(57)【要約】パワー半導体デバイスの動作温度の上昇に対して、従来以上の高信頼性を有するボンディング接続部を実現できるボンディングＡｌワイヤ及び該Ａｌワイヤを用いた半導体装置、並びに該Ａｌワイヤの探索方法を提供する。本発明のボンディングＡｌワイヤは、アルミニウム合金からなり、室温から３００℃の温度範囲で実測される応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）において、該応力−歪線図の降伏後の線図から真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出することによって降伏後の真歪に対する真応力の傾きとして求められる接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上、好ましくは４００ＭＰａ／％以上である。前記の接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上であるＡｌ合金を選択する方法は、簡便で効率的な高信頼性ボンディングＡｌワイヤの探索方法として適用できる。
2013180300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と外部電極との接続に使用されるボンディングワイヤであって、
該ボンディングワイヤは、アルミニウム合金からなり、室温から３００℃の温度範囲で実測される応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）において、該応力−歪線図の降伏後の線図から真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出することによって降伏後の真歪に対する真応力の傾きとして求められる接線係数（ＴＣ）が３００ＭＰａ／％以上であることを特徴とするパワー半導体用アルミニウムワイヤ。
【請求項２】
前記の接線係数ＴＣが４００ＭＰａ／％以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤ。
【請求項３】
前記のアルミニウム合金は、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有し、前記アルミニウムワイヤの製造工程が、少なくとも固溶化処理工程、急冷工程及び２５０℃を超える温度による時効処理工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤ。
【請求項４】
添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の中で少なくとも１元素がアルミニウム中に固溶元素として固溶し、前記固溶元素とは異なる元素とアルミニウムとからなる化合物がアルミニウムの結晶粒の粒界に粒界析出物として存在する結晶構造を有することを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤ。
【請求項５】
前記のアルミニウム合金は、添加元素としてＣｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ及びＣｕ−Ｍｇ−Ｚｎの何れかを含有し、残部がアルミニウムからなることを特徴とする請求項３又は４に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤ。
【請求項６】
金属基板、該金属基板上に接着され表面にメタライズされた金属の回路層が形成されたセラミックス基板、該セラミックス基板上の回路層に接着された半導体基板、該半導体基板上に形成されたアルミニウムを主成分とする電極とセラミックス基板上の回路層の半導体基板から離れた個所を接続するボンディングワイヤを備える半導体装置であって、前記のボンディングワイヤが請求項１〜５の何れかに記載のアルミニウムワイヤであることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
パワー半導体素子と外部電極との接続に使用される高信頼性ボンディングワイヤの探索方法であって、
該ボンディングワイヤとして使用される金属の、室温から３００℃の温度範囲で実測される応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）において、該応力−歪線図の降伏後の線図から真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出することによって降伏後の真歪に対する真応力の傾きとして求められる接線係数（ＴＣ）が３００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金を選択することを特徴とするパワー半導体用アルミニウムワイヤの探索方法。
【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使用し、高信頼性のボンディング接続部を実現するためのアルミニウムワイヤ及び該アルミニウムワイヤを用いた半導体装置、並びに該アルミニウムワイヤの探索方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は、汎用インバータ、サーボモータ、工作機械、エレベータ等の制御用にとどまらず、電気自動車や太陽光、風力、燃料電池発電システム等の実用化により、その用途が広がっている。それに伴い、パワー半導体に対する要求性能は、これまで以上に多様化又は高度化している。
