(57)【要約】【課題】Ａｇを主成分とする芯材を備えたボンディングワイヤにおいて、接合の前後においてワイヤ表面の硫化を防止することが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。【解決手段】Ａｇを７５質量％以上含有する芯材１２と、芯材１２の外周面を被覆する金属被覆層１４とを備え、金属被覆層１４が、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を９０質量％以上含有し、金属被覆層の厚みが０．０１μｍ以上であるボンディングワイヤを用いる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇを７５質量％以上含有する芯材と、前記芯材の外周面を被覆する金属被覆層とを備え、
前記金属被覆層がＳｎ、Ｚｎ及びＩｎからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を９０質量％以上含有し、金属被覆層の厚みが０．０１μｍ以上であるボンディングワイヤ。
【請求項２】
前記金属被覆層の厚みがボンディングワイヤの線径の１％以下である、請求項１のボンディングワイヤ。
【請求項３】
前記金属被覆層の厚みが０．１μｍ未満である、請求項１又は２に記載のボンディングワイヤ。
【請求項４】
前記金属被覆層がＳｎを含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の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、半導体素子の電極と基板の電極とを接続するボンディングワイヤに関し、特に、Ａｇを主成分とする芯材を備えたボンディングワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子上の電極と基板の電極との結線に用いられるボンディングワイヤは、一般に非常に細いため、導電性が良好で加工性に優れた金属材料により製造されている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来からＡｕ製のボンディングワイヤが広く用いられている。しかし、従来のＡｕ製のボンディングワイヤは質量の９９％以上がＡｕであり、非常に高価であるため、より安価な材料からなるボンディングワイヤが待ち望まれている。
【０００３】
Ａｇ製のボンディングワイヤは、Ａｕ製のボンディングワイヤより安価であることに加え、光反射率がＡｕに比べて高いため、ＬＥＤ等の発光効率の向上に有効である。
【０００４】
しかしながら、Ａｇ製のボンディングワイヤは表面が硫化して変色しやすいという問題を有する。表面が硫化したＡｇ製のボンディングワイヤは、電極に対する接合不良が発生しやすくなり、また、光反射率が低下して発光効率を悪化させるという問題も生じる。
【０００５】
これに対して、Ａｇ表面の硫化による変色を抑制するため、有機化合物と界面活性剤とを含む変色防止層を、Ａｇを主成分とする芯材の外周面に形成したボンディングワイヤが提案されている（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１６４１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の変色防止層を有するAｇ製のボンディングワイヤでは、変色防止層が有機化合物と界面活性剤により構成されているため、通常環境において硫化防止効果を有するが、接合時に与えられる熱によって芯材の表面から変色防止層が飛散しやすく、接合後の硫化防止効果が低減するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、Ａｇを主成分とする芯材を備えたボンディングワイヤにおいて、接合の前後を通してワイヤ表面の硫化を防止することが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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のボンディングワイヤは、Ａｇを７５質量％以上含有する芯材と、芯材の外周面を被覆する金属被覆層とを備え、この金属被覆層が、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を９０質量％以上含有し、この金属被覆層の厚みが０．０１μｍ以上であるものとする。
【００１０】
本発明に係るボンディングワイヤの金属被覆層の厚みは、ボンディングワイヤの直径の１％以下とすることができる。
【００１１】
本発明に係るボンディングワイヤの金属被覆層の厚みは、０．１μｍ未満とすることができる。
【００１２】
本発明に係るボンディングワイヤの金属被覆層は、Ｓｎを含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、Ａｇを主成分とする芯材の外周面を覆う金属被覆層が、従来技術のように有機化合物を主成分としないため、接合時に与えられる熱によって芯材の表面から飛散することがなく、接合の前後でボンディングワイヤ表面の変色を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤ１０について説明する。
