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WO2025089406A1 - 半導体装置用ボンディングワイヤ - Google Patents

半導体装置用ボンディングワイヤ Download PDF

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WO2025089406A1
WO2025089406A1 PCT/JP2024/038174 JP2024038174W WO2025089406A1 WO 2025089406 A1 WO2025089406 A1 WO 2025089406A1 JP 2024038174 W JP2024038174 W JP 2024038174W WO 2025089406 A1 WO2025089406 A1 WO 2025089406A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bonding
wire
mass
bonding wire
ball
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/038174
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
巧 大壁
大造 小田
基稀 江藤
良 大石
哲哉 小山田
智裕 宇野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Micrometal Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Micrometal Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Micrometal Corp, Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd filed Critical Nippon Micrometal Corp
Publication of WO2025089406A1 publication Critical patent/WO2025089406A1/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C5/00—Alloys based on noble metals
    • C22C5/06—Alloys based on silver
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/14—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of noble metals or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the groups H01L21/18 - H01L21/326 or H10D48/04 - H10D48/07 e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/60—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation

Definitions

  • the present invention relates to a bonding wire for semiconductor devices that is used to connect electrodes on a semiconductor element to wiring on a circuit board, such as external leads.
  • bonding wire As semiconductor device bonding wire (hereinafter sometimes referred to as bonding wire or simply wire) for connecting electrodes on semiconductor elements to external leads, thin wires with diameters of about 15 to 50 ⁇ m are mainly used. Bonding wires are required to have excellent ball formability, ball bonding ability, wedge bonding ability, loop formability, etc., and Au (gold) bonding wires have been mainly used to comprehensively satisfy these requirements. However, Au is expensive, so there is a demand for low-cost wire materials to replace Au, and Ag (silver) bonding wires (hereinafter referred to as Ag bonding wires) have been proposed as one such material.
  • Patent Document 1 proposes an Ag bonding wire with an optimized Pd and Pt content and an optimized P, Cr, Zr, and Mo content to ensure bonding reliability in high-temperature environments even with molding resins with a high S (sulfur) content and to suppress chip damage during ball bonding.
  • Patent Documents 2 and 3 propose Ag-Pd-Pt ternary Ag bonding wire for ultra-high frequency signals (several GHz band).
  • Patent Document 4 proposes an Ag bonding wire that contains one or more of In, Ga, and Cd to satisfy bonding reliability, spring performance, and chip damage performance.
  • Patent Document 5 proposes an Ag bonding wire that contains one or more of Be, B, P, Ca, Y, La, Ce, and one or more of In, Ga, and Cd to achieve the bonding strength of the ball joint required for high-density mounting while ensuring bonding reliability and to improve the leaning characteristics of the upright part of the ball.
  • bonding wires are required to have stable and improved bonding reliability as well as loop shape controllability.
  • FAB Free Air Ball
  • some of the elements contained in the Ag wire become concentrated and precipitate on the FAB surface.
  • the precipitate adheres to the capillary, albeit in small amounts, and gradually accumulates to form an adhesion (built-up) at the capillary tip. It has been found that this built-up at the capillary tip induces wire non-adhesion and wire dislodgment, reducing the productivity of the bonding process.
  • the present invention aims to provide an Ag bonding wire that maintains and improves the productivity of the bonding process by improving the build-up resistance of the capillary tip while ensuring the bonding reliability of the primary bonding (also called 1st bonding, FAB bonding, or ball bonding) and secondary bonding (2nd bonding or wedge bonding).
  • the primary bonding also called 1st bonding, FAB bonding, or ball bonding
  • secondary bonding (2nd bonding or wedge bonding
  • the present invention has been made based on these findings, and the gist of the present invention is as follows. [1] 0.05% by mass to 3.0% by mass of In; one or more of Pd, Pt, and Au in a total amount of 0.010 mass% to 5.0 mass%; one or more of Sc, Ti, and Mn in total of 0.0005% by mass to 0.050% by mass; One or more of P, Zn, Bi, and Cu, in total, 0 to 0.030 mass% Including, A bonding wire for semiconductor device, the balance of which consists of Ag and unavoidable impurities.
  • the Ag bonding wire of the present invention can maintain and improve productivity in the bonding process by suppressing the generation of built-up at the tip of the capillary while ensuring the bonding reliability of the primary and secondary bonds.
  • % indicates mass % in the wire. When no lower limit is specified or when the lower limit is 0%, this also includes cases where the component is not contained (0%).
  • semiconductor device bonding wire may be referred to as bonding wire, or simply as wire.
  • In has an effect of improving the reliability of the primary bonding (ball (FAB) bonding) of Ag bonding wire.
  • B primary bonding
  • the content of In is set to 0.05% or more.
  • the lower limit of the In content can be 0.10%, 0.15%, 0.20%, 0.30%, 0.40%, or 0.50%.
  • the In content is set to 3.0% or less.
  • the upper limit of the In content can be 2.7%, 2.5%, 2.3%, 2.1%, or 1.9%.
  • Pd, Pt, and Au 0.010% to 5.0%
  • Pd, Pt, and Au have a suppressed S (sulfur) adsorption property compared to Ag (excellent sulfurization resistance). Therefore, it is possible to suppress sulfurization on the surface of the Ag bonding wire and extend the floor life (use life of the bonding wire). Furthermore, these elements have a strong bond with In, and by containing them in combination, it is effective in suppressing deterioration over time due to a synergistic effect. Therefore, the content of one or more of Pd, Pt, and Au is set to 0.010% or more in total.
