(57)【要約】【課題】  半導体を用いた各種装置等に内蔵される電子部品と基板との接合等に使用されるボンディング用Ａｌリボンであって、安価であると共に寸法精度が高く、酸化膜や残留不純物などが低減されていて、安定した接合を実現できるボンディング用Ａｌリボン、及びその製造方法を提供する。【解決手段】  厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールが直列に組み込まれた圧延用ロールセットを用いて、Ａｌを主成分とするＡｌ合金材を厚み方向と幅方向に圧延加工し、その直後に異形状ダイスで伸線する。得られるＡｌリボンは、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有し、平均結晶粒径が２〜２５０μｍ、表面粗さＲａが２.０μｍ以下、酸化膜の厚さが４.０ｎｍ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】
厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールが直列に組み込まれた圧延用ロールセットと、異形状ダイスとで構成された加工装置を使用して、Ａｌを主成分とするＡｌ合金材を圧延用ロールセットで厚み方向と幅方向に圧延し、その直後に異形状ダイスで伸線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２】
前記圧延用ロールセットを複数セット使用して、Ａｌ合金材の厚み方向と幅方向の圧延を複数回繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載のボンディング用Ａｌリボンの製造方法。
【請求項３】
前記異形状ダイスとして、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１又は２に記載のボンディング用Ａｌリボンの製造方法。
【請求項４】
Ａｌを主成分とし、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有すると共に、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さＲａが２.０μｍ以下であって、且つ酸化膜の厚さが４.０ｎｍ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５】
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４に記載のボンディング用Ａｌリボン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた各種装置等に内蔵される電子部品と基板との接合等に使用されるボンディング用Ａｌリボン及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を用いた各種装置においては、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）と半導体パッケージに設けられた外部引き出し用端子（リード）とを接続するため、配線材としてＡｌやＣｕなどの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。このワイヤボンディングによる接続方法は、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）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下において、最近では半導体技術の急速な進歩に伴って、大容量の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ている。このようなニーズに応える技術として、例えばリボン形状の配線材によるボンディングが提案されている。即ち、配線材をワイヤ形状（断面が円形）からリボン形状（断面が長方形）にすることによって断面積を格段に大きくでき、大電流を流すことが可能となるため、ハイパワーの半導体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Ａｌリボンについて、以下に述べるような技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１には、同等の電流容量を備え、同等若しくは同等以上であってより安定した接合強度を実現できるボンディング用リボン、及びこれを用いたボンディング方法について、複数の凸部を接合側の一方の面に備えた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開示されている。この特許文献１によれば、「ボンディングの初期に被接合面に接触する複数の凸部の頂部が形成され、その位置、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。また、複数の凸部の頂部の面積を小さくすることにより、リボンと被着物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となる。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の確保を実現できる」と記載されている。
【０００５】
また特許文献２には、ボンディングリボンと比較して、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リボンについて、以下の特徴を有する技術が記載されている。即ち、特許文献２による超音波ボンディング用アルミニウムリボンは、添加元素及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超音波ボンディング用アルミニウムリボンであって、このリボンは多段伸線後ロール圧延された極薄テープ構造であり、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、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）の鏡面仕上げがされていることを特徴としている。
【０００６】
