JP6019547B2 - 銅ボンディングワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、高い引張強さ、伸び率を有し、かつ硬さが小さい新規な銅ボンディングワイヤに関する。
従来より、半導体素子の電極と外部リードとを接続するボンディングワイヤには、Ａｕ線又はＡｌ合金線が用いられている。特に、樹脂モールドタイプの半導体素子では、接続の信頼性の観点からφ０．０２５ｍｍ程度のＡｕ線が用いられている。また、近年では、自動車用パワーモジュールのボンディングワイヤとして、φ０．３ｍｍ程度のＡｌ線が用いられている。
Ａｕ線は、優れた導電性、耐食性、軟質性を有する半面、コストが非常に高い。そこで、銅（Ｃｕ）を素材とするボンディングワイヤが提案されている。
特許文献１には、電解精錬と帯域融解法(ゾーンメルト法)により、純度９９．９９９ｍａｓｓ％以上に高純度化したボンディング用銅細線が知られている。
特許文献２には、精製を繰り返して１０ｐｐｍ以下の不可避不純物とした無酸素銅を用いて、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＢからなる群から選択された添加元素を含み、残部が銅である銅合金にて構成され、熱間、冷間圧延後、２００〜３００℃、１〜２秒の光輝熱処理にて直径２５μｍに製造された銅ボンデングワイヤが示されている。
特許文献３には、精製を繰り返して１０ｐｐｍ以下の不可避不純物とした無酸素銅を用いて、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｇｅ及びＳｉからなる群から選択された添加元素を含み、残部が銅である銅合金にて構成され、熱間、冷間圧延後、２００〜３００℃、１〜２秒の光輝熱処理にて直径２５μｍに製造された銅ボンデングワイヤがＨｖが４１.１〜４９.５であることが示されている。
特許文献４〜７には、精製を繰り返して５ｐｐｍ以下又は１０ｐｐｍ以下の不可避不純物とした無酸素銅を用いて、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ａｇからなる群から選択された添加元素を含み、残部が銅である銅合金にて構成され、熱間、冷間圧延後、特許文献４では２５０〜３５０℃、０.５〜１.５秒、特許文献５では３００〜４００℃、１〜２秒、特許文献６では３００〜４００℃、１〜２秒、特許文献７では２５０〜３８０℃、１.５秒の光輝熱処理にて直径２５μｍに製造された銅ボンデングワイヤが示されている。
特許文献８には、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上９９.９９９ｍａｓｓ％未満の銅心材に全体の３０〜７０容量％にて９９.９９９ｍａｓｓ％以上の銅被覆した半導体集積回路素子配線用ボンディングワイヤが示されている。
特開昭６０−２４４０５４号公報 特開昭６１−２５９５５８号公報 特開昭６１−２５８４６３号公報 特開昭６２−２２４６９号公報 特開昭６1−２２４４４３号公報 特開昭６２−２６４５号公報 特開昭６２−９４９６９号公報 特開昭６３−２３６３３８号公報
特許文献１における純度９９．９９ｍａｓｓ％レベルのＯＦＣからなるボンディングワイヤは、Ａｕより硬いＣｕから構成されているので、このボンディングワイヤを用い、例えば、半導体素子（一例として、シリコンチップ）に設けられている電極パットとしてのアルミパットにボンディングすると、アルミパットにダメージを与える。
アルミパッドへのダメージを少なくするため、ＯＦＣより軟質化するため過剰な熱エネルギーをこれに加えると、ボンディングワイヤの硬さと、ボンディングワイヤの伸び、引張強度とはトレードオフの関係にあるため、ボンディングワイヤの硬さは減少するものの、同時にボンディングワイヤの伸びが低下し、また、ボンディングワイヤの結晶組織（サイズ）が粗大化することに伴い、引張強さも低下してしまう。
すなわち、ボンディングワイヤの伸びが低下すると、ボンディングワイヤ自身の変形能力が低下するため、ワイヤボンディング後に樹脂封止した後にボンディングワイヤと封止樹脂材との熱膨張差により発生する応力により、ボンディングワイヤと接合対象物との間の接続信頼性が損なわれる恐れがあるとともに、ワイヤスプールからボンディング部へワイヤを供給する際にいわゆるワイヤカールなどの巻き癖がつきやすく、ハンドリング特性が低下してしまう恐れがある。
また、一方、ボンディングワイヤの引張強さが低下すると、ボンディングを行った場合にボンディング時に形成される溶融ボールの直上部（ボールネック部）におけるボンディングワイヤに強度低下が生じ破断に至る場合がある。またボンディングワイヤの引張強度が低下すると、繰り返し温度サイクルを受けたときに、上述のボンディングワイヤと封止樹脂材との熱膨張差を原因としてボンディングワイヤが破断に至る恐れがある。つまり、ボンディングワイヤとしての疲労特性が低下してしまう。
このような問題を解決するべく、特許文献２、３においては９９．９９９質量％以上の高純度銅に添加元素を微量（１〜１０ｐｐｍ）添加、特許文献４〜７においては９９．９９９質量％以上の高純度銅に添加元素を微量（数ｐｐｍ）添加することにより、ボンディングワイヤの伸び率、引張強さ及びボンディングワイヤの素材の硬さのバランスを調整する試みが一部でなされているがその導体素材を伸線加工及び焼鈍処理をした後の導体自身において、その硬さが小さく軟質の特性を維持しながら高い伸び特性及び引張強度を兼ね備える銅導体を実現するには至っておらず、未だ改善の余地がある。
又、特許文献８においては、特許文献１と同様に純度９９．９９ｍａｓｓ％レベルのＯＦＣからなるボンディングワイヤからなるものであり、半導体素子に設けられている電極パットとしてのアルミパットにボンディングすると、アルミパットにダメージを与える。
