(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄（Ｆｅ）が０．２〜２．０質量％および残部が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなる、半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線において、
当該アルミニウム合金細線のアルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に鉄（Ｆｅ）が０．０１〜０．０５％固溶されており、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織の微細再結晶組織に残りの鉄（Ｆｅ）が鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子として分散して晶出していることを特徴とする半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項２】
上記アルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に鉄（Ｆｅ）が０．０２〜０．０５％固溶されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項３】
上記アルミニウム合金細線の残部アルミニウム（Ａｌ）の純度が９９．９９５質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項４】
上記アルミニウム合金細線の残部アルミニウム（Ａｌ）の純度が９９．９９８質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項５】
上記アルミニウム合金細線の線径が５０〜５００μmであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項６】
上記微細再結晶組織の平均粒径が３．６〜５．３μｍの大きさであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項７】
上記微細再結晶組織が溶体化処理後の線径に対して９０％以上の連続伸線加工が冷間でされたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項８】
上記微細再結晶組織が溶体化処理後に冷間で連続伸線加工されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項９】
上記微細再結晶組織が一連の順序で溶体化処理、冷間で連続伸線加工および調質熱処理されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項１０】
上記微細再結晶組織が溶体化処理、冷間で連続伸線加工処理および３００℃〜５００℃、６０分の調質熱処理という一連の順序で処理されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項１１】
上記アルミニウム合金細線が２５〜４０Ｈｖのビッカース硬度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【請求項１２】
上記アルミニウム合金細線のＩＡＣＳの導電率が６２％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを超音波接続するために用いるアルミニウム合金細線に関するもので、特に、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）中に鉄（Ｆｅ）を強制固溶したアルミニウム合金細線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このアルミニウム合金細線に適用される超音波ボンディング方法は、アルミパッド上のアルミニウム合金細線に超硬ツールを押しつけ、その荷重および超硬ツールからの超音波振動のエネルギーによりアルミニウム合金細線とアルミパッドとを接合するものである。超音波印加の効果は、アルミニウム合金細線の変形を助長するための接合面積の拡大と、アルミニウム合金細線に形成された  ５〜１０ナノメートル（ｎｍ）程度の表面酸化膜を破壊・除去することにより、アルミニウム（Ａｌ）等の金属原子を下面に露出させ、相対して接するボンディングパッドとの界面に塑性流動を発生させ、互いに密着する新生面を漸増させながら、両者を原子間結合させることにある。
