WO2022168789A1 - Ａｌ配線材 - Google Patents

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bonding
mass
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智裕 宇野
裕弥 須藤
哲哉 小山田
大造 小田
佑仁 栗原
基稀 江藤
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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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    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
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    • H01L2924/15747—Copper [Cu] as principal constituent

Definitions

  • the present invention relates to Al wiring materials. Furthermore, it relates to a semiconductor device including the Al wiring material.
  • Al aluminum
  • Cu copper
  • Al wires (circular) and Al strips (flat and elliptical) used in industrial equipment such as transport equipment and robots have mechanical properties such as breaking strength and elongation, as well as electrical conductivity and thermal conductivity, depending on the purpose of use. etc. is required.
  • bonding wires or bonding ribbons are used to connect electrodes formed on a semiconductor chip to electrodes on lead frames or substrates.
  • Al is mainly used as the material.
  • Patent Literature 1 shows an example of using an Al bonding wire with a diameter of 300 ⁇ m in a power semiconductor module.
  • wedge bonding is used for both the first connection with the electrodes on the semiconductor chip and the second connection with the electrodes on the lead frame and substrate as the bonding method. is used.
  • Al wiring material The above-mentioned Al wire, Al strip, Al bonding wire, Al bonding ribbon, etc. are collectively referred to as Al wiring material hereinafter.
  • Power semiconductor devices that use Al wiring materials are often used as electronic devices such as automobile control devices, air conditioners, and solar power generation systems.
  • these semiconductor devices the joints between the wiring members and the members to be connected are exposed to high temperature during operation of the devices.
  • the high voltage is turned on and off at high speed, a severe environment is created in which the temperature is repeatedly raised and lowered.
  • a material made of only high-purity Al is used as a wiring material, it is difficult to use the wiring material in a high-temperature environment because the wiring material tends to soften in the temperature environment during operation of the device.
  • Patent Document 2 discloses an Al bonding wire whose mechanical strength is improved by adding 0.05 to 1% by weight of scandium (Sc) to Al for precipitation hardening.
  • Patent Document 3 discloses that an Al wiring material containing a total of 800 ppm by weight or less of one or more of nickel (Ni), silicon (Si) and phosphorus (P) has good bonding strength and weather resistance.
  • Patent Document 4 contains 0.01 to 0.2% by weight of iron (Fe) and 1 to 20% by weight of Si, and the solid solution amount of Fe is 0.01 to 0.06% by weight,
  • An Al bonding wire is disclosed in which the precipitation amount of Fe is 7 times or less the solid solution amount and the average crystal grain size is 6 to 12 ⁇ m, and it is described that the wire exhibits good bonding reliability. ing.
  • JP-A-2002-314038 Japanese Patent Application Publication No. 2016-511529 JP 2016-152316 A JP 2014-129578 A
  • Al wiring materials are becoming stricter as industrial equipment and electronic components become more sophisticated and their scope of application expands.
  • Al wiring materials used in electronic parts such as semiconductor devices
  • a large-diameter Al wiring material is used for a high-output power device application or an alternative application for reducing the weight of a Cu wiring material.
  • Ni--Pd nickel-palladium
  • Cu etc. are mainly used for the material of the electrodes on the semiconductor chip. is increasingly difficult.
  • improvement of bondability is required.
  • Al wiring materials are required to improve the initial bondability and the bonding reliability of the joints in a high-temperature environment.
  • an Al wiring material is bonded to an electrode on a semiconductor chip, and it is important to increase the bonding strength of the bonding portion between the Al wiring material and the electrode.
  • joint strength measured by a shear test in which the joint is sheared and broken hereinafter referred to as "shear strength" is generally used.
  • shear strength measured by shearing the joint is effective as an index of the apparent joint strength. It is difficult to accurately grasp the intensity.
  • the inventors investigated the relationship between bonding behavior and delamination failure, and found that one of the causes of delamination failure was the presence of an area with insufficient bonding at the interface of the joint. That is, in the case where peeling failure occurs, when observing the fracture surface on the electrode side after the shear test, it is found that there is an unbonded area (hereinafter also referred to as "hollow hole") in which metal bonding is not obtained in part of the bonded portion. It was found that the frequency of occurrence of In addition to being a factor in reducing productivity, an increase in voids in the joint may cause cracks starting from the unbonded area due to temperature changes during operation of the semiconductor device, and if it progresses further, the joint may be damaged.
  • a power cycle test is carried out as one of the techniques for evaluating the joint reliability of joints in a high-temperature environment. This is a test in which rapid heating and cooling are repeated by repeating ON/OFF of the voltage. Repetition of rapid heating and cooling poses a problem that the bonding strength at the bonding portion of the Al wiring material decreases, and defects such as cracks and peeling occur near the bonding interface. For example, regarding durability in a power cycle test, under severe conditions exceeding 10,000 cycles, failures such as cracks and peeling occur at joints of Al wiring materials, which hinders the practical use of power devices.
  • the bondability of the Al wiring material in addition to increasing the shear strength, it is important to improve the bonding reliability of the joint in a high-temperature environment by reducing voids during bonding. It is useful for improving the function, quality, reliability, etc. of devices.
  • An object of the present invention is to provide an Al wiring material that provides sufficient bonding reliability at the junction in a high-temperature environment during operation of a semiconductor device.
  • the inventors of the present invention found that the above problems can be solved by an Al wiring material having the following structure. That is, the present invention includes the following contents. [1] When one or more of Pd and Pt are contained, and the contents of Pd and Pt are x1a [mass ppm] and x1b [mass ppm], respectively, 3 ⁇ x1a ⁇ 90 or 10 ⁇ x1b ⁇ 250, and 3 ⁇ (x1a+x1b) ⁇ 300, The balance is an Al wiring material containing Al, An Al wiring material having an average crystal grain size of 3 to 35 ⁇ m in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the Al wiring material.
  • the crystal orientation ⁇ 111> with an angle difference of 15° or less with respect to the longitudinal direction of the Al wiring material has an orientation ratio of 0.5% or more and 35% or less.
  • the Al wiring material according to [1] or [2] which has a tensile strength of 25 MPa or more and 95 MPa or less.
  • the total content is x2 [mass ppm]
  • an Al wiring material that provides sufficient bonding reliability of the bonding portion in a high-temperature environment during operation of the semiconductor device.
  • the Al wiring material of the present invention contains at least one of Pd and Pt, and when the contents of Pd and Pt are x1a [mass ppm] and x1b [mass ppm], respectively, 3 ⁇ x1a ⁇ 90 or 10 ⁇ It is characterized by satisfying x1b ⁇ 250, satisfying 3 ⁇ (x1a+x1b) ⁇ 300, the remainder containing Al, and having an average grain size of 3 to 35 ⁇ m in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the Al wiring material.
  • the Al wiring material it is necessary to achieve both improved bondability immediately after bonding (hereinafter referred to as "initial bonding") and reduction of chip damage, and furthermore, after bonding, the semiconductor device is operated in a high-temperature environment. It is required to improve the joint reliability of the joint (hereinafter also referred to as “high-temperature reliability of the joint”) at the same time. Regarding the bondability, it is important to reduce the unbonded area (“hollow”) at the bond in addition to increasing the shear strength.
  • the Al wiring material of the present invention containing a predetermined amount of one or more of Pd and Pt (hereinafter also referred to as "first group elements") and having an average crystal grain size within a specific range, a load and ultrasonic waves are applied.
  • first group elements Pd and Pt
  • first group elements Pd and Pt
  • the diffusion at the bonding interface is promoted to suppress the occurrence of unbonded regions at the bonding interface, and good bonding can be obtained over the entire bonding interface.
  • the unbonded area the ratio of the area of the area where metallic bonding is obtained and directly contributes to bonding to the area of the bonding interface (hereinafter referred to as "effective bonding area ratio" or "EBR"). Effective Bonded Area Ratio (EBR) can be increased.
  • the bonding effective area used for the trial calculation of the bonding effective area ratio can be easily calculated as the area excluding the unbonded area from the bonding interface area.
  • the present inventors have found that increasing the EBR is highly effective in improving the high-temperature reliability of the junction.
  • the growth of the Al oxide film on the surface of the Al wiring material is suppressed, and even if the Al oxide film is formed, the Al oxide film is easily destroyed by ultrasonic vibration during bonding. Therefore, it is considered that diffusion of Al from the Al wiring material to the electrode side is promoted.
  • the effect of setting the crystal grain size of the Al wiring material to a specific range the crystal grain boundaries that resist deformation during bonding are reduced, and the efficiency of transmitting ultrasonic waves to the bonding interface is increased. It is thought that the destruction of the oxide film of the electrode is accelerated.
  • the effect of containing a predetermined amount of the first group element and the effect of setting the crystal grain size within a specific range act synergistically, and the high-temperature reliability of the joint can be remarkably improved. can.
  • EBR is increased by obtaining a high synergistic effect by combining the inclusion of the first group element and the control of the average crystal grain size in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the Al wiring material (hereinafter referred to as "C cross section"). It becomes easy to improve the bondability of the initial bonding. Even with an Al wiring material containing the first group element, when the average crystal grain size of the C cross section is smaller than the range specified in the present application, the oxide film is not sufficiently destroyed during bonding, and the effect of improving the EBR is small. was confirmed.
  • the Al wiring material has a large crystal grain size and low tensile strength, it is possible to increase the area of the bonding interface if the material is high-purity Al or a conventional Al wiring material containing Ni. It has been confirmed that the effect of improving the EBR is small because the
  • the average crystal grain size in the C cross section of the Al wiring material is related to the shape change of the C-section and EBR. That is, rather than controlling the structure and crystal grain size of the cross section parallel to the longitudinal direction of the Al wiring material, the effect of the present invention is to control the average crystal grain size of the C cross section in combination with the content of the first group element. It is important to play
  • the EBR can be increased even when the Al wiring material is joined at room temperature, and it becomes possible to use a heat-sensitive resin substrate or the like.
  • the EBR can be increased. Advantages such as being able to increase the
  • the EBR at the junction with the electrode on the semiconductor chip is obtained as the ratio (M2/M1) of the area M2 where metal bonding is obtained to the area M1 of the bonding interface.
  • the Al wiring material of the present invention contains one or more of Pd and Pt as the first group elements, and when the contents of Pd and Pt are x1a [mass ppm] and x1b [mass ppm], respectively, 3 ⁇ satisfies x1a ⁇ 90 or 10 ⁇ x1b ⁇ 250, and satisfies 3 ⁇ (x1a+x1b) ⁇ 300.
  • Preferred ranges of x1a and x1b are shown below. Both the preferred range of and the preferred range of x1b may be satisfied.
  • the Pd content in the Al wiring material is 3 ppm by mass or more. If x1a is less than 3 ppm by mass, the effect of increasing the EBR and the effect of improving the high-temperature reliability of the joint are not sufficient.
  • x1a is preferably 4 mass ppm or more, 5 mass ppm or more, or 6 mass ppm or more, more preferably more than 6 mass ppm, 8 mass ppm or more, 10 mass ppm or more, 15 mass ppm or more, or 20 mass ppm or more.
  • the value of (x1a+x1b) in relation to x1b is within the range of the present invention, when x1a exceeds 6 mass ppm, the effect of further increasing EBR can be obtained.
  • x1a is 90 mass ppm or less.
  • x1a exceeds 90 ppm by mass, deformation of the Al wiring material becomes uneven during bonding, and EBR tends to decrease.
