TW202413661A - 銅接合線、銅接合線製造方法和半導體裝置 - Google Patents

Abstract

提供一種能提高切割性能、接合強度和追隨性，並能夠抑制線材剝離和從工具脫落的銅接合線。銅接合線為銅線，由銅純度99.99質量%以上的銅合金構成，與所述銅線的線軸垂直的截面中晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１，所述截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650，動態硬度為45至90，所述截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。

Description

銅接合線、銅接合線製造方法和半導體裝置

本發明涉及一種銅接合線（以下稱「銅線」），特別是一種適用於連接功率半導體或電動汽車的鋰離子電池組之母線和鋰離子電池電極等大電流傳輸的銅接合線、製造方法以及使用該銅線的半導體裝置。

一般來說，「半導體」是CPU（中央處理器）和記憶體之總稱，其主要作用為「計算」和「儲存」。半導體用於電腦、手機、電視等民用設備。另一方面，功率半導體用於驅動電機、電池充電以及為微型電腦和大型積體電路（LSI）提供運行電源。功率半導體主要用於改變電壓和頻率，以及進行功率轉換（將直流電轉換為交流電，或將交流電轉換為直流電）。功率半導體又稱功率器件、功率元件、功率半導體元件等。

常見的例子有安裝在空調、冰箱、洗衣機等節能家電中的「逆變器」使用的功率半導體。逆變器通過轉換頻率來控制電機的轉速。通過自由改變電機的轉速，逆變器可以減少電機不必要的運動，有助於節能。另一方面，沒有逆變器的空調透過反覆啟動和停止電機來調節室溫，導致溫度缺少穩定性、功率損耗較高等問題。逆變器的這些作用透過利用功率半導體（功率電晶體）精密地「開關」電流通斷來實現。

除了節能家電之外，功率半導體還廣泛應用於交通領域，例如電動汽車和油電混合車。在交通領域，使用IGBT（絕緣閘極雙極性電晶體）等功率半導體轉換和控制功率。IGBT由連接兩個IGBT晶片（功率晶片）或連接IGBT晶片與外部電極的接合線組成。為了傳輸大電流，用於功率半導體的接合線使用線徑（直徑）40μm至700μm，相對較粗的鋁線。

如上所述，以小功率計算為主要目的的普通半導體和以大功率控制功率本身為主要目的之功率半導體雖然都是半導體，但本質完全不同。普通半導體使用的接合線只用於傳輸小電流。因此，用於普通半導體的接合線通常由金、銀或銅製成，為線徑30μm以下之細線。接合方法係將引線的一側熔化形成熔球，然後對其施加熱量、超聲波和壓力，接合至半導體晶片電極等。另一方面，功率半導體中使用的接合線需要傳輸大電流，因此如上所述，使用線徑40μm以上、電阻相對較低且廉價的鋁線。功率半導體使用的接合線之接合方法中，不產生熔球，採用的方法係在常溫下對引線施加超聲波和壓力，將引線接合至電極等。

此外，與普通半導體不同，功率半導體中透過如上所述的開關，反覆通斷大電流，因此需要一種能夠承受發熱和冷卻造成的熱負荷的接合線。此外，由於還用於汽車和電動列車等對安全性要求極高的領域，因此需要較高的耐用性和可靠性。綜上所述，用於普通半導體的接合線和用於功率半導體的接合線，即便都是接合線，但所需之特性和性質等方面也完全不同。

近年來，為應對全球變暖和氣候變化，聯合國氣候變化綱要公約第21屆締約國大會（COP21）中通過了2020年後減少溫室氣體排放的國際框架（《巴黎協定》），全世界正加速向低碳社會發展。汽車工業在其中發揮著重要作用。歐洲國家宣布政策，到2035年全面禁止銷售內燃機汽車（汽油車和柴油車），只能銷售電動汽車（包括插電式油電混合車）。美國還制定到2030年國內新車市場50%為電動汽車的目標。中國和印度等新興國家也有類似的趨勢，日本計畫到2035年將所有銷售之新車改為電動汽車（包括油電混合車）。

隨著向電動汽車的轉變加速，一些問題阻礙了電動汽車的廣泛使用。例如續航（從充滿電狀態到電池耗盡可以行駛的距離）短，充電設施（地點）少。

特別是，提高功率半導體的性能對於延長續航至關重要。電動汽車透過使用功率半導體逆變器，將作為能源的電池直流電轉換為交流電，並驅動電機來行駛。

目前，功率半導體由矽（Si）製成，但近年來推出了由碳化矽（silicon carbide，SiC）製成的功率半導體。傳統的矽功率半導體在通電以及開關操作通斷時會產生能量損耗。所有這些電能損失都以熱量（發熱）的形式從逆變器中釋放。需要散熱裝置來抑制這種熱量的產生，這會導致電動汽車的空間減少、車輛重量增加以及續航縮短。

透過將碳化矽功率半導體用於電動汽車，可以減少通電和通斷操作時的能量損失。得益於開關頻率的提高（高頻化），可以縮小變壓器等無源元件的尺寸，從而實現以逆變器為代表的功率半導體的微型輕量化。並且，由於簡化了放熱裝置，使電動汽車整體更緊湊（輕量化）的同時，逆變器的高效運行延長了單次充電的續航。

此外，電池充電設施對電動汽車的普及至關重要，但與此同時，對快速充電的需求也在不斷增長。因此，需要一種接合線，能夠承受快速充電產生的大電流。

在這種微型化和支持大電流的趨勢下，目前功率半導體中的大部分接合線使用的是鋁基材料。除了功率半導體之外，鋁接合線還用於連接電動汽車中的鋰離子電池組之母線和鋰離子電池之電極。鋁的熱阻和電阻較高，因此通電時會產生大量熱量，散熱效果較低。所以，使用鋁線與功率半導體微型化的趨勢背道而馳。並且，根據報導指出，由於大電流通過時會產生熱量，強度較弱的鋁線接合部的晶粒會發生粗化，從而導致接合部斷裂。

因此，銅線作為鋁線的替代材料而備受關注。銅線的熱阻和電阻比鋁線低，因此產生的熱量較少，且由於其再結晶溫度較高，故而能承受較大的電流。

另一方面，除了電動汽車行業之外，用於為智慧型手機和筆記型電腦充電的交流適配器也越來越多地配備使用寬能隙半導體，即氮化鎵（GaN）半導體。透過使用寬能隙半導體，可以將尺寸縮小到傳統尺寸的一半左右，從而實現超微型化。

不止如此，在最近的熱門話題IoT（物聯網）中，功率半導體也變得越發重要。隨著配備物聯網的家用電器逐年變得更小、更薄、更密集，功率半導體也變得更小、更薄、更密集，功率晶片和接合線之間的接合空間也變得更窄。因此，接合線接合時，需要有效利用有限的空間。

如上所述，銅線比鋁線產生的熱量少，能夠承受更大功率，但銅比鋁更硬，楊氏係數也更高，這是功率半導體超微型化的一大障礙。

例如，通常情況下，從接合線與功率晶片的接合（第一接合）到接合線與外部電極的接合（第二接合）的方向一致，大致在一條直線上。然而，功率半導體的超微型化導致必須在電極周圍的狹小空間進行第二接合，不得不急劇彎曲或扭轉，並以銳角接合。因此，接合線需要有一定的彎曲自由度，以便在接合操作過程中改變接合線的方向（角度）。這意味著，當涉及功率半導體的超微型化時，靈活的追隨性是接合線的一個非常重要的特性。類似問題也存在於以外部電極端為第一接合，以功率晶片端為第二接合的反向引線接合中。在這一方面，銅線的楊氏係數比鋁線大，導致銅線的追隨性非常差。因此，銅線從楔型工具中脫落的故障可能性高於鋁線。

如上所述，發明人發現，如果連接第一接合和第二接合的引線被迫劇烈扭轉或彎曲，也會對引線的切割性能產生不利影響。即，引線會因劇烈彎曲等原因發生輕微變形，刀具可能無法很好地進入引線，導致無法完全切割引線，產生所謂的切割殘留。如果發生切割殘留，引線在被拉扯之前就會從接合部剝離（脫離），或者即使沒有剝離，但切割高度無法低於接合機上設定的高度，導致高度限制器啟動，設備停止。

