JP2008311383A - ボンディングワイヤ、それを使用したボンディング方法及び半導体装置並びに接続部構造 - Google Patents
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- H01L2924/301—Electrical effects
- H01L2924/30105—Capacitance
Abstract
【課題】使用時の大電流繰り返し通電によっても接続部に発生したクラックの進行を抑制して信頼性の高い接続部を実現するボンディングワイヤ及びボンディング方法を提供する。
【解決手段】ボンディングワイヤは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmである点を特徴とする。このボンディングワイヤによってAlを主成分とする電極と接続したとき微細粒層とマトリックスとの界面にAlとXの金属間化合物が存在する接続部構造を得る。
【選択図】図6
【解決手段】ボンディングワイヤは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmである点を特徴とする。このボンディングワイヤによってAlを主成分とする電極と接続したとき微細粒層とマトリックスとの界面にAlとXの金属間化合物が存在する接続部構造を得る。
【選択図】図6
Description
本発明は高信頼性のボンディング接続部を実現するボンディングワイヤ、それを使用したボンディング方法及び半導体装置並びに接続部構造に関する。
半導体基板表面の電極とリードフレーム又は配線基板との間の電気的接続にボンディングワイヤを用いた超音波接続技術が広く使用されている。高密度集積回路装置の場合は通電容量が小さくワイヤが極細であり、使用環境が室温であることが殆どであってヒートサイクル試験が低温で行われることから、信頼性の高い接着部を実現できていた。これに対し、パワー半導体モジュールの場合には通電容量が大きくワイヤが直径数10ミクロンから数100ミクロンと太くなり、使用環境も車両のエンジンルーム内、外気と略同じ環境の工場内と苛酷な用途が多くヒートサイクル試験も高温で行われ、信頼性の高い接続部を実現するために研究、開発が進められている。
環境対応ハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、モータ制御に用いられるインバータ用IGBTモジュールの動作温度を高めることが極めて有効である。最高動作温度を現状の120℃から200℃に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な軽量化が期待できる。IGBTモジュールの200℃動作の実現に際して、半導体自体には基本的に障害はなく、インバータを構成するMOS型パワーデバイスのアルミニウムワイヤ(以下Alワイヤと称す)接続部の劣化が懸念される。これは、AlワイヤとSiチップの熱膨張係数の違いに基づき、冷却過程で発生する引張り応力を駆動力とするワイヤボンディング部直上のAlワイヤの微細粒界でのクラックの進展によるものと考えられる。
本発明者は、平均結晶粒のワイヤ直径に対する比が0.2〜0.6の範囲でかつワイヤの硬さが18〜30Hvの範囲にある直径200〜600μmの大電流通電用Al合金ワイヤを提案した(特許文献1)。
特許文献1に開示されたAl合金ワイヤにより、使用時の大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制し、接続部の信頼性向上が図れる。
しかしながら、特許文献1に開示されたAl合金ワイヤにおいても、最高動作温度が高くなるに従い使用時の大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制することが充分でないという問題がある。
本発明の目的は高信頼性のボンディング接続部を実現するボンディングワイヤを提供することにある。具体的には、使用時の大電流繰り返し通電によっても接続部に発生したクラックの進行を抑制して信頼性の高い接続部を実現することにある。
本発明の他の目的は高信頼性のボンディング接続部を実現するボンディングワイヤのボンディング方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は高信頼性のボンディング接続部を実現するボンディングワイヤを使用した半導体装置並びに接続部構造を提供することにある。
本発明ボンディングワイヤの特徴とするところは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmである点にある。ワイヤの断面形状は円形、矩形、多角形のいずれでもよい。Xを0.1〜1wt%にする理由は、サイクル試験によってせん断強度が初期値の80%(t80)以上を確保できる組成範囲であり、本発明の目的を達成する上で不可欠な条件である。図1は横軸にXの組成を、縦軸にサイクル数をとり、せん断強度の変化を示している。図1によれば、AlにXを添加するとAlXの析出物が生じせん断強度が急激に向上し、0.1〜1wt%Xの範囲で略同じ高いせん断強度を示し、1wt%Xを超えると徐々にせん断強度が低下することが判る。Xの添加量が増加するとせん断強度が低下する理由は、析出物が大きくなりその結果析出物の密度が低下することにあると推測する。ΔTはサイクル試験時の温度差である。
