[发明专利]用于连接至半导体装置的铝合金线

说明书

技术领域

本发明涉及用于将半导体装置上的电极通过超声波的方式连接至外部电极的铝合金线，并且尤其涉及由通过使铁(Fe)强制溶解在99.99质量％以上的纯度的铝(Al)中形成的固溶体制成的铝合金线。

背景技术

可应用至该铝合金线的超声接合方法是这样的方法，首先将烧结碳化物工具压向放置在铝焊点上的铝合金线，以通过来自烧结碳化物工具的压力和超声波振动的方式产生铝合金线与铝焊点之间的接合。应用超声波的效果包括用于促进铝合金线的变形的目的的接合区域的膨胀，并且破坏并移除在铝合金线上形成的具有5-10纳米的厚度的表面氧化物膜，以使得将金属原子如铝(Al)暴露在连接侧表面上，从而建立跨越与接合焊点形成的界面的塑性流动，并且通过这样，使得这些新建立的表面逐渐地膨胀，形成彼此的界面，建立两者之间的原子间接合。

常规地，存在下面描述的铝合金线，其由其中溶解有铁(Fe)的铝(Al)的固溶体制成，但考虑到铝(Al)的纯度过低的事实，以至于当经受超声波时出现碎屑；而且，如果在高温实施调质热处理以便防止碎屑，铝合金线的强度很大地降低，以使得当在超声接合之后在功率半导体装置中使用时，出现归因于热冲击的线断裂的问题。

这些中的第一个实例描述在日本专利申请公开S48-026611(1973)(在下文中称为IP公开1)中。它写道，“表1给出关于具有Al-Al6F组织的典型的铝-铁合金(2.5％Fe)的实施例在以下机械性质方面的结果：(i)铸出后(生长速率R＝2500微米/秒，温度梯度G＝10℃/分钟)和(ii)在冷加工条件中(面积减少为94％)，(参见第3页的右下栏)，以至于本发明尝试通过极其慢的冷却在工业上采用图3(a)中所示的Al6Fe组织的粒子。

然而，在像这样的晶粒组织的情况下，铝-铁合金基体变得十分硬以使得不能在超声波接合操作中将制成的这种线在施加超声波和负载的情况下在半导体装置上使用。

而且，有日本专利申请公开H08-8288(1988)(在下文中称为IP公开2)。该公开采用超声波线接合方法，根据该公开，施加大负载和超声波以使得具有500微米的直径的Al-0.02重量％Fe合金线变形，并且从而将线强力接合至铝焊点上或包覆有Al-Si合金膜的电极焊点；依靠Fe在铝中的夹杂，可以升高温度至再结晶出现，以使得当电流通过时不引发再结晶，并且因为晶粒尺寸高达50微米以上，作用在结晶边界上的热应力变低并且作为结果裂纹的显现受到限制，并且这是该方法的益处(说明书的0010部分)。

然而，随着晶粒尺寸上的增加，接合线自身的机械强度相应地降低，并且因此在热循环测试过程中线经历的塑性变形的大小增加。因而，减小的晶粒边界的效果和增加的变形大小的效果彼此抵消，以使得像这样的具有大结晶晶粒直径的接合线的耐热冲击性上的可靠性实际上没有像预期的那样提高。

而且，日本专利申请公开2008-311383(在下文中称为IP公开3)公开了(在部分0017)一种具有300微米的直径的线，其通过以下方式制备：制备99.99重量％(4N)高-纯度Al-0.2重量％Fe合金锭，由锭拉伸线，将线在300℃退火30分钟，将其缓慢地冷却，移除由线拉伸导致的残留应变，并且将线软化至适合于可应用至功率模块的超声波接合操作的水平，并且将该线通过超声波接合从而接合，并且在100-200℃静置老化一分钟至一小时，并且作为结果可以限制通过大电流的重复通过而在结合部分导致的裂纹的进展，即使当温度达到200℃的最高操作温度时(根据部分0012和0015)。

该接合线没有接受固溶热处理或者，仅简单地经历“在300℃退火30分钟之后的逐渐冷却”(其对应于本发明的“调质热处理”)，以使得即使其目标是像日本专利申请公开H08-8288(1988)(在下文中称为IP公开2)的线的情况下那样通过晶粒尺寸的扩大而提高接合线的耐热冲击性上的可靠性，但是因为线的强度降低，可靠性未提高很多。

另一方面，在Al-Cu合金的情况下，线十分硬以使得需要增加接合负载，并且在用于高温半导体装置的Si芯片的情况下，在超声波接合操作过程中易于出现芯片破裂。

而且，有日本专利申请公开2011-252185(在下文中称为IP公开4)。该公开涉及由掺杂有硅(Si)和铜(Cu)以及铁(Fe)的铝组成的Al合金导电线，其中控制从Al-Si-Cu合金基体离析的由铁组成的物质在长轴方向上的长度以使得获得在可伸长性和拉伸强度上出色的Al合金导电线，同时保持作为导电线所需的电导率，所述线作为铠装线、电池缆线等应用(说明书的部分0013等)。