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JP2004014884A - ボンディングワイヤー - Google Patents

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JP2004014884A
JP2004014884A JP2002167809A JP2002167809A JP2004014884A JP 2004014884 A JP2004014884 A JP 2004014884A JP 2002167809 A JP2002167809 A JP 2002167809A JP 2002167809 A JP2002167809 A JP 2002167809A JP 2004014884 A JP2004014884 A JP 2004014884A
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JP
Japan
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core material
bonding
wire
bonding wire
coating layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002167809A
Other languages
English (en)
Inventor
Shingo Kaimori
改森　信吾
Takeshi Nonaka
野中　毅
Masato Fukagaya
深萱　正人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Wintec Inc
Original Assignee
Sumitomo Electric Wintec Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Wintec Inc filed Critical Sumitomo Electric Wintec Inc
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Abstract

【課題】ボール形成性に優れ、ボンディング時の集積回路素子のダメージを抑制できるボンディングワイヤーを提供する。
【解決手段】芯材と、芯材上に形成された被覆層とを有するボンディングワイヤーである。芯材をマイクロビッカース硬度が８０Ｈｖ以下である金以外の材料で構成する。被覆層は芯材よりも融点が３００℃以上高く銅よりも耐酸化性に優れた金属で構成する。芯材と被覆層の材質を上記のように限定することで、溶融時に安定して真円に近いボール、特に小径のボールを形成することができ、高い信頼性の接合を行うことができる。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路素子（ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ等）上の電極と、回路配線基盤（リードフレーム、セラミックス基盤、プリント基盤等）の導体配線とを接続するのに好適なボンディングワイヤーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路素子と回路配線基板との接続法としては、ボールボンディング法、ウェッヂボンディング法、半田接続法、抵抗溶接法等が行われている。その中でも金細線のボンディングワイヤーを用いたボールボンディング法が一般的である。
【０００３】
通常、ボールボンディング法は以下のプロセスで行われる。移動自在なキャピラリー（以下「ボンディングツール」という）にガイドされたワイヤーの先端を電極トーチ間との放電により溶融し、ボールを形成する。その後、第１ボンディング点である集積回路素子上の電極に、超音波を印加しつつ前記ボールを押圧して接合を形成する（第１ボンド）。さらにワイヤーを引き出しながら、ボンディングツールを第２ボンディング点である回路配線基板の電極に移動して、同様に接続する（第２ボンド）。第２ボンドではボールの形成は行わない。接続後、ボンディングツールを上昇させ、ワイヤーをクランプで引っぱることにより切断する。
【０００４】
このようなボンディングワイヤーの素材としては、一般に金が使用されているが、高価であるため安価な他の金属からなるボンディングワイヤーの開発が望まれている。その要求に応えるものとして、低コストである銅を素材としたボンディングワイヤーが開発されている。
【０００５】
しかし、銅のボンディングワイヤーは表面の酸化が起こりやすいために長時間保存することが難しいことや、ボンディング時の基板からの熱伝導で酸化が進行し、接合性が悪くなるという課題を有する。さらに、銅を用いたボンディングワイヤーは、金に比べて硬いため、第１ボンディング時、集積回路素子へのダメージが大きいという課題もある。
【０００６】
銅ボンディングワイヤーの表面酸化防止に対しては、銅ワイヤーの上に金等の貴金属または耐食性金属を被覆したボンディングワイヤーが提案されている（特開昭６２−９７３６０号公報）。この金メッキ銅ボンディングワイヤーは、金ボンディングワイヤーより遥かに安価であると同時に表面酸化が起こらず良好な接合性を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体デバイスの更なる高集積化、小型化、すなわち隣接ワイヤー間隔の狭小化が押し進められる結果、金メッキ銅ボンディングワイヤーに新たな課題が生じている。隣接ワイヤー間隔の狭小化には径の小さいボールの形成が不可欠であるが、金メッキ銅ボンディングワイヤーで小径ボールを形成しようとすると真球とならず槍状となり、且つ形状の再現性も不安定となり接合信頼性が低下するという課題である。
【０００８】
