(57)【要約】【課題】  安価であり、寸法精度が高く、かつ表面の酸化膜や不純物などが少ない優れたＡｌリボンを提供する。【解決手段】  厚み方向と幅方向との連続的な圧延加工により作製されたボンディング用Ａｌリボンであって、Ｎｉ、ＳｉおよびＰのうちの１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有し、残部が不可避的に含まれる元素を除いてＡｌから構成され、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さ(Ｒａ)が２.５μｍ以下であり、酸化膜の厚さが５ｎｍ以下である。Ｎｉの含有量は１質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下であるのが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向と幅方向との連続的な圧延加工により作製されたボンディング用Ａｌリボンであって、Ｎｉ、ＳｉおよびＰのうちの１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有し、残部が不可避的に含まれる元素を除いてＡｌから構成され、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さ(Ｒａ)が２.５μｍ以下であり、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Ｎｉの含有量が１質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下であ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】
前記厚み方向と幅方向の連続的な圧延加工に、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールとからなる圧延用ロールセットを使用することを特徴とする、請求項１または２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の接合等に使用されるボンディング用のＡｌリボンおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を用いた各種半導体装置においては、半導体素子に設けられた接続電極（ボンディングパッド）と、プリント配線基板に接続させる外部引き出し用端子（リード）との接続のため、ＡｌやＣｕなどからなるワイヤを用いた超音波ワイヤボンディングが一般的に行われている。
【０００３】
この超音波ワイヤボンディングは、接続部に押圧荷重や超音波の振動エネルギーを与えて、ワイヤ端部の表面に形成された例えば厚み数ｎｍ程度のごく薄い酸化膜を破り、金属同士の良好な接合を可能にする接続方法である。このようなワイヤボンディングが広く行われている中、半導体技術の急速な進歩に伴い、半導体素子に供給する電流を大電流化することが求められるようになってきている。これに対応するため、ボンディングワイヤの形状を例えばリボン形状にする技術が提案されている。
【０００４】
このように、ボンディングワイヤの形状を従来の断面が円形のもの（以降、単に従来のワイヤと称する）から断面が長方形のいわゆるリボン形状にすることによって、断面積を格段に大きくすることができる。その結果、半導体素子に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うることができるようになる。
【０００５】
例えば特許文献１には、Ａｌからなるリボン形状のワイヤ（以降、Ａｌリボンと称する）に関する技術が開示されている。このボンディング用のＡｌリボンは、ボンディングの初期に被接合面に接触する複数の凸部を接合側の一方の面に備えており、これにより通常のＡｌリボンと同等の電流容量を有しつつ、同等若しくは同等以上のより安定した接合強度を実現できると記載されている。また、複数の凸部の位置や大きさを所望のものとすることにより、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ると記載されている。
【０００６】
また、複数の凸部の頂部の面積を小さくすることにより、Ａｌリボンと被接合面との摩擦が発生し易くなって、表面に形成されている酸化膜を容易に破ることが可能になるとも記載されている。さらに、初期の塑性流動を発生させやすいため、比較的小さな荷重およ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が確保できると記載されている。
【０００７】
特許文献２には通常のボンディング用リボンと比較して、何万回接合しても毎回接合面の全面にわたって均質に接合することができ、より安定した接合強度を実現できるボンディング用Ａｌリボンについて開示されている。この特許文献２の超音波ボンディング用Ａｌリボンは、添加元素および残部が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ている。さらに、この特許文献２のＡｌリボンは、多段伸線後にロール圧延された極薄テープ構造を有しており、Ａｌ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）である。また、この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）の鏡面仕上げが施されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
上記したように、Ａｌなどからなる断面円形の従来のワイヤの一部代替品として、Ａｌリボンが既に実用化されて広まりつつあり、これに付随するいろいろな技術も提案がなされている。しかし、以下に示すように、Ａｌリボンは課題も抱えており、市場拡大の足枷となっている。すなわち、半導体分野は激しいコスト競争にさらされており、市場からのコストダウン要請が強く、この要求に応えきれなければ、その技術自体が生き残れない状況にあり、Ａｌリボンも全くこのような状況下におかれているのである。とりわけ、Ａｌリボンは車載用などの一般的な製品に使われており、この分野ではとくにコスト低減の要求が強い。したがって、Ａｌリボンの市場拡大にはコスト低減が最も大きな課題であると言ってよい。
