WO2021181697A1 - Ａｌボンディングワイヤ - Google Patents

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WO2021181697A1
WO2021181697A1 PCT/JP2020/011243 JP2020011243W WO2021181697A1 WO 2021181697 A1 WO2021181697 A1 WO 2021181697A1 JP 2020011243 W JP2020011243 W JP 2020011243W WO 2021181697 A1 WO2021181697 A1 WO 2021181697A1
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wire
bonding
bonding wire
heat treatment
high temperature
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PCT/JP2020/011243
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山田　隆
景仁 西林
榛原　照男
大造 小田
基稀 江藤
哲哉 小山田
小林　孝之
宇野　智裕
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日鉄マイクロメタル株式会社
日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an Al bonding wire.
  • an electrode formed on a semiconductor element and an electrode on a lead frame or a substrate are connected by a bonding wire.
  • a bonding wire As the material used for the bonding wire, gold (Au) and copper (Cu) are used in integrated circuit semiconductor devices such as VLSI, while aluminum (Al) is mainly used in power semiconductor devices.
  • Au gold
  • Cu copper
  • Al aluminum
  • Patent Document 1 shows an example in which a 300 ⁇ m ⁇ aluminum bonding wire (hereinafter referred to as “Al bonding wire”) is used in a power semiconductor module.
  • Al bonding wire wedge bonding is used as a bonding method for both the connection with the electrode on the semiconductor element and the connection with the electrode on the lead frame or the substrate.
  • Power semiconductor devices that use Al bonding wires are often used as high-power devices such as air conditioners and solar power generation systems, and semiconductor devices for vehicles.
  • the bonding portion of the Al bonding wire is exposed to a high temperature of 100 to 300 ° C.
  • a material made of only high-purity Al is used as the Al bonding wire, it is difficult to use it in a high temperature environment because the wire tends to soften in such a temperature environment.
  • Patent Document 2 discloses a bonding wire containing Al as a main component and containing 0.05 to 1.0% Sc. By precipitating Al 3 Sc in the bonding wire, it is said that the optimum combination of electrical and mechanical properties can be obtained.
  • Patent Document 3 it is contained Sc to Al bonding wires, the bonding wires in the pre-stage of the bonding without precipitating Al 3 Sc by prior solution treatment, Al 3 Sc by aging performed after bonding
  • the invention for precipitating the above is disclosed. Since Al 3 Sc is not deposited at the bonding stage, the wire is softened and chip cracking does not occur during bonding. On the other hand, it is said that the strength of the wire is increased because Al 3 Sc is precipitated by the aging heat treatment performed after bonding, and the wire can maintain sufficient strength even when the semiconductor device is used in a high temperature environment.
  • An object of the present invention is to provide an Al bonding wire that can sufficiently obtain bonding reliability of a bonding portion of the bonding wire in a high temperature state in which a semiconductor device using the Al bonding wire is operated.
  • 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.
  • Patent Document 3 it has been found that when the semiconductor device is continuously used in a high temperature environment, the recrystallization of the Al bonding wire progresses further, and as a result, the strength of the wire decreases.
  • the Al bonding wire containing 0.01 to 1% of Sc in addition to Sc, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium (hereinafter referred to as "Y, La, Ce, Pr, Nd")
  • Y, La, Ce, Pr, Nd neodymium
  • the present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
  • Sc is contained in an amount of 0.01 to 1%, and at least one of Y, La, Ce, Pr, and Nd is contained in a total of 0.01 to 0.1%, and the balance is Al.
  • an Al bonding wire characterized by being composed of unavoidable impurities.
  • the area ratio of the crystal in which the angle difference between the crystal ⁇ 111> orientation and the wire longitudinal direction is within 15 ° is 30 to 90%.
  • the Al bonding wire contains 0.01 to 1% of Sc, and further contains at least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd in a total of 0.01 to 0.1%. Even when the recrystallizing temperature of the wire rises and the semiconductor device continues to be used in a high temperature environment, the progress of recrystallization of the bonding wire can be suppressed and the strength of the wire can be prevented from decreasing. Sufficient reliability of the joint after the history can be ensured.
  • the present invention in the Al bonding wire containing 0.01 to 1% of Sc, in addition to Sc, at least one or more of Y, La, Ce, Pr and Nd (hereinafter, simply referred to as “Y,” It also contains "La, etc.”) in a total of 0.01 to 0.1%.
  • Y in addition to Sc, at least one or more of Y, La, Ce, Pr and Nd (hereinafter, simply referred to as “Y,” It also contains "La, etc.”) in a total of 0.01 to 0.1%.
  • the Al bonding wire of the present invention contains 0.01 to 1% of Sc in mass%, and further contains at least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd in a total of 0.01 to 0.1%.
  • the balance is composed of Al and unavoidable impurities.
  • a material having such a composition is wire-drawn to obtain a bonding wire having a predetermined wire diameter. It is preferable to perform solution heat treatment in order to forcibly dissolve Sc, Y, La and the like before the wire drawing process, during the wire drawing process, or after the wire drawing process is completed.
  • the solution heat treatment conditions are preferably 570 to 640 ° C. for 1 to 3 hours.
  • the heat treatment for heat treatment for softening the wire is performed at the subsequent stage.
  • a tempering heat treatment may be added during the wire drawing.
  • the heat treatment for tempering changes the crystal structure of the wire from a processed structure to a recrystallized structure. As a result, the crystal structure becomes a recrystallized structure, so that the wire can be softened.
