特開 2016-164991 半導体装置用ボンディングワイヤ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-164991(P2016-164991A)

(43)【公開日】2016年9月8日

(54)【発明の名称】半導体装置用ボンディングワイヤ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20160815BHJP

   C22C 9/00 20060101ALI20160815BHJP

   C22C 9/06 20060101ALI20160815BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 301F

   C22C9/00

   C22C9/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-65087(P2016-65087)

(22)【出願日】2016年3月29日

(62)【分割の表示】特願2015-532223(P2015-532223)の分割

【原出願日】2015年6月5日

(31)【優先権主張番号】特願2015-36342(P2015-36342)

(32)【優先日】2015年2月26日

(33)【優先権主張国】JP

(71)【出願人】

【識別番号】595179228

【氏名又は名称】日鉄住金マイクロメタル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】306032316

【氏名又は名称】新日鉄住金マテリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小田 大造

(72)【発明者】

【氏名】江藤 基稀

(72)【発明者】

【氏名】山田 隆

(72)【発明者】

【氏名】榛原 照男

(72)【発明者】

【氏名】大石 良

(72)【発明者】

【氏名】宇野 智裕

(72)【発明者】

【氏名】小山田 哲哉

【テーマコード（参考）】

5F044

【Ｆターム（参考）】

5F044AA01

5F044AA02

5F044BB09

5F044FF02

5F044FF06

5F044FF10

(57)【要約】

【課題】表面にＰｄ被覆層を有するＣｕボンディングワイヤにおいて、高温高湿環境でのボール接合部の接合信頼性を改善し、車載用デバイスに好適なボンディングワイヤを提供する。
【解決手段】Ｃｕ合金芯材と、前記Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有する半導体装置用ボンディングワイヤにおいて、ボンディングワイヤがＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１〜１．２質量％であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃｕ合金芯材と、前記Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有する半導体装置用ボンディングワイヤにおいて、
前記ボンディングワイヤがＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１〜１．２質量％であることを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。

【請求項2】

前記Ｃｕ合金芯材がＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、前記Ｃｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度がそれぞれ０．０５〜１．２質量％であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。

【請求項3】

前記Ｐｄ被覆層上にさらにＡｕ表皮層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。

【請求項4】

前記Ａｕ表皮層の厚さが０．０００５〜０．０５０μｍであることを特徴とする請求項３記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。

【請求項5】

前記ボンディングワイヤがさらにＢ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、ワイヤ全体に対する前記元素の濃度がそれぞれ１〜１００質量ｐｐｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。

【請求項6】

前記ボンディングワイヤ表面の結晶方位を測定したときの測定結果において、前記ボンディングワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１１１＞の存在比率が面積率で３０〜１００％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の半導体装置用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、半導体素子上の電極と外部リード等の回路配線基板の配線とを接続するために利用される半導体装置用ボンディングワイヤに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、半導体素子上の電極と外部リードとの間を接合する半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、「ボンディングワイヤ」という）として、線径１５〜５０μｍ程度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方法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、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冶具等が用いられる。ボンディングワイヤの接合プロセスは、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（ＦＡＢ：Free Air Ball）を形成した後に、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（以下、「ボール接合」という）し、次にループを形成した後、外部リード側の電極にワイヤ部を圧着接合（以下、「ウェッジ接合」という）することで完了する。ボンディングワイヤの接合相手である半導体素子上の電極にはＳｉ基板上にＡｌを主体とする合金を成膜した電極構造、外部リード側の電極にはＡｇめっきやＰｄめっきを施した電極構造等が用いられる。

【0003】

これまでボンディングワイヤの材料はＡｕが主流であったが、ＬＳＩ用途を中心にＣｕへの代替が進んでいる。一方、近年の電気自動車やハイブリッド自動車の普及を背景に、車載用デバイス用途においてもＡｕからＣｕへの代替に対するニーズが高まっている。

【0004】

Ｃｕボンディングワイヤについては、高純度Ｃｕ（純度：９９．９９質量％以上）を使用したものが提案されている（例えば、特許文献１）。ＣｕはＡｕに比べて酸化され易い欠点があり、接合信頼性、ボール形成性、ウェッジ接合性等が劣る課題があった。Ｃｕボンディングワイヤの表面酸化を防ぐ方法として、Ｃｕ芯材の表面をＡｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｔｉなどの金属で被覆した構造が提案されている（特許文献２）。また、Ｃｕ芯材の表面にＰｄを被覆し、その表面をＡｕ，Ａｇ、Ｃｕ又はこれらの合金で被覆した構造が提案されている（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６１−４８５４３号公報

【特許文献2】特開２００５−１６７０２０号公報

【特許文献3】特開２０１２−３６４９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

車載用デバイスは一般的な電子機器に比べて、過酷な高温高湿環境下での接合信頼性が求められる。特に、ワイヤのボール部を電極に接合したボール接合部の接合寿命が最大の問題となる。高温高湿環境下での接合信頼性を評価する方法はいくつかの方法が提案されており、代表的な評価法として、ＨＡＳＴ（Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test）（高温高湿環境暴露試験）がある。ＨＡＳＴによってボール接合部の接合信頼性を評価する場合、評価用のボール接合部を温度が１３０℃、相対湿度が８５％の高温高湿環境に暴露し、接合部の抵抗値の経時変化を測定したり、ボール接合部のシェア強度の経時変化を測定したりすることで、ボール接合部の接合寿命を評価する。最近は、このような条件でのＨＡＳＴにおいて１００時間以上の接合寿命が要求されるようになっている。

