(57)【要約】【課題】パワー半導体用アルミニウム合金ボンディングワイヤにおけるチップ割れ及び熱衝撃試験特性を向上する。【解決手段】  鉄（Fe）が０．０１〜０．２質量％、珪素（Si）が１〜２０質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Al）合金であって、Feの固溶量が０．０１〜０．６％、Feの析出量がFe固溶量の７倍以下で、且つ、平均結晶粒径が６〜1２μｍの微細組織からなるアルミニウム合金細線。AlFe化合物の析出を抑制して熱衝撃試験特性を向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄（Fe）％、珪素（Si）および残部が高純度のアルミニウム（Al）合金からなる半導体素子のアルミパッドと超音波ボンディングするためのアルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線は鉄（Fe）が０．０１〜０．２質量％、珪素（Si）が１〜２０質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Al）からなる合金であって、Feの固溶量が０．０１〜０．０６％であり、Feの析出量がFe固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒径が６〜１２μｍの微細組織であることを特徴とするパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項２】
当該アルミニウム合金細線の残部アルミニウム（Al）の純度が９９．９９９質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項３】
鉄（Fe）が０．０１５〜０．１質量％であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項４】
当該アルミニウム合金細線の合金全体に対するアルミニウム（Al）の純度が９９．９９質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項５】
当該アルミパッドがAl−Si合金パッドであることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項６】
鉄（Fe）の含有量が珪素（Si）の含有量の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項７】
当該アルミニウム合金細線が２２〜２８Ｈｖのビッカ−ス硬度であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線
【請求項８】
当該アルミニウム合金細線の線径が５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。
【請求項９】
鉄（Fe）の析出量が鉄（Fe）の固溶量の３倍以下であることを特徴とする請求項１に記載のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを超音波接続するために用いるアルミニウム合金細線に関するもので、特にパワ−半導体デバイス用のアルミニウム合金細線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Si）、あるいは、炭化シリコン（SiＣ）や窒化ガリウム（ＧＡＮ）などの半導体素子に形成されたボンディングパッドは、主に半導体素子の電極上に純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウム（Al）金属またはAl−０．３〜１．５質量％Si合金膜として蒸着法またはスパッタ法により形成されている。この半導体素子のアルミパッドとリードフレーム等を超音波ボンディングするのに、アルミニウム合金細線が使用される。アルミニウム合金細線は、線径が５０〜５００μｍの丸細線が一般的に試用され、線径が５０未満の極細線や５００μｍを超えるものも用いられることがあり、また、これらの細線を押しつぶした平角状細線（テ−プ）も半導体装置に使用されることがある。
