(57)【要約】【課題】  リーニング不良の発生を抑え、狭ピッチ化と細線化及び長ループ化に対して有効な金ボンディングワイヤ及びその製造方法を提供する。【解決手段】  溶解鋳造したワイヤ材を加工と焼鈍を組み合わせて所定の線径とした後、最終焼鈍する金ボンディングワイヤの製造方法において、溶解鋳造後に圧延加工を行うことなく直接伸線加工を行う。その際、最終焼鈍前の伸線加工の途中に少なくとも１回の中間焼鈍を行うと共に、溶解鋳造から最初の中間焼鈍まで、中間焼鈍から最後の中間焼鈍まで、及び最後の中間焼鈍から最終焼鈍までの各伸線加工における面積加工率を７５〜９９.９９７％とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶解鋳造した金を主成分とするワイヤ材を、加工と焼鈍を組み合わせて所定の線径とした後、最終焼鈍する金ボンディングワイヤの製造方法において、溶解鋳造後に圧延加工を行うことなく直接伸線加工を行い、且つ最終焼鈍前の伸線加工の途中に少なくとも１回の中間焼鈍を行うと共に、溶解鋳造から最初の中間焼鈍まで、中間焼鈍から最後の中間焼鈍まで、及び最後の中間焼鈍から最終焼鈍までの各伸線加工における面積加工率を７５〜９９.９９７％とすることを特徴とする金ボンディングワイヤの製造方法。
【請求項２】
少なくとも最後の中間焼鈍までに用いる伸線加工用のダイスとして、下記式で定義される接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲内であるダイスを５０％以上使用することを特徴とする、請求項１に記載の金ボンディングワイヤの製造方法。
接触長さ比ｃ＝（ｄ０−ｄ）／２ｄ０ｓｉｎα
（ただし、ｄ０：ダイス挿通前の線径、ｄ：ダイス挿通後の線径、α：ダイスリダクション部半角）
【請求項３】
上記請求項１又は請求項２に記載の製造方法により得られたＡｕを主成分とするボンディングワイヤであって、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｙ及び希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素を０.００１〜０.０１質量％含有することを特徴とする金ボンディングワイヤ。
【請求項４】
Ｃｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔから選ばれた少なくとも１種の元素を０.０００５〜２.０質量％含有することを特徴とする、請求項３に記載の金ボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極パッドと外部リードとを電気的に接続するために用いるボンディングワイヤ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子上の電極パッドと外部リードとの電気的接続には、一般的に線径が１０〜１００μｍ程度、主として２０〜４０μｍの金（Ａｕ）を主成分とするボンディングワイヤ（以下、金ボンディングワイヤとも言う）が用いられている。
【０００３】
近年、半導体素子の高集積度化に伴い、半導体素子上の隣接パッド間の間隔を狭める狭ピッチ化が進んでいる。また、従来は半導体素子の４辺に各１列配列されていたパッドを各辺２列ないし３列に形成し、それぞれのパッドからループ高さを変えてワイヤボンディングして、３次元的にループを形成させることが行われている。このような狭ピッチ化や長ループ化を進めるためには、ボンディングワイヤの線径を細線化する必要があり、それに伴って従来よりも高強度のボンディングワイヤが要求されている。
【０００４】
しかし、上記狭ピッチ化、長ループ化及び細線化に伴い、従来はほとんど問題とされていなかったリーニングと呼ばれる現象が、ボンディング作業における不具合として最近注目されている。リーニングとは、ボンディングワイヤをパッド側にボールボンディングしてボール直上部でワイヤを直立させ、リード側に向けて緩やかに傾斜をつけるループ形成において、ワイヤ直立部が倒れて隣接ワイヤとの間隔が狭くなり、接触する恐れがある不具合のことである。特に３次元的にループを形成させる場合には、必然的に最外列のワイヤはループ高さが高く且つワイヤ長も長くなるので、リーニングが発生しやすく、組立収率を下げる大きな要因となっている。
【０００５】
このような不具合を解決する方法として、特開２００２−３１９５９７号公報には、ボンディングワイヤの製造工程において、伸線工程の途中に少なくとも１回の途中焼鈍を行うと共に、鋳造後又は途中焼鈍から途中焼鈍まで、及び途中焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率、７５〜９９.９９７％とすることが開示されている。この方法によれば、ボンディングワイヤの内部組織を繊維組織にすることにより、リーニング不良の解決を図ることができるとされている。