【0007】

従来のＰｄ被覆層を有するＣｕボンディングワイヤを用いて純Ａｌ電極と接合を行い、１ｓｔ接合はボール接合、２ｎｄ接合はウェッジ接合とし、モールド樹脂で封止した後、上記ＨＡＳＴ条件での評価を行ったところ、ボール接合部の接合寿命が１００時間未満となる場合があり、車載用デバイスで要求される接合信頼性が十分ではないことがわかった。

【0008】

本発明は、表面にＰｄ被覆層を有するＣｕボンディングワイヤにおいて、高温高湿環境でのボール接合部の接合信頼性を改善し、車載用デバイスに好適な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】

すなわち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）Ｃｕ合金芯材と、前記Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有する半導体装置用ボンディングワイヤにおいて、
前記ボンディングワイヤがＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１〜１．２質量％であり、前記Ｐｄ被覆層の厚さが０．０１５〜０．１５０μｍである
ことを特徴とする半導体装置用ボンディングワイヤ。
（２）前記Ｃｕ合金芯材がＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、前記Ｃｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度がそれぞれ０．０５〜１．２質量％であることを特徴とする上記（１）記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（３）前記Ｐｄ被覆層上にさらにＡｕ表皮層を有することを特徴とする上記（１）又は（２）記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（４）前記Ａｕ表皮層の厚さが０．０００５〜０．０５０μｍであることを特徴とする上記（３）記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（５）前記ボンディングワイヤがさらにＢ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、ワイヤ全体に対する前記元素の濃度がそれぞれ１〜１００質量ｐｐｍであることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
（６）前記ボンディングワイヤ表面の結晶方位を測定したときの測定結果において、前記ボンディングワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１１１＞の存在比率が面積率で３０〜１００％であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか１項記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、Ｃｕ合金芯材と、Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有する半導体装置用ボンディングワイヤにおいて、ボンディングワイヤがＩｎを０．０１１〜１．２質量％含むことにより、高温高湿環境下でのボール接合部の接合寿命を向上し、接合信頼性を改善することができる。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明のボンディングワイヤは第１に、Ｃｕ合金芯材と、前記Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有する半導体装置用ボンディングワイヤにおいて、ボンディングワイヤがＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１〜１．２質量％であり、前記Ｐｄ被覆層の厚さが０．０１５〜０．１５０μｍである。これによりボンディングワイヤは、車載用デバイスで要求される高温高湿環境でのボール接合部の接合信頼性を改善することができる。

【0012】

本発明のボンディングワイヤを用いて、アーク放電によってボールを形成すると、ボンディングワイヤが溶融して凝固する過程で、ボールの表面にボールの内部よりもＰｄの濃度が高い合金層が形成される。このボールを用いてＡｌ電極と接合を行い、高温高湿試験を実施すると、接合界面にはＰｄが濃化した状態となる。このＰｄが濃化して形成された濃化層は、高温高湿試験中の接合界面におけるＣｕ、Ａｌの拡散を抑制し、易腐食性化合物の成長速度を低下させることができる。これによりボンディングワイヤは、接合信頼性を向上することができる。一方、Ｐｄ被覆層の厚さが０．０１５μｍ未満の場合、上記濃化層が十分に形成されず、接合信頼性を向上することができない。Ｐｄ被覆層の厚さは０．０２μｍ以上であるとより好ましい。一方、Ｐｄ被覆層厚さが０．１５０μｍを超えると、ＦＡＢ形状が悪化する傾向が顕著になるため、上限を０．１５０μｍとした。

【0013】

ボールの表面に形成されたＰｄの濃度が高い合金層は、耐酸化性に優れるため、ボール形成の際にボンディングワイヤの中心に対してボールの形成位置がずれる等の不良を低減することができる。

【0014】

本発明はさらに、ボンディングワイヤがＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１質量％以上であることで、温度が１３０℃、相対湿度が８５％の高温高湿環境下でのボール接合部の接合寿命をさらに向上することができる。

【0015】

Ｉｎを含有したＰｄ被覆Ｃｕボンディングワイヤを用いてボール部を形成し、ＦＡＢを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察したところ、ＦＡＢの表面に直径数十ｎｍφ程度の析出物が多数見られた。析出物をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）で分析するとＩｎが濃化していることが確認された。以上のような状況から、詳細なメカニズムは不明だが、ＦＡＢに観察されるこの析出物がボール部と電極との接合界面に存在することで、温度が１３０℃、相対湿度が８５％の高温高湿環境でのボール接合部の接合信頼性が向上しているものと思われる。ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０３１質量％以上であるとより好ましい。Ｉｎの濃度が０．０３１質量％以上であると、高温高湿環境下でのボール接合部の接合寿命をより向上させることができる。また、Ｉｎ含有量が０．１００質量％以上であるとさらに好ましい。Ｉｎの濃度が０．１００質量％以上であると、高温高湿環境下でのボール接合部の接合寿命をさらに向上させることができ、より厳しい接合信頼性に対する要求に対応することができる。

