(57)【要約】【課題】  半導体素子と基板とを接合するために使用されるボンディング用のＡｌリボンであって、製造時にクラック等が発生し難く、接合強度に優れ、安定したボンディングが可能であって、安価なＡｌリボンを提供する。【解決手段】  Ａｌを主成分とするＡｌ合金を円形ダイスで伸線した後、ダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスで伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工したボンディング用Ａｌリボンであり、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有し、平均結晶粒径が２〜２５０μｍ、表面粗さＲａが２.５μｍ以下、及び酸化膜の厚さが５ｎｍ以下である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを主成分とするＡｌ合金を円形ダイスで伸線した後、ダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスで伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工したボンディング用Ａｌリボンであり、且つ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有し、平均結晶粒径が２〜２５０μｍ、表面粗さＲａが２.５μｍ以下、及び酸化膜の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とするボンディング用Ａｌリボン。
【請求項２】
前記扁平形状ダイスのダイス孔の形状が、長方形であるか若しくは長方形の角部又は短辺が円弧をなしていることを特徴とする、請求項１に記載のボンディング用Ａｌリボン。
【請求項３】
Ｎｉの含有量が１ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のボンディング用Ａｌリボン。
【請求項４】
Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有するＡｌ合金を、円形ダイスで伸線した後、ダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスで伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工することを特徴とするボンディング用Ａｌリボンの製造方法。
【請求項５】
前記扁平形状ダイスとして、ダイス孔の形状が長方形であるか若しくは長方形の角部又は短辺が円弧をなしているダイスを使用することを特徴とする、請求項４に記載のボンディング用Ａｌリボンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と基板とを接合するために使用されるボンディング用のＡｌリボンに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージの製造においては、基板に半導体素子を搭載し、半導体素子上に設けられた接続電極（ボンディングパッド）と基板の外部引き出し用端子とを接続するため、ＡｕやＡｌ、Ｃｕなどのワイヤを用いたワイヤボンディングが一般的に行われている。このボンディングワイヤを用いた接続方法は、ワイヤの接続部を加圧したり超音波の振動エネルギーを加えたりすることによって、ワイヤのごく薄い酸化膜（例えば数ｎｍ程度）を破り、金属同士の接合を可能にするボンディング方法である。
【０００３】
このようなワイヤボンディングが広く行われている状況のなかで、大容量の半導体素子においてもボンディングにより接合する技術が求められるようになり、その要望に応える技術としてリボン形状の金属によるボンディングが提案されている。即ち、配線を細いワイヤからリボン形状にすることによって、断面積を格段に大きくできるため大電流を流すことが可能となり、ハイパワーの半導体素子の接続にも十分耐えることができる。このようなボンディングに用いるリボン形状の金属、即ちボンディングリボンに関連して、以下に述べるような技術が開示されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、頂部が略同一平面上にある複数の凸部を接合側の一方の面に備えたＡｌなどからなるボンディングリボン、及びこれを用いたボンディング方法が記載されている。このボンディングリボンでは、複数の凸部の位置や大きさを調整することによりボンディング時の原子間結合によって接合される新生面の広がりを容易にすることができ、また複数の凸部の頂部面積を小さくすることでリボンと被着物との摩擦が発生し易くなり、表面に形成されている酸化膜を容易に破ることが可能となる。更に、初期の塑性流動を発生させやすいため、比較的小さな荷重及び超音波エネルギーにより、接合面が平坦なリボンと比べて安定した接合強度の確保を実現できるとされている。
【０００５】
また、特許文献２には、添加元素及び残部のアルミニウムからなる純度９９質量％以上のアルミニウム合金から構成され、多段伸線後にロール圧延された極薄テープ構造であって、このリボンの断面内における結晶粒径の平均値が５〜２００マイクロメートル（μｍ）であり、極薄テープの表面は表面粗さがＲｚ≦２マイクロメートル（μｍ）の鏡面仕上げがされている超音波ボンディング用アルミニウムリボンが記載されている。このアルミニウムリボンにおいては、添加元素のＮｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕを添加することで結晶粒径を整えることにより、また表面を鏡面仕上げすることによって、ボンディング強度のバラツキが小さく、安定した接合強度が得られるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９４２７０号公報
