DE112022000793T5 - Aluminium-bondingdraht für leistungshalbleiter - Google Patents

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aluminum
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bonding
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Shuichi Mitoma
Tsukasa ICHIKAWA
Tsuyoshi Uraji
Tatsunori YANAGIMOTO
Dai Nakajima
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Tanaka Denshi Kogyo KK
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Tanaka Denshi Kogyo KK
Mitsubishi Electric Corp
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    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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Abstract

Es wird ein Aluminiumdraht bereitgestellt, mit dem beim Bonding eines Bondingdrahts für einen Leistungshalbleiter der Draht nicht von einem Keilwerkzeug gelöst wird und eine lange Lebensdauer in einem Leistungszyklustest erreicht wird. Der Aluminiumdraht ist aus einer Aluminiumlegierung mit einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr hergestellt und enthält, relativ zu einer Gesamtmenge aller Elemente der Aluminiumlegierung, eine Summe von 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger an Eisen und Silizium, wobei in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer Drahtachse des Aluminiumdrahts ein (111)-Orientierungsindex 1 oder mehr ist, ein (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger ist und ein Flächenanteil von ausgefällten Partikeln in einem Bereich von 0,02% oder mehr bis 2% oder weniger liegt.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminium-Bondingdraht für einen Leistungshalbleiter (im Folgenden als „Aluminiumdraht“ bezeichnet).
  • Stand der Technik
  • „Halbleiter“ ist in der Regel ein Oberbegriff für CPUs (Zentralverarbeitungseinheiten), Speicher und dergleichen, deren Hauptfunktionen „Berechnung“, „Speicherung“ und dergleichen sind. Halbleiter werden z. B. für Verbrauchergeräte wie PCs (Personal Computer), Smartphones und Fernsehgeräte verwendet. Andererseits treiben Leistungshalbleiter Motoren an, laden Batterien auf und liefern Strom für den Betrieb von Mikrocomputern und LSIs (Large Scale Integrated Circuits). Leistungshalbleiter werden hauptsächlich zur Änderung von Spannung und Frequenz, zur Leistungsumwandlung (Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom) usw. verwendet. Zu den Leistungshalbleitern gehören Leistungstransistoren und dergleichen. Der Begriff „Leistungsmodul“ bezieht sich häufig auf eine Komponente, in der eine Schaltung zur Stromversorgung integriert ist, die in der Regel durch Kombination mehrerer ICs (integrierter Schaltungen) mit Leistungshalbleitern konfiguriert ist. Leistungshalbleiter werden auch als Leistungshalbleiter, Leistungsvorrichtungen, Leistungselemente, Leistungshalbleiterelemente oder dergleichen bezeichnet.
  • „Wechselrichter“ bzw. Inverter, die in energiesparenden Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen, Kühlschränken und Waschmaschinen eingebaut sind, sind bekannte Beispiele für die Verwendung von Leistungshalbleitern. Der Wechselrichter steuert die Drehzahl des Motors durch Umwandlung der Frequenz. Durch die freie Änderung der Motordrehzahl kann der Wechselrichter unnötige Bewegungen des Motors reduzieren und so zur Energieeinsparung beitragen. Klimageräte ohne Inverter hingegen regeln die Raumtemperatur durch wiederholtes Starten und Stoppen des Motors, was zu Problemen wie mangelnder Temperaturstabilität und hohem Stromverbrauch führen kann. Diese Funktionen des Inverters werden durch „Schalten“ realisiert, bei dem der Leistungstransistor den Strom feinfühlig ein- und ausschaltet.
  • Neben energiesparenden Haushaltsgeräten werden Leistungshalbleiter beispielsweise auch im Verkehrs- bzw. Transportwesen, z. B. in Elektro- und Hybridfahrzeugen, häufig eingesetzt. Im Verkehrs- bzw. Transportwesen werden Leistungshalbleiter wie IGBTs (bipolare Transistoren mit isoliertem Gate) verwendet, die eine Rolle bei der Stromumwandlung und -steuerung spielen. Der IGBT umfasst IGBT-Chips (Leistungschips) und Bondingdrähte zur Verbindung der Chips, d. h. der Leistungschips, miteinander und zur Verbindung des IGBT-Chips (Leistungschips) mit einer externen Elektrode. Für einen Bondingdraht für einen Leistungshalbleiter wird häufig ein relativ dicker Aluminiumdraht mit einem Drahtdurchmesser (Durchmesser) von 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger verwendet, um einen großen Strom zu leiten.
  • Leistungsmodule für Elektrofahrzeuge sind starken Umgebungseinflüssen wie großen Temperaturschwankungen, hoher Luftfeuchtigkeit, salzhaltiger Umgebung und Vibrationen ausgesetzt, da die Elektrofahrzeuge selbst in verschiedenen Regionen eingesetzt werden. Aus diesem Grund muss das Material des Leistungsmoduls eine hohe Stromdichtebeständigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Wärmeableitung aufweisen. Ferner kommt es in der Einsatzumgebung eines Leistungsmoduls für ein Elektrofahrzeug zusätzlich zu den oben beschriebenen Temperaturschwankungen zu einem Temperaturzyklus der Erwärmung und Abkühlung aufgrund des Fahrens des Elektrofahrzeugs. Während der Fahrt des Elektrofahrzeugs wiederholt sich ein Zyklus, bei dem die Stromzufuhr unterbrochen wird, wenn das Fahrzeug hält, und wieder aufgenommen wird, wenn es losfährt. Diese Stromzufuhr erhöht die Temperatur des Leistungschips und erhöht auch die Temperatur eines Aluminiumdrahts auf einem Elektrodenpad, das sich auf der Oberfläche des Leistungschips befindet. Da die Stromzufuhr beim Anhalten unterbrochen wird, werden die Aluminiumdrähte und die Leistungschips schnell abgekühlt. Da das Anfahren und Anhalten des Fahrzeugs häufig und über einen langen Zeitraum wiederholt wird, wiederholt sich auch dieser Temperaturzyklus des Aufheizens und Abkühlens, und aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leistungschip und dem Aluminiumdraht wird eine thermische Spannung erzeugt, die zu einer Metallermüdung an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Leistungschip und dem Aluminiumdraht sowie am Aluminiumdraht führt. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Bondingabschnitt ablöst oder bricht und der Draht reißt. Dementsprechend ist ein Aluminiumdraht erforderlich, der diese Probleme löst und eine langfristige Zuverlässigkeit besitzt.
  • Ferner wird die Rolle von Leistungshalbleitern in Bereichen wie dem loT (Internet of Things) bzw. IoD (Internet der Dinge), über das in den letzten Jahren viel gesprochen wurde, immer wichtiger. Da mit dem IoT ausgestattete Haushaltsgeräte von Jahr zu Jahr kleiner, dünner und dichter werden, werden auch die Leistungshalbleiter immer kleiner, dünner und dichter, und der zum Bonden verfügbare Raum zwischen dem Leistungschip und dem Aluminiumdraht wird immer kleiner. Daher ist es beim Aluminiumdraht-Bonding notwendig, den begrenzten Raum effektiv zu nutzen. Anstatt beispielsweise mit einem Aluminiumdraht in die gleiche Richtung mit einem Leistungschip zu bonden (erstes Bonding) und mit einer externen Elektrode zu bonden (zweites Bonding), muss der Aluminiumdraht zum Bonding nach dem ersten Bonding in einem bestimmten Winkel in Richtung eines freien Spalts der externen Elektrode gebogen werden. Der Aluminiumdraht benötigt also einen Freiheitsgrad für die Biegung, um insbesondere die Drahtrichtung (Winkel) des zweiten Bondings ändern zu können. Dementsprechend ist die Nachgiebigkeit bzw. Folgefähigkeit des Aluminiumdrahts eine äußerst wichtige Eigenschaft.
  • Zum Beispiel wird beim ersten Bonding (Anschluss an eine Elektrode auf einem Halbleiterchip) und beim zweiten Bonding (Anschluss an eine externe Elektrode auf einem Lead-Frame bzw. einem Anschluss-Rahmen oder einem Substrat) eines Aluminiumdrahts ein Keilwerkzeug (manchmal einfach als „Werkzeug“ bezeichnet) mit einer Krokodilklemme (Nut) an der Spitze zum Halten eines Drahts verwendet, der Draht in die Krokodilklemme eingepasst und der Draht zum Bonding gegen das Bondingabschnitt gedrückt. Bei der Verwendung eines Aluminiumdrahts, der sich nicht so leicht seitwärts biegen lässt, kann der Draht nicht in einem gewünschten Winkel gebogen werden, und ein Teil des Drahts kann sich aus dem Krokodilklemme des Keilwerkzeugs lösen. Wird das zweite Bonding durchgeführt, während sich ein Teil des Drahts gelöst hat, kann es zu einem Kurzschluss kommen, wenn die Bondingposition von der vorgesehenen Position abweicht und eine andere Elektrode berührt. Ferner kann in einem Zustand, in dem sich der Draht vom Werkzeug gelöst hat, die Spitze des Keilwerkzeugs das Element direkt berühren und das Halbleiterelement zerstören.
  • Ferner weisen Drähte, die eine langfristige Zuverlässigkeit erfordern, tendenziell vorzugsweise eine höhere Festigkeit auf. Hohe Festigkeit bedeutet hohe Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte und dergleichen, während ein Draht mit höherer Festigkeit tendenziell eine schlechtere Nachgiebigkeit aufweist. Dementsprechend ist es äußerst schwierig, die widersprüchlichen Probleme der Festigkeit und der Nachgiebigkeit gleichzeitig zu lösen, und es gab bisher noch keinen Fall, in dem beide Probleme gleichzeitig gelöst wurden.
  • Herkömmlich gibt es bekannte Techniken zur Einstellung von Legierungsbestandteilen eines Aluminiumdrahts, um die Zuverlässigkeit einer Verbindung vor allem im Zustand hoher Temperatur zu verbessern (siehe z.B. Patentliteratur 1 bis 4). Allerdings löst dieser Stand der Technik nicht das Problem der Nachgiebigkeit des Aluminiumdrahts.
  • Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Erfindung ist „ein dünner Draht aus einer Aluminiumlegierung zum Ultraschallbonden eines Halbleiterbauelements, mit 0,2 bis 2,0 Massen-% Eisen (Fe) und den Rest Aluminium (Al) mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% oder mehr, wobei 0,01 bis 0.05% Eisen (Fe) in einer Aluminium (Al)-Matrix des dünnen Drahts aus einer Aluminiumlegierung gelöst ist, eine Drahtzieh-Matrixstruktur in einem Querschnitt des dünnen Drahts aus einer Aluminiumlegierung eine homogene, fein rekristallisierte Struktur in der Größenordnung von einigen µm ist und intermetallische Verbindungspartikel von Eisen (Fe) und Aluminium (Al) gleichmäßig an einer Grenzfläche und einer inneren Oberfläche der Struktur kristallisiert sind“. In der Patentliteratur 1 wird beschrieben, dass durch Hinzufügen eines Schritts einer Lösungs- und Abschreckungsbehandlung vor einer Raffinationswärmebehandlung die Menge des in der Aluminium (Al)-Matrix gelösten Eisens (Fe) auf 0,052% erhöht wird, was der Feststofflöslichkeitsgrenze bei 650°C entspricht, und die Raffinierung des Kristallkorndurchmessers des Al-Fe-Legierungsdrahts durch das anschließende normale kalte Endlosdrahtziehen und die anschließende Raffinationswärmebehandlung ermöglicht wird, und dass durch eine hohe Reinigung des AI eine dynamische Rekristallisation zum Zeitpunkt des Verbindens bewirkt wird, um eine Spanbeschädigung zu vermeiden (siehe Absatz 0013 der Beschreibung).
  • Die in Patentliteratur 2 beschriebene Erfindung ist „ein dünner Draht aus einer Aluminiumlegierung zum Ultraschallbonden an ein Aluminiumpad eines Halbleiterelements, der Eisen (Fe)%, Silizium (Si) und als Rest eine hochreine Aluminiumlegierung (Al) enthält, wobei der dünne Draht aus Aluminiumlegierung eine Legierung ist, die Eisen (Fe) von 0,01 bis 0.2 Massen-%, Silizium (Si) von 1 bis 20 Massen-ppm und der Rest Aluminium (Al) mit einer Reinheit von 99,997 Massen-% oder mehr ist, und die Feinstruktur eine Festlösungsmenge bzw. Menge fester Lösung an Fe von 0,01 bis 0,06% besitzt, wobei eine Ausscheidungs- bzw. fällungsmenge an Fe das 7-fache oder weniger der Festlösungsmenge an Fe ist, und einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von 6 bis 12 µm aufweist“. In der Patentliteratur 2 wird beschrieben, dass die Rekristallisationstemperatur stabilisiert wird, indem das Verhältnis zwischen der Fe-Ausfällungsmenge und der Fe-Festlösungsmenge in einem bestimmten Bereich gehalten wird, und dass ferner die Festigkeit durch Zugabe einer geringen Menge an Si verbessert wird, um folglich die Ergebnisse des Thermoschocktests zu stabilisieren (siehe Absatz 0012 der Beschreibung).
