Al接合线制造技术

提供一种Al接合线，其在使用Al接合线的半导体装置工作的高温状态下，充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。该Al接合线的特征在于，由Al或Al合金构成，垂直于导线轴的方向的芯材截面中的平均晶粒直径为0.01～50μm，在对于垂直于导线轴的方向的芯材截面测量晶体取向的结果中，导线长度方向的晶体取向之中，相对于导线长度方向角度差为15

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】Al接合线


[0001]本专利技术涉及Al接合线。

技术介绍

[0002]在半导体装置中，通过接合线将形成在半导体元件上的电极与引线框或基板上的电极之间连接。作为接合线中使用的材质，在超LSI等的集成电路半导体装置中使用金(Au)或铜(Cu)，另一方面在功率半导体装置中主要使用铝(Al)。例如，专利文献1中示出在功率半导体模块中使用的铝接合线(下面称为“Al接合线”。)的例子。另外，在使用Al接合线的功率半导体装置中，作为接合方法，与半导体元件上电极的连接及与引线框或基板上的电极的连接均使用楔接合。
[0003]使用Al接合线的功率半导体装置较多用作空调或太阳能发电系统等的大电力设备、车载用的半导体装置。在这样的半导体装置中，Al接合线的接合部暴露在100～150℃的高温中。在使用仅由高纯度的Al构成的材料作为Al接合线的情况下，在这样的温度环境下导线容易软化，因而难以在高温环境中使用。
[0004]专利文献2中公开了一种包含0.02～1重量％的Fe的Al导线。在不包含Fe的Al导线中，使用半导体时的高温会在导线接合界面正上方引起再结晶，形成小的结晶粒，成为产生裂纹的原因。对此，通过含有0.02％以上的Fe从而能够提高再结晶温度。通过拔丝后的退火，将接合前的导线晶体粒径设定为50μm以上。晶体粒径较大，即使半导体使用时的高温也不会再结晶，因此不会发生裂纹。
[0005]专利文献3中，作为即使使用时大电流反复通电也会抑制产生在连接部的裂纹发展并实现可靠性高的连接部的接合线，公开了线材为Al/>‑
0.1～1wt％X，X是从Cu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hf中选择的至少一种金属，线的粗细(直径)为50～500μm的接合线。
[0006][现有技术文献][0007][专利文献][0008]专利文献1：日本特开2002
‑
314038号公报
[0009]专利文献2：日本特开平8
‑
8288号公报
[0010]专利文献3：日本特开2008
‑
311383号公报