【０００６】
また、特開２００３−５９９６４号公報には、狭ピッチ配線を可能にする高強度のボンディングワイヤとして、Ｃｏを０.０１〜８質量％又はＧｅを０.０１〜１質量％又はＲｈを０.０１〜０.８４質量％含み、残部が金及び不可避不純物からなり、常温引張強度が３５０〜１５００ＭＰａであるボンディングワイヤが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３１９５９７号公報
【特許文献２】特開２００３−５９９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記公報に記載の方法などにより、リーニング不良を低減させることが可能となった。しかしながら、最近では狭ピッチ化及び細線化が更に進展し、隣接パッド間の間隔が５０μｍないし４０μｍとなるに従って、以前は問題とされなかった微小なワイヤ直立部の傾きでもリーニング不良と判断される場合が出てきている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、隣接パッド間隔を５０〜４０μｍとする更なる狭ピッチ化と細線化及び長ループ化に伴って、顕在化したリーニング不良に対して有効な金ボンディングワイヤ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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明者はリーニング不良の原因について鋭意検討した結果、従来からボンディングワイヤの加工に広く用いられてきた溝ロールによる圧延加工が、最終焼鈍後のワイヤ内部組織制御に対して悪影響を及ぼしていることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明が提供する金ボンディングワイヤの製造方法は、溶解鋳造した金を主成分とするワイヤ材を、加工と焼鈍を組み合わせて所定の線径とした後、最終焼鈍する金ボンディングワイヤの製造方法において、溶解鋳造後に圧延加工を行うことなく直接伸線加工を行い、且つ最終焼鈍前の伸線加工の途中に少なくとも１回の中間焼鈍を行うと共に、溶解鋳造から最初の中間焼鈍まで、中間焼鈍から最後の中間焼鈍まで、及び最後の中間焼鈍から最終焼鈍までの各伸線加工における面積加工率を７５〜９９.９９７％とすることを特徴とする。
【００１２】
上記本発明による金ボンディングワイヤの製造方法においては、少なくとも最後の中間焼鈍までに用いる伸線加工用のダイスとして、下記式で定義される接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲内であるダイスを５０％以上使用することが好ましい。
【００１３】
接触長さ比ｃ＝（ｄ０−ｄ）／２ｄ０ｓｉｎα
（ただし、ｄ０：ダイス挿通前の線径、ｄ：ダイス挿通後の線径、α：ダイスリダクション部半角）
【００１４】
本発明は、また、上記本発明の製造方法により得られたＡｕを主成分とするボンディングワイヤであって、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｙ及び希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素を０.００１〜０.０１質量％含有することを特徴とする金ボンディングワイヤを提供するものである。
【００１５】
上記本発明の金ボンディングワイヤにおいては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔから選ばれた少なくとも１種の元素を０.０００５〜２.０質量％含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ますます進展する狭ピッチ化、細線化及び長ループ化に伴って顕在化したリーニング不良に対し、その抑制に効果的な金ボンディングワイヤ及びその製造方法を供給することができ、従って半導体組立工程での不良率を大幅に削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
金ボンディングワイヤの製造には、溶解鋳造したワイヤ材を加工と焼鈍を組み合わせて所定の線径とした後、最終焼鈍する方法がとられている。その際の溶解鋳造後の1次加工としては、上記した特開２００２−３１９５９７号公報や特開２００３−５９９６４号公報にも記載されているように、比較的安価な装置で加工ができること、及び加工中の発熱が小さいことなどの理由により、従来から溝ロールによる圧延加工が広く用いられている。
