JP5606192B2 - Ａｌめっき鋼線を用いたワイヤボンディング構造 - Google Patents

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Description

本発明は、電子回路基板上の導電体表面同士を金属ワイヤによって接続したワイヤボンディング構造に関する。本明細書でいう「電子回路基板」とは、半導体部品が搭載される配線基板であり、絶縁板の表面に回路を構成する導電層が形成されているものである。例えば、プリント配線板や、パワー半導体チップを搭載するセラミックス板などが挙げられる。
半導体チップを搭載した基板においては、半導体チップとその周辺回路との導通を金属ワイヤによって行うことがある。また、電子回路パターン上の２点間を３次元的に接続する必要がある場合などにも金属ワイヤによる接続を採用することがある。このように電子回路基板上の導電体表面同士を金属ワイヤによって接続した構造を本明細書ではワイヤボンディング構造と呼んでいる。導電体表面と金属ワイヤとの接合は、フラックスを使用する必要がなく、かつ接合面の表面酸化皮膜が除去されやすい超音波接合による場合が多い。
一般に電線としては銅線が種々の用途で広く使用されている。しかし、電子回路基板上のワイヤボンディング用途では、表面酸化による接合不良の問題が少ないアルミニウム線が主として採用されてきた。ただし、アルミニウムの導電性は銅よりも劣るため、導電性を向上させる手法として、銅芯線の表面にアルミニウムを被覆したもの（特許文献１）、アルミニウム層の間に銅層をサンドイッチ状に挟んだリボン状のもの（特許文献２）などが提案されている。
特開２０００−３１１９４号公報 特開２００７−３２４６０３号公報 特開２００９−１７９８６５号公報
電子回路基板上に設けられるボンディングワイヤは通電を担うことから、一般的には高い導電性を有することが有利となる。特許文献１、２の技術もそのような観点から導電性の向上を目的としたものである。ところが最近では、電気モーターで駆動する自動車の開発が盛んになり、その制御系に用いるパワーモジュールでは振動や衝撃に強いことが重視される。また、半導体モジュールの小型化や配線の複雑化に対応しやすいよう、従来より細径のボンディングワイヤを適用したいというニーズも増えつつある。これらの用途に用いるボンディングワイヤには、多少の導電性低下を許容してでも、より高強度化を図ったものが要求される場合がある。
従来の伸線加工したアルミニウム線を用いたワイヤボンディング構造の場合、通電時の昇温によって「へたり」が生じやすく、ワイヤに強い応力を加える試験を行うと超音波接合箇所の近傍で破断しやすい（ネック切れ）。実際の製品として使用中にそのような強い応力が加わることは直接的には想定しにくいが、ワイヤボンディングを終えた製品を取り扱う場合などに、ボンディングワイヤに不慮の外力が付与されると、ワイヤボンディング構造は損傷を受けやすい。また、伸線工程やボンディング工程で作業速度を上げた場合には線材中に導入される欠陥（例えば微細な表面凹凸など）が増大することがあり、それを起点としたトラブルが生じやすくなることが懸念される。このため、ワイヤボンディング工程を終了した製品は、樹脂で封止した後に機器に搭載されるのが通常である。
本発明は、半導体モジュールなどに使用される電子回路基板において、振動・衝撃に強く、小型化・複雑化への対応もしやすい、より高強度化されたワイヤボンディング構造を提供することを目的とする。
上記目的は、鋼芯線の周囲を溶融Ａｌめっき層で被覆した、外径０.０８〜０.６ｍｍ、長手方向に垂直な断面に占める鋼芯線の面積率が１５〜９８％であるＡｌめっき鋼線によって、電子回路基板上の導電体表面同士を接続してなるワイヤボンディング構造によって達成される。ここで「導電体」としては、電子回路基板上に設けられた回路の導電層や、半導体チップの表面に形成された電極パッドが挙げられる。