このアルミニウム合金細線に適用される超音波ボンディング方法は、アルミニウム合金細線の上に超硬ツ−ルを押しつけ、その荷重および超硬ツ−ルからの超音波振動のエネルギ−によりアルミニウム合金細線とアルミパッドとを接合するものである。超音波印加の効果は、アルミニウム合金細線の変形を助長するための接合面積の拡大と、アルミニウム合金細線に形成された  ５〜１０ナノメ−トル（ｎｍ）程度の表面酸化膜を破壊・除去することにより、アルミニウム（Al）等の金属原子を下面に露出させ、対抗するボンディングパッドとの界面に塑性流動を発生させ、互いに密着する新生面を漸増させながら、両者を原子間結合させることにある。
これまでアルミニウム（Al）中に鉄（Fe）を少量含有したアルミニウム合金細線としては、以下のものが知られているが、原料としての高純度のアルミニウム（Al）の含有量が多くなると、線径が５０〜５００μｍのアルミニウム合金細線の機械的強度が低くなり、ボンディングワイヤとしてのル−プが描けなかったり、超音波接合後にパワ−半導体として使用した場合に熱衝撃によりアルミパッドからボンディングワイヤが外れて断線したりするという問題があった。特にエアコン、太陽光発電システム、ハイブリッド車や電気自動車などのパワ−半導体の利用が要望されている分野にあっては、大電流が流れるため半導体素子が発熱し、ワイヤおよび電極パッドとの接合部が著しく発熱する。また、通電オンおよび消電オフ時の加熱・冷却時に発生する熱応力が接合部に働き、次第に接合界面が劣化することが知られている。これらの劣化をできるだけ抑制するため、種々のAlFe合金ボンディングワイヤが開発されてきた。
【０００３】
まず、特開平８−８２８８号公報（後述する特許文献１）がある。これは、大きな荷重と超音波による超音波ワイヤボンディング法によってアルミパッドもしくはAl−Si合金膜の電極パッドに直径５００μｍのAl−０．０２ｗｔ％Fe合金ワイヤを強固に接合するもので、アルミニウムにFeを含有させることにより、再結晶を起こす温度を高めることができるため通電時に再結晶せず、結晶粒の大きさが５０μｍ以上と大きいことにより、結晶粒界に働く熱応力が低くなりクラックの進展が抑制されることを利用する（同段落００１０）。
しかしながら、結晶粒径が大きくなると、それに伴ってボンディングワイヤ自体の機械的強度も低くなってしまい、熱サイクル試験中にワイヤが受ける塑性歪み量が増えてしまう。このため粒界を減らした効果と歪み量増加の効果が相殺されてしまい、このような結晶粒径が大きいボンディングワイヤの熱衝撃に対する信頼性は、実際にはそれほど向上しない。
【０００４】
また、特開２００８−３１１３８３号公報（後述する特許文献２）がある。これには、９９．９９ｗｔ％（４Ｎ）高純度Al−０．２ｗｔ％Fe合金インゴットを作成し、線引き加工後のワイヤを、３００℃、３０分焼鈍後徐冷して、線引きの加工ひずみを除去し、パワーモジュールに適用する超音波ボンディング適応レベルに軟化させた、直径３００μｍのワイヤが開示され（同段落００１７）、このワイヤを超音波ボンディングした後、１００〜２００℃で１分〜１時間の間時効させると、最高動作温度２００℃になっても使用時の大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制することが可能になる（同段落００１５、００１７）ことが記載されている。
このボンディングワイヤも、溶体化処理をせず、上記のとおり単純に「３００℃、３０分焼鈍後徐冷」（本発明の「調質熱処理」に相当する）していることから、特開平８−８２８８号公報（後述する特許文献１）のワイヤと同様に結晶粒径を大きくしてボンディングワイヤの熱衝撃の信頼性を向上させようとするものであり、ワイヤの強度が弱くなってしまうため、信頼性はそれほど向上しない。
他方、Al−Ｃｕ合金では、ワイヤが硬くなりすぎるためボンディング荷重を大きくする必要があり、高温半導体用のSiチップでは超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。
【０００５】
また、特開２０１１−２５２１８５号公報（後述する特許文献３）に記載の発明は、アルミニウム（Al）中に、鉄（Fe）のほかシリコン（Si）及び銅（Ｃｕ）を共存させたAl合金導電線であって、Al−Si−Ｃｕ合金マトリックス中でFeからなる析出物の長軸方向の長さを制御することにより、導電線として必要な導電率を確保しながら、伸び、及び引張強さに優れるAl合金導電線を得て、ワイヤハ−ネスやバッテリーケーブル等に適用している(同段落００１３等)。
