(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項２】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層は、添加元素の総計濃度を０．０００１〜０．０２ｍｏｌ％の範囲で含有し、厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項３】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲で有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
ワイヤ全体に占める該導電性金属の総計濃度が０．００２〜１．０ｍｏｌ％の範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項４】
前記外皮層は濃度勾配領域を有し、該濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項５】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層内において導電性金属濃度が４０ｍｏｌ％以上である領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍである半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項６】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を含有する外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）、あるいは外皮層の表面側がワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記濃度勾配領域は導電性金属の最高濃度が５０〜１００ｍｏｌ％の範囲であり、該濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項７】
前記外皮層は濃度一定領域を有し、該濃度一定領域の厚さが０．０７μｍ以下である請求項４〜６のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項８】
前記外皮層の表面で導電性金属と主成分元素が濃度偏重を有する請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【請求項９】
前記の芯材がＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ又は希土類元素から選ばれる１種以上の添加元素を含有し、ワイヤ全体に占める該添加元素濃度が総計で０．０００１〜０．０３質量％の範囲である請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置用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と回路配線基板（リードフレーム、基板、テープ）の配線とを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子上の電極と外部端子との間を接合するボンディングワイヤとして、線径２０〜５０μｍ程度の細線（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合に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、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用いられる。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、この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接合させる。
【０００３】
近年、半導体実装の構造・材料・接続技術等は急速に多様化しており、例えば、実装構造では、現行のリードフレームを使用したＱＦＰ（Quad Flat Packaging）に加え、基板、ポリイミドテープ等を使用するＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Scale Packaging）等の新しい形態が実用化され、ループ性、接合性、量産使用性等をより向上したボンディングワイヤが求められている。そうしたワイヤの接続技術でも、現在主流のボール／ウェッジ接合の他に、狭ピッチ化に適したウェッジ／ウェッジ接合では、２ヶ所の部位で直接ワイヤを接合するため、細線の接合性の向上が求められる。
【０００４】
ボンディングワイヤの接合相手となる材質も多様化しており、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、より微細配線に好適なＣｕが実用化されている。また、リードフレーム上には、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ等が施されており、また、樹脂基板、テープ等の上には、Ｃｕ配線が施され、その上に金等の貴金属元素及びその合金の膜が施されている場合が多い。こうした種々の接合相手に応じて、ワイヤの接合性、接合部信頼性を向上することが求められる。
【０００５】
ワイヤボンディング技術からの要求では、ボール形成時に真球性の良好なボールを形成し、そのボール部と電極との接合部で十分な接合強度を得ることが重要である。また、接合温度の低温化、ワイヤの細線化等に対応するためにも、回路配線基板上の配線部にワイヤをウェッジ接続した部位での接合強度、引張り強度等も必要である。
【０００６】
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を少しでも抑えることが求められている。ワイヤ強度の増加により、こうした変形をある程度コントロールすることはできるものの、ループ制御が困難となったり、接合時の強度が低下する等の問題が解決されなくては実用化は難しい。
【０００７】
こうした要求を満足するワイヤ特性として、ボンディング工程におけるループ制御が容易であり、しかも、電極部、リード部への接合性も向上しており、ボンディング以降の樹脂封止工程における過剰なワイヤ変形を抑制すること等の、総合的な特性を満足することが望まれている。
【０００８】
ボンディングワイヤの素材は、最も多用されているエポキシ樹脂で封止された半導体には、高純度４Ｎ系（純度＞９９．９９ｍａｓｓ％）の金が主に用いられている。材料費が安価である他種金属のボンディングワイヤが所望されている。
【０００９】