  • x1a is preferably 85 mass ppm or less, 80 mass ppm or less, 75 mass ppm or less, or 70 mass ppm or less, more preferably less than 70 mass ppm, 68 mass ppm or less, 66 mass ppm or less, or 65 mass ppm or less.
  • the value of (x1a+x1b) in relation to x1b is within the range of the present invention, when x1a is less than 70 ppm by mass, the effect of further increasing EBR can be obtained.
  • the content of Pd in the Al wiring material, ie, x1a satisfies 3 ⁇ x1a ⁇ 90, more preferably 6 ⁇ x1a ⁇ 70.
  • the content of Pt in the Al wiring material is 10 ppm by mass or more. If x1b is less than 10 ppm by mass, the effect of increasing the EBR and the effect of improving the high-temperature reliability of the junction are not sufficient.
  • x1b is preferably 12 mass ppm or more, 14 mass ppm or more, 16 mass ppm or more, 18 mass ppm or more, or 20 mass ppm or more, more preferably more than 20 mass ppm, 25 mass ppm or more, 30 mass ppm or more, 35 mass ppm ppm or more or 40 mass ppm or more.
  • x1b exceeding 20 ppm by mass has the effect of further increasing EBR.
  • x1b is 250 ppm by mass or less.
  • x1b exceeds 250 ppm by mass, deformation of the Al wiring material becomes uneven during bonding, and EBR tends to decrease.
  • x1b is preferably 240 mass ppm or less, 230 mass ppm or less, 220 mass ppm or less, 210 mass ppm or less or 200 mass ppm or less, more preferably less than 200 mass ppm, 190 mass ppm or less, 180 mass ppm or less, 160 mass ppm ppm or less or 150 mass ppm or less.
  • the value of (x1a+x1b) in relation to x1a is within the range of the present invention, when x1b is less than 200 ppm by mass, the effect of further increasing EBR can be obtained.
  • the content of Pt in the Al wiring material that is, x1b satisfies 10 ⁇ x1b ⁇ 250, more preferably 20 ⁇ x1b ⁇ 200.
  • the total content of Pd and Pt in the Al wiring material is 3 ppm by mass or more. If (x1a+x1b) is less than 3 ppm by mass, the effect of increasing the EBR and the effect of improving the high-temperature reliability of the junction are not sufficient.
  • (x1a+x1b) is preferably 5 mass ppm or more or 6 mass ppm or more, more preferably more than 6 mass ppm, 8 mass ppm or more, 10 mass ppm or more, 15 mass ppm or more, or 20 mass ppm or more.
  • the upper limit of (x1a+x1b) is 300 mass ppm or less, preferably 290 mass ppm or less, 280 mass ppm or less, or 270 mass ppm or less, more preferably 270 mass ppm, provided that x1a and x1b satisfy the above ranges. less than, 260 mass ppm or less, or 250 mass ppm or less.
  • Pd is more effective than Pt in promoting the destruction and diffusion of the oxide film at the bonding interface.
  • the preferred range of the Pd content x1a is lower than the preferred range of the Pt content x1b in order to increase the EBR. If the Pd content x1a exceeds 90 ppm by mass, variations occur in the surface oxide film, structure, etc. of the Al wiring material, and non-uniform deformation is likely to occur. As a result, EBR is reduced.
  • the average crystal grain size in the C section of the Al wiring material is 3 to 35 ⁇ m. If the average crystal grain size is less than 3 ⁇ m, the unbonded region tends to increase during bonding, and the effect of increasing the EBR is small.
  • the average crystal grain size in the C section is preferably 3.5 ⁇ m or more, 4 ⁇ m or more, 4.5 ⁇ m or more, 5 ⁇ m or more, 6 ⁇ m or more, or 7 ⁇ m or more, more preferably 8 ⁇ m or more, 8.5 ⁇ m or more, or 9 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the average grain size is preferably 34 ⁇ m or less, 33 ⁇ m or less, 32 ⁇ m or less, or 31 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less, 28 ⁇ m or less, 26 ⁇ m or less, or 25 ⁇ m or less.
  • the average crystal grain size in the C cross section is in the range of 8 to 30 ⁇ m, it becomes easy to stably manufacture the Al wiring material during mass production.
  • the average crystal grain size in the C cross section of the Al wiring material is 3-35 ⁇ m, more preferably 8-30 ⁇ m.
  • the average crystal grain size in the C cross section of the Al wiring material tends to be within the above preferred range by performing refining heat treatment in the middle of wire drawing and in the vicinity of the final wire diameter.
  • the average crystal grain size in the C cross section of the Al wiring material is obtained by calculating the equivalent circle diameter of each crystal grain using the backscattered electron diffraction (EBSD) method and arithmetically averaging them. rice field.
  • the average crystal grain size in the C section was the arithmetic mean value of each value obtained by measuring five or more C sections.
  • the measurement plane (C section) five or more measurement samples are obtained from the Al wiring material to be measured at intervals of 1 m or more in the longitudinal direction of the Al wiring material, and the measurement data It is preferable to ensure the objectivity of
  • the EBR can be further increased by setting the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation in the cross section (C cross section) perpendicular to the longitudinal direction of the Al wiring material to a specific range.
  • the angle difference with respect to the longitudinal direction of the Al wiring material is 15° or less among the crystal orientations in the longitudinal direction of the Al wiring material.
  • 111> crystal orientation is preferably 0.5 to 35%.
  • EBR can be further increased by controlling the structure to keep the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation low, and in particular, a high effect of improving the EBR can be obtained even with a large-diameter Al wiring material.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation can be measured using the EBSD method.
  • An apparatus used for the EBSD method consists of a scanning electron microscope and a detector attached thereto.
  • the EBSD method is a technique for determining the crystal orientation at each measurement point by projecting a diffraction pattern of backscattered electrons generated when a sample is irradiated with an electron beam onto a detector and analyzing the diffraction pattern.
  • Dedicated software (such as OIM analysis manufactured by TSL Solutions Co., Ltd.) can be used to analyze the data obtained by the EBSD method.
  • the orientation ratio of a specific crystal orientation can be calculated by using the C section of the Al wiring material as an inspection surface and using analysis software attached to the apparatus.
  • the orientation ratio of ⁇ 111> crystal orientation is defined as the area ratio of ⁇ 111> crystal orientation when the measured area is the population.
  • the area ratio of the ⁇ 111> crystal orientation which was calculated as a population of the area of only the crystal orientations that could be identified based on a certain degree of reliability, was calculated as the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation. and In the process of obtaining the orientation ratio, calculation was performed by excluding portions where the crystal orientation could not be measured, or portions where the crystal orientation could be measured but the reliability of the orientation analysis was low.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation in the C cross section was the arithmetic average value of the orientation ratio values obtained by measuring five or more C cross sections.
  • the measurement sample is obtained from the Al wiring material to be measured at intervals of 1 m or more in the longitudinal direction of the Al wiring material. It is preferable to ensure the objectivity of the data.
  • the load and ultrasonic waves applied during bonding are less likely to be transmitted to the center of the bonding interface, and the area of the unbonded region (hollow) tends to increase.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation By reducing the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation, the transmission efficiency of the ultrasonic vibration is improved even with a large-diameter Al wiring material, and the EBR can be increased.
  • This crystal orientation effect can be enjoyed more when the wire diameter is 250 ⁇ m or more, and can be more enjoyed when the wire diameter is 300 ⁇ m or more or 350 ⁇ m or more.
  • the orientation ratio of ⁇ 111> crystal orientation with an angle difference of 15° or less with respect to the longitudinal direction of the Al wiring material is preferably 0.5% or more and 35% or less.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation is preferably less than 35%, 34% or less, 32% or less, or 30% or less, more preferably less than 30%, 28% or less, 26% or less, 24% or less, 22% or less or 20% or less.
  • the lower limit of the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation is preferably 0.6% or more, 0.8% or more, 1% or more, 1.5% or more, 2% or more, or 2.5% or more, more preferably 3 % or more, 3.5% or more, or 4% or more.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation is 3% or more and less than 30%, the effect of increasing the EBR can be further improved.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation with an angle difference of 15° or less with respect to the longitudinal direction of the Al wiring material is 0.5% or more and 35 % or less, more preferably 3% or more and less than 30%.
  • the Al wiring material of the present invention preferably has a tensile strength in the range of 25 MPa or more and 95 MPa or less.
  • the high-temperature reliability of the joint is further improved by setting the tensile strength within the above preferred range. can be improved.
  • High-temperature reliability can be evaluated by examining changes in the bonding strength or electrical properties of the Al wiring material after conducting a power cycle test.
  • the Al wiring material of the present invention containing a predetermined amount of the first group element and having an average crystal grain size in the C cross section within a specific range, the occurrence of unbonded regions (hollow holes) during bonding can be reduced. It is possible to increase the EBR at the initial bonding.
  • the tensile strength is in the above range, it is possible to suppress the development of cracks in the vicinity of the joint portion of the Al wiring material, so it is speculated that the high-temperature reliability of the joint portion can be further improved. be.
  • the unbonded region generated at the time of bonding is reduced, and the tensile strength is within the above range. It is thought that the deformation of the material or the destruction of the oxide film is accelerated, and good metal bonding with the electrode at the bonding interface is obtained, so that crack growth in the power cycle test is suppressed.
  • the Al wiring material of the present invention preferably has a tensile strength in the range of 25 MPa or more and 95 MPa or less. If the tensile strength is more than 95 MPa, the Al wiring material is hard and the effect of suppressing crack growth in the power cycle test cannot be sufficiently obtained.
  • the tensile strength of the Al wiring material is preferably less than 95 MPa, 94 MPa or less, 92 MPa or less, 90 MPa or less, 88 MPa or less, or 86 MPa or less, more preferably 85 MPa or less, 84 MPa or less, 82 MPa or less, or 80 MPa or less.
  • the tensile strength of the Al wiring material is preferably 26 MPa or more or 28 MPa or more, more preferably 30 MPa or more, 32 MPa or more, 34 MPa or more, 36 MPa or more, 38 MPa or more, or 40 MPa or more.
  • the tensile strength of the Al wiring material is 30 MPa or more and 85 MPa or less, the effect of further increasing the EBR is obtained, which is beneficial.
  • the tensile strength of the Al wiring material is preferably 25 MPa or more and 95 MPa or less, more preferably 30 MPa or more and 85 MPa or less.
  • the Al wiring material of the present invention may further contain one or more of Mg, Mn and Cu.
  • the Al wiring material of the present invention containing a predetermined amount of first group elements and having an average crystal grain size in a C cross section within a specific range, one or more of Mg, Mn, and Cu (also referred to as "second group elements"). ) can further improve the high-temperature reliability of the junction.
  • the Al wiring material of the present invention can increase the number of cycles until failure occurs by 1.5 times or more in the power cycle test.
  • the Al wiring material of the present invention containing a predetermined amount of the first group element and having an average crystal grain size in the C cross section within a specific range further contains a predetermined amount of the second group element, thereby improving the high-temperature reliability of the joint. A synergistic effect of even greater improvement is realized.
  • the Al wiring material of the present invention it is preferable to satisfy 200 ⁇ x2 ⁇ 6000, where x2 [mass ppm] is the total content of the second group elements. If the total content of the second group elements, that is, x2 is less than 200 ppm by mass, the effect of further improving the high-temperature reliability of the joint cannot be sufficiently obtained.
  • x2 is preferably 220 mass ppm or more, 240 mass ppm or more, 250 mass ppm or more, 260 mass ppm or more, or 280 mass ppm or more, more preferably 300 mass ppm or more, 320 mass ppm or more, 340 mass ppm or more, 360 mass ppm ppm or more, 380 mass ppm or more, or 400 mass ppm or more.