本発明の目的は、無酸素銅に比して低コストであり、又、高い導電性、引張強さ及び伸び率を有し、かつ硬さが小さい銅ボンディングワイヤを提供することにある。
本発明は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択された添加元素とを含み、残部が銅である軟質希薄銅合金材料からなる銅ボンディングワイヤであって、結晶組織がその表面から内部に向けて線径の２０％の深さまでの平均結晶粒サイズが２０μｍ以下であることを特徴とする銅ボンディングワイヤにある。
また、本発明の銅ボンディングワイヤは、２ｍａｓｓ ｐｐｍ以上１２ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素と、４ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５５ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のチタンとを含むのがよい。
また、本発明の銅ボンディングワイヤは、焼鈍処理を施した無酸素銅線と同じ或いはそれ以下の硬さを有し、かつ、伸び率の値の平均値が無酸素銅線に比べて１％以上高い伸び率の値を有するものがよい。
また、前記焼鈍処理を施した無酸素銅線と同じ或いはそれ以上の引張強さを有し、かつ、硬さの値が無酸素銅線に比べて２Ｈｖ以上低い値を有するものがよい。
更に、本発明の銅ボンディングワイヤは、導電率が９８％ＩＡＣＳ以上であること、硫黄（Ｓ）及びチタン（Ｔｉ）が、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＳ、若しくはＴｉ−Ｏ−Ｓ結合を有する化合物又はＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＳ、若しくはＴｉ−Ｏ−Ｓ結合を有する化合物の凝集物として含まれ、残部のＴｉ及びＳが固溶体として含まれるのがよい。
また、前記ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＳ、Ｔｉ−Ｏ−Ｓの形の化合物又は凝集物が結晶粒内に分布しており、ＴｉＯが２００ｎｍ以下、ＴｉＯ２が１０００ｎｍ以下、ＴｉＳが２００ｎｍ以下、Ｔｉ−Ｏ−Ｓの形の化合物又は凝集物が３００ｎｍ以下のサイズを有し、５００ｎｍ以下の粒子が９０％以上であるのがよい。
本発明に係る銅ボンディングワイヤは、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択された添加元素を含む軟質希薄銅合金材料を１１００℃以上１３２０℃以下の溶銅温度で溶湯にする溶湯製造工程と、前記溶湯からワイヤロッドを作製するワイヤロッド作製工程と、前記ワイヤロッドに８８０℃以下５５０℃以上の温度で熱間圧延を施す熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程を経た前記ワイヤロッドに伸線加工を施す伸線加工工程とを備える製造方法によって製造することができる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの製造方法では、前記添加元素が４ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５５ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のＴｉであり、前記軟質希薄銅合金材料が、２ｍａｓｓ ｐｐｍ以上１２ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超えて３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素とを含むのがよい。
本発明に係る銅ボンディングワイヤの製造方法では、前記軟質希薄銅合金材料の軟化温度が、φ２．６ｍｍのサイズで１３０℃以上１４８℃以下であるのがよい。
（銅ボンディングワイヤの構成）
（１）添加元素について
本発明は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択された添加元素を含み、残部が銅及び不可避的不純物である軟質希薄銅合金材料を伸線加工し、次いで焼鈍処理が施された銅ボンディングワイヤにある。
添加元素としてＴｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択される元素を選択した理由は、これらの元素は他の元素と結合しやすい活性元素であり、特にＳと結合しやすいためＳをトラップすることができ、マトリックスの銅母材を高純度化し、素材の硬さを低下させることができるためである。また、Ｓｗｏトラップすることにより高い導電性を実現することができるという効果も得られる。添加元素は１種類又は２種類以上含まれる。また、合金の性質に悪影響を及ぼすことのないその他の元素及び不純物を合金に含有させることもできる。
（２）組成比率について
添加元素として、Ｔｉ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒの１種又は２種以上の合計の含有量は４〜５５ｍａｓｓ ｐｐｍであり、より１０〜２０ｍａｓｓ ｐｐｍが好ましく、Ｍｇの含有量は２〜３０ｍａｓｓ ｐｐｍ、より５〜１０ｍａｓｓ ｐｐｍが好ましく、Ｚｒ、Ｎｂの含有量は８〜１００ｍａｓｓ ｐｐｍ、より２０〜４０ｍａｓｓ ｐｐｍが好ましい。
