JP5680138B2 - 耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下で使用される半導体素子上の電極と外部電極とを接続するアルミニウム合金ボンディングワイヤに関し、特に、航空機、電気自動車、或いは船舶などの高温環境下で使用される半導体素子のボンディングワイヤにおいて、使用環境の水分によって発生する粒界腐食を抑制し、その耐久性、信頼性の向上を図るものである。

シリコン（Ｓｉ）、或いは、炭化シリコン（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体素子上のボンディングパッドやこれらの半導体素子を搭載した基板上の電極、或いはリードフレームには、主としてアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの素材が使用される。
これらの基板上の電極には金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの貴金属めっき、或いはニッケル（Ｎｉ）めっきが施されて使用されることがあるが、以下では特に断らない限りこれらをまとめて「アルミパッド」と称する。
これらの半導体素子のアルミパッドとリードフレームなどの電極を超音波ボンディングにより接続するには、６０％以上の高い導電率を有する高純度アルミニウム（Ａｌ）を用いたアルミニウム合金細線が使用される。
これらのアルミニウム合金細線として、一般に線径が５０〜５００μｍの丸細線が使用されるが、用途によっては線径が５０μｍ未満の極細線や５００μｍを超えるものも用いられ、また、これらの細線を押し潰した平角状細線（テープ）が使用されることもある。

このような高純度アルミニウム（Ａｌ）を用いたアルミニウム（Ａｌ）合金細線を高温・高湿度環境（雰囲気）下で使用する場合、特に、航空機、自動車、或いは船舶などで用いられる半導体素子の配線材料として使用する場合は、これらの環境における耐久性、信頼性を維持・確保することが困難となる問題があった。

そのような例として、比抵抗が比較的小さく、機械的強度が比較的高いと共に耐熱性に優れた配線材料として、次のアルミニウム（Ａｌ）中にニッケル（Ｎｉ）を固溶したアルミニウム合金がある。
特開昭５９−５６７３７号公報（後述する特許文献１）には、「高純度のＡｌに、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）の一又は二つの元素を含有せしめ、その含有量が０．００５〜０．２ｗｔ％であること、すなわち０．００５〜０．２ｗｔ％Ｎｉ又は０．００５〜０．２ｗｔ％Ｃｕを含有させ、或いはＮｉ及びＣｕをその合計量０．００５〜０．２ｗｔ％含有させたことを特徴とする。」ボンディング用アルミニウム（Ａｌ）細線が開示されている。

１５０℃以上の高温純水中での純度９９．９９％以上の高純度アルミニウムにおける腐食機構について、アルミニウムと水との化学反応によって、
２Ａｌ ＋ ３Ｈ_２Ｏ ＝ Ａｌ_２Ｏ_３ ＋ ６Ｈ ↑

という反応の起こることを問題とすべきこと、
「この反応で発生した水素のうち、アルミニウムの表面で分子状となってＨ_２ガスとして逸出して行くものはこのために容器内のガス圧が上がるだけであるが、「一部は原子状水素としてアルミナを拡散して抜け、アルミニウムの結晶粒界に沿って拡散侵入して、中でＨ_２分子を作って圧力をまし、このため、アルミニウムの地に粒界割れを起こさせる。そうすると、この割れに従ってアルミナの被膜も破れるので新しい水が浸入して中でアルミニウムと水との反応が起こり、また、原子状の水素が発生してこれがさらに中に侵入するということが繰り返される。このため、ついに結晶粒界から割れて崩壊するのであるという説明がよく行われている（軽金属協会編、アルミニウムハンドブック、後述する非特許文献１）。」
これらの反応機構に対して、前記特許文献１記載のニッケルを固溶したアルミニウム合金中では、その表面層でニッケルが触媒として作用して結晶組織中を移動しやすい原子状水素（Ｈ）をＨ_２とするために、原子状水素（Ｈ）がアルミニウムの結晶組織中に侵入することが抑止され、耐食性を改善していると考えられる