  • x2 exceeds 6000 mass ppm, chip damage tends to occur during bonding of the Al wiring material.
  • x2 is preferably 5800 mass ppm or less, 5600 mass ppm or less, 5400 mass ppm or less or 5200 mass ppm or less, more preferably 5000 mass ppm or less, 4800 mass ppm or less, 4600 mass ppm or less, 4400 mass ppm or less, 4200 mass ppm ppm or less or 4000 mass ppm or less.
  • x2 is 300 mass ppm or more and 5000 mass ppm or less, the high-temperature reliability of the junction can be significantly improved, which is beneficial.
  • the total x2 [mass ppm] of the content of the second group elements in the Al wiring material preferably satisfies 200 ⁇ x2 ⁇ 6000, more preferably 300 ⁇ x2 ⁇ Meet 5000.
  • the Al wiring material of the present invention may further contain one or more of Fe, Si and Ni.
  • the Al wiring material of the present invention containing a predetermined amount of first group elements and having an average crystal grain size in the C cross section within a specific range, one or more of Fe, Si and Ni (also referred to as "third group elements"). ) can further improve the high-temperature reliability of the joint when the Al wiring material has a small diameter.
  • the third group element it is possible to improve the productivity in the high-speed wire drawing process in the production of the Al wiring material, and to enhance the adaptability to mass production.
  • the wire diameter of the Al wiring material which can more enjoy the above-described effects due to the inclusion of the third group element, is preferably 200 ⁇ m or less, and further, when it is 120 ⁇ m or less, a higher effect can be received.
  • the deformation of the Al wiring material tends to progress early due to the load during bonding, stress concentration occurs at the neck portion corresponding to the bonding end portion, and cracks from the neck portion are promoted. tend to On the other hand, by containing the third group element, even if the Al wiring material has a small diameter, the deformation of the neck portion is reduced and the stress concentration is reduced. This is considered to be an improvement. In this regard, it was confirmed that the effect of further improving the high-temperature reliability of the joint cannot be sufficiently obtained by only adding the third group element.
  • the unbonded region at the bonding interface is reduced, resulting in a neck portion (originally not bonded).
  • the inclusion of the third group element realizes a synergistic effect of further improving the high-temperature reliability of the joint.
  • the Al wiring material of the present invention it is preferable to satisfy 10 ⁇ x3 ⁇ 2000, where x3 [mass ppm] is the total content of the third group elements. If the total content of the third group elements, i.e., x3, is less than 10 ppm by mass, the effect of further improving the high-temperature reliability of the joint cannot be sufficiently obtained when the Al wiring material has a small diameter.
  • x3 is preferably 12 mass ppm or more, 14 mass ppm or more, 16 mass ppm or more, or 18 mass ppm or more, more preferably 20 mass ppm or more, 22 mass ppm or more, 24 mass ppm or more, 26 mass ppm or more, 28 mass ppm ppm or more or 30 mass ppm or more.
  • x3 exceeds 2000 ppm by mass, the effect of improving productivity in the high-speed wire drawing process tends to be insufficient.
  • x3 is preferably 1800 mass ppm or less or 1600 mass ppm or less, more preferably 1500 mass ppm or less, 1400 mass ppm or less, 1200 mass ppm or less or 1000 mass ppm or less.
  • x3 is 20 mass ppm or more and 1500 mass ppm or less, particularly 20 mass ppm or more and 1000 mass ppm or less, the high-temperature reliability of the joint can be further improved when the Al wiring material has a small diameter. can be beneficial.
  • the total x3 [mass ppm] of the content of the third group elements in the Al wiring material preferably satisfies 10 ⁇ x3 ⁇ 2000, more preferably 20 ⁇ x3 ⁇ 1500, more preferably 20 ⁇ x3 ⁇ 1000.
  • evaluation of the high-temperature reliability of the junction is performed by a power cycle test.
  • a power cycle test is a test in which rapid heating and cooling are repeated for a semiconductor device to which an Al wiring material is joined. Heating is carried out for 2 seconds until the temperature of the joint portion of the Al wiring material in the semiconductor device reaches 140°C, and then cooling is carried out for 25 seconds until the temperature of the joint portion reaches 30°C. This heating/cooling cycle is repeated 50,000 or 100,000 times.
  • the joint After the power cycle test, measure the shear strength of the joint at the first connection with the electrode on the semiconductor chip to evaluate the high temperature reliability.
  • the Al wiring material of the present invention which contains a predetermined amount of the first group element and has an average crystal grain size in the C cross section within a specific range, even when the above cycle is repeated 50,000 times or 100,000 times, the joint is It exhibits good shear strength and can achieve excellent high-temperature reliability.
  • the balance of the Al wiring material of the present invention contains Al.
  • Al having a purity of 4N Al: 99.99% by mass or more
  • Al Al having a purity of 4N (Al: 99.99% by mass or more)
  • Al Al: 99.999% by mass or more
  • the remainder of the Al wiring material of the present invention may contain elements other than Al within the range not impairing the effects of the present invention.
  • the Al content is not particularly limited as long as it does not inhibit the effects of the present invention, but is preferably 95% by mass or more, 96% by mass or more, or 97% by mass or more, more preferably is 98% by mass or more, 98.5% by mass or more, 98.6% by mass or more, 98.8% by mass or more, or 99% by mass or more.
  • the balance of the Al wiring material of the present invention consists of Al and unavoidable impurities.
  • the Al wiring material of the present invention may or may not have a coating mainly composed of an element other than Al on the outer circumference of the Al wiring material.
  • the Al wiring material of the present invention does not have a coating mainly composed of a metal other than Al on the outer circumference of the Al wiring material.
  • the term "coating containing a metal other than Al as a main component" refers to a coating containing 50% by mass or more of a metal other than Al.
  • the Al wiring material of the present invention can provide joints with good high-temperature reliability. Therefore, the Al wiring material of the present invention can be used in a wide range of applications that require high-temperature reliability when connecting with members to be connected. (Al wiring material for industrial equipment), and can be suitably used for connection with connected members in various semiconductor devices including power semiconductor devices (Al wiring for semiconductor devices material).
  • the Al wiring material of the present invention may have arbitrary dimensions according to its specific usage.
  • the wire diameter is not particularly limited, and w may be, for example, 500 ⁇ m to 10 mm.
  • a stranded wire using a plurality of such Al wires may be used.
  • the dimension (w ⁇ t) of its rectangular or substantially rectangular cross section is not particularly limited, and for example, w may be 500 ⁇ m to 10 mm and t may be 50 ⁇ m to 2 mm.
  • the Al wiring material of the present invention is an Al bonding wire used in various semiconductor devices including power semiconductor devices, the wire diameter is not particularly limited. good.
  • the dimension (w ⁇ t) of its rectangular or substantially rectangular cross section is not particularly limited, for example, w may be 100 to 3000 ⁇ m and t may be 50 to 600 ⁇ m good.
  • the method for manufacturing the Al wiring material of the present invention is not particularly limited, and for example, it may be manufactured using known processing methods such as extrusion, swaging, wire drawing, and rolling.
  • processing methods such as extrusion, swaging, wire drawing, and rolling.
  • wire drawing When the wire diameter becomes small to some extent, it is preferable to perform wire drawing using a diamond die.
  • Cold working in which wire drawing is performed at room temperature, requires a relatively simple configuration, such as a manufacturing apparatus, and is excellent in workability.
  • hot working in which wire is drawn by heating may be used.
  • Al and pure metals of each additive element are weighed as starting materials so that the content of each additive element is within a specific range, and then mixed and melted to solidify to produce an ingot.
  • a master alloy containing the additive element at a high concentration may be used as a raw material for each additive element.
  • Batch type and continuous casting type can be used in the melting process for making this ingot.
  • the continuous casting type has excellent productivity, but the batch type can easily change the cooling temperature conditions for solidification. This ingot is processed to the final size to form an Al wiring material.
  • the intermediate heat treatment may be performed by heating at a temperature range of 200 to 500° C. for 0.2 minutes to 1 hour, for example. Specific examples include conditions such as 250° C. for 30 minutes and 350° C. for 1 minute.
  • heating may be performed in the temperature range of 300 to 600° C. for 0.5 to 3 seconds.
  • a wiring material subjected to isothermal heat treatment under several time conditions may be manufactured as a trial, and the average crystal grain size in the C cross section may be measured to easily obtain the desired characteristics.
  • refining heat treatment is performed at the final wire diameter and the wire diameter in the vicinity thereof in order to reduce the amount of strain introduced into the material by wire drawing. It is effective to perform at high temperature or for a long time.
  • Conditions for the refining heat treatment include, for example, heating at a relatively high temperature range of 450 to 620° C. for 0.1 second to 5 minutes. Specifically, conditions such as heating at 580° C. for 0.2 seconds or heating at 450° C. for 5 seconds can be mentioned.
  • the temperature conditions for the thermal refining heat treatment for example, the tensile strength of the refined Al wiring material is confirmed by changing only the furnace temperature at a constant wire feeding speed, and the heat treatment temperature is determined so as to obtain the desired tensile strength. do it. By adjusting the conditions of the refining heat treatment in combination with the intermediate heat treatment, it becomes easier to control the tensile strength.
  • the deformation texture formed by wire drawing and the recovery of dislocations in the intermediate heat treatment it is effective to moderately control the growth of recrystallized grains.
  • the wire diameter is in the range of 500 ⁇ m to 3000 ⁇ m
  • the average value of the area reduction of the wire drawing die is in the range of 5 to 15%.
  • It is effective to heat in the temperature range of ⁇ 600°C for 0.5 seconds to 3 seconds.
  • It is also effective to perform the refining heat treatment at or near the final wire diameter by heating at a temperature range of 400 to 600° C. for 0.1 seconds to 3 minutes. Refining heat treatment conditions such as heating for seconds, or heating at 400° C. for 5 seconds can be mentioned.
  • a semiconductor device can be manufactured by connecting electrodes on a semiconductor chip to external electrodes on a lead frame or a substrate using the Al wiring material of the present invention.
  • the semiconductor device of the present invention includes a circuit board, a semiconductor chip, and an Al wiring material for electrically connecting the circuit board and the semiconductor chip, and the Al wiring material is the Al wiring material of the present invention. characterized by
  • the circuit board and semiconductor chip are not particularly limited, and known circuit boards and semiconductor chips that can be used to configure the semiconductor device may be used.
  • a lead frame may be used instead of the circuit board.
  • the configuration of the semiconductor device may include a lead frame and a semiconductor chip mounted on the lead frame.
  • Semiconductor devices are used in electrical products (e.g., computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.) and vehicles (e.g., motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.).
  • electrical products e.g., computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.
  • vehicles e.g., motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.
  • Various semiconductor devices are mentioned, and among them, a power semiconductor device (power semiconductor device) is preferable.
  • Intermediate heat treatment was performed in a wire diameter range of 1 mm to 2 mm under heating conditions of 1 second to 3 seconds in a temperature range of 400 to 600°C. After that, die wire drawing was performed with final wire diameters of 100, 300, and 500 ⁇ m. After wire drawing was completed, a refining heat treatment was performed at a temperature of 450 to 600° C. for 0.2 to 3 seconds to obtain an Al wiring material.
  • the content of the additive element in the Al wiring material is measured by ICP-OES (“PS3520UVDDII” manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.) or ICP-MS (“Agilent 7700x ICP-MS” manufactured by Agilent Technologies, Inc.) as an analyzer. ) was used.