【００１６】
本実施形態に係るボンディングワイヤ１０は、図１に示すように、Ａｇを主成分とする芯材１２と、露出部がないように芯材１２の外周面全体を被覆する金属被覆層１４とを備える。
【００１７】
具体的には、芯材１２は、光反射率をＡｕ以上にするため、Ａｇを７５質量％以上含有しているのが好ましい。なお、ボンディングワイヤ１０の固有抵抗は、２Ｎ（９９％）のＡｕ製のボンディングワイヤの固有抵抗（３．０μΩ・ｃｍ）以下であることが好ましく、この観点からは、純度９９．９質量％以上のＡｇを用いて芯材１２の構成するＡｇ合金を製作することが好ましい。
【００１８】
芯材１２の線径（直径）φは、ボンディングワイヤ１０の用途に応じて適宜設定することができるが、一例を挙げると、５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。
【００１９】
芯材１２は、本発明の目的に反しない範囲であれば、Ａｇ以外に、Ａｕ及びＰｄの中から選択された１種以上の元素や、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅの中から選択された１種又は２種以上の元素や、Ｃｕ及びＮｉの少なくとも一方の元素を含有してもよい。
【００２０】
Ａｕは、放電加熱等によりボンディングワイヤの先端に形成されるフリーエアボール（以下、ＦＡＢと略記する）の真球度を向上させるために添加することができる。通常、純Ａｇワイヤを用いてＦＡＢを作製すると、真球度の高いＦＡＢを安定的に得るのが難しい。しかし、Ａｕを一定量添加することにより真球度の高いＦＡＢを得やすくなる。
【００２１】
Ｐｄは、ボンディングワイヤの先端に形成したＦＡＢを電極に押し当てて接合した部分（１ｓｔ接合部）の耐食性を向上させるために添加することができる。ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）等の半導体パッケージの電極にはアルミニウムもしくはアルミニウム合金が被覆されていることが多い。ＬＥＤの電極は金被覆の場合が多いが、アルミニウムもしくはアルミニウム合金の被覆材が用いられることもある。銀とアルミニウムを接合すると、接合界面に銀とアルミニウムの金属間化合物層が生成する。この化合物層のうち、Ａｇ2Ａｌが成長すると、湿潤環境下における耐食性が劣化する。ＡｇワイヤにＰｄを一定量添加すると、ＦＡＢの外周部にＰｄ濃化層が形成され、そのことによってＡｇ2Ａｌの生成が抑制でき、湿潤環境下における耐食性の劣化を抑えることができる。
【００２２】
Ａｕ及びＰｄはそれぞれ単独で添加しても効果が得られるが、ＰｄとＡｕを複合して添加した場合、ワイヤの融点が高くなり、耐熱性がより向上する。
【００２３】
上記の観点から芯材１２にＡｕ及び／又はＰｄを含有させる場合、その含有量は合計量（つまり、Ａｕ又はＰｄを単独で添加する場合はＡｕ又はＰｄの量、ＡｕとＰｄを複合して添加する場合はＡｕとＰｄの合計量）で、０．１〜２０質量％であることが好ましく、０．５〜４．０質量％であることがより好ましい。０．１質量％以上であると放電加熱によって真球状のＦＡＢが形成され易く、１０質量％以下であるとワイヤの固有抵抗が適切な範囲に維持され、さらに、０．５質量％以上であると、より形状が安定したＦＡＢが得られ、４．０質量％以下であると、ワイヤの固有抵抗が３．０μΩ・ｃｍ以下になり、より特性のよいワイヤが得られる。
【００２４】
また、芯材１２に、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅの中から選択された１種又は２種以上の元素を添加する場合、これらの元素の合計量は、５〜５００質量ｐｐｍであることが好ましい。５質量ｐｐｍ以上であると、得られるワイヤの強度をより向上させることができ、ボンディング後の樹脂モールドの際にボンディングされたワイヤがモールド樹脂の流れによって移動するワイヤフローの発生が防止でき、５００質量ｐｐｍ以下であると放電加熱によって得られるＦＡＢの形状が安定して良好な球状のＦＡＢが得られる。
【００２５】
ここで、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅの中では、極微量の添加でワイヤの耐熱性・強度向上に効果がある点からはＹが好ましく、また、添加元素とＡｇが化合物を作ることによってマトリックスであるＡｇ中に化合物が分散しワイヤの高強度化に寄与する点からは、ＬａやＣｅも好ましい。しかし、入手の容易さの点からは、Ｃａ、Ｂｅ、Ｂ又はＧｅの添加が好ましく、使い勝手や効果の観点からはＣａの添加が最も好ましい。
【００２６】
さらに、強度を一層向上させるためには、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ又はＧｅの添加に加えて、Ｃｕ、Ｎｉの添加が効果的である。Ｃｕ、Ｎｉは、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅと反応せずにマトリックスのＡｇと容易に合金化するため、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅの添加効果を損なうことなく、マトリックスの高強度化に寄与する。なお、高強度化が必要な場合、上記のようにＣａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅと併せてＣｕやＮｉを添加してもよいが、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ及びＧｅに換えて、ＣｕやＮｉを添加してもワイヤの強度を向上させることができる。
