JPS6365035A - 銅細線とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子機器用途に用いられる銅細線に関し、特
に半導体製造に用いられるボンディングワイヤに関する
。

（従来の技術） ＩＣやトランジスタ等の半導体の製造において、Ｓｉチ
ップ上の回路素子と外部の電源への接続や、外部との情
報のやりとりを行うために、回路素子に接続したバッド
と、半導体のリード間に線径１５〜ｌｏ０１Ｌｍの金や
アルミニウムあるいはアルミニウム合金等の細線が用い
られている。

（発明が解決しようとする問題点） このうち、アルミニウムやアルミニウム合金は電源との
接合は同種金属で行える利点を有し、安価であるけれど
もボールボンドが困難であり、生産性に劣る超音波を用
いるウェッジボンドが行われているのみならず、さらに
耐食性に劣るために、樹脂封止型の半導体では透湿水に
よるワイヤの腐食が生じるので、一部の気密対土型半導
体に専ら使用されている。

一方、金は耐食性に優れ、生産性の高いボールボンディ
ングを利用できる等の利点を有し、樹脂封止型の半導体
を中心に広く利用されている。しかしながら、素材であ
る金が著しく高価であるばかりか、電極パッドのアルミ
ニウムやアルミニウム合金と脆弱なＡ　ｌ　−Ａ　ｕの
金属間化合物を形成したり、あるいは透湿水の存在下で
アルミニウムと電食対を形成してアルミニウムを腐食せ
しめる等により、電気回路の断線を生じることか知られ
ている。特に半導体の高度集積化によって熱発生による
温度上昇やチップ面積の増大による透湿水経路の短縮と
ともに多ピン化による信頼性の大幅な低下か懸念される
。

このために金に代替でき、かつ、特性的にも金に劣らな
いワイヤの開発が望まれていた。

このために、銅のワイヤが提案されているけれども、そ
の変形能が金に劣り、パッド下にクラックを生じたり、
電極のアルミニウムとの接合が不十分であるという問題
点を生じている。特に高集！Ｘ１ＩＣでは、電極パッド
下にＳ　１０　ｚ等の脆い絶縁層が存在する例が多く、
金に匹敵するかまたはそれ以上の変形能を有する銅ワイ
ヤの開発が期待されていた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記に鑑みて鋭意検討の結果成されたものであ
り、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群
から選択された少なくとも１種を０．１〜４．５ｐｐｍ
含有し、残部Ｃｕから成ることを特徴とする銅細線及び
真空または非酸化性雰囲気下で鋳造されたＴｉ、Ｃｒ、
Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少
なくとも１種をＯ，１〜４．５ｐｐｍ含有し、残部Ｃｕ
から成る鋳塊を、伸線加工と焼鈍処理を繰り返して所定
の線径にするに当り、少なくとも最終加工率を７０〜９
９．９９％とし、焼鈍処理により２〜２０％の伸びとす
ることを特徴とする銅細線の製造方法を提供するもので
ある。

本発明の銅細線の製造は、非酸化性雰囲気、もしくは真
空中で前記組成の銅合金の鋳塊ビレットを鋳造した後、
必要に応して熱間加工を行い、その後伸線加工と焼鈍を
繰り返して所定線径とした後、最終焼鈍を行って所定の
性能とする工程により行うことができる。この際少なく
とも焼鈍前の最終加工率を７０〜９９．９９％、好まし
くは９０〜９９．９５％とし、さらに１５０〜４００°
Ｃの温度で所定時間焼鈍して伸びを２〜２０％、好まし
くは６〜１６％に調整すると、より優れた特性とするこ
とができる。また、焼鈍により細線の特性を発現する代
わりに、過剰に焼鈍した後、１〜５％の加工率の伸線加
工を行って同様の特性としてもよい。

半導体素子とインナーリード間のワイヤボンディングは
ポールボンディングされる例が多い。

ポールボンディングにおいて、細線はＨ２炎又は放電に
より先端をメルトしてボールを形成されるがボールが真
珠に近く偏芯していないこと、ボールか電極であるアル
ミニウムパッドに容易に接合すること、ワイヤのループ
が適当な高さを保持すること、ステッチ側の接合が十分
であること等が必要とされる。