【００１０】
さらに、寸法精度上の品質においてＡｌリボンには高いレベルが求められている。これは、Ａｌリボンの幅や厚みの寸法精度が低いと、Ａｌリボンの許容電流にばらつきが生じてしまうからである。さらに、厚みが変わると、接合時に十分な接合強度を得るための荷重や超音波エネルギーが変わってしまい、また、幅が変わることによって接合面積も変わってしまうからである。このような寸法の変化に合わせて接合条件を変えることは現実的には不可能であり、接合の信頼性を損ねる原因になる。このように、良好な接合性や高い接合信頼性を得るためには寸法精度の高いＡｌリボンが必要となる。
【００１１】
さらに、Ａｌリボンはボンディングする際、酸化膜が厚かったり不完全なリボン洗浄によって油が残っていたりすると、従来の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まう。この現象は従来のワイヤでも問題になることであるが、とくにリボンの場合は１本あたりの接合面積が広くなるため問題になりやすい。このように、酸化膜の厚みの低減や油などの不純物の低減もＡｌリボンの課題の一つと言える。
【００１２】
以上説明したように、Ａｌリボンの解決すべき課題は、先ずＡｌリボンの低コスト化であり、さらに高い寸法精度である。加えて、Ａｌリボンの酸化膜や不純物の低減も解決すべき課題として挙げられる。これらの課題を解決することにより、Ａｌリボンはさらに工業的に重要な製品となり得るのである。
【００１３】
特許文献１の技術は、前述したようにボンディングリボンの接合側の一方の面に複数の凸部を設けて安定した接合強度を実現させるものであるが、板厚が厚いものに凸部を設けるのではなく、肉薄のボンディングリボンにわざわざ凸部を設けることは容易ではない。すなわち、配線材として使われるボンディング用Ａｌリボンは厚みが極めて薄く、一般的には５０〜１００μｍ厚程度であり、厚くても２００μｍ厚を超えることはほとんどない。
【００１４】
このような薄いＡｌリボンに凸部を形成するには相当に高度な技術を要し、よって、かなりのコストアップになることは避けられない。圧延はいろいろなところで使われている一般的な技術であるが、厚み１００μｍ程度の金属箔に凸部を設けるという技術は明らかに一般的には行われていないからである。また、この凸部を形成させるための加工工程が必要になるので、必然的に装置や治具等が増えることになり、それだけでＡｌ合金からＡｌリボンを製造する場合よりも多くのコストがかかることになる。
【００１５】
さらに、特許文献１には凸部を接合側の面に設けて安定した接合強度を実現させていることから、接合時には当該凸部に押圧荷重やエネルギーが集中し、酸化膜等を容易に破って部分的な単位面積当りの強度は向上すると考えられる。しかし、逆に凹部では接合時の押圧力が低くなるため凹部の接合強度は低くなり、接合部全体としての強度は必ずしも高いとは言えない。
【００１６】
また、部分的な応力集中によってリボンが著しく変形する箇所が生じやすく、この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リボン自身の接合強度を下げてしまうことが推測される。さらに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とき、断面が単純な長方形のものに比べて応力集中が起きやすくなってしまう。そして、この応力集中の位置や応力の大きさによってはクラック発生の原因になったり、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、十分な接合強度が得られなかったり、接合面の接合強度に大きなバラツキが発生してしまうなどの問題が発生してしまうと考えられる。
【００１７】
また、特許文献２の技術は、前述したようにボンディングリボンの添加元素や伸線条件等を所定の条件とすることにより、何万回接合しても毎回接合面の全面にわたって均質に接合することを可能にし、より安定した接合強度を実現するものであるが、伸線条件を多段伸線にすることが必須の条件になっている。このように多段伸線の場合は、その段数が増えれば増えるほど作業時間や手間がかかり、必要となる治具なども増加する。
【００１８】
そして、１台の装置で多段伸線を行おうとすると、ダイスを交換したり、交換のための掃除等を行ったり、ワイヤの張力をその径によって毎回、調整しなければならなかったりするなど極めて非効率的になる。このような手間を省き、効率的に多段伸線する方法として、多段に対応する数だけの伸線装置を揃え、各装置で伸線するワイヤ径を固定することが考えられる。これにより作業性は大幅に向上するが、装置導入にコストがかかる上、広い機器設置スペースが必要となる。いずれにせよ、多段伸線はコストがかかってしまうことは明白である。
【００１９】
さらに特許文献２には、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕの添加で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ある。しかし、結晶粒径を整えても酸化膜は存在しているため、特許文献２の技術は接合性を下げる一番の原因である酸化膜の除去効果は全く有しておらず、よって接合強度の向上効果は小さいと言わざるを得ない。
【００２０】
