(57)【要約】【課題】Ｃｕを芯材とし、その表面にＡｌを被覆したボンディングワイヤやボンディングリボンをパワー半導体装置に適用するに際し、Ａｌ被覆層に腐食が発生することのないボンディングワイヤとボンディングリボンを提供する。【解決手段】Ｃｕ芯材とＡｌ被覆層との間に中間層を形成し、中間層を形成する金属として、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属を用いることにより、Ａｌ被覆層の腐食を防止できる。中間層として、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎを用いることができる。ボンディングワイヤ・ボンディングリボンの断面積が１５００平方μｍ以上であると好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材と、その上に被覆する中間層と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層を有し、前記中間層は、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属であることを特徴とするボンディングワイヤ。
【請求項２】
前記中間層は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれか又はそれらの合金からなることを特徴とする請求項１に記載のボンディングワイヤ。
【請求項３】
前記Ａｌ被覆層の厚みが０．１μｍ以上かつ線径の１０％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ワイヤ。
【請求項４】
前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
【請求項５】
断面積が１５００平方μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
【請求項６】
Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材と、その上に被覆する中間層と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層を有し、前記中間層は、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属であることを特徴とするボンディングリボン。
【請求項７】
前記中間層は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれか又はそれらの合金からなることを特徴とする請求項６に記載のボンディングリボン。
【請求項８】
前記Ａｌ被覆層の厚みが０．１μｍ以上かつリボン厚みの１０％以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載のボンディングリボン。
【請求項９】
前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のボンディングリボン。
【請求項１０】
断面積が１５００平方μｍ以上であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のボンディングリボン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体装置に用いられるボンディングワイヤ及びボンディングリボンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置をはじめとする電力変換器の半導体スイッチング素子、ハイブリッド車や電気自動車の電気モータを制御する電気制御ユニットには、大電流が流れるパワー半導体装置が用いられる。ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＧＣＴ（Insulated Gate Controlled Thyristor）などが知られている。
【０００３】
パワー半導体装置は、基板上に配置された半導体チップ上に電極を形成し、この電極にボンディングワイヤ又はボンディングリボン（以下「ボンディングワイヤ等」という。）を接続し、他の半導体チップや半導体装置基板上の電極との間が電気的に接続される。半導体チップとして、Ｓｉ単結晶チップやＳｉＣ単結晶が用いられる。
【０００４】
超ＬＳＩなどの大規模集積回路半導体装置においては、ボンディングワイヤとして従来はＡｕワイヤが用いられていた。最近はＣｕワイヤの使用が急速に伸びている。それに対してパワー半導体装置においては、ボンディングワイヤとしてＡｌワイヤが用いられている。特許文献１には、パワー半導体モジュールに線径３００μｍのＡｌワイヤを用いる発明が記載されている。
【０００５】