また、後述する好適な実施の形態においては、酸素含有量が２ｍａｓｓｐｐｍを超え３０ｍａｓｓｐｐｍ以下が良好であり、より５〜１５ｍａｓｓｐｐｍが好ましく、添加元素の添加量及びＳの含有量によっては、合金の性質を備える範囲において、２ｍａｓｓｐｐｍを超え４００ｍａｓｓｐｐｍ以下を含むことができる。
Ｓの含有量は、２〜１２ｍａｓｓ ｐｐｍ、より３〜８ｍａｓｓ ｐｐｍが好ましい。
本発明に係る銅ボンディングワイヤは、例えば、自動車等に用いられるパワーモジュールの小型化、及び／又はパワーモジュールに供給される電流の電流密度の増大の観点から、アルミニウムよりも熱伝導率の高い材料である銅を主成分として構成する。
例えば、本発明に係る銅ボンディングワイヤは、導電率９８％ＩＡＣＳ（万国標準軟銅（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅｌｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上、抵抗率１．７２４１×１０−８Ωｍを１００％とした場合の導電率）、好ましくは１００％ＩＡＣＳ以上、より好ましくは１０２％ＩＡＣＳ以上を満足する軟質型銅材としての軟質希薄銅合金材料を用いて構成される。
導電率が９８％ＩＡＣＳ以上の軟質銅材を得る場合、ベース素材として不可避的不純物を含む純銅をベースに、３〜１２ｍａｓｓ ｐｐｍの硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素と、４〜５５ｍａｓｓ ｐｐｍのチタンとを含む軟質希薄銅合金材料を用い、この軟質希薄銅合金材料からワイヤロッド（荒引き線）を製造する。
ここで、導電率が１００％ＩＡＣＳ以上の軟質銅材を得る場合には、ベース素材として不可避的不純物を含む純銅をベースに、２〜１２ｍａｓｓ ｐｐｍの硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素と、４〜３７ｍａｓｓ ｐｐｍのチタンとを含む軟質希薄銅合金材料を用いる。
また、導電率が１０２％ＩＡＣＳ以上の軟質銅材を得る場合には、ベース素材として不可避的不純物を含む純銅をベースに、３〜１２ｍａｓｓ ｐｐｍの硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素と、４〜２５ｍａｓｓ ｐｐｍのチタンとを含む軟質希薄銅合金材料を用いる。
通常、純銅の工業的製造において、電気銅を製造する際に硫黄が銅の中に取り込まれるので、硫黄を３ｍａｓｓ ｐｐｍ以下にすることは困難である。汎用電気銅の硫黄濃度の上限は、１２ｍａｓｓ ｐｐｍである。
本発明に係る銅ボンディングワイヤは、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素を含有することが好ましいことから、この実施の形態では、いわゆる低酸素銅（ＬＯＣ）を対象としている。
酸素濃度が２ｍａｓｓｐｐｍより低い場合、銅ボンディングワイヤの硬度が低下しにくいので、酸素濃度は２ｍａｓｓｐｐｍを超える量に制御する。また、酸素濃度が３０ｍａｓｓｐｐｍより高い場合、熱間圧延加工で銅ボンディングワイヤの表面に傷が生じやすくなるので、３０ｍａｓｓｐｐｍ以下に制御する。
（３）銅ボンディングワイヤの結晶組織について
本発明に係る銅ボンディングワイヤは、結晶組織が銅ボンディングワイヤの少なくとも表面から銅ボンディングワイヤの内部に向けて線径の２０％の深さまでの平均結晶粒サイズが２０μｍ以下である。
表層に平均結晶粒サイズが２０μｍ以下の微細な結晶粒が存在することで、材料の引張り強さや伸びの向上が期待できるためである。この理由として、引張り変形により粒界近傍に導入される局所ひずみが、結晶粒径が微細なほど小さくなり、粒界応力集中の緩和に寄与し、これに伴い、粒界応力集中が低減して粒界破壊が抑制されると考えられるからである。
また、本発明において、結晶組織が銅ボンディングワイヤの少なくとも表面から銅ボンディングワイヤの内部に向けて線径の２０％の深さまでの平均結晶粒サイズが２０μｍ以下である本発明の効果を備える限りにおいては、線径の２０％深さを越えてより線材の中心部に近い領域に微細結晶層が存在する態様を排除するものではない。
（４）分散している物質について
銅ボンディングワイヤ内に分散している分散粒子のサイズは小さいことが好ましく、また、銅ボンディングワイヤ内に分散粒子が多く分散していることが好ましい。その理由は、分散粒子は、硫黄の析出サイトとしての機能を有するからであり、析出サイトとしてはサイズが小さく、数が多いことが要求されるからである。
具体的には、銅ボンディングワイヤに含まれる硫黄は、特に添加元素としてのチタンは、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＳ、若しくはＴｉ−Ｏ−Ｓ結合を有する化合物又はＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＴｉＳ、若しくはＴｉ−Ｏ−Ｓ結合を有する化合物の凝集物として含まれ、残部のＴｉ及びＳが固溶体として含まれる。尚、他の添加元素についてもチタンと同様である。
分散粒子の形成及び分散粒子への硫黄の析出は、銅母材のマトリックスの純度を向上させ、材料硬さの低減に寄与する。
（５）銅ボンディングワイヤの硬さ、伸び率及び引張強度について
本発明に係る銅ボンディングワイヤ用の材料には、硬さと伸び率、引張強度のバランスに優れることが求められる。この理由として、もし、ワイヤ或いは、ワイヤ先端に形成されたボールが硬いと、ボンディングパッドとしてのＡｌ配線膜や、或いはその下のＳｉ半導体チップにダメージを与えてしまうためである。更に、ワイヤ自体の引張強さや伸びが小さいと、適正なワイヤーループを保持することが困難となったり、ボンディングの際に、ワイヤ切れ不良などを起こしやすくなるためである。