【００１８】
この溝ロールによる圧延加工では、加工中にワイヤ材の転倒（回転、捩れ）を防ぐために、角を面取りした角型の溝を挿通させて加工している。しかし、角型の溝で加工することにより、ワイヤ材断面での円周方向の加工度が不均一となり、特に溝部に当たる部分は加工度が小さいだけでなく、ロールで強く圧延される部分からの円周方向の力も加わって、ワイヤ材は複雑な力を受けることになる。更に、通常は角を面取りした四角形の断面を有する溝ロールで圧延加工した後、最初のダイスで伸線加工する時に、四角形の角の部分は加工度が高くなるため、ワイヤ材の円周方向で見れば力の受け方が不均一となる。
【００１９】
そこで、本発明方法においては、溶解鋳造後に圧延加工を行うことなく、ワイヤ材を直接ダイスで伸線加工する。ダイスによる伸線加工は常にワイヤ材断面が円形の状態で加工を行うので、円周方向での加工度の均一性が保たれる。この円周方向での加工度の均一性が結果的に組織の均一性に影響を与え、従来の溝ロールでの圧延加工を行ったワイヤの最終焼鈍後の組織に比べ、本発明の金ボンディングワイヤは均一性に優れた組織が得られる。この内部組織の優れた均一性の差が、リーニング不良の発生頻度に影響しているものと考えられる。
【００２０】
上記のごとく圧延加工せずに、ダイスで伸線加工する際には、最終焼鈍前の伸線加工の途中に少なくとも１回の中間焼鈍を行う。また、前述の特開２００２−３１９５９７号公報記載の方法と同様に、ワイヤ内部の繊維組織の発達を促してリーニング抑制効果を高めるため、溶解鋳造から最初の中間焼鈍まで、中間焼鈍から最後の中間焼鈍まで、及び最後の中間焼鈍から最終焼鈍までの各伸線加工において、それぞれ面積加工率を７５〜９９.９９７％とする。尚、中間焼鈍の温度は、ワイヤ材の１次再結晶以上の温度で、且つ２次再結晶の温度を超えない範囲に設定するのが望ましい。
【００２１】
次に、伸線加工に用いるダイスについて説明する。ダイスによる伸線加工の場合、ワイヤ外周部には圧縮の力が働くが、ワイヤ中心部には条件によって引張の力が働くことはよく知られている。そのワイヤ内部の応力状態は、下記式により計算される接触長さ比ｃと関係する（中桐明和、「第１８８回塑性加工シンポジウム・テキスト」、(１９９９)、１９参照）。
【００２２】
接触長さ比ｃ＝（ｄ０−ｄ）／２ｄ０ｓｉｎα
（ただし、ｄ０：ダイス挿通前の線径、ｄ：ダイス挿通後の線径、α：ダイスリダクション部半角）
【００２３】
上記「第１８８回塑性加工シンポジウム・テキスト」によれば、伸線時の引抜き応力を平均応力と偏差応力に分解した時、平均応力は塑性変形に関与しない成分であり、偏差応力はせん断変形に関与し、引抜き変形に有効とされている。即ち、上記接触長さ比ｃと平均応力についてグラフ上にプロットすると、平均応力＝０のとき、即ち引抜き応力＝偏差応力のとき、最も有効に引抜き変形が行われるのであり、この平均応力＝０となるのは接触長さ比ｃが０.５５付近であることが報告されている。
【００２４】
この接触長さ比ｃによる引抜き応力の解析は、言い換えれば引抜き変形がワイヤ断面のどの領域まで有効に作用するかを表すので、変形により形成される繊維組織の状態を判断するうえで有効と考えられる。そこで、接触長さ比ｃと断面組織及びリーニングの発生率を調査した結果、少なくとも最後の中間焼鈍までに用いるダイスの５０％以上について接触長さ比ｃ＝０.２〜０.７であるものを使用すると、リーニングの発生率が抑えられると共に、最終焼鈍後の断面組織では十分な繊維組織の形成が見られることが分った。
【００２５】
最後の中間焼鈍までに用いるダイスのうち、接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲内のものが５０％未満の場合、リーニングの抑制効果は十分ではなく、最終焼鈍後の断面組織で繊維組織の発達も不十分であった。また、最後の中間焼鈍までに用いるダイスの５０％以上で接触長さ比ｃが０.２未満の場合は、リーニングを抑制することができない。更に、接触長さ比ｃが０.７を超える場合には、リーニングを抑制する効果は十分に期待できるが、接触長さが長くなるため、引抜き力が高く断線しやすい、潤滑剤の焼き付きを起こしやすいなど、別の不具合が顕著となる。
【００２６】