【特許文献２】特許第４２１２６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アルミニウムのボンディングリボン（以下、Ａｌリボンと称する）では、ボンディングする際に、表面の酸化膜が厚い場合やリボン洗浄において残油があった場合には、ワイヤ以上に接合性を大きく低下させたり、接合強度がばらついたりしてしまう。この現象はワイヤでも問題になることであるが、特にリボンの場合は１本あたりの接合面積が広くなるため顕著に現われることになる。
【０００８】
また、Ａｌリボンが硬すぎる場合には、リボンをループ状に湾曲させて接合する際に反発力が大きくなり、接合性を低下させることがある。リボンは効率化のため１本あたりの断面積を大きくする傾向があるため、ループ状に曲げた時の反発力が非常に大きくなり、ワイヤではあまり障害にならない反発力の問題が顕在化してくる。特にループの曲率を大きくするほど、Ａｌリボンに加わるせん断応力や引張応力、圧縮応力が高くなるため、クラックが入り易くなったり、接合強度がばらついたりして、安定した接合が難しくなってしまう。
【０００９】
このような事情から、Ａｌリボンにおける解決すべき課題として、ばらつきが少なく安定した高い接合強度を得ること、及び曲率の大きいループでもクラック等が発生しないことが挙げられている。更に、半導体の分野は激しいコスト競争にさらされているため、市場からのコストダウンの要請は強く、この要請に応えきれなければ技術自体が生き残れない状況であることから、Ａｌリボンが低コストであることも重要な課題である。従って、これらの課題を解決することによって、Ａｌリボンは工業的に更に重要な製品となり得る。
【００１０】
上記特許文献１に記載されたＡｌリボンでは、接合側の表面に複数の凸部を備えることで安定した接合強度を実現させている。即ち、複数の凸部に接合時の圧着力やエネルギーが集中し、酸化膜等を破り易くなるため、単位面積当りの接合強度が向上すると考えられる。その一方で、接合面積は小さくなるため、凸部の部分的な強度ではなく、接合部全体としての強度は必ずしも上がるとは言えない。また、部分的な応力集中によって、リボンの変形が著しい箇所においては逆に強度が低下したり、リボンの断面積が小さくなったりして、接合強度を下げてしまう恐れがある。
【００１１】
更に、上記特許文献１に記載されたＡｌリボンでは、複数の凸部を有していることにより、接合の際にループ状に変形させた時、断面が長方形なものに比較して応力集中が起きやすくなる。そして、この応力集中の位置によっては、クラックが発生したり、ループがきれいに曲がらず、例えば幅方向に均一に曲がらず、そのため接合強度が不十分になったりバラツキが生じたりする問題が起こりやすいと考えられる。
【００１２】
また、上記特許文献２においては、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕの添加でＡｌリボンの結晶粒径を整えることにより、ボンディング強度のバラツキが小さく、安定した接合強度が得られるとされている。しかし、添加元素により結晶粒径を整えたとしても、接合性を下げる一番の原因である酸化膜除去の効果は全く有しておらず、従ってＡｌリボンの表面には酸化膜が存在しているため、接合強度の向上効果は小さいと言わざるを得ない。
【００１３】
しかも、上記特許文献２の実施例等によれば、Ａｌリボン材には２００〜４００℃の熱処理が施されている。熱処理条件に関する詳しい記載はないが、例えばターボ分子ポンプを用いた超高真空炉での熱処理であったとしても、還元性の強いＡｌの酸化膜を増加させないことは不可能であるから、２００℃以上に加熱すればＡｌリボンの酸化膜はどんなに薄くとも数ｎｍ〜１０ｎｍ、部分的には数１０ｎｍ以上になるものと考えられる。このような厚い酸化膜が表面に存在する場合、結晶粒径がいかに揃っていようとも、接合強度向上の効果がほとんど現われないことは明らかである。
【００１４】
更に、上記特許文献２によれば、多段伸線後にロール圧延することで断面が円形状のＡｌ合金を板状に変形させるわけであるから、幅方向における中央部と端部とでは塑性変形量が大きく異なり、残留応力が大きくなる。その結果、端部にクラックが発生して収率が低下したり、Ａｌリボンが断線したり、結晶粒径が幅方向で大きく異なって接合強度のバラツキの原因になったりしてしまう。このようなＡｌリボンでは、安定して十分な強度を有する接合を得ることは不可能であるうえ、製造上における収率も悪いことからコスト面でも極めて不利である。
【００１５】
本発明は、このような従来のボンディング用のＡｌリボンにおける問題点に鑑みてなされたものであり、高い接合強度を有し、クラック等が発生し難く、安定したボンディングが可能であって、しかも安価なＡｌリボンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明が提供するボンディング用Ａｌリボンは、Ａｌを主成分とするＡｌ合金を円形ダイスで伸線した後、ダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスで伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工したボンディング用Ａｌリボンであり、且つ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有し、平均結晶粒径が２〜２５０μｍ、表面粗さＲａが２.