al接合线
技术领域
1.本发明涉及al接合线。
背景技术：2.在半导体装置中，半导体元件上所形成的电极与引线框或基板上的电极之间通过接合线连接。作为接合线所使用的材质，在超lsi等集成电路半导体装置中使用金(au)或铜(cu)，另一方面在功率半导体装置中主要使用铝(al)。例如，在专利文献1中，示出在功率半导体模块中，使用的铝接合线(下面称为“al接合线”。)的例子。此外，在使用al接合线的功率半导体装置中，作为接合方法，与半导体元件上的电极的连接以及与引线框或基板上的电极的连接均使用楔接合。
3.使用al接合线的功率半导体装置较多情况下被用作空调或太阳能发电系统等的大功率设备、车载用的半导体装置。在这些半导体装置中，al接合线的接合部会进一步暴露在100～300℃的高温中。在作为al接合线使用仅由高纯度的al构成的材料的情况下，在这样的温度环境下，引线容易软化，因此难以在高温环境下使用。
4.在使用在al中含有钪(sc)(下面称为“sc”。)的合金，使sc作为al3sc析出时，能够使al接合线高强度化。在专利文献2中公开了一种作为主要成分含有al，并含有0.05～1.0％的sc的接合线。通过在接合线中析出al3sc，得到电气性及机械特性最适当的组合。
5.然而，若要使用al3sc析出的接合线接合于半导体元件的电极，因为引线的机械性强度较高，所以会引起半导体元件的芯片裂纹，不能实用化。对此，在专利文献3中公开了一种发明，其使al接合线中含有sc，在处于接合前的阶段中的接合线中通过预先的熔融处理来不使al3sc析出，通过在接合后进行时效热处理来使al3sc析出。在接合阶段，al3sc不会析出，因此引线会软化，在接合时不会发生芯片裂纹。另一方面，接合后进行的时效热处理会使al3sc析出，因此引线的强度增大，即使在高温环境下使用半导体装置，引线也能够保持充分的强度。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：特开2002－314038号公报
9.专利文献2：特表2016－511529号公报
10.专利文献3：特开2014－47417号公报
技术实现要素：11.发明要解决的技术问题
12.即使是使用专利文献3所述的那样的、含有sc的al接合线的半导体装置，在半导体装置工作的高温状态下，有时不能充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。
13.本发明的目的在于提供一种al接合线，在使用al接合线的半导体装置工作的高温状态下，充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。
14.用于解决技术问题的技术手段
15.在含有sc的al接合线中，通过接合后的时效热处理，al3sc会析出，由此，如专利文献3所记载，能够增大接合线的强度。另一方面，判明了，在高温环境下持续使用半导体装置时，al接合线的再结晶进一步进行，结果引线的强度会降低。
16.对此，判明了，在含有sc为0.01～1％的al接合线中，除sc之外，还总计含有0.01～0.1％的钇、镧、铈、镨、钕(下面称为“y、la、ce、pr、nd”。)的至少一种以上，由此，引线的再结晶温度上升，即使在高温环境下持续使用半导体装置时，也能够抑制接合线的再结晶进行，能够防止引线的强度降低。
17.本发明是根据上述见解而得到的，其宗旨如下。
18.[1]一种al接合线，其特征在于，
[0019]
以质量％计，含有0.01～1％的sc，并且含有总计0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上，剩余部分由al及不可避免的杂质构成。
[0020]
[2]如上述[1]所述的al接合线，其特征在于，
[0021]
与引线长度方向垂直的截面(下面，称为“c截面”。)中的平均晶体粒径为0.1～50μm。
[0022]
[3]如上述[1]或[2]所述的al接合线，其特征在于，
[0023]
在与引线长度方向垂直的截面(c截面)中，晶体＜111＞取向与引线长度方向的角度差为15
°
以内的晶体的面积比率为30～90％。
[0024]
[4]如上述[1]至[3]的任一项所述的al接合线，其特征在于，
[0025]
维氏硬度为hv20～40的范围。
[0026]
[5]如上述[1]至[4]的任一项所述的al接合线，其特征在于，
[0027]
引线直径为50～600μm。
[0028]
发明效果
[0029]