材料費、電気伝導性、接合性、長期信頼性等で少しでも特長のある素材では、銀、パラジウム、白金、アルミニウム等が有望である。それぞれ素材の利点について、銀は安価で大気中でもボール溶融が可能であり、パラジウムは高強度化が容易であり、白金では接合界面の拡散を遅延させて接合信頼性を向上でき、アルミニウムはフレームとの同種金属接合部の接合強度が向上すること等が挙げられる。しかし、これらの素材のボンディングワイヤの実用化が進まない原因として、ワイヤ表面の酸化・腐食の問題、ボール形成時の酸化、接合強度の減少や、樹脂封止されたときのワイヤ表面の腐食等が起こり易いことが問題となる。アルミワイヤはセラミックスパッケージ、太径用途等で以前から用いられるが、ウェッジ／ウェッジ接合等使用法が限定されている。
【００１０】
高強度化を達成する別方法では、芯部と外周部が異なる金属からなるボンディングワイヤ（以下、２層ボンディングワイヤと呼ぶ）が提案されており、例えば、特許文献１では銀の芯を金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金メッキしたワイヤについて、特許文献３ではプラチナ／プラチナ合金の芯とその外周部を銀／銀合金とするワイヤ等が、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、汎用の全ての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（以下、単層ボンディングワイヤと呼ぶ）では得ることが困難である特性を総合的に満足することが期待されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平４−７９２４１号公報
【特許文献２】特開昭５９−１５５１６１号公報
【特許文献３】特開平４−７９２４６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムボンディングワイヤの実用性を高める手法として、ワイヤ表面の酸化の抑制、接合強度の上昇、ワイヤ変形の抑制を目的として、ワイヤ表面に異種の金属を被覆した多層構造とすることが可能である。
【００１３】
しかしながら、こうした芯線とその外周部とを異種金属により構成される２層ボンディングワイヤは、これまで実用化に到っておらず、実際の半導体において評価された実例も殆ど報告されていないのが実情である。その理由として、芯部と外周部が異なる金属では、製造、品質管理等が困難であること、また、特定の特性は向上しても、多くのワイヤ要求特性を総合的に満足するのは困難であること等が挙げられる。
【００１４】
半導体実装の高密度化、小型化、薄型化等のニーズを考慮して、本発明者らが評価したところ、芯材の表面を外周部で覆う構造をした従来の２層ワイヤ（以下、従来２層ワイヤと記す）では、後述するような実用上の問題が多く残されていることが判明した。
【００１５】
従来２層ワイヤの先端にボールを形成した場合、真球からずれた扁平ボールが形成されたり、ボール内部に溶融されないワイヤが残ることが問題となる。こうした正常でないボール部を電極上に接合すると、接合位置のずれ、チップ損傷等の問題を起こす原因となる。
【００１６】
従来２層ワイヤで複雑なループ制御等を実施すると、外周部と芯材との界面での剥離や、ワイヤの配線方向によってはループ形状が不安定になる等の問題が生じる。特に、狭ピッチ接続では隣接ワイヤが電気的ショートを起こすことが懸念される。
【００１７】
多層構造をしたワイヤの実用化を推進するには、パワーＩＣ用途で金ワイヤではあまり用いられない５０μｍ径以上の太線、一方で、高密度接続のための２０μｍ径以下の細線等に十分適応し、特性では、太線の接合性向上、狭ピッチの小ボール接合、低温接合、積層チップ接続の逆ボンディング等より厳しい要求への適応が必要となる。
【００１８】
そこで、本発明では、上述するような従来技術の問題を解決して、ボール部の形成性、接合性を改善し、ループ制御性も良好であり、ウェッジ接続の接合強度を高め、工業生産性にも確保できる、多層構造を有する半導体装置用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】
【００１９】
（１）  銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
（２）  銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層は、添加元素の総計濃度を０．０００１〜０．０２ｍｏｌ％の範囲で含有し、厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
（３）  銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲で有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
ワイヤ全体に占める該導電性金属の総計濃度が０．００２〜１．０ｍｏｌ％の範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
（４）  前記外皮層は濃度勾配領域を有し、該濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲である（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（５）  銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）のいずれかであるか、あるいは外皮層の表面側が前記濃度一定領域で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記外皮層内において導電性金属濃度が４０ｍｏｌ％以上である領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍである半導体装置用ボンディングワイヤ。
（６）  銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属であるパラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上を含有する外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、
前記外皮層は、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域（以下「濃度勾配領域」という。）、あるいは外皮層の表面側がワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域（以下「濃度一定領域」という。）で芯材側が前記濃度勾配領域であり、前記濃度勾配領域においては導電性金属が表面から深さ方向に向けて濃度が低下し、
外皮層と芯材との境界は外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％となる位置であり、