  • the conditions for the tempering heat treatment are preferably 250 to 300 ° C. for 5 to 15 seconds. As a result, the crystal structure can be recrystallized without precipitating the solid-dissolved Sc, Y, La and the like.
  • Sc, Y, La and the like are not precipitated in the wire by performing the solution treatment in the wire manufacturing process as described above.
  • the solution heat treatment is not performed, the Vickers hardness of the wire exceeds Hv40 because precipitates such as Sc, Y, and La are precipitated in the wire.
  • Sc, Y, La and the like are forcibly dissolved, and the crystal structure is recrystallized, so that the Vickers hardness of the wire becomes Hv40 or less.
  • Softens By bonding to the semiconductor electrode using the Al bonding wire of the present invention softened in this way, chip cracking of the semiconductor electrode does not occur.
  • the semiconductor device including the bonding wire is subjected to an aging heat treatment in order to precipitate Sc, Y, La and the like in the bonding wire.
  • Sc, Y, La and the like in the bonding wire are precipitated.
  • the aging heat treatment conditions are preferably 250 to 400 ° C. and 30 to 60 minutes.
  • the joint reliability evaluation test after a long history of high temperature will be described.
  • the components of the bonding wire used are 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% Sc and 0.1% Y.
  • the wire diameter after wire drawing is 200 ⁇ m.
  • solution heat treatment was carried out to forcibly dissolve Sc and Y, and the wire after wire drawing was subjected to tempering heat treatment to adjust the Vickers hardness of the bonding wire to Hv40 or less.
  • both the first bonding portion between the semiconductor chip and the bonding wire and the second bonding portion between the external terminal and the bonding wire are wedge bonded.
  • the high temperature long time history was performed by a power cycle test.
  • heating and cooling are repeated for the semiconductor device to which the Al bonding wire is bonded.
  • the heating is performed over 2 seconds until the temperature of the bonding wire joint in the semiconductor device reaches 140 ° C., and then cooled over 5 seconds until the temperature of the bonding wire reaches 30 ° C.
  • This heating / cooling cycle is repeated 200,000 times.
  • the joint share strength of the first joint was measured and the reliability of the joint was evaluated.
  • the joint strength was less than 50% as compared with the initial stage, and the reliability of the joint was insufficient.
  • the Al bonding wire of the present invention containing 0.5% Sc and 0.1% Y has a joint share strength of 90% or more as compared with the initial stage, and the reliability of the joint is sufficient. I was able to secure it.
  • ⁇ Sc is 0.01 to 1%
  • the effect of strengthening the precipitation of the wire and the progress of recrystallization during long-term use of the semiconductor device at high temperature combined with the combined addition effect of Y, La, etc. below. It can exert a preventive effect.
  • Sc is more preferably 0.1% or more, more preferably 0.3% or more, and even more preferably 0.5% or more.
  • the upper limit is set to 1%. It is more preferable that Sc is 0.8% or less.
  • At least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd in total 0.01 to 0.1% At least one or more of Y, La, Ce, Pr, and Nd in total 0.01 to 0.1%.
  • Y, La, Ce, Pr, and Nd Y, La, etc.
  • Any of Y, La, Ce, Pr, and Nd exerts the same effect. It is more preferable that the total content of Y, La and the like is 0.03% or more. More preferably, it is 0.05% or more.
  • the upper limit is set to 0. It was set to 1%. It is more preferable that the total content of Y, La and the like is 0.08% or less.
  • An ICP emission spectroscopic analyzer or an ICP mass spectrometer can be used for concentration analysis of Sc, Y, La, etc. in the bonding wire.
  • the content of Sc, Y, La, etc. shown in the present invention is based on the concentration measured by ICP emission spectroscopic analysis or ICP mass spectrometry.
  • the rest of the bonding wire consists of Al and unavoidable impurities.
  • the unavoidable impurity element include Si, Fe, and Cu.
  • Preferred results can be obtained by using aluminum having a purity of 4N (Al: 99.99% or more) as the aluminum raw material for producing the wire.
  • the average crystal grain size in the cross section (C cross section) perpendicular to the wire longitudinal direction of the bonding wire is preferably 0.1 to 50 ⁇ m.
  • the area of each crystal grain is obtained using a measurement method such as EBSD (Electron Back Scatter Diffraction Patterns), and the area of each crystal grain is regarded as a circle and is the average of the diameters. do. If the average crystal grain size is 0.1 ⁇ m or more, recrystallization by heat treatment at the time of wire drawing is progressing moderately, and solution heat treatment is performed in the process of wire production to forcibly dissolve the wire-containing components.
  • the wire is softened, and it is possible to prevent chip cracking during bonding and deterioration of the bondability of the bonded portion.
  • the average crystal grain size exceeds 50 ⁇ m, 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 reliable. There is a risk of reduced sex.
  • the average crystal grain size in the C cross section of the wire can be set to 0.1 to 50 ⁇ m.
  • ⁇ Wire ⁇ 111> Orientation area ratio >>
  • the area ratio) is 30 to 90%.
  • ⁇ 111> EBSD can be used to measure the azimuth area ratio.
  • the ⁇ 111> azimuth area ratio can be calculated by using the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the bonding wire as the inspection surface and using the analysis software attached to the apparatus.
