(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕの含有量が０．１質量％以上５．０質量％以下、
Ｃａの含有量が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、
Ｎｄ及びＳｍからなる群から選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であり、
Ｃａの含有量とＮｄ及びＳｍからなる群から選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が５質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下であり、
残部がＡｕからなるボンディングワイヤ。
【請求項２】
Ｃｕの含有量が３質量％以下である請求項１に記載のボンディングワイヤ。
【請求項３】
Ｃｕの含有量が１質量％未満である請求項１に記載のボンディングワイヤ。
【請求項４】
Ｃｕの含有量が０．３質量％以上である請求項１〜３のいずれか１項記載のボンディングワイヤ。
【請求項５】
Ｃａの含有量とＮｄ及びＳｍからなる群から選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である請求項１〜４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、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を接続する方法として、図１に示すように、放電加熱等によりボンディングワイヤＷの先端に形成したＦＡＢ（Ｆｒｅｅ  Ａｉｒ  Ｂａｌｌ）を一方の電極１０に押し当てて１ｓｔ接合を行った後、ボンディングワイヤの外周面を他方の電極１０’に押し当てて２ｎｄ接合を行うボールボンディング法によって電極１０，１０’を接続する方法や、図２に示すように、ＦＡＢを一方の電極２０に押し当てて接合した後、ボンディングワイヤＷを切断して一方の電極２０にバンプ２２を形成し、このバンプ２２及びハンダ２４を介して他方の電極２０’を接続する方法が知られている。【０００３】
このようなボールボンディング法やバンプの形成に用いられるボンディングワイヤでは、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、純度４Ｎ（９９．９９質量％）のＡｕ（金）からなるボンディングワイヤが用いられている。【０００４】
しかしながら、純度４ＮのＡｕからなるボンディングワイヤをＡｌ（アルミニウム）やＡｌ合金の電極１０，２０に接合すると、電極１０上に形成された接合部（以下、この接合部を「ＦＡＢ接合部」ということもある）１２と電極１０との界面近傍や、電極２０上に形成されたバンプ２２と電極２０との界面付近にＡｕ−Ａｌ金属間化合物が生成される。生成されたＡｕ−Ａｌ金属間化合物により、界面にクラックやカーケンダルボイドが生じやすい。【０００５】
下記特許文献１には、ＡｕにＣｕ（銅）及びＰｄ（パラジウム）を複合添加した合金からなるボンディングワイヤが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１９９２６１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、Ａｕを主成分とするボンディングワイヤにＰｄを添加すると、ＦＡＢ接合部と電極との界面部分のクラックの発生をある程度防止できるが、カーケンダルボイドの発生の防止は難しく、接合信頼性を満足することができない。【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、Ａｌ合金からなる電極に接合する場合でもボンディングワイヤと電極との接合部分のクラックやカーケンダルボイドの発生を抑制することができ、長期間にわたり接合信頼性が高い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、Ｃｕの含有量が０．１質量％以上５．０質量％以下、Ｃａの含有量が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＧｄからなる群から選択された１種又は２種以上の元素の含有量の合計が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量とＮｄ、Ｓｍ、及びＧｄからなる群から選択された１種又は２種以上の元素の含有量の合計が５質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｕからなるボンディングワイヤとする。【００１０】
上記本発明のボンディングワイヤにおいて、Ｃｕの含有量が３質量％未満であることが好ましく、Ｃｕの含有量が１質量％未満であることがより好ましい。また、Ｃｕの含有量が０．３質量％以上であることが好ましい。また、Ｃａの含有量とＮｄ、Ｓｍ、及びＧｄからなる群から選択された１種又は２種以上の元素の含有量の合計が２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ａｌ合金からなる電極に接合する場合でもボンディングワイヤと電極との接合部分にクラックやカーケンダルボイドが発生するのを抑制することができ、長期間にわたり接合信頼性の高いボンディングワイヤが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】半導体パッケージにおいて電極間を結線したボンディングワイヤＷを拡大して示す図。
