技术领域
[0001] 本
发明涉及
铝合金布线材料，其被用于使用铝合金细线将在高温环境下使用的
半导体元件上的
电极接合至外部电极，具体是，涉及一种利用了由Al3Sc粒子实现的效果的铝合金接合线，所述Al3Sc粒子是从在高温环境下如在航空器、
电动车辆和
船舶中使用的半导体装置中的高纯铝中时效析出的。
背景技术
[0002] 对于安装在半导体元件如
硅(Si)、
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)上的接合盘，通常使用铝(Al)、
铜(Cu)和镍(Ni)等的
基板。为了应用，在一些情况下在基板上设置金(Au)、
银(Ag)等的贵金属
镀层或镍(Ni)镀层。除非另作说明，这些基板统称为“铝盘”。为了进行铝盘向引线
框架等的超声接合，应用了使用高纯铝(Al)的铝合金细线，因为高纯铝显示60％级的高电导率。对于铝合金细线，通常使用线直径为50至500μm的圆细线，偶尔使用线直径小于50μm的极细线和线直径超过500μm的细线。而且，有时使用通过压制任何一种所述细线获得的扁平矩形细线(带)作为用于半导体装置的铝合金细线。
[0003] 当在高温环境(气氛)下应用使用高纯铝(Al)的铝合金细线，尤其是作为用于航空器、
汽车、船舶等的布线材料的情况下，在确保高温可靠性方面的困难成为了问题。
[0004] 因此，作为具有相对小的比
电阻、相对高的机械强度以及出色的耐热性的布线材料，下述通过将钪(Sc)溶解在铝(Al)中而获得的铝合金是已知的。
[0005] 日本未审查
专利公开号7-316705(下文称为专利文献1)公开了“一种布线材料，其特征在于包含约0.1至0.3重量％的Sc和余量的Al以及约0.05重量％以下的杂质”，并描述了“使用了纯度为99.95％以上的纯铝，且向该铝中添加按相对于全体合金的重量比计为约0.1％至0.3％的钪(Sc)(专利文献1的0012段)”和“以50％的压缩比进行塑性加工，随后在400℃至500℃
热处理约一小时(专利文献1的0016段)”。
[0006] 而且，日本未审查专利公开号2001-348637(下文称为专利文献2)公开了“一种铝合金材料，其特征在于，在纯度为99.95％以上的纯Al基体中，包含按重量比计0.05％至0.3％的Sc和0.1％至0.4％的Zr”(
权利要求1等)，并且“通过进行达到80％以上的断面减少率的塑性加工(冷加工)”，之后进行“约1小时的在300℃至400℃的热处理”(专利文献2的0024段)，获得“在280℃电导率为60％IACS以上、
抗拉强度为200MPa以上且残余抗拉强度为90％以上的铝合金材料”(专利文献2的0011段)。
[0007] 然而，当通过超声接合将上述铝合金细线接合至含有Al作为主要组分的铝盘电极时，它们尚未被实际应用，因为芯片由于高机械强度而破裂。尤其是，在线的线直径相对大，即从50至500μm的情况下，尚难以避免芯片破裂的问题。
[0008] 另一方面认为，铝合金细线的可应用范围今后将扩展得越来越大，因为存在着对于需要具有100℃至200℃的耐热性的半导体的需求，尤其是，对用于
空调、
太阳能发电系统、混合动
力汽车、电动车辆等中应用的功率半导体的需求。在功率半导体元件的操作条件中，
温度高于普通半导体元件的温度。例如，在用于汽车的功率半导体中，铝合金细线通常在接合部需要承受最高100℃至150℃的温度。容易在此温度范围
软化的由高纯铝(Al)构成的纯铝合金细线尚未实际应用于在此高温环境下使用的装置中。
[0009] 引用清单
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1：日本未审查专利公开号7-316705
[0012] 专利文献2：日本未审查专利公开号2001-348637
发明内容
[0013] 技术问题
[0014] 本
申请的发明的一个目的在于，提供一种铝合金布线材料，当在
半导体芯片上布线时，该铝合金布线材料与由高纯铝(Al)构成的纯铝合金细线一样软，并且在布线之后的高温条件下不软化。
[0015] 解决问题的手段
