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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-18
(45)【発行日】2022-08-26
(54)【発明の名称】Ａｌボンディングワイヤ
(51)【国際特許分類】
C22C 21/00 20060101AFI20220819BHJP
H01L 21/60 20060101ALI20220819BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20220819BHJP
C22F 1/04 20060101ALN20220819BHJP
【ＦＩ】
C22C21/00 A
H01L21/60 301F
C22F1/00 602
C22F1/00 604
C22F1/00 625
C22F1/00 650D
C22F1/00 661A
C22F1/00 685Z
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/04 D
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018191418
(22)【出願日】2018-10-10
(65)【公開番号】P2020059882
(43)【公開日】2020-04-16
【審査請求日】2021-08-27
(73)【特許権者】
【識別番号】595179228
【氏名又は名称】日鉄マイクロメタル株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000006644
【氏名又は名称】日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】山田 隆
(72)【発明者】
【氏名】西林 景仁
(72)【発明者】
【氏名】榛原 照男
(72)【発明者】
【氏名】小田 大造
(72)【発明者】
【氏名】江藤 基稀
(72)【発明者】
【氏名】小山田 哲哉
(72)【発明者】
【氏名】小林 孝之
(72)【発明者】
【氏名】宇野 智裕
【審査官】岡田 眞理
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－０４７４１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５１１５２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１２３５９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０９２０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１１８９４７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｃ ２１／００－２１／１８
Ｈ０１Ｌ ２１／６０
Ｃ２２Ｆ １／００
Ｃ２２Ｆ １／０４－ １／０５７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｌボンディングワイヤ。
【請求項2】
ワイヤ長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が０．１～５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のＡｌボンディングワイヤ。
【請求項3】
ワイヤ長手方向に垂直な断面において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率が３０～９０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＡｌボンディングワイヤ。
【請求項4】
ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＡｌボンディングワイヤ。
【請求項5】
ワイヤ直径が５０～６００μｍであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＡｌボンディングワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Ａｌボンディングワイヤに関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体装置では、半導体素子上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤによって接続している。ボンディングワイヤに用いる材質として、超ＬＳＩなどの集積回路半導体装置では金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）が用いられ、一方でパワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）が用いられている。例えば、特許文献１には、パワー半導体モジュールにおいて、３００μｍφのアルミニウムボンディングワイヤ（以下「Ａｌボンディングワイヤ」という。）を用いる例が示されている。また、Ａｌボンディングワイヤを用いたパワー半導体装置において、ボンディング方法としては、半導体素子上電極との接続とリードフレームや基板上の電極との接続のいずれも、ウェッジ接合が用いられている。
【0003】
Ａｌボンディングワイヤを用いるパワー半導体装置は、エアコンや太陽光発電システムなどの大電力機器、車載用の半導体装置として用いられることが多い。これらの半導体装置においては、Ａｌボンディングワイヤの接合部は１００～３００℃の高温にさらされる。Ａｌボンディングワイヤとして高純度のＡｌのみからなる材料を用いた場合、このような温度環境ではワイヤが軟化しやすいため、高温環境で使用することが困難であった。
【0004】
