(57)【要約】【課題】  充分な大きさの接触力を与えるばね力と、電子素子又は対応電極との優れた接合力を有するマイクロスプリングコネクターを、容易に安定的に製造することができる、マイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。【解決手段】  高弾性金属からなる芯材及び耐酸化性の金属からなる被覆層、を有するワイヤーの先端を溶融してボールを形成する工程、その後、このボールを被接合部に押圧して接合を形成する工程、及び、その後ワイヤーを引き出しながらばね形状を形成し、ワイヤーを切断する工程を有することを特徴とするマイクロスプリングコネクターの製造方法。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高弾性金属からなる芯材及び耐酸化性の金属からなる被覆層、を有するワイヤーの先端を溶融してボールを形成する工程、その後、このボールを被接合部に押圧して接合を形成する工程、及び、その後ワイヤーを引き出しながらばね形状を形成し、ワイヤーを切断する工程を有することを特徴とするマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項２】
高弾性金属が、銅又は銀を主体とすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項３】
耐酸化性の金属が、芯材よりも高融点の金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項４】
耐酸化性の金属が、パラジウム、白金及びニッケルから選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項５】
ワイヤーの被覆層が、パラジウムからなる層を有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項６】
パラジウムからなる層が、ビッカース硬度が２５０以下のパラジウムからなることを特徴とする請求項５に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項７】
被覆層が、電気メッキ法により形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【請求項８】
ワイヤーの切断部を溶融してボールを形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等の電子素子を、回路上の電極に、着脱可能に電気的接続（以後、単に接続と言う。）するためのばね要素であるマイクロスプリングコネクターの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス等の微小な電子素子の試験では、試験対象の電子素子を、試験装置の電極に着脱可能に接続することが求められる。完成品の電子機器においても、電子素子の実装を着脱可能な接続により行えば、電子素子の不良発生時に、即座に取り外し交換可能であるとの長所を有する。
【０００３】
このような着脱可能な接続には、該電子素子と対応電極との確実な導通（接続）を得るため、マイクロスプリングコネクターが用いられている。このマイクロスプリングコネクターは、導電性材料からなるばね要素であり、このばねの一端（以後、固定端と言う。）は、電子素子上又は対応電極上に接合、固着される。一方、他端は自由端であり、電子素子の接続時には、対応電極又は電子素子に接触し、電子素子と対応電極間を導通する。そして、ばねにより、電子素子と対応電極間の距離のバラツキを吸収し、又ばねの力により、両者間に信頼のある導通を保証するために充分な大きさの接触力を、対応電極又は電子素子に及ぼすように設けられる。
【０００４】
すなわち、マイクロスプリングコネクターには、充分な大きさの接触力を与えるばね力が求められる。又、マイクロスプリングコネクターには、その固定端において、電子素子又は対応電極に確実に接合、固着し、脱離等を生じないための、接合力が求められる。さらに、好ましくは、マイクロスプリングコネクターの自由端は、電子素子又は対応電極に接触した際に、接触不良等を生じないような形状等からなることが望まれている。
【０００５】
特許２８９２５０５号公報（特許文献１）には、このようなマイクロスプリングコネクターの例が開示されている。例えば、その第１９欄第４７行〜第２０欄第１２行及び図２Ａには、軟質金属、例えば金からなる芯材（ワイヤコア）とそれを覆う被覆層（シェル）からなり、電子素子（電子コンポーネント）上にその一端が接合され、該端子から延伸してばね形状を有するように構成され、他端が、対応電極と接触する自由端であるマイクロスプリングコネクター（相互接続要素）が開示されている。
【０００６】
ここで被覆層としては、ニッケル等の弾性率の大きい硬質金属が好ましく用いられている。金等の軟質金属からなる芯材は優れた接合力を与えるが、ばねとして機能するのに充分な復元力が弱く、太径ワイヤーを使用しない限り、ばねを形成した場合信頼のある接続を保証するために充分な大きさのばね力が得られない。そこで、ばね力を高めるため、弾性率の大きい硬質金属で被覆している。ばね力を高める他の方法としては太径ワイヤーを使用する方法が挙げられるが、芯材が金の場合は高価であるのでコスト面で見合わない。
【０００７】
