(57)【要約】【課題】本発明は、狭ピッチ接続を実現するための高強度・高弾性、ループ形状の安定性、ワイヤ流れ抑制、リーニング性等を総合的に改善させ、しかも工業的に量産性にも優れた、半導体素子用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。【解決手段】ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であるボンディングワイヤ及びその製造方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項２】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項３】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤの半径をＲとして、該ワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒｃと、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒａについて、両者の差分比率の絶対値｜１−  Ｒｃ／Ｒａ｜×１００（％）が３０％未満であり、且つ、ワイヤ断面全体での該割合Ｒａが１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項４】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ半径をＲとして、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項５】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ半径をＲとして、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が６０％以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項６】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ半径をＲとして、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上、Ｒ／３未満の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が０．９未満である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項７】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ半径をＲとして、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅において、［１００］方位を有する結晶粒の面積比率が５０％以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、請求項１〜３又は６のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項８】
ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の割合が５０％以上であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項９】
ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤの半径をＲとして、ワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、該中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の該中心部に占める割合が６０％以上であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１０】
ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤの半径をＲとして、該ワイヤの表面からＲ／３までの深さの部位を表層部としたとき、表層部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上であり、かつ、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１１】
ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤの半径をＲとして、ワイヤの表面からＲ／３までの部分を表面領域としたとき、該表面領域におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の該表面領域に占める割合が５０％以上であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１２】
ボンディングワイヤの長手方向断面又は前記長手方向の垂直方向のＸ線回折測定により求めた結晶方位において、［１００］方位を有する結晶粒に対する［１１１］方位を有する結晶粒の体積比が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１３】
前記結晶粒の［１１１］方位及び［１００］方位が、ボンディングワイヤの長手方向に対し、１０°以内の傾きを有する結晶粒を各々の方位の結晶粒とする請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１４】
前記ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒数が、０．０４〜４個／μｍ２である請求項１〜１３のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１５】
前記ボンディングワイヤの線径の５倍以上のワイヤ長手方向断面において、線径の７０％以上の長さでワイヤ長手方向の結晶方位が１５°以内の角度に揃った結晶粒を、少なくとも２個以上有する請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１６】
前記ボンディングワイヤが、Ａｕを主成分とし、添加成分として、Ｙ  、Ｃａ、Ｙｂ、又はＥｕから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ１が０．００２〜０．０３質量％、Ｌａ、Ｔｂ、Ｄｙ、又はＮｄから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ２が０．００２〜０．０５質量％であり、且つそれら添加成分の濃度関係について０．１＜Ｃ１／Ｃ２＜１０の範囲である、請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
【請求項１７】
圧延加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工における面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９８．８％以上、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度に対して２０〜７０％の温度範囲で実施されることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
【請求項１８】
圧延加工、一次伸線加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工、一次伸線加工におけるそれぞれの面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９８．８％以上、平均伸線速度が５０〜１０００ｍ／分、伸線の槽温度が５〜４５℃であり、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度に対して２０〜７０％の温度範囲、掃引張力は０．２〜７０ｍＮの範囲で実施されることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
【請求項１９】
前記伸線加工に用いる複数のダイスの内、減面率１０％以上のダイスを３０％以上使用することを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子上の電極と外部リードを接続するために利用される半導体装置用金ボンディングワイヤ及びその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体素子上の電極と外部端子との間を接続するボンディングワイヤとして、線径２０〜５０μｍ程度で、材質は高純度４Ｎ系（純度＞９９．９９質量％）の金であるボンディングワイヤが主として使用されている。ボンディングワイヤの接続技術は、超音波併用熱圧着方式が一般的であり、汎用ボンディング装置や、ワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ冶具等が必要である。ワイヤ先端をアーク入熱で加熱溶融し、表面張力によりボールを形成させた後に、１５０〜３００℃の範囲内で加熱した半導体素子の電極上にボール部を圧着接合せしめ、その後で、直接ワイヤを外部リード側に超音波圧着によりウェッジ接合させる。トランジスタやＩＣ等の半導体装置として使用するためには、前記のボンディングワイヤによるボンディングの後に、Ｓｉチップ、ボンディングワイヤ、及びＳｉチップが取り付けられた部分のリードフレーム等を保護する目的で、エポキシ樹脂で封止する。これらの部材は、単独の特性を高めることも必要であるが、周辺の部材との関係及び使用法等の総合的な性能、信頼性を改善することがますます重要となっている。
【０００３】
半導体素子の高集積化、薄型化の傾向により、金ボンディングワイヤが満足すべき特性も多様化しており、例えば、高密度配線及び狭ピッチに対応するため、金ボンディングワイヤの長尺化、細線化あるいは高ループ化、さらに半導体素子の薄型化を可能にすべく低ループ化、等が要求されている。
【０００４】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も変化しており、シリコン基板上の配線、電極材料では、従来のＡｌ合金に加えて、より高集積化に適したＣｕ、Ｃｕ合金が使用され始めている。こうしたＡｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の電極部材においても、狭ピッチ化に対応する小ボール接合が求められており、接合強度、ボール変形、高温接合信頼性等を確保することがより重要となる。
【０００５】
今後とも、半導体素子の高集積化、高密度化等のニーズに対応するために、金ボンディングワイヤ接続のニーズでは、狭ピッチ化、細線化、多ピン・長ワイヤ化、高接合性等の要求が厳しくなっている。
【０００６】
例えば、高粘性の熱硬化エポキシ樹脂が高速注入される樹脂封止工程では、ワイヤが変形して隣接ワイヤと接触することが問題となり、しかも、狭ピッチ化、長ワイヤ化、細線化も進む中で、樹脂封止時のワイヤ変形（以下、ワイヤ流れと呼ぶ）を少しでも抑えることが求められている。中でも、狭ピッチ化のニーズは加速しており、現行量産レベルは６０μｍピッチであるが、５０μｍピッチの開発も進行しており、さらには、数年前まではボール接合の限界とされていた極狭ピッチ４５μｍまで、２〜３年後の実用化が期待されている。さらに、実装技術に関するロードマップでは、将来的には極々狭ピッチ２０μｍを実現する技術が期待され始めている。
