JP7293674B2 - bonding wire - Google Patents
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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。 The present invention relates to bonding wires used for bonding power semiconductors and the like.
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。
2. Description of the Related Art In a module including a power semiconductor chip such as an IGBT through which a large current flows, ultrasonic bonding using an aluminum bonding wire is applied to bonding electrodes, terminals, and the like.
Since aluminum bonding wires have lower hardness and lower yield strength than copper, they are less likely to generate excessive stress on semiconductors and other components, and have the advantage of being easy to handle.
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)
In recent years, in contrast to such aluminum bonding wires, proposals have been made for bonding wires in which a copper wire having a low volume resistivity is used as a core material and the surface is coated with an aluminum layer (see, for example,
As a specific method for forming an aluminum film, a method has been proposed in which an aluminum layer is formed on a copper ingot by electroplating and then wire drawing is performed (see Patent Document 2).
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。
A bonding wire in which a copper core is coated with an aluminum layer as described in
By the way, with aluminum, there is a concern that crystal grains in the structure grow due to heat generation when a large current flows, the strength decreases, and the risk of fracture due to crack growth increases.
According to studies by the present inventors, the growth of crystal grains by heating is particularly promoted for aluminum having a plastically worked structure. Therefore, a bonding wire obtained by coating copper with an aluminum layer and drawing the wire also has the same problem, and a new configuration is required to improve reliability.
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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a bonding wire capable of suppressing the growth of crystal grains in the covering aluminum layer while obtaining the advantage of using copper as a core material.
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、を有し、前記析出形態では、前記電解アルミニウム層部のミクロ組織が前記芯材部に近い部分では結晶粒が小さくなっている析出組織であるボンディングワイヤである。 The inventors of the present invention have found that the growth of crystal grains can be suppressed by using electrolytic aluminum that maintains the form of precipitation formed by electroplating, and have arrived at the present invention. That is, the present invention has a core part made of a copper wire, and an electrolytic aluminum layer part maintaining a deposition form on the surface of the core part, and in the precipitation form, the microstructure of the electrolytic aluminum layer part is a bonding wire having a precipitation structure in which crystal grains are small in a portion near the core portion .
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。 According to the present invention, the low volume resistivity of copper can be used as a bonding wire, and recrystallization of the crystal grains of the aluminum layer due to heat can be suppressed, thereby improving bonding reliability. Therefore, the present invention becomes a useful technique for power semiconductor applications that are placed under increasingly harsh environments.
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。
One of the important features of the present invention is the application of electrolytic aluminum that maintains the deposited form as the bonding wire. A detailed description will be given below.
The present inventors focused on the problem of coarsening of crystal grains of aluminum and conducted various studies. As a result, the inventors have found that electrolytic aluminum that maintains the deposited form can suppress the coarsening of crystal grains in comparison with general aluminum bonding wires.
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。
This phenomenon is due to the fact that in general aluminum bonding wires to which plastic working such as wire drawing is applied, crystal grains grow in an attempt to release the residual stress generated by the working. On the other hand, it is presumed that electrolytic aluminum in which the precipitated form is maintained has less residual stress and less driving force for crystal grain growth because such plastic working is not applied. In addition, it was found that the electrolytic aluminum that maintained the investigated deposition form contained a predetermined amount of impurities derived from the plating solution, such as S (sulfur). It was presumed that these impurities are concentrated at grain boundaries and suppress the growth of crystal grains.
Based on these findings, the present inventors used a copper wire having a low volume resistivity as a core material, and formed an electrolytic aluminum layer portion maintaining the deposition form on the surface of the core material portion, thereby achieving the present invention. It has reached the configuration.
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。
A method for obtaining the bonding wire of the present invention will be described below.
First, prepare a copper wire as a core material. Copper wires of various compositions and sizes, such as oxygen-free copper and copper alloys, can be used depending on the application and purpose. Copper wires generally have a diameter of about 0.1 to 0.5 mm, and can be used.
The surface of the copper wire may be subjected to a treatment such as cleaning in order to improve characteristics such as ease of electrolytic deposition and adhesion.
An electrolytic aluminum layer is formed by electroplating on the surface of the core member made of copper wire. However, when the electrolytic aluminum layer portion is formed by electroplating, a plating solution made of an aqueous solvent cannot be applied depending on the ionization tendency.
Plating solutions used for this purpose include solution-based plating solutions in which aluminum salts are dissolved in solvents such as dimethylsulfone and toluene, ionic liquid-based plating solutions containing imidazolium salts and aluminum salts, potassium chloride, sodium chloride, and aluminum. A molten salt-based plating solution obtained by melting salt at a high temperature can be used.
