JP2013258324A - 半導体装置接続用アルミニウム合金細線 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鉄(Fe)が0.2〜2.0質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなり、アルミニウムマトリックス中に鉄が0.01〜0.05%固溶され、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織が数μmオーダーの均質な微細再結晶組織でその微細再結晶組織の界面および内面にFe・Alの金属間化合物粒子が一様に晶出した組織からなる。
強加工したAlを熔体化処理してFeを固熔限近傍まで固熔させると共に、調質熱処理により上記組織とする。超音波ワイヤボンディングに際してワイヤは変形に伴って動的再結晶して、加工硬化を伴うことなく圧着される。
【選択図】図1
Description
これまでアルミニウム(Al)中に鉄(Fe)を固溶したアルミニウム合金細線としては、以下のものがあるが、アルミニウム(Al)の純度が低かったために超音波接続中にチップ割れを生じたり、また、チップ割れを回避するために調質熱処理を高温で行うとアルミニウム合金細線の強度が低くなり、超音波接合後にパワー半導体として使用した場合、熱衝撃により断線するという問題があった。
しかし、このような粒子構造ではアルミニウム−鉄合金マトリックスが硬くなりすぎるため、このようなワイヤを超音波と荷重を印加した半導体素子の超音波ボンディングに用いることができない。
しかし、結晶粒径が大きくなると、それに伴ってボンディングワイヤ自体の機械的強度も低くなってしまい、熱サイクル試験中にワイヤが受ける塑性歪み量が増えてしまう。このため粒界を減らした効果と歪み量増加の効果が相殺されてしまい、このような結晶粒径が大きいボンディングワイヤの熱衝撃の信頼性は、実際にはそれほど向上しない。
このボンディングワイヤも、溶体化処理をせず、単純に「300℃、30分焼鈍後徐冷」(本発明の「調質熱処理」に相当する)していることから、特開平8−8288号公報(後述の特許文献2)のワイヤと同様に結晶粒径を大きくしてボンディングワイヤの熱衝撃の信頼性を向上させようとするものであるが、ワイヤの強度が弱くなってしまうため、信頼性はそれほど向上しない。
他方、Al−Cu合金では、ワイヤが硬くなりすぎるためボンディング荷重を大きくする必要があり、高温半導体用のSiチップでは超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。
特許文献4の実施例では、鋳造したAl合金をφ5.65mmまで伸線処理を行った後、550℃で3時間溶体化処理を行い、この溶体化処理の後、水冷により、線を冷却し、更にφ0.33mmまで冷間伸線処理を行った。このAl合金線を230〜240℃で熱処理を施したことが記載されている。
しかしながら、このAl−Si−Cu合金マトリックスは、特開2008−311383号公報(後述する特許文献3)のAl−Cu合金マトリックスと同様、ワイヤ自体が硬くなりすぎるため高温半導体素子用のボンディングワイヤとして接合しようとすると、超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。さらに、導電率(IACS)が62%以上の適正な範囲から55〜61%と著しく低下してしまうため、発熱が大きく半導体素子の寿命を早めてしまうおそれがある。
半導体素子上の電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい(3.5×10−6 /℃)シリコンと熱膨張率の大きな(24.3×10−6/℃)アルミニウムの組合せからなり、半導体の動作時には大電流が流れて発熱して最も高温にさらされるため、電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合界面に大きな熱応力が働く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラックが進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題がある。
このような高温環境下においては、これまで上述した軟化しやすいアルミニウム合金細線は実用化されていなかった。これは、アルミニウム合金細線を高温に保持すると、アルミニウム合金細線中の伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こり、アルミニウム合金細線全体がやわらかくなってしまうからである。
また、これまでのアルミニウム合金細線では結晶粒の大きなアルミニウムマトリックスを用いた場合でも、アルミニウム合金細線とシリコンチップとの熱膨張率の差によってアルミニウムマトリックス内に熱衝撃ひずみに起因したサブグレインが形成され、これに沿ってアルミニウム合金細線内にクラックが伝播し、アルミニウム合金細線がシリコンチップからはがれてしまうという欠点は解消されていなかった。