パワー半導体装置としては、従来より、スイッチングデバイスとして、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）、パワーＭＯＳ−ＦＥＴ、パワートランジスター等の大電流用のパワー半導体素子から構成されるものが知られている。その中で、モータを駆動源とする電気自動車や、モータ及びエンジンを駆動源とするハイブリッド車において、モータの駆動装置にＩＧＢＴ等の半導体素子が用いられる場合がある。これらの電気自動車やハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、インバータ用ＩＧＢＴモジュールの動作温度を高めることが極めて有効であることも知られている。最高動作温度が現状の１２０℃から１５０℃、さらに２００℃以上に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な小型、軽量化の実現で走行距離の増加が期待できる。ＩＧＢＴモジュールの２００℃動作の実現については、半導体自体には基本的な障害はない。また、最近ではシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）などの耐熱性半導体素子の開発が行われており、半導体素子の耐熱性が向上している。しかしながら、インバータを構成するＭＯＳ型パワーデバイスのアルミニウムワイヤ（以下Ａｌワイヤと称す）接続部の劣化が懸念される。これは、Ａｌワイヤと半導体チップとの熱膨張係数の違いに基づき、冷却過程で発生する引張り応力を駆動力とするワイヤボンディング部直上のＡｌワイヤの微細粒界でのクラック進展によるものと考えられる。
電極パッド上のワイヤのクラック進展を抑制して信頼性の高いＩＧＢＴモジュールを得るためには、Ａｌワイヤのボンディング方法や装置を検討するだけでは不十分であり、素材そのものについてもクラック進展の抑制効果が高い材料が求められている。そこで、本発明者等は、先に、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ又はＨｆ等の元素を微量添加したアルミニウム合金ワイヤを提案した（特許文献１〜３を参照）。前記特許文献１〜３に開示されたアルミニウム合金ワイヤは、ワイヤの微細粒界に金属間化合物を析出させたり結晶粒の大きさを制御する作用によってクラック進展が抑制できるため、接続部の信頼性向上を図ることができる。
また、特許文献４には、Ａｌワイヤにおけるボール形成能及び形成されるボールの硬さ等のバンプ形成特性を改善するために、ＡｌにＭｇを０．５〜３．０質量含有する合金アルミニウムからなるワイヤが提案されている。前記の特許文献４には、添加元素としてはＭｇに加えて、さらに白金元素又はＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｓｉより選択される少なくとも１元素を０．００１〜０．３質量％含有することができると記載されている。さらに、特許文献５には、接続電極面を構成するタンタル膜への接合性を向上させるために、高い破断荷重と破断応力を有するＡｌ−Ｓｉワイヤが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３０２８１１号公報
【特許文献２】特開平８−８２８８号公報
【特許文献３】特開２００８−３１１３８３号公報
【特許文献４】特開平７−１２２５６５号公報
【特許文献５】特開２００１−２６７３５５号公報
【発明の開示】
【０００４】
今後、益々進展する市場の多様化と高度化に伴い、パワー半導体デバイスの最高動作温度が高くなることは間違いなく、それに対応できる高信頼性ボンディング技術を確立することが不可欠である。そのために、より一層の信頼性向上を図ることができるＡｌ又はＡｌ合金ワイヤの開発が強く求められている。しかしながら、前記の特許文献１〜３に開示されたＡｌ合金ワイヤは、従来のＡｌワイヤやＡｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤよりも接続部の信頼性向上が図れるものの、最高動作温度が高くなるに伴って厳しくなる信頼性の高い目標には十分に応えられないという問題がある。
前記の特許文献４に記載の発明は、バンプ形成特性の改善という技術課題に着目して提案されたものであり、高温動作時のボンディングワイヤ接続信頼性を向上するためのＡｌワイヤを想起させるものではない。また、前記の特許文献５に記載のＡｌ合金ワイヤは、ボンディングワイヤの初期接合力を高めるためのものであって、高温動作時のボンディングワイヤ接続信頼性の向上という技術課題は全く触れられておらず、それに対して十分な効果が得られるとは考え難い。
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、今後、益々多様化と高度化が進むパワー半導体デバイスにおいて動作温度の上昇という技術課題に対して、従来以上の高信頼性を有するボンディング接続部を実現できるボンディングワイヤを提供することにある。具体的には、使用時の大電流繰返し通電によっても接続部におけるクラック進展を抑制して高信頼性のボンディング技術を確立するために適用できるボンディングワイヤを提供することにある。
本発明の他の目的は、高信頼性のボンディング接続部を実現できるボンディングワイヤを使用する半導体装置を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、高信頼性のボンディング技術を確立するために適用できるボンディングワイヤの探索方法を提供することにある。
本発明は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体デバイスにおいて、高温動作時の信頼性とボンディングワイヤの物性との関係に着目して鋭意検討した結果、応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）の降伏後における真歪に対する真応力の傾きがボンディングワイヤの接続信頼性を支配する重要な因子のひとつであるという新たな知見を得るとともに、高信頼性ボンディングＡｌワイヤの探索方法を見出して、前記の傾きが所定の値以上であるＡｌ合金をボンディングワイヤとして適用することによって上記の課題を解決できることが分かり本発明に到った。
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
