JP5775015B2 - Agボンディングワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の電極と基板の電極とを接続するAgボンディングワイヤに関し、特にLED素子上の電極と基板の電極とを接続するのに好適なLEDパッケージ用Agボンディングワイヤに関するものである。
一般に半導体素子上の電極と、基板の電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は20〜30μmと非常に細く、そのため、導電性が良く、加工性に優れた金属材料が用いられている。特に、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来はAu製のボンディングワイヤ(以下、Auボンディングワイヤと称す)が用いられてきた。
しかし、Auボンディングワイヤは重量の99%から99.99%がAuであるため非常に高価であり、コスト面からボンディングワイヤ用の材料として安価な材料に替えたいという強い要請が成されていた。
さらに近年、LED素子をマウントしたLEDパッケージは低消費電力という長所を活かして表示用から照明用としての用途が活発に検討されてきていた。その検討に当たり、投入電力あたりの発光効率を高めるためには、LEDパッケージ内に使用する金属、たとえば光反射板の反射率を高めるために、その材質を光反射率が約71%のAlから約95%のAuへ、さらには約97%のAgへと変更されてきている。
このような状況の中、素子の電極と基板の電極を結線するボンディングワイヤの材質を「Au」から「Ag」へ変更することによって、LEDパッケージとしての明るさが数パーセント向上することが知見された。そのため、早急なAgボンディングワイヤへの変更が求められているが、Agは光反射率は高いものの、高温環境下での強度が低い、あるいは熱サイクルによる疲労に弱いという機械的特性上の欠点があり、パーソナルコンピューターや液晶テレビのディスプレイ用のバックライトあるいは照明用としてはまだ実用化に至っていない。
ところで、LEDパッケージの封止材に使用される従来タイプの透明シリコーン樹脂の熱膨張係数は、ICやLSIパッケージに使用されるエポキシ樹脂が6〜19ppm/Kであるのに対して200〜400ppm/Kと非常に大きい。
また、ICやLSIパッケージではパッケージの熱膨張率をシリコンチップに近い値まで下げるために無機微小シリコーンフィラーの充填が行われているが、LEDパッケージでは光透過性が重要であるため、熱膨張率の調製に無機微小シリコーンフィラーを充填することは難しく、そのため、LEDパッケージはICに比べて熱膨張変化が大きく、封止されているボンディングワイヤは大きな熱ストレスを受けやすく、従ってボンディングワイヤに使用する金属材料には繰り返し応力による疲労耐性が要求されるが、Agボンディングワイヤにおいては、この疲労耐性向上と光反射率とのトレードオフが実用化に際しての難しい大きな理由である。
そこで、その機械的特性の改善を目指して、原料の結晶粒を微細化して機械的特性を改善したAgボンディングワイヤとして、Cu、Pd、Auなどを合計で500〜3000重量ppm(0.05〜0.3重量%)添加したAg合金ボンディングワイヤが提案されている(例えば、特許文献1など参照)。しかし、このAgボンディングワイヤでは、ボンディング時に5%水素を含む還元雰囲気中でなければ真球状のボールを得ることが出来ず、設備インフラの投資を必要としない窒素ガス雰囲気でも真球状のボールが形成できるAgボンディングワイヤが求められた。
そのような窒素ガス中でボールが形成できるAgボンディングワイヤとして、Auが4〜10重量%、Pdが2〜5重量%、酸化性非貴金属添加元素が15〜70質量ppmのAg合金ボンディングワイヤが提案されている(例えば、特許文献2や3など参照)が、特許文献3に記載のAgボンディングワイヤでは窒素ガス中でのボール形成性、高温環境下での機械的特性、さらにはアルミニウム電極との接合信頼性は良好であったが、LED市場が要求するLEDパッケージとしての明るさは、従来のAgボンディングワイヤに劣ってしまっている。
そこで、LED市場ではLEDパッケージとしての明るさがより得られるAgボンディングワイヤの光反射率の向上が強く求められている。
特開昭64−87736号公報 特開平11−288962号公報 特許第4771562号公報
本発明は、素子上の電極との接合信頼性や、LEDパッケージに対して、実際に行われるマイナス40℃からプラス125℃などの温度を交互に印加して行う熱サイクル試験を満足すると共に、LEDパッケージとしての明るさ改善するAgボンディングワイヤを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る第1の発明のAgボンディングワイヤは、Auを1.0質量%以上、3.0質量%以下、Pdを0.05質量%以上、1.0質量%以下、Beを1質量ppm以上、8質量ppm以下、Caを1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、残部がAg及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