５μｍ以下、及び酸化膜の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明が提供するボンディング用Ａｌリボンの製造方法は、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有するＡｌ合金を、円形ダイスで伸線した後、ダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスで伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い接合強度を有し、安定したボンディングが可能であるだけでなく、圧延加工時にクラック等の欠陥の発生をなくすことができ、しかも安価なボンディング用Ａｌリボンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の伸線加工で用いる扁平形状ダイスのダイス孔を模式的に示す正面図であり、（イ）は長方形のダイス孔、（ロ）は長方形の角部が円弧をなすダイス孔、及び（ハ）は長方形の短辺部分が円弧をなすダイス孔である。
【図２】接合強度試験においてＮｉメッキＣｕ基板にボンディングしたＡｌリボンを模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のボンディング用Ａｌリボンの組成は、Ａｌを主成分とし、添加元素としてＮｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を含む組成であればよく、上記以外の元素を含んでもよいが、上記添加元素を除く残部がＡｌと不可避不純物であることが好ましい。また、本発明のＡｌリボンは、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有することを必須条件としている。上記した本発明のＡｌリボンにおける必須の元素について、以下に具体的に説明する。
【００２１】
＜Ａｌ＞
主成分であるＡｌは、電気伝導性に優れ且つ非常に軽く、配線材として極めて優れているため、配線材料として一般的に広く使用されている。しかし、Ａｌのみではボンディング性、接合性、耐候性などの特性が実用上十分とは言い難いため、以下に述べる各種元素を添加含有させることが必要となる。
【００２２】
＜Ｎｉ、Ｓｉ＞
ＮｉとＳｉは似たよう効果を有し、その最も大きな効果はＡｌより劣る還元性にある。即ち、ＮｉとＳｉはＡｌよりも酸化され難いため、Ａｌリボンに含有させるとＡｌリボン自体が酸化し難くなり、酸化膜の形成を防止する。更に、ＮｉとＳｉはＡｌに比べて酸などとの反応性が低いため、耐腐食性の向上にも寄与する。実際にボンディングの際には発熱して酸化が進行し易くなるが、ＮｉやＳｉの添加により酸化防止効果が発揮され、しかも接合後の耐腐食性も向上するため、高い信頼性を有する接合が可能となる。既に述べたように接合部の酸化膜が接合性を落とす大きな原因となっているため、これらの元素を含有する効果は極めて大きい。
【００２３】
ＮｉとＳｉの添加による第２の効果は、Ａｌリボンの結晶組織の制御にある。これらの元素を適量含有させることにより結晶の粒径や形状を制御でき、強度及び伸びのバラツキが少ないＡｌリボンを製造することが可能となる。更に具体的には、ＮｉやＳｉの添加量を増やすことにより、Ａｌリボンの結晶粒径を小さくすることができ、また結晶の形状や大きさを均一化することができる。尚、結晶の形状や大きさはＮｉやＳｉの添加量で制御できると共に、Ａｌ合金の鋳造温度やアニール条件でも制御することができる。即ち、冷却速度を速くすれば結晶粒は微細化し、逆に遅くすれば粗粒化する。アニールに関しても同様のことが言えるが、温度が高くなると酸化が進行しやすくなるため、要求特性に応じて処理条件を決める必要がある。
【００２４】
また、Ａｌリボンへの特性要求はユーザーにより様々であるが、例えば、Ａｌリボンが硬すぎる場合、ボンディング時にループ状に曲げた時の反発力が強くなり、特に接合面の酸化膜にバラツキがあったりすると均一な接合が難しくなり、場合によっては接合できなくなる。逆にループ性に注目して柔らかい材料とした場合には、リボン切断面にバリが発生したり、切り滓が多く発生して異物混入したりする問題を引き起こしやすい。そのため、ユーザー各々のニーズに対応して接合強度、伸び、ループ性やそれらのバラツキなどを調整する必要があり、その場合にＮｉとＳｉのいずれか片方又は両方を添加含有させ、結晶粒径等を制御することが有効である。
【００２５】
＜Ｐ＞
Ｐの添加による効果は、強い還元性により接合面を還元するため、酸素等の不純物が無い状態で接合でき、接合強度を格段に向上させることである。しかも、Ｐは接合面を還元した後、気体の酸化物となるため接合面に残留して問題を起こす恐れがなく、この点においても非常に優れた元素と言える。
【００２６】
即ち、金属は特殊な場合を除き、表面が酸化膜で覆われている。特にＡｌのような酸化し易い金属の表面は酸化膜で覆われており、熱間圧延や熱処理を施した場合は条件によっては厚さ数１０ｎｍ以上の酸化膜になってしまうことがある。また、基板の外部引き出し用端子などは材質がＣｕであったり、その接合面にはＮｉメッキが形成されていたりするが、同様に酸化膜を有していることに違いはない。これらの酸化膜を破って安定した接合強度を得ることは容易ではないが、この問題を解決するために大きな役割を果たすのがＰである。
【００２７】
尚、洗浄不足による残留油等の不純物に対しても、上記したＰの効果が獲られると考えられる。不純物の成分に依存するがＰが還元できない酸化物は稀であり、ほとんどの元素を還元することができ、更には還元して気化する際に不純物もいっしょに飛ばす効果もあると考えている。以上の効果により、Ｐを含有したＡｌリボンは酸化膜や不純物の除去に非常に優れた性能を発揮する。
【００２８】
