(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｕを１．０質量％以上、３．０質量％以下、Ｐｄを０．０５質量％以上、１．０質量％以下、Ｂｅを１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、Ｃａを１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とするＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤ。
【請求項２】
Ａｕを１．０質量％以上、３．０質量％以下、Ｐｄを０．０５質量％以上、１．０質量％以下、Ｂｅを１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、Ｃａを１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、さらにＣｅ、Ｌａのいずれか又は両者を合計で１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とするＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤにおける前記ボンディングワイヤ表面に、酸化物または炭化物などの表面介在物が存在していないことを特徴とするＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤ。
【請求項４】
請求項３に記載のＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤの製造方法であって、
溶解鋳造工程で得られたインゴットを、伸線工程に供する前に、皮剥ダイス加工による表面研削を行い、前記インゴットの表面介在物を除去することを特徴とするＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤの製造方法。
【請求項５】
溶解鋳造工程により所定の径に形成されたインゴットに、複数回の皮剥ダイス加工を施し、次いで伸線加工と、材料の軟化を目的とした熱処理を繰り返し少なくとも１回施して、最終線径に加工した後、伸び率を調整する仕上げ熱処理を施すことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の電極と基板の電極とを接続するＡｇボンディングワイヤに関し、特にＬＥＤ素子上の電極と基板の電極とを接続するのに好適なＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子上の電極と、基板の電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は２０〜３０μｍと非常に細く、そのため、導電性が良く、加工性に優れた金属材料が用いられている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来はＡｕ製のボンディングワイヤ（以下、Ａｕボンディングワイヤと称す）が用いられてきた。
しかし、Ａｕボンディングワイヤは重量の９９％から９９．９９％がＡｕであるため非常に高価であり、コスト面からボンディングワイヤ用の材料として安価な材料に替えたいという強い要請が成されていた。
【０００３】
さらに近年、ＬＥＤ素子をマウントしたＬＥＤパッケージは低消費電力という長所を活かして表示用から照明用としての用途が活発に検討されてきていた。その検討に当たり、投入電力あたりの発光効率を高めるためには、ＬＥＤパッケージ内に使用する金属、たとえば光反射板の反射率を高めるために、その材質を光反射率が約７１％のＡｌから約９５％のＡｕへ、さらには約９７％のＡｇへと変更されてきている。
【０００４】
このような状況の中、素子の電極と基板の電極を結線するボンディングワイヤの材質を「Ａｕ」から「Ａｇ」へ変更することによって、ＬＥＤパッケージとしての明るさが数パーセント向上することが知見された。そのため、早急なＡｇボンディングワイヤへの変更が求められているが、Ａｇは光反射率は高いものの、高温環境下での強度が低い、あるいは熱サイクルによる疲労に弱いという機械的特性上の欠点があり、パーソナルコンピューターや液晶テレビのディスプレイ用のバックライトあるいは照明用としてはまだ実用化に至っていない。
【０００５】
