合金ワイヤおよび半導体装置

【課題】第２ボンド後のワイヤ引きちぎり性を改善し、その後の第１ボンド前のボール形成時の偏芯およびボール寸法の変動を抑制することによって、安定的なボンディング性を有する合金ワイヤおよびそれを備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】合金ワイヤ１０は、リンを５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含み、残部が銅および不可避不純物を含んでいる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金ワイヤおよび半導体装置に関し、特に、リンを含む合金ワイヤおよびそれを備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の電極と基板電極、または別の半導体素子の電極同士を電気的に接続する方法として、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などのワイヤボンドが用いられている。
【０００３】
一般的なワイヤボンディング方法では、たとえば、半導体チップが実装された基板上において、キャピラリの先端から延在したワイヤが第１ボンド点および第２ボンド点の順に、ボンディングされる。通常ワイヤボンディング点は複数あるため、この動作が繰り返される。
【０００４】
第１ボンドに続いて第２ボンドが終わると、ワイヤを切るため、キャピラリがワイヤに押し付けられる。続いて、ワイヤを挿通した状態でキャピラリが上昇し、クランプが閉じられる。クランプが閉じられた状態でワイヤを引っ張ることよってワイヤが引きちぎられる。その後、ワイヤの先端の側方に配置された放電電極によって引きちぎられたワイヤテールに向けて放電が行われる。これにより、ワイヤの先端にボールが形成される。そして、そのボールによって再び第１ボンドが行われる。以降、上記動作が繰り返し行われる。
【０００５】
第２ボンド後のワイヤを切る際にワイヤが引っ張られて引きちぎられるため、ワイヤテールが傾斜したり、曲がったりすることがある。これにより、その後のボールの形成が安定して行われないことがある。そのため、ボールが略真球にならずにワイヤの芯に対して偏芯したり、ボールの寸法が変動したりすることによって、ワイヤボンディングの位置精度低下およびワイヤボンディング強度ばらつきが生じる。これにより、信頼性が大きく低下する。
【０００６】
特に狭いピッチの小パッドには、ワイヤの機械的性質などから金ワイヤの使用が主流であるが、コスト低減のため銅ワイヤの使用も増えてきている。銅ワイヤは、金ワイヤに比べて酸化しやすい。銅酸化膜は銅に比べて熱伝導率が悪く融点も高いためボール形成時に内部の銅と均一に交じり合わない。このため、ボールが略真球にならずに偏芯しやすい。また、ワイヤが引っ張られて引きちぎられるため、銅ワイヤの酸化の影響で、ワイヤテール形状が安定せず、次のボール形成が安定して実施されない。
【０００７】
そこで、たとえば特開２００７−２９４５８１号公報（特許文献１）にはワイヤテール部の曲がりを防止する方法が提案されている。この方法では、ワイヤ切断前にキャピラリを横方向に振幅動作をさせて切断部に微小なひびを入れた後にワイヤの切断動作を行うことで、ワイヤに大きな引張り力をかけずにワイヤが切断される。
【０００８】
また、たとえば特開２００９−１３５１６８号公報（特許文献２）にはボールの偏芯およびボール寸法の変動を抑制する方法が提案されている。この方法では、ワイヤ切断前に、ワイヤを挿通した状態でキャピラリの位置を移動させることにより、傾斜したワイヤが修正される。
【０００９】
ところで、ワイヤ自体への添加材について、特に第１ボンド性を改善するための添加材が提案されている。たとえば特開２０１０−１７１２３５号公報（特許文献３）には、純度９９．９９９９質量％以上の高純度銅に０．５〜１５ｐｐｍのリン（Ｐ）を添加した銅ワイヤが提案されている。また、たとえば特開２００３−１３３３６４号公報（特許文献４）には、純度９９．９９９質量％以上の高純度銅でリン含有量が４０〜４００質量ｐｐｍの銅ワイヤが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２９４５８１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３５１６８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７１２３５号公報
【特許文献４】特開２００３−１３３３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特開２００７−２９４５８１号公報に記載された方法では、ワイヤにひびを入れる動作が追加されているため、ボンディング時のタクトタイムが長くなる。このため量産性が乏しいという問題がある。特開２００９−１３５１６８号公報に記載された方法では、キャピラリの位置を移動させる動作が追加されているためボンディング時のタクトタイムが長くなる。このため量産性が乏しいという問題がある。
【００１２】
また、特開２０１０−１７１２３５号公報および特開２００３−１３３３６４号公報に記載された銅ワイヤは、第１ボンド性の改善を目的としたものであって、第２ボンド後の引きちぎり性の改善を目的とした組成の最適化はなされていない。