ＣｕはＡｌと比較すると体積電気抵抗率が小さいので、パワー半導体装置用のボンディングワイヤ等の材質としてＣｕを用いることができれば、ワイヤ径を細くすることができるので好ましい。特許文献２においては、Ｃｕワイヤを芯線として、その芯線の表面にＡｌを被覆したボンディングワイヤが開示されている。Ｃｕ単独のワイヤでは超音波ボンディングが困難となるので、Ｃｕワイヤの表面にＡｌを被覆するとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１４０３８号公報
【特許文献２】特開２０００−３１１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ボンディングワイヤの長期信頼性について、一般的な高湿加熱評価としてＰＣＴ試験（プレッシャークッカーテスト）が行われる。代表的な試験条件は、温度１２１℃、相対湿度１００％ＲＨ（Relative Humidity）、２気圧で行われる。一方、最近は高湿加熱評価としてさらに厳しいＨＡＳＴ試験（High Accelerated Temperature and humidity Stress Test）（温度１３０℃、相対湿度８５％ＲＨ（Relative Humidity）、５Ｖ）において信頼性を満足することが要求されるようになってきている。
【０００８】
Ｃｕを芯材とし、その表面にＡｌを被覆したボンディングワイヤを適用したパワー半導体装置において、封止方法として通常の樹脂パッケージを使用した場合、上記ＰＣＴ試験では信頼性が合格するものの、さらに厳しいＨＡＳＴ試験を行うと、Ｃｕ芯材とＡｌ被覆層との境界部分において、Ａｌ被覆層の腐食が発生することが確認された。
【０００９】
本発明は、Ｃｕを芯材とし、その表面にＡｌを被覆したボンディングワイヤやボンディングリボンをパワー半導体装置に適用するに際し、Ａｌ被覆層に腐食が発生することのないボンディングワイヤとボンディングリボンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
Ａｌの標準酸化還元電位は−１．６７６Ｖ、Ｃｕの標準酸化還元電位は＋０．３４Ｖであり、両者の間の標準酸化還元電位差は２．０１６Ｖである。Ａｌ被覆Ｃｕボンディングワイヤを樹脂パッケージで使用したときにＡｌ被覆層の腐食が発生する原因は、ＡｌとＣｕとの間の標準酸化還元電位差が大きすぎることが原因であると判明した。そして、Ｃｕ芯材とＡｌ被覆層との間に中間層を形成し、中間層を形成する金属として、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属を用いることにより、Ａｌ被覆層の腐食を防止できることが判明した。
【００１１】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材と、その上に被覆する中間層と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層を有し、前記中間層は、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属であることを特徴とするボンディングワイヤ。
（２）前記中間層は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれか又はそれらの合金からなることを特徴とする上記（１）に記載のボンディングワイヤ。
（３）前記Ａｌ被覆層の厚みが０．１μｍ以上かつ線径の１０％以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のボンディングワイヤ。
（４）前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
（５）断面積が１５００平方μｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のボンディングワイヤ。
（６）Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材と、その上に被覆する中間層と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層を有し、前記中間層は、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属であることを特徴とするボンディングリボン。
（７）前記中間層は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれか又はそれらの合金からなることを特徴とする上記（４）に記載のボンディングリボン。
（８）前記Ａｌ被覆層の厚みが０．１μｍ以上かつリボン厚みの１０％以下であることを特徴とする上記（６）又は（７）に記載のボンディングリボン。
（９）前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上であることを特徴とする上記（６）乃至（８）のいずれかに記載のボンディングリボン。