  • the lower limit of the total content of these elements can be 0.030%, 0.050%, 0.070%, 0.100%, 0.200%, 0.300%, 0.400%, or 0.500%.
  • the total content of one or more of Pd, Pt, and Au is set to 5.0% or less.
  • the upper limit of the content can be 4.5%, 4.0%, 3.5%, 3.0%, or 2.5%.
  • the total content of one or more of Sc, Ti, and Mn is set to 0.050% or less.
  • the upper limit of the content can be 0.045%, 0.040%, 0.035%, or 0.030%.
  • P, Zn, Bi, and Cu do not have to be contained (they may be 0%). However, by containing P, Zn, Bi, and Cu, the sphericity of the FAB shape can be improved. This is presumably because it affects the fluidity and wettability of the melt when the FAB melts and becomes spherical, improving the sphericity.
  • the content of P, Zn, Bi, and Cu is high, the shape of the FAB deteriorates and the primary bondability (ball bondability) deteriorates. Therefore, it is recommended that the total content of one or more of P, Zn, Bi, and Cu be 0.030% or less.
  • the upper limit of the content can be 0.026%, 0.022%, 0.018%, or 0.015%.
  • the total content of one or more of P, Zn, Bi, and Cu should be 0.0001% or more.
  • the lower limit of the content can be 0.0005%, 0.0010%, 0.0020%, 0.0030%, 0.0040%, or 0.0050%.
  • impurities refer to components that are mixed in during the industrial production of Ag bonding wire due to various factors in the manufacturing process, including raw materials such as silver ingots, and are acceptable within the range that does not adversely affect the present invention.
  • the grain boundaries of twin crystals have a lower interfacial energy and are more stable than those of high-angle grains, and therefore are less likely to move even at high temperatures. Therefore, even when solidifying from the molten state of the primary bonding (ball bonding), the crystal grains of the wire near the ball are more likely to be maintained, and the heat-affected zone by FAB is less likely to form, and the wire strength loss is suppressed. Therefore, the strength of the ball neck (upright part) is ensured, and the leaning characteristics and controllability of the loop shape are improved.
  • twin crystal grain boundaries can prevent the movement of dislocations like normal high-angle grain boundaries, and cross slip occurs at the interface, so that materials with many twin crystal grain boundaries have excellent ductility while having the same strength as normal materials. Therefore, complex looping can be formed as intended.
  • an increase in the proportion of twin crystal grain boundaries is effective for loop shape controllability for complex looping such as low loops and high loops corresponding to high density semiconductor packaging, and for leaning characteristics to avoid contact with adjacent wires.
  • the ratio of the total length of the twin grain boundaries (total length of the twin grain boundaries) to the total length of the crystal grain boundaries (total length of the crystal grain boundaries) in a cross section perpendicular to the central axis of the wire (central axis of the bonding wire) is preferably 40% or more.
  • the ratio of the length of the twin grain boundaries to the length of the crystal grain boundaries is more preferably 50% or more, or 60% or more.
  • the cross section perpendicular to the central axis of the wire can be exposed by ion beam processing.
  • the total length of the twin grain boundary and the total length of the crystal grain boundary can be determined by measuring the entire cross section of the wire using electron backscattered diffraction (EBSD).
  • EBSD electron backscattered diffraction
  • the EBSD method can identify the crystal grain boundary by determining the crystal orientation difference between adjacent measurement points.
  • the crystal grain boundary is defined as a high-angle grain boundary when the orientation difference between adjacent crystal grains is 15 degrees or more, and the area surrounded by the high-angle grain boundary is defined as one crystal grain.
  • the twin grain boundary is the one in a specific positional relationship (a positional relationship rotated 60 degrees around the ⁇ 111> axis) is the twin grain boundary, and it is calculated together with the total length of the crystal grain boundary by dedicated analysis software (for example, OIM analysis made by TSL Solutions, etc.). Then, the total length of the grain boundaries in the entire cross section perpendicular to the central axis of the wire is taken as the total length of the grain boundaries, and the total length of the twin grain boundaries is taken as the total length of the twin grain boundaries, and the ratio of the total length of the twin grain boundaries to the total length of the grain boundaries is calculated.
  • dedicated analysis software for example, OIM analysis made by TSL Solutions, etc.
  • Method of manufacturing bonding wire An example of a method for manufacturing a bonding wire according to the present invention will be described.
  • the method for manufacturing a bonding wire according to the present invention is not limited to the manufacturing method described below, and any other manufacturing method that produces an Ag bonding wire that satisfies the requirements defined in the present invention is also included in the bonding wire according to the present invention.
  • Silver (Ag) with a purity of 4N to 5N (99.99% to 99.999%) is melted, and a specified amount of a specified element such as In is added, and a cylindrical ingot is obtained by continuous casting. This ingot is then continuously drawn using a die. During this process, intermediate heat treatment at 350°C to 550°C and drawing are repeated until the wire is drawn to the final diameter.
  • the wire drawing can be performed using a continuous wire drawing device equipped with multiple diamond-coated dies.
  • the reduction in area per stage should be 18% or more, preferably 20% or more, and 30% or less, preferably 28% or less.