  • Die in Patentliteratur 3 beschriebene Erfindung "enthält AI oder eine Al-Legierung, wobei ein durchschnittlicher Kristallkorndurchmesser in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer Drahtachse 0,01 bis 50 µm beträgt und eine Kristallorientierung <111 > mit einer Winkeldifferenz von 15° oder weniger in Bezug auf eine Drahtlängsrichtung, wenn man Kristallorientierungen auf dem Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Drahtachse misst, einen Orientierungsanteil von 30 bis 90% unter den Kristallorientierungen in der Drahtlängsrichtung hat". In der Patentliteratur 3 wird beschrieben, dass es möglich ist, die Zuverlässigkeit der Bondingabschnitte in dem Halbleiterbauelement auch dann zu gewährleisten, wenn das Halbleiterbauelement über einen längeren Zeitraum kontinuierlich unter hohen Temperaturen betrieben wird (siehe Absatz 0012 der Beschreibung).
  • Die in Patentliteratur 4 beschriebene Erfindung „enthält 0,02 bis 1 Massen-% Fe und außerdem mindestens eines von Mn und Cr in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 0,5 Massen-%, wobei der Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und eine Gesamtmenge an Fe, Mn und Cr in fester Lösung 0,01 bis 1% beträgt“. In Patentliteratur 4 wird beschrieben, dass zusätzlich zum Fe eines oder beide der Elemente Mn und Cr in einer vorbestimmten Menge enthalten sind, und dass bei der Lösungswärmebehandlung und der anschließenden Abschreckbehandlung die Gesamtmenge an Fe, Mn und Cr in fester Lösung auf 0,01 bis 1 % eingestellt wird, um dadurch die Rekristallisationstemperatur des Drahts zu erhöhen, so dass es selbst dann, wenn das Halbleiterbauelement über einen langen Zeitraum kontinuierlich in einer Hochtemperaturumgebung betrieben wird, möglich ist, eine fortschreitende Rekristallisation des Bondingdrahts ausreichend zu unterdrücken und eine Verschlechterung der Drahtfestigkeit zu verhindern (siehe Absatz 0014 der Beschreibung). Ferner beschreibt Patentliteratur 4, dass in einem Querschnitt (C-Schnitt) senkrecht zur Längsrichtung des Bondingdrahts das Kristallflächenverhältnis (<111>-Orientierungsflächenverhältnis), in dem die Winkeldifferenz zwischen der Kristall-<111> Orientierung und der Drahtlängsrichtung innerhalb von 15° liegt, vorzugsweise 30 bis 90 % beträgt, so dass die Rekristallisation aufgrund der Raffinationswärmebehandlung zum Zeitpunkt des Drahtziehens angemessen fortschreitet, der Draht erweicht wird und es somit möglich ist, das Auftreten von Spanbruch zum Zeitpunkt des Bondings, die Verschlechterung der Bondierbarkeit des Bondingabschnitts und dergleichen zu verhindern (siehe Absatz 0026 der Beschreibung).
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-258324
    • Patentliteratur 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-129578
    • Patentliteratur 3: Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2020/184655
    • Patentliteratur 4: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2020-059886
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aluminiumdraht bereitzustellen, der beim Bonding eines Leistungschips für einen Leistungshalbleiter und einer externen Elektrode einer seitlichen Biegung folgen kann (sich kaum von einem Keilwerkzeug löst) und eine ausgezeichnete Langzeitzuverlässigkeit aufweist (lange Lebensdauer in einem Leistungszyklustest).
  • Nachfolgend ist die Aufgabe ausführlich beschrieben. Zunächst wird ein Aluminiumdraht gezeigt, bei dem sich ein Drahtende aus einer Nut eines Keilwerkzeugs gelöst hat. Ein Foto auf der rechten Seite von 3 zeigt einen normalen Zustand, in dem der Draht nicht von dem Keilwerkzeug gelöst ist, und ein Foto auf der linken Seite ist ein vergrößertes Foto eines Keilwerkzeug-Abschnitts des Drahts, in dem sich das Keilwerkzeug zum Zeitpunkt des zweiten Bondings gelöst hat. Wie es oben beschrieben ist, hat das Keilwerkzeug an seiner Spitze eine Krokodilklemme zum Halten des Drahts und ein Führungsloch zum Führen des Drahts, und der Draht wird durch das Führungsloch geführt und in die Krokodilklemme eingepasst, wo der Draht gepresst und mit einem Bondingabschnitt verbunden wird. Im Foto auf der rechten Seite von 3 wird der Draht durch das Führungsloch auf der linken Seite der Spitze des Keilwerkzeugs in der Abbildung geführt und genau in die Krokodilklemme des Werkzeugs eingepasst. Im Foto auf der linken Seite wird der Aluminiumdraht, der beim ersten Bonding gezogen wurde, durch das Führungsloch auf der linken Seite geführt, wobei zu erkennen ist, dass eine Spitze des Aluminiumdrahts in der Abbildung schräg nach unten aus dem Krokodilklemme des Werkzeugs herausragt. Dementsprechend kann das zweite Bonding nicht gut durchgeführt werden, und im nächsten Drahtschneideschritt beim kontinuierlichen Bonding kann eine Schneidevorrichtung auf der rechten Seite einen Spitzenabschnitt des Aluminiumdrahts nicht präzise in einer vorgegebenen Weise schneiden.
  • 4 ist ein Foto eines Bondingabschnitts eines Aluminiumdrahts bei 75-facher Vergrößerung. Ein Foto auf der linken Seite stellt ein Vergleichsbeispiel (anormal) dar, die rechte Seite ein Beispiel (normal), die obere Seite einen ersten Bondingabschnitt und die untere Seite einen zweiten Bondingabschnitt. Es wurden jeweils zwei Sätze gebondet. Im rechten oberen und unteren Foto von 4 ist ein Bondingabschnitt des Drahts (ein Teil, an dem der Draht in der Zeichnung relativ dick ist) gleichmäßig in Richtung der Drahtdicke gepresst, und ein Schnittabschnitt des Drahts (eine Drahtspitze) im oberen Foto von 4 ist ebenfalls genau senkrecht zur axialen Richtung des Drahts geschnitten. Im Gegensatz dazu tritt ein einseitiger Kontakt auf, wenn das zweite Bonding mit dem Aluminiumdraht durchgeführt wird, der aus dem Krokodilklemmenteil des Werkzeugs herausragt, wie im Foto auf der linken Seite von 3, und ein Teil mit einer Kontaktmarkierung auf der Innenseite der Biegung des Drahts an einem Bondingabschnitt des Drahts (ein Teil, wo der Draht in der Zeichnung relativ dick ist) ist ein Teil, der einen einseitigen Kontakt hergestellt hat, wie im unteren linken Foto von 4. Der Aluminiumdraht an der einseitigen Kontaktstelle wird dünn, und selbst wenn das Bonding so durchgeführt werden kann, wird die Bondingkraft schwach, was die Möglichkeit des Ablösens während des Gebrauchs erhöht. Zum Beispiel ist das obere linke Foto von 4 ein Foto, in dem der Draht, der einen einseitigen Kontakt hergestellt hat, dem nächsten ersten Bonding unterzogen wird und eine Spitze des Drahts im oberen Teil der Zeichnung schräg geschnitten wird. Dies liegt daran, dass der Aluminiumdraht geschnitten wurde, während das Werkzeug beim vorherigen zweiten Bonding gelöst wurde (siehe das Foto unten links in 4), und der Draht daher schräg geschnitten ist. Im ungünstigsten Fall, wie auf dem Foto des „ersten Bondingabschnitts“ oben links in 4, wo eine Bondingmarkierung (ein Kratzer auf dem Substrat) auf der rechten Seite des Drahts zu sehen ist, kommt es zu einem Drahtbondingfehler am ersten Bondingabschnitt (wenn kein Drahtbondingfehler auftritt, gibt es zwei erste Bondingabschnitte wie oben rechts in 4). Ferner berührt der Keilwerkzeugteil, wenn der Aluminiumdraht, der aus dem Keilwerkzeugteil herausragt, mit einem Elektrodenpad auf einem Chip geerdet wird, direkt das Elektrodenpad, was zu Rissen im Chip führen kann. Es ist anzumerken, dass auf dem unteren rechten Foto von 4 der Draht mit einem Biegewinkel von 45 Grad gebondet wurde, und das Bonding ohne Probleme durchgeführt werden konnte. Auf dem Foto unten links wurde der Draht zwar mit einem Biegewinkel von etwa 30 Grad leicht gebogen, aber die Nachgiebigkeit des Drahts war schlecht, und es kam zu einem einseitigen Kontakt.
  • Ferner, wie oben beschrieben, werden in einem Fall, in dem ein Aluminiumdraht für das Elektrodenbonden eines in einem Elektrofahrzeug oder dergleichen montierten IGBTs verwendet wird, zusätzlich zu einer rauen Einsatzumgebung wie hohe Temperatur, hohe Feuchtigkeit und Vibration, Stopp, Fahrt, Stopp und Fahrt während der Fahrt in einer Stadt häufig wiederholt. Hinzu kommen häufiges Unterbrechen der Stromversorgung, Neustart der Stromversorgung, Unterbrechen der Stromversorgung und Neustart der Stromversorgung. Dies sind sehr schlechte Bedingungen für den Bondingabschnitt zwischen dem Aluminiumdraht und der Elektrode und für die Lebensdauer des Aluminiumdrahts selbst. Das heißt, der Draht wird zu Beginn der Stromzufuhr schnell erwärmt und zum Zeitpunkt des Stopps schnell abgekühlt, und diese wiederholte schnelle Erwärmung und schnelle Abkühlung führt zu einer wiederholten Ausdehnung und Kontraktion des Drahts, wodurch die Gefahr des Abblätterns des Bondingabschnitts aufgrund von thermischer Belastung sowie von Rissen und Brüchen des Drahts selbst steigt. Da der Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Aluminiumdraht und einem Siliziumchip etwa das Zehnfache beträgt, ist es wahrscheinlich, dass sich der Draht aufgrund des Unterschieds in der thermischen Kontraktion zwischen dem Draht und dem Chipbondteil ablöst.
  • Ein Leistungszyklustest bzw. Power-Cycle-Test dient zur Bewertung der langfristigen Zuverlässigkeit eines Aluminiumdraht-Bonding-Abschnitts. Wenn die Lebensdauerbewertung im Leistungszyklustest hoch ist, kann der Draht eine langfristige Zuverlässigkeit erreichen, selbst wenn er tatsächlich in einem Automobil, einem Haushaltsgerät oder ähnlichem eingebaut ist. Obwohl die detaillierten Bedingungen später beschrieben werden, soll hier kurz auf den Leistungszyklus-Test eingegangen werden.
  • Der Leistungszyklustest wiederholt einen Zyklus, in dem einem Aluminiumdraht wiederholt Strom zugeführt wird, so dass die Oberflächentemperatur eines Leistungschips, mit dem der Aluminiumdraht gebondet wurde, 150 °C erreicht, die Stromzufuhr gestoppt wird und der dann abgekühlt wird, bis die Oberflächentemperatur 50 °C erreicht. Das heißt, es handelt sich um einen Test, bei dem ein Zyklus aus schnellem Abkühlen und schnellem Aufheizen mit einer Temperaturdifferenz von 100°C wiederholt wird, um die Anzahl der Vorgänge zu ermitteln, bis ein Problem auftritt. Ein störungsfreier Betrieb ist ein Betrieb, bei dem sich die Anstiegsrate bzw. -geschwindigkeit der Potenzialdifferenz zwischen der Vorder- und Rückseite des Chips, wenn der Leistungschip zu Beginn des Tests mit Strom versorgt wird, weiterhin in einem Bereich von weniger als 5 % ändert. Das heißt, wenn die Potenzialdifferenz zwischen der Vorder- und Rückseite der Elektrode des Leistungschips zum Zeitpunkt der Stromzufuhr um mehr als 5 % gegenüber dem Anfangswert ansteigt, wird davon ausgegangen, dass ein Problem aufgetreten ist, das als Probenlebensdauer (Anzahl der Zyklen) des Leistungszyklustests bewertet wird.
  • Wie oben beschrieben, ist es bisher noch nicht gelungen, einen Aluminiumdraht zu entwickeln, der gleichzeitig die lange Lebensdauer im Leistungszyklustest und die Ablösung des Drahts von dem Keilwerkzeug überwindet.
  • Lösung des Problems
  • Als Ergebnis umfangreicher Forschung haben die Erfinder herausgefunden, dass durch die Steuerung eines Orientierungsindex eines Aluminiumdrahts und einer Menge ausgefällter bzw. ausgeschiedener Partikel einer intermetallischen Verbindung die beiden Probleme der langen Lebensdauer im Leistungszyklustest und der Verhinderung der Ablösung des Drahts durch das Keilwerkzeug, d.h. der Nachgiebigkeit des Drahts, gleichzeitig überwunden werden, und es gelang ihnen, einen Aluminiumdraht zu erfinden, der dies erreicht.
  • Ein Aluminiumdraht gemäß einer Ausführungsform ist ein Aluminiumdraht, der aus einer Aluminiumlegierung mit einem Reinheitsgrad von Aluminium bzw. einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr und, relativ zur Gesamtmenge der Aluminiumlegierung, insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium enthält, hergestellt ist, wobei in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer Drahtachse des Aluminiumdrahts ein (111)-Orientierungsindex von 1 oder mehr beträgt, ein (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger beträgt und ein Flächenanteil von ausgefällten Partikeln 0,02% oder mehr und 2% oder weniger beträgt.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform enthält die Aluminiumlegierung vorzugsweise, relativ zur Gesamtmenge, insgesamt 0,1 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium, und ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel beträgt vorzugsweise 0,1% oder mehr und 2% oder weniger.