特許文献３の実施例では、鋳造したAl合金をφ５．６５ｍｍまで伸線処理を行った後、５５０℃で３時間溶体化処理を行い、この溶体化処理の後、水冷により、線を冷却し、更にφ０．３３ｍｍまで冷間伸線処理を行った。このAl合金線を２３０〜２４０℃で熱処理を施したことが記載されている。
しかしながら、このAl−Si−Ｃｕ合金マトリックスは、特開２００８−３１１３８３号公報（後述する特許文献２）のAl−Ｃｕ合金マトリックスと同様、ワイヤ自体が硬くなりすぎるため高温半導体用のボンディングワイヤとして接合しようとすると、超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。さらに、導電率（ＩＡＣＳ）が６２％以上の適正な範囲から５５〜６１％と著しく低下してしまうため、発熱が大きく、半導体素子の寿命を早めてしまうおそれがある。特許４８４３７４５号公報（後述する特許文献４）も特開２０１１−２５２１８５号公報（後述する特許文献３）と同様の欠点がある。
【０００６】
このように、これまでの高温半導体用のボンディングワイヤは、アルミニウム（Al）マトリックス中の結晶粒界を粗大化することにより、超音波ボンディング中のチップ割れを防止し、熱衝撃による接合界面からの断線を防止しようとするものであった。
半導体素子上の電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい（３．５×１０−６／℃)シリコンと熱膨張率の大きな(２４．３×１０−６／℃）アルミニウムの組合せの上に、半導体が動作時には大電流が流れて発熱し、最も高温にさらされるため、電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合界面に大きな熱応力が働く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラックが進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題がある。
すなわち、これまでのアルミニウム合金細線では結晶粒の大きなアルミニウムマトリックスを用いた場合でも、アルミニウム合金細線とシリコンチップとの熱膨張率の差によってアルミニウムマトリックス内に熱衝撃ひずみに起因したサブグレインが形成され、これに沿ってアルミニウム合金細線内にクラックが伝播し、アルミニウム合金細線がシリコンチップからはがれてしまうという欠点は解消されていなかった。  
【０００７】
そこで、本発明者らは先に強制固溶したAlFe合金のボンディングワイヤを開発した（特願２０１２−１３4００4号）。これは、アルミニウム（Al）中に鉄（Fe）を強制固溶させたアルミニウム合金細線でも、Al３Fe金属間化合物をうまく形成することにより、通常１００〜１５０℃、最大で１５０〜２００℃の接合部温度に耐えるアルミニウム合金細線を提供するものである。
しかし、アルミニウム（Al）マトリックス中にAl３Fe金属間化合物を安定して均一微細に分散させることは困難で、強制固溶のわずかな条件によりボンディングワイヤの品質がばらつく結果となっていた。このため、１００〜２００℃の繰り返し耐熱性を必要とするパワ−半導体の応用分野では、回路に大電流が流れるため半導体素子が発熱し、ボンディングワイヤも著しく発熱するので、わずかなワイヤ品質のバラツキがボンディング特性に大きな影響を与える結果となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−８２８８号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１３８３号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５２１８５号公報