【０００７】
こうした要求を満足するワイヤの基本特性として、ボンディング工程におけるループ形状を高精度に制御できること、しかも電極部、リード部への接合性も向上していること、ボンディング以降の実装工程におけるワイヤ変形を抑制できること等、総合的な特性を満足することが望まれる。
【０００８】
これまで、ボンディングワイヤを高強度化する手段として、複数の合金元素を添加することが主流であった。現在主流の高純度系金ボンディングワイヤでは、ボール部の酸化や電気抵抗の上昇等を防ぐために、合金元素の添加は数ｐｐｍ〜数十ｐｐｍに制限されており、ループ制御性、接合性等は優れているものの、ワイヤ変形の抑制、ボール形成時の熱影響部（ネック部）の強度等は十分ではなかった。最近、添加量を増やして総計で１％程度まで添加した高濃度合金ワイヤが、一部のＩＣで使用され始めているが、樹脂封止時のワイヤ変形を改善する効果は十分ではなく、リード側への接合性が低下する等の問題が懸念されている。
【０００９】
高強度化を達成する一つの手法として、芯部と外周部が異なる金属からなる複層ワイヤが提案されており、例えば、特許文献１では、Ａｇ芯をＡｕ被覆したワイヤについて、特許文献２では、芯部を導電性金属とし表面をＡｕメッキしたワイヤ等が、開示されている。これらは、芯部と外周部で異なる金属を組み合わせることにより、全ての汎用製品がその範疇に入る単一部材で構成されているワイヤよりも、高強度化と高接合性を満足させることが期待されている。しかしながら、実際の半導体において複層ワイヤを使用した実例はほとんど報告されていないのが実状である。
【００１０】
従って、今後の高密度実装のニーズに適応するためにも、ワイヤは個別の要求特性のみを満足するのではなく、総合的に特性を向上する材料開発が求められる。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭５６−２１２５４号公報
【特許文献２】
特開昭５９−１５５１６１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
隣接電極間が５０μｍ以下の狭ピッチ接合に対応するためのワイヤは、高強度・高弾性、ループ制御性、接合性、ワイヤ流れ抑制等を同時に満足することが求められる。
【００１３】
狭ピッチ接続を実現するためのワイヤでは、上記の金合金化、金代替の材料、複層ワイヤ等の手法が検討されてきた。それぞれの手法で、量産レベルで狭ピッチ接続を実現するための問題を以下に述べる。
【００１４】
金中への合金元素添加により、固溶硬化、析出硬化、化合物形成の硬化、転位との相互作用等を利用することで、従来のワイヤに求められた高強度化をある程度達成することができる。しかしながら、単純に合金元素添加しただけでは、高強度化に限界があるだけでなく、弾性率を増加させることは困難である。従来の封止技術を用いて、ワイヤ流れ量が５％以上の比較的大きい場合には、ワイヤ変形は塑性領域が主であったため、ワイヤの強度増加がワイヤ流れの抑制には有効であった。一方、最近の樹脂封止技術の進展等により、ワイヤ流れは弾性変形に支配されるようになり始めており、従来以上に弾性率の増加が重要となる。しかし、金合金ワイヤの弾性率を８８ＭＰａ以上まで増加するには、合金元素の固溶、析出等の作用だけでは困難である。また、高強度・高弾性率化することを目的に、元素を高濃度添加すると、ワイヤ表面の酸化、接合性の低下、電気抵抗の過剰増加等の問題が新たに発生する。
【００１５】
ボール接合に用いられる金ボンディングワイヤでは、ワイヤ素材中に添加した合金化元素の固溶、析出、化合物形成等の利用に頼った、これまでの添加元素の種類及び濃度を選定する手法では、極狭ピッチ接続の量産技術への対応は非常に困難である。
【００１６】
また、前述した、芯線と外周部で構成される複層ワイヤは、芯線と外周部で異なる特性を併せ持つ可能性がある等、潜在的な特性は期待されている。しかし、複層ワイヤの製法は複雑であるため、工程の増加、新規設備等により製造コストが増加すること、均質化、特性の安定化等の品質管理が非常に困難であること等、量産性の問題は解決されていない。複層ワイヤでは、特定の特性改善は比較的容易であるが、狭ピッチ接続に求められる複雑なワイヤ要求特性を総合的に満足するまでには到っておらず、実用化のための解決すべき課題が残されている。
【００１７】
従って、金合金化、金代替の材料、複層ワイヤのいずれでも、狭ピッチ接続の要求特性を全て満足することは困難である。狭ピッチ接合に対応するボンディングワイヤは、ワイヤ流れ抑制のために高強度・高弾性・高剛性であり、しかもループ制御性・接合性を向上するという、相反する特性を同時に満足できること、低コスト化に対応できること、電気抵抗の増加を極力抑えること、等を総合的に満足することが求められる。
【００１８】
さらに、４０μｍピッチ以下では、従来は殆ど問題にされなかった、ボール直立部のリーニング等が新たな課題である。多ピン・狭ピッチでは、一つのＩＣ内の実装で、ワイヤ長、ループ高さが異なるワイヤ接続が混載することが行われている。これは、チップ内では同一のループ形状が用いられていた従来の実装と異なり、ループ制御に関する問題が発生しやすい。最近最も懸念されている問題は、ボール接合近傍のワイヤ直立部が倒れて、隣接ワイヤの間隔が接近することである。この現象はリーニングと呼ばれており、狭ピッチ接続の量産性を低下させる大きな要因となっている。
【００１９】
ボール直立部のリーニングの対策として、ワイヤを単純に高強度化・高弾性率化したり、反対に低強度化しても、改善することは困難である。また、ボンディングワイヤに関連する機械的特性で頻繁に用いられる破断伸びを増減しても、リーニングの低減等で、ほとんど効果は得られない。これは、ボール直立部ではボール溶融時の熱影響、ループ形成時の変形歪み等を受けており、ワイヤ母線そのものとは異なる特性に支配されており、機械的特性に基づいた従来の改善では限界が生じているためと考えられる。リーニング対策では、新たな指標に基づいたワイヤ材料開発に取組まなくてはならない。
【００２０】
本発明は、狭ピッチ化、細線化、長ワイヤ化に優れた高強度、高曲げ剛性を有し、しかも接合性も向上され、工業的に量産性にも優れた、半導体素子用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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前述した観点から、狭ピッチ接続を実現するための高強度・高弾性、ワイヤ流れ抑制等を総合的に改善させ、さらに、ボール直立部のリーニングを改善すること等を目的に研究開発に取組んだ結果、ワイヤの集合組織の制御が重要且つ有効であることを初めて見出した。
【００２２】
すなわち、前述した目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（２）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（３）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤの半径をＲとして、該ワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒｃと、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒａについて、両者の差分比率の絶対値｜１−  Ｒｃ／Ｒａ｜×１００（％）が３０％未満であり、且つ、ワイヤ断面全体での該割合Ｒａが１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（４）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（５）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が６０％以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（６）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上、Ｒ／３未満の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が０．９未満である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（７）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積比率が５０％以上である領域が少なくとも１層以上存在することを特徴とする、（１）〜（３）又は（６）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（８）  ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の割合が５０％以上であることを特徴とする、（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（９）  ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤの半径をＲとして、ワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、該中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の該中心部に占める割合が６０％以上であることを特徴とする、（１）〜（８）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１０）  ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒組織において、ワイヤの半径をＲとして、該ワイヤの表面からＲ／３までの深さの部位を表層部としたとき、表層部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上であり、かつ、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１１）  ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤの半径をＲとして、ワイヤの表面からＲ／３までの部分を表面領域としたとき、該表面領域におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の該表面領域に占める割合が５０％以上であることを特徴とする、（１）〜（９）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１２）  ボンディングワイヤの長手方向断面又は前記長手方向の垂直方向のＸ線回折測定により求めた結晶方位において、［１００］方位を有する結晶粒に対する［１１１］方位を有する結晶粒の体積比が１．２以上であることを特徴とする半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１３）  前記結晶粒の［１１１］方位及び［１００］方位が、ボンディングワイヤの長手方向に対し、１０°以内の傾きを有する結晶粒を各々の方位の結晶粒とする（１）〜（１２）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１４）  前記ボンディングワイヤの長手方向断面の結晶粒数が、０．０４〜４個／μｍ２である（１）〜（１３）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１５）  前記ボンディングワイヤの線径の５倍以上のワイヤ長手方向断面において、線径の７０％以上の長さでワイヤ長手方向の結晶方位が１５°以内の角度に揃った結晶粒を、少なくとも２個以上有する（１）〜（１４）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１６）  前記ボンディングワイヤが、Ａｕを主成分とし、添加成分として、Ｙ、Ｃａ、Ｙｂ、又はＥｕから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ１が０．００２〜０．０３質量％、Ｌａ、Ｔｂ、Ｄｙ、又はＮｄから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ２が０．００２〜０．０５質量％であり、且つそれら添加成分の濃度関係について０．１＜Ｃ１／Ｃ２＜１０の範囲である、（１）〜（１５）のいずれかに記載の半導体装置用金ボンディングワイヤ。
