JP6272674B2 - ボンディングワイヤ、接続部構造、並びに半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えばパワー半導体に適したボンディングワイヤおよび接続部構造、並びにこれらを備える半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体の一種であるＳｉデバイスは、個別素子として、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、集積回路としてマイコンやメモリ、通信デバイス等に使用されている。
マイコンやメモリでは、Ｓｉデバイスは演算・記憶の働きをしている。一方、パワー半導体と呼ばれる電力制御に用いられるＳｉデバイスもある。パワー半導体により、整流、周波数変換、昇降圧等が可能であり、例えば、モータの駆動やバッテリーの充電等、様々な用途に用いられている。パワー半導体の種類としては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーバイポーラトランジスタ、サイリスタ等がある。これらの中でＩＧＢＴは、デバイスの容量と動作周波数の対応範囲が大きいことや、コストパフォーマンスに優れること等により、市場においては広く用いられている。
ＩＧＢＴは、工業上、複数のシリコンチップを並列に接続したモジュール構造として使用されるケースが多い。シリコンチップ一つ当たりに流れる電流は最大１００Ａ程度であるが、モジュール構造とすることで大電流を扱える。このようなＩＧＢＴは、風力や太陽光等を利用する発電機、産業用ロボット、自動車や電車のインバータ等に使用されている。近年は、ハイブリッド（ＨＶ）車及び電気自動車の増加により、自動車への使用度合が増している。
自動車に使用するＩＧＢＴは、温度保証基準が厳しくなりつつある。従来は１２０℃保証が一般的であったが、今では１５０℃保証が一般的になっており、今後さらに厳しくなることが予想される。しかし、狭いスペースに複数の部品を密集させている自動車においては、ＩＧＢＴの小型化が求められており、小型化による発熱量の増加によって、厳しくなる温度保証基準を満たすことが難しくなっている（例えば、特許文献１参照）。
発熱によるＩＧＢＴの破壊には、ヒートシンクとして機能する銅板とシリコンチップがのるセラミックス基板との半田接合部の劣化によるものと、シリコンチップとボンディングワイヤ接合部の劣化によるものとがある。ボンディングワイヤの接合部の劣化は、パワーモジュールの運転中に加熱と冷却との繰返しで生じる熱応力に起因するものであり、ボンディングワイヤおよびシリコンチップの線膨張係数の違いからこれらの接続部付近に発生するクラックが、界面近傍で進展した結果である。
複数のシリコンチップを接続したモジュール構造を有するＩＧＢＴにおいて、一箇所のボンディングワイヤの劣化により断線した場合、そのボンディングワイヤに流れていた電流は、他のボンディングワイヤに流れる。他のボンディングワイヤは、流れる電流の増加により発熱量が増す為、加速度的に劣化が進行し、やがては連鎖的に断線する。
したがって、厳しくなる温度保証基準を満たすためには、ボンディングワイヤと、シリコンチップ等の被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止し、耐熱サイクル性を向上させることが有効である。
また、ボンディングワイヤの強度を高めることも有効であるが、この場合、ボンディングする際に、シリコンチップ等の被接続部材を破損させる可能性がある。確かに、高温でボンディングすることで、ボンディングワイヤを一時的に軟化させることができ、被接続部材を破損させずに生産可能であるが、高温による酸化や生産性の低下等の問題がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ボンディングする際に被接続部材を破損させることなく、かつ、被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止するボンディングワイヤ、およびその接続部構造、並びにこれらを備える半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
（１）本発明は、少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つ前記マグネシウムおよび前記シリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなることを特徴とする、ボンディングワイヤである。
本発明によれば、硬くなりすぎず、ボンディングする際に、ボンディングワイヤの硬さに起因して被接続部材を破損させることがない。また、マグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化により、クラックの発生が防止される。更に、時効処理を施すことで、ボンディングワイヤ内に、マグネシウムおよびシリコンからなる化合物、例えばＭｇ２Ｓｉ（マグネシウムシリサイドと称す）が析出する場合には、この化合物による析出強化により、被接続部材との接続部にクラックが発生したときであっても、クラック進展が防止される。なお、含有比率等によっては、マグネシウムシリサイドがアルミニウム合金に固溶するのみで一切析出しない場合がある。
