(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ材とＣｕ材を接合した２層構造のボンディングリボンであって、Ａｌ材層の硬度が２０〜３０Ｈｖ及びＣｕ材層の硬度が４０〜５０Ｈｖであることを特徴とするＡｌ−Ｃｕボンディングリボン。
【請求項２】
前記Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンは、Ａｌ材とＣｕ材の冷間圧延での接合後に２５０〜３５０℃の温度で熱処理されたものであることを特徴とする、請求項１に記載のＡｌ−Ｃｕボンディングリボン。
【請求項３】
Ａｌ材とＣｕ材を接合した２層構造のボンディングリボンの製造方法であって、Ａｌ材及びＣｕ材の接合すべき表面を研磨し、両者の研磨面を合わせて冷間圧延により接合した後、２５０〜３５０℃の温度で熱処理することによって、Ａｌ材層の硬度を２０〜３０Ｈｖの範囲及びＣｕ材層の硬度を４０〜５０Ｈｖの範囲とすることを特徴とするＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法。
【請求項４】
前記Ａｌ材及びＣｕ材の接合すべき表面を、表面粗さが共にＲｍａｘで５μｍ以下となるように研磨することを特徴とする、請求項３に記載のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法。
【請求項５】
前記研磨後のＡｌ材とＣｕ材を冷間にて所定の厚さにロール圧延して接合し、所定の幅にスリット加工した後、不活性ガス雰囲気中で１時間以上熱処理することを特徴とする、請求項３又は４に記載のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージなどの結線材料として使用されるボンディングリボン、特にＡｌとＣｕの２種類の材料をクラッドした２層構造のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体パッケージの結線には、高い電気伝導性と表面酸化を抑えられるといった金属的な特性によって、主にＡｕワイヤによるボンディングが使用されている。しかし、Ａｕワイヤによるボンディングは、比較的大きな電流を流す場合には、過電流による短絡を避けるために複数のＡｕワイヤが結線される場合が多いため、ボンディングに時間を要し、更には高価なＡｕ材料を多量に使用せざるを得ないことから高コストの原因となっている。
【０００３】
また、高機能を必要とする半導体パッケージに搭載されるＩＣチップは積層構造をとる場合が多いが、近年ではＩＣチップのダウンサイジングにより軽薄短小化が求められている。そのため、ＩＣチップ内にある結線用スペースも限られてしまうことから、ワイヤボンディングそのものの精度向上が求められている。
【０００４】
しかしながら、ＩＣチップのデザインに応じた結線パターンでは、例えば隣接するワイヤ間の配線スペースがＡｕワイヤ１本分程度の距離である場合や、低ループ化を実現するために１ｓｔボンディング位置の直近から大きく湾曲したループ形状を取らざるを得ない場合がある。このような事情から、Ａｕワイヤ自体の組成や焼鈍条件等の工程設計を行う必要が生じている。
【０００５】
このような事情に対応するため、例えば、特許文献１（特開２００８−１４０９８３号公報）では、ファインピッチ化に対応可能なボンディング装置の改良が提案され、ステージ及びその周辺部材を改善したワイヤボンディング装置が記載されている。しかし、この技術の実施にはキャピラリーの動作に追従し得るワイヤ追従性が不可欠であり、ワイヤ自身の柔軟性が不十分な場合には隣接するワイヤ同士の接触により短絡不良を引き起こしやすい。
【０００６】
また、ワイヤボンディング時の不着不良を低減するためには治具とのマッチングや選定が重要となるが、この問題解決のために特許文献２（特開２００７−０９５９６３号公報）には、キャピラリー内部のホール径及びチャンファー径をワイヤ径に応じてデザインする工夫が示されている。このようにファインピッチ化の実現には、ワイヤの細線化だけでなく、装置や治具においても最適化が求められ、その設計等に多くの時間と手間を要している。
【０００７】