銅は純度の向上により、変形能が優れたものとできるけ
れども、常温軟化し易くループのダレを生じたりするこ
と、ロットによる特性のバラツキを生じ易いこと、また
ボールボンディング時に電極パッドのアルミニウムと接
合しない、ボール浮き現象を生じ易いことなどの欠点を
有していた。

本発明によれば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃ６
の１種又は２種以上を０．１〜４．５ｐｐｍ添加するこ
とにより上記欠点を解消できるばかりでなく、チップの
機械的損傷を防止するため低荷重、低超行波出力条件を
要求される高集積ＩＣのボールボンディングにおいても
金に匹敵する以上のボンディング特性が得られる。

この添加元素の作用は前記濃度範囲で有利に発現できる
。

また以上の作用は高純度の銅でより有効に発現できるの
で、その不純物は少ないほど良く、銅純度９９．９９９
％以上、望ましくは９９．９／９９９％以上が良い。

銅細線については以上のボール及びステッチ側ボンディ
ング性と共にループ形状やワイヤ強度が実用的に重要で
ある。これらの特性には、ワイヤの機械的特性が関与す
るけれども半導体の種類や、ボンディング方式及び装置
条件によって要求される特性は異なる。しかしながら、
伸びが著しく小さいと、ループ高さが大きくなり、ワイ
ヤ間でのショートを引起こす原因となる他、ワイヤ変形
１駈か小さく、ステッチボンドを行うに高荷重、高超音
波出力を必要とするほど、ボンディング性が低下する。

一方、伸びが著しく大きいと、ループ高さが低くなり、
チップとの接触を招く危険がある他、ステッチボンドで
のワイヤ漬れが大きくなり、ネック部が脆弱となり易い
、また、ボンド後のワイヤテイルが不均一となり、ボー
ル形成が行えない事態が生じることとなる。

このため、前記の機械的特性が実用上有効である。これ
らの特性を実用的に安定して有利に発現するためには、
製造工程、特に最終伸線工程での加工率が特に重要であ
り、前記加工範囲が必要とされる。

（実施例） 次に本発明を実施例に基づきさらに詳しく説明する。

実施例１ 真空溶解炉を用いて９９．９９９６％の純銅に添加元素
を加え第１表の実験Ｎｏ、１〜２０に示した合金組成の
鋳塊（２５■■ｘ１４０＋■）ビレットを鋳造した。こ
のビレットを面出して約２０ｍｍ（直径）ｘｌＯＯ■ｍ
（長さ）とした後、熱間圧延で直径約１０鳳■とし、そ
の後直径８臘１まて皮ムキを入れて伸線を行った。

さらに９２％の加工率での伸線と、３５０℃での真空焼
鈍を繰り返して、直径２５ｇｍのワイヤとした。最後に
アルゴン雰囲気中２５０〜４００℃の温度とした走間焼
鈍炉で焼鈍を行い、伸び約１５％前後にしたワイヤを製
造した。この実験Ｎｏ−１〜２０で得られたワイヤの機
械的特性を第２表に示した。同表中Ｂｌは破断強度、Ｅ
文は伸びである。

ワイヤ中の酸素量はいずれも５ｐｐｍ以下であった。

第１表 第２表 これらのワイヤを１０％Ｈ２−Ｎ２′ｊＥ囲気中で、ボ
ンディング条件を、荷重３５ｇ、ａ音波出力０．０２Ｗ
、時間３０　ｍ　ｓ　ｅ　ｃ、ステージ温度２７５℃と
してマニュアル型のワイヤボンダーてボールボンドを行
い１次の項目について比較試験した。