上記のごとく本発明のＡｌリボンはＮｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を必須成分として含有するものであるが、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの含有量は合計で８００ｐｐｍ以下とする必要がある。Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの含有量が合計で８００ｐｐｍを超えると、これらの元素が偏析して強度の低下やばらつきの原因になる。更に、Ａｌリボン表面付近でのＮｉ、Ｓｉ及びＰの存在割合が多くなり、特にＮｉとＰは金属との結合力が小さいため、Ａｌリボンのような固相と固相を結合させる場合には接合強度が低下する原因となる。
【００２９】
本発明のボンディング用Ａｌリボンは、上記した組成を有すると同時に、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さＲａが２.５μｍ以下であって、酸化膜の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴としている。これら本発明のＡｌリボンが有する特性について、以下に具体的に説明する。
【００３０】
＜平均結晶粒径＞
平均結晶粒径を２μｍ以上２５０μｍ以下とする理由は、Ａｌリボンの強度や伸び率等を適正な値にするためである。即ち、添加元素等によって結晶の粒径や形状を制御することにより、強度や伸びが適正な値となり且つバラツキが少ないリボンを製造することが可能となる。Ａｌリボンへの特性要求はユーザーによって様々であり、そのため結晶の粒径や形状の制御を行うことは必要であり、且つ重要なことである。
【００３１】
例えば、Ａｌリボンが硬すぎる場合、ボンディング時にループ状に曲げた際の反発力が強くなり、特に接合面の酸化膜にバラツキがあったりすると均一な接合はできず、場合によっては接合できなかったりする。逆にループ性に注目して柔らかい材料とした場合には、リボン切断面にバリが発生したり、切り滓が多く発生して異物混入してしまったりする可能性が高くなる。このような問題が起きないように、接合強度や伸び、そしてループやそれらのバラツキなどを調整する必要があるため、結晶の粒径や形状の制御は重要なことである。
【００３２】
即ち、平均結晶粒径が２μｍ未満では、Ａｌリボンが柔らか過ぎるため、製造時にバリの発生率が高くなって収率が下がり、またボンディング時にはループが撓んでしまう。逆に平均結晶粒径が２５０μｍを超えてしまうと、Ａｌリボンが硬くなり過ぎるため、ボンディング時に反発力が強くてボンディングできなかったり、製造時にきれいに巻取れなかったりするため好ましくない。
【００３３】
＜表面粗さ＞
平均表面粗さＲａを２.５μｍ以下とする理由は、平均表面粗さＲａが２.５μｍを超えると、ボンディング時に実質的に接合している面積が小さくなってしまうため、接合強度が低くなったり、ばらつきが大きくなったりするためである。実験の結果、例えば平均表面粗さＲａが３.６μｍのＡｌリボンと０.８μｍのＡｌリボンを用いてＡｌ基板にボンディングした場合、表面粗さＲａが３.６μｍのＡｌリボンの接合強度は０.８μｍのものに比較して４０％程度に過ぎなかった。Ａｌリボンの平均表面粗さＲａは、２.５μｍ以下であれば安定して高い接合強度の接合が可能であるが、更に１.０μｍ以下であればより一層良好な接合が可能となるため特に好ましい。
【００３４】
＜酸化膜の厚さ＞
酸化膜の厚さを５ｎｍ以下とする理由は、基板の接合面とＡｌリボンとの間に厚い酸化膜があると金属同士が直接接することができず、接合強度が低下してしまうためである。この酸化膜を破るために超音波の振動エネルギーによってボンディングするが、それでもＡｌリボンの酸化膜が５ｎｍを超えると良好な接合ができなくなる。実験によれば、例えば酸化膜の厚さが６.０ｎｍのＡｌリボンを５０本ボンディングした場合、そのうち１８本は接合できず、残りの３２本も部分的にしか接合できておらず、明らかに接合強度が低い結果であった。尚、酸化膜の厚さが３ｎｍ以下であれば、より一層良好な接合が可能になるため更に好ましい。
【００３５】
次に、本発明によるボンディング用Ａｌリボンの製造方法について説明する。本発明のＡｌリボンの製造方法では、上記したＮｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有するＡｌ合金を円形ダイスで伸線した後、最後の伸線では円形ダイス以外の扁平形状ダイスで更に伸線し、その後圧延して所定寸法のリボン状に加工する。
【００３６】
Ａｌリボンの製造に用いる原料は、上記した必須の組成を満たしていれば、その製造方法などについて特に限定されるものではない。例えば、Ａｌ及び各添加元素を不活性ガス中にて高周波溶解した後、鋳型に鋳込んだＡｌ合金を用いることができる。また、連続鋳造機によって製造したＡｌ合金であってもよい。このようにして準備したＡｌ合金を伸線した後、圧延してリボン形状とするのであるが、以下に製造方法の一例を具体的に説明する。
【００３７】
まず、原料として純度９９.９９５質量％以上のＡｌと、純度の高い添加元素、例えば純度９９.９５質量％以上のＮｉ、Ｓｉ、Ｐを準備する。これらのＡｌと添加元素を溶解して鋳造するが、高周波溶解式の連続鋳造炉を用いた溶解鋳造は多量に安定した品質の合金を作れるため溶解・鋳造方法として好ましいため、この連続鋳造法の例について詳しく説明する。
【００３８】
