耐酸化・接合性・長期信頼性に優れた高機能複層 Cu ボンディングワイヤ EX1 の開発
宇 野 智 裕1).

は じめにLSI(Large Scale Integrated Circuit)などの半導体実装では，半導体素子と外部端子の間の配線が必要であり，この配線にはこれまで主に，高純度の Au を線径 15 ～ 30 mm 程度の極細線としたボンディングワイヤ(以下，ワイヤと称す)が用いられてきた．ワイヤは配線自由度・作業性などに優れており，半導体実装技術を支える基幹部材として今後とも使用拡大が期待されている．最近では，携帯電話，デジタル家電の普及により，LSI の高機能・高密度小型化のニーズが高まっている．またハイブリッド車，電気自動車の電子制御を担う車載用 LSI では，高信頼化が強く求められている．これらの要求性能高度化の要請に対応し，ワイヤの開発においては高強度化，高温試験での長期信頼性確保などの高機能を，なるべく低コストで実現することが必要である．
1950 年代に米ベル研でトランジスタが開発されて以来，ワイヤの材質は一貫して Au が用いられてきた．一方，最近の Au 価格高騰，半導体当たりのワイヤ長さ増加などの背景により，Au を代替する素材開発が強く求められるようになってきている．Au 代替では，低コスト・高導電性の利点から Cu ワイヤが40年にわたって開発(1)(2)されてきたが，必要とされる使用性能が確保できないため，半導体の最大市場である LSI 用途で Cu ワイヤは実用化されていなかった．
本報告では，半導体業界の永年の念願であるワイヤ素材の脱 Au 化に応えるべく，新規開発した耐酸化・接合性・長期信頼性に優れ LSI 用途に使用可能な複層 Cu ボンディングワ
イヤ EX1 について，特性および改善機構などを紹介する．

.

寺 嶋 晋 一2)

木 村 圭 一2)

 アーに説明する(図)．専用ボンディング装置を用いて，◯
 半導体上のアルミ電極にボールク放電によるボール形成，◯
 ワイヤ変形によるループ形成，◯
接合(ファースト接合)，◯外部端子へのワイヤ接合(セカンド接合)，という一連の操作を繰り返す．接合を助長するため荷重・超音波振動が印加され，1 本当たり0.1秒以下の高速で接合されている．
 ボー
このようなプロセスで使用されるため，ワイヤには
ル真球性・対称性を確保するための放電時溶融・凝固の安定 ミリ単位の短時間で十分な接着強度に到達させる接制御，
 高速で安定した曲げ変形
合界面の拡散・金属接合の促進，
 高温・高湿なと直線性を両立する均質なワイヤ集合組織，
どの過酷な使用環境での長期信頼性，などを量産レベルで実現する事が求められる．このため溶接・固相接合・集合組織など材料単体の機能向上から，多種部材で組立てられた実装後の長期信頼性の確保まで，総合的な材料開発が必要となる．
上記性能がどれか一つでも基準を満足しなければ LSI への適用はできないが，従来の Cu ワイヤでは多くの技術課題が有り，実用化に至っていなかった．

.

Cu ワイヤの技術課題と新製品開発

従来の Cu ワイヤには以下の 4 つの大きな課題があった．
 酸化による短い製品寿命，◯
 接合性の低さ，◯
 ボー即ち，◯ 高温環境下での長期信頼性の欠ル形成時の水素ガス使用，◯如，である．従来は Cu 単層のワイヤ(以下，ベアCuと称す)

ボンディング技術とワイヤ要求性能

ワイヤ要求特性と関連の深い連続ボンディング工程を簡単
新日本製鐵株式会社技術開発本部 先端技術研究所
1)新材料研究部主幹研究員 2)新材料研究部主任研究員
Development of Enhanced Bondability and Reliability MultiLayer Cu Bonding Wire EX1; Tomohiro Uno, Shinichi Terashima and Keiich Kimura (Nippon Steel Corporation, Advanced
Technology Research Laboratories)
2010年10月28日受理