これまでアルミニウム（Ａｌ）中に鉄（Ｆｅ）を固溶したアルミニウム合金細線としては、以下のものがあるが、アルミニウム（Ａｌ）の純度が低かったために超音波接続中にチップ割れを生じたり、また、チップ割れを回避するために調質熱処理を高温で行うとアルミニウム合金細線の強度が低くなり、超音波接合後にパワー半導体として使用した場合、熱衝撃により断線するという問題があった。
【０００３】
これらの例として、先ず、特開昭４８-０２６６１１号公報（後述する特許文献１）がある。これは、「実例によってＡｌ−Ａｌ６Ｆｅ構造を有する代表的なアルミニウム−鉄合金（２．５％Ｆｅ）の(i)アス鋳造（成長速度Ｒ＝２５００μｍ／秒、温度こう配Ｇ＝１０°／分）および(ii)冷間加工条件（面積の減少９４％）における機械的特性を第１表に示す（同３頁右下欄）。」ことから、極めてゆっくり徐冷してＦｉｇ３（ａ）に示すＡｌ６Ｆｅ構造粒子を工業的に利用しようとするものである。
しかし、このような粒子構造ではアルミニウム−鉄合金マトリックスが硬くなりすぎるため、このようなワイヤを超音波と荷重を印加した半導体素子の超音波ボンディングに用いることができない。
【０００４】
また、特開平８−８２８８号公報（後述する特許文献２）がある。これは、大きな荷重と超音波による超音波ワイヤボンディング法によってアルミパッドもしくはＡｌ−Ｓｉ合金膜の電極パッドに直径５００μｍのＡｌ−０.０２ｗｔ％Ｆｅ合金ワイヤを変形させて、電極パッドに強固に接合するもので、アルミニウムにＦｅを含有させることにより、再結晶を起こす温度を高めることができるため通電時に再結晶せず、結晶粒の大きさが５０μｍ以上と大きいことにより、結晶粒界に働く熱応力が低くなりクラックの進展が抑制されることを利用する（同段落００１０）。
しかし、結晶粒径が大きくなると、それに伴ってボンディングワイヤ自体の機械的強度も低くなってしまい、熱サイクル試験中にワイヤが受ける塑性歪み量が増えてしまう。このため粒界を減らした効果と歪み量増加の効果が相殺されてしまい、このような結晶粒径が大きいボンディングワイヤの熱衝撃の信頼性は、実際にはそれほど向上しない。
【０００５】
また、特開２００８−３１１３８３号公報（後述する特許文献３）には、９９．９９ｗｔ％（４Ｎ）高純度Ａｌ−０．２ｗｔ％Ｆｅ合金インゴットを作成し、線引き加工後のワイヤを、３００℃、３０分焼鈍後徐冷して、線引きの加工ひずみを除去し、パワーモジュールに適用する超音波ボンディング適応レベルに軟化させた、直径３００μｍのワイヤが開示され（同段落００１７）ており、このワイヤを超音波ボンディングした後、１００〜２００℃で１分〜１時間の間時効させると、最高動作温度２００℃になっても使用時の大電流繰り返し通電によって接続部に発生したクラックの進行を抑制することが可能になる（同段落００１２、００１５）ことが記載されている。
このボンディングワイヤも、溶体化処理をせず、単純に「３００℃、３０分焼鈍後徐冷」（本発明の「調質熱処理」に相当する）していることから、特開平８−８２８８号公報（後述の特許文献２）のワイヤと同様に結晶粒径を大きくしてボンディングワイヤの熱衝撃の信頼性を向上させようとするものであるが、ワイヤの強度が弱くなってしまうため、信頼性はそれほど向上しない。
他方、Ａｌ−Ｃｕ合金では、ワイヤが硬くなりすぎるためボンディング荷重を大きくする必要があり、高温半導体用のＳｉチップでは超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。
【０００６】
また、特開２０１１−２５２１８５号公報（後述する特許文献４）がある。これは、アルミニウム（Ａｌ）中に、鉄（Ｆｅ）のほかシリコン（Ｓｉ）及び銅（Ｃｕ）を共存させたＡｌ合金導電線であって、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金マトリックス中でＦｅからなる析出物の長軸方向の長さを制御することにより、導電線として必要な導電率を確保しながら、伸び、及び引張強さに優れるＡｌ合金導電線を得て、ワイヤハーネスやバッテリーケーブル等に適用している(同段落００１３等)。