さらに、第１ボンディング時の集積回路素子のダメージ抑制という課題の解消も望まれている。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、ボール形成性に優れ、ボンディング時の集積回路素子のダメージを抑制できるボンディングワイヤーを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ボンディングワイヤーの芯材の硬度と被覆層の特性を限定することで上記の目的を達成する。
【００１１】
すなわち、本発明ボンディングワイヤーは、芯材と、芯材上に形成された被覆層とを有するボンディングワイヤーであって、前記芯材はマイクロビッカース硬度が８０Ｈｖ以下である金以外の材料で構成され、前記被覆層は芯材よりも融点が３００℃以上高く銅よりも耐酸化性に優れた金属で構成されることを特徴とする。
【００１２】
ボンディングワイヤーの芯材と被覆層の材質がボール形成時の形状安定性に与える影響を鋭意研究した結果、芯材に比べ被覆材の融点が３００℃以上高温であれば金メッキ銅ワイヤーのように小径ボールを形成時にボールが槍状になるという不具合がなく良好形状のボールが得られ易いとの知見を得た。被覆層金属の融点が芯材金属よりも高い場合、被覆層金属の芯材金属への拡散・溶解が抑えられるためボールの真球性が保持されると考えられる。特に、小径のボール形成も容易に実現できる。小径のボールとは、ワイヤー直径の３倍以下のボールとする。
【００１３】
また、ボンディング時の集積回路素子へのダメージを調査した結果、芯材の硬度が８０Ｈｖ以下であれば、このダメージを小さくできるとの知見を得た。特に、芯材の硬度を７０Ｈｖ以下にすると、より一層集積回路素子のダメージを小さくすることができる。
【００１４】
ここで言うマイクロビッカース硬度の測定は次のように行う。ワイヤー先端を溶融して、ワイヤー径に対して２．５倍の径のボール１０を作製し、それを図１（Ａ）に示すように、銀メッキリードフレーム２０上にてサンプリングする。このボール１０を直径１ｍｍのステンレス円柱の平坦部にてリードフレーム２０に押しつけることにより、図１（Ｂ）に示すように、厚みが１／３になるまで押し潰す。この潰れたボール１１の中心の硬度を室温においてアカシ株式会社製の微小硬度測定器ＭＶＫ−Ｇ３を用いて荷重０．５ｇ、保持時間１０秒にて測定する。
【００１５】
芯材に用いる材料としては、金以外の金属を用いる。導電性の観点から銀または銅を主体とする材料が好適である。Ａｇの融点は９６２℃、Ｃｕの融点は１０８４℃である。通常、用いられる芯材材料は、銀と不純物または銅と不純物とからなる。銀の場合、純度は９９．９％以上が好ましい。銅の場合、純度は９９．９９９％以上が好ましい。純度を上げることで、比較的容易に低硬度の材料を得ることができる。芯材に含有する不純物としてはベリリウム、スズ、亜鉛、ジルコニウム、銀、クロム、鉄、酸素、硫黄、水素等が挙げられる。
【００１６】
被覆層に用いる金属としては、パラジウム、白金、ニッケルの少なくとも一種が好適である。Ｐｄの融点は１５５４℃、Ｐｔの融点は１７７２℃、Ｎｉの融点は１４５５℃である。被覆層材は、上記の元素が主体であれば、別の元素を含む合金であっても構わない。特に、パラジウムはニッケルよりも酸化防止能が優れ、白金よりも加工性がよいので最も好適である。被覆層厚はワイヤー径にもよるが芯材径の０．１〜０．０００１倍程度が好適である。
【００１７】
被覆層の形成方法としては電気メッキ法が最適である。太い銅線に厚メッキを施したものを伸線して狙いのワイヤー径、メッキ厚を出すと経済的で好ましい。特に、電気メッキと伸線の組合せは、厚みの均一性および表面の平滑性の点でもすぐれ、ボンディングツールのワイヤー通過穴内面との摩擦が小さくワイヤーのフィード性が良好である。さらには、芯材と被覆層との密着力が高いために、剥がれた被覆層の欠片がボンディングツール内で詰まる問題も解消できる。
【００１８】
本発明ワイヤーの直径は特に限定されない。特に小ボール径を目的とする場合、ワイヤー径は１５‐４０μｍが好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
［実施例１］
純度９９．９５％、直径２００μｍのＡｇボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＰｄメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＡｇ部（芯材）径：２５μｍ、Ｐｄメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：６８のＰｄメッキＡｇボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９７％となるものを使用した。硬度は図１に示した方法により測定を行った（後述する他の実施例・比較例も同様）。最終工程として、長さ５０ｃｍ、３７０℃の炉内を毎分３０ｍで通してＰｄメッキＡｇボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２０】
［実施例２］
純度９９．９９９５％、２００μｍのＣｕボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＰｄメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＣｕ部（芯材）径：２５μｍ、Ｐｄメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：７７のＰｄメッキＣｕボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９７％となるものを使用した。最終工程として、長さ５０ｃｍ、４００℃の炉内を毎分３０ｍで通してＰｄメッキＣｕボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２１】
［実施例３］
