耐腐蝕性鋁合金接合線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種耐腐蝕性鋁合金接合線，其目的在于抑制半導體元件連接用高純度鋁線在高溫/高濕環(huán)境下的晶間腐蝕。本發(fā)明是在純度為99.99質(zhì)量％以上的高純度鋁中含有10～200重量ppm的銠(Rh)和/或鈀(Pd)的鋁合金接合線，這些添加元素被強制固溶而在鋁基體中形成與鋁的金屬間化合物的分散相，上述鋁基體的結(jié)晶粒徑為10～100μm。銠(Rh)和鈀(Pd)通過催化作用使鋁表面產(chǎn)生的原子狀氫形成H2，阻止其向鋁基體中的擴散滲透，從而能夠抑制原子狀氫鍵合形成H2而發(fā)生的晶間腐蝕。
【專利說明】耐腐蝕性鋁合金接合線

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及連接高溫環(huán)境下使用的半導體元件上的電極與外部電極的鋁合金接合線，特別是在飛機、電動汽車或船舶等的高溫環(huán)境下使用的半導體元件的接合線中，能夠抑制因使用環(huán)境的水分而發(fā)生的晶間腐蝕從而提高其耐久性和可靠性的接合線。

【背景技術(shù)】
[0002]對于硅(Si)或碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等半導體元件上的接合盤、搭載有這些半導體元件的基板上的電極或引線框架，主要使用鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)等原材。
[0003]雖然有時會對這些基板上的電極施以金(Au)、銀(Ag)等貴金屬鍍覆或鍍鎳(Ni)后使用，但以下如無特別說明，將它們統(tǒng)稱為“鋁盤”。
[0004]通過超聲波接合連接這些半導體元件的鋁盤和引線框架等的電極時，使用采用了具有60%以上高電導率之高純度鋁(Al)的鋁合金細線。
[0005]這些鋁合金細線通常使用線徑為50~500 μ m的圓形細線，但有時也根據(jù)用途使用線徑不到50 μ m的極細線或超過500 μ m的細線，或者使用將這些細線壓扁后的矩形細線(帶)。
[0006]在高溫高濕環(huán)境(氣氛)下使用這種采用了高純度鋁(Al)的鋁(Al)合金細線時，特別是作為用于飛機、汽車或船舶等的半導體元件的配線材料使用時，存在難以在這些環(huán)境下維持并確保耐久性和可靠性的問題。
[0007]作為這方面的例子，在比電阻較小、機械強度較高、同時耐熱性也優(yōu)良的配線材料就有下列在鋁(Al)中固溶了鎳(Ni)的鋁合金。
[0008]日本特開昭59- 56737號公報(后述的專利文獻I)中公開了一種結(jié)合用鋁(Al)細線，“其特征在于，在高純度Al中含有鎳(Ni)、銅(Cu)中的一種或兩種元素，其含量為0.005~0.2重量％，即含有0.005~0.2重量％的Ni或0.005~0.2重量％的Cu、或者以合計量含有0.005~0.2重量％的Ni和Cu”。
[0009]關于純度99.99%以上的高純度鋁在150°C以上的高溫純水中的腐蝕機理，根據(jù)鋁與水的化學反應，應將以下反應的發(fā)生視為問題。
[0010]2A1+3H20 = Α1203+6Η ?
[0011]“該反應產(chǎn)生的氫中，在鋁表面形成分子狀并以H2氣體形式釋放的部分只會令容器內(nèi)的氣壓因此而升高，但一部分會以原子狀氫的形式擴散穿過氧化鋁，沿著鋁的晶界擴散侵入，在內(nèi)部形成H2分子，增大壓力，從而在鋁基中引起晶界裂紋。如此，氧化鋁膜也會隨著該裂紋而破裂，從而新的水滲入，在內(nèi)部發(fā)生鋁與水的反應，再次產(chǎn)生原子狀氫，進而向內(nèi)侵入，如此不斷反復。因此，最終從晶界破裂、崩解的說明非常盛行(輕金屬協(xié)會編，《鋁手冊》，后述的非專利文獻I)?！?br> [0012]對于上述反應機理，在前述專利文獻I記載的固溶了鎳的鋁合金中，鎳作為催化劑在其表層發(fā)揮作用，令易于在結(jié)晶組織中移動的原子狀氫(H)形成H2，從而抑制原子狀氫(H)侵入鋁的結(jié)晶組織中，改善了耐腐蝕性。
[0013]此外，對于在這種高純度鋁中添加的鎳(Ni)等的效果，非專利文獻I中記載了“現(xiàn)已清楚，添加1%左右，產(chǎn)生第二相NiAl3后，高溫水中的耐腐蝕性提高甚多(第1278頁中段)”，專利文獻I中認為“N1、Cu都是能提高Al的接合性和耐腐蝕性，...(中略)如果超過0.2重量％，則存在Al線變硬，在超聲波接合法中存在顆粒碎裂的弊病(第2頁第2~7行)”。
[0014]然而，近年來鎳(Ni)在健康等方面開始被當作對環(huán)境的影響令人擔憂的物質(zhì)，并根據(jù)用途施加了使用限制，預計限制范圍將在今后進一步擴大。
[0015]另一方面，在需要100~200°C的耐熱性的半導體、特別是用于空調(diào)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、混合動力汽車、電動汽車等的功率半導體中迫切需要使用鋁合金細線，且認為其應用范圍將在今后日益擴大。這種功率半導體的工作條件比普通半導體元件的溫度更高。例如，在車載用途中使用的功率半導體中，鋁合金細線通常最高需要承受100~150°C的接合部溫度。在這種高溫環(huán)境下使用的裝置中，易軟化的僅由高純度鋁(Al)構(gòu)成的純鋁細線尚未實現(xiàn)實用化。
[0016]因此，在這些領域中，迫切需要開發(fā)出不含鎳(Ni)且比含鎳(Ni)鋁合金細線進一步提高了高溫、高濕環(huán)境下的耐腐蝕性的鋁合金細線。
[0017]專利文獻1:日本特開昭59 - 56737號公報
[0018]非專利文獻1:輕金屬協(xié)會編《鋁手冊》、朝倉書店2003年、pl278~1280 “ (a)鋁及其合金對水的耐腐蝕性”