通常、硬さ（やわらかさ）と伸び（の高さ）、引張強さ（の高さ）はトレードオフの関係になるため、これらの特性をバランスよく併せ持つことが望まれる。
また、本発明に係る銅ボンディングワイヤは、焼鈍処理を施した無酸素銅線と同じ或いはそれ以下の硬さを有し、かつ、伸び率の値の平均値が無酸素銅線に比べて１％以上高い伸び率の値を有する。ここで硬さとは、材料におけるビッカース硬度を意味する。
また、本発明に係る銅ボンディングワイヤは、焼鈍処理を施した無酸素銅線と同じ或いはそれ以上の引張強さを有し、かつ、硬さの値が無酸素銅線に比べて２Ｈｖ以上低い値を有する。
（銅ボンディングワイヤの製造方法）
本発明に係る銅ボンディングワイヤの製造方法は以下のとおりである。例として、Ｔｉを添加元素に選択した場合を説明する。
まず、銅ボンディングワイヤの原料としてのＴｉを含む軟質希薄銅合金材料を準備する（原料準備工程）。次に、この軟質希薄銅合金材料を１１００℃以上１３２０℃以下の溶銅温度で溶湯にする（溶湯製造工程）。次に、溶湯からワイヤロッドを作製する（ワイヤロッド作製工程）。続いて、ワイヤロッドに８８０℃以下５５０℃以上の温度で熱間圧延を施す（熱間圧延工程）。更に、熱間圧延工程を経たワイヤロッドに伸線加工及び熱処理を施す（伸線加工、熱処理工程）。熱処理方法としては、管状炉を用いた走行焼鈍や、抵抗発熱を利用した通電焼鈍などが適用できる。その他、バッチ式の焼鈍も可能である。これらの工程により、本発明に係る銅ボンディングワイヤが製造される。
また、銅ボンディングワイヤの製造には、２ｍａｓｓ ｐｐｍ以上１２ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の硫黄と、２ｍａｓｓ ｐｐｍを超え３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の酸素と、４ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５５ｍａｓｓ ｐｐｍ以下のチタンとを含む軟質希薄銅合金材料が好ましい。
そこで、本発明者は、銅ボンディングワイヤの硬度の低下を実現すべく、以下の二つの方策を検討した。そして、以下の二つの方策を銅ワイヤロッドの製造に併せ用いることで、本発明に係る銅ボンディングワイヤを得た。
まず、第１の方策は、酸素濃度が２ｍａｓｓ ｐｐｍを超える量のＣｕに、チタン（Ｔｉ）を添加した状態で、軟質希薄銅合金材料の溶湯を作製することである。この溶湯中においては、ＴｉＳとチタンの酸化物（例えば、ＴｉＯ２）とＴｉ−Ｏ−Ｓ粒子とが形成されると考えられる。
次に、第２の方策は、軟質希薄銅合金材料中に転位を導入することにより硫黄（Ｓ）の析出を容易にすることを目的として、熱間圧延工程における温度を通常の銅の製造条件における温度（つまり、９５０℃〜６００℃）より低い温度（８８０℃〜５５０℃）に設定することである。このような温度設定により、転位上へのＳの析出、又はチタンの酸化物（例えば、ＴｉＯ２）を核としてＳを析出させることができる。
以上の第１の方策及び第２の方策により、軟質希薄銅合金材料に含まれる硫黄が晶出すると共に析出するので、所望の軟質特性と所望の導電率とを有する銅ワイヤロッドを冷間伸線加工後に得ることができる。
本発明に係る銅ボンディングワイヤは、ＳＣＲ連続鋳造圧延設備を用い、表面の傷が少なく、製造範囲が広く、安定生産が可能である。ＳＣＲ連続鋳造圧延により、鋳塊ロッドの加工度が９０％（３０ｍｍ）〜９９．８％（５ｍｍ）でワイヤロッドを作製する。一例として、加工度９９．３％でφ８ｍｍのワイヤロッドを製造する条件を採用する。
溶解炉内での溶銅温度は１１００℃以上１３２０℃以下に制御することが好ましい。溶銅の温度が高いとブローホールが多くなり、傷が発生すると共に粒子サイズが大きくなる傾向にあるので１３２０℃以下に制御する。また、１１００℃以上に制御する理由は、その温度以下では溶銅が固まりやすく、製造が安定しないことがあるものの、溶銅温度は可能な限り低い温度が望ましい。
熱間圧延加工の温度は、最初の圧延ロールにおける温度を８８０℃以下に制御すると共に、最終圧延ロールでの温度を５５０℃以上に制御することが好ましい。
これらの鋳造条件は、通常の純銅の製造条件と異なり、溶銅中での硫黄の晶出及び熱間圧延中における硫黄の析出の駆動力である固溶限をより小さくすることを目的としているものである。
また、通常の熱間圧延加工における温度は、最初の圧延ロールにおいて９５０℃以下、最終圧延ロールにおいて６００℃以上であるが、固溶限をより小さくすることを目的として、本実施の形態では、最初の圧延ロールにおいて８８０℃以下、最終圧延ロールにおいて５５０℃以上に設定することが望ましい。
なお、最終圧延ロールにおける温度を５５０℃以上に設定する理由は、５５０℃未満の温度では得られるワイヤロッドの傷が多くなり、製造される銅ボンディングワイヤを製品として扱うことができないからである。熱間圧延加工における温度は、最初の圧延ロールにおいて８８０℃以下の温度、最終圧延ロールにおいて５５０℃以上の温度に制御すると共に、可能な限り低い温度であることが好ましい。このような温度設定にすることで、銅ボンディングワイヤのマトリックスの硬さを、高純度銅（５Ｎ以上）の硬さに近づけることができる。硫黄トラップの効果として、軟化温度低下のほか、マトリクスを高純度化して、硬さが低減することが挙げられる。
ベース材の純銅は、シャフト炉で溶解された後、還元状態で樋に流すことが好ましい。すなわち、還元ガス（例えば、ＣＯガス）雰囲気下において、希薄合金の硫黄濃度、チタン濃度及び酸素濃度を制御しつつ鋳造すると共に、材料に圧延加工を施すことにより、ワイヤロッドを安定的に製造することが好ましい。なお、銅酸化物が混入すること、及び／又は粒子サイズが所定サイズより大きいことは、製造される銅ボンディングワイヤの品質を低下させる。