【0016】

半導体装置のパッケージであるモールド樹脂（エポキシ樹脂）には、分子骨格に塩素（Ｃｌ）が含まれている。ＨＡＳＴ評価条件である１３０℃、相対湿度が８５％の高温高湿環境下では、分子骨格中のＣｌが加水分解して塩化物イオン（Ｃｌ^-）として溶出する。ＣｕボンディングワイヤをＡｌ電極に接合した場合、Ｃｕ／Ａｌ接合界面が高温下に置かれると、ＣｕとＡｌが相互拡散し、最終的に金属間化合物であるＣｕ₉Ａｌ₄が形成される。Ｃｕ₉Ａｌ₄はＣｌなどのハロゲンによる腐食を受けやすく、モールド樹脂から溶出したＣｌによって腐食が進行し、接合信頼性の低下につながる。ＣｕワイヤがＰｄ被覆層を有する場合には、Ｐｄ被覆ＣｕワイヤとＡｌ電極の接合界面はＣｕ／Ｐｄ濃化層／Ａｌという構造になるため、Ｃｕワイヤに比較するとＣｕ₉Ａｌ₄金属間化合物の生成は抑制されるものの、車載用デバイスで要求される高温高湿環境での接合信頼性としては不十分であった。

【0017】

それに対し、本発明のようにＰｄ被覆Ｃｕワイヤ中にＩｎが含有されていると、接合部におけるＣｕ₉Ａｌ₄金属間化合物の生成がさらに抑制される傾向にあると考えられる。ボール接合部のＦＡＢ形成時に、ワイヤ中のＩｎはＰｄ被覆層にも拡散する。ボール接合部におけるＣｕとＡｌ界面のＰｄ濃化層に存在するＩｎが、ＣｕとＡｌの相互拡散を抑制する効果があり、結果としてＣｕ₉Ａｌ₄の生成を抑制するものと思われる。また、ワイヤに含まれるＩｎがＣｕ₉Ａｌ₄の形成を直接阻害する効果がある可能性もある。

【0018】

Ｉｎの存在部位としてはＣｕ芯材中が好ましいが、Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層に含まれることでも十分な作用効果が得られる。Ｃｕ芯材中にＩｎを添加する方法は正確な濃度管理が容易であり、ワイヤ生産性、品質安定性が向上する。また、熱処理による拡散等でＩｎの一部がＰｄ被覆層やＡｕ表皮層にも含有することで、各層界面の密着性が良化して、ワイヤ生産性をさらに向上させることも可能である。

【0019】

一方で、ワイヤ中のＩｎ含有量が過剰となり、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が１．２質量％より大きくなると、ＦＡＢ形状が悪化すると共に、ボンディングワイヤが硬質化してワイヤ接合部の変形が不十分となり、ウェッジ接合性の低下が問題となる。

【0020】

因みに、Ｐｄ被覆層の最表面にＣｕが存在する場合がある。Ｃｕの濃度が３０原子％以上になると、ワイヤ表面の耐硫化性が低下し、ボンディングワイヤの使用寿命が低下するため実用に適さない場合がある。したがって、Ｐｄ被覆層の最表面にＣｕが存在する場合、Ｃｕの濃度は３０原子％未満であることが好ましい。ここで、最表面とは、スパッタ等を実施しない状態で、ボンディングワイヤの表面をオージェ電子分光装置によって測定した領域をいう。

【0021】

半導体装置のパッケージであるモールド樹脂（エポキシ樹脂）には、シランカップリング剤が含まれている。シランカップリング剤は有機物（樹脂）と無機物（シリコンや金属）の密着性を高める働きを有しているため、シリコン基板や金属との密着性を向上させることができる。さらに、より高温での信頼性が求められる車載向け半導体など、高い密着性が求められる場合には「イオウ含有シランカップリング剤」が添加される。モールド樹脂に含まれるイオウは、ＨＡＳＴでの温度条件である１３０℃程度では遊離しないが、１７５℃〜２００℃以上の条件で使用すると遊離してくる。そして、１７５℃以上の高温で遊離したイオウがＣｕと接触すると、Ｃｕの腐食が激しくなり、硫化物（Ｃｕ₂Ｓ）や酸化物（ＣｕＯ）が生成する。Ｃｕボンディングワイヤを用いた半導体装置でＣｕの腐食が生成すると、特にボール接合部の接合信頼性が低下することとなる。

【0022】

１７５℃以上の高温環境でのボール接合部信頼性を評価する手段として、ＨＴＳ（High Temperature Storage Test）（高温放置試験）が用いられる。高温環境に暴露した評価用のサンプルについて、接合部の抵抗値の経時変化を測定したり、ボール接合部のシェア強度の経時変化を測定したりすることで、ボール接合部の接合寿命を評価する。近年車載用の半導体装置においては、１７５℃〜２００℃のＨＴＳでのボール接合部の信頼性向上が求められている。

