(57)【要約】【課題】狭いボンディングピッチであっても、ワイヤボンディング時におけるリーニング不良および偏芯ボール不良の発生を抑制できるボンディングワイヤを提供する。【解決手段】主成分となる金属と、Ｐｄとを装入した坩堝を加熱空間に配置し、熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下に加熱した後、坩堝が下部から上部へ順に徐冷されるように、坩堝を前記加熱空間から下方へ引き抜き、坩堝中の熔湯を凝固させて、インゴットを鋳造する。得られたインゴットと、Ｐｄ以外の所定の添加元素とを、連続鋳造炉に装入し、連続鋳造炉で加熱し、連続鋳造炉中の熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下に加熱し、１０〜１５分間、熔湯の温度を保持した後、連続鋳造炉の下部から、水冷式ダイスを通して、引き抜き凝固させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｕと、Ａｕより３００℃以上融点の高い添加元素を０．１質量％以上添加するボンディングワイヤにおいて、Ａｕと添加元素でＡｕより融点が３００℃以上高い元素を坩堝に装入し、該坩堝を加熱空間に配置し、坩堝中の熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下に加熱した後、該坩堝が下部から上部へ順に徐冷されるように、前記加熱空間から下方へ引き抜き、熔湯を凝固させてインゴットを作製後、連続鋳造炉に装入し、該連続鋳造炉を加熱し、連続鋳造炉中の熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下とし、１０〜１５分間、熔湯の温度を保持した後、該連続鋳造炉の下部から、熔湯を水冷式ダイスを通して引き抜き、凝固させることを特徴とするボンディングワイヤ用線材の製造方法。
【請求項２】
インゴット作製時に添加していない元素は、前記ボンディングワイヤ用インゴットとともに、連続鋳造炉に装入する請求項１に記載のボンディングワイヤ用線材の製造方法。
【請求項３】
請求項１もしくは２に記載の製造方法により得られた連続鋳造上がりの線材を所定の線径まで加工することにより得られ、ＰｄもしくはＰｔの合計含有量が０．１〜２．０質量％である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およびボンディングワイヤ用母材の製造方法に関する。
【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製造方法としては、主成分となる元素、例えばＡｕと、添加元素とを、熔湯を収容する容器、例えば坩堝に装入し、該坩堝を、加熱装置が形成する加熱空間に配置し、約１２００〜１２５０℃に加熱した後、該坩堝が下部から上部へ順に徐冷されるように、該坩堝を前記加熱空間から下方へ引き抜き、坩堝中の熔湯を凝固させる方法がある。
【０００４】
図１は、かかるインゴットを鋳造する鋳造炉を示した縦断面図である。
【０００５】
図示のように、坩堝（１）を、加熱装置（２）が形成する加熱空間から下方へ引き抜くことにより、坩堝（１）が下部から上部へ順に徐冷され、坩堝（１）内の熔湯（３）も、下面から上面にかけて凝固する。これにより、引け巣（空洞）のないインゴットが鋳造される。この場合、引き抜き速度は１０〜４０ｍｍ／ｍｉｎである。
【０００６】
得られたインゴットを前述の通り、中間線径の線材を経て、ボンディングワイヤまで加工する。
【０００７】
また、原料を熔解炉に装入し、約１２００〜１２５０℃に加熱した後、該熔解炉の下部から、熔湯を水冷式ダイスを通して引き抜き、凝固させる工程を含む連続鋳造法がある。
【０００８】
図２は、連続鋳造炉を示した縦断面図である。連続鋳造法では、図示したように、加熱装置（５）内に設置された炉（４）の中に熔湯（６）を流し込み、水冷ジャケットにより冷却されたダイス（７）に、熔湯（６）を通過させて、凝固することにより、ダイス線径に応じた線材（９）が鋳造される。この場合、引き抜き速度は１０〜３００ｍｍ／ｍｉｎである。