綜上所述，為了減少溫室氣體排放，向電動汽車的轉型至關重要，而電動汽車的普及急需實現以下兩點：（A）延長巡航；（B）增加快速充電設施的生產。對於（A），車輛需要輕量化，為此要求功率半導體微型化並具有較高的散熱性，對低電阻和低熱阻的銅接合線的需求日益增加。對於（B），必須採用能夠承受大電流和大功率的銅接合線。如上所述，隨著功率半導體超微型化，所用的銅接合線存在「追隨性較低」的問題，此外，由於接合性有限，引線的「切割性能」和「接合強度」也存在問題。本發明的主要任務是同時解決這三個引線問題。

專利文獻1之目的在於提供一種提高大氣中保存期限的銅接合線，表面晶粒邊界密度0.6（μm/μm ²）至1.6（μm/μm ²）的半導體裝置之銅接合線雖然提高了保存期限，但未涉及引線切割性能和追隨性的問題。

專利文獻2中提到，使用銅接合線之安裝工藝的批量生產問題係由於接合性能較低而需要特殊的接合條件，針對阻礙實際中擴大應用的原因，雖然文中描述了透過對引線表面進行X射線光電子能譜分析測量出當Cu、Cu _２O、CuO、Cu（OH） _２之占比總和設為10%，那麼1價Cu，即Cu _２O（Cu［I］）之占比與2價Cu，即CuO、Cu（OH） _２（Cu［II］）之占比的比值Cu［II］/Cu［I］在0.8至12的範圍內可以解決問題，但未涉及引線切割性能和追隨性的問題。並且專利文獻2的發明係用於高密度安裝半導體裝置之細線徑接合線，其用途與用於功率半導體的粗線徑接合線不同，對引線的特性和性質的要求也不同。

專利文獻3之目的係提供一種用於半導體裝置之銅合金接合線，該接合線能夠滿足用於高密度LSI的性能要求。文獻中指出，在引線表面之結晶方位中，＜100＞結晶方位、＜110＞結晶方位、＜111＞結晶方位與平面（包括引線中心軸）的垂直方向的角度差為15°以下，以平均面積比計，其存在率為3%以上且小於27%時，能夠解決問題，但未涉及提高切割性能和接合強度，以及抑制引線從工具脫落的問題。並且，專利文獻3的發明與專利文獻2的發明相同，皆係用於高密度LSI的細線徑接合線，與用於功率半導體的接合線有本質上的不同。

[ 現有技術文獻 ]

[ 專利文獻 ]

專利文獻1國際公開第2021/111908號

專利文獻2國際公開第2021/167083號

專利文獻3國際公開第2020/059856號

[ 技術問題 ]

本發明旨在解決上述問題，例如，提供一種銅接合線（以下稱「銅線」），在用於連接功率半導體或鋰離子電池組的母線與鋰離子電池電極的引線接合中，能夠提高切割性能和接合強度，抑制引線從工具上脫落。

本發明的目的還在於，例如，提供一種銅線的製造方法、以及使用該銅線的半導體裝置，在用於連接功率半導體或上述電池組的母線與電池電極的引線接合中，能夠提高切割性能和接合強度，抑制引線從工具上脫落。

[ 技術方案 ]

經過深入研究，本發明人發現以下實施態樣的銅線、透過實施態樣的製造方法製造的銅線和半導體裝置，在引線接合中能夠同時解決切割性能、接合強度、以及銅線從工具脫落的問題。

實施態樣之銅接合線，由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，與銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１，所述截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞的方位比率除以結晶方位＜101＞的方位比率的值為10至650，所述截面的動態硬度為45至90，所述截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。

建議所述銅合金總量中銀（Ag）含量為5質量ppm至30質量ppm，磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）的含量分別為0質量ppm至3質量ppm，且總計15質量ppm以下。

並且，實施態樣的銅線建議線徑為40μm至700μm。

實施態樣之銅線之製造方法，是一種銅接合線的製造方法，銅接合線由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，具有以下步驟：

提供由99.99質量%以上的銅合金構成的原料銅線；

對所述原料銅線進行拉線加工；

對所述拉線後的原料銅線進行最終熱處理，其中：

與所述銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１；

所述截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650；

所述截面的動態硬度為45至90；

所述截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。

實施態樣的半導體裝置為一種功率半導體裝置，包括：至少一基板；基板上的至少一個半導體元件；所述半導體元件表面上的電極；所述半導體元件上的半導體元件基板；基板上的至少一個電路圖案；

將選自由所述半導體元件表面的兩個電極、所述半導體元件表面的電極和外部電極、所述半導體元件表面的電極和所述電路圖案中的一個電路圖案、所述半導體元件表面的電極和端子、所述電路圖案中相鄰兩個電路圖案、所述電路圖案中的一個電路圖案和端子、所述基板和基板，以及所述半導體元件上的半導體元件基板和電路圖案組成的組中的一個以上進行連接的銅線；其中：

所述銅線為銅接合線，由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，與所述銅接合線的線軸垂直的截面中晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１，所述截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650，所述截面的動態硬度為45至90，所述截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。

本說明書中，符號「至」表示該符號左側數值到右側數值之間的數值範圍。

[ 發明效果 ]

本發明的銅接合線可以提高引線接合時的切割性能和接合強度，抑制引線從工具上脫落。

根據本發明的銅接合線的製造方法，例如，在接合功率半導體或電池組的母線和電池電極的引線接合中，可以獲得既能提高切割性能和接合強度，又能抑制銅線從工具上脫落的銅線。

使用本發明銅線的半導體裝置在引線接合部不發生剝離，因此可以獲得長期穩定的接合，並且由於銅線具有良好的追隨性，不會出現楔型接合問題，從而能進一步實現長期可靠的接合（第一和第二接合）。

下面將說明本發明之實施態樣之銅接合線。本實施態樣之銅線適用於功率半導體或所述電池組的母線與電池電極的連接。本實施態樣之銅接合線，由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，與銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１，該截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650，該截面的動態硬度為45至90，所述截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。下面將詳細描述本發明反覆試驗的過程，以及本實施態樣之銅線結構和製造方法。

引線切割錯誤包括引線本身被切割之前，引線從引線與基板等的接合部剝離（脫離）。剝離的原因係引線的接合強度低於斷裂強度。除了切割性能之外，影響剝離之主要因素亦包括引線與基板等的接合部上的接合強度較弱。將在後續描述提高接合強度的方法。

首先，本發明人仔細觀察了在各種製造條件下，製造的眾多試驗品銅線之切割性能與垂直於軸線之截面的金相之間的關係。結果表明，晶粒邊界密度與切割性能之間存在關聯。與銅線線軸垂直的截面以下也稱為「橫截面」。

具體來說，為了評價上述眾多試驗品的連續接合性能，使用引線接合裝置進行了連續接合，並將其分為可以一直接合到最後的試驗品和在中途停止的試驗品。仔細觀察中途停止的試驗品後發現，主要有以下兩個原因：接合部剝離（脫離）導致停止；被拉到設定高度，即將扯斷時未被切割而停止（超過高度限制導致停止）。圖4係顯示發生接合部剝離（脫離）之試驗品中接合線從第一接合部剝離之痕跡之照片。圖5係顯示發生接合部剝離（脫離）之試驗品中接合線從第二接合部剝離之痕跡之照片。圖5中，紙張縱向指定寬度的痕跡是刀具刀刃的痕跡。用前切法（全切法）切割引線時，如果接合物件是易損材料，可能會造成損壞。圖6係顯示第二接合後引線發生切割殘留時接合機情況之照片。從圖6中可以看出，由於超過了高度限制，接合機停機。

發明人仔細觀察了連續接合試驗的每根試驗品引線截面的結晶結構，發現晶粒邊界密度會影響引線的切割性能，進而對連續接合性能產生重大影響。即，如果晶粒邊界密度（等於晶粒邊界長度（μm）/引線截面積（μm ^２））為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１，則引線接合裝置將不會停止，並能連續接合至最後，但如果小於0.01μm ^－１，則在切割之前引線會過度拉伸，導致超過高度限制而停止，如果大於0.6μm ^－１，則存在因引線在切割前從接合部剝離（脫離）而停止之趨勢。