前記濃度勾配領域は導電性金属の最高濃度が５０〜１００ｍｏｌ％の範囲であり、該濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍの範囲である半導体装置用ボンディングワイヤ。
（７）  前記外皮層は濃度一定領域を有し、該濃度一定領域の厚さが０．０７μｍ以下である（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（８）  前記外皮層の表面で導電性金属と主成分元素が濃度偏重を有する（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（９）  前記の芯材がＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ又は希土類元素から選ばれる１種以上の添加元素を含有し、ワイヤ全体に占める該添加元素濃度が総計で０．０００１〜０．０３質量％の範囲である（１）〜（７）のいずれかに記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体装置用ボンディングワイヤにより、ボール接合性、ワイヤ接合性等に優れ、ループ形成性も良好である、狭ピッチ用細線化、パワー系ＩＣ用途の太径化にも適応する多層構造の半導体装置用ボンディングワイヤを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層の厚さが薄いことを特徴とするボンディングワイヤである。さらなる改善では、外皮層内の添加元素の総計濃度を低く抑えること、ワイヤ全体に占める導電性金属の総計濃度を低く抑えること、外皮層と芯材との中間に濃度勾配領域を有すること、外皮層内の導電性金属の濃度分布を適正化することなども有効となる。これらのボンディングワイヤにより、ボール部の形成性、接合性を改善し、ループ制御性も良好であり、ウェッジ接続の接合強度を高め、工業生産性にも優れた、多層構造のボンディングワイヤとすることができる。
【００２２】
芯材の主成分元素と外皮層の導電性金属とが異なる元素を用いることで、単層ワイヤよりも強度増加、酸化防止等の付加価値を高められる反面、実際のボンディング工程では、ボールの不安定形成、ボール接合時のチップ損傷、ループ形状のばらつき等の不具合が発生する場合が多いことを確認した。従来の汎用的なニーズに加え、太線の接続、狭ピッチの小ボール接合、低温接合、積層チップ接続の逆ボンディング等の新たな実装ニーズ、製造マージン拡大等の量産適応性の更なる向上等に対応できるワイヤの開発に取り組むことで、外皮層の厚さの制御が有効であることを見出した。
【００２３】
即ち、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲であるボンディングワイヤである。外皮層の厚さが上記範囲であれば、ボール部の真球性、圧着ボール部の接合形状等を大幅に向上する効果が得られ、低ループ、長スパン等のループ制御性にも優れ、しかも複層構造に期待されていた、ワイヤのウェッジ接合性、ワイヤ強度等を高める効果も十分確保できる。また、メッキ厚が厚いときの生産性の問題等も解消することができる。ここで、外皮層の厚さが厚ければ表面保護、接合緩衝等の機能が期待されるものの、０．０９μｍを超えると、ボール形成性が急激に低下し、ワイヤ断面の同心円性を量産ベースで確保することが難しくなるためであり、また、０．００１μｍ未満では、ワイヤ強度、接合性等を単層ワイヤよりも改善する効果が得られず、また薄すぎて膜厚を正確にコントロールすることが困難となるためである。好ましくは、外皮層の厚さが０．００２〜０．０７μｍの範囲であれば、ボール径のばらつきを低減できるため小ボール形成に有利である。より好ましくは、０．００５〜０．０５μｍの範囲であれば、ワイヤ製造時の安定性も十分高めることが可能であり、線径５０〜１００μｍのパワーＩＣ用途の太径、線径１５〜２０μｍの狭ピッチ用細線等、実装ニーズを広くカバーすることができる。さらにより好ましくは、０．００８〜０．０３μｍの範囲であれば、ボールの溶解と凝固が安定化すことにより、表面凹凸の向上や偏芯ボールの低減等の効果が高められる。これらの外皮層の膜厚と使用特性との種々の関係は、後述する構成の外皮層と芯材を有するボンディングワイヤに同様に適用される。
【００２４】
ここで主成分とは、外皮層、芯材等の部材を構成する主要な元素のことで、目安として、その含有濃度は３０ｍｏｌ％以上とする。この濃度以上であれば、部材の殆どの特性を支配することになるため、添加元素とは区別される。
【００２５】
芯材の主成分元素が、銀、金、パラジウム、白金のうち１種であれば、大気中のアーク放電でもボールの形成が容易であり、アルミニウムであれば、基板上のアルミ電極との接合信頼性が確保でき、材料費も安価であること等の長所がある。また、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち２種以上を含有する合金であっても、引張り強度の上昇、材料費の低減等にも効果がある。
【００２６】
本発明に係わる外皮層と芯材の構造を有するワイヤの特性を有効に引き出すには、芯材が銀、金、パラジウム、白金の場合には、生産性、配線自由度等の点からボール／ウェッジ接合が有利であり、アルミニウムの場合は、大気中でのボール形成が困難であるためウェッジ／ウェッジ接合が有利である。
【００２７】
外皮層の導電性金属は、芯材の主成分元素と異なることが前提であるが、候補となる元素は、金、パラジウム、白金、銀又はアルミニウムから選ばれる１種以上であることが好ましい。中でも、金、パラジウム、白金、銀は、導電性も十分であり、高周波用半導体デバイスにも対応できる。また、金は、封止樹脂との密着性、電極への接合性等に実績が多く、品質管理も容易である等の利点がある。銀は、比較的安価であり、表面酸化は少なく、フレームの表面に多用される銀メッキとの良好な接合性も得られる等の利点がある。パラジウム、白金は、ボール形状を安定化させる効果がある。アルミニウムでは、アルミ電極との高い接合性が得られる。
【００２８】
外皮層／芯材の主な元素の組合せの具体例を紹介すると、それぞれが金／銀系であればアルミ電極との接合部の高温信頼性に優れており、金／アルミニウム系、白金／アルミニウム系であれば表面の酸化を抑制でき、パラジウム／銀系であればボール形状が安定して良好であり、銀／白金系であればリード上の銀メッキとの接合性が向上される等の特長を利用することができる。
【００２９】
外皮層と芯材との境界は、外皮層を構成する導電性金属を総計した検出濃度が１０ｍｏｌ％以上の領域とする。この根拠は、本発明の外皮層の構造から特性の改善効果が期待できる領域であること、導電性金属の濃度が連続的に変化する場合が多く、それを評価する分析精度等を、総合的に判断して、導電性金属の濃度が１０ｍｏｌ％以上の領域とした。好ましくは、１５ｍｏｌ％以上の領域であれば、測定精度の向上により定量分析が簡便なため、品質保証等も比較的容易であり、量産適応性も高い。
【００３０】
