(57)【要約】【課題】  直進性に優れていてリーニング不良を抑制することができ、伸び率と引張強度とに優れた半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法を提供する。【解決手段】  ボンディングワイヤの縮径伸線加工における各々のダイスでの減面率を５〜２５％とし、減面率の最大値と最小値の差が１２％以下の条件で縮径伸線加工が施され、かつ、前記縮径伸線加工における平均減面率と最終連続焼鈍における焼鈍速度および炉長の関係が、焼鈍速度（ｍ／ｍｉｎ）≦ 炉長（ｃｍ）／（ 平均減面率（％）／５）2 を満たす。当該ボンディングワイヤに、Ｂｅが２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍ、希土類元素が総計で１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ、添加されていることが望ましい。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
縮径伸線加工における各々のダイスでの減面率を５〜２５％とし、減面率の最大値と最小値の差が１２％以下の条件で縮径伸線加工が施され、かつ、前記縮径伸線加工における平均減面率と最終連続焼鈍における焼鈍速度および炉長の関係が次式（数１）を満たす条件で最終連続焼鈍が施され、かつ、伸び率が４〜６％であることを特徴とするＡｕを主成分とする半導体素子用ボンディングワイヤ。
【数１】
2005294681.tif 000007
【請求項２】
Ｂｅ：２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍが添加されてい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。
【請求項３】
希土類元素：１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍが添加されてい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。
【請求項４】
縮径伸線加工における各々のダイスでの減面率が５〜２５％の範囲で、減面率の最大値と最小値の差が１２％以下の条件でＡｕを主成分とするワイヤ鋳造材に縮径伸線加工を施し、かつ、前記縮径伸線加工における平均減面率と最終連続焼鈍における焼鈍速度および炉長の関係が次式（数２）を満たす条件で最終連続焼鈍を施すことを特徴とする半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法。
【数２】
2005294681.tif 000008
【請求項５】
ワイヤ鋳造材にＢｅを２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍ添加することを特徴とする請求項４に記載のボンディングワイヤの製造方法。
【請求項６】
ワイヤ鋳造材に希土類元素を１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ添加することを特徴とする請求項４または５に記載の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、半導体素子上の電極と、パッケージ等の外部電極とを、電気的に接続するために用いる半導体素子用ボンディングワイヤおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子上の電極と、外部リードとを電気的に接続するために用いられるボンディングワイヤは、溶解および鋳造した後に、ロール加工を施して、所定組成のワイヤ鋳造材を作製し、ダイヤモンドダイス等によって、例えば１５μｍφや３０μｍφなどの所定線径まで縮径伸線加工を施し、さらに、最終連続焼鈍により加工歪みを除去して製造されている。
【０００３】
このようにして製造されるボンディングワイヤは、半導体素子並びにパッケージのサイズの小型縮小化に対応させるため、細線化と共に、より高い引張強度の実現が図られてきた。すなわち、半導体素子が小さくなると、素子上の電極も小さくなるため、小さくなった電極に合わせて、ワイヤボンディングの際にボンディングワイヤの先端に溶融形成されるボールのサイズも小さくしなければならない。そのため、ボンディングワイヤの線径も細線化しなければならず、細くなったボンディングワイヤの断線を防止するために、単位面積当たりの引張強度を２０ｋｇ／ｍｍ2に高めることが必要である。
【０００４】
近年、半導体素子の高集積化並びにパッケージの小型縮小化の進行に伴って、ワイヤ間隔（ボンディングピッチ）が狭まり、また、ボンディングワイヤのループ長も４ｍｍや５ｍｍのように長くなってきた。このため、角度にして極めて小さな曲がりやリーニングであっても、隣り合うボンディングワイヤ同士が接触し易くなり、ショート不良が多発するという問題が発生している。
【０００５】