一般來說，晶粒尺寸越小，晶粒邊界總長度越長，晶粒尺寸越大，晶粒邊界總長度越短，但每個晶粒的形狀差別很大，即使是幾乎相同的晶粒尺寸，晶粒邊界總長度也會隨晶粒形狀的變化而變化。例如，如果是多邊形晶粒，即使晶粒尺寸幾乎相同，晶粒邊界長度也會因多邊形角的數量不同而有很大差異。因此，發明人認為，在研究與切割性能的關係時，使用晶粒邊界密度作為指標比使用晶粒尺寸更合適。圖7係晶粒邊界密度0.18μm ^－１之實施態樣中銅線之橫截面照片。圖8係晶粒邊界密度0.68μm ^－１之銅線之橫截面照片。

晶粒邊界的長度還取決於引線的線徑。一般來說，引線越粗，晶粒邊界越長；引線越細，晶粒邊界越短。基於此，本發明使用晶粒邊界總長度（μm）除以垂直於引線縱向的截面面積（μm ^２）得出的晶粒邊界密度值。晶粒邊界密度的測量方法將在後續描述。

本實施態樣之銅接合線之引線橫截面中晶粒邊界密度為0.01μm ^－１以上且小於0.6μm ^－１。因此，可以提高銅線的切割性能。晶粒邊界密度的建議範圍為0.03μm ^－１至0.5μm ^－１，進一步建議為0.05μm ^－１至0.3μm ^－１。

目前尚不清楚切割性能與晶粒邊界密度之間的關係以及詳細機制，但可以推測，當引線開裂後被拉扯時，晶粒邊界密度越小，裂紋的擴展會更容易集中在某些晶粒邊界上，使得引線更容易切割。

下面將對接合強度進行說明。鋁一直被用作功率半導體的接合線，但銅線比鋁線更堅硬且不易碾壓。這往往會減小楔型接合中接合部的接合面積，導致接合強度降低。如果為了增大接合面積而在接合時施加較大載荷，強行使引線變形，那麼如果接合物件是半導體晶片等易碎物時，則極有可能造成損壞。

銅線越容易變形，就越容易碾壓，即使在很小的載荷下也能增加接合面積，因此可以增加接合強度，並且晶片不易損壞。發明人研究了可碾壓性指標，得出結論認為，考慮到引線彈性特性的動態硬度是最適合的指標。

維氏硬度（Hv）和努氏硬度（HK）被廣泛用於測量金屬材料的硬度，其測定方法是將壓頭與樣品表面接觸，施加試驗力以產生壓痕，然後根據卸載後壓痕的對角線長度計算其表面積並求出硬度。這種方法無法評價反映材料彈性的特性，在考察接合操作過程時，引線實際上被楔型工具壓住，並在增加彈性變形的狀態下施加超聲波進行接合，因此不適合作為體現引線特性的指標。

維氏硬度是最常見的硬度指標，係一種用金剛石壓頭按壓材料並測量其壓痕形狀（面積）來評價硬度的方法。維氏硬度的測定方法是用壓頭壓住材料，然後將壓頭拉起，這時被壓材料由於彈性特性會有輕微的回彈。這導致壓頭的壓痕面積略微變小，測得的硬度值略大於實際值。

動態硬度是由壓入壓頭過程中的試驗力和壓痕深度得出的數值，其不僅能反映樣品的塑性，還能反映由於彈性而產生的回彈。由於楔型工具抓住引線然後將其擠壓變形的動作恰好與動態硬度測量的一系列動作相似，發明人認為該數值非常適合表示實施態樣中銅線的特性。並且，動態硬度是在壓頭仍壓在材料上的情況下測量的，因此不會因材料的彈性而產生回彈，從而不會受到其影響。由此，發明人認為動態硬度是最適合表示銅線等高楊氏係數材料之特性的指標。

在測量動態硬度時，還可以透過載入和卸載試驗力來測量引線的楊氏係數。發明人還認為楊氏係數是表示引線可碾壓性和追隨性的一個重要參數，並將其添加到評價項目中。

本發明人測量了一些用不同製造方法製成的試驗品之動態硬度和楊氏係數，發現銅線橫截面積的動態硬度為45至90，楊氏係數為20GPa至70GPa時，可以用較小的載荷碾壓銅線而不會造成缺陷，因此能夠增加接合部的接合面積，從而解決接合強度不足的問題。

本實施態樣之銅線之動態硬度建議為50至80，更建議為55至70。如果動態硬度小於45，引線被碾壓時接合面積過大，導致相鄰引線接觸，造成短路缺陷的可能性提高；如果動態硬度超過90，引線強度過高，引線難以碾壓，導致無法增大接合面積，甚至如果接合物件是半導體晶片時，對其造成損壞的可能性提高。

本實施態樣之銅線之橫截面楊氏係數建議為30GPa至60GPa，更建議為35GPa至50GPa。如果楊氏係數小於20GPa，則從第一接合部接合到第二接合部的引線發生傾倒，即所謂傾斜問題的可能性提高；如果楊氏係數超過70GPa，則引線從後續楔型工具上脫落的可能性提高。動態硬度和楊氏係數應在半徑中點外側垂直於引線縱截面的區域測量。

例如，可以在株式會社島津製作所的MCT-W500微壓縮試驗機上測量動態硬度和楊氏係數，該試驗機配有棱間角為115°的三角錐壓頭，測量條件如下：

試驗模式：載入-卸載試驗

試驗力：980.665mN

載入速度：20.7411mN/sec

維持時間：10秒

接合強度測量方法如下：拉力測試在HESSE公司的BJ935接合機上進行，引線接合在長50mm×寬50mm×厚1mm的銅板上。接合條件設定為負載2500gf，功率50V，使用20根試驗品引線（n=20）對回路中心進行拉力測試，比較每根試驗品在接合部的剝離率。在n=20的拉力測試中，剝離次數達到或超過3次視為不合格，少於3次視為合格。

隨著功率半導體小型化，接合線面臨進一步挑戰，下面針對該挑戰進行說明。通常情況下，如果有足夠的空間進行引線接合，則能夠順利進行接合，引線的回路曲線並不複雜。然而，如果進行接合的面積有限，則必須在有限的面積內接合所需數量的引線，不僅使回路曲線變得複雜，接合時還需要劇烈彎曲和扭轉。例如，在銅線的第一接合（與半導體晶片電極的連接）和第二接合（與引線框或基板上的外部電極連接）中，使用前端具有鱷魚嘴（槽）的楔型工具（有時簡稱為「工具」）夾持引線，將引線嵌入鱷魚嘴中，並將引線壓在接合處，從而進行接合。彎曲或扭轉動作較多的接合中，楔型工具（夾具）夾持的引線可能無法追隨運動，導致從工具的鱷魚嘴上脫落。銅線比傳統的鋁線具有更高的楊氏係數（回彈性），因此更容易從工具脫落。

如果在引線的一部分從楔型工具脫落的狀態下進行第二接合，則無法確保充分的接合，根據使用環境的不同，可能由於接合部剝離而引起故障。如果在晶片上進行第二接合時，在引線從工具脫落的狀態下進行接合操作，則楔型工具的前端可能會直接接觸到元件上的金屬膜，導致半導體元件損壞。

將銅線橫截面的楊氏係數範圍控制在20GPa至70GPa之間，在一定程度上消除了從工具脫落的現象。然而，為了進一步消除從工具脫落的現象，本發明人經過深入研究後發現，除了楊氏係數外，在與線軸垂直的截面上，線軸方向的結晶方位中，將與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值控制在10至650的範圍，可以消除大部分的從工具脫落的現象。圖9係未從工具脫落之引線照片。在圖9的照片中，引線91嵌入鱷魚嘴90中。圖10係從工具脫落之引線照片。在圖10的照片中，引線92從鱷魚嘴90脫落。

