JP2014047417A - アルミニウム合金ボンディングワイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有し、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に冷間伸線組織を有し、ビッカース硬さが21〜30Hvのアルミニウム合金ボンディングワイヤであって、さらに、ジルコニウム(Zr)を0.01〜0.2質量%添加して強化する。ボンディング時には柔らかいため、チップ割れを生じることなく接合し、その後時効熱処理処理を行って、高温強度を向上する。
【選択図】図1
Description
そこで、比抵抗が比較的小さく、機械的強度が比較的高く、且つ、耐熱性にも優れた配線材料として、以下のアルミニウム(Al)中にスカンジウム(Sc)を固溶したアルミニウム合金がある。
まず、特開平7−316705号公報(後述する特許文献1)では、「約0.1〜0.3重量%のScを含み、残余がAlと約0.05重量%以下の不純物とから成ることを特徴とする配線材料」が開示され、「純度が99.95%以上の純アルミニウムを使用し、このアルミニウムに合金全体の重量比で約0.1〜約0.3%のスカンジウム(Sc)を添加し(同0012段落)」、「圧下率50%で塑性加工を行ない、400〜500℃で約1時間の熱処理を行なった(同0016段落)」と記載されている。
また、特開2001−348637号公報(後述する特許文献2)では、「純度が99.95%以上の純Alマトリックス中に、重量比で0.05〜0.3%のScおよび0.1〜0.4%のZrを含むことを特徴とするアルミニウム合金材(請求項1、ほか)」が開示され、「断面減少率80%以上の塑性加工(冷間加工)を行」って「300〜400℃×1hr前後の熱処理を施して、(同段落0024)」「導電率が60%IACS以上、引張強度が200MPa以上、280℃での引張強度残存率が90%以上であるもの(同段落0011)」が得られる。
このようなパワー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になる。 例えば、車載用に使用されるパワー半導体では、アルミニウム合金細線は最大で通常100〜150℃の接合部温度に耐える必要がある。このような温度領域下で軟化しやすい高純度のアルミニウム(Al)だけからなる純アルミニウム合金細線は、高温環境下で使用される装置においては実用化されていなかった。
すなわち、スカンジウム(Sc)を所定量含有するアルミニウム(Al)合金配線材料を中間熱処理により微細Sc析出物を全て強制的に固溶させる溶体化処理を行った後、所望の線径まで伸線し、調質熱処理をScが微細析出しない温度・条件で行うことにより、Scによる時効硬化を抑制することができることを確認した。
この状態において、アルミニウム合金配線材料は柔らかく、塑性変形しやすいため、所望の線径に冷間伸線加工をした上記組成のアルミニウム合金細線は、純アルミニウム合金細線と同様にアルミパッドへ超音波ボンディングして所定の回路に配線することができる。
また、スカンジウム(Sc)に加えて、ジルコニウム(Zr)を一定量添加することにより、同様の効果を得ることができることが確認された。ジルコニウム(Zr)添加は、アルミニウム(Al)合金配線材料においてスカンジウム(Sc)と同様の作用を発揮するとともに、時効硬化の温度履歴に対する時間的な安定性を向上する効果がある。
この調質熱処理によって、強制固溶後の冷間伸線による冷間伸線組織はワイヤボンディングに適した機械的性質の再結晶組織となる。
調質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。調質熱処理は、数秒〜数十秒間で行われるため、アルミニウム(Al)マトリックスからAl3Sc粒子が析出しないからである。同様にして、調質熱処理をしたアルミニウム合金配線材料をアルミパッドへ超音波ボンディングをしても、アルミニウム合金配線材料が硬化して半導体素子がチップ割れを起こすことはない。
そして、これらの配線後に時効熱処理を行うことにより、アルミニウム(Al)マトリックスからAl3Sc粒子が析出して、Al−Sc二元合金としての機械的強度を発揮することができる。これらの時効熱処理は、配線形成後の半導体装置の熱履歴に対する耐性などにより、例えば、樹脂封止前などに行なえばよい。
なお、パッドの材質は、主にアルミニウム(Al)およびアルミニウム(Al)合金であるが、アルミニウム合金配線材料と超音波接合性が良い銅(Cu)やニッケル(Ni)でも良く、金(Au)等の貴金属を被覆することもできる。
他方、配線後は、アルミニウム(Al)マトリックスからAl3Sc粒子を析出させ、配線の機械的強度を強化することができる。スカンジウム(Sc)の添加量は少なく、かつ、析出物とアルミニウム(Al)マトリックスとの整合性が良いことから、Al3Sc粒子が析出しても接合界面から機械的ひずみによるクラックが発生することはない。しかも、析出したAl3Sc粒子は、電気自動車等のパワー半導体における繰り返しの高温環境下でもほとんど粗大化することがない。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純度のアルミニウム合金細線が良く、パワーサイクル半導体に好適なアルミニウム合金配線材料となる。
この鋳塊を溝ロール圧延後、伸線加工して直径5mmのアルミニウム合金素線を作成した。次いで、この素線を630℃×120分の溶体化熱処理後、水中で急冷した。その後、直径0.5mmまで水中でダイヤモンドダイスを用いて連続伸線加工をした後、620℃×1分で調質熱処理をし、水冷した。
この試料を実施例1(サンプル1〜4)とした。この実施例1をアカシ社製型式MVK−G3のマイクロビッカース硬度計で測定した。測定した硬さを表1に示す。
この実施例1をSiチップ(厚さ0.5mm)上のAl−1.0%Si膜(厚さ4μm)上に以下の条件で100個超音波接合をした。
アルミニウム合金細線の線径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REB07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、荷重及び超音波条件については、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行い、全サンプル100個について同一条件でファーストボンド及びセカンドボンドの超音波ボンディングを実施した。超硬ツール及びボンディングガイドは、ワイヤサイズの合致した超音波工業社製のものを使用した。
次に、この接合されたアルミニウム合金細線の実施例1について、時効処理をした。時効処理条件は、300℃で2時間である。
次に、この接合されたアルミニウム合金細線の実施例1について、以下の試験を行った。
その結果を表1に示す。
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、1万回繰り返した。
熱衝撃試験によってワイヤ接合部にダメージを与えた結果について、次のせん断強度試験によってダメージの度合いを評価した。
せん断試験は、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、一千回、二千回、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。このグラフを実施例1(No.4)及び従来例とを対比して図1に示す。
初期のせん断強度と繰り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倍未満のものを×、2倍以上のものを○とした。なお、試験高さは、5μm、試験速度は500μm/秒であった。
ボンディング後の試料を、20%NaOH溶液でAl−0.1%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観察した。10箇所観察を行い、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。
次いで、これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で、超音波接合し、時効処理を行った。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で前記の試験を行った。それらの結果を表1に示す。
次いで、これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で、超音波接合し、時効処理を行った。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で前記の試験を行った。それらの結果を表1に示す。