特許文献４の実施例では、鋳造したＡｌ合金をφ５．６５ｍｍまで伸線処理を行った後、５５０℃で３時間溶体化処理を行い、この溶体化処理の後、水冷により、線を冷却し、更にφ０．３３ｍｍまで冷間伸線処理を行った。このＡｌ合金線を２３０〜２４０℃で熱処理を施したことが記載されている。
しかしながら、このＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金マトリックスは、特開２００８−３１１３８３号公報（後述する特許文献３）のＡｌ−Ｃｕ合金マトリックスと同様、ワイヤ自体が硬くなりすぎるため高温半導体素子用のボンディングワイヤとして接合しようとすると、超音波ボンディング時にチップクラックが発生してしまう。さらに、導電率（ＩＡＣＳ）が６２％以上の適正な範囲から５５〜６１％と著しく低下してしまうため、発熱が大きく半導体素子の寿命を早めてしまうおそれがある。
【０００７】
以上の例に見るとおり、これまでの高温半導体用のボンディングワイヤは、アルミニウム（Ａｌ）マトリックス中の結晶粒界を粗大化することにより、超音波ボンディング時のチップ割れを防止し、熱衝撃による接合界面からの断線を防止しようとするものであった。
半導体素子上の電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合部は、熱膨張率の極めて小さい（３.５×１０−６ ／℃)シリコンと熱膨張率の大きな(２４.３×１０−６／℃）アルミニウムの組合せからなり、半導体の動作時には大電流が流れて発熱して最も高温にさらされるため、電極パッドとアルミニウム合金ワイヤとの接合界面に大きな熱応力が働く。その結果、接合されたワイヤの周辺部からクラックが進展し、短時間でワイヤが剥離するという問題がある。
【０００８】
他方、アルミニウム合金細線は、１００〜２００℃の耐熱性を必要とする半導体、特にエアコン、太陽光発電システム、ハイブリッド車や電気自動車などのパワー半導体への適用が要望されており、その応用範囲は、動作温度が高温側へ今後ますます拡大していくものと考えられる。このようなパワー半導体素子の動作条件は通常の半導体素子よりもさらに高温度になり、１５０〜１８０℃の接合部温度に耐える必要がある。
このような高温環境下においては、これまで上述した軟化しやすいアルミニウム合金細線は実用化されていなかった。これは、アルミニウム合金細線を高温に保持すると、アルミニウム合金細線中の伸線加工組織が回復組織から再結晶組織になり、やがて粒成長が起こり、アルミニウム合金細線全体がやわらかくなってしまうからである。
また、これまでのアルミニウム合金細線では結晶粒の大きなアルミニウムマトリックスを用いた場合でも、アルミニウム合金細線とシリコンチップとの熱膨張率の差によってアルミニウムマトリックス内に熱衝撃ひずみに起因したサブグレインが形成され、これに沿ってアルミニウム合金細線内にクラックが伝播し、アルミニウム合金細線がシリコンチップからはがれてしまうという欠点は解消されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭４８-０２６６１１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２０１１−２５２１８５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】軽金属（１９８０）Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１１、Ｐ６２６〜６３３  「Ａｌ−Ｆｅ合金の加工軟化と再結晶」武居広見  ほか２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、アルミニウム合金細線をアルミパッドへ超音波接合する際にチップ割れを起こさないことに加え、接合後のアルミニウム合金細線とアルミパッドとの接合界面の強度が長期間動作時に不安定にならないこと、特に、高温の熱衝撃試験をした場合、アルミニウム合金細線の熱疲労破壊によって、アルミニウム合金細線がアルミパッドから剥離しない強固な結晶組織を持つアルミニウム合金細線を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、アルミパッドのアルミニウム（Ａｌ）とボンディングワイヤのアルミニウム（Ａｌ）との接合界面からの熱衝撃試験によるはく離を詳しく調べたところ、接合界面の破壊原因は疲労破壊であることがわかった。この疲労破壊の原因をさらに探求していったところ、アルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に６５０℃でも０．０５２％（５２０ｐｐｍ）しか固溶しない鉄（Ｆｅ）の固溶状態に問題があることが解った。