  • Der Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform enthält vorzugsweise außerdem insgesamt 50 Massen-ppm oder mehr und 800 Massen-ppm oder weniger von mindestens einem Element von Gallium und Vanadium.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform ist ein Restwiderstandsverhältnis, das durch die folgende Formel (1) dargestellt wird, vorzugsweise 10 oder mehr.  Restwiderstandsverh a ¨ ltnis = ( elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur  von 300  K/ ( elektrischer Widerstand in fl u ¨ ssigem Helium bei  4,2  K )
    Figure DE112022000793T5_0001
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform beträgt ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel vorzugsweise 0,2% oder mehr und 1,8% oder weniger.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform beträgt eine Aluminiumreinheit der Aluminiumlegierung vorzugsweise 99,9 Massen-% oder weniger.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform beträgt ein (111)-Orientierungsindex vorzugsweise 1,3 oder mehr.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform beträgt ein (200)-Orientierungsindex vorzugsweise 0,6 oder weniger.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform ist ein Gehaltsverhältnis von Eisen und Silizium in der Aluminiumlegierung vorzugsweise 0,3 oder mehr und 90 oder weniger durch das Gehaltsverhältnis von Eisen/Silizium dargestellt.
  • In dem Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform beträgt der Drahtdurchmesser vorzugsweise 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger.
  • Ein Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform umfasst einen Schritt zum Herstellen eines Aluminiumlegierungsmaterials, wobei das Aluminiumlegierungsmaterial eine Aluminiumlegierung mit einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr ist und, relativ zu einer Gesamtmenge der Aluminiumlegierung, insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium enthält, und einen Schritt zum Drahtziehen auf das Aluminiumlegierungsmaterial.
  • In dem Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform umfasst der Schritt zum Drahtziehen vorzugsweise einen Drahtzieh-Zwischenschritt zur Gewinnung von Zwischenwalzdraht durch Drahtziehen auf dem Aluminiumlegierungsmaterial, um einen Drahtdurchmesser vom 7- bis 130-fachen seines Enddurchmessers zu erhalten, und einen Lösungsbehandlungsschritt, bei dem der Zwischenwalzdraht auf 400°C bis 560°C erhitzt und dann abgeschreckt wird, und der Schritt zum Drahtziehen vorzugsweise ein Schritt zum Drahtziehen ist, um einen Enddrahtdurchmesser von 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger zu erhalten.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Mit dem Aluminiumdraht der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sowohl eine langfristige Zuverlässigkeit als auch eine Nachgiebigkeit beim Seitwärtsbiegen zu erreichen, die keine Werkzeugablösung verursacht. Es wird davon ausgegangen, dass im Aluminiumdraht der vorliegenden Erfindung die Auswirkungen der jeweiligen Konfigurationen kompliziert miteinander verflochten sind, um einen Synergieeffekt zu bilden, der die Probleme der Langlebigkeit des Leistungsprüfzyklus und der Nachgiebigkeit für seitliches Biegen gleichzeitig löst.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist ein Foto eines Querschnitts eines Aluminiumdrahts von Beispiel 12, das mit einem FE-SEM bei einer 1000-fachen Vergrößerung aufgenommen und mittels Bildanalyse binarisiert wurde, so dass Bereiche, in denen der Helligkeitswert höher als der Schwellenwert ist, als weiß und Bereiche, in denen der Helligkeitswert niedriger als der Schwellenwert ist, als schwarz dargestellt sind. Der weiße Teil stellt ausgefällte Partikel dar.
    • 2 ist ein Foto, das ausgefällte Partikel eines Aluminiumdrahts von Vergleichsbeispiel 6 zeigt und auf die gleiche Weise wie in 1 aufgenommen und binarisiert wurde.
    • 3 zeigt ein Foto (linke Seite), das durch Vergrößerung eines Keilwerkzeugteils eines Drahts aufgenommen wurde, bei dem sich das Keilwerkzeug gelöst hat, und ein normales Foto (rechte Seite), bei dem das Keilwerkzeug nicht gelöst ist.
    • 4 zeigt Bondingfotos von Aluminiumdrähten in einem Vergleichsbeispiel und einem Beispiel.
    • 5 ist ein Foto, das ein Ergebnis der EBSD-Messung (electron backscatter diffraction pattern) von Kristallorientierungen in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Drahts eines Aluminiumdrahts eines Beispiels zeigt. Das Ergebnis der EBSD-Messung wird durch Farbcodierung spezifischer Kristallorientierungen in den jeweiligen Kristallkörnern angezeigt, was in 5 in schwarz-weißer Schattierung dargestellt ist. Das Foto von 5 zeigt große Variationen in der Schattierung, was auf große Variationen in den Kristallorientierungen hinweist.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterbauelements gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
    • 8 ist eine vergrößerte Ansicht eines IV-Bereichs von 6.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Riss zeigt, der in dem Halbleiterbauelement aufgetreten ist und 8 entspricht.
    • 10 ist ein Foto, das teilweise das Halbleiterbauelement der Ausführungsform zeigt, in der kein Riss aufgetreten ist.
    • 11 ist ein Foto, das teilweise das Halbleiterbauelement zeigt, in der ein Riss aufgetreten ist.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend ist ein Aluminiumdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform ist ein Aluminiumdraht, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, die eine Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr besitzt und, relativ zu einer Gesamtmenge der Aluminiumlegierung, eine Gesamtmenge von 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium enthält, wobei in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer Drahtachse des Aluminiumdrahts ein (111)-Orientierungsindex 1 oder mehr ist, ein (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger ist und ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel in einem Bereich von 0,02% oder mehr und 2% oder weniger liegt. Nachfolgend ist die Geschichte von Versuch und Irrtum bis zur vorliegenden Erfindung, eine Ausgestaltung des Aluminiumdrahts der vorliegenden Erfindung und ein Herstellungsverfahren dafür detailliert beschrieben.
  • Die Erfinder haben experimentell viele Arten von Aluminiumdrähten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen durch mehrere verschiedene Herstellungsverfahren hergestellt. Als Ergebnis der sorgfältigen Beobachtung einer Querschnittstruktur senkrecht zur axialen Richtung des Drahts des Drahtprototyps konnte eine insgesamt feine Kristallkornstruktur, eine insgesamt große Kristallkornstruktur und eine Kristallstruktur, in der große Kristallkörner und kleine Kristallkörner teilweise in demselben Querschnitt koexistieren, festgestellt werden. Die Tatsache, dass sich die Kristallkörner im selben Querschnitt teilweise in ihrer Größe unterscheiden, legt nahe, dass die Kristallkornstruktur kein Indikator für die Eigenschaften des gesamten Aluminiumdrahts sein kann. Ferner wurde festgestellt, dass sich auf diesen Kristallkornstrukturen körnige Substanzen (hier als „ausgefällte Partikel“ bezeichnet) befinden. Die ausgefällten Partikel werden später beschrieben.
  • Die Kristallorientierungen wurden durch ein EBSD (Muster der Elektronenrückstreubeugung) gemessen, um zu sehen, ob es irgendwelche Unterschiede in den Kristallorientierungen der Struktur gibt, in der sich diese Kristallkörner in der Größe unterscheiden. In 5 stellten die Schattierungen der Kristallkörner den Unterschied in den Kristallorientierungen dar. Aus 5 ist ersichtlich, dass die Kristallorientierungen je nach Teil unterschiedlich sind. Dies deutet darauf hin, dass der Zustand einiger der Kristallorientierungen kein Indikator für die Eigenschaften des gesamten Drahts sein kann. Bei einem Drahtziehvorgang ändert sich die Art der Verarbeitung entlang der Längsrichtung des Drahts (axiale Richtung des Drahts). Das heißt, die praktische Gleichmäßigkeit wird beibehalten, während streng genommen Einflüsse wie Mikrovibrationen des Drahts beim Drahtziehen mit einem Ziehstein und Reibungswärme zwischen Draht und Ziehstein je nach Position in Längsrichtung zu Teilen mit unterschiedlichen Eigenschaften führen können. Dementsprechend können die Kristallorientierungen des Querschnitts nicht eindeutig bestimmt werden, und es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, die Eigenschaften des gesamten Aluminiumdrahts eindeutig durch das Verhältnis der Kristallorientierung auszudrücken.
  • So wurde als Ergebnis der Untersuchung eines Indikators, der die Eigenschaften des gesamten Aluminiumdrahts ausdrücken kann, ein Orientierungsindex als Indikator bestimmt. Der Orientierungsindex ist ein Wert, der durch Division des Beugungsintensitätsverhältnisses der einzelnen Kristallebenen des Drahts, d.h. (Beugungsintensität der einzelnen Kristallebenen/Summe der Beugungsintensitäten der jeweiligen Kristallebenen) durch das Beugungsintensitätsverhältnis einer nicht orientierten Aluminiumpulver-Standardprobe ermittelt wird. Durch die Ermittlung des Orientierungsindex kann quantitativ bestimmt werden, welche Kristallebene vorteilhaft orientiert ist und welche Kristallebene nicht vorteilhaft orientiert ist, d.h. die Tendenz der bevorzugten Orientierung der Kristallebene. Der Orientierungsindex wird durch eine mathematische Formel ausgedrückt, und zwar durch die nachstehende Wilson-Formel. Das Analyseintensitätsverhältnis der Standardprobe von Aluminiumpulver verwendet einen Wert der ICDD-Karte (auch PDF-, ASTM- oder JPCDS-Karte genannt) PDF Nr. 00-004-0787 (Aluminium), die vom ICDD (International Center for Diffraction Data, einer gemeinnützigen wissenschaftlichen Organisation, die sich mit Pulverbeugungsdaten befasst) bereitgestellt wird. Ein Querschnitt des Walzdrahts in der Richtung senkrecht zur Drahtachse wird der Röntgenbeugung unterzogen, und das Beugungsintensitätsverhältnis jeder Kristallebene des Aluminiums wird verwendet, um einen Orientierungsindex N jeder Kristallebene mit Hilfe der folgenden Wilson-Formel (1) zu bestimmen.
    Orientation index ( N ) = ( ( I I ( h k l ) ) ∑ I I ( h k l ) ) ( I C D D   I I ( h k l ) ∑ I C D D   I I ( h k l ) )
    Figure DE112022000793T5_0002
  • In der obigen Formel (1) ist I/I(hkI) das Beugungsintensitätsverhältnis in der (hkl)-Ebene der Probe, ICDD I/I(hkI) ist das Beugungsintensitätsverhältnis in der (hkl)-Ebene der ICDD-Karte, und ΣI/I(hkI) und ΣICDD I/I(hkI) sind jeweils eine Summe der Beugungsintensitätsverhältnisse aller Kristallebenen. Es ist zu beachten, dass die Beugungsintensität aus dem Flächenanteil der einzelnen Peaks ermittelt werden kann.
  • Was den Orientierungsindex des Aluminiumdrahts betrifft, so wurden vierzig Aluminiumdrähte gebündelt und in Harz eingebettet, und der Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Drahtachse wurde der Röntgenbeugung unterzogen, um die Beugungsintensitäten von (111), (200), (220), (311), (222) und (400) zu messen und dann der Orientierungsindex jedes der Kristallebenen mittels der Wilson-Formel gewonnen. Der Orientierungsindex ist ein Wert für die Vorzugsorientierung einer festen Aluminiumdrahtanordnung, der nicht durch Variationen, z. B. einer Doppelstruktur eines zentralen Teils und eines peripheren Teils des einzelnen Aluminiumdrahts, beeinflusst wird. Ferner ist der Orientierungsindex ein auf einen Vergleichswert mit einer Standardprobe korrigierter Wert und kann somit eine objektivere Orientierung des Aluminiumdrahts anzeigen.
  • Als Ergebnis der experimentellen Herstellung von Aluminiumdrähten mit verschiedenen Orientierungsindizes und der Messung der Orientierungsindizes durch umfangreiche Forschungen entdeckten die Erfinder, dass ein Aluminiumdraht, der so gesteuert wird, dass der (111)-Orientierungsindex einer Ebene senkrecht zur Drahtachse 1 oder mehr ist und der (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger ist, eine lange Lebensdauer im Leistungszyklustest hat.
  • Es sollte beachtet werden, dass, wie oben beschrieben, ein Kristallorientierungsverhältnis der ähnliche Indikator ist. Das Kristallorientierungsverhältnis ist ein Wert, der durch Messung der Belegung bzw. Besetzung von Kristallorientierungen in einer zweidimensionalen Ebene erhalten wird, die man durch Schneiden eines Aluminiumdrahts in einem bestimmten Bereich erhält. Wie es in 5 gezeigt ist, hängt das Kristallorientierungsverhältnis im Querschnitt senkrecht zur Drahtachse von der Schnittposition des Aluminiumdrahts ab, und selbst bei gleicher Zusammensetzung und Herstellungsbedingung sind einige der Kristallorientierungen nicht in eine bestimmte Richtung ausgerichtet und weisen Abweichungen auf; dementsprechend ist es schwierig, die objektiven Eigenschaften des Aluminiumdrahts nur aus dem Kristallorientierungsverhältnis zu bestimmen.
  • Die Erfinder haben das Kristallorientierungsverhältnis der einzelnen Proben in den weiter unten beschriebenen Beispielen tatsächlich gemessen, konnten aber keine Korrelation mit der Lebensdauer der Stromzyklen feststellen. Drähte mit einem Kristallorientierungsverhältnis von <111 > von 50 % oder mehr haben in der Regel eine lange Lebensdauer, während es Drähte mit einer langen Lebensdauer von 200.000 Zyklen oder mehr unter Drähten mit einem Kristallorientierungsverhältnis von <111 > von nur 20 % gab.
