JP2011114124A - 超音波ボンディング用アルミニウムリボン - Google Patents

超音波ボンディング用アルミニウムリボン Download PDF

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Abstract

【課題】何万回接合しても高いボンディング接合強度と一定の接合強度を維持することができる超音波ボンディング用アルミニウムリボンの提供。
【解決手段】アルミニウムの金属またはアルミ基合金からなる超音波ボンディング用リボンであって、そのアルミニウム純度が９９．９９質量％以上であり、かつ、アルミニウムリボンの鏡面光沢面上に蒸発乾固された分子量５００以下の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量が１００〜１０００μｇ／ｍ2である、超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
【選択図】なし

Description

本発明は、電子部品および半導体パッケージ内において半導体素子電極と基板側リード部とを超音波ボンディングにより接続するためのアルミニウムリボンに関する。
半導体装置の製造において、半導体チップ上に設けられた接続電極（ボンディングパッド）と半導体パッケージに設けられた外部引出し用端子（リード）とを電気的に接続するために、断面が略矩形でテープ状のアルミニウムの導電体（以下、「リボン」と呼ぶ）を用いたボンディング方法が広く使用されている。 このボンディング方法は、アルミニウムの導電性ワイヤのボンディング方法を応用したもので、電極又はリードに重ねたアルミニウムのリボンの上に超硬ツールを押しつけ、その荷重および超音波振動のエネルギーを負荷して接合する。
超音波印加の効果は、ワイヤ（リボン）変形に伴う接合面積の拡大と、アルミニウムリボンに自然に形成された１ナノメートル（ｎｍ）程度の酸化膜を破壊・除去することによりアルミニウム（Ａｌ）等の金属素地を露出させ、相接するアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等のボンディングパッドとアルミニウムリボンとの界面における塑性流動に伴うこれら密着した素地面の拡大と共に拡散接合によって両者を原子間結合させることにある。
この実用的なアルミニウムリボンは、これまで次のように一般的な極薄テープの加工方法によって製造されてきた。
第一の方法は、予め薄肉の板状にロール圧延されたアルミニウム合金からなる薄板材を、例えばロータリーカッターのような切断装置やプレス装置によって、所定の幅と長さに切り出し、この切り出されたアルミニウム合金からなる薄板材をさらに薄テープ状に圧延加工し、最終的に所定の形状のアルミニウムリボンとして成形するものである。
第二の方法は、最終的な極薄のテープ状態までロール圧延したアルミニウム合金からなるテープ状素材（厚さに対する幅の比は２５程度）の両端耳部をスリッター加工やプレス加工などによって取り除き、最終的な所定幅形状のアルミニウムリボンとして成形するものである。
このようにして形成されたアルミニウムリボンを用いてワイヤボンディングと同様の方法で電極バッド上に接合するのであるが、その接合過程はワイヤボンディングとは若干異なるものとなる。
ワイヤボンディング（ボールボンディング）においては、ワイヤ先端のボールを予め加熱した電極パッド上に押圧して超音波振動を印加すると、その機械的な摩擦によりボール表面のアルミニウム酸化膜が破壊されて金属素地が露出し、同時に摩擦に伴う発熱と押圧力によってボールが変形して、これらのいわゆる金属素地の新生面が拡大して、接合面を形成する。
ワイヤボンディングにおいてはこのような過程を経て、ワイヤと電極パッドとが接合され、接合面はボールが圧着された状態で新生面の拡大に伴って形成されるため、確実にかつ強固な接合が得られる。
これに対して、アルミニウムリボンを電極パッドに接合する場合、電極パッドに接するその接合部は平坦な面であって、超音波を印加する超硬ツールを押圧しても電極パッドと接触する界面はその面に沿ってほとんど変形することはない。
このため、電極パッドとの接合面全体にわたって厳密に接合条件を維持することが重要となるが、印加可能な荷重や超音波エネルギーの範囲では、微細な凹凸や不均一さが影響し、これらの接合条件を保つことは困難であった。
例えば、上記の極薄テープの加工方法では、一般的に圧延加工の際に機械油を使用しているため、加工後に洗浄しても検出限界以下の油膜がアルミニウムリボン上に不均一に分布して残り、アルミニウムリボンを超音波アルミニウムリボンとして使用する時のボンディング条件が不安定になっていた。このため化学エッチングによりアルミニウムリボンの表面を酸洗いすることも試みられたが、化学エッチングするとアルミニウムリボンの表面にエッチングによる微視的なエッチピットが発生し、この凹凸によって超音波ボンディング時のボンディング条件が不安定になっていた。