【００１３】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、第２ボンド後のワイヤ引きちぎり性を改善し、その後の第１ボンド前のボール形成時の偏芯およびボール寸法の変動を抑制することによって、安定的なボンディング性を有する合金ワイヤおよびそれを備えた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の合金ワイヤは、リンを５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含み、残部が銅および不可避不純物を含んでいる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の合金ワイヤによれば、リンが５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含まれているため、合金ワイヤが脆くなることによって合金ワイヤの引きちぎり性を改善することができる。これにより、その後のボール形成時の偏芯およびボール寸法の変動を抑制することができる。また、リンの脱酸効果により銅の酸化が抑制されることによっても、ボール形成時の偏芯およびボール寸法の変動を抑制することができる。したがって、安定的にボンディングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における合金ワイヤの概略斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態における半導体装置の合金ワイヤのボンディングを示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における半導体装置の合金ワイヤのボンディングの一工程を示す概略断面図である。
【図５】図４に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図６】図５に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図７】図６に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図８】図７に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図９】比較例の半導体装置の合金ワイヤのボンディングの一工程を示す概略断面図である。
【図１０】図９に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図１１】図１０に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図１２】図１１に示す工程の後の工程を示す概略断面図である。
【図１３】実施例のサンプルを示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
最初に、本発明の一実施の形態の合金ワイヤを備えた半導体装置の構成について説明する。
【００１８】
図１を参照して、本発明の一実施の形態の半導体装置は、半導体チップ１と、リード端子２と、基板３と、モールド材４と、合金ワイヤ１０とを主に有している。半導体チップ１は、たとえばマイコンおよびパワートランジスタなどである。半導体チップ１とリード端子とは合金ワイヤ１０によって電気的に接続されている。合金ワイヤ１０は半導体チップ１およびリード端子２の各々に接続されている。半導体チップ１は基板３上に搭載されている。半導体チップ１、リード端子２、基板３および合金ワイヤ１０はモールド材４で封止されている。
【００１９】
図１および図２を参照して、合金ワイヤは、リンを５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含み、残部が銅および不可避不純物を含んでいる。合金ワイヤ１０はねじられた状態で塑性変形していることが好ましい。合金ワイヤ１０はねじり応力によって塑性変形している。また、合金ワイヤ１０は、リンを５０００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含んでいることが好ましい。さらに、合金ワイヤ１０は銅を９９．９９９質量％以上含んでいてもよい。
【００２０】
次に、本発明の一実施の形態の合金ワイヤの製造方法について説明する。
銅にリンが所定量添加された原料が真空溶解炉で溶融された後インゴットに鋳造される。このインゴットが溝ロール圧延された後、アニール処理および防錆処理等が施される。これにより、合金ワイヤ１０が製造される。
【００２１】
合金ワイヤ１０がねじられた状態で塑性変形している場合には、合金ワイヤ１０に所定のねじりが加えられる。ねじり装置を用いて適度なねじり塑性変形が合金ワイヤ１０に加えられる。
【００２２】
次に、本発明の一実施の形態の合金ワイヤを備えた半導体装置の製造方法について説明する。
【００２３】
