JP7126321B2 - aluminum bonding wire - Google Patents
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Description
本発明は、Ａｌボンディングワイヤに関するものである。 The present invention relates to Al bonding wires.
半導体装置では、半導体素子上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤによって接続している。ボンディングワイヤに用いる材質として、超ＬＳＩなどの集積回路半導体装置では金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が用いられ、一方でパワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、３００μｍφのアルミニウムボンディングワイヤ（以下「Ａｌボンディングワイヤ」という。）を用いる例が示されている。また、Ａｌボンディングワイヤを用いたパワー半導体装置において、ボンディング方法としては、半導体素子上電極との接続とリードフレームや基板上の電極との接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。 2. Description of the Related Art In a semiconductor device, electrodes formed on a semiconductor element and electrodes on a lead frame or substrate are connected by bonding wires. As materials for bonding wires, integrated circuit semiconductor devices such as VLSI use gold (Au) or copper (Cu), while power semiconductor devices mainly use aluminum (Al). For example, Patent Literature 1 shows an example of using a 300 μmφ aluminum bonding wire (hereinafter referred to as “Al bonding wire”) in a power semiconductor module. In power semiconductor devices using Al bonding wires, wedge bonding is used as a bonding method for both the connection with the electrodes on the semiconductor element and the connection with the electrodes on the lead frame and the substrate.
Ａｌボンディングワイヤを用いるパワー半導体装置は、エアコンや太陽光発電システムなどの大電力機器、車載用の半導体装置として用いられることが多い。これらの半導体装置においては、Ａｌボンディングワイヤの接合部は１００～３００℃の高温にさらされる。Ａｌボンディングワイヤとして高純度のＡｌのみからなる材料を用いた場合、このような温度環境ではワイヤが軟化しやすいため、高温環境で使用することが困難であった。 Power semiconductor devices using Al bonding wires are often used as semiconductor devices for high-power equipment such as air conditioners and photovoltaic systems, and for vehicles. In these semiconductor devices, the bonding portion of the Al bonding wire is exposed to a high temperature of 100 to 300.degree. When a material made of only high-purity Al is used as an Al bonding wire, it is difficult to use the wire in a high-temperature environment because the wire tends to soften in such a temperature environment.
Ａｌ中にスカンジウム（Ｓｃ）（以下「Ｓｃ」と呼ぶ。）を含有する合金を用い、ＳｃをＡｌ3Ｓｃとして析出させると、Ａｌボンディングワイヤを高強度化することができる。特許文献２においては、主成分としてＡｌを含み、０．０５～１．０％のＳｃを含有するボンディングワイヤが開示されている。ボンディングワイヤ中にＡｌ3Ｓｃを析出することにより、電気的及び機械的特性の最適な組み合わせが得られるとしている。 When an alloy containing scandium (Sc) (hereinafter referred to as “Sc”) in Al is used and Sc is precipitated as Al 3 Sc, the strength of the Al bonding wire can be increased. Patent Document 2 discloses a bonding wire containing Al as a main component and containing 0.05 to 1.0% Sc. Depositing Al 3 Sc in the bonding wire is said to provide an optimum combination of electrical and mechanical properties.
しかし、Ａｌ3Ｓｃが析出したボンディングワイヤを用いて半導体素子の電極にボンディングしようとすると、ワイヤの機械的強度が高いため、半導体素子のチップ割れを起こすこととなり、実用化することができなかった。これに対して特許文献３においては、ＡｌボンディングワイヤにＳｃを含有させ、ボンディングの前段階におけるボンディングワイヤでは事前の溶体化処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させず、ボンディング後に行う時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させる発明が開示されている。ボンディング段階ではＡｌ3Ｓｃが析出していないのでワイヤが軟化しており、ボンディング時にチップ割れを発生させない。一方でボンディング後に行う時効熱処理でＡｌ3Ｓｃが析出するのでワイヤの強度が増大し、半導体装置を高温環境下で使用してもワイヤが十分な強度を保持することができるとしている。 However, when an attempt is made to bond electrodes of a semiconductor element using a bonding wire on which Al 3 Sc is precipitated, the mechanical strength of the wire is high, so that chip cracking of the semiconductor element occurs. . On the other hand, in Patent Document 3, Al bonding wires are made to contain Sc, Al 3 Sc is not precipitated by prior solution treatment in bonding wires in the pre-bonding stage, and Al 3 Sc is deposited by aging heat treatment performed after bonding. is disclosed. Since Al 3 Sc is not precipitated at the bonding stage, the wire is softened and chip cracks do not occur during bonding. On the other hand, since Al 3 Sc is precipitated by the aging heat treatment performed after bonding, the strength of the wire is increased, and the wire can maintain sufficient strength even when the semiconductor device is used in a high-temperature environment.
特許文献３に記載するような、Ｓｃを含有するＡｌボンディングワイヤを用いた半導体装置であっても、半導体装置を作動した高温状態において、ボンディングワイヤの接合部の接合信頼性が十分に得られないことがあった。 Even in a semiconductor device using an Al bonding wire containing Sc as described in Patent Document 3, sufficient bonding reliability of the bonding wire bonding portion cannot be obtained in a high temperature state in which the semiconductor device is operated. something happened.