以上より、伸び特性、破断強度、ビッカース硬さのバランスのよい軟質希薄銅合金材料を、本発明に係る銅ボンディングワイヤの原料として得ることができる。
なお、軟質希薄銅合金材料の表面にめっき層を形成することもできる。めっき層は、例えば、パラジウム、亜鉛、ニッケル、金、白金、銀等の貴金属を主成分とする材料、又はＰｂフリーめっきを用いることができる。更に、軟質希薄銅合金材料の形状は特に限定されず、断面丸形状、棒状、又は平角導体状にすることができる。
また、本実施の形態では、ＳＣＲ連続鋳造圧延法によりワイヤロッドを作製すると共に、熱間圧延にて軟質材を作製したが、双ロール式連続鋳造圧延法又はプロペルチ式連続鋳造圧延法を採用することもできる。
本発明によれば、Ｔｉ等の特定の添加元素を含み、残部が銅からなり、結晶組織が表面から線径の２０％の深さまでの平均結晶粒サイズが２０μｍ以下であることから、高い引張り強さと伸び率を有し、更には、軟らかさ（硬さの小ささ）を両立できる銅ボンディングワイヤを提供することができる。
試料の表層における平均結晶粒サイズの測定方法について説明するための図である。 実施材１及び比較材１の異なる焼鈍温度と伸び率との関係を示す図である。 実施材１の焼鈍温度５００℃における径方向の断面写真を示す図である。 実施材１の焼鈍温度７００℃における径方向の断面写真を示す図である。 比較材１の焼鈍温度５００℃における径方向の断面写真を示す図である。 実施材２及び比較材２の伸び率と硬さとの関係を示す図である。 実施材２及び比較材２の引張強さと硬さとの関係を示す図である。 直径０.０５ｍｍの比較材２に係るボンデングワイヤの幅方向の断面写真を示す図である。 直径０.０５ｍｍの実施材２に係るボンデングワイヤの幅方向の断面写真を示す図である。 表層における平均結晶粒サイズの測定方法の概要図である。 直径０.２６ｍｍの実施材３の幅方向の断面写真を示す図である。 直径０.２６ｍｍの比較材３の幅方向の断面写真を示す図である。 直径０.２６ｍｍの実施材４の幅方向の断面写真を示す図である。 直径０.２６ｍｍの比較材４の幅方向の断面写真を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を説明するが、下記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
［軟質希薄銅合金材料（２．６ｍｍ径）の製造］
実験材として、酸素濃度７ｍａｓｓ ｐｐｍ〜８ｍａｓｓ ｐｐｍ、硫黄濃度５ｍａｓｓ ｐｐｍ、チタン濃度１３ｍａｓｓ ｐｐｍを有するφ８ｍｍの銅線（ワイヤロッド、加工度９９．３％）を作製した。φ８ｍｍの銅線は、ＳＣＲ連続鋳造圧延法（Ｓｏｕｔｈ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｏｄ Ｓｙｓｔｅｍ）により、熱間圧延加工が施され作製されたものである。Ｔｉは、シャフト炉で溶解された銅溶湯を還元ガス雰囲気で樋に流し、樋に流した銅溶湯を同じ還元ガス雰囲気の鋳造ポットに導き、この鋳造ポットにて、Ｔｉを添加した後、これをノズルを通して鋳造輪と無端ベルトとの間に形成される鋳型にて鋳塊ロッドを作成した。この鋳塊ロッドを熱間圧延加工してφ８ｍｍの銅線を作成したものである。次に、各実験材に冷間伸線加工を施した。これにより、φ２．６ｍｍサイズの銅線を作製した。
このφ２．６ｍｍサイズの銅線を用いて、銅ボンディングワイヤに使用する素材の特性を検証した。
［軟質希薄銅合金材料の軟質特性について］
表１は、無酸素銅線を用いた比較材１と酸素濃度７ｍａｓｓｐｐｍ〜８ｍａｓｓｐｐｍ、硫黄濃度５ｍａｓｓｐｐｍ、チタン濃度１３ｍａｓｓｐｐｍを有する軟質希薄銅合金線を用いた実施材１とを試料とし、異なる焼鈍温度で１時間の焼鈍を施したもののビッカース硬さ（Ｈｖ）を検証した表である。表１によると、焼鈍温度が４００℃のときに比較材１と実施材１とのビッカース硬さ（Ｈｖ）は同等レベルとなり、焼鈍温度が６００℃でも同等のビッカース硬さ（Ｈｖ）を示している。このことから、本発明の軟質希薄銅合金線は十分な軟質特性を有するとともに、無酸素銅線と比較しても、特に焼鈍温度が４００℃を超える領域においては優れた軟質特性を備えていることがわかる。
Figure 0006019547
［軟質希薄銅合金材料の結晶構造について］
２．６ｍｍ径である実施材１、比較材１の表層における平均結晶粒サイズを測定した。ここに、表層における平均結晶粒サイズの測定方法は、図１に示すように、２．６ｍｍ径の径方向断面の表面から深さ方向に１０μｍ間隔で５０μｍの深さまでのところの長さ１０ｍｍの線上の範囲での結晶粒サイズを測定した夫々の実測値を平均した値を表層における平均結晶粒サイズとした。
測定の結果、比較材１の表層における平均結晶粒サイズが１００μｍであったのに対し、実施材１の表層における平均結晶粒サイズは２０μｍであった。従って、本発明においては、表面から内部に向けて２０％までの深さの表層における平均結晶粒サイズを２０μｍ以下とするものである。
比較材１の結晶構造は、表面部から中央部にかけて全体的に大きさの等しい結晶粒が均一に並んでいるのに対し、実施材１の結晶構造は、試料の断面方向の表面付近に薄く形成されている層における結晶粒サイズが内部の結晶粒サイズに比べて極めて小さくなっていた。
［軟質希薄銅合金材料の伸び特性と結晶構造との関係について］
図２は、２．６ｍｍ径の無酸素銅線を用いた比較材１と２．６ｍｍ径の低酸素銅（酸素濃度７ｍａｓｓｐｐｍ〜８ｍａｓｓｐｐｍ、硫黄濃度５ｍａｓｓｐｐｍ）に１３ｍａｓｓ ｐｐｍのＴｉを添加した軟質希薄銅合金線を用いた実施材１を試料とし、異なる焼鈍温度で１時間の焼鈍を施したものの伸び率（％）の値の推移を検証したグラフである。図２に示す丸記号は実施材１を示し、四角記号は比較材１を示す。
