CN103911526B - 功率半导体装置用铝合金细线 - Google Patents
功率半导体装置用铝合金细线 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103911526B CN103911526B CN201310565799.4A CN201310565799A CN103911526B CN 103911526 B CN103911526 B CN 103911526B CN 201310565799 A CN201310565799 A CN 201310565799A CN 103911526 B CN103911526 B CN 103911526B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminium alloy
- fine rule
- aluminium
- alloy fine
- mass
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
- H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
- H01L23/49—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions wire-like arrangements or pins or rods
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/43—Manufacturing methods
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05617—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/05624—Aluminium [Al] as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/43—Manufacturing methods
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/4501—Shape
- H01L2224/45012—Cross-sectional shape
- H01L2224/45015—Cross-sectional shape being circular
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/485—Material
- H01L2224/48505—Material at the bonding interface
- H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
- H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/48717—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
- H01L2224/48724—Aluminium (Al) as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
- H01L2224/852—Applying energy for connecting
- H01L2224/85201—Compression bonding
- H01L2224/85205—Ultrasonic bonding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/01—Chemical elements
- H01L2924/01047—Silver [Ag]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
- H01L2924/1025—Semiconducting materials
- H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
- H01L2924/10253—Silicon [Si]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/30—Technical effects
- H01L2924/35—Mechanical effects
- H01L2924/351—Thermal stress