すなわち、アルミニウム（Ａｌ）と鉄（Ｆｅ）合金インゴットを鋳造する工程において、固溶限が極端に小さい鉄（Ｆｅ）の場合、インゴット凝固時の徐冷中に鉄（Ｆｅ）がアルミニウム（Ａｌ）側に析出してしまう。その結果、鉄（Ｆｅ）が固溶限まで固溶せず、これが原因となってアルミニウム合金細線の強度が弱くなってしまうことがわかった。
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するため、アルミニウム合金細線のアルミニウム（Ａｌ）マトリックスから析出した鉄（Ｆｅ）を６５０℃での固溶限度の０．０５２％（５２０ｐｐｍ）まで再固溶させることとし、アルミニウム合金細線の強度を強くした。そして、この伸線アルミニウム（Ａｌ）マトリックス組織を数μｍオーダーの均質な微細再結晶組織にするとともに、再固溶せずに残った鉄（Ｆｅ）を鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子として微細再結晶組織の粒界および粒内に分散させることにより、高温半導体デバイスとして動作時の熱衝撃歪みを合金化元素によらず微細再結晶組織の粒界で吸収させた。
本発明の特徴は、調質熱処理前に溶体化・急冷処理という工程を追加することにより、アルミニウム（Ａｌ）マトリックスに固溶する鉄（Ｆｅ）量を６５０℃での固溶限である０．０５２％まで高め、その後の通常の冷間での連続伸線加工と、その後の調質熱処理によりAl-Fe合金ワイヤの結晶粒径を微細化することを可能としたことと、Alを高純度化することにより、ボンディング時に動的再結晶を発現させてチップダメージを回避したことにある。
これにより、ボンディングワイヤの機械的強度を上げて熱サイクル試験中の熱衝撃によるアルミパッドとの接合界面におけるワイヤの塑性変形量を減らしながらも、超音波接合時には低荷重でボンディングできてチップクラックが発生しないという相反する要求を満たすことができた。
【００１４】
超音波によるワイヤボンディングは、超音波印加の下でワイヤとパッドとの接合新生面を形成しつつワイヤは変形して接合面積を拡大して相互の原子間結合を形成するのであるが、これらのボンディングの際のチップクラックは、一般にボンディングワイヤの硬度、強度が大きい場合、ボンディングツールの加重を大きくする必要があり、また、ワイヤからチップにかかる荷重も大きくなってクラック発生に至る。
このことから、一般にワイヤが柔らかく、変形しやすいことがチップに対する荷重を緩和し、チップクラック発生の抑制に効果があるとされている。
しかしながら、本発明者らはこのワイヤの変形の際に加工硬化が生じていることが影響するものと考えた。
すなわち、ワイヤボンディングにおいてはパッドに対して予熱されており、超音波付加によってパッドと共にワイヤの温度も上昇するが、その温度程度では軟化することはなく変形に伴って加工硬化するためにチップに対して過大な荷重が及ぶことがチップクラック発生の一因であると考えられる。
【００１５】
ところで、一般に金属、合金は加工に伴って硬化する加工硬化が知られているが、純Ａｌ、Ａｌ−Ｆｅ合金などの金属合金では、加工と共に軟化が起こる加工軟化現象が知られている（非特許文献１参照。）。
これらの金属、合金では同一変形条件で強加工することにより著しく軟化することが特徴であるとされ、Ａｌ−Ｆｅ合金についてＡｌ中におけるＦｅの存在状態の差異によって再結晶挙動が著しく異なることが知られている。
Ａｌ−Ｆｅ合金の場合、これら焼鈍処理によってＦｅが固溶した試料は加工硬化が飽和して定常変形すること、変形に際して歪みエネルギーが回復に伴って再結晶に寄与すると考えられ、このいわゆる動的再結晶を利用することにより、ワイヤ変形に伴うチップに対する過大な負荷を緩和することを想定した。
本発明は前記したとおり、熱疲労に伴う接合界面の破壊を抑制するためワイヤ強度の向上を図るものであるから、ボンディングに際して変形する接合部の軟化は逆効果となるが、変形時の加工硬化が生じなければ十分にチップへの過大な荷重は回避できるのであり、Ａｌ−Ｆｅ合金におけるこれらの条件を見出したのである。