【００２７】
また、芯材１２にＣｕ及びＮｉの中から選択された１種又は２種の元素を添加する場合、これらの元素の合計量は、１００〜１００００質量ｐｐｍであることが好ましい。１００質量ｐｐｍ以上であると、得られるワイヤの強度をより向上させることができ、ボンディング後の樹脂モールドの際にボンディングされたワイヤがモールド樹脂の流れによって移動するワイヤフローの発生が防止でき、１００００質量ｐｐｍ以下であると放電加熱によって得られるＦＡＢの形状が安定して良好な球状のＦＡＢが得られる。
【００２８】
次に金属被覆層１４は、芯材１２表面の硫化を抑え、有意な変色防止効果を得るため、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を９０質量％以上含有することが好ましく、９９質量％以上が含有することがより好ましい。また、金属被覆層１４は、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎの元素のうちの1種又は2種以上からなることが好ましく、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎとＺｎの合金、及びＳｎとＩｎの合金のいずれか１つからなることがより好ましい。Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎとＺｎの合金、及びＳｎとＩｎの合金の中では加工性が優れる点でＳｎが好ましい。なお、金属被覆層１４は、本発明の目的に反しない範囲であれば、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎ以外の元素を含有してもよく、そのような金属の例としては、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔが挙げられる。
【００２９】
金属被覆層１４の厚みｔは、０．０１μｍ以上０．１μｍ未満であることが好ましい。金属被覆層１４の厚みｔが０．０１μｍ以上であると、芯材１２表面の硫化を抑え、有意な変色防止効果を得ることができる。金属被覆層１４の厚みｔが０．１μｍ未満であると、芯材１２の外周面に金属被覆層１４を設けた後に伸線加工を行っても金属被覆層１４の割れが発生しにくくなる。なお、金属被覆層１４は芯材１２の表面全体を隙間なく被覆しているのが好ましいが、本発明の目的に反しない範囲であれば被覆していない部分があってもよい。
【００３０】
また、放電加熱によって得られるＦＡＢの真球性を良好とするため、ボンディングワイヤ１０の線径φが細くなるにつれて金属被覆層１４の厚みｔを小さくすることが好ましく、ボンディングワイヤ１０の線径φに対するに金属被覆層の厚みｔの比率ρ（t/φ）は１％以下が好ましく、０．２％以下であることがより好ましい。比率ρが１％以下であると放電加熱によって得られるＦＡＢの形状が安定して良好な球状のＦＡＢが得られやすく、０．２％以下であるとより形状が安定したＦＡＢが得られやすい。
【００３１】
次に、このような構成のボンディングワイヤ１０の製造方法の一例を説明する。
【００３２】
まず、純度９９．９質量％以上のＡｇに、必要に応じて、Ａｕ、Ｐｄ、Ｃａ、Ｙ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｇｅ、Ｃｕ及びＮｉの中から選択された１種以上の元素を添加して９５質量％以上のＡｇを含有するＡｇ合金を鋳造した後、連続鋳造法にて所定の径の棒状インゴットを作製する。
【００３３】
次いで、棒状インゴットを伸線加工して、所定の直径の芯材１２になるまで縮径する。その後、芯材１２の外周全面に、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎの中から選択された１種又は２種以上の元素を含む金属被覆層１４を形成する。金属被覆層１４は、電気メッキ法、無電解メッキ法、蒸着法などの公知の手段によって形成することができる。
【００３４】
そして、金属被覆層１４が形成された芯材１２を更に伸線加工して、所定の線径φ（例えば、５μｍ〜１５０μｍ）に達するまで縮径する。これにより、厚みｔが０．０１μｍ以上の金属被覆層１４で芯材１２の外周面全体を覆ったボンディングワイヤ１０を得ることができる。
【００３５】
金属被覆層１４の厚みｔは、伸線加工の途中で芯材１２に形成する金属被覆層１４の厚みを変更することで、最終的に得られるボンディングワイヤ１０の金属被覆層１４の厚みｔを調整することができる。
【００３６】
なお、必要に応じて伸線加工の途中や伸線加工の終了後にボンディングワイヤ１０に熱処理を行ってもよい。熱処理の一例を挙げると、大気雰囲気又は窒素ガス雰囲気において３００〜１０００℃で０．１〜６０秒間連続焼鈍処理を施すことができる。
【００３７】