  • ⁇ 111> In the process of obtaining the azimuth area ratio, the calculation was performed by excluding the part where the crystal orientation could not be measured, or the part where the reliability of the orientation analysis was low even if the crystal orientation could be measured. ⁇ 111> When the azimuth area ratio is 90% or less, recrystallization by the tempering heat treatment at the time of wire drawing proceeds moderately, and the wire-containing component is forcibly solid-solved by performing solution heat treatment in the process of wire production. In combination with this, the wire is softened, and it is possible to prevent chip cracking during bonding and deterioration of the bondability of the bonded portion.
  • the ⁇ 111> azimuth 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 decrease.
  • the ⁇ 111> azimuth area ratio in the cross section perpendicular to the wire longitudinal direction can be set to 30 to 90%.
  • the Vickers hardness is preferably in the range of Hv20 to 40 in the cross section (C cross section) perpendicular to the wire longitudinal direction of the bonding wire.
  • the Vickers hardness decreases to less than Hv20, 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 high. May decrease. Therefore, the lower limit of the Vickers hardness is preferably Hv20.
  • the Vickers hardness of the wire is set in the range of Hv20 to 40 by performing solution heat treatment in the process of wire production to forcibly dissolve the wire-containing components and further performing tempering heat treatment in the process of wire drawing. be able to.
  • the bonding wire diameter is preferably 50 to 600 ⁇ m.
  • a wire of 50 ⁇ m or more is generally used for a power device because a large current flows, but a wire of 600 ⁇ m or less is used because it becomes difficult to handle when it is 600 ⁇ m or more and the wire bonder does not support it. ..
  • Aluminum having a purity of 99.99% by mass (4N) and yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium having a purity of 99.9% by mass or more were melted as raw materials to obtain an Al alloy having the compositions shown in Tables 1 and 2.
  • This alloy was used as an ingot, and the ingot was groove-rolled and further wire-drawn.
  • the wire diameter was 800 ⁇ m
  • solution heat treatment was performed at 620 ° C. for 3 hours, and the wire was rapidly cooled in water. Then, the die wire drawing process was performed with the final wire diameter set to 200 ⁇ m, and after the wire drawing process was completed, the heat treatment was performed at 270 ° C. for 10 seconds.
  • 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> directional area ratio was measured by EBSD in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the bonding wire, and the ⁇ 111> directional area ratio was calculated by using the 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.
  • the semiconductor chip electrode was Al—Cu
  • the external terminal was Ag
  • the first bonding portion between the semiconductor chip electrode and the bonding wire and the second bonding portion between the external terminal and the bonding wire are both wedge bonding.
  • the bondability of the bonding wire in the semiconductor device was judged by the presence or absence of bonding failure (non-attachment) at the initial stage (before the high temperature and long time history) of the first bonding portion. Those that are joined are marked with ⁇ , and those that are not joined are marked with x, and are described in the "bondability" column of Tables 1 and 2.
  • the chip crack evaluation in the semiconductor device was evaluated by dissolving the metal on the pad surface with an acid and observing the presence or absence of chip cracks under the pad with a microscope. It is described in the “Chip crack” column of Tables 1 and 2 with no crack as ⁇ and with crack as ⁇ .
  • the high temperature long time history was performed by a power cycle test.
  • heating and cooling are repeated for the semiconductor device to which the Al bonding wire is bonded.
  • the heating is performed over 2 seconds until the temperature of the bonding wire joint in the semiconductor device reaches 140 ° C., and then cooled over 5 seconds until the temperature of the bonding wire reaches 30 ° C.
  • This heating / cooling cycle is repeated 200,000 times.
  • the joint share strength of the first joint was measured and the reliability of the joint was evaluated.
  • the shear strength measurement was performed as a comparison with the shear strength of the initial joint. 95% or more of the initial bonding strength is marked with ⁇ , 90% or more and less than 95% is marked with ⁇ , 50% or more and less than 90% is marked with ⁇ , and less than 50% is marked with ⁇ . Described in.
  • Example No. of the present invention. 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 crystal grain size of the wire, the ⁇ 111> azimuth area ratio, and the Vickers hardness are all within the preferable range of the present invention, and the bondability and chip crack are evaluated.
  • the results were all " ⁇ ". This is the result of containing the components specified in the present invention, forcibly dissolving the contained elements by solution heat treatment, and performing appropriate recrystallization by heat treatment.
  • the present invention example No. For 19 to 36 the Sc content was within the preferable range of the present invention, and the joint reliability evaluation results were all “ ⁇ ”.
  • Comparative Example No. in Table 2 1 to 10 are comparative examples. Comparative Example No. In all of 1 to 3, the Sc content was less than the lower limit of the present invention, and the reliability evaluation result was "x" in each case. Further, when the wire internal quality was evaluated after a long history of high temperature, Comparative Example No. In each of 1 to 3, the average crystal grain size exceeded 50 ⁇ m. It is presumed that the Sc in the wire was insufficient, the mechanical strength did not rise sufficiently even after the aging heat treatment, the recrystallization temperature did not rise sufficiently, and the recrystallization proceeded excessively in the high temperature long history. Comparative Example No. 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 after bonding and the chip crack were “x”.

