JP2011192840A - 半導体素子用平角状アルミニウム被覆銅リボン - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体の素子パッドと基板側のリード間を接続するボンディングリボンにおいて、超音波接合性、高導電容量、ループ特性を向上する。
【解決手段】 リボンをCu芯材をアルミ被覆層で構成し、
Cu芯材を７０Hv以下のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上の銅（Cu）として導電性とループ形成性を付与し、被覆層を純度９９．９％以上のAlをアルゴンガス（Ar）またはヘリウムガス等の不活性雰囲気下で析出することによって、３０Hv以上のビッカース硬さをもつ緻密な微細結晶組織として、芯材と被覆層との硬さの差を小さくして、Alパッドの損傷を防止するとともに、接合性を向上する。
不活性雰囲気中で析出したAl微細結晶組織は、硬さがAlバルクよりも高く、ループ時の切断や剥がれを生じない。
【選択図】 図１

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と基板側リード部とを多数箇所の超音波接合によって接合し、ループ状に接続するための平角状アルミニウム被覆銅リボン、特にパワー半導体素子と基板側リード部とを接続するための平角状アルミニウム被覆銅リボンに関する。

半導体素子に搭載されたボンディングパッドとして、主にアルミニウム（Al）やその合金からなるアルミパッドが使用される。
また、基板側リードには、鉄（Fe）合金や銅（Cu）合金または金（Au）や銀（Ag）等の貴金属メッキおよびNiめっきがされた銅（Cu）合金、鉄（Fe）合金、あるいは、これらからなるリードを搭載したセラミックスが主に使用されている。このアルミパッドとリードフレーム等を超音波接合によって接続するのに、平角状アルミニウムリボンが使用される。平角状アルミニウムリボンのボンディング方法は、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により接合するものである。超音波印加の効果は、アルミニウムリボンの変形を助長するための接合面積の拡大と、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）等の金属原子を下面に露出させ、対抗するアルミニウム（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塑性流動を発生させ、互いに密着する新生面を漸増させながら、両者を原子間結合させることにある。

このような半導体素子の電極パッドと接続する基板側のリードとは、上記したようにそれぞれ材質が異なる。このため冶金的な溶融過程を伴わない超音波接合によってもこれらの接合界面ではこれら異種の金属間化合物が生成したりして、必ずしも強固な、信頼性の高い接合は達成できない。
これらの解決策として、アルミニウム（Ａｌ）の片面にコバールなどの銅（Ｃｕ）合金を被着したクラッドリボンが提案されている（特公昭６０−２２８２７号公報、後述の特許文献１）。これは接合する一方の半導体素子側の電極がアルミニウム（Ａｌ）パッドであり、他方がリードフレームなどの異種金属であるため、ボンディングワイヤをこれらの異種の金属に適した超音波接合特性を備える金属を貼り合せたクラッド積層材として、アルミニウムパッドとコバールリードに対してワイヤのそれぞれの金属面を接合するものである。
しかし、このクラッドリボンは、アルミクラッド側のアルミニウム層でアルミパッドに超音波接合（第一ボンド）した後、リードフレーム側に接合するにはリード先端はコバールなどのより硬い金属材料であるため、第一ボンド後ループを描いて捻って回転させ、あるいは方向を反転させて第二ボンドする必要があった。
また、リボンを構成する材料として、銅（Cu）合金が硬くアルミニウム（Al）が柔らかいため、ループ形成時にリボンが曲げ、あるいは捻られると銅（Cu）合金とアルミニウム（Al）との硬さの違いから、クラッドリボンの界面から剥がれが発生した。このクラッド界面を強化するため熱処理することも考えられたが、熱処理すると銅（Cu）とアルミニウム（Al）の境界面に銅（Cu）とアルミニウム（Al）の脆弱な金属間化合物層が生成し、クラッド界面の密着強度を低下させ、その結果、却って同界面で剥がれやすくさせてしまう。