（１７）  圧延加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工における面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９８．８％以上、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度に対して２０〜７０％の温度範囲で実施されることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
（１８）  圧延加工、一次伸線加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工、一次伸線加工におけるそれぞれの面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９８．８％以上、平均伸線速度が５０〜１０００ｍ／分、伸線の槽温度が５〜４５℃であり、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度に対して２０〜７０％の温度範囲、掃引張力は０．２〜７０ｍＮの範囲で実施されることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
（１９）  前記伸線加工に用いる複数のダイスの内、減面率１０％以上のダイスを３０％以上使用することを特徴とする、（１７）又は（１８）に記載の半導体装置用ボンディングワイヤの製造方法。
【００２３】
【発明の実施の形態】
これまでほとんど知られていなかった、ボンディングワイヤの集合組織と狭ピッチワイヤ接合性の関係に注目して、特定の結晶方位を制御することにより、高強度・高弾性、ループ制御性、接合性、ワイヤ流れ抑制等、個々の特性を向上することに加え、これら両立が困難とされている特性群の総合的な改善、さらに、狭ピッチ接続に特有の課題であるボール直立部のリーニングの低減、等を達成できることを初めて見出した。
【００２４】
以下に、本発明に係わる半導体装置用ボンディングワイヤ及びその製造法について説明する。
【００２５】
ボンディングワイヤはワイヤ長手方向に延びた繊維状集合組織を有しており、そのワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上とすることで、強度、弾性率を高めることができる。例えば、強度を３００ＭＰａ以上、弾性率９０ＭＰａ以上を達成できることを確認した。特に、この集合組織の方位制御では、弾性率の増加の方が強度よりも効果が大きく、従来の元素添加に頼った材料設計では、このような効果を達成困難であった。
【００２６】
こうした高強度・高弾性率化により、樹脂封止時のワイヤ流れを従来材に比して２割以上低減することが可能である。これにより、４０μｍ以下の極狭ピッチに必要な線径１５μｍ以下の極細ワイヤが使用できる可能性が高まる。また、強度を同一に保持したまま、線径を１割以上は減少できるため、材料コストの低減にもメリットが大きい。
【００２７】
結晶粒の［１００］方位よりも［１１１］方位の比率を高める組織制御により高強度化、高弾性率化を促進することができ、従来の高濃度の元素添加による高強度化では問題となっていたボール形成性についても、良好な特性を同時に達成できる。例えば、ボール径／ワイヤ径の比率が１．３〜１．６倍の小ボール形成でも、真球性は良好であり、４０μｍ以下の狭ピッチ接続に有利である。これは、［１１１］方位だけでなく、［１００］方位の配向性も合わせてコントロールされたワイヤ組織が、ウェッジ接合後のワイヤ破断性状への影響、またボール部の凝固時の組織形成にも影響を及ぼすこと等が関与していると考えられる。
【００２８】
［１１１］方位への配向が強度に及ぼす影響では、引張強度に加えて、降伏強度を増加する効果を高めることができる。これにより、樹脂封止時にワイヤに加わる荷重が大きい場合、ワイヤが長い場合等でも、ワイヤの塑性変形の開始を抑制するのに有効である。従来、強度を高めるには、ワイヤ中の合金化元素の添加量を増やすことで、ある程度まで対応できたが、高濃度添加することで、ワイヤの電気抵抗が増加することが常に問題とされていた。今後のＩＣの高周波対応化が必須であり、ワイヤの電気抵抗の増加は半導体機能を低下させる原因ともなる。それに対し、結晶粒の［１１１］方位と［１００］方位の配向を制御したワイヤでは、電気抵抗を増加させることなく、強度を高めることが可能であり、ＡＳＩＣ等の高機能ＬＳＩへの適用も含めて、大きな利点となる。
【００２９】
［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合（以下では、［１１１］／［１００］の面積割合と略記）が１．２以上の範囲とした理由について、１．２未満では、弾性率の増加によるワイヤ流れの抑制効果が小さいためである。好ましくは、この［１１１］／［１００］の面積割合が１．４以上であることがより望ましい。これは、面積比が１．４以上であればワイヤ流れの抑制効果を高めることができるためである。さらにより好ましくは、［１１１］／［１００］の面積割合が２．５以上とすることで、弾性率、曲げ剛性の増加等により、ワイヤ流れの抑制効果をより一層高めることができる。また、［１１１］／［１００］の面積割合の上限について、特に制限はないが、２０未満であれば、安定製造が比較的容易である。これは、［１００］方位を有する結晶粒を完全に排除し、［１１１］方位を有する結晶粒だけにすることを量産レベルで達成することは難しいためである。
【００３０】
比較として、現在の汎用製品である金ボンディングワイヤの組織を観察したところ、通常は［１１１］／［１００］の面積割合が１．２未満であり、高強度化の分類に属するワイヤでも、工業的に安定して入手される製品レベルでは１．１未満であった。
【００３１】
本発明における結晶方位は、ワイヤの長手方向に対する結晶方位の角度差を１０°以内とする。これは、この範囲であれば、それぞれの結晶方位の特性を有しており、ボンディングワイヤの諸特性に及ぼす影響度も有効に活用できるためであり、結晶方位の角度差が１０°を超えると、ワイヤ特性への影響に差違が生じることが懸念されるためである。
【００３２】
また、ワイヤの長手方向断面におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上であるボンディングワイヤでは、上記の高強度・高弾性率に加えて、ループ形状の直線性の向上を達成し、狭ピッチ接続の実用性を高めることができる。
【００３３】
ボンディングワイヤのループ形成では、複雑なループ軌跡により弾性変形及び塑性変形をうまく利用することで、規則的なループ形状が得られる。半導体チップに垂直方向のループ形状は、直線部、湾曲部、曲折部等が組み合わされており、一方で、半導体チップに水平方向のワイヤ形状では、直線的な形状をしている。ループ形成では、垂直方向での湾曲、曲折等を得るために塑性変形させ、且つ、水平方向ではできる限り直線性を保つことが望ましい。今後の細線化により、この直線性の低下が懸念される。従来の元素添加に頼った材料設計では、これら湾曲部、曲折部を有する複雑なループ形状と直線性とを両立させることは困難であった。
【００３４】
そこで、［１１１］方位の結晶粒により注目した組織制御により、上述した、垂直方向での湾曲、曲折と、水平方向の直線性という相反特性を同時に満足することに有効である。［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上であれば、三角形ループ、台形ループ、段差ループ等の複雑なループ形状における湾曲部、曲折部の制御性と、ループの直線性とを同時に向上することができる。
【００３５】
より好ましくは、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上であり、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上であるボンディングワイヤであることが望ましい。これは、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率に加えて、さらに［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．２以上とすることで、樹脂封止時のワイヤ変形を抑制して、狭ピッチ接続の量産歩留まりを向上する効果をより高めることができるためである。
【００３６】
さらに、［１００］方位を有する結晶粒の面積比率が３〜２０％の範囲であることにより、高速でのループ制御が容易となり、最高高さの部位の形状バラツキが減少したり、荷重、超音波振動等の接合条件の適正な範囲が広がったりすることにより、ボンディング時の量産歩留まりを向上でき、より望ましい。これは、［１００］方位だけでは、ワイヤ長手の垂直方向等から外力が作用したときに、ワイヤ変形の制御が困難となる場合があり、［１００］方位を有する結晶粒の面積比率を３〜２０％の範囲とすることで、ループ制御、ワイヤ接合時の弾性変形から塑性変形への変更をよりスムーズにすることで、生産性が向上するためと考えられる。ここで、［１００］方位の面積比率が３％未満であれば上記効果は小さく、２０％超となれば、［１１１］方位の結晶粒による高強度・高弾性率等の効果を抑えることが懸念されるためである。
【００３７】
多くの性能が要求されるボンディングワイヤでは、これまで述べた断面全体での平均的な組織制御だけで改善が難しい特性もある。これまで困難とされていたリーニング性、摺動性等を改善するには、ワイヤ断面の中心域と表面域等に区分し、それぞれの部位での結晶方位制御することが有効であることを見出した。リーニング性、摺動性等を改善するための部分的な組織制御について述べる。
【００３８】