（２）本発明はまた、前記アルミニウム合金は、０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下の銅、および０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下のニッケルの少なくとも一方を含有することを特徴とする、上記（１）に記載のボンディングワイヤである。
上記発明によれば、アルミニウム合金が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下の銅を含有している場合には、Ａｌ２Ｃｕ粒子やＡｌ２ＣｕＭｇ粒子等が析出する為、硬さがさらに向上する。また、アルミニウム合金が０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下のニッケルを含有している場合には、耐湿性が向上する。
（３）本発明はまた、前記マグネシウムおよび前記シリコンの全部又は一部は、マグネシウムシリサイドとして析出しており、前記マグネシウムシリサイドは、径方向断面における面積比率で０．１％以上１０％以下の割合で析出していることを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載のボンディングワイヤである。
（４）本発明はまた、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のボンディングワイヤと、前記ボンディングワイヤが接続され、アルミニウム材料からなる被接続部材と、の接続部構造であって、前記ボンディングワイヤを構成するマトリクス層内と、前記マトリクス層および前記被接続部材の間に形成される前記アルミニウム合金の微細粒層内と、前記マトリクス層および前記微細粒層の界面とに、マグネシウムと、シリコンと、を含む化合物が析出していることを特徴とする、接続部構造である。
上記発明によれば、アルミニウム合金からなるボンディングワイヤが含有するマグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化及び析出強化により、クラックの発生が防止される。また、化合物による析出強化により、被接続部材との接続部にクラックが発生した場合、そのクラックの進展が防止される。
（５）本発明はまた、前記化合物は、アルミニウムを含むことを特徴とする、上記（４）に記載の接続部構造である。
（６）本発明はまた、上記（４）又は（５）に記載の接続部構造を備えることを特徴とする、半導体装置である。
（７）本発明はまた、上記（６）に記載の半導体装置を製造する方法であって、前記被接続部材に前記ボンディングワイヤを接続した後に、前記ボンディングワイヤに時効処理を施すことを特徴とする、半導体装置の製造方法である。
本発明の上記（１）〜（３）のいずれかに記載のボンディングワイヤ、上記（４）又は（５）に記載の接続部構造、上記（６）に記載の半導体装置、および上記（７）に記載の半導体装置の製造方法によれば、ボンディングする際に被接続部材を破損させることなく、かつ、被接続部材との接続部におけるクラックの発生および進展を抑止できる。
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置１０について詳細に説明する。
まず、図１〜図３を用いて、半導体装置１０の構成について説明する。図１は、半導体装置１０を示す外観斜視図である。図２は、半導体装置１０の主要断面図である。図３（Ａ）は、接続部構造１５の一例の断面図である。図３（Ｂ）は、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面における断面を撮影した写真である。なお、図３（Ａ）に示す接続部構造１５は、直径が３００μｍのボンディングワイヤ１７の場合を示す。
図１および図２に示す半導体装置１０は、パワー半導体の一種のＩＧＢＴモジュールである。この半導体装置１０は、ハイブリッド車等に搭載され、電力の制御に用いられる。
半導体装置１０は、ヒートシンクとして機能する銅板（Ｃｕプレート）１１と、この銅板１１上に配置されるセラミックス基板１９及び樹脂製の筐体１２と、等を備えている。筐体１２の内部には、複数の回路層１３と、複数のシリコンチップ（Ｓｉチップ）１６と、これら複数のシリコンチップ１６の相互間、またはシリコンチップ１６および回路層１３の間に配線される複数のボンディングワイヤ１７と、等が配置されている。回路層１３およびシリコンチップ１６は、ボンディングワイヤ１７が接続される被接続部材として機能している。なお、シリコンチップ１６上には、アルミ電極パット１６ａが成膜されている。ボンディングワイヤ１７は、シリコンチップ１６上に成膜されたアルミ電極パット１６ａに接合される。
ボンディングワイヤ１７は、アルミニウム（Ａｌ）合金からなる。アルミニウム合金は、少なくともマグネシウム（Ｍｇ）およびシリコンを含有し、且つマグネシウムおよびシリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下であることが好ましく、その合計が０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下であることがより好ましい。更に好ましくは、０．０５ｗｔ％以上０．２ｗｔ％以下であることが好ましい。
マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率を０．０３ｗｔ％以上とすることが好ましい理由は、マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率をその値未満にすると、そもそも、アルミニウム合金の硬さが得られないからである。マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率を０．３ｗｔ％以下とすることが好ましい理由は、マグネシウムおよびシリコンの合計の含有率がその値を超えるようにすると、アルミニウム合金が硬くなりすぎて、ボンディングワイヤ１７をアルミ電極パット１６ａを介してシリコンチップ１６に接続する際に、ボンディングワイヤ１７の硬さに起因してシリコンチップ１６が損傷してしまうからである。
マグネシウムおよびシリコンの全部又は一部は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）として析出している。その析出量は、ボンディングワイヤ１７の径方向断面における面積比率で０．１％以上１０％以下の割合で析出する量であることが好ましく、また、０．５％以上１０％以下の割合で析出する量であることがより好ましい。この面積比率が１０％を超える場合には、ボンディングワイヤ１７が硬くなり、常温でボンディングすることが難しくなる。また、この面積比率が０．１％未満の場合には、ボンディングワイヤ１７のシリコンチップ１６との接続部にクラックが発生したときに、そのクラックの進展を防止することができなくなる可能性がある。
ボンディングワイヤ１７は、パワー半導体用であり、所定の直径を有する。ボンディングワイヤ１７の直径は、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。好ましくは、１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
ボンディングワイヤ１７は、６０℃以下の常温でボンディングするタイプのもので、時効処理前又は時効処理途中に３５Ｈｍｖ以下の硬さ（ビッカース硬さ）であることが好ましく、ボンディングの前又は後に時効処理により硬化させられる。また、ボンディングワイヤ１７は、１３０℃以上２２０℃以下の高温でボンディングするタイプのもので、時効処理前又は時効処理途中に常温において４５Ｈｍｖ以下で、かつ、高温にして３５Ｈｍｖ以下となる硬さ（ビッカース硬さ）であることが好ましく、ボンディングの前又は後に時効処理により硬化させられる。
図３（Ａ）に示す符号１５は、シリコンチップ１６とボンディングワイヤ１７との接続部構造である。この接続部構造１５において、ボンディングワイヤ１７がシリコンチップ１６に接合されている。ボンディングワイヤ１７の接合には、超音波振動を加える超音波接続技術が用いられている。接合後には、処理温度が常温〜３００℃の時効処理が施されている。
シリコンチップ１６は、その表面に、アルミ電極パットとして機能するアルミニウム材料のアルミニウム−シリコンフィルム１６ａが形成されている。ボンディングワイヤ１７は、マトリクス層１７ａと、このマトリクス層１７ａおよびシリコンフィルム１６ａの間に形成されるアルミニウム合金の微細粒層１７ｂと、を有する。この微細粒層１７ｂは、超音波接合時のひずみ部位が再結晶することで形成されている。マトリクス層１７ａ内と、微細粒層１７ｂ内と、マトリクス層１７ａおよび微細粒層１７ｂの界面とには、マグネシウムおよびシリコンを含む化合物１８が形成されている。具体的には、微細粒層１７ｂのアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面から（図３（Ａ）においては上方側に）所定の範囲に、マグネシウムおよびシリコンを含む化合物１８が形成されている。この化合物１８は、時効処理を施すことによって析出している。なお、化合物１８が、微細粒層１７ｂのアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面からボンディングワイヤ１７方向に２０μｍの範囲において、微細粒層１７ｂとアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面方向（図３（Ａ）における左右方向）の断面の面積比率で０．１％以上析出していることで、ボンディングワイヤ１７のシリコンチップ１６との接続部にクラックが発生した場合であっても、そのクラックの進展が防止される。なお、実際の化合物１８の状態は、図３（Ｂ）に示す写真を確認されたい。この写真は、倍率３００００倍、視野面積４００ｎｍ×４００ｎｍで撮影したものであり、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金からなるボンディングワイヤ１７を示している。なお、この写真に示されているボンディングワイヤ１７は、マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金からなるもので、後述する実験３の対象物の一つとした。