本発明ボンディング方法の特徴とするところは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmであるボンディングワイヤをAlを主成分とする層に超音波ボンディングした後、100〜200℃で1分〜1時間の間時効させる点にある。
本発明接続部構造の特徴とするところは、半導体基板上に形成されたAlを主成分とする電極とAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属からなるボンディングワイヤとの接続部が、微細粒層とマトリックスとの界面にAlとXの金属間化合物が存在する点にある。
本発明半導体装置の特徴とするところは、金属基板、金属基板上に接着され表面にメタライズされた金属の回路層が形成されたセラミックス基板、セラミックス基板上の回路層に接着された半導体基板、半導体基板上に形成されたAlを主成分とする電極とセラミックス基板上の回路層の半導体基板から離れた個所を接続するボンディングワイヤを備え、上記ボンディングワイヤは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmである点にある。
本発明によれば、線材をAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属とし、線の太さを断面を円形にしたときの直径が50〜500μmにすることにより、最高動作温度200℃になっても使用時の大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制することが可能になる。本発明ボンディングワィヤを使用したIGBTモジュールのような半導体装置は大電流繰り返し通電によって生じる過酷な環境においても高信頼性を保持できる。
本発明Al−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤは、超音波ボンディング技術によって接続することにより、最高動作温度が200℃になっても大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制する接続部構造を実現できることから、インバータ用IGBTモジュールのようなパワーモジュールに適用すると本発明ボンディングワイヤの効果を発揮する。
表1に示す種々の組成を持つAl合金溶製のため、99.99wt%(4N)高純度アルミニウム約300gと高純度銅を相当分量秤量後混合して、溶解用黒鉛坩堝に装入し、抵抗加熱電気炉で大気中700〜750℃加熱溶解、溶湯攪拌後、内径25mmφ、深さ150mmの円筒金型に鋳造し、同上サイズの円柱状インゴットを作成した。鋳塊上部には引け巣や収縮孔があり、この部分に溶湯アルミニウム酸化物の巻き込みが懸念されるので、この部分を切断除去した。また、鋳塊外部表面部には全体に局部的な収縮しわなどが発生するので、これを旋盤で切削除去し、外部目視観察の状態でいわゆる鋳造欠陥や汚れなどの無い完全な円柱試料を作製した。次に、鍛造+線引き加工処理工程は、円柱試料を洗浄、表面研磨、溝圧延、表面研磨、線引き加工、洗浄巻き取りを行い、直径300μmのボンディングワイヤを 作製した。線引き加工後のワイヤを、不活性アルゴン(Ar)ガス雰囲気炉で300℃、30分焼鈍後徐冷して、線引きの加工ひずみを除去し、ボンディング適応レベルに軟化させた。No.1〜9は本発明のボンディングワイヤ、No.10は比較材としての従来のボンディングワイヤである。No.1に示す組成のAl−0.5wt%Cuボンディングワイヤの引張り強度及びせん断強度を測定した結果を図2、図3及び図4に示す。同図に現在市販されているNo.10に示すAl−0.004wt%Niボンディングワイヤの引張り強度及びせん断強度を比較例として示した。
図2はAl−0.004wt%NiワイヤおよびAl−0.5wt%Cuワイヤボンディング部のネック部の引っ張り強度を250℃に0〜1069時間保持した後測定し、保持試験時間に対し、プロットした(加速寿命試験の)結果を示している。ここで保持試験時間の0hはボンディング後のネック部の引っ張り強度に対応している。また、温度加速の活性化エネルギーを0.6eVとして150℃における等価時間も図に示してある。本発明ボンディングワイヤのネック部の強度は試験開始から214時間(150℃における等価時間2年)までは引張り強度が低下するが、それ以降は低下せず、等価時間10年経過後も0.55kgf以上の引張り強度を維持している。これに対し、比較例のボンディングワイヤのそれは試験開始時に0.47kgf未満の引張り強度を有していたものが、試験時間の経過と共に引張り強度が低下していることが判る。すなわち、比較例のボンディングワイヤの初期引っ張り強度よりも本発明のボンディングワイヤの10年経過後のそれは高く、信頼性が高いことを示している。