本発明の第2の発明に係るAgボンディングワイヤは、Auを1.0質量%以上、3.0質量%以下、Pdを0.05質量%以上、1.0質量%以下、Beを1質量ppm以上、8質量ppm以下、Caを1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、Ce、Laをいずれか又は両者を合計で1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、残部がAg及び不可避不純物からなることを特徴とするものである。
本発明の第3の発明に係るLEDパッケージ用Agボンディングワイヤは、第1及び第2の発明におけるAgボンディングワイヤのワイヤ表面に、酸化物または炭化物などの介在物が存在しないことを特徴とするものである。
本発明の第4の発明は、第3の発明におけるLEDパッケージ用Agボンディングワイヤの製造方法であって、溶解鋳造工程で得られたインゴットを、伸線工程に供する前に、皮剥ダイス加工による表面研削を行い、インゴットの表面介在物を除去することを特徴とするものである。
本発明の第5の発明は、第4の発明における溶解鋳造工程により所定の径に形成されたインゴットに、複数回の皮剥ダイス加工を施し、次いで伸線加工と、材料の軟化を目的とした熱処理を繰り返し少なくとも1回施して、最終線径に加工した後、伸び率を調整する仕上げ熱処理を施すことを特徴とするLEDパッケージ用Agボンディングワイヤの製造方法である。
本発明に係るAgボンディングワイヤは、LEDパッケージ用ボンディングワイヤとして好適なもので、Auを1.0質量%以上、3.0質量%以下含むことにより、100%窒素ガス中でもボール形成が容易で、Pdを0.05質量%以上、1.0質量%以下含むことにより、LEDパッケージ内に設置される場合があるツェナーダイオード素子上のアルミニウム電極との接合信頼性にも優れ、Beを1質量ppm以上、8質量ppm以下、且つCaを1質量ppm以上、20質量ppm以下含むことによって、細線でもワイヤ強度が高いためボンディング後のボールシア強度やワイヤプル強度も高く、またCe、Laのいずれか又は両者を合計で1質量ppm以上、20質量ppm以下含むことによって、熱サイクル試験における疲労耐性が高いという優れた効果を奏するもので、LEDパッケージ用のボンディングワイヤとして好適なものである。
さらに、AgはAuよりも溶解鋳造時に酸化物や炭化物の介在物の巻き込みが発生しやすく、溶解鋳造時の酸化物介在物はインゴット表面に偏析して縮径のための伸線工程において破砕されてボンディングワイヤ表面に残留し、大きいものでは5μm程度の介在物が観察される場合もあって、接合性不良の原因となったり光反射率低下の原因となり、特に0.1μm以上の介在物は著しく接合性を低下させるが、本発明では、それらの介在物を製造工程の初期で除去することにより、接合性が非常に良好で光反射率の高いAgボンディングワイヤとなり、LEDパッケージの光度を高める効果を奏するものである。
本発明に係るAgボンディングワイヤに用いる原料のAgは、電気比抵抗の上昇や溶解鋳造後の酸化性介在物の低減を図る目的のため、純度99.99質量%以上の高純度のAgを使用するのが好ましい。
その溶解鋳造は、介在物除去に適する下抜きの真空溶解連続鋳造炉を用いて、純度99.999%以上のカーボン製ルツボを使用し、酸化を防止するために雰囲気を真空度1×10−4Pa以下にした高周波溶解法にて行い、発生するガス成分の除去のために、溶湯温度を1100℃以上、溶湯での保持時間を10分以上の条件で行い、十分に脱ガスした後に、窒素ガスなどの不活性ガスを注入して大気圧に戻して鋳造すると良い。
さらに、鋳造に際しては銀表面の酸化や添加した合金化元素の酸化を抑制するため、水冷による鋳型部の一次冷却のみならず、大気中に引き出す前に室温まで冷却するために二次冷却を行うのが好ましい。
また、含有量が微量なBe、Ca、Ce、Laなどは、予めAgあるいはAuとの固溶限内での合金を調合用母材として用いるのが添加元素の均一分散化あるいは酸化物あるいは炭化物介在物の除去といった理由から好ましい。
本発明におけるAgボンディングワイヤにおいて、Au含有量が1.0質量%未満では、100%窒素中でのプラズマ放電加熱によるボール形成で真球状のボールが得られず、3.0質量%を超えると光反射率が低下するために、Au含有量は、1.0質量%以上3.0質量%以下と限定した。
一方、Pdの含有量を0.05質量%以上1.0質量%以下と限定するのは、LEDパッケージ内にアルミニウム電極を備える素子、例えばツェナーダイオード素子などを収納した場合、そのアルミニウム電極との接合信頼性を確保するためで、Pd含有量が0.05質量%未満では効果が見られず、1.0質量%を越えると光反射率の顕著な低下を招くため、Pd含有量は0.05質量%以上、1.0質量%以下とするものである。
