(57)【要約】【課題】半導体素子の電極との間の接合信頼性に優れた銅ボンディングワイヤの接合方法を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる芯材１０をパラジウム１１で被覆した銅ボンディングワイヤ１２の先端部を被接合部１４に押圧して接合する方法において、シールドガス雰囲気１６中で、銅ボンディングワイヤ１２の先端部で発生させるアーク放電１８の放電電流値と放電時間を調節して、銅ボンディングワイヤ１２の先端部の芯材１０が溶融した芯材溶融物２２を球状に変形させながら、芯材溶融物２２から分離して銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動したパラジウム分離物２３を溶融させることにより、先端側に芯材溶融物２２の固化相が露出した球状のボール部１３を形成し、ボール部１３の先端を被接合部１４に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層２５を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる芯材をパラジウムで被覆した銅ボンディングワイヤの先端部を、加熱した被接合部に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて該被接合部と接合する銅ボンディングワイヤの接合方法において、
シールドガス雰囲気中で、前記銅ボンディングワイヤの先端部で発生させるアーク放電の放電電流値と放電時間をそれぞれ調節することにより前記銅ボンディングワイヤの先端部を加熱し、前記芯材を溶融させて芯材溶融物を形成させながら、該芯材から分離したパラジウム分離物を前記銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動させた後、前記芯材溶融物を前記銅ボンディングワイヤの先端側で球状に変形させると共に前記パラジウム分離物を溶融させることにより、先端側に前記芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を前記銅ボンディングワイヤの先側に形成し、
前記ボール部の先端を前記被接合部に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層を形成することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しないことを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記銅ボンディングワイヤの線径を２０〜３０μｍとし、前記放電電流値が３０ミリアンペアを超え５０ミリアンペア未満では、前記放電時間を４５０マイクロ秒以下３００マイクロ秒以上に設定することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
【請求項４】
請求項３記載の銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記ボール部の直径を３０〜３５μｍの範囲に設定することを特徴とする銅ボンディングワイヤの接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の電極に接合する銅ボンディングワイヤの接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体素子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、線径が５０μｍ以下の細線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や、ボンディングワイヤをその内部に通して接続に用いるキャピラリ治具等が用いられる。ボンディング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部を形成させた後、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、その後に、直接ボンディングワイヤを外部リード側に超音波熱圧着により接合させる。
【０００３】
ボンディングワイヤの素材は、これまで高純度の金が主として用いられているが、金は高価であるという問題がある。このため、金ボンディングワイヤから、材料費が安価で、電気伝導性、ボール接合性に優れたボンディングワイヤとして、例えば、高純度銅を使用したボンディングワイヤが検討されている。しかし、高純度銅は酸化し易いため、管理や使用において細心の注意を払う必要があること、ボンディング後においても表面酸化が避けられず信頼性に劣る等の問題が顕在化している。そこで、表面酸化を防止するため、高純度銅線を貴金属あるいは耐食性金属で被覆した銅ボンディングワイヤが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、広いボール径範囲に亘って、真球のボール部を安定的に形成することが可能なボンディングワイヤとして、銅を主成分とする芯材、芯材上に形成され金又は白金からなる異種金属層、及び異種金属層の上に形成され、銅よりも融点が２００℃以上高い耐酸化性金属からなる被覆層を有する銅ボンディングワイヤが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−９７３６０号公報