[0016] 为了完成所述目的，
发明人考虑了利用以下事实：钪(Sc)几乎不对强度的提高产生贡献，除非它从钪溶解在铝(Al)中这一状态中时效析出。
[0017] 更具体地，他们确认，可以通过以下步骤抑制由Sc导致的时效硬化：通过对包含预定量的钪(Sc)的铝(Al)合金布线材料的中间热处理，进行固溶处理，以强迫所有微细Sc析出物溶解；进行
拉丝以达到想要的线直径；并在不生成微细Sc析出物的温度和条件下，进行调质热处理(refining heat treatment)。
[0018] 因为铝合金布线材料是软的，并且在上述状态进行塑性
变形，所以被冷拉以获得想要的线直径的具有上述组成的铝合金细线可以以与使用纯铝合金细线的情况中相同的方式通过超声接合到铝盘上而被布线，从而形成预定的回路。
[0019] 而且证实了，除钪(Sc)之外，还可以通过添加一定量的锆(Zr)而达到相同的效果。锆的添加显示出与由在铝(Al)合金布线材料中的钪(Sc)所显示的效果相同的效果，并具有提高与时效硬化的温度历史有关的时间
稳定性的效果。
[0020] 如上所述，当对进行了
固溶热处理的铝合金细线进行布线并随后进行时效热处理时，如在专利文献1和2中所述，机械强度由于从铝(Al)基体中析出的Al3Sc粒子而提高。而且已证明，因为Al3Sc粒子和铝(Al)基体之间的相容性是出色的，所以在高温环境下反复的使用中，Sc粒子的粗大化几乎不进行。
[0021] 用于在高温环境下使用的半导体装置中的连接的本发明的铝合金布线材料之一是一种如下这样的铝合金：其具有包括0.15至0.5
质量％的钪(Sc)和余量的纯度为99.99质量％以上的铝(Al)的组成；其具有在铝合金基体中通过强制固溶处理获得的再结晶组织；并具有21至30Hv的维氏硬度。
[0022] 用于在高温环境下使用的半导体装置中的连接的本发明的铝合金布线材料中的另一种是一种如下这样的铝合金：其组成包括0.15至0.5质量％的钪(Sc)和0.01至0.2质量％的锆(Zr)(条件是锆(Zr)的量等于或小于钪(Sc)的量的一半)和余量的纯度为99.998质量％以上的铝(Al)；其具有在铝合金基体中通过强制固溶处理获得的再结晶组织；并具有21至30Hv的维氏硬度。
[0023] 可以在布线之后、在将于布线后进行的后处理和加工之前，对上述两种用于在高温环境下使用的半导体装置中的连接的本发明的铝合金布线材料在200℃至450℃的温度范围内进行时效热处理。因为铝合金布线材料的形状在布线之后不改变，所以即使当机械强度增加时，也不发生半导体芯片破裂。而且，因为铝合金布线材料和铝盘之间的
热膨胀系数差异小，所以在接合界面处也不发生另外由反复的热膨胀和热收缩导致的开裂。
[0024] 在本申请的发明中，当铝(Al)的纯度为99.998质量％以上时，获得几乎与纯度为99.999质量％以上的铝合金的相同的维氏硬度。因此，铝的纯度越高，该铝是越优选的。
[0025] 在本申请的发明中，被添加的钪(Sc)的量可以优选为0.3质量％以下，因为这种量使得强制溶解钪(Sc)从而使钪(Sc)均匀分散在铝合金基体中成为可能。可以由从铝(Al)基体析出的Al3Sc粒子的分布测定强制固溶是否均匀。强制固溶处理可以优选在接近铝(Al)的熔点的580℃至630℃附近进行若干小时。
[0026] 在本申请的发明中，在时效热处理之前对用于半导体装置中的连接的铝合金布线材料，可以在进行冷拉丝以获得在50至500μm范围内的想要的线直径之后，进行调质热处理，在连续拉丝之后，在对其施加恒定
张力的情况下，对铝合金细线进行调质热处理。在连续拉丝过程中，从最终金刚石模头的出口至绕线
线轴的入口，基本上施加恒定张力，且尤其通过利用张力调节辊等，防止在其它加工步骤中引起的振动传导到铝合金细线上，来保持在调质热处理步骤期间和冷却步骤期间张力恒定，从而使得可以通过规定热处理温度和热处理区间来赋予铝合金细线预定的
热能。
[0027] 通过调质热处理，由在强制固溶处理之后进行的冷拉丝获得的冷拉丝组织变成了具有适于布线接合的机械性能的再结晶组织。
[0028] 用于调质热处理的加热方法的实例包括，在电炉中加热、通电加热、通过光照射加热、
