化された外周面に耐酸化性の被覆層が形成されている構成を採用することができる。
【0018】
この構成において、ボンディングワイヤWの線径Lを、50.8μm以下としたのは、上述の特許文献1ではその径Lを50μm以下としているが、50.8μm以下であれば、50μm以下とかわらない程度でもって、上記ボールbをより小さくできるからである。
また、線径Lの下限を12μm以上としたのは、12μm未満ではボンディング前にオペレータがワイヤWをキャピラリー10aに通すのが困難になり、作業性が悪くなるからである。
芯材1の銅純度を99.9質量%以上としたのは、銅の高導電性及び低剛性を担保するためである。
【0019】
さらに、芯材外周面の粗度(Ra)は、被覆層2の厚み、材質等と下記の伸線時の被覆層の切れ(割れ)度合が生じない密着度を考慮して実験などによって適宜に決定すれば良いが、粗度が低い、例えば、Ra=0.1μm未満とあると、密着度が低く、前記切れが生じやすい。一方、粗度が高い、例えば、Ra=0.4μmを超えると、伸線時、粗面凸部の被覆層が剥がれてダイスにたまり易く、その剥がれた被覆はキズの原因となる。
その芯材外周面の粗面化には種々の手段が考えられるが、例えば、ビーズブラスト、ショットブラスト、希硝酸、希塩酸による電解処理(酸処理)、シアン系Cuストライクめっき等を採用できる。因みに、シアン系Cuストライクめっきは、初期段階では、銅ワイヤ表面(外周面)に粒子状に銅が析出して凹凸状にめっきされ、さらにその上に覆い被さるように銅がめっきされて堆積していき、それが繰り返されることでめっき層が形成されるものであり、初期段階において、所要の粗面になった時点でめっき処理を止めることによって、粗面化しためっき面を得ることができる。
【0020】
上記被覆層を形成する耐酸化性金属としては、従来と同様に、Au、Pt、Pd、Ag、Ni等を採用できる。
この被覆層を形成した場合、通常、その被覆層と芯材との密着性を向上させるため、拡散焼鈍のための熱焼鈍処理が行われるが、芯材外周面の粗面化によって密着度が向上すれば、その熱焼鈍処理を行うことなく伸線加工を行うことできることとなって、製作作業の向上を図ることができる。この伸線加工においては、その加工時、被覆層と芯材の各表面が割れ(切れ)、互いの新生面(酸化などをしていない新鮮な面)同士が新たに接合することとなってその被覆層と芯材の間は密着することとなるが、粗面化して密着面積が増大していると、その新生面同士の接合面積が前記割れ面積より多くなって密着性は向上する。一方、粗面化されていないと、その新生面同士の接合面積も少なく、前記割れ面積の方が多くなって密着性は低下する。低下すれば、被覆層の剥離が生じる。
【0021】
また、被覆層2の厚みtは薄いほど、ボールbの硬度が低くなり、Siチップ(電極a)の損傷の可能性が低くなるが、薄すぎると、ステッチボンド接合の際に芯材1の銅が露出する度合いが大きくなり、粗面化によって密着度を向上させているにも拘わらず、被覆層2を有さない銅ワイヤ程度のステッチボンド接合性しか発現できない恐れがある。このため、例えば、被覆層2の厚みtは0.01〜0.02μmとする。
さらに、上記拡散焼鈍処理を行えば、被覆層と芯材の密着性を高めることができるが、その際、安定した作業とし得るために、その拡散(合金)層の厚さは0.005μm以下となるように、低温・短時間の拡散焼鈍処理を施すようにし得る。このようにすれば、被覆層2に芯材1の銅が析出すること(銅化)が無くなるとともに、被覆層2の厚みtを必要以上に厚くする必要が無くなるため、FABの硬化を招かず、また、Pd等の使用量も少なくなって経済的となる。因みに、拡散焼鈍処理を行う場合、被覆層2が厚ければ厚いほど、被覆層2の銅化の恐れはないが、その被覆層を成すPd等は値段が高く、被覆層が厚くなれば、経済的で無いうえに、FABの硬化を招く。
【0022】
上記被覆層2は、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等の周知の手段によって形成され、一般に、ワイヤWは大きな線径の銅ロッドをダイスと呼ばれるツールに順次貫通させていくことにより、所定の線径に仕上げられるため、この工程途中の適宜な線径で被覆層2を前記手段により形成する。このとき、被覆する際の芯材1の線径は作業性・コストにより決定されるが、製造装置の制限から0.2〜0.8mmが一般的である。外周全面にPd等の金属を被覆された被覆線は、必要に応じて200〜300℃(被覆線の温度)で拡散熱処理を施して前記芯材1と被覆層2の密着性を高めた後、線径12μm以上50.8μm以下まで伸線し、さらに、引張伸びが8%以上となるように調質熱処理を行って、被覆層2の厚みt:0.01〜0.02μmとすることができる。