ところで、ＬＥＤパッケージの封止材に使用される従来タイプの透明シリコーン樹脂の熱膨張係数は、ＩＣやＬＳＩパッケージに使用されるエポキシ樹脂が６〜１９ｐｐｍ／Ｋであるのに対して２００〜４００ｐｐｍ／Ｋと非常に大きい。
また、ＩＣやＬＳＩパッケージではパッケージの熱膨張率をシリコンチップに近い値まで下げるために無機微小シリコーンフィラーの充填が行われているが、ＬＥＤパッケージでは光透過性が重要であるため、熱膨張率の調製に無機微小シリコーンフィラーを充填することは難しく、そのため、ＬＥＤパッケージはＩＣに比べて熱膨張変化が大きく、封止されているボンディングワイヤは大きな熱ストレスを受けやすく、従ってボンディングワイヤに使用する金属材料には繰り返し応力による疲労耐性が要求されるが、Ａｇボンディングワイヤにおいては、この疲労耐性向上と光反射率とのトレードオフが実用化に際しての難しい大きな理由である。
【０００６】
そこで、その機械的特性の改善を目指して、原料の結晶粒を微細化して機械的特性を改善したＡｇボンディングワイヤとして、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕなどを合計で５００〜３０００重量ｐｐｍ（０．０５〜０．３重量％）添加したＡｇ合金ボンディングワイヤが提案されている（例えば、特許文献１など参照）。しかし、このＡｇボンディングワイヤでは、ボンディング時に５％水素を含む還元雰囲気中でなければ真球状のボールを得ることが出来ず、設備インフラの投資を必要としない窒素ガス雰囲気でも真球状のボールが形成できるＡｇボンディングワイヤが求められた。
【０００７】
そのような窒素ガス中でボールが形成できるＡｇボンディングワイヤとして、Ａｕが４〜１０重量％、Ｐｄが２〜５重量％、酸化性非貴金属添加元素が１５〜７０質量ｐｐｍのＡｇ合金ボンディングワイヤが提案されている（例えば、特許文献２や３など参照）が、特許文献３に記載のＡｇボンディングワイヤでは窒素ガス中でのボール形成性、高温環境下での機械的特性、さらにはアルミニウム電極との接合信頼性は良好であったが、ＬＥＤ市場が要求するＬＥＤパッケージとしての明るさは、従来のＡｇボンディングワイヤに劣ってしまっている。
そこで、ＬＥＤ市場ではＬＥＤパッケージとしての明るさがより得られるＡｇボンディングワイヤの光反射率の向上が強く求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６４−８７７３６号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９６２号公報
【特許文献３】特許第４７７１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、素子上の電極との接合信頼性や、ＬＥＤパッケージに対して、実際に行われるマイナス４０℃からプラス１２５℃などの温度を交互に印加して行う熱サイクル試験を満足すると共に、ＬＥＤパッケージとしての明るさ改善するＡｇボンディングワイヤ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】
上記課題を解決するために、本発明に係る第１の発明のＡｇボンディングワイヤは、Ａｕを１．０質量％以上、３．０質量％以下、Ｐｄを０．０５質量％以上、１．０質量％以下、Ｂｅを１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、Ｃａを１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第２の発明に係るＡｇボンディングワイヤは、Ａｕを１．０質量％以上、３．０質量％以下、Ｐｄを０．０５質量％以上、１．０質量％以下、Ｂｅを１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、Ｃａを１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、Ｃｅ、Ｌａをいずれか又は両者を合計で１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｇ及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第３の発明に係るＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤは、第１及び第２の発明におけるＡｇボンディングワイヤのワイヤ表面に、酸化物または炭化物などの介在物が存在しないことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第４の発明は、第３の発明におけるＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤの製造方法であって、溶解鋳造工程で得られたインゴットを、伸線工程に供する前に、皮剥ダイス加工による表面研削を行い、インゴットの表面介在物を除去することを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第５の発明は、第４の発明における溶解鋳造工程により所定の径に形成されたインゴットに、複数回の皮剥ダイス加工を施し、次いで伸線加工と、材料の軟化を目的とした熱処理を繰り返し少なくとも１回施して、最終線径に加工した後、伸び率を調整する仕上げ熱処理を施すことを特徴とするＬＥＤパッケージ用Ａｇボンディングワイヤの製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るＡｇボンディングワイヤは、ＬＥＤパッケージ用ボンディングワイヤとして好適なもので、Ａｕを１．０質量％以上、３．０質量％以下含むことにより、１００％窒素ガス中でもボール形成が容易で、Ｐｄを０．０５質量％以上、１．０質量％以下含むことにより、ＬＥＤパッケージ内に設置される場合があるツェナーダイオード素子上のアルミニウム電極との接合信頼性にも優れ、Ｂｅを１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、且つＣａを１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含むことによって、細線でもワイヤ強度が高いためボンディング後のボールシア強度やワイヤプル強度も高く、またＣｅ、Ｌａのいずれか又は両者を合計で１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含むことによって、熱サイクル試験における疲労耐性が高いという優れた効果を奏するもので、ＬＥＤパッケージ用のボンディングワイヤとして好適なものである。
【００１６】
さらに、ＡｇはＡｕよりも溶解鋳造時に酸化物や炭化物の介在物の巻き込みが発生しやすく、溶解鋳造時の酸化物介在物はインゴット表面に偏析して縮径のための伸線工程において破砕されてボンディングワイヤ表面に残留し、大きいものでは５μｍ程度の介在物が観察される場合もあって、接合性不良の原因となったり光反射率低下の原因となり、特に０．１μｍ以上の介在物は著しく接合性を低下させるが、本発明では、それらの介在物を製造工程の初期で除去することにより、接合性が非常に良好で光反射率の高いＡｇボンディングワイヤとなり、ＬＥＤパッケージの光度を高める効果を奏するものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係るＡｇボンディングワイヤに用いる原料のＡｇは、電気比抵抗の上昇や溶解鋳造後の酸化性介在物の低減を図る目的のため、純度９９．９９質量％以上の高純度のＡｇを使用するのが好ましい。
その溶解鋳造は、介在物除去に適する下抜きの真空溶解連続鋳造炉を用いて、純度９９．９９９％以上のカーボン製ルツボを使用し、酸化を防止するために雰囲気を真空度１×１０−４Ｐａ以下にした高周波溶解法にて行い、発生するガス成分の除去のために、溶湯温度を１１００℃以上、溶湯での保持時間を１０分以上の条件で行い、十分に脱ガスした後に、窒素ガスなどの不活性ガスを注入して大気圧に戻して鋳造すると良い。
【００１８】
さらに、鋳造に際しては銀表面の酸化や添加した合金化元素の酸化を抑制するため、水冷による鋳型部の一次冷却のみならず、大気中に引き出す前に室温まで冷却するために二次冷却を行うのが好ましい。
【００１９】
また、含有量が微量なＢｅ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａなどは、予めＡｇあるいはＡｕとの固溶限内での合金を調合用母材として用いるのが添加元素の均一分散化あるいは酸化物あるいは炭化物介在物の除去といった理由から好ましい。
【００２０】
本発明におけるＡｇボンディングワイヤにおいて、Ａｕ含有量が１．０質量％未満では、１００％窒素中でのプラズマ放電加熱によるボール形成で真球状のボールが得られず、３．０質量％を超えると光反射率が低下するために、Ａｕ含有量は、１．０質量％以上３．０質量％以下と限定した。
【００２１】