【0023】

本発明のボンディングワイヤは、Ｃｕ合金芯材が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、Ｃｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度がそれぞれ０．０５〜１．２質量％であると好ましい。Ｃｕ合金芯材がこれら元素を含有することにより、ボール接合部の高温環境での接合信頼性のうち、１７５℃以上のＨＴＳでの成績が改善する。Ｃｕ合金芯材に含まれるこれら成分の濃度がそれぞれ０．０５質量％未満では上記の効果が得られず、１．２質量％より高くなると、ＦＡＢ形状が悪化すると共に、ボンディングワイヤが硬質化してワイヤ接合部の変形が不十分となり、ウェッジ接合性の低下が問題となる。さらに、上記元素を上記含有量範囲で含有することにより、ループ形成性を向上、すなわち高密度実装で問題となるリーニングを低減することができる。これは、Ｃｕ合金芯材がＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉを含むことにより、ボンディングワイヤの降伏強度が向上し、ボンディングワイヤの変形を抑制することができるためである。Ｃｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度は、より好ましくは０．１質量％以上、０．２質量％以上、０．３質量％以上、又は０．５質量％以上である。また、Ｃｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度は、より好ましくは１質量％以下、又は０．８質量％以下である。なお、ボンディングワイヤ製品からＣｕ合金芯材に含まれる前記元素の濃度を求める方法としては、例えば、ボンディングワイヤの断面を露出させて、Ｃｕ合金芯材の領域について濃度分析する方法、ボンディングワイヤの表面から深さ方向に向かってスパッタ等で削りながら、Ｃｕ合金芯材の領域について濃度分析する方法が挙げられる。例えば、Ｃｕ合金芯材がＰｄの濃度勾配を有する領域を含む場合には、ボンディングワイヤの断面を線分析し、Ｐｄの濃度勾配を有しない領域（例えば、深さ方向へのＰｄの濃度変化の程度が０．１μｍ当たり１０ｍｏｌ％未満の領域）について濃度分析すればよい。濃度分析の手法については後述する。

【0024】

本発明のボンディングワイヤは、Ｐｄ被覆層上にさらにＡｕ表皮層を有していてもよい。例えば、本発明のボンディングワイヤは、Ｐｄ被覆層の表面にさらにＡｕ表皮層を０．０００５〜０．０５０μｍ形成することとしてもよい。これによりボンディングワイヤはウェッジ接合性を改善することができる。

【0025】

Ａｕ表皮層は、Ｐｄ被覆層と反応して、Ａｕ表皮層、Ｐｄ被覆層、Ｃｕ合金芯材間の密着強度を高め、ウェッジ接合時のＰｄ被覆層やＡｕ表皮層の剥離を抑制することができる。これによりボンディングワイヤは、ウェッジ接合性を改善することができる。Ａｕ表皮層の厚さが０．０００５μｍ未満では上記の効果が得られず、０．０５０μｍより厚くなるとＦＡＢ形状が偏芯する。Ａｕ表皮層の厚さは、好ましくは０．０００５μｍ以上、より好ましくは０．００１μｍ以上、０．００３μｍ以上、又は０．００５μｍ以上である。また、Ａｕ表皮層の厚さは、好ましくは０．０５０μｍ以下である。なおＡｕ表皮層は、Ｐｄ被覆層と同様の方法により形成することができる。

【0026】

因みに、Ａｕ表皮層の最表面にＣｕが存在する場合がある。Ｃｕの濃度が３５原子％以上になると、ワイヤ表面の耐硫化性が低下し、ボンディングワイヤの使用寿命が低下するため実用に適さない場合がある。したがって、Ａｕ表皮層の最表面にＣｕが存在する場合、Ｃｕの濃度は３５原子％未満であることが好ましい。ここで、最表面とは、スパッタ等を実施しない状態で、ボンディングワイヤの表面をオージェ電子分光装置によって測定した領域をいう。

【0027】

ボンディングワイヤはさらにＢ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、ワイヤ全体に対する前記元素の濃度がそれぞれ１〜１００質量ｐｐｍであることにより、高密度実装に要求されるボール接合部のつぶれ形状を改善、すなわちボール接合部形状の真円性を改善することができる。これは、前記元素を添加することにより、ボールの結晶粒径を微細化でき、ボールの変形が抑制できるためである。ワイヤ全体に対する前記元素の濃度が１質量ｐｐｍ未満では上記の効果が得られず、１００質量ｐｐｍより大きくなるとボールが硬質化し、ボール接合時のチップダメージが問題となるため実用に適さない。ワイヤ全体に対する前記元素の濃度はそれぞれ、より好ましくは３質量ｐｐｍ以上、又は５質量ｐｐｍ以上である。ワイヤ全体に対する前記元素の濃度はそれぞれ、より好ましくは９５質量ｐｐｍ以下、９０質量ｐｐｍ以下、８５質量ｐｐｍ以下、又は８０質量ｐｐｍ以下である。