各原料を目標組成に合わせて所定量秤量し、溶解用グラファイト坩堝に投入する。Ｐなどを添加する場合は蒸気として飛んでしまいやすいため、Ｐを目標組成より１０〜３０質量％程度多めに秤量する。原料の入ったグラファイト坩堝を高周波溶解方式の連続鋳造炉にセットして、不活性ガスを原料１ｋｇあたり０.５〜２ｌ／分程度の流量で流しながら連続鋳造炉の電源を入れ、昇温速度の設定値を２〜４℃／秒として自動で昇温する。自動運転で融点よりも８０〜２００℃高い温度で保持し、各原料が溶けた後、溶け残りや偏析がないように撹拌翼を挿入して撹拌する。原料が十分に混ざったことを確認した後、坩堝の底付近の横穴から一定速度でゆっくり原料を引き出して、所定の直径を有する棒状のＡｌ合金を製造する。
【００３９】
鋳造された棒状のＡｌ合金は、湿式伸線機などを用いて細棒状ないし線状に伸線加工する。伸線機は隣り合う２つのキャプスタンからなる構成を有し、キャプスタン間に配置されたダイス孔を棒状のＡｌ合金が通過することにより、所望の線径のＡｌ合金線が得られる。キャプスタンはコーン形状でも円筒形でもよい。また、伸線の方法としては、鉱物油や植物油などの潤滑剤にキャプスタンを浸して伸線する没式伸線や、ダイス孔入り口付近に潤滑剤を噴霧または滴下して伸線する方法などがあり、ダイス減面率や生産性を考慮して方法を選択することが可能である。ダイス孔の素材は超鋼材や人工または天然ダイヤを用いることができる。
【００４０】
本発明のＡｌリボンの製造方法では、棒状のＡｌ合金をダイス孔が円形の円形ダイスを使用して伸線した後、最後の伸線においてダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスを用いて伸線することが必須の条件である。尚、上記円形ダイスでの伸線では、最終形状を考慮して２段以上の伸線を行うことができる。特に円形ダイスを用いて２段以上の伸線を行い、扁平形状ダイスのダイス孔と同等又はそれに近い面積の直径まで伸線することによって、扁平形状ダイスで伸線する際に傷やクラックなどが入り難くなるため好ましい。
【００４１】
上記扁平形状ダイスのダイス孔の形状、即ちＡｌ合金が伸線されるダイス孔の形状は、円形以外であればよいが、図１に示すように概略長方形であることが好ましい。例えば、図１（イ）に示すようにダイス孔が長方形（長辺ａ≠短辺ｂ）のダイスのほか、（ロ）に示すように上記（イ）のダイス孔の長方形の４つの角部ｃが円弧をなすダイス、及び（ハ）に示すように上記（イ）のダイス孔の長方形の両側の短辺部分ｄが円弧をなすダイスを好適に使用することができる。
【００４２】
上記ダイス孔の形状が円形でない扁平形状ダイスを用いた最後の伸線では、円形ダイスで線状に伸線された断面が円形のＡｌ合金を断面形状が長方形に近い扁平な形状のワイヤにすることができる。従って、この断面が長方形に近い扁平な形状のＡｌ合金ワイヤを次工程でリボン状に圧延する際に、Ａｌ合金ワイヤが蛇行し難くなるため、容易に圧延することができ、クラックが入り難くなると共に、圧延回数が少なくて済むなど、非常に大きな利点がある。
【００４３】
上記伸線工程で得られた断面が長方形に近い扁平な形状のＡｌ合金ワイヤは、次に温間圧延あるいは冷間圧延によりＡｌリボンとする。例えば冷間圧延を例に説明すると、Ａｌ合金ワイヤを４段の冷間ロール圧延機にセットし、所望の寸法形状に冷間で圧延する。例えば、伸線されたＡｌ合金ワイヤの断面積から所望の厚み幅となるように圧延の圧下量を決定し、好ましくは２段以上で圧延する。最終圧延では圧下量がごくわずかとなるように仕上げ圧延を行うと、表面がより一層きれいになり、表面粗さが小さくなるなどの利点があるため好ましい。尚、圧延時には潤滑油をかけながら行うのが一般的であり、このようにすると傷の発生が少なく、厚みが一定となり、更には蛇行等も発生し難くなる。
【００４４】
上記圧延工程を具体的に説明すると、伸線工程で最終的に得られた断面が長方形に近い扁平形状のＡｌ合金ワイヤを圧延機にセットして、圧延率や潤滑油の噴霧量等を設定し、圧延機の電源を入れて自動圧延する。その際、圧延率が高すぎるとリボンにクラックが発生したり欠けたりするため、注意をしながら欠陥等が生じない速度に調整して圧延する必要がある。潤滑油としては、Ａｌ専用圧延油のほか、鉱物油や植物油などを用いることができる。特に洗浄後に残留し難い潤滑油が好ましく、例えば、ヤシ油、ゴマ油、アマニ油、オリーブ油、大豆油、菜種油などの植物油や、灯油、軽油などの石油類等が好ましい。更に粘度や潤滑性を調整する目的で、これらの潤滑油をブレンドすることも有効である。
【００４５】
圧延により得られたＡｌリボンは、潤滑油を除去するため自動洗浄機で有機溶剤を用いて洗浄する。有機溶剤は潤滑油を溶解しやすく、圧延で用いた潤滑油がＡｌリボンに残り難いものが好ましい。例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、アセトン、塩化メチレン、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。特にメチルアルコールは潤滑油をよく溶解するうえ、揮発性が高く、潤滑油と溶剤がＡｌリボンに残り難いため特に好ましい。
【００４６】
圧延中又は圧延後のＡｌリボンが硬かったり、柔軟性が不足気味であったりする場合には、熱処理を施すことが有効であり、必要に応じて熱間圧延を行ってもよい。熱処理や熱間圧延をすることにより、目的に適応した柔軟性や加工性を有するＡｌリボンとすることが可能である。ただし、熱処理等を行う際には、熱処理温度、酸素濃度等に十分注意を払う必要がある。その理由は、熱処理温度を上げ過ぎたり、酸素濃度が高過ぎたりすると、Ａｌリボン表面の酸化膜が５ｎｍを超えて厚くなり、条件によっては数１００ｎｍ以上の厚みになって接合できなくなるからである。
【００４７】
潤滑油を洗浄除去した後、必要に応じて、Ａｌリボンにスリット加工を行ってもよい。スリット加工の際には、柔らかいＡｌリボンの場合はバリが出やすくなるため、十分手入れの行き届いたきれいに切断できるスリッターを用いる必要がある。尚、伸線や圧延の前後または途中において、金属組織の制御により強度や伸び率等を調整することを目的として、アニールを行うこともできる。アニール温度は５０〜４００℃程度が好ましく、１２０〜３８０℃であると効果が大きくなるため更に好ましい。