  • the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation was measured using the C section of the Al wiring material as a measurement plane.
  • the EBSD method was used for the measurement, and the orientation ratio of the ⁇ 111> crystal orientation was calculated by the above-described procedure using analysis software attached to the apparatus.
  • Five measurement planes (C cross section) are selected at intervals of 1 m or more in the longitudinal direction of the Al wiring material, and the obtained orientation ratio values are arithmetically averaged to determine the ⁇ 111> crystal orientation in the C cross section. azimuth ratio.
  • the tensile strength of the Al wiring material was determined by performing a tensile test on the Al wiring material and measuring the maximum stress in the tensile test as the tensile strength.
  • the tensile strength was measured using an Instron tensile tester under conditions of a gauge length of 100 mm, a tensile speed of 10 mm/min, and a load cell rated load of 1 kN. The measurement was performed 5 times, and the obtained tensile strength values were arithmetically averaged to obtain the tensile strength of the Al wiring material.
  • the electrodes of the semiconductor chip were Al--Cu pads (thickness 2 ⁇ m), and the external terminals were Ni-coated Cu lead frames. Both the first connecting portion between the electrode of the semiconductor chip and the Al wiring material and the second connecting portion between the external terminal and the Al wiring material were wedge-bonded.
  • aging heat treatment was performed at 300° C. for 30 minutes after connection.
  • EBR Effective bonding area ratio
  • EBR effective joint area ratio
  • the high-temperature reliability of the junction was evaluated by performing a power cycle test on Al wiring materials with wire diameters of 300 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • heating and cooling were alternately repeated for the semiconductor device to which the Al wiring material was connected. Heating was performed for 2 seconds until the maximum temperature reached about 140°C, and then cooling was performed for 25 seconds until the temperature of the joint reached 30°C.
  • the Al wiring material having a wire diameter of 300 ⁇ m evaluation was made for both the case where the heating/cooling cycle was repeated 50,000 times and the case where the cycle was repeated 100,000 times.
  • evaluation was made on the case where the heating/cooling cycle was repeated 50,000 times and the case where the heating/cooling cycle was repeated 100,000 times.
  • the shear strength of the joint was measured for the first connection, and the high-temperature reliability of the joint was evaluated. It was evaluated by S2/S1, which is the ratio of the shear strength S2 after the power cycle test to the shear strength S1 of the joint portion in the initial bonding. Regarding the value of S2/S1, if it is 0.9 or more, it is indicated as " ⁇ " because it is excellent reliability. If it is less than 0.8, there is no problem in practical use, so it is indicated as " ⁇ ”. If it is less than that, the high-temperature reliability is inferior, so it is indicated as "x" in the "high-temperature reliability” column of Table 1.
  • Table 1 shows the evaluation results of Examples and Comparative Examples.
  • Example no. All of the Al wiring materials Nos. 1 to 30 have the Pd and Pt contents and the average crystal grain size in the C cross section within the range of the present invention, the EBR (300 ⁇ m) evaluation is ⁇ or ⁇ , and high temperature reliability also showed good results.
  • Comparative example no. 1 to 5 the contents of Pd and Pt are out of the range of the present invention, and Comparative Example No. Samples Nos. 6 and 7 had an average crystal grain size outside the range of the present invention, so the EBR evaluation was x, and the high-temperature reliability was also poor.

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Abstract

半導体装置の作動時の高温環境下において接合部の接合信頼性が十分に得られるＡｌ配線材を提供する。Ｐｄ、Ｐｔの１種以上を含有し、Ｐｄ、Ｐｔの含有量をそれぞれｘ１ａ［質量ｐｐｍ］、ｘ１ｂ［質量ｐｐｍ］としたとき、　３≦ｘ１ａ≦９０又は１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、かつ　３≦（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）≦３００を満たし、 残部はＡｌを含む、Ａｌ配線材であって、　Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が３～３５μｍである、Ａｌ配線材。

Description

Ａｌ配線材
　本発明は、Ａｌ配線材に関する。さらには、該Ａｌ配線材を含む半導体装置に関する。
　産業機器や電子部品において電気的接続、機械的接続に用いられる線状の材料では、自動車の電子化の需要に伴い、従来の銅（Ｃｕ）よりも軽量、低コストのためにアルミニウム（Ａｌ）の使用が増えている。搬送機器、ロボットなどの産業機器に使用されるＡｌ線（円形）、Ａｌ条（平形、楕円）では、使用目的に応じて破断強度、伸びなどの機械的特性や、電気伝導性、熱伝導性などが要求される。
　半導体装置では、半導体チップ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やボンディングリボンによって接続している。パワー半導体装置においては、その材質として主に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Ａｌボンディングワイヤを用いる例が示されている。ＡｌボンディングワイヤやＡｌボンディングリボン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、半導体チップ上の電極との第１接続と、リードフレームや基板上の電極との第２接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。
　上述したＡｌ線、Ａｌ条、Ａｌボンディングワイヤ、Ａｌボンディングリボンなどを総称して、以下、Ａｌ配線材という。
　Ａｌ配線材を用いたパワー半導体装置は、自動車用の制御機器、エアコンや太陽光発電システムなどの電子機器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、装置の作動時に、配線材と被接続部材との接合部は高温にさらされる。また、高電圧のＯＮ／ＯＦＦが高速で進行すると、昇温と降温を繰り返す厳しい環境になる。配線材として高純度のＡｌのみからなる材料を用いた場合、装置作動時の温度環境において配線材の軟化が進行しやすいため、高温環境で使用することが困難であった。
　Ａｌに特定の元素を添加した材料からなるＡｌ配線材が提案されている。例えば、特許文献２には、Ａｌに０．０５～１重量％のスカンジウム（Ｓｃ）を添加し析出硬化させることによって機械的強度の向上したＡｌボンディングワイヤが開示されている。特許文献３には、ニッケル（Ｎｉ）、珪素（シリコン）（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）のうちの１種以上を合計で８００重量ｐｐｍ以下含有するＡｌ配線材が良好な接合強度、耐候性を呈することが開示されている。特許文献４には、０．０１～０．２重量％の鉄（Ｆｅ）と１～２０重量ｐｐｍのＳｉを含有し、Ｆｅの固溶量が０．０１～０．０６重量％であり、Ｆｅの析出量が固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒径が６～１２μｍであるＡｌボンディングワイヤが開示されており、当該ワイヤが良好な接合信頼性を呈することが記載されている。
特開２００２－３１４０３８号公報 特表２０１６－５１１５２９号公報 特開２０１６－１５２３１６号公報 特開２０１４－１２９５７８号公報
　産業機器や電子部品の高機能化、適用範囲の拡大に伴い、Ａｌ配線材に求められる要求は厳しくなっている。半導体装置などの電子部品に使用されるＡｌ配線材では、半導体装置の小型化、高出力化を両立するために、複数の細径のＡｌ配線材を同じ電極部に接合するといった厳しい要求がある。一方、高出力のパワーデバイス用途あるいはＣｕ配線材を軽量化する代替用途などには、太径のＡｌ配線材が用いられる。太径のＡｌ配線材を接合する際は、その変形、接合でのばらつきが問題になることが多い。また、半導体チップ上の電極の材質には、Ａｌ、ニッケルパラジウム（Ｎｉ－Ｐｄ）、Ｃｕなどが主に用いられており、該電極部の膜厚が厚くなると、接合界面の強度を確保することが難しい場合が増えている。こうした、多様なＡｌ配線材の線径、電極の材質や膜厚などに適応するために、接合性の改善が求められる。
