JPH0536747A - ボンデング用ワイヤとその製法 - Google Patents

ボンデング用ワイヤとその製法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】局部的に変形の少ないＣｕ又はＡｌよりなるボ
ンデング用ワイヤ及びその製法を提供する。 【構成】本発明のボンデング用ワイヤは、再結晶温度以
上で全体が、焼なましされたＣｕ又はＡｌよりなること
を特徴とする。 【効果】断線のない、信頼性の高いボンデング用ワイヤ
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は新規な電気的装置とその
製法及びそれを用いるボンデング用ワイヤとその製法に
係り、特に、ボールボンデングされた半導体素子を有す
る半導体装置とその製法及びそのボンデング用ワイヤと
その製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、半導体装置（ＩＣ，ＬＳＩ，トラ
ンジスタ）として、半導体素子とパッケージの外部リー
ドフレームとの接続に、直径２０〜５０μｍのＡｕワイ
ヤが多く使用されている。半導体素子へのワイヤの接続
は、Ａｕワイヤの先端に放電又は水素火炎により自らの
溶融によりボールを形成し、そのボールを半導体素子に
直接又はめっき膜を介して熱圧着又は超音波接合によっ
て行われている。一方、リードフレームへの接続は、キ
ャピラリーによってウェッジボンデングされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｕワイヤは
高価なことからその代りにＡｌワイヤを使用することが
検討されている。Ａｌワイヤのボンデングにおいても前
述のように熱圧着又は超音波接合が検討されている。し
かし、従来のＡｌワイヤは加工されたままである。発明
者らは、このものの熱圧着又は超音波接合のいずれかに
おいても、接合部近傍のワイヤ部分が加熱され軟かくな
る結果、半導体素子からリードフレーム端子への接続に
際して図１に示すように接合部で局部的な変形が生じる
こと、及びこのような局部的な変形がワイヤを局部的に
細くさせるだけでなく、断線等の原因になることを見い
出した。
【０００４】更に発明者らは、Ａｌワイヤのボールボン
デングについて検討した結果、従来のＡｌワイヤは前述
の如く加工されたままでケースに巻かれているので、そ
の先端にボールを形成する際に、図３に示すように弾性
的に屈曲しているため、ボールが偏心して形成されるこ
と、及びボールの形成の際には、先端だけでなくその近
傍も加熱されるので、焼なましを受ける状態となりボー
ル直上でワイヤが軟化したり、局部的にくびれたりする
という問題があることを見い出した。
【０００５】そして、ボールの偏心は、ボンデング部が
パッドからはみ出し、他のボンデング部と短絡を引き起
こしたり、回路を傷つけたりする原因になることを見い
出した。
【０００６】また、発明者らは、ボール直上にくびれが
生じたり、軟化したりすると、焼なましを受けていない
部分は加工硬化を受けた状態のままであるから、図２に
示すようにワイヤの残留加工歪により、ワイヤとボンデ
ング部ときれいな曲線を描かずに折れ曲った形でワイヤ
ボンデングされ、これが断線の原因となること、特に半
導体素子とリードフレームとの接合面に段差を有するジ
ュアルインライン型ＩＣ，ＬＳＩでは図２に示すように
ワイヤと半導体素子との短絡（矢印）の大きな原因とな
ることを見い出した。
【０００７】本発明の目的は、局部的な変形の少ないワ
イヤによって電気的に接続された電気的装置とその製法
及びそのボンデング用ワイヤとその製法を提供するにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、回路素子間を
細径ワイヤによって固相接合して電気的に接続してなる
ものにおいて、前記ワイヤは焼なまし状態で室温の伸び
率が６０％以下である金属からなり、且つ焼なましされ
ていることを特徴とする電気的装置にある。
【０００９】焼なまし状態で室温の伸び率が６０％以下
の金属ワイヤは加工されたままでは加工硬化が著しく、
ワイヤが硬化しているので、ボールの表面に形成された
酸化皮膜が前述の熱圧着又は超音波接合において破壊し
にくく、そのため接合が困難になる。更に、前述のよう
に接合時の加熱によって接合部近傍が軟化されるので、
特に局部的な変形率が大きい。このような伸び率を有す
る金属ワイヤは焼なましされた軟いものにする必要があ