【０００９】
その後、得られた線材を、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。
【００１０】
得られたボンディングワイヤは、例えば図３に斜視図を示したように、ワイヤボンディングを行って、半導体素子を得る。
【００１１】
近年、半導体素子ならびにパッケージサイズの小型縮小化に対応させるため、ワイヤボンディングして得られるワイヤループ（１０）において、ワイヤ間隔（ボンディングピッチ）が狭まり、また、ワイヤループ（１０）のループ長も、４ｍｍや５ｍｍのように長くなってきている。そのため、角度にして極めて小さな曲がりやリーニング不良があると、隣り合うワイヤループ（１０）同士が接触しやすくなり、ショート不良が多発するという問題がある。
【００１２】
具体的には、リーニング不良とは、半導体素子のパッドに接着したボール（１２）のすぐ上の部分であるボール直上部において、ワイヤループ（１０）が伸長する方向に対して横に傾斜し、傾斜したワイヤループ（１０）の上部が、隣接するワイヤループ（１０）の上部に近接している状態をいう。リーニング不良は、次工程の樹脂封止にて電気ショートの危険性が増大するため、リーニング不良の発生したパッケージは、不良品として処理され、製品歩留まりを大きく低下させる要因となっている。
【００１３】
さらに、半導体素子のパッドに接着したボール（１２）の真円度が低くなる偏芯ボール不良の問題もある。
【００１４】
具体的には、偏芯ボール不良は、長辺が規定寸法より長くなることを意味するため、隣接ボールとの接触の危険性が高くなり、ひいては電気ショートの原因となるため、同様に、偏芯ボール不良の発生したパッケージは、不良品として処理され、製品歩留まりを大きく低下させる要因となっている。
【００１５】
リーニング不良および偏芯ボール不良を低減する方法の１つとして、材料の均質化が挙げられる。しかし、ボンディングワイヤを製造する上で重要とされる添加元素の種類は多岐にわたり、また、添加総量もますます多くなる傾向にあるため、均質化を確保することが難しいという問題がある。
【００１６】
特に、ボンディングワイヤにおいては、ＰｄやＰｔ等のＡｕに固溶する元素は、他の固溶しない元素と比較して高濃度で添加できるため強度向上に有効であったり、半導体素子上のパッドとの接合部の信頼性が向上するために添加されるが、従来の製法により得られたＰｄやＰｔが添加されたボンディングワイヤでは、それらの融点がＡｕより高いために均質に分布されることが難しいと考えられ、これがリーニング不良および偏芯ボール不良が頻繁にみられる原因と考えた。
【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】
【００１７】
本発明は、添加元素を均一に分散させることが可能なボンディングワイヤ用インゴットまたは線材の製造方法を提供し、かかる添加元素が均一に添加されたインゴットまたは線材を母材とすることにより、狭いボンディングピッチであっても、ワイヤボンディング時におけるリーニング不良および偏芯ボール不良の発生を抑制できる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】
【００１８】
本発明に係るボンディングワイヤ用インゴットの製造方法は、Ａｕと、Ａｕより３００℃以上融点の高い添加元素を０．１質量％以上添加するボンディングワイヤにおいて、Ａｕと添加元素でＡｕより融点が３００℃以上高い元素を坩堝に装入し、該坩堝を加熱空間に配置し、坩堝中の熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下に加熱した後、該坩堝が下部から上部へ順に徐冷されるように、前記加熱空間から下方へ引き抜き、熔湯を凝固させてインゴットを作製後、連続鋳造炉に装入し、該連続鋳造炉を加熱し、連続鋳造炉中の熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下とし、１０〜１５分間、熔湯の温度を保持した後、該連続鋳造炉の下部から、熔湯を水冷式ダイスを通して引き抜き、凝固させることを特徴とする。