前記導電体表面は、Ａｌ、Ａｌ合金またはＮｉで構成されるものが好適な対象となる。Ａｌめっき鋼線と導電体表面は例えば超音波接合される。
溶融Ａｌめっき層は、例えばＳｉ：０〜１２質量％、残部Ａｌおよび不純物からなるものが採用される。
前記導電体表面の一方を、半導体チップの表面に形成された電極パッドとすることができる。
Ａｌめっき鋼線は、長手方向に垂直な断面において、鋼芯線とＡｌめっき層の間に介在するＦｅ−Ａｌ系合金反応層の平均厚さが０〜１０μｍであることが好ましい。
本発明によれば、電子回路基板のワイヤボンディング構造においてボンディングワイヤにＡｌめっき鋼線を使用したことにより、従来一般的なアルミニウム線を使用したものよりも強度に優れるワイヤボンディング構造を提供することが可能となった。このため、ワイヤボンディングされた製品の樹脂による封止を省略した場合でも、ワイヤボンディング構造の強度面での信頼性は高く維持される。このワイヤボンディング構造は、導電体表面（電極パッドなど）との接合性が従来のアルミニウム線と同様に良好であり、また、ボンディング工程の作業速度を向上した場合でもワイヤの健全性を維持しやすい。したがって本発明は、特に自動車に搭載され振動に曝されるパワーモジュールにおいて、その生産性向上および信頼性向上に寄与しうる。
本発明のワイヤボンディング構造を有する電子回路基板およびその周辺部材の断面構造を模式的に例示した図。 本発明のワイヤボンディング構造を有するパワーモジュール用電子回路基板およびその周辺部材の断面構造を模式的に例示した図。 従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む断面内の浴面形態を模式的に示した図。 厚い溶融Ａｌめっき層を有するボンディングワイヤ用のＡｌめっき鋼線に適した特殊な製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態の一例を模式的に示した図。 図４のＡ方向から水平に見た場合の、鋼線、ノズルおよび浴面窪みの位置関係を模式的に示した図。 超音波接合サンプルの断面を模式的に示した図。 超音波接合サンプルについて、ボンディングワイヤをアルミニウム板に対し図６の矢印方向（板面に平行方向）に引っ張った場合の破断強度を示したグラフ。
図１に、本発明のワイヤボンディング構造を有する電子回路基板およびその周辺部材の断面構造を模式的に例示する。高さ方向の寸法は一部誇張して描いてある（後述図２において同じ）。電子回路基板１の上に半導体チップ２がヒートシンク７を介して搭載されている。半導体チップ２の表面には周辺回路と導通を取るための電極（導電体３）が設けられている。この導電体３は電極パッドと呼ばれることもある。一方、電子回路基板１上には回路パターンを構成する導電体４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄがある。このうち、導電体４ａは半導体チップ２と導通を取るための電極であり、リード電極と呼ばれることもある。これら双方の電極（導電体３、４ａ）の表面はボンディングワイヤ５Ａによって接続され、両電極間の通電が実現される。また、導電体４ｃにより隔てられた位置関係にある導電体４ｂと４ｄとの間で導通を取りたいときには、４ｃを跨いで３次元的にワイヤで接続する必要が生じることがある。ボンディングワイヤ５Ｂはそのような接続を担うものである。