【特許文献４】特許４８４３７４５号公報（特開２０１１−２５６４６４号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、アルミニウム合金細線をアルミパッドへ超音波接合する際にチップ割れを起こさないことに加え、接合後のアルミニウム合金細線とアルミパッドとの接合界面の強度が高温の熱衝撃試験を繰り返した場合でも不安定にならず、アルミニウム合金細線がアルミパッドから剥離しない強固な結晶組織を持つアルミニウム合金細線を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、アルミパッドのアルミニウム（Al）とボンディングワイヤのアルミニウム（Al）との接合界面からの熱衝撃試験によるはく離を詳しく調べたところ、接合界面の破壊原因は疲労破壊であることがわかった。この疲労破壊の原因をさらに探求していったところ、アルミニウム（Al）マトリックス中に６５０℃でも０．０５２％（５２０ｐｐｍ）しか固溶しない鉄（Fe）の固溶状態に問題があることがわかった。すなわち、アルミニウム（Al）と鉄（Fe）合金インゴットを溶解・鋳造する工程において、固溶限が極端に少ない鉄（Fe）の場合、徐冷すると鉄（Fe）がアルミニウム（Al）側に析出してしまい、その結果、鉄（Fe）が固溶限まで固溶せず、これが原因となってアルミニウム合金細線の強度が弱くなってしまうことがわかった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するため、中間線径での溶体化熱処理とその後の急冷処理によりアルミニウム中に鉄(Fe)を強制固溶させている。この強制固溶された鉄によって、ボンディング中、および、熱衝撃試験中におけるワイヤ結晶組織の粗大化防ぎ、疲労破壊を防ぐことができる。
【００１２】
また、本発明者は熱衝撃試験における不安定性の原因を詳しく調べたところ、不安定性の原因はAlFe化合物の析出形態にあることが分かった。つまり、均一に分布した微細なAlFe化合物は結晶粒を微細化させ、ワイヤの強度を上げて疲労破壊を防ぐことに寄与する一方で、微細なAlFe化合物を核として再結晶粒が生成されることで再結晶温度を低下させてしまい、これが原因で熱衝撃試験結果が不安定となっていたことを確認した。
先の出願(特願２０１２−１３4００4号)においては、Fe含有量を０．２〜２．０質量％の範囲として上記の強制固溶によってマトリックス中に固溶限近くまでFeを固溶させて、均一に分布した微細なAlFe化合物の効果と併せて疲労破壊を抑制するワイヤ強度を確保しているが、Fe含有量がこれらの下限以下の値であっても、マトリックス中に一定のFeが固溶した条件下であれば、Siを共添加することによって熱衝撃に対する充分な耐性を確保できることが解かった。
そこで本発明者は、鉄（Fe）の含有量を上記の範囲以下に抑制して、Feの析出量とFe固溶量との比率を一定の範囲に保つことにより再結晶温度を安定化させ、さらに、Siを微量添加することにより強度を向上させ、結果として熱衝撃試験結果を安定化させることに成功した。
【００１３】
本発明のパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線は、鉄（Fe）％、珪素（Si）および残部が高純度のアルミニウム（Al）合金からなる、半導体素子のアルミパッドと超音波ボンディングするためのアルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線は鉄（Fe）が０．０１〜０．２質量％、珪素（Si）が１〜２０質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Al）からなる合金であって、かつ、平均結晶粒径が５〜１２μｍの微細組織であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明における純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Al）中の不純元素としては、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（ＭＧ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ti）等の遷移金属元素やアルカリ金属元素・アルカリ土類金属元素などが挙げられる。アルミニウム（Al）の純度は、アルミニウム合金細線の加工軟化を促進するため、９９．９９７質量％以上であることが好ましく、９９．９９９質量％以上であることがより好ましい。
