JP2020123678A - ボンディングワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】銅を芯材とする利点を得つつ、被覆するアルミニウム層の結晶粒の成長を抑制できるボンディングワイヤを提供する。【解決手段】本発明は、銅ワイヤでなる芯材部の表面に、電解めっきによってアルミニウム層を形成することを特徴とし、このような製造法によって、塑性加工を受けず、かつ微量不純物を含有するアルミニウム層を被覆層として形成することで、超音波接合が容易でありながら、装置使用時の高温下でも結晶粒の粗大化を防止できるボンディングワイヤとすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体のボンディング等に使用されるボンディングワイヤに関する。

ＩＧＢＴなどの大電流を流すパワー半導体チップを含むモジュールにおいて、電極や端子などの接合に、アルミニウムのボンディングワイヤを用いた超音波ボンディングが適用されている。
アルミニウムのボンディングワイヤは、銅に比べて低い硬さと低い耐力を有するため、半導体その他の構成部品への過大な応力が発生しにくく、取り扱いが容易という利点がある。

近年、このようなアルミニウムのボンディングワイヤに対して、体積抵抗率の低い銅のワイヤを芯材として表面にアルミニウム層を被覆したボンディングワイヤの提案がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。これは、銅のワイヤにアルミニウム層を被覆することで、超音波によるボンディング性と、低い体積抵抗率と、を得ようとしたものである。
具体的なアルミニウムの被膜形成の手法としては、銅インゴットにアルミニウム層を電解メッキで形成して、その後に伸線するという方法の提案がなされている（特許文献２参照）

特開２０００−３１１９４号公報 特開２０１４−１１２５８１号公報 国際公開第２０１０／０４４３０５号

特許文献１等に記載されるに銅を芯材としてアルミニウム層を被覆したボンディングワイヤでは、銅の利点を得つつ超音波ボンディングの適用が期待できる。
ところで、アルミニウムは、大電流が流れた時の発熱により組織中の結晶粒が成長して、強度が低下して、亀裂進展による破断などのリスクが大きくなるという懸念がある。
本発明者等の検討によれば、加熱による結晶粒の成長は、塑性加工した組織を有するアルミニウムに対して特に促進される。従い、銅をアルミニウム層で被覆して伸線加工したボンディングワイヤでも同様の課題があり、信頼性を高めるための新しい構成が必要である。

本発明の目的は、銅を芯材とする利点を得つつ、被覆するアルミニウム層の結晶粒の成長を抑制できるボンディングワイヤを提供することである。

本発明者等は、電気メッキによって形成される析出形態を維持した電解アルミニウムを用いることで、結晶粒の成長を抑制できることを知見し、本発明に到達した。すなわち、本発明は、銅ワイヤでなる芯材部と、該芯材部の表面に析出形態を維持した電解アルミニウム層部と、を有するボンディングワイヤである。

本発明によれば、ボンディングワイヤとして銅の低い体積抵抗率が利用できるとともに、熱によるアルミニウム層の結晶粒の再結晶化を抑制し、接合信頼性を高めることができる。従い、本発明は、ますます過酷な環境下に置かれるパワー半導体用途にとって有用な技術となる。

本発明の一例を示すボンディングワイヤの加熱試験前の断面のミクロ組織のＳＥＭ写真であって、（ａ）低倍率、と（ｂ）高倍率である。 本発明の一例を示すボンディングワイヤの加熱試験後の断面のミクロ組織のＳＥＭ写真であって、（ａ）低倍率、と（ｂ）高倍率である。 比較例のボンディングワイヤの加熱試験前の断面のミクロ組織のＳＥＭ写真であって、（ａ）低倍率、と（ｂ）高倍率である。 比較例のボンディングワイヤの加熱試験後の断面のミクロ組織のＳＥＭ写真であって、（ａ）低倍率、と（ｂ）高倍率である。

本発明の重要な特徴の一つは、ボンディングワイヤとして析出形態を維持した電解アルミニウムを適用したことにある。以下、詳しく説明する。
本発明者等は、アルミニウムの結晶粒粗大化という課題に着目し、種々の検討を行った。その結果、析出形態を維持した電解アルミニウムは、一般のアルミニウムボンディングワイヤに対して、結晶粒の粗大化を抑制できることを知見した。