このマイクロスプリングコネクターは、金等の軟質金属からなる芯材を、ワイヤボンディング装置を用い、電子素子上に接合（ボンディング）し、接合部からばね形状を有するように延伸して、自由端を有するように切断した後、メッキ等により該芯材上に被覆層を形成することにより得られる（特許文献１、第１９欄第４７行〜第２０欄第１２行）。このメッキにより、接合部の接合力も強化される。
【０００８】
しかし、充分な大きさのばね力を得るためには、硬質金属からなる被覆層を厚くする必要がある。そこで、前記の製造方法においては、長時間のメッキ工程や、メッキの繰返し等を要し、製造コストを上昇させ、又製造時のバラツキも大きくなる。又、金は高価である。
【０００９】
特許文献１は、芯材の材質として、安価な銅も開示している（第１８欄第２３行）。銅は金よりも弾性率の高い金属であり、被覆層が薄くてもばね力を得ることができる。更に安価であるためコスト面での制約がなく、太径ワイヤーを使用でき大きなバネ力を得ることができる。しかし銅は酸化されやすく、特に電子素子との接合の際の加熱により酸化が進行する。その結果生じた表面酸化層が接合を阻害するため、銅は接合力が小さく、前記の製造方法において、銅からなる芯材と電子素子との接合をしても充分な接合力が得られないので、実際には採用困難である。又、表面酸化層はメッキによる被覆層形成を妨げるので、メッキ工程前にこの除去が必要であり、製造コストを上昇させるとの問題もある。
【特許文献１】特許２８９２５０５号公報（第１９欄第４７行〜第２０欄第１２行、図２Ａ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、充分な大きさの接触力を与えるばね力と、電子素子又は対応電極との優れた接合力を有するマイクロスプリングコネクターを、容易に安定的に製造することができる、マイクロスプリングコネクターの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、高弾性金属からなる芯材及び耐酸化性の金属からなる被覆層、を有するワイヤーの先端を溶融してボールを形成する工程、その後、このボールを被接合部に押圧して接合を形成する工程、及び、その後ワイヤーを引き出しながらばね形状を形成し、ワイヤーを切断する工程を有することを特徴とするマイクロスプリングコネクターの製造方法により達成される。
【００１２】
本発明者は、検討の結果、銅等の高弾性金属を芯材とし耐酸化性の金属で被覆したワイヤーを、いわゆるボールボンディング法で接合すると、表面酸化による接合阻害が少ないため優れた接合力が得られることを見出し、前記の構成からなる発明を完成した。本発明の製造方法によれば、このように優れた接合力が得られるとともに、芯材が高弾性金属であるので、被覆層が薄くても充分なばね力を得ることができ、又被覆層が薄くてよいので、長時間のメッキ工程やメッキの繰返しは不要であり、容易に製造することができる。
【００１３】
本発明はさらに、より好ましい態様として、次の構成からなるマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１４】
請求項２は、高弾性金属が、銅又は銀を主体とすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１５】
請求項３の発明は、耐酸化性の金属が、芯材よりも高融点の金属であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１６】
請求項４の発明は、耐酸化性の金属が、パラジウム、白金及びニッケルから選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１７】
請求項５の発明は、パラジウムからなる層を有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１８】
請求項６の発明は、パラジウムからなる層が、ビッカース硬度が２５０以下のパラジウムからなることを特徴とする請求項５に記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００１９】
請求項７の発明は、被覆層が、電気メッキ法により形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００２０】
請求項８の発明は、ワイヤーの切断部を溶融してボールを形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のマイクロスプリングコネクターの製造方法を提供する。
【００２１】
切断部すなわち自由端にボールを形成することにより、電子素子と対応電極の接続時に、優れた接触性（電子素子と対応電極の接続時に接触不良を生ぜず、良好な導通を達成する性質）が達成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の製造方法によれば、電子素子又は対応電極とマイクロスプリングコネクターの一端との間の優れた接合力が得られるとともに、芯材が高弾性金属であるので、被覆層が薄くても、大きなばね力を得ることができ、又被覆層が薄くてよいので、長時間のメッキ工程や、メッキの繰返しは不要であり、容易に、安定的にマイクロスプリングコネクターを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に本発明の形態をより具体的に説明する。
【００２４】