ボンディングワイヤとしては、従来主としてアルミニウム線が用いられていたが、本発明のワイヤボンディング構造ではＡｌめっき鋼線が適用される。導電体３としてはＡｌ系またはＣｕ系の金属が使用され、回路パターンを構成する導電体４ａ〜４ｄとしては主としてＣｕ系の金属が使用される。ただし、これらの導電体３、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの表面にＣｕ系金属が露出していると表面酸化が問題となりやすいので、必要に応じてＮｉめっきが施される。すなわち、導電体３、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの表面は一般にＡｌ、Ａｌ合金またはＮｉであることがより好ましい。導電体３、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの表面とボンディングワイヤ５Ａあるいは５Ｂとの接合は例えば超音波接合によって行われる。
図２に、本発明のワイヤボンディング構造を有する電子回路基板およびその周辺部材の別の態様における断面構造を模式的に例示する。これは電子回路基板およびその周辺部材によりパワーモジュールが構成されている場合の例である。電子回路基板１の上に半導体チップ２がはんだ層１１を介して搭載されている。電子回路基板１はセラミックス板１０の両面にＡｌ系あるいはＣｕ系等の導電層２０を備えている。パワーモジュールでは半導体チップ２から多量の熱が発生するため、電子回路基板１は大型のヒートシンク７の上に設けられることが多い。電子回路基板１とヒートシンク７の間には、熱膨張差に起因する歪を緩和するために、必要に応じて緩衝材６がはんだ層１２、１３を介して接合される。
半導体チップ２の表面には周辺回路と導通を取るための電極（導電体３）が設けられている。この導電体３は電極パッドと呼ばれることもある。一方、電子回路基板１の半導体チップ搭載面には、導電層２０によって半導体チップ２の周辺に回路が形成されている。その回路の一部分は半導体チップ２と導通を取るための電極（導電体４）となっている。この導電体４はリード電極と呼ばれることもある。これら双方の電極（導電体３、４）の表面はボンディングワイヤ５によって接続され、両電極間の通電が実現される。
図２の態様においても、ボンディングワイヤ５には従来主としてアルミニウム線が用いられていたが、本発明のワイヤボンディング構造ではＡｌめっき鋼線が適用される。導電体３、４としては、Ａｌ系またはＣｕ系の金属が使用されるが、図１の場合と同様、必要に応じてＮｉめっきが施される。導電体３、４の表面とボンディングワイヤ５との接合は例えば超音波接合によって行われる。
図１、図２に示されるような、Ａｌめっき鋼線を用いたワイヤボンディング構造とすることにより、強度面での信頼性が大幅に向上する。また、ワイヤ断面における鋼芯線の面積率（換言すればＡｌ被覆の面積率）をコントロールすることにより、必要な導電性を確保することができる。
〔Ａｌめっき鋼線〕
本発明に適用するＡｌめっき鋼線は、鋼芯線の周囲を溶融Ａｌめっき層で被覆したものである。「溶融Ａｌめっき層」は、後述するように溶融Ａｌめっき浴に浸漬することにより形成されるめっき層である。溶融Ａｌめっきは後述するように、いわゆる純Ａｌめっきの他、Ｓｉを１２質量％以下の範囲で含有するＡｌ−Ｓｉ合金めっきが好適な対象となる。
Ａｌめっき鋼線は、外径０.０８〜０.６ｍｍ、かつ長手方向に垂直な断面に占める鋼芯線の面積率が１５〜９８％に調整されたものを使用する。以下、線材に関し単に「断面」および「断面積」というときは、特に断らない限りそれぞれ「長手方向に垂直な断面」および「長手方向に垂直な断面の面積」を意味する。外径は、当該線材の断面積と同じ断面積を持つ円の直径に相当する「円相当径」が採用される。
Ａｌめっき鋼線の断面内部に存在する鋼芯線はボンディングワイヤの高強度化に寄与する。その周囲のＡｌめっき層は良好な導電性の確保、耐食性の確保、および導電体表面との超音波接合性の確保に寄与する。
Ａｌめっき鋼線の外径が上記範囲より小さい場合、あるいは鋼芯線の面積率が上記範囲より小さい場合は、アルミニウム線に対する強度向上効果を十分に得ることが難しくなる。また、そのようなＡｌめっき鋼線で欠陥の少ない健全なものを工業的に製造することは必ずしも容易でない。