図３を参照して、まず、半導体チップ１が基板３に搭載される。続いて、合金ワイヤ１０が半導体チップ１およびリード端子２にボンディングされる。合金ワイヤ１０は、第１ボンド点５で半導体チップ１とキャピラリ７によって第１ボンドされ、第２ボンド点６でリード端子２にキャピラリ７によって第２ボンドされる。この後、半導体チップ１、リード端子２、基板３および合金ワイヤ１０がモールド材４で封止される。これにより、図１に示す半導体装置が製造される。
【００２４】
次に、本発明の一実施の形態の合金ワイヤを用いたボンディングについて説明する。
図４を参照して、合金ワイヤ１０が第２ボンド点６でリード端子２に第２ボンドされると、合金ワイヤ１０を切るため、キャピラリ７が合金ワイヤ１０に押し付けられる。続いて、図５を参照して、合金ワイヤ１０を挿通した状態でキャピラリ７が上昇し、クランプ８が閉じられる。クランプ８が閉じられた状態で合金ワイヤ１０を引っ張ることよって合金ワイヤ１０が引きちぎられる。本発明の一実施の形態の合金ワイヤ１０は容易に引きちぎられるため、合金ワイヤ１０のワイヤテール１１が傾斜したり、曲がったりすることが抑制される。
【００２５】
その後、図６を参照して、合金ワイヤ１０の先端の側方に配置された放電電極９によって引きちぎられたワイヤテール１１に向けて放電が行われる。これにより、図７を参照して、合金ワイヤ１０の先端にボール１２が形成される。本発明の一実施の形態の合金ワイヤ１０では合金ワイヤ１０のワイヤテール１１が傾斜したり、曲がったりすることが抑制されるため、ボール１２形成時の偏芯およびボール１２寸法の変動を抑制することができる。そして、図８を参照して、そのボール１２によって第１ボンド点５で第１ボンドが行われる。本発明の一実施の形態の合金ワイヤ１０ではボール１２形成時の偏芯およびボール１２寸法の変動を抑制することができるため、安定的にボンディングすることができる。以降、上記動作が繰り返し行われる。
【００２６】
次に、本発明の一実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図９を参照して、比較例の合金ワイヤ１０は、リンが０質量ｐｐｍ以上４００質量ｐｐｍ以下含まれている点で本発明の一実施の形態の合金ワイヤ１０と異なっている。比較例の合金ワイヤ１０では、合金ワイヤ１０を引っ張ることよって合金ワイヤ１０が引きちぎられると合金ワイヤ１０のワイヤテール１１が大きく傾斜するとともに曲がる。
【００２７】
その後、図１０を参照して、合金ワイヤ１０の先端の側方に配置された放電電極９によって引きちぎられたワイヤテール１１に向けて放電が行われる。これにより、図１１を参照して、合金ワイヤ１０の先端にボール１２が形成される。比較例の合金ワイヤ１０では合金ワイヤ１０のワイヤテール１１が大きく傾斜するとともに曲がっているためボール１２が偏芯する。またボール１２寸法の変動も大きくなる。
【００２８】
そのため、図１２を参照して、そのボール１２によって第１ボンド点５で第１ボンドが行われると、ワイヤボンディングの位置精度が低下する。またワイヤボンディング強度にばらつきが生じる。これにより、信頼性が大きく低下する。
【００２９】
本発明の一実施の形態の合金ワイヤによれば、リンが５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含まれているため、合金ワイヤ１０が脆くなることによって合金ワイヤ１０の引きちぎり性を改善することができる。これにより、その後のボール１２形成時の偏芯およびボール１２寸法の変動を抑制することができる。また、リンの脱酸効果により銅の酸化が抑制されることによっても、ボール１２形成時の偏芯およびボール１２寸法の変動を抑制することができる。したがって、安定的にボンディングすることができる。
【００３０】
また、本発明の一実施の形態の合金ワイヤによれば、合金ワイヤがねじられた状態で塑性変形しているため、リン化合物と銅との粒界に歪みが生じる。このため、合金ワイヤ１０をさらに容易に引きちぎることができる。これにより、合金ワイヤ１０の引きちぎり性をさらに改善することができる。
【００３１】
また、本発明の一実施の形態の合金ワイヤによれば、リンが５０００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含まれているためボール１２形成時の偏芯およびボール１２寸法の変動をさらに確実に抑制することができる。
【００３２】
また、本発明の一実施の形態の合金ワイヤによれば、銅が９９．９９９質量％以上含まれているため、生産コストを含めた生産性を向上しつつ、安定的にボンディングすることができる。
【００３３】
また、本発明の一実施の形態の半導体装置によれば、半導体チップとリード端子とを電気的に接続するように半導体チップおよびリード端子の各々に合金ワイヤ１０が接続されている。このため、合金ワイヤ１０が安定的にボンディングされた半導体装置を得ることができる。これにより、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１を参照して、本発明の実施例および比較例の合金ワイヤを準備した。９９．９９９質量％以上の高純度銅金属を原料として、リンを所定量添加し、表１に示すような組成のφ３０μｍの銅合金ワイヤをそれぞれ準備した。ワイヤ加工は、まず所定量の原料を真空溶解炉で溶解した後インゴットに鋳造した。このインゴットに溝ロール圧延をした後、アニール処理、防錆処理等を施して銅合金ワイヤを作製した。さらに、実施例１１〜１６では合金ワイヤに所定のねじりを加えた。ねじり装置を用いてねじり応力を加えることで適度なねじり塑性変形を加えた。ねじり回数はワイヤ径、ワイヤの材料によって異なるが、リンを５０００質量ｐｐｍ添加し、φ３０μｍの合金ワイヤに、２ｍ毎に４０回ほどのねじりを加えて、合金ワイヤをねじり塑性変形させた。なお、ねじり回数については、ワイヤが塑性変形していればよく、上記回数に限定するものではない。
