超声波焊接用铝带材制造技术

本发明专利技术的课题是提供超声波焊接用铝带材，即使进行几万次接合其也能够保持高的焊接接合强度和规定的接合强度。作为解决手段，为一种超声波焊接用铝带材，其包含金属铝或铝基合金，该铝的纯度为９９．９９质量％以上，并且在铝带材的镜面光泽面上蒸发干燥粘着有分子量为５００以下的非离子性表面活性剂，该非离子性表面活性剂的有机碳总量为１００－１０００微克／平方米。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种铝带材，其用于在电子部件和半导体封装中通过超声波焊接连接半导体元件电极与基板侧的引线部。
技术介绍
在半导体装置的制造中，广泛使用为了电连接设置在半导体芯片上的连接电极 (焊接区)与半导体封装中所设的外部引出用端子(引线)，使用截面为近乎矩形的带状的铝导电体(下文称为“带材”)的焊接方法。该焊接方法利用了铝的导电性线材的焊接方法， 其将硬质合金工具压在重叠于电极或引线上的铝带材上，施加其载荷以及超声波振动的能量进行接合。施加超声波的效果如下，通过伴随着线材(带材)的变形而产生的接合面积的扩大，以及破坏并除去铝带材上自然形成的1纳米(nm)左右的氧化膜，使铝(Al)等金属基质露出，伴随着相接的铝(Al)或镍(Ni)等的焊接区与铝带材的界面处的塑性流动，通过在这些紧贴的基质面扩大的同时进行扩散接合，使两者进行原子间的结合。迄今为止，通过如下一般的超薄条带的加工方法制造该实用的铝带材。第一种方法是使用例如旋转切割机那样的切断装置或冲压装置将预先轧制成薄板状的铝合金构成的薄板材切割成规定的宽度和长度，随后将该切出的铝合金构成的薄板材进一步轧制成薄条带状，最后成型为规定形状的铝带材。第二种方法是通过剪切加工或冲压加工等除去由轧制成最终超薄条带状态的铝合金构成的条带基材(宽度和厚度的比为约25)的两个边缘，并成型为最终的规定宽度形状的铝带材。使用由此形成的铝带材通过与引线接合法相同的方法接合到电极焊接区上，但是该接合过程与弓I线接合法存在一些差异。在引线接合法(球焊)中，将引线前端的球体压在预先加热的电极焊接区上施加超声波振动，通过机械摩擦破坏球表面的铝氧化膜以暴露金属基质，同时，通过伴随摩擦的发热和压力使该球体变形，扩大所谓金属基质的这些新形成的面，形成接合面。在引线接合法中，由于经过这样的过程，引线与电极焊接区接合，在球被压接的状态下，伴随着新生成的面的扩大而形成接合面，由此获得了可靠且牢固的接合。与此相对，在将铝带材与电极焊接区接合时，与电极焊接区连接的该接合部是平坦的面，即使将施加超声波的硬质合金工具压在上面，与电极焊接区接触的界面沿该面几乎不发生变形。因此，重要的是在与电极焊接区接合的整个面上严格地保持接合条件，但在可能施加的负荷和超声波能量范围内，由于微小的凸凹和不均勻性的影响，难以保持这些接合条件。例如，在上述超薄条带的加工方法中，由于一般在轧制加工时使用机油，即使在加工后进行洗涤，检测极限以下的油膜仍不均勻地分布在铝带材上而得以残留，使得在将铝带材作为超声波铝带材使用时的焊接条件变得不稳定。因此，虽已经尝试通过化学蚀刻对铝带材的表面进行酸洗，但由于化学蚀刻时在铝带材表面上产生由蚀刻造成的微观腐蚀坑，使得超声波焊接的焊接条件因这些凸凹而不稳定。此外，由于对超声波焊接而言，由包含添加元素和剩余部分的铝的纯度为99质量％以上的铝合金构成的铝带材比超声波焊接的一般的纯度99. 99质量％的铝(Al)板硬， 因此在轧制前的加工过程中容易发生白化等材料缺陷。因此，在铝带材的切割面或剪切面出现的凸角和毛刺残留在带材的端面，在焊接时挂在导向装置和工具上，或变成薄片状，附着在轧辊表面，令铝带材的表面产生凹凸。因此，虽将铝带材保持为轧制加工阶段的硬质状态进行超声波焊接，但存在焊接时需要大量的能量，在焊接条件变得不稳定的同时，接合强度低的缺点。焊接条件如上所述变得不稳定的原因，到目前为止认为是由于下述机械原因。也就是说，焊接区和铝带材的表面在微观上都不平坦，1纳米(nm)左右厚度的铝氧化物膜在微观上也不能说是均勻的，因此认为，在焊接的初期，铝带材在与焊接区接触的部分的位置，尺寸并不恒定。因此，考虑了各种机械形状的铝带材，以使得铝带材的焊接条件稳定，得到稳定的焊接强度(接合强度)。