  • the intermediate annealing temperature should be 350°C to 550°C. It is preferable to set the intermediate heat treatment temperature at 450°C to 550°C for the first time and 350°C to 450°C for the second time, and it is also effective to set the next (second) heat treatment temperature lower than the previous (first) intermediate heat treatment temperature. This can increase the length of the twin grain boundaries.
  • a final heat treatment may be performed after the final wire drawing.
  • the temperature conditions of the final heat treatment may be set so that the breaking elongation of the wire falls within a predetermined range.
  • the final heat treatment may be performed at a temperature in the range of 200 to 700°C for 5 seconds or less, preferably 3 seconds or less, or 2 seconds or less.
  • the heat treatment atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere such as an inert gas such as nitrogen gas or Ar gas, or forming gas (5% H2 - N2 ).
  • the raw material Ag used had a purity of 99.99% or more, with the remainder consisting of unavoidable impurities.
  • the elements added, such as In, also had a purity of 99.9% or more, with the remainder consisting of unavoidable impurities.
  • Ag bonding wires having the composition shown in Table 1 were manufactured.
  • a cylindrical carbon crucible was filled with a predetermined amount of raw materials such as Ag and In, and the raw materials were melted by heating to 1080°C to 1600°C in a vacuum or in an inert atmosphere such as N2 or Ar gas using a high-frequency furnace. Then, an ingot of Ag alloy having a diameter of 4 to 6 mm was obtained by continuous casting.
  • the obtained Ag alloy ingot was continuously drawn using a die to produce wire with diameters of ⁇ 200 ⁇ m to ⁇ 600 ⁇ m. This process is called the primary wiredrawing process.
  • wire was repeatedly drawn to obtain a wire with a final diameter of ⁇ 15 ⁇ m to ⁇ 25 ⁇ m.
  • a commercially available lubricant was used for drawing, and the wire feed speed during drawing was 100m/min to 600m/min. This process is called the secondary wiredrawing process.
  • Two intermediate heat treatments (first: 450°C to 550°C, second: 350°C to 450°C) were performed between the secondary wiredrawing processes.
  • the wire was continuously passed through an Ar gas atmosphere.
  • the wire feed speed during the intermediate heat treatment was 20m/min to 120m/min.
  • the area reduction rate and wire feed speed in the secondary wire drawing process By adjusting the area reduction rate and wire feed speed in the secondary wire drawing process, the wire diameter during intermediate heat treatment, and the intermediate heat treatment temperature, the size of the crystal grains and the proportion of twin grains were adjusted, and as a result, the ratio of the total length of twin grain boundaries to the total length of crystal grain boundaries was adjusted.
  • the proportion of twin grain boundaries tends to increase when the area reduction rate is high, the wire feed speed is fast, the wire diameter during intermediate heat treatment is small, and the temperature is high.
  • the samples for evaluating the primary bonding reliability were manufactured as follows. Each wire sample was ball-bonded to an electrode made of a 1.0 ⁇ m thick aluminum (Al) film formed on a silicon substrate on a general lead frame using a commercially available wire bonder, and sealed with a commercially available epoxy resin (semiconductor sealant). The ball bonding was performed while flowing N2 + 5% H2 gas at a flow rate of 0.4 to 0.6 L (liter)/min. The ball diameter was adjusted to be in the range of 1.5 to 1.6 times the wire diameter.
  • the bonding reliability was evaluated by a high temperature, high humidity test (HAST).
  • HAST high temperature, high humidity test
  • the samples for evaluating bonding reliability were exposed to a high temperature, high humidity environment of 130°C and 85% relative humidity using an unsaturated pressure cooker tester, and a bias of 5V was applied.
  • the bonding life of the ball bonding part was determined by conducting a shear test on the ball bonding part every 48 hours, and the time it took for the shear strength value to become half (1/2) of the initial shear strength. The shear test was performed after removing the resin by acid treatment to expose the ball bonding part.
  • the shear tester used for the HAST evaluation was a DAGE-made tester.
  • the shear strength value was calculated by taking the arithmetic average of the measurements taken at 10 randomly selected ball joints. Joint lifespans of 288 hours or more were rated as "excellent,” those between 144 and 288 hours as “good,” those between 96 and 144 hours as “passable,” and those with a joint lifespan of less than 96 hours as “fail.”
  • the evaluation results are shown in Table 1.
  • the secondary bonding reliability evaluation samples were manufactured as follows. Each wire sample was bonded by wedge bonding onto a Cu alloy lead frame plated with Ag using a commercially available wire bonder. At that time, 80 locations were subjected to wedge bonding in four directions (four directions: 0°, 90°, 180°, and 270° clockwise, with any direction as seen from above the lead frame as the reference direction (0°)) for a total of 320 wires per location to produce evaluation samples.
  • the secondary bonding reliability evaluation samples were produced using wires immediately after production, wires stored in a clean room at room temperature for one week, and wires stored in a clean room at room temperature for two weeks, and a pull test was performed on each wedge bond.
  • the pull strength value was calculated by randomly selecting 15 pieces in each direction and calculating the arithmetic mean of the measurements for a total of 60 pieces in the four directions. Pull strengths of 4 gf or more were rated as “excellent,” those between 3 gf and less than 4 gf were rated as “good,” and those with a pull strength of less than 3 gf were rated as “fail.” The evaluation results are shown in Table 1.