【００１９】
なお、Ａｕよりも３００℃以上融点の高い元素以外の所定の添加元素をさらに添加させる場合には、前記ボンディングワイヤ用インゴットとともに、これらの添加元素を、連続鋳造炉に装入する。
【００２０】
本発明に係るボンディングワイヤは、前述の製造方法のいずれかを用いて得られたインゴットまたは線材を所定の線径まで加工することにより得られ、少なくともＰｄもしくはＰｔを含有し、ＰｄもしくはＰｔの合計含有量が０．１〜２．０質量％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、ボンディングワイヤ用インゴットまたは線材の鋳造過程において、添加元素の均一な分散が図られ、もって、リーニング不良および偏芯ボール不良の発生が抑制されたボンディングワイヤが提供され、半導体素子のさらなる小型化、高密度化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ボンディングワイヤに求められる種々の特性を改良する目的で、ボンディングワイヤには、主成分となるＡｕに、種々の添加元素が添加され、合金としている。これらの添加元素としては、強度や信頼性の向上を目的として、ＰｄやＰｔが０．１〜２．０質量％程度添加されることもある。
【００２３】
本発明者は、ボンディングワイヤの主成分となる金属に、添加元素であるＰｄ等を０．１〜２．０質量％添加した場合、熔解温度が低いとＰｄ等の偏析が発生し、かかる偏析によりＰｄ等の均一な分散が損なわれ、リーニング不良および偏芯ボール不良といった問題が発生しうると想定した。
【００２４】
かかる知見に基づき、種々実験を繰り返した結果、Ｐｄ等Ａｕより高融点元素を添加したＡｕを、１３５０℃以上、１５００℃以下で熔解させ、Ｐｄ等Ａｕより高融点な元素をＡｕ中に均一に分散させ、さらに、該インゴットを、１３５０℃以上、１５００℃以下に設定した連続鋳造炉内で再熔融させる手段を採ることにより、上記リーニング不良及び偏芯ボール不良が減少したことから、Ｐｄ等Ａｕより高融点な元素をＡｕ中により均一に分散したと考えられるボンディングワイヤ用線材を適切な作業方法により製造された連続鋳造法により得られるとの知見を得た。
【００２５】
炉内温度が１２００℃程度の条件下で、Ｐｄを０．５〜１．５質量％含むボンディングワイヤ用インゴットまたは線材を鋳造する場合、Ｐｄの融点（１５５０℃付近）との関係で、完全に熔解せずに、ＰｄがクラスターとなってＡｕバルク中に残存し、得られるインゴットまたは線材において、Ｐｄの均一な分散が図られず、偏析している場合があると考えられる。
【００２６】
このような現象は、微小領域に限定されるため、ＥＰＭＡ分析等により証明されているわけではないが、このような微小偏析が残存していることが原因となって、その後、縮径伸線加工および焼鈍を実施して、得られる最終線径のボンディングワイヤにおいて、リーニング不良や偏芯ボール不良が引き起こされているものと考えている。
【００２７】
そこで、本発明では、ＡｕとＰｄ等Ａｕより高融点元素とを熔融するに際して、熔湯を１３５０℃以上、１５００℃以下に加熱することとしている。熔湯が１３５０℃未満では、Ｐｄ等Ａｕより高融点元素の偏析が大きくなってしまう。一方、熔湯が１５００℃を超えると、製造コストも増大し、かつ、添加元素の濃度が製造ごとにばらついてしまう欠点がある