すなわち、アルミニウム(Al)と鉄(Fe)合金インゴットを鋳造する工程において、固溶限が極端に小さい鉄(Fe)の場合、インゴット凝固時の徐冷中に鉄(Fe)がアルミニウム(Al)側に析出してしまう。その結果、鉄(Fe)が固溶限まで固溶せず、これが原因となってアルミニウム合金細線の強度が弱くなってしまうことがわかった。
本発明の特徴は、調質熱処理前に溶体化・急冷処理という工程を追加することにより、アルミニウム(Al)マトリックスに固溶する鉄(Fe)量を650℃での固溶限である0.052%まで高め、その後の通常の冷間での連続伸線加工と、その後の調質熱処理によりAl-Fe合金ワイヤの結晶粒径を微細化することを可能としたことと、Alを高純度化することにより、ボンディング時に動的再結晶を発現させてチップダメージを回避したことにある。
これにより、ボンディングワイヤの機械的強度を上げて熱サイクル試験中の熱衝撃によるアルミパッドとの接合界面におけるワイヤの塑性変形量を減らしながらも、超音波接合時には低荷重でボンディングできてチップクラックが発生しないという相反する要求を満たすことができた。
このことから、一般にワイヤが柔らかく、変形しやすいことがチップに対する荷重を緩和し、チップクラック発生の抑制に効果があるとされている。
しかしながら、本発明者らはこのワイヤの変形の際に加工硬化が生じていることが影響するものと考えた。
すなわち、ワイヤボンディングにおいてはパッドに対して予熱されており、超音波付加によってパッドと共にワイヤの温度も上昇するが、その温度程度では軟化することはなく変形に伴って加工硬化するためにチップに対して過大な荷重が及ぶことがチップクラック発生の一因であると考えられる。
これらの金属、合金では同一変形条件で強加工することにより著しく軟化することが特徴であるとされ、Al−Fe合金についてAl中におけるFeの存在状態の差異によって再結晶挙動が著しく異なることが知られている。
Al−Fe合金の場合、これら焼鈍処理によってFeが固溶した試料は加工硬化が飽和して定常変形すること、変形に際して歪みエネルギーが回復に伴って再結晶に寄与すると考えられ、このいわゆる動的再結晶を利用することにより、ワイヤ変形に伴うチップに対する過大な負荷を緩和することを想定した。
本発明は前記したとおり、熱疲労に伴う接合界面の破壊を抑制するためワイヤ強度の向上を図るものであるから、ボンディングに際して変形する接合部の軟化は逆効果となるが、変形時の加工硬化が生じなければ十分にチップへの過大な荷重は回避できるのであり、Al−Fe合金におけるこれらの条件を見出したのである。
本発明のアルミニウム(Al)マトリックスに鉄(Fe)を固溶限まで強制的に固溶させたアルミニウム合金ワイヤは、超音波接合時のボンディングワイヤが変形中に動的再結晶を発現させるので、太い線径のボンディングワイヤでもボンディング荷重を低く保つことができる。
アルミニウム(Al)の純度は、アルミニウム(Al)マトリックスの動的再結晶を発現させるため、99.995質量%以上であることが好ましく、99.998質量%以上であることがより好ましい。
また、本発明においては、アルミニウム合金細線の線径が50〜500μmであることが好ましい。50μm未満では電気自動車向けの大電流パワー半導体に用いることができず、500μmを超えると、アルミパッドへの超音波ボンディングが困難になるからである。アルミニウム合金細線の直径は、使用する半導体装置によって適宜選択される。
また、本発明においては、微細再結晶組織の平均粒径(D平均)が線径の0.5〜5%の大きさであることが熱衝撃歪み性から好ましい。0.5〜5%の大きさは、アルミニウム合金素線からアルミニウム合金細線へ連続伸線された細線の断面減少率を細線の直径と微細再結晶組織の大きさの観点から定義したものである。より好ましくは、線径の0.5〜2%の大きさである。
微細再結晶組織は、適度な平均粒界を形成する必要性から、もとの線径に対して90%以上の伸線加工が連続して冷間でされたものであることが好ましい。より好ましくは99%以上である。
ただし、この熱処理は、はるかに熱エネルギーが大きい調質熱処理に吸収される。
本発明における溶体化処理は、Al−希薄Fe合金の固相線温度(655℃)の直下温度に加熱して、アルミニウム(Al)マトリックスから析出した鉄(Fe)を再固溶させてマトリックス中に均一に溶け込ませた後、急冷、好ましくは水冷して、強制固溶させることをいう。加熱時間は、通常数十時間である。この溶体化処理は、再結晶粒を微細化して軟質のアルミニウム(Al)マトリックスの熱衝撃歪みに対する機械的強度を増すためである。
また、調質熱処理は温度および時間によって微細再結晶組織の粒界の大きさが変化するとともに、伸線加工の断面減少率によっても調質熱処理の温度および時間が変化し、一義的に定まらない。そこで通常は、バッチ処理で、アルミニウム合金細線を再結晶させるのに350℃〜500℃の温度範囲が好ましく、380℃〜430℃の温度範囲がより好ましい。熱処理の加熱方法としては、電気炉による加熱、通電加熱、光照射による加熱、水蒸気加熱などがある。