本発明のアルミニウム（Ａｌ）マトリックスに鉄（Ｆｅ）を固溶限まで強制的に固溶させたアルミニウム合金ワイヤは、超音波接合時のボンディングワイヤが変形中に動的再結晶を発現させるので、太い線径のボンディングワイヤでもボンディング荷重を低く保つことができる。
【００１６】
本発明の半導体装置用アルミニウム合金細線は、鉄（Ｆｅ）が０．２〜２．０質量％および残部が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなる、半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線のアルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に鉄（Ｆｅ）が０．００５〜０．０５％固溶されており、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織が数μｍオーダーの均質な微細再結晶組織でその微細再結晶組織の界面および内面に鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子が一様に晶出しているものである。
【００１７】
本発明における純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）中の不純元素としては、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）等の遷移金属元素やアルカリ金属元素・アルカリ土類金属元素などが挙げられる。
アルミニウム（Ａｌ）の純度は、アルミニウム（Ａｌ）マトリックスの動的再結晶を発現させるため、９９．９９５質量％以上であることが好ましく、９９．９９８質量％以上であることがより好ましい。
【００１８】
本発明においては、鉄（Ｆｅ）がマトリックス中に０．０１〜０．０５％固溶されていることが好ましい。より好ましくは鉄（Ｆｅ）が０．０２〜０．０５％固溶されていることである。鉄（Ｆｅ）が固溶限まで固溶されていればいるほど、結晶粒をより微細化できるからである。
また、本発明においては、アルミニウム合金細線の線径が５０〜５００μmであることが好ましい。５０μm未満では電気自動車向けの大電流パワー半導体に用いることができず、５００μmを超えると、アルミパッドへの超音波ボンディングが困難になるからである。アルミニウム合金細線の直径は、使用する半導体装置によって適宜選択される。
また、本発明においては、微細再結晶組織の平均粒径（Ｄ平均）が線径の０．５〜５％の大きさであることが熱衝撃歪み性から好ましい。０．５〜５％の大きさは、アルミニウム合金素線からアルミニウム合金細線へ連続伸線された細線の断面減少率を細線の直径と微細再結晶組織の大きさの観点から定義したものである。より好ましくは、線径の０．５〜２％の大きさである。
微細再結晶組織は、適度な平均粒界を形成する必要性から、もとの線径に対して９０％以上の伸線加工が連続して冷間でされたものであることが好ましい。より好ましくは９９％以上である。
【００１９】
また、本発明においては、溶体化処理後に冷間で連続伸線加工されたものであることが好ましい。連続伸線加工は、ダイス伸線することが好ましく、ダイヤモンドダイスが特に好ましい。これにより、同心円状に配置された細長の微細再結晶組織ができやすいためである。
【００２０】
なお、連続伸線されたアルミニウム合金細線には一定の張力がかけられたまま伸線歪み取り熱処理をしてもよい。一定の張力は、基本的に連続伸線における最終ダイヤモンドダイスの出口から巻取りスプールの入口までの間にかかっているが、ダンサローラなどで他工程の振動がアルミニウム合金細線に伝わらないようにすることにより、熱処理工程と冷却工程のあいだで特に一定に保たれ、最終の熱処理温度と熱処理区間によって所定の歪み取り熱エネルギーをアルミニウム合金細線に付与することができる。
ただし、この熱処理は、はるかに熱エネルギーが大きい調質熱処理に吸収される。
本発明における溶体化処理は、Ａｌ−希薄Ｆｅ合金の固相線温度（６５５℃）の直下温度に加熱して、アルミニウム（Ａｌ）マトリックスから析出した鉄（Ｆｅ）を再固溶させてマトリックス中に均一に溶け込ませた後、急冷、好ましくは水冷して、強制固溶させることをいう。加熱時間は、通常数十時間である。この溶体化処理は、再結晶粒を微細化して軟質のアルミニウム（Ａｌ）マトリックスの熱衝撃歪みに対する機械的強度を増すためである。