一方、Ａｌめっき鋼線の外径が上記範囲より大きい場合は、機器の小型・高密度化の指向に逆行する。また、ワイヤボンディング作業に掛かる負荷も大きくなる。
鋼芯線の面積率が上記範囲より大きい場合は、同等の線径を有するアルミニウム線と比べ導電性が著しく低下する。また、強度が過剰となり製造性を損なう要因となる。さらに、相対的にＡｌめっき層の被覆量が少なくなるので、超音波接合等において良好な接合強度を安定して得るための条件範囲が狭くなる。
Ａｌめっき鋼線の外径は上記のように０.０８〜０.６ｍｍの範囲で設定することが望まれるが、０.１〜０.５ｍｍの範囲とすることがより好ましい。また、断面に占める鋼芯線の面積率は上記のように１５〜９８％の範囲とすることが望まれるが、１７〜９７％の範囲とすることがより好ましく、２５〜８５％の範囲に管理してもよい。
比較的太い鋼線の表面に薄いＡｌめっき層を形成することはそれほど困難ではなく、従来から耐食性向上などの目的で実施されている。しかしながら、線径の細い鋼芯線の表面を厚い溶融Ａｌめっき層で被覆することはかなり難しい。鋼芯線の線径が細くなると、溶融めっき浴から引き上げる際に溶融Ａｌめっきが鋼芯線に随伴して持ち上がりにくくなるため、めっき付着量を安定して増大させることが非常に難しくなるのである。
本出願人は、細径の鋼芯線の表面を厚い溶融Ａｌめっき層で被覆する手法の一つとして、Ｚｎめっき鋼線を芯線として適用することが効果的であることを見出し、特許文献３に開示した。また、工業的に安定して細径の鋼芯線の表面に厚い溶融Ａｌめっき層を形成する手法として、溶融Ａｌめっき浴から鋼線を引き上げる際に、鋼線の水平方向両側における浴面高さに差が生じる状態を作ることが極めて有効であることが明らかとなり、その技術を特願２００９−２４０１５７号に開示した。本発明ではこれら技術を利用して製造される溶融Ａｌめっき鋼線を適用することができる。以下に、特願２００９−２４０１５７号に開示した溶融Ａｌめっき鋼線製造技術を簡単に説明する。
図３に、従来の溶融Ａｌめっき鋼線の製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含む断面内の浴面形態を模式的に示す。図中、線径およびめっき層厚さは誇張して描いてある（後述の図４、図５において同じ）。溶融Ａｌめっき浴３０に浸漬された鋼線５１は連続的に気相空間４０へ矢印の方向に引き上げられ、Ａｌめっき層５２で被覆された溶融Ａｌめっき鋼線５０が得られる。この場合、浴面３１の平均高さは、引き上げられる鋼線５１の周囲においてほぼ一定である。引き上げられる鋼線３１に随伴して溶融Ａｌのメニスカス３２が形成され、このメニスカス３２を構成する溶融Ａｌの一部が鋼線５１の表面に付着して持ち上げられ、これがＡｌめっき層５２となる。鋼線５１の径が例えば０.６ｍｍ程度以下と小さい場合は、鋼板や太径の鋼線に溶融Ａｌめっきを施す場合とは異なり、ライン速度を大きくしても鋼線５１の表面に付着して立ち登る溶融Ａｌの量（めっき厚さ）を増大させることは難しい。つまり、メニスカス３２を構成する溶融Ａｌは溶融Ａｌめっき浴３０の中へ流れ落ちやすい。このため、細径の鋼線に厚い溶融Ａｌめっき層を形成させることは容易でない。
図４に、厚い溶融Ａｌめっき層を有するボンディングワイヤ用のＡｌめっき鋼線に適した特殊な製造方法における、めっき浴面から引き上げられる鋼線の中心線を含むある断面内の浴面形態の一例を模式的に示す。溶融Ａｌめっき浴３０から気相空間４０へ連続的に引き上げられる鋼線５１の周囲の一部領域に、鋼線５１の表面通過位置に沿って浴面窪み６０が形成されている。図示された断面内において、鋼線５１に沿う浴面は、浴面窪み６０の部分とその反対側で高さに差が生じている。すなわち浴面窪み６０の部分における浴面３３の平均高さをｈ1、反対側の浴面３１の平均高さをｈ2とするとき、浴面から引き上げられる鋼線５１の中心線を含むある平面内で、鋼線５１の水平方向両側における浴面平均高さにΔｈ＝ｈ2−ｈ1の差が生じている。このような浴面状態を維持しながら鋼線５１を引き上げると、浴面が低い側に形成されるメニスカス３４に比べ、浴面が高い側に形成されるメニスカス３５を著しく発達させることができる。
