特許 7377256 Ａｌボンディングワイヤ

(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】2023-10-31

(45)【発行日】2023-11-09

(54)【発明の名称】Ａｌボンディングワイヤ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20231101BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 301F

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021505126

(86)(22)【出願日】2020-03-12

(86)【国際出願番号】 JP2020010762

(87)【国際公開番号】W WO2020184655

(87)【国際公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-11-24

(31)【優先権主張番号】P 2019045670

(32)【優先日】2019-03-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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

(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】今井 聖和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２１８９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０９１７１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０５３６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５８９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２４４０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌ又はＡｌ合金からなり、ワイヤ軸に垂直方向の断面における平均結晶粒径が０．０１～５０μｍであり、ワイヤ軸に垂直方向の断面に対して結晶方位を測定した結果において、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率が３０～９０％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】

ワイヤの硬度がＨｖで２０～４０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】

ワイヤ線径が５０～６００μｍ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。

【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を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には、使用時の大電流繰り返し通電によっても接続部に発生したクラックの進行を抑制して信頼性の高い接続部を実現するボンディングワイヤとして、線材がＡｌ－０．１～１ｗｔ％Ｘで、ＸがＣｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆから選ばれた少なくとも一種類の金属であり、線の太さ（直径）が５０～５００μｍのものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００２－３１４０３８号公報

【文献】特開平８－８２８８号公報

【文献】特開２００８－３１１３８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

純Ａｌを用いたＡｌボンディングワイヤ、あるいは特許文献２、３に記載するようなＡｌ合金を用いたＡｌボンディングワイヤのいずれ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】

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］Ａｌ又はＡｌ合金からなり、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面における平均結晶粒径が０．０１～５０μｍであり、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面に対して結晶方位を測定した結果において、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率が３０～９０％であることを特徴とするＡｌボンディングワイヤ。
［２］ワイヤの硬度がＨｖで２０～４０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］ワイヤ線径が５０～６００μｍ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。

【発明の効果】

【0010】

本発明により、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確保される。

【発明を実施するための形態】

【0011】

純Ａｌ、あるいは特許文献２、３に記載するようなＡｌ合金からなる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、高温環境により再結晶が起こり、結晶粒径は大きくなり、また後述する結晶＜１１１＞方位比率が減少するため、ワイヤ強度が初期と比べて低下し、これによって接合界面での剥離現象が生じ、接合部の信頼性が低下したものと推定された。

【0012】

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、純Ａｌ、Ａｌ合金のいずれであっても、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面における平均結晶粒径を０．０１～５０μｍとし、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面に対して結晶方位を測定した結果において、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率（以下単に「結晶＜１１１＞方位比率」ともいう。）が３０～９０％とする。これにより、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、高温長時間作動後の半導体装置において接合部の信頼性を確保することができる。以下、詳細に説明する。

【0013】

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。
使用するＡｌボンディングワイヤとして、Ｆｅを０．５質量％含有するＡｌ合金と、純Ａｌのものを用いた。伸線後のワイヤ線径は２００μｍである。伸線工程の途中で熱処理を実施しあるいは実施せず、熱処理を実施する場合は冷却条件を緩冷と急冷の２種類とし、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。伸線途中の熱処理条件と伸線後の調質熱処理条件を変動させることにより、ワイヤの結晶粒径と結晶＜１１１＞方位比率とを種々変更した。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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、ワイヤの結晶粒径が０．０１～５０μｍであり、結晶＜１１１＞方位比率が３０～９０％であるとき（本発明条件）、Ａｌ合金と純Ａｌのいずれも、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。これに対し、上記本発明条件を外れる場合は、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。

【0017】

《ワイヤの平均結晶粒径》
本発明において、ボンディングワイヤのワイヤ軸に垂直方向の芯材断面（ワイヤ軸に垂直方向の断面；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０．０１～５０μｍ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。

【0018】

平均結晶粒径が０．０１μｍ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、高温長時間使用時の信頼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、高温長時間使用時の信頼性の低下を来すこととなる。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０．０１～５０μｍとすることができる。平均結晶粒径は、好ましくは０．０５μｍ以上、さらに好ましくは０．１μｍ以上である。平均結晶粒径はまた、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。

【0019】

《ワイヤの結晶＜１１１＞方位比率》
本発明においては、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面に対して結晶方位を測定した結果において、ワイヤ長手方向の結晶方位のうち、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率（結晶＜１１１＞方位比率）が３０～９０％である。ここで、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面とは、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）を意味する。結晶＜１１１＞方位比率の測定には、ＥＢＳＤを用いることができる。ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面（ワイヤ軸に垂直方向の断面；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、結晶＜１１１＞方位比率を算出できる。その方位比率の算出法について、測定エリア内である信頼度を基準に同定できた結晶方位だけの面積を母集団として算出する＜１１１＞方位の面積割合を、結晶＜１１１＞方位比率とした。方位比率を求める過程では、結晶方位が測定できない部位、あるいは測定できても方位解析の信頼度が低い部位等は除外して計算した。

【0020】

結晶＜１１１＞方位比率が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、高温長時間使用時の信頼性の低下などを防止することができる。一方、結晶＜１１１＞方位比率が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、接合部の信頼性が低下し、高温長時間使用時の信頼性が低下することとなる。ワイヤ伸線の過程で熱処理を行い、熱処理後に急冷することにより、伸線後の調質熱処理と相まって、ワイヤ長手方向に垂直な断面における結晶＜１１１＞方位比率を３０～９０％とすることができる。結晶＜１１１＞方位比率は、好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上である。結晶＜１１１＞方位比率はまた、好ましくは８５％以下、さらに好ましくは８０％以下である。