このような被覆層界面や接合界面でCu、Alの相互拡散による金属間化合物が形成されることを防止するため、銅（Cu）合金とアルミニウム（Al）とのあいだに中間層としてニッケル（Ni）、あるいはチタン（Ti）、タングステン（W）、クロミウム（Cr）などの拡散防止層を設けることも行われている。
しかし、これら中間層の形成は、ループ形成時におけるクラッド界面の剥がれを抑制する効果はあるが、超音波が印加された接合部においては、銅（Cu）合金層、ニッケル（Ni）中間層およびアルミニウム（Al）層のそれぞれに独自の塑性流動が発生するため、クラッド界面の剥がれを抑制することは困難であり、かえって、接合強度のばらつきが大きくなることがわかった。

また、これらのパワー半導体素子に適用されるこれらの平角状ボンディングリボンにおいても、半導体素子の微細化、高密度化が進むにつれて、電流の高密度化が求められ、一方では半導体素子上のパッド電極はアルミニウム（Ａｌ）であるため、これらのアルミニウムパッドに対する超音波ボンディングにおける高い接合信頼性が要求される。
特開２００７−３２４６０３号公報（後述の特許文献２）は、そのような要求に応えて提案されたものであって、導電性の高い銅（Ｃｕ）を芯材としてアルミニウム（Ａｌ）をクラッド、または被覆して高い導電性とアルミニウムパッドに対する超音波接合性を両立させたものである。
この発明によれば、ワイヤ内側の銅（Ｃｕ）層に対して、外側のアルミニウム（Ａｌ）で被覆することによって信頼性の高い超音波ボンディングによる接合が達成できるとしている。それによれば、内側の銅（ｕ）によって高い導電性を達成し、それに対して１／１０よりも小さい厚さのアルミニウム被覆層、実用上厚さ１〜２００nm、有利には約２０〜２５nmのアルミニウム（Ａｌ）被覆層によって、アルミニウムパッドに対する優れた超音波接合が達せいできるとしている。
しかしながら、このようなアルミニウム被覆銅リボンによって超音波接合する場合、銅芯材によって高い導電性は達成できるが、超音波接合の接合強度にはバラツキが表れ、さらに半導体素子側でチップ割れが発生するなど、接合信頼性は十分とはいえないものであった。

このような大容量の複合リボンは、１００〜１５０℃の耐熱温度を必要とする半導体、特にエアコン、太陽光発電システム、ハイブリッド車や電気自動車などのパワー半導体に採用され、その半導体素子の動作条件は通常の半導体素子よりも高温度となる。例えば、車載用に使用されるパワー半導体に用いられる複合リボンは、最大で通常１００〜１５０℃の接合部温度に耐える必要がある。このような高温環境下においては、リボン材料の内部酸化も課題として挙げられ、リボン表面を安定な皮膜で覆うなどの、リボン材料の耐酸化性向上が求められる。
このような実装環境下では、複合リボンとアルミパッド電極部との接合強度の確保が重要となり、特許文献２の第0016段落に記載されているように、「外側の層が内側の層を全周にわたって取り囲んで被覆している」こととなる。

特公昭６０−２２８２７号公報 特開２００７−３２４６０３号公報

金属表面技術、Ｖｏｌ．３８， Ｎｏ．９， １９８７，「対向ターゲット式スパッタによるＡｌ薄膜の特性」ＰＰ４５０〜４５３， 平田 豊明、ほか。 理学電機ジャーナル、２９（２）、１９９８、 「ＳｉＯ２／Ｓｉ基板上の多結晶Ａｌ、Ｃｕスパッタ膜の放射光を用いたマイクロラウエ回折」、安阿弥 繁、ほか。

前述のようなパワー半導体素子用複合リボンを用いた超音波接合は、第一ボンド後ループを形成して第二ボンドをし、場合によっては更にそれ以上の複数ボンドを行い、最終ボンド後にカッターで複合リボンを切断していた。
ところが、これまでの複合リボンでは、アルミニウム（Al）被覆層の厚さを厚くして第一ボンド時のチップ割れを防ごうとすると、銅（Cu）とアルミニウム（Al）の硬さの差が大きすぎるため、ループ形成時の複合リボンに加わる屈曲動作により被覆層の界面剥がれが発生する。