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Wire Bonding (AREA)
Abstract
本发明改进功率半导体用铝合金接合线的芯片裂纹和热冲击试验特性。本发明涉及一种铝合金细线,其中,包括0.01~0.2质量%的铁(Fe)1~20质量ppm的硅(Si)及剩余部分(纯度在99.997质量%以上的铝(Al)合金),其中:Fe的固溶量为0.01~0.6%,Fe的析出量是Fe的固溶量的7倍以下,而且由平均晶体粒径为6~12μm的微细组织构成。本发明能够减少AlFe化合物的析出,改进热冲击试验特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于超声波接合半导体元件上的电极和外部电极的铝合金细线,特别涉及一种用于功率半导体装置的铝合金细线。
背景技术
在硅(Si)或碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体元件上形成的接合垫,主要是在半导体元件的电极上采用蒸镀法或溅射法,形成纯度为99.99质量%以上的高纯度铝(Al)金属或Al-0.3~1.5质量%Si合金膜。为了超声波接合这种半导体元件的铝垫和引线框等,使用铝合金细线。铝合金细线,一般试用线径为50~500μm的圆形细线,有时也采用线径不到50μm的极细线或超过500μm的细线,有时在半导体装置中也使用将这种细线压扁后的扁细线(带)。
适用于这种铝合金细线的超声波接合法,是在铝合金细线的上面按压超硬工具,利用其负荷和超硬工具发出的超声波振动能量,使铝合金细线与铝垫接合在一起。外加超声波的效果在于:通过扩大促使铝合金细线变形的接合面积,并破坏和清除在铝合金细线上形成的5~10纳米(nm)左右的表面氧化膜,使铝等的金属原子暴露在下面,在其与相对的接合垫之间的界面上发生塑性流动,从而逐渐增加了相互密合的新生面并使二者原子间键合。
众所周知,以前的在铝(Al)中含有少量铁(Fe)的铝合金细线,存在下列问题:如果作为原料的高纯度铝(Al)的含量变高,线径为50~500μm的铝合金细线的机械强度就会降低,不能画出接合线环路,或者在超声波接合后用作功率半导体时,接合线因为热冲击而从铝垫上脱落而发生断线。特别是在空调、太阳能发电系统、混合动力汽车、电动汽车等要求利用功率半导体的领域,由于大电流流过,半导体元件发热,与接合线和电极垫的接合部明显发热。而且,接通电源/关闭电源时,加热/冷却时产生的热应力作用于接合部,接合界面逐渐劣化。为了尽量抑制上述劣化,一直开发各种铝铁合金接合线。
首先,有日本特开平8-8288号公报(后述专利文献1)。该发明的技术方案是采用超声波接线法(利用大负荷和超声波),在铝垫或Al-Si合金膜的电极垫上牢固接合直径500μm的Al-0.02wt%Fe合金线,由于铝中含有铁,因此可以提高引起再结晶的温度,因此在通电时不会再结晶,而是使晶粒的尺寸增大到50μm以上,从而可以减少作用于晶界的热应力,抑制裂纹扩展(专利文献1的段落0010)。
然而,结晶粒径一旦增大,接合线自身的机械强度也会随之降低,在热循环试验中,接合线承受的塑性变形量会增加。因此,减少晶界的效果与变形量增加的效果相抵消,结晶粒径较大的接合线的热冲击可靠性,实际上并不会有多大提高。
其次,还有日本特开2008-311383号公报(后述专利文献2)。其中公开了一种直径300μm的接合线(段落0017),其制作步骤如下:制作99.99wt%(4N)高纯度Al-0.2wt%Fe合金块,使拉丝加工后的接合线在300℃下退火30分钟后逐渐冷却,消除拉丝加工变形,软化到适用于功率组件的超声波接合适宜水平。其中记述了对所述的接合线进行超声波接合之后,如果在100~200℃下老化1分钟~1小时,即使达到最高工作温度200℃,也可以抑制由于使用时反复通过大电流而在接合部产生的裂纹的扩展(段落0015、0017)。
对这种接合线也不进行固溶处理,只是如上所述“在300℃下退火30分钟后逐渐冷却”(相当于本发明的“调质热处理”),因此与日本特开平8-8288号公报(后述专利文献1)的接合线一样,也是试图增大结晶粒径,以提高接合线的热冲击性可靠性,由于接合线的强度降低,可靠性因此并没有多大提高。
而Al-Cu合金,由于接合线太硬,必须增加接合负荷,高温半导体用Si芯片在进行超声波接合时,会产生芯片裂纹。
另外,日本特开2011-252185号公报(后述专利文献3)所述的发明是一种Al合金导线,其中:在铝(Al)中,除了铁(Fe)之外,还含有硅(Si)和铜(Cu),在Al-Si-Cu合金基体中,通过控制由铁构成的析出物的长轴方向的长度,确保导线所需的导电率,并得到伸长率和抗拉强度出色的Al合金导线,适用于线束、电池电缆等(段落0013等)。