【特許文献２】特許第４２０４３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、銅ボンディングワイヤの酸化を防止すると共に、一定のボール径を有する真球のボール部を安定的に形成することにより、ボール部を半導体素子の電極に押付けた際の変形性を制御しても、半導体素子の電極とボンディングワイヤとの間の接合信頼性を安定化することができないという問題が生じている。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、半導体素子の電極との間の接合信頼性に優れた銅ボンディングワイヤの接合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】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法は、銅又は銅合金からなる芯材をパラジウムで被覆した銅ボンディングワイヤの先端部を、加熱した被接合部に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて該被接合部と接合する銅ボンディングワイヤの接合方法において、
シールドガス雰囲気中で、前記銅ボンディングワイヤの先端部で発生させるアーク放電の放電電流値と放電時間をそれぞれ調節することにより前記銅ボンディングワイヤの先端部を加熱し、前記芯材を溶融させて芯材溶融物を形成させながら、該芯材から分離したパラジウム分離物を前記銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動させた後、前記芯材溶融物を前記銅ボンディングワイヤの先端側で球状に変形させると共に前記パラジウム分離物を溶融させることにより、先端側に前記芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を前記銅ボンディングワイヤの先側に形成し、
前記ボール部の先端を前記被接合部に当接させて接合した際に形成される接合界面に合金層を形成する。
【０００８】
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しない（即ち、合金層は、ボール部、即ち、芯材を形成する材料（金属）と被接合部を形成する材料（金属）との相互拡散により構成される）ことが好ましい。
このような合金層を介在させることにより、銅ボンディングワイヤ（芯材）側と被接合部側との間で、組成的な不連続の発生を防止することができる。
なお、合金層には、パラジウムを含有する析出相が存在しなければよいので、パラジウムが合金層に固溶する場合、固溶限以下のパラジウムが合金層に含有されていても問題はない。従って、芯材溶融物の形成に伴ってパラジウム分離物が銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動する際、パラジウム分離物が全て移動することまでは要求されず、合金層におけるパラジウムの固溶限以下となる量のパラジウム分離物は、芯材溶融物と共に存在してもよいことになる。
【０００９】
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記銅ボンディングワイヤの線径を２０〜３０μｍとし、前記放電電流値が３０ミリアンペアを超え５０ミリアンペア未満では、前記放電時間を４５０マイクロ秒以下３００マイクロ秒以上に設定することが好ましい。
これにより、銅ボンディングワイヤの先端部の芯材が溶融して形成される芯材溶融物を球状に変形させながら、芯材溶融物から分離して銅ボンディングワイヤの基側に向けて移動したパラジウム分離物を更に溶融させることができ、先端側に芯材溶融物の固化相が露出した球状のボール部を、銅ボンディングワイヤの先側に形成することができる。
【００１０】
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法において、前記ボール部の直径を３０〜３５μｍの範囲に設定することができる。
銅ボンディングワイヤにおいて、アーク放電の放電電流値と放電時間から、溶融できる銅の質量が決まるので、形成できるボール部の直径が３０〜３５μｍの範囲となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る銅ボンディングワイヤの接合方法においては、既存のボンディングワイヤの接合設備を用いて、アーク放電条件である放電電流値と放電時間を設定するだけで、芯材がパラジウムで被覆された銅ボンディングワイヤと半導体素子の電極との間の接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る銅ボンディングワイヤの接合方法により銅ボンディングワイヤの先端部を電極に接合する際の方法を示す説明図である。
【図２】銅ボンディングワイヤの先端に形成するボール部の作製方法を示す説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、銅ボンディングワイヤの先端に形成するボール部の形成過程の説明図である。
【図４】実施例及び比較例における接合信頼性の評価結果を示すグラフである。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、比較例におけるボール部の形成過程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係る銅ボンディングワイヤの接合方法では、図１（Ａ）に示すように、銅又は銅合金からなる芯材１０がパラジウム１１で被覆された銅ボンディングワイヤ１２の先端部に形成したボール部１３の先端を加熱した図示しない半導体素子に設けた電極１４（被接合部の一例）に当接させ、次いで、図１（Ｂ）に示すように、ボール部１３を電極１４に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて電極１４と接合する連結部１５を形成することにより、銅ボンディングワイヤ１２を電極１４に接合している。以下、詳細に説明する。
【００１４】