この現象は、伸線加工等の塑性加工が適用された一般のアルミニウムボンディングワイヤにおいては、加工で生じた残留応力を開放しようとして結晶粒が成長する。それに対して、析出形態を維持した電解アルミニウムは、そのような塑性加工が加えられていないために残留応力が少なく、結晶粒の成長する駆動力が低いということが推定される。加えて、検討した析出形態を維持した電解アルミニウムには、Ｓ（硫黄）等のメッキ液由来の不純物を所定量含有していることが分かった。これらの不純物が粒界に濃化して、結晶粒の成長を抑制していると推定された。
本発明者等は、これらの知見に基づき、体積抵抗率の低い銅製のワイヤを芯材として、この芯材部の表面に析出形態を維持した電解アルミニウム層部を形成することで、本発明の構成に至ったものである。

以下、本発明のボンディングワイヤを得る方法について説明を加えておく。
まず、芯材となる銅ワイヤを準備する。銅ワイヤは用途・目的に応じて無酸素銅や銅合金など、種々の組成、サイズのものを用いることができる。銅ワイヤはφ０．１〜０．５ｍｍ程度のものが一般的であり、これを利用することができる。
銅ワイヤの表面は、電解析出のしやすさや密着性などの特性改善のため、洗浄などの処理を施してもよい。
銅ワイヤでなる芯材部の表面に電解アルミニウム層部を電気めっきで形成させる。ただし、電解アルミニウム層部を電気めっきで形成させる場合は、イオン化傾向に依存して、水系溶媒でなるメッキ液を適用できない。
そのため用いるメッキ液としては、ジメチルスルホンやトルエンなどの溶媒にアルミニウム塩を溶解させた溶液系のメッキ液、イミダゾリウム塩等とアルミニウム塩からなるイオン液体系のメッキ液、塩化カリウムや塩化ナトリウムとアルミニウム塩を高温で溶融させた溶融塩系のメッキ液が適用できる。

本発明者の検討によれば、粒成長しにくいアルミニウム層を形成させる観点に加え、形成後の洗浄の容易さや形成させたアルミニウム層の均一性といった観点から、ジメチルスルホンを溶媒に用いた溶液系のメッキ液が最も好適である。具体的には、（１）ジアルキルスルホン、（２）アルミニウムハロゲン化物、および、（３）含窒素化合物を含むめっき液を使用することができる。ここで用いる含窒素化合物は、ハロゲン化アンモニウム、第一アミンのハロゲン化水素塩、第二アミンのハロゲン化水素塩、第三アミンのハロゲン化水素塩、一般式：Ｒ^１Ｒ^２Ｒ^３Ｒ^４Ｎ・Ｘ（Ｒ^１〜Ｒ^４は同一または異なるアルキル基、Ｘは第四アンモニウムカチオンに対するカウンターアニオンを示す）で表される第四アンモニウム塩、含窒素芳香族化合物からなる群から選択される少なくとも１つを用いることができる。（特許文献３参照）

また、このメッキ液は吸湿性があり、吸湿によって液の劣化・分解のおそれがあるため、めっき槽や液を保存する容器内の水分管理は特に重要である。槽内の露点は−４０℃以下とすることが望ましい。
銅ワイヤをカソードに用い、アルミニウムをアノードに用いて、両電極間に直流電流を流すことで、電解アルミニウム層部を形成できる。このとき、製膜厚さや速度に応じて電流密度を調整すればよい。例えば、電流密度を一般的に８０〜６００ｍＡ／ｃｍ^２程度とすることができる。また、メッキ液の劣化を抑えるため、アノードは、純度９７ｍａｓｓ％以上のアルミニウムを適用することが望ましい。

形成させる電解アルミニウム層部の厚さは、２μｍ〜３０μｍが好ましく、より好ましくは５〜２０μｍである。２μｍ以下ではアルミニウム層が薄く、十分な接合強度が得られない場合や、超音波接合が難しい場合がある。一方、３０μｍ以上は、電気メッキによる形成に時間がかかることに加えて、ワイヤを折り曲げた際に電解アルミニウム層が厚すぎてクラックが生じたりワイヤーのハンドリングがし難くなる場合がある。

上記方法により、銅ワイヤの芯材表面に形成させた電解アルミニウム層部には、Ｓ＝０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％を含有させることができる。この範囲の含有量であると、脆化せず、結晶粒の抑制にも有効である。