また、添加元素および残部がアルミニウムからなる純度９９質量％以上のアルミニウム合金から構成されているアルミニウムリボンは、超音波ボンディングされる一般の純度９９．９９質量％のアルミニウム（Ａｌ）板と比べて硬いため圧延前の加工途中で被り等の材料欠陥が発生しやすい。
このため、アルミニウムリボンの切断面またはせん断面に出たツノやバリがリボン端面に残ってボンディング時にガイドやツールに引っかかったり、フレーク状になって圧延ロール表面に付着してアルミニウムリボンの表面に凹凸が生じたりする。
よって、アルミニウムリボンを圧延加工段階のまま硬質状態に保って超音波ボンディングしていたが、ボンディング時に大きなエネルギーを必要とし、ボンディング条件が不安定になるとともに接合強度が低いという欠点を有していた。
ボンディング条件が上記のように不安定になるのは、これまで次のような機械的な理由が原因であると考えられてきた。すなわち、ボンディングパッドおよびアルミニウムリボンの表面はともに微視的には平坦ではなく、アルミニウム酸化物の１ナノメートル（ｎｍ）程度の膜も微視的には均一とはいえないことなどから、ボンディングの初期にアルミニウムリボンがボンディングパッドに接触する部分の位置、大きさが一定とならないためであると考えられてきた。
このため、アルミニウムリボンのボンディング条件を安定させ、安定したボンディング強度（接合強度）を得ようとして、様々な機械的形状のアルミニウムリボンが考えられた。
例えば、特開２００２−３１３８５１号公報（特許文献１）には、外形的に「略板形状に形成された電流経路部材（接続ストラップ）」が開示されている。
この接続ストラップは、薄板の両端に電極パッドに対する接合部を設け、その間を電極パッド間を跨ぐアーチとして形成し、複数の突出部を備えた超音波印加用ホーンを備えたボンディングツールにより押圧と同時に超音波を印加して接合するものであるが、その接続部が平面状をしており、ボンディングの初期に接触する微視的部分の位置、大きさが均一かつ一定でないため、接合強度が安定しないというボンディング条件の不安定性を格別解決するものではない。
また、特開２００７−１９４２７０号公報（特許文献２）には、アルミニウムリボンの接合部位の電極パッドに接合する面に複数の凸条を形成したものが提案されている。これはこれらの凸条が加圧と超音波印加に伴ってその先端から変形することにより、ボンディングワイヤの場合の先端の圧着ボールと同様の効果をもたらすことを意図するもので、この方法では、初期の塑性流動を発生させやすいため、比較的小さな荷重および超音波エネルギにより、接合面が平坦なリボンと比べて安定した接合強度の確保を実現できると考えられる。
しかし、半導体デバイスを超音波ボンディングにより接続するためのアルミニウムリボンの場合には、その表裏面で超音波による接合条件が異なるにもかかわらず１秒間に数個の割合で自動的に超音波ボンディングして行き、これが何万回も同一条件で接合されていく必要がある。
このようにアルミニウムリボンの外形的な形状を機械的に変化させる従来のやり方では、当初その効果を発揮しても、さらに続けて何万回もの超音波ボンディングを行うと、これらの接合条件が維持されず、接続不良が頻発するようになる。
特開２００２−３１３８５１号公報 特開２００７−１９４２７０号公報 特許第４２１２６４１号公報
本発明者等は、これらの接続不良が超音波ボンディングを数千回から数万回に及ぶ繰り返しにおいて生じていることから、これらの原因が超硬ツールとアルミニウムリボンとの当接面で生じる現象に起因すると考え、その影響を把握するため、超硬ツールの数千回の超音波ボンディングの実用寿命を超えて、２万回まで表面改質しないままのアルミニウムリボンをオートモードで超音波ボンディングした。その間に超硬ツールのアルミニウムリボン当接面の変化の様子を調べた。２万回後の当接面にはアルミニウム粉が海島状（超硬ツールの当接面に堆積したアルミニウムの金属粉ないし酸化物粉の集合体が点在して分布している状態）になっていた。超硬ツールのアルミニウムリボン当接面にアルミニウムの金属粉ないし酸化物粉の集合体が点在する現象は、次のようなプロセスを経るものと考えられる。
