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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
C22F1/00 604
C22F1/00 625
C22F1/00 650D
C22F1/00 661A
C22F1/00 685Z
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 692A
C22F1/04 F
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018191666
(22)【出願日】2018-10-10
(65)【公開番号】P2020059886
(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２０１３－２５８３２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１２９５７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－３１１３８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０７９０４８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０７０９１５（ＪＰ，Ａ）
(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、Ｆｅを０．０２～１％含有し、さらにＭｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％であ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、ウエ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１００～１５０℃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】
特許文献２には、Ｆｅを０．０２～１重量％含有するＡｌワイヤが開示されている。Ｆｅを含有しないＡｌワイヤでは、半導体使用時の高温でワイヤ接合界面直上で再結晶が起き、小さな結晶粒となって、クラック発生の原因となる。これに対し、Ｆｅ：０．０２％以上含有することで再結晶温度を高めることができる。伸線後のアニールにより、ボンディング前のワイヤ結晶粒径を５０μｍ以上とする。結晶粒径が大きく、さらに半導体使用時の高温でも再結晶しないので、クラック発生がないとしている。
【0005】
特許文献３の発明品３には、９９．９９ｗｔ％（４Ｎ）高純度Ａｌ－０．２ｗｔ％Ｆｅ合金インゴットを作成し、線引き加工後に３００℃、３０分焼鈍後徐冷して加工ひずみを除去して軟化させた、直径３００μｍのワイヤが開示されている。ボンディング後に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としている。
【0006】
特許文献４には、鉄（Ｆｅ）が０．２～２．０質量％、残部が純度９９．９９％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなるボンディングワイヤにおいて、Ａｌマトリックス中にＦｅが０．０１～０．０５％固溶され、かつ、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、Ｆｅ・Ａｌ金属間化合物粒子が一様に晶出しているものが開示されている。調質熱処理前に溶体化・急冷処理を追加することにより、固溶するＦｅ量を６５０℃での固溶限である０．０５２％まで高め、その後の伸線加工と、その後の調質熱処理により結晶粒径を微細化し、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としている。また、特許文献５には、Ｆｅが０．０１～０．２質量％、Ｓｉが１～２０質量ｐｐｍおよび残部が純度９９．９９７質量％以上のＡｌからなり、Ｆｅの固溶量が０．０１～０．０６％であり、Ｆｅの析出量がＦｅ固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒径が６～１２μｍの微細組織であるアルミニウム合金細線が開示されている。Ｆｅの含有量を抑制して、Ｆｅの析出量とＦｅ固溶量との比率を一定の範囲に保つことにより再結晶温度を安定化させ、さらに、Ｓｉを微量添加することにより強度を向上させ、結果として熱衝撃試験結果を安定化させるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２００２－３１４０３８号公報
【文献】特開平８－８２８８号公報
【文献】特開２００８－３１１３８３号公報
【文献】特開２０１３－２５８３２４号公報
【文献】特開２０１４－１２９５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献２～５に記載するような、Ｆｅ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。
【0009】
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】
【0010】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］質量％で、Ｆｅを０．０２～１％含有し、さらにＭｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％であ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［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［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［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［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、Ｆｅを０．０２～１％含有し、さらにＭｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％であ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［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［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［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［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】
【0011】
本発明のＡｌボンディングワイヤは、質量％で、Ｆｅを０．０２～１％含有し、さらにＭｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％であることにより、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。
【発明を実施するための形態】
【0012】
特許文献４、５に記載の発明においては、Ａｌボンディングワイヤ中にＦｅを含有させ、さらにワイヤ製造時における溶体化熱処理とその後の急冷処理によってワイヤ中における固溶Ｆｅ量を増大させることにより、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しようとしている。
【0013】
ところが、Ｆｅを含有させ、固溶Ｆｅ量を増大させた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。