专利文献3的实施例中,对所铸造的Al合金进行拉丝处理,使其达到,然后在550℃下进行3小时溶体化处理,溶体化处理之后,通过水冷,使线冷却,然后再进行冷拉丝处理,使其达到。文中记载了在230~240℃下对所述Al合金线进行了热处理。
但是,该Al-Si-Cu合金基体与日本特开2008-311383号公报(后述专利文献2)的Al-Cu合金基体一样,由于铝合金线本身变得太硬,因此,如果作为高温半导体用的接合线进行接合,在超声波接合时就会产生芯片裂纹。而且,导电率(IACS)还会从62%以上的正常范围显著降低到55~61%,因此放热很厉害,有可能会缩短半导体元件的寿命。日本专利4843745号公报(后述专利文献4)也有与日本特开2011-252185号公报(后述专利文献3)相同的缺点。
综上所述,以前的高温半导体用接合线,试图通过增大铝(Al)基体中的晶界,以防止超声波接合时的芯片裂纹,并防止接合界面因为热冲击而断线。
半导体元件上的电极垫与铝合金接合线的接合部,在热膨胀率极小(3.5×10-6/℃)的硅与热膨胀率很大(24.3×10-6/℃)的铝组合的基础上,由于半导体动作时,大电流流过并放热,暴露在最高温度下,因此电极垫与铝合金接合线的接合界面上会受到很大的热应力的作用。结果,存在裂纹从接合后的接合线周围扩展开来,接合线在短时间内剥离的问题。
也就是说,以前的铝合金细线即使采用了晶粒较大的铝基体,由于铝合金细线与硅芯片之间的热膨胀率之差,在铝基体内形成热冲击变形引发的亚晶粒,裂纹沿着亚晶粒在铝合金细线内延展,未能消除铝合金细线从硅芯片上剥离的缺点。
因此,本发明人先开发了一种强制固溶的铝铁合金的接合线(日本特愿2012-134004号)。该发明提供一种铝合金细线,其中:即使是在铝(Al)中强制固溶了铁(Fe)的铝合金细线,只要顺利形成Al3Fe金属间化合物,接合部就可以承受通常100~150℃、最高150~200℃的温度。
但是,使Al3Fe金属间化合物在铝(Al)基体中稳定均匀细微地分散却很困难,由于强制固溶这一点条件,结果接合线的质量出现偏差。因此,在需要100~200℃的重复耐热性的功率半导体应用领域,由于大电流在电路中流动,半导体元件放热,接合线也明显放热,结果是,微小的接合线质量偏差对接合线特性产生很大影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平8-8288号公报
专利文献2:日本特开2008-311383号公报
专利文献3:日本特开2011-252185号公报
专利文献4:日本专利4843745号公报(日本特开2011-256464号公报)
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铝合金细线,其特征在于:具有牢固的结晶组织,将铝合金细线超声波接合到铝垫时不产生芯片裂纹,而且即使反复进行高温热冲击试验,接合后的铝合金细线与铝垫的接合界面强度也能保持稳定,铝合金细线也不会从铝垫剥离。
本发明人在通过热冲击试验调查接合线从铝垫的铝(Al)与接合线的铝(Al)之间的接合界面剥离时发现,接合界面破坏的原因是疲劳破坏。进一步探索这种疲劳破坏的原因时发现,问题在于:在铝(Al)基体中,即使在650℃下,也只有0.052%(520ppm)的铁(Fe)处于固溶状态。也就是说,在熔化铸造铝铁合金块的工序中,固溶限度极小的铁(Fe)渐渐冷却后,从铝(Al)一侧析出,其结果是,铁(Fe)不会固溶到固溶限度,这就是导致铝合金细线强度降低的原因。
本发明为了解决上述问题,通过中间线径的固溶处理和此后的淬火处理,使铁(Fe)在铝中强制固溶。利用经过强制固溶的铁(Fe),可以防止接合过程中以及热冲击试验中的接合线结晶组织粗化,从而防止疲劳破坏。
此外,本发明人在详细调查热冲击试验的不稳定性的原因时发现,不稳定性的原因在于AlFe化合物的析出形态。也就是说,均匀分布的细微的AlFe化合物使晶粒细化,有助于提高接合线的强度,防止疲劳破坏,但是另一方面,却以细微的AlFe化合物为核生成再结晶晶粒,使再结晶温度降低,因为这个原因,热冲击试验结果变得不稳定。
先前的专利申请(日本特愿2012-134004号)中,使Fe含量在0.2~2.0质量%的范围内,通过上述强制固溶,使Fe在铝垫中固溶到接近固溶限度,加上均匀分布的细微的AlFe化合物的效果,虽然能够减少疲劳破坏,确保接合线强度,但却发现即使铁含量低于上述下限值,只要是在一定的Fe固溶到基体中的条件下,就不能通过一起添加Si来确保足够的抗热冲击性。
因此,本发明人将铁(Fe)的含量控制在上述范围以下,使Fe的析出量与Fe固溶量的比例保持在一定范围,使再结晶温度保持稳定,并且通过添加微量Si,提高强度,结果成功地使热冲击试验结果保持了稳定。