Ａｌ中にスカンジウム（Ｓｃ）（以下「Ｓｃ」と呼ぶ。）を含有する合金を用い、ＳｃをＡｌ3Ｓｃとして析出させると、Ａｌボンディングワイヤを高強度化することができる。特許文献２においては、主成分としてＡｌを含み、０．０５～１．０％のＳｃを含有するボンディングワイヤが開示されている。ボンディングワイヤ中にＡｌ3Ｓｃを析出することにより、電気的及び機械的特性の最適な組み合わせが得られるとしている。
【0005】
しかし、Ａｌ3Ｓｃが析出したボンディングワイヤを用いて半導体素子の電極にボンディングしようとすると、ワイヤの機械的強度が高いため、半導体素子のチップ割れを起こすこととなり、実用化することができなかった。これに対して特許文献３においては、ＡｌボンディングワイヤにＳｃを含有させ、ボンディングの前段階におけるボンディングワイヤでは事前の溶体化処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させず、ボンディング後に行う時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させる発明が開示されている。ボンディング段階ではＡｌ3Ｓｃが析出していないのでワイヤが軟化しており、ボンディング時にチップ割れを発生させない。一方でボンディング後に行う時効熱処理でＡｌ3Ｓｃが析出するのでワイヤの強度が増大し、半導体装置を高温環境下で使用してもワイヤが十分な強度を保持することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００２－３１４０３８号公報
【文献】特表２０１６－５１１５２９号公報
【文献】特開２０１４－４７４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献３に記載するような、Ｓｃを含有するＡｌボンディングワイヤを用いた半導体装置であっても、半導体装置を作動した高温状態において、ボンディングワイヤの接合部の接合信頼性が十分に得られないことがあった。
【0008】
本発明は、Ａｌボンディングワイヤを用いた半導体装置を作動した高温状態において、ボンディングワイヤの接合部の接合信頼性が十分に得られるＡｌボンディングワイヤ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】
【0009】
Ｓｃを含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、ボンディング後の時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃが析出することにより、特許文献３に記載のとおり、ボンディングワイヤの強度を増大することができる。一方、半導体装置を高温環境で使用し続けるとき、Ａｌボンディングワイヤの再結晶がさらに進行し、その結果としてワイヤの強度が低下することが判明した。
【0010】
それに対し、Ｓｃを０．０１～１％含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃに加えて、さらにイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム（以下「Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ」という。）の少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有することにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を抑制することができ、ワイヤの強度低下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とおりである。
［１］質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｌボンディングワイヤ。
［２］ワイヤ長手方向に垂直な断面（以下、「Ｃ断面」ともいう。）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍであることを特徴とする上記［１］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［３］ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率が３０～９０％であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［４］ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲であることを特徴とする上記［１］から［３］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
［５］ワイヤ直径が５０～６００μｍであることを特徴とする上記［１］から［４］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
［１］質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｌボンディングワイヤ。
［２］ワイヤ長手方向に垂直な断面（以下、「Ｃ断面」ともいう。）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍであることを特徴とする上記［１］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［３］ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率が３０～９０％であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のＡｌボンディングワイヤ。