　また、自動車向けのパワーデバイスの用途拡大などにより、Ａｌ配線材には、初期接合性と高温環境下での接合部の接合信頼性を向上することが求められている。半導体装置において、Ａｌ配線材は半導体チップ上の電極に接合され、Ａｌ配線材と電極との接合部の接合強度を高めることが重要である。Ａｌ配線材と電極との接合部の接合強度の評価には、接合部をせん断的に破断させるシェア試験で測定される接合強度（以下、「シェア強度」という。）が一般的に用いられる。シェア強度が高いことは望ましいが、シェア強度が高くても、高温環境下で剥離不良が生じ接合信頼性に劣る場合があることが確認されている。接合部をせん断的に破壊して測定されるシェア強度は、見掛けの接合強度の指標としては有効であるが、接合面積の比較的大きいＡｌ配線材の接合部に関しては、接合界面の状態をシェア強度により正確に把握することは難しい。
　このようにＡｌ配線材の接合性に関して、通常の規準であるシェア強度を高めるだけでは、高温環境下で剥離不良が生じ接合信頼性に劣る場合がある。例えば、Ａｌ配線材にＮｉを添加することにより、高いシェア強度を呈する接合部が得られることが知られているが（特許文献３）、斯かる技術においても高温環境下で剥離不良が生じ接合信頼性に劣る場合がある。
　そこで本発明者らは接合挙動と剥離不良との関係を調べた結果、接合部の界面に接合が不十分な領域が存在することが剥離不良の原因の一つであることを明らかにした。すなわち、剥離不良が発生するケースでは、シェア試験後の電極側の破断面を観察すると、接合部の一部に金属接合が得られていない未接合領域（以下、「中抜け」ともいう。）の発生頻度が高いことを見出した。接合部に中抜けが増えることは、生産性を低下させる要因となることに加えて、半導体装置の作動時の温度変化により、未接合領域を起点にして亀裂が発生したり、さらに進行すると接合部が剥離したりするなど不良を誘発する。この点、接合時の中抜けの発生を低減すべく、接合時に加える荷重と超音波出力を増加させる方法が考えられるものの、斯かる方法では、半導体チップにクラックなどの損傷（以下、「チップ損傷」という。）を与えることが問題となる。
　さらに、ＳｉＣなどの高温用パワーデバイスで求められる高温環境下での長時間にわたる接合部の接合信頼性を達成、改善することは難しくなっている。高温環境下での接合部の接合信頼性を評価する手法の一つとして、パワーサイクル試験が実施される。これは電圧のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで急速な加熱と冷却を繰り返す試験である。急速な加熱と冷却の繰り返しにより、Ａｌ配線材の接合部での接合強度が低下したり、接合界面近傍で亀裂や剥離などの不良が発生したりすることが問題となる。例えばパワーサイクル試験における耐久性に関して、１万回のサイクルを超える厳しい条件ではＡｌ配線材の接合部で亀裂や剥離などの不良が発生することが、パワーデバイスの実用化の障害となる。
　以上のとおり、Ａｌ配線材の接合性に関して、シェア強度を高めることに加えて、接合時の中抜けを減じて高温環境下での接合部の接合信頼性を向上させることが、自動車向けのパワーデバイスなどの機能、品質、信頼性などを高めるにあたり有益である。
　本発明は、半導体装置の作動時の高温環境下において接合部の接合信頼性が十分に得られるＡｌ配線材を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題につき鋭意検討した結果、下記構成を有するＡｌ配線材によって上記課題を解決できることを見出し、斯かる知見に基づいて更に検討を重ねることによって本発明を完成した。
　すなわち、本発明は以下の内容を含む。
［１］　Ｐｄ、Ｐｔの１種以上を含有し、Ｐｄ、Ｐｔの含有量をそれぞれｘ１ａ［質量ｐｐｍ］、ｘ１ｂ［質量ｐｐｍ］としたとき、
　３≦ｘ１ａ≦９０又は１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、かつ
　３≦（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）≦３００を満たし、
残部はＡｌを含む、Ａｌ配線材であって、
　Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が３～３５μｍである、Ａｌ配線材。
［２］　Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面において、該Ａｌ配線材の長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率が０．５％以上３５％以下である、［１］に記載のＡｌ配線材。
［３］　引張強度が２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下である、［１］又は［２］に記載のＡｌ配線材。
［４］　さらにＭｇ、Ｍｎ、Ｃｕの１種以上を含有し、その含有量の総計をｘ２［質量ｐｐｍ］としたとき、
　２００≦ｘ２≦６０００を満たす、［１］～［３］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［５］　さらにＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉの１種以上を含有し、その含有量の総計をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、
　１０≦ｘ３≦２０００を満たす、［１］～［４］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［６］　Ａｌの含有量が９８質量％以上である、［１］～［５］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［７］　残部がＡｌと不可避不純物からなる、［１］～［６］の何れかに記載のＡｌ配線材。
［８］　［１］～［７］の何れかに記載のＡｌ配線材を含む半導体装置。
　本発明によれば、半導体装置の作動時の高温環境下において接合部の接合信頼性が十分に得られるＡｌ配線材を提供する。
　以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。ただし、本発明は、下記実施形態及び例示物に限定されるものではなく、本発明の請求の範囲及びその均等の範囲を逸脱しない範囲において任意に変更して実施され得る。
　［Ａｌ配線材］
　本発明のＡｌ配線材は、Ｐｄ、Ｐｔの１種以上を含有し、Ｐｄ、Ｐｔの含有量をそれぞれｘ１ａ［質量ｐｐｍ］、ｘ１ｂ［質量ｐｐｍ］としたとき、３≦ｘ１ａ≦９０又は１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、かつ３≦（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）≦３００を満たし、残部はＡｌを含み、Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が３～３５μｍであることを特徴とする。
　先述のとおり、Ａｌ配線材では、接合直後（以下、「初期接合」という。）における接合性の向上とチップ損傷の低減を両立すること、さらに接合後には半導体装置の作動時の高温環境下において接合部の接合信頼性（以下、「接合部の高温信頼性」ともいう。）を向上することを同時に達成することが求められる。接合性に関しては、シェア強度を高めることに加えて、接合部での未接合領域（「中抜け」）を低減することが重要である。
　Ｐｄ、Ｐｔの１種以上（以下、「第１群元素」ともいう。）を所定量含有すると共に、平均結晶粒径を特定範囲とした本発明のＡｌ配線材では、荷重、超音波を印加して該Ａｌ配線材を電極に接合する際に、接合界面での拡散を促進することで、接合界面での未接合領域の発生を抑えて、接合界面全体に良好な接合を得ることができる。未接合領域を低減することにより、接合界面の面積に占める、金属結合が得られており接合に直接寄与している領域の面積の割合（以下、「接合有効面積比率」又は「ＥＢＲ」という。Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｂｏｎｄｅｄ　ａｒｅａ　Ｒａｔｉｏ：ＥＢＲ）を高めることができる。接合有効面積比率（ＥＢＲ）の試算に用いる接合有効面積は、接合界面領域から未接合領域を除いた領域として容易に算出することができる。ＥＢＲを高めることで、接合部の高温信頼性を向上する高い効果が得られることを本発明者らは見出している。
　すなわち、Ａｌ配線材における第１群元素の含有量と結晶粒径を本発明の範囲とすることにより、ＥＢＲを向上させる高い効果が得られる。ＥＢＲの向上により初期接合における接合性を改善することで、結果として接合部の高温信頼性を高めることができる。
　第１群元素を所定量含有する効果について、Ａｌ配線材の表面のＡｌ酸化膜の成長を抑え、またＡｌ酸化膜が形成されても接合時の超音波振動により該Ａｌ酸化膜を破壊し易くなり、Ａｌ配線材から電極側へのＡｌの拡散が促進されると考えられる。また、Ａｌ配線材の結晶粒径を特定範囲とする効果について、接合時の変形の抵抗となる結晶粒界が減少し、超音波が接合界面に伝達する効率が高められるため、Ａｌ配線材および電極の酸化膜の破壊が促進されると考えられる。本発明のＡｌ配線材においては、第１群元素を所定量含有する効果と、結晶粒径を特定範囲とする効果とが相乗的に作用し、接合部の高温信頼性を著しく向上させることができる。
　第１群元素の含有と、Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面（以下、「Ｃ断面」という。）における平均結晶粒径の制御を組み合わせて、高い相乗効果を得ることにより、ＥＢＲを増加させて初期接合の接合性を改善することが容易となる。第１群元素を含有するＡｌ配線材でも、Ｃ断面の平均結晶粒径が本願所定の範囲より小さい場合には、接合時に酸化膜の破壊が不十分であり、ＥＢＲを向上させる効果が小さいことが確認された。結晶粒径が大きく、引張強度の低いＡｌ配線材であっても、素材が高純度Ａｌ、あるいは従来のＮｉを含有するＡｌ配線材では、接合界面の面積を増やすことはできるが、未接合領域が残ってしまうため、ＥＢＲを向上させる効果は小さいことが確認された。
　第１群元素の効果を引き出すには、Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径を制御することが重要である。Ａｌ配線材の接合時、キャピラリによりＡｌ配線材に荷重、超音波振動を加えることで、円状のＣ断面が大きく変形して、接合後には楕円状、台形状、三角形状などに形状が変化する。その形状が変化する過程で、電極との接合が進行する。本発明者らは、Ｃ断面の平均結晶粒径が、Ｃ断面の形状変化およびＥＢＲと関係することを見出している。すなわち、Ａｌ配線材の長手方向に平行な断面の組織および結晶粒径の制御よりも、Ｃ断面の平均結晶粒径と第１群元素の含有とを組み合わせて制御することが、本発明の効果を奏する上で重要である。
　以上のとおり、Ａｌ配線材において、第１群元素の含有とＣ断面における結晶粒径を同時に制御することで、ＥＢＲを高める顕著な効果が得られる。これにより、Ａｌ配線材を常温で接合する場合であってもＥＢＲを高めることができ、熱に弱い樹脂基板などを使用することが可能となる。あるいはまた、接合時に加える荷重、超音波出力を低減してもＥＢＲを高めることができ、チップ損傷が発生しやすい半導体チップ、例えば電極膜が薄い半導体チップなどを使用しても、歩留まり、生産性を高めることが可能となるなどの利点が得られる。
　半導体チップ上の電極との接合部におけるＥＢＲは、接合界面の面積Ｍ１に占める金属接合が得られている面積Ｍ２の割合（Ｍ２／Ｍ１）として求められる。例えば、Ａｌ配線材と半導体チップ上の電極との接合部におけるＥＢＲは、以下の手順により求めることができる。まず接合部のシェア試験を行い、その破断した被接合電極を光学顕微鏡またはＳＥＭで観察する。そして画像解析により、接合界面の面積Ｍ１と、接合時に電極は変形しているが金属接合が得られていないと判断される未接合領域の面積Ｍ３を求め、金属接合が得られている面積Ｍ２（＝Ｍ１―Ｍ３）を算出する。ＥＢＲ値は、Ｍ１に占めるＭ２の割合（Ｍ２／Ｍ１）として算出でき、その計算式は、具体的には、ＥＢＲ＝Ｍ２／Ｍ１＝（Ｍ１－Ｍ３）／Ｍ１である。
　本発明のＡｌ配線材は、第１群元素として、Ｐｄ、Ｐｔの１種以上を含有し、Ｐｄ、Ｐｔの含有量をそれぞれｘ１ａ［質量ｐｐｍ］、ｘ１ｂ［質量ｐｐｍ］としたとき、３≦ｘ１ａ≦９０又は１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、かつ３≦（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）≦３００を満たす。以下、ｘ１ａ、ｘ１ｂの好適範囲を示すが、その総計値、すなわち（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）が上記所定の範囲にある限り、ｘ１ａの好適範囲のみ満たしてもよく、ｘ１ｂの好適範囲のみ満たしてもよく、ｘ１ａの好適範囲とｘ１ｂの好適範囲の両方を満たしてもよい。