【００４８】
上記した本発明のボンディング用Ａｌリボンの製造方法により、圧延時にＡｌ合金ワイヤが蛇行し難くなるため、圧延が容易でクラックが入り難くなると共に、圧延回数が少なくて済むため、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有するＡｌリボンを効率よく安価に製造することができる。しかも、更に伸線又は圧延時に熱処理や熱間圧延などを行い、得られたＡｌリボンに真空引き下でのアニールや表面研磨などを施すことによって、平均結晶粒径を２〜２５０μｍ、表面粗さＲａを２.５μｍ以下、及び酸化膜の厚さを５ｎｍ以下に制御することがきる。
【実施例】
【００４９】
［実施例１］
原料として純度９９.９９５質量％以上のＡｌと、純度９９.９５質量％以上のＮｉ、Ｓｉ及びＰを準備し、高周波溶解式の連続鋳造炉を用いて以下の手順で溶解鋳造した。まず、各原料を目標組成に合わせて所定量秤量し、溶解用グラファイト坩堝に投入した。原料の入ったグラファイト坩堝を高周波溶解方式の連続鋳造炉にセットし、不活性ガスを原料１ｋｇあたり約０.８ｌ／分の流量で流した。ガスを流した状態で連続鋳造炉の電源を入れ、昇温速度の設定値を３℃／秒として自動で昇温させた。その後、自動運転で約８５０℃を保持する状態にし、各原料が溶けた後、溶け残りや偏析がないように撹拌翼を挿入して撹拌した。原料が十分に混ざったことを確認した後、坩堝の底付近の横穴から一定速度でゆっくり原料を引き出し、直径５ｍｍの棒状の伸線用Ａｌ合金を得た。
【００５０】
上記各原料の投入量のみを変えて上記の作業を繰り返し、組成の異なる試料１〜３の棒状（直径５ｍｍ）の伸線用Ａｌ合金をそれぞれ準備した。これら試料１〜３の伸線用Ａｌ合金の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて分析した。得られた分析結果を下記の表１−１に示す。
【００５１】
【表１−１】
2014086488.tif 000003
【００５２】
次に、上記試料１〜３の各Ａｌ合金（直径５ｍｍ×長さ２０ｍ）を、ダイス孔が円形の円形状ダイス又はダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスを装着した伸線機で伸線加工した。具体的には、試料１〜３の各Ａｌ合金に潤滑油を噴霧し、直径２.０ｍｍの円形ダイスを装着した伸線機にセットし、ダイスに通した試料を治具で固定して、一定速度にて自動で引っ張りながら伸線した。その際ダイスにワイヤ状の試料が引っ掛かったり、キズ等が入ったりしないように、潤滑油を適宜供給しながら伸線した。直径２.０ｍｍに伸線した後、直径１.５ｍｍに伸線し、更に直径０.７ｍｍまで同様の方法で伸線した。
【００５３】
上記のごとく円形ダイスを用いて３段の伸線加工を行い、直径０.７ｍｍまで伸線した試料１〜３の各Ａｌ合金ワイヤについて、それぞれダイス孔が円形以外の扁平形状ダイスを用いて最後の伸線を行った。即ち、最後の伸線において、図１（イ）に示す１ｍｍ×０.１９ｍｍの長方形のダイス（扁平形状１と称する）を用いて、試料１〜３の各Ａｌ合金ワイヤを伸線したものをそれぞれ試料１ａ、２ａ及び３ａとした。
【００５４】
同様に、図１（ロ）に示す１ｍｍ×０.１９ｍｍの長方形の各角部をＲ＝０.０３ｍｍの円弧としたダイス（扁平形状２と称する）を用いて、試料１〜３の各Ａｌ合金ワイヤを伸線したものをそれぞれ試料１ｂ、２ｂ及び３ｂとした。また、図１（ハ）に示すように０.７ｍｍ×０.１９ｍｍの長方形の各短辺部分を半径０.０９５ｍｍの半円として形状のダイス（扁平形状３と称する）を用いて、試料１〜３の各Ａｌ合金ワイヤを伸線したものをそれぞれ試料１ｃ、２ｃ及び３ｃとした。
【００５５】
更に、比較のために、上記３段の伸線加工により直径０.７ｍｍまで伸線した後、最後の伸線工程においても、直径０.５ｍｍの円形ダイス（円形状と称する）を用いて、試料１〜３の各Ａｌ合金ワイヤを伸線したものをそれぞれ試料１ｄ、２ｄ及び３ｄとした。
【００５６】
その後、上記伸線加工により得られた各Ａｌ合金ワイヤを、圧延機を用いて１回の自動圧延により厚さ７０μｍのリボン形状に加工した。圧延の際には、傷等が入らないように潤滑油をかけながら圧延を行い、また酸化が進行しないように冷間圧延とした。尚、この圧延により得られたＡｌリボンの各試料は、上記伸線で得られた試料と同じく、試料１ａ〜１ｄ、試料２ａ〜２ｄ及び試料３ａ〜３ｄとした。
【００５７】
得られた各試料のＡｌリボンについて、下記する方法により平均結晶粒径、表面粗さＲａ、酸化膜の厚さを測定し、最後の伸線で用いたダイス形状と共に、得られた結果を下記表１−２に示した。
【００５８】
＜平均結晶粒径の測定＞
各試料のＡｌリボンを２％硝酸と５％弗酸を用いてエッチング処理した後、マイクロスコープ（キーエンス社製：ＶＨＸ−９００）を用いて任意に２０個の結晶粒径を測定した。結晶粒は必ずしも球状ではなく、ほとんどのものは多角形や複雑な形状をしているが、結晶粒の最も長い径と最も短い径の平均値を結晶粒径として平均粒径を算出した。
【００５９】
＜表面粗さＲａの測定＞
平均表面粗さＲａの測定は、表面粗さ測定装置（東京精密株式会社製、型式：サーフコム４７０Ａ）を用いて行った。各試料のＡｌリボンを圧延方向並びに圧延方向と直角の方向に各３点ずつ平均表面粗さＲａを測定し、計６点の平均値を求めて表面粗さＲａとした。
【００６０】
＜酸化膜の厚さの測定＞