また、このような高純度アルミニウムに添加されたニッケル（Ｎｉ）などの効果について、非特許文献１には、「１％前後加えて第２相ＮｉＡｌ_３が出ていると、はなはだしく、高温水中での耐食性が向上することがわかっている（第１２７８頁中段）。」ことが記載され、特許文献１では「Ｎｉ、Ｃｕは夫々Ａｌのボンディング性および耐食性を高めるもので、・・・（中略）０．２ｗｔ％を超えるとＡｌ線が硬くなり超音波接合法においてペレット割れを起こす弊害がある。（第２頁第２〜７行目）」とされている。

しかしながら、近年ニッケル（Ni)は健康などに関して環境に与える影響が懸念される物質として取り上げられるようになって、用途によっては使用に制限が加えられており、今後さらに制限の範囲が拡大されることが予想されている。
他方、アルミニウム合金細線は、１００〜２００℃の耐熱性を必要とされる半導体、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に用いられるパワー半導体への利用が要望されており、その応用範囲は今後ますます拡大してゆくものと考えられる。このようなパワー半導体の動作条件は、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。このような高温環境下において使用される装置においては、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細線は実用化されていなかった。

このため、これらの分野において、ニッケル（Ni）フリーで、且つ、ニッケル（Ni）添加アルミニウム合金細線以上に高温、高湿度環境下での耐食性を向上したアルミニウム合金細線の開発が要望されていた。

特開昭５９−５６７３７号公報

軽金属協会編「アルミニウムハンドブック」、朝倉書店 ２００３年、ｐ１２７８〜１２８０「(a)アルミニウムおよびその合金の水に対する耐食性」

本願発明は、高純度アルミニウム（Ａｌ）だけからなる純アルミニウム合金細線と同じように半導体チップに対して軟らかいことにより、ワイヤボンディング時にはチップ割れなどを生じることがなく、かつ、高温・高湿度環境下においては従来のニッケル（Ｎｉ）添加アルミニウム合金細線と同等以上の耐食性を発揮して粒界腐食割れを起こさないアルミニウム合金細線を提供することを技術的課題とする。

本発明は、 純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムにロジウム（Ｒｈ）、及び／またはパラジウム（Ｐｄ）を１０〜２００質量ｐｐｍ含有せしめた、アルミニウム合金ボンディングワイヤであって、
これらの添加元素は、強制固溶されてアルミニウムマトリックス中に、アルミニウムとの金属間化合物の分散相を形成していることを特徴とし、
上記アルミニウムマトリックスの結晶粒径は１０〜１００μｍであって、
さらに、上記高純度アルミニウムの純度は、９９．９９８質量％以上であり、
上記アルミニウムとの金属間化合物の分散相は、連続伸線加工後に２００〜３００℃で熱処理することにより形成されたものであり、
上記ボンディングワイヤが、超音波接合されるものであり、
上記ボンディングワイヤの線径は、５０〜５００μｍであり、
上記ボンディングワイヤが、８０℃〜３００℃、もしくは１５０℃〜２５０℃で使用されるものである。

本発明の合金において、微量添加されたロジウム（Ｒｈ）、及びパラジウム（Ｐｄ）は、後述する実施例に示す一般的なワイヤ製造工程において、アルミニウムマトリックス中に固溶し、アルミニウムマトリックス中の結晶粒界に第２相としてアルミニウムとの金属間化合物の分散相を形成する。
このアルミニウムとの金属間化合物の分散相は、Ｒｈ，Ｐｄを所定量添加して溶融後凝固した鋳塊をその融点に近い温度で熱処理することによって合金マトリックス中に強制固溶し、連続伸線加工後に行う調質熱処理において結晶粒界にこれらの金属間化合物として析出させることにより、合金マトリックス中の均一な分散相として形成される（図３参照。）。
この金属間化合物の分散相による高湿度環境下における腐食防止のメカニズムについては、前述の先行技術におけるような表面層で前記の化学反応式で発生した原子状水素（Ｈ）をその触媒作用によってＨ_２に変換させて表面層から内部のマトリックス中への侵入を阻止するという作用のほか、
さらに、結晶粒界に第２相として分散する金属間化合物がこの結晶粒界を経由して侵入する原子状水素を同じくＨ_２に変えることによってさらに結晶粒界内部へ侵入することを効果的に阻止するものと考えられる。
この、アルミニウム合金マトリックス中の結晶粒界に第２相として析出した金属間化合物の状態は、図３を参照。
また、これらＲｈ，Ｐｄを含有しない高純度アルミニウムワイヤにおける、高湿度環境下の腐食状態は、図２に示すとおり表面の肥大したアルミナ膜から内部のアルミニウムマトリックス中に亀裂が形成されて腐食が進行するが、本発明の実施例の場合、図１に示すとおり、表面には薄く一様なアルミナ層が形成された状態のままで、その下のアルミニウム合金マトリックスには腐食による亀裂などは発生していない。