【0014】
これに対して、本発明では、Ａｌボンディングワイヤにおいて、Ｆｅの含有に加えてＭｎ、Ｃｒの一方又は両方を所定量含有させることにより、溶体化熱処理とその後の急冷処理において、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１～１％とする。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。
【0015】
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、Ｆｅ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、Ｆｅを０．５％、Ｍｎを０．５％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とその後の急冷処理を実施してＦｅ、Ｍｎ固溶量を増大させるとともに、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。ワイヤの平均結晶粒径はいずれも１０μｍ前後であった。
使用したボンディングワイヤの成分は、Ｆｅ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、Ｆｅを０．５％、Ｍｎを０．５％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とその後の急冷処理を実施してＦｅ、Ｍｎ固溶量を増大させるとともに、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。ワイヤの平均結晶粒径はいずれも１０μｍ前後であった。
【0016】
ワイヤ中のＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計（質量％）については、残留抵抗比（ＲＲＲ）によって評価した。残留抵抗比とは室温（２９３Ｋ）における電気抵抗と液体ヘリウム温度（４Ｋ）の電気抵抗の比であり、超伝導状態での電気抵抗は不純物量によって変化し、固溶量を反映した値とすることにより、アルミ中のＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計（質量％）を算出することができる。比較例のＡｌボンディングワイヤはＦｅの固溶量が０．００５～０．００９％であったのに対し、本発明のＡｌボンディングワイヤはＦｅとＭｎの固溶量の合計が０．０２～０．９４％であった。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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、Ｆｅ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、Ｆｅを０．５％、Ｍｎを０．５％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。
【0020】
上記高温長時間履歴後、ワイヤ断面の結晶観察を行ったところ、Ｆｅを０．５％、Ｍｎを０．５％含有する本発明のＡｌボンディングワイヤは平均結晶粒径が５０μｍ以下を維持していたのに対し、Ｆｅ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については、平均結晶粒径が５０μｍを超えていた。ＦｅとＭｎをともに含有し、結果としてＦｅとＭｎの固溶量の合計が０．０１％以上であった本発明のワイヤは、再結晶温度が高く、高温長時間履歴後でも再結晶が進行しなかったと考えられる。それに対して、Ｆｅのみを含有し、結果としてＦｅの固溶量が０．０１％未満であった比較例のワイヤは、再結晶温度が低くなり、高温長時間履歴において再結晶が進行し、強度が低下したため、接合部の信頼性を十分に確保することができなかったと考えられる。
【0021】
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。
《Ｆｅを０．０２～１％》
Ａｌボンディングワイヤ中にＦｅを０．０２％以上含有することにより、下記Ｍｎ、Ｃｒ等との複合添加効果と相まって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量合計の増大によるワイヤの固溶強化効果、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。Ｆｅ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、Ｆｅ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。Ｆｅが０．８％以下であるとより好ましい。
《Ｆｅを０．０２～１％》
Ａｌボンディングワイヤ中にＦｅを０．０２％以上含有することにより、下記Ｍｎ、Ｃｒ等との複合添加効果と相まって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量合計の増大によるワイヤの固溶強化効果、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。Ｆｅ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、Ｆｅ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。Ｆｅが０．８％以下であるとより好ましい。
【0022】
《Ｍｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％》
Ｍｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５％以上含有することにより、上記Ｆｅとの複合添加効果と相まって、ワイヤのＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量合計の増大による固溶強化効果、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。Ｍｎ、Ｃｒのいずれであっても、同じように効果を発揮する。Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．１％以上であればより好ましい。０．３％以上であればさらに好ましい。一方、Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．５％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０．５％とした。Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．４％以下であるとより好ましい。
Ｍｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５％以上含有することにより、上記Ｆｅとの複合添加効果と相まって、ワイヤのＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量合計の増大による固溶強化効果、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。Ｍｎ、Ｃｒのいずれであっても、同じように効果を発揮する。Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．１％以上であればより好ましい。０．３％以上であればさらに好ましい。一方、Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．５％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０．５％とした。Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が０．４％以下であるとより好ましい。