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:R1R2R3R4N・X(R1~R4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) According to the study of the present inventor, in addition to the viewpoint of forming an aluminum layer that is difficult to grow grains, from the viewpoint of easiness of washing after formation and uniformity of the formed aluminum layer, a solution system using dimethyl sulfone as a solvent is most preferred. Specifically, a plating solution containing (1) dialkyl sulfone, (2) aluminum halide, and (3) nitrogen-containing compound can be used. The nitrogen-containing compound used here is an ammonium halide, a primary amine hydrohalide, a secondary amine hydrohalide, or a tertiary amine hydrohalide, having the general formula: R 1 R 2 R 3 R 4 At least selected from the group consisting of quaternary ammonium salts represented by N·X (R 1 to R 4 are the same or different alkyl groups, X is a counter anion for the quaternary ammonium cation) and nitrogen-containing aromatic compounds One can be used. (See Patent Document 3)
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/cm2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。
In addition, since this plating solution is hygroscopic and may deteriorate or decompose due to moisture absorption, it is particularly important to control the moisture content in the plating bath or the container for storing the solution. It is desirable that the dew point in the tank be −40° C. or lower.
An electrolytic aluminum layer can be formed by using a copper wire as a cathode and aluminum as an anode and applying a direct current between the electrodes. At this time, the current density may be adjusted according to the film thickness and speed. For example, the current density can generally be on the order of 80-600 mA/cm 2 . Further, in order to suppress deterioration of the plating solution, it is desirable to use aluminum with a purity of 97 mass % or higher for the anode.
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。 The thickness of the electrolytic aluminum layer to be formed is preferably 2 μm to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm. If the thickness is less than 2 μm, the aluminum layer is too thin, and there are cases where sufficient bonding strength cannot be obtained, or ultrasonic bonding is difficult. On the other hand, if the thickness is 30 μm or more, it takes time to form the wire by electroplating, and in addition, when the wire is bent, the electrolytic aluminum layer is too thick, cracks may occur, and the wire may be difficult to handle.
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。 By the above method, the electrolytic aluminum layer formed on the surface of the core material of the copper wire can contain S=0.01 to 0.15 mass %. When the content is within this range, embrittlement does not occur, and it is also effective in suppressing grain formation.
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/cm2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。 A copper wire (manufactured by Nilaco Corporation) with a diameter of 0.25 mm was prepared as a core material. The surface of the copper wire was degreased and washed and then dried to a clean state. Next, a plating solution containing dimethylsulfone, aluminum chloride and ammonium chloride was prepared. The plating solution used was prepared in a molar ratio of dimethylsulfone:aluminum chloride:ammonium chloride=10:3.8:0.2. The prepared copper wire was used as a cathode, aluminum with a purity of 99 mass % was used as an anode, and electricity was passed between the cathode and the anode for 10 minutes. The energization was carried out under the condition that the liquid temperature was kept at 95 to 100° C. with a current density of 100 mA/cm 2 between both electrodes. As a result, an electrolytic aluminum layer portion was formed on the surface of the copper wire to obtain the bonding wire of the present invention. The obtained bonding wire was washed with running water and dried with an air blow.
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。
The cross-sectional microstructure of the obtained bonding wire was observed by SEM (scanning electron microscope, JSM-7800F, manufactured by JEOL Ltd.). Observation conditions were an acceleration voltage of 5 kV and a working distance of 4 mm. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 1, in the bonding wire of the present invention, an electrolytic
Also, the components of the obtained bonding wires were analyzed. EDX (energy dispersive X-ray spectrometer, JED-2300 SD30, manufactured by JEOL Ltd.) attached to the SEM was used for the measurement. The measurement conditions were an acceleration voltage of 5 kV, a working distance of 10 mm, the number of scans of 50, and a measurement area of 10 μm×100 μm. As a result, S=0.1 mass% and Cl=0.1 mass% (remainder=Al) were detected.
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。
Next, in order to evaluate the thermal grain growth of the bonding wire of the present invention, a heating and holding test was conducted. A constant temperature dryer (manufactured by Tokyo Rikagaku Co., Ltd., VOS-301SD) was used for the test, and the heating and holding conditions were 240° C. for 30 minutes in an air atmosphere. When the microstructure of the bonding wire after the test was observed in the same manner as above, as shown in FIG. 2, there was no noticeable change in the microstructure compared to FIG. 1 before the test, and the electrolytic aluminum layer maintained the deposition form.
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。
Next, for comparison, a similar heating and holding test was performed on a commercially available aluminum wire with a purity of 99% and a diameter of 0.45 mm (manufactured by The Nilaco Corporation), and the cross-sectional microstructures before and after the test were compared. The results are shown in FIGS. 3 and 4. FIG. The crystal grains of the aluminum
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
1
Claims (1)
前記析出形態では、前記電解アルミニウム層部のミクロ組織が前記芯材部に近い部分では結晶粒が小さくなっている析出組織であることを特徴とするボンディングワイヤ。
Having a core part made of a copper wire and an electrolytic aluminum layer part maintaining a deposition form on the surface of the core part ,
A bonding wire characterized in that, in the deposition mode, the microstructure of the electrolytic aluminum layer portion is a deposition structure in which crystal grains are smaller in a portion near the core portion.
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