本发明涉及一种功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:是由铁(Fe)、硅(Si)及剩余部分(高纯度铝(Al)合金)构成且用于与半导体元件的铝垫进行超声波接合的铝合金细线,所述铝合金细线为由0.01~0.2质量%的铁(Fe)、1~20质量ppm的硅(Si)及剩余部分(纯度在99.997质量%以上的铝(Al))构成的合金,并且是平均粒径为5~12μm的微细组织。
作为本发明的纯度在99.997质量%以上的铝(Al)中的杂质元素,有铜(Cu)、锰(Mn)、镁(Mg)、锌(Zn、)、钛(Ti)等过渡金属元素、碱金属元素、碱土金属金属元素等。铝(Al)的纯度会促进铝合金细线的加工软化,因此最好在99.997质量%以上,在99.999质量%以上则更好。此外,铝合金细线的全部合金中所含的铝(Al)的纯度,最好在99.99质量%以上(总体的金属杂质量不到100质量ppm),在99.995质量%以上(总体的金属杂质量不到50质量ppm)则更好。
本发明中,以铁(Fe)为0.01~0.2质量%的范围为条件。铁(Fe)在铝(Al)基体中只有数百ppm左右固溶,熔化铸造后,在铝(Al)基体中作为微粒均匀细微地析出。但是,如果铁(Fe)超出0.24质量%的范围,则强度就会变得过高,芯片会破裂,并且再结晶温度下降,出现热冲击试验结果不稳定的问题。
另一方面,如果铁(Fe)低于0.01质量%,接合线的机械强度就不够,而且再结晶温度也会下降,无法承受热冲击试验。因此,铁(Fe)的范围为0.01~0.24质量%。但是,为了改善与铝垫的接合性并能够承受反复的热冲击试验,最好铁(Fe)的含量至少为0.015~0.1质量%。
本发明中,铝合金细线的线径最好在50~500μm。因为不到50μm,不能用于电动汽车的大电流功率半导体,而超过500μm,则难以超声波接合到铝垫上。铝合金细线的直径可根据所使用的功率半导体装置适当选择。
本发明的铝垫最好为Al-Si合金垫,因为成分与接合线相同。硅(Si)的含量最好为0.5~1.5质量%,为0.8~1.2质量%则更好。
另外,本发明中,连续拉丝加工优选拉丝模拉丝,更优选金刚石拉丝模。因为这样容易使铁(Fe)微粒均匀分散排列成同心圆状。
而且,经过连续拉丝加工的铝合金细线,要在施加一定的张力下进行最终的调质热处理。
另外,进行调质热处理时,微细再结晶组织的晶界尺寸随温度和时间的变化而变化,同时,拉丝加工的截面减少率不同,调质热处理的温度和时间也会改变,并不是固定不变的。本发明的调质热处理,最好在连续拉丝加工后,直接在非氧化性气氛,最好是还原性气氛中对细线进行加热处理。若要使本发明的铝合金细线再结晶,温度范围最好在350℃~500℃,在380℃~430℃则更好。热处理的加热方法有电炉加热、通电加热、光照加热、水蒸汽加热等。
如果对拉丝加工后的铝合金细线进行调质热处理(最终热处理)后水冷,铝合金细线表面会形成气穴,在气穴等周围会产生超声波热,因此铝合金细线很容易被超声波接合到铝垫上。如果混入乙醇、异丁醇等水溶性乙醇,则更容易进行超声波接合。
另一方面,因熔化铸造而析出的铁(Fe)和铝(Al)的金属间化合物颗粒,通过拉丝加工在铝(Al)基体中均匀细微地分散,不仅能够提高铝(Al)基体的机械强度,而且还能够利用钉扎效应防止微细再结晶组织在热的作用下粗化。铁(Fe)和铝(Al)的金属间化合物颗粒可能是FeAl3或FeAl6。
本发明的接合线的硬度,最好在维氏硬度22~28Hv,在23~27Hv则更好。从超声波接合时芯片裂纹的观点出发,一般来说,接合线的硬度越低越好。但因本发明的接合线用于功率半导体,要反复承受高温热冲击,因此需要维氏硬度22~28Hv。此外,铝(Al)的纯度必须在99.997质量%以上,在99.999质量%以上则更好。
本发明以硅(Si)在1~20质量ppm的范围为条件。如果硅(Si)超过20质量ppm的范围,则接合线的强度就会变得过高,容易导致芯片裂纹。另一方面,如果硅(Si)不到1质量ppm,则接合线的机械强度就不够。因此,硅(Si)的范围在1~20质量ppm。但是,若要改善与铝垫的接合性并能够承受反复的热冲击试验,最好硅(Si)含量在2~10质量ppm。
本发明的Fe析出量最好是Fe固溶量的7倍以内,是3倍以内则更好。Fe在Al中固溶时,具有升高再结晶温度的效果,但是析出时,FeAl化合物会成为再结晶的核,反而会降低再结晶温度。由于在热冲击试验中反复暴露在高温下,再结晶温度较低的材料会在热冲击试验中软化,容易产生热疲劳破坏。
本发明的Fe固溶量最好在0.01~0.06%的范围。Fe在Al中固溶,具有升高Al的再结晶温度的效果,但是Fe固溶量在0.01%以下时,几乎确认不到再结晶上升效果。此外,如果Fe固溶量过大,电阻就会升高,作为接合丝用于端子间连接时,无法获得所需的性能,因此Fe固溶量的上限最好为0.06%。