本发明通过在al接合线中含有0.01～1％的sc，并且含有总计0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上，从而引线的再结晶温度上升，即使在高温环境下持续使用半导体装置时，也能够抑制接合线的再结晶进行，能够防止引线的强度降低，因此，能够充分地确保高温长时间经历后的接合部的可靠性。
具体实施方式
[0030]
在使al接合线中含有sc的接合线中，如专利文献3所述，通过预先的熔融处理强制固溶sc而不使al3sc析出，从而在接合阶段，引线会软化，在接合时不会发生芯片裂纹。并且，通过在接合后进行的时效热处理来使al3sc析出，结果，引线的强度增大，并且再结晶温度上升，防止在高温下的使用中的再结晶进行，能够维持引线强度。
[0031]
然而，如前所述，即使是具有使sc析出的al接合线的半导体装置，若使半导体装置在高温状态下长时间工作，则会出现接合线的接合部的接合强度降低的现象，即判明了不能充分地得到接合可靠性。若观察高温长时间工作后的半导体装置的接合线截面，则与接合时相比较，引线的晶体粒径增大，推断为，由于高温长时间工作而导致引线的再结晶进一步进行，由此引线强度降低，接合部的可靠性降低。
[0032]
对此，本发明在含有0.01～1％的sc的al接合线中，除sc之外，进一步含有总计
0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上(下面，简称为“y、la等”。)。由此，引线的再结晶温度上升，即使在高温环境下长时间持续使用半导体装置时，也能够充分地抑制接合线的再结晶进行，能够防止引线的强度降低。下面，详细地说明。
[0033]
本发明的al接合线以质量％计，含有0.01～1％的sc，并且含有总计0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上，剩余部分由al及不可避免的杂质构成。将具有这样的组分的材料进行拉丝加工，制成具有规定的线径的接合线。在拉丝加工前，在拉丝加工的过程中，或者在拉丝加工结束后，为了使sc及y、la等强制熔融，优选进行熔融热处理。作为熔融热处理条件，优选以570～640℃进行1～3小时。
[0034]
在拉丝加工结束后，实施了上述熔融热处理的情况下，在其后的阶段，进行用于引线软质化的调质热处理。在拉丝过程中也可以附加调质热处理。通过调质热处理，使引线的晶体组织从加工组织变化为再结晶组织。由此，晶体组织成为再结晶组织，因此能够实现引线的软质化。作为调质热处理条件，优选在250～300℃下进行5～15秒。由此，不会使固溶的sc及y、la等析出地，将晶体组织设为再结晶组织。
[0035]
在本发明中，优选地，通过如前所述在引线制造过程中进行熔融处理，从而在引线中，sc及y、la等不会析出。在不进行熔融热处理的情况下，由于在引线中sc及y、la等的析出物会析出，因此成为引线的维氏硬度超过hv40的硬度。对此，作为进行熔融热处理和调质热处理的结果，sc及y、la等被强制固溶，另外将晶体组织设为再结晶组织，由此引线的维氏硬度为hv40以下，进行软质化。通过使用这样软质化的本发明的al接合线对半导体电极进行接合，从而不会发生半导体电极的芯片裂纹。
[0036]
在接合结束后，为了使接合线中的sc及y、la等析出，而进行包含接合线的半导体装置的时效热处理。作为时效热处理的结果，接合线中的sc及y、la等析出。sc析出为al3sc，y析出为al3y，la析出为al
11
la3，ce析出为al
11
ce3，pr析出为al
11
pr3，nd析出为al
11
nd3。作为在引线中形成有这些析出物的结果，引线被析出强化，引线的强度增大。作为时效热处理条件，优选设为250～400℃、30～60分。
[0037]
在时效热处理之后，以及在承受不是那么严格的条件的高温、长时间经历后，仅含有sc的al接合线、含有sc及y、la等的al接合线均得到析出物带来的析出硬化，同时不会引起过度的再结晶，因此能够保持机械性强度，充分地保证接合线与半导体装置的电极的接合部的可靠性。但是，判明了在更严格的环境中，即保持在更高的温度及更长时间的环境中时，若为仅含有sc的al接合线，则接合部的可靠性降低。对此，如果是除sc之外还含有y、la等的本发明的al接合线，则可知即使被暴露于这样的更严格的环境中之后，接合部的可靠性也得以确保。
[0038]
针对经过高温长时间后的接合部可靠性评价试验进行说明。
[0039]