また、アルミニウム合金細線の合金全体に対するアルミニウム（Al）の純度が９９．９９質量％以上（全体の金属不純物量が１００質量ｐｐｍ未満）であることが好ましく、９９．９９５質量％以上（全体の金属不純物量が５０質量ｐｐｍ未満）であることがより好ましい。
【００１５】
本発明においては、鉄（Fe）が０．０１〜０．２質量％の範囲を条件とする。鉄（Fe）はアルミニウム（Al）マトリックスに数百ｐｐｍ程度しか固溶せずに、溶解鋳造後はアルミニウム（Al）マトリックス中に微粒子として均一微細に析出する。しかし、鉄（Fe）が０．２４質量％の範囲を超えると、強度が強くなりすぎてチップが割れてしまうことと、再結晶温度が低下して、熱衝撃試験結果が不安定となってしまうことが問題となる。
他方、鉄（Fe）が０．０１質量％未満であるとボンディングワイヤの機械的強度が不十分になり、また再結晶温度も低下するので熱衝撃試験に耐えることができない。よって、鉄（Fe）の範囲は０．０１〜０．２４質量％となる。ただし、アルミパッドとの接合性がよく、かつ、繰り返しの熱衝撃に耐えるためには、鉄（Fe）の含有量も少なく０．０１５〜０．１質量％であることが好ましい。
【００１６】
本発明においては、アルミニウム合金細線の線径が５０〜５００μｍであることが好ましい。５０μｍ未満では電気自動車向けの大電流パワ−半導体に用いることができず、５００μｍを超えると、アルミパッドへの超音波ボンディングが困難になるからである。アルミニウム合金細線の直径は、使用するパワ−半導体装置によって適宜選択される。
【００１７】
また、本発明においては、アルミパッドがAl−Si合金パッドであることが好ましい。ボンディングワイヤと成分が同一となるためである。珪素（Si）の含有量としては０．５〜１．５質量％であることが好ましく、０．８〜１．２質量％であることがより好ましい。
また、本発明においては、連続伸線加工は、ダイス伸線することが好ましく、ダイヤモンドダイスが特に好ましい。これにより、同心円状に鉄（Fe）微粒子が均一に分散して配置されやすいためである。
なお、連続伸線されたアルミニウム合金細線は一定の張力がかけられたまま最終の調質熱処理がされる。
【００１８】
また、調質熱処理は温度および時間によって微細再結晶組織の粒界の大きさが変化するとともに、伸線加工の断面減少率によっても調質熱処理の温度および時間が変化し、一義的に定まらない。本発明においては、調質熱処理は連続伸線後にそのまま細線を非酸化性雰囲気、好ましくは還元性雰囲気で加熱処理することが好ましい。本発明のアルミニウム合金細線を再結晶させるのには３５０℃〜５００℃の温度範囲が好ましく、３８０℃〜４３０℃の温度範囲がより好ましい。熱処理の加熱方法としては、電気炉による加熱、通電加熱、光照射による加熱、水蒸気加熱などがある。
【００１９】
また、伸線加工後のアルミニウム合金細線を調質熱処理（最終熱処理）して水冷すると、アルミニウム合金細線の表面に空孔等が形成され、空孔等の周縁で超音波の熱が発生するので、アルミニウム合金細線がアルミパッドへ超音波接合されやすくなる。エタノ−ル、イソブチルアルコ−ル等の水溶性アルコ−ルを混入させると、さらに超音波接合されやすくなる。
他方、溶解・鋳造によって析出した鉄（Fe）・アルミニウム（Al）の金属間化合物粒子は、伸線加工によってアルミニウム（Al）マトリックス中に均一微細に分散し、アルミニウム（Al）マトリックスの機械的強度を高くするとともに、熱による微細再結晶組織の粗大化をピン止め効果によって阻止する。鉄（Fe）・アルミニウム（Al）の金属間化合物粒子は、FeAl3またはFeAl6と考えられる。
【００２０】
また、本発明におけるボンディングワイヤの硬さは、２２〜２８Ｈｖのビッカ−ス硬度であることが好ましく、２３〜２７Ｈｖであることがより好ましい。超音波ボンディング時のチップ割れの観点からは、一般的にできるだけ低い硬さのワイヤであることが好ましい。しかし、本発明のボンディングワイヤはパワ−半導体に使用され、高温の熱衝撃を繰り返し受けることから、２２〜２８Ｈｖのビッカ−ス硬度が必要である。また、アルミニウム（Al）の純度は、９９．９９７質量％以上が必要であり、９９．９９９質量％以上が好ましい。
【００２１】