　ＥＢＲを高め、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる観点から、Ａｌ配線材中のＰｄの含有量、すなわち、ｘ１ａは、３質量ｐｐｍ以上である。ｘ１ａが３質量ｐｐｍ未満であると、ＥＢＲを高める効果、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる効果が十分でない。ｘ１ａは、好ましくは４質量ｐｐｍ以上、５質量ｐｐｍ以上又は６質量ｐｐｍ以上、より好ましくは６質量ｐｐｍ超、８質量ｐｐｍ以上、１０質量ｐｐｍ以上、１５質量ｐｐｍ以上又は２０質量ｐｐｍ以上である。ｘ１ｂとの関係で（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）の値が本発明の範囲内にあることを条件として、ｘ１ａが６質量ｐｐｍ超であると、ＥＢＲをよりいっそう高める効果が得られる。
　接合時にＡｌ配線材を均一に変形させて接合部の高温信頼性を向上させる観点から、ｘ１ａは、９０質量ｐｐｍ以下である。ｘ１ａが９０質量ｐｐｍ超であると、接合時にＡｌ配線材の変形が不均一となり、ＥＢＲが減少する傾向にある。ｘ１ａは、好ましくは８５質量ｐｐｍ以下、８０質量ｐｐｍ以下、７５質量ｐｐｍ以下又は７０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは７０質量ｐｐｍ未満、６８質量ｐｐｍ以下、６６質量ｐｐｍ以下又は６５質量ｐｐｍ以下である。ｘ１ｂとの関係で（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）の値が本発明の範囲内にあることを条件として、ｘ１ａが７０質量ｐｐｍ未満であると、ＥＢＲをよりいっそう高める効果が得られる。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材中のＰｄの含有量、すなわちｘ１ａは、３≦ｘ１ａ≦９０を満たし、より好適には６＜ｘ１ａ＜７０を満たす。
　ＥＢＲを高め、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる観点から、Ａｌ配線材中のＰｔの含有量、すなわち、ｘ１ｂは、１０質量ｐｐｍ以上である。ｘ１ｂが１０質量ｐｐｍ未満であると、ＥＢＲを高める効果、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる効果が十分でない。ｘ１ｂは、好ましくは１２質量ｐｐｍ以上、１４質量ｐｐｍ以上、１６質量ｐｐｍ以上、１８質量ｐｐｍ以上又は２０質量ｐｐｍ以上、より好ましくは２０質量ｐｐｍ超、２５質量ｐｐｍ以上、３０質量ｐｐｍ以上、３５質量ｐｐｍ以上又は４０質量ｐｐｍ以上である。ｘ１ａとの関係で（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）の値が本発明の範囲内にあることを条件として、ｘ１ｂが２０質量ｐｐｍ超であると、ＥＢＲをよりいっそう高める効果が得られる。
　接合時にＡｌ配線材を均一に変形させて接合部の高温信頼性を向上させる観点から、ｘ１ｂは、２５０質量ｐｐｍ以下である。ｘ１ｂが２５０質量ｐｐｍ超であると、接合時にＡｌ配線材の変形が不均一となり、ＥＢＲが減少する傾向にある。ｘ１ｂは、好ましくは２４０質量ｐｐｍ以下、２３０質量ｐｐｍ以下、２２０質量ｐｐｍ以下、２１０質量ｐｐｍ以下又は２００質量ｐｐｍ以下、より好ましくは２００質量ｐｐｍ未満、１９０質量ｐｐｍ以下、１８０質量ｐｐｍ以下、１６０質量ｐｐｍ以下又は１５０質量ｐｐｍ以下である。ｘ１ａとの関係で（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）の値が本発明の範囲内にあることを条件として、ｘ１ｂが２００質量ｐｐｍ未満であると、ＥＢＲをよりいっそう高める効果が得られる。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材中のＰｔの含有量、すなわちｘ１ｂは、１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、より好適には２０＜ｘ１ｂ＜２００を満たす。
　ＥＢＲを高め、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる観点から、Ａｌ配線材中のＰｄ、Ｐｔの含有量の総計、すなわち、（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）は、３質量ｐｐｍ以上である。（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）が３質量ｐｐｍ未満であると、ＥＢＲを高める効果、ひいては接合部の高温信頼性を向上させる効果が十分でない。（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）は、好ましくは５質量ｐｐｍ以上又は６質量ｐｐｍ以上、より好ましくは６質量ｐｐｍ超、８質量ｐｐｍ以上、１０質量ｐｐｍ以上、１５質量ｐｐｍ以上又は２０質量ｐｐｍ以上である。（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）の上限は、ｘ１ａ、ｘ１ｂが上記範囲を満たすことを条件として、３００質量ｐｐｍ以下であり、好ましくは２９０質量ｐｐｍ以下、２８０質量ｐｐｍ以下又は２７０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは２７０質量ｐｐｍ未満、２６０質量ｐｐｍ以下又は２５０質量ｐｐｍ以下である。
　Ｐｔに比しＰｄの方が接合界面での酸化膜の破壊、拡散などを促進する効果が高いことを確認している。その結果、ＥＢＲを高めるにあたってＰｄの含有量ｘ１ａの好適範囲はＰｔの含有量ｘ１ｂの好適範囲よりも低いことを確認している。またＰｄの含有量ｘ１ａが９０質量ｐｐｍを超えると、Ａｌ配線材の表面の酸化膜、組織などにばらつきが生じて不均一変形が起こり易く、その結果、ＥＢＲが減少するものと推察される。
　本発明のＡｌ配線材において、該Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径は３～３５μｍである。平均結晶粒径が３μｍ未満では、接合時に未接合領域が増える傾向にあり、ＥＢＲを高める効果が小さい。Ｃ断面における平均結晶粒径は、好ましくは３．５μｍ以上、４μｍ以上、４．５μｍ以上、５μｍ以上、６μｍ以上又は７μｍ以上、より好ましくは８μｍ以上、８．５μｍ以上又は９μｍ以上である。他方、Ｃ断面における平均結晶粒径が３５μｍ超であると、粗大な結晶粒の異常変形などにより、接合形状、面積が不安定となることで、ＥＢＲが減少することが確認された。該平均結晶粒径の上限は、好ましくは３４μｍ以下、３３μｍ以下、３２μｍ以下又は３１μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下、２８μｍ以下、２６μｍ以下又は２５μｍ以下である。Ｃ断面における平均結晶粒径が８～３０μｍの範囲にあると、量産時に安定してＡｌ配線材を製造することが容易となる。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径は３～３５μｍであり、より好適には８～３０μｍである。
　Ａｌ配線材の製造にあたり、伸線の途中過程と、最終線径の近傍でそれぞれ調質熱処理を行うことにより、Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径を上記好適範囲とし易い傾向にある。
　本発明において、Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径は、後方散乱電子線回折（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いて各結晶粒の円相当直径を求め、それを算術平均して得た。本発明において、Ｃ断面における平均結晶粒径は、５箇所以上のＣ断面を測定して得られた各値の算術平均値とした。測定面（Ｃ断面）の選択にあたっては、測定対象のＡｌ配線材から、測定用の試料を、Ａｌ配線材の長手方向に対して１ｍ以上の間隔で５つ以上取得するなどして、測定データの客観性を担保することが好ましい。
　－＜１１１＞結晶方位の方位比率－
　本発明のＡｌ配線材において、Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）における＜１１１＞結晶方位の方位比率を特定範囲とすることにより、ＥＢＲをさらに高めることができる。
　詳細には、Ａｌ配線材のＣ断面について結晶方位を測定した結果において、該Ａｌ配線材の長手方向の結晶方位のうち、Ａｌ配線材の長手方向に対して角度差が１５°以下である＜１１１＞結晶方位の方位比率が０．５～３５％であることが好ましい。＜１１１＞結晶方位の方位比率を低く抑える組織制御により、ＥＢＲをさらに高めることができ、特に、太径のＡｌ配線材でもＥＢＲを向上する高い効果が得られる。
　＜１１１＞結晶方位の方位比率は、ＥＢＳＤ法を用いて測定することができる。ＥＢＳＤ法に用いる装置は、走査型電子顕微鏡とそれに備え付けた検出器によって構成される。ＥＢＳＤ法は、試料に電子線を照射したときに発生する反射電子の回折パターンを検出器上に投影し、その回折パターンを解析することによって、各測定点の結晶方位を決定する手法である。ＥＢＳＤ法によって得られたデータの解析には専用ソフト（株式会社ＴＳＬソリューションズ製　ＯＩＭ　ａｎａｌｙｓｉｓ等）を用いることができる。Ａｌ配線材のＣ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、特定の結晶方位の方位比率を算出できる。
　本発明において、＜１１１＞結晶方位の方位比率は、測定面積を母集団としたときの＜１１１＞結晶方位の面積割合と定義する。方位比率の算出にあたっては、測定エリア内で、ある信頼度を基準に同定できた結晶方位のみの面積を母集団として算出した＜１１１＞結晶方位の面積割合を、＜１１１＞結晶方位の方位比率とした。方位比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。
　本発明において、Ｃ断面における＜１１１＞結晶方位の方位比率は、５箇所以上のＣ断面を測定して得られた方位比率の各値の算術平均値とした。測定面（Ｃ断面）の選択にあたっては、上記のとおり、測定対象のＡｌ配線材から、測定用の試料を、Ａｌ配線材の長手方向に対して１ｍ以上の間隔で取得するなどして、測定データの客観性を担保することが好ましい。
　Ａｌ配線材の線径が太くなるほど、接合時に印加する荷重・超音波が接合界面の中央部には伝わりにくくなり、未接合領域（中抜き）の面積は増大する傾向にある。この点、＜１１１＞結晶方位の方位比率を低減することで、太径のＡｌ配線材でも超音波振動の伝達効率が改善されて、ＥＢＲを高めることができる。この結晶方位の効果は、線径が２５０μｍ以上である場合により享受することができ、線径が３００μｍ以上又は３５０μｍ以上である場合によりいっそう享受することができる。
　Ａｌ配線材のＣ断面において、該Ａｌ配線材の長手方向に対して角度差が１５°以下である＜１１１＞結晶方位の方位比率が０．５％以上３５％以下であることが好ましい。ここで、＜１１１＞結晶方位の方位比率が３５％超であると、Ａｌ配線材が太径である場合にＥＢＲを高める効果が減少する傾向にある。該＜１１１＞結晶方位の方位比率は、好ましくは３５％未満、３４％以下、３２％以下又は３０％以下、より好ましくは３０％未満、２８％以下、２６％以下、２４％以下、２２％以下又は２０％以下である。他方、＜１１１＞結晶方位の方位比率を０．５％未満に安定して制御することは困難である。＜１１１＞結晶方位の方位比率の下限は、好ましくは０．６％以上、０．８％以上、１％以上、１．５％以上、２％以上又は２．５％以上、より好ましくは３％以上、３．５％以上又は４％以上である。＜１１１＞結晶方位の方位比率が３％以上３０％未満であると、ＥＢＲを高める効果をよりいっそう向上させることができる。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材のＣ断面において、該Ａｌ配線材の長手方向に対して角度差が１５°以下である＜１１１＞結晶方位の方位比率は、０．５％以上３５％以下であることが好適であり、より好適には３％以上３０％未満である。
　－引張強度－
　本発明のＡｌ配線材は、引張強度が２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の範囲にあることが好ましい。第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材において、さらに引張強度を上記好適範囲にすることにより、接合部の高温信頼性をより向上させることができる。
　高温信頼性は、パワーサイクル試験を行った後に、Ａｌ配線材の接合強度あるいは電気特性の変化を調べることで評価することができる。第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材を用いることで、接合時の未接合領域（中抜け）の発生を低減することができ、初期接合でのＥＢＲを高めることができる。加えて、引張強度が上記範囲にあることにより、Ａｌ配線材の接合部近傍における亀裂（クラック）の進展を抑制し得るため、接合部の高温信頼性をより向上させることができるものと推察される。すなわち、第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径を特定範囲とすることにより接合時に発生する未接合領域が減少し、さらに引張強度が上記範囲にあることで、Ａｌ配線材の変形あるいは酸化膜の破壊が促進されて、接合界面での電極との良好な金属接合が得られるため、パワーサイクル試験での亀裂の進展が抑制されるものと考えられる。