本発明の製造方法に使用されるワイヤーを構成する高弾性金属とは、金よりもヤング率の大きな金属を言う。このような金属としては、コバルト、クロム、マンガン、モリブデン、パラジウム、プラチナ、チタン、銅、銀、ニッケルや各種合金が例示され、ニッケル等の硬質金属も含まれるが、電気伝導性に優れる銅、銀が好ましく用いられる。請求項２は、この好ましい態様に該当する。特に比較的安価で、ワイヤーへの加工やばね形状への加工が容易であり、銀よりも弾性の高い銅が好ましく用いられる。
【００２５】
ワイヤーを構成する耐酸化性の金属とは、接合時の加熱等の際に金属表面の酸化が起こりにくい金属が用いられるが、中でも、芯材よりも高融点の金属が好ましい。芯材よりも高融点の金属により被覆されると、ワイヤー先端の溶融の際に良好なボール形状が得られる。ここでボール形状が良好である、とはボール部の形状が真球に近く、大きさや形状バラツキの少ない状態をいう。良好なボール形状は、接合力の向上にも寄与するし、又自由端にボールを形成した場合優れた接触性が得られるので、好ましい。請求項３は、この好ましい態様に該当する。特に好ましくは、芯材よりも２００℃以上高融点の金属である。
【００２６】
芯材として、銅又は銀を用いた場合、耐酸化性でありかつ芯材よりも２００℃以上高融点の金属としては、パラジウム、白金、ニッケルが好ましく例示される。請求項４は、この好ましい態様に該当する。すなわち、被覆層は、好ましくは、パラジウム、白金およびニッケルから選ばれた一種、又は２種以上を含む合金、又はこれらを主体とする金属からなる。特にパラジウムは、ニッケルよりも耐酸化性に優れ、白金よりも加工性に優れるので好適である。請求項５は、この好ましい態様に該当する。
【００２７】
パラジウムの加工性に優れるとの性質により、伸線加工が容易になるとともに、バネ形状への加工時にも次に示すようなすぐれた効果が得られる。すなわち、ばね形状への加工時にはワイヤーへの屈曲応力がかかるので被覆層が割れたり、剥離したりする場合があるが、パラジウムではこれが起こりにくい。特にビッカース硬度を２５０以下にすることにより特に良好な加工性が期待できる。請求項６は、この特に好ましい態様に該当する。ビッカース硬度は、層を形成するときのメッキの種類や条件、又パラジウム中の不純物の種類や量等により変動するので、これらを調整することによりビッカース硬度を２５０以下とすることができる。
【００２８】
さらに、芯材よりも高融点の金属の中でも、芯材の溶融時の該金属（被覆材）との濡れ接触角が２０度以上である金属がより好ましく、この金属を被覆材として用いれば、ボール形状の安定性がより向上する。ここで、芯材の溶融時の被覆材との濡れ接触角とは、芯材の塊を被覆材上に乗せ、芯材の融点以上に加熱して芯材を完全に溶解したときの接触角である。より具体的には、純度９９．９９９９５％の窒素を流して酸化を防ぎながら５０℃／分の昇温速度で加熱し、芯材の溶解開始から４０℃昇温したとき測定した接触角である。
【００２９】
被覆層は１層からなるものでもよく、２層以上の層からなってもよい。例えば、芯材と最外層の被覆層との間に、最外層とは異なった金属からなる異種金属層、例えば金層を設けると、ボンディングワイヤー製造におけるメッキによる被覆層の製造工程において、メッキ液への芯材の溶解によるメッキ液の劣化を防ぐ、最外層の被覆層と芯材との密着性を向上させることができるとの効果が得られる。特にばね形状への加工時には、ワイヤーへの屈曲応力がかかり被覆層と芯材の密着力が弱いと被覆層が剥離しやすい傾向にあるので密着性向上は大きなメリットである。また、用いられる金属の種類によっては、ボール径のより広い範囲でボール形状が真球を保つこともできる。
【００３０】
芯材の銅中に、他の元素を合計は０．００１質量％以上含有することが好ましい。０．０１質量％以上であれば更に好適である。ただし、他の元素の量が多いと電導性などの特性が低下するので、その量は１質量％以下が好ましい。他の元素としては、べリリウム、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。
【００３１】
ワイヤーは、例えば、高弾性金属からなる芯材の線に、被覆層の金属をメッキすることにより得られる。メッキとしては電気メッキ法が最適である。請求項７は、この好ましい態様に該当する。特に、銅等の高弾性金属からなる太い線に、厚メッキを施したものを複数回伸線して狙いのワイヤー径、メッキ厚を出す方法が経済的で好ましい。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る。さらには、芯材と被覆層との密着力が大きい。
【００３２】
ワイヤーの直径の好ましい範囲は特に限定されず、マイクロスプリングコネクターの用途に応じて変動する。半導体デバイス等の微小な電子素子の接続に用いられるマイクロスプリングコネクターを製造する場合は、通常３０〜１５０μｍの直径のものが用いられる。
【００３３】
このようにして得られたワイヤーの一端は、いわゆるボールボンディング法により、電子素子又は対応電極上に接合される。すなわち、ワイヤーの先端を溶融してボールを形成する工程が行われ、その後、このボールを被接合部に押圧して接合を形成する工程が行われる。ボールの形成の工程は、例えば、移動自在なキャピラリー（以下「ボンディングツール」と言う。）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することにより行われる。
【００３４】
このボール形成は、窒素ガス等の不活性ガスを供給しながら行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素と水素の混合ガス、水素を含まない窒素ガス、例えば窒素純度が９９．９％以上の窒素ガスが例示される。不活性ガスの供給方法としては、１本若しくは複数本のガス管からワイヤー先端にガスを吹き付けて供給する方法や、ワイヤー先端部周辺を壁で囲み、その壁の内部に不活性ガスを供給して貯める方法などが考えられる。