（１）本発明は、パワー半導体素子と外部電極との接続に使用されるボンディングワイヤであって、該ボンディングワイヤが、アルミニウム合金からなり、室温から３００℃の温度範囲で実測される応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）において、該応力−歪線図の降伏後の線図から真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出することによって降伏後の真歪に対する真応力の傾きとして求められる接線係数（ＴＣ）が３００ＭＰａ／％以上であることを特徴とするパワー半導体用アルミニウムワイヤを提供する。
（２）本発明は、前記の接線係数ＴＣが４００ＭＰａ／％以上であることを特徴とする前記（１）に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤを提供する。
（３）本発明は、前記のアルミニウム合金は、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有し、前記アルミニウムワイヤの製造工程が、少なくとも固溶化処理工程、急冷工程及び２５０℃を超える温度による時効処理工程を含むことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤを提供する。
（４）本発明は、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の中で少なくとも１元素がアルミニウム中に固溶元素として固溶し、前記固溶元素とは異なる元素とアルミニウムとからなる化合物がアルミニウムの結晶粒の粒界に粒界析出物として存在する結晶構造を有することを特徴とする前記（３）に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤを提供する。
（５）本発明は、前記のアルミニウム合金が、添加元素としてＣｕ−Ｍｇ、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ及びＣｕ−Ｍｇ−Ｚｎの何れかを含有し、残部がアルミニウムからなることを特徴とする前記（３）又は（４）に記載のパワー半導体用アルミニウムワイヤを提供する。
（６）本発明は、金属基板、該金属基板上に接着され表面にメタライズされた金属の回路層が形成されたセラミックス基板、該セラミックス基板上の回路層に接着された半導体基板、該半導体基板上に形成されたアルミニウムを主成分とする電極とセラミックス基板上の回路層の半導体基板から離れた個所を接続するボンディングワイヤを備える半導体装置であって、前記のボンディングワイヤが前記（１）〜（５）の何れかに記載のアルミニウムワイヤであることを特徴とする半導体装置を提供する。
（７）また、本発明は、パワー半導体素子と外部電極との接続に使用される高信頼性ボンディングワイヤの探索方法であって、該ボンディングワイヤとして使用される金属の、室温から３００℃の温度範囲で実測される応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）において、該応力−歪線図の降伏後の線図から真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出することによって降伏後の真歪に対する真応力の傾きとして求められる接線係数（ＴＣ）が３００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金を選択することを特徴とするパワー半導体用アルミニウムワイヤの探索方法を提供する。
発明の効果
本発明によれば、応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）の降伏後における真歪に対する真応力の傾きとして定義される接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金をボンディングワイヤとして適用することによって、パワー半導体デバイスの最高動作温度が１５０℃以上、さらには２００℃以上になっても、使用時の大電流繰返し通電によって接続部に発生するクラックの進展を抑制することが可能となり、ボンディングワイヤ接続部の接続信頼性を従来よりも大幅に向上させることができる。本発明のボンディングアルミニウムワイヤを使用するＩＧＢＴモジュール等の半導体装置は、従来よりも高い最高動作温度下で大電流繰返し通電によって生じる過酷な環境においても高信頼性を保持することができる。
本発明のパワー半導体用アルミニウムワイヤの探索方法によれば、数多くの様々なアルミニウム及びアルミニウム合金について、パワー半導体モジュールの膨大な数の試作や信頼性評価実験等を用いた施行錯誤によって最適な材質や材料を見出す必要がなく、一般的に得られる応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）に基づいて、降伏後における真歪に対する真応力の傾きから最適な材質や材料を選定することができる。実際に行う試作や実験は、パワー半導体モジュールの信頼性確認に絞られる。そのため、過酷な環境や条件においても高信頼性を有するアルミニウムワイヤの材質や材料を、効率的に、かつ短時間で探索することができ、結果的に、高信頼性のパワー半導体モジュールを低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
図１は、各種ワイヤの平均せん断強度劣化率と引張り試験における接線係数との関係を示す図である。
図２は、ＩＧＢＴモジュールのワイヤボンディング部の模式図である。
図３は、アルミニウムワイヤの接続信頼性を評価するための熱サイクル試験条件の例を示す図である。
図４は、第１の実施形態において、１００℃−１５０℃高温サイクル試験結果を示す図である。
図５は、第１の実施形態において、１５０℃−２００℃高温サイクル試験結果を示す図である。
図６は、Ａｌワイヤの応力と歪との関係を示す模式的な応力−歪線図である。