【図２】電極上にバンプ２２を形成した状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤについて図１を参照して説明する。
【００１４】
本実施形態のボンディングワイヤＷは、半導体パッケージ（例えば、パワーＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ、ＢＧＡＰ（Ball Grid Array Package）、ＱＦＮ（Quad Flat Nonlead package）、ＬＥＤ（発光ダイオード）等）における半導体素子上の電極（例えば、Ａｌ合金電極、ニッケル・パラジウム・金被覆電極、Ａｕ被覆電極等）１０と、回路配線基板（リードフレーム、セラミック基板、プリント基板等）の導体配線（電極）１０'とをボールボンディング法によって接続するためのボンディングワイヤである。
【００１５】
なお、本実施形態のボンディングワイヤＷは、ボールボンディング法以外にもバンプの形成に使用することもでき、また、半導体パッケージ以外の種々の態様のボンディングワイヤとして使用することができる。
【００１６】
このボンディングワイヤＷは、Ｃｕの含有量が０．１〜５．０質量％、Ｃａの含有量が１〜１００質量ｐｐｍ、Ｎｄ、Ｓｍ及びＧｄから選択された１種又は２種の元素の含有量の合計が１〜１００質量ｐｐｍ、Ｃａの含有量とＮｄ、Ｓｍ、及びＧｄからなる群から選択された１種又は２種以上の元素の含有量の合計が５質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下であり、残部がＡｕからなるものである。ボンディングワイヤＷの線径は、用途に応じて種々の大きさとしてよいが、例えば、５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。
【００１７】
具体的には、ボンディングワイヤＷを構成するＡｕは、精製上不可避的に存在する不純物を含有してもよい。Ａｕでは、不純物として例えば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｆｅ（鉄）等を含有してもよい。
【００１８】
Ｃｕの含有量を０．１質量％以上とすることにより、図１に示すような電極１０に溶融したＦＡＢを圧着することで電極１０上に形成されたＦＡＢ接合部１２と電極１０の界面近傍にクラックやカーケンダルボイドが発生するのを抑えることができ、長期間にわたって接合信頼性の高いボンディングワイヤが得られる。
【００１９】
Ｃｕの含有量を５．０質量％以下とすることにより、ボンディングワイヤの先端に形成されるＦＡＢが硬くなりすぎず、電極にＦＡＢを押し付けて接合する時に生じる電極の損傷を抑えることができる。
【００２０】
Ｃｕの含有量の上限値は、３．０質量％以下とすることが好ましく、１．０質量％未満とすることがより好ましい。また、Ｃｕの含有量の下限値は、０．３質量％以上であることが好ましい。
【００２１】
Ｃｕの含有量を３．０質量％以下とすることにより、上記した電極の損傷を更に抑えることができる。またＣｕの含有量を３．０質量％以下とすることにより、ボンディングワイヤの先端に形成されるＦＡＢの加工硬化が抑えられるので、電極にＦＡＢを押し付けて接合する時に生じる電極のめくれである「アルミスプラッシュ」を抑えることができる。Ｃｕの含有量を１．０質量％未満とすることにより、電極の損傷及びアルミスプラッシュをより一層抑えることができる。Ｃｕの含有量が０．３質量％以上であると接合信頼性や１ｓｔネック強度や２ｎｄ接合強度をより一層良好にすることができる。
【００２２】
１ｓｔネック強度とは、ＦＡＢ接合部１２とボンディングワイヤＷとの境界部分（以下、この境界部分を「１ｓｔネック部」ということもある）１４における強度のことである。２ｎｄ接合強度とは、ボンディングワイヤＷの外周面を他方の電極１０’に押し当てて形成された接合部（以下、この接合部を「２ｎｄ接合部」ということもある）１６における強度のことである。
【００２３】
Ｃａを含有することにより、図１に示すようにボンディングワイヤＷで電極１０、１０'を結線した時にできるループ高さＨを小さくすることができる。また、Ｃａを含有することにより、図２に示すようにボンディングワイヤＷでバンプ２２を形成した時にできるバンプ高さＬを小さくすることができる。Ｃａの含有量は、１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とすることができ、好ましくは１０質量ｐｐｍ以上３０質量ｐｐｍである。
【００２４】
Ｎｄ、Ｓｍ及びＧｄから選択された１種又は２種以上の元素（以下、「選択添加元素」ということもある）は、Ｃａと同様、ボンディングワイヤＷで電極１０、１０'を結線した時にできるループ高さＨやバンプ高さＬを小さくすることができる。選択添加元素の含有量は、１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下とすることができ、好ましくは１０質量ｐｐｍ以上３０質量ｐｐｍである。
【００２５】
