(57)【要約】【課題】鋳造欠陥とされる引け巣の発生を防止し、かつ、成分偏析が起きにくいボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法を提供する。【解決手段】主原料の金および添加元素を、高周波誘導加熱装置の黒鉛坩堝に装入して熔解し、黒鉛坩堝を加熱空間から下方へ下降させる下降工程により、ボンディングワイヤ用インゴットを鋳造する。下降工程は、連続して行われる少なくとも２回の下降操作からなり、下降手順は、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、下降操作の後の保持操作とからなる。さらに、下降速度が、２０ｍｍ／ｍｉｎ以上であることが望ましい。【選択図】図１
2008200715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波誘導加熱装置を用い、主原料の金および添加元素を坩堝に装入し、該坩堝を高周波誘導加熱装置の加熱空間に配置し、装入物を熔解して熔湯とし、前記坩堝を加熱空間から下方へ所定量下降させる工程により、熔湯を凝固させて、ボンディングワイヤ用インゴットを鋳造する方法であって、該下降工程は、全下降量を複数回に分けて下降させる下降手順からなり、該各下降手順は、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、該下降操作の後の保持操作との組合わせからなることを特徴とするボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【請求項２】
前記下降速度が、２０ｍｍ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１に記載のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【請求項３】
前記下降工程は、連続して行われる少なくとも３回の下降手順からなることを特徴とする請求項１または２に記載のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【請求項４】
前記坩堝として、黒鉛坩堝を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【請求項５】
前記添加元素の含有量が１質量％以下である請求項１〜４のいずれかに記載のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【請求項６】
前記添加元素が、Ｃａ、Ｂｅ、および、希土類元素のうちの少なくとも１種からなる請求項１〜５のいずれかに記載のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子のチップと外部リードとを電気的に接続するために使用されるボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子上の電極とリードとを接続するために用いられるボンディングワイヤを製造するためには、まず、所定組成のインゴットを鋳造し、その後、得られたインゴットをロール加工または直接ダイス加工により、中間線径の線材まで加工する。得られた中間線径の線材をダイヤモンドダイス等により、例えば、１５μｍ、３０μｍなどの所定線径まで縮径伸線加工し、さらに、最終焼鈍により加工歪みを除去して、ボンディングワイヤとする。
【０００３】
ボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法としては、例えば、特許文献１に記載されているように、主原料の金および添加元素が熔湯化して収められている坩堝を、抵抗加熱装置の加熱空間から下方へ引き出し、徐冷させることにより、坩堝中の熔湯を凝固させる方法がある。
【０００４】
坩堝を、抵抗加熱装置の加熱空間から下方へ引き出して徐冷させる鋳造方法においては、あらかじめ加熱性能および熔解性能の高い高周波誘導加熱装置によって、坩堝に収められている主原料の金および添加元素を熔解および撹拌し、加熱を停止して、得られた熔湯を自然急冷させて凝固物を得た後、徐冷に適した温度制御性の良い抵抗加熱装置を用いて、得られた凝固物を再溶融し、坩堝を下方へ引き出し、除冷させることにより、ボンディングワイヤ用インゴットを鋳造する。この方法では、急冷に伴いインゴットに発生する引け巣と呼ばれる構造欠陥を防止することはできるが、高周波誘導加熱装置と抵抗加熱装置の両方を使用し、かつ、溶融、急冷、再溶融、および徐冷という工程を経ることにより、７０ｍｉｎ／ロットという長時間を要し、非効率的である。
【０００５】