上記したように配線材であるＡｌなどのワイヤの一部代替品としてＡｌリボンが実用化され且つ広まりつつあるが、以下に述べるような多くの問題点も存在するため、これが配線材としてのＡｌリボンの市場拡大にとって足枷となっている。
【０００７】
即ち、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の要請は強く、この要求に応えることができれなければ、その技術自体が生き残れない状況であり、Ａｌリボンについても同様である。しかも、Ａｌリボンは車載用などの一般的な製品に使われていることから、特にコスト低減の要求が強いため、Ａｌリボンの市場拡大にはコスト低減が必要とされている。
【０００８】
また、Ａｌリボンの品質にも高いレベルが求められている。例えば、Ａｌリボンの幅や厚みの寸法精度が低い場合、Ａｌリボンの許容電流にもバラツキが生じることになるため好ましくない。例えば、厚みが変わることによって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。このような寸法バラツキ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ることから、良好な接合性や高い接合信頼性を得るために寸法精度の高いＡｌリボンが求められている。
【０００９】
更に、Ａｌリボンでは、ボンディングする際に酸化膜が厚かったり、リボン洗浄時の油が残っていたりすると、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Ａｌリボンの場合は１本あたりの接合面積が広いため顕著に現れることから、酸化膜や油などの不純物の低減も強く要求されている。
【００１０】
上記したように配線材としてのＡｌリボンには、低コスト化、高い寸法精度、及び酸化膜や不純物の低減などが要求されており、これらの問題を解決することによってＡｌリボンは更に工業的に重要な製品となり得る。しかし、上記した各特許文献の技術によっても、これらの要求を十分に満たすＡｌリボンは提供されていない現状である。
【００１１】
例えば上記特許文献１には、ボンディングリボンに複数の凸部を接合側の一方の面に備えることにより、安定した接合強度を実現する技術が開示されている。しかし、ボンディングリボンに複数の凸部を設けることは容易ではない。即ち、板厚が厚いものに凸部を設ける場合と異なり、配線材として使われるボンディング用Ａｌリボンは一般的に厚みが５０〜１００μｍ程度と非常に薄いく、２００μｍを超えることはほとんどない。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、従って相当なコストアップになることは避けられない。圧延は多くの分野で使われている一般的な技術であるが、１００μｍ程度の薄い金属箔に複数の凸部を設けるという圧延技術は一般的には行われていないからである。
【００１２】
また、上記特許文献１によれば、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、凸部には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り、部分的な単位面積当りの強度は向上するとしている。しかし、逆に凹部では押し付ける応力が低くなるため凹部の接合強度は低下し、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。更に、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、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。しかも、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、凸部を有していないものに比較して応力集中が起きやすくなる。その結果、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ないため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するなどの問題が発生してしまうと考えられる。
【００１３】
上記特許文献２では、添加元素や伸線条件等を特定範囲内とすることにより、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リボンの製造方法において、伸線は多段伸線を行うことが必須の条件とされている。しかし、多段伸線を行うと、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、必要な治具なども増加する。また、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、交換のため掃除等を行ったり、ワイヤの張力をその径に応じて毎回調整したりしなければならず、極めて非効率的である。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、多段の分だけ伸線装置を揃え、各装置で伸線するワイヤ径を変えることが考えられる。このようにすることによって伸線作業は大幅に簡略化できるが、多くの装置の導入にコストがかかり、設備の設置場所を広げる必要があるなど、コストの増加を招くことが明白である。
【００１４】
更に上記特許文献２によれば、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なり、安定した接合強度が得られるとされている。しかし、結晶粒径を整えても表面には接合性を下げる一番の原因である酸化膜は存在しているから、酸化膜除去の手段が示されていない上記特許文献２の方法では接合強度向上の効果は小さいと言わざるを得ない。例えば実施例等には、アルミリボン材を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備えた超高真空炉による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り、２００℃以上に加熱すればＡｌリボンの酸化膜は薄くとも数〜１０ｎｍ、部分的に見れば数１０ｎｍ以上の厚さに形成されていると考えられる。このような厚い酸化膜が形成されていては、結晶粒径がいかに揃っていても接合強度向上の効果がほとんど現れないことは明白である。