［実験１］次に、各種アルミニウム合金のせん断強度を調べた実験１を、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、接続部構造１５におけるせん断強度を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数［回］を、縦軸にせん断強度［Ｎ］を、それぞれ示す。せん断強度とは、接続部構造１５を構成する材料が、破断せずに耐えられる最大せん断応力のことをいう。図５Ａおよび図５Ｂは、接続部構造１５におけるせん断強度の劣化率を示すグラフであり、横軸に冷熱サイクル数［回］を、縦軸にせん断強度の劣化率［％］を、それぞれ示す。せん断強度の劣化率とは、冷熱サイクル数が０回の場合を基準とする劣化の度合を、百分率で示した値のことをいう。なお、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、グラフに示す各プロットは、１６回の実験で得られた平均値である。各種アルミニウム合金のせん断強度は、常温にて調べた。
本実験１は、半導体装置１０の使用による発熱と冷却との繰返しを模擬的に作り出したものである。一つの冷熱サイクルは、１００秒で７０℃から１２０℃に加熱する加熱ステップと、その直後の７０秒で１２０℃から７０℃に冷却する冷却ステップと、を備える。各冷熱サイクルは、間隔を空けずに繰り返した。
（１）銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（２）ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（３）マグネシウムシリサイドを０．０２ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（４）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（５）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（６）マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（７）マグネシウムシリサイドを０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（８）マグネシウムシリサイドを０．８ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（９）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１０）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１１）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１２）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１３）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％含有すると共に銅を０．０３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１４）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．０５ｗｔ％、ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１５）マグネシウムシリサイドを０．２ｗｔ％含有すると共に銅を０．０５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１６）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１７）マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０２ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（１８）マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、のそれぞれについて、冷熱サイクル数が、０回、５００回、１０００回、２０００回、３０００回、５０００回、１００００回の各々の場合について調べた。なお、各アルミニウム合金は、時効処理を施しているものとした。
図４Ａおよび図５Ａに示すように、（４）〜（８）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下含有するアルミニウム合金は、それぞれ、１００００回の冷熱サイクルによるせん断強度劣化率が１０％以下となり、（２）ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金の場合と比較して、半分以下の劣化率となった。そのうち、（６）〜（８）マグネシウムシリサイドを０．３ｗｔ％以上０．８％以下含有するアルミニウム合金は、それぞれ、１００００回の冷熱サイクルによるせん断強度劣化率が４％以下となり、（１）銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金よりも低い劣化率となった。一方、（３）マグネシウムシリサイドを０．０２ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、１００００回の冷熱サイクルによるせん断強度劣化率が１５％となった。