逆に、アルミニウム（Al）被覆層の厚さを薄くすると、接合時における超硬ツールの荷重と印加される超音波のエネルギーによって、軟質なアルミニウム（Al）被覆層のみで塑性流動が選択的に発生し、アルミニウム（Al）被覆層が接合界面から押し出される。また、ボンディング条件によっては、アルミニウム（Al）被覆層が銅（Cu）から剥がれる場合もある。これらの現象により、結果的にアルミニウム（Al）で被覆されていた銅（Cu）の界面が露出することになる。従って、ボンディング時の荷重と超音波エネルギーが露出された銅（Cu）の界面からアルミパッドへ直接伝達されるため、アルミパッド電極側の半導体素子にチップダメージが生じていた。
また、Al被覆層を形成するため電気めっきされたアルミニウム（Al）の場合、他のアルカリ元素イオン等の巻き込みにより多結晶構造とならず、また、硬度のばらつきが大きく、超硬ツールで超音波接合されたアルミパッド電極との接合強度が不安定となる。また、硬度のばらつきは、局所的な応力集中を発生させ、チップダメージの要因となる。さらに、接合強度のばらつきは、接合状態のばらつきが大きいことを示しており、長期間の接合部信頼性に欠ける結果となっていた。

そこで、これらに対処するため、
アルミニウム（Al）被覆層を設けたアルミニウムリボンが第一ボンドからループを描いて第二ボンドする超音波ボンディング時において、アルミニウム（Al）被覆層の剥離を防止し、
また、超音波ボンディング時のアルミニウム被覆層の過度の塑性流動やそれに伴うアルミニウム被覆層の剥離やチップダメージを防止すると共に接合信頼性を向上し、
導電性の向上および内部酸化の防止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、本発明者らはアルミニウム（Al）被覆層および銅（Cu）芯材テープの純度と硬さに着目した。
アルミニウム被覆ボンディングワイヤを超音波接合する際の接合部におけるアルミニウム層の過度の塑性流動は、これらの被覆層と芯材との硬さの差が大きいことに起因しており、これに対してアルミニウム被覆層の硬さを高くすること、およびこれと対応する芯材の銅の硬さを低くして、両者の硬さの差を小さくしてバランスさせることによって、解決できること、また、そのためにはアルミニウム被覆層の素材とその成膜条件が重要であることを見出した。
本発明の１００〜１５０℃の環境下で用いられるパワー半導体に使用するアルミニウム被覆リボンは、半導体素子のパッドと基板とのあいだを多数箇所の超音波接合によってループ状に接続するためのアルミニウム（Al）被覆層および銅（Cu）芯材テープからなる平角状アルミニウム被覆リボンにおいて、
前記アルミニウム被覆層は、３０Ｈｖ以上のビッカース硬さをもつ純度９９．９質量％以上のアルミニウム（Al）からなり、
前記銅（Cu）芯材テープは７０Hv以下のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上の銅（Cu）からなることを特徴とする、
このアルミニウム（Al）被覆層は、純度９９．９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなり、真空中で原子状ないしクラスター状に積層形成された、３０Hv以上のビッカース硬さをもつ多結晶構造である。

本発明におけるアルミニウム（Al）被覆層は、純度９９．９％以上の高純度でありながら、硬さは同等の純度のアルミニウムのバルクの硬さよりも高いものとなっている。
一般に高純度のアルミニウム（Al）は、アニールされたバルクにおいて、略１７Ｈｖ程度の硬度であるが、本発明において解明されたアルミニウム（Ａｌ）被覆層の硬さはこれらよりも著しく高いものとなっており、これは、本発明の被覆ボンディングリボンの表面に形成されるアルミニウム（Al）被覆層が、不活性ガスが介在する真空条件下で堆積して形成された多結晶組織からなることにより、３０Hv以上のビッカース硬さを発現する。
その原因としてこれらの条件下で形成されたアルミニウム層の真空析出時に多くの歪みが導入されているためと考えられる。歪みの原因は、アルミニウム（Al）源の不純物に起因したり、真空装置中に残留する酸素や水分などに起因したりする。特に、スパッタリングする場合には、蒸着されるアルミニウム（Al）粒子に高エネルギーが付加されるとともに、使用する不活性ガス、例えばアルゴン（Ar）や残留する酸素イオンや水素イオン等が巻き込まれ、緻密で結晶粒の小さい多結晶膜を形成する。（非特許文献１および２）この真空析出されたアルミニウム（Al）多結晶膜は、アルミニウム（Al）の純度が９９．９９質量％、さらに９９．９９質量％へと高くなるほど結晶サイズは大きくなる傾向にある。