具體來說，在與線軸垂直的橫截面上，線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以同一位置同一條件的結晶方位＜101＞之方位比率的值（以下稱為「結晶方位比率比」）控制在10至650的範圍內，可以消除大部分的從工具脫落的現象。與線軸垂直的橫截面中的上述方位比率比建議為20至500，更建議為30至450。上述方位比率比如果小於10，則不容易從工具脫落，如果超過650，則不會從工具脫落，但發生從工具脫落以外的問題（例如無法順利切割）的可能性增加。方位比率比依據以下公式計算。

結晶方位比率比=（結晶方位＜111＞之方位比率）/（結晶方位＜101＞之方位比率）

與線軸垂直的橫截面的方位比率比為10至650時，具有防止從工具脫落的效果，其中機制尚不明確，但結晶方位＜111＞是引線加工中光滑面的方位，由此可以推測這種結晶方位越多，對工具突然動作的反應越靈活。發明人還發現，透過計算與非光滑面結晶方位，即結晶方位＜101＞之比值，可以提高引線對於工具動作的追隨性。而通過研究結晶方位＜111＞和結晶方位＜100＞之方位比率比，未觀察到明顯特徵。

此外，銅易氧化，銅線表面形成的氧化銅膜會降低接合強度。

如上所述，本發明的銅線線徑為40μm至700μm，比普通半導體裝置中使用的引線（線徑15μm至30μm）粗，接合面積（體積）大，因此與細線相比，可以傳輸更高的電壓和更大的電流。然而，如果銅線本身的電阻很高，那麼在相同電壓下的電流就會減小，從而削弱了線徑粗之優點。本發明人希望，如果雜質較少的99.999質量%超高純度銅的導電率為100%，對於與其相比含有更多雜質的本實施態樣的銅線（純度為99.99質量%以上的銅線），當超高純度銅的導電率為100%時，能夠確保本實施態樣的銅線導電率為99%以上。

如上所述，電動汽車的普及有望成為應對全球變暖（減少二氧化碳排放）的措施之一。然而，為了普及電動汽車，需要解決電動汽車與汽油汽車相比充滿電後的行駛距離（續航）較短的問題。為了延長電動汽車的行駛距離，電動汽車的小型化（輕量化）是一個重要問題。對此，在功率半導體切換（開/關）過程中，銅線電阻造成的能量損失和由此帶來的熱量釋放越多，冷卻所需的空間也就越大，從而導致電動汽車的體積增大。汽車小型化的障礙之一就是這種銅線的電阻。也可以說，降低引線電阻是促進電動汽車普及的關鍵。

本發明人考慮調整銅合金引線的成分，從而同時解決引線表面氧化物形成和電阻增加的問題。摸索出了一種相比純度99.99%的銅，具有抑制氧化物形成和電阻增加效果的合金元素。在向銅基體中添加多種元素進行深入研究實驗後發現，透過添加銀（Ag），特別是透過控制磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）的含量，可以抑制銅氧化物的形成和電阻的增加。

經過大量實驗，本發明人發現銀（Ag）在銅合金總量中所占的比例建議為5至30質量ppm。此外還發現，可以不含有磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb），但建議將各元素的含量調整為0質量ppm以上3質量ppm以下，並且相對於銅線整體，磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）合計含量為15質量ppm以下。

發明人發現，相對於銅合金總量，銀（Ag）含量在5至30質量ppm，同時磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）各元素的含量在0至3質量ppm，並且合計含量在15質量ppm以下時，容易取得延緩氧化銅形成的效果，銅線整體的電阻不會增加過多。

特別是在本實施態樣之銅線製造工藝中，當銅線在熱處理中暴露在高溫下時，熱處理環境的狀態可能會加快氧化銅的形成。在這種情況下，具有上述元素成分的銅線能夠延緩氧化銅的形成。

透過測量銅線放置試驗後銅線表面生成的氧化銅（II）（CuO）的氧化膜，可以評價銅線表面的氧化情況。透過將銅線樣品放入未密封容器等，在室溫35℃和濕度75%RH的條件下放置最多10個月來進行放置試驗。在此期間，每隔一段時間測量銅帶表面形成的CuO氧化膜，間隔時間為放置開始後1小時、1個月、2個月、3個月、每隔一個月測量一次，直至10個月。在銅逐漸氧化的過程中，首先形成氧化銅（I）（Cu _２O），隨著氧化的進行，CuO的比例逐漸增加。因此，銅線表面氧化形成的難易程度（抗氧化性）可以透過計算CuO氧化膜的比例來評價。CuO氧化膜的比例越高，表明氧化程度越高。CuO氧化膜比例依據以下公式計算。

CuO氧化膜比例=（（CuO氧化膜）/（CuO氧化膜+Cu _２O氧化膜））×100（%）

本實施態樣中，以6個月後CuO氧化膜的比例作為評價標準，如果氧化銅（II）（CuO）氧化膜的比例為30%以下，則為合格「A」，如果為20%以下，則為優「S」。後續將描述分析方法。

採用國際退火銅標準IACS（International Annealed Copper Standard）衡量導電率。與99.999質量%銅的IACS（100%）相比，IACS下降小於0.5%的樣品視為優秀，評為「S」。IACS下降大於0.5%小於1%的樣品視為良好，評為「A」。後續將針對IACS的測量方法進行詳細描述。

本實施態樣之銅線線徑通常為40μm至700μm，建議為70μm至600μm，更建議為100μm至500μm。

[銅線製造方法]

下面將說明銅線製造方法的一種實施態樣。但銅線的製造方法不限於以下製造方法。應根據要製造的銅線重量和熱處理爐的處理能力對環境進行相應調整。

根據銅線的成分，將純度為99.99%以上的高純度銅與銀一起熔化，製備熔融銅。熔化時使用電弧加熱爐、高頻加熱爐、電阻加熱爐和連鑄爐等加熱爐。也可以使用常壓熔化，但為了防止大氣中的空氣混入，加熱爐中的熔融銅應保持在真空、氬氣或氮氣等惰性氣體環境中。熔化的材料在加熱爐中通過連鑄凝固成預定的線徑（直徑），製成原料引線。另外，還可以將熔化的銅在模具中澆鑄成銅錠，然後將銅錠放入擠壓機中，擠壓成預定線徑的銅線。也可以通過DIP成型法或SCR法製造粗拉線，作為原料引線使用。

將上述工藝中獲得的原料引線拉制成線徑為900μm的中間線材。之後，在400℃至600℃的溫度下，將中間線材加熱60至420分鐘進行中間熱處理。中間熱處理可以使用以石油或天然氣作為熱源的「燃燒爐」、以電能作為熱源的「電爐」，可以是「間歇式」或「連續式」，或者也可以是直接通電對引線進行加熱的「通電式」。為了防止引線氧化，熱處理環境應為惰性氣體環境。

之後，將經過中間熱處理的引線拉伸至最終目標線徑。拉線加工是將引線依序穿過多個硬質拉模或金剛石拉模，以此逐步縮小引線線徑。一次拉模拉線加工前後的引線縮小率（也稱減面率或加工率）應在5%至30%之間。

最後，對已加工到最終線徑的引線進行熱處理（最終熱處理）。最終熱處理條件是生產實施態樣之銅線最重要的環節。經過各種熱處理實驗的反覆試驗，發明人發現以下方法是製造實施態樣之銅線之最理想工藝。最終熱處理採用通電加熱法。通電加熱的條件包括：電壓值為16V至28V；電極端子之間的距離為800mm至1300mm；引線移動速度為50m/min至200m/min；第二電極浸入冷卻水中（即加熱的同時引線向冷卻水移動）。冷卻液為純水，純水溫度為20°C至80°C，純水中的溶解氧濃度為8mg/L以下。為了防止引線氧化，引線通過的電極端子間成筒狀覆蓋，氮氣流量為30L/min至60L/min。雖然此處對通電加熱法進行了說明，但如果加熱條件相同，也可以使用其他熱處理方法。

[半導體裝置]