本発明は、Ａｌボンディングワイヤを用いた半導体装置を作動した高温状態において、ボンディングワイヤの接合部の接合信頼性が十分に得られるＡｌボンディングワイヤを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an Al bonding wire that provides sufficient bonding reliability at a bonding wire bonding portion in a high-temperature state in which a semiconductor device using the Al bonding wire is operated.
Ｓｃを含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、ボンディング後の時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃが析出することにより、特許文献３に記載のとおり、ボンディングワイヤの強度を増大することができる。一方、半導体装置を高温環境で使用し続けるとき、Ａｌボンディングワイヤの再結晶がさらに進行し、その結果としてワイヤの強度が低下することが判明した。 In the Al bonding wire containing Sc, the strength of the bonding wire can be increased as described in Patent Document 3 by precipitating Al 3 Sc by aging heat treatment after bonding. On the other hand, it has been found that when the semiconductor device continues to be used in a high-temperature environment, recrystallization of the Al bonding wire further progresses, resulting in a decrease in wire strength.
それに対し、Ｓｃを０．０１～１％含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃに加えて、さらにイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム（以下「Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ」という。）の少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有することにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できることが判明した。 On the other hand, in an Al bonding wire containing 0.01 to 1% Sc, in addition to Sc, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium (hereinafter referred to as “Y, La, Ce, Pr, Nd”) By containing 0.01 to 0.1% in total of at least one or more, the recrystallization temperature of the wire is increased, and even when the semiconductor device is continuously used in a high temperature environment, the recrystallization of the bonding wire does not progress. can be suppressed, and a decrease in the strength of the wire can be prevented.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
［１］質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｌボンディングワイヤ。
［２］ワイヤ長手方向に垂直な断面（以下、「Ｃ断面」ともいう。）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍであることを特徴とする上記［１］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［３］ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率が３０～９０％であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［４］ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲であることを特徴とする上記［１］から［３］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
［５］ワイヤ直径が５０～６００μｍであることを特徴とする上記［１］から［４］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
[1] 0.01 to 1% by mass of Sc, further containing 0.01 to 0.1% in total of at least one of Y, La, Ce, Pr, and Nd, and the balance being Al and inevitable impurities.
[2] The Al bonding wire according to [1] above, wherein the average crystal grain size in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the wire (hereinafter also referred to as "C cross section") is 0.1 to 50 µm.
[3] In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the wire (section C), the area ratio of crystals in which the angle difference between the <111> orientation of the crystal and the longitudinal direction of the wire is within 15° is 30 to 90%. Al bonding wire according to the above [1] or [2].
[4] The Al bonding wire according to any one of [1] to [3] above, which has a Vickers hardness in the range of Hv 20 to 40.
[5] The Al bonding wire according to any one of [1] to [4] above, wherein the wire diameter is 50 to 600 μm.
本発明は、Ａｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有することにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できることから、高温長時間履歴後における接合部の信頼性を十分に確保することができる。 In the present invention, the Al bonding wire contains 0.01 to 1% Sc and further contains at least one of Y, La, Ce, Pr, and Nd in a total of 0.01 to 0.1%. , even when the recrystallization temperature of the wire rises and the semiconductor device is continuously used in a high-temperature environment, the progress of recrystallization of the bonding wire can be suppressed, and the decrease in strength of the wire can be prevented. It is possible to sufficiently secure the reliability of the joint after hysteresis.
ＡｌボンディングワイヤにＳｃを含有させたボンディングワイヤでは、特許文献３に記載のように、事前の溶体化処理によってＳｃを強制固溶してＡｌ3Ｓｃを析出させないことにより、ボンディング段階ではワイヤが軟化しており、ボンディング時にチップ割れを発生させない。そして、ボンディング後に行う時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させる結果として、ワイヤの強度が増大するとともに、再結晶温度が上昇し、高温での使用中における再結晶の進行を防止してワイヤ強度を維持することができるとしている。 In a bonding wire in which Sc is contained in an Al bonding wire, as described in Patent Document 3, the wire is softened in the bonding stage by forcibly dissolving Sc by prior solution treatment so as not to precipitate Al 3 Sc. This prevents chip cracking during bonding. Then, as a result of precipitating Al 3 Sc by aging heat treatment performed after bonding, the strength of the wire increases and the recrystallization temperature rises, preventing the progress of recrystallization during use at high temperatures and maintaining the wire strength. It is said that it can be done.
ところが、前述のように、Ｓｃを析出させたＡｌボンディングワイヤを有する半導体装置であっても、半導体装置を高温状態において長時間作動させると、ボンディングワイヤの接合部の接合強度が低下する現象が見られ、即ち接合信頼性が十分に得られないことが判明した。高温長時間作動後の半導体装置のボンディングワイヤ断面を観察すると、ボンディング時と比較してワイヤの結晶粒径が増大しており、高温長時間作動によってワイヤの再結晶がさらに進行し、これによってワイヤ強度が低下し、接合部の信頼性が低下したものと推定された。 However, as described above, even in a semiconductor device having an Al bonding wire on which Sc is deposited, when the semiconductor device is operated in a high temperature state for a long period of time, a phenomenon is observed in which the bonding strength of the bonded portion of the bonding wire decreases. It was found that sufficient bonding reliability could not be obtained. Observation of the cross section of the bonding wire of the semiconductor device after long-term operation at high temperature shows that the crystal grain size of the wire has increased compared to that during bonding. It was presumed that the strength decreased and the reliability of the joint decreased.