次いで、これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で、超音波接合し、時効処理を行った。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で前記の試験を行った。それらの結果を表1に示す。
次いで、このサンプルについて、実施例1と同様の条件で、超音波接合し、時効処理を行った。
これらのサンプルについて、実施例1と同様の条件で前記の試験を行った。それらの結果を表1に示す。
〔従来例〕
(注1)Al原材料の純度は実施例1〜3(サンプルNo.1〜8)及び比較例1,2:99.99質量%、実施例5(サンプルNo.9):99.998質量%。
従来例Al原材料の純度は99.995質量%
(注2)実施例の溶体化後の冷却方法:水冷
また、ワイヤボンディング後の時効処理によって、その硬さが大きく向上し、Sc含有量が最小の0.15質量%でもビッカース硬さは38に達し、熱衝撃試験結果は良好であった。
ジルコニウム(Zr)は、スカンジウム(Sc)と同様の時効硬化作用があり、また、時効硬化したアルミニウム合金細線がその使用環境で温度変化にさらされるなどの温度履歴による劣化に対して安定化する作用があり、スカンジウム(Sc)の含有量の半分以下の添加量の範囲であれば、スカンジウム(Sc)と同様に扱うことができる。
また、スカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とジルコニウム(Zr)とからなるAl−Sc−Zr三元合金の場合は、スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%に対して、ジルコニウム(Zr)は第3の添加元素として、前記の含有量より低い微量な範囲においても効果を有し、0.01〜0.25質量%の範囲で好適であった。ただし、ZrはScよりも硬さに対する影響が大きいため、その含有量はScの半分以下とする必要がある。
溶体化処理後のビッカース硬さについては、チップ割れ防止の点から、表1の21Hv
よりも低くても、Sc添加により時効処理によって熱衝撃を向上できるため、その範囲は18Hv〜30Hvまで有効であった。
Claims (13)
- スカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とからなるAl−Sc二元合金において、
スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有し、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有し、時効熱処理前のビッカース硬さが21〜30Hvである、高温環境下で使用されることを特徴とする半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。 - スカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とからなるAl−Sc二元合金において、
スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有し、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有し、時効熱処理によってAl3Scの時効析出粒子を形成する、高温環境下で使用されることを特徴とする半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。 - スカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とジルコニウム(Zr)とからなるAl−Sc−Zr三元合金において、スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%、ジルコニウム(Zr)が0.01〜0.2質量%(ただし、ジルコニウム(Zr)はスカンジウム(Sc)の半分以下の量)および残部が純度99.998質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有し、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有し、ビッカース硬さが21〜30Hvのアルミニウム合金であって、高温環境下で使用されることを特徴とする半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- スカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とジルコニウム(Zr)とからなるAl−Sc−Zr三元合金において、スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%、ジルコニウム(Zr)が0.01〜0.2質量%(ただし、ジルコニウム(Zr)はスカンジウム(Sc)の半分以下の量)および残部が純度99.998質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有し、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有し、時効熱処理によってAl3Scの時効析出粒子を形成するアルミニウム合金であって、高温環境下で使用されることを特徴とする半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該アルミニウム合金のアルミニウム(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〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該スカンジウム(Sc)の添加量が0.1〜0.3質量%であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該再結晶組織が、強制固溶後水冷中で連続伸線加工された冷間伸線組織が調質熱処理により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のアルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該アルミニウム合金が超音波接合されたものであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該細線の線径が50〜500μm未満であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該高温環境が80℃〜300℃であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムウエッジボンディングワイヤ。
- 当該高温環境が150℃〜250℃であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置接続用アルミニウムエッジボンディングワイヤ。
- スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%および残部が純度99.99質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有するAl−Sc二元合金細線を溶体化処理によって強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有する細線としてウエッジボンディングを行い、
ボンディング後に時効熱処理を行う、ことを特徴とする高温環境下で使用される半導体装置接続方法。 - スカンジウム(Sc)が0.15〜0.5質量%、ジルコニウム(Zr)が0.01〜0.2質量%および残部が純度99.998質量%以上のアルミニウム(Al)からなる組成を有するスカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)とジルコニウム(Zr)とからなるAl−Sc−Zr三元合金細線を溶体化処理により、強制固溶されたアルミニウム合金マトリックス中に再結晶組織を有する細線としてウエッジボンディングを行い、ボンディング後に時効熱処理を行う、ことを特徴とする高温環境下で使用される半導体装置接続方法。
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