まず、超音波ボンディング時にアルミニウムリボンの界面とボンディングパッドまたはリードフレームとの界面が摩擦により加熱され、アルミニウムリボンの界面から新生面が現れてボンディングパッドまたはリードフレームの界面と接合される。この時、超硬ツールとアルミニウムリボンの界面も超音波ボンディング時に同時に摩擦により加熱され、アルミニウムリボンの界面に新生面が現れる。ツールと接触する側のアルミニウムリボンの界面から、アルミニウム（Ａｌ）金属のまま、あるいは、アルミニウム酸化物となって超硬ツールの当接面に被着する。いったん、アルミニウム酸化物が被着すると、その後のボンディングにおいて、優先的にアルミニウムおよびアルミニウム酸化物が被着し、アルミニウム（Ａｌ）が凝集するようになる。その結果、最終的に凝集してきたこれらアルミニウム酸化物などがひとまとまりとなって超硬ツールの当接面上にアルミニウム酸化物などの島を形成する。超硬ツールの当接面上にはアルミニウム酸化物の島がたくさんでき、結果的にこれがアルミニウム酸化物粉の海島模様を形成する。
これらの海島状模様を形成したアルミニウム酸化物層は超硬ツールとアルミニウムリボンとの接触状態を不均一とし、超音波エネルギの印加に伴って両者界面に部分的な発熱、温度上昇を生じて一層これらの酸化物層の堆積を進行させると共に、超硬ツールからアルミニウムリボン界面への超音波振動エネルギーの伝達を不均一として、接合過程に悪影響をもたらす。
このため、このような海島状模様の形成と共にアルミニウムリボンの接合強度のばらつきが生じるものである。
そこで、アルミニウムリボンを用いた超音波ボンディング時において、超硬ツールのアルミニウムリボン当接面にアルミニウム（Ａｌ）が被着しないようにし、仮に被着しても、被着したアルミニウム（Ａｌ）を超硬ツールの当接面からはく離させることができれば、何万回接合しても毎回接合面の全面にわたって均質に接合することができるはずである。
よって、本発明は、超音波ボンディングを繰り返し行っても超硬ツールにこれらのアルミニウム又はアルミニウム酸化物による海島状の模様が形成されず、超硬ツールからアルミニウムリボン界面への超音波振動エネルギーの伝達が均一に行われて温度分布が均一であり、接合部位全体にわたって均一な接合条件が維持されて、より安定した接合強度を実現できるアルミニウムリボンを提供することを本発明の課題とする。
上記課題を解決するための手段として、本発明の超音波ボンディング用アルミニウムリボンは、アルミニウムリボンの鏡面光沢面上に蒸発乾固された分子量５００以下の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量が１００〜１０００μｇ／ｍ2であることを特徴とする。
本発明者等は前述の問題を踏まえて、超音波ボンディングに際してその接合効果に影響を与えるものとして、その表面の改質条件について検討した。
特許文献１に記載の潤滑剤成分について、アルミニウムリボンの超音波ボンディング性との関連について試みた。すなわち、潤滑剤成分として、パラフィン系鉱油、ポリプロピレングリコール、脂肪酸せっけん、パーム油等を用いた。アルミニウムワイヤの場合は超音波接合時に新生面が拡大して新たな接合となるが、アルミニウムリボンの場合はこのような現象が期待できないので、リボンに接する超硬ツール側に汚れが蓄積され、数千回接合すると、接合強度にばらつきが生じ始め、接合強度が高くかつ安定したものを得ることができなかった。
また、特許文献２に記載されているように、パーフルオロルアルコールと純水との混合溶液を溶媒とし１５％のパーフルオロトリブチルアミン（旭硝子株式会社「ＣＴＬ−８１６ＡＰ」）を含有する液を用いてみたが、数百回接合すると、すぐに接合強度にばらつきが生じ始め、接合強度が高くかつ安定したものを得ることができなかった。
さらに、発明者等は、アルミニウムリボンのボンディング性を向上させるものとして、特許文献３に記載されるように、結晶粒径ならびに表面粗さを整えることを試みたが、この方法でも数千回接合すると、接合強度にばらつきが生じ、接合強度が高くかつ安定したものを得ることができなかった。
これらの例では、潤滑成分は潤滑成分自体が超硬ツールの汚染をもたらし、却って逆効果でもあった。
そのほか、ボンディングワイヤについて、その表面の改質を図る界面活性剤被膜を形成することについて、特公平２−１１０１６号公報には金又は金合金のボンディングワイヤに平均膜厚０．５μｍ〜５０オングストロームの界面活性剤の被膜を形成することにより、スプールに多層巻きされたワイヤ同士の接着現象を防止すること、及び特開２００２−２４１７８２号公報には、ＨＬＢ値が１０〜２０ｍ平均分子量が３５０〜２０，０００である非イオン性界面活性剤水溶液を高純度Ａｕの伸線加工用潤滑剤として用いるとボンディング時にキャピラリー内に有機物の堆積が無いことが開示されている。
さらに、特開２００８−１７２００９号公報には、純金ワイヤに金非イオン性界面活性剤の単分子の吸着層を形成することにより、有機物がクランパーやキャピラリーに転着せず、ワイヤ同士の接合防止及び繰り出し性が維持されること、が記載されている。