更に、Ａｕワイヤは高価であることから、コスト削減のために細線化する傾向がある。近年の細線化技術の進歩は目覚しく、要求に応じた線径を精度よく実現することが可能となっている。しかし、高密度にボンディングされたＡｕワイヤを樹脂封止する際には、樹脂の選定はもちろん、注入方向や流入量を精度よくコントロールする必要があるため、パッケージデザイン時に多くの時間を費やすことから生産性を著しく落とすケースもある。
【０００８】
このような問題に対処するため、例えば特許文献３（特開２００４−１５５８５７号公報）には、Ａｕワイヤの変形や断線リーク不良などの電気特性不良の発生が少ないエポキシ樹脂組成物、及びこの樹脂で封止された電子部品装置が記載されている。しかし、この特許文献３の技術の前提として樹脂封止にはＡｕワイヤの十分な強度が求められるうえ、高強度のＡｕワイヤであっても隣接するワイヤ間隔が狭い場合には樹脂注入時に短絡するケースが発生しやすい。
【０００９】
近年では、このような問題点を有するボンディングワイヤの代わりに、例えば特許文献４（特開２００６−１９６６２９号公報）に記載されているように、結線材料としてボンディングリボンが提案されている。ボンディングリボンは、ワイヤと違って平面同士の接合が実現されるため、樹脂注入時の横方向からの応力に対する抵抗力が大きいなどの利点を有することから、パワーデバイスを中心に広く使用されている。また、特許文献５（特開２００４−３３６０４３号公報）には、Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンについての記載があるが、ワイヤとリボンの形状の違いによる優位性について説明されているのみである。
【００１０】
尚、ボンディングリボンによるボンディング方法は、超音波ワイヤボンディング方法を利用したものであり、ボンディングリボンに荷重及び超音波振動を加えることにより、ボンディングリボンの表面に自然に形成された数ｎｍ程度の酸化膜を破ってボンディングリボンの金属原子を露出させ、アルミニウムやニッケル等のボンディングパッドとボンディングリボンとの界面に塑性流動を発生させて互いに密着する新生面を漸増させながら、原子間結合させることにより接合するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１４０９８３号公報
【特許文献２】特開２００７−０９５９６３号公報
【特許文献３】特開２００４−１５５８５７号公報
【特許文献４】特開２００６−１９６６２９号公報
【特許文献５】特開２００４−３３６０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように従来のボンディングリボンにおいては、１ｓｔボンディングから２ｎｄボンディングまでの間で、ボンディングリボンが高い剛性を有するため曲げに反発して未接合となる、いわゆるボンディング不着が発生しやすかった。また、１ｓｔボンディング終了後から２ｎｄボンディングの位置までボンディングリボンを繰り出す際に、ボンディングリボンがボンディングツールの内壁との間で強い摩擦を生じるため必要な量を繰り出せないことがあり、この場合にもボンディング不着が発生していた。
【００１３】
更に、上記のごとく１ｓｔボンディング後のループ形成過程においてボンディングツールの先端とボンディングリボンが過度に擦れることにより、ボンディングリボン表面が疵付いてしまうという問題があった。表面に付いた疵は各種の問題を引き起こすが、特にＣｕなどの金属表面の新生面を部分的に露出させることになり、結局ボンディングリボンの酸化を進行させてしまう。また、特にＡｌ−Ｃｕボンディングリボンについては、ＡｌとＣｕの接合強度が不十分である場合が多く、１ｓｔボンディング後のループ形成過程においてＡｌとＣｕの接合界面で剥れが発生しやすいという問題もあった。
【００１４】
本発明は、このような従来のボンディングリボンにおける問題点に鑑みてなされたものであり、Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンに柔軟性を付与することによって、ループ形成過程におけるＡｌとＣｕの接合界面での剥れの発生がなく、曲げに対する反発や繰り出し不良に起因するボンディング不着及び表面の疵付きを防止することができるＡｌ−Ｃｕボンディングリボン及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した従来のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの問題点を解決するため、本発明者は、ＡｌとＣｕの