(57)【要約】【課題】切断しにくいワイヤーボンディング用ボールを提供する。【解決手段】ボンディングワイヤーとボールの界面にフィレットを有することを特徴とするワイヤーボンディング用ボール。前記ワイヤーは芯材と被覆層からなり、ボンディングワイヤーの断面においてＸ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合、Ｘが0.005以下であることを特徴とするボンディングワイヤー。前記ワイヤーの芯材と被覆層から形成される合金が、芯材及び被覆層よりも融点が低いことを特徴とするボンディングワイヤー。前記ワイヤーを最終焼鈍し、次いで前記被覆層を被覆することを特徴とするボンディングワイヤーの製造方法。Ｙ＝放電電流値（ミリアンペア）／放電時間（ミリ秒）とした場合、Ｙが３以上であることを特徴とするワイヤーボンディング用ボールの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングワイヤー先端部とトーチ電極との間に電圧を印加して、両者間の放電によりワイヤー先端部を溶融させてボールを形成して前記ボールを半導体電極に接合して電気的に接続する半導体装置において、前記ボールと前記ワイヤーの界面にフィレットを有することを特徴とするワイヤーボンディング用ボール。
【請求項２】
請求項１記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーは芯材と被覆層からなり、前記ボンディングワイヤーの断面においてＸ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合、Ｘが0.005以下であることを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項３】
請求項１乃至２記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーの芯材は銅及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項４】
請求項１乃至２記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーの芯材は銀及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項５】
請求項３乃至４記載のボンディングワイヤーにおいて、前記芯材と前記被覆層から形成される合金が、前記芯材及び前記被覆層よりも融点が低いことを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項６】
請求項５記載のボンディングワイヤーにおいて、前記被覆層が金及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項７】
請求項５記載のボンディングワイヤーにおいて、前記被覆層が銀及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー。
【請求項８】
請求項１乃至７記載のボンディングワイヤーの製造方法において、前記ワイヤーを最終焼鈍し、次いで前記被覆層を被覆することを特徴とするボンディングワイヤーの製造方法。
【請求項９】
ボンディングワイヤー先端部とトーチ電極との間に電圧を印加して、両者間の放電によりワイヤー先端部を溶融させてボールを形成して前記ボールを半導体電極に接合して電気的に接続する半導体装置において、Ｙ＝放電電流値（ミリアンペア）／放電時間（ミリ秒）とした場合、Ｙが３以上であることを特徴とする請求項８記載のワイヤーボンディング用ボールの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載のワイヤーボンディング用ボールの製造方法において、前記フィレットは溶融したボール部がワイヤー界面に濡れ上がって形成することを特徴とするワイヤーボンディング用ボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体のチップ電極と外部リードとの接続のために使用するボンディングワイヤーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体のチップ電極と外部リードとの接続の方法については、金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。ボンディングワイヤーの製造は一般的に、ワイヤーを所定の径まで伸線し、次いで焼鈍を施してワイヤーの機械的特性を調節する。被覆層を有するワイヤーを製造する場合は、所定の径まで伸線してメッキを施すか、もしくは、伸線工程と伸線工程の間にメッキを被覆し所定の径まで伸線する。その後ワイヤーを焼鈍することで、ワイヤーの伸びと強度を調節する。
【０００３】
半導体のチップ電極、および、リード部とボンディングワイヤーとの接続は以下のように行う。すなわち、キャピラリ挿通されたワイヤー先端と電極トーチ間を放電させ、ワイヤー先端を溶融させボールを形成する。その後半導体電極にボールを押圧しつつキャピラリに超音波を印加して接合する。ついで、キャピラリをリード部に移動し、リード部にて超音波を印加してワイヤーを接合し、ワイヤーボンディング工程を終了する。この際、チップ電極とリード間を接続しているワイヤーの形状をループと呼び、チップ電極接合後キャピラリの移動によってワイヤーに歪みを与え、隣り合うワイヤー同士がショートしないようにループ形成する。