リーニング不良とは、図１に示すように、ワイヤボンディング後のボンディングワイヤ（１）をループの伸長方向から観察したときに、半導体素子（４）のパッドに接着したボール（２）の直上の部分であるボール直上部（３）から上方が横方向に傾斜し、傾斜したループ上部（１ａ）が、隣接するループ上部（１ｂ）に近接している状態をいう。リーニング不良は、電気的ショートの原因となるため、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、製品歩留りを大きく低下させる要因となっている。
【０００６】
なお、最終連続焼鈍により、伸び率を７〜１０％に高めて柔らかくしたボンディングワイヤでは、リーニング不良が低下する傾向が認められる。しかしながら、その最終連続焼鈍によって、同時にボンディングワイヤの引張強度が例えば２５μｍφで１０ｇ以下まで低下してしまうため、後の樹脂モールド工程において、ワイヤ流れが発生しやすくなり、ネック倒れ不良を引き起こすという問題があった。
【０００７】
ネック倒れ不良とは、図２に示すように、ワイヤボンディング後のボンディングワイヤ（１）をループの面方向から観察したときに、半導体素子（４）のパッドに接着したボール（２）のボール直上部（３）から上方がループの伸長方向に傾斜し、傾斜した外側ワイヤ（１ｃ）が、隣接する内側ワイヤ（１ｄ）に近接している状態をいう。
【０００８】
ここでいうルーピング特性は、リーニングであり＝ネック倒れである。
【０００９】
これに対して、特開２００２−３１９５９７号公報には、ワイヤ鋳造材を縮径伸線して最終焼鈍する際に、縮径伸線の途中に少なくとも１回の途中焼鈍を行うと共に、途中焼鈍を経て最終焼鈍に至る各焼鈍時までのワイヤの面積加工率（｛１−（伸線縮径後の線径／伸線縮径前の線径）2 ｝×１００）を７５〜９９．９９７％とするボンディングワイヤの製造方法が開示されている。しかし、工程の数が増えるという問題がある。
【００１０】
また、特開２００４−３１４６９号公報には、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、その外側を外周部としたとき、中心部におけるワイヤ長手方向の結晶方向の内、［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、外周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Ｒｓについて、両者の差分比率の絶対値｜１−Ｒｃ／Ｒｓ｜×１００（％）が３０％以上であるとするボンディングワイヤの製造方法が開示されている。しかし、同様に工程数が増えるという問題がある。
【００１１】
本発明では途中焼鈍を行う制約を設けなくても効果が期待できる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−３１９５９７号公報
【００１３】
【特許文献２】特開２００４−３１４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、直進性に優れていて、リーニング不良を抑制することができ、伸び率が４〜６％であるとともに、引張強度が例えば２５μｍφで１５ｇ以上である優れた半導体素子用ボンディングワイヤおよび製造方法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】
【００１５】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤは、Ａｕを主成分とし、各々のダイスでの減面率を５〜２５％とし、減面率の最大値と最小値の差が１２％以下の条件で縮径伸線加工が施され、かつ、前記縮径伸線加工における平均減面率と最終連続焼鈍における焼鈍速度および炉長の関係が次式（数３）を満たす条件で最終連続焼鈍が施されて、かつ、伸び率が４〜６％であることを特徴とする。
【００１６】
【数３】
2005294681.tif 000002
【００１７】
なお、上記式（数３）における右辺を計算速度と称する。
【００１８】
上記条件で縮径伸線加工および最終連続焼鈍を施されたボンディングワイヤはその強度（２５μｍφで１５ｇ以上）および伸び率（４〜６％）を維持しつつ、リーニング不良の発生をきわめて低く抑えることが可能となる。
【００１９】
なお、本発明の半導体素子用ボンディングワイヤは、Ａｕを主原料とするが、Ｂｅ：２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍが添加されていることが望ましい。さらに、希土類元素：１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ（総計）が添加されていることが望ましい。Ｂｅと希土類元素は、同時に添加されてもよく、その他、所定量のＣａやＰｄが添加されていてもよい。
【００２０】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法は、縮径伸線加工における各々のダイスでの減面率が５〜２５％の範囲で、減面率の最大値と最小値の差が１２％以下の条件で、Ａｕを主成分とするワイヤ鋳造材に縮径伸線加工を施し、かつ、前記縮径伸線加工における平均減面率と最終連続焼鈍における焼鈍速度および炉長の関係が上記式（数３）を満たす。
【００２１】