引張伸びを8%以上とするのは、ステッチボンド接合性を上げ、より安定したボンディング性を得るためである。
【0023】
上記第2の課題を達成するため、この発明は、芯材に上記の電気抵抗値を高めるP、B、Bi、Sn、Ag、Mgの内、Pを添加することとしたのである。
このPの添加によって電気抵抗値が高くなり、FAB形成の際のスパークを低電流・短時間で安定して供給してそのFABの形成ができる。
Pは、添加しても加工熱安定性がある上に、一般的にCu−P合金として販売されていて、その入手も容易である上に、所要の添加量を得やすい。これに対し、Bは熱安定性が悪いことから、添加が困難であり、Biは環境面から好ましくなく、Snは溶解によって煤ができる問題があり、Agは酸化し易いことから、信頼性が劣り、Mgは蒸気圧が低いことから添加し難い問題がある。
そのPの添加量は、ワイヤの溶融度合、1st接合、2nd接合における接合度合を考慮して適宜に設定すれば良いが、例えば、その添加量を5〜250ppmとする。250ppmを超えると、ワイヤの電気抵抗が高くなりすぎて、Siチップ等の素子(電極a)からリード(導体配線c)に信号を伝えるというボンディングワイヤとしての機能を阻害する恐れがあり、一方、同5ppm未満では、低電流・短時間によるボール形成の効果を得ることができない恐れがある。
【0024】
また、このPを添加した芯材1において、さらに、その芯材1の耐酸化性を高めるために、上記のAu、Pt、Pd、Ag、Ni等を添加することができるが、これらの内、Ag、Ni、鉄(Fe)、Mnは容易にPと化合物(Ag−P、Ni−P、Fe−P、Cr−P、Mn−P)を作るため、Pとの化合によって耐酸化性の劣化を招く恐れがあって、耐酸化性の向上に寄与しなくなる。このため、溶融してもPと化合しない、Au又はRu、Rh、Pd、Os、Ptの白金族(Pt族)の少なくとも1種以上を添加することとする。このとき、所要量の添加のし易さから、1種がより好ましく、2種にするのが好ましい。
このように、Pと化合しないAu及びPt族であれば、Pの添加による電気抵抗値(抵抗熱)の向上を得ることができるとともに、Au等の添加による耐酸化性の向上を図ることができる。
【0025】
その耐酸化性向上のためのAu等の添加量は、例えば、合計で10〜1000ppmとする。1000ppmを越えると、ワイヤWの強度が高くなりすぎて、1st接合時のチップクラックの原因となる恐れがあり、10ppm未満では耐酸化性の効果を望めなく恐れがある。
【発明の効果】
【0026】
この発明は、以上のように、芯材外周面を粗面化して被覆層との密着度を向上させたので、被覆層の厚みを薄くすることができて、FAB硬度の低減により、安定した接合性を得ることができる。
また、電気抵抗値を高めたので、低電流・短時間で安定してFABの形成ができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】ボールボンディング接続法の説明図であり、(a)〜(h)はその途中図
【図2】この発明に係るボンディングワイヤの断面図
【図3】オージェピーク強度と被覆層(めっき層)深さの関係図
【図4】オージェピーク強度と被覆層(めっき層)深さの関係図
【発明を実施するための形態】
【0028】
表1に示す実施例1〜11及び比較例1〜6を製作し、そのボンディングワイヤWの被覆層2の組成度合、同被覆層のキズ度合、同1st接合部のSiチップ(電極a)の損傷度合、及びHTST(High Temperature Storage Test)の試験(観察)を行った。
すなわち、まず、銅純度99.99質量%(4N)の純銅からなる芯材1の外周面に、ショットブラスト、希硝酸処理、又はシアン系Cuストライクめっきによって粗面化処理を行い、その純銅線にPd又はPtを電解めっき法によって被覆し、その被覆線を巻き戻し、焼鈍炉を通したのち、再び巻き取り用リールで巻き取ることによって連続拡散熱処理を行った。焼鈍炉は炉長1mの炉芯管を有する電気炉を用い、炉芯管には窒素ガスを流した。その炉温度は500℃以上800℃以下として被覆線(銅合金線)の温度を200〜300℃とし、その被覆線の走行速度は5〜60m/分とした。
以上の拡散熱処理を施して銅線(芯材)1と被覆層2の密着性を高めた後、線径15〜50μmまで伸線し、さらに、引張伸びが8%以上となるように調質熱処理を行って、被覆層2の厚みt:0.002〜0.041μmのボンディングワイヤW(実施例1〜11及び比較例1〜6)を得た。