  • FAB shape evaluation Regarding the FAB shape, a ball (FAB) for ball bonding was formed using each wire sample with a commercially available wire bonder, and the FAB shape was observed using a SEM in this state. A total of 50 FABs were formed and evaluated. Spherical ones were rated as good, and eccentric or irregular ones were rated as bad. FABs with zero defects out of the 50 were rated as "excellent,” those with one or two defects were rated as "good,” and those with three or more defects were rated as "failed.” The evaluation results are shown in Table 1.
  • the loop shape controllability was evaluated based on low loop shape controllability and leaning characteristics.
  • the low loop shape controllability was evaluated by bonding 100 wire samples to a lead frame for evaluation with a loop length of 1 mm and a loop height of 60 ⁇ m using a commercially available wire bonder. Next, the presence or absence of neck damage at the ball joint was evaluated using a SEM (scanning electron microscope). If a crack occurred in the neck part of the ball joint or the neck part was deformed and the wire became thinner, it was determined that there was neck damage. If there were three or more wires with neck damage out of the 100, it was determined that they were not acceptable, two were acceptable, one was good, and zero was excellent. Good and excellent were pass marks.
  • the leaning characteristics were evaluated using each wire sample, with 100 wires bonded to a lead frame for evaluation using a commercially available wire bonder with a loop length of 5 mm and loop height of 0.5 mm.
  • the evaluation method was to observe the upright part of the wire from the horizontal direction of the chip, and evaluate the maximum distance (leaning interval) between the perpendicular line passing through the center of the ball bond and the upright part of the wire. If the leaning interval was smaller than the wire diameter, the leaning was deemed good, but if it was larger, the upright part was inclined and the leaning was deemed poor.
  • the Ag bonding wire of the present invention has good primary and secondary bonding reliability, suppresses the generation of built-up at the capillary tip, and has excellent continuous bonding properties. This confirms that the Ag bonding wire of the present invention does not impede the productivity of the bonding process. Furthermore, it has been confirmed that the Ag bonding wire of the present invention has excellent FAB shape and loop shape controllability. In other words, it has been confirmed that the Ag bonding wire of the present invention can maintain and improve productivity while maintaining bonding reliability.
  • the present invention can be used in the semiconductor industry.

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Abstract

本発明は、一次接合（１ｓｔ接合、ＦＡＢ接合、ボール接合とも呼ぶ。）や二次接合（２ｎｄ接合、ウェッジ接合とも呼ぶ。）の接合信頼性を確保しつつ、キャピラリ先端の耐ビルトアップ性を改善してボンディング工程の生産性を維持向上させることを課題とし、そのようなＡｇボンディングワイヤを提供することを目的とする。　上記課題を達成するボンディングワイヤは、Ｉｎ：０．０５～３．０質量％、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕのうち１種以上：０．０１０～５．０質量％、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎのうち１種以上：０．０００５～０．０５０質量％、およびＰ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上：０～０．０３０質量％を含むＡｇ合金によるＡｇボンディングワイヤである。

Description

半導体装置用ボンディングワイヤ
　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ものである。
　半導体素子上の電極と外部リード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、または単にワイヤという場合がある。）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には、優れたボール形成性、ボール接合性、ウェッジ接合性、ループ形成性などが要求され、これらの要求を総合的に満足するためＡｕ（金）製ボンディングワイヤが主に用いられてきた。しかし、Ａｕは高価であるため、Ａｕに代わる低コストのワイヤ素材が求められており、その一つとしてＡｇ（銀）製ボンディングワイヤ（以下、Ａｇボンディングワイヤと呼ぶ。）が提案されている。
　例えば特許文献１にはＳ（硫黄）含有量の高いモールド樹脂であっても高温環境下での接合信頼性を確保し、ボール接合時のチップダメージを抑制するため、ＰｄとＰｔの含有量と、Ｐ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｏの含有量を適正化したＡｇボンディングワイヤが提案されている。
　特許文献２や特許文献３では、超高周波信号（数ＧＨｚ帯）用のＡｇーＰｄーＰｔ三元系Ａｇボンディングワイヤが提案されている。
　特許文献４には、接合信頼性、スプリング性能、チップダメージ性能を満足させるためＩｎ、Ｇａ、Ｃｄの１種以上を含有するＡｇボンディングワイヤが提案されている。
　特許文献５には、接合信頼性を確保しつつ高密度実装で要求されるボール接合部の接合強度を実現し、ボール直立部のリーニング特性を改善するため、Ｂｅ、Ｂ、Ｐ、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅの１種以上と、Ｉｎ、Ｇａ、Ｃｄの１種以上を含有するＡｇボンディングワイヤが提案されている。
国際公開第２０２１／２０５９３１号 特開２０１４－２０１７９７号公報 特開２０１４－２２２７２５号公報 特許第５８３９７６３号公報 国際公開第２０１７／１８７６５３号
　半導体素子の高集積化の流れに呼応した高密度実装化への対応として、ボンディングワイヤには安定した接合信頼性の向上はもとより、ループ形状制御性が求められている。特にＡｇボンディングワイヤにおいては、チップ電極へのボール接合のためにワイヤ先端を溶融してボール（Ｆｒｅｅ　Ａｉｒ　Ｂａｌｌ：ＦＡＢ）を形成する過程で、Ａｇワイヤに含有している元素がＦＡＢ表面に一部濃化して析出することが分かった。このようなＦＡＢ表面に一部の元素の析出が生じると、その析出物が微量ではあるもののキャピラリに付着し、それが徐々に堆積してキャピラリ先端に付着物（ビルトアップ）を形成する。このキャピラリ先端のビルトアップがワイヤの不着やワイヤ抜けなどを誘発してボンディング工程の生産性を悪化させていることが分かった。
　本発明は、一次接合（１ｓｔ接合、ＦＡＢ接合、ボール接合とも呼ぶ。）や二次接合（２ｎｄ接合、ウェッジ接合とも呼ぶ。）の接合信頼性を確保しつつ、キャピラリ先端の耐ビルトアップ性を改善して、ボンディング工程の生産性を維持向上させることを課題とし、そのようなＡｇボンディングワイヤを提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題を達成するため鋭意開発を進め、以下の知見を得た。
（ア）
　キャピラリ先端に形成されたビルトアップを分析したところ、Ａｇワイヤ中に含有させた元素であることが分かった。ボンディングワイヤの特性改善のために含有させた元素（特にＩｎ）は、ＦＡＢ形成過程で、ＦＡＢの表面において局所的に濃化し、ボール接合（一次接合）する際にキャピラリ先端でＦＡＢを押し付けるときに、この濃化した元素がキャピラリ先端に付着したためと考えられる。数万回、数十万回のボンディングを繰り返すことによりキャピラリ先端にこのような析出物が堆積しビルトアップを形成することが分かった。
（イ）
　Ａｇボンディングワイヤへ各種元素を含有させてＡｇボンディングワイヤを改良していく過程において、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎが、キャピラリ先端のビルトアップ（特にＩｎ系化合物のビルトアップ）形成を抑制する効果があることを見出した。また、これら元素は、ボンディングワイヤ特性（一次接合信頼性、二次接合（ウェッジ接合）信頼性、ＦＡＢ形状制御性、ループ形状制御性）を悪化させないことも確認された。
　本発明は、このような知見を基に成されたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
［１］
　Ｉｎを０．０５質量％～３．０質量％、
Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕのうち１種以上を総計で０．０１０質量％～５．０質量％、
Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎのうち１種以上を総計で０．０００５質量％～０．０５０質量％、
Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上を総計で０～０．０３０質量％
を含み、
残部がＡｇおよび不可避不純物からな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］
　Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上を総計で０．０００１質量％～０．０３０質量％含む、前記［１］に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
［３］
　前記ボンディングワイヤのワイヤ軸に垂直な断面において、結晶粒界の長さの総計に対する双晶粒界の長さの総計の比が４０％以上である、前記［１］または［２］に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
　本発明に係るＡｇボンディングワイヤによれば、一次接合や二次接合の接合信頼性を確保しつつ、キャピラリ先端のビルトアップ生成を抑制してボンディング工程での生産性を維持向上させることができる。
　以下、本発明の一実施態様（以下、単に本発明という。）を基にして説明する。特に断りのない限り、成分に関する「％」はワイヤ中の質量％を示す。特に下限を規定していない場合や下限が０％となっているものは、含有しない場合（０％）も含む。また、前述したように本明細書において半導体装置用ボンディングワイヤをボンディングワイヤ、または単にワイヤという場合がある。
［Ｉｎ：０．０５％～３．０％］
　Ｉｎは、Ａｇボンディングワイヤの一次接合（ボール（ＦＡＢ）接合）の信頼性の改善効果がある。例えば、温度１３０℃湿度８５％雰囲気のＨＡＳＴ試験（高温高湿試験）において、Ｉｎを含有しないワイヤと含有したワイヤを評価したところ、ボール接合部のシェア強度（せん断強度）が初期強度の１／２になる時間は、Ｉｎを含有したワイヤが、Ｉｎを含有しないワイヤに対し２倍以上になることが確認されている。そのため、Ｉｎの含有量を０．０５％以上とする。Ｉｎ含有量の下限は、０．１０％、０．１５％、０．２０％、０．３０％、０．４０％、または０．５０％とすることができる。
　一方、Ｉｎの含有量が多くなると、ボンディング工程中のボール接合の際に応力集中が生じてチップダメージが発生し易くなる。さらに、ＩｎはＦＡＢ表面に濃化し易く、キャピラリ先端のＩｎ系析出物ビルトアップを形成し易いと考えられる。そのため、Ｉｎの含有量を３．０％以下とする。Ｉｎ含有量の上限は、２．７％、２．５％、２．３％、２．１％、または１．９％とすることができる。
［Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕのうち１種以上：０．０１０％～５．０％］
　Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕは、Ａｇに比べてＳ（硫黄）吸着性が抑制される（耐硫化性に優れる）。そのため、Ａｇボンディングワイヤ表面の硫化を抑制し、フロアライフ（ボンディングワイヤの使用寿命）を長期化することができる。さらに、これら元素はＩｎとの結合力が強く、複合的に含有することにより相乗効果による経時劣化抑制に有効である。そのため、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕのうち１種以上の含有量を総計で０．０１０％以上とする。これら元素の含有量の総計の下限は、０．０３０％、０．０５０％、０．０７０％、０．１００％、０．２００％、０．３００％、０．４００％、または０．５００％とすることができる。
　一方、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕの含有量が多くなると、比抵抗が上昇して導電性や熱伝導性が劣り、実用に適さない。そのため、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕのうち１種以上の含有量を総計で５．０％以下とする。含有量の上限は、４．５％、４．０％、３．５％、３．０％、または２．５％とすることができる。
［Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎのうち１種以上：０．０００５％～０．０５０％］
　Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎを含有することにより、キャピラリ先端のビルトアップ生成（特にＩｎ系析出物のビルトアップ）が抑制されることが確認された。そのメカニズムは不明であるが、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎの含有により、ＦＡＢ表面へのＩｎの濃化が抑制されるのではないかと考えられる。そのため、ボンディング工程でのキャピラリ先端によるＦＡＢ押し付け時にキャピラリ先端へのＩｎ系析出物の付着が抑制されるものと考えられる。そのため、Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎのうち１種以上の含有量を総計で０．０００５％以上とする。含有量の下限は、０．００１０％、０．００２０％、０．００４０％、０．００７０％、または０．０１０％とすることができる。
　一方、Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎの含有量が多くなると、ワイヤ自体の強度が高くなり、例えば二次接合（ウェッジ接合）の際の破断強度が上がりスプリング不良が発生し易くなる。そのため、Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎのうち１種以上の含有量を総計で０．０５０％以下とする。含有量の上限は、０．０４５％、０．０４０％、０．０３５％、または０．０３０％とすることができる。
［Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上：０％～０．０３０％］
　Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕは含まなくてもよい（０％であってもよい）。しかし、Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕを含有することにより、ＦＡＢ形状の真球性を改善できる。これはＦＡＢが融け上がり球状化する際の融液の流動性、濡れ性に影響し真球性が良くなると推定される。
　一方、Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕの含有量が多くなると、ＦＡＢの形状が悪化し、一次接合性（ボール接合性）が悪化する。そのため、Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕのうち１種以上の含有量を総計で０．０３０％以下にするとよい。含有量の上限は、０．０２６％、０．０２２％、０．０１８％、または０．０１５％とすることができる。
　Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕを含有することによる効果を確実に得るには、Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＣｕのうち１種以上の含有量を総計で０．０００１％以上にするとよい。含有量の下限は、０．０００５％、０．００１０％、０．００２０％、０．００３０％、０．００４０％、または０．００５０％とすることができる。
　上記成分の残部はＡｇおよび不純物である。ここで不純物とは、Ａｇボンディングワイヤを工業的に製造する際に、銀インゴットのような原料をはじめとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
［ワイヤ軸に垂直な断面において結晶粒界全長に対する双晶粒界全長の比：４０％以上］
　双晶の粒界は、一般に大傾角粒の粒界に比べ界面エネルギが低く安定しているため、高温においても移動しにくい。そのため一次接合（ボール接合）の溶融状態から凝固するときでも、ボール付近のワイヤの結晶粒が維持されやすく、ＦＡＢによる熱影響部が形成されにくくなりワイヤの強度低下が抑えられる。そのためボールネック（直立部）の強度が確保され、リーニング特性やループ形状の制御性が改善される。更に、双晶粒界は通常の大傾角粒界同様に転位の移動を阻止することができる上、その界面で交差すべりが起こることから、双晶粒界の多い材料は通常材料と同等の強度を持ちながらも優れた延性を持つこととなる。したがって複雑なルーピングも狙い通りに形成することが出来る。即ち、双晶粒界の割合が多くなることは、半導体実装の高密度化に対応した低ループと高ループなど複雑なルーピングのためのループ形状制御性や、隣接ワイヤとの接触を回避するためのリーニング特性に効果がある。そのため、本発明のＡｇボンディングワイヤは、ワイヤ中心軸（ボンディングワイヤの中心軸）に垂直な断面における結晶粒界の長さの総計（結晶粒界全長）に対する双晶粒界の長さの総計（双晶粒界全長）の比が４０％以上であることが好ましい。結晶粒界の長さに対する双晶粒界の長さの比は、さらに好ましくは５０％以上、または６０％以上であるとよい。
　ワイヤ中心軸に垂直な断面はイオンビーム加工によって露出させることが出来る。双晶粒界全長および結晶粒界全長は後方散乱電子線回折法（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて、ワイヤ断面全体を測定することで求めることができる。ＥＢＳＤ法は隣り合う測定点間の結晶方位差を求めることで、結晶粒界を特定することができ、結晶粒界は隣接する結晶粒間の方位差が１５度以上のものを大傾角粒界とし、大傾角粒界に囲まれた領域を１つの結晶粒とした。その内、特定の位置関係（＜１１１＞軸回りに６０度回転した位置関係）にあるものが双晶粒界であり、結晶粒界全長と共に専用の解析ソフト（例えば、ＴＳＬソリューションズ社製ＯＩＭ　ａｎａｌｙｓｉｓ等）によって算出される。そして、ワイヤ中心軸に垂直な断面全体での結晶粒界の長さの総計を結晶粒界全長とし、双晶粒界の長さの総計を双晶粒界全長として、結晶粒界全長に対する双晶粒界全長の比を求める。
［ボンディングワイヤの製造方法］
　本発明に係るボンディングワイヤの製造方法の一例について説明する。本発明に係るボンディングワイヤの製造方法は、以下に説明する製造方法に限定するものではなく、その他の製造方法によっても、本発明で規定する要件を満足するＡｇボンディングワイヤであれば、本発明に係るボンディングワイヤに含まれる。
　純度４Ｎ～５Ｎ（９９．９９％～９９．９９９％）である銀（Ａｇ）を溶融し、Ｉｎ等の所定の元素を所定量添加して連続鋳造により円柱状のインゴットを得る。次に、このインゴットを、ダイスを用いて連続的に伸線加工する。この際、３５０℃～５５０℃の中間熱処理と伸線加工を繰返し行い最終線径に至るまで伸線する。伸線加工は、ダイヤモンドコーティングされたダイスを複数個セットした連続伸線装置を用いて実施することができる。
　伸線加工の途中で熱処理（中間熱処理）を２回施すとよい。例えば、伸線加工の各段（１回の伸線加工）での減面率は１８％～３０％とし、１～３段の伸線ごとに中間焼鈍を行うことで、ワイヤ中の双晶（焼きなまし双晶）の粒界長を高めることができる。
　１段あたりの減面率を１８％以上、好ましくは２０％以上とし、３０％以下、好ましくは２８％以下にするとよい。
　中間焼鈍温度は、３５０℃～５５０℃であるとよい。好ましくは中間熱処理温度が１回目は４５０℃～５５０℃、２回目は３５０℃～４５０℃の範囲で行うことがよく、さらには前回（１回目）の中間熱処理温度より次（２回目）の熱処理温度を低く設定することが効果的である。これにより双晶粒界長さを高めることがでる。
　さらに、最終伸線加工の後、最終熱処理を施すとよい。最終熱処理の温度条件は、例えばワイヤの破断伸びが所定範囲となるように熱処理温度を設定するとよい。最終熱処理温度は、例えば２００～７００℃の範囲で５秒以下、好ましくは３秒以下、または２秒以下で行うとよい。熱処理の雰囲気は、例えば窒素ガス、Ａｒガスなどの不活性ガスやフォーミングガス（５％Ｈ２ーＮ２）などの非酸化性雰囲気とすることが好ましい。
　以下、実施例について説明する。原材料となるＡｇは純度が９９．９９％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。添加するＩｎ等の元素も純度が９９．９％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。
　表１に示す成分組成を有するＡｇボンディングワイヤを製造した。それぞれのボンディングワイヤに用いるＡｇ合金を得るために、円柱型に加工したカーボンるつぼにＡｇやＩｎ等の所定の原料を所定量になるよう装填し、高周波炉を用いて、真空中もしくはＮ２、Ａｒガス等の不活性雰囲気で１０８０℃～１６００℃まで加熱して溶解させた。その後に、連続鋳造にてφ４～６ｍｍのＡｇ合金のインゴットを得た。
　得られたＡｇ合金インゴットに対して、ダイスを用いて連続的に伸線加工を行うことによって、φ２００μｍ～φ６００μｍのワイヤを作製した。この工程を一次伸線加工工程と呼ぶ。
　その後、伸線加工を繰返し行うことによって最終線径がφ１５μｍ～φ２５μｍになるワイヤを得た。伸線には市販の潤滑液を用い、伸線時のワイヤ送り速度は１００ｍ／分～６００ｍ／分とした。この工程を二次伸線加工工程とよぶ。二次伸線加工の間に２回の中間熱処理（１回目：４５０℃～５５０℃、２回目：３５０℃～４５０℃の）を施した。中間熱処理はＡｒガス雰囲気中にワイヤを連続的に通した。中間熱処理時のワイヤの送り速度は２０ｍ／分～１２０ｍ／分とした。
　二次伸線工程での減面率とワイヤ送り速度、および中間熱処理の際のワイヤ線径、さらには中間熱処理温度を調整することにより、結晶粒の大きさや双晶粒の存在比率を調整し、その結果として結晶粒界全長に対する双晶粒界全長の比を調整した。減面率は高く、ワイヤ送り速度は速く、中間熱処理の線径は細く、温度は高い方へ調整すると双晶粒界の比率が高まる傾向がある。
　二次伸線加工後に、ワイヤの破断伸びが約９～２５％になるよう最終熱処理を実施した。最終熱処理時のワイヤの送り速度は５０ｍ／分～１５０ｍ／分とし、最終熱処理温度は３００℃～５５０℃で熱処理時間は０．２秒～１．０秒とした。
　このようにして表１に記載のワイヤサンプルを準備した。
［一次接合信頼性評価］
　一次接合信頼性評価用サンプルは、次のように製造した。一般的なリードフレーム上のシリコン基板に厚さ１．０μｍのアルミ（Ａｌ）膜を成膜した電極に、市販のワイヤボンダで各ワイヤサンプルをボール接合し、市販のエポキシ樹脂（半導体用封止剤）によって封止した。なお、ボール接合はＮ２＋５％Ｈ２ガスを流量０．４～０．６Ｌ（リットル）／ｍｉｎで流しながら行った。ボール径はワイヤ線径に対して１．５～１．６倍の範囲になるように調整した。