一方、Ｐｄの含有量を０．０５質量％以上１．０質量％以下と限定するのは、ＬＥＤパッケージ内にアルミニウム電極を備える素子、例えばツェナーダイオード素子などを収納した場合、そのアルミニウム電極との接合信頼性を確保するためで、Ｐｄ含有量が０．０５質量％未満では効果が見られず、１．０質量％を越えると光反射率の顕著な低下を招くため、Ｐｄ含有量は０．０５質量％以上、１．０質量％以下とするものである。
【００２２】
さらに含有量が微量なＢｅでは、１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、且つＣａでは１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下と限定するのは、それぞれ１質量ｐｐｍ未満で含有しても、強度の向上は認められないが、Ｂｅを８質量ｐｐｍ以下かつＣａを２０質量ｐｐｍ以下の範囲で含むことによって、高温及び熱間での強度が向上する上、大気中における加熱によってもワイヤ表面の含有元素による酸化を抑制するためである。Ｂｅが８質量ｐｐｍを超えても、Ｃａが２０質量ｐｐｍを超えても、大気中における加熱によってワイヤ表面での含有元素の酸化が発生し、肉眼での変色は認められないが光反射率の低下が生じる。そのためにＢｅの含有量は１質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以下、且つＣａの含有量は１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下とする。
【００２３】
Ｃｅ、Ｌａのいずれか又は両者を合計で１質量ｐｐｍ以上、２０質量ｐｐｍ以下含有するのは、疲労耐性の向上が目的であり、１質量ｐｐｍ未満では効果が無く、２０質量ｐｐｍを超えると大気中における加熱によってワイヤ表面に酸化が発生し、光反射率が低下するため、合計で１質量ｐｐｍ以上２０質量ｐｐｍ以下とする。
【００２４】
さらに、酸化物や炭化物の介在物は、溶解鋳造時に形成されたインゴット表面に発生するため、そのまま伸線を行うと介在物をインゴット内部へめり込ませるのみならずダイス磨耗を促進するため、発生した介在物は伸線工程前に除去することが望ましく、溶解鋳造工程と伸線工程との間で表面研削を行い、介在物を除去する。
その表面研削の方法としては、化学研摩法やブラスト処理もあるが、伸線加工機を用いて線材表面をダイヤモンドや超鋼合金の内周刃によってそぎ落とす皮剥ダイス加工が簡易で好ましい。
【００２５】
また、連続伸線加工の途中で軟化熱処理を行う場合には、窒素ガス中で熱処理を行ったり、酸化防止剤あるいは変色防止剤などがワイヤ表面に塗布された状態で行ったり、ワイヤの酸化を抑制することが好ましい。ただしワイヤ表面の薄い酸化層は介在物と異なり伸線加工中に自然に剥離除去されるので、伸線潤滑剤は常時フィルタリングして用いることが望ましい。
以上のような介在物の除去作業や表面の酸化防止策により、０．１μｍ以上の介在物は除去され、その線肌は全面が金属面となって、ＬＥＤパッケージ組立後には安定した光度を得ることができる。
以下、本発明に係るＡｇボンディングワイヤについて実施例を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００２６】
表１に、実施例で用いたＡｇボンディングワイヤの各種添加元素、添加量、皮剥加工有無を示す。
表１で「皮剥加工あり」と記された試料は、溶解鋳造された８ｍｍ径のインゴットを４回に分けて皮剥ダイスを用いて表面切削してから伸線加工を行った。
【００２７】
４回の皮剥ぎを通して、トータルでの切削厚みは約０．４ｍｍであり、インゴット表面に換算すると約０．３７ｍｍの深さまでの研削にあたる。これによってインゴットは介在物の無いインゴットとなり、この後伸線加工によって約１ｍｍ径まで縮径し、表面に介在物の無い素線とした。
【００２８】
次に、連続伸線加工によって一気に約０．２ｍｍまで縮径し、引き続いて長さ８００ｍｍの窒素雰囲気炉で連続熱処理を行い約２０％の伸び率まで軟化させ、次に連続伸線によって２５μｍまで縮径し、引き続いて長さ５００ｍｍの窒素雰囲気炉で連続熱処理を行い約１０％の伸び率まで軟化させ、試料とした。
【００２９】
各試料の評価は、銀ボンディングワイヤ先端に窒素ガスを吹き付けながら放電プラズマ加熱によってボール形成できる株式会社新川製「ＵＴＣ−１０００」を使い、ボンディングして評価した。