この真空析出されたアルミニウム（Al）多結晶膜は、硬さをもたらす原因ともなった、高い内部歪を保持しており、また、結晶組織もその結晶粒のサイズがそろわず、硬さや性質にもバラツキがあるため、加熱処理によって、転移を再配列させて歪んだ結晶粒を回復させることが望ましい。具体的には、加熱処理により、アルミニウム（Al）被覆層中の不ぞろいな小さな結晶粒を消失させて大きな結晶粒だけを成長させて残すことになり、アルミニウム（Al）被覆層の硬さを安定させることができる。ただし、長時間および高温での加熱処理は、Al／Cu界面の化合物を成長させ、化合物が１μｍ以上になると界面で剥がれが生じる、したがって、このような化合物を成長させないよう、上記の結晶組織を維持する条件で熱処理を行うことが重要となる。
この加熱処理の効果もアルミニウム（Al）の純度が９９．９９質量％、さらに９９．９９質量％へと高くなるほど大きくなる傾向にある。特に、スパッタされたアルミニウム（Al）粒子にはひずみが大きいのでこの加熱処理が好ましい。本発明で得られるアルミニウム（Al）被覆層は、このアルミニウム（Al）多結晶膜が衝撃力のクッションとなって銅（Cu）芯材テープのボンディング時におけるチップダメージを防ぐ効果がある。

なお、本発明の純度９９．９９％以上のアルミニウム被覆銅リボンを形成後に大気中にさらすと、アルミニウム（Al）被覆層の表面には１ナノメートル（ｎｍ）程度の酸化膜が自然に形成される。このためボンディング時に超硬ツールとアルミニウムリボンとのすべりを良くするため、アルミニウム被覆銅リボンの表面にさらに潤滑剤の膜を被覆する必要もない。
また、被覆層表面のアルミ酸化膜は、緻密で安定であるため、アルミニウム（Al）被覆層内部への酸素の進入を防ぎ、酸化膜の成長を抑制させる効果がある。このことは実装後の高温放置試験で、アルミニウムリボンのアルミニウム（Al）と銅（Cu）との接合界面に新たなアルミニウム（Al）酸化物が形成されないことから裏付けられる。

アルミニウム（Al）被覆層の上記の硬さに対して銅（Cu）芯材テープを７０Hv以下、より好ましくは６０Hv以下のビッカース硬さとすることにより、ループ形成の界面剥がれを抑制することが可能となる。
また、上記のアルミニウム被覆層および銅の硬さに対して、前記アルミニウム（Al）被覆層の厚さが、０．１以上５０μｍ以下であり、好ましくは０．１〜１０μｍの範囲であて、アルミニウム（Al）被覆層の厚さが上記の範囲にあることによって、上記の硬さが最も効果を発揮する。
アルミニウム被覆層の厚さが薄く、前記の特許文献２で好適範囲とされているような厚さでは、上記の硬さのアルミニウム層であっても、超音波接合の際のエネルギーの集中を受けて、その硬さを維持できないため、塑性流動を生じてしまい、接合界面から排除されてしまうのである。
このように、ボンディング時におけるアルミ被覆層の過度な塑性流動や、剥がれを防止することで、チップダメージを防ぐとともに、チップ側のパッドに対して安定した接合強度を確保する。また、銅（Cu）芯材テープを純度９９．９％以上の銅（Cu）とすることは、上記効果をさらに向上させる効果がある。銅（Cu）の純度や銅（Cu）合金の種類は、使用する半導体の目的に応じて適宜選択することができる。なお、純度９９．９９％以上の銅（Cu）、更には純度９９．９９９％以上の銅（Cu）のように、より高純度の銅（Cu）を使用することは、ループ形成時や接合時における加工硬化を低減させる効果もあり、パワー半導体において好ましい。また、このような高純度化により、ループ形成時においては、急峻なループを描いても接合界面からはく離しにくくなる。また、接合時においては、チップダメージを防ぐ効果がある。