酸化膜の厚さの測定は、電界放射型オージェ電子分光装置（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製、型式：ＳＡＭ−４３００）を用いて行った。各試料のＡｌリボンについて、酸化膜の厚さを任意に３点測定し、３点の平均を求めて酸化膜の厚さとした。
【００６１】
【表１−２】
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【００６２】
更に、得られた各試料のＡｌリボンについて、下記する方法により外観検査（クラック、バリ等の有無の検査）、ボンディング後の接合強度及び伸び率を評価して、その結果を最後の伸線で用いたダイス形状と共に下記表１−３に示した。
【００６３】
＜外観検査（クラック・バリの有無の検査）＞
各試料のＡｌリボンについて、クラックやバリが無いか外観検査を行った。外観検査は、まず何も用いずに目視で行った後、目視での判断が難しい場合に限り光学顕微鏡（株式会社キーエンス製：ＶＨＸ−９００）を用いて検査した。Ａｌリボン１０ｍ当りにクラックやバリが無かった場合を「○」、１〜３個あった場合を「△」、４個以上あった場合を「×」と評価した。
【００６４】
＜接合強度＞
各試料のＡｌリボンを用いてボンディングを行った後、その接合部のシェア試験を行った。即ち、図２に示すように、Ｎｉメッキ３を施したＣｕ基板２にＡｌリボン１を押しあてて加圧し、超音波振動を８５ｍｓ加えて接続した。尚、半導体素子にＡｌリボンを接合した試料ではシェア試験機にセットできず、精度の高い評価ができないため、ＮｉメッキＣｕ基板を用いた。このようにして作製した測定試料（Ａｌリボンが接続されたＣｕ基板）をシェア試験機に固定し、Ａｌリボンを冶具に引っかけて接合強度を測定した。接合強度の評価は、試料１ｄの接合強度を１００％として各試料の相対評価を行った。
【００６５】
＜伸び率＞
ループ性や柔らかさの指標として、Ａｌリボンの伸び率を測定した。即ち、各試料のＡｌリボンを１００ｍｍの長さに切断し、引張試験機（株式会社Ａ＆Ｄ製）を用いて伸び率を測定した。試料ごとに５点のＡｌリボンを準備して伸び率を測定し、計５点の平均を求めて各試料の伸び率とした。伸び率の評価は、試料１ｄを１００％として各試料の相対評価を行った。
【００６６】
【表１−３】
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【００６７】
上記表１−１〜表１−３から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１ａ〜１ｃ、試料２ａ〜２ｃ、試料３ａ〜３ｃの各Ａｌリボンは、各評価項目において良好な結果を示している。即ち、外観検査でクラックやバリは確認されず、接合強度も相対比較で全て１３０％を超えており、伸び率についても相対比較で全て１３５％を超える結果となった。
【００６８】
本発明のＡｌリボンについてクラックやバリが発生しなかった理由は、柔らか過ぎず且つ脆くもなく、適度な硬さと延性を有すると共に、最後の伸線おいて扁平形状のダイスを用いて比較的平坦なワイヤ形状にした後に圧延しているためと考えられる。また、結晶粒径、表面粗さＲａ、酸化膜の厚さが本発明の要件を満たすと同時に、上記のとおりクラックやバリがないため、高い接合強度と伸び率が得られている。更に、本発明のＡｌリボンの製造にあたっては、圧延の際に蛇行したり反りや皺が発生したりすることがなく、圧延作業を容易に且つ短時間で行うことができるため、効率的に製造することができた。
【００６９】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料１ｄ〜３ｄの各Ａｌリボンは、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。特に試料３ｄは、外観検査では４個以上のクラックやバリが確認され、接合強度は８５％と非常に低かった。比較例の各試料の接合強度や伸び率が本発明の試料に比べて低い理由は、伸線工程において最後まで円形ダイスで伸線したため、その後の圧延において圧延率が円形断面の場所によって大きく異なり、このためクラックやバリが発生したことが一因として挙げられる。尚、試料１ｄ〜３ｄでは、圧延の際に蛇行したり、ソリが発生したり、皺が発生したりしたため、圧延作業を行い難く且つ時間もかかるため、生産性が非常に悪かった。
【００７０】
［実施例２］
上記実施例１と同様の方法により原料を溶解鋳造して、下記表２−１に示す組成を有する試料４〜９の各押出用Ａｌ合金を製造した。
【００７１】
【表２−１】
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【００７２】
次に、上記試料４〜９の各押出用Ａｌ合金について、上記実施例１と同様の方法により伸線と圧延を行ってＡｌリボンを製造したが、最後の伸線では全ての試料について上記実施例１での扁平形状３のダイスを用いて伸線した。また、この実施例２では、上記のごとく製造方法は基本的に実施例１と同様であるが、結晶粒径、表面粗さ及び酸化膜の厚さを簡便に調整するためアニールと研磨紙での研磨を行った。
【００７３】
即ち、表面粗さの調整は、＃２２０〜＃５０００の研磨紙で研磨して目標の平均表面粗さに合わせた。また、結晶粒径の調整は、各試料をリボン形状に圧延した後、密閉性のバッチ式電気炉を用いて真空引きした状態にて温度１２０〜３５０℃でアニールすることで行い、アニール時間は目標温度に達してから３０分とした。酸化膜の厚さの調整は、上記アニール時の雰囲気によって行った。具体的には、試料を電気炉の中に入れた後、真空引きを行い、その後目標とする酸化膜の厚さに合わせて純窒素ガスと純酸素ガスを混合したガスを流しながらアニールした。
【００７４】
得られた試料４ａ〜４ｉ、試料５ａ〜５ｉ、試料６ａ〜６ｉ、試料７ａ〜７ｃ、試料８ａ〜８ｃ及び試料９ａ〜９ｃの各Ａｌリボンについて、上記実施例１と同様に結晶粒径、表面粗さ、酸化膜の厚さを測定し、その結果を下記表２−２に示した。