【0029】
つぎに、この各ボンディングワイヤWにおいて、表1に示す各線径、被覆厚等において、下記の評価を行った結果を表2に示す。

「表面被覆層の厚み」
オージェ分光分析法による深さ分析を行った。深さ分析はArイオンでスパッタしながらPdまたはPtの濃度を測定し、SiO換算して表層からの距離を算出した。表面被覆層2の厚みは、表層のPdまたはPt濃度の測定値の1/2の濃度になる点までを表面被覆層の厚みとした(図3参照)。
「拡散焼鈍」
繰り出し機から繰り出したワイヤWを各温度に設定した電気炉の中に通し、反対側から巻き取る方法で連続的に処理した。
「拡散(合金)層」
オージェ分光分析法による深さ分析の結果から算出した。PdまたはPtの濃度が84%から16%になるまでの距離(めっき膜厚)を拡散(合金)層とした(図4参照)。
「表面被覆組成」
表面からのオージェ分光分析の結果、ごく表層のCu濃度が5mass%未満ならA、5mass%以上ならCとした。
「粗度」
非接触の超深度形状測定顕微鏡(株式会社キーエンス製 VK−8550)により、線(ワイヤW)の長さ方向の粗度:Raを測定した。なお、長さ方向としたのは、径方向(周方向)にずれると、芯材1の伸線時の凹凸も含まれて、適切な粗度を確認できないからである。
「表面被覆キズの発生」
同超深度形状測定顕微鏡で観察し、表面にキズが確認されない場合はA、3μm以上のキズが確認できた場合はCとした。
「1st接合部のSiチップ損傷」
ボンディング後、1stボール接合部直下のSiチップ損傷を評価するために、ボール接合部および電極膜を王水で溶解し、Siチップのクラックを走査型電子顕微鏡(SEM)500倍の倍率で観察した。
100個の接合部を観察して5μm未満の微小なピットが1個もしくはまったく見られない場合はA、5μm以上のクラックが2個以上認められた場合をCとした。
「HTST」
ボンディング後、200℃に加熱された大気炉にリードフレームを入れ、1000hr経過後のワイヤWの状態を光学顕微鏡500倍の倍率で確認した。酸化が進んでいないものはA、キズが発生し、Cuが露出することによってワイヤWに酸化部が点在しているものはB、表面被覆層全体が酸化しているものはCとした。
「総合評価」
すべての項目がAのものをA、ひとつでもBまたはCがあるものをCとした。
【0030】
【表1】

【0031】
【表2】

【0032】
この試験結果から、芯材1の外周面を粗面化した本発明に係る実施例1〜11においては、総合評価に置いて「A」を全て得ているのに対し、粗面化しないもの(比較例2、5)は、キズが発生したり、HTSTにおいて満足いけるものでなかったりしている。また、他の比較例1、3、4、6においても、被覆層厚等によって、各評価において問題がある。このため、被覆層厚等は、使用態様によって適宜に決定する。
【符号の説明】
【0033】
P ボンディングワイヤ
1 芯材
2 被覆層
a 集積回路素子の電極
b ボンディングボール
c 回路配線基板の導体配線

【特許請求の範囲】
【請求項1】
集積回路素子の電極(a)と回路配線基板の導体配線(c)をボールボンディング法によって接続するための線径(L):12〜50.8μmのボンディングワイヤ(P)であって、純度99.9質量%以上の銅からなる芯材(1)の外周面は粗面化されて、その粗面化された外周面に耐酸化性の被覆層(2)が形成されていることを特徴とするボンディングワイヤ。
【請求項2】
上記被覆層(2)の層厚(t)を0.01〜0.02μmとした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。
【請求項3】
上記芯材(1)の外周面の粗面度Raを0.1μm以上0.4μm未満とした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。
【請求項4】
上記記芯材(1)の外周面は、ビーズブラスト、ショットブラスト、酸処理又はシアン系Cuストライクめっきによって粗面化されたものであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載のボンディングワイヤ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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