KR20140135105A - 내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자 접속용 고순도 알루미늄 와이어의 고온·고습도 환경 하에서의 입계 부식을 억제한다.
순도 99.99 질량% 이상의 고순도 알루미늄에 로듐(Rh) 및/또는 팔라듐(Pd)을 10 내지 200 질량ppm 함유시킨 알루미늄 합금 본딩 와이어로서,
이들 첨가 원소는, 강제 고용되어 알루미늄 매트릭스 중에 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상을 형성하고, 상기 알루미늄 매트릭스의 결정립경은 10 내지 100㎛로 한다. 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)은 알루미늄 표면에서 발생하는 원자 형상 수소를 촉매 작용에 의해 H2로 하고, 알루미늄 매트릭스 중으로의 확산 침투를 저지하여, 원자 형상 수소가 결합하여 H2로 되어 발생하는 입계 부식을 억제한다.

Description

내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어{CORROSION RESISTANCE ALUMINUM ALLOY BONDING WIRE}
본 발명은 고온 환경 하에서 사용되는 반도체 소자 상의 전극과 외부 전극을 접속하는 알루미늄 합금 본딩 와이어에 관한 것으로, 특히, 항공기, 전기 자동차, 혹은 선박 등의 고온 환경 하에서 사용되는 반도체 소자의 본딩 와이어에 있어서, 사용 환경의 수분에 의해 발생하는 입계 부식을 억제하여, 그 내구성, 신뢰성의 향상을 도모하는 것이다.
실리콘(Si), 혹은 탄화 실리콘(SiC)이나 질화갈륨(GaN) 등의 반도체 소자 상의 본딩 패드나 이들 반도체 소자를 탑재한 기판 상의 전극, 혹은 리드 프레임에는, 주로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 소재가 사용된다.
이들 기판 상의 전극에는 금(Au), 은(Ag) 등의 귀금속 도금, 혹은 니켈(Ni) 도금이 실시되어 사용되는 경우가 있지만, 이하에서는 특별히 언급이 없는 한 이들을 통합하여 「알루미 패드」라고 칭한다.
이들 반도체 소자의 알루미 패드와 리드 프레임 등의 전극을 초음파 본딩에 의해 접속하기 위해서는, 60% 이상의 높은 도전율을 갖는 고순도 알루미늄(Al)을 사용한 알루미늄 합금 세선이 사용된다.
이들 알루미늄 합금 세선으로서, 일반적으로 선경이 50 내지 500㎛인 둥근 세선이 사용되지만, 용도에 따라서는 선경이 50㎛ 미만인 극세선이나 500㎛를 초과하는 것도 사용되고, 또한 이들 세선을 뭉개버린 평각 형상 세선(테이프)이 사용되는 경우도 있다.
이러한 고순도 알루미늄(Al)을 사용한 알루미늄(Al) 합금 세선을 고온·고습도 환경(분위기) 하에서 사용하는 경우, 특히 항공기, 자동차, 혹은 선박 등에서 사용되는 반도체 소자의 배선 재료로서 사용하는 경우에는, 이들 환경에서의 내구성, 신뢰성을 유지·확보하는 것이 곤란해지는 문제가 있었다.
그러한 예로서, 비저항이 비교적 작고, 기계적 강도가 비교적 높음과 함께 내열성이 우수한 배선 재료로서, 다음 알루미늄(Al) 중에 니켈(Ni)을 고용한 알루미늄 합금이 있다.
일본 특허 공개 소59-56737호 공보(후술하는 특허문헌 1)에는, 「고순도의 Al에, 니켈(Ni), 구리(Cu)의 1개 또는 2개의 원소를 함유시키고, 그 함유량이 0.005 내지 0.2wt％인 것, 즉 0.005 내지 0.2wt％ Ni 또는 0.005 내지 0.2wt％ Cu를 함유시키거나, 혹은 Ni 및 Cu를 그 합계량 0.005 내지 0.2wt％ 함유시킨 것을 특징으로 한다.」는 본딩용 알루미늄(Al) 세선이 개시되어 있다.