さらに、この特許文献２の実施例等では、アルミニウムのリボン材を２００〜４００℃で熱処理するとの記載がある。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を用いた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難しく、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〜１０ｎｍ、部分的に見れば数１０ｎｍ以上の酸化膜が形成されていると考えられる。接合強度向上には第一に酸化膜を薄くするなどの対策を行う必要があり、このような厚い酸化膜が形成されている場合は、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れないことは明確である。
【００２１】
さらに、多段伸線後、ロール圧延すると断面が円形の材料を板状に変形させるわけであるから、幅方向で塑性変形量が大きく異なり、残留応力が大きくなって強度がでなかったり、幅方向の端部にクラックが発生したりし、収率の低下や断線の原因となり、また、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する。このようなＡｌリボンでは接合の安定性が不足し、強度を十分に有する接合は不可能であり、かつ、製造上において収率も悪くなることからコスト面でもかなり不利になってしまう。以上述べたように、Ａｌリボンにはまだ解決すべき重要な課題が残されている。
【００２２】
本発明は上記した従来のＡｌリボンの問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子と基板との接合等に使用されるボンディング用のＡｌリボンに関して、先ず第一に安価であり、次いで寸法精度が高く、さらにはＡｌリボン表面の酸化膜や不純物などが少ない優れた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】
【００２３】
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、厚み方向と幅方向との連続的な圧延加工により作製されたボンディング用Ａｌリボンであって、Ｎｉ、ＳｉおよびＰのうちの１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有し、残部が不可避的に含まれる元素を除いてＡｌから構成され、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さ(Ｒａ)が２.５μｍ以下であり、酸化膜の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴としている。
【００２４】
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、上記したボンディング用Ａｌリボンの厚み方向と幅方向の連続的な圧延加工に、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールとからなる圧延用ロールセットを使用することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、接合強度に優れ、接合性のバラつきが少なく、よって安定した接合が可能なボンディングＡｌリボンを安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のボンディング用Ａｌリボンの製造方法で使用する圧延用ロールセットの一具体例の平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のボンディング用Ａｌリボンの一具体例について説明する。この本発明の一具体例のＡｌリボンは、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールとで構成される圧延用ロールセットを使用して、例えば板状のＡｌ母材を厚み方向および幅方向に連続的に圧延加工することで作製されることを特徴としている。この圧延用ロールセットの圧延では、圧延前の板状等のＡｌ合金の断面積から所望の厚みおよび幅となるようにそれぞれ圧下量を決定して圧延する。圧延用ロールセットは１セットだけで使用してもよいし、複数セットを使用して、各々で厚み方向と幅方向に連続的に圧延加工してもよい。
【００２８】
１セットの場合はコスト的に有利になるが、複数セットとすることにより、仕上げ圧延をより高い精度で行うことができるという効果が得られる。なお、複数セットで圧延する場合は最終圧延となる仕上げ圧延の圧下量はごくわずかとすることが好ましい。この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、具体的には表面粗さが小さくなるなどの効果が得られる。
【００２９】
厚み方向と幅方向との圧延作業で連続的に圧延できるのであれば、その他の条件に関してはとくに制約はない。例えば、厚み方向に圧延する上下一対のロールと幅方向に圧延する左右一対のロールとを１セットとした圧延ロールセットを用いることで、１回の圧延作業で連続的に圧延することができる。これら２つのロール対の間にはガイドロールを設けてよく、Ａｌ母材がロールに入る入口付近、または製品としてのＡｌリボンがロールから出る出口付近にガイドロールを設けてよい。
【００３０】
各ロール対は、モーターなどによる動力を用いて駆動してもよいし、動力を用いないで単なる回転するだけのロールで構成してもよい。各ロール対を構成する２つのロール同士の隙間は調整できない固定式のものでもよいし、可動式で調整できるものであってもよい。これらロールの仕様は、製品となるＡｌリボンのサイズやその加工精度、要求される作業性のレベル等に応じて適宜定めればよい。
【００３１】
以下、図１に示すような、厚み方向ロール１と幅方向ロール２との１セットで構成される最も単純な圧延用ロールセットを用いて板状のＡｌ母材３を圧延する場合について説明する。この圧延用ロールセットでは、まず厚み方向ロール１と幅方向ロール２の各々において、ロール対を構成する２つのロール同士の隙間を要求寸法に合わせて調整する。次にＡｌ母材３を厚み方向ロール１にかみ込ませて通した後、後続の幅方向ロール２にかみ込ませて通す。２つのロール対を通した後のＡｌリボン４の端部を図示しない巻取機に取り付けられた図示しない巻取用スプールにセットする。