このように、引き上げられる鋼線５１の周囲の一部に巨大化したメニスカスが形成されているとき、その巨大メニスカスからのＡｌ供給を利用して、溶融Ａｌめっき層５２の平均厚さ（めっき付着量）を顕著に増大させることができるのである。上記の浴面窪み６０を形成させる手法としては、気相空間４０の側に気体を吹き出すためのノズルを配置し、引き上げられる鋼線５１の周囲のめっき浴面の一部領域に気相空間４０の側から局所的に窒素などの気体を吹き付ける手法が採用できる。気体の吹き付け量（すなわち前記Δｈの大きさ）や、引き上げ速度などの条件によってめっき付着量をコントロールすることができる。
図５に、図４のＡ方向から水平に見た場合の、鋼線、ノズルおよび浴面窪みの位置関係を模式的に示す。気相空間４０に設置するノズル６１は浴面３１に対して斜め上方から気体６２を吹き付けるように配置することが望ましい。
溶融Ａｌめっき浴は、Ｓｉ含有量を０〜１２質量％とすることができる。すなわち、Ｓｉ含有量が０〜１質量％のいわゆる純Ａｌめっき浴を適用することができる他、Ｓｉ含有量が１２質量％以下のＡｌめっき浴を適用することもできる。Ｓｉを添加することによりＦｅ−Ａｌ反応層の成長を抑制することができ、伸線加工性の向上に有効となる。また、Ｓｉ添加により融点が低下するので、製造が容易となる。ただし、Ｓｉ含有量が増加するとＡｌめっき層自体の加工性が低下する。また導電性低下にも繋がる。したがって、Ａｌめっき浴にＳｉを含有させる場合は１２質量％以下の範囲で行うこと望ましい。なお、浴中の不純物として、Ｆｅ：４質量％以下、Ｚｎ：１質量％以下が含まれていて構わない。
溶融Ａｌめっきを行う直前に、還元性ガス雰囲気中（例えばＨ2−Ｎ2混合ガス中）で加熱処理を施して、鋼の表面を活性化した状態の鋼線を適用することができる他、表面にＺｎめっき、Ｎｉめっき、Ｃｕめっき、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき、Ｃｕ−Ｚｎ合金めっきなどの「プレめっき」を施した鋼線を適用することができる。プレめっきを施し、かつ還元性ガス雰囲気中での加熱を行ってもよい。なお、プレめっき層は、溶融Ａｌめっき浴中でその全部または大部分が溶融Ａｌと反応する。このため、溶融Ａｌめっき鋼線の断面においてこれらのプレめっき層は観測されないことが多い。
溶融Ａｌめっきを終えたＡｌめっき鋼線は、通常、伸線加工に供され、所定の線径を有するＡｌめっき鋼線とされる。
溶融Ａｌめっき鋼線は、めっき浴中で鋼線の表面が溶融Ａｌと反応することから、断面には通常、鋼芯線とＡｌめっき層の間にＦｅ−Ａｌ系合金反応層が介在する。この反応層は脆いため、ボンディング構造の強度を向上させるためには、反応層の厚さはできるだけ薄いことが有利となる。生成するＦｅ−Ａｌ系合金反応層の厚さは、めっき浴中の浸漬時間（ラインスピード）や、プレめっきの有無などによってコントロールすることができる。種々検討の結果、ボンディング構造の信頼性を特に重視する場合には、ボンディングワイヤーの段階で、鋼芯線とＡｌめっき層の間に介在するＦｅ−Ａｌ系合金反応層の平均厚さが０〜１０μｍであることが望ましく、０〜５μｍ以下であることがより好ましい。ボンディングワイヤーの段階でのＦｅ−Ａｌ系合金反応層の平均厚さは０.５μｍ以上となる場合が多いが、伸線加工度によってはＦｅ−Ａｌ系合金反応層の厚さが算出できない程度に薄くなる場合もある。上記範囲の下限の０μｍはそのような場合を意味する。
鋼芯線とＡｌめっき層の間に介在するＦｅ−Ａｌ系合金反応層の平均厚さｈ（μｍ）は、Ａｌめっき鋼線の断面の観察画像において、鋼芯線の円相当径をＤ（μｍ）、断面内に存在する反応層のうち鋼芯線とＡｌめっき層の間に介在している反応層（すなわちＡｌめっき層中に島状に分離して存在する反応層は含まない）の合計面積をＳ1（μｍ2）、円周率をπとするとき、次式により定めることができる。