図７は、本発明のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇワイヤボンディング部の結晶構造を示す模式図である。
図８は、本発明の半導体装置であるＩＧＢＴモジュールの平面図を示す図である。
図９は、本発明の半導体装置であるＩＧＢＴモジュールの断面図を示す図である。
図１０は、本発明の半導体装置であるＩＧＢＴモジュールの別の断面図を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、高温動作時におけるワイヤボンディング部の接続信頼性とボンディングワイヤ材質の物性との関係に着目した結果、ワイヤの応力と歪との関係を示す曲線（応力−歪線図）の降伏後における真歪に対する真応力の傾きがボンディングワイヤの接続信頼性を支配する重要な因子のひとつであるという新たな知見に基づいてなされたものである。本発明において、ワイヤの応力−歪線図の降伏後における真歪に対する真応力の傾きが接線係数ＴＣとして定義され、単位はＭＰａ／％で表される。この接線係数ＴＣと高温動作時におけるワイヤボンディング部の接続信頼性とは明確な相関性があり、接線係数ＴＣが所定の値以上であれば接続信頼性の大幅な向上を図ることができることが分かった。
高温動作時におけるワイヤ接合部の接続信頼性とボンディングワイヤ材質の接線係数ＣＴとの関係について、具体的な実施形態を用いて以下に説明する。
〈第１の実施形態〉
図１に各種ワイヤの平均せん断強度劣化率と引張り試験における接線係数との関係を示す。図１に示すボンディング接続部における平均せん断強度劣化率は、次のようにして求める。まず、直径３００μｍのアルミニウム又はアルミニウム合金からなるワイヤを、４５０〜５５０℃の温度範囲で固溶化処理（溶体化処理ともいう）して急冷した後、２５０℃を超える温度で結晶の最大析出時効処理を行い、急冷することによって作製する。また、本発明においては、アルミニウム又はアルミニウム合金を４５０〜５５０℃の温度範囲で固溶化処理して急冷した後、２５０℃を超える温度で結晶の最大析出時効処理を行い、再度急冷することによって作製される圧延材を、（冷間）伸線加工を施して直径３００μｍのワイヤとしてもよい。このようにして作製される各種ワイヤを、絶縁基板上の電極パッド及びＳｉ半導体素子上のＡｌ−Ｓｉ膜に超音波ボンディングする。これらの構成は、ＩＧＢＴモジュールのワイヤボンディング部を模擬したものである（図２に示すＩＧＢＴモジュールのワイヤボンディング部模式図を参照）。このとき、ボンディング条件は超音波の出力及び印加時間を調整することによって、ボンディング強度とワイヤつぶれが最適になるように設定する。このようにして得られる超音波ボンディング後の試料は、熱サイクル試験が行われて、各サイクル数を経過した後に半導体素子側に超音波接合したボンディングワイヤのせん断強度を測定する。
図１では、初期の平均せん断強度に対する５０００サイクル後の平均せん断強度の低下率を平均せん断強度劣化率として示している。熱サイクル試験は、最低温度−最高温度を、それぞれ７０℃−１２０℃、１００−１５０℃及び１５０−２００℃に設定して行い、両者間の温度差（ΔＴ）はどれも５０℃である。図１において、Ｎｉ１２０、Ｎｉ１５０及びＮｉ２００℃の表記で示される実験データは、Ａｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤを用いて、それぞれ７０℃−１２０℃、１００−１５０℃及び１５０−２００℃の温度間で熱サイクル試験を行ったときのものである。以下、他のワイヤの熱サイクル試験結果についても同じような表記方法で示す。なお、図１において、例えばＭｇ２００に対応する接線係数ＴＣは、それぞれＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤを２００℃において引張試験を行い、その公称応力−公称歪から求めるものである。Ｎｉ１５０は、Ａｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤを１５０℃の温度において引張試験を行い、同様の方法で求める。図１に示す接線係数ＴＣの求め方については、後で詳細に説明する。
ここで行われる熱サイクル試験の条件は、パワー導体モジュールの信頼性評価方法として通常行われているパワーサイクル試験（断続通電試験）で観測される現象を模擬して設定したものである。例えば、ＩＧＢＴモジュールのＳｉ半導体素子と基板は稼働時間とともに温度上昇して、両者の間に温度差が生まれる。この温度差がボンディングワイヤ接合部の温度変化に相当し、その温度変化は最大で３０〜９０℃であることが分かっている。したがって、本実施形態においては、図３に示す熱サイクル試験条件の例（１００−１５０℃）のように、最高温度と最低温度との差（ΔＴ）として５０℃に設定した熱サイクル試験を行う。
熱サイクル試験の評価例として、最低温度−最高温度をそれぞれ１００℃−１５０℃及び１５０℃−２００℃として熱サイクル試験を行ったときのワイヤ接続部の高温サイクルせん断試験の結果を図４及び図５に示す。図４の（ａ）及び図５の（ａ）は、せん断強度をサイクル数でプロットした図であり、図４の（ｂ）及び図５の（ｂ）は、平均せん断強度劣化率をサイクル数でプロットした図である。図４及び図５には、評価するワイヤとしてそれぞれ３種類及び２種類の例を示す。ここで、Ａｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤ及びＡｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤはそれぞれ公知のＡｌ合金ワイヤであり、ワイヤ作製時に固溶化処理工程及び急冷工程の後の最大析出時効処理工程を２８０℃３００分の条件で行ったものである。それに対して、Ａｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤは本発明による新規のＡｌ合金ワイヤである。このＡｌ合金ワイヤは、ワイヤ作製時に固溶化処理工程及び急冷工程の後の最大析出時効処理工程を３５０℃６０分の条件で行った。