また、本発明においては、珪素（Si）が１〜２０質量ｐｐｍの範囲を条件とする。珪素（Si）が２０質量ｐｐｍの範囲を超えると、ボンディングワイヤの強度が強くなりすぎてチップ割れを起こしやすくなる。他方、珪素（Si）が１質量ｐｐｍ未満であるとボンディングワイヤの機械的強度が不十分になってしまう。よって、珪素（Si）の範囲は１〜２０質量ｐｐｍとなる。ただし、アルミパッドとの接合性がよく、かつ、繰り返しの熱衝撃に耐えるためには、珪素（Si）の含有量は２〜１０質量ｐｐｍであることが好ましい。
【００２２】
また、本発明においては、Fe析出量はFe固溶量の７倍以内であることが好ましく、３倍以内であることがより好ましい。FeはAl中に固溶している場合には再結晶温度を上昇させる効果があるが、析出している場合にはFeAl化合物は再結晶の核となり、かえって再結晶温度を低下させてしまう。熱衝撃試験では繰り返し高温にさらされるため、再結晶温度の低い材料は熱衝撃試験中に軟化してしまい、熱疲労破壊が発生しやすくなってしまう。
【００２３】
また、本発明においてはFe固溶量は０．０１〜０．０６％であることが望ましい。FeはAl中に固溶することによって、Alの再結晶温度を上昇させる効果があるが、Fe固溶量が０．０１％以下では再結晶上昇効果はほとんど確認できない。また、Fe固溶量が多すぎると電気抵抗が高くなるためボンディングワイヤとして端子間の接続に用いた場合に目的とする性能が得られないため、Fe固溶量の上限は０．０６％であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の半導体装置を接続するためのアルミニウム合金細線によれば、太い線径のものを超音波ボンディングしても加工軟化により、ボンディングワイヤ自体がやわらかいので、アルミパッドとの密着性がよく、第一ボンドのウェッジ接合時にチップ割れを生じることがない。また、高温−低温の熱衝撃試験を繰り返して疲労させても、高純度アルミニウム（Al）マトリックス自体の加工軟化組織と鉄（Fe）・アルミニウム（Al）の金属間化合物粒子のピン止め効果により、アルミニウム合金マトリックスと同様の耐熱衝撃性を有する。
具体的には、実施例に記載しているように、高温（２００℃）と低温(−５０℃)各３分の熱衝撃試験を繰り返して、初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から２０％ないし３０％（０．８ないし０．７）まで低下する回数が従来の２倍程度へと大幅に向上する。しかも、この効果は、高純度アルミニウム（Al）マトリックス自体の加工軟化組織に基づくものなので、大規模に製造してもアルミニウム合金細線のロット間のバラツキが無く安定しており、本発明のアルミニウム合金細線は、高温で使用される電気自動車等のパワ−サイクル半導体などに好適な超音波ボンディング用のアルミニウム合金細線となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明のアルミニウム合金細線の断面組織写真を示す。
【図２】図２は、本発明のアルミニウム合金細線のせん断強度の変化割合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
表１に示す実施例１〜２９、比較例１〜１４の組成の鉄（Fe）および残部がアルミニウム（Al）からなるアルミニウム合金を溶融し、連続鋳造して直径３００ｍｍのアルミニウム合金インゴットを溶解・鋳造した。この溶解・鋳造した鋳塊を溝ロ−ル圧延後に伸線加工して５ｍｍ直径のアルミニウム合金素線を作製した。この素線を所定の温度で２日間溶体化処理を行った後、水中で急冷した。次いで、この素線を所定の線径まで水中で連続伸線し、所定の線径のボンディングワイヤとした。（断面減少率は、いずれの実施例も９９％以上である。）
このワイヤを超音波工業社製型式REBO７の超音波装置を用い、１２０KＨｚの周波数で荷重８０００ｍＮ、超音波出力１５Ｗ、接合時間１８０ｍｓの条件でAl−１．０％Si合金のアルミパッドへ１００本超音波接合した。また、参考のため従来例として、Al−１００ｐｐｍＮｉ合金ワイヤを採用した。
【００２７】
（超音波接合条件）
アルミニウム合金細線の線径は０．１、０．３、０．５ｍｍ、ル−プ長は８ｍｍで、ル−プ高さは１．３ｍｍとした。超音波工業社製REBO７型全自動ボンダを用いて、アルミニウム合金細線をSiチップ（厚さ０．２mm）上のAl−１．０％Si膜（厚さ３μｍ）上に超音波ボンディングを実施した。