［反応層の平均厚さｈ］＝Ｓ1／（πＤ）
ここで、分母のπＤは鋼芯線の円周長さに相当する。反応層は概念的にその円周より外側に存在するので、数学的な正確さからは、反応層の平均厚さｈは上式により定まる値よりも僅かに小さい値となる。しかし、ｈはπＤに比べ十分に小さいので、本願では上式により近似したｈの値を反応層の平均厚さとして採用することができる。なお、上記のＤおよびＳ1は例えば断面の観察画像（例えばＳＥＭ画像）を画像処理することにより求めることができる。
〔導電体表面〕
本発明のワイヤボンディング構造において、Ａｌめっき鋼線の接合相手材となる電子回路基板上の導電体表面としては、従来、アルミニウム線によるボンディング構造に適用されていた種々のものがそのまま適用できる。例えば、導電体表面はＡｌ、Ａｌ合金またはＮｉで構成されていることが望ましい。Ｎｉは、例えば銅系材料やアルミニウム系材料の表面に形成されたＮｉめっき層が例示できる。
〔接合〕
Ａｌめっき鋼線と導電体表面の接合には、超音波接合が適している。基本的には従来のアルミニウム線を用いたワイヤボンディングと同様の手法で超音波接合を行えばよい。ただし、同じ線径でＡｌめっき鋼線とアルミニウム線の超音波接合条件を比較すると、Ａｌめっき鋼線の場合はアルミニウム線の場合よりも超音波出力を増大させ、かつ接合時に付与する荷重（接合荷重）を増大させることが望ましい。従来、鋼線によるワイヤボンディングは、良好な超音波接合条件を見出すことが困難であるために、工業的には実現されていなかった。しかし、Ａｌめっき鋼線を適用すると、良好な超音波接合条件の範囲を比較的容易に見出せることがわかった。すなわち、鋼線であってもＡｌめっきを施すことによってワイヤボンディングが可能となる。
ボンディングワイヤとして、表１に示す２種類のＡｌめっき鋼線（発明対象材）、およびアルミニウム線（従来材）を用意した。
このうち、Ａｌめっき鋼線は、質量％でＣ：０.２４〜０.３１％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.３〜０.６％、Ｐ：０.０３０％以下、Ｓ：０.０３０％以下、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の範囲内にある鋼線に、純Ａｌめっき浴（前述）を用いた溶融Ａｌめっきを施し、その後、伸線加工を施して外径０.３ｍｍとしたものである。伸線加工後の断面における鋼芯線とＡｌめっき層の間に介在するＦｅ−Ａｌ系合金反応層の平均厚さは、いずれも５μｍ以下であることが確認された。
アルミニウム線は、従来からワイヤボンディング用に使用されている外径０.３ｍｍの高純度アルミニウム線である。表１中の「破断荷重」は、外径０.３ｍｍの線材を引張試験に供した際の破断荷重を概略値として示したもの（アルミニウム線は製品のカタログ値）である。
一方、電子回路基板上の導電体表面を模擬して、板厚１ｍｍのアルミニウム板（Ａ１０１５相当品）を用意した。
Figure 0005606192
上記の各ボンディングワイヤを上記のアルミニウム板の表面に超音波接合して、超音波接合サンプルを得た。表２に超音波接合条件を示す。この条件は、多くの予備実験データに基づき、それぞれの材料で良好な超音波接合が実現できる条件範囲の中から比較的実用的であると考えられる条件を選択したものである。
Figure 0005606192
まず、図１のワイヤ５Ｂに相当する態様でボンディング構造を形成した超音波接合サンプルについて、ボンディング線のショート（短絡）の起こりにくさを評価した。図１の４ｂと４ｄに相当する導電体表面の超音波接合部の間隔（内寸）は１５ｍｍ、ボンディングワイヤの頂部の高さは、半導体回路基板１の表面から７ｍｍとした。そして、ボンディングワイヤの頂部を半導体回路基板方向へ押し込む下向きの荷重を負荷した。
