[發(fā)明專利]用于連接至半導(dǎo)體裝置的鋁合金線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310195539.2
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN103276255A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 天野裕之;三上道孝;中島伸一郎;市川司
• 申請（專利權(quán)）人: 田中電子工業(yè)株式會社
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22F1/04;H01B1/02;H01B5/02
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 牛海軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于將半導(dǎo)體裝置上的電極通過超聲波的方式連接至外部電極的鋁合金線，并且尤其涉及由通過使鐵(Fe)強(qiáng)制溶解在99.99質(zhì)量％以上的純度的鋁(Al)中形成的固溶體制成的鋁合金線。

背景技術(shù)

可應(yīng)用至該鋁合金線的超聲接合方法是這樣的方法，首先將燒結(jié)碳化物工具壓向放置在鋁焊點(diǎn)上的鋁合金線，以通過來自燒結(jié)碳化物工具的壓力和超聲波振動的方式產(chǎn)生鋁合金線與鋁焊點(diǎn)之間的接合。應(yīng)用超聲波的效果包括用于促進(jìn)鋁合金線的變形的目的的接合區(qū)域的膨脹，并且破壞并移除在鋁合金線上形成的具有5-10納米的厚度的表面氧化物膜，以使得將金屬原子如鋁(Al)暴露在連接側(cè)表面上，從而建立跨越與接合焊點(diǎn)形成的界面的塑性流動，并且通過這樣，使得這些新建立的表面逐漸地膨脹，形成彼此的界面，建立兩者之間的原子間接合。

常規(guī)地，存在下面描述的鋁合金線，其由其中溶解有鐵(Fe)的鋁(Al)的固溶體制成，但考慮到鋁(Al)的純度過低的事實(shí)，以至于當(dāng)經(jīng)受超聲波時出現(xiàn)碎屑；而且，如果在高溫實(shí)施調(diào)質(zhì)熱處理以便防止碎屑，鋁合金線的強(qiáng)度很大地降低，以使得當(dāng)在超聲接合之后在功率半導(dǎo)體裝置中使用時，出現(xiàn)歸因于熱沖擊的線斷裂的問題。

這些中的第一個實(shí)例描述在日本專利申請公開S48-026611(1973)(在下文中稱為IP公開1)中。它寫道，“表1給出關(guān)于具有Al-Al6F組織的典型的鋁-鐵合金(2.5％Fe)的實(shí)施例在以下機(jī)械性質(zhì)方面的結(jié)果：(i)鑄出后(生長速率R＝2500微米/秒，溫度梯度G＝10℃/分鐘)和(ii)在冷加工條件中(面積減少為94％)，(參見第3頁的右下欄)，以至于本發(fā)明嘗試通過極其慢的冷卻在工業(yè)上采用圖3(a)中所示的Al6Fe組織的粒子。

然而，在像這樣的晶粒組織的情況下，鋁-鐵合金基體變得十分硬以使得不能在超聲波接合操作中將制成的這種線在施加超聲波和負(fù)載的情況下在半導(dǎo)體裝置上使用。

而且，有日本專利申請公開H08-8288(1988)(在下文中稱為IP公開2)。該公開采用超聲波線接合方法，根據(jù)該公開，施加大負(fù)載和超聲波以使得具有500微米的直徑的Al-0.02重量％Fe合金線變形，并且從而將線強(qiáng)力接合至鋁焊點(diǎn)上或包覆有Al-Si合金膜的電極焊點(diǎn)；依靠Fe在鋁中的夾雜，可以升高溫度至再結(jié)晶出現(xiàn)，以使得當(dāng)電流通過時不引發(fā)再結(jié)晶，并且因?yàn)榫Я３叽绺哌_(dá)50微米以上，作用在結(jié)晶邊界上的熱應(yīng)力變低并且作為結(jié)果裂紋的顯現(xiàn)受到限制，并且這是該方法的益處(說明書的0010部分)。

然而，隨著晶粒尺寸上的增加，接合線自身的機(jī)械強(qiáng)度相應(yīng)地降低，并且因此在熱循環(huán)測試過程中線經(jīng)歷的塑性變形的大小增加。因而，減小的晶粒邊界的效果和增加的變形大小的效果彼此抵消，以使得像這樣的具有大結(jié)晶晶粒直徑的接合線的耐熱沖擊性上的可靠性實(shí)際上沒有像預(yù)期的那樣提高。

而且，日本專利申請公開2008-311383(在下文中稱為IP公開3)公開了(在部分0017)一種具有300微米的直徑的線，其通過以下方式制備：制備99.99重量％(4N)高-純度Al-0.2重量％Fe合金錠，由錠拉伸線，將線在300℃退火30分鐘，將其緩慢地冷卻，移除由線拉伸導(dǎo)致的殘留應(yīng)變，并且將線軟化至適合于可應(yīng)用至功率模塊的超聲波接合操作的水平，并且將該線通過超聲波接合從而接合，并且在100-200℃靜置老化一分鐘至一小時，并且作為結(jié)果可以限制通過大電流的重復(fù)通過而在結(jié)合部分導(dǎo)致的裂紋的進(jìn)展，即使當(dāng)溫度達(dá)到200℃的最高操作溫度時(根據(jù)部分0012和0015)。

該接合線沒有接受固溶熱處理或者，僅簡單地經(jīng)歷“在300℃退火30分鐘之后的逐漸冷卻”(其對應(yīng)于本發(fā)明的“調(diào)質(zhì)熱處理”)，以使得即使其目標(biāo)是像日本專利申請公開H08-8288(1988)(在下文中稱為IP公開2)的線的情況下那樣通過晶粒尺寸的擴(kuò)大而提高接合線的耐熱沖擊性上的可靠性，但是因?yàn)榫€的強(qiáng)度降低，可靠性未提高很多。

另一方面，在Al-Cu合金的情況下，線十分硬以使得需要增加接合負(fù)載，并且在用于高溫半導(dǎo)體裝置的Si芯片的情況下，在超聲波接合操作過程中易于出現(xiàn)芯片破裂。

而且，有日本專利申請公開2011-252185(在下文中稱為IP公開4)。該公開涉及由摻雜有硅(Si)和銅(Cu)以及鐵(Fe)的鋁組成的Al合金導(dǎo)電線，其中控制從Al-Si-Cu合金基體離析的由鐵組成的物質(zhì)在長軸方向上的長度以使得獲得在可伸長性和拉伸強(qiáng)度上出色的Al合金導(dǎo)電線，同時保持作為導(dǎo)電線所需的電導(dǎo)率，所述線作為鎧裝線、電池纜線等應(yīng)用(說明書的部分0013等)。