  • Als nächstes werden ausgefällte Partikel beschrieben. Die Erfinder haben experimentell viele Aluminiumdrähte mit unterschiedlichen Aluminiumreinheitsgraden bzw. Aluminiumreinheiten in verschiedenen Fertigungsschritten hergestellt und die Metallstruktur eines Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung des Drahts sorgfältig beobachtet. Als Ergebnis entdeckten sie, dass sich ausgefällte Partikel auf einer Matrix auf Aluminiumbasis in Form, Größe und Anzahl in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Herstellungsbedingung des jeweiligen Prototypendrahts unterscheiden.
  • In der Annahme, dass diese ausgefällten Partikel in irgendeinem Zusammenhang mit der Langzeitzuverlässigkeit und Nachgiebigkeit des Drahts stehen, analysierten die Erfinder ein mit einem REM (Rasterelektronenmikroskop-Rückstrahl-Elektronenbild) aufgenommenes Foto der ausgefällten Partikel mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware und quantifizierten die Querschnittfläche der ausgefällten Partikel auf dem Bild. Die Quantifizierungsmethode wurde in den Beispielen detailliert beschrieben wird, aber die Erfinder haben entdeckt, dass der Flächenanteil der ausgefällten Partikel zum Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Drahts mit der Lebensdauer im Leistungszyklustest und der Nachgiebigkeit des Drahts korreliert. Das heißt, die Erfinder gingen davon aus, dass der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in Abhängigkeit von der Kombination aus Aluminiumreinheit und Drahtherstellungsverfahren variiert.
  • Die Erfinder haben eine Reihe von Drähten mit unterschiedlichen Orientierungsindizes und Flächenanteilen an ausgefällten Partikeln experimentell hergestellt und sorgfältig Leistungszyklustests und Werkzeugablösetests durchgeführt und im Ergebnis einen Draht erfunden, der unter den folgenden Bedingungen langfristig zuverlässig ist, eine Nachgiebigkeit besitzt und keine Werkzeugablösung verursacht.
  • Der Aluminiumdraht mit langfristiger Zuverlässigkeit und Nachgiebigkeit, der keine Werkzeugablösung verursacht, ist ein Aluminiumdraht mit einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr, Eisen und Silizium mit insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium, mit einem (111)-Orientierungsindex in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Drahts von 1 oder mehr und einem (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger ist, wobei ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel 0,02% oder mehr und 2% oder weniger in Bezug auf den Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Drahts beträgt. Diese Konfigurationen sind miteinander verflochten, um einen Synergieeffekt zu erzielen und die beiden gegensätzlichen Probleme gleichzeitig zu lösen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der langfristigen Zuverlässigkeit beträgt der (111)-Orientierungsindex des Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung des Drahts des Aluminiumdrahts vorzugsweise 1,2 oder mehr, noch vorteilhafter 1,4 oder mehr, und der (200)-Orientierungsindex beträgt vorzugsweise 0,7 oder weniger, noch vorteilhafter 0,5 oder weniger.
  • Bei den ausgefällten Partikeln handelt es sich um Partikel, die auf einer Matrix auf Aluminiumbasis beobachtet werden können und eine Größe (maximale Partikellänge) von etwa 0,01 bis 30 µm haben, wie z. B. Klumpen, Ringe, Platten, Nadeln, annähernd kugelförmige und unregelmäßige Formen. Zu diesen Partikeln zählen sowohl Partikel, die während des Herstellungsprozesses kristallisiert oder ausgefällt wurden, als auch Partikel, die im Aluminiumrohmaterial enthalten sind. Ferner zählen zu den ausgefällten Partikeln eine, zwei oder mehrere Legierungen aus Aluminium und Eisen, eine intermetallische Verbindung, eine Legierung aus Aluminium, Eisen und Silizium, eine intermetallische Verbindung und eine Ausfällung aus elementarem Silizium.
  • Der Flächenanteil der ausgefällten Partikel kann durch die Zusammensetzung des Drahts (ein Gehaltsverhältnis von Eisen zu Silizium), die Wärmebehandlungstemperatur, die Zeit, den Zeitpunkt der Wärmebehandlung, die Drahtziehbedingungen und ähnliches gesteuert werden. Es ist zu beachten, dass der Flächenanteil der ausgefällten Partikel ein Verhältnis einer von dem ausgefällten Partikel belegten Fläche zu einer Querschnittfläche eines Querschnitts senkrecht zur Drahtachse des Aluminiumdrahts ist. Der experimentell hergestellte Aluminiumdraht wurde vermessen, um den Flächenanteil der ausgefällten Partikel im Querschnitt jeweils der Spitze, des hinteren Endes und des Zwischenteils zu erhalten. Die erhaltenen Werte waren unabhängig von der Position im Draht nahezu gleich, und die Schwankungen im Flächenanteil in Abhängigkeit vom Messteil waren geringer als die im Kristallorientierungsverhältnis. Dies deutet demnach darauf hin, dass der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in einem bestimmten Querschnitt senkrecht zur Drahtachse repräsentativ für den Flächenanteil des gesamten Drahts ist. Der Flächenanteil der ausgefällten Partikel kann wie folgt berechnet werden. Wenn ein lateraler Querschnitt senkrecht zur Drahtachse eines Aluminiumdrahts mit einem REM analysiert wird, werden die ausgefällten Partikel aufgrund einer gegenüber anderen Bereichen unterschiedlichen Zusammensetzung als Pixel mit einem hohen Helligkeitswert angezeigt. Der Bereich außerhalb der ausgefällten Partikel (in der Aluminiummatrix) wird mit einem niedrigen Helligkeitswert dargestellt. Dieses REM-Bild wird binarisiert, indem ein Schwellenwert des Helligkeitswertes (z.B. 0,95) zur Abgrenzung der ausgefällten Partikel von dem anderen Bereich mittels eines Histogramms o.ä. bestimmt wird, und ein Flächenanteil des Bereiches der ausgefällten Partikel zum Ganzen berechnet wird. Dabei ist zu beachten, dass der Helligkeitswert ein Wert ist, der so normiert ist, dass Schwarz 0 und Weiß 1 ist.
  • Obwohl der Mechanismus, mit dem die beiden gegensätzlichen Eigenschaften in den oben genannten Konfigurationen erreicht werden, nicht unbedingt klar ist, hängen der Eisen- und Siliziumgehalt und der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in hohem Maße mit der langfristigen Zuverlässigkeit und Nachgiebigkeit des Drahts zusammen, und es ist schwierig, diese beiden Eigenschaften zu erreichen, wenn der Eisen- und Siliziumgehalt zu gering oder zu hoch ist.
  • In dem Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform liegt der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in einem Bereich von 0,02% oder mehr und 2% oder weniger. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Nachgiebigkeit beträgt der Flächenanteil der ausgefällten Partikel vorzugsweise 0,05% oder mehr, noch vorteilhafter 0,1% oder mehr, noch weiter vorteilhafter 0,2% oder mehr. Außerdem beträgt er vorzugsweise 1% oder weniger, noch vorteilhafter 0,8% oder weniger.
  • Die Steuerung des Orientierungsindex und des Flächenanteils der ausgefällten Partikel bringt einen Synergieeffekt zur Langlebigkeit im Leistungszyklustest (Verbesserung der Langzeitzuverlässigkeit) und der Aluminiumdrahtablösung von dem Keilwerkzeug. Ferner untersuchten die Erfinder viele Zusatzelemente und fanden heraus, dass insbesondere der Gehalt an beiden Elementen Eisen (Fe) und Silizium (Si), so dass die Gesamtmenge 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger beträgt, zu einer längeren Lebensdauer und einer geringeren Wahrscheinlichkeit der Ablösung des Werkzeugs führt, und ferner der Gehalt an mindestens einem Element Gallium (Ga) und Vanadium (V), so dass die Gesamtmenge 50 Massen-ppm oder mehr und 800 Massen-ppm oder weniger beträgt, zu einem erhöhten Restwiderstandsverhältnis und einer Unterdrückung der Wärmeentwicklung zum Zeitpunkt der Stromzufuhr führt.
  • Der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einer Aluminiumlegierung mit einer Aluminiumreinheit (einer Menge an Aluminium relativ zur Gesamtmenge des Aluminiumdrahts) von 99 Massen-% oder mehr. Das heißt, der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform hat eine Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr. Somit hat der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und weist eine gute Nachgiebigkeit auf. Eine Aluminiumreinheit des Aluminiumdrahts beträgt vorzugsweise 99,9 Massen-% oder weniger. Eine Aluminiumreinheit von 99,9 Massen-% oder weniger erlaubt es, eine ausreichende Menge an Eisen und Silizium zu enthalten und darüber hinaus, je nach Bedarf, Spurenelemente (Gallium und Vanadium) oder Spurenelemente (auch als Zusatzelemente bezeichnet, d.h., Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Zink (Zn), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Wolfram (W) und Scandium (Sc), die später beschrieben werden), wodurch die langfristige Zuverlässigkeit des Aluminiumdrahts verbessert wird.
  • Ferner wird der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform wie oben beschrieben aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium enthält. Das heißt, der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform enthält, bezogen auf die Gesamtmenge des Drahts, insgesamt 0,01 Massen-% oder weniger und 1 Massen-% Eisen und Silizium.
  • Der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform hat eine Gesamtmenge von 0,01 Massen-% oder mehr an Eisen und Silizium und erreicht damit eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Aluminiumdrähte. Wenn die Gesamtmenge an Eisen und Silizium 1 Massen-% übersteigt, wird der Flächenanteil der ausgefällten Partikel zu groß, was zu einer Ablösung des Werkzeugs führt. Unter dem Gesichtspunkt der einfachen Erreichung einer langen Lebensdauer ist die Gesamtmenge von Eisen und Silizium vorzugsweise 0,02 Massen-% oder mehr, noch vorteilhafter 0,05 Massen-% oder mehr, noch vorteilhafter 0,1 Massen-% oder mehr, sogar noch vorteilhafter 0,13 Massen-% oder mehr. Darüber hinaus beträgt die Gesamtmenge von Eisen und Silizium im Hinblick auf die Verringerung der Werkzeugablösung bei gleichzeitiger Erzielung einer langen Lebensdauer vorzugsweise 0,9 Massen-% oder weniger, noch vorteilhafter 0,8 Massen-% oder weniger.
  • In dem Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Eisenmenge, relativ zur Gesamtmenge des Drahts, vorzugsweise 0,01 Massen-% oder mehr, bevorzugter 0,03 Massen-% oder mehr, noch bevorzugter 0,05 Massen-% oder mehr, besonders bevorzugt 0,1 Massen-% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 0,13 Massen-% oder mehr. Ferner ist die Menge an Eisen, relativ zur Gesamtmenge des Drahts, vorzugsweise 0,95 Massen-% oder weniger, noch vorteilhafter 0,9 Massen-% oder weniger. Ferner ist die Menge an Silizium, relativ zur Gesamtmenge des Drahts, vorzugsweise 0,01 Massen-% oder mehr, noch vorteilhafter 0,05 Massen-% oder mehr. Die Menge an Silizium beträgt vorzugsweise 0,5 Massen-% oder weniger, noch vorteilhafter 0,4 Massen-% oder weniger. Durch die Kombination der oben genannten bevorzugten Bereiche von Eisen und Silizium macht es der synergistische Effekt von Eisen und Silizium noch einfacher, eine langfristige Zuverlässigkeit der Bindung und den Effekt der Unterdrückung der Ablösung des Werkzeugs zu erreichen.
  • In dem Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Gehaltsverhältnis von Eisen und Silizium vorzugsweise 0,3 oder mehr und 90 oder weniger, noch vorteilhafter 1,0 oder mehr und 45 oder weniger, bezogen auf das Gehaltsverhältnis Eisen/Silizium. Das Gehaltsverhältnis von Eisen und Silizium innerhalb des obigen Bereiches macht es leicht, die Ausfällungsmenge der ausgefällten Partikel zu kontrollieren und sowohl die Nachgiebigkeit des Drahts als auch die langfristige Zuverlässigkeit der Bindung zu erreichen.
  • Der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform enthält vorzugsweise mindestens eines von Gallium und Vanadium, und in diesem Fall beträgt die Gesamtmenge an Gallium und Vanadium, relativ zur Gesamtmenge des Drahts, vorzugsweise 50 Massen-ppm oder mehr. Obwohl Gallium und Vanadium für die Langlebigkeit des Drahts nicht essentiell sind, trägt der Gehalt an mindestens einem von ihnen zur Langlebigkeit des Drahts bei. Die Obergrenze des Gehalts an mindestens eines von Gallium und Vanadium liegt, wenn auch nicht besonders begrenzt, bei etwa 1000 Massen-ppm, und ein Gehalt von 50 Massen-ppm oder mehr davon erleichtert die Erzielung der Wirkung einer weiteren Verlängerung der Lebensdauer, und ein Gehalt von 800 Massen-ppm oder weniger erleichtert die Unterdrückung der Höchsttemperatur des Aluminiumdrahts zum Zeitpunkt der Stromzufuhr. Der Gehalt an Gallium und Vanadium, bezogen auf die Gesamtmenge des Drahts, kann 100 Masse-ppm oder mehr oder 150 Masse-ppm oder mehr betragen. Der Gehalt an Gallium und Vanadium, bezogen auf die Gesamtmenge des Drahts, kann 700 Masse-ppm oder weniger oder 600 Masse-ppm oder weniger betragen. Was den Gehalt an Gallium und Vanadium anbelangt, so kann die Menge von Gallium und Vanadium innerhalb des oben genannten Bereichs liegen, wenn nur Gallium oder Vanadium im Draht enthalten ist, und wenn sowohl Gallium als auch Vanadium enthalten sind, kann die Gesamtmenge von Gallium und Vanadium innerhalb des oben genannten Bereichs liegen.