【００１５】
また、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状のものを板状に変形させるわけであるから、幅方向において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、端部にクラックが発生して収率が低下したり、断線してしまったり、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、強度を十分に有する安定した接合は不可能であるうえ、収率も悪いことからコスト面でも不利になってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【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】
【００１７】
上記したように、ボンディング用Ａｌリボンにはコストダウンが強く要求されている。即ち、半導体分野は激しいコスト競争にさらされており、年率で数％程度の値下げは当たり前の状況にある。このコスト低減要求に応えきれない技術は生き残ることができない状況であり、Ａｌリボンについても全く同じ状況が当てはまる。更にＡｌリボンは車載用などの一般的な製品に使われているため、特にコスト低減の要求が強い。
【００１８】
また、Ａｌリボンには幅や厚みなどに高い寸法精度が要求されている。即ち、Ａｌリボンは車載用など高い信頼性が求められる電子部品に多用されていることから、高い接合信頼性が要求されている。高い接合信頼性を得るために必要な要件は多くあるが、高い寸法精度は必須且つ重要な要件である。例えば、寸法精度が低いＡｌリボンでは許容電流にもバラつきが生じるため、断面積の小さい箇所では電気抵抗が高くなって発熱し、周囲の部材に損傷を与え、Ａｌリボン自体の断線にも繋がりかねない。また、Ａｌリボンの厚みや幅が変わることによって、接合時に十分な接合強度を得るための最適な荷重や超音波エネルギーが変わるが、このような寸法のバラツキ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る。従って、良好な接合性や高い接合信頼性を得るために、寸法精度の高いＡｌリボンが求められている。
【００１９】
更に、Ａｌリボンには、表面の酸化膜や油などの残留不純物の低減が求められている。即ち、表面の酸化膜が厚かったり、リボン洗浄時の油や不純物が表面に残っていたりすると、ボンディング時の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。この酸化膜や残留不純物はワイヤでも問題になるが、リボンの場合は配線材１本あたりの接合面積が広く且つ１本あたりに流れる電流が大きくなる傾向があるため、その低減が特に重要である。
【００２０】
本発明は、このようなボンディング用Ａｌリボンにおける問題に鑑みてなされたものであり、安価であると共に寸法精度が高く、しかも表面の酸化膜や残留不純物などが低減されていて、安定した接合を実現できるボンディング用Ａｌリボン、及びその製造方法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】
【００２１】
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リボンの製造方法は、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールが直列に組み込まれた圧延用ロールセットと、異形状ダイスとで構成された加工装置を使用して、Ａｌを主成分とするＡｌ合金材を圧延用ロールセットで厚み方向と幅方向に圧延加工し、その直後に異形状ダイスで伸線することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明が提供するボンディング用Ａｌリボンは、Ａｌを主成分とし、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合計で８００ｐｐｍ以下含有すると共に、平均結晶粒径が２〜２５０μｍであり、表面粗さＲａが２.０μｍ以下であって、且つ酸化膜の厚さが４.０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、幅や厚みなどの寸法精度が高く、表面の酸化膜や残留不純物が低減されたボンディング用Ａｌリボンを、安価に提供することができる。従って、本発明のボンディング用Ａｌリボンを用いることにより、優れた接合強度と高い接合信頼性が得られ、安定した接合を実現することができるため、車載用など高い信頼性が求められる電子部品に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】圧延用ロールセットの一具体例を示す概略図であって、（イ）は側面図及び（ロ）は平面図である。
【図２】異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、（ハ）は長方形の短辺部分が円弧をなすダイス孔である。
【図３】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リボンを示す概略図であって、（イ）は断面図及び（ロ）は平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のＡｌリボンは、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールが組み込まれた圧延用ロールセットによる圧延加工と、この圧延加工直後の異形状ダイスによる伸線加工とによって製造される。即ち、原材料のＡｌ合金材を、圧延用ロールセットを用いて厚み方向と幅方向に同時に圧延加工し、その直後に異形状ダイスで伸線することによって、本発明のＡｌリボンを製造することができる。
【００２６】
上記圧延用ロールセットによる圧延について、圧延用ロールセットの一具体例を示す図１を参照しながら、厚み圧延方向ロールＡと幅方向圧延ロールＢとを直列に１セット組み込んだ圧延用ロールセットを用いて、圧延用のＡｌ合金材１０を圧延する場合について説明する。尚、図1はＡｌ合金材１０が円柱状である場合を示している。また、複数の圧延用ロールセットを使用して、Ａｌ合金材１０の厚み方向と幅方向の圧延加工を複数回繰り返すこともできる。