150℃ 이상의 고온 순수 중에서의 순도 99.99% 이상인 고순도 알루미늄에서의 부식 메커니즘에 대해서, 알루미늄과 물의 화학 반응에 의해,
2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H ↑
라고 하는 반응이 일어나는 것을 문제로 삼아야 하며,
「이 반응에 의해 발생한 수소 중, 알루미늄 표면에서 분자 형상으로 되어 H2 가스로서 빠져나가는 것은 이로 인해 용기 내의 가스압이 올라가는 것뿐이지만, 일부는 원자 형상 수소로서 알루미나를 확산하여 누락하고, 알루미늄의 결정립계를 따라 확산 침입하여, 그 중에서 H2 분자를 만들어서 압력을 늘리고, 이로 인해, 알루미늄의 지에 입계 균열을 일으키게 한다. 그렇게 하면, 이 균열에 따라서 알루미나의 피막도 갈라지므로 새로운 물이 침입하여 가운데에서 알루미늄과 물의 반응이 일어나고, 또한 원자 형상의 수소가 발생하여 이것이 더욱 가운데로 침입한다고 하는 것이 반복된다. 이로 인해, 결국 결정립계로부터 균열되어 붕괴되는 것이다」라는 설명이 흔히 행해지고 있다(경금속 협회편, 알루미늄 핸드북, 후술하는 비특허문헌 1).
이들 반응 기구에 대하여, 상기 특허문헌 1에 기재된 니켈을 고용한 알루미늄 합금 중에서는, 그 표면층에서 니켈이 촉매로서 작용하여 결정 조직 내를 이동하기 쉬운 원자 형상 수소(H)를 H2로 하기 때문에, 원자 형상 수소(H)가 알루미늄의 결정 조직 내로 침입하는 것이 억제되어, 내식성을 개선하고 있다고 생각된다.
또한, 이러한 고순도 알루미늄에 첨가된 니켈(Ni) 등의 효과에 대해서, 비특허문헌 1에는, 「1% 전후에 더하여 제2상 NiAl3이 나와 있으면, 심하게, 고온수 중에서의 내식성이 향상되는 것을 알 수 있다(제1278페이지 중단).」라는 것이 기재되고, 특허문헌 1에서는 「Ni, Cu는 각각 Al의 본딩성 및 내식성을 높이는 것으로, …(중략) 0.2wt％을 초과하면 Al선이 단단해져서 초음파 접합법에 있어서 펠릿 균열을 일으키는 폐해가 있다.(제2페이지 제2 내지 7행째)」로 되어 있다.
그러나, 최근 니켈(Ni)은 건강 등에 관해 환경에 미치는 영향이 우려되는 물질로서 예로 들 수 있으며, 용도에 따라서는 사용에 제한이 가해지고 있으며, 금후 또한 제한의 범위가 확대될 것이 예상된다.
한편, 알루미늄 합금 세선은, 100 내지 200℃의 내열성을 필요로 하는 반도체, 특히, 에어컨, 태양광 발전 시스템, 하이브리드차나 전기 자동차 등에 사용되는 파워 반도체로의 이용이 요망되고 있고, 그 응용 범위는 금후 점점 확대되어 갈 것으로 생각된다. 이러한 파워 반도체의 동작 조건은, 통상의 반도체 소자보다도 고온도가 된다. 예를 들어, 차량 탑재용으로 사용되는 파워 반도체에서는, 알루미늄 합금 세선은 최대로 통상, 100 내지 150℃의 접합부 온도에 견딜 필요가 있다. 이러한 고온 환경 하에서 사용되는 장치에 있어서는, 연화되기 쉬운 고순도의 알루미늄(Al)만을 포함하는 순알루미늄 세선은 실용화되어 있지 않았다.
이로 인해, 이들 분야에 있어서, 니켈(Ni)프리로, 또한 니켈(Ni) 첨가 알루미늄 합금 세선 이상으로 고온, 고습도 환경 하에서의 내식성을 향상시킨 알루미늄 합금 세선의 개발이 요망되었다.