  • Wenn z.B. die maximale Temperatur zum Zeitpunkt der Stromzufuhr 150°C beträgt, wenn ein Aluminiumdraht mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% verwendet wird, kann die maximale Temperatur auf 160°C oder weniger reduziert werden, wenn der Gehalt an Gallium und Vanadium 800 Massen-ppm oder weniger beträgt. Das heißt, bei Verwendung eines Aluminiumdrahts mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% als Kriterium kann der Temperaturanstieg, der durch die Wärmeerzeugung zum Zeitpunkt der Energiezufuhr verursacht wird, innerhalb von etwa 10°C unterdrückt werden.
  • Der Aluminiumdraht der vorliegenden Ausführungsform kann neben Eisen, Silizium, Gallium und Vanadium eine, zwei oder mehrere Spurenelemente wie Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Zink (Zn), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Wolfram (W) und Scandium (Sc) enthalten. Was den Gehalt an Spurenelement(en) betrifft, so beträgt die Gesamtmenge an Eisen, Silizium, Gallium, Vanadium und Spurenelement(en) 1,0 Massen-% oder weniger, was vorzugsweise 0,1 Massen-% oder mehr ist, bezogen auf den gesamten Draht.
  • Der Temperaturanstieg, der durch die Wärmeentwicklung bei der Stromzufuhr verursacht wird, steigt im Vergleich zum Fall der Verwendung des oben beschriebenen Aluminiumdrahts mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% mit zunehmendem Restwiderstandsverhältnis. Das Restwiderstandsverhältnis wird nicht nur von der Menge der Verunreinigungen und der Reinheit des Aluminiums, sondern auch von der Verarbeitungsbelastung des Drahts und dergleichen beeinflusst und spiegelt daher den Temperaturanstieg, der durch die Wärmeentwicklung bei der Stromzufuhr verursacht wird, genauer wider.
  • Der Temperaturanstieg von 30°C oder mehr mit dem oben beschriebenen Kriterium wirkt sich auch erheblich auf die mit dem Draht in Kontakt stehenden Teile aus. Zum Beispiel erhöht ein Anstieg der Temperatur eines den Draht bedeckenden Dichtungsharzes die Möglichkeit, dass sich ein Element im Harz, das die Korrosion des Drahts verursacht, verflüchtigt und aus dem Harz freigesetzt wird. Um die Korrosion des Drahts zu verhindern, sind ein hitzebeständiges Versiegelungsharz, eine Konstruktion zur Wärmeableitung und ähnliches erforderlich, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten führt und den Freiheitsgrad bei der Konstruktion des Leistungshalbleiters beeinträchtigt.
  • Das Restwiderstandsverhältnis wird in der folgenden Formel durch einen Zahlenwert ausgedrückt, der das Verhältnis zwischen dem elektrischen Widerstand in flüssigem Helium bei 4,2 K (Kelvin) und dem elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur von 300 K darstellt.  Restwiderstandsverh a ¨ ltnis = ( elektrischer Widerstand bei Raumtempera − tur ) / ( elektrischer Widerstand in fl u ¨ ssigem Helium )
    Figure DE112022000793T5_0003
  • Das Restwiderstandsverhältnis des Aluminiumdrahts der vorliegenden Ausführungsform beträgt vorzugsweise 10 oder mehr, noch vorteilhafter 15 oder mehr. Wenn das Restwiderstandsverhältnis weniger als 10 beträgt, kann der Temperaturanstieg aufgrund der Wärmeentwicklung zum Zeitpunkt der Stromzufuhr bei dem oben beschriebenen Kriterium 30°C oder mehr betragen, was sich nachteilig auf die peripheren Teile des Drahts auswirken kann.
  • Der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts der vorliegenden Ausführungsform beträgt typischerweise 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger, d. h. vorzugsweise 70 µm oder mehr und 600 µm oder weniger, noch vorteilhafter 100 µm oder mehr und 500 µm oder weniger. Die Querschnittsform des Aluminiumdrahts ist typischerweise kreisförmig und kann zusätzlich elliptisch, oval, rechteckig oder ähnlich sein.
  • (Herstellungsverfahren für Aluminiumdraht)
  • Nachfolgend ist ein Beispiel für ein Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren der Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass das Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren nicht auf das unten gezeigte Herstellungsverfahren beschränkt ist. Es ist wünschenswert, die Bedingungen im Hinblick auf das Gewicht des herzustellenden Aluminiumdrahts und die Verarbeitungskapazität des Wärmebehandlungsofens entsprechend anzupassen.
  • Eisen und Silizium werden in einem Aluminium mit einem hohen Reinheitsgrad von 99 Massen-% oder mehr zusammengeschmolzen, um so geschmolzenes Aluminium herzustellen. Der Reinheitsgrad des als Rohmaterial verwendeten hochreinen Aluminiums kann 99,9 Massen-% oder mehr oder 99,99 Massen-% oder mehr betragen. Zum Schmelzen wird ein Heizofen wie etwa ein Lichtbogenofen, ein Hochfrequenzheizofen, ein Widerstandsheizofen oder ein Stranggussofen verwendet. Das geschmolzene Aluminium im Heizofen kann zwar an der Atmosphäre geschmolzen werden, wird aber in einem Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre wie Argon oder Stickstoff geschmolzen, um die Aufnahme von Sauerstoff und Wasserstoff aus der Atmosphäre zu verhindern. Das geschmolzene Material kann durch Stranggießen aus dem Heizofen verfestigt werden, so dass es einen vorbestimmten Drahtdurchmesser (Durchmesser) erhält. Alternativ kann das geschmolzene Aluminium in eine Form gegossen werden, um einen Barren herzustellen, und der Barren kann in einen Extruder gesetzt und dem Strangpressen unterzogen werden, um einen bestimmten Drahtdurchmesser zu erhalten.
  • Der in dem obigen Schritt gewonnene Walzdraht wird zu einem Zwischenwalzdraht mit einem Drahtdurchmesser von 5,0 mm gezogen. Der Drahtdurchmesser des Zwischenwalzdrahts beträgt typischerweise das 7- bis 130-fache des endgültigen Drahtdurchmessers. Nach dem Drahtziehen (Zwischenwalzdraht) wird der Draht einer Zwischenwärmebehandlung unterzogen, bei der er 60 bis 420 Minuten lang auf 400 bis 560 °C erwärmt wird, und anschließend wird eine Lösungsbehandlung zum Abschrecken des Drahts durchgeführt. Die Abschreckgeschwindigkeit beträgt z. B. 20°C/Sekunde oder mehr und 300°C/Sekunde oder weniger, vorzugsweise 20°C/Sekunde oder mehr und 100°C/Sekunde oder weniger. Obwohl die Abschreckgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit vom Beginn des Abschreckens bis zum Ende sein kann, liegt die Abkühlgeschwindigkeit im Temperaturbereich von 400°C bis 300°C innerhalb des oben genannten Bereichs, wodurch die oben genannten Effekte leichter erreicht werden. Der Hauptzweck der Lösungsbehandlung besteht darin, andere Elemente als Aluminium in der Aluminiummatrix aufzulösen. Nach der Lösungsbehandlung wird der Draht gezogen, um einen endgültigen Drahtdurchmesser zu erhalten. Beim Drahtziehen wird der Draht durch eine Vielzahl von Sinterkarbid- oder Diamantstempeln geführt, um den Drahtdurchmesser schrittweise zu verringern.
  • Der auf den endgültigen Drahtdurchmesser gezogene Draht wird einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen. Die abschließende Wärmebehandlung dient hauptsächlich dazu, Verformungen der im Draht verbliebenen Metallstruktur zu beseitigen und die mechanischen Eigenschaften des Drahts einzustellen. Da sie jedoch den Flächenanteil der ausgefällten Partikel beeinflussen kann, werden Temperatur und Behandlungszeit der abschließenden Wärmebehandlung im Hinblick auf diese angepasst.
  • Die Zwischenwärmebehandlung und die Endwärmebehandlung umfassen eine Durchlaufwärmebehandlung, bei der ein Draht durch eine auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzte Heizatmosphäre geführt und wärmebehandelt wird, und eine Chargenwärmebehandlung, bei der ein Draht in einem geschlossenen Ofen erhitzt wird. Die abschließende Wärmebehandlung wird in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise durch die Chargenwärmebehandlung bei 200°C oder mehr und 340°C oder weniger für etwa 60 Minuten durchgeführt.
  • (Halbleiterbauelement)
  • Nachfolgend ist Konfiguration eines Halbleiterbauelements 100 unter Verwendung des Aluminiumdrahts der Ausführungsform mit Bezug auf 6 beschrieben.
  • Wie in 6 gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein Halbleiterelement 1, einen Metallfilm 2, einen Draht 3, ein Schaltungsmuster 41, ein Metallmuster 42, ein isolierendes Element 43, ein wärmeabführendes Element 5, ein Bondingmaterial 6, ein Gehäuse 7, einen Anschluss 8 und ein Dichtungsmaterial 9.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist das Halbleiterelement 1 beispielsweise ein Leistungshalbleiter, der für einen Halbleiter zur Stromversorgung verwendet wird. Beispiele für das Halbleiterelement 1 sind ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein IGBT und dergleichen.
  • Das Halbleiterelement 1 wird durch Schichten einer Elektrode 11, eines Substratteils 13 und einer Rückseitenelektrode 12 in dieser Reihenfolge gebildet. Die Elektrode 11 ist beispielsweise eine Aluminium-(Al)-Silizium-(Si)-Elektrode, und der Substratteil 13 ist beispielsweise ein Silizium-(Si)-Substrat, ein Siliziumkarbid-(SiC)-Substrat, ein Galli-umnitrid-(GaN)-Substrat oder dergleichen.
  • Der Metallfilm 2 ist auf einer dem Substratteil 13 gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrode 11 so angeordnet, dass er die Oberfläche der Elektrode 11 bedeckt. Die Metallschicht 2 ist eine Nickel (Ni)-Schicht, eine Kupfer (Cu)-Schicht, eine Titan (Ti)-Schicht, eine Wolfram (W)-Schicht oder ähnliches und ist eine Schicht, die durch Galvanisieren, stromloses Beschichten, Aufdampfen, Sputtern oder ähnliches gebildet wird. Der Nickel (Ni)-Film umfasst einen stromlosen Nickel (Ni)-Beschichtungsfilm, der insbesondere einen stromlosen Nickel (Ni)-Phosphor (P)-Beschichtungsfilm, einen stromlosen Nickel (Ni)-Bor (B)-Beschichtungsfilm und dergleichen umfasst. Andere bevorzugte Aspekte der Metallschicht 2 werden später beschrieben.
  • Der Draht 3 besteht aus dem Aluminiumdraht der oben beschriebenen Ausführungsform, und seine Konfiguration und Eigenschaften sind ebenfalls wie oben beschrieben. Der Draht 3 ist mit einer Oberfläche der Metallfolie 2 gebondet.
  • Nachfolgend ist eine Verbindungsstruktur der Metallfolie 2 und des Drahts 3 in dem Halbleiterbauelement 100 der in 6 gezeigten Ausführungsform mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 ist eine vergrößerte Ansicht, die schematisch einen Bereich IV von 6 (die Umgebung einer Verbindungsschnittstelle der Metallfolie 2 und des Drahts 3) zeigt. Es ist zu beachten, dass das Dichtungsmaterial 9 (siehe 6) in 8 nicht beschrieben ist.
  • Die Umgebung der in 8 gezeigten Bondingschnittstelle des Drahts 3 und der Metallfolie 2 wird als Bondingabschnitt 31 bezeichnet. Der Bondingabschnitt 31 ist beispielsweise ein Bereich von der Bondingschnittstelle des Drahts 3 und der Metallfolie 2 bis zu einer um ein Kristallkorn vorgeschobenen Position an der Innenseite des Drahts 3.
  • Wenn die Hitzebeständigkeit des Aluminiumdrahts nicht ausreicht, erzeugt das wiederholte Starten und Stoppen der Stromzufuhr des Drahts eine thermische Spannung in der Nähe der Verbindungsfläche der Metallfolie und des Drahts im Bondingabschnitt 31, was zu einer Metallermüdung des Aluminiumdrahts führen kann. Infolgedessen kann ein Riss im Draht 3 entstehen. 9 ist eine Ansicht, die schematisch den Bondingabschnitt 31 zeigt, in dem ein Riss CR im Draht aufgetreten ist. Ferner ist 10 ein Foto in der Nähe des Bondingabschnitts 31, in dem kein Riss im Draht aufgetreten ist, und 11 ist ein Foto, das einen Zustand zeigt, in dem der Riss CR in den Draht vorgedrungen ist.