【００２７】
まず、直列に組み込まれた厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢの隙間を要求寸法に合わせて調整する。次に、圧延用のＡｌ合金材１０を、厚み方向圧延ロールＡを通して挟み、続いて幅方向圧延ロールＢに通した後、幅方向圧延ロールＢを通したＡｌ合金材１０の端部を巻取機（図示せず）に取り付けた巻取用スプールにセットする。その後、巻取機を自動で回転させて巻き取ることにより、Ａｌ合金材１０は厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢの２つの圧延ロールを通って、１回の圧延作業で所定の寸法に圧延される。
【００２８】
上記厚み圧延方向ロールＡと幅方向圧延ロールＢとを直列に組み込んだ圧延用ロールセットを使用してＡｌ合金材１０を圧延することによって、Ａｌ合金材１０に対して厚み方向と幅方向の２方向の圧延を１回の作業で行うことができるので、高い寸法精度を得ることができると共に生産効率も非常に高くなり、格段に低コストで寸法精度の高いＡｌリボンを製造することができる。
【００２９】
上記のごとく圧延用ロールセットにより厚み方向と幅方向とが１回の圧延作業で圧延されたＡｌ合金材は、その直後に異形状ダイスによって伸線される。異形状ダイスによる伸線は、上記圧延用ロールセットの後に異形状ダイスを取り付けて、上記圧延作業の直後に連続して伸線すると効率よくＡｌリボンを製造できるため好ましい。圧延装置に異形状ダイスを取り付けることができない場合には、圧延の直後に伸線機を使って伸線することも可能である。
【００３０】
また、異形状ダイスによる伸線は２段以上で行ってもよい。複数段で伸線することによって、寸法精度を更に上げることができる。ダイスの材質としては、超鋼ダイスやダイヤモンドダイスを用いることができるが、特にダイヤモンドダイスは硬く、摩耗等も少ないことから、伸線時の発熱が少なく酸化が進行し難いため好ましい。
【００３１】
上記異形状ダイスのダイス孔の形状、即ちＡｌ合金材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２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２（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。
【００３２】
以下、本発明によるＡｌリボンの製造方法について更に詳しく説明する。
＜圧延用のＡｌ合金材＞
原材料として用いる圧延用のＡｌ合金材は、Ａｌを主成分とするものであれば、その組成は特に限定されるものではなく、従来からＡｌリボンとして通常使用されているものであってもよい。ただし、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合わせて８００ｐｐｍ以下含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるＡｌ合金材の使用が特に好ましい。
【００３３】
また、圧延用のＡｌ合金材の形状については、特に限定されるものではなく、従来と同様に板状や箔状、円柱状やワイヤ状であってよい。例えば、ワイヤ状のＡｌ合金材は伸線によって製造してよく、そのダイス孔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、傷なども入り難くなる。品質を重視する場合は、生産性があまり落ちない程度まで伸線速度を遅くすることが好ましい。伸線速度が速いとＡｌ合金材の表面が傷などで荒れるため、圧延や伸線の際に蛇行などが起こりやすくなり、得られるＡｌリボンが長さ方向で塑性加工の程度が異なったり、傷の発生が多くなったりするため好ましくない。
【００３４】
また、添加元素を多めに含むＡｌ合金材の場合には、材質が硬くなる傾向があるため、伸線用のダイスにはテーパーダイスを用いることが好ましい。テーパーダイスを用いることによって、伸線速度を遅くすることができるため、Ａｌ合金材にかかる応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なり、また、ダイス先端部のみ応力が高くなって硬いものでも加工しやすくなるからである。
【００３５】
本発明のＡｌリボンの製造に用いるＡｌ合金材の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来と同様に製造し準備することができる。例えば、Ａｌと各添加元素を不活性ガス中にて高周波溶解した後、鋳型に鋳込むことにより又は連続鋳造機によってＡｌ合金を製造する。高周波溶解式の連続鋳造炉は、多量に安定した品質の合金を溶解鋳造することができるため、溶解鋳造方法として好ましい。得られたＡｌ合金は、そのまま若しくは更に伸線加工などを行って、板状や円柱状など所定形状のＡｌ合金材とすることができる。
【００３６】
以下に、Ａｌリボン製造に用いるＡｌ合金材の製造方法を、高周波溶解式の連続鋳造炉を用いた場合を例に具体的に説明する。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。各原料を目標組成に合わせ所定量秤量し、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。
【００３７】
次に、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リットル／分程度の流速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。その後、自動運転で融点よりも８０〜２００℃程度高い温度で保持し、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熔融原料を一定速度でゆっくり引き出して、所定の径の棒状（断面が円形や長方形など）のＡｌ合金を製造する。得られたＡｌ合金は、そのまま又は所望に応じて伸線加工などによりＡｌ合金材とする。
【００３８】
＜圧延用ロールセットによる圧延＞