外皮層の組成も重要であり、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層は添加元素の総計濃度が０．０２ｍｏｌ％以下で、厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲であるボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合性をさらに向上し、キャピラリの交換寿命を高めることができる。これは、外皮層の添加元素の総計濃度が０．０００１ｍｏｌ％未満では、接合性やキャピラリ交換寿命を改善する効果が得られず、薄い外皮層に含有されている微量元素の分析下限以下となるためである。また、０．０２ｍｏｌ％を超えて高くなると、ウェッジ接合の界面において添加元素が拡散を遅らせることで、低温接合性が低下したり、外皮層の表面近傍が硬化、酸化などを起こすため、ボンディング操作中にキャピラリの内壁、先端部等が汚れたり、磨耗すること等が懸念されるためである。また、外皮層の添加元素の総計濃度が低いほど電気伝導性が高くなり、キガヘルツ等の高周波化されたＩＣにも適用できる。ここで、外皮層の添加元素は、導電性金属により効果が少し異なるが、比較的利用し易い元素では、希土類元素（Ｃｅ、Ｌａ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｎｄ）、Ｃｕ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ等を総計濃度が０．０２ｍｏｌ％以下の範囲で含有することで、ワイヤ強度を高めたり、ワイヤ変形を制御したりするのに有効である。
【００３１】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲で有するボンディングワイヤであって、ワイヤ全体に占める導電性金属の総計濃度が０．００２〜１．０ｍｏｌ％の範囲であるボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合性を高めつつ、ボール部の硬化を抑制したり、接合強度を高めたりすることができる。ワイヤが溶融して形成されるボール部の硬さ、接合性は、外皮層の導電性金属の濃度に主に影響されることを見出した。ワイヤ全体に占める導電性金属の総計濃度が上記範囲であれば、ボール接合時のアルミ電極膜の掃出を抑えて接合強度を高めたり、ボール直下のチップ損傷を低減する等の十分な効果が得られる。ワイヤ全体に占める導電性金属濃度を低く抑えることで、外皮層に含まれる導電性金属がボール中に固溶しても、硬化の度合いを抑制して、チップ損傷を低減させることが可能となる。ここで、濃度が０．００２ｍｏｌ％未満で上記厚さの外皮層を形成した場合、厳しいループ制御で外皮層が損傷を受けて芯材が露出することで保護機能が低下することが懸念される。一方、電極がＡｌ薄膜、ｌｏｗ−ｋ誘電膜／Ｃｕ配線等の場合に、１．０ｍｏｌ％を超えると、ボール直下のチップやｌｏｗ−ｋ膜への損傷、接合強度の低減等が問題となるためである。好ましくは、ワイヤ全体に占める導電性金属の総計濃度が０．００３〜０．６ｍｏｌ％の範囲であれば、ダメージを低減する効果がより向上する。
【００３２】
また、外皮層の厚さを０．００１μｍオーダで測定し、量産管理することは容易でないが、ワイヤ全体に占める導電性金属の総計濃度の測定は、ＩＣＰ分析等の既存の解析法を利用することで、比較的簡便かつ高精度に測定することができ、生産ばらつき等も管理することが可能である。また総計濃度の測定を、厚さ測定と併用することで、外皮層の厚さの測定誤差も低く抑えられるため、総計濃度は実用上非常に有効な指標である。
【００３３】
外皮層内に濃度勾配を有することも有効である。即ち、外皮層と芯材との中間に、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有することで、導電性金属の濃度分布が均一である場合より、芯材と外皮層の密着性の向上と、ワイヤのウェッジ接合性の改善を同時に向上できる。具体的な構成例では、銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、該主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、前記濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲であり、しかも外皮層と芯材との中間に、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配領域を有するボンディングワイヤが好ましい。密着性の効用について、ワイヤの曲折、湾曲、直線等を複雑に組み合わせるループ制御でも、安定したループ形状を得ることができる。濃度勾配領域の厚さが、０．００１μｍ未満では製造時の厚さバラつき管理が困難であり、０．０９μｍ超では高周波用途、細線化等での電気特性の低下が懸念されるためである。好ましくは、０．０５μｍ以下であれば、ウェッジ接合部の強度を高めつつ、１ｍｍ以下の短スパンでもループ形状を安定化できる。
【００３４】
外皮層内の濃度勾配は、深さ方向への濃度変化の程度が１μｍ当り１０ｍｏｌ％以上であることが望ましい。この変化を超えると、前述した改善効果が期待できること、定量分析の精度上も再現良い結果が得られる等の理由による。好ましくは、０．０１μｍ当り１０ｍｏｌ％以上であれば、外皮層の厚さが０．０１μｍ未満と薄い場合でも、ワイヤの強度上昇と接合強度の向上を同時に満足する高い効果が得られる。
【００３５】
導電性金属の濃度勾配の領域は、必ずしも均一でなく、部分的であっても構わない。また複数の導電性金属を有する場合には、少なくとも１種以上の導電性金属が濃度勾配を有すれば、接合性、ループ制御等の特性向上が得られる。例えば、１種の導電性金属は濃度勾配が顕著であり、別の導電性金属は主に最表面に存在し、濃度勾配が少ないことで、接合性と酸化防止等の相反する性能を高めることも可能となる。
【００３６】
濃度勾配は、表面から深さ方向に向けて濃度が低下する傾向であれば、外皮層と芯材との密着性の向上等に有利である。この濃度勾配の形成法について、拡散で形成された層であれば、局所的な剥離、クラック等の不良の可能性が低いこと、連続的な濃度変化の形成等が容易であること等の利点が多いためである。
【００３７】
生産性及び品質安定性等の面から、濃度勾配は連続的に変化していることが好適である。即ち、濃度勾配の傾きの程度は、外皮層内で必ずしも一定である必要はなく、連続的に変化していて構わない。
【００３８】
外皮層の中に濃度勾配に加えて、主成分元素と導電性金属を主体とする金属間化合物相が含まれることも有効である。即ち、外皮層と芯材との中間に、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配領域と、外皮層を構成する前記の導電性金属と芯材を構成する前記の主成分元素を各１種以上含有する金属間化合物層を少なくとも一層は有することで、ウェッジ接合性の向上に加えて、ワイヤの強度、弾性率等の機械的特性が増加し、ループの直線性の向上、封止時のワイヤ流れの抑制等に有効である。好ましくは、金属間化合物層の厚さは、０．００１〜０．０３μｍの範囲であることが望ましい。ここで、厚さが０．００１μｍ未満ではワイヤ強度を上昇させる効果が小さく、０．０３μｍを超えるとループ制御性が低下するためである。