일본 특허 공개 소59-56737호 공보
경금속 협회편 「알루미늄 핸드북」, 아사쿠라서점 2003년, p1278 내지 1280 「(a) 알루미늄 및 그 합금의 물에 대한 내식성」
본원 발명은, 고순도 알루미늄(Al)만을 포함하는 순알루미늄 합금 세선과 마찬가지로 반도체 칩에 대하여 유연함으로써, 와이어 본딩 시에는 칩 균열 등을 발생시키는 일이 없고, 또한 고온·고습도 환경 하에서는 종래의 니켈(Ni) 첨가 알루미늄 합금 세선과 동등 이상의 내식성을 발휘하여 입계 부식 균열을 일으키지 않는 알루미늄 합금 세선을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은, 순도 99.99 질량% 이상의 고순도 알루미늄에 로듐(Rh) 및/또는 팔라듐(Pd)을 10 내지 200 질량ppm 함유시킨 알루미늄 합금 본딩 와이어로서,
이들 첨가 원소는 강제 고용되어 알루미늄 매트릭스 중에, 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상을 형성하고 있는 것을 특징으로 하며,
상기 알루미늄 매트릭스의 결정립경은 10 내지 100㎛이고,
또한, 상기 고순도 알루미늄의 순도는, 99.998 질량% 이상이고,
상기 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상은, 연속 신선 가공 후에 200 내지 300℃에서 열처리함으로써 형성된 것이고,
상기 본딩 와이어가, 초음파 접합되는 것이고,
상기 본딩 와이어의 선경은, 50 내지 500㎛이고,
상기 본딩 와이어가, 80℃ 내지 300℃, 혹은 150℃ 내지 250℃에서 사용되는 것이다.
본 발명의 합금에 있어서, 미량 첨가된 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)은, 후술하는 실시예에 나타내는 일반적인 와이어 제조 공정에 있어서, 알루미늄 매트릭스 중에 고용하여, 알루미늄 매트릭스 중의 결정립계에 제2상으로서 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상을 형성한다.
이 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상은, Rh, Pd을 소정량 첨가하여 용융 후 응고한 주괴를 그 융점에 가까운 온도로 열처리함으로써 합금 매트릭스 중에 강제 고용하여, 연속 신선 가공 후에 행하는 조질 열처리에 있어서 결정립계에 이들 금속간 화합물로서 석출시킴으로써, 합금 매트릭스 중의 균일한 분산상으로서 형성된다(도 3 참조).
이 금속간 화합물의 분산상에 의한, 고습도 환경 하에서의 부식 방지의 메커니즘에 대해서는, 전술한 선행 기술에서의 표면층에서 상기한 화학 반응식에 의해 발생한 원자 형상 수소(H)를 그 촉매 작용에 의해 H2로 변환시켜서 표면층으로부터 내부 매트릭스 중으로의 침입을 저지한다고 하는 작용 외에,
또한, 결정립계에 제2상으로서 분산하는 금속간 화합물이 이 결정립계를 경유하여 침입하는 원자 형상 수소를, 마찬가지로 H2로 바꿈으로써 결정립계 내부로 침입하는 것을 효과적으로 더 저지할 것으로 생각된다.
이 알루미늄 합금 매트릭스 중의 결정립계에 제2상으로서 석출한 금속간 화합물의 상태는 도 3을 참조한다.
또한, 이들 Rh, Pd을 함유하지 않는 고순도 알루미늄 와이어에서의, 고습도 환경 하의 부식 상태는, 도 2에 도시하는 바와 같이 표면의 비대한 알루미나막으로부터 내부 알루미늄 매트릭스 중에 균열이 형성되어 부식이 진행되지만, 본 발명의 실시예의 경우, 도 1에 도시하는 바와 같이, 표면에는 얇고 균일한 알루미나층이 형성된 상태 그대로이고, 그 아래의 알루미늄 합금 매트릭스에는 부식에 의한 균열 등은 발생하지 않는다.
본 발명의 알루미늄 합금 매트릭스 중의 로듐(Rh) 및/또는 팔라듐(Pd)을 첨가한 내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어는, 고온·고습도 환경 하에서 알루미늄과 반응하여 형성되는 원자 형상 수소(H)의 합금 매트릭스 중으로의 침입·확산을 저지하여, 매트릭스 중의 입계 부식을 방지한다.
이로 인해, 고온·고습도 환경 하에서의 내식성을 발휘함과 함께, 그들 합금 조성에 의해 와이어의 경도를 억제하여 칩 균열을 방지하고, 또한 고순도 알루미늄과 동등한 도전성을 유지한다.