さらに含有量が微量なBeでは、1質量ppm以上、8質量ppm以下、且つCaでは1質量ppm以上、20質量ppm以下と限定するのは、それぞれ1質量ppm未満で含有しても、強度の向上は認められないが、Beを8質量ppm以下かつCaを20質量ppm以下の範囲で含むことによって、高温及び熱間での強度が向上する上、大気中における加熱によってもワイヤ表面の含有元素による酸化を抑制するためである。Beが8質量ppmを超えても、Caが20質量ppmを超えても、大気中における加熱によってワイヤ表面での含有元素の酸化が発生し、肉眼での変色は認められないが光反射率の低下が生じる。そのためにBeの含有量は1質量ppm以上、8質量ppm以下、且つCaの含有量は1質量ppm以上、20質量ppm以下とする。
Ce、Laのいずれか又は両者を合計で1質量ppm以上、20質量ppm以下含有するのは、疲労耐性の向上が目的であり、1質量ppm未満では効果が無く、20質量ppmを超えると大気中における加熱によってワイヤ表面に酸化が発生し、光反射率が低下するため、合計で1質量ppm以上20質量ppm以下とする。
さらに、酸化物や炭化物の介在物は、溶解鋳造時に形成されたインゴット表面に発生するため、そのまま伸線を行うと介在物をインゴット内部へめり込ませるのみならずダイス磨耗を促進するため、発生した介在物は伸線工程前に除去することが望ましく、溶解鋳造工程と伸線工程との間で表面研削を行い、介在物を除去する。
その表面研削の方法としては、化学研摩法やブラスト処理もあるが、伸線加工機を用いて線材表面をダイヤモンドや超鋼合金の内周刃によってそぎ落とす皮剥ダイス加工が簡易で好ましい。
また、連続伸線加工の途中で軟化熱処理を行う場合には、窒素ガス中で熱処理を行ったり、酸化防止剤あるいは変色防止剤などがワイヤ表面に塗布された状態で行ったり、ワイヤの酸化を抑制することが好ましい。ただしワイヤ表面の薄い酸化層は介在物と異なり伸線加工中に自然に剥離除去されるので、伸線潤滑剤は常時フィルタリングして用いることが望ましい。
以上のような介在物の除去作業や表面の酸化防止策により、0.1μm以上の介在物は除去され、その線肌は全面が金属面となって、LEDパッケージ組立後には安定した光度を得ることができる。
以下、本発明に係るAgボンディングワイヤについて実施例を用いて詳細に説明する。
表1に、実施例で用いたAgボンディングワイヤの各種添加元素、添加量、皮剥加工有無を示す。
表1で「皮剥加工あり」と記された試料は、溶解鋳造された8mm径のインゴットを4回に分けて皮剥ダイスを用いて表面切削してから伸線加工を行った。
4回の皮剥ぎを通して、トータルでの切削厚みは約0.4mmであり、インゴット表面に換算すると約0.37mmの深さまでの研削にあたる。これによってインゴットは介在物の無いインゴットとなり、この後伸線加工によって約1mm径まで縮径し、表面に介在物の無い素線とした。
次に、連続伸線加工によって一気に約0.2mmまで縮径し、引き続いて長さ800mmの窒素雰囲気炉で連続熱処理を行い約20%の伸び率まで軟化させ、次に連続伸線によって25μmまで縮径し、引き続いて長さ500mmの窒素雰囲気炉で連続熱処理を行い約10%の伸び率まで軟化させ、試料とした。
各試料の評価は、銀ボンディングワイヤ先端に窒素ガスを吹き付けながら放電プラズマ加熱によってボール形成できる株式会社新川製「UTC−1000」を使い、ボンディングして評価した。
放電条件は窒素ガス流量を0.5リットル/分とし、直径50μmのボールが得られるように放電電流を調整し、潰しボールの直径が75μmで厚みが10μmとなるようにLED素子上の金電極面にボールボンディングを行った。
また、アルミニウム電極との接合信頼性については、シリコンチップ上のAl−0.5質量%Cu電極面に同様にボールボンディングを行った。
ボール形状については顕微鏡にて球形か鏃形か、さらにボール底部への尖りの発生有無を観察し、球形で尖りの無い場合を○、鏃形もしくは尖りが発生した場合には×と判断した。
プル強度は、Dage社製の「Dage−SERIES−5000」を用いて測定した。
その評価は、従来LED用ワイヤで広く使用されているAu線のプル強度9.2gfよりも10%以上高い場合を良(○印)、10%未満で高い場合を可(△印)、Au線のプル強度9.2grfより低い場合を不良(×印)と判断した。
シア強度もDage社製の「Dage−SERIES−5000」を用いて測定し、従来LED用ワイヤで広く使用されているAu線のシア強度48.8gfよりも10%以上高い場合を良(○印)、10%未満で高い場合を可(△印)、Au線のシア強度48.8grfより低い場合を不良(×印)と判断した。
接合信頼性は、ヤマト科学株式会社製の「オーブンDKM600」を用い、175℃で240時間で高温放置した後、シア強度を測定し、単位面積当たりシア強度が7.0kg/mm以上を良(○印)、7.0kg/mm未満を不良(×印)と判断した。