［４］ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲であることを特徴とする上記［１］から［３］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
［５］ワイヤ直径が５０～６００μｍであることを特徴とする上記［１］から［４］までのいずれか１つに記載のＡｌボンディングワイヤ。
【発明の効果】
【0012】
本発明は、Ａｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有することにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できることから、高温長時間履歴後における接合部の信頼性を十分に確保することができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
ＡｌボンディングワイヤにＳｃを含有させたボンディングワイヤでは、特許文献３に記載のように、事前の溶体化処理によってＳｃを強制固溶してＡｌ3Ｓｃを析出させないことにより、ボンディング段階ではワイヤが軟化しており、ボンディング時にチップ割れを発生させない。そして、ボンディング後に行う時効熱処理によってＡｌ3Ｓｃを析出させる結果として、ワイヤの強度が増大するとともに、再結晶温度が上昇し、高温での使用中における再結晶の進行を防止してワイヤ強度を維持することができるとしている。
【0014】
ところが、前述のように、Ｓｃを析出させたＡｌボンディングワイヤを有する半導体装置であっても、半導体装置を高温状態において長時間作動させると、ボンディングワイヤの接合部の接合強度が低下する現象が見られ、即ち接合信頼性が十分に得られないことが判明した。高温長時間作動後の半導体装置のボンディングワイヤ断面を観察すると、ボンディング時と比較してワイヤの結晶粒径が増大しており、高温長時間作動によってワイヤの再結晶がさらに進行し、これによってワイヤ強度が低下し、接合部の信頼性が低下したものと推定された。
【0015】
それに対し本発明は、Ｓｃを０．０１～１％含有するＡｌボンディングワイヤにおいて、Ｓｃに加えて、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上（以下、簡略化して「Ｙ、Ｌａ等」ともいう。）を合計で０．０１～０．１％含有する。これにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で長時間使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を十分に抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できる。以下、詳細に説明する。
【0016】
本発明のＡｌボンディングワイヤは、質量％で、Ｓｃを０．０１～１％含有し、さらにＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる。このような組成を有する材料を伸線加工し、所定の線径を有するボンディングワイヤとする。伸線加工前、伸線加工の途中、あるいは伸線加工終了後に、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等を強制固溶させるため、溶体化熱処理を行うと好ましい。溶体化熱処理条件としては、５７０～６４０℃で１～３時間とすると好ましい。
【0017】
伸線加工終了後であって、上記溶体化熱処理を実施した場合はその後の段階で、ワイヤ軟質化のための調質熱処理を行う。伸線途中で調質熱処理を付加しても良い。調質熱処理によって、ワイヤの結晶組織を、加工組織から再結晶組織に変化させる。これにより、結晶組織が再結晶組織となるため、ワイヤの軟質化を実現することができる。調質熱処理条件としては、２５０～３００℃で５～１５秒とすると好ましい。これにより、固溶しているＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させることなく、結晶組織を再結晶組織とすることができる。
【0018】
本発明において好ましくは、前述のようにワイヤ製造過程で溶体化処理を行うことにより、ワイヤ中にＳｃ及びＹ、Ｌａ等が析出していない。溶体化熱処理を行わない場合には、ワイヤ中にＳｃ及びＹ、Ｌａ等の析出物が析出しているため、ワイヤのビッカース硬度がＨｖ４０を超える硬度となる。これに対し、溶体化熱処理と調質熱処理を行った結果として、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等が強制固溶され、また結晶組織を再結晶組織とすることにより、ワイヤのビッカース硬度がＨｖ４０以下となり、軟質化する。このように軟質化した本発明のＡｌボンディングワイヤを用いて半導体電極にボンディングを行うことにより、半導体電極のチップ割れを発生させることがない。
【0019】
ボンディング終了後に、ボンディングワイヤ中のＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させるため、ボンディングワイヤを含む半導体装置の時効熱処理を行う。時効熱処理の結果として、ボンディングワイヤ中のＳｃ及びＹ、Ｌａ等が析出する。ＳｃはＡｌ3Ｓｃに、ＹはＡｌ3Ｙに、ＬａはＡｌ11Ｌａ3に、ＣｅはＡｌ11Ｃｅ3に、ＰｒはＡｌ11Ｐｒ3に、ＮｄはＡｌ11Ｎｄ3に、それぞれ析出する。ワイヤ中にこれら析出物が形成された結果として、ワイヤが析出強化され、ワイヤの強度が増大する。時効熱処理条件としては、２５０～４００℃、３０～６０分とすると好ましい。
【0020】
時効熱処理の直後、及びさほど厳しくない条件の高温・長時間履歴を受けた後において、Ｓｃのみを含有するＡｌボンディングワイヤ、Ｓｃ及びＹ、Ｌａ等を含有するＡｌボンディングワイヤのいずれも、析出物による析出硬化が得られるとともに、過度の再結晶が起こらないため、機械的強度を保持することができ、ボンディングワイヤと半導体装置の電極との接合部の信頼性は十分に保たれている。ところが、より厳しい環境において、即ちより高い温度及びより長時間の環境に保持したとき、Ｓｃのみを含有するＡｌボンディングワイヤでは、接合部の信頼性が低下することが判明した。それに対し、Ｓｃに加えてＹ、Ｌａ等を含有する本発明のＡｌボンディングワイヤであれば、そのようなより厳しい環境にさらされた後であっても、接合部の信頼性が確保されることが分かった。