【００３２】
この状態で、巻取機を自動で回転させてＡｌリボン４の巻き取りを開始する。以上のように作業することによって、板状のＡｌ母材３は厚み方向ロール１と幅方向ロール２の２つのロールを通って所定の寸法に圧延される。圧延時は後述するように潤滑油を供給しながら、潤滑性を持たせて圧延するのが好ましい。これにより、圧延の際にキズ等がつきにくくなり、表面のきれいなＡｌリボンが得られる。
【００３３】
上記したように２方向の圧延を行うことにより、単に厚さ方向だけを圧延する場合と比較して、とくに幅方向の寸法精度を高くすることができる。すなわち、一般的な圧延では幅方向の調整を行えないため、幅方向の寸法が大きくばらついてしまう。とくにワイヤを１方向にのみ圧延してリボン形状にする場合、幅方向の寸法精度が劣るだけでなく、Ａｌリボンの幅方向の中心部と端部では圧延する割合が大きく異なるため、クラック等が発生しやすくなる。
【００３４】
このクラック発生を抑制するためには、圧延回数を多くすることが必要になり、結果的に生産が非効率になる。これに対して上記した本発明のＡｌリボンの製造方法の一具体例では、２方向の圧延を１連の作業として連続的に行うので、高い寸法精度が得られると共に生産効率も非常に高く、格段に低コストでＡｌリボンを製造することができる。
【００３５】
上記したような圧延用ロールセットでＡｌリボンを製造すべく圧延されるＡｌ母材は、Ｎｉ、ＳｉおよびＰのうち１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有しており、残部が不可避的に含まれる元素を除いてＡｌから構成されるＡｌ合金である。上記Ｎｉは、１質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含まれているのが好ましい。図１の例ではＡｌ母材の形状は板状であったが、これに限定されるものではなく、箔状であってもよいし、円柱状やワイヤ状であってもよい。
【００３６】
ワイヤ状のＡｌ母材を用いる場合は伸線によって先ずＡｌ母材を製造してよく、この場合のダイスの孔部の材質は超鋼材よりもダイヤモンドが好ましい。このようなダイスを用いることによりワイヤ表面の凸凹を軽減でき、キズなども入りにくくなる。そして、品質をより重要視する場合は伸線速度を遅くするとよい。伸線速度が速いとキズ等が入りやすくなってＡｌ合金の表面が荒れるため、例えば引っ掛かった際に蛇行などしやすくなる。その結果、長さ方向で塑性加工の程度が異なったり、キズが多くなったりしてしまう。
【００３７】
添加元素の多めに入ったＡｌ合金の場合は硬くなる傾向があるため、ダイスにはテーパーダイスを用いるのが好ましい。伸線速度を遅くすることによりダイス部（Ａｌ合金が変形する部分）の力が高くなりすぎず、伸線方向に均一な品質のＡｌワイヤが得られやすく、さらに、テーパーダイスを用いることにより、ダイス先端部の応力がとくに高くなって硬いものでも加工しやすくなるからである。次に、上記したＡｌ母材に含まれる必須元素、および必要に応じて含有させる元素について説明する。
【００３８】
＜Ａｌ＞
Ａｌは本発明のＡｌリボンの主成分である。Ａｌは電気伝導性に優れ、かつ、非常に軽く、配線材として非常に優れている。このため、配線材料として一般的に使用されている。しかし、Ａｌのみではボンディング性、接合性、および耐候性など実用性の面において不十分であるので、以下の各種元素を含有して実用性の高い配線材にしている。
【００３９】
＜Ｎｉ、Ｓｉ＞
本発明のＡｌリボンはＮｉ、ＳｉおよびＰのうちの１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有している。ＮｉとＳｉとは互いに同じような効果を奏するため、先ずこれら２元素について説明する。Ｎｉおよび／またはＳｉの添加で得られる最も大きな効果は、Ａｌよりも劣る還元性によって得られる効果である。すなわち、Ｎｉ、ＳｉはＡｌより酸化されづらいため、Ａｌリボンにこれら元素の少なくとも一方を含有させるとＡｌリボン自体が酸化しづらくなり、Ａｌリボンの酸化防止に役立つのである。さらに、Ｎｉ、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。
【００４０】
すでに述べてきたように、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大きく、実際にボンディングの際は発熱し酸化が進行し易くなるわけであるから、ＮｉやＳｉの添加によりますます酸化防止効果が発揮され、かつ、接合後の耐腐食性も向上する。このように、ＮｉやＳｉの添加により高い信頼性を有する接合が可能となるわけである。
【００４１】
Ｎｉ、Ｓｉの添加により得られる二番目に大きな効果は、Ａｌリボンの結晶組織の制御にある。すなわち、これらの元素を適量含有させることにより、Ａｌリボンの結晶粒径を制御でき、接合強度や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のである。Ａｌリボンに要求する特性はユーザーによりさまざまであり、個別に合わせ込む必要がある。
【００４２】
例えば、Ａｌリボンが硬すぎる場合、ボンディング時においてループ状に曲げた際、反発力が強くなり、とく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してしまう。逆にループ性ばかり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カスが多く発生したりして、異物混入などの問題を引き起こす可能性が高くなる。
【００４３】
このため、各ユーザーのニーズに対応して、接合強度、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り、この調整のためにＮｉおよびＳｉのうちのいずれか１種以上を含有させて、結晶粒径等を制御することが有効なのである。具体的には、Ｎｉ、Ｓｉの含有量をＰと合わせて８００質量ｐｐｍまでを上限とする範囲内で増やしていくことにより結晶粒径を小さくしていくことができ、かつ酸化されにくくすることができる。とくにＮｉとＳｉは含有量によって結晶粒径を制御しやすく、これらの少なくとも一方を狙いとする結晶粒径に合わせて含有させればよい。