使用的接合线的成分为以0.5质量％仅含有sc的比较例的al接合线、和含有0.5％的sc、0.1％的y的本发明的al接合线。拉丝后的引线线径为200μm。在拉丝工序的过程中实施熔融热处理，使sc及y强制固溶，并且对拉丝后的引线实施调质热处理，将接合线的维氏硬度调整为hv40以下。
[0040]
在半导体装置中，半导体芯片与接合线之间的第一接合部、外部端子与接合线之间的第二接合部均设为楔接合。
[0041]
高温长时间经历通过功率循环试验进行。功率循环试验是针对接合有al接合线的
半导体装置，反复进行加热和冷却。加热是在两秒钟加热至半导体装置中的接合线的接合部的温度达到140℃，其后，在五秒钟冷却至接合部的温度达到30℃。将该加热、冷却的循环重复20万次。
[0042]
在上述高温长时间经历后，测定第一接合部的接合剪切强度，进行接合部可靠性的评价。其结果，针对以0.5质量％仅含有sc的al接合线，接合部剪切强度与初始相比为小于50％，接合部的可靠性是不充分的。与此不同，针对含有0.5％的sc、0.1％的y的本发明的al接合线，接合部剪切强度与初始相比为90％以上，能够充分地确保接合部的可靠性。
[0043]
针对本发明的接合线的成分组成进行说明。％表示质量％。
[0044]
《0.01～1％的sc》
[0045]
通过在al接合线中含有0.01％以上的sc，从而结合与下述y、la等的复合添加效果，能够发挥引线的析出强化效果、以及半导体装置的高温长时间使用中的防止再结晶发展效果。sc若为0.1％以上则较优选，若为0.3％以上则更加优选，若为0.5％以上则进一步优选。另一方面，sc含量超过1％时，引线硬度过高，会引起芯片裂纹的发生、接合性的恶化、接合部可靠性降低等，因此将上限设为1％。sc为0.8％以下更加优选。
[0046]
《总计为0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上》
[0047]
通过含有总计为0.01％以上的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上(y、la等)，从而结合与上述sc的复合添加效果，能够发挥引线的析出强化效果、以及半导体装置的高温长时间使用中的防止再结晶发展效果。y、la、ce、pr、nd的任一者均以相同的方式发挥效果。y、la等的总计含量为0.03％以上则较优选。若为0.05％以上则更加优选。另一方面，若y、la等的总计含量高于0.1％，则引线硬度过高，会引起芯片裂纹的发生、接合性的恶化、接合部可靠性的降低等，因此，将上限设为0.1％。若y、la等的总计含量为0.08％以下则更加优选。
[0048]
对于接合线中的sc、y或la等的浓度分析，可以使用icp发光分光分析装置、icp质量分析装置。本发明中所示的sc、y或la等的含量基于由icp发光分光分析或者icp质量分析测定的浓度。
[0049]
接合线的剩余部分由al及不可避免的杂质构成。作为不可避免的杂质元素，可举出si、fe、cu。不可避免的杂质的总计含量越少，则越能够将材料特性的偏差抑制为较小，优选。作为制造引线时的铝原料，通过使用纯度为4n(al：99.99％以上)的铝，能够得到优选的结果。
[0050]
《引线的平均晶体粒径》
[0051]
在本发明中优选地，与接合线的引线长度方向垂直的截面(c截面)中的平均晶体粒径为0.1～50μm。作为平均晶体粒径的测定方法，使用ebsd(electron back scatter diffraction patterns：电子背散射衍射图案)等测定方法求得各晶体粒的面积，采用将各晶粒的面积设为视为圆时的直径的平均。若平均晶体粒径为0.1μm以上，则拉丝时的调质热处理引起的再结晶适度地进行，结合在引线制造的过程中进行熔融热处理而使引线含有成分强制固溶，从而引线软化，能够防止接合时的芯片裂纹的发生、接合部的接合性降低等。另一方面，平均晶体粒径高于50μm时，表示引线的再结晶过度进行，在时效热处理中即使形成析出物也难以得到充分的强度，接合部的可靠性可能会降低。通过在引线拉丝的过程中进行调质热处理，能够将引线的c截面的平均晶体粒径设为0.1～50μm。
[0052]
《引线的＜111＞取向面积率》
[0053]
在本发明中，优选地，在与接合线长度方向垂直的截面(c截面)中，晶体＜111＞取向与引线长度方向的角度差为15
°