それに対し本発明は、Ｓｃを０．０１～１％含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃに加えて、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上（以下、簡略化して「Ｙ、Ｌａ等」ともいう。）を合計で０．０１～０．１％含有する。これにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で長時間使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を十分に抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できる。以下、詳細に説明する。 In contrast, the present invention provides an Al bonding wire containing 0.01 to 1% Sc, in addition to Sc, at least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd (hereinafter simply referred to as "Y, Also referred to as "La etc.") is contained in a total of 0.01 to 0.1%. As a result, the recrystallization temperature of the wire rises, and even when the semiconductor device is used continuously in a high-temperature environment for a long time, it is possible to sufficiently suppress the progress of recrystallization of the bonding wire and prevent deterioration of the strength of the wire. can. A detailed description will be given below.
本発明のＡｌボンディングワイヤは、質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる。このような組成を有する材料を伸線加工し、所定の線径を有するボンディングワイヤとする。伸線加工前、伸線加工の途中、あるいは伸線加工終了後に、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等を強制固溶させるため、溶体化熱処理を行うと好ましい。溶体化熱処理条件としては、５７０～６４０℃で１～３時間とすると好ましい。 The Al bonding wire of the present invention contains 0.01 to 1% by mass of Sc, and further contains at least one of Y, La, Ce, Pr, and Nd in a total of 0.01 to 0.1%. and the balance consists of Al and unavoidable impurities. A wire drawing process is performed on a material having such a composition to form a bonding wire having a predetermined wire diameter. Before wire drawing, during wire drawing, or after wire drawing is finished, it is preferable to carry out a solution heat treatment in order to forcibly dissolve Sc, Y, La, and the like. The conditions for the solution heat treatment are preferably 570 to 640° C. and 1 to 3 hours.
伸線加工終了後であって、上記溶体化熱処理を実施した場合はその後の段階で、ワイヤ軟質化のための調質熱処理を行う。伸線途中で調質熱処理を付加しても良い。調質熱処理によって、ワイヤの結晶組織を、加工組織から再結晶組織に変化させる。これにより、結晶組織が再結晶組織となるため、ワイヤの軟質化を実現することができる。調質熱処理条件としては、２５０～３００℃で５～１５秒とすると好ましい。これにより、固溶しているＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させることなく、結晶組織を再結晶組織とすることができる。 After the wire drawing process is finished, if the solution heat treatment is performed, the refining heat treatment for softening the wire is performed at a later stage. A refining heat treatment may be added during wire drawing. The refining heat treatment changes the crystal structure of the wire from the worked structure to the recrystallized structure. As a result, the crystalline structure becomes a recrystallized structure, so that the wire can be softened. The conditions for the heat treatment for refining are preferably from 250 to 300° C. for 5 to 15 seconds. As a result, the crystal structure can be changed to a recrystallized structure without precipitating Sc, Y, La, etc., which are in a solid solution.
本発明において好ましくは、前述のようにワイヤ製造過程で溶体化処理を行うことにより、ワイヤ中にＳｃ及びＹ、Ｌａ等が析出していない。溶体化熱処理を行わない場合には、ワイヤ中にＳｃ及びＹ、Ｌａ等の析出物が析出しているため、ワイヤのビッカース硬度がＨｖ４０を超える硬度となる。これに対し、溶体化熱処理と調質熱処理を行った結果として、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等が強制固溶され、また結晶組織を再結晶組織とすることにより、ワイヤのビッカース硬度がＨｖ４０以下となり、軟質化する。このように軟質化した本発明のＡｌボンディングワイヤを用いて半導体電極にボンディングを行うことにより、半導体電極のチップ割れを発生させることがない。 Preferably in the present invention, Sc, Y, La, etc. are not precipitated in the wire by performing the solution treatment in the wire manufacturing process as described above. When the solution heat treatment is not performed, precipitates such as Sc and Y and La are deposited in the wire, so that the Vickers hardness of the wire exceeds Hv40. On the other hand, as a result of performing the solution heat treatment and the refining heat treatment, Sc, Y, La, etc. are forcibly dissolved, and the crystal structure is changed to a recrystallized structure, so that the Vickers hardness of the wire becomes Hv40 or less, soften. By bonding the semiconductor electrode using the Al bonding wire of the present invention that has been softened in this way, chip cracking of the semiconductor electrode does not occur.
ボンディング終了後に、ボンディングワイヤ中のＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させるため、ボンディングワイヤを含む半導体装置の時効熱処理を行う。時効熱処理の結果として、ボンディングワイヤ中のＳｃ及びＹ、Ｌａ等が析出する。ＳｃはＡｌ3Ｓｃに、ＹはＡｌ3Ｙに、ＬａはＡｌ11Ｌａ3に、ＣｅはＡｌ11Ｃｅ3に、ＰｒはＡｌ11Ｐｒ3に、ＮｄはＡｌ11Ｎｄ3に、それぞれ析出する。ワイヤ中にこれら析出物が形成された結果として、ワイヤが析出強化され、ワイヤの強度が増大する。時効熱処理条件としては、２５０～４００℃、３０～６０分とすると好ましい。 After the bonding is completed, the semiconductor device including the bonding wires is subjected to aging heat treatment in order to precipitate Sc, Y, La, etc. in the bonding wires. As a result of the aging heat treatment, Sc, Y, La, etc. are precipitated in the bonding wire. Sc precipitates on Al 3 Sc, Y on Al 3 Y, La on Al 11 La 3 , Ce on Al 11 Ce 3 , Pr on Al 11 Pr 3 and Nd on Al 11 Nd 3 . The formation of these precipitates in the wire results in precipitation strengthening of the wire and increased strength of the wire. The aging heat treatment conditions are preferably 250 to 400° C. and 30 to 60 minutes.