【００４４】
ＮｉおよびＳｉのうちの少なくとも一方は１質量ｐｐｍ以上含ませるのが好ましい。この量が１質量ｐｐｍ未満では少なすぎて上記の効果が得られにくくなる。一方、Ｐと合わせた合計が８００質量ｐｐｍを超えるとＡｌリボンが硬くなりすぎたり、Ｎｉ、ＳｉおよびＰが偏析して諸特性の場所によるバラツキが大きくなったりしてしまう。特に、Ｎｉの含有量は１質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下とするのが好ましいが、その理由はＮｉ含有量がこの範囲内であれば、加工性、耐酸化性、接合強度等の各種特性のバランスを取り易いためである。
【００４５】
＜Ｐ＞
前述したように、Ｎｉ、ＳｉおよびＰのうちの１種以上を合わせて８００質量ｐｐｍ以下含有させるとの制約の下でＡｌリボンに添加されるＰの効果について説明する。金属は特殊な場合を除き、表面が酸化膜で覆われている。Ａｌのような酸化し易い金属は当然、酸化膜で覆われており、熱間圧延されたり、熱処理を施したりした場合は条件によっては厚み数１０ｎｍ以上の酸化膜が形成されることがある。基板の外部引き出し端子などはＣｕであったり、その接合面にＮｉメッキが施されたりしているが、同様に酸化膜を有していることに違いはない。この酸化膜や、洗浄不足によって生じる残留油の油膜等を破って安定した接合強度を得ることは容易ではない。
【００４６】
この酸化膜等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。Ｐを含有したＡｌリボンは、接合時にＰの持つ強い還元性により接合面を還元するため、酸素等の不純物がほぼ無い状態で接合でき、接合強度を格段に向上させることができる。Ｐは接合面を還元した後、気体の酸化物となり飛んでいくため、接合面に残留して問題を起こすことが無く、この点においても非常に優れた元素と言える。油等の不純物についてもＰの効果はあると推測している。当然、不純物の成分に依存するが、Ｐで還元できない酸化物は稀であり、ほとんどの元素が還元でき、さらには還元後、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。
【００４７】
以上の効果により、Ｐを含有したＡｌリボンは非常に優れた性能を発揮するのである。このＰの効果を発揮させるためには、Ｐの含有量は１質量ｐｐｍ以上であるのが好ましい。一方、Ｐの含有量がＮｉおよびＳｉと合わせた合計で８００質量ｐｐｍを超えると、Ａｌリボンが硬くなりすぎたり、Ｎｉ、ＳｉおよびＰが偏析して諸特性の場所によるバラツキが大きくなったりしてしまう。
【００４８】
＜平均結晶粒径・表面粗さ・酸化膜＞
本発明のＡｌリボンは平均結晶粒径が２μｍ以上２５０μｍ以下であり、かつ、平均表面粗さＲａが２.５μｍ以下であり、かつ、酸化膜の厚さが５ｎｍ以下である。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。ＮｉやＳｉの含有量とアニール温度や時間を調整することによって、平均結晶粒径を高い精度で制御できる。
【００４９】
このように平均結晶粒径を制御することによって、強度、伸びが適正な値となり、かつ、それらのバラツキが少ないリボンを製造することが可能となるのである。前述したように、Ａｌリボンへの特性要求はユーザーによりさまざまであり、個別に合わせ込む必要があり、よって、結晶粒径の制御を行うことは必要であり、かつ、重要なことである。
【００５０】
平均表面粗さＲａを２.５μｍ以下とする理由は、平均表面粗さが２.５μｍを超えてしまうと接合の際、実質的に接合している面積が小さくなってしまい、接合強度が低くなったり、接合強度のばらつきが大きくなったりするからである。この値が２.５μｍ以下であれば、安定して高い接合強度の接合が可能となり、さらに１.０μｍ以下であればより一層安定して高い接合強度が可能となるのでより好ましい。このようにＡｌリボンの平均表面粗さＲａを２.５μｍ以下にするには、圧延用ロールセットのロールの平均表面粗さを０.１μｍ以下、好ましくは０.０２μｍ以下にするとよい。また、圧延時に潤滑剤を十分に供給し、可能な限り摩擦が少ない条件で圧延するとよい。
【００５１】
酸化膜の厚さを５ｎｍ以下にする理由は、基板の接合面とこれに接合されるＡｌリボンとの間にこれら金属以外のものが介在すると、上記接合を想定している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をかけながらボンディングするのであるが、それでも酸化膜の膜厚が５ｎｍを超えてしまうと良好な接合ができなくなってしまう。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り好ましい。このようにＡｌリボンの表面部に形成される酸化膜の厚さを５ｎｍ以下にするには、圧延時に発熱を少なくすることが好ましく、潤滑剤を十分に供給したり、生産性が落ちない範囲で圧延速度を下げることが有効である。さらに、Ａｌリボンのアニール時は真空もしくは不活性ガス雰囲気にして、実質的に無酸素状態でアニールすることが好ましい。
【００５２】
上記した本発明の一具体例のボンディング用Ａｌリボンに用いるＡｌを主成分とするＡｌ母材は、例えば、Ａｌおよび各添加元素を不活性ガス中で高周波溶解してから鋳型に鋳込むことにより製造することができる。あるいは、連続鋳造機によって製造してもよい。このようにして準備したＡｌ合金からなるＡｌ母材を必要に応じて１段または２段以上で伸線した後、前述した厚み方向と幅方向との連続的な圧延加工により圧延してボンディング用のＡｌリボンが得られる。以下、かかるＡｌリボンの製造方法の一具体例について説明する。
【００５３】