【０００４】
従来、ボンディングワイヤーの芯材として用いられていた金は高価であったため、価格の安い銅が用いられることが多くなった。
しかし銅は大気中で表面が酸化するため、ボンディング接合性が悪かった。このため、銅の酸化防止のため、銅の表面に耐食性金属のメッキを施すことが行われた。
【０００５】
銅ボンディングワイヤーの表面に金の被覆層をメッキした例がある（例えば、特許文献１）。ただし、金を被覆するとボールが小径になるほど形状を真球にすることが困難となり、チップ電極と外部リードとの接続信頼性が低下してしまう。
【０００６】
銅ボンディングワイヤーの表面にパラジウム、白金、ニッケルの被覆層をメッキした例がある（例えば、特許文献２）。この場合はボールが小径でも形状を真球にすることが容易である。また、ボール形成において、トーチ電源の電圧を制御する例がある（例えば、特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】特開昭62-97360号公報
【特許文献２】特開2004-14884号公報
【特許文献３】特開平10-41336号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、半導体パッケージの薄型化の要求が強く、ワイヤーボンディングで形成されるループを低背化する必要がある。この時、図２に示すボールネック部に大きな歪みが加わり、ループ形成中、もしくは、その後の工程にてワイヤーが切断するという問題が発生した。また、メッキ厚さが薄いと、焼鈍工程でメッキ被覆層に芯材が拡散してしまい、ワイヤーが酸化しやすくなるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、薄型の半導体パッケージの製造において、ワイヤーボンディング時に切断せず、接続信頼性に優れたワイヤーボンディング用ボール、ボンディングワイヤー、前記ワイヤーを実現するための製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、銅からなる芯材に金または銀の被覆層を施したワイヤーを製造し、熱処理方法、被覆層厚さ、放電方法を鋭意研究した結果、ワイヤーとボールの接合強度が向上し、切断しにくいワイヤーを発明するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、
（１）ボンディングワイヤー先端部とトーチ電極との間に電圧を印加して、両者間の放電によりワイヤー先端部を溶融させてボールを形成して前記ボールを半導体電極に接合して電気的に接続する半導体装置において、前記ボールと前記ワイヤーの界面にフィレットを有することを特徴とするワイヤーボンディング用ボール
（２）（１）記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーは芯材と被覆層からなり、前記ボンディングワイヤーの断面においてＸ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合、Ｘが0.005以下であることを特徴とするボンディングワイヤー
（３）（１）乃至（２）記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーの芯材は銅及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー
（４）（１）乃至（２）記載のボンディングワイヤーにおいて、前記ワイヤーの芯材は銀及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー
（５）（３）乃至（４）記載のボンディングワイヤーにおいて、前記芯材と前記被覆層から形成される合金が、前記芯材及び前記被覆層よりも融点が低いことを特徴とするボンディングワイヤー
（６）（５）のボンディングワイヤーにおいて、前記被覆層が金及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー
（７）（５）のボンディングワイヤーにおいて、前記被覆層が銀及び不可避不純物からなることを特徴とするボンディングワイヤー
（８）（１）乃至（７）のボンディングワイヤーの製造方法において、前記ワイヤーを最終焼鈍し、次いで前記被覆層を被覆することを特徴とするボンディングワイヤーの製造方法
（９）ボンディングワイヤー先端部とトーチ電極との間に電圧を印加して、両者間の放電によりワイヤー先端部を溶融させてボールを形成して前記ボールを半導体電極に接合して電気的に接続する半導体装置において、Ｙ＝放電電流値（ミリアンペア）／放電時間（ミリ秒）とした場合、Ｙが３以上であることを特徴とする請求項８記載のワイヤーボンディング用ボールの製造方法
（１０）（９）記載のワイヤーボンディング用ボールの製造方法において、前記フィレットは溶融したボール部がワイヤー界面に濡れ上がって形成することを特徴とするワイヤーボンディング用ボールの製造方法