時効熱処理の直後、及びさほど厳しくない条件の高温・長時間履歴を受けた後において、Ｓｃのみを含有するＡｌボンディングワイヤ、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等を含有するＡｌボンディングワイヤのいずれも、析出物による析出硬化が得られるとともに、過度の再結晶が起こらないため、機械的強度を保持することができ、ボンディングワイヤと半導体装置の電極との接合部の信頼性は十分に保たれている。ところが、より厳しい環境において、即ちより高い温度及びより長時間の環境に保持したとき、Ｓｃのみを含有するＡｌボンディングワイヤでは、接合部の信頼性が低下することが判明した。それに対し、Ｓｃに加えてＹ、Ｌａ等を含有する本発明のＡｌボンディングワイヤであれば、そのようなより厳しい環境にさらされた後であっても、接合部の信頼性が確保されることが分かった。 Immediately after the aging heat treatment and after being subjected to a high temperature and long-term history under less severe conditions, both the Al bonding wire containing only Sc and the Al bonding wire containing Sc and Y, La, etc. Since precipitation hardening is obtained and excessive recrystallization does not occur, the mechanical strength can be maintained, and the reliability of the junction between the bonding wire and the electrode of the semiconductor device is sufficiently maintained. However, it has been found that in more severe environments, i.e., when held at higher temperatures and for longer times, Al bonding wires containing only Sc exhibit poor joint reliability. In contrast, with the Al bonding wire of the present invention containing Y, La, etc. in addition to Sc, the reliability of the joint is ensured even after being exposed to such a more severe environment. I found out.
高温長時間履歴後の接合部信頼性評価試験について説明する。
使用したボンディングワイヤの成分は、Ｓｃのみを０．５質量％含有する比較例のＡｌボンディングワイヤと、Ｓｃを０．５％、Ｙを０．１％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤである。伸線後のワイヤ線径は２００μｍである。伸線工程の途中で溶体化熱処理を実施してＳｃ及びＹを強制固溶させるとともに、伸線後のワイヤに調質熱処理を施して、ボンディングワイヤのビッカース硬度をＨｖ４０以下に調整した。
A joint reliability evaluation test after high-temperature long-term history will be described.
The components of the bonding wires used were the Al bonding wire of the comparative example containing 0.5% by mass of Sc only and the Al bonding wire of the present invention containing 0.5% of Sc and 0.1% of Y. The wire diameter after wire drawing is 200 μm. Solution heat treatment was performed during the wire drawing process to force Sc and Y into a solid solution, and the drawn wire was subjected to refining heat treatment to adjust the Vickers hardness of the bonding wire to Hv40 or less.
半導体装置において、半導体チップとボンディングワイヤとの間の第１接合部、外部端子とボンディングワイヤとの間の第２接合部ともにウエッジボンディングとした。 In the semiconductor device, wedge bonding is used for both the first joint portion between the semiconductor chip and the bonding wire and the second joint portion between the external terminal and the bonding wire.
高温長時間履歴は、パワーサイクル試験によって行った。パワーサイクル試験は、Ａｌボンディングワイヤが接合された半導体装置について、加熱と冷却の繰り返しを行う。加熱は、半導体装置におけるボンディングワイヤの接合部の温度が１４０℃になるまで２秒間かけて加熱し、その後、接合部の温度が３０℃になるまで５秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを２０万回繰り返す。 High-temperature long-term history was performed by a power cycle test. In the power cycle test, heating and cooling are repeated for the semiconductor device to which the Al bonding wire is bonded. Heating is performed for 2 seconds until the temperature of the bonding wire bonding portion in the semiconductor device reaches 140°C, and then cooling is performed for 5 seconds until the temperature of the bonding portion reaches 30°C. This heating/cooling cycle is repeated 200,000 times.
上記高温長時間履歴後、第１接合部の接合シェア強度を測定し、接合部信頼性の評価を行った。その結果、Ｓｃのみを０．５質量％含有するＡｌボンディングワイヤについては、接合部シェア強度が初期と比べて５０％未満であり、接合部の信頼性が不十分であった。それに対して、Ｓｃを０．５％、Ｙを０．１％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤについては、接合部シェア強度が初期と比べて９０％以上であり、接合部の信頼性を十分に確保することができた。 After the high-temperature long-term history, the joint shear strength of the first joint was measured to evaluate the joint reliability. As a result, with respect to the Al bonding wire containing 0.5% by mass of only Sc, the bonding portion shear strength was less than 50% compared to the initial value, and the reliability of the bonding portion was insufficient. On the other hand, in the Al bonding wire of the present invention containing 0.5% Sc and 0.1% Y, the joint shear strength is 90% or more compared to the initial value, and the reliability of the joint is sufficiently improved. was able to secure
本発明のボンディングワイヤの成分組成について説明する。％は質量％を意味する。 The component composition of the bonding wire of the present invention will be described. % means % by mass.