接合界面での剥れをなくすことと共に、曲げに対する反発や繰り出し不良のない優れたルーピング性を備え、ＩＣチップのダウンサイジング化に伴って限られたエリアに配線することが可能なＡｌ−Ｃｕボンディングリボンについて鋭意検討を重ねた結果、Ａｌ材とＣｕ材を接合する際の冷間圧延による残留応力を熱処理により緩和して、Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンに柔軟性を付与することが有効であることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、上記課題を解決するため、本発明が提供するＡｌ−Ｃｕボンディングリボンは、Ａｌ材とＣｕ材を接合した２層構造のボンディングリボンであって、Ａｌ材層の硬度が２０〜３０Ｈｖ及びＣｕ材層の硬度が４０〜５０Ｈｖであることを特徴とする。この本発明におけるＡｌ−Ｃｕボンディングリボンは、前記Ａｌ材とＣｕ材の冷間圧延での接合後に２５０〜３５０℃の温度で熱処理されたものであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明が提供するＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法は、Ａｌ材とＣｕ材を接合した２層構造のボンディングリボンの製造方法であって、Ａｌ材及びＣｕ材の接合すべき表面を研磨し、両者の研磨面を合わせて冷間圧延により接合した後、２５０〜３５０℃の温度で熱処理することによって、Ａｌ材層の硬度を２０〜３０Ｈｖの範囲及びＣｕ材層の硬度を４０〜５０Ｈｖの範囲とすることを特徴とする。
【００１８】
上記本発明のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法においては、前記Ａｌ材及びＣｕ材の接合すべき表面を、表面粗さが共にＲｍａｘで５μｍ以下となるように研磨することが好ましい。また、前記研磨後のＡｌ材とＣｕ材を冷間にて所定の厚さにロール圧延して接合し、所定の幅にスリット加工した後、不活性ガス雰囲気中で１時間以上熱処理することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ループ形成過程においてＡｌとＣｕの接合界面での剥れをなくすことができるだけでなく、冷間圧延での接合後に熱処理することで残留応力を緩和してＡｌ−Ｃｕボンディングリボンに柔軟性を与えることができるため、曲げに対する反発や繰り出し不良に起因するボンディング不着をなくし、更には表面の疵付きを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンを使用した半導体パッケージでのループ形成過程を示す概略の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンは、Ａｌ材とＣｕ材を接合してなる２層構造、即ちＡｌ材層とＣｕ材層とで構成されたボンディングリボンである。接合に供するＡｌ材は、特に組成が限定されるものではなく、高純度のＡｌ及びＡｌ−Ｎｉ系などのＡｌ合金を幅広く使用することができる。また、銅材についても、特に限定されないが、所望の導電性を維持する観点から９９.９９％以上の純銅を用いることが望ましい。
【００２２】
上記２層構造を有する本発明のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンでは、冷間圧延によりＡｌ材とＣｕ材を接合した後に２５０〜３５０℃の温度範囲で熱処理することによって、圧延により生じた残留応力が緩和ないし除去されると共に、結晶組織の均一化がなされ、２層構造をなすＡｌ材層とＣｕ材層の硬度が低下して柔軟性が向上している。具体的には、Ａｌ材層とＣｕ材層の硬度（ビッカース硬度）を、Ａｌ材層で２０〜３０Ｈｖの範囲、及びＣｕ材層で４０〜５０Ｈｖの範囲となるように調整することが必要である。
【００２３】
上記Ａｌ材層の硬度が３０Ｈｖを超えるか及び／又はＣｕ材層の硬度が５０Ｈｖを超えると、ボンディング不着や表面の疵付きが急激に多くなるうえ、ループ形成過程におけるＡｌとＣｕの接合界面での剥れが発生しやすくなる。また、上記Ａｌ材層とＣｕ材層の硬度は低いほど好ましいが、Ａｌ材層の硬度が２０Ｈｖ未満になるか及び／又はＣｕ材層の硬度が４０Ｈｖ未満になっても、上記柔軟性向上効果の更なる改善が少なくなり、逆にボンディング不着が発生しやすくなるため好ましくない。