（１０）断面積が１５００平方μｍ以上であることを特徴とする上記（６）乃至（９）のいずれかに記載のボンディングリボン。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のボンディングワイヤ及びボンディングリボンは、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材と、その上に被覆する中間層と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層を有し、前記中間層は、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属であることにより、Ａｌ被覆層の腐食を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明のボンディングワイヤ、（ｂ）は本発明のボンディングリボンについて説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明において、ボンディングワイヤ、ボンディングリボンとは半導体チップ上に設けられた電極パッドとパッケージまたはモジュールに設けられた電極とを接続属するためのワイヤ、リボンであり、ボンディングワイヤは断面が円形の導体をいい、ボンディングリボンとは断面が概ね矩形であるテープ状の導体をいう。
【００１５】
Ａｌの標準酸化還元電位は−１．６７６Ｖ、Ｃｕの標準酸化還元電位は＋０．３４Ｖであり、両者の間の標準酸化還元電位差は２．０１６Ｖである。Ａｌ被覆Ｃｕボンディングワイヤを樹脂パッケージで使用したときにＡｌ被覆層の腐食が発生する原因は、ＡｌとＣｕとの間の標準酸化還元電位差が大きすぎることが原因であると判明した。そして、Ｃｕ芯材とＡｌ被覆層との間に中間層を形成し、中間層を形成する金属として、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属を用いることにより、Ａｌ被覆層の腐食を防止できることが判明した。
【００１６】
表１に各種金属の標準酸化還元電位を示す。標準酸化還元電位は標準水素電極を参照極として測定されるのが一般であるが、ここでは第５版電気化学便覧（ＩＳＢＮ４−６２１−０４７５９−０  Ｃ  ３０５８）ｐ９２−９５に記載される数値を参照した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１から明らかなように、金属種がＺｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれかであれば、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間に入る。そして、Ｃｕ芯材と表面のＡｌ被覆層を有するボンディングワイヤ・ボンディングリボンにおいて、これらの金属を中間層としてＣｕ芯材とＡｌ被覆層の間に形成した場合、Ａｌ被覆層の腐食が発生しないことがわかった。
【００１９】
図１に示すように、本発明のボンディングワイヤ１とボンディングリボン２は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯材３と、その上に被覆する中間層４と、さらにその上に被覆するＡｌ被覆層５を有する。中間層は芯材の全周を覆っており、Ａｌ被覆層は中間層の全周を覆っている。以下にそれぞれの構成について説明する。
【００２０】
芯材はＣｕ又はＣｕ合金からなる。Ｃｕを用いる場合、Ｃｕ含有量が９９．９９％以上とすると好ましい。また、Ｃｕ合金を用いる場合、Ｃｕ合金としては、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ａｌ、希土類元素の少なくとも１種以上を総計で１〜３００質量ｐｐｍ含有するとよい。これにより、ワイヤの組織、塑性変形抵抗を調整し、ウェッジ接合時にワイヤと電極との変形を制御する効果を促進できる。Ｃｕ合金としては、Ｂ、Ｐ、Ｓｅを総計で５〜３００質量ｐｐｍ、又はＡｇ、Ｓｎ又はＡｕの１種以上を総計で０．１〜１０質量％含有してもよい。これにより、ワイヤを高強度化し、樹脂封止時のワイヤ変形を軽減できる。
【００２１】
Ａｌ被覆層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる。Ａｌを用いる場合、芯線のＡｌ含有量は９９．９質量％以上となる。Ａｌ合金を用いる場合、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅなどの合金が使用され、Ａｌ合金の場合のＡｌ含有量は９０質量％以上である。
【００２２】
Ａｌ被覆層の厚さは０．１μｍ以上が望ましく、またワイヤ線径又はリボン厚みの１０％以下が望ましい。パワーデバイスなど比較的太径のボンディングワイヤまたは太厚のボンディングリボンをウェッジ接合する場合、高荷重で高超音波出力を用いる必要がある。Ａｌ被覆層が０．１μｍよりも薄い場合、実質的にＡｌ被覆層は接合界面から除去され、接合に寄与できない。また一方でＡｌはＣｕに比してその導電率が低い。被覆層が過剰に厚い場合、高い導電性を持つＣｕ芯材の導電に占める比率が下がってしまうため、パワーデバイスなど高電流を使用するデバイスの導電材料としては不適であるため、ここではワイヤ線径又はリボン厚みの１０％以下とする。
【００２３】