図２に示すように、比較材１に比して実施材１の方が、焼鈍温度１００℃を超え１３０℃付近から９００℃の広い範囲で優れた伸び特性を示すことがわかる。
図３は、焼鈍温度５００℃における実施材１の銅線の径方向の断面写真を示した図である。図３に見られるように、銅線の断面全体において微細な結晶組織が形成されており、この微細な結晶組織が伸び特性に寄与しているものと思われる。これに対し、焼鈍温度５００℃における比較材１の断面組織は２次再結晶が進んでおり、図３の結晶組織に比して、断面組織中の結晶粒が粗大化しているため、伸び特性が低下したものと考えられる。
図４は、焼鈍温度７００℃における実施材１の銅線の径方向の断面写真を示した図である。銅線の断面における表層の結晶粒サイズが、内部における結晶粒サイズに比べて極めて小さくなっていることがわかる。内部における結晶組織は２次再結晶が進んでいるものの、外層における微細な結晶粒の層は残存している。実施材１は、内部の結晶組織が大きく成長するが、表層に微細結晶の層が残っているため、伸び特性を維持しているものと思われる。
このように、焼鈍温度と焼鈍時間とを調節することで線材断面における微細結晶層の占める割合を調節することができ、微細結晶層の占める割合に応じて線材の伸び特性を調整することができる。
図５は、比較材１の径方向の断面組織を断面写真にて示した図である。図５に示すように、表面から中央にかけて全体的に略等しい大きさの結晶粒が均一に並んでおり、断面組織全体において２次再結晶が進行しているため、実施材１に比して比較材１の６００℃以上の高温領域における伸び特性は、低下しているものと考えられる。
以上の結果により、実施材１を用いた製品では、比較材１に比して、軟らかく、導電率が向上し、且つ伸び特性を向上させることができる。
従来の導体では、結晶組織を実施材１のような大きさに再結晶させるためには、高温の焼鈍処理が必要となる。しかし、焼鈍温度が高過ぎると、Ｓが再固溶してしまう。また、従来の導体では、再結晶させると、軟らかくなり、伸び特性が低下する問題があった。しかし、実施材１では、焼鈍したときに双晶とならずに再結晶できるため、内部の結晶粒が大きくなり、軟らかくなるが、一方で表層は、微細結晶が残っているため、引張強度および伸び特性が低下しない特徴がある。このような素材を銅ボンディングワイヤに使用することにより、軟らかく、高い導電性を有し、伸び特性に優れ、後述する優れた引張強度を備えた銅ボンディングワイヤを実現することができる。
［銅ボンディングワイヤ］
φ２．６ｍｍサイズの銅線を作製するところまでは、上述した軟質希薄銅合金材料の実施例１と同様である。これをφ０．９ｍｍまで伸線加工を施し、通電アニーラにて一旦焼鈍したあと、φ０．０５ｍｍまで伸線した。次に、管状炉にて４００℃〜６００℃×０．８〜４．８秒の走行焼鈍を施し実施材２の材料とした。比較として、φ０．０５ｍｍの４Ｎ銅（９９.９９％以上、ＯＦＣ（無酸素銅））も同様の加工熱処理条件で作製し比較材２の材料とした。これらの材料の機械的特性（引張強さ、伸び率、硬さ）、結晶粒サイズを測定した。
表層における平均結晶粒サイズは、０．０５ｍｍ径の径方向断面の表面から深さ方向に１０μｍの深さのところの長さ０．０２５ｍｍの範囲での結晶粒サイズを測定した。
（銅ボンディングワイヤの軟質特性、伸び率及び引張強さ）
図６及び図７は、無酸素銅線を用いた比較材２に係るワイヤロッドと、低酸素銅に１３ｍａｓｓ ｐｐｍのＴｉを含有させた軟質希薄銅合金線から作製した実施材２に係るワイヤロッドとについて、φ０.９ｍｍ（なまし材）からφ０.０５ｍｍまで伸線加工をし、管状炉による走行焼鈍（温度３００℃〜６００℃、時間０.８〜４.８秒）をしたあとの断面硬さ（Ｈｖ）及び機械的特性（引張強さ、伸び率を測定した結果である。
断面硬さは、樹脂中に埋め込んだφ０.０５ｍｍワイヤの横断面を研磨し、ワイヤ中央部のビッカース硬さを測定することで評価した。測定数は５箇所であり、その平均値とした。
引張り強さと伸び率の測定は、φ０.０５ｍｍワイヤを標点距離１００ｍｍ、引張り速度２０ｍｍ/ｍｉｎの条件で引張り試験を行うことにより評価した。材料が破断するときの最大の引張応力が引張強さであり、材料が破断するときの最大の変形量（ひずみ）を伸びとした。
図６に示すように、ほぼ同じ伸び率で比較した場合、実施材２の硬さは、比較材２よりも１０Ｈｖほど小さいことがわかる。ＯＦＣ材料との比較で、伸び特性を低下させることなく、硬さを小さくできることで、実施材２の銅ボンディングワイヤは無酸素銅を使用するボンディングワイヤに比して、ボンディング時のパッドダメージを低減させることができる。
図７に示すように、ほぼ同じ伸び率で比較した場合、実施材２の硬さは、比較材２よりも１０Ｈｖほど小さいことがわかる。無酸素銅との比較で、伸びの特性を低下させることなく、硬さを小さくできることで、例えば、実施例２の銅導体は、無酸素銅を使用するボンディングワイヤに比して、ボンディング時のパッドダメージを低減させることができる。
表３は、図６に示す評価結果のうち、実施材２と比較材２とで硬さがほぼ同等になる条件のデータを抜粋し比較した結果を示す。表３の上段の実施例は、実施材２に係るワイヤロッドを、φ０．９ｍｍ（なまし材）からφ０．０５ｍｍまで伸線加工をし、管状炉中を４００℃×１．２秒間走行焼鈍したときの機械的特性及び硬さを示したものである。同じく表３の比較例は、比較材２に係るワイヤロッドを、φ０．９ｍｍ（なまし材）からφ０．０５ｍｍまで伸線加工をし、管状炉中を６００℃×２．４秒間走行焼鈍したときの機械的特性及び硬さを示したものである。
Figure 0006019547