また、伸線加工後のアルミニウム合金細線を調質熱処理(最終熱処理)して水冷すると、アルミニウム合金細線の表面に空孔等が形成され、超音波を適用したボンディングの際に空孔等の周縁で超音波の熱が発生するので、アルミニウム合金細線がアルミパッドへ超音波接合されやすくなる。エタノールを混入させると、さらに超音波接合されやすくなる。
他方、晶析する鉄(Fe)・アルミニウム(Al)の金属間化合物粒子は、伸線加工によってアルミニウム(Al)マトリックス中に均一微細に分散し、アルミニウム(Al)マトリックスの機械的強度を高くするとともに、熱による微細再結晶組織の粗大化をピン止め効果によって阻止する。鉄(Fe)・アルミニウム(Al)の金属間化合物粒子は、FeAl3またはFeAl6と考えられる。
しかし、本発明のアルミニウム合金は、ボンディング時のワイヤの変形中に動的再結晶を発現させ、ワイヤが塑性変形しても加工硬化しないので、ボンディング作業の取り扱いが容易な硬めのボンディングワイヤを用いることができる。アルミニウムマトリックス中のアルミニウム(Al)の純度が高ければ高いほど、動的再結晶はよく発現する。よって、アルミニウム(Al)の純度は、99.998質量%以上が好ましく、より好ましくは99.999質量%以上が良い。
具体的には、実施例に記載したように、高温(200℃)と低温(−50℃)各3分の熱衝撃試験を繰り返して、初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から20%ないし30%(0.8ないし0.7)まで低下する回数が従来の2倍程度へと大幅に向上する。この効果は、4Nアルミニウム合金細線よりも5Nアルミニウム合金細線のほうがよりよく発揮されるが、価格を優先するときは4N8前後のアルミニウム合金細線が良く、本発明のアルミニウム合金細線は、高温となる電気自動車等のパワーサイクル半導体などに好適な超音波ボンディング用のアルミニウム合金細線となる。
次いで、この素線を溶体化処理した。溶体化処理は、650℃から450℃までの3水準で48時間行い、その後、水中で急冷、もしくは大気中で徐冷(比較例20〜24)した。その後所定の線径まで水中で連続伸線し、ボンディングワイヤとした。このワイヤを超音波工業社製型式REBO7型全自動ボンダを用い、120kHzの周波数で荷重8000mN、超音波出力15W、接合時間180msの条件でAl−1.0%Si合金のアルミパッドへ100本超音波接合した。従来例として、Al−50ppmNi合金ワイヤを採用した。
なお、調質温度は、実施例、比較例共に380℃、従来例のみ330℃で行った。
アルミニウム合金細線の線径は0.1、0.3、0.5mm、ループ長は10mmで、ループ高さは1.5mmとした。超音波工業社製REBO7型全自動ボンダを用いて、アルミニウム合金細線をSiチップ(厚さ0.5mm)上のAl−1.0%Si膜(厚さ4μm)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、120kHzの周波数で、荷重および超音条件については、ファースト接合部のつぶれ幅がワイヤ線径の1.3倍になるように任意に調整をおこない、全サンプル100個について同一条件で、ファーストボンドおよびセカンドボンドの超音波ボンディングを実施した。超硬ツールおよびボンディングガイドは、ワイヤサイズに合致した超音波工業社製のものを使用した。
(チップ割れ観察試験)
ボンディング後の試料を、20%NaOH溶液でAl-1.0%Siパッドを溶解して、光学顕微鏡(オリンパス製測定顕微鏡、STM6)を使用し、100倍の倍率でチップ割れの有無を確認した。10カ所観察を行い、チップ割れが一つでも発生していたら×、一つも発生していなければ○とした。
熱衝撃試験装置は、エスペック社製小型冷熱衝撃装置TSE−11を用い、高温側:+200℃、
低温側:−50℃で各々3分間ずつで、1万回まで繰り返した。
これ等のサンプルについて次のせん断強度試験を行って評価した。
(せん断強度試験)
DAGE社製2400型式を用いてファースト接合部のせん断強度を、1千回、2千回、5千回、および10千回終了後に測定し、0回の初期強度との比較を求めた。初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から20%(0.8)まで低下する回数が従来の2倍未満の物を×、2倍以上の物を○とした。従来品としては、市販品のAl−50ppmNiを採用した。なお、試験高さは、5μm、試験速度は500μm/秒であった。
このワイヤの77Kおよび300Kでの比抵抗を直流電源(ケースレー社製型式2400)およびナノボルトメーター(ケースレー社製型式2182)を使用して、直流4端子法で測定した。
ファースト接合部の変形したワイヤの幅の最大値を、ワイヤ長手方向と垂直方向に測定して、つぶれ幅とした。測定には光学顕微(オリンパス製測定顕微鏡、STM6)を使用した。
引っ張り試験機(島津製オートグラフAG−X)を使用して引っ張り試験を行い、0.2%塑性変形したときの応力を測定して、0.2%耐力とした。
断面ミリング装置(日立ハイテクノロジーズ社製型式IM−4000)を使用してワイヤ断面を作製し、組織観察には集束イオンビーム加工観察装置(日本電子社製型式JIB−4000)を使用した。結晶粒径の測定には断面法を使用した。