本発明のアルミニウム合金マトリックス中のロジウム（Ｒｈ）、及び／またはパラジウム（Ｐｄ）を添加した耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤは、高温・高湿度環境下でアルミニウムと反応して形成される原子状水素（Ｈ）の合金マトリックス中への侵入・拡散を阻止して、マトリックス中の粒界腐食を防止する。
このため、高温・高湿度環境下における耐食性を発揮すると共に、それらの合金組成によりワイヤの硬さを抑制してチップ割れを防止し、また、高純度アルミニウムと同等の導電性を維持する。

図１は、本発明の実施例３のアルミニウム合金細線の耐食性試験後の断面を示す。 図２は、比較例１のアルミニウム合金細線の耐食性試験後の断面を示す。 図３は、本発明の実施例８のアルミニウム合金細線断面の結晶粒界に析出した金属間化合物（矢印）を示すＴＥＭ観察写真。

本発明の実施例及び比較例として、表1に示す組成のアルミニウム合金を溶融し、連続鋳造により直径３００mmのアルミニウム合金インゴットを作成し、このインゴットを溝ロール圧延後、伸線加工して５ｍｍ直径のアルミニウム合金素線を作成した。
次いで、この素線を所定の線径まで水中で連続伸線し、最後に２００℃〜３００で１時間熱処理して調質アニールを行うことによって所定の線径のボンディングワイヤとした。この調質アニールの熱処理によって、強制固溶されたロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）は、結晶粒界に合金マトリックスの第２相としてアルミニウムとの金属間化合物として析出し、アルミニウム合金マトリックス中に分散相を形成する。
従来例として同様にして作成したＡｌ−５０ｐｐｍＮｉ合金ワイヤを採用した。
なお、これらの伸線工程においては必要に応じて中間熱処理を行ってもよく、ワイヤの性質やこれら金属間化合物の形成条件を考慮して適宜調整すればよい。

以上の工程で作成した実施例以下のボンディングワイヤについて、以下の条件によって、高温・高湿度環境下における耐食性などの性質を確認した。
（超音波接合条件）
アルミニウム合金細線の線径は、０．０５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、ループ長は８ｍｍ、ループ高さは１．３ｍｍとした。
超音波工業社製REBO-７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０．２ｍｍ）上のＡｌ−１．０％Ｓｉ膜（厚さ３μｍ）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、周波数１３０ｋＨｚで、荷重およ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−１．０Ｓｉパッドを溶解して、光学顕微鏡（オリンパス社製測定顕微鏡、ＳＴＭ６）を使用し、１００倍の倍率でチップ割れの有無を観察した。１００カ所観察を行い、チップ割れが一つも発生していなければＯＫ、一カ所以上でチップ割れが観察された場合をＮＧとした。

（結晶粒径観察）
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。

（耐食性試験）
平山製作所製不飽和超加速寿命試験装置（ＨＡＳＴＥＳＴ modelIPAC-R8D）を使用し、１２１℃で、１００％ＲＨ（不飽和）の条件で１０００時間まで試験を行った。腐食層厚さ測定は、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た後、ＦＥ−ＳＥＭ（日本電子社製型式ＪＳＭ−７８００Ｆ）を使用して腐食層の観察を行った。