水蒸气加热等。因为调质热处理进行数秒至数十秒，所以Al3Sc粒子不从铝(Al)基体析出。同样，当在调质热处理之后的铝合金布线材料进行与铝盘的超声接合时，铝合金布线材料不硬化，并且因此，不导致半导体元件的芯片开裂。
[0029] 如上所述，通过均匀并强制地将钪(Sc)固溶在铝合金基体中而获得的铝合金布线材料不像纯铝一样发生芯片破裂，并且能够容易地形成能够在半导体装置上布线的线弧。
[0030] 而且，因为在布线之后进行时效热处理，所以可以由于Al3Sc粒子从铝(Al)基体中析出，显示出和Al-Sc
二元合金一样的机械强度。取决于对布线形成之后的半导体装置的热历史的抗性，可以例如在
树脂密封之前进行时效热处理。
[0031] 用于盘的材料主要是铝(Al)或铝(Al)合金，但是可以使用对铝合金布线材料具有高超声接合性能的铜(Cu)或镍(Ni)作为该材料，并且可以在该材料上被覆贵金属如金(Au)。
[0032] 发明的有益效果
[0033] 因为本发明的铝合金布线材料在布线之前是和纯铝细线一样软的并使灵活的布线成为可能，所以它像纯铝合金细线一样通过超声接合而接合至铝盘。
[0034] 另一方面，在布线之后，由于Al3Sc粒子从铝(Al)基体中析出，可以增强布线的机械强度。因为钪(Sc)的量小，并且因为在析出物和铝(Al)基体之间的相容性良好，所以即使当Al3Sc粒子析出时，也不从接合界面发生另外由于机械应变导致的开裂。而且，析出的Al3Sc粒子在功率半导体如电动车辆的功率半导体中的反复的高温环境下几乎不粗大化。所述效果在5N铝合金细线中比在4N铝合金细线中表现得更好，但是当价格优先时，4N8纯度的铝合金细线是优选的，并且是适用于功率循环半导体的铝合金布线材料。
附图说明
[0035] 图1是显示了本发明的铝合金细线和纯铝细线的剪切强度值的变化比率的图。
具体实施方式
[0036] 在下文中，将描述本发明的实施方案。
[0038] 将四种由纯度为99.99质量％的铝(Al)和纯度为99.9质量％的钪(Sc)形成的Al-Ac合金中的每一种，即，Al-0.15％Sc、Al-0.2％Sc、Al-0.3％Sc和Al-0.5％Sc，熔融并随后进行连续浇铸，以获得直径为300mm的铝
合金锭。
[0039] 通过使用有槽
轧辊对各个锭进行
轧制并随后进行拉丝，制备直径为5mm的初级(element)铝合金线。随后对初级线进行630℃×120min的固溶热处理，随后在水中淬火。此后，使用金刚石模头在水中进行连续拉丝，以获得0.5mm的直径，并随后进行620℃×1min的调质热处理，随后水冷。
[0040] 将所述样品用作实施例1(样品1至4)。使用显微维氏硬度计(由Akashi Corporation生产的MVK-G3型)，对实施例1中的每一种进行测量。测得的硬度值在表1中显示。
[0041] 在以下条件下，通过超声接合，将实施例1中的每一种与在Si芯片(厚度：0.5mm)上的Al-1.0％Si膜(厚度：4μm)接合一百个布线。
[0042] (超声接合条件)
[0043] 铝合金细线的线直径为0.5mm，线弧长度为10mm，且线弧高度为1.5mm。
[0044] 通过使用自动接合机(由Ultrasonic Engineering Co.，Ltd.生产的REB07型)，进行铝合金细线向Si芯片的超声接合。
[0045] 接合条件如下。在120kHz的
频率进行接合，并且任意调节负荷和超声条件，以使第一接合部的变形宽度为线直径的1.3倍，且在相同的条件下，在各样品的全部100个布线上，进行包括第一次接合和第二次接合的超声接合。作为超硬工具和接合导向装置，使用由Ultrasonic Engineering Co.，Ltd.生产并且适合于所述线尺寸的超硬工具和接合导向装置。
[0046] 随后，在300℃的时效条件下，对接合好的实施例1的铝合金细线进行2小时时效处理。
[0047] 随后，对接合好的实施例1的铝合金细线进行以下试验。试验结果在表1中显示。
[0048] (热冲击试验)