なお、インゴットの鋳造における加熱保持後の操業は、従来と同様に、坩堝を、１０〜４０ｍｍ／ｍｉｎの引き抜き速度で、坩堝の上部が加熱空間に残る位置まで、加熱空間から下方へ引き抜き、坩堝内の熔湯を、下面から上面にかけて凝固させ、その後、加熱空間における加熱を停止し、熔湯の上部も凝固させる。これにより、引け巣のないインゴットを鋳造する。引け巣のないインゴットを製造するのは、引け巣があるとインゴットから分離したスラグが引け巣に落ち込んで、次の連続鋳造で熔湯内に取り込まれる可能性があるためであり、凝固時の引き抜き速度をできるだけ遅くして引け巣発生を防止する必要がある。一方、凝固時の引き抜き速度が遅すぎると、凝固過程で濃度勾配が生じ、添加元素が一方に偏析する可能性があるため避けなければならない。以上を加味して凝固時の引き抜き速度は１０〜４０ｍｍ／ｍｉｎが適している。本インゴット作製では、Ａｕより高融点元素を添加しＡｕ中に固溶、分散させることが目的であるが、高融点元素がＡｕ中に固溶するためにはある程度の時間がかかるため、加熱温度での保持時間も設定する必要がある。ただし、固溶するまでの時間は、添加元素の種類およびその添加量、強制攪拌の有無により変化するため、それらに応じて適切に保持時間を設定しなければならないが、Ａｕ中への分散を考慮すると、少なくとも５分以上は必要である。攪拌は保持時間を短くするには有効であるため、実施してもかまわない。
【００２８】
また、本発明では、Ｐｄ等高融点元素が添加されたインゴットを事前に鋳造しておき、該インゴットを再熔融することとしている。このように段階的に溶解を施すことにより、Ｐｄ等高融点元素のクラスターの偏析をさらに回避することができると考えられる。
【００２９】
特に、本発明では、前記インゴットを、連続鋳造炉にて再熔融させることにより、ＡｕにＰｄ等高融点元素がより均一に分散しているボンディングワイヤ用線材を得ている。再熔融を連続鋳造炉にて行うのは、連続鋳造は高冷却速度で凝固させるので、添加元素の均一性が向上すると考えられるためである。
【００３０】
なお、連続鋳造法の操業についても、加熱温度を除き、従来と同様である。すなわち、１０〜１５分間、熔湯の温度を上記温度に保持した後、連続鋳造炉の下部から、熔湯を水冷式ダイスを通して引き抜くことで、凝固させる。
【００３１】
ボンディングワイヤには、Ｐｄ等高融点元素以外にも所定の添加元素が、ボンディングワイヤの種々の特性を向上させるために、Ａｕに添加される。これらのＰｄ等高融点元素以外の所定の添加元素を添加する場合には、前記インゴットを連続鋳造炉に装入する際に、同時に装入する。これらのＰｄ等高融点元素以外の所定の添加元素は、その融点がＰｄ等程には高くないため、炉内温度を１３５０℃以上とすれば、一度の熔融により、Ａｕ中に均一に分散させることが可能であるからである。また、インゴットの鋳造工程においてこれらのＰｄ等高融点元素以外の所定の添加元素を添加すると、比較的高い熔融温度のために、これらの添加元素が蒸散するためである。
【００３２】
さらに、前述のＰｄ、Ｐｔ等高融点元素以外にも、ボンディングワイヤの諸特性を発揮させるために、Ｂｅ（融点：１２８７℃）、Ｃａ（融点：８４３℃）、希土類元素等が添加される。なお、これらの含有量は、全体で、０．０１質量％未満が主流である。
【００３３】
以上の製造方法により得られたインゴットまたは線材を所定の線径まで加工することにより、少なくとも添加元素としてＰｄやＰｔを含み、ＰｄやＰｔの含有量が０．１〜２．０質量％であるＡｕボンディングワイヤにおいて、ＰｄやＰｔが極めて均一に分散されているＡｕボンディングワイヤを得ることができる。本発明に係るＡｕボンディングワイヤを用いて、ボンディングにより得られるワイヤループでは、リーニング不良や偏芯ボール不良の発生が抑制される。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
図１に縦断面図を示す坩堝昇降機能を有する鋳造炉を用い、純度９９．９９９％（５Ｎ）まで精製したＡｕを、内径２５ｍｍφ、長さ３００ｍｍの坩堝（１）に装入した。坩堝（１）を鋳造炉内にて１４００℃まで加熱し、Ａｕを熔解し、最終的に得られるボンディングワイヤにおいて０．８質量％となるようにＰｄを添加した。なお、実際のＰｄの添加量は、操業条件に応じて適宜決定される。その後、１０分間、１４００℃で保持した後、攪拌棒を用いて、熔解したＰｄを坩堝底面に押し込むようにして、均一に分散させ、２分間、攪拌した。その後、１分間、保持して、自己拡散させた後、坩堝を鋳造炉の加熱部の下方から、上部１００ｍｍが加熱部に残るように、２０ｍｍ／ｍｉｎの引き抜き速度で、引き抜き、その後、加熱を止めることにより、熔湯を下方から凝固させた。鋳造で得られたインゴットは、２５ｍｍφであった。