図４及び図５に示すように、Ａｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤは、従来のＡｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤ及びＡｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤと比べてサイクル数によるせん断強度及びその劣化率の低下が非常に小さく、優れた接合部信頼性を有することが分かる。Ａｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤは、従来から使用されているＡｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤよりもやや優れた接合部信頼性を示すが、本発明のＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤと比べると、接合部信頼性は大きく劣っている。また、図４と図５の結果を対比すると、従来のＡｌ−５０ｐｐｍＮｉワイヤ及びＡｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤは、ΔＴが同じ５０℃であっても最高温度が１５０℃から２００℃と高くなるほどワイヤのせん断強度が大きく低下して劣化率が大きくなる。それに対して、本発明のＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤは最高温度が高くなっても、せん断強度の低下が非常に小さい。図５の（ｂ）には、最低温度−最高温度を１００℃−１５０℃にして熱サイクル試験を行ったときの結果（図中、○印で示すデータ）を合わせて示しているが、熱サイクル試験の最高温度を１５０℃から２００℃に上げてもせん断強度の劣化率はほとんど変わらず、本発明のＡｌワイヤは従来のものより接続信頼性が大幅に向上している。
図１の縦軸は、以上のようにして評価したせん断強度について図４及び図５に示す結果から、５０００サイクル後の平均せん断強度劣化率のデータを示したものである。次に、図１に示す接線係数ＴＣの求め方について、ワイヤを構成する金属の応力−歪線図を用いて説明する。
図６は、所定の温度において引張試験によって得られるワイヤの応力と歪との関係を示す模式的な応力−歪線図である。Ａｌ又はＡｌ合金のワイヤは、一般に、降伏応力を示す点（Ｙ）までは応力が歪に比例する弾性領域を示すが、降伏後の変形領域において歪に対する応力の傾きが小さくなる挙動を有する。さらに歪が大きくなると破断まで至るようになる。図１に示した接線係数ＴＣは、降伏後の変形領域における歪に対する応力の傾きとして求めるものである。
図６において、接線係数ＴＣは次の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）の手段によって求める。
（Ａ）まず、室温から３００℃の温度範囲において各ワイヤの引張試験を行う。
（Ｂ）前記の（Ａ）によって実測された公称応力と公称歪との関係を示す図６の曲線（応力−歪線図）において、応力−歪線図の降伏後の挙動から歪範囲（Δε）を選び、その範囲の両端の公称歪（ε１とε２）とそれらに対応する公称応力（ρ１とρ２）の値を実測する。ここで、公称歪とは長さの変化分を元の長さで割った値を意味し、公称歪に対応するのが公称応力である。歪範囲（Δε）は、降伏応力を示す点（Ｙ）後において応力−歪線図の降伏後の挙動がほぼ直線を示す領域を選ぶ。また、応力−歪線図の降伏後の挙動が直線で近似できない曲線を示す場合は、前記のＹ点から歪が１％大きい座標点を歪範囲（Δε）の始点（ε１）として、Δεを２〜３％の範囲の何れかを選んで、その終点（ε２）を決めた後に、それぞれε１とε２及びρ１とρ２の値を実測する。ここで、ε２は前記のＹ点から歪が３〜４％大きい座標点となる。この方法によって、ワイヤの降伏後の挙動を反映するΔεを決めることができる。
（Ｃ）公称歪（ε１とε２）及び公称応力（ρ１とρ２）を、図６に示す式によって、それぞれ真歪（εｔ）及び真応力（ρｔ）に変換する。公称歪と公称応力は、変形が大きくなると断面積や長さが大きく変化するために力学的な矛盾が生じてくる。そのため、本発明においては、真の意味での歪と応力を計算するために公称歪及び公称応力を、それぞれ真歪及び真応力に変換する必要がある。
（Ｄ）前記の（Ｃ）で求めた前記の真応力及び真歪を用いて、真応力の差分（Δρｔ）と真歪の差分（Δεｔ）との比（Δρｔ／Δεｔ）を算出する。このようにして算出した値が接線係数ＴＣとなる。
以上のようにして求める接線係数ＴＣに対して、５０００サイクル後のワイヤの平均せん断強度劣化率をプロットしたのが図１である。図１には両者の相関を表す曲線を相関曲線として示しており、ワイヤの平均せん断強度劣化率は接線係数ＴＣと強い相関関係があることが分かる。すなわち、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上であればワイヤの平均せん断強度劣化率を大幅に低減できる。さらに、接線係数ＴＣが４００ＭＰａ／％以上において、ワイヤの平均せん断強度劣化率は高温熱サイクル試験の最高温度にはほとんど影響を受けなくなり、より優れた接続信頼性を有することができる。
このように、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金をボンディングワイヤとして適用することによって、パワー半導体パワー半導体デバイスの最高動作温度が１５０℃以上、さらには２００℃以上になっても、使用時の大電流繰返し通電によって接続部に発生するクラックの進展を抑制することが可能となり、ボンディングワイヤ接続部の接続信頼性を従来よりも大幅に向上することができる。