[0049] 使用小型冷冲击(cold impact)装置(Espec Corp.生产的TSE-11)作为热冲击试验装置，并反复试验10000次，每次在高温侧+200℃处进行3分钟，在低温侧-50℃处进行3分钟。
[0050] 关于由热冲击试验对该线接合部造成的损伤的结果，通过以下剪切强度试验评价损伤程度。
[0051] (剪切强度试验)
[0052] 使用由Dage Japan Co.，Ltd.生产的2400型，进行剪切试验，并且分别在上述冲击试验进行1000次、2000次、5000次和10000次之后，测量第一接合部的剪切强度，以与在试验开始之前测得的初始强度作比较。在图1中显示实施例1(4号)和常规例的图，以用于比较。
[0053] 作为在反复之后的剪切强度与初始剪切强度的比率，当在样品中剪切强度从初始强度的降低达到20％(0.8)时的次数比常规例的该次数的两倍小时，将样品标记为×，而当其中该次数为常规例的该次数的两倍以上时，将样品标为O。试验高度为5μm，且试验速度为500μm/秒。
[0054] (芯片破裂观察试验)
[0055] 用20％NaOH溶液溶解(molten)Al-0.1％Si盘，并通过使用光学
显微镜(STM6，由Olympus Corporation生产的测量显微镜)以×100的放大倍数观察接合之后的样品的芯片破裂。在10个点进行观察。产生芯片破裂的，即使仅发现有一处芯片破裂，也标记为×，没有芯片破裂的标记为O。
[0056] [实施例2]
[0057] 通过使用Al-0.2％Sc-0.1％Zr和Al-0.5％Sc-0.25％Zr合金，以与实施例1中相同的方式，制备各自直径为0.5mm的铝合金细线，以用作实施例2(样品5和6)，所述各合金均是由纯度为99.99质量％的铝(Al)、纯度为99.9质量％的钪(Sc)和纯度为99.9质量％的锆(Zr)形成的。
[0058] 随后，在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行超声接合和时效热处理。
[0059] 在与实施例1的条件相同的条件下，进行上述试验。试验结果在表1中显示。
[0060] [实施例3]
[0061] 通过使用Al-0.3％Sc合金，以与实施例1中相同的方式，分别制备直径为0.1mm和直径为0.3mm的铝合金细线，以用作实施例3(样品7和8)，所述合金是由纯度为99.99质量％的铝(Al)和纯度为99.9质量％的钪(Sc)形成的。
[0062] 随后，在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行超声接合和时效热处理。
[0063] 在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行上述试验。试验结果在表1中显示。
[0064] [实施例4]
[0065] 通过使用Al-0.15％Sc合金，以与实施例1中相同的方式，制备直径为0.5mm的铝合金细线，以用作实施例4(样品9)，所述合金是由纯度为99.998质量％的铝(Al)和纯度为99.9质量％的钪(Sc)形成的。
[0066] 随后，在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行超声接合和时效热处理。
[0067] 在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行上述试验。试验结果在表1中显示。
[0068] [比较例]
[0069] 通过使用Al-0.1％Sc合金和Al-0.8％Sc合金，以与实施例1中相同的方式，制备各自直径为0.5mm的铝合金细线，以用作比较例1和2，所述各合金是由纯度为99.99质量％的铝(Al)和纯度为99.9质量％的钪(Sc)形成的。
[0070] 随后，在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行超声接合和时效热处理。
[0071] 在与实施例1的条件相同的条件下，对样品进行上述试验。试验结果在表1中显示。
[0072] [常规例]