表1,2中の微細再結晶組織の平均大きさは、断面の水平方向と垂直方向のワイヤ長さの平均値とした。
ビッカース硬さ測定にはビッカース硬度計(アカシ社製型式MVK-G3)を使用した。
これらの実施例及び比較例のボンディングワイヤと上記の各種試験の結果を表1及び表2に示す。
比較例9,10はアルミニウム(Al)原料の純度が99.9質量%(不純物含有量が1000質量ppm)あり、これらの影響で本発明が意図するFe熔体化による強度向上効果と加工軟化によるチップ割れ防止効果が共に得られていない。比較例11はアルミニウム原料の純度が低いことに加えてFe含有量が本発明範囲を超えており、ビッカース硬さ、潰れ幅/ワイヤ径の数値に見られるとおり、硬さが高く、加工軟化効果が働かないため、チップ割れを生じている。
比較例15、19は、ワイヤ組成が本発明範囲を外れ、熔体化処理温度が上記と同じく低いために熔体化されず、硬さ、強度が低いためにチップ割れは生じないが、その強度不足により熱衝撃試験は不良である。
比較例20,24は、組成が本発明範囲を外れ、かつ熔体化処理後の冷却を空冷によっているため、同様の結果となっている。
そして、これらの組成範囲において、Feの含有量が本発明範囲より低いものは、硬さが小さく、潰れ幅/ワイヤ径が大きくなっていることから、チップ割れは生じていないが、強度不足に起因して熱衝撃試験結果が不良となっていることが解る。
また、これらとは逆に、これらの組成範囲において、Feの含有量が本発明範囲より多いものは、硬さが高く、潰れ幅/ワイヤ径が小さくなっていることから、チップ割れを生じており、一方強度熱衝撃試験では最低所要回数まで及ばず、評価外となっている。
以上の結果から、本発明のワイヤはその成分組成範囲において、発明に規定する熔体化処理及び熱処理過程を経ることが必須であることが解る。
Claims (12)
- 鉄(Fe)が0.2〜2.0質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなる、半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線において、
当該アルミニウム合金細線のアルミニウム(Al)マトリックス中に鉄(Fe)が0.01〜0.05%固溶されており、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織が数μmオーダーの均質な微細再結晶組織でその組織の界面および内面に鉄(Fe)・アルミニウム(Al)の金属間化合物粒子が一様に晶出していることを特徴とする半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。 - 上記アルミニウム(Al)マトリックス中に鉄(Fe)が0.02〜0.05%固溶されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記アルミニウム合金細線の残部アルミニウム(Al)の純度が99.995質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記アルミニウム合金細線の残部アルミニウム(Al)の純度が99.998質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記アルミニウム合金細線の線径が50〜500μmであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記微細再結晶組織の平均粒径が線径の0.5〜5%の大きさであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記微細再結晶組織がもとの線径に対して90%以上の連続伸線加工が冷間でされたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記微細再結晶組織が溶体化処理後に冷間で連続伸線加工されたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記微細再結晶組織が一連の順序で溶体化処理、冷間で連続伸線加工および調質熱処理されたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記微細再結晶組織が溶体化処理、冷間で連続伸線加工処理および300℃〜500℃、60分の調質熱処理という一連の順序で処理されたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記アルミニウム合金細線が25〜40Hvのビッカース硬度であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
- 上記アルミニウム合金細線のIACSの導電率が62%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
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