[发明专利]功率半导体装置用铝合金细线

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超声波接合半导体元件上的电极和外部电极的铝合金细线，特别涉及一种用于功率半导体装置的铝合金细线。

背景技术

在硅(Si)或碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体元件上形成的接合垫，主要是在半导体元件的电极上采用蒸镀法或溅射法，形成纯度为99.99质量％以上的高纯度铝(Al)金属或Al-0.3～1.5质量％Si合金膜。为了超声波接合这种半导体元件的铝垫和引线框等，使用铝合金细线。铝合金细线，一般试用线径为50～500μm的圆形细线，有时也采用线径不到50μm的极细线或超过500μm的细线，有时在半导体装置中也使用将这种细线压扁后的扁细线(带)。

适用于这种铝合金细线的超声波接合法，是在铝合金细线的上面按压超硬工具，利用其负荷和超硬工具发出的超声波振动能量，使铝合金细线与铝垫接合在一起。外加超声波的效果在于：通过扩大促使铝合金细线变形的接合面积，并破坏和清除在铝合金细线上形成的5～10纳米(nm)左右的表面氧化膜，使铝等的金属原子暴露在下面，在其与相对的接合垫之间的界面上发生塑性流动，从而逐渐增加了相互密合的新生面并使二者原子间键合。

众所周知，以前的在铝(Al)中含有少量铁(Fe)的铝合金细线，存在下列问题：如果作为原料的高纯度铝(Al)的含量变高，线径为50～500μm的铝合金细线的机械强度就会降低，不能画出接合线环路，或者在超声波接合后用作功率半导体时，接合线因为热冲击而从铝垫上脱落而发生断线。特别是在空调、太阳能发电系统、混合动力汽车、电动汽车等要求利用功率半导体的领域，由于大电流流过，半导体元件发热，与接合线和电极垫的接合部明显发热。而且，接通电源/关闭电源时，加热/冷却时产生的热应力作用于接合部，接合界面逐渐劣化。为了尽量抑制上述劣化，一直开发各种铝铁合金接合线。

首先，有日本特开平8-8288号公报(后述专利文献1)。该发明的技术方案是采用超声波接线法(利用大负荷和超声波)，在铝垫或Al-Si合金膜的电极垫上牢固接合直径500μm的Al-0.02wt％Fe合金线，由于铝中含有铁，因此可以提高引起再结晶的温度，因此在通电时不会再结晶，而是使晶粒的尺寸增大到50μm以上，从而可以减少作用于晶界的热应力，抑制裂纹扩展(专利文献1的段落0010)。

然而，结晶粒径一旦增大，接合线自身的机械强度也会随之降低，在热循环试验中，接合线承受的塑性变形量会增加。因此，减少晶界的效果与变形量增加的效果相抵消，结晶粒径较大的接合线的热冲击可靠性，实际上并不会有多大提高。

其次，还有日本特开2008-311383号公报(后述专利文献2)。其中公开了一种直径300μm的接合线(段落0017)，其制作步骤如下：制作99.99wt％(4N)高纯度Al-0.2wt％Fe合金块，使拉丝加工后的接合线在300℃下退火30分钟后逐渐冷却，消除拉丝加工变形，软化到适用于功率组件的超声波接合适宜水平。其中记述了对所述的接合线进行超声波接合之后，如果在100～200℃下老化1分钟～1小时，即使达到最高工作温度200℃，也可以抑制由于使用时反复通过大电流而在接合部产生的裂纹的扩展(段落0015、0017)。

对这种接合线也不进行固溶处理，只是如上所述“在300℃下退火30分钟后逐渐冷却”(相当于本发明的“调质热处理”)，因此与日本特开平8-8288号公报(后述专利文献1)的接合线一样，也是试图增大结晶粒径，以提高接合线的热冲击性可靠性，由于接合线的强度降低，可靠性因此并没有多大提高。

而Al-Cu合金，由于接合线太硬，必须增加接合负荷，高温半导体用Si芯片在进行超声波接合时，会产生芯片裂纹。

另外，日本特开2011-252185号公报(后述专利文献3)所述的发明是一种Al合金导线，其中：在铝(Al)中，除了铁(Fe)之外，还含有硅(Si)和铜(Cu)，在Al-Si-Cu合金基体中，通过控制由铁构成的析出物的长轴方向的长度，确保导线所需的导电率，并得到伸长率和抗拉强度出色的Al合金导线，适用于线束、电池电缆等(段落0013等)。

专利文献3的实施例中，对所铸造的Al合金进行拉丝处理，使其达到，然后在550℃下进行3小时溶体化处理，溶体化处理之后，通过水冷，使线冷却，然后再进行冷拉丝处理，使其达到。文中记载了在230～240℃下对所述Al合金线进行了热处理。