如果采用本发明的连接半导体装置的铝合金细线,即使超声波接合线径较粗的接合线,由于经过加工软化的接合线本身很软,因此与铝垫的粘合性很好,进行第一接合部的楔形接合时不会产生芯片裂纹。此外,即使反复进行高温-低温的热冲击试验,使其疲劳,凭借高纯度铝(Al)基体本身的加工软化组织和铁(Fe)铝(Al)金属间化合物颗粒的钉扎效应,也能够具备与铝合金基体相同的耐热冲击性。
具体而言,如实施例中所述,反复进行高温(200℃)和低温(-50℃)各3分钟的热冲击试验,初始的抗剪强度与反复试验后的抗剪强度相比,比初始值下降20%到30%(0.8到0.7)的次数大幅提高到原来的2倍左右。而且,这一效果是基于高纯度铝(Al)基体本身的加工软化组织的,因此即使大规模生产,铝合金细线的批次之间也不会出现偏差,很稳定,本发明的铝合金细线,是一种适用于在高温下使用的电动汽车等的功率循环半导体等的超声波接合用铝合金细线。
附图说明
图1为本发明的铝合金细线的截面组织照片。
图2表示本发明的铝合金细线的抗剪强度的变化比例。
具体实施方式
熔化并连续铸造表1所示的实施例1~29、比较例1~14的组成的由铁(Fe)和剩余部分为铝(Al)构成的铝合金,熔化铸造直径300mm的铝合金块。用带槽轧辊轧制所述熔化铸造的铸块之后,进行拉丝加工,制作直径5mm的铝合金线材。在规定温度下对所述线材进行2天溶体化处理之后,在水中淬火。接着,在水中将所述线材连续拉丝至规定线径,成为规定线径的接合线。每个实施例的截面减少率都在99%以上。
采用超声波工业公司生产的REB07型超声波装置,在频率120KHz、负荷8000mN、超声波功率15W、接合时间180ms的条件下,将100根所述接合线超声波接合到Al-1.0%Si合金的铝垫上。此外,为了参考,还采用了Al-100ppmNi合金接合线作为现有例。
(超声波接合条件)
铝合金细线的线径为0.1、0.3、0.5mm,环路长度为8mm,环路高度为1.3mm。采用超声波工业公司生产的REB07型全自动接合器,在Si芯片(厚度0.2mm)上的Al-1.0%Si膜(厚度3μm)上对铝合金细线进行超声波接合。
接合条件为130KHz的频率,负荷和超声条件可任意调整,使第一接合部的压碎宽度为接合线线径的1.3倍,对于全部100个样品,均在同一条件下进行了第一接合部和第二接合部的超声波接合。超硬工具和接合导轨,采用了与接合线尺寸一致的超声波工业公司的产品。
接着,对于所述的接合后的铝合金细线,进行了芯片裂纹观察试验及热冲击试验。
(芯片裂纹观察试验)
用20%的NaOH溶液溶解Al-1.0%Si垫,用光学显微镜(奥林巴斯生产的测量显微镜,STM6),以100倍的倍率,确认接合后的试样是否发生芯片裂纹。观察了100处,无一处发生芯片裂纹为○,发生1~3处芯片裂纹为△,发生4处以上芯片裂纹为×。
(热冲击试验)
热冲击试验装置采用爱斯佩克公司生产的小型冷热冲击装置TSE-11,高温侧:+20℃;低温侧:-50℃,各3分钟,重复1万次。
(抗剪强度试验)
采用DAGE公司生产的2400型进行1千次、2千次、5千次及1万次剪切试验之后,测量了第一接合部的抗剪强度,与0次的初始强度进行对比。初始的抗剪强度与重复后的抗剪强度相比,从初始值降低到20%(0.8)的次数为原来的2倍的为○,1.5~2倍的为△,不到1.5的为×。现有产品采用了市场出售的商品Al-100ppmNi。试验高度为3μm,试验速度为300μm/秒。
(电阻率测量)
采用直流电源(吉时利公司生产的2400型)和毫微伏电压表(吉时利公司生产的2182型),用直流四端子法测量了所述接合线在77K时的电阻率。试样长度为300mm,测量电流为1A。
(结晶粒径观察)
采用截面扩孔装置(日立高科技公司生产的IM-4000型)制作接合线截面,组织观察采用聚焦离子束(日本电子公司生产的JIB-4000型)。结晶粒径的测量采用了截面法。晶粒的平均尺寸为截面的水平方向与垂直方向的接合线长度的平均值。
(维氏硬度测量)
维氏硬度测量采用了维氏硬度计(明石公司生产的MVK-G3型)。
(拉伸试验)
采用拉伸试验器(岛沣生产的自动绘图仪AG-X),在标距100mm、行程位移速度20mm/分的条件下进行了拉伸试验。
(再结晶温度)
在各种温度下对调质热处理前的接合线进行30分钟的盐浴热处理,将达到热处理前的接合线的抗拉强度与再结晶后的接合线的抗拉强度的正中间的强度时的热处理温度作为再结晶温度。
在表1(现有例与比较例)和表2(实施例)中表示在上述条件下得到的结果。
【表1】
【表2】
表1和表2中,比较例1~3和实施例1~6表示添加Fe量的影响。