【００２１】
また、本発明においては、調質熱処理によって鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子が晶出する。調質熱処理前にワイヤが冷間で連続伸線加工されているので、調質熱処理によって均質な微細再結晶組織も形成される。伸線加工の断面減少率によって微細再結晶組織の粒界の大きさが定まり、数μｍオーダー、すなわち、図１に示すような多角形状の微細再結晶組織の平均粒界の大きさは０．１から１０μｍの範囲とした。アルミニウム合金細線の線径は、当該アルミニウム合金素線の線径に対して８０％以上連続伸線加工されたものであるのが好ましく、９５％以上がより好ましい。
また、調質熱処理は温度および時間によって微細再結晶組織の粒界の大きさが変化するとともに、伸線加工の断面減少率によっても調質熱処理の温度および時間が変化し、一義的に定まらない。そこで通常は、バッチ処理で、アルミニウム合金細線を再結晶させるのに３５０℃〜５００℃の温度範囲が好ましく、３８０℃〜４３０℃の温度範囲がより好ましい。熱処理の加熱方法としては、電気炉による加熱、通電加熱、光照射による加熱、水蒸気加熱などがある。
また、伸線加工後のアルミニウム合金細線を調質熱処理（最終熱処理）して水冷すると、アルミニウム合金細線の表面に空孔等が形成され、超音波を適用したボンディングの際に空孔等の周縁で超音波の熱が発生するので、アルミニウム合金細線がアルミパッドへ超音波接合されやすくなる。エタノールを混入させると、さらに超音波接合されやすくなる。
他方、晶析する鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子は、伸線加工によってアルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に均一微細に分散し、アルミニウム（Ａｌ）マトリックスの機械的強度を高くするとともに、熱による微細再結晶組織の粗大化をピン止め効果によって阻止する。鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子は、ＦｅＡｌ３またはＦｅＡｌ６と考えられる。
【００２２】
また、本発明におけるボンディングワイヤの硬さは、２５〜４０Ｈｖのビッカース硬度であることが好ましく、２８〜３５Ｈｖであることがより好ましい。超音波ボンディング時のチップ割れの観点からは、一般的にできるだけ低い硬さのワイヤであることが好ましい。
しかし、本発明のアルミニウム合金は、ボンディング時のワイヤの変形中に動的再結晶を発現させ、ワイヤが塑性変形しても加工硬化しないので、ボンディング作業の取り扱いが容易な硬めのボンディングワイヤを用いることができる。アルミニウムマトリックス中のアルミニウム（Ａｌ）の純度が高ければ高いほど、動的再結晶はよく発現する。よって、アルミニウム（Ａｌ）の純度は、９９．９９８質量％以上が好ましく、より好ましくは９９．９９９質量％以上が良い。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体装置を接続するためのアルミニウム合金細線によれば、太い線径のものを超音波ボンディングしても動的再結晶の発現により、ボンディングワイヤが加工硬化することなく定常変形しながら接合されるので、チップ割れを生じることがない。また、高温（２００℃）−低温(−５０℃)各３分の熱衝撃試験を繰り返して疲労させても、アルミニウム（Ａｌ）マトリックス中の微細再結晶組織と金属間化合物粒子のピン止め効果により、アルミニウム合金マトリックスと同様の耐熱衝撃性を有する。
具体的には、実施例に記載したように、高温（２００℃）と低温(−５０℃)各３分の熱衝撃試験を繰り返して、初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から２０％ないし３０％（０．８ないし０．７）まで低下する回数が従来の２倍程度へと大幅に向上する。この効果は、４Ｎアルミニウム合金細線よりも５Ｎアルミニウム合金細線のほうがよりよく発揮されるが、価格を優先するときは４Ｎ８前後のアルミニウム合金細線が良く、本発明のアルミニウム合金細線は、高温となる電気自動車等のパワーサイクル半導体などに好適な超音波ボンディング用のアルミニウム合金細線となる。
【実施例】
【００２４】