なお、ワイヤの平均せん断強度劣化率と接線係数ＴＣとの間に図１に示すような明確な相関曲線が得られる理由は、現時点で詳細が不明である。接線係数ＴＣが大きいアルミニウム合金は、降伏後の大きな歪領域において、同じ歪変化量を得るには大きな引張強さが必要になる材質であると解される。その場合、冷却過程における引張応力に対する抵抗力が高くなることを意味しており、それによってクラック先端部近傍におけるクラックのさらなる発生と進展を抑える効果が大きくなるのではないかと考えられる。詳細なメカニズムは不明であるが、本発明のように応力−歪線図における降伏後の挙動に着目して、接線係数をＡｌワイヤの接続信頼性と関連付けた例は、当該分野においてこれまで皆無であった。
〈第２の実施形態〉
本実施形態は、第１の実施形態で検討した新規なＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤについて、高温サイクルのより厳しい条件である２５０℃−３００℃熱サイクル試験によるワイヤ接続信頼性の予測を行った。
まず、このワイヤの接線係数ＴＣを３００℃の応力−歪線図から求めた。その結果、このワイヤの接線係数ＴＣは４７０ＭＰａ／％であり、図１に示す相関曲線に当てはめてせん断強度の劣化率を予測すると、ワイヤせん断強度の劣化率はＭｇ１５０及びＭｇ２００の場合とほぼ同等のレベルを達成できるものと期待された。図１には、Ａｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇワイヤについて、実際に信頼性評価を行って得られた５０００サイクル後のワイヤの平均せん断強度劣化率を接線係数ＴＣとともにプロットして、Ｍｇ３００（図中○印で示すデータ）として示している。図１から分かるように、接線係数ＴＣから予測できるワイヤせん断強度劣化率と実際の信頼性評価結果は良く合っている。したがって、本発明の方法は、高接続信頼性を有するパワー半導体用アルミニウムワイヤを探索するには非常に有効であり、高温の応力−歪線図から簡便に、かつ短時間で予測できることから効率的な探索方法であることが確認できた。
〈第３の実施形態〉
本発明において、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金ワイヤの材質について検討する。前記の物性を有するアルミニウム合金としては、上記のＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇの他にも、例えば、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有し、残余がアルミニウムである合金が候補として挙げられる。さらに、前記アルミニウムワイヤの製造するときの工程が、少なくとも固溶化処理工程、急冷工程及び２５０℃を超える温度による時効処理工程を含むことが必要である。それに対して、上記の特許文献１〜３に開示されているように、前記の元素群から選ばれる元素の１種だけを含み、残余がアルミニウムである合金は、どれも本発明で定義する接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％未満であり、本発明の効果を奏することができなかった。また、前記の特許文献３に記載されているＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．２質量％Ｍｇワイヤであっても、時効処理工程の温度が２００℃以下では、同様に接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％未満であり、本発明の効果を奏することができなかった。このことは、図１に示すＡｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤの結果にも示されている。図１に示すＡｌ−０．５質量％Ｃｕワイヤは、時効処理効果を最大にするために、時効処理温度を最適化して２８０℃に設定したにもかかわらず、接線係数ＴＣが１４５ＭＰａ／％である。そのため、ワイヤせん断強度の劣化率は、従来と同等レベルである７０℃−１２０℃の熱サイクル試験では小さいものの、それ以上の高温における熱サイクル試験において大きくなっており、接続信頼性の大幅な低下がみられる。
以上のように、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有する本発明のＡｌワイヤは、時効処理工程を２５０℃を超える温度で行う必要がある。時効処理温度が２５０℃以下では本発明の効果を得るための処理時間が１０時間以上と非常に長くなるため、量産性が大幅に低下する。さらに、時効処理を長時間行っても、上記の接線係数ＴＣを３００ＭＰａ／％以上とすることは困難であり、上記の元素の少なくとも２種以上を含有するＡｌ合金組成の中から、本発明の効果を奏するＡｌワイヤとして実際に適用できる材料の数が限定される。さらに、Ａｌワイヤの量産性を上げるためには、時効処理工程は５時間以下、好ましくは３時間以下の短時間で行う必要があり、本発明においては時効処理を３００℃以上の温度で行うことが好ましい。
添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含むアルミニウム合金において、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％、好ましくは４００ＭＰａ／％以上になるメカニズムは、例えば次のように考えられる。前記の元素を少なくとも２種以上含む場合は、Ａｌワイヤの微細結晶粒界に耐熱性の異なる複数の金属間化合物が形成されるようになるため、クラック進展に対して複合的な抑制機能を発現することとなる。そのため、前記の元素を１種だけ含有する合金よりも金属間化合物の析出によるクラック進展の抑制効果が高くなるものと考えられる。加えて、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＬｉはＡｌ中に固溶するため、固溶と析出の相乗効果により、高温領域におけるワイヤボンディング部クラック先端部近傍の変形抵抗が大きくなり、クラックの進展が抑制されると考えられる。さらに、時効処理を従来技術より高温である２５０℃を超える温度、好ましくは３００℃以上で行うことによって微細結晶粒界における金属間化合物の形成と析出が最適化されるようになり、前記のクラックの進展を抑制する効果が大きくなったものと推定される。