ボール接合近傍の直立部におけるワイヤ倒れであるリーニング性について、５０μｍ以下の狭ピッチ接続で問題となる場合が多い。上記の直線性は、ループ全体の平均的な直線度を表しているのに比して、該リーニング性とは局所部の直線度に相当するものであり、具体的には、隣接ワイヤ間隔が最も狭いボール接合近傍で、しかも、垂直方向での湾曲、曲折等が最も激しい領域で発生する。この部位でのワイヤ倒れであるリーニング性を抑えることが、狭ピッチ接続の量産技術の重要な課題となる。ワイヤの機械的特性である高強度・高弾性率、破断伸び等の特性だけでは、このリーニング性を改善することは困難であった。
【００３９】
リーニング性を改善するには、ボール接合近傍での湾曲、曲折等による相当の変形歪みを受けても、横方向への倒れを防止することが求められており、機械的特性に基づいた従来手法だけでは、リーニング性を改善することは困難である。また、ワイヤ断面内の平均的な結晶方位の管理だけでも、リーニング性を十分に改善することは難しい。それに対し、ワイヤ断面での結晶方位の均一性を高めることが有効であり、特に、ワイヤ中心域の組織制御により、ボール接合近傍の直立部のワイヤ倒れを低減する等、リーニング性の改善に効果があることを見出した。
【００４０】
すなわち、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤの半径をＲとして、該ワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒｃと、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合Ｒａについて、両者の差分比率の絶対値｜１−Ｒｃ／Ｒａ｜×１００（％）が３０％未満であり、且つ、ワイヤ断面全体での該割合Ｒａが１．２以上であることで、リーニング性を改善することが可能である。
【００４１】
ここで、［１１１］／［１００］の面積割合について、ワイヤ断面全体での割合Ｒａを１．２以上とすることに加えて、中心部での割合Ｒｃとワイヤ断面全体での割合Ｒａの差分比率の絶対値｜１−Ｒｃ／Ｒａ｜を３０％未満に抑えて、ワイヤ断面全体での組織の均一性を高めることにより、チップ部にボール接合した後にワイヤを四方の自由な方向に変形させる通常のループ形成において、直立部のワイヤ倒れを抑制してリーニング性を改善することができる。しかも均一性について、特に中心部での［１１１］／［１００］の面積割合に着目することで、ワイヤ生産性、接合性、ループ形状の使用性能等を損なうことなく、リーニング性、樹脂流れ性等を向上することができる。
【００４２】
次に、ワイヤ表面近傍の組織制御による性能向上について説明する。
【００４３】
４０μｍ以下の極狭ピッチを実現するために細線化されたワイヤを量産使用するには、キャピラリの穴部とワイヤとの隙間が小さくなることで摺動抵抗が高くなることを無視できなくなり、また、封止樹脂の８０％以上を占めるフィラーと呼ばれるＳｉＯ２の粉末が、封止時にワイヤに与える衝撃、それに伴うワイヤ流れの増加等も考慮することが必要である。こうした、ワイヤとキャピラリとの摺動性の改善、また、樹脂封止時の衝撃等にも耐えてワイヤ流れを低減するためのワイヤの高剛性等が求められる。これまで述べた、高強度・高弾性、ループ形状の直線性、リーニング性等の狭ピッチワイヤボンディング特性の向上に加えて、さらに摺動性、高剛性を改善するには、従来の成分設計だけでは対応困難であり、上述したワイヤ断面での平均的な組織制御に加え、さらに、ワイヤ表層部での結晶方位の分布を制御することが有効であることを見出した。
【００４４】
具体的には、ワイヤの半径をＲとし、該ワイヤの表面からＲ／３までの深さの部位を表層部としたとき、表層部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上であり、かつ、ワイヤ断面全体での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合を１．２以上とすることで、高強度・高弾性、ワイヤ流れの抑制、ループ形状の制御性、摺動性、高剛性等を同時に満足することに有効である。
【００４５】
表層部での［１００］方位を有する結晶粒の面積に対する［１１１］方位を有する結晶粒の面積の割合が１．６以上とすることで、キャピラリとの摺動抵抗を減少させて、線径１５μｍ以下の極細線ワイヤでのループ制御性を向上し、ワイヤ表面のキズ発生等も抑制させて、樹脂封止時のフィラー衝撃等によるワイヤ表面状態も改善する。さらに、上記の表層部の組織制御に加えて、ワイヤ断面全体でも［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上となる組織を形成することで、剛性率を増加させ、樹脂封止時のワイヤ流れを抑制する効果をさらに高めることができる。表層部での［１１１］／［１００］の面積割合を１．６以上としたのは、１．６未満であれば、上記の摺動性、高剛性の改善効果が小さいためである。ここで、中心部と表層部との境界をワイヤ表面からＲ／３で区別して結晶方位の分布を規定することで、摺動性、高剛性を向上する最も高い効果が確認された。さらに好ましくは、表層部での［１１１］／［１００］の面積割合を２．５以上、断面全体で平均された［１１１］／［１００］の面積割合を１．２以上とすることで、摺動性とワイヤ流れの抑制を同時に向上する、より高い効果を得ることができる。
【００４６】
上述した多ピン・狭ピッチ化の動向に対応するために、ワイヤ長、ループ高さが異なるワイヤ接続を一つのＩＣ内に混載させる場合が増えており、それに伴い、ループ高さのバラツキに起因する問題が増えている。例えば、ループ形状が常に安定して得られるのであれば、隣接ワイヤが交互にループ高さを変えることで、ワイヤが接触する危険性を低減することも可能であるものの、現状のワイヤでは、それほど精度良くループ高さを制御することに限界がある。ワイヤ長が３ｍｍ程度までと短かった従来の実装構造では、ループ高さはボール部近傍の熱影響部長さに支配されているため、比較的ループ高さの制御が可能であった。それに比して、最近の多ピン狭ピッチ接続では、ワイヤ長が５ｍｍ超等長くなり、ループ高さも広い高低範囲で使用され始めており、ループ高さのバラツキを低減することは非常に重要となっている。
【００４７】
このループ高さのバラツキを低減するには、ワイヤの組織制御が必要であり、しかも、上述した［１１１］方位あるいは［１００］方位等の結晶方位の制御に加えて、単位面積当たりの結晶粒数も大きく関与していることを見出した。すなわち、ワイヤの長手方向に垂直断面の結晶粒数が、０．０４〜４個／μｍ２であり、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、断面全体での［１１１］／［１００］の面積比が１．４以上とすることで高強度であり、ワイヤ長が５ｍｍ超の場合にもループ高さのバラツキを低減して、ループ制御性の良好な特性が得られることを確認した。ここで、上記の結晶粒数の範囲の理由は、結晶粒数が０．０４個／μｍ２未満では、隣接する結晶粒の方向差が大きい場合にループ形状のバラツキを誘発する原因となるためであり、また、４個／μｍ２超の超微細な結晶粒を、通常のボンディングワイヤ製造工程でワイヤ全体に均一して実現することが困難なためである。
【００４８】
ボンディングワイヤの集合組織について、これまで述べたワイヤ全体及び部分的領域における結晶方位の平均的な比率に加えて、結晶方位がより揃った領域をワイヤ内部に有することで、高強度・高弾性、ループ制御性、ワイヤ流れ抑制等の特性をさらに高めることができる。
【００４９】
ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、ワイヤ半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上である領域を少なくとも１層以上有するボンディングワイヤであれば、ループ形成されたワイヤの直線性をより向上できる。これは、［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上の高い層では、結晶方位が揃っていることで、高い弾性率を有し、またワイヤ変形による転位の増殖、加工歪み等を低減することで、ワイヤの直線性が向上されるものと考えられる。ここで、［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上である層がワイヤ半径方向のＲ／１０以上であることで、高い上記効果を得ることができる。より好ましくは、［１１１］／［１００］の面積割合が２以上、及び、層の幅がワイヤ半径の１５％以上であれば、より高い効果を得られる。この方位が揃った層を１層以上有することが必要であり、２層以上存在すればより望ましい。
【００５０】
同様の効果として、ワイヤ半径方向のＲ／１０以上の幅で、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が６０％以上である領域を、少なくとも１層以上有するボンディングワイヤであれば、強度、弾性率を増加させて、直線性をより向上できる。ここで、［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率を６０％以上とすることで、［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上の場合よりも、弾性率を増加させる効果をさらに高めることが可能である。この効果は、従来ワイヤでは直線性が困難とされていた線径２０μｍ以下の細線を３ｍｍ以上の長さに接続するときでも、直線性を向上できることが確認された。
【００５１】
また、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、ワイヤ半径方向のＲ／１０以上、Ｒ／３未満の幅で、［１１１］／［１００］の面積割合が０．９未満である領域を少なくとも１層以上有するボンディングワイヤであれば、ループ形成時の安定性をより向上できる。高速でループ形成される時、ワイヤの塑性変形はワイヤ長手方向及び垂直方向に不均一となり、それがループ形状のバラツキを増大する要因となっている。［１１１］／［１００］の面積割合が０．９未満である領域では、結晶方位が［１００］に配向することで、塑性変形の不均一性を緩和する作用により、ループ形状を安定化させると考えられる。ここで、［１１１］／［１００］の面積割合が０．９未満である層がワイヤ半径方向の１０分の１以上存在することで、高い効果を得ることができ、一方、該層の幅が１／３以上となると、ループ制御が困難となるこことが懸念される。この効果は、細線だけでなく、線径３０μｍ以上の太線でも効果を得られる。より好ましくは、［１１１］／［１００］の面積割合が０．６未満および、層の幅がワイヤ半径の１５％以上であれば、より高い効果を得られる。この方位が揃った層を１層以上有することが必要であり、２層以上存在すればより望ましい。
【００５２】
同様のループ制御性をより高めるには、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、ワイヤ半径のＲ／１０以上の幅で、［１００］方位を有する結晶粒の面積比率が５０％以上である領域を、少なくとも１層以上有するボンディングワイヤであれば、ループ形状を安定化させる効果をより高めることが可能である。すなわち、［１００］の方向の結晶粒が増加することで、ループ高さのバラツキを低減し、直線性も高めることができる。これにより、ボンディング速度の高速化にも対応でき、今後の１本のワイヤを結線する速度が０．１秒以下まで高速化する場合でも、安定なループ制御が容易となる。
【００５３】