도 1은 본 발명의 실시예 3의 알루미늄 합금 세선의 내식성 시험 후의 단면을 나타낸다.
도 2는 비교예 1의 알루미늄 합금 세선의 내식성 시험 후의 단면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 8의 알루미늄 합금 세선 단면의 결정립계에 석출한 금속간 화합물(화살표)을 나타내는 TEM 관찰 사진.
본 발명의 실시예 및 비교예로서, 표 1에 나타내는 조성의 알루미늄 합금을 용융하여, 연속 주조에 의해 직경 300㎜인 알루미늄 합금 잉곳을 제작하고, 이 잉곳을 홈 롤 압연 후, 신선 가공하여 5㎜ 직경의 알루미늄 합금 소선을 제작했다.
계속해서, 이 소선을 소정의 선경까지 수중에서 연속 신선하고, 마지막으로 200℃ 내지 300℃에서 1시간 열처리하여 조질 어닐을 행함으로써 소정의 선경의 본딩 와이어로 했다. 이 조질 어닐의 열처리에 의해, 강제 고용된 로듐(Rh), 팔라듐(Pd)은, 결정립계에 합금 매트릭스의 제2상으로서 알루미늄과의 금속간 화합물로서 석출하여, 알루미늄 합금 매트릭스 중에 분산상을 형성한다.
종래예로서, 마찬가지로 해서 제작한 Al-50ppmNi 합금 와이어를 채용했다.
또한, 이들 신선 공정에 있어서는 필요에 따라서 중간 열처리를 행해도 되고, 와이어의 성질이나 이들 금속간 화합물의 형성 조건을 고려하여 적절히 조정하면 된다.
Figure pat00001
[실시예 1]
이상의 공정에서 제작한 실시예 이하의 본딩 와이어에 대해서, 이하의 조건에 의해, 고온·고습도 환경 하에서의 내식성 등의 성질을 확인했다.
(초음파 접합 조건)
알루미늄 합금 세선의 선경은, 0.05㎜, 0.3㎜, 0.5㎜, 루프 길이는 8㎜, 루프 높이는 1.3㎜로 했다.
초온빠고교샤 제조 REBO-7형 전자동 본더를 사용하여, 알루미늄 합금 세선을 Si 칩(두께 0.2㎜) 상의 Al-1.0% Si막(두께 3㎛) 상에 초음파 본딩을 실시했다.
본딩 조건은, 주파수 130㎑로, 하중 및 초음파 조건에 대해서는, 퍼스트 접합부의 변형폭이 와이어 선경의 1.3배가 되도록 조정을 행하고, 전체 샘플 100개에 대하여 동일 조건으로, 퍼스트 본드 및 세컨드 본드의 초음파 본딩을 실시했다. 초경 툴 및 본딩 가이드는, 와이어에 합치한 초온빠고교샤 제조의 것을 사용했다.
(칩 균열 관찰 시험)
본딩 후의 시료를, 20% NaOH 용액에 Al-1.0Si 패드를 용해하여, 광학 현미경(올림푸스사 제조 측정 현미경, STM6)을 사용하여, 100배의 배율로 칩 균열의 유무를 관찰했다. 100군데 관찰을 행하여, 칩 균열이 하나도 발생하지 않았으면 OK, 1군데 이상으로 칩 균열이 관찰된 경우를 NG라 하였다.
(결정립경 관찰)
단면 밀링 장치(히다찌하이테크놀러지즈사 제조 형식 IM-4000)를 사용하여 와이어 단면을 제작하고, 조직 관찰에는 집속 이온 빔 가공 관찰 장치(닛본덴시사 제조 형식 JIB-4000)를 사용했다. 결정립경의 측정에는 단면법을 사용했다.
(내식성 시험)
히라야마세이사꾸쇼 제조 불포화 초가속 수명 시험 장치(HASTEST modelIPAC-R8D)를 사용하여, 121℃에서, 100%RH(불포화)의 조건에서 1000시간까지 시험을 행하였다. 부식층 두께 측정은, 단면 밀링 장치(히다찌하이테크놀러지즈사 제조 형식 IM-4000)를 사용하여 와이어 단면을 제작한 후, FE-SEM(닛본덴시사 제조 형식 JSM-7800F)을 사용하여 부식층의 관찰을 행하였다.