Ａｌワイヤの接線係数ＴＣはその結晶構造を反映する物理量である。そこで、本発明者等はＡｌワイヤの結晶構造を解明するために、さらに検討を進めた。その結果、本発明のＡｌワイヤは図７に示すような結晶構造を有することが分かった。図７は、例としてＡｌ−０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％ＭｇからなるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇワイヤボンディング部の結晶構造を示す模式図である。
図７に示すように、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇワイヤボンディング部は、微結晶層１を介してＡｌ−Ｓｉ膜に接合した構造を有する。そして、Ａｌの結晶粒２の中には固溶元素３としてＭｇが固溶しており、結晶粒１の粒界には粒界析出物４としてＡｌ２Ｃｕからなるθ相が存在する。ここで、Ａｌ中に固溶元素３として固溶する異種金属のＭｇはＡｌの転移移動を妨げるような作用があり、Ａｌワイヤの強度を高める固溶強化の機能を有する。一方、Ａｌ２Ｃｕの粒界析出物４は、主にＡｌの結晶粒２とＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇワイヤの微細粒層５との界面に沿って進展するクラック６の伝搬を止める作用によって、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇワイヤの強度を高める析出強化の機能を果たす。したがって、本発明のＡｌワイヤは、固溶強化による強度向上で得られるＡｌワイヤのベンディング低減効果と、析出強化によるクラック進展の抑制又は防止の効果との相乗効果によって、３００ＭＰａ／％以上の接線係数ＴＣを達成できたものと推察することができる。
このように、本発明のＡｌワイヤは、添加元素としてＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有し、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の中で少なくとも１元素がアルミニウム中に固溶元素３として固溶し、固溶元素３とは異なる元素とアルミニウムとからなる化合物がアルミニウムの結晶粒の粒界に粒界析出物４として存在する結晶構造を有することを特徴とする。ここで、粒界析出物４は、固溶元素３と異なる元素であれば、アルミニウムと化合物を形成する元素が１種類に限らず２種類以上であっても良い。なお、本発明において、Ａｌワイヤの接線係数ＴＣを一義的に決定できるように結晶構造を規定することは、現時点では極めて困難である。従来にはない高度の分析及び解析の方法が必要となるためである。そこで、本発明においては、Ａｌワイヤを一義的に特定できる構成として、本発明の効果を奏する上で特徴的な物性を反映する物理量である接線係数ＴＣの規定を行うことが実用的である。
本発明において、上記のＣｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆの群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を含有するアルミニウム合金としては様々な組み合わせがある。その中から、本発明は１５０℃以上の温度で実測して得られる応力−歪線図から求める接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であり、図７に示す結晶構造を有するものを選択する。添加元素としては図１に示すＣｕ−Ｍｇの他にも、具体的なものとしてＣｕ−Ｍｇ−Ｍｎ又はＣｕ−Ｍｇ−Ｚｎを含有し、残部がアルミニウムからなる合金が、接線係数ＴＣとして４００ＭＰａ／％以上を有することが分かった。ここで、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ又はＣｕ−Ｍｇ−Ｚｎの含有量は、例えば、０．５質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｍｇに加えて、さらに、それぞれＭｎ又はＺｎを０質量％を超えて０．２質量％以下を含有するものであり、残余はアルミニウムからなる合金である。なお、本発明で表示するアルミニウムには、不可避含有元素を含有するアルミニウムの場合も便宜的に含まれるものとする。
本発明において、上記の群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を合計したときの含有量は、０．１質量％〜２．０質量％の範囲であることが好ましい。０．１質量％未満では、接線係数ＴＣを３００ＭＰａ／％以上とすることができず、複数の金属間化合物形成によるクラック進展の抑制効果が得られない。また、２．０質量％を超えると、結晶粒界における複数の金属間化合物の形成量と析出量が多くなって別の悪影響が出てくるようになり、０．０１質量％未満の場合と同じように、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上にはならず、接続信頼性の向上を十分に図ることができない。さらに、Ａｌワイヤそのものの電気抵抗率も高くなる傾向にあるため、添加元素の総含有量が２．０質量％を超えることは好ましくない。本発明は、Ａｌワイヤ接続部の接続信頼性だけでなく、Ａｌワイヤの電気抵抗率を考慮する必要があり、上記の群から選ばれる元素の少なくとも２種以上を合計した含有量は、０．３質量％〜１．５質量％の範囲であることがより好ましい。