例如，在特开2002-313851 (专利文献1)中，公开了在外形上“形成为近乎板状的电流路径部件(连接带)”。该连接带在薄板的两端设有对于电极焊接区的接合部，在其之间跨过电极焊接区形成拱形，通过具备具有多个突出部的超声波施加用焊头(horn)的焊接工具在施压的同时施加超声波进行焊接，但是该连接部被制成平面状，在焊接初期接触的微观部分的位置、 尺寸并不是均勻且恒定的，因此，这对于接合强度不稳定的焊接条件的不稳定性而言并非特殊的解决方案。此外，在特开2007-194270 (专利文献幻中，提出了在铝带材的接合部位的与电极焊接区接合的面上形成多个凸条。其意图是伴随着加压和施加超声波，这些凸条自其端部变形，由此，带来与焊线场合的端部的压接球相同的效果，在该方法中，为了使初期的塑性流动容易产生，通过比较小的负荷和超声波能量能够实现确保与接合面为平坦的带材相比稳定的接合强度。但是，在用于通过超声波焊接连接半导体装置的铝带材的场合，尽管利用超声波的接合条件在其前表面和后表面不同，但是以一秒数个的比率自动地进行超声波焊接，因而需要即使进行上万次也要在相同条件下进行接合。这样，使铝带材的外形形状机械地变化的以往的作法中，尽管开始可以发挥其效果，但是进一步持续进行几万次的超声波焊接时，接合条件将无法保持，连接不良会频繁发生。现有技术文献专利文献专利文献1 特开2002-313851号公报专利文献2 特开2007-194270号公报专利文献3 特许第42U641号公报
技术实现思路
本专利技术要解决的课题本专利技术人等认为，这些连接不良是在几千次至几万次重复进行超声波焊接中发生的，因此，其原因是由于在硬质合金工具与铝带材的接触面产生的现象，为了掌握其影响， 对在超过硬质合金工具的数千次超声波焊接的实际寿命至2万次为止不进行表面改性的状态下的铝带材以自动模式进行了超声波焊接。在其间对硬质合金工具与铝带材的接触面的变化情况进行了研究。在2万次后的接触面，铝粉末变为海岛状(堆积在硬质合金工具的接触面上的金属铝粉末或铝氧化物粉末的集合体以点分布的状态)。在硬质合金工具与铝带材的接触面金属铝粉末或铝氧化物粉末的集合体以点分布的现象被认为是经过了以下过程。首先，在超声波焊接时，铝带材的界面与焊接区或引线框架的界面因摩擦而被加热，自铝带材的界面出现新生成的面，与焊接区或引线框架的界面接合。此时，硬质合金工具与铝带材的界面也在超声波焊接时同时因摩擦而被加热，在铝带材的界面出现新生成的面。由铝带材与工具接触侧的界面，以金属铝(Al)的状态或成为铝氧化物粘附到硬质合金工具的接触面上。一旦铝氧化物粘附，在其后的焊接中，铝和铝氧化物优先粘附，铝(Al)变成凝集状态。其结果是，最终凝集的这些铝氧化物等聚到一起，在硬质合金工具的接触面上形成铝氧化物等的岛。在硬质合金工具接触面上生成许多铝氧化物的岛，结果形成了铝氧化物粉末的海岛图案。形成这些海岛状图案的铝氧化物层使得硬质合金工具和铝带材的接触状态不均勻，伴随着施加超声波能量，在两者的界面处部分发热，出现温度升高，进一步促进了这些氧化物层的堆积，同时，从硬质合金工具传达到铝带材界面的超声波振动能量变得不均勻， 给接合过程带来坏的影响。因此，在与这些海岛状图案形成的同时，产生了铝带材的接合强度的变化。因此，如果在使用铝带材的超声波焊接时，在硬质合金工具与铝带材的接触面上， 不粘附铝(Al)，或即使粘附，也能够从硬质合金工具的接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．超声波焊接用铝带材，该铝带材是由金属铝或铝基合金形成的铝带材，其特征在于，其材质为纯度９９．９９质量％以上的铝，或为由９９．９质量％以上的该纯金属铝和小于０．１质量％的添加元素形成的铝基合金，并且，该纯金属铝或该铝基合金的表面是镜面精轧过的，粗糙度Ｒｚ≤２微米（μｍ），该铝带材的镜面上蒸发粘着有非离子性表面活性剂，其有机碳总量为３０－１０００微克／平方米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：三上道孝，
申请(专利权)人：田中电子工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP