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JP5408147B2 - Bonding wire - Google Patents
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Description

本発明は、ボンディングワイヤに関し、特に、銅を主成分とする芯材と、芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤに関する。   The present invention relates to a bonding wire, and more particularly to a bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer in which palladium is coated on the core material.

従来から、半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤとして、線径15〜75μm程度の金線が使用されている。金線は、化学的な安定性が高く、大気中で取り扱い易いため、従来から好んで用いられてきた。しかしながら、金線の組成は、99質量%から99.99質量%が金で占められていることから非常に高価であり、金線使用量のIOピン数が非常に多いプラスチックボールグリッドアレイパッケージ(Plastic Ball Grid Alley Package)や製品価格が安いメモリパッケージでは、さらに細い線径の金線を用いることで、金の使用量を減らし、そのコストを下げたいとの要請があった。   Conventionally, a gold wire having a wire diameter of about 15 to 75 μm has been used as a bonding wire used for connecting an electrode on a semiconductor element and an external electrode. Gold wire has been used favorably for its high chemical stability and is easy to handle in the atmosphere. However, the composition of the gold wire is very expensive because 99 mass% to 99.99 mass% is occupied by gold, and the plastic ball grid array package (the gold wire usage amount of IO pins is very large). In the plastic ball grid (Alley Package) and low-price memory packages, there was a request to reduce the amount of gold used and the cost by using gold wires with a thinner wire diameter.

また、金の電気比抵抗は約2.3μΩcmであるが、線径を細くすることで、その電気抵抗も上昇する。よって、電流値を変化させないことが好ましい半導体パッケージでは細線化に限界があり、更にパッケージの高密度化による発熱を低減させる観点から、電気比抵抗が約1.7μΩcmと金より低く、コスト的にも安価な銅に代替したいとの要請があった。このような状況から、近年銅ボンディングワイヤが開発、製品化されてきている。   Moreover, although the electrical specific resistance of gold is about 2.3 μΩcm, the electrical resistance increases as the wire diameter is reduced. Therefore, there is a limit to the thinning of the semiconductor package that preferably does not change the current value, and from the viewpoint of reducing heat generation due to the higher density of the package, the electrical specific resistance is about 1.7 μΩcm, which is lower than that of gold, and cost-effective. There was also a request to replace it with cheap copper. Under these circumstances, copper bonding wires have been developed and commercialized in recent years.

しかしながら、銅ボンディングワイヤは金ボンディングワイヤに較べると電気伝導性に優れ安価であるものの、金よりも硬度が高く、ワイヤ先端に形成されるボールが硬いため、シリコンチップ上のアルミ電極パッドへダメージを与えるという問題があった。軟らかいボールを得るためには高純度の銅を用いる必要があるが、不純物の低下による結晶粒の粗大化により、ワイヤループ制御性や引張特性が低下してしまうという問題があった。   However, although copper bonding wires are superior in electrical conductivity and inexpensive compared to gold bonding wires, they are harder than gold and the balls formed on the wire tips are hard, which damages the aluminum electrode pads on the silicon chip. There was a problem of giving. In order to obtain a soft ball, it is necessary to use high-purity copper, but there has been a problem that wire loop controllability and tensile properties are deteriorated due to coarsening of crystal grains due to a decrease in impurities.

かかる問題点に対し、純度が5N〜6Nの銅を用いて硫黄添加による銅の結晶粒微細化によりワイヤループ制御性や引張特性を向上させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、高純度銅を用いた軟らかいボールは酸化し易く、アルミ電極パッドとの接合の信頼性に劣る問題点があるため、かかる問題点を解消すべく、リン添加によりボール酸化を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   In order to solve this problem, a method has been proposed in which copper having a purity of 5N to 6N is used to improve wire loop controllability and tensile properties by refinement of copper crystal grains by addition of sulfur (see, for example, Patent Document 1). . In addition, soft balls using high-purity copper are easy to oxidize, and there is a problem that the reliability of bonding with the aluminum electrode pad is inferior, so there is a method of preventing ball oxidation by adding phosphorus to solve such problems. It has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

しかしながら、銅ボンディングワイヤは表面が酸化し易く、酸化によってステッチボンディングの接合性が低下するという問題があるため、特許文献1、2に記載の構成では、表面酸化による接合性の低下により、実用化が困難であった。   However, since the surface of the copper bonding wire is easily oxidized, and there is a problem that the bonding property of the stitch bonding is lowered by the oxidation, the configurations described in Patent Documents 1 and 2 are put to practical use due to the deterioration of the bonding property due to the surface oxidation. It was difficult.

そこで、銅表面の酸化を防止するために、高純度銅極細線の表面にパラジウム被膜を形成する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。また、真球性の低いボール形成や、ボール形成時に部分的にパラジウム被覆が欠損して露出した銅が酸化する問題点を解消すべく、銅芯材にPを1〜500質量ppm添加し、かつ、パラジウムまたは白金の中間層と金の表皮層で銅芯材を被覆する方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。   Therefore, in order to prevent oxidation of the copper surface, a method of forming a palladium film on the surface of a high purity copper fine wire has been proposed (see, for example, Patent Document 3). In addition, in order to solve the problem of the formation of a ball having low sphericity and the problem of oxidation of exposed copper due to partial loss of palladium coating during ball formation, 1 to 500 ppm by mass of P is added to the copper core material, And the method of coat | covering a copper core material with the intermediate | middle layer of palladium or platinum, and the skin layer of gold | metal | money is proposed (for example, refer patent document 4).

特開平7−86325号公報JP-A-7-86325 特開2010−153539号公報JP 2010-153539 A 特開昭62−97360号公報JP-A-62-97360 特許第4349641号公報Japanese Patent No. 4349641

しかしながら、上述の特許文献3に記載の構成では、半導体素子組み立て中にボール形状の真球性が低いボールが発生したり、ボンディング後のボールが均一な色を呈せずに一部に銅色の強い、すなわちパラジウム濃度の低い部分が発生したりすることがあるという問題があった。   However, in the configuration described in Patent Document 3 described above, a ball having a low sphericity is generated during assembly of the semiconductor element, or the ball after bonding does not exhibit a uniform color and is partially copper-colored. In other words, there is a problem that a strong portion, that is, a portion having a low palladium concentration may occur.

また、上述の特許文献4に記載の構成では、金表皮層の存在とリンを数100質量ppm添加することにより形成されるボールの真球性や、ステッチボンディングの接合性は向上するが、リンを多く添加するとボール内にボイドを形成しやすく、接合の長期信頼性に懸念があるという問題があった。   In addition, in the configuration described in Patent Document 4 described above, the presence of the gold skin layer and the addition of several hundred mass ppm of phosphorus improve the sphericity of the ball formed and the bondability of stitch bonding. When a large amount is added, voids are easily formed in the ball, and there is a problem that there is a concern about long-term reliability of bonding.

つまり、従来の銅芯材をパラジウムで被覆するボンディングワイヤは、ワイヤ自体やボール表面の酸化によるアルミ電極パッドへの接合の安定性が低く、接合安定性の対応がループ安定性と両立しないという問題があった。   In other words, the conventional bonding wire in which the copper core material is coated with palladium has a low bonding stability to the aluminum electrode pad due to the oxidation of the wire itself or the ball surface, and the correspondence of bonding stability is not compatible with loop stability. was there.

そこで、本発明は、ボール表面の酸化による硬度上昇を防止するとともに真球性を確保することにより、パッドダメージを発生させず接合性の高いボールを形成するボンディングワイヤを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a bonding wire that forms a ball having high bondability without causing pad damage by preventing a hardness increase due to oxidation of the ball surface and ensuring sphericity. .

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材が硫黄を含有し、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0007質量%の範囲であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a bonding wire according to an embodiment of the present invention is a bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material contains sulfur, and the concentration of the sulfur is in the range of 0.0001 to 0.0007% by mass.

本発明の他の実施形態に係るボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材がリン及び硫黄を含有し、該リンの濃度が0.001〜0.015質量%の範囲であり、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0007質量%の範囲であることを特徴とする。
A bonding wire according to another embodiment of the present invention is a bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material contains phosphorus and sulfur, the phosphorus concentration is in the range of 0.001 to 0.015 mass%, and the sulfur concentration is in the range of 0.0001 to 0.0007 mass%. Features.

本発明の他の実施形態に係るボンディングワイヤは、銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材がリン及び硫黄を含有し、該リンの濃度が0.002〜0.008質量%の範囲であり、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0003質量%の範囲であることを特徴とする。
A bonding wire according to another embodiment of the present invention is a bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material contains phosphorus and sulfur, the phosphorus concentration is in the range of 0.002 to 0.008 mass%, and the sulfur concentration is in the range of 0.0001 to 0.0003 mass%. Features.

また、前記外層において、パラジウムの濃度が前記芯材及び前記外層の全体に含まれる金属元素の総計に対して50at%以上である領域の厚さが、50〜250nmであってもよい。   In the outer layer, the thickness of the region where the concentration of palladium is 50 at% or more with respect to the total amount of metal elements contained in the core material and the entire outer layer may be 50 to 250 nm.

また、前記芯材は、金又はパラジウムを含有し、該金又はパラジウムの濃度が0.0001〜10質量%の範囲であってもよい。   The core material may contain gold or palladium, and the gold or palladium concentration may be in the range of 0.0001 to 10% by mass.

本発明によれば、ワイヤ表面の酸化及びボールボンディングの硬化を防止することができるとともに、ボール真球性及び接合性を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to prevent the oxidation of a wire surface and hardening of ball bonding, ball sphericity and bondability can be improved.

本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの一例を示した断面構成図である。図1(A)は本実施形態に係るボンディングワイヤの長手方向の断面構成図である。図1(B)は本実施形態に係るボンディングワイヤの径方向の断面構成図である。It is a section lineblock diagram showing an example of a bonding wire concerning an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional configuration diagram in the longitudinal direction of the bonding wire according to the present embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional configuration diagram in the radial direction of the bonding wire according to the present embodiment.

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係るボンディングワイヤの一例を示した断面構成図である。図1(A)は本実施形態に係るボンディングワイヤの長手方向の断面構成図であり、図1(B)は本実施形態に係るボンディングワイヤの径方向の断面構成図である。   FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram illustrating an example of a bonding wire according to an embodiment of the present invention. 1A is a cross-sectional configuration diagram in the longitudinal direction of the bonding wire according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional configuration diagram in the radial direction of the bonding wire according to the present embodiment.

図1(A)、(B)において、本実施形態に係るボンディングワイヤは、芯材10と、外層20とを備える。本実施形態に係るボンディングワイヤは、芯材10の外周を取り囲むように外層20が被覆した構成を有する。   1A and 1B, the bonding wire according to the present embodiment includes a core material 10 and an outer layer 20. The bonding wire according to the present embodiment has a configuration in which the outer layer 20 is coated so as to surround the outer periphery of the core material 10.

芯材10は、ボンディングワイヤにおいて、半導体素子とパッドとの電気的接続の中心を担う部分であり、銅(Cu)を主成分として構成される。外層20は、芯材10を被覆することにより、銅が酸素と直接接触して酸化するのを防ぐ役割を有し、パラジウム(Pd)で構成される。   The core material 10 is a part that bears the center of electrical connection between the semiconductor element and the pad in the bonding wire, and is composed mainly of copper (Cu). The outer layer 20 covers the core material 10 to prevent copper from coming into direct contact with oxygen and oxidizing, and is composed of palladium (Pd).

図1において、芯材10と外層20との境界線30が明確に示されているが、実際には、芯材10と外層20との境界は、芯材10の銅と外層20のパラジウムとが混在した状態の拡散領域35を形成している。拡散領域35においては、内側に入るにつれて銅の比率が高くなり、外側に出るにつれてパラジウムの比率が高くなる。例えば、境界線30を、芯材10の銅と外層20のパラジウムとの比率が1:1であると仮定してもよい。   In FIG. 1, the boundary line 30 between the core material 10 and the outer layer 20 is clearly shown, but in reality, the boundary between the core material 10 and the outer layer 20 is formed by the copper of the core material 10 and the palladium of the outer layer 20. The diffusion region 35 is formed in a state in which a mixture of. In the diffusion region 35, the ratio of copper increases toward the inside, and the ratio of palladium increases toward the outside. For example, the boundary line 30 may be assumed to have a 1: 1 ratio of copper of the core material 10 to palladium of the outer layer 20.

本実施形態に係るボンディングワイヤの芯材10は、銅を主成分とするが、硫黄(S)を含有する。また、必要に応じて、硫黄に加えてリン(P)も含有してよい。   The core material 10 of the bonding wire according to the present embodiment contains copper as a main component, but contains sulfur (S). Moreover, you may contain phosphorus (P) in addition to sulfur as needed.

銅を主成分とする芯材10に硫黄を添加する理由は、ボールボンディングにおける半導体素子への十分な接合に必要なボール硬度を得ることにある。また、硫黄添加はワイヤ強度を高める作用があり、2回目のボンディングであるステッチボンディング時のテール強度が安定することにより、良好なボール形成を促す作用もある。芯材10に添加する硫黄の量としては、硫黄濃度が0.0001〜0.0007重量%であることが好ましい。硫黄添加によって銅芯材10の結晶粒組織を微細にし、かつ安定させる働きがあるが、硫黄添加量が多い場合にはボール硬度が上昇しすぎるために好ましくない。   The reason for adding sulfur to the core 10 mainly composed of copper is to obtain a ball hardness necessary for sufficient bonding to a semiconductor element in ball bonding. Further, the addition of sulfur has an effect of increasing wire strength, and also has an effect of promoting good ball formation by stabilizing the tail strength at the time of stitch bonding which is the second bonding. The amount of sulfur added to the core material 10 is preferably a sulfur concentration of 0.0001 to 0.0007% by weight. Addition of sulfur serves to make the crystal grain structure of the copper core material 10 fine and stable, but when the amount of sulfur addition is large, the ball hardness increases excessively, which is not preferable.

また、硫黄を添加した芯材10に更にリンを加えることも、ボール真球性やボール接合性を高めるために効果的である。リンはボール表面の酸化を防止するとともに、ボール真球性を高める作用がある。リンによる芯材10の酸化防止効果は、ボールを形成させる際に使用するガスがフォーミングガス(5vol%(H+N)混合ガス)であるときに、より高い効果が得られる。 In addition, it is also effective to add phosphorus to the core material 10 to which sulfur is added in order to improve ball sphericity and ball bondability. Phosphorus has the effect of preventing ball surface oxidation and enhancing ball sphericity. The effect of preventing the oxidation of the core material 10 by phosphorus is higher when the gas used for forming the ball is a forming gas (5 vol% (H 2 + N 2 ) mixed gas).

但し、硫黄を含まないリン添加の条件下では、十分なボール硬度が得られない。例えば、プラスチックボールグリッドアレイパッケージ(PBGA)等で電極を150℃程度に加熱したボールボンディングにおいて、十分にボールへ超音波が伝わらず、ボール接合が不十分となる。その結果、高温放置後のプル強度試験で、ボールがアルミニウムパッドから剥がれてしまうボールリフトが発生しやすいことが実験により確かめられた。よって、銅の芯材10には、リン単独ではなく、硫黄とリンの双方を添加することが好ましい。   However, sufficient ball hardness cannot be obtained under the condition of phosphorus addition without sulfur. For example, in ball bonding in which an electrode is heated to about 150 ° C. with a plastic ball grid array package (PBGA) or the like, ultrasonic waves are not sufficiently transmitted to the ball, resulting in insufficient ball bonding. As a result, in a pull strength test after being left at high temperature, it was confirmed by experiments that a ball lift that would cause the ball to peel off from the aluminum pad was likely to occur. Therefore, it is preferable to add both sulfur and phosphorus to the copper core material 10 instead of phosphorus alone.

なお、芯材10に添加するリン量および硫黄量としては、リン濃度が0.001〜0.015重量%の範囲であり、硫黄濃度が0.0001〜0.0007重量%の範囲である。更に好ましくは、リン濃度が0.002〜0.008重量%の範囲であり、硫黄濃度が0.0001〜0.0003重量%の範囲である。リン量が多くなると、高温放置後のプル強度試験において、Ti層等のアルミニウムパッドの下地メタル層が破損して剥がれてしまうメタルピーリングが発生し易くなる。   In addition, as the amount of phosphorus and sulfur added to the core material 10, the phosphorus concentration is in the range of 0.001 to 0.015 wt%, and the sulfur concentration is in the range of 0.0001 to 0.0007 wt%. More preferably, the phosphorus concentration is in the range of 0.002 to 0.008 wt%, and the sulfur concentration is in the range of 0.0001 to 0.0003 wt%. When the amount of phosphorus increases, in the pull strength test after standing at high temperature, the metal peeling that the base metal layer of the aluminum pad such as the Ti layer breaks and peels easily occurs.

また、外層20において、ボンディングワイヤに含まれる金属元素の総計に対するパラジウムの濃度が50at%以上の領域の厚さが50〜250nmの範囲であれば、ボール形成時の偏芯を抑制し、さらにステッチボンディング時にリードとの接合性を高めることができる。この理由は、酸化しやすい銅表面に耐酸化性を有するパラジウムで被覆することにより酸化銅の生成を抑制するからである。   Further, in the outer layer 20, if the thickness of the region where the concentration of palladium with respect to the total amount of metal elements contained in the bonding wire is 50 at% or more is in the range of 50 to 250 nm, the eccentricity at the time of ball formation is suppressed, and further stitching is performed. Bondability with the lead can be improved during bonding. This is because the formation of copper oxide is suppressed by coating the oxidizable copper surface with palladium having oxidation resistance.

なお、発明者等は、酸化銅がボールを偏芯せしめ、さらに酸化銅がパッドとボンディングワイヤの介在物となることで、ステッチ接合性を劣化せしめることを経験的に把握した。外層20の厚さが50nm未満の場合には、外層20の膜厚が不十分なために芯材の銅が酸化してしまい、ボールの偏芯及びステッチ接合性の劣化を招く可能性が高い。一方、外層20の厚さが250nmを超える範囲では、パラジウムと銅との間での熱の伝わり方が不均一となり、ボールが偏芯してしまう。更には、ボール表面近傍で合金を形成することにより、表面の硬度が増し、チップ側のパッド電極にダメージを与えて破壊してしまうため、ボンディング装置がエラーで停止し、作業性を悪化させる可能性が高い。よって、外層20においては、ボンディングワイヤ中の金属元素の総計に対するパラジウムの濃度が50at%以上の領域の厚さが、50〜250nmの範囲であることが好ましい。   The inventors have empirically grasped that the stitch bondability is deteriorated by the copper oxide decentering the ball and the copper oxide becoming an inclusion between the pad and the bonding wire. When the thickness of the outer layer 20 is less than 50 nm, since the film thickness of the outer layer 20 is insufficient, the copper of the core material is oxidized, and there is a high possibility that the eccentricity of the ball and the deterioration of the stitch bondability will be caused. . On the other hand, when the thickness of the outer layer 20 exceeds 250 nm, the heat transfer between the palladium and the copper becomes non-uniform, and the ball is eccentric. Furthermore, by forming an alloy in the vicinity of the ball surface, the surface hardness increases, and the pad electrode on the chip side is damaged and destroyed, so the bonding device can stop due to an error and deteriorate workability. High nature. Therefore, in the outer layer 20, it is preferable that the thickness of the region where the concentration of palladium with respect to the total amount of metal elements in the bonding wire is 50 at% or more is in the range of 50 to 250 nm.

芯材10にパラジウムを被覆する方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、真空蒸着に代表される物理蒸着方法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)に代表される化学蒸着方法、めっき等が考えられ、用途に応じて適切な方法を用いてよい。但し、安価な設備で簡易に、かつボンディングワイヤ長手方向に連続的にパラジウムを被覆して大量生産する手法としては、真空設備が不要で、短時間で被膜を形成でき、かつプロセス中でパラジウムの重量バランス管理が安易で重量ロスも少ないめっき法が好ましい。   As a method for coating the core material 10 with palladium, a physical vapor deposition method typified by sputtering, ion plating, vacuum vapor deposition, a chemical vapor deposition method typified by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), plating, and the like can be considered. An appropriate method may be used depending on the case. However, as a technique for mass production by simply covering palladium in the longitudinal direction of the bonding wire with a low-cost equipment and mass-producing it, a vacuum equipment is unnecessary, a film can be formed in a short time, and palladium can be formed in the process. Plating methods that allow easy weight balance management and low weight loss are preferred.

また、被覆されたパラジウムの厚さを測定する方法としては、ボンディングワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げていきながら分析する手法、又はボンディングワイヤ断面でのライン分析等を用いることができる。本実施形態では、ボンディングワイヤ表面から芯材方向へのパラジウムと銅の濃度変化を測定し、パラジウムの濃度が50at%以上である領域をパラジウム被覆厚さとする。これらの定量分析の精度を向上するためには、電子線マイクロ分析法(EPMA、Electron Probe MicroAnalysis)、エネルギー分散型X線分析法(EDS、Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)、オージェ電子分光分析法(AES、Auger Electron Spectroscopy)、透過型電子線顕微鏡(TEM、Transmission Electron Microscope)等を利用することができる。特に、AES法は、空間分解能が高いことから、最表面の微細な領域の濃度分析に有効である。また、平均的な組成の調査などには、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP−AES、Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)
又はグロー放電質量分析(GDMS、Glow Discharge Mass Spectroscopy)を用いて定量分析を行うことも可能である。
In addition, as a method for measuring the thickness of the coated palladium, a method of analyzing while digging in the depth direction from the surface of the bonding wire by sputtering or the like, or a line analysis at the cross section of the bonding wire can be used. . In this embodiment, the concentration change of palladium and copper from the bonding wire surface toward the core material is measured, and the region where the palladium concentration is 50 at% or more is defined as the palladium coating thickness. To improve the accuracy of these quantitative analyses, electron microanalysis (EPMA), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Auger electron spectroscopy (EDG) AES, Auger Electron Spectroscopy), a transmission electron microscope (TEM), etc. can be used. In particular, since the AES method has a high spatial resolution, it is effective for concentration analysis of the finest region on the outermost surface. For investigation of the average composition, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES)
Alternatively, quantitative analysis can be performed using glow discharge mass spectrometry (GDMS).

更に、芯材10に金又はパラジウムを添加してボンディングワイヤを構成してもよい。芯材10に金又はパラジウムが添加されたボンディングワイヤであれば、金又はパラジウムの耐酸化性の効果で酸化銅の生成を抑制するため、ボール形成時の偏芯や異形を抑制して接合性を高めることができる。芯材10に金又はパラジウムを添加する量は、0.0001〜10質量%の範囲であることが好ましい。あまり多量に金又はパラジウムを添加すると、合金化によるボール硬度の増加でパッド損傷が発生し易くなるからである。なお、芯材10に金又はパラジウムを添加することで酸化銅生成を抑制できることから、銅表面にパラジウムを被覆する厚さを薄くすることが可能となり、製造方法の簡略化が容易となる。但し、必ずしもパラジウムの濃度が50at%以上の領域の厚さを限定するものではない。   Further, a bonding wire may be configured by adding gold or palladium to the core material 10. A bonding wire in which gold or palladium is added to the core material 10 suppresses the formation of copper oxide due to the effect of oxidation resistance of gold or palladium. Can be increased. The amount of gold or palladium added to the core material 10 is preferably in the range of 0.0001 to 10% by mass. This is because if too much gold or palladium is added, pad damage is likely to occur due to an increase in ball hardness due to alloying. In addition, since copper oxide production | generation can be suppressed by adding gold | metal | money or palladium to the core material 10, it becomes possible to make thin the thickness which coat | covers palladium on a copper surface, and simplification of a manufacturing method becomes easy. However, the thickness of the region where the palladium concentration is 50 at% or more is not necessarily limited.

表1は、本発明の実施例に係るボンディングワイヤの成分及び構成を示している。表2は、比較例に係るボンディングワイヤの成分及び構成を示している。表1及び表2において、左端の番号は、実施例の番号及び比較例の番号を示している。また、本実施例において、今まで説明した構成要素と同様の構成要素には同一の参照番号を付し、その説明を省略するものとする。   Table 1 shows the components and configuration of the bonding wire according to the embodiment of the present invention. Table 2 shows the components and configuration of the bonding wire according to the comparative example. In Tables 1 and 2, the leftmost number indicates the number of the example and the number of the comparative example. Further, in this embodiment, the same reference numerals are given to the same components as those described so far, and the description thereof will be omitted.

Figure 0005408147
Figure 0005408147

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実施例1〜14及び比較例15〜20は、以下のような製造工程により製造した。まず、パラジウム被膜を有する銅ボンディングワイヤで、純度99.9999%の電気銅を使用して表1又は表2に示すリン、硫黄、金及びパラジウム含有量になるように添加して連続熔解鋳造し、ダイスによる引き抜き伸線加工により線径0.2mmまで縮径し、線速10m/minで連続加熱処理を行った。これにより、銅を主成分とする芯材10が完成する。
Figure 0005408147
Examples 1 to 14 and Comparative Examples 15 to 20 were manufactured by the following manufacturing process. First, using a copper bonding wire with a palladium coating, add 99.9999% pure copper to the phosphorus, sulfur, gold and palladium contents shown in Table 1 or Table 2 and continuously melt and cast. The wire diameter was reduced to 0.2 mm by drawing and drawing with a die, and continuous heat treatment was performed at a wire speed of 10 m / min. Thereby, the core material 10 which has copper as a main component is completed.

次に、めっき前処理となる脱脂、化学研摩、酸活性を行い、銅素地を露出させて0.1μm厚のパラジウムストライクめっきを行った後、所定厚さでパラジウムめっきを行った。なお、ストライクめっきは、パラジウムめっきの密着性を向上させるために、高い電流密度で短時間に行い、薄くて密着性の高い下地となる被膜を形成するめっきである。次に、加熱処理を行い、ダイスによる引き抜き伸線加工によって直径20μmまで縮径し、伸び率が10%となるように窒素ガス雰囲気中で線速50m/minで連続焼鈍した。めっき厚は、めっき時間を変えることで調整した。   Next, degreasing, chemical polishing, and acid activity, which are pretreatments for plating, were performed to expose the copper base, and 0.1 μm-thick palladium strike plating was performed, followed by palladium plating with a predetermined thickness. Strike plating is plating that is performed at a high current density in a short time in order to improve the adhesion of palladium plating, and forms a thin and highly adhesive coating. Next, heat treatment was performed, the diameter was reduced to 20 μm by drawing and drawing with a die, and continuous annealing was performed at a linear speed of 50 m / min in a nitrogen gas atmosphere so that the elongation rate was 10%. The plating thickness was adjusted by changing the plating time.

実施例1〜14に係るボンディングワイヤは、本実施形態に係るボンディングワイヤで説明したように、硫黄濃度が0.0001〜0.0007質量%となり、パラジウム濃度が50at%以上の領域の厚さが50〜250nmとなるように構成した。この内、実施例2〜5及び実施例7〜14に係るボンディングワイヤは、リン濃度が0.0001〜0.015質量%である。特に、実施例4〜5、実施例8〜10及び実施例14に係るボンディングワイヤは、リン濃度が0.002〜0.008質量%である。また、実施例11〜14に係るボンディングワイヤは、金又はパラジウム濃度が0.0001〜10質量%である。   As described in the bonding wires according to this embodiment, the bonding wires according to Examples 1 to 14 have a sulfur concentration of 0.0001 to 0.0007% by mass and a thickness of a region where the palladium concentration is 50 at% or more. It comprised so that it might become 50-250 nm. Among these, the bonding wires according to Examples 2 to 5 and Examples 7 to 14 have a phosphorus concentration of 0.0001 to 0.015% by mass. In particular, the bonding wires according to Examples 4 to 5, Examples 8 to 10, and Example 14 have a phosphorus concentration of 0.002 to 0.008 mass%. In addition, the bonding wires according to Examples 11 to 14 have a gold or palladium concentration of 0.0001 to 10% by mass.

一方、比較例15、18、19に係るボンディングワイヤは、硫黄濃度が0.0001質量%未満となり、比較例16、17、20に係るボンディングワイヤは、硫黄濃度が0.0007mass%を超え、本実施形態に係るワイヤボンディングの範囲を逸脱している。更に、比較例17、18に係るボンディングワイヤは、リン濃度が0.015質量%を超えている。また、比較例19に係るボンディングワイヤは、パラジウム濃度が50at%以上の領域の厚さが50nm未満であり、比較例20はパラジウム濃度が50at%以上の領域の厚さが250nmを超えている。このように、比較例15〜20に係るボンディングワイヤは、いずれかの項目で本実施形態に係るボンディングワイヤで述べた範囲を逸脱している。   On the other hand, the bonding wires according to Comparative Examples 15, 18, and 19 have a sulfur concentration of less than 0.0001% by mass, and the bonding wires according to Comparative Examples 16, 17, and 20 have a sulfur concentration exceeding 0.0007% by mass. It deviates from the scope of wire bonding according to the embodiment. Further, the bonding wires according to Comparative Examples 17 and 18 have a phosphorus concentration exceeding 0.015 mass%. In the bonding wire according to Comparative Example 19, the thickness of the region where the palladium concentration is 50 at% or more is less than 50 nm, and in Comparative Example 20, the thickness of the region where the palladium concentration is 50 at% or more exceeds 250 nm. Thus, the bonding wires according to Comparative Examples 15 to 20 deviate from the range described in the bonding wires according to the present embodiment in any item.

このようにして作製した本実施例及び比較例に係る銅ボンディングワイヤを、ボンディングテストを行って評価した。ボンディングテストにおいて、ボンダは、キューリック&ソファ社製のIConnを使用した。ボール形成に用いたガスは、100%窒素(N)ガスとした。使用したボンダは、ボール形成に用いるガスをボンディングサイトへも吹き付ける機能があり、顧客の使用条件と同条件での評価とするため、今回の評価でもガスのボンディングサイトへの吹き付けを採用した。ボールボンディング評価用の半導体素子としては、パッドの材質が、アルミニウムが0.5%の銅を含有するAl−0.5%Cuであり、アルミニウム膜厚が0.6μmである市販のテストウエハを用いた。ステッチボンディング評価には、3μmの厚さに銀めっきされたリードフレームを用いた。 Thus, the copper bonding wire which concerns on the present Example and comparative example produced was evaluated by performing the bonding test. In the bonding test, Bonder used IConn made by Kürick & Sofa. The gas used for ball formation was 100% nitrogen (N 2 ) gas. The bonder used has the function of spraying the gas used for ball formation to the bonding site, and in this evaluation, we used gas spraying to the bonding site to evaluate under the same conditions as the customer's use conditions. As a semiconductor element for ball bonding evaluation, a commercially available test wafer in which the pad material is Al-0.5% Cu containing 0.5% copper and aluminum film thickness is 0.6 μm is used. Using. For the stitch bonding evaluation, a lead frame silver-plated to a thickness of 3 μm was used.

ボンドの接合強度については、デイジ社のボンドテスター5000を用いて、ボンダのトランスデューサの振動方向であるY方向にボンディングされたボールのシア強度と、ステッチボンディング近傍にフックを掛けて引っ張って行うステッチプル強度を測定した。Y方向には、ボールボンディング時にボールによるアルミニウム押し出しが発生し易く、接合性評価時の接合部破壊のきっかけになり易い。またY方向でのステッチボンディングにおいては、ワイヤが銀メッキ上で滑り易くなる。このように、Y方向では、ボールボンディング及びステッチプルボンディングのいずれの接合も、X方向に比べて不十分になり易い。よって、接合性を比較評価する試料としては、主にY方向にボンディングされたワイヤを用いて評価を行った。   The bond strength of the bond is obtained by using a bond tester 5000 from Daisy, and the shear strength of the ball bonded in the Y direction, which is the vibration direction of the bonder transducer, and the stitch pull performed by pulling the hook in the vicinity of the stitch bonding. The strength was measured. In the Y direction, aluminum is likely to be pushed out by the ball during ball bonding, and it is easy to trigger joint destruction during the bondability evaluation. Further, in stitch bonding in the Y direction, the wire is easily slipped on the silver plating. Thus, in the Y direction, both ball bonding and stitch pull bonding tend to be insufficient compared to the X direction. Therefore, as a sample for comparing and evaluating the bondability, the evaluation was performed mainly using a wire bonded in the Y direction.

ボール真球性の評価は、水平方向から観察したボール形状及び鉛直上方から観察した潰しボール形状から行った。また、ボール接合性の評価は、Y方向でのシア角度及びメタルピーリングの有無で行った。ここで、ボール形状は、線径の1.7倍の直径となるように形成したボールを水平方向から観察して評価した。また、潰しボール形状は、潰しボールの直径が線径の2倍となるようにボールボンディングされたボールを鉛直上方から観察して評価した。更に、メタルピーリングの有無は、Y方向でのプル強度測定における破壊モードのうちパッドダメージが原因と判断されるアルミニウムパッドの下層からの金属膜の剥離の有無により評価した。   Ball sphericity was evaluated based on the ball shape observed from the horizontal direction and the crushed ball shape observed from vertically above. The ball bondability was evaluated based on the shear angle in the Y direction and the presence or absence of metal peeling. Here, the ball shape was evaluated by observing a ball formed to have a diameter 1.7 times the wire diameter from the horizontal direction. Further, the shape of the crushed ball was evaluated by observing a ball-bonded ball from above in a vertical direction so that the diameter of the crushed ball is twice the wire diameter. Furthermore, the presence or absence of metal peeling was evaluated by the presence or absence of peeling of the metal film from the lower layer of the aluminum pad, which is determined to be caused by pad damage in the failure mode in the pull strength measurement in the Y direction.

表3は、実施例1〜14に係るボンディングワイヤのボンディングテスト結果を、比較例15〜19に係るボンディングワイヤと比較して示している。   Table 3 shows the bonding test results of the bonding wires according to Examples 1 to 14 in comparison with the bonding wires according to Comparative Examples 15 to 19.

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表3において、ボール形状については、100個のボールを水平方向から観察し、ボンディングワイヤの軸中心とボールの軸中心が一致しない、いわゆる芯ずれ又は鏃状ボールが発生した場合を×、ボールの底部がわずかに尖ったボールが発生した場合を△、いずれの異常も発生しない場合を○とした。
Figure 0005408147
In Table 3, regarding the ball shape, 100 balls were observed from the horizontal direction, and the case where a so-called misalignment or bowl-shaped ball in which the axis center of the bonding wire and the axis center of the ball did not coincide with each other occurred ×, The case where a ball with a slightly sharp bottom was generated was marked as △, and the case where no abnormality occurred was marked as ◯.

潰しボール形状については、100個のボールを上方から観察し、同一潰れボールの最も長い径Yと最も短い径Xとの差が3μmを超えたボールが発生した場合を×とした。また、同一潰れボールの最も長い径Yと最も短い径Xとの差を、各ボールのX方向での平均径XbarとY方向の平均径Ybarとの差を平均した平均径で除した((Y−X)/((Xbar+Ybar)/2))×100、いわゆる真円度が3%を越えた場合を△とした。更に、いずれの異常も発生しなかった場合を○とした。   As for the shape of the crushed ball, 100 balls were observed from above, and a case where a ball in which the difference between the longest diameter Y and the shortest diameter X of the same crushed ball exceeded 3 μm occurred was marked as x. Further, the difference between the longest diameter Y and the shortest diameter X of the same crushed ball was divided by the average diameter obtained by averaging the differences between the average diameter Xbar in the X direction and the average diameter Ybar in the Y direction of each ball (( Y−X) / ((Xbar + Ybar) / 2)) × 100, the case where the so-called roundness exceeds 3% is represented by Δ. Furthermore, the case where any abnormality did not occur was evaluated as ◯.

シア強度については、24個のボールについて測定した。X方向での平均潰れ径とY方向での平均潰れ径から計算される平均つぶれ径を直径とし、この直径を用いて計算される円の面積を接合面積とみなした。そして、1個のボール全体のシア強度(単位はgf)を接合面積(単位は平方mm)で除した、単位面積あたり強度(単位はkgf/mm2)でシア強度を評価した。そして、測定した24個のボールの中で、9kgf/mm未満のボールが発生した場合を×、9以上10.5kgf/mm未満のボールが発生した場合を△、全てのボールが10.5kgf/mm以上となった場合を○とした。 The shear strength was measured for 24 balls. The average crushing diameter calculated from the average crushing diameter in the X direction and the average crushing diameter in the Y direction was taken as the diameter, and the area of the circle calculated using this diameter was considered as the bonding area. The shear strength was evaluated by the strength per unit area (unit: kgf / mm 2) obtained by dividing the shear strength (unit: gf) of one whole ball by the bonding area (unit: square mm). Then, among the 24 balls was measured, × a case where 9 kgf / mm 2 below the ball has occurred, 9 or 10.5kgf / mm less than 2 where the ball has occurred △, all balls 10. The case where it became 5 kgf / mm < 2 > or more was set as (circle).

パッドダメージについては、24個のボールを観察し、シリコン部の亀裂や破壊又はメタルピーリングのモードが発生した場合を×、ボールがアルミニウムパッドから剥がれてしまうボールリフトのモードが発生した場合を△、すべてのモードがステッチ切れ又はワイヤ切れの場合を○とした。   For pad damage, 24 balls were observed, and a crack or destruction of the silicon part or a metal peeling mode occurred x, a ball lift mode in which the ball peeled off the aluminum pad occurred Δ, A case where all the modes were out of stitches or wires was marked as ◯.

表3に、ボール真球性及びボール接合性の評価結果が示されているが、実施例1〜14に係るボンディングワイヤは、ボール形状、潰しボール形状、Y方向でのシア強度、メタルピーリングの有無の総ての評価項目において、○又は△の良好な結果となり、ボール真球性と接合性に優れるワイヤである。ここで、リンの濃度が0.001〜0.015質量%の範囲である実施例2〜5及び実施例7〜14に係るボンディングワイヤにおいては、優れたボール形状を有しており、硫黄及びリンを添加した効果が発揮された結果となった。特に、リンの濃度が0.002〜0.008質量%の範囲である実施例4、5及び10に係るボンディングワイヤにおいては、総ての評価項目において○となっており、リン添加の効果が十分に発揮された結果となった。また、パラジウムの濃度が50at%以上の領域の厚さが50〜250nmの範囲である実施例1〜14に係るボンディングワイヤにおいては、潰しボール形状とY方向でのシア強度で優れた結果となり、金又はパラジウムを銅に添加した実施例11〜14に係るボンディングワイヤにおいてもボール形成時の偏芯や異形を抑制して接合性が高められる。   Table 3 shows the evaluation results of the ball sphericity and ball bondability, but the bonding wires according to Examples 1 to 14 have a ball shape, a crushed ball shape, shear strength in the Y direction, and metal peeling. In all evaluation items of presence / absence, a good result of ◯ or Δ is obtained, and the wire is excellent in ball sphericity and bondability. Here, in the bonding wires according to Examples 2 to 5 and Examples 7 to 14 in which the concentration of phosphorus is in the range of 0.001 to 0.015% by mass, the bonding wire has an excellent ball shape, and sulfur and As a result, the effect of adding phosphorus was demonstrated. In particular, in the bonding wires according to Examples 4, 5 and 10 in which the concentration of phosphorus is in the range of 0.002 to 0.008% by mass, all evaluation items are ◯, and the effect of adding phosphorus is The result was fully demonstrated. In addition, in the bonding wires according to Examples 1 to 14 where the thickness of the region where the concentration of palladium is 50 at% or more is in the range of 50 to 250 nm, the result is excellent in the crushed ball shape and the shear strength in the Y direction. Also in the bonding wires according to Examples 11 to 14 in which gold or palladium is added to copper, the eccentricity and irregular shape at the time of ball formation are suppressed and the bondability is improved.

一方、表3において、比較例15〜19に係るボンディングワイヤは、総ての評価項目で×又は△となっており、本実施例に係るボンディングワイヤが、比較例に係るボンディングワイヤと比較していかに良好なボール接合性を有しているかが分かる。   On the other hand, in Table 3, the bonding wires according to Comparative Examples 15 to 19 are x or Δ in all evaluation items, and the bonding wire according to this example is compared with the bonding wire according to the comparative example. It can be seen how good the ball bondability is.

このように、本実施例に係るワイヤボンディングによれば、真球性が高く十分な強度を有し、また接合対象となる半導体素子のパッドを破損するおそれを著しく低減させることができる。   As described above, according to the wire bonding according to the present embodiment, the sphericity is high and the strength is sufficient, and the possibility of damaging the pads of the semiconductor element to be bonded can be significantly reduced.

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.

本発明は、半導体素子上の電極と外部電極との間を接続する半導体装置用ボンディングワイヤに利用することができる。   The present invention can be used for a bonding wire for a semiconductor device that connects an electrode on a semiconductor element and an external electrode.

10 芯材
20 外層
30 境界線
35 拡散領域
10 core material 20 outer layer 30 boundary line 35 diffusion region

Claims (5)

銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材が硫黄を含有し、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0007質量%の範囲であり、
前記外層において、パラジウムの濃度が前記芯材及び前記外層の全体に含まれる金属元素の総計に対して50at%以上である領域の厚さが、50〜250nmであることを特徴とするボンディングワイヤ。
A bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material contains sulfur, the concentration of sulfur is Ri range der of 0.0001 to 0.0007 mass%,
In the outer layer, the bonding wire concentration of palladium thickness of the region is at least 50at% relative total metal elements contained in the whole of the core material and the outer layer, characterized in 50~250nm der Rukoto .
銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材がリン及び硫黄を含有し、該リンの濃度が0.001〜0.015質量%の範囲であり、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0007質量%の範囲であり、
前記外層において、パラジウムの濃度が前記芯材及び前記外層の全体に含まれる金属元素の総計に対して50at%以上である領域の厚さが、50〜250nmであることを特徴とするボンディングワイヤ。
A bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material containing phosphorus and sulfur, in the range the concentration of the phosphorus in the 0.001 to 0.015 mass%, the concentration of sulfur is Ri der range of 0.0001 to 0.0007 wt%,
In the outer layer, the bonding wire concentration of palladium thickness of the region is at least 50at% relative total metal elements contained in the whole of the core material and the outer layer, characterized in 50~250nm der Rukoto .
銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、
前記芯材がリン及び硫黄を含有し、該リンの濃度が0.002〜0.008質量%の範囲であり、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0003質量%の範囲であり、
前記外層において、パラジウムの濃度が前記芯材及び前記外層の全体に含まれる金属元素の総計に対して50at%以上である領域の厚さが、50〜250nmであることを特徴とするボンディングワイヤ。
A bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
The core material containing phosphorus and sulfur, in the range the concentration of the phosphorus is from 0.002 to 0.008 wt%, the concentration of sulfur is Ri der range of 0.0001 to 0.0003 wt%,
In the outer layer, the bonding wire concentration of palladium thickness of the region is at least 50at% relative total metal elements contained in the whole of the core material and the outer layer, characterized in 50~250nm der Rukoto .
前記芯材は、金又はパラジウムを含有し、該金又はパラジウムの濃度が0.0001〜10質量%の範囲であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載のボンディングワイヤ。 The bonding wire according to any one of claims 1 to 3 , wherein the core material contains gold or palladium, and the concentration of the gold or palladium is in a range of 0.0001 to 10 mass%. . 銅を主成分とする芯材と、該芯材の上にパラジウムを被覆した外層とを有するボンディングワイヤであって、A bonding wire having a core material mainly composed of copper and an outer layer coated with palladium on the core material,
前記芯材が硫黄を含有し、該硫黄の濃度が0.0001〜0.0007質量%の範囲であり、The core material contains sulfur, and the concentration of the sulfur is in the range of 0.0001 to 0.0007% by mass;
前記芯材は、金又はパラジウムを含有し、該金又はパラジウムの濃度が0.0001〜10質量%の範囲であることを特徴とするボンディングワイヤ。The said core material contains gold | metal | money or palladium and the density | concentration of this gold | metal | money or palladium is the range of 0.0001-10 mass%, The bonding wire characterized by the above-mentioned.
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