技术实现思路

[0011][专利技术要解决的技术问题][0012]在使用了使用纯Al的Al接合线、或者使用如专利文献2、3记载的那样的Al合金的Al接合线的任一者的半导体装置中，在半导体装置工作的高温状态下，有时不能充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。
[0013]本专利技术的目的在于提供一种Al接合线，其在使用Al接合线的半导体装置工作的高温状态下，充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。
[0014][用于解决技术问题的技术手段][0015]即，以如下述内容作为本专利技术的宗旨。
[0016][1]一种Al接合线，其特征在于，由Al或Al合金构成，垂直于导线轴的方向的芯材截面中的平均晶粒直径为0.01～50μm，在对于垂直于导线轴的方向的芯材截面测量晶体取向的结果中，导线长度方向的晶体取向之中，相对于导线长度方向角度差为15
°
以下的晶体取向＜111＞的取向比率为30～90％。
[0017][2]如[1]所述的Al接合线，其特征在于，导线的硬度以Hv计为20～40。
[0018][3]如[1]或[2]所述的Al接合线，其特征在于，导线线径为50～600μm。
[0019][专利技术效果][0020]根据本专利技术，在使用Al接合线的半导体装置工作的高温状态下，充分地确保接合线的接合部的接合可靠性。
具体实施方式
[0021]明确了如下情况：即使是使用由纯Al、或者如专利文献2、3所述的那样的Al合金构成的Al接合线的半导体装置，若使半导体装置在高温状态下长时间工作，则会出现接合线的接合部的接合强度降低的现象，即不能充分地获得接合可靠性。如果观察高温长时间工作后的半导体装置的接合线截面，则可推断由于高温环境引起再结晶，晶体粒径变大，而且后述的结晶＜111＞取向比率减少，因此导线强度相比于初期降低，由此在接合界面发生剥离现象，接合部的可靠性降低。
[0022]对此，在本专利技术中，在Al接合线中，不论纯Al还是Al合金，均将垂直于导线轴的方向的芯材截面中的平均晶粒直径设定为0.01～50μm，在对垂直于导线轴的方向的芯材截面测量晶体取向的结果中，导线长度方向的晶体取向之中，相对于导线长度方向角度差为15
°
以下的晶体取向＜111＞的取向比率(下面简称为“结晶＜111＞取向比率”)为30～90％。由此，即使是在高温环境下长时间持续使用半导体装置时，在高温长时间工作后的半导体装置中也能够确保接合部的可靠性。下面，详细地进行说明。
[0023]针对高温长时间经历后的接合部可靠性评价试验进行说明。
[0024]作为使用的Al接合线，使用包含0.5质量％的Fe的Al合金及纯Al的Al接合线。拔丝后的导线线径为200μm。在拔丝工序的过程中实施或不实施热处理，在实施热处理的情况下将冷却条件设定为缓慢冷却和骤冷两种，对拔丝后的导线实施调质热处理，将接合线的维氏硬度调整为Hv40以下。通过改变拔丝过程中的热处理条件与拔丝后的调质热处理条件，对导线的晶体粒径和结晶＜111＞取向比率进行多种变更。
[0025]在半导体装置中，半导体芯片与接合线之间的第一接合部、外部端子与接合线之间的第二接合部均为楔形焊接。
[0026]高温长时间经历是通过功率循环试验进行的。功率循环试验针对接合有Al接合线的半导体装置，反复进行加热和冷却。加热是花费2秒钟加热至半导体装置中的接合线的接合部的温度变为140℃，其后，花费5秒钟冷却至接合部的温度变为30℃。重复该加热、冷却的循环20万次。
[0027]上述高温长时间经历后，测量第一接合部的接合剪切强度，进行接合部可靠性的评价。其结果，在导线的晶体粒径为0.01～50μm，结晶＜111＞取向比率为30～90％时(本专利技术条件)，Al合金和纯Al的任一者，均为接合部剪切强度与初期相比为90％以上，可以充分
地确保接合部的可靠性。对此，在脱离上述本专利技术条件的情况下，接合部剪切强度与初期相比为小于50％，接合部的可靠性不充分。
[0028]《导线的平均晶粒直径》
[0029]在本专利技术中，垂直于接合线的导线轴的方向的芯材截面(垂直于导线轴的方向的截面；垂直于导线长度方向的截面(C截面))中的平均晶粒直径为0.01～50μm。作为平均晶粒直径的测量方法，使用EBSD(Electron Back Scatter Diffraction Patterns：电子背散射衍射)等测量方法求得各晶粒的面积，采用将各晶粒的面积视为圆时的直径的平均。
[0030]如果平均晶粒直径为0.01μm以上，则适当进行通过拔丝时的调质热处理进行的再结晶，导线会软化，能够防止接合时的芯片断裂的发生、接合部的接合性降低、高温长时间使用时的可靠性降低等。另一方面，如果平均晶粒直径超过50μm，则表现出过度进行导线的再结晶，引起高温长时间使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种Al接合线，其特征在于，由Al或Al合金构成，垂直于导线轴的方向的截面中的平均晶粒直径为0.01～50μm，在对于垂直于导线轴的方向的截面测量晶体取向的结果中，导线长度方向的晶体取向之中，相对于导线长度方向角度差为15
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【专利技术属性】
技术研发人员：山田隆，西林景仁，榛原照男，小田大造，江藤基稀，小山田哲哉，小林孝之，宇野智裕，
申请(专利权)人：日铁化学材料株式会社，
类型：发明
国别省市：