【００３９】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層内において導電性金属濃度が４０ｍｏｌ％以上である領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍであるボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合性を高めつつ、プル試験でのネック破断強度の上昇に有効である。ボール形成時の熱影響によりネック部は通常強度が低下する。それに対し、４０ｍｏｌ％以上の比較的高濃度の導電性金属の層は、熱影響の過程で導電性金属をワイヤの内部に拡散させる供給源として作用することで、ネック部の強度を上昇させると考えられる。濃度、厚さの根拠として、濃度４０ｍｏｌ％以上の領域であれば、上述した拡散供給の作用が十分期待でき、また、その厚さが０．００１μｍ未満であればこれらの改善効果が小さく、０．０８μｍを超えるとチップ損傷、接合強度の低減等が問題となるためである。
【００４０】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を含有する外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層内では、導電性金属の最高濃度が５０〜１００ｍｏｌ％の範囲で、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有する領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍの範囲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に加えて、ボールを超音波圧着するときの異方変形を抑制してボール接合の真円性を向上させる等の高い効果が得られる。これは、外皮層中の導電性金属濃度を低く抑えることで、ワイヤ先端にアーク放電を集中させたり、外皮層と芯材で溶融をほぼ並行して進めることで未溶融部を抑えることができ、凝固組織も均一化させられているためと考えられる。濃度、厚さの根拠として、最表面の銅濃度が５０ｍｏｌ％以上であればアーク放電、溶融挙動が安定化するためである。また、導電性金属の濃度勾配を有する領域の厚さが０．００１μｍであれば、前述した作用効果が高められ、また０．０８μｍを超えると、２００℃未満の低温でのウェッジ接合性が低下するためである。さらに好ましくは、最表面に加えての濃度勾配領域でも常に導電性金属濃度を４０ｍｏｌ％以下とすることで、ボール形成、接合での効果をより高めることができる。
【００４１】
銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムのうち一種以上を主成分元素とする芯材と、主成分元素と異なる導電性金属を主成分とする外皮層を芯材の外側に有するボンディングワイヤであって、外皮層の表面近傍においてワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域の厚さが０．０７μｍ以下であるボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合の密着強度を増加させる高い効果が得られる。一定濃度の領域について、平均値が６０ｍｏｌ％以上で、０．００１μｍ以上の範囲で濃度差が５％以下に抑えられていることが望ましい。この厚さの根拠について、厚さが０．０７μｍを超えると、ボール形成時の異形が発生し易くなるためである。好ましくは厚さが０．０５μｍ以下であれば、ウェッジ接合部の捲れ不良が改善される。作用効果について、接合時の熱印加、超音波振動による局所加熱等において、導電性金属濃度が一定の領域が拡散を助長することで、接合相手である電極膜との密着性が増加していると考えられる。
【００４２】
芯材がＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ又は希土類元素から選ばれる１種以上の添加元素を含有し、ワイヤ全体に占める該添加元素濃度が総計で０．０００１〜０．０３質量％の範囲であることにより、ボール形成時に芯材中の該添加元素は導電性金属と相乗作用することで、ボール変形時の真円性をさらに向上させる効果がある。こうした添加効果について、外皮層が形成されていない従来の単層ワイヤに添加された場合と比較して、外皮層と該添加元素が併用された場合の方が、効果が促進されることが見出された。該添加元素の濃度が０．０００１質量％未満であれば上述の改善効果が小さく、０．０３質量％を超えると、ボールの先端に引け巣が発生したりしてボール形状が不安定になり、外皮層を薄くしてもボールの形状、接合強度等を改善することは困難であるためである。
【００４３】
これまで述べた外皮層の表面における元素分布について、導電性金属と主成分元素が濃度偏重を有するボンディングワイヤであれば、ウェッジ接合性の向上に加えて、小ボールの形成において真球性の良好なボールを形成することに有利となる。例えば、汎用金ワイヤでも量産では課題が多く、ましてや汎用の金ワイヤでは実現が困難とされる５０μｍ以下の狭ピッチ化、ワイヤ径の２．３倍以下の圧着ボール径での小ボール接合等にも対応可能となる。濃度偏重の構造は、微視的に導電性金属又は主成分元素の濃度が高い領域が島状に分布したり、不定形な高濃度領域が存在することでも構わない。濃度偏重の度合いは１０％以上の濃度差あることが望ましく、その大きさは０．００２〜１μｍ範囲での濃度分布であることが望ましい。こうした濃度偏重によるボールの安定化について、外皮層が厚い場合に効果が高いことから、先述した種々の本発明に係わる比較的外皮層の薄い構造を有する何れのボンディングワイヤであっても、十分な作用効果が得られることを確認した。ボール安定化の機構は明らかでないが、外皮層と芯材の複層ワイヤで起こることが懸念される、アーク放電の電子放出が外皮層の広範囲に広がってしまう現象に対し、導電性金属と主成分元素が濃度偏重していることでアーク放電がよりワイヤ先端の一定領域に集中するためと予想される。
【００４４】