上記により得られたボンディングワイヤ１０では、Ｓｎ、Ｚｎ及びＩｎの中から選択された１種又は２種以上の元素を９０質量％以上含み、厚みｔが０．０１μｍ以上の金属被覆層１４によって芯材１２の外周面が覆われているため、芯材１２の硫化を抑えることができ、よってボンディングワイヤ１０の変色を抑えることができる。しかも、金属被覆層１４は、Ｓｎ等の金属から構成されており、ボンディングワイヤ１０の接合時に与えられる熱によって飛散することなく、芯材１２の外周面に残留するため、接合後も芯材１２の硫化による変色を防止することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４０】
９５質量％以上のＡｇを含有するＡｇ合金を溶解し、連続鋳造法にて棒状インゴットを作製した。そして、棒状インゴットに伸線加工を施して直径が４８８μｍの芯材１２になるまで縮径した後、芯材１２の外周面にＳｎを電気メッキ法によって被覆させて、Ｓｎを
９９．５質量％含有する金属被覆層１４を形成した。その後、金属被覆層１４が形成された芯材１２を更に伸線加工して、線径φが２５μｍに達するまで縮径した後、大気雰囲気において４６０℃で１秒間、連続焼鈍処理（熱処理）を施し、実施例１〜５及び比較例１〜３のボンディングワイヤ１０を得た。
【００４１】
実施例１〜５及び比較例１〜３は、金属被覆層１４の厚みｔをそれぞれ変化させた以外は、ボンディングワイヤ１０の線径φや芯材１２及び金属被覆層１４の組成を含め、全て同一とした。
【００４２】
得られた実施例１〜５及び比較例１〜３のボンディングワイヤ１０につき、金属被覆層１４の厚みｔの測定、金属被覆層１４の割れの有無、耐硫化性能、及びＦＡＢの真球性能の評価を行った。具体的な評価方法は以下のとおりである。結果を表1に示す。
【００４３】
１．金属被覆層の厚み測定
実施例１〜５及び比較例１〜３のボンディングワイヤ１０を走査型オージェ電子分光分析装置（アルバック・ファイ（株）製、ＰＨＩ−７００）により、Ａｒイオンで深さ方向（径方向内方）に単位時間のスパッタを行い、その都度Ｓｎ濃度を測定していき、最外層におけるＳｎ濃度の１／２の濃度になったところまでを金属被覆層の厚みとした。厚さの換算にはＳｉＯ2換算を用いた。
【００４４】
２．金属被覆層の割れの評価
電気メッキ法によって芯材１２の外周面に金属被覆層１４を形成したボンディングワイヤ１０を、線径が２５０μｍに達するまで伸線加工を行った後、汎用型電子顕微鏡（日本電子（株）製、ＪＳＭ−６５１０ＬＡ）にて表面外観の観察を行うとともに、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（日本電子（株）製、ＥＸ−３７００１）にて表面状態の分析を行い、伸線加工によって生じた金属被覆層１４の割れ（めっき割れ）の有無を評価した。
【００４５】
３．耐硫化性評価
実施例１〜５及び比較例１〜３のボンディングワイヤ１０を長さ２００ｍｍに切断して評価試料を作製し、当該評価試料を硫化アンモニウム水溶液から発生する蒸気に２０分間さらした後、上記汎用型電子顕微鏡にて外観を観察し、上記エネルギー分散型Ｘ線分光装置にて硫黄質量を測定した。
【００４６】
金属被覆層１２を形成していない比較例１のボンディングワイヤの硫黄質量定量値に対し、７０％以下の硫黄質量定量値になっているものを耐硫化性能があると判断し、７０％より多いものを耐硫化性能がないと判断した。
【００４７】
４．ＦＡＢの真球性評価
実施例１〜５及び比較例１〜３のボンディングワイヤに対して、ワイヤボンダー（Ｋ＆Ｓ社製、Ｉｃｏｎｎ）にてＦＡＢを作製した。ＦＡＢ作成条件は、Ｎ2ガス雰囲気で、ガス流量：０．５ｍＬ／ｍｉｎ、スパーク電流４０ｍＡ、スパーク時間１２００μｓｅｃで放電を行い、ボンディングワイヤ１０の先端にＦＡＢを作製した。
【００４８】
ＦＡＢ真球性の評価としては、実施例及び比較例のボンディングワイヤ毎にＦＡＢを４０個ずつ作製した後、上記汎用型電子顕微鏡にて外観観察を行い、作製した４０個のＦＡＢのワイヤ平行方向と垂直方向の長さをそれぞれ測定した。ＦＡＢのワイヤ平行方向の長さＸと垂直方向の長さＹの比（Ｘ／Ｙ）を真球性の指標として、７０％〜１３０％であれば「真球性有り」と判断し、真球性有りと判断したＦＡＢの個数をカウントした。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
結果は、表１に示すとおりであり、実施例１〜５では、４６０℃の熱処理を行った後でも耐硫化性評価試験において硫黄質量が比較例１の７０％以下となり、耐硫化性能が認められた。すなわち、金属被覆層１４は熱により飛散することがないので、接合前だけでなく接合後においてもワイヤ表面の硫化を防止することができた。
【００５１】
特に、実施例１〜３では、金属被覆層１４を形成した後に行う伸線加工によって金属被覆層１４に割れも発生しなかった。また、実施例１〜３では、真球度の良好なＦＡＢを作製することができた。
【００５２】
一方、比較例１〜３では、耐硫化性評価試験において硫黄質量が比較例１の７０％より多くなり、有意な耐硫化性能が得られなかった。
【符号の説明】
【００５３】
１０…ボンディングワイヤ、１２…芯材、１４…金属被覆層
【図１】
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