ｌ）ボールの形状（真球度、偏芯） ２）ボールの歪（ボールアップ直後のボールの径と押潰
した後のボール径との比較） ３）ボール浮き（Ｓｉウェハ上に蒸着した１７ｔｍ厚の
Ａｎにボールボンドした時の接合不成功率） ４）チップ割れ ５）接合ワイヤ破断モード（ボンディング後ワイヤプル
試験を行った時の破断の部位か接合部かワイヤ切れかを
みる。ワイヤ切れの割合（％）で示す、） ６）ループ形状（ボンディング後のループの形状） なお、５）、６）の項目については基材としてメッキレ
スのＣｕ−０，１５Ｃｒ−０，ＩＳｎ合金条（０，２５
ｍ鳳厚）を用いた。

この結果を第３表に示した。同表の結果より本発明のワ
イヤはボール特性が優れるのに対して実験Ｎｏ、１Ｂ（
無添加）や実験Ｎｏ、１４〜１７（多量添加）は同じレ
ベルのボール変形箋を有するけれども常温軟化し易く、
またボール浮き率が太きいこと、ループ形状が通出でな
いことがわかる。

７″′ 、、／’ 、〆′ 、／ ７、／′ 実施例２ 実施例１の実験Ｎｏ、２と同じ合金組成の鋳塊ビレット
を用いてワイヤを製造した。この場合最終伸線加工率を
８０．９９．９５．９９．９７％とするとともに、焼鈍
温度を変えて種々の伸びのものを作った以外は実施例１
と同様にして行った。

これらワイヤについて実施例１の条件でメッキレスのＣ
ｕ−０，１５Ｃｒ−０，１ｓｎ合金条（０，２５ｍｍ厚
）にボールボンドを行い、そのプル試験を実施して、ワ
イヤ破断モードの割合を求めた。

結果を第１図に示した。

同図の結果より高加工率でも、２〜２０％の範囲内で良
好なボンディング特性が得られることかわかる。

（発明の効果） 本発明の銅細線は変形能が優れるばかりでなく、ワイヤ
強度か高く、常温軟化せず、ループのダレを生じない。

またボールの形状が良好でボールボンディングにおいて
電極バッドのアルミニウムとの接合性がよく、ボール浮
き率が大きいという優れた効果を奏する。

さらに本発明の銅細線によれば、チップの機械的損傷を
防止できるため低荷重、低超音波出力条件を要求される
高集ａＩＣのボールボンドに３いても金に匹敵する以上
のボンディング特性が得られる。

本発明によれば安価な銅線を用いて金線を有利に代替で
きる。

本発明は、高純度Ｃｕの特性を追求して得られた成果で
あり、上記の効果のほか長期の信頼性については、前述
の如＜　Ａ　ｌ　／　Ａ　ｕは固相拡散して脆弱な界面
相を形成し、パープルプラーグ現象を起こし易いが、Ａ
ｎ−Ｃｕはこれに比して数分の１以下であることか知ら
れており、この意味ても効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣｕ−０，１５Ｃｒ−０，ＩＳｎ条にボールボ
ンドしたワイヤの破断モード中、正常なワイヤ切れの割
合を、ワイヤの最終伸線加工率と伸びについて比較した
結果である。 特許出願人　古河電気工業株式会社 第　　１　　図 ワイヤ伸び（チ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる
   群から選択された少なくとも１種を０．１〜４．５ｐｐ
   ｍ含有し、残部Ｃｕから成ることを特徴とする銅細線。
2. （２）残部のＣｕが純度９９．９９９重量％以上のＣｕ
   である特許請求の範囲第１項記載の銅細線。
3. （３）真空または非酸化性雰囲気下で鋳造されたＴｉ、
   Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択さ
   れた少なくとも１種を０．１〜４．５ｐｐｍ含有し、残
   部Ｃｕから成る鋳塊を、伸線加工と焼鈍処理を繰り返し
   て所定の線径にするに当り、少なくとも最終加工率を７
   ０〜９９．９９％とし、焼鈍処理により２〜２０％の伸
   びとすることを特徴とする銅細線の製造方法。
4. （４）焼鈍処理後に１〜５％の加工を加えて２〜２０％
   の伸びとする特許請求の範囲第３項記載の銅細線の製造
   方法。