Ｃｕ芯材とＡｌ被覆層との間に形成する中間層について説明する。中間層を形成する金属として、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間の金属を用いることにより、Ａｌ被覆層の腐食を抑制できる。電位差が大きい場合、いわゆるガルバニ電池が形成され、Ａｌの腐食が促進されてしまう。これを抑制するには接合する２種の金属の電位差を小さくしておくことが効果的である。我々は各種の中間層材料を実験し、前記の標準酸化還元電位であれば、実用上の効果を発揮することを見出した。
【００２４】
表１に示すように、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎのいずれかであれば、標準酸化還元電位が０Ｖから−１．６Ｖの間に入るので、中間層を形成する金属としてこれらの金属又はその合金を用いることができる。
【００２５】
中間層の厚さは、１０ｎｍ以上が望ましい。我々の実験の結果から、１０ｎｍ以上であれば十分な信頼性が得られることが分かった。
【００２６】
ボンディングワイヤ等製造時の熱処理により、芯材と中間層との境界、中間層とＡｌ被覆層との境界には、隣り合う層の金属が相互拡散し、拡散領域が形成されることがある。芯材と中間層との境界における拡散領域において、中間層から中心に向けて、中間層金属含有量が漸減するとともに、芯材金属含有量が漸増する。本発明において、芯材金属含有量が５０ａｔ％となった位置を芯材と中間層との境界と定義する。中間層とＡｌ被覆層の境界における拡散領域において、Ａｌ被覆層から中心に向けて、Ａｌ被覆層金属含有量が漸減するとともに、中間層金属含有量が漸増する。本発明において、中間層金属含有量が５０ａｔ％となった位置を中間層とＡｌ被覆層との境界と定義する。
【００２７】
芯材を構成する含有成分は、上記Ｃｕ又はＣｕ合金を構成する成分に加え、不可避不純物を含有している。さらに、伸線と中間層との境界に上記拡散領域が形成されている場合には、当該拡散領域において、芯材中には中間層の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
【００２８】
中間層を構成する含有成分は、上記中間層を構成する成分に加え、不可避不純物を含有している。さらに拡散領域が形成されている場合、中間層中における芯材側の拡散領域において、中間層中には芯材の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下であり、中間層中におけるＡｌ被覆層側の拡散領域において、中間層中にはＡｌ被覆層の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
【００２９】
Ａｌ被覆層を構成する含有成分は、上記Ａｌ被覆層を構成する成分に加え、不可避不純物を含有している。さらに拡散領域が形成されている場合、Ａｌ被覆層中における中間層側の拡散領域において、Ａｌ被覆層中には中間層の成分を含有しており、その含有量は５０ａｔ％以下である。
【００３０】
本発明のボンディングワイヤ又はボンディングリボンは、その断面積が１５００平方μｍ以上であると好ましい。パワーデバイスはＬＳＩに比して高電流を取り扱うが、高電流が流れることによってボンディングワイヤ又はボンディングリボンの発熱によって封止剤の耐熱温度を上回る可能性がある。発熱量は断面積に反比例するが、我々の実験結果では１５００平方μｍ以上の断面積が望ましいことが分かった。
【００３１】
本発明のワイヤの成分組成の評価方法について説明する。
【００３２】
Ａｌ被覆層、中間層、芯線及びそれらの境界部に含まれる拡散領域などの濃度分析について、ボンディングワイヤの表面からスパッタ等により深さ方向に掘り下げていきながら分析する手法、あるいはワイヤ断面でのライン分析又は点分析等が有効である。前者は、外層が薄い場合に有効であるが、厚くなると測定時間がかかりすぎる。後者の断面での分析は、外層が厚い場合に有効であり、また、断面全体での濃度分布や、数箇所での再現性の確認等が比較的容易であることが利点であるが、外層が薄い場合には精度が低下する。ボンディングワイヤを斜め研磨して、拡散領域の厚さを拡大させて測定することも可能である。
【００３３】
断面では、ライン分析が比較的簡便であるが、分析の精度を向上したいときには、ライン分析の分析間隔を狭くするとか、界面近傍の観察したい領域に絞っての点分析を行うことも有効である。
【００３４】
これらの濃度分析に用いる解析装置では、電子線マイクロ分析法（ＥＰＭＡ）、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）、オージェ分光分析法（ＡＥＳ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、ＩＣＰ分析、ＩＣＰ質量分析等の利用することができる。特にＡＥＳ法は、空間分解能が高いことから、最表面の薄い領域の濃度分析に有効である。また、平均的な組成の調査等には、表面部から段階的に酸等で溶解していき、その溶液中に含まれる濃度から溶解部位の組成を求めること等も可能である。
【００３５】