  • Gemäß dem Aluminiumdraht der oben beschriebenen Ausführungsform kann der Draht seine Hitzebeständigkeit über einen langen Zeitraum beibehalten, so dass wiederholtes Starten und Stoppen der Stromzufuhr des Drahts keinen Riss im Draht verursacht und es möglich ist, ein stabiles Bonding des Bondingabschnitts 31 über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Ferner ist es möglich, in Kombination mit einem störungsfreien Keilbonding aufgrund der guten Nachgiebigkeit des Drahts, eine langfristige Zuverlässigkeit des Bondings (erstes und zweites Bonding) zu erreichen.
  • Da ferner der Draht über einen langen Zeitraum hitzebeständig ist, kann unabhängig vom Material des Bonding-Targets, d. h. des Objekts, das mit dem Draht gebondet werden soll (Elektrode oder Metallfolie), eine Langzeitstabilität des Bondings erreicht werden. Darüber hinaus kann durch die Verwendung der Metallfolie 2 der vorliegenden Ausführungsform die Langzeitstabilität weiter verbessert werden, was somit vorzuziehen ist.
  • Wenn die Härte des Bonding-Targets geringer als die des Drahts ist, kann sich ein Riss, der im Draht aufgetreten ist, auf das Bonding-Target ausbreiten und dorthin vordringen. Wenn dagegen das Bonding-Target härter ist als der Draht, wie bei der Metallfolie 2 der vorliegenden Ausführungsform, breitet sich der Riss, selbst wenn er im Draht auftritt, nicht auf das Bonding-Target aus, so dass davon ausgegangen wird, dass die Rissausbreitung im Draht und im Bonding-Target unterdrückt und eine weitere langfristige Zuverlässigkeit des Bondings erreicht wird.
  • Für die oben beschriebene Metallschicht 2 ist eine stromlose Nickel (Ni)-Phosphor (P)-Plattierungsschicht, eine stromlose Nickel (Ni)-Bor (B)-Plattierungsschicht, eine Nickel (Ni)-Schicht oder eine Kupfer (Cu)-Schicht, die durch Galvanisieren gebildet wird, oder eine Nickel (Ni)-Schicht, eine Kupfer (Cu)-Schicht, eine Titan (Ti)-Schicht oder eine Wolfram (W)-Schicht, die durch Aufdampfen oder Sputtern gebildet wird, vorzuziehen. Diese Metallschichten 2 weisen eine Kristallstruktur auf. Ferner ist der Reinheitsgrad des Nickels (Ni) der Metallschicht 2 hoch. Dies ermöglicht es, die Rissbildung in der Metallschicht 2 während der Wärmebehandlung zu unterdrücken.
  • Der Metallfilm 2 ist vorzugsweise ein stromloser Nickel (Ni)-Phosphor (P)-Plattie-rungsfilm, der unter Kostengesichtspunkten keinen Schwefel (S) enthält, und der Phosphorgehalt beträgt vorzugsweise, relativ zur Gesamtmenge des Metallfilms 2, 8 Massen-% oder weniger, noch vorteilhafter 5 Massen-% oder weniger. Bei einem Phosphorgehalt von 8 Massen-% oder weniger weist der Metallfilm 2 eine Kristallstruktur auf, so dass die Härte des Metallfilms 2 zunimmt, was eine Unterdrückung der Rissbildung des Metallfilms 2 ermöglicht. Ferner wird, da kein Schwefel (S) enthalten ist, die Versprödung der Korngrenzen aufgrund der Entmischung von Schwefel (S) an den Korngrenzen unterdrückt, was ebenfalls die Unterdrückung der Rissbildung in der Metallschicht 2 ermöglicht. Dadurch wird die Wärmebeständigkeit des Metallfilms 2 verbessert.
  • Nachfolgend ist die andere Konfiguration des Halbleiterbauelements 100 beschrieben. In dem Halbleiterbauelement 100 ist eine Halbleiterschaltung durch das Halbleiterelement 1, den Draht 3, den Anschluss 8, das Schaltungsmuster 41 und das Metallmuster 42 gebildet. Der Draht 3 wird in dem Halbleiterbauelement 100 gebogen, und dieser gebogene Teil wird verwendet, um mit dem Halbleiterelement 1, dem Anschluss 8, dem Schaltungsmuster 41 und dergleichen verbunden zu werden.
  • Das Bondingmaterial 6, das Metallmuster 42, das Isolierelement 43, das Schaltungsmuster 41, das Bondingmaterial 6 und das Halbleiterelement 1 sind in dieser Reihenfolge auf eine Oberfläche des wärmeabgebenden Elements 5 in dem Halbleiterbauelement 100 geschichtet. Das Bondingmaterial 6 besteht aus Lötzinn, Silber (Ag) und dergleichen, um das wärmeabführende Element 5 und das Metallmuster 42 zu verbinden und das Schaltungsmuster 41 und die Rückseiten-Elektrode 12 des Halbleiterelements 1 zu verbinden. Das isolierende Element 43 ist ein isolierendes Substrat oder dergleichen.
  • Das Gehäuse 7 ist durch ein ringförmiges Gehäuse mit einem Raum im Inneren gebildet und ist so vorgesehen, dass es einen Außenumfang des wärmeabführenden Elements 5 umgibt. Das Halbleiterelement 1, der Metallfilm 2, der Draht 3, das Schaltungsmuster 41, das Metallmuster 42, das Isolierelement 43, das Bondingmaterial 6 und das Dichtungsmaterial 9, die oben beschrieben sind, sind in dem Raum in dem Gehäuse 7 untergebracht.
  • Der Anschluss 8 dient als Verbindungsanschluss für externe Geräte. Der Anschluss 8 ist auf einer oberen Fläche des Gehäuses 7 vorgesehen und so angeordnet, dass ein Endabschnitt davon aus dem Gehäuse 7 in den Raum in dem Gehäuse 7 und der andere Endabschnitt aus dem Gehäuse 7 in einen Bereich außerhalb des Gehäuses 7 herausragt. Das Dichtungsmaterial 9 füllt den Raum in dem Gehäuse 7 so aus, dass es das Halbleiterelement 1, den Metallfilm 2, den Draht 3, das Schaltungsmuster 41, das Metallmuster 42, das Isolierelement 43 und das Bondingmaterial 6 einschließt. Das Dichtungsmaterial 9 ist ein gehärtetes Material wie ein gelartiges Dichtungsharz oder ein Gießharz.
  • Ein Halbleiterbauelement 101 mit einem Lead-Frame ist in 7 als weitere Ausführungsform des Halbleiterbauelements dargestellt. In 7 sind den Konfigurationen, die dieselben Funktionen haben wie die der in 6 gezeigten Halbleiterbauelement 100, dieselben Bezugsziffern zugeordnet, und es wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet. Das in 7 gezeigte Halbleiterbauelement 101 weist neben einem Halbleiterelement 1, einem Metallfilm 2, einem Draht 3, einem Isolierelement 43, einem Bondingmaterial 6 und einem Dichtungsmaterial 9 einen Lead-Frame LF auf. Da die in 7 gezeigte Halbleiterbauelement 101 den Lead-Frame LF aufweist, hat das Halbleiterbauelement 101 kein Gehäuse 7, kann aber mit dem Gehäuse 7 versehen werden. Der Leiterrahmen LF ist auf eine Oberfläche des Isolierelements 43 gebondet und hat die gleiche Funktion wie das Schaltungsmuster 41 der in 6 gezeigten Halbleiterbauelement 100. Es ist zu beachten, dass, obwohl der Leiterrahmen LF und das Isolierelement 43 in 7 gebondet sind, eine Metallplatte (nicht gezeigt) zwischen dem Leiterrahmen LF und dem Isolierelement 43 angeordnet sein kann.
  • Das Dichtungsmaterial 9 ist so beschaffen, dass es das Halbleiterelement 1, den Metallfilm 2, den Draht 3, das Isolierelement 43, das Bondingmaterial 6 und den Leiterrahmen LF umfasst. Ein Endabschnitt des Leiterrahmens LF ragt jedoch aus dem Dichtungsmaterial 9 heraus, der Leiterrahmen LF bildet elektrische Schaltkreise des Halbleiterelements 1 und des Drahts 3, und der vorstehende Endabschnitt fungiert als Anschluss 8 zum Verbinden mit externen Geräten des Halbleiterbauelements 101.
  • Nachfolgend sind die Herstellungsverfahren für das in 6 gezeigte Halbleiterbauelement 100 und das in 7 gezeigte Halbleiterbauelement 101 beschrieben. Zunächst werden die Elemente, die die jeweiligen Halbleiterbauelemente 100 und 101 bilden, vorbereitet, gemäß den oben beschriebenen Konfigurationen geschichtet und miteinander verbunden. Dann wird ein Endabschnitt des Drahts 3 mit einer Oberfläche der Metallfolie 2 durch Ultraschallbonden oder dergleichen verbunden. Danach wird der andere Endabschnitt des Drahts 3 durch Keilbonding mit einer externen Elektrode verbunden. Als Draht 3 wird der Aluminiumdraht in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet. Danach wird ein Dichtungsharz in das Halbleiterbauelement 100 gespritzt und ausgehärtet, um das Dichtungsmaterial 9 zu bilden. Im Falle des Halbleiterbauelements 101 wird der Lead-Frame, auf dem das Halbleiterelement 1 und dergleichen montiert sind, in eine Form gelegt, und ein Dichtungsharz wird in diese eingespritzt und ausgehärtet, um das Dichtungsmaterial 9 zu bilden.
  • Beispiele
  • Als nächstes werden Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehenden Beispiele beschränkt.
  • Ein hochreines Aluminiummetall mit einer Reinheit von 99,9 Massen-% oder mehr wurde hergestellt. Eisen und Silizium wurden in der in Tabelle 1 beschriebenen Menge hinzugefügt. Ferner wurden Gallium und Vanadium als optionale Elemente in der in Tabelle 1 gezeigten Menge hinzugefügt. Die Aluminiumlegierungszusammensetzungen dieser Beispiele sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Legierung jeder dieser Proben wurde in der Atmosphäre geschmolzen und dann im Stranggussverfahren zu Walzdraht verarbeitet. Der erhaltene Walzdraht wurde auf einen Zwischendrahtdurchmesser von 5 mm gezogen und 60 Minuten bei 400°C bis 560°C einer Zwischenwärmebehandlung unterzogen. Unmittelbar nach Ablauf der 60 Minuten wurde er in Wasser mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 25°C/Sekunde oder mehr abgeschreckt. Danach wurde der Draht auf seinen endgültigen Drahtdurchmesser von 400 µm gezogen und schließlich 60 Minuten in einem Chargenofen bei 200°C bis 340°C einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen. Der Aluminiumdraht, der die abschließende Wärmebehandlung durchlaufen hat, wurde mit einer Umspulmaschine in Abständen von etwa 300 m auf eine Spule aufgewickelt.
  • Anschließend wurden der Orientierungsindex und der Flächenanteil der ausgefällten Partikel jeder der Proben der Beispiele ermittelt.
  • (Messung des Drahtorientierungsindex)
  • Die Probenahme erfolgte an drei Positionen eines Spitzenabschnitts, eines hinteren Endabschnitts und eines Umfangs in der Mitte zwischen der Spitze und dem hinteren Ende (mittlerer Abschnitt) des auf etwa 300 m aufgewickelten Probendrahts. Jede Probe wurde in ein Harz eingebettet, so dass jeder Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Drahtachse freigelegt wurde. Dieses Harz mit dem darin eingebetteten Draht wurde mit Sandpapier grob poliert, um den Querschnitt auf der Oberfläche freizulegen. Nachdem es schließlich durch Polieren auf Hochglanz gebracht worden war, wurde jedes Teil mit einem Röntgendiffraktometer (SmartLab der Rigaku Corporation) gemessen. Um die Intensität der Röntgenbeugung zu erhalten, ist eine bestimmte Drahtquerschnittsfläche erforderlich, so dass eine einzige Probe mit einem Drahtdurchmesser von 400 µm möglicherweise keine ausreichende Intensität aufweist. Daher wurden für jede Messung etwa vierzig Drähte gebündelt, in engen Kontakt miteinander gebracht, eingebettet, poliert und der Röntgenbeugung unterzogen.
  • Es wurde unter den folgenden Analysebedingungen durchgeführt: ein Röntgenstrahlenerzeugungsabschnitt mit einer Cu-Antikathode, einer Ausgangsleistung von 45 kV und 200 mA; ein Halbleiterdetektor als Detektorteil; ein Parallelstrahlverfahren (Spaltkollimation) als einfallendes optisches System; die Einfallsseite des Sonnenspalts bei 5° und die Lichtempfangsseite ebenfalls bei 5°; die Einfallsseite des Spalts IS = 1 mm; eine Längsgrenze von 2 mm; und auf der Lichtempfangsseite RS1 = 1 mm und RS2 = 2 mm. Die Scanbedingungen waren wie folgt: eine Scanachse von 2 θ/ω, kontinuierliches Scannen als Scanmodus, ein Scanbereich von 30 bis 100°, eine Schrittweite von 0,02° und eine Scangeschwindigkeit von 3°/Minute.
  • Die Beugungsintensitäten (Peakabstand) von (111), (200), (220), (311), (222) und (400) aller Proben wurden gemessen, um die jeweiligen Orientierungsindizes mit Hilfe der Wilson-Formel zu erhalten.