【００２４】
次に、本発明のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンの製造方法について具体的に説明する。まず、Ａｌ材について、少なくとも接合すべき片側の表面を研磨材により研磨する。この表面研磨によりＡｌ材の表面に形成された酸化皮膜を除去して、新生面を露出させることができる。一方、Ｃｕ材においても同様に表面研磨を行い、表面の酸化皮膜を除去して新生面を露出させる。この表面研磨によって接合される表面積が増加するため、表面積が増加した面同士を圧延して接合することにより、Ａｌ材とＣｕ材の接合を強固にすることができる。
【００２５】
上記表面研磨工程においては、Ａｌ材及びＣｕ材の表面粗さがＲｍａｘで５μｍ以下になるように研磨することが好ましい。研磨されたＡｌ材及びＣｕ材の両方又は片方の表面粗さがＲｍａｘで５μｍよりも大きい場合、次の冷間圧延工程でＡｌ材とＣｕ材を接合することは可能であるが、ＡｌとＣｕの接合強度が十分でないため、得られたボンディングリボンはループ形成過程においてＡｌとＣｕの接合界面で剥れが発生しやすくなるため好ましくない。
【００２６】
上記のごとく表面研磨されたＡｌ材とＣｕ材は、速やかに次の冷間圧延工程に供給し、ロール圧延機を用いて室温で所定の厚さに圧延することによって、Ａｌ材とＣｕ材を強固に接合することができる。Ａｌ材及びＣｕ材の表面酸化を避けるために、上記表面研磨から冷間接合までの工程はできるだけ速やかに行うことが望ましい。圧延後の厚さ、即ちＡｌ−Ｃｕ接合材の厚さは、目的とするＡｌ−Ｃｕボンディングリボンに応じて変えることができる。また、Ａｌ−ＣｕボンディングリボンのＡｌ材層及びＣｕ材層の各厚さは、使用するＡｌ材とＣｕ材の板厚を変えることで変更することが可能である。
【００２７】
上記冷間圧延工程で得られたＡｌ−Ｃｕ接合部材は、スリッタなどを用いてボンディングに使用する幅にスリット加工した後、２５０〜３５０℃の温度範囲で熱処理を施す。一般的にＣｕ材は２００℃以上の温度で焼鈍することにより、内在する加工ひずみを除去することができる。そして、上記２５０〜３５０℃の温度条件で熱処理すれば、Ｃｕ材の結晶組織が均質化されると同時に、ＣｕのＡｌ面への拡散が促進されることにより、Ａｌ材とＣｕ材との一層強固な接合が実現される。
【００２８】
しかも、上記熱処理時の温度と時間を調整することによって、上記のごとく残留応力の緩和除去と結晶組織の均一化を促進させると共に、２層構造をなすＡｌ材層とＣｕ材層の硬度をボンディング材料として最適な硬度にまで低下させ、Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンに優れた柔軟性を付与することができる。尚、熱処理の時間は、特に制限されるものではないが、必要な効果を得るためには１時間以上とすることが好ましい。また、上記熱処理は、ボンディングリボンの表面酸化を抑えるため、窒素などの不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２９】
上記熱処理温度が２５０℃未満では、Ａｌ材層の硬度を２０〜３０Ｈｖ及びＣｕ材層の硬度を４０〜５０Ｈｖの範囲に調整することが難しく、Ａｌ−Ｃｕボンディングリボンに十分な柔軟性を付与することができない。そのため、曲げに対する反発や繰り出し不良に起因するボンディング不着や表面の疵付きが発生するうえ、ループ形成過程においてＡｌとＣｕの接合界面での剥れが生じやすくなる。逆に熱処理時の温度が３５０℃を超えると、Ａｌ材層とＣｕ材層の硬度が低くなり過ぎることでボンディング不着が発生しやすくなる。
【００３０】
このようにして得られた本発明のＡｌ−Ｃｕボンディングリボンは、Ａｌの軽量性とＣｕの導電性を併せ持つと同時に、優れた柔軟性と界面接合強度を有している。そのため、ループ形成過程においてＡｌとＣｕの接合界面での剥れをなくすことができるだけでなく、例えば図１に示すようなループ形状を形成するボンディング材料として好適に使用することができる。
【００３１】
即ち、Ａｌ材層１ａとＣｕ材層１ｂとからなるＡｌ−Ｃｕボンディングリボン１は、まず１ｓｔボンディングにおいて、先端部をボンディングツール（図示せず）に這わせるようにして折り曲げ、荷重を加えながらＩＣチップ２のＡｌプレート面３にＡｌ材層１ａ側を圧着させる。その後、ボンディングリボン１は、ボンディングツールを介して２ｎｄボンディングの位置まで繰り出され、上記と同様にリードフレーム端子４に対し２ｎｄボンディングが行われる。