表３に示すように、同じ引張強さの材料であっても、実施例２の伸び率は、比較材２よりも７％も高いため、ワイヤボンディング時の接続信頼性やハンドリング特性の向上に大きく寄与できる。また、実施材２は、同じ硬さでありながら無酸素銅を使用する比較材２のボンディングワイヤに比して、引張強さが高いため、接続部（ボールネック部）の強度信頼性に大きく寄与できる。
ここでのワイヤボンディング部の接続信頼性とは、ワイヤボンディング後に樹脂モールドした後、銅ワイヤと樹脂材との熱膨張差により発生する応力に対する耐性のことである。また、ハンドリング性とは、ワイヤスプールからボンディング部へワイヤを供給する際の応力に対する耐性、その他、巻きぐせのつきにくさのことである。
次に、図７よると、ほぼ同じ引張強さで比較した場合、実施材２の硬さは、比較材２よりもＨｖで１０ほど小さいことがわかる。引張強さを低下させることなく、硬さを小さくできることで、実施例２のボンディングワイヤはボンディング時のパッドダメージを低減させることができる。
表２は、実施材２と比較材２とで引張強さがほぼ同等になる条件のデータを抜粋し比較した結果を示す。表２の上段の実施例は、実施材２に係るワイヤロッドを、φ０．９ｍｍ（なまし材）からφ０．０５ｍｍまで伸線加工をし、管状炉中を５００℃×４．８秒間走行焼鈍したときの機械的特性、及び硬さを示したものである。同じく表２の比較例は、比較材２に係るワイヤロッドを、φ０．９ｍｍ（なまし材）からφ０．０５ｍｍまで伸線加工をし、管状炉中を６００℃×２．４秒間走行焼鈍したときの機械的特性及び硬さを示したものである。
Figure 0006019547
表２に示すとおり、同じ引張強さの材料であっても、実施例２の伸び率は、比較材２よりも５％も高いため、ワイヤボンディング時の接続信頼性やハンドリング特性の向上に大きく寄与できる。また、同じ引張強さの材料でありながらも、実施材２の硬さは、比較例２よりも十分小さいため、ワイヤボンディング時のパッドダメージを小さくすることができる。
ここでのワイヤボンディング部の接続信頼性とは、ワイヤボンディング後に樹脂モールドした後、銅ワイヤと樹脂材との熱膨張差により発生する応力に対する耐性のことである。また、ハンドリング性とは、ワイヤスプールからボンディング部へワイヤを供給する際の応力に対する耐性、その他、巻きぐせのつきにくさのことである。
硬さ、伸び率、引張強さのバランスは、製品により要求される仕様によって多少異なるが、一例として、本発明によると、引張強さを重視する場合、引張り強さ２７０ＭＰａ以上、伸び率７％以上、硬さ６５Ｈｖ以下のワイヤの供給が可能である。
また、硬さの小さささを重視する場合、引張強さ２１０ＭＰａ以上２７０ＭＰａ未満、伸び率１５％以上、かつ、硬さ６３Ｈｖ以下の導体の供給が可能である。
（０.０５ｍｍ径の銅ボンディングワイヤの結晶構造について）
図８は比較材２に係る銅ボンディングワイヤの径方向の断面組織を断面写真にて表したものであり、図９は実施材２に係る銅ボンディングワイヤの径方向の断面組織を断面写真にて表したものである。図８に示すように、比較材２の結晶構造は、表面部から中央部にかけて全体的に大きさの等しい結晶粒が均一に並んでいることが分かる。一方、実施材２の結晶構造は、全体的に結晶粒の大きさがまばらであり、試料の断面方向の表面付近に薄く形成されている層における結晶粒サイズが内部の結晶粒サイズに比べて極めて小さくなっている。
本発明者は、比較材２には形成されていない表層に現れた微細結晶粒層が実施例２においては軟質特性を有し、かつ、引張強さと伸び特性を併せ持つことに寄与しているものと考えている。
通常、軟質化を目的とした熱処理を行うと、比較材２のように再結晶により均一に粗大化した結晶粒が形成されると理解される。しかし、実施材２においては、内部に粗大な結晶粒を形成する焼鈍処理を実行しても表層には微細結晶粒層が残存している。したがって、実施材２では、軟質銅材でありながら引張強さと伸びに優れた軟質希薄銅合金材料が得られたと考えられる。
また、図８及び図９に示す結晶構造の断面写真を基に、比較材２及び実施材２に係る試料の表層における平均結晶粒サイズを測定した。
図１０は、表層における平均結晶粒サイズの測定方法の概要を示す。図１０に示すように、０．０５ｍｍ径の幅方向断面の表面から深さ方向に５μｍ間隔で１０μｍの深さまでの線径の２０％の深さの範囲で、結晶粒サイズを測定した。そして、各測定値（実測値）から平均値を求め、この平均値を平均結晶粒サイズにした。
測定の結果、比較材２の表層における平均結晶粒サイズは２２μｍであったのに対し、実施材２の表層における平均結晶粒サイズは、深さ５μｍまでの最表面層が７μｍ及びその内部の５〜１０μｍまでの表層が１５μｍであり、比較材２の表層とは異なっていた。表層の平均結晶粒サイズが細かいことを一つの理由として、高い引張り強さと伸びが得られたと考えられる。なお、結晶粒サイズが大きいと、結晶粒界に沿って亀裂が進展する。しかし、表層における結晶粒サイズが小さいと亀裂の進展方向が変わるので、進展が抑制される。このことから、実施材２の疲労特性は、比較材２よりも優れると考えられる。従って、本実施例の効果を奏するには、表層の平均結晶粒サイズとしては１５μｍ以下とするのが好ましい。
疲労特性とは繰り返し応力を受けたとき、材料が破断に至るまでの応力付加サイクル数或いは、時間を示す。
（０.２６ｍｍ径の銅ボンディングワイヤの焼鈍温度６００℃での結晶構造について）
図１１は、実施材１と同様の成分組成であり、０．２６ｍｍ径の線材に対して焼鈍温度６００℃で１時間の焼鈍を施したものを用いた実施材３の試料の径方向の断面組織の断面写真を示したものであり、図１２は、比較材３の径方向の断面組織の断面写真を示したものである。