[0073] 通过将纯度为99.995质量％(5N)的高纯铝熔融并随后进行连续浇铸，获得直径为300mm的铝锭，使用有槽轧辊对铝锭进行轧制，并随后拉丝，以获得直径为5mm的初级铝线。对初级线进行400℃×60min和300℃×1min的中间热处理。随后，进行连续拉丝，以获得0.5mm的直径，随后在330℃进行最终热处理，以获得常规例。以与在实施例1中相同的方式，对此常规例进行试验，且试验结果在表1中显示。
[0074] [表1]
[0075]
[0076] (注释1)实施例1至3(样品号1至8)和比较例1和2中的各个Al材的纯度为99.99质量％，实施例5(样品号9)的Al材的纯度为99.998质量％，且常规例的Al材的纯度为99.995质量％。
[0077] (注释2)在实施例固溶后的冷却方法：水冷。
[0078] 从表1的试验结果证实，实施例的样品号1至4各自的维氏硬度在0.5质量％最大Sc含量范围内被抑制在27，使得尽管在调质后维氏硬度随着Sc含量由0.15质量％增加至0.5质量％而提高，但不发生芯片破裂。
[0079] 而且，因为硬度通过在线接合之后进行的时效处理而大大提高，当Sc含量是最小值0.15质量％时维氏硬度达到38，获得了良好的热冲击试验结果。
[0080] 相反，在分别具有0.1质量％和0.8质量％的Sc含量的比较例1和2中，比较例1获得低维氏硬度且不导致芯片破裂，但显示在时效处理后差的硬度和差的热冲击试验结果。相反，因为比较例2具有高Sc含量，所以它显示由于在接合之后进行的时效处理而得到的高硬度，并获得良好的热冲击试验结果，但是由于调质后的高硬度引起不可用的芯片破裂。
[0081] 此外，其中Sc含量改变为0.3质量％且铝合金细线的直径改变为0.1mm和0.3mm的样品号7和8在接合过程中的芯片破裂方面和在接合之后进行的热冲击试验方面获得了良好的结果，证明即使铝合金细线的直径改变，各种效果也不改变。
[0082] 而且，从向其中除添加Sc以外还添加了Zr的样品5和6证实了，由于在调质热处理之后抑制了硬度，即使当Zr的添加导致在调质热处理之后硬度增加，也不导致芯片破裂，同时通过在接合之后进行的时效处理获得的硬度明显提高，从而给出了良好的试验结果。
[0083] 锆(Zr)具有与钪(Sc)相同的时效硬化作用，并且具有对由温度历史(如暴露在使用环境中的温度变化下)导致的时效硬化铝合金细线的稳定作用劣化的行为，并且在添加的锆(Zr)量少于钪(Sc)含量的一半的情况下，可以与钪(Sc)一样处理锆(Zr)。
[0084] 而且，关于其中铝原料的纯度提高了一位(99.998质量％)且Sc含量被抑制至最小值的样品9，证实了，尽管在调质之后降低了硬度，但在时效处理之后的硬度保持得高，即到达38，且热冲击实验结果良好。
[0085] 至于剪切强度试验结果，由显示了实施例1的样品4的和具有5N纯度的铝细线的反复试验后剪切强度与初始剪切强度的剪切强度比的图1的曲线看出，在实施例4中，从初始值的降低达到20％(0.8)时的次数为10000以上，而在常规例的具有5N纯度的铝细线中，该值为约3000。因此，证实实施例4的热冲击寿命为高纯铝细线的热冲击寿命的三倍。
[0086] 从上述试验结果，0.15至0.5质量％的Sc的范围适合于用于半导体装置布线的由钪(Sc)和铝(Al)形成的Al-Sc二元合金。在由钪(Sc)、铝(Al)和锆(Zr)形成的Al-Sc-Zr
三元合金的情况下，锆(Zr)在低于相对于0.15至0.5质量％的钪(Sc)的上述规定的含量的小量范围内，具有作为第三添加元素的效果，并且适于在0.01至0.25质量％的范围内使用。然而，因为由Zr对硬度施加的影响大于Sc，所以Zr的含量必须等于或小于Sc的一半。
[0087] 至于固溶处理后的维氏硬度，由芯片破裂的观点出发，即使当硬度低于在表1中显示的21Hv，也由于添加了Sc，所以可以通过时效处理来改善热冲击，维氏硬度的有效范围为18至30Hv。
[0089] 因为即使当重复进行热冲击试验时本发明也获得对剪切强度下降的抑制，所以本发明可以用作功率半导体的
连接线，所述功率半导体用于混合动力汽车和电动车辆以及火车、
风力发
电机、工业
机器人等。