尚、最後の中間焼鈍以降の伸線については、接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲内のダイスを用いなくても良い。もちろん、最終線径まで接触長さ比ｃが０.２〜０.７のダイスで伸線する場合も、リーニングに対して有効ではある。しかしながら、特に５０μｍ以下の伸線ではワイヤの抗張力が小さいために、接触長さ比ｃの大きいダイスでは引抜き力が高く、断線が起きやすくなる。また、断線を防止するために低リダクション率とした場合、接触長さ比ｃを上記範囲内にするためにはリダクション部半角を５°以下にする必要があるが、そのようなダイスの製造は著しく困難であるため現実的ではない。このような事情から、特に最後の中間焼鈍以降もダイスが上記範囲内である必要はない。
【００２７】
本発明に係る金ボンディングワイヤは、リーニング不良を顕在化させる狭ピッチ化に伴う細線化及び長ループ化に対応するために、当然ことながら高強度化が求められる。金（Ａｕ）を主成分とするワイヤの高強度化には、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｙ及び希土類元素から選ばれた少なくとも１種の元素を０.００１〜０.０１質量％含有させることが有効である。上記元素の含有量が０.００１質量％未満では、強度向上の効果が乏しく、狭ピッチでボンディングを行った場合、例えば半導体組立工程でボンディング以降に行われる封止工程で、ワイヤが変形して隣接ワイヤと接触するなどの不具合が生じる。また、上記元素の含有量が０.０１質量％を超えると、ボール形成時に表面に添加元素が濃縮しやすくなり、１ｓｔボンディング部の初期接合力が低減するため信頼性が低下してしまう。
【００２８】
更に、上記した元素と共に、Ｃｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔから選ばれた少なくとも１種の元素を添加することによって、本発明方法による一層のリーニング抑制効果が得られる。即ち、これらの元素を０.０００５質量％以上添加することにより、機械的特性値を安定化させることができる。また、これらの元素はＡｕに固溶する元素群であり、高濃度添加すると、強度向上が見込めるだけでなく、１ｓｔボンディング部の信頼性向上に寄与する。しかし、これらの元素の含有量が２.０質量％を超えると、ワイヤ硬度が過度に高くなるために、外部リードと接合させる２ｎｄボンディング部の接合性が低下する傾向が認められるため好ましくない。
【実施例】
【００２９】
下記２種類のワイヤ組成を有するＡｕボンデングワイヤを製造した。
（ａ）Ｃａ：０.００１５質量％、Ｂｅ：０.０００５質量％、Ｌａ：０.００１質量％、残部：Ａｕ
（ｂ）Ｃａ：０.００１５質量％、Ｐｄ：１.２質量％、残部：Ａｕ
【００３０】
即ち、上記（ａ）及び（ｂ）の組成を有するワイヤ材を溶解鋳造した後、下記（１）〜（５）の製造方法により、線径が２５μｍと２０μｍのボンディングワイヤを製造した。各ボンディングワイヤの伸び率は、最終焼鈍により、線径２５μｍのワイヤでは５％、線径２０μｍのワイヤでは４％に調整した。
【００３１】
（１）溶解鋳造後の加工を伸線加工とし、伸線加工の途中で１回中間焼鈍を行い、引き続き伸線加工を行って上記２種類の線径に仕上げた後、最終焼鈍を行った。尚、溶解鋳造から中間焼鈍までの面積加工率は９８.１％、中間焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率は線径２５μｍで９９.９５％及び線径２０μｍで９９.９７％であった。また、溶解鋳造から中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.３１であり、全てのダイスで接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たしていた。
【００３２】
（２）溶解鋳造後の加工を伸線加工とし、伸線加工の途中で１回中間焼鈍を行い、引き続き伸線加工を行って上記２種類の線径に仕上げた後、最終焼鈍を行った。尚、溶解鋳造から中間焼鈍までの面積加工率は９８.１％、中間焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率は線径２５μｍで９９.９５％及び線径２０μｍで９９.９７％であった。また、溶解鋳造から中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.２７であり、６６％のダイスで接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たしていた。
【００３３】
（３）溶解鋳造後の加工を伸線加工とし、伸線加工の途中で１回中間焼鈍を行い、引き続き伸線加工を行って上記２種類の線径に仕上げた後、最終焼鈍を行った。尚、溶解鋳造から中間焼鈍までの面積加工率は９８.１％、中間焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率は線径２５μｍで９９.９５％及び線径２５μｍで９９.９７％であった。また、溶解鋳造から中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.１８であり、４７％のダイスでのみ接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たしていた。