【0028】

なおボンディングワイヤのＣｕ合金芯材、Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の界面には、製造工程での熱処理等によって原子が拡散し、濃度勾配を有する合金層が形成される場合がある。上記のような場合、Ｃｕ合金芯材とＰｄ被覆層の境界は、Ｐｄ濃度を基準に判定し、Ｐｄ濃度が５０原子％を境界として、Ｐｄ濃度が５０原子％以上の領域をＰｄ被覆層、５０原子％未満の領域をＣｕ合金芯材と判定した。この根拠は、Ｐｄ濃度が５０原子％以上であればＰｄ被覆層の構造から特性の改善効果が期待できるためである。また、Ｐｄ被覆層とＡｕ表皮層の境界は、Ａｕ濃度を基準に判定した。Ａｕ濃度が１０原子％を境界とし、Ａｕ濃度が１０原子％以上の領域をＡｕ表皮層、１０原子％未満の領域をＰｄ被覆層と判定した。この根拠は、Ａｕ濃度が１０原子％以上であればＡｕ表皮層の構造から特性の改善効果が期待できるためである。

【0029】

Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の濃度分析、Ｃｕ合金芯材中のＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉの濃度分析には、ボンディングワイヤの表面から深さ方向に向かってスパッタ等で削りながら分析を行う方法、あるいはワイヤ断面を露出させて線分析、点分析等を行う方法が有効である。これらの濃度分析に用いる解析装置は、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡に備え付けたオージェ電子分光分析装置、エネルギー分散型Ｘ線分析装置、電子線マイクロアナライザ等を利用することができる。ワイヤ断面を露出させる方法としては、機械研磨、イオンエッチング法等を利用することができる。また、Ｉｎ、Ｂ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅなどの微量成分については、ＩＣＰ発光分光分析装置やＩＣＰ質量分析装置を利用して、ボンディングワイヤ全体に含まれる元素の濃度として分析することができる。

【0030】

ボンディングワイヤの表面における、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率が面積率で３０〜１００％であると、ループ形成性を向上、すなわち高密度実装で問題となるリーニングを低減することができる。表面結晶方位が揃っていれば、横方向の変形に対して強くなり、横方向の変形を抑制するため、リーニング不良を抑制することができるからである。したがって一実施形態において、ボンディングワイヤ表面の結晶方位を測定したときの測定結果において、前記ボンディングワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以下である結晶方位＜１１１＞の存在比率が面積率で３０〜１００％である。リーニング不良を抑制する観点から、上記結晶方位＜１１１＞の存在比率は面積率で、より好ましくは３５％以上、さらに好ましくは４０％以上、４５％以上、５０％以上、又は５５％以上である。

【0031】

（製造方法）
次に本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの製造方法を説明する。ボンディングワイヤは、芯材に用いるＣｕ合金を製造した後、ワイヤ状に細く加工し、Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成して、熱処理することで得られる。Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成後、再度伸線と熱処理を行う場合もある。Ｃｕ合金芯材の製造方法、Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の形成方法、熱処理方法について詳しく説明する。

【0032】

芯材に用いるＣｕ合金は、原料となるＣｕと添加する元素を共に溶解し、凝固させることによって得られる。溶解には、アーク加熱炉、高周波加熱炉、抵抗加熱炉等を利用することができる。大気中からのＯ₂、Ｈ₂等のガスの混入を防ぐために、真空雰囲気あるいはＡｒやＮ₂等の不活性雰囲気中で溶解を行うことが好ましい。

【0033】

Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層をＣｕ合金芯材の表面に形成する方法は、めっき法、蒸着法、溶融法等がある。めっき法は、電解めっき法、無電解めっき法のどちらも適用可能である。ストライクめっき、フラッシュめっきと呼ばれる電解めっきでは、めっき速度が速く、下地との密着性も良好である。無電解めっきに使用する溶液は、置換型と還元型に分類され、厚さが薄い場合には置換型めっきのみでも十分であるが、厚さが厚い場合には置換型めっきの後に還元型めっきを段階的に施すことが有効である。

【0034】

蒸着法では、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着等の物理吸着と、プラズマＣＶＤ等の化学吸着を利用することができる。いずれも乾式であり、Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層形成後の洗浄が不要であり、洗浄時の表面汚染等の心配がない。

【0035】

Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の形成に対しては、最終線径まで伸線後に形成する手法と、太径のＣｕ合金芯材に形成してから狙いの線径まで複数回伸線する手法とのどちらも有効である。前者の最終径でＰｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成する場合には、製造、品質管理等が簡便である。後者のＰｄ被覆層、Ａｕ表皮層と伸線を組み合わせる場合には、Ｃｕ合金芯材との密着性が向上する点で有利である。それぞれの形成法の具体例として、最終線径のＣｕ合金芯材に、電解めっき溶液の中にワイヤを連続的に掃引しながらＰｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成する手法、あるいは、電解又は無電解のめっき浴中に太いＣｕ合金芯材を浸漬してＰｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成した後に、ワイヤを伸線して最終線径に到達する手法等が挙げられる。