本発明における圧延用ロールセットによる圧延は、上記Ａｌ合金材を１回の圧延作業で厚み方向と幅方向とに同時に圧延するものである。使用する圧延用ロールセットは、図１に示すように、厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢを１セットとし、厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢとが直列に組み込まれた構造を備えている。厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢからなる圧延用ロールセットは少なくとも１セットあればよいが、圧延用ロールセットを複数セット設置して、Ａｌ合金材１０の厚み方向と幅方向の圧延加工を複数回繰り返すこともできる。
【００３９】
また、厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢは、どちらを圧延の入口側に配置してもよい。厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢの間にはガイドを設けてよく、Ａｌ合金材１０がロールに入り又は出る際のロール出入口にもガイドを設けてよい。更に、厚み方向圧延ロールＡと幅方向圧延ロールＢの各ロールは動力で駆動してもよいし、動力を用いない単なる回転のみのロールであってもよい。ロールの隙間は調整できないものでもよいが、可動式で調整できるものであってもよく、サイズや精度、作業性等に応じて適宜使い分ければよい。
【００４０】
上記圧延用ロールセットを用いて２方向の圧延を同時に行うことにより、単に厚み方向又は幅方向だけを圧延する場合と比較して高い寸法精度で、特に幅方向の寸法精度を高く圧延することができる。即ち、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。特にワイヤ状のＡｌ合金材を圧延してＡｌリボンとする場合、幅方向の寸法精度が非常に悪いだけでなく、Ａｌリボンの幅方向の中心部と端部とで圧延の割合が違うため、クラック等が発生しやすくなる。また、クラックの発生を抑制しようとすると、圧延回数が非常に多くなって効率的な生産ができない。本発明では２方向の圧延を１回の作業で行うことにより、上記の一般的な圧延における問題を解決して、高い寸法精度を得ることができると共に、生産効率も非常に高くなるため、格段に低コストのＡｌリボンを製造することができる。
【００４１】
尚、金属材料を圧延加工する際には金属粉（スラグ）が発生することが一般的であり、圧延加工によって発生した金属粉は圧延ロールに付着しやすい。このように表面に金属粉の付着した圧延ロールや、表面粗さが大きい、即ち表面に凹凸が多く、その高低差が大きい圧延ロールを用いると、圧延されたＡｌリボンは表面に打痕や曇りを伴うという問題がある。表面に打痕等を伴うＡｌリボンは、接合強度がバラついたり、断面積が減少して局部的に許容電流が小さくなったりする。そのため、可能な限り打痕等の無いＡｌリボンを製造するためには、表面粗さの小さいロールを用いることと共に、圧延時に供給した潤滑油を拭き取りながら作業することが重要である。
【００４２】
＜異形状ダイスによる伸線＞
本発明においては、上記のごとく圧延用ロールセットにより厚み方向と幅方向を１回の圧延作業で圧延し、その直後に異形状ダイスによって伸線する。即ち、図２に示すような異形状ダイスを上記圧延用ロールセットの後に取り付けて、圧延作業の直後に伸線作業を行うことによって、効率よくＡｌリボンを製造することができる。ただし、圧延用ロールセットの後に異形状ダイスを取り付けることができない場合には、圧延作業の直後に伸線機を使って伸線を行ってもよい。
【００４３】
上記ダイス孔の形状が円形以外である異形状ダイスを用いた伸線によって、Ａｌ合金材を断面形状が長方形などの扁平な形状のＡｌリボンにすることができ、圧延のみの場合よりも高い寸法精度でＡｌリボンを製造することができる。そして、１回の作業で圧延と伸線とを同時に行うことによって、製造コストも大幅に低減することができる。
【００４４】
上記した圧延及び伸線の際には、Ａｌリボンに生じる傷等を少なくし、表面がきれいになるように、潤滑油を供給しながら潤滑性を持たせて加工する。潤滑油としては、鉱物油や植物油などを用いることができ、鉱物油と植物油を重量比で１：２.５の割合で混合したものを用いてよい。
【００４５】
また、上記圧延と伸線の前後、若しくは途中において、Ａｌ合金材あるいは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（アニール）を行ってもよく、必要に応じて熱間圧延を行ってもよい。熱処理は金属組織の制御によって強度や伸び率、あるいは柔軟性や加工性等を調整することを目的としており、その温度は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。ただし、熱処理を行う際には、熱処理温度や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４.０ｎｍ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。
【００４６】
上記圧延と伸線の終了後に、得られたＡｌリボンの表面から潤滑油を除去するために、自動洗浄機などにより有機溶剤を用いて洗浄する。使用する有機溶剤としては、潤滑油を溶解しやすく、潤滑油がリボン材に残り難いものが好ましい。具体的には、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が、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、潤滑油や溶剤がリボン材に残り難いため好ましい。
【００４７】
上記のごとくＡｌリボンから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。
【００４８】
次に、本発明のＡｌリボンについて詳しく説明する。
＜Ａｌリボンの組成＞
本発明のＡｌリボンは、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰの少なくとも１種を合わせて８００ｐｐｍ以下含有しており、好ましくはＮｉの含有量が１ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下であって、残部が不可避的に含まれる不純物元素を除いて主成分のＡｌから構成されている。