しかしながら、これらの界面活性剤被膜は、いずれも金ワイヤのボンディングにおける潤滑性向上や界面活性剤などのキャピラリーへの堆積を防止することに関するものであって、アルミニウムリボンにおける上記したような、超硬ツールへのアルミニウム、アルミニウム酸化物の付着現象に関するものではない。
そこで本発明者らは、前記したアルミニウムリボン表面に形成されるアルミニウム酸化物などの付着現象が、超硬ツールとこれらリボン表面の接触条件にあることに着目し、これらの両者の界面における接触条件の均一化を極度に薄い被膜層を介在させることで達成することを試みた。
アルミニウムリボン表面の改質手段として、被イオン性界面活性剤が極めて薄い被膜層として強固な被膜形成能を有することから、これら被イオン性界面活性剤について上記効果を達成する条件を調べた。
その結果、アルミニウムリボンの鏡面光沢面上に蒸発乾固された分子量５００以下の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量が１００〜１０００μｇ／ｍ2であるようにすれば、これらの課題を達成できることがわかった。
本発明の超音波ボンディングに使用する平圧延された鏡面光沢のアルミニウムリボンは、アルミニウムの金属または基合金に含まれるアルミニウムが純度９９．９９質量％以上で不純物が０．０１質量％未満であり、このようなアルミニウムリボンは超音波ボンディング時に上述した現象が生じやすい。
そのメカニズムについて全て解明できたものとはいえないが、ほぼ次のように考えられる。
先ず、超硬ツールとアルミニウムリボンとの界面において、界面活性剤はその潤滑性のため一定以上の被膜厚さになると超硬ツールとアルミニウムリボンとの間で超硬ツールの超音波振動に対して当接しているアルミニウムリボンが十分に追従できなくなり、超音波振動に伴ってすべりのために却って摩擦を生じて発熱するようになる。
一方純度の高いアルミニウムは融点が低く、また柔らかいためにこれらの超音波振動に伴う発熱と超音波振動によってその表層が剥ぎ取られ、酸化を伴って超硬ツールに付着するようになる。一旦このような現象が起こると、さらにその影響が増大、拡大してアルミニウム及びアルミニウム酸化物の堆積が進行して、ついに前記したような海島状の模様を呈するようになる。これらの堆積層が介在すると超硬ツールからアルミニウムリボン界面に対する超音波振動エネルギーの伝達が不均一になると共に充分に行われず、接合面全体の接合条件が不均一になる。
これに対して、本発明の上記の非イオン性界面活性剤の被膜条件が満たされると、超硬ツールからアルミニウムリボンに対する超音波振動に対して追従できるため、異常な発熱を生じることなく、これらの堆積層を生じることなく、数万回にわたる超音波接合が当初の条件と変わらずに行うことができる。
また、非イオン性界面活性剤は、アルミニウムリボンの超硬ツールとの当接面と反対側の電極との接合面においては、その被膜が厚く介在することによって接合性を損なう。アルミニウムリボンと電極との界面では、アルミニウムリボンは超音波振動に伴う摩擦によって、機械的な接触と発熱によって接合するのであるが、超硬ツールとの界面とは異なり接合相手側の電極が固定された状態にあり、しかも接合する両者の材質には超硬ツールとアルミニウムのように硬さなどの材質上の差が無いため、潤滑性のある界面活性剤が存在しなくとも相互間で摩擦に伴って超音波エネルギーが発散されて接合される。
他方、界面活性剤は、アルミニウムリボンにとって非金属的不純物となるので、できるだけ少ないことが望ましい。そこで、平圧延されたアルミニウムリボンの表面状態を一定にするため、臨界ミセル濃度の低い非イオン性界面活性剤を用いることにした。なお、臨界ミセル濃度は、水溶液の溶媒であっても、アルコールや塩などを添加すると大きく変化する。
本発明の非イオン性界面活性剤は、分子量５００以下の低分子型界面活性剤であることが好ましい。上記したメカニズムから超音波ボンディング時に超硬ツールのアルミニウムリボン当接面にアルミニウム（Ａｌ）が被着しないようにするためである。
非イオン性界面活性剤は分解温度が低く、溶媒に可溶性のものが望ましい。溶媒は一般に純水であるが、非イオン性界面活性剤が純水に溶解しない場合はアルコール類と純水の混合溶媒を用いることができる。アルコール類はアルコール基があるので、アルミニウムリボン表面にある空気中の水分や伸線加工等によって持ち込まれた水分がその面でアルミニウムの水酸化物（ＡｌＯ（ＯＨ））を形成することがなくなるとともに、アルコール基はアルミニウムとアルコキシド化合物を形成する可能性がある。
また、非イオン性界面活性剤を陰イオン性界面活性剤と合わせて用いることによって非イオン性界面活性剤を均一に分散することができる。陰イオン界面活性剤としてはドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムがあるが、通常は非イオン性界面活性剤と陰イオン性界面活性剤とが混合されて市販されている。