【0036】

Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層を形成した後は、熱処理を行う場合がある。熱処理を行うことでＡｕ表皮層、Ｐｄ被覆層、Ｃｕ合金芯材の間で原子が拡散して密着強度が向上するため、加工中のＡｕ表皮層やＰｄ被覆層の剥離を抑制でき、生産性が向上する点で有効である。大気中からのＯ₂の混入を防ぐために、真空雰囲気あるいはＡｒやＮ₂等の不活性雰囲気中で熱処理を行うことが好ましい。

【0037】

ボンディングワイヤの表面における、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率を面積率で３０〜１００％にする方法は以下のとおりである。即ち、Ｐｄ被覆層形成後またはＰｄ被覆層とＡｕ表皮層を形成後の加工率を大きくすることで、ワイヤ表面上の方向性を有する集合組織（伸線方向に結晶方位が揃った集合組織）を発達させることができる。具体的には、Ｐｄ被覆層形成後またはＰｄ被覆層とＡｕ表皮層を形成後の加工率を９０％以上にすることで、ボンディングワイヤの表面におけるワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率を面積率で３０％以上とすることができる。ここで、「加工率（％）＝（加工前のワイヤ断面積−加工後のワイヤ断面積）／加工前のワイヤ断面積×１００」で表される。

【0038】

ワイヤの表面における、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率（面積率）を求めるには、ワイヤ表面を観察面として結晶組織の評価を行う。評価手法として、後方散乱電子線回折法（ＥＢＳＤ、Electron Backscattered Diffraction）を使用できる。ＥＢＳＤ法は観察面の結晶方位を観察し、隣り合う測定点間での結晶方位の角度差を図示出来るという特徴を有し、ボンディングワイヤのような細線であっても、比較的簡便ながら精度よく結晶方位を観察できる。

【0039】

表面＜１１１＞方位比率は、専用ソフトにより特定できた全結晶方位を母集団として、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率（面積率）を算出することにより求められる。

【0040】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

【実施例】

【0041】

以下では、実施例を示しながら、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤについて、具体的に説明する。

【0042】

（サンプル）
まずサンプルの作製方法について説明する。芯材の原材料となるＣｕは純度が９９．９９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。Ｉｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅは純度が９９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。芯材のＣｕ合金組成が目的のものとなるように、添加元素であるＩｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅを調合する。Ｉｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅの添加に関しては、単体での調合も可能であるが、単体で高融点の元素や添加量が極微量である場合には、添加元素を含むＣｕ母合金をあらかじめ作製しておいて目的の添加量となるように調合しても良い。

【0043】

芯材のＣｕ合金は、直径がφ３〜８ｍｍの円柱型に加工したカーボンるつぼに原料を装填し、高周波炉を用いて、真空中もしくはＮ₂やＡｒガス等の不活性雰囲気で１０９０〜１３００℃まで加熱して溶解させた後、炉冷を行うことで製造した。得られたφ３〜８ｍｍの合金に対して、引抜加工を行ってφ０．３〜１．４ｍｍのワイヤを作製した。伸線には市販の潤滑液を用い、伸線速度は２０〜４００ｍ／分とした。ワイヤ表面の酸化膜を除去するために、硫酸による酸洗処理を行った後、芯材のＣｕ合金の表面全体を覆うようにＰｄ被覆層を１〜１５μｍ形成した。さらに、一部のワイヤはＰｄ被覆層の上にＡｕ表皮層を０．０１〜１．５μｍ形成した。Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の形成には電解めっき法を用いた。めっき液は市販の半導体用めっき液を用いた。その後、２００〜７００℃の熱処理と伸線加工を繰返し行うことによって直径２０μｍまで加工した。加工後は最終的に破断伸びが約７〜１５％になるようＮ₂もしくはＡｒガスを流しながら熱処理をした。熱処理方法はワイヤを連続的に掃引しながら行い、Ｎ₂もしくはＡｒガスを流しながら行った。ワイヤの送り速度は１０〜２００ｍ／分、熱処理温度は２００〜７００℃で熱処理時間は０．０５〜１．５秒とした。

【0044】

Ｐｄ被覆層形成後またはＰｄ被覆層とＡｕ表皮層を形成後の加工率を調整することにより、ボンディングワイヤの表面における、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５度以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率（面積率）を調整した。

【0045】

Ｉｎ、Ｂ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅについては、ＩＣＰ発光分光分析装置を利用して、ボンディングワイヤ全体に含まれる元素の濃度として分析した。

【0046】

Ｐｄ被覆層、Ａｕ表皮層の濃度分析、Ｃｕ合金芯材中のＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉの濃度分析には、ボンディングワイヤの表面から深さ方向に向かってスパッタ等で削りながらオージェ電子分光分析を実施した。得られた深さ方向の濃度プロファイルから、Ｐｄ被覆層厚、Ａｕ表皮層厚、Ｃｕ合金芯材中のＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉの濃度を求めた。