【0021】
高温長時間履歴後の接合部信頼性評価試験について説明する。
使用したボンディングワイヤの成分は、Ｓｃのみを０．５質量％含有する比較例のＡｌボンディングワイヤと、Ｓｃを０．５％、Ｙを０．１％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤである。伸線後のワイヤ線径は２００μｍである。伸線工程の途中で溶体化熱処理を実施してＳｃ及びＹを強制固溶させるとともに、伸線後のワイヤに調質熱処理を施して、ボンディングワイヤのビッカース硬度をＨｖ４０以下に調整した。
使用したボンディングワイヤの成分は、Ｓｃのみを０．５質量％含有する比較例のＡｌボンディングワイヤと、Ｓｃを０．５％、Ｙを０．１％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤである。伸線後のワイヤ線径は２００μｍである。伸線工程の途中で溶体化熱処理を実施してＳｃ及びＹを強制固溶させるとともに、伸線後のワイヤに調質熱処理を施して、ボンディングワイヤのビッカース硬度をＨｖ４０以下に調整した。
【0022】
半導体装置において、半導体チップとボンディングワイヤとの間の第１接合部、外部端子とボンディングワイヤとの間の第２接合部ともにウエッジボンディングとした。
【0023】
高温長時間履歴は、パワーサイクル試験によって行った。パワーサイクル試験は、Ａｌボンディングワイヤが接合された半導体装置について、加熱と冷却の繰り返しを行う。加熱は、半導体装置におけるボンディングワイヤの接合部の温度が１４０℃になるまで２秒間かけて加熱し、その後、接合部の温度が３０℃になるまで５秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを２０万回繰り返す。
【0024】
上記高温長時間履歴後、第１接合部の接合シェア強度を測定し、接合部信頼性の評価を行った。その結果、Ｓｃのみを０．５質量％含有するＡｌボンディングワイヤについては、接合部シェア強度が初期と比べて５０％未満であり、接合部の信頼性が不十分であった。それに対して、Ｓｃを０．５％、Ｙを０．１％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤについては、接合部シェア強度が初期と比べて９０％以上であり、接合部の信頼性を十分に確保することができた。
【0025】
本発明のボンディングワイヤの成分組成について説明する。％は質量％を意味する。
【0026】
《Ｓｃを０．０１～１％》
Ａｌボンディングワイヤ中にＳｃを０．０１％以上含有することにより、下記Ｙ、Ｌａ等との複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｓｃが０．１％以上であればより好ましい。０．５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｓｃ含有量が１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を１％とした。Ｓｃが０．８％以下であるとより好ましい。
Ａｌボンディングワイヤ中にＳｃを０．０１％以上含有することにより、下記Ｙ、Ｌａ等との複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｓｃが０．１％以上であればより好ましい。０．５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｓｃ含有量が１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を１％とした。Ｓｃが０．８％以下であるとより好ましい。
【0027】
《Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上を合計で０．０１～０．１％》
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上（Ｙ、Ｌａ等）を合計で０．０１％以上含有することにより、上記Ｓｃとの複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄのいずれであっても、同じように効果を発揮する。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０３％以上であればより好ましい。０．０５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を０．１％とした。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０８％以下であるとより好ましい。
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの少なくとも１種以上（Ｙ、Ｌａ等）を合計で０．０１％以上含有することにより、上記Ｓｃとの複合添加効果と相まって、ワイヤの析出強化効果、及び半導体装置の高温長時間使用中における再結晶の進行防止効果を発揮することができる。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄのいずれであっても、同じように効果を発揮する。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０３％以上であればより好ましい。０．０５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．１％を超えると、ワイヤ硬度が高くなりすぎ、チップクラックの発生、接合性の悪化、接合部信頼性の低下などを起こすため、上限を０．１％とした。Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が０．０８％以下であるとより好ましい。