これまで述べた［１１１］／［１００］の面積割合を中心とした組織に加えて、［１１１］と［１００］の結晶粒の面積比率の合計について、ワイヤ全体又は部分的にコントロールすることで、高強度・高弾性、ループ制御性、ワイヤ流れ抑制等の特性をより一層高めて、狭ピッチ接続の量産性を向上できる。
【００５４】
ワイヤ長手方向の結晶組織において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積の合計の割合Ｐｍが５０％以上であるボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合性の向上とワイヤ曲折不良の低減を両立する効果を高めることができる。細線化されたボンディングワイヤを、ＢＧＡ基板上のＡｕ／Ｎｉめっきに低温で狭ピッチ接続する場合、ウェッジ接合性が低下することが懸念されている。ウェッジ接合部の強度を改善する手段として、基板上のプラズマクリーニング等が有効であるものの、一方でウェッジ接合性が改善した結果として、ワイヤの塑性変形による曲折不良が発生することが問題となる。これまで、ウェッジ接合性の向上とワイヤ曲折不良の低減が相互に関連する問題は、従来はほとんど知られておらず、基板上に細線ワイヤを狭ピッチ接続する際に顕在化する問題であり、今後の狭ピッチ接続の量産化を促進するには改善が求められる。
【００５５】
これらのウェッジ接合性とワイヤ曲折を同時に解決するには、［１１１］／［１００］の面積割合の調整だけでは困難であり、ワイヤ全体での［１１１］と［１００］の結晶粒の合計の面積割合Ｐｍを５０％以上とすることが有効であることを見出した。［１１１］と［１００］の結晶粒の合計の面積割合Ｐｍを制御することの効用として、ウェッジ接合時のワイヤの変形挙動を制御し、メッキとの接合強度を高めること、また、ウェッジ接合後にワイヤをテイルカットする際に、ワイヤに加わる衝撃荷重を低減してワイヤ曲折を低減すること等が考えられる。ここで、［１１１］と［１００］の結晶粒の面積割合の合計が５０％未満であれば、ウェッジ接合性とワイヤ曲折を改善するための適正なボンディング条件範囲が限定される。好ましくは、Ｐｍが６０％以上であれば基板接続により適した１６５℃以下の低温でのウェッジ接合性を向上する効果をより高めることができ、さらにより好ましくは、７０％以上であれば、１８μｍ以下の細線でウェッジ接合性の向上とワイヤ曲折不良の低減を両立することで４０μｍ以下の狭ピッチへの適応性をより高めることができる。
【００５６】
ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、半径Ｒのワイヤの中心からＲ／２までの部分を中心部としたとき、該中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積合計の該中心部に占める割合Ｐｃが６０％以上であるボンディングワイヤであれば、直線性の向上に加え、ワイヤ製造時の断線不良を低減し、また、ワイヤ長手方向の機械的特性等のバラツキも低減することで、細線の製造歩留まりを上昇するのに有効である。
【００５７】
こうした製造時の歩留まり等の調査をした結果、ワイヤ全体の［１１１］／［１００］の面積割合を単純に制御するだけでは困難であり、その改善には、ワイヤ中心からＲ／２までの中心部の組織が重要であり、特に、該中心部に占める［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積合計の割合Ｐｃを６０％以上とすることが有効であることを見出した。好ましくは、Ｐｃが７０％以上であれば、機械的特性を安定化させる効果をより高めることができ、さらにより好ましくは、８０％以上であれば、断線を低減して製造時の歩留まりを高める効果をより増長することができる。こうした細線の製造歩留まりを上昇することにより、ワイヤ製品の安定供給、量産対応が可能となるもので、ワイヤ使用する側で享受できるメリットも大きいと期待される。
【００５８】
ボンディングワイヤの長手方向断面において、ワイヤ長手方向の結晶方位の内、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であり、且つ、半径Ｒのワイヤの表面からＲ／３までの部分を表面領域としたとき、該表面領域におけるワイヤ長手方向の結晶方位の内、［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積合計の該表面領域に占める割合Ｐｓが５０％以上であるボンディングワイヤであれば、樹脂封止時のワイヤ流れ率のバラツキを抑制する効果を高められる。
【００５９】
樹脂封止工程でのワイヤ接触不良を低減するには、これまで述べたワイヤ流れを減少することの他に、ワイヤ流れ率のバラツキを低減することも有効であることが見出された。ここで、ワイヤ流れ率とは、封止後のワイヤ変形量をワイヤ長で除算した値が一般的に用いられる。ワイヤ流れ率のバラツキを助長する原因として、金型中での樹脂の流れ挙動の方向が一定でないことで、ワイヤ長に加わる外力の方向によって個々のワイヤの流れ率が変化することが考えられる。こうした不規則な樹脂流れ挙動の中でワイヤ流れ率を安定化させるには、ワイヤ全体での［１１１］／［１００］の面積割合を１．２以上にすることに加え、ワイヤ表面からＲ／３までの表面領域の組織制御を行うことが有効であり、中でも該表面領域の［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積合計が該表面領域に占める割合Ｐｓを５０％以上とすることが重要であることを見出した。ここで、Ｐｓを５０％以上とした理由は、Ｐｓが５０％未満であれば、流れ率の標準偏差等を低減する効果が小さいためである。好ましくは、Ｐｓが６０％以上であれば、ワイヤ長が４ｍｍ以上の長スパンでもワイヤ流れ率を安定化させる効果を高めることができ、さらにより好ましくは、７０％以上であれば、１８μｍ以下の細線での上記効果を高めることで４０μｍ以下の狭ピッチでの量産性をより一層高めることができる。
【００６０】
［１１１］方位及び［１００］方位の合計の面積割合の制御に当たり、それ以外の結晶方位について、特定の方位でなくても基本的には上述した効果を得ることは可能である。さらに、［１１１］方位及び［１００］方位以外の結晶方位として、［１１０］、［１１２］、［１２２］等の方位に配向させることで、ワイヤ表面での亀裂の発生等を抑える効果を得ることも可能である。低ループ形成のために厳しいループ制御を行うと、ボール近傍で熱影響を受けたネック部において損傷を与えることが問題となる。ワイヤの強度等の機械的特性を単純に増減させたり、また、組織の側面でも、ワイヤ全体の［１１１］／［１００］の面積割合を単純に制御するだけでは、こうしたネック損傷を低減することは困難と考えられる。そこで、［１１１］方位と［１００］方位の制御に加え、［１１０］、［１１２］、［１２２］等の方位に配向させることで、ネック部の損傷を抑えて低ループ化を実現することも可能である。
【００６１】
また、結晶方位の比率を求めるに際し、観察するワイヤ長は、ワイヤ長手方向に少なくとも線径以上の長さで判断することが望ましい。より好ましくは、線径の１．５倍以上の長さで測定することで、平均的な情報を得て、測定の再現性を高めることができる。また、ワイヤ内部の局所領域での結晶方位の配向性等を調べる場合には、観察長さを線径の１．５倍以上、より好ましくは３倍以上設けることが望ましい。
【００６２】
線径の５倍以上のワイヤ長手方向断面において、線径の７０％以上の長さでワイヤ長手方向の結晶方位が１５°以内の角度に揃った結晶粒を、少なくとも２個以上有することで、強度、弾性率を高め、ワイヤの樹脂流れを低減する効果をより促進することができる。上述した、ワイヤの全体あるいは局部域において、多数の結晶粒を平均した結晶方位及びその比率等の管理に加え、結晶方位が揃った結晶粒の長さを十分確保することで、機械的特性をより高める作用が得られる。
【００６３】
ここで、通常の組織観察において、角度差が１５°程度の範囲に揃った領域を一つの結晶粒とみなされる。ループ形成及び樹脂封止等の工程で、外力によりワイヤが変形されるとき、大部分の変形における曲率は線径よりも大きいことから、変形を抑制するには、結晶方位が揃った結晶粒の長さが線径の７０％以上となり、長手方向に繊維状の組織を有していることが望ましいと考えられる。
【００６４】
ボンディングワイヤの集合組織に関して、これまで知られておらず、報告例も見られなかった。種々の金属における集合組織は、圧延材、引抜細線等で知られているものの、金属の加工法、成分と集合組織の関係や、集合組織と部材使用性能との関係に関しては、統一的な見解は得られていない。集合組織を測定する従来法では、Ｘ線回折、ＴＥＭによる電子線回折等が用いられていたが、ボンディングワイヤのように、２５μｍ径程度の微細で、比較的軟質の金属線における集合組織の測定は困難であった。
【００６５】
解析技術の進歩は目覚ましく、測定エリアを微小に絞ることができる微小領域Ｘ線、最近開発された後方電子散乱図形（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｐａｔｔｅｒｎ、以降ＥＢＳＰ）法等は、微細試料の集合組織の測定に非常に有効な測定手段である。中でも、ＥＢＳＰ測定により、ボンディングワイヤのような細線でも、その研磨断面の集合組織を精度良く、しかも比較的容易に測定できるようになった。例えば、図１に、線径２５μｍの金ボンディングワイヤにおける、ＥＢＳＰ測定の一例を示しており、結晶方位が正確に測定できていた。このような最新の解析技術を利用することで初めて、ボンディングワイヤの微細組織に関して、一つ一つの微細結晶粒の結晶方位、断面全体での結晶方位の分布等を、高精度に再現良く測定できることを確認した。ただし、単純にワイヤの表面あるいは研磨断面についてＥＢＳＰ測定又はＸ線測定を実施しても、正確な情報が得られるとは限らない。試料作製、装置操作等多くの実験条件を適正化することで、はじめて精度の高い方位解析が可能となることを留意しておく必要がある。
【００６６】
また、ＥＢＳＰ測定では、個別の結晶粒の方位を観察し、その結晶粒の面積を求めることが可能であるが、Ｘ線回折を用いた場合には、それぞれの結晶方位のＸ線強度をもとに、結晶方位の体積比率を求めることができる。従って、ボンディングワイヤの長手方向断面又は長手方向の垂直断面のＸ線回折測定により求めた結晶方位において、［１００］方位を有する結晶粒に対する［１１１］方位を有する結晶粒の体積比率が１．２以上であることにより、強度、弾性率を高めることができ、樹脂封止時のワイヤ流れを低減することが可能である。また、それ以外の本発明に関する［１１１］方位あるいは［１００］方位を有する結晶粒の割合の関係についても、それぞれのＸ線回折法により求められた結晶方位の体積比率の関係で、同様の表記ができることを確認した。
【００６７】
結晶方位を制御する手段は、製造技術と合金化成分とに大別され、それぞれについて、下記に説明する。
【００６８】
原料素材からボンディングワイヤを製造する工程において、圧延加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工における面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点（絶対温度）に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９９．５％以上、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度（絶対温度）に対して２０〜７０％の温度範囲で実施されることが望ましい。この方法により、ワイヤ長手方向での［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒を調整することが可能となる。