引け巣と呼ばれる鋳造欠陥は、溶融した熔湯を急冷させるために高周波誘導加熱装置の加熱を停止することにより、軸を鉛直に設置した円筒形の坩堝内で、坩堝の側面と底面に接する部分から凝固が始まり、熱収縮が起こることにより生じ、円筒形のインゴットの中央上部に発生する。これに対して、インゴットの表面部分と中央部分の温度勾配を抑えるために、坩堝を軸方向に下方に引き抜き、底部から上部に向かって順次、熔湯を凝固させることにより、得られるインゴットにおける引け巣の発生を防止することは可能である。高周波誘導加熱装置を用いる場合には、熔湯温度を上げて、熔湯と凝固部分の界面の相対移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎ未満とする必要がある。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、添加元素の含有量が１質量％以下のボンディングワイヤ用インゴットの場合には、冷却速度を遅くする、すなわち、固液界面の移動速度が２０ｍｍ／ｍｉｎ未満となると、成分偏析を起こしやすいことがわかっている。このことから、高周波誘導加熱装置を用いる場合においては、成分偏析との関係で、引け巣の発生を防止するために冷却速度を遅くすることができないという問題がある。
【０００７】
一方、主原料の金および添加元素を連続熔解炉に装入し、原料を熔解させた後連続熔解炉の下部から、熔湯を水冷式ダイスを通して引き抜き、凝固させて、中間線径の線材を得る連続鋳造法がある。
【０００８】
この連続鋳造法は、添加元素の均一分散や偏析防止に優れているものの、少量多品種のボンディングワイヤを得る際には、使用する設備が非効率なものとなり、そのため、生産性が悪化するなどの問題がある。
【特許文献１】特開２００５−１３８１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、鋳造時間を短縮することができ、鋳造欠陥とされる引け巣の発生を防止し、かつ、添加元素の成分偏析が起きにくく、添加元素の均一分散が可能なボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法は、高周波誘導加熱装置を用い、主原料の金および添加元素を坩堝に装入し、該坩堝を高周波誘導加熱装置の加熱空間に配置し、装入物を熔解して熔湯とし、前記坩堝を加熱空間から下方へ所定量下降させる工程により、熔湯を凝固させて、ボンディングワイヤ用インゴットを鋳造する方法であって、該下降工程は、全下降量を複数回に分けて下降させる下降手順からなり、該各下降手順は、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、該下降操作の後の保持操作との組合わせからなる。
【００１１】
前記下降速度が、２０ｍｍ／ｍｉｎ以上であることが望ましい。
【００１２】
また、前記下降工程は、連続して行われる少なくとも３回の下降手順からなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のボンディングワイヤ用のインゴットの鋳造方法により、鋳造時間を短縮することができ、鋳造欠陥とされる引け巣の発生を防止し、かつ、添加元素の成分偏析が起きにくく、添加元素の均一分散が可能である。
【００１４】
また、従来の鋳造方法では、高周波誘導加熱装置と抵抗加熱装置の両方を必要としていたのに対して、本発明の鋳造方法では、抵抗加熱装置を必要としないため、設備および工程が簡略化され、設備コストおよび操業コストを低減することができる。
【００１５】
これにより、少量多品種のボンディングワイヤを得るためのインゴットの生産性の改善が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、任意の種類の金ボンディングワイヤを製造するために用いられるインゴットの鋳造に適用しうる。
【００１７】
ここに、添加元素は、Ｃａ、Ｂｅ、希土類元素の少なくとも１種からなる。
【００１８】
本発明は、高周波誘導加熱装置を用い、原料の高純度電解金と含有量が１質量％以下の添加元素とを、添加元素の酸化を防止するため、不活性雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、熔解し、撹拌棒を使用して撹拌を行う。金を主成分とするボンディングワイヤ用に用いられる添加元素については、一般的にＣａ、Ｂｅ、希土類元素の少なくとも１種からなることがよく知られている。また、このような添加元素の含有量については、ボンディングワイヤのように総質量１％以下であれば、固液界面の移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎにすることで、偏析の影響を受けにくいことがわかってきている。坩堝の材質は、黒鉛のみならずセラミックスなど、様々な材質があるが、金との濡れ性や還元性およびコスト面から考慮して、黒鉛製が最も好ましい。
【００１９】
本発明のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法における下降工程は、図１に示すように、２回の下降手順を連続して行うか、図２に示したように、３回の下降手順を連続して行う。ただし、さらに多い任意の回数の下降手順からなってもよい。
【００２０】
下降手順のそれぞれは、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、下降操作の後の保持操作とからなる。さらに、下降操作のそれぞれにおいては、坩堝を一定速度で一定量、下降させると共に、加熱電力を熔解時の加熱電力から数％低下させた一定の加熱電力で維持する。また、保持操作においては、一定の加熱電力で、保持される。
【００２１】