ワイヤの濃度分析について、ワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げていきながら分析する手法、あるいはワイヤ断面でのライン分析又は点分析等が有効である。前者は、外皮層が薄い場合に有効であるが、厚くなると測定時間がかかり過ぎる。後者の断面での分析は、外皮層が厚い場合に有効であり、また、断面全体での濃度分布や、数ヶ所での再現性の確認等が比較的容易であることが利点であるが、外皮層が薄い場合には精度が低下する。ワイヤを斜め研磨して、拡散層の厚さを拡大させて測定することも可能である。断面では、ライン分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上したいときには、ライン分析の分析間隔を狭くするとか、界面近傍の観察したい領域に絞っての点分析を行うことも有効である。これらの濃度分析に用いる解析装置では、ＥＰＭＡ、ＥＤＸ、オージェ分光分析法、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等を利用することができる。また、平均的な組成の調査等には、表面部から段階的に酸等に溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解部位の組成を求めること等も可能である。
【００４５】
また、外皮層の厚さを間接的に把握するには、ワイヤ全体に占める導電性金属を総計した含有濃度をＩＣＰ分析法等により測定し、それを膜厚に換算することは、比較的簡便な手法である。ただ、外皮層の濃度分布等の情報は得られないため、例えば皮層の導電性金属濃度が一定であると仮定して換算した膜厚となる。含有濃度の測定結果は単独で用いるのでなく、厚さ測定と併用して利用することで、外皮層の厚さの測定誤差も低く抑えることができる。
【００４６】
本発明のワイヤを製造するに当り、芯材と外皮層の形成する工程と、主成分元素の外皮層内の濃度勾配及び最表面への露出する熱処理工程が必要となる。
【００４７】
外皮層を芯材の表面に形成する方法には、メッキ法、蒸着法、溶融法等がある。メッキ法では、電解メッキ、無電解メッキ法のどちらでも製造可能である。ストライクメッキ、フラッシュメッキと呼ばれる電解メッキでは、メッキ速度が速く、下地との密着性も良好である。無電解メッキに使用する溶液は、置換型と還元型に分類され、膜が薄い場合には置換型メッキのみでも十分であるが、厚い膜を形成する場合には置換型メッキの後に還元型メッキを段階的に施すことが有効である。無電解法は装置等が簡便であり、容易であるが、電解法よりも時間を要する。
【００４８】
蒸着法では、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着等の物理吸着と、プラズマＣＶＤ等の化学吸着を利用することができる。いずれも乾式であり、膜形成後の洗浄が不要であり、洗浄時の表面汚染等の心配がない。
【００４９】
メッキ又は蒸着を施す段階について、狙いの線径で導電性金属の膜を形成する手法と、太径の芯材に膜形成してから、狙いの線径まで複数回伸線する手法とのどちらも有効である。前者の最終径での膜形成では、製造、品質管理等が簡便であり、後者の膜形成と伸線の組合せでは、膜と芯材との密着性を向上するのに有利である。それぞれの形成法の具体例として、狙いの線径のワイヤに、電解メッキ溶液の中にワイヤを連続的に掃引しながら膜形成する手法、あるいは、電解又は無電解のメッキ浴中に太い線を浸漬して膜を形成した後に、ワイヤを伸線して最終径に到達する手法等が可能である。
【００５０】
上記手法により形成された外皮層と芯材を用い、外皮層中に主成分元素の濃度勾配及び最表面に主成分元素を露出させる工程として、加熱による拡散熱処理が有効である。これは、外皮層と芯材の界面で、主成分元素と導電性金属との相互拡散を助長するための熱処理である。ワイヤを連続的に掃引しながら熱処理を行う方法が、生産性、品質安定性に優れている。しかし、単純にワイヤを加熱しただけでは、外皮層の表面及び内部での主成分元素の分布を制御できる訳ではない。通常のワイヤ製造で用いられる加工歪取り焼鈍をそのまま適用しても、外皮層と芯材との密着性の低下によりループ制御が不安定になったり、キャピラリ内部にワイヤ削れ屑が堆積して詰まりが発生したり、また、表面に露出した主成分元素が酸化して接合強度が低下する等の問題を完全に解決することは困難である。そこで、熱処理の温度、速度、時間等の制御が重要である。
【００５１】
好ましい熱処理法として、ワイヤを連続的に掃引しながら熱処理を行い、しかも、一般的な熱処理である炉内温度を一定とするのでなく、炉内で温度傾斜をつけることで、本発明の特徴とする外皮層及び芯材を有するワイヤを量産することが容易となる。具体的な事例では、局所的に温度傾斜を導入する方法、温度を炉内で変化させる方法等がある。ワイヤの表面酸化を抑制する場合には、Ｎ2やＡｒ等の不活性ガスを炉内に流しながら加熱することも有効である。
【００５２】
温度傾斜の方式では、炉入口近傍での正の温度傾斜（ワイヤの掃引方向に対し温度が上昇）、安定温度領域、炉出口近傍での負の温度傾斜（ワイヤの掃引方向に対し温度が下降）等、複数の領域で温度に傾斜をつけることが効果的である。これにより、炉入口近傍で外皮層と芯材との剥離等を生じることなく密着性を向上させ、安定温度領域で主成分元素と導電性金属との拡散を促進して所望する濃度勾配を形成し、さらに炉出口近傍で表面での主成分元素の過剰な酸化を抑えることにより、得られたワイヤの接合性、ループ制御性等を改善することができる。こうした効果を得るには、出入口での温度勾配を１０℃／ｃｍ以上設けることが望ましい。
【００５３】
温度を変化させる方法では、炉内を複数の領域に分割して、各領域で異なる温度制御を行うことで温度の分布を作ることも有効である。例えば、３ヶ所以上に炉内を分割して、独立に温度制御を行い、炉の両端を中央部よりも低温とすることで、温度傾斜の場合と同様の改善効果が得られる。また、ワイヤの表面酸化を抑制するため、炉の両端又は出口側を主成分元素の酸化速度の遅い低温にすることで、ウェッジ接合部の接合強度の上昇が得られる。
【００５４】
こうした温度傾斜又は温度分布のある熱処理は、生産性の点では最終線径で施すことが望ましいが、一方で、熱処理の後に伸線を施すことで、表面の酸化膜を除去して低温での接合性を向上したり、さらに伸線と歪み取り焼鈍を併用することで、キャピラリ内部でのワイヤ削れを低減する効果等も得られる。
【００５５】
また、溶融法では、外皮層又は芯材のいずれかを溶融させて鋳込む手法であり、１〜５０ｍｍ程度の太径で外皮層と芯材を接続した後に伸線することで生産性に優れていること、メッキ、蒸着法に比べて外皮層の合金成分設計が容易であり、強度、接合性等の特性改善も容易である等の利点がある。具体的な工程では、予め作製した芯線の周囲に、溶融した導電性金属を鋳込んで外皮層を形成する方法と、予め作製した導電性金属の中空円柱を用い、その中央部に溶融した主成分元素又はその合金を鋳込むことで芯線を形成する方法に分けられる。好ましくは、後者の中空円柱の内部に芯材を鋳込む方が、外皮層中に主成分元素の濃度勾配等を安定形成することが容易である。ここで、予め作製した外皮層中に主成分元素を少量含有させておけば、外皮層の表面での濃度分布の制御が容易となる。また、溶融法では、熱処理作業を省略することも可能であるが、外皮層内の濃度分布を調整するために熱処理を施すことで更なる特性改善も見込める。
【００５６】