そして、（９）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．１ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、（１）銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金と同程度のせん断強度劣化率となった。また、（１０）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．３ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、１００００回の冷熱サイクルによるせん断強度劣化率が３．７％となり、（１）銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金よりも低い劣化率にとなった。
さらに、（１１）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、（５）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有するアルミニウム合金と同程度のせん断強度劣化率となった。
そして、（１）銅を０．５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（４）〜（８）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下含有するアルミニウム合金、（９）〜（１０）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共に銅を０．１ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下含有するアルミニウム合金、（１１）マグネシウムシリサイドを０．１ｗｔ％含有すると共にニッケルを０．０１ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、それぞれ、せん断強度劣化率が、２０００回以上１００００回以下の冷熱サイクルの範囲で略一定となった。
一方（２）ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金、（３）マグネシウムシリサイドを０．０２ｗｔ％含有するアルミニウム合金は、それぞれ、冷熱サイクル数が増すにつれて、せん断強度が低下し、すなわち、せん断強度劣化率が上昇した。
図４Ｂおよび図５Ｂに示すように、（１２）〜（１８）マグネシウムシリサイドを０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下含有し、更に銅を０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下が含有、もしくはニッケルを０．００５ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下含有させたアルミニウム合金は、いずれも１００００回の冷熱サイクルによるせん断強度劣化率が約１０％以下となり、２０００回以上１００００回以下の冷熱サイクルの範囲で略一定となった。
［実験２］次に、各種アルミニウム合金のせん断強度およびボンディングダメージ発生度合（＝不良率）を調べた実験２を、図６を用いて説明する。図６は、接続部構造１５におけるせん断強度の劣化率およびボンディングダメージ発生度合を示すグラフであり、横軸にマグネシウムシリサイドの添加量［ｗｔ％］を、縦軸にせん断強度の劣化率［％］およびボンディングダメージ発生度合を、それぞれ示す。
本実験２で必要なデータは、実験１で得られたデータを用いている。すなわち、半導体装置１０の使用による発熱と冷却との繰返しを模擬的に作り出したものである。一つの冷熱サイクルは、１００秒で７０℃から１２０℃に加熱する加熱ステップと、その直後の７０秒で１２０℃から７０℃に冷却する冷却ステップと、を備える。各冷熱サイクルを、間隔を空けずに１００００回繰り返した。各種アルミニウム合金のせん断強度は、常温にて調べた。
マグネシウムシリサイドの添加量が、０．０２ｗｔ％、０．０５ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％の各々に場合について調べた。
マグネシウムシリサイドの添加量が増えると、せん断強度劣化率は右肩下がりとなり、図６より０．０３ｗｔ％以上で１５％以下となる。
また、マグネシウムシリサイドの添加量が増えると、ボンディングダメージ発生度合が右肩上がりになり、０．３ｗｔ％を超えると急激に発生度合が高くなる。
このせん断強度劣化率とボンディングダメージ発生度合の両者の評価が良いのが０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下となる。