《Ｓｃを０．０１～１％》
Ａｌボンディングワイヤ中にＳｃを０．０１％以上含有することにより、下記Ｙ、Ｌａ等との複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｓｃが０．１％以上であればより好ましい。０．５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｓｃ含有量が１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を１％とした。Ｓｃが０．８％以下であるとより好ましい。
<<0.01 to 1% of Sc>>
By containing 0.01% or more of Sc in the Al bonding wire, combined with the effect of compound addition with Y, La, etc. described below, the precipitation strengthening effect of the wire and the progress of recrystallization during high-temperature long-term use of the semiconductor device It can exert a preventive effect. More preferably, Sc is 0.1% or more. More preferably 0.5% or more. On the other hand, if the Sc content exceeds 1%, the wire hardness becomes too high, causing chip cracks, deterioration of bondability, deterioration of joint reliability, etc., so the upper limit was made 1%. More preferably, Sc is 0.8% or less.
《Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％》
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上（Ｙ、Ｌａ等）を合計で０．０１％以上含有することにより、上記Ｓｃとの複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄのいずれであっても、同じように効果を発揮する。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０３％以上であればより好ましい。０．０５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を０．１％とした。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０８％以下であるとより好ましい。
<<0.01 to 0.1% in total of at least one of Y, La, Ce, Pr, and Nd>>
By containing at least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd (Y, La, etc.) in a total amount of 0.01% or more, combined with the combined addition effect of Sc, the precipitation strengthening effect of the wire, and It is possible to exhibit the effect of preventing progress of recrystallization during high-temperature, long-time use of the semiconductor device. Any one of Y, La, Ce, Pr, and Nd exhibits the same effect. More preferably, the total content of Y, La, etc. is 0.03% or more. More preferably 0.05% or more. On the other hand, if the total content of Y, La, etc. exceeds 0.1%, the wire hardness becomes too high, causing chip cracks, deterioration of bondability, decrease of bond reliability, etc., so the upper limit is 0. .1%. More preferably, the total content of Y, La, etc. is 0.08% or less.
ボンディングワイヤの残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。不可避不純物元素としては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕが挙げられる。不可避不純物の合計含有量が少ないほど、材料特性のばらつきを小さく抑えることが可能であって好ましい。ワイヤを製造する際のアルミニウム原料として、純度が４Ｎ（Ａｌ：９９．９９％以上）のアルミニウムを用いることにより、好ましい結果を得ることができる。 The remainder of the bonding wire consists of Al and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurity elements include Si, Fe, and Cu. The smaller the total content of unavoidable impurities, the smaller the variations in material properties can be suppressed, which is preferable. Favorable results can be obtained by using aluminum with a purity of 4N (Al: 99.99% or more) as the aluminum raw material for manufacturing the wire.
《ワイヤの平均結晶粒径》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍである。平均結晶粒径の測定方法としては、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）などの測定方法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円に見なした時の直径の平均とする。平均結晶粒径が０．１μｍ以上であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行しており、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、平均結晶粒径が５０μｍを超えると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのＣ断面における平均結晶粒径を０．１～５０μｍとすることができる。
《Average grain size of wire》
In the present invention, the average crystal grain size in a cross section (C cross section) perpendicular to the wire longitudinal direction of the bonding wire is preferably 0.1 to 50 μm. As a method for measuring the average crystal grain size, the area of each crystal grain is obtained using a measurement method such as EBSD (Electron Back Scatter Diffraction Patterns), and the average diameter when the area of each crystal grain is regarded as a circle. do. If the average crystal grain size is 0.1 μm or more, recrystallization due to refining heat treatment during wire drawing is progressing moderately, and solution heat treatment is performed in the process of wire manufacturing to forcibly dissolve the components contained in the wire. Combined with this, the wire is softened, and it is possible to prevent the occurrence of chip cracking at the time of bonding and the deterioration of bondability of the joint. On the other hand, if the average crystal grain size exceeds 50 μm, it indicates that the recrystallization of the wire has progressed too much, and it is difficult to obtain sufficient strength even if precipitates are formed by aging heat treatment, and the reliability of the joint is reduced. There is a risk of decreased sexuality. By performing a refining heat treatment in the wire drawing process, the average crystal grain size in the C cross section of the wire can be made 0.1 to 50 μm.
《ワイヤの＜１１１＞方位面積率》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（以下「＜１１１＞方位面積率」という。）が３０～９０％である。＜１１１＞方位面積率の測定には、ＥＢＳＤを用いることができる。ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面を検査面とし、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出できる。＜１１１＞方位面積率が９０％以下であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行し、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、＜１１１＞方位面積率が３０％未満であると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤ長手方向に垂直な断面における＜１１１＞方位面積率を３０～９０％とすることができる。
<<<111> orientation area ratio of wire>>
In the present invention, preferably, in a cross section (C cross section) perpendicular to the longitudinal direction of the bonding wire, the crystal area ratio (hereinafter referred to as "<111> orientation area ratio”) is 30 to 90%. EBSD can be used to measure the <111> orientation area ratio. The <111> azimuth area ratio can be calculated by using the analysis software attached to the apparatus with the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the bonding wire as the inspection plane. If the <111> orientation area ratio is 90% or less, recrystallization by refining heat treatment during wire drawing progresses appropriately, and solution heat treatment is performed in the process of wire manufacturing to forcibly dissolve the components contained in the wire. Together with this, the wire is softened, and it is possible to prevent the occurrence of chip cracking during bonding and the deterioration of bondability of the joint. On the other hand, if the <111> orientation area ratio is less than 30%, it indicates that the recrystallization of the wire has progressed too much, and it is difficult to obtain sufficient strength even if precipitates are formed by aging heat treatment. The reliability of the joint may deteriorate. By performing refining heat treatment in the wire drawing process, the <111> orientation area ratio in the cross section perpendicular to the wire longitudinal direction can be 30 to 90%.