まず、原料として純度９９.９９５質量％以上のＡｌと、添加元素である例えば純度９９.９５質量％以上のＮｉ、Ｓｉ、およびＰのうちのいずれか１種以上とを準備する。各原料を目標組成に合わせるべく所定量秤量し、溶解用グラファイト坩堝に投入する。グラファイト坩堝の底付近の側面には横穴が開いており、ここにＡｌ合金のダミー材（目標組成のＡｌ合金）を詰めて蓋の役割をさせる。Ｐを添加する場合は溶解時に蒸気として飛んでしまいやすいため、目標組成より１０〜３０％程度多めに入れるとよい。
【００５４】
上記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０.５〜２（Ｌ／分）程度流す。この状態で連続鋳造炉の電源を入れ、昇温速度の設定値を２〜４（℃／秒）として自動で昇温させる。その後、自動運転で融点よりも８０〜２００℃程度高い温度で保持する。各原料が溶けたのを確認した後、各元素の溶け残りや偏析がないように攪拌翼を挿入して攪拌する。
【００５５】
原料が十分に混ざったことを確認した後、グラファイト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、所定の形状（例えば、所定の径の棒状、断面が円形のワイヤ状、断面が長方形などの板状）のＡｌ合金の母材を製造する。このように高周波溶解式の連続鋳造炉を用いて溶解鋳造すると、安定した品質の合金を多量に作れるため、Ａｌ合金の溶解鋳造方法として好ましい。
【００５６】
次に鋳造されたワイヤ状のＡｌ合金の母材を伸線機を用いてより小径のワイヤ状に伸線する場合について述べる。なお、この伸線工程は必要に応じて行われるものであり、伸線機には湿式伸線機を用いることができる。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にＡｌ母材を通過させることにより所望の線径が得られる。ダイスには円形のものまたは長方形などの異形状のものを用いてよく、キャプスタンはコーン式または円筒形であってよい。
【００５７】
伸線時には、潤滑剤を用いるのが好ましく、使用する潤滑剤には鉱物油、植物油、またはこれらの混合油などが好ましい。これら潤滑剤は、キャプスタンが浸る没式伸線、またはダイス孔入り口付近での噴霧もしくは滴下で使用される。具体的な潤滑剤の種類やその使用方法は、ダイス減面率や生産性を考慮して適宜選択すればよく、また潤滑剤は必要に応じて希釈してもよい。
【００５８】
ダイス中心部に配置される孔部の素材は、超鋼材、人工ダイヤまたは天然ダイヤが好ましく、孔の形状は円形が一般的に用いられる。Ａｌ合金の連続鋳造後の合金径から所望する断面積を考慮して伸線を行う。さらにＡｌ合金の結晶粒径や表面粗さなどにも考慮し、ダイス形状（テーパーダイス、フラットダイスなどの選定）、潤滑油などを選定し、伸線速度などにも十分注意して伸線する。
【００５９】
上記の伸線で得られたＡｌ合金のワイヤを、前述した厚み方向と幅方向の圧延ロールセットで圧延する。この場合の圧延は、温間圧延、冷間圧延などで圧延してよい。なお、金属材料の圧延加工では金属粉（スラグ）が発生することが一般的であり、発生した金属粉は圧延ロールの外周面に付着しやすい。このように外周面に金属粉が付着していたり、または元々表面粗さが粗い圧延ロールの場合は、外周面に凹凸が多く、高低差が大きいロールによって圧延することになるので、これにより作製されたＡｌリボンは表面に打痕やいわゆる曇りを生じやすく、この場合は打痕等に伴う問題を生じることがある。
【００６０】
すなわち、表面に打痕等を有するＡｌリボン材は、接合強度がバラついたり、断面積が減少して局部的にＡｌリボンの許容電流が小さくなってしまったりする。よって、可能な限り打痕等の無いＡｌリボン材を製造するのが望ましく、そのためには、圧延時に潤滑油を供給すると共に汚れた潤滑油を拭き取りながら作業することが好ましい。さらに、表面粗さができるだけ平坦なロールを使うことが好ましい。これにより、より一層品質の優れたボンディング用Ａｌリボンを製造することができる。さらには蛇行等も発生しにくくなる。
【００６１】
潤滑油にはＡｌ専用圧延油はもちろん、鉱物油、植物油など用いることができる。とくに洗浄後に残留しにくい潤滑油が好ましい。例えば、ヤシ油、ゴマ油、アマニ油、オリーブ油、大豆油、菜種油などの動植物油、灯油、軽油など石油類等が挙げられる。さら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。
【００６２】
圧延後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のが好ましい。有機溶剤には潤滑油を溶解しやすく、潤滑油がリボン材に残りにくいものが好ましい。たとえば、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。とく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、潤滑油や溶剤がリボン材に残りにくいため好ましい。
【００６３】
潤滑油洗浄後は、必要に応じてスリット加工を行ってよい。スリット加工の際は、柔らかいＡｌリボンの場合はバリが出易くなるため、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使うのが好ましい。さらに圧延中、または圧延後のＡｌリボンが硬かったり、柔軟性が不足気味である場合には熱処理を施すことが有効であり、熱間圧延を行っても良い。熱処理や熱間圧延をすることにより目的にあった柔軟性や加工性を有するＡｌリボンにすることができる。
【００６４】
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。この理由は、熱処理温度を上げすぎたり、酸素濃度が高すぎたりするとＡｌリボン表面の酸化膜が厚くなり条件によっては数１０ｎｍ以上の厚みになり接合が困難になるからである。なお、伸線や圧延の前後、または途中においてアニールを行ってよい。これは金属組織の制御によって強度、伸び率等を調整することを目的としており、アニール温度は５０〜４００℃程度がよく、１２０〜２００℃未満であるとさらにその効果が大きくなるのでより好ましい。
【実施例】