【0023】
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、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。
【0024】
《Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％》
Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１％以上とすることにより、ワイヤの再結晶温度を十分に上昇させることができる。結果として、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。Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０５％以上であるとより好ましい。０．５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が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、接合性の悪化などを起こすため、上限を１％とした。Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．９％以下であればより好ましい。０．８％以下であればさらに好ましい。なお、Ｆｅ含有量からＦｅ固溶量を差し引くことにより、Ｆｅ析出量を算出することができる。
Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１％以上とすることにより、ワイヤの再結晶温度を十分に上昇させることができる。結果として、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。Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０５％以上であるとより好ましい。０．５％以上であればさらに好ましい。一方、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が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、接合性の悪化などを起こすため、上限を１％とした。Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．９％以下であればより好ましい。０．８％以下であればさらに好ましい。なお、Ｆｅ含有量からＦｅ固溶量を差し引くことにより、Ｆｅ析出量を算出することができる。
【0025】
《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の面積に換算してそ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、十分な強度を得ることができにくい。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の面積に換算してそ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、十分な強度を得ることができにくい。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。
【0026】
《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（＜１１１＞方位面積率）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、十分な強度を得ることができにくい。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（＜１１１＞方位面積率）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、十分な強度を得ることができにくい。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。
【0027】
《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、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と急冷処理を行ってＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を増大し、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、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と急冷処理を行ってＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を増大し、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。
【0028】
《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。
【0029】
《ボンディングワイヤの製造方法》
本発明のボンディングワイヤは、所定の成分を含有するＡｌ合金を得た上で、常法の圧延と伸線加工を行うことにより製造する。
製造の途中で、溶体化熱処理とその後の急冷処理を行う。溶体化熱処理は、ワイヤ径が１ｍｍ程度の段階で行うことができる。溶体化熱処理条件は、５７０～６４０℃、１～３時間とすると好ましい。溶体化熱処理後の急冷処理は、水中にて急冷とすると好ましい。これにより、Ａｌ中にＦｅ及びＭｎ、Ｃｒの一方又は両方を本発明範囲内で含有していることと相まって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を本発明範囲内とすることができる。
伸線加工中と伸線加工後の一方又は両方において、調質熱処理を行う。調質熱処理の温度を高くし、時間を長くするほど、平均結晶粒径が増大し、＜１１１＞方位比率を低下させ、ビッカース硬度を低下させることができる。熱処理温度２５０～３５０℃の範囲、熱処理時間２～４時間の範囲において、好適な平均結晶粒径、＜１１１＞方位比率、ビッカース硬度を実現するように、調質熱処理条件を選択することができる。
本発明のボンディングワイヤは、所定の成分を含有するＡｌ合金を得た上で、常法の圧延と伸線加工を行うことにより製造する。
製造の途中で、溶体化熱処理とその後の急冷処理を行う。溶体化熱処理は、ワイヤ径が１ｍｍ程度の段階で行うことができる。溶体化熱処理条件は、５７０～６４０℃、１～３時間とすると好ましい。溶体化熱処理後の急冷処理は、水中にて急冷とすると好ましい。これにより、Ａｌ中にＦｅ及びＭｎ、Ｃｒの一方又は両方を本発明範囲内で含有していることと相まって、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を本発明範囲内とすることができる。
伸線加工中と伸線加工後の一方又は両方において、調質熱処理を行う。調質熱処理の温度を高くし、時間を長くするほど、平均結晶粒径が増大し、＜１１１＞方位比率を低下させ、ビッカース硬度を低下させることができる。熱処理温度２５０～３５０℃の範囲、熱処理時間２～４時間の範囲において、好適な平均結晶粒径、＜１１１＞方位比率、ビッカース硬度を実現するように、調質熱処理条件を選択することができる。
【実施例】
【0030】
純度９９．９９質量％（４Ｎ）のアルミニウムと、純度９９．９質量％以上のＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒを原料として溶融し、表１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、（温度、時間）６２０℃、３時間の溶体化熱処理を行い、冷却した。冷却条件は、急冷（水冷）、緩冷（空冷）の２種類とした。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（温度、時間）２７０℃、１０秒で調質熱処理を行った。