【００６９】
ここでの圧延加工について、丸型溝ロールあるいは角型溝ロールを用いた圧延、スエージング圧延等を使用することができ、また一部には大型ダイス伸線等も含めることも可能である。圧延の総加工度とは、圧延前、圧延後のワイヤの平均直径をそれぞれＤｆ、Ｄｇとすると、｛１−（Ｄｇ／Ｄｆ）２｝×１００（％）で表すことができる。次に、伸線加工では、主に伸線用ダイスを用い、伸線機は複数のダイスで一度に伸線することができる装置を用い、伸線前、伸線終了後のワイヤの平均半径をそれぞれＲｆ、Ｒｇとすると、｛１−（Ｒｇ／Ｒｆ）２｝×１００（％）で表すことができる。ダイスの内壁は、超硬金属又はダイヤモンド加工を施されているものが、安定性等に優れており、より望ましい。熱処理方法は、ワイヤを巻き取った状態で加熱オーブン内に設置し、一括して加熱する方式と、一定の長さの加熱炉内でワイヤを連続的に移動させながら加熱する連続熱処理方式等が利用できる。
【００７０】
圧延加工の加工度、伸線加工の加工度、熱処理の加熱温度について、上記条件を３者同時に満足させることで、［１１１］方位及び［１００］方位の配向性を高めることが容易であり、どれか一つの条件でも満足しない場合には、組織の制御が困難となる。例えば、各条件の理由として、圧延加工の総加工度が９５％未満、又は伸線加工の総加工度が９９．５％未満の場合には、加工集合組織の成長が不充分となり、その後の加熱で回復・再結晶も一部に生じさせた最終の集合組織において、［１１１］／［１００］の面積割合を高めることが困難である。また、熱処理の加熱温度（絶対温度）が原料素材の融点に対して２０％未満の低温であれば、その後の伸線工程において［１１１］及び［１００］の結晶方位を揃えることが難しいためであり、一方、７０％超の高温であれば、最終線径まで伸線しても［１１１］以外の方位が占める割合が高くなるため、［１１１］／［１００］の面積割合を１．２以上に保つことが困難となるためである。
【００７１】
また、後熱処理の加熱温度が原料素材の再結晶温度に対して２０〜７０％の温度範囲とした理由は、［１１１］の結晶が揃わないことに加え、再結晶温度の２０％未満の低温では、加工歪みの残留によるワイヤ曲がり等の問題が生じるためであり、一方、７０％超の高温では、ワイヤ表面の酸化が顕著となり、ウェッジ接合性が低下するためである。ここで、前熱処理温度の基準として融点を用いたのは、融点との関連性が強いためであり、それに対し、後熱処理で再結晶温度を用いたのは、伸線加工度が異なる素材で最終段階の組織を同一にするには、後熱処理温度も調整すべきものであり、そうした加工度の影響が間接的に再結晶温度に反映されているため、再結晶温度を基準に温度範囲を決定することで方位制御がより容易となるためである。再結晶温度の決定についてはいくつかの手法があるが、例えば、温度と破断伸びとの関係を示した、破断伸びが急激に増加する温度近傍を、再結晶温度として使用することができる。
【００７２】
加熱法を前熱処理と後熱処理の２段階に分けることは、［１１１］及び［１００］の結晶方位の配向を揃えることに有効に作用する。前熱処理では、圧延によりできた無秩序な結晶配向に一定の方向性を持たせる役割があり、その後の伸線加工により得られる加工集合組織の方向性も発展させることができ、さらに後熱処理により、一部の回復・再結晶を起こさせて、［１１１］方位と［１００］方位の結晶粒を同時に制御することができる。
【００７３】
さらに、本発明の組織制御のためには、圧延加工、一次伸線加工、前熱処理、二次伸線加工、後熱処理の順でそれぞれ少なくとも１回組み合わせた工程で、鋳造材からボンディングワイヤを製造する方法であって、前記圧延加工における面積加工率が９５％以上、前記前熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の融点（絶対温度）に対して２０〜７０％の温度範囲であり、前記二次伸線加工の面積加工率が９９．５％以上、平均伸線速度が５０〜１０００ｍ／分、伸線の槽温度が５〜４５℃であり、前記後熱処理の加熱温度（絶対温度）が該材料の再結晶温度（絶対温度）に対して２０〜７０％の温度範囲、掃引張力は０．２〜７０ｍＮの範囲で実施されることがより望ましい。この方法により、ワイヤ長手方向での［１１１］方位と［１００］方位の結晶粒を同時に制御し、さらに断面内での方位の分布を制御することも可能となる。
【００７４】
ワイヤ断面内での結晶方位の分布を制御することで、加工率、熱処理温度の管理だけでは難しいため、伸線速度、伸線温度、熱処理時の掃引張力等を制御することが有効である。具体的には、前記の加工率、熱処理温度の範囲内で、さらに平均伸線速度を５０〜１０００ｍ／分、伸線の槽温度を５〜４５℃、後熱処理の掃引張力を０．２〜７０ｍＮの範囲で制御することにより、断面全体での結晶方位の均一性を高めたり、表層部の組織の方位の配向性を調整することがより容易となる。こうした加工率、熱処理温度、伸線速度、伸線温度、掃引張力等を適正な範囲で調整することにより、ワイヤ断面全体で組織分布について、局所的でなく、ワイヤの長手方向の長距離範囲で高精度に制御することが可能となる。従って、これらのパラメータ条件を単独に規定することは困難であるものの、幾つかの条件について説明する。
【００７５】
平均伸線速度を５０〜１０００ｍ／分とした理由は、５０ｍ／分未満であれば、長手方向でのバラツキが発生したり、量産性が低下すること、１０００ｍ／分超であれば、伸線時の発熱等による動的再結晶等も懸念され、結晶方位の均一性を維持することが困難である。伸線の槽温度が５℃未満であれば、ワイヤ表面の冷却が発生することが懸念される。一方、槽温度が４５℃超であれば、ワイヤの最表面域で回復が進行して、組織のバラツキを誘発したり、また、作業者への負担も増えることで、作業ミスを誘発することが懸念される。後熱処理の掃引張力が０．２ｍＮ未満であれば、炉内をワイヤが移動する際にワイヤがばたつくことで、熱処理状態にむらが発生したり、７０ｍＮ超であれば細線での線径変動等が懸念されるためである。
【００７６】
組織制御性をより高める観点からは、圧延加工の総加工度が９５％以上、前記伸線加工の総加工度が９９．５％以上、前熱処理の加熱温度（絶対温度）が原料素材の融点に対して３０〜７０％の温度範囲であり、後熱処理の加熱温度が原料素材の再結晶温度に対して３０〜７０％の温度範囲で実施されることがより望ましい。この方法により、［１１１］方位と［１００］方位の集積度をより高めることができる。
【００７７】
さらに、組織制御の観点からは、圧延加工、前熱処理、伸線加工、後熱処理の工程の後に、微調伸線加工工程の追加、あるいは微調伸線加工、第３次熱処理の工程を追加することも望ましい。微調伸線加工を追加する理由は、ワイヤ表面近傍の結晶粒の微細化、転位の局所増加等により高強度化を図ることができるためである。微調伸線加工、第３次熱処理の工程をセットで追加する理由は、上記の表面改質による高強度化の効果を利用しつつ、さらに、ワイヤ内の外周部における［１１１］方位及び［１００］方位を有する結晶粒を中心部よりも促進することにより、摺動性、ワイヤ流れ等の制御性をより高めることができるためである。
【００７８】
さらに好ましくは、伸線加工に用いる複数のダイスの内、減面率１０％以上のダイスを３０％以上使用することにより、断面全体での結晶方位の均一性を高めることで、  ［１１１］／［１００］の面積割合についても中心部とその外周部での相違を低減することがより容易となる。これは、ボンディングワイヤの伸線に従来用いられているダイスの減面率は、通常６％以下であるのに対し、減面率を１０％以上とすることにより、ワイヤの表層部だけでなく内部にまで均一に加工する効果が高まるためと考えられる。減面率が１０％以上のダイスが、伸線に使用されるダイス全部の３０％以上であることにより、量産レベルの高速伸線においても、組織制御がより可能となる。
【００７９】
また、伸線加工に用いる複数のダイスの内、減面率１０％以上のダイスを３０％以上使用することによる組織制御では、上記の断面全体での結晶方位の均一性を高めるだけでなく、さらに、前述した［１１１］／［１００］の面積割合を高めることにも有効に作用する。こうした伸線により製造したワイヤでは、高強度・高弾性率によるワイヤ流れの抑制、ループ形状の直線性の向上、ボール直立部のリーニングの低減等を達成し、狭ピッチ接続の実用性を高めることができる。
【００８０】
ワイヤ内部での数種類の結晶方位の分布、結晶粒径等を制御するには、ダイス個々の減面率に加えて、ダイス順番、ダイスへのワイヤ挿入角、伸線時の張力等を適正化することも有効である。例えば、ワイヤがダイスに挿入するときの角度を一定に保ったり、伸線時の張力を調整したりすることにより、ワイヤ断面全体で組織の均一化あるいは表層部の方位制御等を、局所的ではなく、ワイヤの長手方向の長距離範囲（数十〜数百万ｍ）で制御された均質なボンディングワイヤを作製することが容易となる。例えば、ダイス順番では、最終線径に近い段階に用いるダイスに、上記の減面率１０％以上のダイスを適用したり、あるいは伸線速度を５０〜４００ｍ／ｓｅｃの範囲で線径が細くなる速度を若干遅くしたりすること等で、上述したワイヤ中心部あるいは表層部での組織を管理することが可能となる。
【００８１】
主として製造法による組織制御に加えて、ワイヤ中の元素添加も有効に活用することで、最近の狭ピッチの課題であるリーニング性についても、さらなる向上が図れる。
【００８２】
現在のワイヤ素材の主流であるＡｕを主成分とし、添加成分として、Ｙ、Ｃａ、Ｙｂ、又はＥｕから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ１が０．００２〜０．０３質量％、Ｌａ、Ｔｂ、Ｄｙ、又はＮｄから選ばれる１種以上の元素の総濃度Ｃ２が０．００２〜０．０５質量％であり、且つそれら添加成分の濃度関係について０．１＜Ｃ１／Ｃ２＜１０の範囲で含有させた金合金ボンディングワイヤとすることで、［１１１］方位の結晶粒の形成を助長することに加えて、中でもリーニング特性をより一層高めることができる。上述したよう、ワイヤ製造法によりリーニング特性も改善できるものの、さらに、上記成分元素の添加により、ボール部近傍の熱影響部における組織を制御して、リーニング特性をよりさらに改善することができる。ここで、Ｃ１が０．００２質量％未満、あるいはＣ２が０．００２質量％未満であれば、組織制御の効果が小さいためであり、一方、Ｃ１が０．０３質量％超、あるいはＣ２が０．０５質量％超であれば、Ａｌ合金パッド上のボール接合部の強度が低下するためである。０．１＜Ｃ１／Ｃ２＜１０の範囲であれば、２種の元素群の相乗効果が期待でき、［１１１］方位の集積度を制御することが比較的容易となり、ループ安定性、接合性等の使用性能を総合的に改善しやすくなるためである。
【００８３】
さらに好ましくは、上記２種の元素群の濃度関係を０．４＜Ｃ１／Ｃ２＜６の範囲としたワイヤ素材に、上記の製造方法を組み合わせることで、結晶方位を制御する効果がより促進され、［１１１］及び［１００］の結晶方位の配向を本発明の範囲で設定することがより容易となる。
【００８４】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
【００８５】