　本発明のＡｌ配線材において、引張強度は２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の範囲にあることが好ましい。引張強度が９５ＭＰａ超であると、Ａｌ配線材が硬く、パワーサイクル試験において亀裂の進展を抑制する効果が十分に得られない。Ａｌ配線材の引張強度は、好ましくは９５ＭＰａ未満、９４ＭＰａ以下、９２ＭＰａ以下、９０ＭＰａ以下、８８ＭＰａ以下又は８６ＭＰａ以下、より好ましくは８５ＭＰａ以下、８４ＭＰａ以下、８２ＭＰａ以下又は８０ＭＰａ以下である。他方、引張強度が２５ＭＰａ未満では、Ａｌ配線材が軟らかく、Ａｌ配線材の製造時に線径が細くなることで製造歩留まりが低下する傾向にある。Ａｌ配線材の引張強度は、好ましくは２６ＭＰａ以上又は２８ＭＰａ以上、より好ましくは３０ＭＰａ以上、３２ＭＰａ以上、３４ＭＰａ以上、３６ＭＰａ以上、３８ＭＰａ以上又は４０ＭＰａ以上である。Ａｌ配線材の引張強度が３０ＭＰａ以上８５ＭＰａ以下であると、ＥＢＲをよりいっそう高める効果が得られ有益である。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材の引張強度は、２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下であることが好適であり、より好適には３０ＭＰａ以上８５ＭＰａ以下である。
　－Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｕ（第２群元素）－
　本発明のＡｌ配線材は、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｕの１種以上をさらに含有してよい。
　第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材において、さらにＭｇ、Ｍｎ、Ｃｕの１種以上（「第２群元素」ともいう。）を含有することにより、接合部の高温信頼性をより改善することができる。例えば、第２群元素をさらに含有することにより、本発明のＡｌ配線材は、パワーサイクル試験において、不良が発生するまでのサイクル回数が１．５倍以上に向上し得る。
　パワーサイクル試験におけるサイクル回数が増えると、加熱時間が増加するのと同様の作用により、Ａｌ配線材の内部での回復・再結晶が進行して組織が変化することにより、クラックが進展しやすくなる。これに対して、第２群元素を所定量含有することで回復・再結晶の進行を遅らせることができ、第１群元素の含有と結晶粒径の制御によるＥＢＲの向上効果と相俟って、パワーサイクル試験において不良が発生するまでのサイクル回数を増大させることができるものと考えられる。この点、第２群元素だけの添加では、接合部の高温信頼性を向上させる効果を得るのは難しいことを確認している。第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材において、さらに第２群元素を所定量含有することにより、接合部の高温信頼性をよりいっそう改善するという相乗作用が実現される。
　本発明のＡｌ配線材において、第２群元素の含有量の総計をｘ２［質量ｐｐｍ］としたとき、２００≦ｘ２≦６０００を満たすことが好ましい。第２群元素の含有量の総計、すなわちｘ２が、２００質量ｐｐｍ未満では、接合部の高温信頼性をよりいっそう改善するという効果が十分に得られない。ｘ２は、好ましくは２２０質量ｐｐｍ以上、２４０質量ｐｐｍ以上、２５０質量ｐｐｍ以上、２６０質量ｐｐｍ以上又は２８０質量ｐｐｍ以上、より好ましくは３００質量ｐｐｍ以上、３２０質量ｐｐｍ以上、３４０質量ｐｐｍ以上、３６０質量ｐｐｍ以上、３８０質量ｐｐｍ以上又は４００質量ｐｐｍ以上である。他方、ｘ２が６０００質量ｐｐｍ超であると、Ａｌ配線材の接合時にチップ損傷が発生し易い傾向にある。ｘ２は、好ましくは５８００質量ｐｐｍ以下、５６００質量ｐｐｍ以下、５４００質量ｐｐｍ以下又は５２００質量ｐｐｍ以下、より好ましくは５０００質量ｐｐｍ以下、４８００質量ｐｐｍ以下、４６００質量ｐｐｍ以下、４４００質量ｐｐｍ以下、４２００質量ｐｐｍ以下又は４０００質量ｐｐｍ以下である。ｘ２が３００質量ｐｐｍ以上５０００質量ｐｐｍ以下であると、接合部の高温信頼性を一際向上させることができ有益である。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材中の第２群元素の含有量の総計ｘ２［質量ｐｐｍ］は、２００≦ｘ２≦６０００を満たすことが好適であり、より好適には３００≦ｘ２≦５０００を満たす。
　－Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉ（第３群元素）－
　本発明のＡｌ配線材は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉの１種以上をさらに含有してよい。
　第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材において、さらにＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉの１種以上（「第３群元素」ともいう。）を含有することにより、Ａｌ配線材が細径である場合に接合部の高温信頼性をよりいっそう向上させることができる。また、第３群元素を含有することにより、Ａｌ配線材の製造にあたり、高速伸線工程における生産性を向上することが可能であり、量産適応性を高めることができる。第３群元素を含有することによる上記効果をより享受し得るＡｌ配線材の線径は、好ましくは２００μｍ以下であり、さらに１２０μｍ以下の場合により高い効果を享受し得る。
　Ａｌ配線材が細径であると、接合時の荷重により早期にＡｌ配線材の変形が進行し易く、接合端部に相当するネック部での応力集中が起こり、ネック部からのクラックが促進される傾向がある。これに対し、第３群元素を含有することにより、Ａｌ配線材が細径である場合でもネック部の変形を軽減したり、応力集中を低減したりする効果により、接合部の高温信頼性が向上するものと考えられる。この点、第３群元素の添加だけでは、接合部の高温信頼性をよりいっそう向上させるという効果は十分に得られないことを確認した。第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材においては、接合界面での未接合領域が低減されることによってネック部（もともと接合が難しい）での接合が促進されており、さらに第３群元素を含有することにより接合部の高温信頼性をよりいっそう改善するという相乗作用が実現される。
　本発明のＡｌ配線材において、第３群元素の含有量の総計をｘ３［質量ｐｐｍ］としたとき、１０≦ｘ３≦２０００を満たすことが好ましい。第３群元素の含有量の総計、すなわちｘ３が、１０質量ｐｐｍ未満では、Ａｌ配線材が細径である場合に接合部の高温信頼性をよりいっそう向上させるという効果が十分に得られない。ｘ３は、好ましくは１２質量ｐｐｍ以上、１４質量ｐｐｍ以上、１６質量ｐｐｍ以上又は１８質量ｐｐｍ以上、より好ましくは２０質量ｐｐｍ以上、２２質量ｐｐｍ以上、２４質量ｐｐｍ以上、２６質量ｐｐｍ以上、２８質量ｐｐｍ以上又は３０質量ｐｐｍ以上である。他方、ｘ３が２０００質量ｐｐｍ超であると、高速伸線工程における生産性を向上する効果が十分に得られない傾向にある。ｘ３は、好ましくは１８００質量ｐｐｍ以下又は１６００質量ｐｐｍ以下、より好ましくは１５００質量ｐｐｍ以下、１４００質量ｐｐｍ以下、１２００質量ｐｐｍ以下又は１０００質量ｐｐｍ以下である。ｘ３が２０質量ｐｐｍ以上１５００質量ｐｐｍ以下であると、特に２０質量ｐｐｍ以上１０００質量ｐｐｍ以下であると、Ａｌ配線材が細径である場合に接合部の高温信頼性をよりいっそう向上させることができ有益である。
　したがって好適な一実施形態において、Ａｌ配線材中の第３群元素の含有量の総計ｘ３［質量ｐｐｍ］は、１０≦ｘ３≦２０００を満たすことが好適であり、より好適には２０≦ｘ３≦１５００、さらに好適には２０≦ｘ３≦１０００を満たす。
　《高温信頼性の評価》
　本発明において、接合部の高温信頼性の評価は、パワーサイクル試験によって行う。パワーサイクル試験は、Ａｌ配線材が接合された半導体装置について、急速な加熱と冷却を繰り返す試験である。加熱は、半導体装置におけるＡｌ配線材の接合部の温度が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２５秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを５万回または１０万回繰り返す。
　上記パワーサイクル試験後に、半導体チップ上の電極との第１接続部における接合部のシェア強度を測定し、高温信頼性を評価する。第１群元素を所定量含有すると共にＣ断面における平均結晶粒径が特定範囲にある本発明のＡｌ配線材においては、上記サイクルを５万回または１０万回繰り返した場合にも、接合部は良好なシェア強度を呈し、優れた高温信頼性を実現できる。
　本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌを含む。Ａｌ配線材を製造する際のアルミニウム原料としては、純度が４Ｎ（Ａｌ：９９．９９質量％以上）のＡｌを使用することができる。さらに不純物量の少ない５Ｎ（Ａｌ：９９．９９９質量％以上）以上のＡｌを用いることがより好適である。本発明の効果を阻害しない範囲において、本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌ以外の元素を含有してよい。本発明のＡｌ配線材において、Ａｌの含有量は、本発明の効果を阻害しない限りにおいて特に限定されないが、好ましくは９５質量％以上、９６質量％以上、又は９７質量％以上であり、より好ましくは９８質量％以上、９８．５質量％以上、９８．６質量％以上、９８．８質量％以上、又は９９質量％以上である。好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材の残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。
　本発明のＡｌ配線材は、該Ａｌ配線材の外周に、Ａｌ以外の元素を主成分とする被覆を有していてもよく該被覆を有していなくてもよい。好適な一実施形態において、本発明のＡｌ配線材は、該Ａｌ配線材の外周に、Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していない。ここで、「Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆」とは、Ａｌ以外の金属の含有量が５０質量％以上である被覆をいう。
　本発明のＡｌ配線材は、高温信頼性が良好な接合部をもたらすことができる。したがって本発明のＡｌ配線材は、被接続部材との接続に際して、高温信頼性が要求される広範な用途に使用可能であり、例えば、搬送機器、ロボットなどの産業機器において被接続部材との接続に好適に使用することができ（産業機器用Ａｌ配線材）、また、パワー半導体装置をはじめとする各種半導体装置において被接続部材との接続に好適に使用することができる（半導体装置用Ａｌ配線材）。
　本発明のＡｌ配線材は、その具体的使用態様に応じて任意の寸法を有してよい。本発明のＡｌ配線材が、搬送機器、ロボットなどの産業機器に使用されるＡｌ線である場合、その線径は特に限定されず、例えば、ｗは５００μｍ～１０ｍｍであってよい。また、斯かるＡｌ線を複数用いた、より線であってもよい。Ａｌ条である場合、その矩形若しくは略矩形の断面の寸法（ｗ×ｔ）は、特に限定されず、例えば、ｗは５００μｍ～１０ｍｍであってよく、ｔは５０μｍ～２ｍｍであってよい。また、本発明のＡｌ配線材が、パワー半導体装置をはじめとする各種半導体装置に使用されるＡｌボンディングワイヤである場合、その線径は特に限定されず、例えば、直径は５０～６００μｍであってよい。また、Ａｌボンディングリボンである場合、その矩形若しくは略矩形の断面の寸法（ｗ×ｔ）は、特に限定されず、例えば、ｗは１００～３０００μｍであってよく、ｔは５０～６００μｍであってよい。
　（Ａｌ配線材の製造方法）
　本発明のＡｌ配線材の製造方法は特に限定されず、例えば、押し出し加工、スエージング加工、伸線加工、圧延加工等の公知の加工方法を用いて製造してよい。ある程度線径が細くなると、ダイヤモンドダイスを用いた伸線加工を施すことが好ましい。伸線を室温で行う冷間加工が、製造装置など比較的簡単な構成であり、作業性に優れている。また伸線時の抵抗を下げて生産性を高める場合には、加熱して伸線する熱間加工を用いてもよい。
　各添加元素の含有量が特定範囲となるように、Ａｌおよび各添加元素の純金属を出発原料として秤量した後、これを混合して溶融凝固することでインゴットを作製する。または、各添加元素の原料としては、添加元素を高濃度に含む母合金を用いてもよい。このインゴットを作る溶解過程では、バッチ式、連続鋳造式が使用できる。連続鋳造式は生産性が優れているが、バッチ式は凝固の冷却温度条件を変更することが容易である。このインゴットを最終寸法となるまで加工して、Ａｌ配線材を形成する。