【００３４】
（４）溶解鋳造後の加工を伸線加工とし、伸線加工の途中で２回中間焼鈍を行い、引き続き伸線加工を行って上記２種類の線径に仕上げた後、最終焼鈍を行った。尚、溶解鋳造から最初の中間焼鈍までの面積加工率は９８.１％、最初の中間焼鈍から２回目の中間焼鈍までの面積加工率は９５.６％、２回目の中間焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率は線径２５μｍで９９.９５％及び線径２０μｍで９９.９７％であった。また、溶解鋳造から最初の中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.４３であり、全てのダイスで接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たしていた。更に、最初の中間焼鈍から２回目の中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.２９であり、全てのダイスで接触長さ比０.２〜０.７の範囲を満たしていた。
【００３５】
（５）溶解鋳造後の加工を溝ロール加工とし、溝ロール加工終了後は伸線加工とした。伸線加工の途中で１回中間焼鈍を行い、引き続き伸線加工を行って上記２種類の線径に仕上げた後、最終焼鈍を行った。尚、溶解鋳造から中間焼鈍までの面積加工率は９８.１％、中間焼鈍から最終焼鈍までの面積加工率は線径２５μｍで９９.９５％及び線径２０μｍで９９.９７％であった。また、伸線加工から中間焼鈍までの平均接触長さ比は０.２８であり、全てのダイスで接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たしていた。
【００３６】
上記（ａ）及び（ｂ）の２種類のワイヤ組成と、（１）〜（５）の５種類の製造方法を組み合わせて、下記表１に示す試料１〜２０のＡｕボンディングワイヤを製造した。尚、上記（１）〜（４）の製造方法は本発明の実施例であり、上記（５）の製造方法は特開２００２−３１９５９７号公報記載の方法に相当する比較例である。
【００３７】
【表１】
2006147893.tif 000002
【００３８】
得られた試料１〜２０について、常温での引張強度と、ボンダーを用いた組立性能について評価を行った。ボンダーを用いた組立は、キューリックアンドソッファ社製のＭＡＸＵＭ型ボンダーを使用し、線径２５μｍについてはパッドピッチ６０μｍでループ長５ｍｍ、線径２０μｍについてはパッドピッチ４０μｍでループ長５ｍｍとし、ボンディング数１２０００本、ループ高さの設定値３００μｍとした。１ｓｔ側については、１.０質量％Ｓｉと０.５質量％ＣｕをドープしたＡｌを全面にスパッタリングしたミラーチップ上にボンディングした。２ｎｄ側は、ＢＧＡ基板上にボンディングした。また、１ｓｔ側のボール形成条件は、初期ボール径を線径の１.６倍となるようにＥＦＯ条件を調整し、圧着したボール径が線径の１.８〜１.９倍となるように超音波と荷重の条件を調整した。
【００３９】
組立性能の評価は、リーニングと１ｓｔボンディング部の接合性について行った。具体的には、リーニングに関しては、ボール直立部での隣接ワイヤとの間隔（隙間）が線径以下となった場合をリーニング不良とし、その不良の発生率を求めた。また、１ｓｔボンディング部の接合性については、シア強度が線径２５μｍの場合で１４ｃＮ未満、線径２０μｍの場合で９ｃＮ未満のものをシア強度不良とし、その不良発生率を求めた。得られた結果を、下記表２に示した。
【００４０】
【表２】
2006147893.tif 000003
【００４１】
上記の結果から分るように、線径２５μｍのワイヤを用いてパッドピッチ６０μｍでボンディングした試料１〜１０では、比較例を含め全ての試料でリーニング不良発生率は高くないが、線径２０μｍのワイヤを用いてパッドピッチ４０μｍでボンディングした試料１１〜２０では、比較例の試料１５、２０でリーニング発生率が著しく高くなった。また、同じく試料１１〜２０においては、前記接触長さ比ｃが０.２〜０.７の範囲を満たすダイスが４７％である製造方法（３）の試料１３、１８で、同じ線径及び同じパッドピッチの他の試料に比べ、リーニング発生率が若干高くなる傾向が認められた。尚、１ｓｔボンディング部の接合性については、全ての試料でシア強度不良の発生はなかった。