【００４９】
まず、本発明のＡｌリボンの主成分であるＡｌは、電気伝導性に優れ且つ非常に軽い元素であることから、配線材として非常に優れている。そのため、Ａｌは従来から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、接合性及び耐候性などに劣るため、実用性の高い配線材とするべく以下のＮｉ、Ｓｉ及びＰのうち少なくとも１種を含有させる。
【００５０】
ＮｉとＳｉは似たよう効果を有し、その最も大きな効果がＡｌより劣る還元性にある。即ち、ＮｉとＳｉはＡｌより酸化され難いため、Ａｌリボンに含有させるとＡｌリボン自体が酸化され難くなり酸化防止に役立つ。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。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、ＮｉとＳｉを含有する効果は大きい。実際にボンディングの際は発熱して酸化が進行し易くなることから、添加元素であるＮｉとＳｉの酸化防止効果が益々発揮され、しかも接合後の耐腐食性も向上することから、高い信頼性を有する接合が可能となる。
【００５１】
ＮｉとＳｉの第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。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る。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、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くなる。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て異物混入したりする問題を引き起こす可能性が高くなる。そのため、ユーザー各々のニーズに対応するため、接合強度、伸び、更にはループやそれらのバラツキなどを調整する必要があり、このためＮｉとＳｉのいずれか１種以上を含有させ、結晶粒径等を制御することが有効である。
【００５２】
また、本発明のＡｌリボンはＰを含有することができる。一般に、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、当然に表面が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には、条件によって数１０ｎｍ以上の酸化膜になることがある。一方、基板の外部引き出し端子などはＣｕであったり、その接合面はＮｉメッキ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。この酸化膜や場合によって洗浄不足による残留油等を破って、安定した接合強度を得ることは容易ではない。
【００５３】
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。Ｐを含有する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、自らは気体の酸化物となって飛散するため、接合面に残留して問題を起こすことがなく、この点においても非常に優れた元素と言える。残留油等の不純物に対しても、上記したＰの効果はあると推測される。また、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、ほとんどの元素を還元でき、更には還元後にＰが気化する際に不純物もいっしょに飛散させる効果もある。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ことができる。
【００５４】
＜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２〜２５０μｍであり、平均表面粗さＲａが２.０μｍ以下であり、且つ酸化膜の厚さが４.０ｎｍ以下である。
【００５５】
Ａｌリボンの平均結晶粒径を２μｍ〜２５０μｍとする理由は、強度や伸び率等を適正な値にするためである。即ち、上記したＮｉとＳｉを添加して結晶の粒径や形状を制御することによって、強度及び伸びが適正な値となり、且つそ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。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ることから、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。
【００５６】
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、均一な接合が難しく、場合によっては接合できなかったりする。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て異物混入したりする等の問題を引き起こす可能性が高くなる。このような問題が起きないようユーザー各々のニーズに対応するために、接合強度や伸び、ループやそれらのバラツキなどを調整する必要があり、そのために結晶の粒径や形状の制御は重要なことである。
【００５７】
また、Ａｌリボンの平均表面粗さＲａを２.０μｍ以下とする理由は、平均表面粗さＲａが２.０μｍを超えると、接合の際に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、そのバラツキが大きくなったりするためである。平均表面粗さＲａが２.０μｍ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、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更に好ましい。
【００５８】
酸化膜の厚さがを４.０ｎｍ以下とする理由は、基板の接合面とＡｌリボンとの間に接合される金属以外のものが存在すると、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、それでも酸化膜の厚さが４.０ｎｍを超えると良好な接合ができなくなってしまう。酸化膜の厚さが３.０ｎｍ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。