ることを見出した。焼なましによって、ワイヤ自体が全
体に軟かくなり、局部的な変形がなく、断線等の問題が
解消される。
【００１０】
【作用】ワイヤは、室温の比抵抗が１５μΩcm以下のも
のが好ましく、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｐｄ，
Ｐｔ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ及びＴｈから選ばれたものが好
ましい。特に、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｄ及びＡｇ線が好
ましい。
【００１１】ボンデングには、ボールボンデング及びウ
ェッジボンデングがあり、超音波接合又は熱圧着によっ
て行われるが、回路素子が半導体素子である場合は、接
合間隔に制限があるのでボールボンデングが好ましく、
外部端子の場合は、高能率のウェッジボンデイングが好
ましい。ボールは、キャピラリーに保持されたワイヤ先
端を放電，水素火炎，プラズマ，アーク，レーザービー
ム等の加熱溶融し、自らの張力によって形成される。特
に、ワイヤ自体と他の電極との間にアーク放電させて形
成させる方法が好ましい。このアーク放電はワイヤをマ
イナスとして行うことによりその表面に酸化膜のない清
浄なボールができるとともに偏心のないボールが形成さ
れる。また、アーク放電において正及び負の少なくとも
一方のパルス電流を流すこともでき、このパルス電流に
よってボール形成に必要な適正なアーク発生時間をコン
トロールすることができる。正負の電流を流す場合に
は、クリーニングに必要な時間とボール形成に必要な時
間とを正負の時間比を変えることによってコントロール
することができる。クリーニングに必要な時間（放電時
間の１０〜３０％）は放電時間のうちのほんのわずかで
よい。
【００１２】ボール形成における加熱溶融雰囲気は非酸
化性雰囲気が好ましい。特に、不活性ガス中に少量、好
ましくは５〜１５体積％の還元性ガス（例えば水素ガ
ス）を含むものが好ましい。この還元性ガスを含む雰囲
気は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ等の酸素との親和力の高
い金属で好ましい。特にＡｌは水素ガスを５〜１５体積
％を含むものが好ましい。
【００１３】ボール径は基本的には任意であるがワイヤ
径の１.５ 〜４倍が好ましく、特に２.５〜３.５倍が好
ましい。
【００１４】ワイヤの太さは、金属の種類によって異な
るが、直径２０〜１００μｍが好ましい。一例で、Ａｌ
は５０μｍ、Ｃｕは３０μｍ程度であり、比抵抗等を考
慮してワイヤ径が選定される。
【００１５】焼なまし温度は、金属の種類によって異な
るが、再結晶温度以上であることが好ましく、特に弾性
変形しない程度にほぼ完全に焼なましされる温度で完全
焼なましするのが好ましい。ワイヤは局部的に硬さが異
なると前述のように局部的な変形を生じるので、全体に
同じ硬さを有するように軟化していることが好ましい。
焼なまし温度は、一例として、Ａｌ（アルミニウム）１
５０〜４００℃，Ｃｕ（銅）４００〜６００℃，Ｎｉ
（ニッケル）６５０〜８００℃，Ａｇ(銀)２５０〜４０
０℃，Ｔｉ（チタン）４００〜１１００℃，Ｍｏ（モリ
ブデン）１０００〜１１００℃，Ｐｄ（パラジウム），
Ｐｔ（白金）８００〜１０００℃が好ましい。
【００１６】ワイヤは加工したままのものを回路素子に
接合するときに焼なましすることができるが、予め焼な
ましされたものをボンデングする方がはるかに能率的で
ある。
【００１７】回路素子に接合後のワイヤはキャピラリー
に保持された形で引っ張ることによって回路素子の接合
部近傍で切断される。この切断はワイヤ自体全体が軟か
いので、回路素子近傍で切断するのが困難となる。カッ
ターで切断するのが好ましい。
【００１８】ワイヤは前述のように非常に細径で軟かい
ので、これを保護するために半導体素子とワイヤと外部
端子の一部を樹脂又はセラミックで被うことが行われ
る。樹脂は液体をキャスティング又はモールドし硬化さ
せ、セラミックスは通常の方法でキャップシール接合さ
れる。
【００１９】本発明は、焼なまし状態で室温の伸び率が
６０％以下である金属からなるワイヤであって、且つ焼
なましされていることを特徴とするボンデング用ワイヤ
にある。
【００２０】本発明のワイヤはボールボンデング用ワイ
ヤとして特に好ましい特性を有する。