下面將參照圖1描述使用實施態樣之銅線的半導體裝置100之構造。

如圖1所示，半導體裝置100包括半導體元件1、金屬膜2、引線3、電路圖案41、金屬圖案42、絕緣部件43、散熱部件5、接合材料6、外殼7、端子8和密封材料9。

本實施態樣中，半導體元件1例如係用於供電的半導體中使用的功率半導體。半導體元件1還可以係金屬氧化物半導體場效應電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）、絕緣閘極雙極性電晶體（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）等。

半導體元件1由依次堆疊的電極11、基板部13和背電極12組成。電極11例如係鋁（Al）-矽（Si）電極，基板部13例如係矽（Si）基板、碳化矽（SiC）基板、氮化鎵（GaN）基板等。

金屬膜2設置在電極11的與基板部13相對表面上，以覆蓋電極11的表面。金屬膜2係鎳（Ni）膜、銅（Cu）膜、鈦（Ti）膜、鎢（W）膜等，由電鍍、無電鍍、蒸鍍、濺鍍等形成。鎳（Ni）膜包括無電鍍鎳（Ni）膜，具體有無電鍍鎳（Ni）-磷（P）膜和無電鍍鎳（Ni）－硼（B）膜等。後續將描述金屬膜2的其他建議態樣。

引線3由上述實施態樣之銅線構成，其結構和特性如上所述。引線3接合在金屬膜2表面。

下面將針對半導體裝置100的其他結構進行說明。在半導體裝置100中，半導體元件1、引線3、端子8、電路圖案41和金屬圖案42構成半導體電路。引線3在半導體裝置100中彎曲，並透過此彎曲分別接合半導體元件1、端子8、電路圖案41等。

半導體裝置100中，接合材料6、金屬圖案42、絕緣部件43、電路圖案41、接合材料6和半導體元件1依次堆疊在散熱部件5的表面上。接合材料6包括焊料、銀（Ag）等，用於將散熱部件5與金屬圖案42接合，將電路圖案41與半導體元件1的背電極12接合。絕緣部件43係絕緣基板等部件。

外殼7由內部具有空間的環形殼體構成，圍繞在散熱部件5的外周。上述半導體元件1、金屬膜2、引線3、電路圖案41、金屬圖案42、絕緣部件43、接合材料6和密封材料9容納在外殼7的內部空間中。

端子8用作與外部設備的連接端子。端子8設於外殼7的上表面，布置為一端突出到外殼7的內部空間，一端突出到外殼7的外部區域。密封材料9填充在外殼7的內部空間中，包圍半導體元件1、金屬膜2、引線3、電路圖案41、金屬圖案42、絕緣部件43以及接合材料6。密封材料9係凝膠狀的密封樹脂、壓模樹脂等固化物。

圖1所示半導體裝置100可以具有多個半導體元件1上的電極11、多個電路圖案41和多個端子8。半導體裝置100建議具有電極-電路圖案接合結構，包括多個半導體元件1中的一個電極11、多個電路圖案41中的一個電路圖案41、連接該電極11和電路圖案41的引線3。半導體裝置100還建議具有電極-端子連接結構，包括多個端子8中的一個端子8、多個電極11中的一個電極11、連接該端子8和電極11的引線3。半導體裝置100進一步建議具有電路圖案-端子連接結構，包括多個端子8中的一個端子8、多個電路圖案41中的一個電路圖案41、連接該端子8和電路圖案41的引線3。半導體裝置100具有電極-電路圖案接合結構，以及電極-端子連接結構和電路圖案-端子連接結構各一個以上，建議具有各兩個以上。即實施態樣之銅線可以用於電極11與電路圖案41的連接、端子8與電極11的連接、或者端子8與電路圖案41的連接。

半導體裝置100在半導體元件1上進一步可以具有基板（半導體元件基板），這種情況下，半導體裝置100建議具有接合結構，包括半導體元件基板、電路圖案41、以及連接半導體元件基板和電路圖案41的引線3。同樣適用於下文所述半導體裝置101、103。

圖2顯示了半導體裝置的另一實施態樣，即一種具有引線框的半導體裝置101。圖2中，由相同標記表示具有與圖1所示半導體裝置100相同功能之結構，並省略詳細描述。圖2所示半導體裝置101除了半導體元件1、金屬膜2、引線3、絕緣部件43、接合材料6和密封材料9以外，還具有引線框LF。圖2所示半導體裝置101具有引線框LF，因此雖然不具有外殼7，但可以包括外殼7。引線框LF接合到絕緣部件43表面，與圖1所示半導體裝置100的電路圖案41具有相同功能。圖2中，引線框LF和絕緣部件43接合，但引線框LF與絕緣部件43之間可以布置金屬板（未顯示）。

密封材料9包圍半導體元件1、金屬膜2、引線3、絕緣部件43、接合材料6以及引線框LF設置。然而，引線框LF的端部突出到密封材料9的外部，引線框LF構成半導體元件1和引線3電路，上述突出的端部作為端子8與半導體裝置101的外部設備連接。

圖3顯示了半導體裝置的另一實施態樣，即一種半導體裝置103的原理，該半導體裝置具有連接電路圖案41和電路圖案41的引線。半導體裝置103具有與圖1所示半導體裝置100的電路圖案41相鄰的其他電路圖案41，與半導體裝置100的不同之處在於，引線3連接相鄰的電路圖案41，而其他結構相同。圖3所示半導體裝置103中，可以具有多個電路圖案41，包括接合結構，其具有連接多個該電路圖案41中兩個相鄰電路圖案的引線3。半導體裝置103包括1個以上該接合結構，建議包括2個以上該接合結構。即實施態樣之銅線可以用於電路圖案41與電路圖案41的連接。

下面將對圖1、圖2、圖3所示半導體裝置100、半導體裝置101、半導體裝置103的製造方法進行說明。首先，提供構成半導體裝置100、101的各部件，按上述結構進行堆疊，相互接合。之後，透過超聲波接合等方法在金屬膜2的表面上接合引線3的端部。然後，將引線3的另一端楔型接合在外部電極（圖1的端子8或圖2的LF）上。引線3使用上述實施態樣之銅線。而後，向半導體裝置100中注入密封樹脂並固化，形成密封材料9。對於半導體裝置101，將安裝有上述半導體元件1等的引線框放入模具中，注入密封樹脂並固化，形成密封材料9。

安裝了上述實施態樣之銅線的半導體裝置中，引線接合部不發生剝離，因此能夠長期穩定地維持接合部31的接合。此外，由於銅線具有良好的追隨性，並且不會產生楔型接合問題，因此能夠製造出接合（第一和第二接合）長期可靠的半導體裝置。

[ 實施例 ]

下面將針對實施例進行說明。本發明不限於以下實施例。

實施例之銅線透過以下方法和條件製造。將純度99.99%質量%以上的銅，與添加元素銀一起熔化。熔化時使用連鑄爐（加熱爐）。為了防止大氣中的氧氣等氣體混入，加熱爐中的熔融銅在抽真空後，保持在氮氣環境中熔化。熔化的材料在加熱爐中通過連鑄凝固成預定的線徑，製成原料引線。

將上述獲得的原料引線拉伸至直徑0.9mm，然後在500°C的溫度下進行中間熱處理，時間為120分鐘。經過中間熱處理後，拉製出的最終線徑為0.5mm（500μm）。拉線加工使用多個硬質拉模或金剛石拉模，逐步縮小線徑。一次拉線前後的減面率在5至30%之間。

將已加工到最終線徑的引線投入通電加熱爐中進行最終熱處理。通電加熱的條件包括：電壓值為16V至28V；電極端子之間的距離為800mm至1300mm；引線移動速度為50m/min至200m/min；第二電極浸入冷卻水中。由此，引線在加熱狀態下浸入冷卻水中。冷卻液使用純水，純水溫度為20°C至80°C，純水中的溶解氧濃度為8mg/L以下，在此條件下進行通電加熱。引線穿過的電極周圍保持在氮氣環境中。在上述範圍內改變條件，得到實施例1至30的樣品。最終熱處理後，將引線以大約200m為單位纏繞到多個線軸上。表2列出了各實施例之銅線之銅純度和所含的一些元素。