ワイヤ鋳造材に、Ｂｅ：２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍを添加することが望ましい。さらに、希土類元素：１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ（総計）を添加することが望ましい。Ｂｅと希土類元素を、同時に添加してもよく、その他、所定量のＣａやＰｄを添加してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、直進性に優れていてリーニング不良を抑制でき、伸び率とともに、引張強度に優れた半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法を提供することができる。
【００２３】
従って、半導体素子の高集積化並びにパッケージの小型縮小化に対応し、１００μｍ以下の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工程および樹脂モールド工程における不良を低減させ、半導体素子の組立工程における製品の歩留および信頼性の向上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】
【００２４】
本発明の半導体素子用ボンディングワイヤの製造方法は、縮径伸線工程における各々のダイスでの減面率が５〜２５％の範囲にあり、減面率のばらつき（減面率の最大値と最小値の差）が１２％以下である縮径伸線加工を施し、その後、最終連続焼鈍を行う際に、前記縮径伸線加工における平均減面率（％）により、最終連続焼鈍における焼鈍速度（ｍ／ｍｉｎ）および炉長（ｃｍ）とを調節する。
【００２５】
本明細書において、ワイヤの減面率（％）とは、次式（数４）で定義される。
【００２６】
【数４】
2005294681.tif 000003
【００２７】
また、ボンディングワイヤの減面率のばらつきとは、縮径伸線加工に使用するすべてのダイスにおける減面率について、最大値（％）および最小値（％）を求めて、最大値（％）−最小値（％）であらわす。また、平均減面率（％）とは、加工中の減面率各々の平均値である。
【００２８】
ダイス当たりの減面率は、最小値を５％以上とし、最大値を２５％以下とするのは、減面率がこの範囲から外れると、いずれもボンディングワイヤに強度が出ないためである。
【００２９】
ワイヤボンディング時には、キャピラリー動作によってボール直上部に塑性変形が加えられ、ボンディングワイヤのループが形成されるため、リーニング不良は、ボール直上部に残存する加工歪が関係する。すなわち、最終連続焼鈍によって加工歪が十分に除去されないと、ループに予期しない癖がつき、リーニング不良を代表とするルーピング不良を引き起こすものと考えられる。
【００３０】
熱処理による加工歪の除去は、高温であるほど、もしくは熱の印加時間（炉長／速度）が長いほど、効果が高いが、高温にすると、ボンディングワイヤの強度は失われる。しかし、強度の低下を避けるために、熱の印加時間を短くすれば、ボンディングワイヤの外周部の焼鈍効果のみが大きく、中心部の残留歪の除去は不十分となる。反対に、熱の印加時間を長くすることにより、ボンディングワイヤ中心部の歪除去を行うこととすれば、焼鈍温度を上昇させずに、ボンディングワイヤの強度は維持される。
【００３１】
以上のように、熱の印加時間を調節することによって、ボンディングワイヤの強度を維持しつつ、ルーピング不良を低減することが可能な製造条件を調査した。現状、使用されているボンディングワイヤは、１０μｍφ〜４０μｍφであり、この範囲では、考慮すべき製造条件の因子としては、線径の効果は小さい。考慮すべき主な因子は、最終連続線径までに施される縮径伸線加工において、引き抜き加工時のダイスでの減面率と、最終連続焼鈍における焼鈍時間、または炉長と焼鈍速度の比の２つである。
【００３２】
理想的には、最終連続焼鈍における焼鈍時間が、十分に長いことが好ましいが、製造されるボンディングワイヤは、１スプール当たり数ｋｍであり、歪の除去される再結晶温度近傍では、焼鈍時間を長くすると、ボンディングワイヤの接触部がくっつきを起こす。このため、必要以上に焼鈍時間が長くすることは、現実的ではない。
【００３３】
そこで、試験的に、３時間の焼鈍を施して理想ワイヤとして少量作成したものを基準として、この理想ワイヤと同等の効果を得られる条件を調べたところ、前述の２つの因子の間に、次式（数５）のような関係が成り立つことが、必要条件であることがわかった。
【００３４】
【数５】
2005294681.tif 000004
【００３５】
本発明のボンディングワイヤは、上記式（数５）を満たす範囲で、最終連続焼鈍されることにより、理想的に歪が除去されたボンディングワイヤと同等のルーピング特性を持つこととなり、また、異常な高温を印加しないため、優れた引張強度も維持することとなる。すなわち、本発明では伸び率を７〜１０％に高めて強度を犠牲にすること無しにルーピング特性と強度を併せ持つボンディングワイヤを得ることができる。
【００３６】
ボンディングワイヤの組成に関しては、Ａｕを主成分とする。Ａｕを主成分とするボンディングワイヤは、ボンディングワイヤ内に良好な繊維組織を有するため、直進性が高く、リーニング不良の少ないループを、安定して得ることができる。
【００３７】