本発明の非イオン性界面活性剤が高分子型界面活性剤であることは好ましくない。非イオン性界面活性剤を臨界ミセル濃度以下としても、非イオン性界面活性剤が高分子型であれば、界面活性剤として高温になっても比較的安定である。このため超音波ボンディング時に高分子型界面活性剤が分解せず、カーボンが炭化して超硬ツール表面に残り、以後の超音波ボンディングを不安定にするおそれがある。アルミニウムリボン上に界面活性剤を蒸発乾固させたのは、アルミニウムリボンの鏡面光沢面上に均一に薄膜を形成するためである。
また、本発明の非イオン性界面活性剤において、総有機炭素量が３０〜１０００μｇ／ｍ2であることとしたのは、ナノオーダーの平均膜厚をアルミニウムリボンの鏡面光沢面上に形成するためである。ナノオーダーの平均膜厚は、薄すぎて精度よく簡便に測定することが困難であるため、総有機炭素量によって特定することにしたのである。総有機炭素量が３０〜１０００μｇ／ｍ2と極少量なのは、超音波ボンディング時に超硬ツールの表面のカーボン汚染をできるだけ避けるためである。
本発明のアミド型非イオン性界面活性剤としては、アルコール型非イオン性界面活性剤であるアルカノールアミドのほか、アルカノールアルカンアミドや脂肪酸アルカノールアミドなどがある。アルコール型非イオン性界面活性剤はアルカノールアミド型非イオン性界面活性剤であることが好ましい。超音波ボンディング時に超硬ツールの表面から非イオン性界面活性剤の成分が分解しやすいためである。脂肪酸アルカノールアミドは、N を中心として、R−CO−と、−CH2CH2OH が二つ水素と置換した構造で、R−CON(CH2CH2OH)2 の化学式で表される。
上記所定の非イオン性界面活性剤が蒸発固着され、均一に分布した所定の膜により、超音波ボンディング時に超硬ツールの表面でアルミニウム酸化物汚染を形成することがなくなり、繰返し超音波ボンディングしても安定した接合強度が得られる。しかも、アルミニウムリボンの表面を親油性にして、空気中の水分の巻き込みを避けるとともに、超硬ツール経路内のアルミニウムリボンのすべり性を良好にするのでループ成形性を一層安定する。また、非イオン性界面活性剤の膜は極端に薄いので、超音波溶接を何千回も繰り返しても、超硬ツールの表面のカーボン汚染を避けることができるので、その間、超音波ボンディング時の接合強度のばらつきが少なく、安定した接合条件を維持することができる。
非イオン性界面活性剤は、上記の２万回までの超音波ボンディング試験をすると、炭素数が少ないものほど、超音波ボンディングの際に炭素留分を残さない傾向にあることがわかった。非イオン性界面活性剤溶液は薄いので、その濃度の測定は困難である。例えば、デュヌイ表面張力試験器（伊藤製作所製）による輪環法で非イオン性界面活性剤を含有する溶液の表面張力を測定しようとしても、濃度が０．００１％であり、非イオン性界面活性剤を含有しない溶液の表面張力と同じ数値を示す。
他方、アルミニウムリボンについては、従来のものを用いることができる。アルミニウムリボンは鏡面であればあるほど酸化物を形成する表面積が減少するので望ましいが、その目安は表面粗さがＲz≦２マイクロメートル（μｍ）である。アルミニウムリボンの超音波ボンディングでは１０〜１２０Ｈｚの高周波が使用されるので、アルミニウムリボンの結晶粒径の平均値が５〜２００マイクロメートル（μｍ）の範囲内で、表面粗さがＲz≦２マイクロメートル（μｍ）であれば、純度９９質量％以上のＡｌ合金は軟らかいのでマイクロボイドを避けることができ、安定したボンディング強度が得られるからである。より好ましくは表面粗さがＲz≦１．６マイクロメートル（μｍ）である。
特にアルミニウムリボンの結晶粒径を整えることにより、ボンディング強度のばらつきが小さくなり、安定した接合強度のものが得られる。また、鏡面のアルミニウムリボンを用いることによって接合界面におけるマイクロボイドの発生を避けることができ、安定した接合領域が確保でき、狭ピッチのパッド間でも安定した超音波接合をすることができる。
蒸発固着の熱処理条件は、アルミニウムリボンを所定の溶液に浸漬した直後にアルミニウムリボンを連続してライン乾燥する。一般的な熱処理温度は１００〜４５０℃で、アルミニウムリボンのライン移送の線速度は一般的に毎分１０〜１００ｍである。熱処理温度は、超音波接合時のアルミニウムリボンの接合温度より高いことが好ましい。超音波接合時に非イオン性界面活性剤が分解して超硬ツールの表面に付着するカーボン汚染を避けるためである。なお、熱処理雰囲気は大気中で十分である。アルミニウムリボンの超音波ボンディングが、大気中で行われるからである。