芯材としてφ０．２５ｍｍの銅ワイヤ（ニラコ社製）を用意した。銅ワイヤの表面を、脱脂及び洗浄した後に乾燥して、清浄な状態とした。次に、ジメチルスルホン、塩化アルミニウム、塩化アンモニウムから成るメッキ液を用意した。メッキ液はモル比で、ジメチルスルホン：塩化アルミニウム：塩化アンモニウム＝１０：３．８：０．２で調合したものを用いた。そして、用意した銅ワイヤをカソードとし、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウムをアノードとし、カソードとアノードの間に１０分間通電した。通電は、両電極間に１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で９５〜１００℃の液温を維持する条件で行った。これにより、銅ワイヤの表面上に電解アルミニウム層部を形成し、本発明のボンディングワイヤを得た。得られたボンディングワイヤを、流水で洗浄し、エアブローで乾燥させた。

得られたボンディングワイヤについて、断面のミクロ組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、ＪＳＭ−７８００Ｆ、日本電子社製）で観察した。観察条件は、加速電圧５ｋＶ，作動距離４ｍｍとした。結果を図１に示す。図１に示す通り、本発明のボンディングワイヤは、銅ワイヤでなる芯材部１の表面には電解アルミニウム層部２が確認される。電解アルミニウム層部２のミクロ組織は芯材部に近い部分では結晶粒が小さくなっている典型的な析出組織であり、析出形態を維持している。銅ワイヤの芯材表面に均一に形成されていることがわかった。
また、得られたボンディングワイヤの成分分析を行った。測定はＳＥＭに備え付けられたＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置、ＪＥＤ−２３００ ＳＤ３０、日本電子社製）を用いた。測定条件は、加速電圧５ｋＶ、作動距離１０ｍｍ、スキャン数５０、測定領域１０μｍ×１００μｍの条件とし、電解アルミニウム層部２の中央部において組成分析を行った。その結果、Ｓ＝０．１ｍａｓｓ％、Ｃｌ＝０．１ｍａｓｓ％（残部＝Ａｌ）が検出された。

次に、本発明のボンディングワイヤの熱による粒成長を評価するため、加熱保持試験を行った。試験には恒温乾燥機（東京理化学社製、ＶＯＳ−３０１ＳＤ）を使用し、加熱保持条件は、大気雰囲気下、２４０℃で３０分とした。そして、試験後のボンディングワイヤについても上記と同様にミクロ組織を観察したところ、図２に示す通り、試験前の図１と比べて目立ったミクロ組織変化がなく、析出形態を維持した電解アルミニウム層部２が確認できた。この結果から、析出形態を維持した本発明の電解アルミニウム層部は、塑性加工が加えられていないために残留応力が少ないことなどにより、電解アルミニウム層部の結晶粒の成長が抑制されていると推定された。尚、ＥＤＸで上記同様に電解アルミニウム層部の組成を分析したところ、Ｓ＝０．１ｍａｓｓ％、Ｃｌ＝０．１ｍａｓｓ％（残部＝Ａｌ）が検出され、加熱保持試験前後で変化ないことを確認した。この結果から、電解アルミニウム層部は、不純物が所定量含有されていることも、粒成長の抑制に影響していると推定された。

次に、比較のために市販されている純度９９％、φ０．４５ｍｍのアルミニウムワイヤ（ニラコ社製）についても同様の加熱保持試験を行い、その試験前後で断面のミクロ組織を比較した。その結果を、図３、図４に示す。加熱試験前の図３に示したアルミニウムワイヤ断面３の結晶粒に比べて、加熱試験後の図４に示したアルミニウムワイヤ断面３の結晶粒は大きい。この結果から、明らかなように、アルミニウムワイヤは加熱試験後に結晶粒が再結晶化して粗大化していることがわかる。これによって、ワイヤの物性は大きく変化し、ワイヤの軟化やワイヤの破断などが起きやすくなるということが予想される。そして、図１、図２と比較すると明らかなように、本発明のボンディングワイヤは、電解アルミニウム層部の結晶粒の成長が抑制されており、接合信頼性が高いことが推定される。

１ 芯材部
２ 電解アルミニウム層部
３ アルミニウムワイヤ断面

Claims (1)

1. 銅ワイヤでなる芯材部と、該芯材部の表面に析出形態を維持した電解アルミニウム層部と、を有することを特徴とするボンディングワイヤ。