【0028】
ボンディングワイヤの残部は、Ａｌ及び不可避不純物からなる。不可避不純物元素としては、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕが挙げられる。不可避不純物の合計含有量が少ないほど、材料特性のばらつきを小さく抑えることが可能であって好ましい。ワイヤを製造する際のアルミニウム原料として、純度が４Ｎ（Ａｌ：９９．９９％以上）のアルミニウムを用いることにより、好ましい結果を得ることができる。
【0029】
《ワイヤの平均結晶粒径》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍである。平均結晶粒径の測定方法としては、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）などの測定方法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円に見なした時の直径の平均とする。平均結晶粒径が０．１μｍ以上であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行しており、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、平均結晶粒径が５０μｍを超えると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのＣ断面における平均結晶粒径を０．１～５０μｍとすることができる。
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）における平均結晶粒径が０．１～５０μｍである。平均結晶粒径の測定方法としては、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction Patterns）などの測定方法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円に見なした時の直径の平均とする。平均結晶粒径が０．１μｍ以上であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行しており、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、平均結晶粒径が５０μｍを超えると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのＣ断面における平均結晶粒径を０．１～５０μｍとすることができる。
【0030】
《ワイヤの＜１１１＞方位面積率》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（以下「＜１１１＞方位面積率」という。）が３０～９０％である。＜１１１＞方位面積率の測定には、ＥＢＳＤを用いることができる。ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面を検査面とし、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出できる。＜１１１＞方位面積率が９０％以下であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行し、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、＜１１１＞方位面積率が３０％未満であると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤ長手方向に垂直な断面における＜１１１＞方位面積率を３０～９０％とすることができる。
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（以下「＜１１１＞方位面積率」という。）が３０～９０％である。＜１１１＞方位面積率の測定には、ＥＢＳＤを用いることができる。ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面を検査面とし、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出できる。＜１１１＞方位面積率が９０％以下であれば、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行し、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶することと相まって、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができる。一方、＜１１１＞方位面積率が３０％未満であると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。ワイヤ伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤ長手方向に垂直な断面における＜１１１＞方位面積率を３０～９０％とすることができる。
【0031】
《ワイヤのビッカース硬度》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲である。Ｈｖ４０以下とすることにより、ボンディング時にチップ割れを発生することなく、良好な接合性を実現し、また容易にループを形成して半導体装置に対する配線を行うことができる。一方、ビッカース硬度がＨｖ２０未満まで低下すると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。そのため、ビッカース硬度の下限はＨｖ２０とすると好ましい。前述のとおり、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶し、さらに伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのビッカース硬度をＨｖ２０～４０の範囲とすることができる。