表2列出了對照例之銅線之銅純度和所含的一些元素。對照例之銅線之製造方法中，從熔化到最終線徑的製造方法在與實施例之銅線之製造方法幾乎相同的條件下進行，僅最終熱處理時，在實施例的製造條件的範圍外進行上述通電加熱的全部或一部分。由此獲得對照例1至10之銅線。

下面將針對實施例和對照例之銅線之各項特性的測量方法進行說明。

[測量晶粒邊界密度和方位比率比]

垂直於線軸方向（拉線縱向）截面的結晶方位的測量方法如下。將製造的銅線切割成幾公分長的數段，作為引線樣品備用。將引線樣品平直地固定在鍍銀金屬框（金屬板）上，注意不要使引線樣品變形。然後，對於每個金屬板，將引線樣品放入以金屬板為底部的圓柱形模具中，再將包埋樹脂倒入模具中，之後加入硬化劑使樹脂硬化。然後用拋光機對包含硬化引線樣品的圓柱形樹脂進行粗拋光，使得引線縱向上的垂直截面暴露。而後，對切割面進行最終拋光，並進行離子銑削，去除拋光面上的殘餘變形，獲得光滑表面。微調離子銑削裝置，使引線切割面垂直於引線縱向。

實施例和對照例之銅線之晶粒邊界密度和方位比率透過電子背向散射繞射法（Electron Backscattered Diffraction，EBSD）進行測量並計算。具體地，在配備有EBSD測量裝置（EDAX/TSL製造的OIM Data Collection）的場致發射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，FE-SEM）的樣品台上，將引線樣品固定，使得樣品橫截面（即樣品拋光面）與樣品台平行。加速電壓15kV，測量點間距1.5μm，放大倍數170倍，相鄰測量點之間方位差大於15°的邊界視為晶粒邊界，如果五個以上圖元相連，且方位差小於或等於15°，則視為單個晶粒。

晶粒邊界密度（μm ^{― １}）透過晶粒邊界總長度（μm）除以分析區域截面面積（μm ^２）計算。測量部位選擇約200m引線的前端周圍、後端周圍、以及中部，測量垂直於三個位置縱向的截面之晶粒邊界密度，平均值列於表1。

同樣，在上述引線截面上，線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以同一位置同一條件的結晶方位＜101＞之方位比率，求得方位比率比。與晶粒邊界密度同樣測量三個位置，平均值列於表1。

[動態硬度和楊氏係數的測量方法]

在島津製作所的MCT-W500微壓縮試驗機上測量動態硬度和楊氏係數，該試驗機配有棱間角為115°的三角錐壓頭，測量條件如下。

試驗模式：載入-卸載試驗

試驗力：980.665mN

載入速度：20.7411mN/sec

維持時間：10秒

在最終熱處理後取樣的每根200公尺引線的前端、後端以及前端和後端的中部附近的三個位置切割測量樣品，埋入樹脂中，使線軸垂直方向的橫截面大致垂直於線軸露出，拋光後，測量引線截面半徑中點附近的四個位置，將總計12個位置的測量值的平均值列於表1。連接上述四個位置的每一個位置與引線中心的四條直線呈90°的位置關係，並且四個位置大致等間隔排列。使用上述測量裝置在一系列的流程中幾乎同時測量動態硬度和楊氏係數，但動態硬度由壓頭上的負載（深度方向的深度）確定，楊氏係數是由壓頭卸載時被壓樣品的回彈值確定。因此每個值都是獨立的、針對特定材料的值。

下面將針對實施例和對照例之各樣品之評價方法進行說明。

[切割性能評價方法]

使用HESSE公司的BJ935接合機，根據將引線連續接合在長50mm、寬50mm、厚1mm的銅板上時，裝置發生錯誤的次數（停機次數）進行評價。接合條件設置為負載2500gf，功率50V，對於每個樣品，第一接合和第二接合為1組（n=1），進行1000組（n=1000）連續接合，發生錯誤次數（停機次數）為3次以上則視為不合格，評為「X」，2次則有待改良，但在實際使用中不太可能出現問題，評為「B」，1次則表現良好，評為「A」，0次則表現優秀，評為「S」。結果如表1所示。

[接合強度評價方法]

對於接合強度，使用HESSE公司的BJ935接合機，將引線接合在長50mm、寬50mm、厚1mm的銅板上進行拉力試驗。接合條件設置為負載2500gf，功率50V，第一接合和第二接合為1組（n=1），進行20組（n=20）試驗，比較每個樣品在回路中心進行拉力試驗時接合部發生剝離的次數。n=20的拉力試驗中，發生剝離的次數在3次以上則視為不合格，評為「X」，2次則有待改良，但在實際使用中不太可能出現問題，評為「B」，1次則表現良好，評為「A」，0次則表現優秀，評為「S」。結果如表1所示。

[從工具脫落的評價方法]

使用超聲波接合裝置（K&S公司的引線接合機ASTERION）將銅線線徑為500μm的各樣品接合至銅板，使得第一接合與第二接合之間的距離為5mm。第二接合部相對於線軸方向在水準方向彎曲45°接合。設置每個樣品最適合的超聲波能量和壓力條件。使用Kulicke & Soffa公司製造的，型號：127595-20的接合工具，夾持引線的鱷魚嘴尺寸為內徑0.5mm、深（高）0.2mm、長（進深）1.0mm。

透過觀察第二接合部引線的情況，來確定是否從工具脫落。各樣品中，第一接合和第二接合之組合作為1次，進行100次，如果引線沒有接合，或者只有一側與工具接合的接觸痕跡達4處以上，則視為不合格，評為「X」，如果有2、3處則有待改良，但在實際使用中沒有問題，評為「B」，1處則表現良好，評為「A」，沒有接觸痕跡則表現優秀，評為「S」。結果如表1所示。

除了改變成分和製造條件外，進行與上述實施例1和對照例2同樣的操作，得到實施例31至111以及對照例11至30的銅線，與實施例1同樣進行評價。結果如表4至6所示。

[綜合評價]

上述表1、表4至表6中的三項評價中的一項以上為「S」，其他為「S」或「A」時，視為優秀，綜合評價為「優」；「A」和「S」總計2項以上時，視為良好，綜合評價為「良」；「B」為2項以上且沒有「X」時，視為合格，評為「可」；即使只有一項為「X」，也視為樣品不合格，評為「不可」，如表1所列。

各項評價的具體組合（順序不限）如下：

「優」：SSS、SSA、SAA

「良」：SAB、SSB、AAB、AAA

「可」：SBB、ABB、BBB

「不可」：至少一項X

[表1]

表2列出了實施例和對照例之銅純度和一部分所含元素的濃度（含量比例）。各項濃度由申請人，即田中電子工業株式會社所有的感應耦合電漿質譜儀（Inductively Coupled Plasma - mass spectrometry，ICP-MS）、（Agilent Technologies株式會社生產的8800ICP-MS）計算得到。

然後將實施例和對照例之樣品在室溫35°C和濕度75%RH的條件下放置6個月。之後分析銅線表面的氧化狀態。結果表明，銀濃度5質量ppm以上的樣品中氧化銅（II）（即CuO）氧化膜的比例在20%以下。在銅逐漸氧化的過程中，首先形成氧化銅（I）（即Cu _２O），隨著氧化的進行，CuO的比例逐漸增加。因此，銅線氧化的難易程度（抗氧化性）可以透過計算CuO氧化膜的比例來評價。CuO氧化膜比例透過公式：CuO氧化膜比例=（（CuO氧化膜）/（CuO氧化膜+Cu _２O氧化膜））×100（%）計算。

採用連續電化學還原分析（Sequential Electrochemical Reduction Analysis，SERA）測量氧化膜，並使用SERA確定的厚度轉換值。上述用於確定氧化銅（II）（CuO）厚度和氧化銅I（Cu _２O）厚度的SERA分析可使用ECI Technology公司生產的QC-200，例如，按以下步驟進行。將直徑0.5mm的引線夾在兩個O型環之間，用墊圈隔離直徑2.1cm的區域，注入硼酸緩衝液並用氮氣飽和。在上述區域施加150μA/cm ²的電流密度（I），測量從-0.30V至-0.60V出現的Cu _２O還原反應和從-0.60V至-0.85V出現的CuO還原反應所需的時間（秒）（t）。CuO和Cu _２O的厚度T（nm）根據公式T=K×I×t計算，利用法拉第定律得出常數K。CuO的常數K值為6.53×10 ^－５（cm ^３/A･sec），Cu₂O的K值為2.45×10 ^－４（cm ^３/A･sec）。