坩堝の下降速度は、２０ｍｍ／ｍｉｎ以上が望ましい。下降速度が、２０ｍｍ／ｍｉｎ未満である場合、固液界面の移動速度が遅くなり、添加元素の成分偏析を生じやすくなる。なお、固液界面の移動速度、すなわち、熔湯と凝固部分の界面の相対速度は、炉の温度および炉外に坩堝が出された距離により制御される。つまり、炉外に出された距離が長いほど、炉の温度が低いほど、また、坩堝の下降速度が速いほど、固液界面の移動速度は速くなる。
【００２２】
坩堝を一気に下降させることによって、引け巣は発生しやすくなる。これに対して、凝固時の熔湯温度を上げることで、引け巣の発生を防ぐことはできる。しかし、凝固時の熔湯温度を上げることで、固液界面の移動速度は遅くなり、凝固が完了するまでに時間を要してしまい、添加元素の成分偏析を引き起こす可能性が出てくる。従って、引け巣と成分偏析を発生させずに、インゴットを凝固させるために、本発明では、加熱電力を変化させずに、下降量を複数に分けている。
【００２３】
図１には、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、下降操作の後の保持操作とからなる下降手順を、２回連続して行う下降工程からなる本発明の一実施例について、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。この２回の下降手順により、引け巣を発生させないという要求と、成分偏析を発生させないという要求を両立させることが可能となる。しかし、下降手順が２回では、インゴットを円筒の軸方向に見た場合、インゴットの表面部分と中央部分の温度勾配により、インゴットの上部側と下部側において、固液界面の移動速度に多少のバラツキが発生してしまう。そのため、インゴットの表面部分と中央部分の温度勾配を小さく抑え、固液界面の移動速度をほぼ等しくすることが望ましく、そのためには、下降量の合計を分割し、下降手順をより多く行うことで、インゴットの軸方向の固液界面の移動速度がより均一となり、所望のインゴットを鋳造することが可能となる。
【００２４】
図２には、一定の下降速度および一定の加熱電力による下降操作と、下降操作の後の保持操作とからなる下降手順を、３回連続して行う下降工程からなる本発明の一実施例について、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。
【００２５】
下降手順の回数に、上限は特にないが、引け巣を発生させないためには、最後の下降操作の終了において、インゴットの上部が、加熱空間に残っている必要がある。その後、加熱電力を低減することにより、インゴットの上部まで徐冷する。
【００２６】
保持操作については、凝固時の熔湯温度が、約１１００℃で維持される状態とし、各々の下降手順において、固液界面の移動量が、各々の下降量と同等以上となるように、保持時間を与えることが望ましい。
【００２７】
以上により、引け巣の発生を防止するとともに、添加元素の成分偏析を抑えることが可能なボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法を提供することができる。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
図５に断面図を示した鋳造装置を使用し、加熱炉（１）には、高周波誘導加熱装置（日新技研社製、大気熔解炉：ＮＥＡ−Ｍ２型  高周波電源：ＮＥＳ−３０型  最大出力３０ｋｗ  周波数１０ｋＨｚ）を使用した。
【００２９】
加熱炉（１）の加熱空間には、軸を鉛直に配置された棚付石英管（２）に側面を囲まれ、石英蓋（３）に上面を囲まれた円筒状の黒鉛坩堝（６）を、耐火セラミック台（４）の上に載置した。棚付石英管（２）は、黒鉛坩堝（６）を半径方向に支持および固定するように、一部を細くした構造となっている。さらに、耐火セラミック台（４）は、昇降機（５）に取り付けられておリ、昇降機（５）は、耐火セラミック台（４）を黒鉛坩堝（６）と共に昇降させるように構成される。
【００３０】
このように設置された黒鉛坩堝（６）に、高純度電解金と添加元素として、Ｃａ：０．００２質量％、Ｂｅ：０．００１質量％とを装入して、加熱炉（１）にて、熔湯温度が約１２５０℃になるように、加熱電力を上昇させて熔解した。さらに、熔解時の加熱電流を、１２５Ａで一定として、図示しない黒鉛製の撹拌棒にて、熔湯化した金と添加元素を混ぜ合わせるために撹拌を行った。
【００３１】
その後、昇降機（５）を作動させ、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、１００ｍｍ、下降させた後、１００ｓｅｃ、保持する第１段の下降手順と、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、５０ｍｍ、下降させた後、３５０ｓｅｃ、保持する第２段の下降手順とからなる２段階の下降工程を行った。第１段の下降手順における加熱電流は、１２０Ａとし、第２段の下降手順における加熱電流は、７５Ａとした。
【００３２】
以上により、φ２５ｍｍ×Ｌ２５０ｍｍのボンディングワイヤ用インゴットを鋳造した。図１に、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。なお、装入からインゴットの完成までのロットあたりの所要時間は、２２分であった。