図1

LSI 実装内部およびワイヤボンディング工程．

新技術・新製品

が検討されていたが，この延長上では上記のいずれの課題も解決困難であった(2)．一方，複層構造のワイヤは，技術難度が高く商品化は困難とされていた．
我々は LSI 向けの厳しい要求を満足するためには，複層構造の Cu ワイヤの開発が必要と考え，これに挑戦した．素材選定，表面処理，表層構造などの材料設計から，顧客量産性，長期信頼性まで，総合的な材料技術開発に取り組んだ．
耐酸化性に有利である貴金属の中でも，アーク放電によるワイヤ溶融，接合性などの観点から， Pd を Cu ワイヤの表層に用いることに着想した．高融点・高電気抵抗など Pd の特異性が表層に特有の課題をブレークスルーする可能性に注目した．しかし Cu ワイヤに単に Pd 表層を形成するだけでは，ボール形成での真球性低下や内部気泡の発生，表層剥離など多くの問題が生じた．そこでそれぞれの不良発生機構を検討し，アーク放電の安定化，密着性向上などを実現できる表層の最適構造を明らかにしていった．この知見に基づき
Pd 表層の膜厚・組織の適正化(厚さ 0.1 mm 程度)， Pd / Cu
界面の拡散の活用，表層を薄く均一に加工する製造技術など独自の複層ワイヤ技術を開発し，世界で初めて LSI 向けの厳しい使用性能を満足できる， Pd 被覆された複層 Cu ワイ
ヤ(製品名EX1)の量産に成功した(3)(4)．

.

高機能複層 Cu ワイヤ EX1 の特徴

複層 Cu ワイヤ EX1 は，ベア Cu では解決不可能であった
 耐酸化付与によるワイヤ寿命向上，上記 4 課題を解決し，◯
 高い接合性，◯ ボール形成時の水素フリー化，◯
 高湿加熱◯環境下での接合信頼性向上を達成し，Au ワイヤと同等の高い性能を実現している(2)．以下，EX1 の特長を説明する．


接合信頼性の向上

車載用 LSI などの過酷な環境を模擬した高温・高湿評価
では，ワイヤとアルミ電極との接合部における不良が発生する場合が多い．Cu 酸化は水分により加速されるため，高湿加熱評価条件下における信頼性低下(6)はベア Cu ワイヤの実用化の大きな障害となっていた．
図に 121 °C 100  RH (相対湿度)の高湿加熱試験の結果を示す．評価手順は，ワイヤ接続→エポキシ樹脂封止→高湿加熱→樹脂除去→ボール接合部のシェア強度測定の順に行った．ベア Cu では 250 h 以下の短時間に強度が低下する．これに対し EX1 では， 1000 hr 程度まで強度が低下せず，接合信頼性が大幅に改善している(4)．この耐久性向上の原因を耐酸化と接合性向上

ベア Cu ワイヤの製品寿命が短い原因は，ワイヤ表面が酸化して，接合性が低下するためであった．図に，接続前にワイヤが大気中で保管された日数と，プル試験の破断強度(ワイヤ接続強度に該当)の関係(4)を示す．ベア Cu では初期の接合強度が低い事に加え，7 日程度の大気放置により酸化が進み，接合強度の低下，離などの不良が避けられない．
これに対し EX1 では，初期の接合強度が高いと共に，長期放置後に使用しても接合強度が低下せず， 90 日放置しても良好な接合性が確保されている．これは Pd 表層の最適な膜厚・構造により酸化抑制機能を効果的に引き出すことに成功したためであり，接合界面における接着強度の上昇，製品寿命の延長など，ベア Cu よりも著しく優れた性能を実証できた．また，高温，加湿環境に保管する劣化加速試験においても，EX1 の耐酸化性が優れていることが確認された．


トーチ電極側の Cu 表面にアークが拡張する事であり，ワイヤ表面の Cu 酸化物がアーク拡張を助長すると考察した．ベ
ア Cu では，アーク収縮効果のある水素が，偏芯抑制の観点からも必要である．
上記考察より，アーク放電がワイヤ表面性状に支配される機構に着目して開発を進めたが， Cu ワイヤの単なる Pd 処理ではボール形成は安定化しなかった．そこで更に Pd 表層の表面組成・組織の適正化を行い，アーク放電をワイヤ先端に効率的に集中させる技術を確立した．この結果 EX1 では，純 N2 中であっても図 3 に示す真球・対称性の良好なボールを安定して形成可能となり，これまで特殊ガスに頼っていたボール形成の改善に，ワイヤ表面改質が有効であることを実証できた．水素フリーで安定した真球を形成できる Cuワイヤ製品は，EX1 のみである．

図2

大気放置された Cu ワイヤのプル破断強度(線径25 mm，プル引張試験)．

図3

純 N2 ガス中でのボール形成とアーク放電挙動．

ボール形成ガスの水素フリー化

ベア Cu ワイヤではボール溶融時の酸化防止のため，アーク放電が生じるワイヤ先端に水素を含む特殊ガス( N2 ＋ 5 H2 )吹付けが必要であり(5)，コスト増加と安全管理の問題が有った．このため安価で作業性の高い純 N2 中における，安定したボール形成が切望されていた．
純 N2 雰囲気中で形成したボール形状を図に示す．ベア
Cu では，ワイヤに対するボール位置が非対称となる偏芯不良が多発し，純 N2 は使用不可である．この偏芯の原因は，