《ワイヤのビッカース硬度》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲である。Ｈｖ４０以下とすることにより、ボンディング時にチップ割れを発生することなく、良好な接合性を実現し、また容易にループを形成して半導体装置に対する配線を行うことができる。一方、ビッカース硬度がＨｖ２０未満まで低下すると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。そのため、ビッカース硬度の下限はＨｖ２０とすると好ましい。前述のとおり、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶し、さらに伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのビッカース硬度をＨｖ２０～４０の範囲とすることができる。
《Vickers Hardness of Wire》
In the present invention, the Vickers hardness is preferably in the range of Hv 20 to 40 in a cross section (C cross section) perpendicular to the wire longitudinal direction of the bonding wire. By setting Hv to 40 or less, chip cracking does not occur during bonding, good bondability can be achieved, and loops can be easily formed for wiring to the semiconductor device. On the other hand, when the Vickers hardness decreases to less than Hv20, it indicates that the recrystallization of the wire has progressed too much, and even if precipitates are formed by aging heat treatment, it is difficult to obtain sufficient strength, and the reliability of the joint is improved. is likely to decline. Therefore, the lower limit of the Vickers hardness is preferably Hv20. As described above, the Vickers hardness of the wire is set to a range of Hv 20 to 40 by performing solution heat treatment in the wire manufacturing process to forcibly solidify the components contained in the wire and further performing refining heat treatment in the wire drawing process. be able to.
《ワイヤ直径》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ直径が５０～６００μｍである。パワー系デバイスには大電流が流れるため一般的に５０μｍ以上のワイヤが使用されるが、６００μｍ以上になると扱いづらくなることやワイヤボンダーが対応していないため、６００μｍ以下のワイヤが使用されている。
《Wire Diameter》
Preferably in the present invention, the bonding wire diameter is 50-600 μm. Wires with a thickness of 50 μm or more are generally used because large currents flow in power devices. .
純度９９．９９質量％（４Ｎ）のアルミニウムと、純度９９．９質量％以上のイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジムを原料として溶融し、表１、２に示す組成のＡｌ合金を得た。この合金を鋳塊とし、鋳塊を溝ロール圧延し、さらに伸線加工を行った。ワイヤ径が８００μｍの段階で、６２０℃、３時間の溶体化熱処理を行い、水中で急冷した。その後、最終線径を２００μｍとしてダイス伸線加工を行い、伸線加工終了後に２７０℃、１０秒で調質熱処理を行った。 Aluminum with a purity of 99.99% by mass (4N) and yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium with a purity of 99.9% by mass or more were melted as raw materials to obtain Al alloys having the compositions shown in Tables 1 and 2. This alloy was used as an ingot, and the ingot was subjected to groove roll rolling and wire drawing. When the wire diameter was 800 μm, it was subjected to solution heat treatment at 620° C. for 3 hours and then quenched in water. Thereafter, die wire drawing was performed with a final wire diameter of 200 μm, and after the wire drawing was completed, refining heat treatment was performed at 270° C. for 10 seconds.
このワイヤを用いて、ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、平均結晶粒径、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（＜１１１＞方位面積率）、ビッカース硬度の計測を行った。
平均結晶粒径の測定は、ＥＢＳＤ法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円の面積に換算してその直径の平均として行った。
＜１１１＞方位面積率の測定は、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面においてＥＢＳＰによる測定を行い、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出した。
ビッカース硬度の測定は、マイクロビッカース硬度計を用い、Ｃ断面のうちの半径方向の中心位置における硬度として測定を行った。
Using this wire, in the cross section (C section) perpendicular to the longitudinal direction of the wire, the average crystal grain size, the area ratio of crystals in which the angle difference between the crystal <111> orientation and the wire longitudinal direction is within 15 ° (<111 > azimuth area ratio) and Vickers hardness were measured.
The average crystal grain size was measured by determining the area of each crystal grain using the EBSD method, converting the area of each crystal grain into the area of a circle, and averaging the diameters.
The <111> orientation area ratio was measured by EBSP in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the bonding wire, and the <111> orientation area ratio was calculated using analysis software attached to the apparatus.
The Vickers hardness was measured using a micro Vickers hardness tester as the hardness at the center position in the radial direction of the C cross section.
半導体装置において、半導体チップ電極はＡｌ－Ｃｕであり、外部端子はＡｇを用いた。半導体チップ電極とボンディングワイヤとの間の第１接合部、外部端子とボンディングワイヤとの間の第２接合部はともにウエッジボンディングとした。 In the semiconductor device, the semiconductor chip electrodes were made of Al--Cu, and the external terminals were made of Ag. The first joint between the semiconductor chip electrode and the bonding wire and the second joint between the external terminal and the bonding wire are both wedge-bonded.