を、提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ボールネック部にフィレットが形成され、ワイヤーとボールの接合強度が向上し、ワイヤーが切断しにくくなる。したがって、薄型半導体パッケージにおいても優れた接合信頼性を有する。さらに、本ワイヤーは、ワイヤーの熱処理調質後に被覆層を設ける工程を追加することで、被覆層が十分薄くても、芯材ワイヤーが室温酸化するのを防ぎ、ワイヤーの長期保管が可能となった。同時に、低温環境下でのワイヤーボンディングが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願発明の実施態様の一例として図１が挙げられる。以下、本願発明のワイヤーを説明する。
本願発明のボンディングワイヤーは、直径１〜２０ｍｍ程度の銅線を冷間にて伸線し、最終焼鈍により強度を調整した後に、被覆層を形成する。この方法により、被覆層が薄くても耐酸化性に優れるワイヤーを作製することができる。
【００１４】
前記伸線は冷間にて９９．９〜９９．９９９９％で行う。あるいは冷間で７０〜９９．９％で伸線し、３００〜５００℃で１０分〜１時間の焼鈍を繰り返してもかまわない。また走間焼鈍の場合は４００〜５００℃で０．５〜２秒加熱する。次いで温度３００〜５００℃で１０分〜１時間の最終焼鈍処理を行い、次いで被覆層を形成する。走間焼鈍の場合は４００〜５００℃で０．５〜２秒加熱する。ワイヤーの芯材は、金はコストが高いため、銅及び不可避不純物、あるいは銀及び不可避不純物が良い。
【００１５】
本願発明の被覆層は電気メッキ法により施す。被覆層は耐酸化性の金属で、かつ、芯材と被覆層から形成される合金が、芯材及び被覆層よりも融点が低いことが条件である。ボール形成時に、芯材とメッキ材が合金化して融点が下がるため、溶融部がフィレットを形成するためである。芯材が銅の場合、被覆層は金、銀などがこの条件を満たすが、被覆層が白金、ニッケル、パラジウムであると芯材と被覆層の合金は融点が高いため溶融せずフィレットが形成されない。被覆層は好ましくは金が良い。
【００１６】
被覆層の厚さは大きすぎると、溶融部の濡れ上がり現象が著しくなり、槍形状を呈し、ボンディングができない。またボール部において被覆層と芯材が合金化してボール硬度が増加してしまい、電極やリードとの接続性に劣る。しかし、薄すぎると芯材と被覆層の合金化によるフィレット形成がされない。本願発明のフィレットを形成するためには、被覆層の厚さは１０Å以上とする。１０Å未満ではフィレットが形成されない。好ましくは３０Å以上である。
【００１７】
本願発明のワイヤーボンディング用ボールの形状を良好にするには、ボンディングワイヤーの断面においてＸ＝被覆層面積／（芯材面積＋被覆層面積）とした場合Ｘは0.005以下とする。前記断面とは、ワイヤーを伸線した方向に垂直な面で切断した面のことを言う。０．００５を超えるとボール形状が球形にならない。好ましくはＸが0.003以下、より好ましくはＸが0.002以下である。
【００１８】
なお、本願においてフィレットとは溶融して形成されたボール部とワイヤー非溶融部の界面に形成されたボール支持部を指し、両者の界面が曲面を形成するように溶融部が凝固していることを指す。この場合、少なくともフィレットが存在すればネック部において破断しにくくなる。好ましくはフィレットの曲率半径がボール部の半径と比較して０．０１〜１００倍にあれば良い。より好ましくは０．０５〜１０倍、さらに好ましくは０．１〜５倍である。
【００１９】
ボール形成には、ある熱量を加える必要があり、放電電流値と放電時間を制御してワイヤー先端部を溶融する。本願発明のボール形成条件は、Ｙ＝放電電流値（ミリアンペア）／放電時間（ミリ秒）とした場合、Ｙが３以上とする。Ｙが３未満であるとボール溶融時間が長くなりボール溶融部がワイヤー非溶融部に著しく濡れ上がる。このため良好なボールが形成できず、電極やリードとの接続性に劣るという問題が起きる。好ましくはＹ≧５、より好ましくはＹ≧７である。
【実施例】
【００２０】
本願発明例として、９９．９９９％の純度を有する銅を、直径25ミクロンまで伸線加工した。次に、５００℃窒素雰囲気１ｍ長の炉を用いて走間焼鈍をおこない、５０ｍ／分の線速でワイヤー加工歪を除去した。
【００２１】
次に、苛性ソーダ、炭酸ソーダ、ケイ酸ソーダからなるアルカリ浴に浸漬し、ワイヤーが陰極になるように電流を5Ａ/ｄｍ2にて１０秒間流し、銅ワイヤー表面の有機物の汚れを落とした。水洗したのち、10％濃度の硫酸浴に１０秒間浸漬し、銅ワイヤー表面の酸化皮膜を除去した。水洗した後、金イオンを含む溶液に浸し、電流１〜４Ａ／dm2にて１〜５秒間の電流を流し、ワイヤーのごく表面のみに金の被覆層を形成した。電流値、ライン速度を変化させ、表１に示す異なるメッキ厚のワイヤーを作製した。
【００２２】
比較例として、前記本願発明例と同様に銅を伸線、焼鈍、酸洗、水洗後、電気メッキ法によって、金を５Å、５００Åの厚さで施したボンディングワイヤー、パラジウムを２５０Å、０．２ミクロンの厚さで施したボンディングワイヤー、ニッケル１９０Åの厚さで施したボンディングワイヤー、白金２２０Åの厚さで施したボンディングワイヤーを作製した。
【００２３】
