[发明专利]耐腐蚀性铝合金接合线

说明书

技术领域

本发明涉及连接高温环境下使用的半导体元件上的电极与外部电极的铝合金接合线，特别是在飞机、电动汽车或船舶等的高温环境下使用的半导体元件的接合线中，能够抑制因使用环境的水分而发生的晶间腐蚀从而提高其耐久性和可靠性的接合线。

背景技术

对于硅(Si)或碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体元件上的接合盘、搭载有这些半导体元件的基板上的电极或引线框架，主要使用铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)等原材。

虽然有时会对这些基板上的电极施以金(Au)、银(Ag)等贵金属镀覆或镀镍(Ni)后使用，但以下如无特别说明，将它们统称为“铝盘”。

通过超声波接合连接这些半导体元件的铝盘和引线框架等的电极时，使用采用了具有60％以上高电导率之高纯度铝(Al)的铝合金细线。

这些铝合金细线通常使用线径为50～500μm的圆形细线，但有时也根据用途使用线径不到50μm的极细线或超过500μm的细线，或者使用将这些细线压扁后的矩形细线(带)。

在高温高湿环境(气氛)下使用这种采用了高纯度铝(Al)的铝(Al)合金细线时，特别是作为用于飞机、汽车或船舶等的半导体元件的配线材料使用时，存在难以在这些环境下维持并确保耐久性和可靠性的问题。

作为这方面的例子，在比电阻较小、机械强度较高、同时耐热性也优良的配线材料就有下列在铝(Al)中固溶了镍(Ni)的铝合金。

日本特开昭59－56737号公报(后述的专利文献1)中公开了一种结合用铝(Al)细线，“其特征在于，在高纯度Al中含有镍(Ni)、铜(Cu)中的一种或两种元素，其含量为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、或者以合计量含有0.005～0.2重量％的Ni和Cu”。

关于纯度99.99％以上的高纯度铝在150℃以上的高温纯水中的腐蚀机理，根据铝与水的化学反应，应将以下反应的发生视为问题。

2Al+3H₂O＝Al₂O₃+6H↑

“该反应产生的氢中，在铝表面形成分子状并以H₂气体形式释放的部分只会令容器内的气压因此而升高，但一部分会以原子状氢的形式扩散穿过氧化铝，沿着铝的晶界扩散侵入，在内部形成H₂分子，增大压力，从而在铝基中引起晶界裂纹。如此，氧化铝膜也会随着该裂纹而破裂，从而新的水渗入，在内部发生铝与水的反应，再次产生原子状氢，进而向内侵入，如此不断反复。因此，最终从晶界破裂、崩解的说明非常盛行(轻金属协会编，《铝手册》，后述的非专利文献1)。”

对于上述反应机理，在前述专利文献1记载的固溶了镍的铝合金中，镍作为催化剂在其表层发挥作用，令易于在结晶组织中移动的原子状氢(H)形成H₂，从而抑制原子状氢(H)侵入铝的结晶组织中，改善了耐腐蚀性。

此外，对于在这种高纯度铝中添加的镍(Ni)等的效果，非专利文献1中记载了“现已清楚，添加1％左右，产生第二相NiAl₃后，高温水中的耐腐蚀性提高甚多(第1278页中段)”，专利文献1中认为“Ni、Cu都是能提高Al的接合性和耐腐蚀性，···(中略)如果超过0.2重量％，则存在Al线变硬，在超声波接合法中存在颗粒碎裂的弊病(第2页第2～7行)”。

然而，近年来镍(Ni)在健康等方面开始被当作对环境的影响令人担忧的物质，并根据用途施加了使用限制，预计限制范围将在今后进一步扩大。

另一方面，在需要100～200℃的耐热性的半导体、特别是用于空调、太阳能发电系统、混合动力汽车、电动汽车等的功率半导体中迫切需要使用铝合金细线，且认为其应用范围将在今后日益扩大。这种功率半导体的工作条件比普通半导体元件的温度更高。例如，在车载用途中使用的功率半导体中，铝合金细线通常最高需要承受100～150℃的接合部温度。在这种高温环境下使用的装置中，易软化的仅由高纯度铝(Al)构成的纯铝细线尚未实现实用化。

因此，在这些领域中，迫切需要开发出不含镍(Ni)且比含镍(Ni)铝合金细线进一步提高了高温、高湿环境下的耐腐蚀性的铝合金细线。

专利文献1：日本特开昭59－56737号公报

非专利文献1：轻金属协会编《铝手册》、朝仓书店2003年、p1278～1280“(a)铝及其合金对水的耐腐蚀性”

发明内容