さらに、こうした溶融金属を利用する場合、芯線と外皮層の少なくとも一方を連続鋳造で製造することも可能である。この連続鋳造法により、上記の鋳込む方法と比して、工程が簡略化され、しかも線径を細くして生産性を向上させることも可能となる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例について説明する。
【００５８】
ボンディングワイヤの原材料として、芯材及び外皮層に用いる銀、金、パラジウム、白金、アルミニウムは、純度が約９９．９９質量％以上の高純度の素材を使用した。
【００５９】
ある線径まで細くしたワイヤを芯材とし、そのワイヤ表面に異なる導電性金属の層を形成するには、電解メッキ法、無電解メッキ法、蒸着法、溶融法等を行い、濃度勾配を形成するためにも、熱処理を施した。最終の線径で外皮層を形成する場合と、ある線径で外皮層を形成してからさらに伸線加工により最終線径まで細くする方法を利用した。電解メッキ液、無電解メッキ液は、半導体用途で市販されているメッキ液を使用し、蒸着はスパッタ法を用いた。膜質、膜厚等を制御するための成膜条件について、電解メッキではメッキ液濃度、電流値、時間、温度等、無電解メッキではメッキ液濃度、時間、温度等を管理することで実施した。直径が１ｍｍ以上の太い棒状の芯線にメッキする場合は、メッキ液に浸漬させて外皮層を形成した。また、直径が約５０〜２００μｍのワイヤを準備し、そのワイヤを連続的にメッキ液中又は蒸着装置内で移動させなながら成膜し、最終径の１５〜７５μｍまで伸線した。拡散熱処理工程は、外皮層形成の直後の熱処理と、最終径での熱処理の２工程を利用し、拡散層の形成、外皮層の濃度制御等により、温度、移動速度等の熱処理条件を適正化して実行した。必要に応じて、線径３０〜１００μｍまでダイス伸線した後に、拡散熱処理を施してから、さらに伸線加工を施した。
【００６０】
溶融法を利用する場合には、予め作製した芯線の周囲に、外皮層の導電性金属を溶融して鋳込む方法と、予め作製した中空円柱の中央部に、芯材の材料である金属又は合金を溶融して鋳込む方法を採用した。鋳型の径は、外皮層部を含めた全体の外径は１０〜２０ｍｍ、芯線部の径は５〜１０ｍｍの範囲で行った。溶融液の流し込みでの界面の密着性を改善することが必要であり、一部の鋳型にはテーパを設ける等、装置、溶融条件の適正化も行った。
【００６１】
本発明例のワイヤの熱処理について、ワイヤを連続的に掃引しながら加熱した。局所的に温度傾斜を導入する方式、温度を炉内で変化させる方式等を利用した。この温度差は３０〜２００℃の範囲とし、温度分布、ワイヤ掃引速度等を適正化して、引張伸びが４％前後になるように調整した。熱処理の雰囲気では、大気の他に、酸化を抑制する目的でＮ2、Ａｒ等の不活性ガスも利用した。比較例の熱処理工程について、伸線後のＣｕワイヤに熱処理を施してからメッキ層を形成した場合と、熱処理を伸線後と、メッキ層の形成後で２回施した場合で、試料を準備した。
【００６２】
ボンディングワイヤの接続には、市販の自動ワイヤボンダーを使用して、ボール／ウェッジ接合を行った。アーク放電によりワイヤ先端にボールを作製し、それをシリコン基板上の電極膜に接合し、ワイヤ他端をリード端子上にウェッジ接合した。ボール溶融時の酸化を抑制するために、ワイヤ先端にＮ2ガスを吹き付けながら、放電させた。
【００６３】
接合相手としては、シリコン基板上の電極膜の材料である、厚さ１μｍのＡｌ合金膜（Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ膜、Ａｌ−０．５％Ｃｕ膜）を使用した。一方、ウェッジ接合の相手には、表面にＡｇメッキ（厚さ：１〜４μｍ）したリードフレーム、又はＡｕメッキ／Ｎｉメッキ／Ｃｕの電極構造の樹脂基板を使用した。
【００６４】
ボンディング工程でのループ形状安定性について、ワイヤ長が２ｍｍの汎用スパンと０．５ｍｍの短スパンの２種類で、台形ループを作製し、それぞれ５００本のワイヤを投影機により観察し、ワイヤの直線性、ループ高さのばらつき等を判定した。ワイヤ長が短い０．５ｍｍで台形ループの形成は、チップ端への接触を回避するため、より厳しいループ制御が必要となる。ワイヤ長２ｍｍで、直線性、ループ高さ等の不良が５本以上ある場合は、問題有りと判断して×印で表し、ワイヤ長０．５ｍｍで不良が２〜４本で、且つ、ワイヤ長０．５ｍｍで不良が５本以上の場合には、改善が必要と判断して△印で表し、ワイヤ長２ｍｍで不良が１本以下、且つ、ワイヤ長０．５ｍｍで不良が２〜４本の場合には、ループ形状は比較的良好であるため○印で示し、ワイヤ長０．５ｍｍで不良が１本以下の場合にはループ形状は安定であると判断し◎印で表した。不良原因の一つに、芯線と外周部の界面の密着性が十分でないこと、断面での特性ばらつき等が想定される。
【００６５】
キャピラリ寿命の評価では、ワイヤを５万本接続した後、キャピラリ先端の汚れ、磨耗等の変化で判定した。表面が清浄であれば○印、付着物等が少しある場合には通常の操業には問題ないため△印、付着物の量や大きさが顕著である場合には×印で表記した。
【００６６】
樹脂封止時のワイヤ流れ（樹脂流れ）の測定は、ワイヤ長４ｍｍのボンディング試料を作製し、市販の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、ワイヤ流れが最大の部分の流れ量を２０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）を封止時のワイヤ変形率とした。このワイヤ変形率が５％以上であれば不良と判断して×印、３％以上５％未満であれば改善が必要であるため△印、２％以上３％未満であれば実用上は問題ないと判断して○印、２％未満であればワイヤ変形の低減が良好であるため◎印で表した。
【００６７】
ワイヤ径に対するボール径の比率が小さくなると安定形成が難しいことから、初期ボール形状の評価では、ボール径／ワイヤ径の比率が、１．９〜２．２の範囲の通常サイズと、１．６〜１．７の範囲である小径ボールの２種類で評価した。接合前のボールを２０本観察して、形状が真球であるか、寸法精度が良好であるか等を判定した。異常形状のボール発生が２本以上であれば不良であるため×印、異形が２本以下だが、ワイヤに対するボール位置の芯ずれが顕著である個数が５個以上である場合には△印、芯ずれが２〜４個であれば実用上の大きな問題はないと判断して○印、芯ずれが１個未満で寸法精度も良好である場合は、ボール形成は良好であるため◎印で表記した。
【００６８】
圧着ボール部の接合形状の判定では、接合されたボールを５００本観察して、形状の真円性、寸法精度等を評価した。初期ボール径／ワイヤ径の比率が１．６〜１．７の範囲である小径ボールを用い、ボール圧着径はワイヤ径の２〜３倍の範囲になる条件を選定した。真円からずれた異方性や花弁状等の不良ボール形状が５本以上であれば不良と判定し×印、不良ボール形状が２〜４本であれば、必要に応じて改善が望ましいから△印、不良ボール形状が１本以下であれば良好であるため○印で表記した。