また、本発明のＡｌワイヤは、線の太さを断面を円形にしたときの直径が５０〜５００μｍにすることが好ましく、さらに２００〜４００μｍにすることがより好ましい。Ａｌワイヤの直径が５０μｍ未満では、使用時の大電流繰返し通電というパワー半導体として必要な特性を満たすことが難しい。また、直径が５００μｍを超えると、Ａｌワイヤボンディング時のボンディング方法の大幅な見直しやボンディング条件の精緻な制御を行うための高度の熟練が必要となる。また、特殊なボンディング治具や装置等を使用しなければならない場合もあるため、直径が５００μｍを超えるＡｌワイヤは実用的でない。Ａｌワイヤの直径は、さらに２００〜４００ｎｍの範囲にすることによってボンディング方法とその条件の最適化が容易となり、本発明の目的と効果を確実に達成できるようになる。
〈第４の実施形態〉
本発明の接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であるパワー半導体用アルミニウムワイヤを用いて作製する本発明の半導体装置を図８、図９及び図１０を用いて説明する。
図８は、本発明の一実施形態であり、１個の３００Ａ級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図９は、図８のＡ−Ａ線に沿う断面図、図１０は図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図において、１０１は放熱板及び支持板として機能する金属基板、１０２は金属基板１０１上に２枚並べてはんだ層１０３により固着された、例えばＡｌＮからなるセラミックス基板、１０４は各セラミックス基板１０２上に形成した、例えばＮｉ／Ｃｕからなる回路層で、回路層１０４は分離された異なる形状を有する３個の部分、すなわち、Ｔ字型のコレクタ共通電極となる第１の部分１０４ａ、エミッタ電極となる片状の第２の部分１０４ｂ、ゲート電極となる片状の第３の部分１０４ｃからなり、第１の部分１０４ａが中央部に、第１の部分１０４ａの脚部一側に第２の部分１０４ｂが、他方側に第３の部分１０４ｃが配置されている。第２の部分１０４ｂ及び第３の部分１０４ｃはＮｉ層上にＡｌ層１０５が形成されている。１０６はそのアノード側が回路層１０４の第１の部分１０４ａの脚部上に３個並べてはんだ層１０７を介して結合されたＩＧＢＴチップ、１０８はそのカソード側が第１の部分１０４ａの上辺部上にはんだ層１０９を介して結合されたダイオードチップ、１１０はＩＧＢＴチップ１０６のエミッタ層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１１と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径３００〜４００μｍのＡｌ−０．３〜０．５質量％Ｃｕ−０．０１〜０．３質量％Ｍｇボンディングワイヤ、１１２はＩＧＢＴチップ１０５のゲート層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１３と第３の部分１０４ｃ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径３００〜４００μｍのＡｌ−０．３〜０．５質量％Ｃｕ−０．０１〜０．３質量％Ｍｇボンディングワイヤ、１１４はダイオードチップ１０８のアノード層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１５と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続したＡｌ−０．３〜０．５質量％Ｃｕ−０．０１〜０．３質量％Ｍｇボンディングワイヤである。
これによって、１枚のセラミックス基板１０２上に３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１０６と１個のダイオードチップ１０８とが逆並列接続された回路要素が形成され、１枚の金属基板上１０１上に２個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、１枚の金属基板１０１上の２個の回路要素を直列接続し、これを３個並列接続して、各回路要素の接続交点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の並列接続数を増やし、高電圧化するときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の直列接続数を増やせばよい。
以上のように、本発明によれば、接線係数ＴＣが３００ＭＰａ／％以上、好ましくは４００ＭＰａ／％以上であるアルミニウム合金をボンディングワイヤとして適用することによって、パワー半導体デバイスの最高動作温度が１５０℃以上、さらには２００℃以上になっても、使用時の大電流繰返し通電によって接続部に発生するクラックの進展を抑制することが可能となり、ボンディングワイヤ接続部の接続信頼性を従来よりも大幅に向上することができる。本発明のボンディングＡｌワイヤを使用するＩＧＢＴモジュール等の半導体装置は、従来よりも高い最高動作温度下で大電流繰返し通電によって生じる過酷な環境においても高信頼性を保持することができる。さらに、本発明のパワー半導体用Ａｌワイヤの探索方法によれば、実験や試作等のよる施行錯誤を行うことなく、高い接続信頼性を有するＡｌワイヤの材質や材料を、効率的に、かつ短時間で探索することができ、高信頼性のパワー半導体モジュールを低コストで得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０００７】
本発明のボンディングワイヤ及びパワー半導体用アルミニウムワイヤの探索方法は、ＩＧＢＴモジュールに限らず、一般のパワーモジュール、パワーＭＯＳトランジスタ、ダイオードモジュール等にも適用できるため、その有用性は極めて高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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