また、一般的に、アルミニウムリボンの厚さは、印加する超音波と負荷荷重の最適なバランスの観点から、好ましくは１０マイクロメートル（μｍ）〜１ｍｍの範囲である。 アルミニウムリボンの好ましい厚さに対する幅の比は７〜１６の範囲である。
アルミニウムリボンは鏡面であればあるほど酸化物を形成する表面積が減少するので望ましい。その目安は表面粗さがＲz≦２マイクロメートル（μｍ）である。アルミニウムリボンの超音波ボンディングでは１０〜１２０Ｈｚの高周波が使用されるので、アルミニウムリボンの結晶粒径の平均値が５〜２００マイクロメートル（μｍ）の範囲内で、表面粗さがＲz≦２マイクロメートル（μｍ）であれば、純度９９質量％以上のＡｌ合金は軟らかいのでマイクロボイドを避けることができ、安定したボンディング強度が得られるからである。より好ましくは表面粗さがＲz≦１．６マイクロメートル（μｍ）である。
他方、本発明におけるアルミニウムリボンの構成は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムと０．０１質量％未満の不純物からなるアルミニウム純金属またはこのアルミニウム純金属を９９．９質量％以上と０．１質量％未満の添加元素とを含有するアルミニウム基合金からなる。
添加元素として許容され得る元素には、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ビスマス（Ｂｉ）などの元素を挙げることができる。アルミニウムリボンの結晶粒径に対して効き目の強い添加元素はニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）および銅（Ｃｕ）である。
純度９９．９９質量％以上のアルミニウム合金における残部のアルミニウムには０．０１質量％未満の不可避的不純物が含まれる。不可避的不純物がアルミニウム（Ａｌ）元素に及ぼす影響は定かでないので、不可避的不純物はできるだけ少ないことが好ましい。純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）であれば、上記の添加元素の組み合わせの種類や量によらず、２００〜４５０℃の熱処理温度および毎分１０〜１００ｍの線速度で蒸発固着は問題ない。母合金として純度９９．９９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）であれば、より好ましいのはもちろんである。
添加元素として特にニッケル（Ｎｉ）を１０〜３００質量ｐｐｍ含み、残部が少なくとも純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなるアルミニウム（Ａｌ）合金をアルミニウムリボンに使用すると、低い超音波出力で接合強度を高く安定させることができる。
アルミニウムリボンに使用されるアルミニウム合金の好ましい態様については、以下のとおりである。添加元素が、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）および銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１種を合計で５〜７００質量ｐｐｍからなるものであることが好ましい。
添加元素が、１０〜３００質量ｐｐｍのニッケル（Ｎｉ）であることが、特に好ましい。
また、残部のアルミニウムが純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）と０．０１質量％未満の不純物であること、更には、残部のアルミニウムが純度９９．９９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）と０．００１質量％未満の不純物であること、が好ましい。
特に、アルミニウムリボンの結晶粒径の調整しやすさから、純度９９．９質量％以上のアルミニウム合金であって、添加元素としてニッケル（Ｎｉ）１０〜３００質量ｐｐｍを含み、かつ、その残部が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）、より好ましくはその残部が純度９９．９９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）であることが特に好ましい。
また、アルミニウムリボン表面の鏡面化は、丸線から極薄テープまで圧延するときは、ロール圧延は一段階乃至二段階でなされることが好ましい。圧延回数が三段階以上でおこなわれたアルミニウム（Ａｌ）リボンを超音波接合した場合、接合強度が安定しない現象が見られたからである。このボンディング時の接合強度のバラツキは、非イオン性界面活性剤の有無とは無関係であり、圧延組織が更にしごかれる結果、組織内部のひずみが大きくなり、圧延後の熱処理によっても結晶粒が粗大化しない部分が発生し、結晶粒径が不均一になるためと考えられる。このため一段階で圧延した場合が最も接合強度のバラツキが少ない結果が得られた。特許文献３で得られたアルミニウムリボンの効果が、本発明でもそのまま維持される。