また、本発明の半導体素子用アルミニウム被覆リボンは、半導体の素子パッドと基板とのあいだを多数箇所の超音波接合によってループ状に接続するためのアルミニウム（Al）被覆層、拡散防止層および銅（Cu）芯材テープからなる平角状アルミニウムリボンにおいて、前記銅（Cu）芯材テープは７０Hv以下のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上の銅（Cu）からなり、前記アルミニウム（Al）被覆層は、不活性ガスの真空雰囲気中で形成され、多くの歪みが導入された３０Hv以上のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上アルミニウム（Al）からなることを特徴とする。

また、本発明の半導体用アルミニウムリボンは、多くの歪みが導入された３０Hv以上のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上アルミニウム（Al）からなるアルミニウム（Al）被覆層が熱処理されたものであることが好ましい。この熱処理は、アルミニウム（Al）の純度が低いほど歪みが多くなり、結晶粒がばらつくので、特に純度９９．９９％以下のスパッタされたアルミニウム（Al）多結晶膜に適用することが好適である。

また、本発明の半導体用アルミニウム被覆銅リボンは、本発明における被覆層と拡散防止層形成には、圧延やプレス等による貼り合せ加工ではなく、真空中で析出させた多結晶構造を形成する方法であり、マグネトロンスパッタリングなどのスパッタ法による、原子状ないしクラスター状のアルミニウム（Al）粒子を積層形成させる方法が最も適している。

アルミニウム被覆銅リボン内のアルミニウムと銅との間の拡散による金属間化合物の生成を防止するため、銅芯材とアルミニウム被覆層との間に拡散層を形成することは有効であって、拡散防止層は既知のニッケル（Ni）、亜鉛（Ｚｎ）あるいはチタン（Ti）、タングステン（W）、クロム（Cr）に加え、Cuと全率固溶である金、銀、パラジウム、白金およびその他白金族金属などを真空析出させることができるが、拡散防止層が硬くてもアルミニウム（Al）被覆層および銅（Cu）芯材テープの合計膜厚に対してきわめて薄く、最大でも数％オーダーの膜厚に過ぎないので、第一ボンド時に拡散防止層の硬さの影響は無視することができる。

本発明で得られるアルミニウム（Al）被覆層は、純度９９．９％以上の高純度でありながら、３０Hv以上のビッカース硬さをもち、硬さがバルクの金属の硬さより高く、銅（Cu）芯材との硬度差を小さくしたことを特徴とする。本発明ではこのようなアルミニウム（Al）被覆層を軟質の７０Hv以下のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上の銅（Cu）とを組み合わせることによって、パワー半導体用アルミニウムリボンとしての性能を発揮することができる。
すなわち、アルミニウムリボンの多数箇所を超硬ツールによってアルミパッドと超音波接合して第一ボンドとし、その後超硬ツールによってアルミニウムリボンをループ状に形成し、その後アルミニウムリボンの多数箇所を超硬ツールによってリードフレーム等と超音波接合して第二ボンドとして接続する、代表的な超音波ボンディング工程において、第一ボンド時のチップ割れを抑制し、第一ボンド時および第二ボンド時の接合強度のバラツキが小さく、安定してボンディングできる。また、ループ形成時に急峻なループを描いても、純度９９．９％以上の高純度のアルミニウム（Al）と純度９９．９％以上の高純度の銅（Cu）との密着強度が確保されており、超音波ボンディング時にそのCu／Al界面が剥がれることもない。
さらに、ボンディングされたアルミニウムリボンを高温環境に放置しても、アルミニウム（Al）被覆層の表面には、緻密で安定な酸化膜が均一に形成されているので、リボン内部への酸素の進入を防ぐことが可能となる。

図１は、本発明のボンディングリボンのアルミニウム（Al）被覆層の組織写真である。 図２は、比較例のアルミニウム層の組織写真である。 図３は、アルミニウム被覆リボンの断面図である。 図４は、従来のアルミニウムクラッドリボンにより、半導体素子のパッドとリードフレームを超音波接合によって接続した状態を示す図である。

本発明のボンディングリボンにおいて、銅（Cu）芯材テープの純度は９９．９％以上であることが好ましい。ループ変形時の加工硬化をできるだけ少なくし、ボンディングスピードを速め、単位時間当たりの接続個数を多くするためである。銅（Cu）芯材テープの純度や種類は使用する半導体やリードフレーム等によって適宜定まるが、ボンディング時における銅（Cu）芯材テープの加工硬化および不純物の混入を避けるため、純度９９．９９５％以上とできるだけ高純度であることが望ましい。