表１に示す組成の実施例１〜２０、比較例１〜２８として、鉄（Ｆｅ）および残部がアルミニウム（Ａｌ）からなるアルミニウム合金を溶融し、連続鋳造して直径３００ｍｍのアルミニウム合金インゴットを鋳造した。この鋳塊を溝ロール圧延後に伸線加工して５ｍｍ直径のアルミニウム合金素線を作製した。
次いで、この素線を溶体化処理した。溶体化処理は、６５０℃から４５０℃までの３水準で４８時間行い、その後、水中で急冷、もしくは大気中で徐冷（比較例２０〜２４）した。その後所定の線径まで水中で連続伸線し、ボンディングワイヤとした。このワイヤを超音波工業社製型式REBO７型全自動ボンダを用い、１２０ｋＨｚの周波数で荷重８０００ｍＮ、超音波出力１５Ｗ、接合時間１８０ｍｓの条件でＡｌ−１．０％Ｓｉ合金のアルミパッドへ１００本超音波接合した。従来例として、Ａｌ−５０ｐｐｍＮｉ合金ワイヤを採用した。
なお、調質温度は、実施例、比較例共に３８０℃、従来例のみ３３０℃で行った。
【００２５】
（超音波接合条件）
アルミニウム合金細線の線径は０．１、０．３、０．５ｍｍ、ループ長は１０ｍｍで、ループ高さは１．５ｍｍとした。超音波工業社製REBO７型全自動ボンダを用いて、アルミニウム合金細線をSiチップ（厚さ0.５mm）上のＡｌ−１．０％Ｓｉ膜（厚さ4μｍ）上に超音波ボンディングを実施した。ボンディング条件は、１２０ｋＨｚの周波数で、荷重および超音条件については、ファースト接合部のつぶれ幅がワイヤ線径の１．３倍になるように任意に調整をおこない、全サンプル１００個について同一条件で、ファーストボンドおよびセカンドボンドの超音波ボンディングを実施した。超硬ツールおよびボンディングガイドは、ワイヤサイズに合致した超音波工業社製のものを使用した。
【００２６】
次に、この接合されたアルミニウム合金細線について、チップ割れ観察試験、及び、熱衝撃試験を行った。
（チップ割れ観察試験）
ボンディング後の試料を、２０％NaOH溶液でAl-１．０％Ｓｉパッドを溶解して、光学顕微鏡（オリンパス製測定顕微鏡、STM６）を使用し、１００倍の倍率でチップ割れの有無を確認した。１０カ所観察を行い、チップ割れが一つでも発生していたら×、一つも発生していなければ○とした。
【００２７】
（熱衝撃試験）
熱衝撃試験装置は、エスペック社製小型冷熱衝撃装置ＴＳＥ−１１を用い、高温側：＋２００℃、
低温側：−５０℃で各々３分間ずつで、１万回まで繰り返した。
これ等のサンプルについて次のせん断強度試験を行って評価した。
（せん断強度試験）
DAGE社製２４００型式を用いてファースト接合部のせん断強度を、１千回、２千回、５千回、および１０千回終了後に測定し、０回の初期強度との比較を求めた。初期のせん断強度と繰返し後のせん断強度比が初期から２０％（０．８）まで低下する回数が従来の２倍未満の物を×、２倍以上の物を○とした。従来品としては、市販品のＡｌ−５０ｐｐｍＮｉを採用した。なお、試験高さは、５μｍ、試験速度は５００μｍ/秒であった。
【００２８】
（比抵抗測定）
このワイヤの７７Kおよび３００Kでの比抵抗を直流電源（ケースレー社製型式２４００）およびナノボルトメーター（ケースレー社製型式２１８２）を使用して、直流４端子法で測定した。
【００２９】
（つぶれ幅測定）
ファースト接合部の変形したワイヤの幅の最大値を、ワイヤ長手方向と垂直方向に測定して、つぶれ幅とした。測定には光学顕微（オリンパス製測定顕微鏡、ＳＴＭ６）を使用した。
【００３０】
（０．２％耐力測定）
引っ張り試験機（島津製オートグラフＡＧ−Ｘ）を使用して引っ張り試験を行い、０．２％塑性変形したときの応力を測定して、０．２％耐力とした。
【００３１】
（断面観察試験）
断面ミリング装置（日立ハイテクノロジーズ社製型式ＩＭ−４０００）を使用してワイヤ断面を作製し、組織観察には集束イオンビーム加工観察装置（日本電子社製型式ＪＩＢ−４０００）を使用した。結晶粒径の測定には断面法を使用した。
表１，２中の微細再結晶組織の平均大きさは、断面の水平方向と垂直方向のワイヤ長さの平均値とした。
【００３２】
（ビッカース硬さ測定）
ビッカース硬さ測定にはビッカース硬度計（アカシ社製型式MVK-G3）を使用した。
これらの実施例及び比較例のボンディングワイヤと上記の各種試験の結果を表１及び表２に示す。
【表１】
0005159000.tif 000002
【表２】
0005159000.tif 000003
【００３３】