選択添加元素はＣａと同様の作用効果を発揮するため、Ｃａ及び選択添加元素のいずれか一方を添加しない場合であっても、他方の添加量を増加させることでループ高さＨやバンプ高さＬを小さくすることができる。
【００２６】
Ｃａのみを添加する場合や選択添加元素のみを添加する場合でもループ高さＨやバンプ高さＬの低減を図ることは可能である。しかし、Ｃａや選択添加元素の添加量が多くなり過ぎるとＦＡＢの真球性が低下する。これに対して、Ｎｄ、Ｓｍ及びＧｄの選択添加元素をＣａと併用した場合であると、Ｃａ及び選択添加元素のいずれか一方のみ添加する場合に比べてＦＡＢの真球性が低下しにくくなる。そのため、Ｃａのみの添加であると、所望のスペックを満たすようにループ高さＨやバンプ高さＬの低減を図ろうとすると、ＦＡＢの真球性が低下する場合であっても、Ｃａと選択添加元素を併用することでＦＡＢの真球性を維持することができる。従って、Ｃａと選択添加元素を含有することにより、Ｃａのみ使用した場合に比べＦＡＢの真球性を維持した上で、ＦＡＢを形成バンプ高さＨのより低減することができる。
【００２７】
Ｃａ及び選択添加元素を共に含有するにあたって、Ｃａ及び選択添加元素の含有量の合計は、５質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下とすることができるが、好ましくは２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である。Ｃａ及び選択添加元素の含有量の合計が５質量ｐｐｍ以上であるとループ高さＨやバンプ高さＬについて有意な向上を得ることができ、Ｃａ及び選択添加元素の含有量の合計が２０質量ｐｐｍ以上であるとその作用がより顕著となる。Ｃａ及び選択添加元素の含有量の合計が１５０質量ｐｐｍ以下であると真球度の高いＦＡＢを形成することができ、Ｃａ及び選択添加元素の含有量の合計が１００質量ｐｐｍ以下であると更に真球度の高いＦＡＢを形成することができる。
【００２８】
次に、このような構成のボンディングワイヤの製造方法の一例を説明する。
【００２９】
まず、純度９９．９９質量％以上のＡｕに、Ｃｕを０．１質量％以上５．０質量％以下、Ｃａの含有量が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下、選択添加元素の含有量が１質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下となるようにＣｕ、Ｃａ、選択添加元素を添加したＡｕ合金を作製する。得られたＡｕ合金は、連続鋳造法にて所定の直径の棒状インゴットに鋳造される。
【００３０】
次いで、棒状インゴットを伸線加工して所定の直径に達するまで縮径してボンディングワイヤとする。なお、必要に応じて伸線加工の途中で軟化熱処理を行っても良い。
【００３１】
そして、所定の直径まで伸線加工を行った後、必要に応じて熱処理炉中を走行させて調質熱処理を行い、ボンディングワイヤが得られる。
【００３２】
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】
【００３３】
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。【００３４】
純度９９．９９質量％以上のＡｕ、純度９９．９質量％以上のＣｕ、Ｃａ、Ｎｄ、Ｓｍ及びＧｄを用いて、下記表１に示すような組成のＡｕ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。作製した棒状インゴットに対して伸線加工を施して直径２０μｍに達するまで縮径し、その後、調質熱処理を施し、実施例１〜２３及び比較例１〜８のボンディングワイヤを得た。なお、実施例１〜２３及び比較例１〜８のボンディングワイヤの線径（直径）はいずれも２０μｍである。【００３５】
【表１】
0006926245.tif 000002
【００３６】
得られた実施例１〜２３及び比較例１〜８のボンディングワイヤにつき、（１）ＦＡＢ真球性、（２）ＦＡＢ接合部と電極との接合信頼性、（３）バンプ高さ、（４）チップ損傷、（５）電極のアルミスプラッシュ、について評価を行った。具体的な評価方法は以下のとおりである。【００３７】
（１）ＦＡＢ真球性
ワイヤボンダー（株式会社カイジョー製、ワイヤボンダーＦＢ−７８０）にてワイヤ直径の１．９〜２．１倍の大きさのＦＡＢを大気中で作製した。ＦＡＢ真球性の評価としては、実施例１〜２３及び比較例１〜８のボンディングワイヤ毎にＦＡＢを１００個ずつ作製した後、汎用型電子顕微鏡（日本電子（株）製、ＪＳＭ−６５１０ＬＡ）にて外観観察を行い、作製した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）の平均値が９０％以上１１０％以下であれば「真球性が高い」と判断し「◎」、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）の平均値が８５％以上９０％未満または１１０％を超えて１１５％以下であれば「真球性あり」と判断し「○」、上記以外もしくは目視して略円形でなければ「×」とした。【００３８】
（２）ＦＡＢ接合部と電極との接合信頼性