以内的晶体的面积比率(下面称为“＜111＞取向面积率”。)为30～90％。在＜111＞取向面积率的测定中，可以使用ebsd。通过将与接合线长度方向垂直的截面作为检查面，利用附属于装置的解析软件，能够计算＜111＞取向面积率。在求得＜111＞取向面积率的过程中，将不能测定晶体取向的部位、或者即使能测定而取向解析的可靠度较低的部位等除外地进行计算。若＜111＞取向面积率为90％以下，则基于拉丝时的调质热处理的再结晶适度地进行，结合在引线制造的过程中进行熔融热处理而使引线含有成分强制固溶，从而引线会软化，能够防止接合时的芯片裂纹的发生、接合部的接合性降低等。另一方面，若＜111＞取向面积率小于30％，则表示引线的再结晶过度进行，即使在时效热处理中形成析出物也难以得到充分的强度，接合部的可靠性可能会降低。通过在引线拉丝的过程中进行调质热处理，能够将与引线长度方向垂直的截面中的＜111＞取向面积率设为30～90％。
[0054]
《引线的维氏硬度》
[0055]
在本发明中，优选地，在与接合线的引线长度方向垂直的截面(c截面)中，维氏硬度为hv20～40的范围。通过设为hv40以下，在接合时不会发生芯片裂纹，能够实现良好的接合性，另外能够容易地形成线弧并进行对半导体装置的布线。另一方面，若维氏硬度降低至小于hv20，则表示引线的再结晶过度发展，即使在时效热处理中形成析出物也难以得到充分的强度，接合部的可靠性可能会降低。因此，维氏硬度的下限优选设为hv20。如前所述，通过在引线的制造过程中进行熔融热处理，强制固溶引线含有成分，进一步在拉丝过程中进行调质热处理，从而可以将引线的维氏硬度设为hv20～40的范围。
[0056]
《引线直径》
[0057]
在本发明中，优选地，接合线直径为50～600μm。在功率系设备中，由于会流动大电流从而通常使用50μm以上的引线，但若为600μm以上，则难以处理或引线接合机不对应，因此使用600μm以下的引线。
[0058]
实施例
[0059]
将纯度99.99质量％(4n)的铝、和纯度99.9质量％以上的钇、镧、铈、镨、钕作为原料进行熔融，得到表1、2所示的组成的al合金。将该合金制成铸锭，对铸锭进行槽辊轧制，进一步进行拉丝加工。在引线径为800μm的阶段，进行620℃、3小时的熔融热处理，在水中进行骤冷。其后，将最终线径设为200μm，进行模具拉丝加工，在拉丝加工结束后，以270℃、10秒进行调质热处理。
[0060]
使用该引线，在与引线长度方向垂直的截面(c截面)中，进行平均晶体粒径、晶体＜111＞取向与引线长度方向的角度差为15
°
以内的晶体的面积比率(＜111＞取向面积率)、维氏硬度的测量。
[0061]
平均晶体粒径的测定如下这样进行：使用ebsd法求得各晶粒的面积，将各晶粒的面积换算成圆的面积，采用其直径的平均。
[0062]
＜111＞取向面积率的测定是在与接合线长度方向垂直的截面中，进行基于ebsd的测定，利用附属于装置的解析软件，计算＜111＞取向面积率。
[0063]
维氏硬度的测定是使用微型维氏硬度计，对c截面中的半径方向的中心位置处的硬度进行测定。
[0064]
在半导体装置中，半导体芯片电极为al－cu，外部端子使用ag。半导体芯片电极与接合线之间的第一接合部、外部端子与接合线之间的第二接合部均为楔接合。
[0065]
在接合后，以350℃、45分进行时效热处理。
[0066]
针对半导体装置中的接合线的接合性，根据第一接合部的初期(高温长时间经历前)有无接合不良(不接合)进行判断。将接合的接合部作为
○
，将没有接合的接合部作为
×
，记载在表1、2的“接合性”栏中。
[0067]
关于半导体装置中的芯片裂纹评价，用酸溶解焊盘表面的金属，通过显微镜观察焊盘下有无芯片裂纹并进行评价。将无裂纹的作为
○
，将存在裂纹作为
×
，记载在表1、2的“芯片裂纹”栏中。
[0068]
高温长时间经历是通过功率循环试验进行的。功率循环试验针对接合有al接合线的半导体装置，反复进行加热和冷却。加热是在两秒钟加热至半导体装置中的接合线的接合部的温度达到140℃，其后，在五秒钟冷却至接合部的温度达到30℃。将该加热、冷却的循环重复20万次。
[0069]
在上述高温长时间经历后，测定第一接合部的接合剪切强度，进行接合部可靠性的评价。剪切强度测定是与初始的接合部的剪切强度比较而进行的。将初始的接合强度95％以上作为
◎
，将90％以上且小于95％作为
○
，将50％以上且小于90％作为
△
，将小于50％作为
×
，记载在表1、2的“可靠性试验”栏中。
[0070]