LEDパッケージ組み立てメーカーが行う疲労耐性試験は、LEDパッケージの熱サイクル試験における樹脂の膨張収縮によるワイヤの疲労破壊試験であるが、簡易的に行える代理特性として、室温におけるワイヤの繰り返し引っ張り試験による破断までの引張回数を、株式会社オリエンテック製の「万能引張圧縮試験機 テンシロンRTC−1150A」を用いて測定した。
具体的には試料ワイヤを引張り、試料の破断強度の95%の張力となったところで一旦元に戻すという繰り返し引張試験を行い、破断までの平均引張回数を測定するもので、従来LED用ワイヤで広く使用されているAu線の破断までの平均引張回数155回よりも低い場合を不良(×印)、155回以上200回未満を可(△印)、200回以上300回未満を良(○印)、300回以上を優(◎印)と評価した。
光度は、ボンディング後にフェニル系透明シリコーン樹脂でLEDパッケージに組み立てた後、ケイエルブイ株式会社製「分光放射測定システム OL770−LED」を用いて光度を測定して評価した。
従来のAu線を使用したパッケージの光度を100%としたとき、100%以上102%未満で明るい場合を可(△印)、102%以上103%未満で明るい場合を良(○印)、103%以上で明るい場合を優(◎印)と評価した。
以上の測定結果を纏めて表2に示す。
Figure 0005775015
Figure 0005775015
[評価]
皮剥加工を行った実施例の試料番号1から10のワイヤを光学顕微鏡で観察したところ、非常に金属光沢があり、任意の5箇所の表面をそれぞれ5mm長にわたって走査電子顕微鏡で観察したところ、0.1μm以上の大きさの介在物は観察されなかった。
一方、皮剥加工を行わなかった実施例の試料番号11から19のワイヤでは、同様の走査電子顕微鏡による観察で0.1μm以上の介在物が5箇所すべてで観察された。
また、皮剥加工を行った比較例の試料番号25から28のワイヤについては、走査電子顕微鏡による観察では0.1μm以上の介在物は観察されなかったものの、ECIテクノロジ社製「酸化膜測定装置 QC−200」を用いた連続電気化学還元法による酸化膜測定の結果、厚み数ナノメートル以下の酸化膜が観察された。
実施例の試料番号1から19、及び比較例の試料番号20から24、29、30では酸化膜は観察されなかった。(これらの評価も合わせて表2に示す。)
表2に示される結果から明らかなように、本発明のAgボンディングワイヤは、100%窒素ガス雰囲気での放電プラズマ加熱によるボール形成でも真球状のボールが得られ、プル強度、シア強度、接合信頼性は従来の金線と同等以上であり、その光度はAu線の場合を100%として102%以上と明るくなっているにもかかわらず、より良好な疲労耐性を示すものである。また、皮剥ぎ加工を行わなかった場合であっても同等以上の光度が得られるが、皮剥ぎ加工を施すことによって、さらなる光度の向上が得られている。

Claims (5)

  1. Auを1.0質量%以上、3.0質量%以下、Pdを0.05質量%以上、1.0質量%以下、Beを1質量ppm以上、8質量ppm以下、Caを1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、残部がAg及び不可避不純物からなることを特徴とするLEDパッケージ用Agボンディングワイヤ。
  2. Auを1.0質量%以上、3.0質量%以下、Pdを0.05質量%以上、1.0質量%以下、Beを1質量ppm以上、8質量ppm以下、Caを1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、さらにCe、Laのいずれか又は両者を合計で1質量ppm以上、20質量ppm以下含有し、残部がAg及び不可避不純物からなることを特徴とするLEDパッケージ用Agボンディングワイヤ。
  3. 請求項1又は2記載のLEDパッケージ用Agボンディングワイヤにおける前記ボンディングワイヤ表面に、酸化物または炭化物などの表面介在物が存在していないことを特徴とするLEDパッケージ用Agボンディングワイヤ。
  4. 請求項3に記載のLEDパッケージ用Agボンディングワイヤの製造方法であって、
    溶解鋳造工程で得られたインゴットを、伸線工程に供する前に、皮剥ダイス加工による表面研削を行い、前記インゴットの表面介在物を除去することを特徴とするLEDパッケージ用Agボンディングワイヤの製造方法。
  5. 溶解鋳造工程により所定の径に形成されたインゴットに、複数回の皮剥ダイス加工を施し、次いで伸線加工と、材料の軟化を目的とした熱処理を繰り返し少なくとも1回施して、最終線径に加工した後、伸び率を調整する仕上げ熱処理を施すことを特徴とする請求項4記載のLEDパッケージ用Agボンディングワイヤの製造方法。
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