なお、１段階のロール圧延等によってアルミニウムリボンの表層に新たな活性面が現れたとしても、その活性面は少なく、かつ、大気中の酸素によって直ちにアルミニウムが酸化されて１ナノメートル（ｎｍ）程度の酸化アルミニウム膜に形成される。この酸化アルミニウム膜同士は相互に接合しあわないので、アルミニウムリボンの多層巻形態とすることができる。アルミニウムリボンの多層巻形態のボンディング強度が安定していれば、無人で連続して超音波ボンディングの作業をすることが可能になる。
以下、本発明の実施例を説明する。
表１に示す合金組成（調合原料のアルミニウムは純度９９．９９９質量％のアルミニウム（Ａｌ）を用いたが、純度９９．９９質量％のアルミニウム（Ａｌ）も同様な結果であった。）および所定の線径のボンディングワイヤを出発材料として用い、表１に示すアルミニウムリボンの実施例１〜２０および比較例１〜５を準備した。
次いで、これらのアルミニウムリボンは、圧延装置（図示しない）を用いて一段階加熱圧延処理をし、表面粗さはＲz＝０．５マイクロメートル（μｍ）、結晶粒径の平均値は１０マイクロメートル（μｍ）、厚さ１２０マイクロメートル（μｍ）、幅／厚さのアスペクト比１１とした。次いで、これらのアルミニウムリボンは８０℃の純水温湯で２度洗浄した。その後、所定のアルミニウムリボンを線速度８０ｍ/分でクリンスルーＬＣ−８４１（花王（株））の非イオン性界面活性剤の５,０００倍純水希釈溶液（「ア液」）に室温で０．８秒程度浸漬した後、連続して線速度８０ｍ/分で３２０℃の熱処理炉に０．４秒間通過させ、アルミニウムリボンから非イオン性界面活性剤溶液を蒸発固着したものである。
同様にして、エリーズＫ１０００（旭化成工業(株)）の１０,０００倍純水希釈溶液（「イ液」）に５０℃で０．６秒程度浸漬した後、連続して線速度１００ｍ/分で４００℃の熱処理炉に０．４秒間通過させ、アルミニウムリボンから非イオン性界面活性剤溶液を蒸発固着した。
同様にして、サンウォッシュＦＭ−５５０（ライオン（株））の５０,０００倍純水希釈溶液（「ウ液」）に室温で０．２秒程度浸漬した後、連続して線速度１００ｍ/分で２５０℃の熱処理炉に０．６秒間通過させ、アルミニウムリボンから非イオン性界面活性剤溶液を蒸発固着した。
同様にして、サンウォッシュＦＭ− 200（非イオン性界面活性剤と陰イオン性界面活性剤との混合物を主成分とする）（ライオン（株））の３,０００倍純水希釈溶液（「エ液」）に室温で１．０秒程度浸漬した後、連続して線速度８０ｍ/分で２５０℃の熱処理炉に０．６秒間通過させ、アルミニウムリボンから非イオン性界面活性剤溶液を蒸発固着した。
このようにして得られた本発明の実施例１〜２０および比較例１〜５のアルミニウムリボンを純度９９．９９質量％のＡｌ板（厚さ５ｍｍ）に超音波ボンディングを連続して約２万回まで超音波ボンディングした。
超音波ボンディングの条件は以下のとおりである。
表１に示すアルミニウムリボンのループ長は５０ｍｍで、ループ高さは３０ｍｍとし、通常条件よりもリボンが経路やツールから受ける摺動抵抗が大きくなるような条件に設定した。
ボンディングは、オーソダイン社（Orthodyne Electronics Co.）製全自動リボンボンダ３６００Ｒ型にて、表１に示すアルミニウムリボンを純度９９．９９質量％のアルミニウム（Ａｌ）板（厚さ５ｍｍ）上に超音波ボンディングを実施した。
ボンディング条件は、８０ｋＨｚの周波数で、潰れ幅がリボン幅の１．０５倍になるよう荷重および超音条件を調整した。超硬ツールおよびボンディングガイドは、リボンサイズに合致したオーソダイン社製の付属のものを使用した。
接合強度は、リボン側面よりＤＡＧＥ製万能ボンドテスターＰＣ４００型にて接合部側面からのシェア強度測定を実施した。信頼性試験として、ボンディング済みの基板を１５０℃×１０００時間で暴露した後のシェア強度を測定した。
そして、信頼性試験後のシェア強度を試験実施前のシェア強度で除した値を信頼性試験後の強度比と定義し、これで評価を行った。
シェア強度は、初期の接合強度（シェア強度）について第一ボンド及び第２ボンドが、１ｓｔ／２ｎｄ：４０００−５０００ｇｆ（目標値：４５００ｇｆ）であって、ボンディングにより接合される電極パッドのサイズによって異なるが、一般的なサイズにおいて求められるシェア強度（３〜６ｋｇｆ）の値を満たす結果が得られており、ボンディング回数を２万回まで繰り返しボンディングした場合について、信頼性試験後の接合強度比により、評価した。