ま て り あ 第50巻 第 1 号(2011)Materia Japan

解明するため，加熱後の接合界面の断面 TEM 観察を行った．結果を図に示す．ベア Cu の接合部には，連続的なクラックが発生しており，強度低下の原因である事がわかった．またその近傍には Al 酸化物，塩素などの生成物が検出された．この結果からベア Cu の不良機構は，接合部に形成された Cu Al 系金属間化合物( Inter Metallic Compound:IMC)の一部が封止樹脂に含まれる不純物(塩素)と化学反応を起こす腐食が原因であることを究明した．封止樹脂に吸湿された水分が塩素イオンの移動を助長していると予想される．
一方 EX1 の接合界面では，クラック，ボイドは発生せず良好な界面形成が確認された． EX1 では，加熱中に接合界面に Pd 濃化層が形成され，この層の拡散バリア機能を有効に引き出すことで，被腐食 IMC の成長抑制，塩素侵入からの保護がなされ，接合信頼性を向上している．このように複層ワイヤ EX1 の開発では，ワイヤ表面の酸化防止だけでなく，接合部の長期信頼性を向上させる機能付与まで取り込んだ材料設計を行い，ベア Cu との差別化を図っている．

.

特許および実用化状況

新製品 EX1 の製品・用途等の特許を国内外合わせて 50件以上出願済み(7) である．国内 10 件が公開され，欧米・アジアを中心に多数の国にも出願されている．複層構造の基本特許の一部が国内 3 件(8)，海外 4 件で既に登録されている．
EX1 は新日鉄関連会社である日鉄マイクロメタルで量産製造され，世界各地で使用量が急激に伸びている．世界トップクラスの主要顧客の 20 工場以上に採用され，良好な使用実績を挙げており，LSI に使用可能な初めての Cu ワイヤとして認知されてきている．高密度多ピン系の最先端実装に線径 20 mm 以下の極細の EX1 が適用(図)されるなど，ベアCu では不可能だった高い使用性能が実証されている．

図6

表1

高湿加熱後の接合強度の変化(線径 25 mm ，汎用エポキシ樹脂封止)．

開発ワイヤ EX1 の主要特性(Au, Cu と対比)．
EX1

従来 CuAu

複 層

単 層単 層接合強度(相対値)1.31.8

11.8

大気放置寿命＞60日

7 日

90日

巻長さ～5000 m

5001000 m～5000 m

ボール形成ガス

純 N2

N 2＋ 5  H 2不要

接合信頼性(高湿)＞1000 h＜250 h＞1000 h

電気伝導度(相対値)

≧1.2

≧1.2

1ワイヤ

EX1 の開発によって複層 Cu ワイヤの高性能が実証されたため，LSI 用 Cu ワイヤ市場が急速に立ち上がると共に，Auから Cu への 40 年振りの転換が大幅に加速している．永年
2 以下と低調であった Cu ワイヤの市場シェアは最近急増し， 2013 年頃にシェア 50 に達するとの業界予測(9) も出されている(図)．

まとめと今後の展望

新製品 EX1 は，世界で初めて最先端の超高密度 LSI に量産採用された Cu ボンディングワイヤである． Pd 被覆の最適化を含めた EX1 の複層構造制御は，従来のベア Cu ワイ
ヤでは改善困難であった耐酸化・接合性・長期信頼性等の相反する特性を大幅に向上する事を可能とした(表)．現行
Au ワイヤと同等の高機能を 1 / 4 程度の低価格で実現する
EX1 の採用は，LSI 製造コストの削減に大きく貢献できる．
また今後の展望では， Au より 2 割高い EX1 の電気伝導性，高い耐熱性と耐久性などの優れた性能を活かし，低炭素社会に向けて注目されるパワー系半導体や，今後益々成長する LED 分野での導入促進も見込まれている．

文

図5




高湿加熱後のボール接合界面の TEM 観察(加熱時間400 hr)．

Cu ワイヤの市場シェア予測(9)．

主要特性

.

図4

開 発 品 EX1 の 実 用 例 図 7(線径 18 mm，ワイヤ間隔 50 mm，多段接続)．

献( 1 ) J. Hirota, et al.: Proc. 35th ECTC, (1985), 116121.
( 2 ) I. Singh, et al.: Proc. 55th ECTC, (2005), 843
847.
( 3 ) 宇野智裕他電子材料(2008)8 月号別冊，8083.
( 4 ) T. Uno, et al.: Proc. 59th ECTC, (2009), 14861495.
( 5 ) H. Ho, et al.: Proc. 7th EPTC, (2005), 292
297.
( 6 ) C. Tan, et al.: Appl. Surf. Sci., (2002), 6273.
( 7 ) 特願 2002
527565，特願 20076446 他．
( 8 ) 特許番号 JP4542203，特許番号 JP4554724 他．
( 9 ) 半導体産業新聞，特集記事(2010.9.8).

新技術・新製品