【実施例】
【００５９】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００６０】
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、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。即ち、各原料を目標組成に合わせ所定量秤量し、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、窒素ガスを原料１ｋｇあたり約０.８リットル／分の流速で流した。窒素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した。
【００６１】
その後、自動運転で約８５０℃を保持する状態にして、各原料が溶けた後、各元素の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、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溶融原料を引き出し、直径４.０ｍｍの棒状のＡｌ合金を得た。
【００６２】
上記各原料のグラファイト坩堝への投入量を変えた以外は上記の作業を繰り返すことにより、本発明の実施例である試料１〜２５のＡｌ合金と、比較例である試料２６〜４３の各Ａｌ合金を準備した。これら試料１〜４３の各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、試料１〜２５のＡｌ合金については下記表１に、試料２６〜４３の各Ａｌ合金については下記表２に示した。
【００６３】
【表１】
2015106678.tif 000003
【００６４】
【表２】
2015106678.tif 000004
【００６５】
上記表１及び表２に示す試料１〜４３の各Ａｌ合金（直径４.０ｍｍ×長さ２０ｍ）を、伸線機により直径２.０ｍｍと直径０.８ｍｍの２個のテーパーダイスを用いて２段伸線することにより、直径０.８０ｍｍのワイヤ状に伸線して圧延用のＡｌ合金材とした。即ち、鉱物油と植物油を重量比で１：２.５の割合（体積比）で混ぜた潤滑油を準備し、この潤滑油をかけた各試料のＡｌ合金を伸線機にセットし、ダイスに通して巻取ロールに固定した後、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Ａｌ合金が引っ掛かったり、傷等が入ったりしないように、潤滑油を適宜適量供給しながら伸線した。
【００６６】
得られた試料１〜４３の圧延用の各Ａｌ合金材（直径０.８０ｍｍ）を、厚み方向圧延ロールと幅方向圧延ロールが直列に組み込まれた圧延用ロールセットか、若しくは通常の圧延用ロールを用いて圧延加工した。更にその直後に、異形状ダイスを用いて伸線加工するか、若しくは通常のスリッターを用いてスリット加工することにより、Ａｌリボンを製造した。尚、全ての試料について、圧延及び伸線の際には傷等が入らないように上記潤滑油をかけながら行い、圧延は酸化が進行しないように冷間圧延とした。
【００６７】
更に具体的には、上記圧延加工の際に、試料１〜２１、２５及び２９は圧延用ロールセットを１セット、試料２２では同２セット、試料２３では同３セット、試料２４と３０では同４セット用いて、それぞれ圧延を行った。目標寸法は厚さ０.１００ｍｍ及び幅０.５００ｍｍとし、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。一方、試料２６〜２８及び試料３１〜４３については、圧延用ロールセットを使用せず、通常の圧延用ロール１個を用いて厚さ方向のみ目標値０.１００ｍｍで圧延加工を行った。
【００６８】
また、上記伸線加工の際には、試料１〜３０は、圧延機に異形状ダイス（図２（ロ）に示すダイス孔）を予め取り付けておき、その異形状ダイスで目標寸法が厚さ０.１００ｍｍ及び幅０.５００ｍｍの形状に伸線した。一方、試料３１〜４３については、異形状ダイスを使用せず、スリッターで幅の目標寸法０.５００ｍｍでスリット加工した。
【００６９】
以上の圧延加工及び伸線加工により製造した試料１〜４３の各Ａｌリボンについて、電気炉でのアニール及び研磨紙での研磨を各試料に合わせて行うことにより、平均結晶粒径、表面粗さＲａ、酸化膜の厚さを調整した。例えば、平均結晶粒径は電気炉での熱処理により制御した。特に試料４〜６、３１〜３３については、注意を払って目標とする平均粒径になるように熱処理した。具体的には、各試料のＡｌリボンを、真空引きのできる密閉性のバッチ式電気炉に入れ、温度１２０〜３５０℃でアニールした。アニール時間は目標温度に達してから３０分とした。
【００７０】
また、表面粗さＲａは研磨紙により研磨して調整した。特に試料７〜９、３４〜３６については、注意を払って目標とする平均表面粗さになるように研磨した。具体的には、＃２２０〜＃５０００の研磨紙を準備し、目標の平均表面粗さに合わせて研磨を行った。酸化膜の厚さは、各試料のＡｌリボンの表面を酸処理によって酸化膜を可能な限り除去した後、熱処理時の雰囲気によって調整した。特に試料１０〜１２、３７〜３９については、注意を払って酸化膜が目標とする膜厚となるように混合ガスの割合の調整等を行った。具体的には熱処理する際に、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、その混合ガスを流しながら熱処理を行った。
【００７１】
得られた試料１〜４３の各Ａｌリボンについて、平均結晶粒径、表面粗さＲａ及び酸化膜の厚さを測定すると共に、幅と厚みの寸法バラツキ、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、伸び率の評価を行った。以下に、平均結晶粒径、表面粗さＲａ、酸化膜の厚さの各測定方法、並びに、Ａｌリボンの幅と厚みの寸法バラツキ、外観検査、ボンディング後の接合強度、伸び率の測定と評価について詳しく説明する。
【００７２】
＜平均結晶粒径の測定＞