図２に示すように、銅ボンディングワイヤ１２の芯材１０の酸化を防止するシールドガス雰囲気の一例である混合ガス気流１６（例えば、窒素ガス９５体積％、水素ガス５体積％）中で、銅ボンディングワイヤ１２の先端部と放電電極１７との間で発生させるアーク放電１８の放電電流値に応じて放電時間を調節して、銅ボンディングワイヤ１２の先端部にボール部１３を形成する。ここで、銅ボンディングワイヤ１２の線径は、例えば、２０〜３０μｍである。そして、放電電流値は３０ミリアンペアを超え５０ミリアンペア未満とし、放電時間は４５０マイクロ秒以下３００マイクロ秒以上に設定している。
【００１５】
なお、図２において、符号１９は、銅ボンディングワイヤ１２をその中央部に挿通させて先側から銅ボンディングワイヤ１２の先端部を突出させると共に、銅ボンディングワイヤ１２を把持して移動させるキャピラリ治具である。また、符号２０は、内部に放電電極１７が配置されたセラミック製（例えば、アルミナ製）の端封管である。端封管２０の端封部側に形成された貫通孔２１の上方から銅ボンディングワイヤ１２の先端部を挿入させ、開口側から混合ガスを供給し貫通孔２１から放出して内部に混合ガス気流１６を形成させることにより、放電電極１７と銅ボンディングワイヤ１２の先端部の周囲を非酸化性雰囲気に保っている。
【００１６】
図３（Ａ）に示すように、混合ガス気流１６下で、線径が２０〜３０μｍの銅ボンディングワイヤ１２の先端部と放電電極１７の間で、放電電流値を３０ミリアンペアを超え５０ミリアンペア未満に設定してアーク放電１８を発生させると、銅ボンディングワイヤ１２の先端部が加熱されて、先端部の温度は上昇する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、銅ボンディングワイヤ１２の先端部においては、先ず融点の低い芯材１０の一部が溶融して芯材溶融物２２が形成され、芯材溶融物２２から分離したパラジウム分離物２３は銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動する。そして、アーク放電１８中に銅ボンディングワイヤ１２の先端部の温度は更に上昇するので、銅ボンディングワイヤ１２の先端部の芯材１０の溶融が進み、芯材溶融物２２及び銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動したパラジウム分離物２３はそれぞれ増加していく。
【００１７】
温度が上昇して一定量の芯材溶融物２２が形成されると、銅ボンディングワイヤ１２の先端側では芯材溶融物２２が表面張力により球状に変形する。また、温度がパラジウムの融点に到達すると、銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動したパラジウム分離物２３は溶融を開始する。そして、放電時間が４５０〜３００マイクロ秒の範囲に設定されているので、温度がパラジウムの融点に到達した後にアーク放電１８は停止することになって、銅ボンディングワイヤ１２の先端部の冷却が開始する。その結果、図３（Ｃ）に示すように、先端側に芯材溶融物２２の固化相が露出し、銅ボンディングワイヤ１２と連接する基側の表面にパラジウム分離物２３が溶融した後に固化して形成されたパラジウム層２４が存在する球状のボール部１３が形成されることになる。
【００１８】
銅ボンディングワイヤ１２の先端部をアーク放電１８により加熱した場合、放電電流値と放電時間で銅ボンディングワイヤ１２の先端部に供給される熱量が決まるので、溶融する芯材１０（得られる芯材溶融物２２）の質量が決まる。従って、線径が２０〜３０μｍの銅ボンディングワイヤ１２の先端部を、放電電流値を３０ミリアンペアを超え５０ミリアンペア未満に設定し、ボール部１３の直径を３０〜３５μｍに想定すると、放電時間は４５０〜３００マイクロ秒の範囲となる。
【００１９】
ここで、放電電流値を３０ミリアンペア以下とすると、銅ボンディングワイヤ１２の先端部の芯材１０の溶融が生じ難く、芯材１０を被覆しているパラジウムをパラジウム分離物２３として銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動させることが困難になるため好ましくない。一方、５０ミリアンペア以上に放電電流値を設定すると、銅ボンディングワイヤ１２の先端部で芯材１０とパラジウムが同時に溶融することになって、芯材溶融物２２とパラジウム溶融物の混合が生じ、パラジウムをパラジウム分離物２３として銅ボンディングワイヤ１２の基側に向けて移動させることが困難になるため好ましくない。
【００２０】
４５０マイクロ秒を超える放電時間を設定すると、放電電流値を小さく設定してパラジウム溶融物の生成を芯材溶融物２２の生成に対して遅らせても、パラジウム溶融物と芯材溶融物２２との混合が生じるため好ましくない。一方、放電時間を３００マイクロ秒未満に設定すると、放電電流値を大きく設定して芯材溶融物２２の生成を促進しても、直径が３０〜３５μｍのボール部１３の形成に必要な量の芯材溶融物２２が得られない。
【００２１】
そして、ボール部１３の先端を電極１４に押圧しながら超音波振動を加え、ボール部１３を変形させて電極１４と接合する連結部１５を形成すると、ボール部１３の先端側には芯材溶融物２２の固化相が露出しているので、芯材溶融物２２の固化相と電極１４が当接することになる。このため、連結部１５と電極１４の間に形成される接合界面には、電極１４を構成する材料と芯材溶融物２２の固化相との相互拡散により形成される、即ち、パラジウムを含有する析出相が存在しない合金層２５が一様に存在することになる。接合界面に合金層２５が一様に形成されることにより、連結部１５を介した銅ボンディングワイヤ１２と電極１４との間の接合信頼性が向上する。
【実施例】
【００２２】