このように、半導体装置１０によれば、ボンディングワイヤ１７が含有するマグネシウムおよびシリコンによる固溶体強化により、ボンディングワイヤ１７へのクラックの発生が防止される。また、微細粒層１７ｂとアルミニウム−シリコンフィルム１６ａとの界面に析出する化合物１８による析出する場合には、その析出強化により、ボンディングワイヤ１７のシリコンチップ１６との接続部にクラックが発生したときであっても、そのクラックの進展が防止される。なお、含有比率等によっては、マグネシウムシリサイドがアルミニウム合金に固溶するのみで一切析出しない場合がある。
また、ボンディングワイヤ１７が最大硬さに達していないので、ボンディングワイヤ１７をシリコンチップ１６に接続する際に、ボンディングワイヤ１７の硬さに起因してシリコンチップ１６が損傷することが防止される。半導体装置１０の使用時には、発熱によるボンディングワイヤ１７の時効硬化がさらに進行する。これにより、接続部構造１５の寿命向上が図られる。
［実験３］次に、マグネシウムシリサイドを含有するアルミニウム合金について、化合物１８（マグネシウムシリサイド）の析出量、電気抵抗、ビッカース硬さを調べた実験３を、表１を用いて説明する。表１は、マグネシウムシリサイドの含有率を変更した場合の測定値及び評価結果を示す。
本実験３は、化合物１８の析出量の測定、電気抵抗の評価、ビッカース硬さの測定を、順次行った。
化合物１８の析出量の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により、倍率３００００倍でボンディングワイヤ１７の断面の観察を行い、接合界面付近を写真撮影し、デジタル画像を２値化処理して行った（図３（Ｂ）参照）。視野面積４００ｎｍ×４００ｎｍにおけるマグネシウムシリサイドの面積比率を１０視野測定し、平均をとった。
電気抵抗の評価は、電気抵抗値を測定し、マグネシウムシリサイドを添加していないアルミニウム合金（ニッケルを０．００５ｗｔ％含有するアルミニウム合金）の電気抵抗値との比較によって行った。電気抵抗値の測定は、直径が０．３ｍｍ、標点間距離１ｍのボンディングワイヤ１７を１５ｇのテンションで、２０℃にて直流４端子法で行った。測定には、日置電機株式会社製のミリオームハイテスタ３５４０を使用した。
電気抵抗の評価結果は、マグネシウムシリサイドを添加していないアルミニウム合金と比較して、電気抵抗値の増加比率が１５％未満のもの（当該増加比率がマイナスを示すものを含む。）を「○」とし、当該増加比率が１５％以上のものを「×」とした。
ビッカース硬さの測定用試料は、常温硬化型のエポキシ樹脂に長さ１５ｍｍで直径０．３ｍｍの線材（ボンディングワイヤ１７）を埋め込み、線材長手方向に対し水平に鏡面研磨した。また、試料の調整は、研磨代が０．１４ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下となるようにした。測定には、株式会社ミツトヨ製の微小硬さ試験機ＨＭ−２１１を使用し、試験荷重を０．９８０７Ｎ（＝０．１ｋｇｆ）とした。
マグネシウムシリサイドの添加量が０．０２ｗｔ％、０．０３ｗｔ％、０．１ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．３５ｗｔ％の各々の場合について調べた。
このように、クラック進展防止に有効なマグネシウムシリサイドの析出量を増加させるためにマグネシウムとシリコンの添加量を増やすと、ビッカース硬さの値が大きくなり、ボンディングに適さなくなる。そして、電気抵抗値が大きくなり、電気抵抗の評価が悪くなる。そのため、マグネシウムシリサイドの面積比率が１０％以下の場合が好ましい。すなわち、マグネシウムシリサイドの添加量が０．３ｗｔ％以下であることが好ましい。また、マグネシウムシリサイドの添加量は、クラック進展防止に有効なマグネシウムシリサイドが析出する０．０３ｗｔ％以上であることが好ましい。
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨および技術的思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ボンディングリボンにも適用できる。
すなわち、上記実施形態において、ボンディングワイヤ１７が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下の銅や、０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下のニッケルを含有するようにしてもよい。ニッケルについては、０．００１ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下含有するようにすることがより好ましい。銅を含有させた場合、硬さがさらに向上する。ニッケルを含有させた場合、耐湿性が向上する。
［実験４］次に、マグネシウムシリサイドを含有すると共にニッケルを含有するアルミニウム合金の耐湿性を調べた実験４を、表２を用いて説明する。表２は、ニッケルの含有率を変更した場合の評価結果を示す。
本実験４は、気温を１２１℃、相対湿度ＲＨを１００％、気圧を２ａｔｍの諸条件を保って行い、１６８時間放置した後の劣化度合を測定した。ボンディングワイヤは、直径が０．３ｍｍのものを用いた。この実験４では、時間と共にワイヤが腐食し崩れワイヤ断面積が次第に小さくなっていく。
マグネシウムシリサイドの添加量が０．１ｗｔ％の場合であって、ニッケルの添加量が０ｗｔ％、０．０００５ｗｔ％、０．００１ｗｔ％、０．０１ｗｔ％、０．０２ｗｔ％の各々のときについて調べた。