各ワイヤーを放電加工してボールを５０個製造し、各種評価を行った。各評価項目の測定方法は以下の通りである。
【００２４】
ボール形成性はボールの形状が不良である個数を記録した。ワイヤー軸に左右対称、かつ、ワイヤー軸と垂直な面においてボールが最も大きな断面積をもつ面との交差点をボール中心点とした場合の半径が、ボール最低点までの距離と比較して、１０％以上異なる場合はボール形成性を不良とし、１０％未満であればボール形成性は良好とした。
【００２５】
フィレット性はフィレットが不良である個数を記録した。なおフィレットの曲率半径がボール部の半径と比較して０．０１〜１００倍にあればフィレットが良好に形成されているとし、それ以外は不良と判断した。なお、前記曲率半径は図１のように、フィレットのワイヤー側端部とボール側端部から求めた。
【００２６】
耐破断性はＳＥＭＩ  Ｇ７３−０９９７に基づくワイヤープル試験を行い、破断強度、ワイヤーの破断箇所の回数を記録した。プル速度は０．５ｍｍ／秒とした。
【００２７】
なお、ボール形状、フィレット形状は走査型電子顕微鏡で観察した。被覆層の厚さは、ミクロトーム法によりワイヤーの伸線方向と垂直な断面で切断し、透過型電子顕微鏡で観察して厚さを求めた。
【００２８】
［実施例１］
放電条件、芯材を同一とし、被覆層の厚さと各種特性（ボール形成性、フィレット性、耐破断性）との関係を評価した。芯材は純度９９．９９５％の銅で直径６２μｍ、ボール加工は新川製ボンディング装置ＦＡ−ＣＵＢ１０を用い、条件は４５ｍＡ、１．４ｍｓｅｃとし、ワイヤーの先端部に、０．７Ｌ／分の流量で５％水素、残窒素の混合ガスをボール形成部に吹きかけた。シリコンチップに形成した０．５ミクロン厚のアルミ電極にファーストボンディングをおこない、５ミクロン厚の銀メッキをほどこした銅系リードフレームにセカンドボンディングをおこなった。ワイヤーボンディングにおけるステージ温度は２３０℃とした。結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2006032833.tif 000003
【００３０】
表１から明らかなように、本発明例はボール形成性、フィレット性、耐破断性に優れていることがわかる。耐破断性は、ボンディング部の強度が十分であった場合、ループの途中で破断するのが最も良好で、本発明では破断強度、破断箇所とも理想的であった。一方比較例ではワイヤーの酸化が十分抑えられていないため、セカンド接合部にて破断する回数が多かった。さらにネック部の強度が弱いため、ループで切断する回数が少なく破断荷重が小さくなった。
【００３１】
［実施例２］
芯材とメッキ厚を同一とし、放電条件と各種特性（ボール形成性、フィレット性、耐破断性）との関係を評価した。芯材は純度９９．９９５％の銅で直径２５μｍ、メッキは金メッキ厚さ１７０Åとした。ボールは６０−６５ミクロン径になるように放電時間と電流値を調整し、ワイヤー先端部に１００％窒素ガスを１Ｌ／分の流量で流した。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
2006032833.tif 000004
【００３３】
表２から明らかなように、本発明例はボール形成性、フィレット性、耐破断性に優れていることがわかる。しかし、比較例では放電時間が長いためボール不良が発生した。
【００３４】
［実施例３］
芯材とメッキ厚と放電条件を一定とし、製造工程の順序と酸化特性との関係を評価した。耐酸化性とは、ボンディング作業後のボール表面をオージェ電子分光測定法にて分析し、１０ｋeＶ１０ｎＡの加速電圧の条件で表面元素を確認し、酸素の体積比または銅の体積比が１０％未満であれば良好とした。耐破断性とは、半導体チップ電極と銀メッキリードフレームへのボンディング作業後ワイヤープル試験をおこない、ワイヤー接合強度と、破断した箇所の個数を記録した。芯材は純度９９．９９５％の銅で直径２５μｍ、メッキは金メッキ厚さ０．０１μｍ、ボール加工は新川製ボンディング装・ＦＡ−ＣＵＢ１０を用いた。ボール放電条件は４５ｍＡ、１．４ｍｓｅｃ、５％水素と窒素との混合ガスを０．７Ｌ／分流した。なお、ステージ温度は２００℃とした。結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】
2006032833.tif 000005
【００３６】
表３から明らかなように、本発明例は耐酸化性、耐破断性に優れていることがわかる。しかし、比較例ではメッキ後に焼鈍や伸線をしたため表面に銅が拡散して酸化し、セカンド部で破断しやすくなり、また破断荷重も劣った。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のフィレットを有するワイヤーボンディング用ボールとフィレットの曲率半径を示す図である。
【図２】従来例のフィレットを有しないワイヤーボンディング用ボールを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    ボンディングワイヤー
２    フィレット
３    ボール
４    フィレット曲率半径
５    ボールネック部
【図１】
2006032833.tif 000006
【図２】
2006032833.tif 000007