【0021】

《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熱処理を行い、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。

【0022】

《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。

【0023】

《ワイヤ成分》
本発明のＡｌボンディングワイヤは、純Ａｌ、Ａｌ合金を問わず、適用することができる。Ａｌ合金としては、Ｆｅ、Ｓｉ等を添加元素とすることができ、例えば、Ａｌ－Ｆｅ合金、Ａｌ－Ｓｉ合金が挙げられ、Ａｌ含有量は好ましくは９５質量％以上、９６質量％以上、９７質量％以上、９８質量％以上又は９８．５質量％以上である。Ａｌ合金の好適例としてはＡｌ－０．５質量％Ｆｅ合金、Ａｌ－１質量％Ｓｉ合金が挙げられる。

【0024】

《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に加え、伸線途中で熱処理を行うことにより製造する。

【0025】

伸線の途中で、熱処理とその後の急冷処理を行う。熱処理は、ワイヤ径が１ｍｍ程度の段階で行うことができる。伸線中熱処理条件は、６００～６４０℃、２～３時間とすると好ましい。熱処理後の急冷処理は、水中にて急冷する。熱処理を行わないと、下記調質熱処理後において結晶＜１１１＞方位比率が上限に外れることとなる。また、熱処理を行っても冷却条件を緩冷却した場合、または熱処理温度が高すぎる場合は、下記調質熱処理後において結晶＜１１１＞方位比率が下限に外れることとなる。

【0026】

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、結晶＜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５～１５秒の範囲において、好適な平均結晶粒径、結晶＜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】

【0027】

《実施例１》
Ｆｅを０．５質量％含有するＡｌ合金を準備し、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の段階で熱処理を行った。その後、最終線径を表１に示す線径としてダイス伸線加工を行い、伸線加工終了後に調質熱処理を行った。伸線途中の熱処理条件は、標準条件を６２０℃、３時間、急冷（水冷）とし、一部は熱処理なし（比較例３）、冷却条件を緩冷（空冷）（比較例４）とした。また、伸線後の調質熱処理条件は、標準条件を２７０±１０℃の範囲、１０秒とし、一部は標準より低温（比較例１）、標準より高温（比較例２）とした。本発明例１～９において、調質熱処理の温度を標準条件の中で変化させている。

【0028】

このワイヤを用いて、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面（Ｃ断面）において、平均結晶粒径、ワイヤ長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率（結晶＜１１１＞方位比率）、ビッカース硬度の計測を行った。

【0029】

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。

【0030】

結晶＜１１１＞方位比率の測定は、ワイヤ軸に垂直方向の芯材断面（ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面）においてＥＢＳＤ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、前述の手順で結晶＜１１１＞方位比率を算出した。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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の「接合性」欄に記載した。

【0034】

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。

【0035】

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。
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％～９５％を○とし、７０％～９０％を△とし、７０％未満を×として、表１の「信頼性試験」欄に記載した。×が不合格である。

【0036】

【表1】

【0037】

結果を表１に示す。本発明範囲から外れる数値に下線を付している。

【0038】

本発明例Ｎｏ．１～９はいずれも、ワイヤの平均結晶粒径と結晶＜１１１＞方位比率が本発明範囲内にあり、ワイヤの硬度は良好であり、接合性、チップクラック、信頼性試験のいずれも良好であった。前述のように、本発明例１～９において、調質熱処理の温度を標準条件の中で変化させている。同じ線径において、調質熱処理温度が標準条件の中で高くなるほど、結晶粒径が大きくなり、結晶＜１１１＞方位比率が小さくなる傾向にある。特に本発明例Ｎｏ．１、４、７は、結晶粒径、結晶方位が最も好ましい範囲であって信頼性試験の結果が特に良好（◎）であった。

【0039】

比較例Ｎｏ．１～４は比較例である。
比較例Ｎｏ．１は、調質熱処理条件が標準条件よりも低温であり、平均結晶粒径が低め外れ、結晶＜１１１＞方位比率が高め外れであり、硬度が好適条件よりも高く、接合性、チップクラック、信頼性試験がいずれも不良であった。
比較例Ｎｏ．２は、調質熱処理条件が標準条件よりも高温であり、平均結晶粒径が上限を超え、結晶＜１１１＞方位比率が低め外れであり、硬度が好適条件よりも低く、信頼性試験が不良であった。

【0040】

比較例Ｎｏ．３は、伸線中熱処理を行っておらず、平均結晶粒径は本発明範囲内であったが結晶＜１１１＞方位比率が高め外れであり、硬度が好適条件よりも高く信頼性試験が不良であった。
比較例Ｎｏ．４は、伸線中熱処理の冷却を緩冷としており、平均結晶粒径は本発明範囲内であったが結晶＜１１１＞方位比率が低め外れであり、信頼性試験が不良であった。

【0041】

《実施例２》
表２に示すワイヤ成分を有し、線径が２００μｍのＡｌボンディングワイヤを製造した。製造条件及び評価項目は前記実施例１と同様である。結果を表２に示す。

【0042】

【表2】

【0043】

表２から明らかなように、いずれのワイヤ成分であっても、本発明のワイヤ組織を得ることができ、良好なワイヤ品質を実現することができた。