上記（１）で用いたワイヤボンダーを使用してワイヤ直径の１．９〜２．１倍の大きさのＦＡＢを大気中で作製し、作製したＦＡＢを半導体素子上のＡｌ電極上に接合した後、ボンディングワイヤを切断してＡｌ電極上にバンプを形成して熱処理前のサンプルを作製した。また、熱処理前のサンプルを更に２６０℃で５００時間熱処理したサンプルと、熱処理前のサンプルを１０００時間熱処理したサンプルを作製した。熱処理前のサンプルと２種類の熱処理後のサンプルそれぞれ３０個ずつについて、ボンドテスター２４００（ｄａｇｅ社製）にてバンプとＡｌ電極とのシェア強度を測定し、測定値の平均値から単位面積当たりのシェア強度を計算した。熱処理後のサンプルの単位面積当たりのシェア強度が熱処理前のサンプルの単位面積当たりのシェア強度以上であることを判断基準とし、１０００時間の熱処理後で判断基準を満たせば「接合強度の信頼性が非常に高い」と判断し「◎」、１０００時間の熱処理後では判断基準を満たさないが、５００時間の熱処理後で判断基準を満たす場合は「接合強度の信頼性がある」と判断し「○」、５００時間の熱処理後で判断基準を満たさない場合は「接合強度の信頼性が低い」と判断し「×」とした。【００３９】
（３）バンプ高さ
上記（１）で用いたワイヤボンダーを使用してワイヤ直径の１．９〜２．１倍の大きさのＦＡＢを大気中で作製し、作製したＦＡＢをＡｌ電極に接合した後、ボンディングワイヤを切断してＡｌ電極上にバンプを３０個作製した。作製したバンプを光学顕微鏡で観察してその高さを測定した。測定値の平均値が、５０μｍ未満であれば「◎」、５０μｍ以上６０μｍ未満であれば「○」、６０μｍ以上であれば「×」とした。【００４０】
（４）チップ損傷
上記（１）で用いたワイヤボンダーを使用してワイヤ直径の１．９〜２．１倍の大きさのＦＡＢを大気中で形成し、形成したＦＡＢをＳｉチップ上のＡｌ電極に接合したサンプルを作製した。作製したサンプルの電極膜（Ａｌ電極）を王水で溶解し、Ｓｉチップのクラックを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の接合部を観察して３μｍ以上のクラックがなく、かつ、３μｍ未満の微小なピットが１個もしくはまったく見られない場合は「◎」、３μｍ以上のクラックが２個以上５個未満の場合は実用上問題がないとして「〇」、３μｍ以上のクラックが５個以上の場合は「×」とした。【００４１】
（５）電極のアルミスプラッシュ
上記（１）で用いたワイヤボンダーを使用してワイヤ直径の１．９〜２．１倍の大きさのＦＡＢを大気中で形成し、形成したＦＡＢをＳｉチップ上のＡｌ電極に接合したサンプルを作製した。作製したサンプルの電極の外観を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。１００個の電極を観察して、ＦＡＢとの接合部周辺の電極にアルミニウムのめくれが見られない又は１個以上５個未満の場合は「◎」、５個以上１０個未満の場合は「〇」、１０個以上の場合は「×」とした。【００４２】
（６）総合評価
各評価で全て「◎」のものを「◎」、「○」が一つもしくは二つで他全て「◎」のものを「○」、「×」が一つでもあるものを「×」とした。なお、この評価において、「◎」のものは勿論のこと、「×」以外の「○」のものは、半導体素子の種類により接合条件に制約がない場合等の使用条件によれば、この発明の作用効果を発揮して使用し得る。
【００４３】
【表２】
0006926245.tif 000003
【００４４】
結果は、表２に示すとおりであり、実施例１〜２３では、全ての評価項目において「◎」又は「○」となり、いずれの評価項目も良好な結果が得られた。特に、Ｃｕの含有量が３質量％以下である実施例１〜１４、１７〜２３では電極のアルミスプラッシュが「◎」となり、Ｃｕの含有量が１質量％未満である実施例１〜１３、１７，１８ではチップ損傷及び電極のアルミスプラッシュの双方が「◎」となった。また、Ｃｕの含有量が０．３質量％以上である実施例１〜１６、１９〜２３では接合信頼性が「◎」となった。Ｃａと選択添加元素の含有量の合計が２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である実施例１〜７、９、１４〜２０、２２では、ＦＡＢ真球性及びバンプ高さの双方が「◎」となった。Ｃｕの含有量が０．３質量％以上１質量％未満、かつＣａと選択添加元素の含有量の合計が２０質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である実施例１〜７、９では全ての評価項目において「◎」となり優れたワイヤであった。【００４５】
一方、Ｃｕを含有しないかまたは含有量が０．１％に満たない比較例１及び２ではＦＡＢ接合部と電極との接合強度の信頼性が「×」となり、選択添加元素を含有しない比較例３や、Ｃａの含有量が１００質量ｐｐｍを越える比較例４や、選択添加元素の含有量が１００質量ｐｐｍを越える比較例５ではＦＡＢ真球性が「×」となり、Ｃａを含有しない比較例６ではバンプ高さが「×」となり、Ｃａと選択添加元素の総量が５ｐｐｍに満たない比較例７はバンプ高さが「×」となり、Ｃｕの含有量が５．０質量％を超える比較例８ではチップ損傷及び電極のアルミスプラッシュが「×」となった。
【符号の説明】
【００４６】
Ｗ…ボンディングワイヤ
１０、１０‘…電極
１２…ＦＡＢ接合部
１４…１ｓｔネック部
１６…２ｎｄ接合部
２０、２０’…電極
２２…バンプ
２４…ハンダ
【図１】
0006926245.tif 000004
【図２】
0006926245.tif 000005