【００３５】
その後、得られたインゴットと、Ｃａとを、図２に縦断面図を示した連続鋳造炉内に装入した。なお、最終的に得られるボンディングワイヤにおいて、Ｃａの添加量が、０．００２質量％となるように決定された量である。熔解温度は、１４００℃に設定し、インゴットの再熔融を確認後、１０分間、設定温度にて保持することで、添加元素を自己拡散させた。
【００３６】
その状態から、炉の底部にあり、周囲に水冷ジャケットが配されている内径８ｍｍφのダイスを通じて、中間線径（ダイスの内径と同様）の線材を、１００ｍｍ／ｍｉｎの引き抜き速度で、引き出した。該線材に対して、縮径伸線加工および途中焼鈍を実施して、最終線径を２５μｍφとした後、常温での伸び率が４〜６％となるように、最終焼鈍（連続焼鈍）を施し、ボンディングワイヤを得た。
【００３７】
得られたボンディングワイヤについて、内径３０μｍφのキャピラリーを用いて、ワイヤ間隔９０μｍ、ループ長５ｍｍ、ループ高さ５００μｍにて、７２００本のワイヤボンディングを行った後、得られたワイヤループについて、金属顕微鏡（オリンパス株式会社製）で観察を行い、隣接するワイヤループ同士の上部の間隔が４０μｍ以下の場合をリーニング不良と判断した。また、パッド側接合部のボールの長辺と短辺を測定し長辺と短辺の差が５μｍ以上の場合を偏芯ボール不良と判断した。評価結果を表１に示す。
【００３８】
（実施例２）
Ｐｄの添加を、最終的に得られるボンディングワイヤにおいて０．５質量％となるようにしたこと、Ｃａの添加を、ＣａおよびＢｅの添加とし、最終的に得られるボンディングワイヤにおいて、Ｃａの添加量が０．０００５質量％となり、Ｂｅの添加量が０．００１質量％となるようにしたこと以外は、実施例１と同様の製造方法で、ボンディングワイヤを作製し、同様の評価を行った。
【００３９】
（比較例１）
Ａｕに、最終的に得られるボンディングワイヤにおける含有量がそれぞれ、Ｐｄ０．８質量％、Ｃａ０．００２質量％となるように添加元素を、連続鋳造炉内に同時に装入した。熔解温度を１２５０℃に設定し、装入物の熔解を確認後、１０分間、設定温度にて保持することで、添加元素をＡｕ中に自己拡散させた。
【００４０】
その状態から、１００ｍｍ／ｍｉｎの引き抜き速度で、中間線径の線材を引き出し、得られた線材に、縮径伸線加工および途中焼鈍を実施して、最終線径を２５μｍφとした後、常温での伸び率が４〜６％となるように、最終焼鈍（連続焼鈍）を施し、ボンディングワイヤを得た。
【００４１】
得られたボンディングワイヤについて、実施例１と同様に評価を行った。評価結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2008254056.tif 000002
【００４３】
表１に見られるように、本発明の実施例１、実施例２では、比較例１と比べて、リーニング不良数が３０％以上減少し、本発明はリーニング不良の抑制に効果のあることが分かる。
【００４４】
さらに、偏芯ボール不良が、比較例１では不連続に多発する傾向が見られたが、実施例１、２では、一切、見受けられなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】インゴットを鋳造する鋳造炉を示した縦断面図である。
【図２】連続鋳造炉を示した縦断面図である。
【図３】ワイヤボンディングにより得られたボンディングワイヤを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  坩堝
２、５  加熱装置
３、６  熔湯
４  連続鋳造炉用坩堝
７  水冷式ダイス
８  スターティングロッド
９  ボンディングワイヤ
１０  ワイヤループ
１１  基板
１２  ボール
【図１】
2008254056.tif 000003
【図２】
2008254056.tif 000004
【図３】
2008254056.tif 000005