【００３２】
優れた柔軟性を有する本発明のボンディングリボンは、上記１ｓｔボンディングから２ｎｄボンディングの過程において、ＡｌとＣｕの接合界面での剥れをなくすことができるうえ、先端部の折り曲げが容易であり且つボンディングツール内壁との摩擦による繰り出し不足（供給不足）を防止することが可能なため、ボンディング不着をなくすことができる。
【実施例】
【００３３】
Ａｌ材としてＡｌ−０.００５重量％Ｎｉ合金板（幅３０ｍｍ、厚さ０.３２ｍｍ）を用意し、その片方の表面を住友３Ｍ（株）製の不織布研磨材（「スコッチ・ブライト」、番手＃２４０〜＃１０００）を用いて研磨した。一方、Ｃｕ材として純度９９.９９％のＣｕ板（幅２２ｍｍ、厚さ０.３８ｍｍ）を用意し、その片方の表面を上記と同じ不織布研磨材を用いて研磨した。尚、上記研磨では、Ａｌ材及びＣｕ材の表面粗さが共にＲｍａｘで５μｍ以下となるように研磨した。
【００３４】
上記のごとく片方の表面を研磨したＡｌ材とＣｕ材を、研磨後速やかロール圧延機に供給し、幅が約２２ｍｍ及び厚さが０.２ｍｍとなるように室温にて圧延した。この冷間圧延によってＡｌ材とＣｕ材が接合され、Ａｌ材層とＣｕ材層の２層構造の接合部材が得られた。尚、このＡｌ−Ｃｕ接合部材のＡｌ材層及びＣｕ材層の厚さは、共に０.１ｍｍとなった。
【００３５】
次に、このＡｌ−Ｃｕ接合部材を、幅が０.２ｍｍになるようにスリット加工してＡｌ−Ｃｕボンディングリボン材を作製した後、窒素ガス雰囲気中において熱処理を実施した。熱処理の条件は、下記表１に示すように試料ごとに熱処理温度を変え、熱処理時間は全ての試料で１時間とした。このように熱処理温度を変えて熱処理することにより、試料１〜５のボンディングリボンを得た。これら試料１〜５のボンディングリボンについて、Ａｌ材層とＣｕ材層の硬度（Ｈｖ）を下記表１に示す。
【００３６】
得られた試料１〜５のボンディングリボンの各３０本について、図１に示すようなループ形状となるボンディングをそれぞれ実施し、ボンディング不着、Ｃｕ材層表面の疵、Ａｌ−Ｃｕ接合界面での界面剥れの各欠陥が発生した本数を調べた。また、参考のために、上記接合部材で熱処理を実施していない試料６についても、同様の評価を行った。得られた結果を下記表１に示す。尚、硬度はビッカース硬度計により測定し、欠陥の発生本数は目視観察により確認した。
【００３７】
【表１】
0005500117.tif 000002
【００３８】
上記の結果から分るように、２５０〜３５０℃×１時間の条件で熱処理した本発明による試料１〜３では、Ａｌ材層の硬度が２０〜３０Ｈｖの範囲及びＣｕ材層の硬度が４０〜５０Ｈｖとなり、ボンディング不着、Ｃｕ材層表面の疵、Ａｌ−Ｃｕ界面剥れの欠陥はいずれも発生せず、正常なループ形状のボンディングが可能であった。
【００３９】
一方、熱処理温度を３８０℃とした比較例の試料４では、Ａｌ材層及びＣｕ材層の硬度低下が大きくなり過ぎ、そのためＣｕ材層表面の疵は発生せず且つＡｌ−Ｃｕ界面剥れも発生しなかったが、３０本中２本にボンディング不着が確認された。また、熱処理温度を２００℃とした試料５及び熱処理を実施なかった試料６では、Ａｌ材層及びＣｕ材層の硬度が低下せず、３０本中２７本にボンディング不着が発生し、３０本全てにＣｕ材層表面の疵が生じただけでなく、３０本中２５本にＡｌ−Ｃｕ界面の剥れが発生した。
【００４０】
このように熱処理効果が十分でないボンディングリボンでは、ボンディングツール内壁に接触して強い摩擦が生じるため、１ｓｔボンディング位置から２ｎｄボンディング位置にボンディングツールが移動する際に、ボンディングリボンが必要量繰り出されずボンディングツール内に留まろうとするため、１ｓｔボンディング直後に剥れて不着が発生すると考えられる。また、Ａｌ−Ｃｕ界面剥れは１ｓｔボンディングからループの頂点までの間に発生していたが、ＡｌとＣｕの拡散が少なく且つ接合面の密着性が弱いうえ、Ａｌ面とＣｕ面の硬度差も大きいことから、ループ形成の際に発生すると考えられる。
【符号の説明】
【００４１】
１      ボンディングリボン
１ａ    Ａｌ材層
１ｂ    Ｃｕ材層
２      ＩＣチップ
３      Ａｌプレート面
４      リードフレーム端子
【図１】
0005500117.tif 000003