図3は中温(70〜120℃)領域において加熱と冷却を繰り返すヒートサイクル試験、図4は高温(150〜200℃)領域において加熱と冷却を繰り返すヒートサイクル試験の結果を、横軸にサイクル数(回)、縦軸にせん断強度(kgf)をとって示している。図から判るように、中温領域のサイクル試験では、本発明ボンディングワイヤは試験開始からせん断強度が次第に低下して18000(回)時点で1.15(kgf)になるが、比較例のボンディングワイヤでは試験開始から3000(回)時点までに急激に低下し、その後は微減し18000(回)時点で1.025(kgf)まで低下している。また、高温領域のサイクル試験では、両ボンディングワイヤとも試験開始から200(回)時点まで急激に低下し、その後は微減し1000(回)時点で本発明ボンディングワイヤのせん断強度は1.10(kgf)、比較例のボンディングワイヤのそれは1.10(kgf)1.025(kgf)になっていて、中温領域のサイクル試験の結果と略同じ傾向を示している。この結果は、本発明ボンディングワイヤが最高使用温度200℃のIGBTモジュールに適用できることを示している。
図2〜図4に示す試験結果は、本発明の組成範囲及び他の金属からなるボンディングワイヤにおいても、略同じ傾向を示した。
以上から、本発明ボンディングワイヤは使用時間が長くなっても引張り強度の低下が少なく、中温領域及び高温領域におけるヒートサイクルが加わってもせん断強度の低下が少なく、高い信頼性を保持していることが判る。
本発明Al−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤを用いたボンディング方法について説明する。Al−0.1〜1wt%XボンディングワイヤをAlを主成分とする金属層11に超音波ボンディングした後、100〜200℃で1分〜1時間のあいだ等温で時効処理をする。この時効処理によって、接続部微細構造が図5に示す構造から図6に示す構造に変わる。即ち、超音波ボンディングした直後は図5に示すようにAlとXとの化合物である析出層が基地中に固溶しており、粗大な結晶粒からなるワイヤがAl膜(表面が微細粒になっている)接続した微細構造になっているが、時効処理後は図6に示すように金属層11に表面側に存在する微結晶11aに隣接してAlの微細粒層12が形成され、微細粒層12の各微細粒にAlとXの金属間化合物粒13がAlワイヤの結晶粒径に微細析出した接続部構造になる。接続部が図5に示す構造になると、金属間化合物粒13が微細粒層12とAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤに連なるAlのマトリクス層14とを結合する働きをして、微細粒層12とマトリクス層14との間に発生したクラックの進行を防止する。時効処理をしない場合には、図5示すように微細粒層12とAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤに連なるAlのマトリクス層14とを結合する働きをする金属間化合物粒13が存在しない構造のため、クラックの進行が著しく速くなる。尚、時効工程は超音波ボンディング後であれば、後に続くはんだ付け工程のような熱処理工程で代用してもよい。
図7、図8及び図9は本発明Al−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤを用いた300A級IGBTモジュールの平面図及び断面図を示したものである。
図7は本発明の一実施例であり、1個の300A級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図8は図7のA−Aに沿う断面図、図9は図7のB−B線に沿う断面図である。図において、101は放熱板及び支持板として機能する金属基板、102は金属基板101上に2枚並べてはんだ103により固着された例えばAlNからなるセラミックス基板、104は各セラミックス基板102上に形成した例えばNi/Cuからなる回路層で、回路層104は分離された異なる形状を有する3個の部分、即ち、T字型のコレクタ共通電極となる第1の部分104a、エミッタ電極となる片状の第2の部分104b、ゲート電極となる片状の第3の部分104cからなり、第1の部分104aが中央部に、第1の部分104aの脚部一側に第2の部分104bが、他方側に第3の部分104cが配置されている。第2の部分104b及び第3の部分104cはNi層上にAl層105が形成されている。106はそのアノード側が回路層104の第1の部分104aの脚部上に3個並べてはんだ層107を介して接合されたIGBTチップ、108はそのカソード側が第1の部分104aの上辺部上にはんだ層109を介して接合されたダイオードチップ、110はIGBTチップ106のエミッタ層上に形成したAlを主成分とする金属層111と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤ、112はIGBTチップ105のゲート層上に形成したAlを主成分とする金属層113と第3の部分104c上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤ、114はダイオードチップ108のアノード層上に形成したAlを主成分とする金属層115と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続したAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤである。これによって、1枚のセラミックス基板102上に3個の並列接続されたIGBTチップ106と1個のダイオードチップ108とが逆並列接続された回路要素が形成され、1枚の金属基板101上に2個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、1枚の金属基板101上の2個の回路要素を直列接続し、これを3個並列接続して、各回路要素の接続点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の並列接続数を増やし、高電圧化するときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の直列接続数を増やせばよい。