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤのワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、ビッカース硬度がＨｖ２０～４０の範囲である。Ｈｖ４０以下とすることにより、ボンディング時にチップ割れを発生することなく、良好な接合性を実現し、また容易にループを形成して半導体装置に対する配線を行うことができる。一方、ビッカース硬度がＨｖ２０未満まで低下すると、ワイヤの再結晶が進行しすぎていることを示し、時効熱処理で析出物を形成しても十分な強度を得ることができにくく、接合部の信頼性が低下する恐れがある。そのため、ビッカース硬度の下限はＨｖ２０とすると好ましい。前述のとおり、ワイヤ製造の過程で溶体化熱処理を行ってワイヤ含有成分を強制固溶し、さらに伸線の過程で調質熱処理を行うことにより、ワイヤのビッカース硬度をＨｖ２０～４０の範囲とすることができる。
【0032】
《ワイヤ直径》
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ直径が５０～６００μｍである。パワー系デバイスには大電流が流れるため一般的に５０μｍ以上のワイヤが使用されるが、６００μｍ以上になると扱いづらくなることやワイヤボンダーが対応していないため、６００μｍ以下のワイヤが使用されている。
本発明において好ましくは、ボンディングワイヤ直径が５０～６００μｍである。パワー系デバイスには大電流が流れるため一般的に５０μｍ以上のワイヤが使用されるが、６００μｍ以上になると扱いづらくなることやワイヤボンダーが対応していないため、６００μｍ以下のワイヤが使用されている。
【実施例】
【0033】
純度９９．９９質量％（４Ｎ）のアルミニウムと、純度９９．９質量％以上のイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジムを原料として溶融し、表１、２に示す組成のＡｌ合金を得た。この合金を鋳塊とし、鋳塊を溝ロール圧延し、さらに伸線加工を行った。ワイヤ径が８００μｍの段階で、６２０℃、３時間の溶体化熱処理を行い、水中で急冷した。その後、最終線径を２００μｍとしてダイス伸線加工を行い、伸線加工終了後に２７０℃、１０秒で調質熱処理を行った。
【0034】
このワイヤを用いて、ワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、平均結晶粒径、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（＜１１１＞方位面積率）、ビッカース硬度の計測を行った。
平均結晶粒径の測定は、ＥＢＳＤ法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円の面積に換算してその直径の平均として行った。
＜１１１＞方位面積率の測定は、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面においてＥＢＳＰによる測定を行い、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出した。
ビッカース硬度の測定は、マイクロビッカース硬度計を用い、Ｃ断面のうちの半径方向の中心位置における硬度として測定を行った。
平均結晶粒径の測定は、ＥＢＳＤ法を用いて各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積を円の面積に換算してその直径の平均として行った。
＜１１１＞方位面積率の測定は、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面においてＥＢＳＰによる測定を行い、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、＜１１１＞方位面積率を算出した。
ビッカース硬度の測定は、マイクロビッカース硬度計を用い、Ｃ断面のうちの半径方向の中心位置における硬度として測定を行った。
【0035】
半導体装置において、半導体チップ電極はＡｌ－Ｃｕであり、外部端子はＡｇを用いた。半導体チップ電極とボンディングワイヤとの間の第１接合部、外部端子とボンディングワイヤとの間の第２接合部はともにウエッジボンディングとした。
【0036】
ボンディング後に、３５０℃、４５分で時効熱処理を行った。
【0037】
半導体装置におけるボンディングワイヤの接合性については、第１接合部の初期（高温長時間履歴前）の接合不良（不着）の有無で判断した。接合されているものを○とし、接合されていないものを×として表１、２の「接合性」欄に記載した。
半導体装置におけるチップクラック評価については、パッド表面の金属を酸にて溶かし、パッド下のチップクラックの有無を顕微鏡にて観察して評価した。クラックなしを○とし、クラック有りを×として、表１、２の「チップクラック」欄に記載した。
半導体装置におけるチップクラック評価については、パッド表面の金属を酸にて溶かし、パッド下のチップクラックの有無を顕微鏡にて観察して評価した。クラックなしを○とし、クラック有りを×として、表１、２の「チップクラック」欄に記載した。
【0038】
高温長時間履歴は、パワーサイクル試験によって行った。パワーサイクル試験は、Ａｌボンディングワイヤが接合された半導体装置について、加熱と冷却の繰り返しを行う。加熱は、半導体装置におけるボンディングワイヤの接合部の温度が１４０℃になるまで２秒間かけて加熱し、その後、接合部の温度が３０℃になるまで５秒間かけて冷却する。この加熱・冷却のサイクルを２０万回繰り返す。