純度９９．９９９５％、直径２００μｍのＣｕボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＮｉメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＣｕ部（芯材）径：２５μｍ、Ｎｉメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：７９のＮｉメッキＣｕボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９７％となるものを使用した。最終工程として、長さ５０ｃｍ、４００℃の炉内を毎分３０ｍで通してＮｉメッキＣｕボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２２】
［比較例１］
純度９９．９５％、直径２００μｍのＡｇボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＡｕメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＡｇ部（芯材）径：２５μｍ、Ａｕメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：６８のＡｕメッキＡｇボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９７％となるものを使用した。最終工程として、長さ５０ｃｍ、３７０℃の炉内を毎分３０ｍで通してＡｕメッキＡｇボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２３】
［比較例２］
純度９９．９９９５％、直径２００μｍのＣｕボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＰｄメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＣｕ部（芯材）径：２５μｍ、Ｐｄメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：９１のＰｄメッキＣｕボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９０％となるものを使用した。最終工程として、長さ５０ｃｍ、３４０℃の炉内を毎分３０ｍで通してＰｄメッキＣｕボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２４】
［比較例３］
純度９９．９９５％、直径２００μｍのＣｕボンディングワイヤーに電気メッキして、厚さ０．８μｍのＡｕメッキ被覆層を形成した。このメッキワイヤーを伸線して、中心のＣｕ部（芯材）径：２５μｍ、Ａｕメッキ厚：０．１μｍ、芯材のマイクロビッカース硬度：８８のＡｕメッキＣｕボンディングワイヤーを作製した。伸線速度は直径１００μｍまでは毎分１００ｍ、それ以下は毎分３０ｍで行った。ダイスは一回の通過において、面積比が９７％となるものを使用した。最終工程として、長さ５０ｃｍ、３４０℃の炉内を毎分３０ｍで通してＡｕメッキＣｕボンディングワイヤーにアニールを施した。
【００２５】
［比較例４］
住友金属鉱山株式会社製金ワイヤー（製品名ＮＬ５）を用いる。このワイヤーには被覆層は施さない。
【００２６】
以上の実施例および比較例について、以下の調査を行った。
＜ボール形成能調査＞
そのワイヤーを用いて、ボンダー（株式会社カイジョー製　ＦＢ１３７（型番））で所望径のボールを５０個形成し、その際の形状不良率を調査した。ボールが真円状の場合を「良」とし、ゴルフクラブ状の場合および槍状の場合を「不良」とした。ボール形成の条件としてはワイヤー先端とスパークロッド間距離を４００μｍとし、窒素を１リットル／分の流量でワイヤー先端部に吹き付け、その周辺の酸素濃度を低下させた状態で行った。
【００２７】
＜クラック率調査＞
Ｓｉチップ上にＡｌ被膜を形成したパッド上に、底面径１００μｍのボンディングツールにて径５５μｍのボールを荷重：６０ｇ、超音波パワー：７０で１００個ボンディングを行った。その後、チップ上のＡｌを除去してＳｉチップ上の割れ（クラック）の有無の確率を調査した。
【００２８】
調査結果を表１に示す。表１から明らかなように、芯材と被覆層の材料の融点に３００℃以上の差があり、芯材のマイクロビッカース硬度が８０以下であれば、ボール形成能に優れると共にチップの割れ率も非常に低いことがわかる。
【００２９】
【表１】
Figure 2004014884
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、芯材をマイクロビッカース硬度が８０Ｈｖ以下である金以外の材料で構成し、被覆層を芯材よりも融点が３００℃以上高く銅よりも耐酸化性に優れた金属で構成することで、真球性に優れたボール形成が可能になり、集積回路素子のダメージを抑制することができる。従って、信頼性の高いボンディングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロビッカース硬度の測定方法を示し、（Ａ）はボールをサンプリングする際の説明図で、（Ｂ）はボールを押し潰した状態の説明図である。
【符号の説明】
１０　ボール
１１　押し潰したボール
２０　リードフレーム

Claims (4)

  1. 芯材と、芯材上に形成された被覆層とを有するボンディングワイヤーであって、
    前記芯材はマイクロビッカース硬度が８０Ｈｖ以下である金以外の材料で構成され、
    前記被覆層は芯材よりも融点が３００℃以上高く銅よりも耐酸化性に優れた金属で構成されることを特徴とするボンディングワイヤー。
  2. 前記芯材が銀と不純物とから構成され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ー。
  3. 前記芯材が銅と不純物とから構成され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ー。
  4. 前記被覆層はパラジウム、白金およびニッケルの少なくとも一種から構成され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ー。
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