添加するＢｅ、Ｃａ、Ｃｅ、ＬａおよびＰｄなどの微量成分は、添加量の増大と共に、ボンディングワイヤの強度を向上させるが、多く添加し過ぎると、ワイヤボンディング中に接合不良を起こす等の不具合が生じるので、添加量を適宜、調整することが好ましい。具体的には、Ｂｅは２質量ｐｐｍ〜１５質量ｐｐｍ、希土類元素は総計で１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍの範囲に調整することが好ましい。なお、本明細書では、希土類元素とはＹとランタノイドを意味するが、主として上記したＣｅ、Ｌａが挙げられる。また、Ｃａは１質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ、Ｐｄは１質量ｐｐｍ〜１００００質量ｐｐｍの範囲に調整することが好ましい。
【００３８】
本発明のボンディングワイヤに添加するＢｅは、ボンディングワイヤの強度を上昇させる添加物として既知のものであるが、最終連続焼鈍を高温にすることによって、その効果が失われやすい。従って、最終連続焼鈍の一般的な５００℃以上から４５０℃程度まで温度を下げ、Ｂｅの添加の効果を十分に発揮させる。ただし、Ｂｅの有効添加量は２質量ｐｐｍ以上であり、１５質量ｐｐｍを超えると、断線しやすくなって、製造時の作業性が著しく落ちるため、好ましくない。
【００３９】
さらに、ルーピング特性を向上するには、希土類元素が総計で１０質量ｐｐｍ〜５０質量ｐｐｍ、添加されていることが好ましい。希土類元素添加の効果として、ボンディングワイヤ組織の均一化があるため、本発明により歪除去を行い、組織が均一であることの効果が、ルーピング特性の良好さに現れる。
【００４０】
Ｃａは５０質量ｐｐｍを超えるとボールが酸化し易くなり接合性が劣化する。一方、Ｐｄは１００００重量ｐｐｍを超えると電気抵抗が上昇し実用的でない。
【実施例】
【００４１】
（実施例１〜４、比較例１〜６）
純度９９．９９９質量％以上の高純度Ａｕに、Ｃｅを２０質量ｐｐｍと、Ｂｅを１０質量ｐｐｍ、添加した組成「４Ｎ組成」の金合金と、同じ高純度Ａｕに、Ｃｅを３０質量ｐｐｍと、Ｂｅを５質量ｐｐｍと、Ｐｄを５００質量ｐｐｍ、添加した組成「３Ｎ組成」の金合金について、それぞれ溶解鋳造後にて直径２５ｍｍφの鋳造材を製造した。
【００４２】
得られた各々の鋳造材について溝ロール加工後、ダイヤモンドダイスを使用して、縮径伸線加工し２５μｍφのワイヤを得た。その後、常温での伸び率が４〜６％となるように、最終連続焼鈍を約４５０℃にて行った。この際、表１に示す減面率、炉長、焼鈍速度の条件を採用し試料を作成した。実施例１〜４および比較例１〜６について、前記縮径伸線加工における減面率の範囲および平均、最終連続焼鈍における炉長、焼鈍速度を、それぞれ表１に示した。なお、実施例１については、焼鈍の時間を示した。
【００４３】
さらに、次式（数６）により計算速度を求め、これを表１に示した。
【００４４】
【数６】
2005294681.tif 000005
【００４５】
最後に、表面に、単分子膜厚相当のポリオキシレンアルキルエーテルを塗布し、ボンディングワイヤとした。
【００４６】
【表１】
2005294681.tif 000006
【００４７】
得られたボンディングワイヤについて、内径３０μｍのキャピラリーを用いて、ワイヤ間隔６０μｍ、ループ長５ｍｍにて、３８２０本のワイヤボンディングを行った後、隣接するボンディングワイヤ同士のループ上部の間隔を、測定顕微鏡で測定し、測定された間隔が４０μｍ以下をリーニング不良と判定して、リーニング不良と判定された本数から、リーニング率を算出し、表１に示した。なお、ワイヤボンダーには、新川社製、ＵＴＣ４００を用い、ループモードを「ＳＱＲ」、ループ高さは２８０μｍに設定した。また、伸び率及び引張強度についてはサンプルをそれぞれ１０ｃｍ採取しテンシロンで測定した。
【００４８】
以上の結果から分るように、本発明の実施例１〜４のボンディングワイヤでは、引張強度を維持しつつ、リーニング率が３０００ｐｐｍ以下と少なかった。
【００４９】
一方、前記式（数５）を満足しなかった比較例１、４、５、および前記式（数５）を満足するが、減面率のばらつきが大きい比較例２は、リーニング率が１００００ｐｐｍを超えていた。
【００５０】
前記式（数５）を満足するが、減面率の最小が５％未満の比較例３、および、減面率の最大が２５％を超えた比較例４は、強度が実施例と比較して１ｇ以上低下し、前記式（数５）を満足するが、減面率の最大が２５％を超えた比較例６も、強度が実施例と比較して低かった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ボンディングワイヤのリーニング不良の状態を模式的に示す側面図である。
【図２】ボンディングワイヤのネック倒れ不良の状態を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  ボンディングワイヤ
１ａ、１ｂ  ループ上部
１ｃ  外側ワイヤ
１ｄ  内側ワイヤ
２  ボール
３  ボール直上部
４  半導体素子
５  リードフレーム
【図１】
2005294681.tif 000009
【図２】
2005294681.tif 000010