【0047】

上記の手順で作製した各サンプルの構成を表１に示す。表１において、本発明の範囲から外れる項目にアンダーラインを付している。

【0048】

（評価方法）
ワイヤ表面を観察面として、結晶組織の評価を行った。評価手法として、後方散乱電子線回折法（ＥＢＳＤ、Electron Backscattered Diffraction）を用いた。ＥＢＳＤ法は観察面の結晶方位を観察し、隣り合う測定点間での結晶方位の角度差を図示出来るという特徴を有し、ボンディングワイヤのような細線であっても、比較的簡便ながら精度よく結晶方位を観察できる。

【0049】

ワイヤ表面のような曲面を対象として、ＥＢＳＤ法を実施する場合には注意が必要である。曲率の大きい部位を測定すると、精度の高い測定が困難になる。しかしながら、測定に供するボンディングワイヤを平面に直線上に固定し、そのボンディングワイヤの中心近傍の平坦部を測定することで、精度の高い測定をすることが可能である。具体的には、次のような測定領域にすると良い。円周方向のサイズはワイヤ長手方向の中心を軸として線径の５０％以下とし、ワイヤ長手方向のサイズは１００μｍ以下とする。好ましくは、円周方向のサイズは線径の４０％以下とし、ワイヤ長手方向のサイズは４０μｍ以下とすれば、測定時間の短縮により測定効率を高められる。更に精度を高めるには、３箇所以上測定し、ばらつきを考慮した平均情報を得ることが望ましい。測定場所は近接しないように、１ｍｍ以上離すと良い。

【0050】

表面＜１１１＞方位比率は、専用ソフトにより特定できた全結晶方位を母集団として、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以内までを含む結晶方位＜１１１＞の存在比率（面積率）を算出することにより求めた。

【0051】

高温高湿環境又は高温環境でのボール接合部の接合信頼性は、接合信頼性評価用のサンプルを作製し、ＨＡＳＴ及びＨＴＳ評価を行い、それぞれの試験におけるボール接合部の接合寿命によって判定した。接合信頼性評価用のサンプルは、一般的な金属フレーム上のＳｉ基板に厚さ０．８μｍのＡｌ−１．０％Ｓｉ−０．５％Ｃｕの合金を成膜して形成した電極に、市販のワイヤーボンダーを用いてボール接合を行い、市販のモールド樹脂によって封止して作製した。ボールはＮ₂＋５％Ｈ₂ガスを流量０．４〜０．６Ｌ／ｍｉｎで流しながら形成させ、その大きさはφ３４μｍとした。

【0052】

ＨＡＳＴ評価については、作製した接合信頼性評価用のサンプルを、不飽和型プレッシャークッカー試験機を使用し、温度１３０℃、相対湿度８５％の高温高湿環境に暴露し、５Ｖのバイアスをかけた。ボール接合部の接合寿命は４８時間毎にボール接合部のシェア試験を実施し、シェア強度の値が初期に得られたシェア強度の１／２となる時間とした。高温高湿試験後のシェア試験は、酸処理によって樹脂を除去して、ボール接合部を露出させてから行った。

【0053】

ＨＡＳＴ評価のシェア試験機はＤＡＧＥ社製の試験機を用いた。シェア強度の値は無作為に選択したボール接合部の１０か所の測定値の平均値を用いた。上記の評価において、接合寿命が９６時間未満であれば実用上問題があると判断し×印、９６〜１４４時間であれば実用可能であるがやや問題有りとして△印、１４４〜２８８時間であれば実用上問題ないと判断し○印、２８８時間以上であれば特に優れていると判断し◎印とし、表１の「ＨＡＳＴ」の欄に表記した。

【0054】

ＨＴＳ評価については、作製した接合信頼性評価用のサンプルを、高温恒温器を使用し、温度２００℃の高温環境に暴露した。ボール接合部の接合寿命は５００時間毎にボール接合部のシェア試験を実施し、シェア強度の値が初期に得られたシェア強度の１／２となる時間とした。高温高湿試験後のシェア試験は、酸処理によって樹脂を除去して、ボール接合部を露出させてから行った。

【0055】

ＨＴＳ評価のシェア試験機はＤＡＧＥ社製の試験機を用いた。シェア強度の値は無作為に選択したボール接合部の１０か所の測定値の平均値を用いた。上記の評価において、接合寿命が５００〜１０００時間であれば実用可能であるが改善の要望ありと判断し△印、１０００〜３０００時間であれば実用上問題ないと判断し○印、３０００時間以上であれば特に優れていると判断し◎印とした。

【0056】

ボール形成性（ＦＡＢ形状）の評価は、接合を行う前のボールを採取して観察し、ボール表面の気泡の有無、本来真球であるボールの変形の有無を判定した。上記のいずれかが発生した場合は不良と判断した。ボールの形成は溶融工程での酸化を抑制するために、Ｎ₂ガスを流量０．５Ｌ／ｍｉｎで吹き付けながら行った。ボールの大きさは３４μｍとした。１条件に対して５０個のボールを観察した。観察にはＳＥＭを用いた。ボール形成性の評価において、不良が５個以上発生した場合には問題があると判断し×印、不良が３〜４個であれば実用可能であるがやや問題有りとして△印、不良が１〜２個の場合は問題ないと判断し○印、不良が発生しなかった場合には優れていると判断し◎印とし、表１の「ＦＡＢ形状」の欄に表記した。