放電条件は窒素ガス流量を０．５リットル／分とし、直径５０μｍのボールが得られるように放電電流を調整し、潰しボールの直径が７５μｍで厚みが１０μｍとなるようにＬＥＤ素子上の金電極面にボールボンディングを行った。
また、アルミニウム電極との接合信頼性については、シリコンチップ上のＡｌ−０．５質量％Ｃｕ電極面に同様にボールボンディングを行った。
ボール形状については顕微鏡にて球形か鏃形か、さらにボール底部への尖りの発生有無を観察し、球形で尖りの無い場合を○、鏃形もしくは尖りが発生した場合には×と判断した。
【００３０】
プル強度は、Ｄａｇｅ社製の「Ｄａｇｅ−ＳＥＲＩＥＳ−５０００」を用いて測定した。
その評価は、従来ＬＥＤ用ワイヤで広く使用されているＡｕ線のプル強度９．２ｇｆよりも１０％以上高い場合を良（○印）、１０％未満で高い場合を可（△印）、Ａｕ線のプル強度９．２ｇｒｆより低い場合を不良（×印）と判断した。
シア強度もＤａｇｅ社製の「Ｄａｇｅ−ＳＥＲＩＥＳ−５０００」を用いて測定し、従来ＬＥＤ用ワイヤで広く使用されているＡｕ線のシア強度４８．８ｇｆよりも１０％以上高い場合を良（○印）、１０％未満で高い場合を可（△印）、Ａｕ線のシア強度４８．８ｇｒｆより低い場合を不良（×印）と判断した。
【００３１】
接合信頼性は、ヤマト科学株式会社製の「オーブンＤＫＭ６００」を用い、１７５℃で２４０時間で高温放置した後、シア強度を測定し、単位面積当たりシア強度が７．０ｋｇ／ｍｍ２以上を良（○印）、７．０ｋｇ／ｍｍ２未満を不良（×印）と判断した。
【００３２】
ＬＥＤパッケージ組み立てメーカーが行う疲労耐性試験は、ＬＥＤパッケージの熱サイクル試験における樹脂の膨張収縮によるワイヤの疲労破壊試験であるが、簡易的に行える代理特性として、室温におけるワイヤの繰り返し引っ張り試験による破断までの引張回数を、株式会社オリエンテック製の「万能引張圧縮試験機  テンシロンＲＴＣ−１１５０Ａ」を用いて測定した。
具体的には試料ワイヤを引張り、試料の破断強度の９５％の張力となったところで一旦元に戻すという繰り返し引張試験を行い、破断までの平均引張回数を測定するもので、従来ＬＥＤ用ワイヤで広く使用されているＡｕ線の破断までの平均引張回数１５５回よりも低い場合を不良（×印）、１５５回以上２００回未満を可（△印）、２００回以上３００回未満を良（○印）、３００回以上を優（◎印）と評価した。
【００３３】
光度は、ボンディング後にフェニル系透明シリコーン樹脂でＬＥＤパッケージに組み立てた後、ケイエルブイ株式会社製「分光放射測定システム  ＯＬ７７０−ＬＥＤ」を用いて光度を測定して評価した。
従来のＡｕ線を使用したパッケージの光度を１００％としたとき、１００％以上１０２％未満で明るい場合を可（△印）、１０２％以上１０３％未満で明るい場合を良（○印）、１０３％以上で明るい場合を優（◎印）と評価した。
以上の測定結果を纏めて表２に示す。
【００３４】
【表１】
0005775015.tif 000002
【００３５】
【表２】
0005775015.tif 000003
【００３６】
［評価］
皮剥加工を行った実施例の試料番号１から１０のワイヤを光学顕微鏡で観察したところ、非常に金属光沢があり、任意の５箇所の表面をそれぞれ５ｍｍ長にわたって走査電子顕微鏡で観察したところ、０．１μｍ以上の大きさの介在物は観察されなかった。
一方、皮剥加工を行わなかった実施例の試料番号１１から１９のワイヤでは、同様の走査電子顕微鏡による観察で０．１μｍ以上の介在物が５箇所すべてで観察された。
また、皮剥加工を行った比較例の試料番号２５から２８のワイヤについては、走査電子顕微鏡による観察では０．１μｍ以上の介在物は観察されなかったものの、ＥＣＩテクノロジ社製「酸化膜測定装置  ＱＣ−２００」を用いた連続電気化学還元法による酸化膜測定の結果、厚み数ナノメートル以下の酸化膜が観察された。
実施例の試料番号１から１９、及び比較例の試料番号２０から２４、２９、３０では酸化膜は観察されなかった。（これらの評価も合わせて表２に示す。）
【００３７】
表２に示される結果から明らかなように、本発明のＡｇボンディングワイヤは、１００％窒素ガス雰囲気での放電プラズマ加熱によるボール形成でも真球状のボールが得られ、プル強度、シア強度、接合信頼性は従来の金線と同等以上であり、その光度はＡｕ線の場合を１００％として１０２％以上と明るくなっているにもかかわらず、より良好な疲労耐性を示すものである。また、皮剥ぎ加工を行わなかった場合であっても同等以上の光度が得られるが、皮剥ぎ加工を施すことによって、さらなる光度の向上が得られている。