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Abstract

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。該Ａｌボンディングワイヤは、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。

Description

Ａｌボンディングワイヤ
　本発明は、Ａｌボンディングワイヤに関するものである。
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２００２－３１４０３８号公報 特表２０１６－５１１５２９号公報 特開２０１４－４７４１７号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　《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く、０．３％以上であればさらに好ましく、０．５％以上であればさらにより好ましい。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。
　《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。
　ボンディングワイヤ中のＳｃやＹ、Ｌａ等の濃度分析には、ＩＣＰ発光分光分析装置、ＩＣＰ質量分析装置を利用することができる。本発明において示すＳｃやＹ、Ｌａ等の含有量は、ＩＣＰ発光分光分析又はＩＣＰ質量分析により測定した濃度に基づく。
　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。
　《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。
　《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＞方位面積率を求める過程では、結晶方位が測定できない部位、あるいは測定できても方位解析の信頼度が低い部位等は除外して計算した。＜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。
　《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。
　《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。
　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。
　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ＥＢＳＤ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。
　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。
　ボンディング後に、３５０℃、４５分で時効熱処理を行った。
　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。
　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。
　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９５％未満を○とし、５０％以上９０％未満を△とし、５０％未満を×として、表１、２の「信頼性試験」欄に記載した。
　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、成分含有量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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　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。
　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。
　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。
　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等が上限を外れると、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。

Claims (5)

  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請求項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請求項１又は請求項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請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の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請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＡｌボンディングワイヤ。
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