以上の各試験結果を表１に挙げる。
従来例のニッケル合金ワイヤは、耐食性及びチップ割れ抑制について、満足な結果となっている。
本発明は、ロジウム（Ｒｈ）およびパラジウム（Ｐｄ）のいずれを含有する場合も、含有量１０〜２００質量ｐｐｍの範囲で、高温・高湿度環境下における耐食性およびチップ割れ抑制について従来例のニッケル合金ワイヤと同等以上の好適な効果を達成している。
また、これらロジウム（Ｒｈ）およびパラジウム（Ｐｄ）を合計で１０質量ｐｐｍ（Ｎｏ．５）、または２００質量ｐｐｍ（Ｎｏ．６）含有する場合でも同様の結果を得ている。
これに対して、比較例とした、ロジウム（Ｒｈ）およびパラジウム（Ｐｄ）がそれぞれ１０質量ｐｐｍに足りない５質量ｐｐｍの場合は、チップ割れを生じなかったが腐食層の厚さが著しく増大し、また、これらの含有量が２００質量ｐｐｍを超えて２５０質量ｐｐｍの場合には耐食性は良好であったが硬さが大きく、チップ割れを生じた。
ロジウム（Ｒｈ）およびパラジウム（Ｐｄ）の含有量が大きくなるにつれて結晶粒径が小さく、また、機械的強度、硬さが大きくなる傾向が見られ、その含有量が本発明範囲を超えると、ボンディングに伴ってチップ割れを生じており、その限界はこれらの含有量とともに結晶粒径が本発明範囲の下限値より低いこととして表れている。

図１及び２は、耐食性試験を行った本発明実施例および比較例のワイヤ断面を撮影したものであって、図１は実施例３本発明のアルミニウム合金ワイヤ断面であって、淡色のアルミニウム層断面上の濃い灰色の薄い層がワイヤ表面に形成されたアルミナ層であって、アルミニウム合金表面上を均一一様な薄いアルミナ層が覆っており、内部の合金マトリックスには亀裂などは生じていない。
これに対して、図２の比較例１場合は、高純度アルミニウムワイヤを実施例と同様の条件で耐食性試験を行ったものについて、その断面を撮影したものであって、表面に不均一な厚い腐食層が形成されると共に、この腐食層から合金マトリックス中に向けて深いて亀裂が形成されていることが解る。

本発明のアルミニウム合金細線は、超音波ボンディングにおいてチップ割れ抑制し、高温・高湿度環境下における耐食性を発揮し、高い導電性を有するため、航空機、自動車、或いは船舶などの広い用途に適用可能であり、かつ、その良好なボンディング性はこれらの用途に向けて普及が期待され、産業上貢献し得るものである。

Claims (8)

1. 純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムにロジウム（Ｒｈ）を１０〜１００質量ｐｐｍ（ただし、１００質量ｐｐｍを除く）含有せしめた、アルミニウムとロジウムとからなるアルミニウム合金ボンディングワイヤであって、
   上記ロジウム（Rh）は、アルミニウムマトリックス中にアルミニウムとの金属間化合物の分散相を形成したことを特徴とする、
   高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
2. 純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウムにロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）を合計で１０〜１００質量ｐｐｍ（ただし、１００質量ｐｐｍを除く）含有せしめた、アルミニウムとロジウムとパラジウムとからなるアルミニウム合金ボンディングワイヤであって、
   上記ロジウム（Rh）及びパラジウム（Pd）は、アルミニウムマトリックス中にアルミニウムとの金属間化合物の分散相を形成したことを特徴とする、
   高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
3. 上記高純度アルミニウムの純度は、９９．９９８質量％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
4. 上記アルミニウム合金マトリックスの結晶粒径が１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
5. 上記分散相は、連続伸線加工後に２００〜３００℃で熱処理すること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又は２記載の高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
6. 上記ボンディングワイヤが、超音波接合されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の高耐食性ボンディングワイヤ。
7. 上記ボンディングワイヤの線径は、５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の高耐食性アルミニウム合金ボンディングワイヤ。
8. 上記ボンディングワイヤが、８０〜３００℃、もしくは１５０〜２５０℃で使用されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の高耐食性アルミニウム合金ボンディング。