  • Die Orientierungsindizes von (111) und (200), die besonders charakteristische Tendenzen in den Beispielen anzeigen, sind in Tabelle 1 zusammen mit den Legierungszusammensetzungen gezeigt. Es ist zu beachten, dass der in Tabelle 1 beschriebene Orientierungsindex der Durchschnittswert von drei Teilen ist, der Spitze, dem hinteren Ende bzw. dem mittleren Teil des Drahts, von denen jeder fünf Probewicklungen aufweist (fünf Wicklungen × drei Teile, d. h. der Durchschnittswert von insgesamt fünfzehn Teilen). Es ist zu beachten, dass, wie oben beschrieben, der Randbereich der einzelnen Teile jeweils in vierzig Stücke geschnitten wird und die vierzig Stücke für die Messung gebündelt werden.
  • (Messung des Flächenanteils der ausgefällten Partikel)
  • Hinsichtlich der Korndurchmesser der ausgefällten Partikel am Spitzenabschnitt, hinteren Endabschnitt und Zwischenabschnitt des Drahts mit einem endgültigen Drahtdurchmesser von 400 µm, die man nach der Lösungsbehandlung erhalten hat, wurde ein Bild des Querschnitts in der Richtung senkrecht zur Drahtachse mit einem FE-SEM (einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop, JSM-7800F von JEOL) bei einer 400fachen Vergrößerung aufgenommen. Bei den 400-fachen Vergrößerungen war jedoch nur etwa viert Unterteilungen des Querschnitts im Abbildungs- bzw. Aufnahmebereich enthalten, so dass der Drahtquerschnitt in vier Unterteilungen aufgenommen bzw. fotografiert und zusammengefügt, um die relativ zum gesamten Querschnitt von den ausgefällten Partikeln eingenommene Fläche zu erhalten. Die Untersuchung wurde unter den REM-Abbildungsbedingungen durchgeführt, bei denen die Beschleunigungsspannung auf 5 kV, der Arbeitsabstand (W.D.) auf 10 mm eingestellt und ein Reflexionselektronenbild (BED-C) gewählt wurde. Bei der Bildanalyse wurde der Helligkeitswert des aufgenommenen REM-Bildes in einem Bereich von 0 bis 1 normalisiert und mit einem Schwellenwert von 0,95 binarisiert, und Bereiche mit einem Helligkeitswert über dem Schwellenwert wurden als ausgefallene Teilchen definiert.
  • Ferner wurden bei der Bildanalyse einander benachbarte Pixel in der Nähe von acht der als Partikel erkannten Bereiche auf dem Bild als ein Partikel berechnet. Die acht benachbarten Pixel bedeuten acht Richtungen um ein Zentrum, das vorbestimmte Region als Partikel erkannt, seine oben, unten, links und rechts, und drehte jeden von ihnen 45°, und eine Region in Kontakt mit der vorbestimmten Region in einer dieser acht Richtungen wird als ein Partikel definiert.
  • Anschließend wurde das Verhältnis des gesamten Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung des Drahts zur Querschnittfläche in Prozent ausgedrückt. Der Flächenanteil der ausgefällten Partikel war in allen Spitzen-, End- und Zwischenbereichen des Drahts im Wesentlichen gleich. Der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in jedem der Beispiele ist in Tabelle 1 dargestellt. Ausgefällte Teilchen von Beispiel 12 sind in 1 gezeigt, und ausgefällte Partikel des später beschriebenen Vergleichsbeispiels 6 sind in 2 gezeigt. Allerdings sind die 1 und 2 sind Fotos, die mit der Bildanalyse durch Binarisierung von Bildern mit 1000facher Vergrößerung gewonnen wurden, so dass die ausgefällten Partikel leichter identifiziert werden können. Die Bereiche in Weiß zeigen ausgefällte Partikel.
    Figure DE112022000793T5_0004
  • (Werkzeugablösebewertung 1)
  • Anschließend wurde jede Probe, bei der der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 400 µm beträgt, mit einem Ultraschallbondiergerät (einem Drahtbonder, ASTE-RION, hergestellt von K&S) so auf eine Aluminiumplatte gebondet, dass der Abstand zwischen dem ersten Bonding und dem zweiten Bonding 5 mm betrug. Der zweite Bondingabschnitt wurde horizontal zur axialen Richtung des Drahts in einem Sollwinkel von 45° zur Seite gebogen (siehe 4, auf dem linken unteren Foto nur um etwa 30°). Die Bondingbedingungen wurden so eingestellt, dass die Ultraschallenergie und der Druck für jede Probe optimal waren. Es ist anzumerken, dass ein Bondwerkzeug mit der Modellnummer 127591-16 von Kulicke & Soffa verwendet wurde, und die Abmessungen der Krokodilklemme zum Greifen des Drahts waren eine Vorderseite (Innendurchmesser) von 0,5 mm, eine Höhe von 0,2 mm und eine Länge von 1,0 mm.
  • Bei jeder Probe wurde durch Beobachtung des Zustands des Drahts am zweiten Bondingabschnitt festgestellt, ob sich das Werkzeug gelöst hat. Jede Probe wurde 30 Mal gebondet (eine Kombination aus dem ersten und dem zweiten Bonding wird als ein Mal betrachtet), und ein Draht, der ein Bondingversagen verursachte oder auch nur eine Kontaktmarke mit einem Werkzeug hatte, das einen einseitigen Kontakt damit herstellte, wie in 4 unten links gezeigt, wurde als nicht bestanden eingestuft und mit „C“ bewertet. Wie in 4 unten rechts wurde eine normal verlaufende Bindung als bestanden und mit „A“ bewertet, was in Tabelle 1 als Bewertung der Werkzeugablösung dargestellt ist.
  • Das obere und das untere Foto auf der rechten Seite von 4 wurden aus Beispiel 1 gewonnen. Die obere rechte Abbildung zeigt den Draht nach dem ersten Bonding durch Ultraschallwellen, und die untere rechte Abbildung zeigt den Draht, der nach dem ersten Bonding um 45° horizontal in Bezug auf die Längsrichtung des Drahts zur Seite gebogen und dann dem zweiten Bonding unterzogen wurde. Wie es aus den beiden Fotos ersichtlich ist, wurde das Bonding normalerweise ohne jegliche Kontaktmarkierung oder ähnliches durchgeführt.
  • (Leistungszyklustest-Auswertung)
  • Jede Probe, bei der der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 400 µm beträgt, wurde mit einem Ultraschallbondiergerät (einem Drahtbonder, REBO9, hergestellt von Ultrasonic Engineering) auf einen Powerchip gebondet, bei dem Nickel auf eine Aluminiumlegierung auf der Oberfläche metallisiert wurde (ein Metallfilm wurde auf der Oberfläche gebildet). Bei den Bonding-Bedingungen wurden die Ultraschallenergie und der Druck so eingestellt, dass die Drahtbreite nach dem Bonding bei jeder Probe 500 µm betrug. Die Stromstärke, die Einschaltzeit und die Abkühlzeit wurden so eingestellt, dass die Höchsttemperatur des Leistungschips 150 °C und die Mindesttemperatur 50 °C betrug, d. h. ΔT = 100 °C. Anschließend wurde ein Leistungszyklus-Test durchgeführt. Er wurde für etwa 20 Sekunden pro Zyklus durchgeführt, wobei die Einschaltzeit zu diesem Zeitpunkt etwa 7 Sekunden und die Ausschaltzeit etwa 13 Sekunden betrug.
  • Die Anzahl der Zyklen, in denen die Potenzialdifferenz zwischen der vorderen und der hinteren Elektrode des Leistungschips zum Zeitpunkt der Stromzufuhr um 5 % gegenüber dem Ausgangswert anstieg, wurde als Lebensdauer im Leistungszyklustest definiert. Eine Probe mit einer Lebensdauer von 200.000 Zyklen oder mehr wurde als gleich oder höher als die Zielvorgabe angesehen und mit „S“ bezeichnet. Eine Probe mit einer Lebensdauer von 100.000 Zyklen oder mehr und weniger als 200.000 Zyklen wurde als Zielwert betrachtet und mit „A“ gekennzeichnet. Eine Probe mit einer Lebensdauer von 50.000 Zyklen oder mehr und weniger als 100.000 Zyklen galt als bestanden und wurde mit „B“ bezeichnet. Eine Probe mit einer Lebensdauer von weniger als 50.000 Zyklen wurde als nicht bestanden betrachtet und mit „C“ bezeichnet. Tabelle 1 zeigt die Bewertung des Leistungszyklustests des Aluminiumdrahts in jedem Beispiel.
  • (Messung 1 des Restwiderstandverhältnisses) (Wärmeerzeugung)
  • Das Restwiderstandsverhältnis (RRR) wird durch das Verhältnis zwischen dem elektrischen Widerstand in flüssigem Helium bei 4,2 K (Kelvin) und dem elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur von 300 K ausgedrückt. Der hergestellte Aluminiumdraht wurde auf eine Länge von 15 cm geschnitten und der elektrische Widerstand gemessen. Alle elektrischen Widerstände wurden mit einer Vierpolmethode gemessen, und nach der Messung der einzelnen elektrischen Widerstände wurde das Verhältnis der elektrischen Widerstände berechnet. Es sollte beachtet werden, dass, da das Restwiderstandsverhältnis proportional zum Temperaturanstieg zum Zeitpunkt der Stromzufuhr ist, wenn ein Restwiderstandswert 10 oder mehr und weniger als 15 beträgt, was es erlaubt, den Temperaturanstieg zu unterdrücken, so dass er weniger als 30°C von der oben beschriebenen maximalen Temperatur des Aluminiumdrahts mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% beträgt, es mit „A“ bezeichnet wurde. Wenn ein Restwiderstandswert 15 oder mehr beträgt, der es erlaubt, den Temperaturanstieg auf 10°C oder weniger zu unterdrücken, so wurde er mit „S“ in dem Sinne bezeichnet, dass er noch vorteilhafter ist, in der Spalte der Drahtbewertung in Tabelle 1. Ferner wurde ein Temperaturanstieg von 30°C oder mehr als nicht bestanden eingestuft und mit „C“ bewertet.
  • (Gesamtbewertung 1)
  • Eine Probe, bei der die oben genannten drei Bewertungen zweimal „S“ und einmal „A“ waren, wurde in der Gesamtbewertung als „Ausgezeichnet“ in dem Sinne bewertet, dass sie überlegen ist. Eine Probe mit einmal „S“ und zweimal „A“ wurde in der Gesamtbewertung als „Gut“ in dem Sinne bewertet, dass sie gut ist. Eine Probe mit der anderen Bewertungskombination und keinem „C“ wurde in der Gesamtbewertung als „befriedigend“ in dem Sinne eines „bestanden“ bewertet. Eine Probe mit auch nur einem „C“ wurde in der Gesamtbewertung als „Schlecht“ in dem Sinne bestimmt, dass sie nicht bestanden ist. Anschließend wurde jede Bewertung in Tabelle 1 beschrieben.
  • Als nächstes wurden Aluminiumdrähte des Beispiels 33 und der folgenden Beispiele mit einem Enddrahtdurchmesser von 400 µm auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Zusammensetzung des Aluminiumdrahts wie in den Tabellen 2 bis 13 gezeigt eingestellt wurde und die Herstellungsbedingungen wie der Zwischendurchmesser des Drahts, die Bedingungen für die Zwischenwärmebehandlung und die Bedingungen für die Endwärmebehandlung innerhalb des Bereichs der obigen Ausführungsform eingestellt wurden. Für diese Aluminiumdrähte wurden der Orientierungsindex und der Flächenanteil der ausgefällten Partikel in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen und dann die Drahteigenschaften bewertet. Es sei darauf hingewiesen, dass für Beispiel 33 und die folgenden Beispiele die Kriterien für die Bewertung der Werkzeugablösung, die Bewertung der Wärmeentwicklung (Restwiderstandsverhältnis) und die Gesamtbewertung spezifischer festgelegt wurden als für die oben beschriebenen Beispiele 1 bis 32, wie in den folgenden Abschnitten „Bewertung der Werkzeugablösung 2“, „Messung 2 des Restwiderstandsverhältnisses“ und „Gesamtbewertung 2“. Die Notation „-“ in jeder Tabelle bedeutet, dass der Wert unter der unteren Messgrenze liegt.
  • (Werkzeugablösebewertung 2)
  • Der Werkzeugablösetest wurde in der gleichen Weise durchgeführt wie in der oben beschriebenen „Werkzeugablösebewertung 1“, wobei die Bewertung wie folgt durchgeführt wurde. Ob sich das Werkzeug abgelöst hat, wurde anhand des Zustands des Drahts am zweiten Bondingabschnitt festgestellt. Jede Probe wurde 100-mal gebondet (eine Kombination aus dem ersten und dem zweiten Bonding wird als 1-mal betrachtet), und die Ablösung des Werkzeugs wurde wie folgt bewertet: Ein Draht, der ein Bondversagen verursachte oder vier oder mehr Kontaktmarken mit einem Werkzeug aufwies, das einen einseitigen Kontakt damit herstellte, wie in 4 dargestellt ist, wurde als nicht bestanden und mit „C“ bewertet, ein Draht mit zwei bis drei Kontaktmarkierungen sollte leicht verbessert werden, stellt aber kein praktisches Problem dar, so dass er mit „B“ bewertet wurde, ein Draht mit einer Kontaktmarkierung ist sehr gut und wurde daher mit „bestanden“ bewertet, so dass er mit „A“ bewertet wurde, und ein Draht mit überhaupt keiner Kontaktmarkierung wurde mit „S“ bewertet.