【００２１】焼なましは、非酸化性雰囲気中で、再結晶
温度以上で行う必要がある。特に弾性変形が起こらない
程度に完全焼なまし処理するのが好ましい。
【００２２】
【実施例】実施例１ 図４は本発明の焼なましされたＣｕワイヤ１をセラミッ
クパッケージ型半導体装置に適用したものの断面図であ
る。Ｃｕワイヤは直径３０μｍで、Ａｒガス中で４００
℃，１時間加熱の完全焼なまし処理されたものである。
ボンデングは、通常のウェッジボンダーによって超音波
接合したものである。図に示すように、本発明によれ
ば、ワイヤは軟いため接合自体もきわめて容易であるば
かりでなく、全体に軟いため所望のループ形状に接合で
きることが確信された。４はＡｇめっき１０されたＣｕ
リードフレーム、８は半導体素子３の表面に形成された
Ａｌ蒸着膜による電極、７，１１はセラミックベース、
９は低融点ガラスである。
【００２３】図に示されるように、本発明の半導体装置
は、ボンデングワイヤの局部的な変形がなく、また、所
望のループ形状が得られることから、素子３とリードフ
レーム４とに段差があってもワイヤが素子に短絡するよ
うなことがない。
【００２４】実施例２ 図５は本発明の焼なましされたＡｌワイヤ１をレジンモ
ールド型半導体装置に適用したものの断面図である。Ａ
ｌワイヤは直径５０μｍで、Ｎ2 ガス中で２５０℃，１
時間加熱の完全熱なまし処理されたものである。Ａｌワ
イヤ１はＡｌ蒸着膜８が設けられた半導体素子３にボー
ルボンデングされ、Ａｇめっき層１０が設けられたリー
ドフレーム４にはウェッジボンデングされている。ボー
ルボンデングされた後、ＳｉＯ２ 等の保護皮膜１３が
設けられ、その後型を使って液状の樹脂を流し込み、硬
化させることにより図の半導体装置が形成される。
【００２５】ボンデングは図３に示すキャピラリー２に
Ａｌワイヤを押し出し、放電による方法によって行われ
る。前述のＡｌワイヤを、真空排気した後、７％（体
積）の水素を含むＡｒガス雰囲気で置換した雰囲気中
で、１,０００Ｖ,１０〜２０ｍＡの放電条件で放電させ
て、その先端にボールを形成させた。放電は、他に設け
たＷ電極５をワイヤに移動させることによって行われ、
その時間を電極の移動速度と、通電をパルス化して適宜
定められた周波数によってコントロールした。また、通
電は正負のパルス電流によって行い、ワイヤがクリーニ
ングされる側の通電を少なくして行った。得られたボー
ルをキャピラリー２によって半導体素子に超音波接合
し、次いで、他端をリードフレーム４に同じく超音波接
合した。
【００２６】この方法によって得られたボールはわずか
にワイヤ軸方向に長いたまご形のものが形成されたが、
良好な球に近いものであった。このボールはワイヤ自体
の硬さとほぼ等しく、図に示すようにボール近傍での局
部的な変形がなく、きれいなループ状のワイヤボンデン
グが得られることが確認された。また、ウェッジボンデ
ング後のワイヤの切断はキャピラリーを持ち上げて引張
ることによって行われるが、その切断もワイヤが軟いた
めきわめて容易で、更にその引張りによってボンデング
部分を剥離するようなことも全く起こらなかった。
【００２７】このように本発明の半導体装置はボールボ
ンデングにおいて、ワイヤの局部的な変形がなく、所望
のループが得られることから局部的な変形による断線の
心配がなく、またワイヤが素子に短絡するような事故も
生じないものであった。
【００２８】実施例３ 直径３０μｍの加工のままのＣｕワイヤと、それをＡｒ
ガス中で４００℃，１時間加熱による完全焼なまし処理
を施したものについて、図２に示す方法でワイヤ先端に
ボールを形成させた。
【００２９】放電は、電圧１０００Ｖ，電流１０〜２０
ｍＡ、及びＡｒガス中で行った。放電時間は前述のよう
にＷ電極５の移動速度及びパルスの周波数によってコン
トロールした。
【００３０】上述と同様に直径５０μｍの加工したまま
のＡｌワイヤと、それを２５０℃で、１時間加熱による
完全焼なまし処理したものについて同じくボールを形成
させた。放電条件はＣｕとほぼ同じである。
【００３１】Ｃｕ及びＡｌワイヤのいずれも５０個ずつ
ボールを形成し、ボールのくびれ及び偏心が生じたもの
の数を調べ、その割合を求めた。その結果を、図６に示
す。図に示す如く、加工したままのＡｌワイヤはくびれ
が６０％、偏心が５０％生じるのに対し、焼なましたも
のはくびれが７％及び偏心が数％程度で、ワイヤ軸に対
して対象なまるいボールが形成されることが判明した。
また、Ｃｕワイヤは加工のままでもＡｌワイヤより優れ