【００３５】
【表１】

【００３６】
次に、図１３を参照して、基板２０にボール形成（φ６０μｍ）と、第２ボンドのみを繰り返し行うようなサンプルを各銅合金ワイヤについて４００個作製した。具体的には、合金ワイヤ１０の先端に放電を行い、ボール１２を形成した。クランプ８（図４）を開けて、合金ワイヤ１０を所定の長さ出して、キャピラリ７（図４）を移動し、基板２０の所定の位置に第２ボンドを行った。第２ボンドが終わると、合金ワイヤ１０を切るため、キャピラリ７を合金ワイヤ１０に押し付けた。続けて、キャピラリ７を上昇させ、クランプ８を閉じることで、合金ワイヤ１０を引きちぎった。その後、合金ワイヤ１０の先端に放電を行う動作を繰り返し行った。
【００３７】
ボール形成雰囲気は窒素（Ｎ）などの不活性ガスと水素（Ｈ）１％の混合ガスとした。水素（Ｈ）は爆発の危険があるため、少ないほうが良いが、一方で、酸素（Ｏ）と反応して、ボールの酸化をより防ぐことができる（還元作用）。ただし、上記ガスを吹き付けていても、酸素を完全に除去することはできず、一部は残存している。ガスの吹き付け量は、任意であるが、吹き付け量を多くしすぎると、ボール形成時のアークを消してしまい、ボール形成が困難である。また吹き付け量を少なくしすぎると、ガスの不活性、還元効果が薄れる。ガスの吹き付け量は、たとえば０．４〜０．６Ｌ／分である。
【００３８】
次にボール表面観察を実施し、ボールが良好な形状でない割合（＝不良率［％］）を算出した。結果を表１に示す。なお、ボール形状不良とは、たとえば、ボールが真球にならずに、槍状のもの、楕円球のもの、芯の位置がずれているもの（偏芯）、表面に酸化が見られたもの（変色）、クレータが見られたもの、ボール表面が滑らかではなく、一部にしわが見られたものを言う。なお槍状、楕円状のボールの表面を見ると、酸化膜と見られるような変色部分が表面に多く見られた。
【００３９】
ボール表面観察の結果、比較例１〜５および実施例１〜１６に示すようにリンを添加することで、リンを添加しない場合と比べてボール形成不良率が低下した。これは、リンを添加することで、リンが酸素と化合してボール表面の酸化を防止しているため、良好なボール形成がされたと考えられる。なおリンは酸化リンとして気化するため、ボール表面には残存しない。また、銅内にリンを添加していくと、純銅に比べて、脆くなるため、引きちぎりが容易で、安定し、ワイヤテールが傾斜したり、曲がったりせず、ボール形成が良好になると考えられる。
【００４０】
ボール形成不良率はリンの添加量が５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下の間で良好な結果となった。そして、リンの添加量が５０００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下の範囲でさらに良好な結果となった。
【００４１】
リンの添加量が５００質量ｐｐｍより少ないと、ボール形成不良率が高く、得られる効果は小さかった。また、リンを５００００質量ｐｐｍより多く添加すると、脆くなりすぎてしまい、合金ワイヤ１０の製造時の溝ロール圧延時に、一部ワイヤに亀裂が発生するものが見られた。このため、リンの添加量としては歩留まりを考慮すると５００００質量ｐｐｍ以下が好ましいことがわかった。
【００４２】
さらに合金ワイヤにねじりを加えることで、ボール形成不良率を０％にすることができた。ねじりを加えることで、合金ワイヤ内のリン化合物と銅との粒界に歪みが生じ、容易に合金ワイヤが引きちぎられたため、ワイヤテールの変形が抑制されたと考えられる。
【００４３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４４】
１半導体チップ、２リード端子、３基板、４モールド材、５第１ボンド点、６第２ボンド点、７キャピラリ、８クランプ、９放電電極、１０合金ワイヤ、１１ワイヤテール、１２ボール、２０基板。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
リンを５００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含み、残部が銅および不可避不純物を含む、合金ワイヤ。
【請求項２】
前記合金ワイヤがねじられた状態で塑性変形している、請求項１に記載の合金ワイヤ。
【請求項３】
前記リンを５０００質量ｐｐｍ以上５００００質量ｐｐｍ以下含む、請求項１または２に記載の合金ワイヤ。
【請求項４】
前記銅を９９．９９９質量％以上含む、請求項１〜３のいずれかに記載の合金ワイヤ。
【請求項５】
半導体チップと、
リード端子と、
前記半導体チップと前記リード端子とを電気的に接続するように前記半導体チップおよび前記リード端子の各々に接続された請求項１〜４のいずれかに記載の合金ワイヤとを備えた、半導体装置。

【図１】