  • (Messung 2 des Restwiderstandsverhältnisses) (Wärmeerzeugung)
  • Die Prüfung des Restwiderstandsverhältnisses (RRR für Residual Resistance Ratio) wurde auf die gleiche Weise wie bei der oben beschriebenen „Messung 1 des Restwiderstandsverhältnisses“ durchgeführt, wobei die Bewertungskriterien wie folgt geändert wurden. Das Restwiderstandsverhältnis ist proportional zum Temperaturanstieg zum Zeitpunkt der Stromzufuhr. Ein Restwiderstandsverhältnis von 15 oder mehr erlaubt es, den Temperaturanstieg so zu unterdrücken, dass er 10°C oder weniger von der maximalen Temperatur entfernt ist, die der oben beschriebene Aluminiumdraht mit einer Reinheit von 99,99 Massen-% erreichen soll, so dass er als „S“ in dem Sinne bewertet wurde, dass er sehr gut ist. Der Fall, dass der Temperaturanstieg über 10°C hinaus unterdrückt werden kann, so dass er 20°C oder weniger beträgt, wurde als „A“ bewertet. Ein Fall, in dem der Temperaturanstieg über 20°C hinaus auf weniger als 30°C unterdrückt werden kann, wurde mit „B“ bewertet. Ein Fall, bei dem ein Temperaturanstieg auf 30°C oder mehr unterdrückt werden kann, wurde als „nicht bestanden“ und somit als „C“ bewertet.
  • (Gesamtbewertung 2)
  • Eine Probe mit mindestens einmal „S“ und alle anderen „S“ oder „A“ in den oben genannten drei Bewertungen wurde in der Gesamtbewertung als „Ausgezeichnet“ in dem Sinne bestimmt, dass sie überragend ist, eine Probe mit insgesamt mindestens zweimal „A“ und „S“ wurde in der Gesamtbewertung als „Gut“ in dem Sinne bestimmt, dass sie gut ist, eine Probe mit mindestens zweimal „B“ und keinem „C“ wurde in der Gesamtbewertung als „befriedigend“ im Sinne von „bestanden“ bewertet, und eine Probe mit auch nur einem „C“ wurde in der Gesamtbewertung als „mangelhaft“ im Sinne von nicht bestanden bewertet.
  • Spezifische Kombinationen für jede Bewertung (in beliebiger Reihenfolge) sind wie folgt.
    • „Ausgezeichnet“: SSS, SSA, SAA
    • „Gut“: SAB, SSB, AAB, AAA
    • „Annehmbar“: SBB, ABB, BBB
    • „Akzeptabel“: ein Fall, in dem sogar ein C vorhanden ist
  • Die obigen Ergebnisse sind in den Tabellen 2 bis 13 zusammen mit den Zusammensetzungen dargestellt.
    Figure DE112022000793T5_0005
    Figure DE112022000793T5_0006
    Figure DE112022000793T5_0007
    Figure DE112022000793T5_0008
    Figure DE112022000793T5_0009
    Figure DE112022000793T5_0010
    Figure DE112022000793T5_0011
    Figure DE112022000793T5_0012
    Figure DE112022000793T5_0013
    Figure DE112022000793T5_0014
    Figure DE112022000793T5_0015
    Figure DE112022000793T5_0016
  • Es sei darauf hingewiesen, dass Einzelheiten zu den Elementen, die in den Aluminiumdrähten der in Tabelle 1 gezeigten Beispiele enthalten sind, in Tabelle 14 dargestellt sind.
    Figure DE112022000793T5_0017
  • Nachfolgend sind Vergleichsbeispiele beschrieben. Ein Aluminiummetall mit einer Reinheit von 99,9 Massen-% oder mehr wurde in gleicher Weise wie in den Beispielen hergestellt, und Fe, Si, Ga und V wurden hinzugefügt, um die in Tabelle 15 gezeigten Zusammensetzungen zu erhalten. Vergleichsbeispiele 1 bis 4 sind Drähte mit der gleichen Zusammensetzung wie Beispiel 17, aber Drähte, die durch Ändern der Herstellungsbedingungen wie Wärmebehandlungstemperatur oder -zeit am Zwischendurchmesser und am Enddurchmesser des Drahts, einer Verarbeitungsrate von jedem Drahtdurchmesser zum nächsten Drahtdurchmesser, einer Abkühlgeschwindigkeit nach der Zwischenwärmebehandlung und einer Flächenverringerungsrate jedes Werkzeugs hergestellt wurden. Ferner unterscheiden sich die Vergleichsbeispiele 5 und 6 von den Beispielen in der Zusammensetzung selbst. Die Messverfahren der Orientierungsindizes, des Flächenanteils der ausgefällten Partikel und des Restwiderstandsverhältnisses (Wärmeentwicklung) der Aluminiumdrähte dieser Vergleichsbeispiele wurden ebenfalls in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, und die Messergebnisse wurden in Tabelle 15 zusammengefasst.
  • Hinsichtlich des Flächenanteils der ausgefällten Partikel wurde ein Bild, das mit einer 400-fachen Vergrößerung in gleicher Weise wie in den Beispielen aufgenommen wurde, in ausgefällte Partikel (ein hoher Helligkeitswert in Weiß) und andere als die ausgefällten Partikel (ein niedriger Helligkeitswert in Schwarz) auf der Grundlage eines Helligkeitsschwellenwerts von 0,95 binarisiert, um den Flächenanteil der ausgefällten Partikel zu erhalten. 2 zeigt ausgefällte Partikel des Aluminiumdrahts von Vergleichsbeispiel 6, und der Flächenanteil war 3,2%, wie es in Tabelle 15 gezeigt ist. Obwohl der Flächenanteil aus einem Foto mit 400-facher Vergrößerung gewonnen wurde, handelt es sich bei 2 um ein Foto nach der Binarisierungsverarbeitung, das mit 1000-facher Vergrößerung aufgenommen wurde, so dass die ausgefällten Partikel leicht zu unterscheiden sind.
    Figure DE112022000793T5_0018
  • Ferner wurde der Aluminiumdraht von Vergleichsbeispiel 1 auf Drahtablösung von einem Keilwerkzeug untersucht. Getrennt davon wurde ein dem Aluminiumdraht des Vergleichsbeispiels 1 ähnlicher Draht präpariert, nach dem ersten Bonding um 30° horizontal zur Drahtlängsrichtung zur Seite gebogen und dem zweiten Bonding unterzogen. Als Ergebnis trat, wie in dem oben beschriebenen linken unteren Foto von 4, eine Drahtablösung von dem Keilwerkzeug auf, und der Draht wurde in einem Zustand der einseitigen Kontaktierung gebondet. Die Bondingbedingungen wurden so eingestellt, dass die Ultraschallenergie und der Druck für die einzelnen Proben optimal waren. Die obere linke Seite von 4 zeigt den Draht nach dem ersten Bonding mittels Ultraschallwellen, und, wie es oben beschrieben ist, wurde der Draht auf der linken Seite des oberen linken Fotos schräg angeschnitten, und der Draht auf der rechten Seite konnte nicht mit dem Substrat gebondet werden und verursachte einen Bondingfehler.
  • Ferner sind in Tabelle 15 in gleicher Weise wie in den Beispielen die Ergebnisse der Lebensdauermessung des Leistungszyklustests, des Werkzeugablösetests, des Wärmeerzeugungsbewertungstests und der Gesamtbewertung für die Vergleichsbeispiele 1 bis 6 dargestellt.
  • Nachfolgend sind die Angaben zu den anderen Elementen, die in den Aluminiumdrähten des in Tabelle 15 gezeigten Vergleichsbeispiels enthalten sind, gemeinsam in Tabelle 16 gezeigt.
    Figure DE112022000793T5_0019
  • Ferner wurden Aluminiumdrähte des Vergleichsbeispiels 7 und des nachfolgenden Vergleichsbeispiels in der gleichen Weise wie im oben beschriebenen Beispiel 33 erhalten, außer dass ein Aluminiummetall mit einer Reinheit von 99,9 Massen-% oder mehr hergestellt wurde, andere Elemente als Aluminium (Fe, Si, Ga und V) hinzugefügt wurden, um die in den Tabellen 17 und 18 gezeigten Zusammensetzungen zu erhalten, und die Herstellungsbedingungen wie die Wärmebehandlungsbedingungen geändert wurden. Für diese Aluminiumdrähte von Vergleichsbeispiel 7 und den nachfolgenden Vergleichsbeispielen wurde jede der Eigenschaften auf die gleiche Weise wie in den Beispielen bewertet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 17 und 18 dargestellt. Es ist zu beachten, dass bei den in den Tabellen 17 und 18 dargestellten Vergleichsbeispielen die Kriterien „Bewertung der Werkzeugablösung 2“, „Messung 2 des Restwiderstandsverhältnisses“ und „Gesamtbewertung 2“ für die Werkzeugablösung, das Restwiderstandsverhältnis bzw. die Gesamtbewertung verwendet wurden.
    Figure DE112022000793T5_0020
    Figure DE112022000793T5_0021
    Figure DE112022000793T5_0022
  • Keine der Aluminiumdrähte des in den Tabellen 15, 17 und 18 gezeigten Vergleichsbeispiels hat in allen Bewertungen bestanden und wurde in der Gesamtbewertung als schlecht eingestuft. Ferner war die Spanne der Variationen der einzelnen Daten gering, und die Variationen in Abhängigkeit vom Messteil waren gering. Dies legt nahe, dass die Messdaten eines beliebigen Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung des Drahts als ein Wert betrachtet werden können, der für den gesamten Draht steht.
  • Durch die Kontrolle des Orientierungsindex und des Flächenanteils der ausgefällten Partikel konnte der Aluminiumdraht für einen Leistungshalbleiter gemäß der Ausführungsform gleichzeitig das Ziel lösen, eine Nachgiebigkeit für seitliches Biegen zu haben und kein Ablösen des Drahts von einem Keilwerkzeug zu verursachen, und das Ziel, eine lange Lebensdauer in einem Leistungszyklus-Test zu erreichen.
  • Der Aluminiumdraht für einen Leistungshalbleiter gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen großen Beitrag zur Entwicklung der Leistungselektronikindustrie, der Automobilindustrie, der elektrischen Eisenbahnen, der elektrischen Energieindustrie und dergleichen leisten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020/184655 [0013]

Claims (12)

  1. Aluminiumdraht, bestehend aus einer Aluminiumlegierung mit einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr, wobei der Aluminiumdraht, relativ zu einer Gesamtmenge der Aluminiumlegierung, insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger an Eisen und Silizium enthält, wobei in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu einer Drahtachse des Aluminiumdrahts ein (111)-Orientierungsindex 1 oder mehr ist, ein (200)-Orientierungsindex von 1 oder weniger ist und ein Flächenanteil von ausgefällten Partikeln 0,02% oder mehr und 2% oder weniger ist.
  2. Aluminiumdraht nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung insgesamt 0,1 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium relativ zur Gesamtmenge enthält, und ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel von 0,1% oder mehr und 2% oder weniger besteht.
  3. Aluminiumdraht nach Anspruch 1 oder 2, ferner enthaltend, bezogen auf die Gesamtmenge der Aluminiumlegierung, insgesamt 50 Massen-ppm oder mehr und 800 Massen-ppm oder weniger von mindestens einem Element von Gallium und Vanadium.
  4. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Restwiderstandsverhältnis, dargestellt durch die folgende Formel (1), 10 oder mehr beträgt.  Restwiderstandsverh a ¨ ltnis = ( elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur  von 300  K/ ( elektrischer Widerstand in fl u ¨ ssigem Helium bei  4,2  K )
    Figure DE112022000793T5_0023
  5. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Flächenanteil der ausgefällten Partikel 0,2% oder mehr und 1,8% oder weniger beträgt.
  6. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Aluminiumreinheit der Aluminiumlegierung 99,9 Massen-% oder weniger beträgt.
  7. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Orientierungsindex der (111) 1,3 oder mehr beträgt.
  8. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Orientierungsindex des (200) 0,6 oder weniger beträgt.
  9. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Gehaltsverhältnis von Eisen und Silizium in der Aluminiumlegierung 0,3 oder mehr und 90 oder weniger durch das Gehaltsverhältnis Eisen/Silizium dargestellt ist.
  10. Aluminiumdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sein Drahtdurchmesser 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger beträgt.
  11. Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren mit: einem Schritt zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsmaterials, wobei das Aluminiumlegierungsmaterial eine Aluminiumlegierung mit einer Aluminiumreinheit von 99 Massen-% oder mehr ist und relativ zu einer Gesamtmenge der Aluminiumlegierung insgesamt 0,01 Massen-% oder mehr und 1 Massen-% oder weniger Eisen und Silizium enthält; und einem Schritt zum Drahtziehen des Aluminiumlegierungsmaterials.
  12. Aluminiumdraht-Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Drahtziehen umfasst: einen Drahtzieh-Zwischenschritt zur Gewinnung eines Zwischenwalzdrahts durch Drahtziehen des Aluminiumlegierungsmaterials, um einen Drahtdurchmesser vom 7- bis 130-fachen des endgültigen Drahtdurchmessers zu erhalten; und einen Lösungsbehandlungsschritt, bei dem der Zwischenwalzdraht auf 400°C bis 560°C erhitzt und dann abgeschreckt wird, und wobei der Schritt zum Drahtziehen ein Schritt zum Drahtziehen ist, um einen Enddurchmesser des Drahts von 40 µm oder mehr und 700 µm oder weniger zu erhalten.
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