比较例1因为Fe含量过少,所以过软,热冲击试验结果为不合格。而比较例2、3则因为Fe含量过多,Fe析出量/Fe固溶量超过7,维氏硬度太大,芯片发生破裂。
相对于此,实施例1和6的Fe含量分别为下限值和上限值,如果将维氏硬度与芯片裂纹和热冲击试验结果相比,由于实施例1太软,虽然不产生芯片裂纹,但是热冲击试验结果却略有下降,而实施例6的维氏硬度虽然不到产生芯片裂纹的程度,但因Fe含量太多,因而Fe析出量太多,与Fe固溶量之比达到限值,受到所析出的AlFe化合物的影响,再结晶温度下降,高温下的疲劳破坏特性呈现劣化的趋势。
即使Fe含量不到所述的上限值,只要Fe析出量太多,Fe析出量/Fe固溶量超过7,就会像比较例7~14一样,热冲击试验结果不合格。
比较例4与实施例7表示Al原料纯度的影响,比较例4的维氏硬度显著升高,芯片裂纹、热冲击试验结果均为不合格,即使Fe含量相同,由于实施例7的铝原料纯度在本发明范围内,因此维氏硬度在正常范围内,芯片裂纹、热冲击试验结果均为良好。
比较例5、6与实施例8~11为表示硅添加量的影响的示例。
比较例5、6的Si添加量分别超出本发明范围的上限和下限,可以根据实施例8~11确认本发明的Si添加量的上限和下限。也就是说,如果Si过少,接合线就会过软,无法承受热冲击试验;如果Si过多,接合线则会硬化,产生芯片裂纹。
比较例7~14与实施例12~27为明确“Fe析出量/Fe固溶量的效果”的示例。
由比较例7~14可知,即使Fe含量在本发明的范围以内,只要Fe析出量/Fe固溶量超过本发明的上限7,热冲击试验结果就会不合格。相比之下,实施例12~27则对比Fe析出量/Fe固溶量的值的变化和热冲击试验结果,明确其上限、下限及适当范围。
也就是说,如果Fe析出量/Fe固溶量在7以上,再结晶温度就会下降,承受不了热冲击试验。此外,Fe析出量/Fe固溶量在3~7的范围,热冲击试验为△;Fe析出量/Fe固溶量在3以下,热冲击试验为○。
实施例28、29为表示接合线线径的效果的示例。上述示例的线径均为0.5mm,但是实施例28、29则是确认线径为0.3mm、0.1mm的接合线的所述效果的示例。
图1是本发明的铝合金细线的截面组织照片,由此可知,为了能够根据所显示的测量仪表辨别,基本上都集中在平均粒径10μm附近的一定范围,得到稳定的组织。
图2表示本发明的铝合金细线的抗剪强度的变化比例,即使在10×千次的试验循环中,抗剪强度的降低保持在初始值的80%左右,现有产品则降低到将近30%,相比之下,接合部的可靠性显著提高。
工业利用的可能性
本发明的铝合金细线,即使反复进行热冲击试验,抗剪强度的降低也很少,因此可用作混合动力汽车、电动汽车、电车、风力发电机、工业机器人中使用的功率半导体的接合线。
Claims (8)
1.一种功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
是由铁Fe、硅Si及剩余部分构成且用于与半导体元件的铝垫进行超声波接合的铝合金细线,所述剩余部分为高纯度的铝,
所述铝合金细线是由0.01~0.2质量%的铁Fe、1~20质量ppm的硅Si及剩余部分构成的Al合金,所述剩余部分为纯度99.997质量%以上的铝Al,
所述铝合金细线是Fe的固溶量为0.01~0.06%、Fe的析出量为Fe的固溶量的7倍以下、且平均晶体粒径为6~12μm的微细组织。
2.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
所述铝合金细线的剩余部分即铝Al的纯度为99.999质量%以上。
3.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
铁Fe为0.015~0.1质量%。
4.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
所述铝垫为Al-Si合金垫。
5.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
铁Fe的含量是硅Si的含量的2倍以上。
6.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
所述铝合金细线的维氏硬度为22~28Hv。
7.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
所述铝合金细线的线径为50~500μm。
8.如权利要求1所述的功率半导体装置用铝合金细线,其特征在于:
铁Fe的析出量是铁Fe的固溶量的3倍以下。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012288636A JP5281191B1 (ja) | 2012-12-28 | 2012-12-28 | パワ−半導体装置用アルミニウム合金細線 |