ボンディング条件は、１３０KＨｚの周波数で、荷重および超音条件については、ファ−スト接合部のつぶれ幅がワイヤ線径の１．３倍になるように任意に調整をおこない、全サンプル１００個について同一条件で、ファ−ストボンドおよびセカンドボンドの超音波ボンディングを実施した。超硬ツ−ルおよびボンディングガイドは、ワイヤサイズに合致した超音波工業社製のものを使用した。
【００２８】
次に、この接合されたアルミニウム合金細線について、チップ割れ観察試験、及び、熱衝撃試験を行った。
（チップ割れ観察試験）
ボンディング後の試料を、２０％NAOH溶液でAl−１．０％Siパッドを溶解して、光学顕微鏡（オリンパス製測定顕微鏡、STM６）を使用し、１００倍の倍率でチップ割れの有無を確認した。１００カ所観察を行い、チップ割れが一つも発生していなければ○、１〜３箇所発生した場合は△、４カ所以上でチップ割れが観察された場合を×とした。
【００２９】
（熱衝撃試験）
熱衝撃試験装置は、エスペック社製小型冷熱衝撃装置TSE−１１を用い、高温側：＋２００℃、低温側：−５０℃でおのおの３分間ずつ、１万回繰り返した。
【００３０】
（せん断強度試験）
DAGE社製２４００型式を用いてファ−スト接合部のせん断強度を、１千回、２千回、５千回、および１０千回終了後に測定し、０回の初期強度との比較を求めた。初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から２０％（０．８）まで低下する回数が従来の２倍以上の物を○、１．５〜２倍の物を△、１．５倍に満たないものを×とした。従来品としては、市販品のAl−１００ｐｐｍＮｉを採用した。なお、試験高さは、３μｍ、試験速度は３００μｍ／秒であった。
【００３１】
（比抵抗測定）
このワイヤの７７Kでの比抵抗を直流電源（ケ−スレ−社製型式２４００）およびナノボルトメーター（ケースレー社製型式２１８２）を使用して、直流４端子法で測定した。試料長は３００ｍｍ、測定電流は１Ａであった。
【００３２】
（結晶粒径観察）
断面ミリング装置（日立ハイテクノロジ−ズ社製型式ＩＭ−４０００）を使用してワイヤ断面を作製し、組織観察には集束イオンビ−ム加工観察装置（日本電子社製型式ＪＩＢ−４０００）を使用した。結晶粒径の測定には断面法を使用した。結晶粒の平均大きさは、断面の水平方向と垂直方向のワイヤ長さの平均値とした。
【００３３】
（ビッカ−ス硬さ測定）
ビッカ−ス硬さ測定にはビッカ−ス硬度計（アカシ社製型式ＭＶK−Ｇ３）を使用した。
（引っ張り試験）
引っ張り試験器（島津製オ−トグラフＡＧ−X）を使用して、評点間距離１００ｍｍ、ストロ−ク変位速度２０ｍｍ／分の条件で引っ張り試験を行った。
【００３４】
（再結晶温度）
調質熱処理前のワイヤを各種温度で３０分間塩浴中で熱処理を行い、熱処理前のワイヤの引っ張り強度と再結晶が完了したワイヤの引っ張り強度とのちょうど中間の強度となるような熱処理温度を再結晶温度とした。
以上の条件により得られた結果を表１（従来例及び比較例）及び表２（実施例）に示す。
【表１】
2014129578.tif 000003
【表２】
2014129578.tif 000004
【００３５】
表１及び２において、比較例１〜３と実施例１〜６は添加Fe量の影響を表す。
比較例１はFe含有量が少なすぎるため、柔らかすぎて熱衝撃試験結果が不良である。また、比較例２、３はFe含有量が多すぎるため、Fe析出量／Fe固溶量が７を超え、ビッカース硬さが大きく、チップが割れを生じている。
これに対して、実施例１及び６はそれぞれFe含有量が下限及び上限値であって、ビッカース硬さをチップ割れ及び熱衝撃試験結果と対比すると、実施例１は柔らかいためチップ割れは生じないが、熱衝撃試験結果は若干低下し、また、実施例６はビッカース硬さはチップ割れを生じるほどではないが、Fe含有量が多いためにFe析出量が多く、Fe固溶量との比が限界値となって、析出したAlFe化合物の影響により再結晶温度が低下して高温下の疲労破壊特性が劣化する傾向にあることを示している。
Feの含有量がこれらの上限値未満であっても、Fe析出量が多く、Fe析出量／Fe固溶量が７を超えると比較例７〜１４のように熱衝撃試験結果は不良となる。