金純度が約９９．９９５質量％以上の電解金を用い、必要な含有成分を添加させ、表１〜５に示す化学成分の金合金を溶解炉で溶解鋳造し、その鋳塊をロール圧延し、加熱炉中で前熱処理を行い、さらにダイスを用いて伸線加工を行い、連続的にワイヤを掃引しながら加熱する後熱処理を施して、ボンディングワイヤを作製した。最終線径は主に２０μｍ以下とした。
【００８６】
具体的な製造工程を述べる。まずは、直径６〜３０ｍｍの鋳塊を作製する。圧延工程では、溝型ロールを使用し、線径が０．５〜１．５ｍｍとなるまで、３０〜２００ｍ／分の速度で加工した。前熱処理工程では、オーブン加熱炉を用い、２５０〜８００℃に設定された炉中に０．１〜２時間保持して加熱し、炉外の大気中で放冷した。伸線工程では、ダイスを複数個セットできる連続伸線装置と、ダイヤモンドコーティングされたダイスを用い、伸線速度は８０〜４００ｍ／秒の範囲、伸線の槽温度を２０〜３５℃で行った。ダイスの内壁の清浄化を目的に、使用前に超音波洗浄を施しておいた。使用したダイスの減面率は、低減面である５〜８％、高減面である１２〜１５％の２種類に分類され、該高減面ダイスの個数が全体の３５〜８０％を占める。後熱処理工程では、２０ｃｍの均熱帯を持つ赤外加熱炉を用い、２５０〜７００℃に設定された炉中を、速度は５０〜８００ｍ／分、掃引張力は２〜６０ｍＮの範囲でワイヤを連続的に移動させながら熱処理を施し、引張試験の伸び値が３〜５％になるように調整した。表２記載の各実施例の具体的製造方法は表３に示すとおりである。
【００８７】
ボンディングワイヤの接続には、汎用の自動ワイヤボンダー装置を使用して、ボール／ウェッジ接合を行った。ボール接合では、ワイヤ先端にアーク放電によりボール部を形成し、そのボール部を電極膜に超音波併用の熱圧着により接合した。また、リードフレーム又はＢＧＡ基板上のリード部に、ワイヤ他端部をウェッジ接合した。今後のニーズである狭ピッチ接続への適用性を調べるため、電極間隔が５０μｍの狭ピッチ接続を行った。
【００８８】
接合相手は、シリコン基板上の電極膜の材料である、厚さ約０．８μｍのＡｌ合金膜（Ａｌ−１％Ｓｉ、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ）、あるいはＣｕ配線（Ａｕ０．０１μｍ／Ｎｉ０．４μｍ／Ｃｕ０．４μｍ）を使用した。一方の、ウェッジ接合の相手には、表面にＡｇめっき（厚さ：１〜４μｍ）が施されたリードフレーム、又は表面にＡｕめっき／Ｎｉめっき／Ｃｕ配線が形成されているガラエポ樹脂基板を使用した。
【００８９】
ワイヤの代表的な機械的特性である強度、弾性率は、引張試験により測定した。試料長は１０ｍｍ、試料数は５本とし、その平均値を用いた。
【００９０】
ワイヤ組織について、長手方向に断面研磨したワイヤを用いて、エッチングを行った後にＳＥＭで観察して結晶粒数を数えた。また、同様の断面研磨した試料のある領域において、ＥＢＳＰ法により結晶方位を測定した。ワイヤ断面の全体での［１１１］方位又は［１００］方位の結晶粒の面積比率を求め、また、ワイヤの半径Ｒの中心からＲ／２までの部分を中心部、ワイヤ表面からＲ／３までの深さの部位を表層部としたとき、該ワイヤの長手方向断面において、中心部と表層部における［１１１］方位の結晶粒の面積比率をそれぞれ求めた。
【００９１】
ボンディングされたループの直線性を評価するため、ワイヤ間隔（スパン）が６ｍｍとなるようボンディングされた１００本のワイヤを用いて、投影機により上方から観察した。ボール側とウェッジ側の接合部を結ぶ直線に対し、ワイヤが最も離れている部位のずれを曲がり量として測定した。その曲がり量の平均が、線径の１本分未満であれば良好であると判断し◎印で表示し、２本分以上であれば不良であるため△印、その中間であれば、通常は問題とならないため○印で表示した。
【００９２】
ボンディング工程でのループ形状安定性（ループ制御性）については、ワイヤ毎に３箇所のループ高さを測定し、そのループ高さの標準偏差により評価した。試料数は５０本、測定には光学顕微鏡を使用した。測定個所には、ループ高さのバラツキが発生しやすい部位として、ボール直上部、最高到達部、ワイヤ長の中心部の３箇所とした。このループ高さの標準偏差がワイヤ径の１／２以上であれば、バラツキが大きいと判断し、１／２未満であればバラツキは小さく良好であると判断した。その基準をもとに判断し、３箇所ともバラツキが小さい場合には、ループ形状が安定していると判断し、◎印で表示し、バラツキが大きい個所が１箇所である場合には、比較的良好であるため○印、２箇所の場合には△印、３箇所ともバラツキが大きい場合には×印で表示した。ワイヤ長は、ＢＧＡ等で使用頻度が増加している４ｍｍ長（形状１）と、安定なループ形状を得るのがより困難であるロングスパンとして６ｍｍ長（形状２）のそれぞれで評価した。
【００９３】
狭ピッチ接続では、異なるループ高さを同一チップ内で結線する場合が増えており、直線性の確保、ループ形状のバラツキを抑えることが問題となる。ループ形状安定性の更なる厳しい評価として、高低ループ評価を行った。ループ最高高さが１００μｍ以下の低ループと、３００μｍ以上の高ループを各５０本ずつボンディングを行った。それらループ高さの異なる２種それぞれの直線性を測定した。２種類のループともに曲がり量の平均が、線径の１本分未満であれば良好であると判断し◎印で表示し、１種類でも曲がり量が１本分以上であれば通常は問題とならないため○印、２種類のループとも曲がり量が１本分以上であれば改善が必要であるため△印、１種類でも曲がり量が２本分以上であれば不良であるため×印で表示した。
【００９４】
また、上記のループ高さの異なる２種類について、ループ形状安定性（ループ制御性）を評価するため、最高到達部、ワイヤ長の中心部の２箇所でループ高さを測定し、ループ高さの標準偏差がワイヤ径の１／２以上であれば、バラツキが大きいと判断した。２種のループ高さで各２箇所測定した計４箇所におけるループ高さの標準偏差のうち、４箇所ともバラツキが小さい場合には、ループ形状が安定していると判断し◎印で表示し、バラツキが大きい個所が１箇所である場合には、比較的良好であるため○印、２箇所以上でバラツキが大きい場合には△印で表示した。
【００９５】
ウェッジ接合性の評価には、接合相手は、表面にＡｕめっき／Ｎｉめっき／Ｃｕ配線が形成されている樹脂基板を使用した。試料が搭載されるステージの温度は、ウェッジ接合性がより厳しくなる低温の１７５℃で行った。評価基準として、２００ピンのチップを１０個使用し、合計２０００本のワイヤを接続し、ウェッジ接合部での不良により連続ボンディング動作が一度でも中断したり、光顕観察により剥離等の不良現象が２本以上認められた場合には、ウェッジ接合性が不十分であるため△印で示し、連続ボンディングで問題もなく、その後の観察でも不良が認められない場合には、ウェッジ接合性は良好であると判断し、◎印で示し、両者の中間となる、連続ボンディングは可能でも剥離が１本認められた場合には、通常は問題とならないことから○印で示した。
【００９６】
上記のウェッジ接合条件で樹脂基板上にボンディングした後に、ワイヤの曲折不良の発生も調べた。ワイヤが局所的に塑性変形して曲折する現象は、全体的に変形する通常のワイヤ曲がり不良とは区別することが可能である。３ｍｍスパンで、２０００本のワイヤを接続し、この曲折不良の数が０本であれば非常に良好であると判断して◎印で示し、２本であれば実用上は問題はないと判断して○印で示し、２〜４本の範囲であれば若干の改善が必要であるため△印で示した。
【００９７】
最近懸念されている問題である、ボール接合近傍のワイヤ直立部が倒れる現象であるリーニングについては、チップ水平方向からワイヤ直立部を観察し、ボール接合部の中心を通る垂線とワイヤ直立部との間隔が最大であるときの間隔で評価した。ワイヤ長は４ｍｍ、試料数は３０本とした。その間隔がワイヤ径よりも小さい場合にはリーニングは良好、大きい場合には直立部が傾斜しているためリーニングは不良であると判断した。リーニングの不良発生頻度により分類し、不良が３本以上の場合には△印、０本の場合には◎印、その中間では○印で表示した。
【００９８】
ボンディングワイヤの摺動性については、業界でも評価法が統一されていない。今回は、キャピラリ内でワイヤを一定の速度及び角度で移動させ、そのときの引抜き強度を測定し、また、その試験したワイヤの表面状態をＳＥＭで観察した。この引抜き強度が小さく、ワイヤ表面にキズが見られない場合には、摺動性は良好であると判断して◎印、また、引抜き強度が大きいもの又はワイヤ表面のキズ等が少しでも認められた場合には○印で表示した。
【００９９】
樹脂封止時のワイヤ流れ（樹脂流れ）の測定に関しては、ワイヤのスパンが約４ｍｍとなるようボンディングした半導体素子が搭載されたリードフレームを、モールディング装置を用いてエポキシ樹脂で封止した後に、軟Ｘ線非破壊検査装置を用いて樹脂封止した半導体素子内部をＸ線投影し、ワイヤ流れが最大の部分の流れ量を３０本測定し、その平均値をワイヤのスパン長さで除算した値（百分率）を封止後のワイヤ流れと定義した。
【０１００】
封止後のワイヤ流れのバラツキについて、上記で求めたワイヤ流れの標準偏差が０．８％以内であればワイヤ流れの安定性は良いと判断して◎印、０．８〜２％の範囲であれば実用上は問題ないとして○印、２％以上であれば実用上の問題が懸念されるため△印で示した。
【０１０１】
ワイヤ製造時の歩留まりの評価条件について、線径１８μｍまで伸線した際、１ｋｇの鋳塊当たりの断線回数が０．５回／ｋｇ未満であり、さらに３０本の破断強度の標準偏差が４．９ｍＮ未満に抑制されている場合には、良好な生産性を確保できるため◎印、上記の断線回数又は破断強度のバラツキのどちらか一方の条件でも満足できない場合には○印、１ｋｇの鋳塊当たりの断線回数が０．５回／ｋｇ以上であり、３０本の破断強度の標準偏差が４．９ｍＮ以上である場合には、量産性を更に改善する必要が生じるため△印で示した。
【０１０２】
表１には、ワイヤ組織とボンディング使用性能の関係について示す。表２、３には、Ａｕを主成分とするボンディングワイヤの添加成分及び製造方法とワイヤ組織との関係を示す。それぞれで、本発明に係わるボンディングワイヤについての評価結果を実施例とし、比較として、本構成から外れる場合を比較例とした。
【０１０３】
表１において、第１請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜１５であり、第２請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜６、９、１０、１２〜１５であり、第３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜８、１２〜１５であり、第１０請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３〜６、８、９、１１、１２、１５であり、第１４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜１２である。表１の比較例は、第１請求項におけるボンディングワイヤの組織構成を満足しない場合である。
【０１０４】
表２、３には、Ａｕを主成分とするボンディングワイヤの添加元素、製造法、組織等を示す。実施例１６〜３１は第１７〜第１９の請求項に記載のいずれかを満足する製造方法により作製されたワイヤであり、第１請求項におけるボンディングワイヤの組織構成を満足する。その内訳では、実施例１６〜２７は第１６請求項の成分構成とするＡｕ合金ボンディングワイヤであり、実施例２８〜３１は第１６請求項の成分構成は満足しないものの、本発明に関する製造法を利用している場合である。一方の比較例５〜９は、第１７〜第１９請求項記載の製造方法を満足しておらず、第１請求項におけるボンディングワイヤの組織構成を満足しない場合である。