その２万回までのボンディングにおける接合強度のバラツキをそれぞれボンディング回数に応じて最初の1回〜４０回までの平均値：測定値A、５００1回〜５０４０回までの平均値：測定値B、１０００1回〜１００４０回までの平均値：測定値C、１５００1回〜１５０４０回までの平均値：測定値D、および２０００1回〜２００４０回までの平均値：測定値E、の４つの段階に分けて測定した。
なお、アルミニウムリボン表面の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量の測定は、１０，０００ｍのアルミニウムリボンを秤量し、０．１Ｎ−ＮａＯＨ水溶液を２００ｇ加えてウォーターバスで３０分間煮沸して抽出を行い、冷却後８Ｎ−ＨＣｌを２．５ｍｌ加えて軽く振盪し、高純度空気で１５分間バブリングする。これを島津製作所製ＴＯＣ−５０００型有機炭素測定機に供給して有機炭素濃度を測定し、この値から総有機炭素重量を計算してアルミニウムリボンの表面積で除してアルミニウムリボン表面の非イオン性界面活性剤の総有機炭素量とした。
また、判定は、信頼性試験後の強度比をもとにし、信頼性試験後の強度比が測定値Ａに対して０．９以上のものを二重丸印（◎）で表記し、０．７以上０．９未満のものを一重丸印（○）で表記し、０．７未満のものをバツ印（×）で表記した。
その判定結果を測定値Bから測定値Dまで表１に併記した。測定値Aは基準値であるが、測定値Eに関して実施例は全て信頼性試験後の強度比が測定値Ａに対して０．９以上であって一律に合格であったのに対して、比較例は全て不合格であるため、表示を省いた。
Figure 2011114124
実施例および比較例のアルミニウムリボンは、電極との接触面はボンディングワイヤを複数本等間隔に配置したような接触面を有しており、従来から実績のあるボンディングワイヤの接合メカニズムに近い接合メカニズムで接合されていた。
なお、信頼性の強度比試験後にアルミニウムリボンを溶解・はく離して接合個所を観察したところ、実施例１〜２０の接合個所は接合面全体が均質な接合痕を呈していた。また、比較例１〜５の接合個所の接合痕も測定値Aのものは接合面全体が均質な接合根を呈していたが、測定値C、DおよびEのものは接合されておらず、比較例４と５の測定値Bのものは部分的にしか接合されていなかった。
本発明の超音波ボンディング用アルミニウムリボンは、２万回以上のボンディング回数において、高い接合強度と接合信頼性を維持することができ、安定したボンディングが長期間にわたって行うことができるため、低コスト化が可能であるばかりでなく、製品信頼性を高め、産業上極めて有用である。

Claims (6)

  1. アルミニウム金属またはアルミニウム基合金からなるアルミニウムリボンであって、その材質が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム、またはこのアルミニウム純金属９９．９質量％以上と０．１質量％未満の添加元素とからなるアルミニウム基合金であって、かつ、このアルミニウム純金属またはこのアルミニウム基合金の表面粗さがＲz≦２マイクロメートル（μｍ）の鏡面圧延仕上げされ、該アルミニウムリボンの鏡面上に非イオン性界面活性剤が蒸発固着され、その総有機炭素量が３０〜１０００μｇ／ｍ2であることを特徴とする超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
  2. 上記蒸発固着の温度が、超音波ボンディング時の加熱温度よりも高い温度でなされたものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
  3. 蒸発固着された非イオン性界面活性剤が、非イオン性界面活性剤の溶解したアルコールと純水とからなる水溶液から蒸発固着されたものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
  4. 添加元素が、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）および銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１種を合計で５〜７００質量ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
  5. 非イオン性界面活性剤が、陰イオン性界面活性剤と併用されていることを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
  6. 非イオン性界面活性剤が、アミド型非イオン性界面活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の超音波ボンディング用アルミニウムリボン。
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