【００３６】
また、比較例４と実施例７はAl原材料純度の影響が表れ、比較例４ではビッカース硬さが著しく高くなってチップ割れ、熱衝撃試験結果共に不良であるが、Fe含有量が同じであっても、実施例７はAl原材料純度が本発明範囲であるため、ビッカース硬さは適正範囲内にあって、チップ割れ、熱衝撃試験結果共良好である。
【００３７】
比較例５，６と実施例８〜１１はSi添加量の影響を表す例である。
比較例５，６はそれぞれSi添加量が本発明範囲の上限及び下限を逸脱した例であり、実施例８〜１１によって本発明のSi添加量の上・下限を確認することができる。すなわち、Siが少なすぎると柔らかすぎて熱衝撃試験に耐えられず、Siが多すぎると硬化してチップ割れを生じる。
【００３８】
比較例７〜１４と実施例１２〜２７は、「Fe析出量／Fe固溶量の効果」を明らかにする例である。
比較例７〜１４によれば、Fe含有量が本発明の範囲以内であっても、Fe析出量／Fe固溶量の値が本発明の上限とする７を超えると、熱衝撃試験結果が不良となることを示しており、これに対して実施例１２〜２７はFe析出量／Fe固溶量の値の変化と熱衝撃試験結果を対比して、その上・下限及び好適範囲を明らかにする。
すなわち、Fe析出量／Fe固溶量が７以上だと再結晶温度が下がって熱衝撃試験で保たない。また、Fe析出量／Fe固溶量が３〜７の範囲は熱衝撃試験が△、Fe析出量／Fe固溶量が３以下は熱衝撃試験が○となっている。
【００３９】
実施例２８、２９はワイヤ線径の効果を示す例である。以上の例はいずれもワイヤ径が０．５ｍｍであるが、実施例２８、２９は線径０．３、０．１ｍｍのワイヤについてこれらの効果を確認したものである。
【００４０】
図１は、本発明のアルミニウム合金細線の断面組織写真であって、表示されているゲージから判別されるように、平均粒径１０μｍ近傍でほぼ一定範囲に揃っており、安定した組織が得られていることが解かる。
また、図２は、本発明のアルミニウム合金細線のせん断強度の変化割合を示し、
１０×千回の試験サイクルにおいても、初期値に対するせん断強度の低下が８０％程度に留まり、従来品の場合３０％近くまで低下することに比較して接合部の信頼性が著しく向上している。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、熱衝撃試験を繰り返してもせん断強度の低下が少ないことから、ハイブリッド車や電気自動車、あるいは、電車、風力発電機、産業用ロボットに使用されるパワ−半導体のボンディングワイヤとして有用である。
【図２】
2014129578.tif 000005
【図１】
2014129578.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月28日(2012.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
（再結晶温度）
調質熱処理前のワイヤを各種温度で３０分間塩浴中で熱処理を行い、熱処理前のワイヤの引っ張り強度と再結晶が完了したワイヤの引っ張り強度とのちょうど中間の強度となるような熱処理温度を再結晶温度とした。
以上の条件により得られた結果を表１（従来例及び比較例）及び表２（実施例）に示す。
【表１】
2014129578.tif 000007
【表２】
2014129578.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
鉄（Fe）、珪素（Si）および残部が高純度のアルミニウム（Al）合金からなる半導体素子のアルミパッドと超音波ボンディングするためのアルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線は鉄（Fe）が０．０１〜０．２質量％、珪素（Si）が１〜２０質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Al）からなる合金であって、Feの固溶量が０．０１〜０．０６％であり、Feの析出量がFe固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒径が６〜１２μｍの微細組織であることを特徴とするパワ−半導体装置用アルミニウム合金細線。