測量部位分別在引線前端、後端和中部，即測量三個位置的表面並計算其平均值。CuO氧化膜比例在20%以下的樣品視為優秀，評為「S」，大於20%且30%以下的樣品視為良好，評為「A」。

在此，對於將CuO氧化膜比例在30%以下的樣品視為良好的判斷理由進行說明。在功率模組中，在透過活性金屬硬焊（Active Metal Brazing，AMB）或直接接合法（Direct Copper Bonding，DCB）將陶瓷板（如氮化矽、氧化鋁）和銅板接合為一體的基板上安裝IGBT、MOSFET或二極體晶片，透過引線接合在基板上形成電路。

例如，接合在DCB基板的銅板上的銅線，在利用密封矽樹脂的成品進行溫度循環試驗（例如-65℃至150℃）時，矽樹脂之熱脹冷縮會導致引線接合部受力，發生引線剝離的問題。該溫度循環試驗的溫度條件由全球通用汽車標準確定。本發明人認為，銅線表面因受熱而產生氧化膜是造成剝離的主要原因之一。結果發現，在銅線放置試驗後，即室溫35°C和濕度75%RH的條件下放置6個月後，如果銅線表面的CuO膜比例在30%以下，則在上述溫度循環試驗中，引線接合部的剝離現象會大幅減少。

近年來，功率半導體的保證工作溫度範圍逐漸擴大，例如在某些情況下要求保證工作溫度範圍為-65°C至175°C。在這些溫度循環測試中，與上述試驗條件相比，對銅線施加了更高的負載，使得引線更容易從接合部剝離。本發明人發現，如果在上述放置試驗中能夠將引線表面的CuO氧化膜比例降低至20%以下，則能夠滿足如此高的要求，並且即使在更惡劣的條件下，引線也不會從接合部剝離，可以獲得穩定的接合強度。

本發明人發現，除了由於形成銅氧化膜而導致的引線剝離問題之外，上述保證溫度範圍的擴大還可能導致高溫下導電率降低的問題，即導電率隨著溫度升高而趨於降低。如上所述，本實施態樣之銅線之線徑大於普通半導體的接合線線徑，因此具有能夠在高電壓下傳輸大電流的優點。然而，如果由於溫度上升導致電阻增大，導電率降低，則電流值和驅動力可能減小。

因此，在功率半導體裝置的製造中，需要定量預測在較高溫度下銅接合線電阻的增加量。如果電阻增加超過預測，不僅無法達到設計要求的電流值，而且由於電阻增加而產生的引線熱量可能會對周圍部件產生不利影響。例如，周圍部件之一的密封樹脂可能由於引線產生的熱量而熔化，引發嚴重問題。

本發明人針對保證溫度範圍擴大，尤其是高溫範圍的銅接合線電阻增加率以及伴隨的發熱，反覆進行了深入研究。結果發現，通常，室溫下99%以上（建議99.5%以上）的導電率（IACS）屬於製造功率半導體裝置時預期的電阻增加範圍（約1.7倍以內）。

為了抑制電阻增加，並使銅線表面的CuO氧化膜的比例保持在小於30%的範圍內，本發明人在高純度銅中添加了微量的各種元素，並反覆進行實驗，評價電阻和CuO氧化膜的產生。結果發現，對於整個銅線，銀（Ag）含量為5質量ppm至30質量ppm，磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）的含量分別為0質量ppm至3質量ppm，且除了銀以外的上述元素含量總計15質量ppm以下時，能夠同時解決這兩個問題。

使用IACS（International Annealed Copper Standard）測量同一部分，計算平均值，求得導電率。IACS是使用電位導線間距為100mm，直流電流為200mA的四端子法測量每根引線的電阻率，透過將室溫（20°C）下標準退火軟銅的電阻率1.7241×10 ^－２μΩm定為100%IACS時的比值表示。與純度99.999質量%銅的IACS相比，IACS下降小於0.5%的樣品視為優秀，評為「S」；IACS下降大於0.5%小於1%的樣品視為良好，評為「A」，如表2所列。對照例中也有一些評價為「S」或「A」，但這些是針對CuO氧化膜的比例和IACS的下降率進行的特定評價，如表1所示，由於其他的評價為「X」，綜合評價判定為「不可」。

表4-6所示實施例31-111和對照例11-30的銅線也按照上述方法，測量了銅的純度和所含微量元素的量，並評價了CuO氧化膜的比例（CuO比例）和IACS下降率。結果如表7-9所示。

[表2]

對於與表1所述實施例及對照例相同的樣品，評價其切割性能，以確定使用後切法（也稱半切法）時，是否能夠獲得相同的切割性能。除了不完全切斷引線（切割深度為引線縱向垂直截面之直徑的約50至70%）以外，採用與上述「切割性能評價方法」相同的方法進行評價。結果如表3所示。

[表3]

表3的結果表明，採用後切法的引線樣品的切割性能儘管總體評價不如通常使用的全切法，但也達到了合格水準。由此確認，實施例之銅線在後切法中也可以順利使用。另外還發現一些對照例中雖然也有「A」評價，但只是切割性能方面的評價，如表1所示，切割性能以外的評價項目中評價為「X」，綜合評價為「不可」。

針對前切法（也稱全切法）和後切法進行說明。圖11係表示前切法中接合頭111之結構和第二接合後之動作之原理圖。接合頭111是接合機的一部分，配備有夾持引線的接合工具或刀具。接合頭111依次執行第一接合和第二接合時，將夾持的引線從第一接合移動至第二接合方向，分別接合至接合對象。前切法的接合器中，刀具設置在接合頭的前面。因此，在第二接合後，將接合頭（刀具）移動至引線的預定切割位置。即，將接合頭移動至圖11之箭頭所示方向，在此位置切割引線。第二接合時的位置到引線切割位置的距離雖然取決於接合頭111的類型，但大致為3mm。因此，如圖11所示，接合頭111的移動方向（箭頭方向）上有半導體裝置的外殼114等障礙物，例如，如果接合部位與障礙物的距離在3mm以下，則存在接合頭111與外殼114碰撞，接合機停止，或半導體裝置損壞等情況。

圖12係表示後切法中接合頭結構和引線接合後狀態之原理圖。關於後切法，其形成第一接合和第二接合的過程中接合頭111的移動與前切法類似，但第二接合時刀具112的位置與切割引線113的位置大致相同，所以在切割引線時不需要移動接合頭（刀具）。因此，即使在接合部位之附近存在諸如半導體裝置外殼114這樣的障礙物，接合頭與障礙物接觸的可能性也比前切法小得多。隨著未來半導體裝置日益微型化，人們對後切接合方法的期望也越來越高。

此外，當進行反向接合（一般接合的順序是第一接合在IC晶片上，第二接合在外部電極或基板上的電路圖案。反向接合的順序與之相反，第一接合中銅線連接到外部電極或電路圖案上，第二接合中銅線接合到IC晶片上）時，切割引線前的第二接合在IC晶片上，前切法，即全切法中，刀具的刀刃接觸尤其容易損壞的IC晶片，可能導致IC晶片損壞。因此，在反向接合中，適合採用後切法，即不完全切割引線，切割引線的約50%，然後扯斷的半切法。因此，具有出色切割性能的本實施態樣之接合線在前切法和後切法中都能夠發揮切割性能。

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

[表9]

下面，針對將實施例之銅線用於連接電動汽車的鋰離子電池組母線和鋰離子電池電極的情況進行說明。鋰離子電池由數十個柱狀鋰離子電池組成一個整體，相鄰鋰離子電池之間的間隙由凝膠狀物質填充，以避免相鄰電池之間的接觸，並吸收車輛運行時的振動。