【0057】

ワイヤ接合部におけるウェッジ接合性の評価は、リードフレームのリード部分に１０００本のボンディングを行い、接合部の剥離の発生頻度によって判定した。リードフレームは１〜３μｍのＡｇめっきを施したＦｅ−４２ｗｔ％Ｎｉ合金リードフレームを用いた。本評価では、通常よりも厳しい接合条件を想定して、ステージ温度を一般的な設定温度域よりも低い１５０℃に設定した。上記の評価において、不良が１１個以上発生した場合には問題があると判断し×印、不良が６〜１０個であれば実用可能であるがやや問題有りとして△印、不良が１〜５個の場合は問題ないと判断し○印、不良が発生しなかった場合には優れていると判断し◎印とし、表１の「ウェッジ接合性」の欄に表記した。

【0058】

ボール接合部のつぶれ形状の評価は、ボンディングを行ったボール接合部を直上から観察して、その真円性によって判定した。接合相手はＳｉ基板上に厚さ１．０μｍのＡｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕの合金を成膜した電極を用いた。観察は光学顕微鏡を用い、１条件に対して２００箇所を観察した。真円からのずれが大きい楕円状であるもの、変形に異方性を有するものはボール接合部のつぶれ形状が不良であると判断した。上記の評価において、不良が６個以上発生した場合には問題があると判断し×印、不良が４〜５個であれば実用可能であるがやや問題有りとして△印、１〜３個の場合は問題ないと判断し○印、全て良好な真円性が得られた場合は、特に優れていると判断し◎印とし、表１の「つぶれ形状」の欄に表記した。

【0059】

［リーニング］
評価用のリードフレームに、ループ長５ｍｍ、ループ高さ０．５ｍｍで１００本ボンディングした。評価方法として、チップ水平方向からワイヤ直立部を観察し、ボール接合部の中心を通る垂線とワイヤ直立部との間隔が最大であるときの間隔（リーニング間隔）で評価した。リーニング間隔がワイヤ径よりも小さい場合にはリーニングは良好、大きい場合には直立部が傾斜しているためリーニングは不良であると判断した。１００本のボンディングしたワイヤを光学顕微鏡で観察し、リーニング不良の本数を数えた。不良が７個以上発生した場合には問題があると判断し×印、不良が４〜６個であれば実用可能であるがやや問題有りとして△印、不良が１〜３個の場合は問題ないと判断し○印、不良が発生しなかった場合には優れていると判断し◎印とし、表１の「リーニング」の欄に表記した。

【0060】

【表1-1】

【表1-2】

【表1-3】

【表1-4】

【表1-5】

【0061】

（評価結果）
本発明例１〜１１１に係るボンディングワイヤは、Ｃｕ合金芯材と、Ｃｕ合金芯材の表面に形成されたＰｄ被覆層とを有し、ボンディングワイヤはＩｎを含み、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０１１〜１．２質量％であり、Ｐｄ被覆層の厚さが０．０１５〜０．１５０μｍである。これにより本発明例１〜１１１に係るボンディングワイヤは、温度が１３０℃、相対湿度が８５％の高温高湿環境下で５ＶのバイアスをかけたＨＡＳＴ試験でボール接合部信頼性が得られることを確認した。本発明例１２，１３より、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．０３１質量％以上になるとＨＡＳＴ試験でのボール接合信頼性の判定が○となり、より好ましい濃度範囲であることが確認された。また、本発明例１４−２４、４７−１１１より、ワイヤ全体に対するＩｎの濃度が０．１００質量％以上になるとＨＡＳＴ試験でのボール接合信頼性の判定が◎となり、さらに好ましい濃度範囲であることが確認された。

【0062】

一方、比較例１〜３、７〜９はＩｎ濃度が下限を外れ、ＨＡＳＴ試験でボール接合部信頼性が得られなかった。比較例４〜６、１０〜１３は、Ｉｎ濃度が上限を外れ、ＦＡＢ形状とウェッジ接合性が不良であった。比較例１，４，７，１９はＰｄ被覆層の厚さが下限を外れ、ＦＡＢ形状が不良であった。

【0063】

Ｐｄ被覆層上にさらにＡｕ表皮層を有する本発明例については、Ａｕ表皮層の層厚が０．０００５〜０．０５０μｍであることにより、優れたウェッジ接合性が得られることを確認した。

【0064】

実施例２５〜３６、４７〜７４、８１〜１１１は、Ｃｕ合金芯材がさらにＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉを含み、ワイヤ中に含まれるこれら元素の濃度が０．０５〜１．２質量％であることにより、ＨＴＳ評価によるボール接合部高温信頼性が良好であるとともに、リーニングが良好であることを確認した。

【0065】

実施例３７〜４６、５９〜１０６、１０８、１０９、１１１はボンディングワイヤがさらにＢ、Ｐ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、ワイヤ全体に対する前記元素の濃度が１質量ｐｐｍ以上であることにより、ボール接合部のつぶれ形状が良好であった。