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的技術(shù)課題在于，提供一種鋁合金細線，其與僅由高純度鋁(Al)構(gòu)成的純鋁合金細線同樣，因為相對于半導體芯片柔軟而在線材接合時不會產(chǎn)生芯片裂紋等，而且在高溫、高濕環(huán)境下發(fā)揮與現(xiàn)有的添加有鎳(Ni)的鋁合金細線同等以上的耐腐蝕性，不會發(fā)生晶間腐蝕裂紋。
[0020]本發(fā)明是在純度為99.99質(zhì)量％以上的高純度鋁中含有10~200質(zhì)量ppm的銠(Rh)和/或鈀(Pd)的鋁合金接合線，
[0021]其特征在于，這些添加元素被強制固溶而在鋁基體中形成與鋁的金屬間化合物的分散相，
[0022]上述招基體的結(jié)晶粒徑為10~100 μ m，
[0023]而且，上述高純度鋁的純度為99.998質(zhì)量％以上，
[0024]上述與鋁的金屬間化合物的分散相是在連續(xù)拉絲加工后經(jīng)200~300°C的熱處理而形成的，
[0025]上述接合線用于超聲波接合，
[0026]上述接合線的線徑為50~500 μ m，
[0027]上述接合線在80°C~300°C或150°C~250°C下使用。
[0028]在本發(fā)明的合金中微量添加的銠(Rh)和鈀(Pd)，在后述的實施例所示的通常的線材制造工序中在鋁基體中固溶，在鋁基體中的晶界形成作為第二相的與鋁的金屬間化合物的分散相。
[0029]對于該與鋁的金屬間化合物的分散相而言，通過在添加規(guī)定量的Rh、Pd并熔融后凝固的鑄錠在接近其熔點的溫度下進行熱處理，由此在合金基體中強制固溶，在連續(xù)拉絲加工后進行的調(diào)質(zhì)熱處理中，以它們的金屬間化合物的形式在晶界析出，由此形成合金基體中的均勻的分散相(參照圖3)。
[0030]關于由該金屬間化合物的分散相帶來的高濕環(huán)境下的防腐蝕機制，除了如前述現(xiàn)有技術(shù)所述的通過其催化作用在表層使前述化學反應式產(chǎn)生的原子狀氫(H)轉(zhuǎn)變成H2，從而阻止從表層向內(nèi)部基體中侵入的作用外，還可考慮作為第二相分散于晶界的金屬間化合物同樣將經(jīng)由該晶界侵入的原子狀氫轉(zhuǎn)變?yōu)镠2,由此進一步有效阻止向晶界內(nèi)部侵入。
[0031]作為第二相在鋁合金基體中的晶界析出的該金屬間化合物的狀態(tài)參照圖3。
[0032]此外，不含這些Rh、Pd的高純度鋁線中的高濕環(huán)境下的腐蝕狀態(tài)如圖2所示，從表面肥大的氧化鋁膜向內(nèi)部的鋁基體中形成了裂縫，腐蝕進行，但在本發(fā)明實施例的情況下，如圖1所示，在表面形成了薄而同樣的氧化鋁層的狀態(tài)下，其下方的鋁合金基體中未產(chǎn)生由腐蝕導致的裂縫等。
[0033]發(fā)明效果
[0034]本發(fā)明的在鋁合金基體中添加有銠(Rh)和/或鈀(Pd)的耐腐蝕性鋁合金接合線，能夠阻止在高溫、高濕環(huán)境下與鋁反應形成的原子狀氫(H)向合金基體中的侵入、擴散，從而防止基體中的晶間腐蝕。
[0035]因此，在發(fā)揮高溫、高濕環(huán)境下的耐腐蝕性的同時，還通過它們的合金組成而抑制線材的硬度，防止芯片裂紋，并維持與高純度鋁同等的導電性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是表示本發(fā)明的實施例3的鋁合金細線在耐腐蝕性試驗后的截面的圖。
[0037]圖2是表示比較例I的鋁合金細線在耐腐蝕性試驗后的截面的圖。
[0038]圖3是表示在本發(fā)明的實施例8的鋁合金細線截面的晶界析出的金屬間化合物(箭頭)的TEM觀察照片。

