[發明專利]功率半導體裝置用鋁合金細線

有效

• 申請號: 201310565799.4
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103911526A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 天野裕之;市川司
• 申請（專利權）人: 田中電子工業株式會社
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;H01L23/49
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王彥慧

技術領域

本發明涉及一種用于超聲波接合半導體元件上的電極和外部電極的鋁合金細線，特別涉及一種用于功率半導體裝置的鋁合金細線。

背景技術

在硅(Si)或碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等半導體元件上形成的接合墊，主要是在半導體元件的電極上采用蒸鍍法或濺射法，形成純度為99.99質量％以上的高純度鋁(Al)金屬或Al-0.3～1.5質量％Si合金膜。為了超聲波接合這種半導體元件的鋁墊和引線框等，使用鋁合金細線。鋁合金細線，一般試用線徑為50～500μm的圓形細線，有時也采用線徑不到50μm的極細線或超過500μm的細線，有時在半導體裝置中也使用將這種細線壓扁后的扁細線(帶)。

適用于這種鋁合金細線的超聲波接合法，是在鋁合金細線的上面按壓超硬工具，利用其負荷和超硬工具發出的超聲波振動能量，使鋁合金細線與鋁墊接合在一起。外加超聲波的效果在于：通過擴大促使鋁合金細線變形的接合面積，并破壞和清除在鋁合金細線上形成的5～10納米(nm)左右的表面氧化膜，使鋁等的金屬原子暴露在下面，在其與相對的接合墊之間的界面上發生塑性流動，從而逐漸增加了相互密合的新生面并使二者原子間鍵合。

眾所周知，以前的在鋁(Al)中含有少量鐵(Fe)的鋁合金細線，存在下列問題：如果作為原料的高純度鋁(Al)的含量變高，線徑為50～500μm的鋁合金細線的機械強度就會降低，不能畫出接合線環路，或者在超聲波接合后用作功率半導體時，接合線因為熱沖擊而從鋁墊上脫落而發生斷線。特別是在空調、太陽能發電系統、混合動力汽車、電動汽車等要求利用功率半導體的領域，由于大電流流過，半導體元件發熱，與接合線和電極墊的接合部明顯發熱。而且，接通電源/關閉電源時，加熱/冷卻時產生的熱應力作用于接合部，接合界面逐漸劣化。為了盡量抑制上述劣化，一直開發各種鋁鐵合金接合線。

首先，有日本特開平8-8288號公報(后述專利文獻1)。該發明的技術方案是采用超聲波接線法(利用大負荷和超聲波)，在鋁墊或Al-Si合金膜的電極墊上牢固接合直徑500μm的Al-0.02wt％Fe合金線，由于鋁中含有鐵，因此可以提高引起再結晶的溫度，因此在通電時不會再結晶，而是使晶粒的尺寸增大到50μm以上，從而可以減少作用于晶界的熱應力，抑制裂紋擴展(專利文獻1的段落0010)。

然而，結晶粒徑一旦增大，接合線自身的機械強度也會隨之降低，在熱循環試驗中，接合線承受的塑性變形量會增加。因此，減少晶界的效果與變形量增加的效果相抵消，結晶粒徑較大的接合線的熱沖擊可靠性，實際上并不會有多大提高。

其次，還有日本特開2008-311383號公報(后述專利文獻2)。其中公開了一種直徑300μm的接合線(段落0017)，其制作步驟如下：制作99.99wt％(4N)高純度Al-0.2wt％Fe合金塊，使拉絲加工后的接合線在300℃下退火30分鐘后逐漸冷卻，消除拉絲加工變形，軟化到適用于功率組件的超聲波接合適宜水平。其中記述了對所述的接合線進行超聲波接合之后，如果在100～200℃下老化1分鐘～1小時，即使達到最高工作溫度200℃，也可以抑制由于使用時反復通過大電流而在接合部產生的裂紋的擴展(段落0015、0017)。

對這種接合線也不進行固溶處理，只是如上所述“在300℃下退火30分鐘后逐漸冷卻”(相當于本發明的“調質熱處理”)，因此與日本特開平8-8288號公報(后述專利文獻1)的接合線一樣，也是試圖增大結晶粒徑，以提高接合線的熱沖擊性可靠性，由于接合線的強度降低，可靠性因此并沒有多大提高。

而Al-Cu合金，由于接合線太硬，必須增加接合負荷，高溫半導體用Si芯片在進行超聲波接合時，會產生芯片裂紋。

另外，日本特開2011-252185號公報(后述專利文獻3)所述的發明是一種Al合金導線，其中：在鋁(Al)中，除了鐵(Fe)之外，還含有硅(Si)和銅(Cu)，在Al-Si-Cu合金基體中，通過控制由鐵構成的析出物的長軸方向的長度，確保導線所需的導電率，并得到伸長率和抗拉強度出色的Al合金導線，適用于線束、電池電纜等(段落0013等)。

專利文獻3的實施例中，對所鑄造的Al合金進行拉絲處理，使其達到，然后在550℃下進行3小時溶體化處理，溶體化處理之后，通過水冷，使線冷卻，然后再進行冷拉絲處理，使其達到。文中記載了在230～240℃下對所述Al合金線進行了熱處理。