【0039】
上記高温長時間経過後、第１接合部の接合シェア強度を測定し、接合部信頼性の評価を行った。シェア強度測定は初期の接合部のシェア強度との比較として行った。初期の接合強度の９５％以上を◎とし、９０％以上を○とし、７０％以上を△とし、５０％以下を×として、表１、２の「信頼性試験」欄に記載した。
【0040】
製造条件、製造結果を表１、表２に示す。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ（Ｙ、Ｌａ等）を「第２成分」として示している。表２において、成分が本発明範囲から外れる数値、評価結果が本発明好適範囲を外れる数値に下線を付している。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
表１の本発明例Ｎｏ．１～５４が本発明例である。ワイヤの成分範囲は本発明範囲内にあり、また、ワイヤの平均結晶粒径、＜１１１＞方位面積率、ビッカース硬度はいずれも、本発明の好適範囲内にあり、接合性とチップクラックの評価結果はすべて「○」であった。本発明で規定する成分を含有し、溶体化熱処理によって含有元素を強制固溶し、調質熱処理によって適度な再結晶を行った結果である。
【0044】
本発明例Ｎｏ．１～５４の高温長時間履歴後の接合部信頼性の評価において、いずれも「○」か「◎」であった。本発明で規定する成分を含有し、ボンディング後の時効熱処理でＳｃ及びＹ、Ｌａ等を析出させた結果として、ワイヤの析出強化を図るとともに、再結晶温度を上昇させ、高温長時間履歴における再結晶の進行を阻止したためである。特に、本発明例Ｎｏ．１９～３６については、Ｓｃ含有量が本発明の好適範囲内であり、接合部信頼性評価結果はすべて「◎」であった。
【0045】
表２の比較例Ｎｏ．１～１０が比較例である。
比較例Ｎｏ．１～３は、Ｓｃ含有量が本発明下限未満であり、いずれも、信頼性評価結果が「×」であった。また、高温長時間履歴後のワイヤ内質を評価したところ、比較例Ｎｏ．１～３のいずれも、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ワイヤ中のＳｃが不足し、時効熱処理後においても機械的強度が十分に上昇せず、再結晶温度も十分に上昇せず、高温長時間履歴において再結晶が過度に進行したためと推定される。比較例Ｎｏ．１はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明下限未満である。比較例Ｎｏ．３はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明上限を超えており、ボンディング後の接合性、チップクラックが「×」であった。
比較例Ｎｏ．１～３は、Ｓｃ含有量が本発明下限未満であり、いずれも、信頼性評価結果が「×」であった。また、高温長時間履歴後のワイヤ内質を評価したところ、比較例Ｎｏ．１～３のいずれも、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ワイヤ中のＳｃが不足し、時効熱処理後においても機械的強度が十分に上昇せず、再結晶温度も十分に上昇せず、高温長時間履歴において再結晶が過度に進行したためと推定される。比較例Ｎｏ．１はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明下限未満である。比較例Ｎｏ．３はさらにＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明上限を超えており、ボンディング後の接合性、チップクラックが「×」であった。
【0046】
比較例Ｎｏ．４、５は、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の下限未満である。いずれも、信頼性評価結果が「△」であった。また、高温長時間履歴後のワイヤ内質を評価したところ、いずれも、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ワイヤ中のＹ、Ｌａ等の合計含有量が不足し、時効熱処理後においても機械的強度が十分に上昇せず、再結晶温度も十分に上昇せず、高温長時間履歴において再結晶が過度に進行したためと推定される。
比較例Ｎｏ．６は、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の上限を超えている。その結果、ワイヤのビッカース硬度は好適範囲外であった。また、ボンディング後の接合性、チップクラックは「×」であり、信頼性評価結果は「×」であった。
比較例Ｎｏ．６は、Ｙ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の上限を超えている。その結果、ワイヤのビッカース硬度は好適範囲外であった。また、ボンディング後の接合性、チップクラックは「×」であり、信頼性評価結果は「×」であった。
【0047】
比較例Ｎｏ．７～９は、Ｓｃ含有量が本発明の上限を超えている。さらに比較例Ｎｏ．７、８はＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明下限未満、比較例Ｎｏ．１０はＹ、Ｌａ等の合計含有量が本発明の上限を超えている。比較例Ｎｏ．７～１０のいずれも、Ｓｃ含有量が本発明の上限を超えているため、ビッカース硬度が本発明の好適上限外れとなっている。Ｓｃが上限を超えていると強制固溶しても固溶しきれず析出するため、ビッカース硬度が外れる。比較例Ｎｏ．１０はＹ、Ｌａ等の合計含有量も上限を超えているため、平均結晶粒径が本発明の好適下限未満、＜１１１＞方位面積率が本発明の好適上限外れとなった。ＳｃおよびＹ、Ｌａが上限を外れると、更に固溶しきれず析出するため、粒径は小さくなり、方位も＜１１１＞が多くなる。その結果、比較例Ｎｏ．７～１０のいずれも、接合性、チップクラックについていずれも「×」であるとともに、高温長時間履歴後の接合部信頼性評価結果も「×」であった。