図7は本発明の一実施例であり、1個の300A級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図8は図7のA−Aに沿う断面図、図9は図7のB−B線に沿う断面図である。図において、101は放熱板及び支持板として機能する金属基板、102は金属基板101上に2枚並べてはんだ103により固着された例えばAlNからなるセラミックス基板、104は各セラミックス基板102上に形成した例えばNi/Cuからなる回路層で、回路層104は分離された異なる形状を有する3個の部分、即ち、T字型のコレクタ共通電極となる第1の部分104a、エミッタ電極となる片状の第2の部分104b、ゲート電極となる片状の第3の部分104cからなり、第1の部分104aが中央部に、第1の部分104aの脚部一側に第2の部分104bが、他方側に第3の部分104cが配置されている。第2の部分104b及び第3の部分104cはNi層上にAl層105が形成されている。106はそのアノード側が回路層104の第1の部分104aの脚部上に3個並べてはんだ層107を介して接合されたIGBTチップ、108はそのカソード側が第1の部分104aの上辺部上にはんだ層109を介して接合されたダイオードチップ、110はIGBTチップ106のエミッタ層上に形成したAlを主成分とする金属層111と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤ、112はIGBTチップ105のゲート層上に形成したAlを主成分とする金属層113と第3の部分104c上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤ、114はダイオードチップ108のアノード層上に形成したAlを主成分とする金属層115と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続したAl−0.1〜1wt%Xボンディングワイヤである。これによって、1枚のセラミックス基板102上に3個の並列接続されたIGBTチップ106と1個のダイオードチップ108とが逆並列接続された回路要素が形成され、1枚の金属基板101上に2個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、1枚の金属基板101上の2個の回路要素を直列接続し、これを3個並列接続して、各回路要素の接続点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の並列接続数を増やし、高電圧化するときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の直列接続数を増やせばよい。
本発明ボンディングワイヤはIGBTモジュールに限らず一般のパワーモジュール、パワーMOSトランジスタ、ダイオードモジュールなどに使用できる。
11…金属層、12…微細粒層、13…金属間化合物粒、14…マトリクス層。
Claims (4)
- 線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが円形にしたときの直径が50〜500μmであることを特徴とするボンディングワイヤ。
- 線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが断面を円形にしたときの直径が50〜500μmであるボンディングワイヤをAlを主成分とする層に超音波ボンディングした後、100〜200℃で1分〜1時間の間時効させることを特徴とするボンディング方法。
- 半導体基板上に形成されたAlを主成分とする電極とAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属からなるボンディングワイヤとの接続部が、微細粒層とマトリックスとの界面にAlとXの金属間化合物が存在することを特徴とする接続部構造。
- 金属基板、金属基板上に接着され表面にメタライズされた金属の回路層が形成されたセラミックス基板、セラミックス基板上の回路層に接着された半導体基板、半導体基板上に形成されたAlを主成分とする電極とセラミックス基板上の回路層の半導体基板から離れた個所を接続するボンディングワイヤを備え、上記ボンディングワイヤは、線材がAl−0.1〜1wt%Xで、XがCu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さが円形にしたときの直径が50〜500μmであることを特徴とする半導体装置。
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