評価結果は、ニッケルの添加がない、マグネシウムシリサイドが０．１ｗｔ％のボンディングワイヤと比較して耐湿性が良好なもの（実験後のワイヤ断面積が、実験前のワイヤ断面積に対し９５％以上を保ったもの）を「◎」とし、従来のワイヤと比較して同様で通常劣化といえるもの（実験後のワイヤ断面積が、実験前のワイヤ断面積に対して９０％以上９５％未満を保ったもの）を「○」とした。
このように、ニッケルを０．００１ｗｔ％以上添加すると耐湿性が向上する。そして、ニッケルを０．０２ｗｔ％添加しても、評価結果はニッケルを０．０１ｗｔ％添加したものと変わらない。コスト的な観点を重視した場合、高価であるニッケルはなるべく添加したくない。以上のことから、ニッケルの添加量は、０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下が望ましく、０．００１ｗｔ％以上０．０１ｗｔ％以下がより望ましい。
あるいは、上記実施形態において、接合前のワイヤにて最大硬さまで時効硬化する場合もあり、また、接合前には時効処理せずに、接合後の使用時温度にて時効硬化が進行する場合もある。
あるいは、上記実施形態において、半導体装置１０として、ＩＧＢＴモジュールに代えて、一般のパワーモジュール、パワーＭＯＳトランジスタ、ダイオードモジュール等、あるいは、これらのディスクリートタイプのものとしてもよい。
１０ 半導体装置
１１ 銅板（Ｃｕプレート）
１２ 筐体
１３ 回路層（被接続部材）
１５ 接続部構造
１６ シリコンチップ（Ｓｉチップ、被接続部材）
１６ａ アルミニウム−シリコンフィルム（アルミニウム材料、アルミ電極パット）
１７ ボンディングワイヤ（アルミニウム合金）
１７ａ マトリクス層
１７ｂ 微細粒層
１８ 化合物
１９ セラミックス基板
１１ 銅板（Ｃｕプレート）
１２ 筐体
１３ 回路層（被接続部材）
１５ 接続部構造
１６ シリコンチップ（Ｓｉチップ、被接続部材）
１６ａ アルミニウム−シリコンフィルム（アルミニウム材料、アルミ電極パット）
１７ ボンディングワイヤ（アルミニウム合金）
１７ａ マトリクス層
１７ｂ 微細粒層
１８ 化合物
１９ セラミックス基板
Claims (8)
- 少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つ前記マグネシウムおよび前記シリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなり、
前記マグネシウムおよび前記シリコンの全部又は一部は、マグネシウムシリサイドとして析出しており、
前記マグネシウムシリサイドは、径方向断面における面積比率で０．１％以上１０％以下の割合で析出していることを特徴とする、
ボンディングワイヤ。 - 前記アルミニウム合金は、０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下の銅、および０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下のニッケルの少なくとも一方を含有することを特徴とする、
請求項１に記載のボンディングワイヤ。 - 少なくともマグネシウムおよびシリコンを含有し、且つ前記マグネシウムおよび前記シリコンの含有量の合計が０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下であるアルミニウム合金からなるボンディングワイヤと、
前記ボンディングワイヤが接続され、アルミニウム材料からなる被接続部材と、
の接続部構造であって、
前記ボンディングワイヤを構成するマトリクス層内と、前記マトリクス層および前記被接続部材の間に形成される前記アルミニウム合金の微細粒層内と、前記マトリクス層および前記微細粒層の界面とに、マグネシウムと、シリコンと、を含む化合物が析出していることを特徴とする、
接続部構造。 - 前記ボンディングワイヤの前記アルミニウム合金は、０．０３ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下の銅、および０．００１ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下のニッケルの少なくとも一方を含有することを特徴とする、
請求項３に記載の接続部構造。 - 請求項１〜２のいずれかに記載のボンディングワイヤと、前記ボンディングワイヤが接続され、アルミニウム材料からなる被接続部材と、の接続部構造であって、
前記ボンディングワイヤを構成するマトリクス層内と、前記マトリクス層および前記被接続部材の間に形成される前記アルミニウム合金の微細粒層内と、前記マトリクス層および前記微細粒層の界面とに、マグネシウムと、シリコンと、を含む化合物が析出していることを特徴とする、
接続部構造。 - 前記化合物は、アルミニウムを含むことを特徴とする、
請求項３〜５のいずれかに記載の接続部構造。 - 請求項３〜６のいずれかに記載の接続部構造を備えることを特徴とする、
半導体装置。 - 請求項７に記載の半導体装置を製造する方法であって、
前記被接続部材に前記ボンディングワイヤを接続した後に、前記ボンディングワイヤに時効処理を施すことを特徴とする、
半導体装置の製造方法。
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