在表1、表2中示出制造条件、制造结果。将y、la、ce、pr、nd(y、la等)作为“第二成分”示出。在表2中，对成分含量脱离本发明范围的数值、评价结果为脱离本发明的优选范围的数值标注下划线。
[0071]
[表1]
[0072][0073]
[表2]
[0074][0075]
表1的本发明例no.1～54为本发明例。引线的成分范围处于本发明范围内，另外引线的平均晶体粒径、＜111＞取向面积率、维氏硬度均处于本发明的优选范围内，接合性和芯片裂纹的评价结果全部为
“○”
。是含有本发明中规定的成分，并通过熔融热处理使含有元素强制固溶，通过调质热处理进行适度的再结晶的结果。
[0076]
在本发明例no.1～54的高温长时间经历后的接合部可靠性的评价中，均为
“○”
或
“◎”
。这是因为，作为含有本发明中规定的成分，并在接合后的时效热处理中使sc及y、la等析出的结果，实现引线的析出强化，同时使再结晶温度上升，阻止高温长时间经历中的再结晶的发展。特别地，关于本发明例no.19～36，sc含量处于本发明的优选范围内，接合部可靠性评价结果全部为
“◎”
。
[0077]
表2的比较例no.1～10为比较例。
[0078]
比较例no.1～3，sc含量小于本发明下限，均为可靠性评价结果
“×”
。此外，评价高温长时间经历后的引线内质时，比较例no.1～3均为平均晶体粒径高于50μm。其原因被推定为，引线中的sc不足，在时效热处理后机械性强度也没有充分地上升，再结晶温度也没有充分地上升，在高温长时间经历中再结晶过度发展。比较例no.1还是y、la等的总含量小于本发明下限。比较例no.3还是y、la等的总含量超过本发明上限，接合后的接合性、芯片裂纹为
“×”
。
[0079]
比较例no.4、5，y、la等的总含量小于本发明的下限。可靠性评价结果均为
“△”
。此外，评价高温长时间经历后的引线内质，平均晶体粒径均超过50μm。其原因被推定为，引线中的y、la等的总含量不足，在时效热处理后，机械性强度也没有充分地上升，再结晶温度也没有充分地上升，在高温长时间经历中再结晶过度发展。
[0080]
比较例no.6，y、la等的总含量超过本发明的上限。其结果，引线的维氏硬度为优选范围之外。此外，接合后的接合性、芯片裂纹为
“×”
，可靠性评价结果为
“×”
。
[0081]
比较例no.7～9，sc含量超过本发明的上限。并且，比较例no.7、8，y、la等的总含量小于本发明下限，比较例no.10，y、la等的总含量超过本发明的上限。比较例no.7～10均为sc含量超过本发明的上限，因此维氏硬度脱离本发明的优选上限。sc超过上限时即使强制固溶也不能全部固溶而是会析出，因此维氏硬度会脱离。比较例no.10，y、la等的总含量均超过上限，因此平均晶体粒径小于本发明的优选下限，＜111＞取向面积率为脱离本发明的
优选上限。sc及y、la等脱离上限时，更不能全部固溶而是会析出，因此粒径变小，取向＜111＞也变多。结果，比较例no.7～10均为接合性、芯片裂纹都为
“×”
，同时高温长时间经历后的接合部可靠性评价结果也为
“×”
。
技术特征：1.一种al接合线，其特征在于，以质量％计，含有0.01～1％的sc，并且总计含有0.01～0.1％的y、la、ce、pr、nd的至少一种以上，剩余部分由al及不可避免的杂质构成。2.根据权利要求1所述的al接合线，其特征在于，与引线长度方向垂直的截面中的平均晶体粒径为0.1～50μm。3.根据权利要求1或2所述的al接合线，其特征在于，在与引线长度方向垂直的截面中，晶体＜111＞取向与引线长度方向的角度差为15
°
以内的晶体的面积比率为30～90％。4.根据权利要求1至3的任一项所述的al接合线，其特征在于，维氏硬度为hv20～40的范围。5.根据权利要求1至4的任一项所述的al接合线，其特征在于，引线直径为50～600μm。
技术总结提供一种Al接合线，在使用Al接合线的半导体装置工作的高温状态下，充分地得到接合线的接合部的接合可靠性。该Al接合线含有0.01～1％的Sc，还含有总计为0.01～0.1％的Y、La、Ce、Pr、Nd的至少一种以上。由此，引线的再结晶温度上升，即使在高温环境下持续使用半导体装置时，也能够抑制接合线的再结晶进行，还能够防止引线的强度降低，从而能够充分地确保高温长时间经历后的接合部的可靠性。时间经历后的接合部的可靠性。
技术研发人员：山田隆 西林景仁 榛原照男 小田大造 江藤基稀 小山田哲哉 小林孝之 宇野智裕
受保护的技术使用者：日铁化学材料株式会社
技术研发日：2020.03.13
技术公布日：2022/11/1