【００６５】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。まず、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、およびＰとをそれぞれ準備し、これら原料を目標とする組成に合わせるべく所定量秤量し、溶解用グラファイト坩堝に投入した。
【００６６】
この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、窒素ガスを原料１ｋｇあたり約０.８（Ｌ／分）の流量で流した。この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℃に保持して各原料を溶解させた。溶解後は各原料の溶け残りや偏析がないように攪拌翼を挿入して攪拌した。原料が十分に混ざったことを確認した後、撹拌した状態で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４.０ｍｍ、長さ２０ｍの試料１のワイヤ状Ａｌ合金を得た。
【００６７】
各原料のグラファイト坩堝への投入量を様々に変えた以外は上記と同様の操作を繰り返して、試料２〜４１のワイヤ状Ａｌ合金を作製した。これら試料１〜４１のワイヤ状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。その分析結果を下記の表１に示す。
【００６８】
【表１】
2014232827.tif 000003
【００６９】
次に、上記試料１〜４１のＡｌ合金の各々に対して、伸線機で断面の直径０.８０ｍｍのワイヤに伸線した。具体的には、直径２.０ｍｍ、直径０.８ｍｍの２個のテーパーダイスを用いて２段伸線を行った。潤滑油は鉱物油と植物油を重量比で１：２.５の割合で混ぜたものを準備し、この潤滑油をかけた各試料を伸線機にセットした後、試料の先端部をダイスに通して巻取ロールに治具で固定し、自動運転によって一定速度で引っ張りながら伸線した。伸線時には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適量の潤滑油を適宜供給しながら伸線した。
【００７０】
次に、上記伸線で得た試料１〜４１の全てのＡｌ合金ワイヤに対して、圧延機を用いて圧延してＡｌリボンを製造した。圧延時にキズ等が入らないように、潤滑油をかけながら圧延を行い、酸化が進行しないように冷間圧延とした。試料１〜２５については圧延用ロールセットを用いて、狙いの寸法を厚さ０.１００ｍｍ、幅０.５００ｍｍとして厚さ方向と幅方向とに連続的に圧延を行った。圧延用ロールセットのセット数は、試料１〜２１、２５では１セット、試料２２では２セット、試料２３では３セット、試料２４では４セットとした。２セット以上の多段のロールセットでの圧延の場合は徐々に圧延を行った。
【００７１】
一方、試料２６〜４１についてはロールセットは用いずに通常の厚さ方向のみのロールを１個用いて厚さ方向のみ制御するロール圧延を行った。試料２６〜４１は、厚さ０.１００ｍｍ狙いで圧延を行った。その後、製造した試料２６〜４１のリボンに対して、幅０.５００ｍｍ狙いでスリットを行った。
【００７２】
上記圧延で得たリボン形状の試料１〜４１の各々に対して、真空引きのできる密閉性のあるバッチ式電気炉に入れ、温度１２０〜３５０℃でアニールを行って結晶の平均粒径を制御した。具体的には、試料１〜３、５、７〜２８、３２〜４１は１８０℃、試料４は１２０℃、試料６は３００℃、試料２９〜３１は３５０℃でそれぞれアニールした。このうち、試料４〜６、２９〜３１については特に注意を払った。アニール時間は目標温度に達してから３０分とした。
【００７３】
上記アニール時は、電気炉内の雰囲気によって酸化膜の厚さを調整すべく、各試料を電気炉の中に入れた後に真空引きを行い、その後、狙いの酸化膜の厚さに合わせて、準備した純窒素ガスと純酸素ガスとの混合ガスを流しながらアニールを行った。具体的には、酸素濃度が試料１〜９、１３〜３４、３８〜４１は０.１体積％、試料１０は０.０１体積％、試料１１は０.８体積％、試料１２は２.０体積％、試料３５〜３７は５.０体積％でそれぞれアニールした。このうち、試料１０〜１２、３５〜３７については特に注意を払った。
【００７４】
次に、＃４０００〜＃５０００の研磨紙とバフ研磨を用いた研磨により平均表面粗さを調整した。具体的には、狙いの平均表面粗さとなるように、試料１〜６、１０〜３１、３５〜４１は０.５μｍの研磨剤を用いたバフ研磨、試料７は０.１μｍの研磨剤を用いたバフ研磨、試料８は１.０μｍの研磨剤を用いたバフ研磨、試料９は＃５０００の研磨紙を用いた研磨、試料３２〜３４は＃４０００の研磨紙を用いた研磨を行った。このうち、試料７〜９、３２〜３４については特に注意を払って研磨した。
【００７５】
このように作製した試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して、下記の方法で平均結晶粒径、平均表面粗さ、および酸化膜の厚さを測定した。
【００７６】
＜平均結晶粒径の測定＞
結晶の平均粒径の測定は以下のように行った。まず各試料を２％硝酸と５％弗酸を用いてエッチング処理を行った。その後、マイクロスコープ（キーエンス社製、型式：ＶＨＸ−９００）を用いて任意に選択した２０個の結晶の粒径を測定した。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、粒の最も長い径と最も短い径の平均値を結晶粒径と定義した。このようにして得た２０個の結晶粒径の値を算術平均したものを平均結晶粒径とした。
【００７７】
＜平均表面粗さの測定＞
平均表面粗さの測定は、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。具体的には試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して、圧延方向とこれに直交する方向の各々において３点ずつ平均表面粗さ（Ｒａ）を測定し、これら６点の値の算術平均値をその試料の平均表面粗さ（Ｒａ）とした。