その他、５０ｎｍよりも薄い中間層の厚さおよび組成を精度良く測定するためには、手間はかかるものの、中間層を含む薄膜試料を作製し、ＴＥＭによる観察および電子線回折などを利用することが有効である。
【００３６】
次に、本発明のボンディングワイヤ及びボンディングリボンの製造方法について説明する。
【００３７】
まず、芯材の組成にあわせ、高純度のＣｕ（純度９９．９９％以上）と添加元素原料を出発原料として秤量した後、これを高真空下もしくは窒素やＡｒ等の不活性雰囲気下で加熱して溶解することで、所定の成分を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物であるインゴットを得る。ボンディングワイヤの場合、このインゴットを最終的に必要とするワイヤの直径まで金属製のダイスを用いて伸線する。ボンディングリボンの場合、リボンダイスによって伸線加工したが、ワイヤ状に伸線したものを圧延によってリボン形状を作成しても良い。
【００３８】
芯材の表面に中間層を形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。その後、中間層の表面にＡｌ被覆層を形成する。中間層の表面に更にＡｌ被覆層を形成する手法としては、電解めっき、無電解めっき、蒸着法等が利用できるが、生産性の観点から電解または無電解めっきを利用するのが工業的には最も好ましい。芯材の表面に中間層とＡｌ被覆層を被着する段階については、インゴットの段階で被着すると最も好ましいが、途中段階で所定の線径まで伸線又は圧延し、その段階で被着し、最終形状まで伸線又は圧延することとしても良い。
【実施例】
【００３９】
パワー半導体装置用のボンディングワイヤ・ボンディングリボンとして、本発明を適用した。
【００４０】
ボンディングワイヤ・ボンディングリボンの原材料として、芯材に用いたＣｕ、中間層に用いたＺｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ａｌ被覆層に使用したＡｌとして純度が９９．９９質量％以上の素材をそれぞれ用意した。Ｃｕを加熱して溶解することでインゴットを鋳造し、このインゴット表面に中間層とＡｌ被覆層を電解めっき方法で形成した。その後、ボンディングワイヤについては伸線及び焼鈍を行って最終線径２００μｍのボンディングワイヤを作製した。ボンディングリボンについては、伸線に代えて最終形状が１．５ｍｍ×１５０μｍであるボンディングリボンを作成した。中間層、Ａｌ被覆層の厚みは表２、表３に示す。
【００４１】
できあがったボンディングワイヤ・ボンディングリボンにおける中間層及びＡｌ被覆層の厚みは、ＩＣＰ分析によって平均膜厚を測定した。
【００４２】
ボンディングワイヤ・ボンディングリボンの接続には、市販のウェッジボンダーを使用した。評価用のサンプルは銅基板上にＳｉ半導体チップをマウントしたものを用いた。Ｓｉ半導体チップ上に設けた電極に、ボンディングワイヤ・ボンディングリボンをウェッジボンディングした。
ボンディングワイヤについては、ボンディング後にシェア強度を評価した。同サイズの４ＮＣｕワイヤよりも高いシェア強度を持つものを「○」、劣るものを「×」とした。
【００４３】
信頼性評価はバイアスは印加しない、いわゆるｕＨＡＳＴ（ｕｎｂｉａｓｅｄ  ＨＡＳＴ）試験によって行った。ボンディングしたサンプルをシリコーンゲルで封止した半導体装置について、温度１３５℃、相対湿度８５％ＲＨ（Relative Humidity）という高温高湿炉中に放置し、半導体装置の累積不良率が５０％を超えるまでの時間が１５０時間以上であれば○（合格）、８０〜１５０時間であれば△（合格）、８０時間以下であれば×（不合格）とした。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
【表３】
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【００４６】
ボンディングワイヤについての結果を表２、ボンディングリボンについての結果を表３に示す。本発明例１〜１２、１６〜２７は、芯材及びＡｌ被覆層に加え、本発明範囲にある金属からなる中間層を有している。比較例１３、２８は芯材の上にＡｌ被覆層を有し、中間層を有していない。比較例１４は中間層厚みを５ｎｍとした。また比較例１５はＡｌ層を０．０８μｍとした。
【００４７】
表２、３から明らかなように、ＨＡＳＴ試験による信頼性評価結果では、ボンディングワイヤ・ボンディングリボンのいずれも、中間層としてＮｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎを使用した本発明例１〜１２、１６〜２７については、信頼性評価結果が「○」であって最も良好であった。比較例１３，１４，２８は中間層を有しないか中間層厚さが好適範囲を下回り、信頼性評価結果が「×」であった。また、比較例１５はＡｌ被覆層の厚さが好適範囲を下回り、シェア強度評価結果が「×」であった。
【符号の説明】
【００４８】
１  ボンディングワイヤ
２  ボンディングリボン
３  芯材
４  中間層
５  Ａｌ被覆層
【図１】
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