図１１及び図１２に示すように、比較材３の結晶構造は、表面部から中央部にかけて全体的に大きさの等しい結晶粒が均一に並んでいることがわかる。これに対し、実施材３の結晶構造は、全体的に結晶粒の大きさがまばらであり、特筆すべきは、試料の断面方向の表面付近に薄く形成されている層における結晶粒サイズが内部の結晶粒サイズに比べて極めて小さくなっていることである。
このことは、通常であれば、焼鈍温度６００℃で１時間の焼鈍処理を行えば、比較材３のように再結晶により均一に粗大化した結晶粒が形成されるものであると理解されるが、本発明の場合には、焼鈍温度６００℃で１時間の焼鈍処理を行ってもなお、その表層には微細結晶粒層が残存していることから、軟質銅材でありながら、後述する銅ボンディングワイヤの良好な引張強度、伸び特性を実現するに至る軟質希薄銅合金材料が得られたものであると考えられる。
そして、図１１及び図１２に示す結晶構造の断面写真をもとに、実施材３および比較材３の試料の表層における平均結晶粒サイズを測定した。ここに、表層における平均結晶粒サイズの測定方法は、図１に示すように、０．２６ｍｍ径の幅方向断面の表面から深さ方向に１０μｍ間隔で５０μｍの深さまでのところの長さ１ｍｍの線上の範囲での結晶粒サイズを測定した夫々の実測値を平均した値を表層における平均結晶粒サイズとした。
測定の結果、比較材３の表層における平均結晶粒サイズは、５０μｍであったのに対し、実施材３の表層における平均結晶粒サイズは、１０μｍである点で大きく異なっていた。表層の平均結晶粒サイズが細かいことによって、後述する銅ボンディングワイヤの良好な引張強度、伸び特性を実現するに至ったものと考えられる。
（０.２６ｍｍ径の銅ボンディングワイヤの焼鈍温度４００℃での結晶構造について）
図１３は、実施材４の試料の幅方向の断面組織を断面写真にて表したものであり、図１４は比較材４の幅方向の断面組織を断面写真にて表したものである。
実施材４は、酸素濃度７ｍａｓｓｐｐｍ〜８ｍａｓｓｐｐｍ、硫黄濃度５ｍａｓｓｐｐｍ、チタン濃度１３ｍａｓｓｐｐｍを備える０．２６ｍｍ径の希薄銅合金線であり、焼鈍温度４００℃で１時間の焼鈍処理を経て作製される。比較材４は、無酸素銅（ＯＦＣ）からなる０．２６ｍｍ径の線材であり、焼鈍温度４００℃で１時間の焼鈍処理を経て作製される。
図１３及び図１４に示すように、比較材４の結晶構造は、表面部から中央部にかけて全体的に大きさの等しい結晶粒が均一に並んでいることがわかる。これに対し、実施材３の結晶構造は、表層と内部とで結晶粒の大きさに差があり、表層における結晶粒サイズに比べて内部の結晶粒サイズが極めて大きくなっている。
銅を焼鈍して結晶組織を再結晶させたときには、実施材４は、再結晶化が進み易く内部の結晶粒が大きく成長する。
次に、表４は、実施材４及び比較材４の導電率を示す。
Figure 0006019547
表４に示すように、実施材４の導電率は比較材４の導電率よりも高く、ほぼ同等であり、ボンデングワイヤとして満足できるものである。
以上の本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、Ｔｉ等を含み残部が不可避的不純物からなる軟質希薄銅合金材料において、結晶組織が表面から線径の２０％の深さまでの表層の平均結晶粒サイズが１５μｍ以下であり、その内部の平均結晶粒サイズが前記表層の平均結晶粒サイズより大きいことから、銅線表層の結晶粒の微細化により高い引張り強さと伸びを両立できるため、製品の接続信頼性を向上させることができる。
又、添加したＴｉと同様に、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒからなる群から選択された添加元素においても不純物である硫黄（Ｓ）をトラップするので、マトリックスとしての銅母相が高純度化し、素材の軟質特性が向上される。このため、ボンディング時にシリコンチップ上の脆弱なアルミパットにダメージを与えることを抑制できる効果が得られることが確認されている。
又、本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、銅の高純度化（９９．９９９質量％以上）処理を要せず、安価な連続鋳造圧延法により高い導電率を実現することができるので、低コスト化ができる。
更に、本本実施形態に係る銅ボンディングワイヤは、車載用パワーモジュール用途のφ０．３ｍｍ程度のＡｌボンディングワイヤの代替としても適用でき、素材の高熱伝導性によるワイヤ径の減少に伴うモジュールの小型化、熱伝導性向上による放熱性アップによって電流密度増大による接続信頼性の低下を回避できる。

Claims (3)

  1. Ｔｉを添加元素として１０〜２０ｍａｓｓ ｐｐｍ及び酸素を５〜１５ｍａｓｓ ｐｐｍ含み、残部が銅と不可避不純物である軟質希薄銅合金材料からなり、前記不可避不純物として硫黄を３〜８ｍａｓｓ ｐｐｍ含み、結晶組織が少なくともその表面から内部に向けて線径の２０％の深さまでの表層の平均結晶粒サイズが２０μｍ以下であり、前記表層の結晶粒サイズが前記表層よりも断面方向の内部の結晶粒サイズよりも小さいことを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  2. 請求項１において、引張り強さが２１０ＭＰａ以上、伸び率が１５％以上及びビッカース硬さが６５Ｈｖ以下であることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
  3. 請求項１又は２において、導電率が９８％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
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