【０１０５】
表４、５において、第４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３２〜３４であり、第５請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３４、３５であり、第６請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３５〜３７であり、第７請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３６、３７であり、第１５請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３２、３４、３６、３７である。
【０１０６】
表６、７において、第８請求項に係わるボンディングワイヤは実施例４２〜４９であり、第９請求項に係わるボンディングワイヤは実施例４３〜４９、５１であり、第１１請求項に係わるボンディングワイヤは実施例４２、４４〜４９である。
【０１０７】
【表１】
2004228541.tif 000002
【０１０８】
【表２】
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【０１０９】
【表３】
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【０１１０】
【表４】
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【０１１１】
【表５】
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【０１１２】
【表６】
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【０１１３】
【表７】
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【０１１４】
実施例１〜１５のボンディングワイヤは、本発明に係わる、［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であることにより、強度は３００ＭＰａ以上、弾性率は９０ＭＰａ以上の高強度・高弾性率であり、ワイヤ流れを４．０％未満に低減されている。中でも、面積割合が１．４〜２．５の範囲である実施例２、３では、ワイヤ流れが３．５％未満に低減され、さらに面積割合が２．５以上である実施例４〜６では、ワイヤ流れが２．５  ％未満までより改善されていることが確認された。それに対し、比較例１〜４のボンディングワイヤは、［１１１］／［１００］の面積割合が１．２未満であることにより、強度は２７０ＭＰａ以下、弾性率は８０ＭＰａ未満であり、結果として、ワイヤ流れは５％以上の高い値であった。
【０１１５】
実施例１〜６、９、１０等のボンディングワイヤでは、第２請求項に係わる［１１１］方位を有する結晶粒の面積比率が５５％以上を満足しており、高強度・高弾性率に加えて、ループ形状の直線性の向上、低温ウェッジ接合性の改善等が確認された。比較として、第２請求項の組織構成を満足しない実施例７、８、１１、１２あるいは比較例１〜４等では、こうした改善効果は認められなかった。
【０１１６】
実施例１〜８、１３〜１５等のボンディングワイヤでは、第３請求項に係わる、ワイヤ中心部での［１１１］／［１００］の面積割合Ｒｃと、断面全体の平均で［１１１］／［１００］の面積割合Ｒａの差分比率の絶対値｜１−Ｒｃ／Ｒａ｜×１００（％）が３０％未満であり、且つ、ワイヤ断面全体での該割合Ｒａが１．２以上となる組織を確認しており、ボンディング性能に関しては、ボール直立部のリーニング性を改善していることが確認された。比較として、第３請求項の組織構成を満足しない実施例９〜１２あるいは比較例１〜４では、こうした改善効果は認められなかった。
【０１１７】
実施例３〜６、８、９、１１、１２等のボンディングワイヤでは、第４請求項に係わる、ワイヤ表層部における［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上であり、且つ、ワイヤ断面全体での［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上となる組織を確認しており、ボンディング性能に関しては、摺動性が向上されて、ループ制御性が容易となり、キャピラリ詰まり、ワイヤ表面キズ等を低減されることも観察された。比較として、第４請求項の組織構成を満足しない実施例１、２、７、１０、１２あるいは比較例１〜４では、こうした改善効果は認められなかった。
【０１１８】
ループ制御性について、本発明に係わる実施例１〜２６のボンディングワイヤでは、スパンが４ｍｍの場合には、安定したループ形状が得られているのに対し、比較例１〜４では、ループ形状のバラツキが大きかった。一方、スパンが６ｍｍのロングスパンの場合で比較すると、例えば、実施例１〜１２では、結晶粒数が０．０４〜４個／μｍ２であることで、ロングスパンでも安定したループ形状が得られており、ループ制御性に優れていることが確認された。
【０１１９】
成分及び製造方法が組織に及ぼす影響についてみると、Ａｕ合金のボンディングワイヤに関する表２では、実施例１６〜３１は、第１７〜第１９の請求項に記載のいずれかの製造条件を満足することで、所望する組織である、［１１１］／［１００］の面積割合が１．２以上であることを達成していた。その中で比較すると、第１６請求項の成分構成とする実施例１６〜２７と、第１６請求項の成分構成は満足しない実施例２８〜３１では、組織あるいは使用性能等に一部差が認められた。例えば、実施例２５〜２７の成分構成であるボンディングワイヤの使用性能に相当する実施例４〜７では、リーニング性により優れた改善が見られたに対し、実施例１８、１９、２３の成分構成であるボンディングワイヤの使用性能を示した、表１の実施例９〜１１では、そうした改善は認められなかった。また、比較例５〜９では、本発明に係わる製造条件も満足しない場合であり、［１１１］／［１００］の面積割合は１．２未満であった。
【０１２０】
実施例３２〜３４のボンディングワイヤは、本発明に係わる、［１１１］／［１００］の面積割合が１．６以上である層がワイヤ半径方向のＲ／１０以上の幅で存在することにより、その条件を満足しない実施例３５〜４１と比較して、ループ最高高さが１００μｍ以下の低ループ、３００μｍ以上の高ループにおいて、直線性は良好であった。中でも、実施例３３、３４では、上記層内の  ［１１１］の面積割合が比率が６０％以上であることで、直線性がさらに向上されていた。
【０１２１】
実施例３５〜３７のボンディングワイヤは、本発明に係わる、［１１１］／［１００］の面積割合が０．９未満である層がワイヤ半径方向のＲ／１０以上Ｒ／３未満の幅で存在することにより、その条件を満足しない実施例３２〜３４、３８〜４１と比較して、ループ最高高さが１００μｍ以下の低ループ、３００μｍ以上の高ループにおいて、ループ形状安定性は良好であった。中でも、実施例３６、３７では、上記層内の［１００］の面積割合が比率が５０％以上であることで、ループ形状安定性がさらに向上されていた。
【０１２２】
実施例４２〜４９のボンディングワイヤは、本発明に係わる、［１１１］と［１００］の結晶粒の合計の面積割合を５０％以上とすることにより、その条件を満足しない実施例５０、５１と比較して、ウェッジ接合性を向上し、またワイヤ曲折不良も低減されていることが確認された。
【０１２３】
実施例４３〜４９、５１のボンディングワイヤは、本発明に係わる、ワイヤ中心からＲ／２までの中心部に占める［１１１］および［１００］方位の結晶粒の面積合計の割合を６０％以上とすることにより、その条件を満足しない実施例４２、５０と比較して、線径１８μｍまで伸線したときのワイヤ製造時の歩留まりを向上できることが確認された。
【０１２４】
実施例４２、４４〜４９のボンディングワイヤは、本発明に係わる、ワイヤ表面からＲ／３までの表面領域における［１１１］方位及び［１００］方位の結晶粒の面積合計の該表面領域に占める割合を５０％以上とすることにより、その条件を満足しない実施例４３、５０、５１と比較して、樹脂封止時のワイヤ流れ率のバラツキを抑制できることが確認された。
【０１２５】
また、一部の試料において、［１１１］方位及び［１００］方位以外に観察される主な結晶方位に着目したところ、実施例４２、４４では［１１２］の方位が多く、実施例４３では［１１０］、［１２２］等の方位が多いことを確認しており、スパン４ｍｍの長尺でループ高さ１５０μｍ以下の低ループを安定して形成できることを確認した。
【０１２６】
第１０請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３２〜３４であり、第１２請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３４であり、第１３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３５〜３７であり、第１４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例３６、３７である。実施例３８、４０は、第１請求項を満足するものの、第４請求項におけるボンディングワイヤの組織構成を満足しない場合であり、実施例３９、４１は、第６請求項におけるボンディングワイヤの組織構成を満足しない場合である。
【０１２７】
実施例３２、３４、３６、３７では、線径の７０％以上の長さでワイヤ長手方向の結晶方位が１５°以内の角度に揃った結晶粒を２個以上有していることが確認されており、実施例３３、３５、３８−４２と比較して、樹脂流れ性が３％未満の低い値に抑えられていた。図２には、実施例３６の金ボンディングワイヤの断面部において、ＥＢＳＰ測定結果の一例を示しており、１５°以上の角度差が生じる場合に結晶粒界で表示した。ワイヤの中心部にはワイヤ長手方向の結晶方位が１５°以内の角度に揃った結晶粒が２個以上観察された。
【０１２８】
高強度化するには、合金元素の添加量を増やす必要があり、それが素材の電気抵抗を増加させる原因となる。Ａｕを主成分とするワイヤについて、実施例１〜１９では何れも、純金に対する電気抵抗の増加は１０％以下に抑えられ、しかも３００〜４００ＭＰａの高強度を達成している。これに対し、従来の成分に頼ったワイヤでは、３００ＭＰａ以上の高強度を得るために、高濃度（＞１質量％）の元素添加が必要であり、例えばＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の元素を１質量％以上添加すると、電気抵抗が純金に対して３０％以上増加することを回避するのは困難であった。
【０１２９】
【発明の効果】
以上、本発明の導体装置用金ボンディングワイヤ及びその製造方法によれば、狭ピッチ接続を実現するための高強度・高弾性、ワイヤ流れ抑制、ボール直立部のリーニング性等が総合的に改善でき、しかも工業的に量産性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】金ボンディングワイヤ（線径２５μｍ）のＥＢＳＰ測定による結晶粒界。
【図２】金ボンディングワイヤ（線径１８μｍ）のＥＢＳＰ測定による結晶粒界。
【図１】
2004228541.tif 000009
【図２】
2004228541.tif 000010