以上の結果について、実施例及び比較例を挙げた表１、２において、ワイヤ組成範囲、熔体化処理の条件とチップ割れ及び熱衝撃試験結果とを対比すると、次のとおりであった。
比較例９，１０はアルミニウム（Ａｌ）原料の純度が９９．９質量％（不純物含有量が１０００質量ｐｐｍ）あり、これらの影響で本発明が意図するＦｅ熔体化による強度向上効果と加工軟化によるチップ割れ防止効果が共に得られていない。比較例１１はアルミニウム原料の純度が低いことに加えてＦｅ含有量が本発明範囲を超えており、ビッカース硬さ、潰れ幅／ワイヤ径の数値に見られるとおり、硬さが高く、加工軟化効果が働かないため、チップ割れを生じている。
【００３４】
また、比較例１６，１７及び１８は、本発明範囲の組成により加工軟化によるチップ割れ防止は達成できたが、熔体化処理温度が４５０℃と低いために熔体化されず、このため素地金属の強度が不足して熱衝撃試験結果は不良となった。
比較例１５、１９は、ワイヤ組成が本発明範囲を外れ、熔体化処理温度が上記と同じく低いために熔体化されず、硬さ、強度が低いためにチップ割れは生じないが、その強度不足により熱衝撃試験は不良である。
【００３５】
比較例２１，２２は成分組成が本発明範囲にあるため硬さが低く、チップ割れは生じていないが、熔体化処理後の冷却を空冷によっており、溶体化・急冷処理が行われず本発明の特徴とするＦｅの再固熔効果が損なわれているため、金属組織の強度が不足し、熱衝撃試験結果は不良となっている。
比較例２０，２４は、組成が本発明範囲を外れ、かつ熔体化処理後の冷却を空冷によっているため、同様の結果となっている。
【００３６】
そのほかの例は、いずれも原料アルミニウム（Ａｌ）の純度、熔体化温度、熔体化処理後の冷却条件(水冷)の条件は、本発明と変わらないが、その組成範囲が本発明範囲を外れる。
そして、これらの組成範囲において、Ｆｅの含有量が本発明範囲より低いものは、硬さが小さく、潰れ幅／ワイヤ径が大きくなっていることから、チップ割れは生じていないが、強度不足に起因して熱衝撃試験結果が不良となっていることが解る。
また、これらとは逆に、これらの組成範囲において、Ｆｅの含有量が本発明範囲より多いものは、硬さが高く、潰れ幅／ワイヤ径が小さくなっていることから、チップ割れを生じており、一方強度熱衝撃試験では最低所要回数まで及ばず、評価外となっている。
以上の結果から、本発明のワイヤはその成分組成範囲において、発明に規定する熔体化処理及び熱処理過程を経ることが必須であることが解る。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、熱衝撃試験を繰り返してもせん断強度の低下が少ないことから、ハイブリッド車や電気自動車、あるいは、電車、風力発電機、産業用ロボットに使用されるパワー半導体の接続線として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、アルミニウム合金細線の断面組織写真を示す。
【図２】図２は、アルミニウム合金細線のせん断強度の変化割合を示す。
【図３】図３は、熱サイクル試験後のワイヤ内クラックの断面組織写真である。
【要約】
【課題】Ａｌ合金系ボンディングワイヤにおいて、耐熱衝撃性を向上し、チップ割れ防止する。
【解決手段】鉄（Ｆｅ）が０．２〜２．０質量％および残部が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなり、アルミニウムマトリックス中に鉄が０．０１〜０．０５％固溶され、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織が数μｍオーダーの均質な微細再結晶組織でその微細再結晶組織の界面および内面にFe・Alの金属間化合物粒子が一様に晶出した組織からなる。
強加工したＡｌを熔体化処理してＦｅを固熔限近傍まで固熔させると共に、調質熱処理により上記組織とする。超音波ワイヤボンディングに際してワイヤは変形に伴って動的再結晶して、加工硬化を伴うことなく圧着される。
【選択図】図１【図２】
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【図１】
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【図３】
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