JP2012-288636 | 2012-12-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103911526A CN103911526A (zh) | 2014-07-09 |
CN103911526B true CN103911526B (zh) | 2017-04-12 |
Family
ID=49273970
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310565799.4A Expired - Fee Related CN103911526B (zh) | 2012-12-28 | 2013-11-14 | 功率半导体装置用铝合金细线 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5281191B1 (zh) |
KR (1) | KR101474145B1 (zh) |
CN (1) | CN103911526B (zh) |
SG (1) | SG2013052667A (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7126322B2 (ja) * | 2018-10-10 | 2022-08-26 | 日鉄マイクロメタル株式会社 | Alボンディングワイヤ |
JPWO2021065551A1 (zh) | 2019-10-01 | 2021-04-08 | ||
US20230142531A1 (en) | 2020-03-25 | 2023-05-11 | Nippon Micrometal Corporation | Al bonding wire |
CN115989570A (zh) | 2020-08-31 | 2023-04-18 | 日铁新材料股份有限公司 | Al布线材料 |
US20240105667A1 (en) | 2021-01-28 | 2024-03-28 | Tanaka Denshi Kogyo K.K. | Aluminum bonding wire for power semiconductor |
TW202239983A (zh) | 2021-02-05 | 2022-10-16 | 日商日鐵新材料股份有限公司 | 鋁配線材料 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102119233A (zh) * | 2008-08-11 | 2011-07-06 | 住友电气工业株式会社 | 铝合金线 |
CN102264929A (zh) * | 2009-01-19 | 2011-11-30 | 古河电气工业株式会社 | 铝合金线材 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0439944A (ja) * | 1990-06-05 | 1992-02-10 | Furukawa Special Metal Coated Co Ltd | アルミニウムボンディングワイヤー |
JPH088288A (ja) * | 1994-06-20 | 1996-01-12 | Hitachi Ltd | 半導体装置 |
JP5345162B2 (ja) | 2004-06-16 | 2013-11-20 | 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 | 半導体実装用ボンディングワイヤ |
JP2006167857A (ja) | 2004-12-15 | 2006-06-29 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 微細ワイヤ及びその製造方法 |
JP2008311383A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Ibaraki Univ | ボンディングワイヤ、それを使用したボンディング方法及び半導体装置並びに接続部構造 |
JP4212641B1 (ja) * | 2008-08-05 | 2009-01-21 | 田中電子工業株式会社 | 超音波ボンディング用アルミニウムリボン |
JP5159000B1 (ja) * | 2012-06-13 | 2013-03-06 | 田中電子工業株式会社 | 半導体装置接続用アルミニウム合金細線 |
-
2012