線径が２０μｍのパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に直径が３３μｍのボール部を形成することを目標として、混合ガス雰囲気中で、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部との間でアーク放電（放電電流４０ｍＡ、放電時間３５０μｓ）を発生させてボール部を形成した。次いで、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に形成したボール部を、半導体素子のアルミニウム電極に押圧しながら超音波振動を加えて変形させて接合した。なお、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤを接合するアルミニウム電極は、予め２４０℃に加熱したヒータブロック上に載置する。形成されたボール部の平均直径は３３．４μｍ、ボール部とアルミニウム電極との間のシェア強度の平均値は１９．６ｇｆ、ボール部とアルミニウム電極との間の引張強度の平均値は７．３ｇｆであった。
【００２３】
また、アルミニウム電極にパラジウム被覆銅ボンディングワイヤが接合された半導体素子を樹脂封止した後、５０個の半導体素子を一つのグループとして、グループ毎に２００、４００、６００、８００、及び１０００時間の、温度１２１℃の飽和加圧蒸気試験（ＰＣＴ）を実施し、各グループ毎に接合界面に腐食クラック（例えば、接合界面部が酸化することにより発生するクラック）が発生した半導体素子の個数を求めたところ、時間が８００時間までは腐食クラックの発生はなく、１０００時間では３個（発生率６％）であった。測定結果を表１にまとめて示す。また、図４に、飽和加圧蒸気試験時間（ＰＣＴ時間）と接合界面で腐食クラック（腐食割れ）の発生した半導体素子の個数との関係を示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
比較例として、実施例で使用したパラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側に、アーク放電条件（放電電流と放電時間の関係）を調節して直径３３μｍのボール部を形成することを目標とし、実施例と同様の方法でアルミニウム電極に接合し、ボール部の平均直径、平均シェア強度、平均引張強度を測定した。また、アルミニウム電極にパラジウム被覆銅ボンディングワイヤが接合された半導体素子を樹脂封止した後、実施例と同様の方法で１２１℃の飽和加圧蒸気試験を行い、接合界面に腐食クラックが発生した半導体素子の個数を求めた。その結果を表１に示す。
【００２６】
表１に示すように、ボール部の直径を略３３μｍに調節することにより、ボール部が変形した連結部とアルミニウム電極との間の接合界面の面積を略一定にすることができ、実施例、比較例１〜４において、シェア強度と引張強度はそれぞれ近い値を示している。
一方、飽和加圧蒸気試験を行うと、実施例では８００時間の飽和加圧蒸気試験を行っても、接合界面に腐食クラックが発生した半導体素子は存在せず、高い接合信頼性を有していることに対して、比較例１〜４では、８００時間の飽和加圧蒸気試験を行うと、接合界面に腐食クラックが発生する半導体素子が現れ、接合信頼性が劣ることが確認できた。
【００２７】
更に、比較例２〜４では、放電電流が大きいほど、短い飽和加圧蒸気試験で接合界面に腐食クラックが発生する半導体素子が現れることが確認できた。比較例２〜４では、図５（Ａ）に示すように、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部と放電電極との間で放電電流が大きなアーク放電を発生させているので、先端部の温度が一気にパラジウムの融点を超えるため、図５（Ｂ）に示すように、芯材である銅線と銅線を被覆していたパラジウムが同時に溶融することになる。そして、一定量の銅溶融物が形成されると、銅溶融物は表面張力で球体に変形し、銅溶融物の移動に伴ってパラジウム溶融物は球体の表面及び内部に分散する。その後、アーク放電が停止すると、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端部の冷却が開始し、図５（Ｃ）に示すように、パラジウム被覆銅ボンディングワイヤの先端側には、銅からなる球体の表層にパラジウムが分散したボール部が形成されることになる。
【００２８】
従って、ボール部の先端をアルミニウム電極に押圧しながら超音波振動を加え、ボール部を変形させてアルミニウム電極と接合する連結部を形成すると、ボール部の表層にはパラジウムが分散しているので、アルミニウム電極上では、銅が当接する部分と、パラジウムが当接する部分が混在することになる。このため、連結部とアルミニウム電極の間に形成される接合界面には、アルミニウムと銅の相互拡散により形成される合金層中にパラジウムを含有する析出相が存在することになって、一様な接合層が形成されない。その結果、半導体素子の飽和加圧蒸気試験を実施すると、アルミニウム電極毎に連結部との接合界面の状況が変化することになって、接合信頼性は低下することになる。
【００２９】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０：芯材、１１：パラジウム、１２：銅ボンディングワイヤ、１３：ボール部、１４：電極、１５：連結部、１６：混合ガス気流、１７：放電電極、１８：アーク放電、１９：キャピラリ治具、２０：端封管、２１：貫通孔、２２：芯材溶融物、２３：パラジウム分離物、２４：パラジウム層、２５：合金層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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