アルミニウム（Al）被覆層の純度は９９．９以上であることが好ましい。これは、チップダメージの原因となるアルミニウム（Al）金属中に含まれる微量元素がアルミニウム（Al）被覆層に析出・凝集して被覆層に局部的に硬度の高い箇所が形成されるのを回避するためである。また、長期間高温度で半導体が使用された場合、アルミニウム（Al）被覆層と半導体素子のパッドの接合界面において生じる、微量元素の集積や酸化を防ぎ、接合信頼性を確保するためである。

本発明の銅（Cu）芯材テープの硬さは、アルミニウム（Al）被覆層の硬さの2倍以下であることが好ましい。より急峻なループを描いてもCu／Al界面からはく離しにくくするためである。さらに、接合部におけるアルミニウム（Al）被覆層の過度な変形および剥離を抑制し、安定した接合強度の確保とチップダメージを回避するためである。

また、純度９９．９％以上のアルミニウム（Al）被覆層は、窒素ガス、アルゴンガス（Ar）またはヘリウムガス等の不活性雰囲気下でスパッタにより析出されたものであることが好ましい。
また、純度９９．９％以上のアルミニウム（Al）被覆層は、純度９９．９％以上のアルミニウム（Al）金属源を、直流マグネトロンスパッタリングによって真空析出されたものであることが好ましい。その他、イオンビームスパッタリングや直流スパッタリングなどのスパッタリングやイオンプレーティング方などを用いて多結晶構造膜を形成することができる。

銅（Cu）芯材テープ上にアルミニウム（Al）を被覆する場合、析出するアルミニウム（Al）の純度を確保すること、並びに、膜厚および膜質の均一性、芯材テープの角部分への析出しやすさ、銅（Cu）芯材テープの裏面へのつきまわり性などにおいては、マグネトロンスパッタよりも化学蒸着法のほうが優れている。しかし、本発明の課題となる、形成されるアルミニウム（Al）被覆膜が適度に硬質であり、かつ、多結晶化することにおいては、多くの歪みを導入可能であるマグネトロンスパッタの方が優れている。従って、本発明における、最も好ましいアルミニウム（Al）被覆膜の形成方法は、マグネトロンスパッタである。なお、イオンプレーティングは均質な安定した膜が得にくい難点がある。

また、アルミニウム（Al）被覆膜の厚さは、ループ形成時における銅（Cu）芯材テープとの耐剥がれ性の点から、50μm以下であることが好ましい。さらに、アルミニウム（Al）膜厚が0.1μm未満と薄すぎる場合、接合部に印加される荷重と超音波により、被覆膜が塑性流動により接合部の外に押し出され、接合面に銅（Cu）が露出し、チップダメージの原因となることから、0.1μm以上が好ましい。より好ましくは0.1〜10μm以内の領域であり、本領域において、耐チップダメージ性と被覆膜の密着強度のバランスが最も優れている。

以下、本発明の実施例を説明する。
〔銅（Cu）テープの作製〕
純度９９．９９９質量％の銅（Cu）板材を圧延加工して、幅２．０ｍｍ 厚さ０．１５ｍｍの銅（Cu）テープを作製した。次いで、圧延加工したテープをフル・アニールしたところ、ビッカース硬さが７０Hvから５５Hvになった。このフル・アニールしたテープを本発明の銅（Cu）芯材テープ「Ｘ」として実施例と比較例に使用した。
また、この銅（Cu）板材に純度９９．９質量％、０．５μｍのニッケル（Ni）箔をスパッタにより成膜し、幅２．０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの銅（Cu）芯材テープ「Y」を作製した。
なお、同様にして、純度９９．９９９９質量％の銅（Cu）テープをフル・アニールすると、ビッカース硬さは５５〜５０Hvまで低下した。