【具體實施方式】
[0039]作為本發(fā)明的實施例和比較例，將表1所示組成的鋁合金熔融，通過連鑄制成直徑300mm的鋁合金鑄錠，對該鑄錠實施溝紋輥壓延后進行拉絲加工，制成直徑5mm的鋁合金線材。
[0040]接著，在水中對該線材連續(xù)拉絲，直到達到規(guī)定的線徑，最后，在200°C~300°C下進行I小時熱處理來進行調(diào)質(zhì)退火，由此形成規(guī)定線徑的接合線。通過該調(diào)質(zhì)退火的熱處理，在晶界析出作為合金基體的第二相的被強制固溶的銠(Rh)、鈀(Pd)與鋁的金屬間化合物，在鋁合金基體中形成分散相。
[0041]作為現(xiàn)有例，采用同樣方式制成的Al_50ppmNi合金線材。
[0042] 此外，在上述拉絲工序中，可以根據(jù)需要進行中間熱處理，在考慮線材的性質(zhì)、這些金屬間化合物的形成條件的基礎上進行適當調(diào)整即可。
[0043]表1
[0044]

【權(quán)利要求】
1.一種高耐腐蝕性鋁合金接合線，其為在純度為99.99質(zhì)量％以上的高純度鋁中含有10質(zhì)量ppm以上且小于100質(zhì)量ppm的銠(Rh)的鋁合金接合線，其特征在于，所述銠(Rh)在鋁基體中形成與鋁的金屬間化合物的分散相。
2.一種高耐腐蝕性鋁合金接合線，其為在純度為99.99質(zhì)量％以上的高純度鋁中合計含有10質(zhì)量ppm以上且小于100質(zhì)量ppm的銠(Rh)和鈀(Pd)的鋁合金接合線，其特征在于，所述銠(Rh)和鈀(Pd)在鋁基體中形成與鋁的金屬間化合物的分散相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性鋁合金接合線，其特征在于，所述高純度鋁的純度為99.998質(zhì)量％以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性鋁合金接合線，其特征在于，所述鋁合金基體的結(jié)晶粒徑為10~100 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性鋁合金接合線，其特征在于，所述分散相是在連續(xù)拉絲加工后經(jīng)200~300°C的熱處理形成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性接合線，其特征在于，所述接合線用于超聲波接合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性鋁合金接合線，其特征在于，所述接合線的線徑為50~500 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高耐腐蝕性鋁合金接合線，其特征在于，所述接合線在80~300°C或150~250°C下使用。
【文檔編號】C22F1/04GK104164591SQ201410206059
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月15日
【發(fā)明者】天野裕之, 中島伸一郎, 市川司, 三上道孝 申請人:田中電子工業(yè)株式會社