　接合信頼性は、高温高湿試験（ＨＡＳＴ）により評価した。評価には、接合信頼性評価用サンプルを、不飽和型プレッシャークッカー試験機を使用して温度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時間ごと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半分（１／２）となる時間とした。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。
　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１０か所の測定値を算術平均して求めた。接合寿命が２８８時間以上のものを「優」、１４４時間以上２８８時間未満のものを「良」、９６時間以上１４４時間未満のものを「可」とし、接合寿命が９６時間未満のものを「不合格」として評価した。評価結果を表１に示す。
［二次接合信頼性評価（ウェッジ接合プル強度）］
　二次接合信頼性評価用サンプルは、次の用に製造した。市販のワイヤボンダでＡｇめっきを施したＣｕ合金リードフレーム上に各ワイヤサンプルをウェッジボンディングで接合した。その際に、１か所当たり４方向（リードフレームを上から見て任意の方向を基準方向（０°方向）として、時計回りに０°方向、９０°方向、１８０°方向、２７０°方向の４つの方向）で８０か所合計３２０本のウェッジボンディングを行い、評価サンプルを作製した。二次接合信頼性評価サンプルは、製造直後のワイヤ、クリーンルームに室温で１週間保管したワイヤ、およびクリーンルームに室温で２週間保管したワイヤを使用して作製し、それぞれウェッジ接合部のプル試験を実施した。
　プル強度の値は、各方向ごとに任意の１５本を抽出し、４方向で合計６０本の測定値を算術平均値して求めた。プル強度が４ｇｆ以上のものを「優」、３ｇｆ以上４ｇｆ未満のものを「良」とし、プル強度が３ｇｆ未満のものを「不合格」として評価した。評価結果を表１に示す。
［生産性評価：連続ボンディング性評価、キャピラリ先端の観察］
　連続ボンディング性評価は、各ワイヤサンプルを用いて、市販のワイヤボンダでＡｇめっきを施したＣｕ合金フレーム上に２０万回連続ボンディングして、連続ボンディング性を評価した。連続ボンディング性は、２０万回のボンディング中に装置停止した回数により評価し、装置停止が０回のものを「優」、１回または２回のものを「良」とし、装置停止が３回以上あったものを「不合格」として評価した。評価結果を表１に示す。
　次に、連続２０万回ボンディング後にキャピラリ先端のフェース面をＳＥＭにて観察し、ビルトアップの付着具合を目視で評価した。キャピラリ先端フェース面全面に対し、ビルトアップ（付着物）の生成物が確認できないものまたは少し点在している程度のものを「優」、１／４未満で存在しているものを「良」とし、フェース面の１／４以上を覆って存在しているものを「不合格」として評価した。評価結果を表１の「キャピラリ観察」欄に示す。
［ＦＡＢ形状評価］
　ＦＡＢ形状については、各ワイヤサンプルを用いて、市販のワイヤボンダでボール接合用のボール（ＦＡＢ）を形成し、その状態でＳＥＭを用いてＦＡＢ形状を観察した。合計５０個のＦＡＢを形成して評価を行った。真球状のものを良好、偏芯、異形のものを不良とした。５０個のＦＡＢ中で不良が０個のものを「優」、１～２個のものを「良」とし、不良が３個以上あったものを「不合格」として評価した。評価結果を表１に示す。
［ループ形状制御性評価］
　ループ形状制御性については、低ループ形状制御性とリーニング特性で評価した。
　低ループ形状制御性については、各ワイヤサンプルを用いて、市販のワイヤボンダで評価用のリードフレームに、ループ長１ｍｍ、ループ高さ６０μｍで１００本ボンディングして評価した。次いで、ボール接合部のネック損傷の有無をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて評価した。ボール接合部のネック部分に亀裂が生じたり、ネック部分が変形してワイヤが細くなっていたりしている場合、ネック損傷有りとした。１００本のうち、ネック損傷有りが３本以上であれば不可、２本は可、１本は良、０本は優とした。良と優が合格である。
　リーニング特性については、各ワイヤサンプルを用いて、市販のワイヤボンダで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ものを用いて評価した。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。
　ループ形状制御性は、低ループ形状制御性とリーニング間隔評価のそれぞれ１００本の評価において、ネック損傷が０本でリーニング不良が０本だったものを「優」、ネック損傷が１本またはリーニング不良が１～３本だったものを「良」、ネック損傷が２本またはリーニング不良が４～５本だったものを「可」とし、それ以外つまりネック損傷が３本以上またはリーニング不良が６本以上だったものを「不合格」として評価した。評価結果を表１に示す。
　表１から分かるように、本発明に係るＡｇボンディングワイヤは、一次接合信頼性も二次接合信頼性も良好であり、かつキャピラリ先端のビルトアップ生成が抑制され、優れた連続ボンディング性を有するものである。このことから本発明に係るＡｇボンディングワイヤであれば、ボンディング工程の生産性を阻害することがないことが確認された。さらに、本発明に係るＡｇボンディングワイヤであればＦＡＢ形状もループ形状制御性も優れていることが確認された。即ち、本発明に係るＡｇボンディングワイヤであれば、接合信頼性を維持しつつ、生産性を維持向上できることが確認された。
　本発明は、半導体産業において利用することができる。

Claims (3)

  1. 　Ｉｎを０．０５質量％～３．０質量％、
    Ｐｄ、Ｐｔ、およびＡｕのうち１種以上を総計で０．０１０質量％～５．０質量％、
    Ｓｃ、Ｔｉ、およびＭｎのうち１種以上を総計で０．０００５質量％～０．０５０質量％、
    Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上を総計で０質量％～０．０３０質量％を含み、
    残部がＡｇおよび不可避不純物からな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. 　Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｃｕのうち１種以上を総計で０．０００１質量％～０．０３０質量％含む、請求項１に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
  3. 　前記ボンディングワイヤのワイヤ軸に垂直な断面において、結晶粒界の長さの総計に対する双晶粒界の長さの総計の比が４０％以上である、請求項１または２に記載の半導体装置用ボンディングワイヤ。
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