〔アルミニウム（Al）蒸発源の作製〕
純度９９．９９９質量％のアルミニウム（Al）を準備し、これにマグネシウム（Mg)を２０質量ｐｐｍ添加して溶解鋳造したものを蒸発源「A」、マグネシウム（Mg）を２０質量ｐｐｍ、ニッケル（Ni）を２０質量ｐｐｍ、シリコン（Si）を２０質量ｐｐｍ、および銅（Cu）を２０質量ｐｐｍ添加したもの（後述する組織写真の組成）を蒸発源「B」、マグネシウム（Mg）を２５０質量ｐｐｍ、ニッケルを２００質量ｐｐｍ、シリコン（Si）を２００質量ｐｐｍ、および銅（Cu）３００ｐｐｍ添加したものを蒸発源「C」、並びに比較例としてグネシウム（Mg)を２０００質量ｐｐｍ添加したものを蒸発源「D」とした。これらの組成を表１に示す。

〔アルミニウム（Al）被覆リボンの作製〕
マグネトロン・スパッタリング装置にアルゴンガスを流入し、真空度０．７Paに保った。次いで、スパッタ電力を１．０kＷにしてアルミニウム（Al）を蒸発源を加熱した。蒸発したアルミニウム（Al）粒子は、直線距離で５０ｍｍ離れた室温の銅（Cu）芯材テープに、下記の表２に示す所定の膜厚で被着させ、アルミニウム（Al）被覆リボンを作製した。
また、拡散防止層（中間層）は次のようにして作成した。スパッタリング装置内に中間層となる純度９９．９質量％以上の物質Ｘのターゲットと純度９９．９質量％以上のアルミニウム（Al）ターゲットを配置し、圧力が１×１０^−１Pa〜１×１０^−０Paになるように純度９９．９９質量％以上のアルゴンガスで充填した。その後、スパッタリングにより１０ｃｍ離れた平角状銅（Cu）芯材テープへ連続的に中間層の成膜を行い、所定形状の膜厚を形成した。その後、同一圧力でアルミニウム（Al）被覆層の堆積・成膜を行い、所定形状の膜厚の緻密な結晶組織からなる層を形成した。

〔硬さ測定〕
試料番号１〜３９のアルミニウム（Al）被覆銅リボンの硬さをマイクロビッカース硬さ計で測定したところ、いずれも４０〜４５Hvであった。次に、試料番号２のアルミニウム（Al）リボンをフル・アニールしたところ、ビッカース硬さは１７Hvであった。
他のアルミニウム（Al）リボンも同様な傾向を示した。このことから、本発明のスパッタ被膜は著しく硬度が高くなっていることが解る。

〔内部組織の測定〕
試料番号２のアルミニウム（Al）被覆銅リボンを５０％フッ酸にて４０秒間浸漬した。そして、浸漬後のアルミニウム（Al）膜の表面をレーザー顕微鏡で観察した（図１―Ａ、Ｂ）。これに対して、比較例として試料番号２のアルミニウム（Al）と同一の組成で膜厚が５０μｍのものを純度９９．９９９質量％の銅（Cu）板材にクラッド圧延加工し、このリボンを５０％フッ酸に４秒間浸漬したときのアルミニウム（Al）膜の表面をレーザー顕微鏡で観察したものを図２−Ａ，Ｂに示す。
これらの図１および図２から明らかなとおり、本発明のスパッター膜はアルミニウム（Al）の個々の粒界が球状に区画され、独立して存在していることがわかる。これは微量の元素がアルミニウム（Al）の粒界に析出して区画を形成したものと思われる。
これらのアルミニウム（Al）被覆銅リボンの構成について、実施例を表２、比較例を表３に示す。

〔捻回試験〕
実施例と比較例のアルミニウム（Al）被覆銅リボンについて、約１ｍの試料の一端を固定し、他端を毎分１回転で右回転１５回した後、逆に左回転１５回してアルミニウム（Ａｌ）と銅（Cu）またはニッケル（Ni）との境界面を観察した。
実施例のアルミニウム（Al)被覆銅リボンのいずれにも境界面のはがれは生じていなかった。このことから、本発明にアルミニウム被覆層の剥がれ抑制特性は優れていることがわかる。これに対して、アルミニウム被覆層の厚さが６０μｍの比較例の１８〜２１のものは、アルミニウム被覆層の純度にかかわらず剥がれが発生した（表５参照。）。