ボンディング後に、３５０℃、４５分で時効熱処理を行った。 After bonding, an aging heat treatment was performed at 350° C. for 45 minutes.
半導体装置におけるボンディングワイヤの接合性については、第１接合部の初期（高温長時間履歴前）の接合不良（不着）の有無で判断した。接合されているものを○とし、接合されていないものを×として表１、２の「接合性」欄に記載した。
半導体装置におけるチップクラック評価については、パッド表面の金属を酸にて溶かし、パッド下のチップクラックの有無を顕微鏡にて観察して評価した。クラックなしを○とし、クラック有りを×として、表１、２の「チップクラック」欄に記載した。
The bondability of the bonding wire in the semiconductor device was determined based on the presence or absence of defective bonding (non-bonding) at the initial stage of the first bonding portion (before the high-temperature long-term history). Those which are joined are indicated by ◯, and those which are not joined are indicated by x in the "Joinability" column of Tables 1 and 2.
For evaluation of chip cracks in semiconductor devices, the metal on the pad surface was dissolved with acid, and the presence or absence of chip cracks under the pads was observed under a microscope for evaluation. In Tables 1 and 2, "Chip Crack" column indicates that there is no crack and x indicates that there is crack.
高温長時間履歴は、パワーサイクル試験によって行った。パワーサイクル試験は、Ａｌボンディングワイヤが接合された半導体装置について、加熱と冷却の繰り返しを行う。加熱は、半導体装置におけるボンディングワイヤの接合部の温度が１４０℃になるまで２秒間かけて加熱し、その後、接合部の温度が３０℃になるまで５秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを２０万回繰り返す。 High-temperature long-term history was performed by a power cycle test. In the power cycle test, heating and cooling are repeated for the semiconductor device to which the Al bonding wire is bonded. Heating is performed for 2 seconds until the temperature of the bonding wire bonding portion in the semiconductor device reaches 140°C, and then cooling is performed for 5 seconds until the temperature of the bonding portion reaches 30°C. This heating/cooling cycle is repeated 200,000 times.
上記高温長時間経過後、第１接合部の接合シェア強度を測定し、接合部信頼性の評価を行った。シェア強度測定は初期の接合部のシェア強度との比較として行った。初期の接合強度の９５％以上を◎とし、９０％以上を○とし、７０％以上を△とし、５０％以下を×として、表１、２の「信頼性試験」欄に記載した。 After a long time at high temperature, the joint shear strength of the first joint was measured to evaluate the reliability of the joint. Shear strength measurements were made as a comparison with the initial joint shear strength. 95% or more of the initial bonding strength is indicated as ⊚, 90% or more as ∘, 70% or more as Δ, and 50% or less as x.
製造条件、製造結果を表１、表２に示す。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ（Ｙ、Ｌａ等）を「第２成分」として示している。表２において、成分が本発明範囲から外れる数値、評価結果が本発明好適範囲を外れる数値に下線を付している。 Tables 1 and 2 show manufacturing conditions and manufacturing results. Y, La, Ce, Pr, and Nd (Y, La, etc.) are shown as the "second component". In Table 2, numerical values for components outside the scope of the present invention and numerical values for evaluation results outside the preferred range of the present invention are underlined.
表１の本発明例Ｎｏ．１～５４が本発明例である。ワイヤの成分範囲は本発明範囲内にあり、また、ワイヤの平均結晶粒径、＜１１１＞方位面積率、ビッカース硬度はいずれも、本発明の好適範囲内にあり、接合性とチップクラックの評価結果はすべて「○」であった。本発明で規定する成分を含有し、溶体化熱処理によって含有元素を強制固溶し、調質熱処理によって適度な再結晶を行った結果である。 Example No. of the present invention in Table 1. 1 to 54 are examples of the present invention. The component range of the wire is within the range of the present invention, and the average grain size, <111> orientation area ratio, and Vickers hardness of the wire are all within the preferred range of the present invention. All the results were "○". This is the result of containing the components specified in the present invention, forcibly dissolving the contained elements by solution heat treatment, and performing moderate recrystallization by refining heat treatment.
本発明例Ｎｏ．１～５４の高温長時間履歴後の接合部信頼性の評価において、いずれも「○」か「◎」であった。本発明で規定する成分を含有し、ボンディング後の時効熱処理でＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させた結果として、ワイヤの析出強化を図るとともに、再結晶温度を上昇させ、高温長時間履歴における再結晶の進行を阻止したためである。特に、本発明例Ｎｏ．１９～３６については、Ｓｃ含有量が本発明の好適範囲内であり、接合部信頼性評価結果はすべて「◎」であった。 Inventive Example No. In the evaluation of joint reliability after high-temperature long-term history of Nos. 1 to 54, all of them were "○" or "⊚". It contains the components specified in the present invention, and as a result of precipitating Sc, Y, La, etc. in the aging heat treatment after bonding, the precipitation strengthening of the wire is achieved, the recrystallization temperature is increased, and the recrystallization at high temperature and long time history is achieved. This is because the progress of crystals was blocked. In particular, invention example No. For Nos. 19 to 36, the Sc content was within the preferred range of the present invention, and all of the joint reliability evaluation results were "A".