이상의 각 시험 결과를 표 1에 예로 든다.
종래예의 니켈 합금 와이어는, 내식성 및 칩 균열 억제에 대해서, 만족스런 결과로 되었다.
본 발명은 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)의 어느 것을 함유하는 경우에도, 함유량 10 내지 200 질량ppm의 범위에서, 고온·고습도 환경 하에서의 내식성 및 칩 균열 억제에 대하여 종래예의 니켈 합금 와이어와 동등 이상의 적합한 효과를 달성하였다.
또한, 이들 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)을 합계 10 질량ppm(No.5) 또는 200 질량ppm(No.6) 함유하는 경우에도 마찬가지의 결과를 얻었다.
이에 반해, 비교예로 한, 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)이 각각 10 질량ppm에 모자란 5 질량ppm인 경우에는, 칩 균열을 발생하지 않았지만 부식층의 두께가 현저하게 증대하고, 또한 이들 함유량이 200 질량ppm을 초과하여 250 질량ppm인 경우에는 내식성은 양호하지만 경도가 커서, 칩 균열을 발생시켰다.
로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)의 함유량이 커짐에 따라서 결정립경이 작고, 또한 기계적 강도, 경도가 커지는 경향이 보이며, 그 함유량이 본 발명의 범위를 초과하면, 본딩에 수반하여 칩 균열을 발생하고 있고, 그 한계는 이들 함유량과 함께 결정립경이 본 발명의 범위의 하한값보다 낮은 것으로서 나타나 있다.
도 1 및 도 2는 내식성 시험을 행한 본 발명의 실시예 및 비교예의 와이어 단면을 촬영한 것으로서, 도 1은 실시예 3의 본 발명의 알루미늄 합금 와이어 단면이고, 담색의 알루미늄층 단면 상의 짙은 회색의 얇은 층이 와이어 표면에 형성된 알루미나층이고, 알루미늄 합금 표면 상을 균일한 얇은 알루미나층이 덮고 있어, 내부의 합금 매트릭스에는 균열 등은 발생하지 않는다.
이에 반해, 도 2의 비교예 1의 경우에는, 고순도 알루미늄 와이어를 실시예와 마찬가지의 조건에서 내식성 시험을 행한 것에 대해, 그 단면을 촬영한 것으로서, 표면에 불균일한 두꺼운 부식층이 형성됨과 함께, 이 부식층으로부터 합금 매트릭스 중을 향하여 깊게 균열이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 알루미늄 합금 세선은, 초음파 본딩에 있어서 칩 균열 억제하고, 고온·고습도 환경 하에서의 내식성을 발휘하여, 높은 도전성을 갖기 때문에, 항공기, 자동차, 혹은 선박 등의 넓은 용도로 적용 가능하며, 또한 그 양호한 본딩성은 이들 용도용으로 보급이 기대되어, 산업상 공헌할 수 있는 것이다.

Claims (8)

  1. 순도 99.99 질량% 이상의 고순도 알루미늄에 로듐(Rh)을 10 질량ppm 이상 100 질량ppm 미만 함유시킨, 알루미늄 합금 본딩 와이어로서,
    상기 로듐(Rh)은, 알루미늄 매트릭스 중에 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  2. 순도 99.99 질량% 이상의 고순도 알루미늄에 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)을 합계 10 질량ppm 이상 100 질량ppm 미만 함유시킨, 알루미늄 합금 본딩 와이어로서,
    상기 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)은, 알루미늄 매트릭스 중에 알루미늄과의 금속간 화합물의 분산상을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고순도 알루미늄의 순도는, 99.998 질량% 이상인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 매트릭스의 결정립경이 10 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분산상은, 연속 신선 가공 후에 200 내지 300℃에서 열처리함으로써 형성된 것인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 본딩 와이어가, 초음파 접합되는 것인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 본딩 와이어의 선경은, 50 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 본딩 와이어가, 80 내지 300℃, 혹은 150 내지 250℃에서 사용되는 것인 것을 특징으로 하는, 고내식성 알루미늄 합금 본딩 와이어.
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