〔接合強度試験〕
試料番号１〜１３のアルミニウム（Al）リボンを純度９９．９９質量％のアルミニウム（Al）板（厚さ２ｍｍ）および１μｍのNiめっきを施した純度９９．９５質量％の銅（Cu）基板（厚さ2mm）上に超音波ボンディングした。装置は、オーソダイン社（Orthodyne Elecronics Co.）製全自動リボンボンダー３６００R型にて、８０kＨzの周波数で、荷重および超音波負荷条件については、潰れ幅が１．０１〜１．０５倍になる条件で全サンプルについて同一条件でボンディングを実施した。
また、ボンディング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や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。そして、各試料ともｎ＝４０個で超音波ボンディングした場合にボンディング中に発生したワイヤ切断回数を調べた。その判定結果を表３に併記した、接合強度は、リボン側面よりＤＡＧＥ万能ボンドテスターＰＣ４０００型にて接合部側面からのシェア強度測定を実施した。なお、リボンからはみ出したアルミニウム（Al）の量を観察したところ、試料番号１１のアルミニウム（Ａｌ）被覆銅リボンを除き、本発明のアルミニウム（Al）被覆銅リボンはクラッドのものよりもはみ出し量が少なかった。

〔接合信頼性試験〕
実施例および比較例のアルミニウム（Al）被覆銅リボンについての信頼性試験として、ボンディング済の基板を１５０℃×１０００時間に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、これによって評価した。
また、判定は、信頼性試験後の強度比を基にし、信頼性試験後の強度比が０．９以上のものを二重丸（◎）で表記し、０．７以上０．９未満のものを一重丸（○）で表記し、０．７未満のものをバツ（×）印で表記した。これらの結果を実施例について表４および比較例について表５に示す。

表４および表５から明らかなようにアルミニウム被覆層の純度が重要であって、本発明範囲の蒸発源Ａ〜Ｃを純度の被覆層のものはいずれも接合強度および接合信頼性において良好な結果を得たが、それよりも純度の低い蒸発源Dの被覆層を形成した比較例の試料番号１〜１３のものはすべて信頼性が不良であり、また、接合強度においても劣っていることがわかる。
また、アルミニウム被覆層の硬さについても、本発明実施例のものは、Ｈｖ４０〜４５の範囲にあり、接合強度および接合信頼性において良好な結果を得ている。
これに対して、比較例のものは硬さが本発明範囲にあっても、被覆層のアルミニウムの純度が本発明範囲を超えて高いもの（比較例１〜１３、１７，２１）は前記したように接合強度および接合信頼性において劣り、アルミニウム被覆層の厚さが本発明範囲より薄く（試料番号１４〜１７）ても、あるいは厚くても（試料番号１８〜２１）、良い結果が得られない。

１ ボンディングリボン
２ アルミニウム被覆層
３ 銅芯材
４ アルミニウムパッド
５ リード

Claims (6)

1. 半導体素子パッドと基板との間を多数箇所の超音波接合によって接合し、ループ状に接続するためのアルミニウム（Al）被覆層および銅（Cu）芯材テープからなる平角状リボンにおいて、
   前記銅（Cu）芯材テープは７０Hv以下のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上の銅（Cu）からなり、前記アルミニウム（Al）被覆層はアルゴンガス（Aｒ）またはヘリウム（He）ガス等の不活性雰囲気下で原子状ないしクラスター状で真空析出した緻密な微細結晶組織からなり、３０Hv以上のビッカース硬さをもつ純度９９．９％以上のアルミニウム（Al）からなることを特徴とする半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。
2. 前記アルミニウム（Al）被覆層の厚さが、0.1μm以上50μm以下であり、好ましくは0.1〜10μm以内である請求項１に記載の半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。
3. 前記銅（Cu）芯材テープの純度が９９．９９以上である請求項１に記載の半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。
4. 前記アルミニウム（Al）被覆層の純度が９９．９９以上である請求項１に記載の半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。
5. 前記銅（Cu）芯材テープの硬さがアルミニウム（Al）被覆層の硬さの2倍以下である請求項１に記載の半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。
6. 前記純度９９．９９％以上のアルミニウム（Al）がマグネトロンスパッタによって析出されたものである請求項１に記載の半導体素子用アルミニウム被覆銅リボン。