その結果、ボンディングワイヤがアルミニウム線（試料Ｎｏ.１１）の場合は、１０ｇf以下の力で５ｍｍ以上の押し込みが発生し、ワイヤが塑性変形した。しかし、ボンディングワイヤがアルミめっき鋼線（試料Ｎｏ.１）では２０ｇｆの力を加えても頂部が弾性変形するのみで、負荷荷重を取り去ると変形は元に戻った。すなわち、アルミめっき鋼線は、アルミニウム線よりも剛性が高いため、不慮の荷重が加わってもボンディングワイヤのショートが起こりにくい。
次に、超音波接合部の引張試験を行った。図６に、その超音波接合サンプルにおける、ボンディングワイヤの長手方向およびアルミニウム板の板厚方向に平行な断面を模式的に示す。ボンディングワイヤ５とアルミニウム板７０が接合部７１において超音波接合されている。接合長さは０.１５ｍｍとした。ボンディングワイヤ５には接合部７１の部分に、くびれ７２が形成されている。くびれ７２は超音波接合時の荷重により線材が塑性変形して潰れている部分である。図中、くびれ７２のサイズは誇張して描いてある。
超音波接合サンプルについて、ボンディングワイヤ５をアルミニウム板７０に対し図６の矢印方向（板面に平行方向）に引っ張り、破断強度を測定した。試験数ｎ＝３で実施した結果を図７に示す。Ａｌめっき鋼線を用いたワイヤボンディング構造の破断強度は、アルミニウム線を用いたものに比べ、非常に大きい値を呈した。すなわち、Ａｌめっき鋼線をボンディングワイヤに使用することにより、ワイヤボンディング構造の強度面での信頼性が大幅に向上することが確認された。
表２の条件で超音波接合した場合の破断形態については以下のこと明らかとなった。
（１）アルミニウム線を用いたワイヤボンディング構造では、図６のｘと表示した部位（接合部７１より引張り方向位置のくびれ７２部分）で線材が破断した。また、超音波接合部での離脱は生じなかった。すなわち、破断の原因は、線材自体の強度が低いことに起因するものであった。
（２）Ａｌめっき鋼線を用いたワイヤボンディング構造では、超音波接合部において、「アルミニウム板と接合しているＡｌめっき層」と、鋼芯線との界面で、Ａｌめっき層が剥離することにより破断することがわかった。図６のｘと表示した部位での線材の破断は起こらず、また超音波接合部でＡｌめっき層とアルミニウム板との接合が外れることもなかった。すなわち、鋼芯線とＡｌめっき層の界面で剥離が生じるものの、その破断強度はアルミニウム線自体の破断強度をはるかに上回るものであるから、めっき密着性は十分であると言える。また、そのように高い破断強度においてもＡｌめっき層とアルミニウム板との接合状態は維持されることから、Ａｌめっき鋼線を使用した場合の超音波接合性は良好であると評価される。
１ 電子回路基板
２ 半導体チップ
３、４、４ａ〜４ｄ 導電体
５、５Ａ、５Ｂ ボンディングワイヤ
６ 緩衝材
７ ヒートシンク
１０ セラミックス板
１２ はんだ層
２０ 導電層
３０ 溶融Ａｌめっき浴
３１ 浴面
３２ メニスカス
３３ 浴面
３４、３５ メニスカス
４０ 気相空間
５０ 溶融Ａｌめっき鋼線
５１ 鋼線
５２ Ａｌめっき層
６０ 浴面窪み
６１ ノズル
６２ 気体
７０ アルミニウム板
７１ 接合部
７２ くびれ

Claims (3)

  1. 鋼芯線の周囲を溶融Ａｌめっき層で被覆した、外径０.０８〜０.６ｍｍ、長手方向に垂直な断面に占める鋼芯線の面積率が２５〜９８％であるＡｌめっき鋼線によって、超音波接合により電子回路基板上の導電体表面同士を接続してなるワイヤボンディング構造。
  2. 前記導電体表面は、Ａｌ、Ａｌ合金またはＮｉである請求項１に記載のワイヤボンディング構造。
  3. 前記導電体表面の一方が半導体チップの表面に形成されたものである請求項１または２に記載のワイヤボンディング構造。
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