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、型式：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、ほとんどは多角形や複雑な形状をしているが、その最も長い径と最も短い径の平均値を求めて試料の平均結晶粒径とした。
【００７３】
＜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。試料のＡｌリボンにおける圧延方向及び圧延方向と直角の方向に各３点ずつ表面粗さＲａを測定し、計６点の平均値を求めて試料の表面粗さＲａとした。
【００７４】
＜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。試料のＡｌリボンについて、酸化膜の厚さを任意の３点で測定し、３点の平均値を求めて試料の酸化膜の厚さとした。
【００７５】
＜寸法バラツキの測定＞
試料のＡｌリボンについて、光学顕微鏡によって厚さと幅の寸法を任意に各５点測定し、それぞれの平均値を求めた。得られた厚さ及び幅の各平均値と厚さ及び幅の目標値（厚さの目標値＝０.１００ｍｍ、幅の目標値＝０.５００ｍｍ）との差（絶対値）を試料の寸法バラツキとした。
【００７６】
＜外観検査（クラック・バリの有無の検査）＞
試料のＡｌリボンについて、クラックやバリの有無を外観検査した。外観検査は、まず何も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リボンの長さ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。
【００７７】
＜接合強度試験＞
試料のＡｌリボンについて、接合強度を確認するため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３に示すように、Ｎｉメッキ４を施したＣｕ基板３にＡｌリボン１を押し当てて加圧し、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１が接続されたＣｕ基板３）をシェア試験機に固定し、Ａｌリボン１の先端部を冶具に引っかけて接合部２が剥離するときの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で示した。
【００７８】
＜伸び率＞
試料のＡｌリボンについて、ループ性や柔らかさの指標として伸び率を測定した。即ち、Ａｌリボンを１００ｍｍの長さに切断し、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。各試料を５点準備して伸び率を測定し、計５点の平均を求めて伸び率とした。伸び率は試料１を１００％として各試料の相対評価で示した。
【００７９】
上記試料１〜４３の各Ａｌリボンについて、上記した方法により求めた平均結晶粒径、表面粗さＲａ、及び酸化膜の厚さを、その製造に用いた圧延手段及び伸線手段と共に、下記表３〜４に示した。また、上記方法により求めた寸法バラツキ、外観検査、接合強度及び伸び率の評価結果を、試料１を１００％として相対評価した各試料の作業時間と共に、下記表５〜６に示した。尚、試料１〜２５のＡｌ合金については下記表３及び表５に、試料２６〜４３の各Ａｌ合金については下記表４及び表６に示した。
【００８０】
【表３】
2015106678.tif 000005
【００８１】
【表４】
2015106678.tif 000006
【００８２】
【表５】
2015106678.tif 000007
【００８３】
【表６】
2015106678.tif 000008
【００８４】
上記表３及び表５から分るように、本発明の実施例である試料１〜２５の各Ａｌリボンは全ての評価項目において良好な結果を示している。具体的には、試料１〜２５の全てにおいて、寸法バラツキは小さく、作業時間は比較例の各試料に比べて短く、外観検査ではクラックやバリは確認されず、接合強度及び伸び率も全て比較例に比べ高い値が得られた。
【００８５】
上記のごとく試料１〜２５のＡｌリボンについて、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を同時に圧延し、その直後に異形状ダイスによって伸線したことにより、高い寸法精度が得られたものと考えられる。このように厚さ方向と幅方向を同時に圧延し、且つ圧延と伸線もほぼ同時に行うことによって、位置ずれや歪みなどが無くなり、蛇行や反り、シワ等の発生も軽減され、精度の高い加工ができる。尚、上記実施例の試料１〜２５では、圧延の際に蛇行したり、反りやシワが発生したりすることなどがなく、圧延作業を容易に実施して効率的な製造ができた。
【００８６】
また、試料１〜２５のＡｌリボンについて、作業時間が短かった理由は、１回の作業での圧延と伸線を可能にしたことが最も大きな要因である。クラックやバリが発生しなかった理由は、２方向から圧延することによって最大応力を小さくでき、しかも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材料を選定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無いことに加え、平均結晶粒径、平均粗さＲａ、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。
【００８７】
一方、比較例である試料２６〜４３のＡｌリボンは、表４及び表６から分るように、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、試料２６〜２８及び試料３１〜４３につては、作業時間が１８０％を超えてしまい、コストが高くなる要因となっている。また、試料３１〜４３は、接合強度や伸び率が６０％以下と極めて悪い評価結果となった。更に、試料２９〜３０では、寸法バラツキがやや大きく、外観検査においてクラックやバリが若干多く認められた。
【符号の説明】
【００８８】
Ａ    厚み方向圧延ロールＡ
Ｂ    幅方向圧延ロール
１０  Ａｌ合金材
１    Ａｌリボン
２    接合部
３    Ｃｕ基板
４    Ｎｉメッキ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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