【0031】
ワイヤ中のＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ含有量については、ＩＣＰ（発光分光分析）を用いて分析した。また、ワイヤ中のＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計（質量％）については、残留抵抗比（ＲＲＲ）によって評価した。
【0032】
このワイヤを用いて、ワイヤ長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径、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、Ｃ断面の硬度を用い、Ｃ断面のうちの半径方向の中心の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、Ｃ断面の硬度を用い、Ｃ断面のうちの半径方向の中心の位置における硬度として測定を行った。
【0033】
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接合部ともに、ウエッジボンディングとした。
【0034】
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。
【0035】
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の「チップクラック」欄に記載した。
【0036】
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。
【0037】
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の「信頼性試験」欄に記載した。
【0038】
製造条件、製造結果を表１に示す。Ｍｎ、Ｃｒを「第２成分」として示している。表１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。
【0039】
【表1】
【0040】
表１の本発明例Ｎｏ．１～１８が本発明例である。溶体化処理後は急冷としている。ワイヤの成分及びＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計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、溶体化熱処理と急冷処理を行って析出Ｆｅ／固溶Ｆｅ比を低下し、さらに調質熱処理によって適度な再結晶を行った結果である。
【0041】
本発明例Ｎｏ．１～１８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とＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を含有している結果として、ワイヤの固溶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．７～１２については、Ｆｅ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。
【0042】
表１の比較例Ｎｏ．１～１３が比較例である。溶体化処理後の冷却条件は、比較例１～１０が急冷、比較例１１～１３が緩冷である。
比較例Ｎｏ．１～３は、Ｆｅ含有量が本発明下限未満であり、比較例Ｎｏ．１はさらにＭｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明下限未満であり、比較例Ｎｏ．３はさらにＭｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明上限を超えている。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、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Ｆｅが不足し、再結晶温度が十分に上昇せず、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．１～３は、Ｆｅ含有量が本発明下限未満であり、比較例Ｎｏ．１はさらにＭｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明下限未満であり、比較例Ｎｏ．３はさらにＭｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明上限を超えている。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、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Ｆｅが不足し、再結晶温度が十分に上昇せず、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。
【0043】
比較例Ｎｏ．４、５は、Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明の下限未満であり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１％未満であった。いずれも、信頼性評価結果が「×」であった。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Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が不足し、溶体化処理と急冷によっても、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１％以上とすることができず、再結晶温度が十分に上昇せず、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。
【0044】
比較例Ｎｏ．６は、Ｍｎ、Ｃｒ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上限を外れていた。また、ボンディング後の接合性、チップクラックはいずれも「×」であり、信頼性評価結果も「×」であった。
【0045】
比較例Ｎｏ．７～１０は、Ｆｅ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Ｍｎ、Ｃｒの合計含有量が本発明下限未満、比較例Ｎｏ．１０はＭｎ、Ｃｒ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、Ｆｅ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。比較例Ｎｏ．１０はＭｎ、Ｃｒの合計含有量も上限を超えているため、強制固溶しても固溶しきれず析出することとなり、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。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。
【0046】
比較例Ｎｏ．１１～１３は、成分範囲は本発明範囲内であるが、製造時の溶体化処理後の冷却条件が「緩冷」であり、結果としてワイヤ中のＦｅ、Ｍｎの固溶が十分に進行せず、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１％未満となる結果であった。ワイヤの硬度も好適範囲下限未満であった。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。Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１％以上とすることができなかったため、再結晶温度が十分に上昇せず、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。