圖13係鋰離子電池組之部分原理圖。圖13所示的鋰離子電池組具有鋰離子電池51、陰極母線52、陽極母線53以及電連接鋰離子電池51和陰極母線52的銅線50。圖13所示的鋰離子電池組還具有電連接鋰離子電池51與陽極母線53的銅線50。銅線50使用上述實施態樣之銅線。圖13所示的鋰離子電池組安裝在車輛上，陽極和陰極分別位於柱狀鋰離子電池的上下表面，通常陽極在上，陰極在下。

圖14係其他態樣之鋰離子電池組之部分原理圖。圖14所示的鋰離子電池組具有鋰離子電池51、陰極母線52、陽極母線53以及電連接鋰離子電池51和陰極母線52的銅線50。圖14所示的鋰離子電池組還具有電連接鋰離子電池51與陽極母線53的銅線50。銅線50使用上述實施態樣之銅線。圖14所示的鋰離子電池組安裝在車輛上，陽極和陰極分別位於柱狀鋰離子電池的上表面中間和外邊緣，通常陽極在上。

圖15係鋰離子電池組之整體原理圖。如圖15所示，鋰離子電池組包括多個鋰離子電池51，多個鋰離子電池51之間填充有凝膠狀物質54。鋰離子電池51與銅線50相連。

在鋰離子電池組的母線與銅線的接合以及鋰離子電池電極與銅線的接合（引線接合）中，使用具有良好追隨性的銅線可保持良好的接合強度。理由舉例如下：由於在引線接合中使用了超聲波，而且鋰離子電池並未被凝膠狀材料固定，因此在引線接合中，鋰離子電池本身也會因超聲波而振動。此外，鋰離子電池的電極和母線之間存在高度差。因此，在引線接合中，考慮到鋰離子電池的振動以及鋰離子電池與母線之間的高度差，要進行彎曲操作。在彎曲操作中使用自由度高，即具有高追隨性的銅線，可以抑制接合時引線從工具脫落或者接合強度不足的問題，防止汽車行駛過程中銅線振動引起的斷裂等問題。

為了實現電動汽車的小型化，需要將電池小型化，而本實施態樣之銅線具有出色追隨性，即使在狹窄的空間內進行複雜的彎曲操作時也能夠具有出色的接合強度。另外，使用實施態樣之銅線，由於電阻低（導電率高），故不易發熱，能夠提高在高溫下（例如80℃以上）有爆炸危險的鋰離子電池的安全性。

[電池電極與母線接合性等評價]

採用實施例1至30和對照例1至3的銅線，為了配合鋰離子電池電極與母線的實際連接，使用了兩塊銅板，在第一塊銅板上進行第一接合後，對第二塊銅板進行第二接合，其設置在比第一塊銅板低約20mm的位置。此外，用於實驗評價的兩塊銅板不僅存在高度差，而且引線接合確保投影到平面上時，第一接合和第二接合的位置呈約45°角。除了第一接合與第二接合的位置關係不同以外，使用與上述實施例相同的HESSE公司製造的接合機BJ935，在與本實施例相同的條件下評價切削性能、接合強度以及從工具脫落情況。結果表明，實施例1至30的所有樣品全部評價為「B」以上。對照例1之銅線的切割性能評為「X」，對照例2之銅線的接合強度評為「X」，對照例3之銅線從工具脫落情況評為「X」。

由此可見，實施態樣的銅線在功率半導體裝置內部等的引線接合中，透過將晶粒邊界密度、方位比率比、動態硬度和楊氏係數控制在規定範圍內，不僅能實現良好的切割性能，而且引線追隨性的提高還能解決引線從楔型接合部剝離，以及劇烈彎曲等複雜接合動作導致引線從工具脫落的問題。

實施態樣之銅線具有出色的追隨性，CuO氧化膜的成膜率低、接合強度高、導電率高、不易發熱，因此不僅能用於功率半導體，還適用於接合電動汽車的鋰離子電池組的母線和鋰離子電池的電極。

本實施態樣之銅線可為汽車工業、電力電子行業、電氣化鐵路、電力行業等的發展做出重大貢獻，進而有利於減少溫室氣體排放和防止全球變暖。 本實施態樣之銅線可為汽車工業、電力電子行業、電氣化鐵路、電力行業等的發展做出重大貢獻，進而有利於減少溫室氣體排放和防止全球變暖。

100,101,103:半導體裝置 1:半導體元件 11:電極 12:背電極 13:基板部 2:金屬膜 3:引線 41:電路圖案 42:金屬圖案 43:絕緣部件 5:散熱部件 6:接合材料 7:外殼 8:端子 9:密封材料 LF:引線框 90:鱷魚嘴 91,92:引線 111:接合頭 112:刀具 113:切割引線 114:外殼 50:銅線 51:鋰離子電池 52:陰極母線 53:陽極母線 54:凝膠狀物質

圖1係概略地表示實施態樣之半導體裝置結構之截面圖。 圖2係概略地表示其他實施態樣之半導體裝置結構之截面圖。 圖3係概略地表示其他實施態樣之半導體裝置結構之截面圖。 圖4係顯示發生接合部剝離之試驗品中接合線從第一接合部剝離之痕跡之照片。 圖5係顯示發生接合部剝離之試驗品中接合線從第二接合部剝離之痕跡之照片。 圖6係顯示第二接合後引線發生切割殘留時接合機情況之照片。 圖7係晶粒邊界密度0.18μm ^－１之實施態樣中銅線之橫截面照片。 圖8係晶粒邊界密度0.68μm ^－１之銅線之橫截面照片。 圖9係未從工具脫落之引線照片。 圖10係從工具脫落之引線照片。 圖11係表示前切法中接合頭結構和引線接合後狀態之原理圖。 圖12係表示後切法中接合頭結構和引線接合後狀態之原理圖。 圖13係鋰離子電池組之部分原理圖。 圖14係其他態樣之鋰離子電池組之部分原理圖。 圖15係鋰離子電池組之整體原理圖。

100:半導體裝置

1:半導體元件

11:電極

12:背電極

13:基板部

2:金屬膜

3:引線

41:電路圖案

42:金屬圖案

43:絕緣部件

5:散熱部件

6:接合材料

7:外殼

8:端子

9:密封材料

Claims (5)

1. 一種銅接合線，由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，其特徵在於： 與該銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^-1以上且小於0.6μm ^-1； 該截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650； 該截面的動態硬度為45至90； 該截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。
2. 如請求項1所述之銅接合線，銅合金總量中銀（Ag）含量為5質量ppm至30質量ppm，磷（P）、鐵（Fe）、矽（Si）、砷（As）和銻（Sb）的含量分別為0質量ppm至3質量ppm，且總計15質量ppm以下。
3. 如請求項1或2所述之銅接合線，線徑為40μm至700μm。
4. 一種銅接合線的製造方法，銅接合線由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成，具有以下步驟： 提供由99.99質量%以上的銅合金構成的原料銅線； 對該原料銅線進行拉線加工； 對該拉線後的原料銅線進行最終熱處理，其中： 與該銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^-1以上且小於0.6μm ^-1； 該截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650； 該截面的動態硬度為45至90； 該截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。
5. 一種半導體裝置，該半導體裝置為一種功率半導體裝置，包括：至少一基板；基板上的至少一個半導體元件；該半導體元件表面上的電極；該半導體元件上的半導體元件基板；基板上的至少一個電路圖案；將選自由該半導體元件表面的兩個電極、該半導體元件表面的電極和外部電極、該半導體元件表面的電極和該電路圖案中的一個電路圖案、該半導體元件表面的電極和端子、該電路圖案中相鄰兩個電路圖案、該電路圖案中的一個電路圖案和端子、該基板和基板，以及該半導體元件基板和電路圖案組成的組中的一個以上進行連接的銅線；其中， 該銅線為： 一種銅接合線，由銅純度為99.99質量%以上的銅合金構成； 與該銅接合線的線軸垂直之截面的晶粒邊界密度為0.01μm ^-1以上且小於0.6μm ^-1； 該截面線軸方向的結晶方位中，與線軸方向角度差為15°以下的結晶方位＜111＞之方位比率除以結晶方位＜101＞之方位比率的值為10至650；該截面的動態硬度為45至90； 該銅接合線的該截面的楊氏係數為20GPa至70GPa。

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