【００７５】
【表２−２】
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【００７６】
また、得られた試料４ａ〜４ｉ、試料５ａ〜５ｉ、試料６ａ〜６ｉ、試料７ａ〜７ｃ、試料８ａ〜８ｃ及び試料９ａ〜９ｃの各Ａｌリボンについて、上記実施例１と同様に外観検査（クラック、バリ等の検査）、ボンディング後の接合強度の評価及び伸び率の評価を行い、その結果を下記表２−３に示した。
【００７７】
【表２−３】
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【００７８】
上記表２−１〜表２−３から分かるように、本発明の試料４ａ〜４ｉ、試料５ａ〜５ｉ及び試料６ａ〜６ｉの各Ａｌリボンは、各評価項目において良好な結果を示している。即ち、全ての試料において、外観検査ではクラックやバリは確認されず、引張強度も全て相対比較で１３０％を超えており、伸び率についても相対比較で全て１３５％を超える結果となった。
【００７９】
上記本発明の各試料にクラックやバリが発生しなかった理由は、柔らかすぎず且つ脆くもなく、適度な硬さと延性を有すると共に、最後の伸線おいて扁平形状ダイスを用いて比較的平坦なワイヤ形状にした後に圧延しているためと考えられる。また、結晶粒径、表面粗さ、酸化膜の厚さが本発明の要件を満たすと同時に、上記のとおりクラックやバリがないため、高い接合強度と伸び率が得られている。更に、本発明のＡｌリボンの製造にあたっては、圧延の際に蛇行したり反りや皺が発生したりすることなどがなく、圧延作業を容易に且つ短時間で行うことができるため、効率的に製造することができた。
【００８０】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料７ａ〜７ｃ、試料８ａ〜８ｃ及び試料９ａ〜９ｃの各Ａｌリボンは、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。具体的には、全ての試料において、外観検査で１個以上のクラックやバリが確認された。また、結晶粒径、表面粗さ及び酸化膜の厚さのいずれかが本発明の範囲に入っていなかいため、接合強度と伸び率は相対比較で全て約５０％以下であった。
【００８１】
［実施例３］
上記実施例１と同様の方法により原料を溶解鋳造して、下記表３−１に示す組成を有する試料１０〜２７の各押出用Ａｌ合金を製造した。
【００８２】
【表３−１】
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【００８３】
次に、上記試料１０〜２７の各押出用Ａｌ合金について、上記実施例１と同様の方法により伸線と圧延を行ってＡｌリボンを製造したが、最後の伸線では全ての試料について上記実施例１での扁平形状３のダイスを用いて伸線した。
【００８４】
得られた試料１０〜２７の各Ａｌリボンについて、上記実施例１と同様に平均粒径、表面粗さ、酸化膜の厚さを測定し、その結果を下記表３−２に示した。また、得られた試料１０〜２７の各Ａｌリボンについて、上記実施例１と同様に外観検査（クラック、バリ等の検査）、ボンディング後の接合強度の評価及び伸び率の評価を行い、その結果を下記表３−３に示した。
【００８５】
【表３−２】
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【００８６】
【表３−３】
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【００８７】
上記表３−１〜表３−３から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１０〜２０の各Ａｌリボンは各評価項目において良好な結果を示している。即ち、全ての試料において、外観検査ではクラックやバリは確認されず、接合強度も相対比較で全て１３０％を超えており、伸び率についても相対比較で全て１３５％を超える結果となっている。
【００８８】
上記本発明の試料１０〜２０においてクラックやバリが発生しなかった理由は、組成が適正な範囲であるため柔らかすぎず且つ脆くもなく、適度な硬さと延性を有しており、更に伸線の最終工程おいて扁平形状のダイスを用いて比較的平坦なワイヤとした後圧延しているためと考えられる。接合強度や伸び率が高い理由も、上記のごとくクラックやバリがないことや、結晶粒径、表面平均粗さ、酸化膜の厚さが本発明の要件を満たしているためと考えられる。更に試料１０〜２０では、圧延の際に蛇行したり、ソリが発生したり、皺が発生したりすることがなく、圧延作業が容易に且つ短時間で行うことができ、効率的な製造ができた。
【００８９】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料２１〜２７の各Ａｌリボンは、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。具体的には、上記試料２１〜２７の全ての試料で、外観検査では１個以上のクラックやバリが確認され、接合強度と伸び率は相対比較で全て約８５％以下であった。試料１８〜２５の接合強度や伸び率が低い理由は、結晶粒径、平均表面粗さ、及び酸化膜の厚さのいずれかが本発明の要件を満たしていないためと考えられる。
【符号の説明】
【００９０】
１      Ａｌリボン
２      Ｃｕ基板
３      Ｎｉメッキ
【図１】
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【図２】
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