表２の比較例Ｎｏ．１～１０が比較例である。
比較例Ｎｏ．１～３は、Ｓｃ含有量が本発明下限未満であり、いずれも、信頼性評価結果が「×」であった。また、高温長時間履歴後のワイヤ内質を評価したところ、比較例Ｎｏ．１～３のいずれも、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ワイヤ中のＳｃが不足し、時効熱処理後においても機械的強度が十分に上昇せず、再結晶温度も十分に上昇せず、高温長時間履歴において再結晶が過度に進行したためと推定される。比較例Ｎｏ．１はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明下限未満である。比較例Ｎｏ．３はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明上限を超えており、ボンディング後の接合性、チップクラックが「×」であった。
Comparative Example No. in Table 2. 1 to 10 are comparative examples.
Comparative example no. 1 to 3, the Sc content was less than the lower limit of the present invention, and the reliability evaluation result was "x" for all of them. In addition, when the internal quality of the wire after high temperature history for a long period of time was evaluated, comparative example No. All of Nos. 1 to 3 had an average crystal grain size exceeding 50 μm. It is presumed that due to the lack of Sc in the wire, the mechanical strength did not rise sufficiently even after the aging heat treatment, the recrystallization temperature did not rise sufficiently, and recrystallization proceeded excessively during the high temperature long-term history. Comparative example no. Further, in No. 1, the total content of Y, La, etc. is less than the lower limit of the present invention. Comparative example no. In No. 3, the total content of Y, La, etc. exceeded the upper limit of the present invention, and the bondability and chip cracks after bonding were "x".
比較例Ｎｏ．４、５は、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の下限未満である。いずれも、信頼性評価結果が「△」であった。また、高温長時間履歴後のワイヤ内質を評価したところ、いずれも、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ワイヤ中のＹ、Ｌａ等の合計含有量が不足し、時効熱処理後においても機械的強度が十分に上昇せず、再結晶温度も十分に上昇せず、高温長時間履歴において再結晶が過度に進行したためと推定される。
比較例Ｎｏ．６は、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の上限を超えている。その結果、ワイヤのビッカース硬度は好適範囲外であった。また、ボンディング後の接合性、チップクラックは「×」であり、信頼性評価結果は「×」であった。
Comparative example no. In Nos. 4 and 5, the total content of Y, La, etc. is less than the lower limit of the present invention. In both cases, the reliability evaluation result was "Δ". Moreover, when the internal quality of the wire after high-temperature history for a long time was evaluated, the average crystal grain size exceeded 50 μm in all cases. The total content of Y, La, etc. in the wire is insufficient, the mechanical strength is not sufficiently increased even after the aging heat treatment, the recrystallization temperature is not sufficiently increased, and recrystallization is excessive in the high temperature long history. It is presumed that it progressed.
Comparative example no. In No. 6, the total content of Y, La, etc. exceeds the upper limit of the present invention. As a result, the Vickers hardness of the wire was out of the preferred range. In addition, the bondability after bonding and the chip crack were "x", and the reliability evaluation result was "x".
比較例Ｎｏ．７～９は、Ｓｃ含有量が本発明の上限を超えている。さらに比較例Ｎｏ．７、８はＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明下限未満、比較例Ｎｏ．１０はＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の上限を超えている。比較例Ｎｏ．７～１０のいずれも、Ｓｃ含有量が本発明の上限を超えているため、ビッカース硬度が本発明の好適上限外れとなっている。Ｓｃが上限を超えていると強制固溶しても固溶しきれず析出するため、ビッカース硬度が外れる。比較例Ｎｏ．１０はＹ、Ｌａ等の合計含有量も上限を超えているため、平均結晶粒径が本発明の好適下限未満、＜１１１＞方位面積率が本発明の好適上限外れとなった。ＳｃおよびＹ、Ｌａが上限を外れると、更に固溶しきれず析出するため、粒径は小さくなり、方位も＜１１１＞が多くなる。その結果、比較例Ｎｏ．７～１０のいずれも、接合性、チップクラックについていずれも「×」であるとともに、高温長時間履歴後の接合部信頼性評価結果も「×」であった。 Comparative example no. In Nos. 7 to 9, the Sc content exceeds the upper limit of the present invention. Furthermore, Comparative Example No. In Nos. 7 and 8, the total content of Y, La, etc. is less than the lower limit of the present invention. In No. 10, the total content of Y, La, etc. exceeds the upper limit of the present invention. Comparative example no. In all of Nos. 7 to 10, since the Sc content exceeds the upper limit of the present invention, the Vickers hardness is outside the preferred upper limit of the present invention. If Sc exceeds the upper limit, the Vickers hardness will be off because the solid solution cannot be completely dissolved even if it is forcibly dissolved, and it precipitates. Comparative example no. In No. 10, the total content of Y, La, etc. also exceeded the upper limit, so the average grain size was less than the preferred lower limit of the present invention, and the <111> orientation area ratio was outside the preferred upper limit of the present invention. When Sc, Y, and La deviate from the upper limits, they are not completely dissolved and are precipitated, so that the grain size becomes small and the <111> orientation increases. As a result, Comparative Example No. In all of Nos. 7 to 10, both the bondability and chip cracks were evaluated as "x", and the joint reliability evaluation result after high-temperature long-term history was also evaluated as "poor".
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