【００７８】
＜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。具体的には試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して任意に３箇所を選択し、それら３箇所の酸化膜の厚さを測定した。このようにして得た３箇所の値の算術平均をその試料の酸化膜の厚さとした。
【００７９】
上記方法で測定した各試料の平均結晶粒径、平均表面粗さ、および酸化膜の厚さを、圧延に使用した圧延ロールの種類と共に下記表２に示す。
【００８０】
【表２】
2014232827.tif 000004
【００８１】
次に、試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して、下記の方法で外観検査（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、および伸び率の評価を行った。
【００８２】
＜寸法バラツキ＞
試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して任意に５箇所を選択し、それら５箇所の厚さと幅とを光学顕微鏡によって測定した。そして、それぞれを算術平均して得た値を各試料の平均厚さと平均幅とした。
【００８３】
＜外観検査（クラック・バリの有無の検査）＞
試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して、外観検査を行ってクラックやバリの有無を調べた。この外観検査はまず測定器具を用いずに目視で行い、目視での判断が難しい場合に光学顕微鏡（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個以上の場合を「×」と評価した。
【００８４】
＜接合強度試験＞
接合強度を確認するため、試料１〜４１のＡｌリボンを用いてボンディングを行った後、それらの接合部のシェア試験を行った。具体的には、先ずＮｉメッキを施したＮｉメッキＣｕ基板に各試料のＡｌリボンの両端部を押し当てた後、超音波振動を８５（ｍｓ）加えて接続した。
【００８５】
なお、半導体素子にＡｌリボンの一端部を接合した場合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、上記のようにＡｌリボンの両端部をＮｉメッキＣｕ基板にボンディングした。このようにして得たＡｌリボンが接合されたＮｉメッキ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接合強度を測定した。接合強度は試料１を１００％として各試料の相対評価を行った。
【００８６】
＜伸び率＞
試料１〜４１のＡｌリボンの各々に対して、ループ性や柔らかさの指標となる伸び率を測定した。具体的には、リボン状の各試料を切断して１００ｍｍの長さの試験片を５個準備し、各々引張試験機（Ａ＆Ｄ株式会社製、型式：ＲＴＧ−１２４０）を用いて伸び率を測定した。そして、これら５個の試験片の伸び率の算術平均をその試料の伸び率とした。伸び率は試料１を１００％として各試料の相対評価を行った。
【００８７】
上記方法で測定したＡｌリボンの厚さと幅の寸法バラツキ（狙い値からのずれの絶対値を示す。寸法バラツキ＝「測定値―狙い値」の絶対値。厚さの狙い値＝０．１０００ｍｍ、幅の狙い値＝０.５００ｍｍ）、外観検査結果、接合強度、および伸び率を下記表３に示す。なお、作業時間も試料毎に測定し、試料１を１００％として相対評価で表３に示す。
【００８８】
【表３】
2014232827.tif 000005
【００８９】
上記表３から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１〜２５の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。つまり、全ての試料において、寸法バラツキは小さく、作業時間は比較例に比べ短く、外観検査ではクラックやバリは確認されず、接合強度も全て相対比較で１００％を超えており、伸び率についても相対評価で全て１００％を超える結果となった。
【００９０】
試料１〜２５の寸法バラツキが小さかった理由は、圧延時に厚さ方向と幅方向とを連続的に圧延することによって、とくに幅方向の調整を行わない試料２６〜４１に比べて高い寸法精度が得られたと考えられる。作業時間が短かった理由は１回で伸線したことが最も大きな要因であり、クラックやバリが発生しなかった理由は２方向からの圧延によって最大応力を小さくできたことに加えて、材料が柔らかすぎず、かつ脆くもない適度な硬さと延性を有していたことによると考えられる。
【００９１】
接合強度や伸び率が高い理由は、上記したクラックやバリがないことと同様の理由に加えて、平均結晶粒径、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たことによると考えられる。さらに試料１〜２５は圧延の際、蛇行したり、ソリが発生したり、皺が発生したりすることなどがなく、圧延作業を容易に行うことができ、極めて効率的に作製することができた。
【００９２】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料２６〜４１の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、作業時間は全て１００％を超えてコストが高くなる要因となっており、試料２９〜４１は接合強度や伸び率が６５％以下と悪い評価結果となった。このように評価結果が悪かった理由は本発発明の要件を満たしていないことによるものと考えられる。
【符号の説明】
【００９３】
１      幅方向圧延ロール
２      厚み方向圧延ロール
３      圧延前の板状Ａｌ母材
４      圧延後のＡｌリボン
【図１】
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