　Ａｌ配線材のＣ断面における平均結晶粒径を３～３５μｍの範囲に調整するには、伸線途中での中間熱処理を利用することが有効である。線径が１ｍｍ以上の太線をバッチ式により熱処理を行う場合、中間熱処理は、例えば、２００～５００℃の温度範囲で０．２分間～１時間加熱することにより行ってよい。具体的には例えば、２５０℃で３０分間、３５０℃で１分間などの条件が挙げられる。あるいは、線径が５００μｍから２０００μｍの範囲の比較的細径で連続的に熱処理を行う場合、例えば、３００～６００℃の温度範囲で０．５秒間～３秒間加熱してよい。より詳細に条件を適正化したい場合は、こうした熱処理条件を参考に、温度、時間などを容易に適正化できる。例えば、幾つかの時間条件で等温熱処理した配線材を試作して、Ｃ断面における平均結晶粒径を測定しておけば、所望する特性を容易に得ることができる。
　Ａｌ配線材の引張強度を２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下の範囲に調整するには、伸線加工により材料内に導入されたひずみ量を軽減するために、最終線径およびその近傍の線径において調質熱処理を高温または長時間行うことが有効である。調質熱処理の条件としては、例えば、４５０～６２０℃の比較的高い温度範囲で０．１秒間～５分間加熱することが挙げられる。具体的には例えば、５８０℃で０．２秒間の加熱、または４５０℃で５秒間の加熱などの条件が挙げられる。調質熱処理の温度条件としては、例えば、送線速度一定で炉内温度のみを変更して調質したＡｌ配線材の引張強度を確認し、所望の引張強度が得られるように熱処理温度を決定すればよい。中間熱処理と組み合わせて、調質熱処理の条件を調整することで、引張強度の制御が容易となる。
　Ａｌ配線材のＣ断面において、＜１１１＞結晶方位の方位比率を０．５～３５％の範囲に調整するには、伸線加工により形成される加工集合組織、および、中間熱処理における転位の回復、再結晶粒の成長を適度に制御することが有効である。例えば、線径が５００μｍから３０００μｍの範囲において、伸線ダイスの減面率の平均値を５～１５％の範囲としたり、あるいは中間熱処理の条件について、線径が５００μｍから２０００μｍの範囲で、３００～６００℃の温度範囲で０．５秒間～３秒間加熱したりすることが有効である。最終線径またはその近傍で行う調質熱処理を４００～６００℃の温度範囲で０．１秒間～３分間加熱することにより行うことも有効であり、具体的には例えば、５５０℃で０．４秒間の加熱、または４００℃で５秒間の加熱などの調質熱処理条件を挙げることができる。
　［半導体装置］
　本発明のＡｌ配線材を用いて、半導体チップ上の電極と、リードフレームや基板上の外部電極とを接続することによって、半導体装置を製造することができる。
　一実施形態において、本発明の半導体装置は、回路基板、半導体チップ、及び回路基板と半導体チップとを導通させるためのＡｌ配線材を含み、該Ａｌ配線材が本発明のＡｌ配線材であることを特徴とする。
　本発明の半導体装置において、回路基板及び半導体チップは特に限定されず、半導体装置を構成するために使用し得る公知の回路基板及び半導体チップを用いてよい。あるいはまた、回路基板に代えてリードフレームを用いてもよい。例えば、特開２００２－２４６５４２号公報に記載される半導体装置のように、リードフレームと、該リードフレームに実装された半導体チップとを含む半導体装置の構成としてよい。
　半導体装置としては、電気製品（例えば、コンピューター、携帯電話、デジタルカメラ、テレビ、エアコン、太陽光発電システム等）及び乗物（例えば、自動二輪車、自動車、電車、船舶及び航空機等）等に供される各種半導体装置が挙げられ、中でも電力用半導体装置（パワー半導体装置）が好適である。
　以下、本発明について、実施例を示して具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
　（サンプル）
　まずサンプルの作製方法について説明する。原材料となるＡｌは純度が５Ｎ（９９．９９９９質量％以上）で、残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。合金元素として用いるＰｄ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｎｉは、純度が９９．９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。これらを原料として溶融し、表１に示す組成のＡｌインゴットを作製した。該インゴットを押し出し加工、スエージング加工した後、さらに伸線加工を行った。線径が５００μｍから２０００μｍの範囲で用いた伸線ダイスの減面率について、平均値は５～１５％の範囲であった。線径が１ｍｍから２ｍｍの範囲において、４００～６００℃の温度範囲で１秒間～３秒間の加熱条件にて中間熱処理を行った。その後、最終線径を１００、３００、５００μｍとしてダイス伸線加工を行った。伸線加工終了後に、４５０～６００℃の温度範囲で０．２秒間～３秒間の条件において調質熱処理を行い、Ａｌ配線材を得た。
　［元素含有量の測定］
　Ａｌ配線材中の添加元素の含有量は、分析装置として、ＩＣＰ－ＯＥＳ（（株）日立ハイテクサイエンス製「ＰＳ３５２０ＵＶＤＤＩＩ」）又はＩＣＰ－ＭＳ（アジレント・テクノロジーズ（株）製「Ａｇｉｌｅｎｔ　７７００ｘ　ＩＣＰ－ＭＳ」）を用いて測定した。
　［Ｃ断面における平均結晶粒径の測定］
　Ａｌ配線材のＣ断面を測定面とし、平均結晶粒径を測定した。測定には、ＥＢＳＤ法を用いた。詳細には、Ｃ断面の全体について各結晶粒の面積を測定し、各結晶粒の面積に基づき円相当直径を求め、それを算術平均して平均結晶粒径を得た。Ａｌ配線材の長手方向に対して１ｍ以上の間隔で５箇所の測定面（Ｃ断面）を選択し、得られた平均結晶粒径の各値を算術平均して、Ｃ断面における平均結晶粒径とした。
　［Ｃ断面における＜１１１＞結晶方位の方位比率の測定］
　Ａｌ配線材のＣ断面を測定面とし、＜１１１＞結晶方位の方位比率を測定した。測定には、ＥＢＳＤ法を用い、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、前述の手順で＜１１１＞結晶方位の方位比率を算出した。Ａｌ配線材の長手方向に対して１ｍ以上の間隔で５箇所の測定面（Ｃ断面）を選択し、得られた方位比率の各値を算術平均して、Ｃ断面における＜１１１＞結晶方位の方位比率とした。
　［引張強度の測定］
　Ａｌ配線材の引張強度は、Ａｌ配線材の引張試験を行い、引張試験における最大応力を引張強度として測定した。引張強度の測定は、Ｉｎｓｔｒｏｎ製引張試験機を用いて、標点間距離１００ｍｍ、引張速度１０ｍｍ／分、ロードセル定格荷重１ｋＮの条件で実施した。測定は５回実施し、得られた引張強度の各値を算術平均して、Ａｌ配線材の引張強度とした。
　＜接続＞
　半導体装置において、半導体チップの電極はＡｌ－Ｃｕパッド（厚さ２μｍ）であり、外部端子はＮｉ被覆したＣｕ製リードフレームを用いた。半導体チップの電極とＡｌ配線材との間の第１接続部、外部端子とＡｌ配線材との間の第２接続部ともに、ウェッジ接合とした。通常の信頼性試験での試料加熱を模擬する加速評価として、接続の後に、３００℃、３０分間の時効熱処理を行った。
　＜接合性の評価＞
　－有効接合面積比率（ＥＢＲ）－
　Ａｌ配線材の接合部におけるＥＢＲの算出について説明する。ＥＢＲは、線径３００μｍ、５００μｍのＡｌ配線材について評価し、第１接続部の接合界面の面積Ｍ１に占める金属接合が得られている面積Ｍ２の割合（Ｍ２／Ｍ１）として求めた。詳細には、接合部のシェア試験を行い、その破断した被接合電極を光学顕微鏡またはＳＥＭで観察した。そして、画像解析により、接合界面の面積Ｍ１と、接合時に電極は変形しているが金属接合が得られていないと判断される未接合領域の面積Ｍ３とを測定し、金属接合が得られている面積Ｍ２（＝Ｍ１－Ｍ３）を算出した。得られた面積Ｍ１とＭ２を用い、Ｍ１に占めるＭ２の割合（Ｍ２／Ｍ１）としてＥＢＲを算出した。その計算式は、具体的には、ＥＢＲ＝Ｍ２／Ｍ１＝（Ｍ１－Ｍ３）／Ｍ１である。２０箇所の接合部について観察を行い、得られたＥＢＲの各値を算術平均して、有効接合面積比率（ＥＢＲ）を求めた。該ＥＢＲの値が、０．９以上であれば優れた接合が得られているため「◎」とし、０．８以上０．９未満であれば良好であるため「○」とし、０．７以上０．８未満であれば実用上は問題ないため「□」とし、０．６以上０．７未満であれば通常の使用では問題ないが注意が必要であるため「△」とし、０．６未満では接合性に劣るため「×」として、表１の「ＥＢＲ」欄に記載した。
　－チップ損傷の評価－
　半導体装置におけるチップ損傷は、パッド表面の金属を酸にて溶かし、パッド下を顕微鏡にて観察して評価した（評価数Ｎ＝５０）。クラック及びボンディングの痕跡等も観られない良好な場合を「○」とし、クラックは無いもののボンディングの痕跡が確認される箇所があるもの（評価数５０中、３箇所以下）を「△」とし、それ以外を「×」として、表１の「チップ損傷」欄に記載した。
　＜接合部の高温信頼性の評価＞
　接合部の高温信頼性は、線径３００μｍ、１００μｍのＡｌ配線材についてパワーサイクル試験を行うことにより評価した。パワーサイクル試験は、Ａｌ配線材が接続された半導体装置について、加熱と冷却を交互に繰り返した。加熱は最高温度が約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２５秒間かけて冷却した。線径３００μｍのＡｌ配線材については、この加熱・冷却のサイクルを５万回繰り返したものと１０万回繰り返したものの両方について評価した。また、線径１００μｍのＡｌ配線材については、この加熱・冷却のサイクルを５万回繰り返したものと１０万回繰り返したものについて評価した。
　上記パワーサイクル試験の後、第１接続部について接合部のシェア強度を測定し、接合部の高温信頼性を評価した。初期接合の接合部のシェア強度Ｓ１に対する、パワーサイクル試験後のシェア強度Ｓ２の比率であるＳ２／Ｓ１で評価した。Ｓ２／Ｓ１の値について、０．９以上であれば優れた信頼性であるため「◎」とし、０．８以上０．９未満であれば良好であるため「○」とし、０．７以上０．８未満であれば実用上は問題ないため「□」とし、０．６以上０．７未満であれば通常の使用では問題ないが注意が必要であるため「△」とし、０．６未満では高温信頼性が劣るため「×」として、表１の「高温信頼性」欄に記載した。
　実施例及び比較例の評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例Ｎｏ．１～３０のＡｌ配線材はいずれも、Ｐｄ、Ｐｔの含有量およびＣ断面における平均結晶粒径が本発明の範囲内にあり、ＥＢＲ（３００μｍ）の評価が○または◎であり、高温信頼性も良好な結果を示した。
　実施例Ｎｏ．１～２６、２８～３０は、Ｃ断面における＜１１１＞結晶方位の方位比率が好適範囲内にあり、ＥＢＲ（５００μｍ）の評価が○または◎であり、高温信頼性も良好な結果を示した。
　実施例Ｎｏ．１～１２、１４～２０、２２～３０は、引張強度が好適範囲内にあり、線径３００μｍ、サイクル数５万回の高温信頼性の評価が○または◎であり、高温信頼性がよりいっそう良好であった。
　比較例Ｎｏ．１～５は、Ｐｄ、Ｐｔの含有量が本発明の範囲を外れており、また比較例Ｎｏ．６、７は、平均結晶粒径が本発明範囲を外れていることで、ＥＢＲの評価が×であり、高温信頼性も不良であった。

Claims (8)

  1. 　Ｐｄ、Ｐｔの１種以上を含有し、Ｐｄ、Ｐｔの含有量をそれぞれｘ１ａ［質量ｐｐｍ］、ｘ１ｂ［質量ｐｐｍ］としたとき、
    　３≦ｘ１ａ≦９０又は１０≦ｘ１ｂ≦２５０を満たし、かつ
    　３≦（ｘ１ａ＋ｘ１ｂ）≦３００を満たし、
    残部はＡｌを含む、Ａｌ配線材であって、
    　Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が３～３５μｍである、Ａｌ配線材。
  2. 　Ａｌ配線材の長手方向に垂直な断面において、該Ａｌ配線材の長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率が０．５％以上３５％以下である、請求項１に記載のＡｌ配線材。
  3. 　引張強度が２５ＭＰａ以上９５ＭＰａ以下である、請求項１又は２に記載のＡｌ配線材。
  4. 　さらにＭｇ、Ｍｎ、Ｃｕの１種以上を含有し、その含有量の総計をｘ２［質量ｐｐｍ］としたとき、
    　２００≦ｘ２≦６０００を満たす、請求項１～３の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  5. 　さらにＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉの１種以上を含有し、その含有量の総計をｘ３［重量ｐｐｍ］としたとき、
    　１０≦ｘ３≦２０００を満たす、請求項１～４の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  6. 　Ａｌの含有量が９８質量％以上である、請求項１～５の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  7. 　残部がＡｌと不可避不純物からなる、請求項１～６の何れか１項に記載のＡｌ配線材。
  8. 　請求項１～７の何れか１項に記載のＡｌ配線材を含む半導体装置。
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