ているが、焼なまししたものはくびれ及び偏心がほとん
ど生じなかった。
【００３２】実施例４ 前述の焼なまししたＡｌワイヤについてガス雰囲気を変
えて前述した方法と同様にボールの形成を検討した。ガ
ス雰囲気として、Ａｒ中に５０体積％までのＨ2 ガスを
混合させてその混合割合とボールの形成状況との関係を
調べた結果、Ｈ2 量が５〜１５体積％のときボールの形
成状況が最も良好であった。この場合の通電は、前述の
パルス電流のほか、ワイヤを正又は負のものも同様に行
った。その結果、パルス電流によるものが、ボール径の
大きさのコントロールが容易で、かつ清浄なボールが得
られた。
【００３３】実施例５ Ａｇ３０μｍ，Ｎｉ５０μｍ，Ｐｄ５０μｍ，Ｔｉ５０
μｍ，Ｐｔ５０μｍのワイヤを用い、Ａｇ３００℃，Ｎ
ｉ７００℃，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔｉ９００℃，１時間、いず
れもＡｒガス中で焼なましを行い、Ａｒガス雰囲気中で
図３に示す方法で同様にワイヤを負として放電によって
ボールを形成させた。金属の種類によって放電電流及び
時間を変えて行った結果、いずれのワイヤも弾性変形が
ないので、図３（ｂ）に示すようなワイヤの屈曲した押
し出しが起こらず、きわめて良好なボールが形成される
ことが確認された。
【００３４】
【発明の効果】以上、本発明によれば、ワイヤの接合部
で、局部的な変形の生じないワイヤボンデングが得ら
れ、断線のない電気的装置、特に信頼性の高い半導体装
置が得られる優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のワイヤを使用して各々ウェッジボンデン
グ及びボールボンデングした半導体装置の断面図。
【図２】従来のワイヤを使用して各々ウェッジボンデン
グ及びボールボンデングした半導体装置の断面図。
【図３】従来のワイヤを使用して放電によってボールを
形成する状況を示した断面図。
【図４】本発明のワイヤを使用してウェッジボンデング
したセラミックパッケージ型半導体装置の断面図。
【図５】本発明のワイヤを使用してボールボンデングし
たレジンモールド型半導体装置の断面図。
【図６】従来のワイヤ及び本発明のワイヤの偏心及びく
びれ発生率との関係を示す棒グラフである。
【符号の説明】
１…ワイン、２…キャピラリー、３…半導体素子、４…
リードフレーム、５…Ｗ電極、７，１１…セラミックベ
ース、８…Ａｌ蒸着膜、９…低融点ガラス、１０…Ａｇ
めっき層、１２…樹脂。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 富雄 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 玉村 建雄 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】再結晶温度以上で全体が焼きなましされた
    Ｃｕ又はＡｌよりなることを特徴とするボンデング用ワ
    イヤ。
  2. 【請求項２】請求項１記載のボンデング用ワイヤにおい
    て、前記ワイヤが、実質的に弾性変形しない程度に完全
    焼きなましされていることを特徴とするボンデング用ワ
    イヤ。
  3. 【請求項３】請求項１記載のボンデング用ワイヤにおい
    て、前記ワイヤの太さが、２０〜１００μｍであること
    を特徴とするボンデング用ワイヤ。
  4. 【請求項４】請求項１記載のボンデング用ワイヤにおい
    て、前記ワイヤは、室温における比抵抗が１５μΩcm以
    下であることを特徴とするボンデング用ワイヤ。
  5. 【請求項５】請求項１記載のボンデング用ワイヤにおい
    て、前記ワイヤが、焼きなまし状態で室温における伸び
    が６０％以下であることを特徴とするボンデング用ワイ
    ヤ。
  6. 【請求項６】Ｃｕ又はＡｌよりなる金属ワイヤを再結晶
    温度以上で全体を焼きなましすることを特徴とするボン
    デング用ワイヤの製法。
  7. 【請求項７】請求項６記載のボンデング用ワイヤの製法
    において、前記焼きなましする温度が、１５０〜６００
    ℃であることを特徴とするボンデング用ワイヤの製法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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