【００３３】
得られたボンディングワイヤ用インゴットの内部状態を観察し、引け巣の有無と、固液界面の移動速度とそのバラツキを確認した。固液界面の移動速度は、凝固中の坩堝内に撹拌棒を差し込み、軸方向での固液界面移動距離を探ることにより測定した。結果を表１に示す。
【００３４】
（実施例２）
黒鉛坩堝（６）の下降について、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、７０ｍｍ、下降させた後、１８０ｓｅｃ、保持する第１段の下降手順と、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、３０ｍｍ、下降させた後、９０ｓｅｃ、保持する第２段の下降手順と、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、５０ｍｍ、下降させた後、３００ｓｅｃ、保持する第３段の下降手順とからなる３段階の下降工程を行い、全ての段階で加熱電流を９０Ａとしたこと以外は、実施例１と同様にして、φ２５ｍｍ×Ｌ２５０ｍｍのボンディングワイヤ用インゴットを鋳造した。図２に、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。ロットあたりの鋳造に関する所要時間は、実施例１と同様であった。
【００３５】
得られたボンディングワイヤ用インゴットの内部状態を観察し、引け巣の有無と、固液界面の移動速度とそのバラツキを確認した。結果を表１に示す。
【００３６】
（比較例１）
黒鉛坩堝（６）の下降について、加熱電流を１２５Ａ、下降速度を３１．２５ｍｍ／ｍｉｎとして、下降長さ１５０ｍｍを一段階で徐々に下降させる下降工程を行ったこと以外は、実施例１と同様にして、φ２５ｍｍ×Ｌ２５０ｍｍのボンディングワイヤ用インゴットを鋳造した。図３に、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。
【００３７】
得られたボンディングワイヤ用インゴットの内部状態を観察し、引け巣の有無と、固液界面の移動速度とそのバラツキを確認した。結果を表１に示す。
【００３８】
（比較例２）
黒鉛坩堝（６）の下降について、加熱電流を７５Ａ、下降速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとして、１５０ｍｍを一段階で下降させたことと、４６０ｓｅｃ、保持する下降手順を行ったこと以外は、実施例１と同様にして、φ２５ｍｍ×Ｌ２５０ｍｍのボンディングワイヤ用インゴットを鋳造した。図４に、経過時間に対する坩堝下降量をグラフで示した。
【００３９】
得られたボンディングワイヤ用インゴットの内部状態を観察し、引け巣の有無と、固液界面の移動速度とそのバラツキを確認した。結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2008200715.tif 000003
【００４１】
表１において、評価は、実施例１、２、比較例１、２の相互間における相対評価を「◎○△×」の順に示した。
【００４２】
比較例１では、凝固時の加熱電流を上げ、従来と同様に下降させたところ、引け巣の発生は見られなかったが、固液界面の移動速度が若干遅かった。比較例２では、加熱電流を７５Ａにし、坩堝を１５０ｍｍ、一気に下降させたところ、最終凝固部において引け巣が発生した。このように、坩堝を一気に下降させることで、引け巣が生じ、引け巣が生じないように下降速度を遅くすると、凝固速度が遅くなる傾向にある。
【００４３】
これらに対して、実施例１では、全下降量の１５０ｍｍを２つに分けたため、引け巣の発生がなく、固液界面の移動速度においても速かった。しかし、インゴットの表面部分と中央部分で、凝固速度に多少のバラツキが見られた。
【００４４】
これに対して、実施例２では、全下降量の１５０ｍｍを３つに分けたため、インゴットの表面部分と中央部分において、固液界面の移動速度を同程度にすることができ、インゴットの下部から上部まで、固液界面の移動速度をほぼ一定にすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例における経過時間に対する坩堝下降量を示すグラフである。
【図２】本発明の一実施例における経過時間に対する坩堝下降量を示すグラフである。
【図３】比較例１における経過時間に対する坩堝下降量を示すグラフである。
【図４】比較例２における経過時間に対する坩堝下降量を示すグラフである。
【図５】本発明のボンディングワイヤ用インゴットの鋳造方法に使用する装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  加熱炉
２  棚付石英管
３  石英蓋
４  耐火セラミック台
５  昇降機
６  黒鉛坩堝
【図１】
2008200715.tif 000004
【図２】
2008200715.tif 000005
【図３】
2008200715.tif 000006
【図４】
2008200715.tif 000007
【図５】
2008200715.tif 000008