【００６９】
リード側にワイヤを接合するウェッジ接合性の判定では、低温になるほど接合が困難になることから、ステージ温度を２２０℃、１８０℃の低温で、それぞれ１０００本のボンディングを行い、連続作業性、ワイヤの変形形状等を調査した。２２０℃で、接合部での完全剥離が２本以上生じた場合は×印、２２０℃での完全剥離が２本未満、且つ、ワイヤ破断近くの部分的な剥離が生じている場合には改善が必要であるため△印、２２０℃では不良はなく、しかも１８０℃での完全剥離が１本以下である場合には○印、１８０℃での完全剥離がなく、部分剥離も３本未満である場合には◎印で表示した。
【００７０】
ボール接合部直下のシリコン基板への損傷を評価するために、ボール接合部及び電極膜は王水により除去した後、シリコン基板上のクラック、微小ピット穴等を光顕やＳＥＭ等により観察した。５００個の接合部を観察し、５μｍ以上のクラックが３個以上認められる場合はチップ損傷が問題となると判断して△印で表し、クラックが１〜３個発生しているか、又は１μｍ程度のピット穴が２個以上認められる場合は、チップ損傷が懸念されるものの実用上は問題はないことから○印で表し、クラックは発生しておらずピット穴も１個以下の場合は、非常に良好であることから◎印で表示した。
【００７１】
ボール接合直上のネック部のプル強度評価では、ワイヤ長が３ｍｍの試料２０本で、ボール接合部の近傍にフックを掛けてプル試験を行った。その平均値が、ワイヤの破断強度に対して、７割以上であればプル強度が高いと判断して◎印、５〜７割の範囲であれば通常問題ないと判断して○印、５割未満であればダメージが懸念されるため△印で表記した。
【００７２】
ウェッジ接合の形状評価では、フレームのインナーリード上のＡｇメッキ層にウェッジ接合を行い、破断めくれや、接合形状がばらつく等の異形で判定した。１０００本のボンディング部を観察して、異形が５本以上であれば×印、３〜５本であれば△印、１〜２本であれば○印、１本未満であれば良好と判断して◎印で示した。
【００７３】
表１−１〜表１−４には、本発明に係わるボンディングワイヤの評価結果と比較例を示す。
【００７４】
【表１】
0004722671.tif 000002
【００７５】
【表２】
0004722671.tif 000003
【００７６】
【表３】
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【００７７】
【表４】
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【００７８】
第１請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜３０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５、１３、２４、第３請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜３０、第４請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜６、９〜２４、３０、第５請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２〜４、６〜７、１２〜１４、１６、１９〜２１、２３〜２５、２９〜３０、第６請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２〜４、６〜７、１２〜１４、１６〜２１、２３〜３０、第７請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２、４， ７、１４、２０、２４〜３０、第８請求項に係わるボンディングワイヤは実施例１〜６、１３、１５、２０、２１、２３、２４、３０、第９請求項に係わるボンディングワイヤは実施例２、５、１６、２０に相当する。
【００７９】
それぞれの請求項の代表例について、評価結果の一部を説明する。
【００８０】
実施例１〜３０のボンディングワイヤは、本発明に係わる、外皮層の厚さが０．００１〜０．０９μｍであることにより、ボール部の形成性、ウェッジ接合性の両方を同時に満足することが確認された。一方、比較例３、５、７、９の外皮層が０．００１μｍ未満の場合、ウェッジ接合性が悪いことが問題であり、比較例１、２、４、６、８、１０では外皮層の厚さが０．０９μｍ超であり、ウェッジ接合性は改善され、通常径のボールでも形状はほぼ良好であるが、小径ボールでは形状不良が発生することが問題である。
【００８１】
実施例５、１３、２４、２８のボンディングワイヤは、外皮層の含有元素の総計濃度が０．０００１〜０．０２ｍｏｌ％で、厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲であることにより、キャピラリ寿命が向上していることが確認された。
【００８２】
実施例１〜３０のボンディングワイヤは、前記外皮層の厚さが０．００１〜０．０９μｍの範囲で、ワイヤ全体に占める該導電性金属の総計濃度が０．００２〜０．８ｍｏｌ％の範囲であることにより、ウェッジ接合性に加え、キャピラリ寿命が良好であるという満足する結果が確認された。
【００８３】
実施例１〜６、９〜２４、３０のボンディングワイヤは、外皮層と芯材との境界近傍に、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配領域を有することにより、短スパン等のループ制御性が向上していることが確認された。
【００８５】
実施例２〜４、６〜７、１２〜１４、１６、１９〜２１、２３〜２５、２９〜３０のボンディングワイヤは、外皮層内において導電性金属濃度が４０ｍｏｌ％以上である領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍであることにより、ボール接合部の近傍でのプル強度が向上していることが確認された。
【００８６】
実施例２〜４、６〜７、１２〜１４、１６〜２１、２３〜３０のボンディングワイヤは、外皮層内において導電性金属の最高濃度が５０〜１００ｍｏｌ％で、ワイヤ径方向に導電性金属の濃度勾配を有し、濃度勾配領域の厚さが０．００１〜０．０８μｍの範囲であることにより、ボール接合部の近傍でのプル強度が向上していることが確認された。
【００８７】
実施例２、４，７、１４、２０、２４〜３０のボンディングワイヤは、表面近傍においてワイヤ径方向の導電性金属濃度が一定の領域の厚さが０．０７μｍ以下であることにより、低温ウェッジ接合性が一層改善されていることが確認された。
【００８８】
実施例２、５、１６、２０のボンディングワイヤは、芯材がＢａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｎ又は希土類元素から選ばれる１種以上の添加元素を含有し、ワイヤ全体に占める添加元素濃度が０．０００１〜０．０３質量％であることにより、小ボールの圧着形状が改善されていることが確認された。