- 2012-12-28 JP JP2012288636A patent/JP5281191B1/ja not_active Expired - Fee Related
-
2013
- 2013-06-21 KR KR1020130071411A patent/KR101474145B1/ko active IP Right Grant
- 2013-07-08 SG SG2013052667A patent/SG2013052667A/en unknown
- 2013-11-14 CN CN201310565799.4A patent/CN103911526B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102119233A (zh) * | 2008-08-11 | 2011-07-06 | 住友电气工业株式会社 | 铝合金线 |
CN102264929A (zh) * | 2009-01-19 | 2011-11-30 | 古河电气工业株式会社 | 铝合金线材 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20140086797A (ko) | 2014-07-08 |
SG2013052667A (en) | 2014-07-30 |
KR101474145B1 (ko) | 2014-12-17 |
CN103911526A (zh) | 2014-07-09 |
JP2014129578A (ja) | 2014-07-10 |
JP5281191B1 (ja) | 2013-09-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101332890B1 (ko) | 반도체 장치 접속용 알루미늄 합금 세선 | |
CN103911526B (zh) | 功率半导体装置用铝合金细线 | |
KR101307022B1 (ko) | 알루미늄 합금 본딩 와이어 | |
JP6984799B1 (ja) | 純銅板、銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板 | |
JP2008311383A (ja) | ボンディングワイヤ、それを使用したボンディング方法及び半導体装置並びに接続部構造 | |
JP2011105982A (ja) | アルミニウム合金およびその製造方法 | |
KR20170045106A (ko) | 무산소 동판, 무산소 동판의 제조방법 및 세라믹 배선기판 | |
TWI599664B (zh) | 用於功率模組封裝之金屬帶材 | |
CN105734368A (zh) | 铝合金翅片材料、其制造方法及具备该材料的换热器 | |
JP2000040710A (ja) | ボンディング用金合金細線 | |
CN109641323A (zh) | 软钎焊材料 | |
JP5030633B2 (ja) | Cr−Cu合金板、半導体用放熱板及び半導体用放熱部品 | |
JP7377256B2 (ja) | Alボンディングワイヤ | |
JP3740474B2 (ja) | 導電性に優れるチタン銅及びその製造方法 | |
JPS6389640A (ja) | 電子電気機器導電部品材料 | |
TWI406960B (zh) | Copper alloy hot forged products and copper alloy hot forging products manufacturing methods | |
JP2020059886A (ja) | Alボンディングワイヤ | |
TWI838488B (zh) | Al接合線 | |
JP7518305B1 (ja) | Al合金ボンディングワイヤ | |
WO2022163606A1 (ja) | パワー半導体用アルミニウムボンディングワイヤ | |
CN115315793A (zh) | Al接合线 | |
JP2005213629A (ja) | 銅合金の熱処理方法と銅合金および素材 | |
WO2016052700A1 (ja) | 合金接合材による接合層構造及びその形成方法、並びに該接合層構造を有する半導体装置及びその製造方法 | |
JP2004027298A (ja) | 銅および銅合金ならびにその熱処理方法 | |
JPH0598373A (ja) | 低線膨張率を有する銅系リードフレーム材料及びその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170412 Termination date: 20211114 |