【００３５】
ボールが形成された後、該ボールは、電子素子又は対応電極上の被接合部に押圧されて接合が形成される。押圧は、好ましくは、超音波を印加しつつ行われる。この接合の工程の後、ワイヤーを引き出しながらばね形状が形成される。ばね形状の形成は、例えば、ワイヤーを引き出しながらボンディングツールを移動させて、ワイヤーに屈曲部やループ部等を形成することにより行われる。
【００３６】
ばね形状が形成された後、ボンディングツールをさらに上昇させ、ワイヤーを切断する。切断は、例えば電極トーチ間との放電により行なうことができる。この際に切断されたワイヤー端は溶融してボールが形成される。この切断された部分が、マイクロスプリングコネクターの自由端となり、電子素子と対応電極の接続時に、電子素子又は対応電極に接触する。
【００３７】
このように、ワイヤー切断部を溶融してボールを形成する工程を有し、自由端をボール形状とすることにより、電子素子又は対応電極との接触性が向上し、接触不良等が生じにくくなる。請求項８は、この好ましい態様に該当する。
【００３８】
更にバネ弾性を向上させるため、表面に別途後メッキ加工を行なって補強してもよい。その場合、本発明の形態ではワイヤー表面に耐酸化性の金属が被覆されているためメッキ前の表面酸化層の除去が不要であり、もしくは容易である。更に従来技術と比べてバネ弾性は格段に優れているため、補強のための後メッキのメッキ厚が薄くてもよいとのメリットがある。
【実施例】
【００３９】
次に、本発明を、その実施形態の一例を示しながらより具体的に説明する。この実施例は、本発明の実施形態の一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４０】
実施例１
直径約２００μｍの銅ワイヤーに、電気メッキにてパラジウムのメッキ被覆層を形成し、それを伸線することにより、ワイヤー直径（芯材と被覆層を含むワイヤーの外径を意味する。以下同じ。）約５０μｍ、パラジウムメッキ厚約０．５μｍのワイヤーを製造する。
【００４１】
このようにして得られたワイヤーを用い、ボンダーにて、トーチとワイヤー先端の間の放電を行い、ワイヤー先端を溶融させて直径約９０μｍ程度のボールを形成する。ボールの形成は、純度９９．９９９％程度の窒素を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う。この際、ボール形状の評価を行い、真球状の場合を「良」とし、ゴルフクラブ状（ボールの中心とワイヤーの延長線がずれる）の場合と槍状の場合を「不良」とすると、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００４２】
その後、基板温度２００℃にてボンディングツールを使用して超音波を印加しながらこのボールを押圧することにより接合を形成する。接合形成後、ボンディングツールを動かして、ばね形状を形成する。
【００４３】
このようにして得られたマイクロスプリングコネクターについて、下記の方法で接合強度、ばね力を測定すると、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００４４】
［接合強度（接合力）の測定］
ワイヤーを挟み、上方に０．５ｍｍ／ｓｅｃで引っ張り、接合部が外れる、もしくはワイヤーが破断した際の強度（ｇ）を接合強度とした。
【００４５】
［ばね力の測定］
バネを０．１ｍｍ間隔で縦横１０列作成し、その上に様々な荷重の薄い板を載せてそのバネ群が重みで潰れる板の荷重からバネ力を算出した。
【００４６】
実施例２
パラジウムのメッキ被覆層を形成する代りにニッケルのメッキ被覆層を形成する以外は、実施例１と同様に、ワイヤーの製造、接合、ばね形状の形成を行い、ボール形状、接合強度、ばね力の測定を行うと、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００４７】
実施例３
パラジウムのメッキ被覆層を形成する代りに金のメッキ被覆層を形成する以外は、実施例１と同様に、ワイヤーの製造、接合、ばね形状の形成を行い、ボール形状、接合強度、ばね力の測定を行うと、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００４８】
比較例１
純度９９．９９％の直径５０μｍの金ワイヤーにて実施例１と同様に、接合、ばね形状の形成を行い、ボール形状、接合強度、ばね力の測定を行うと、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００４９】
比較例２
直径５０μｍの銅ワイヤーにて実施例１と同様に、接合、ばね形状の形成を行い、ボール形状、接合強度、ばね力の測定を行うと、表１に示すような結果が得られると考えられる。
【００５０】
なお、表１には、前記実施例及び比較例について、ボール形状、接合強度、ばね力とともに、コストについての評価結果も示した。
【００５１】
【表１】
2006118984.tif 000002
【００５２】
表１より明らかなように、本発明の製造方法により、接合強度、ばね力がともに優れたマイクロスプリングコネクターを得ることができる。特に、被覆層の材質として、パラジウムを用いたものは、ボール形状、接合強度、ばね力、コストの全ての項目において優れており、好ましい。