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    腐蚀性 铝合金 接合
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410206059.6

    申请日:

    2014.05.15

    公开号:

    CN104164591A

    公开日:

    2014.11.26

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C22C 21/00申请日:20140515|||公开
    IPC分类号: C22C21/00; C22F1/04; H01L21/60 主分类号: C22C21/00
    申请人: 田中电子工业株式会社
    发明人: 天野裕之; 中岛伸一郎; 市川司; 三上道孝
    地址: 日本东京都
    优先权: 2013.05.15 JP 2013-103262
    专利代理机构: 中原信达知识产权代理有限责任公司 11219 代理人: 金龙河;穆德骏
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410206059.6

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.01.04|||2014.12.24|||2014.11.26

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种耐腐蚀性铝合金接合线,其目的在于抑制半导体元件连接用高纯度铝线在高温/高湿环境下的晶间腐蚀。本发明是在纯度为99.99质量%以上的高纯度铝中含有10~200重量ppm的铑(Rh)和/或钯(Pd)的铝合金接合线,这些添加元素被强制固溶而在铝基体中形成与铝的金属间化合物的分散相,上述铝基体的结晶粒径为10~100μm。铑(Rh)和钯(Pd)通过催化作用使铝表面产生的原子状氢形成H2,阻止其向铝基体中的扩散渗透,从而能够抑制原子状氢键合形成H2而发生的晶间腐蚀。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种高耐腐蚀性铝合金接合线,其为在纯度为99.99质量%以上的高纯度铝中含有10质量ppm以上且小于100质量ppm的铑(Rh)的铝合金接合线,其特征在于,所述铑(Rh)在铝基体中形成与铝的金属间化合物的分散相。

    2.  一种高耐腐蚀性铝合金接合线,其为在纯度为99.99质量%以上的高纯度铝中合计含有10质量ppm以上且小于100质量ppm的铑(Rh)和钯(Pd)的铝合金接合线,其特征在于,所述铑(Rh)和钯(Pd)在铝基体中形成与铝的金属间化合物的分散相。

    3.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性铝合金接合线,其特征在于,所述高纯度铝的纯度为99.998质量%以上。

    4.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性铝合金接合线,其特征在于,所述铝合金基体的结晶粒径为10~100μm。

    5.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性铝合金接合线,其特征在于,所述分散相是在连续拉丝加工后经200~300℃的热处理形成的。

    6.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性接合线,其特征在于,所述接合线用于超声波接合。

    7.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性铝合金接合线,其特征在于,所述接合线的线径为50~500μm。

    8.  根据权利要求1或2所述的高耐腐蚀性铝合金接合线,其特征在于,所述接合线在80~300℃或150~250℃下使用。

    说明书

    说明书耐腐蚀性铝合金接合线
    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
    本发明的技术课题在于,提供一种铝合金细线,其与仅由高纯度铝(Al)构成的纯铝合金细线同样,因为相对于半导体芯片柔软而在线材接合时不会产生芯片裂纹等,而且在高温、高湿环境下发挥与现有的添加有镍(Ni)的铝合金细线同等以上的耐腐蚀性,不会发生晶间腐蚀裂纹。
    本发明是在纯度为99.99质量%以上的高纯度铝中含有10~200质量ppm的铑(Rh)和/或钯(Pd)的铝合金接合线,
    其特征在于,这些添加元素被强制固溶而在铝基体中形成与铝的金属间化合物的分散相,
    上述铝基体的结晶粒径为10~100μm,
    而且,上述高纯度铝的纯度为99.998质量%以上,
    上述与铝的金属间化合物的分散相是在连续拉丝加工后经200~300℃的热处理而形成的,
    上述接合线用于超声波接合,
    上述接合线的线径为50~500μm,
    上述接合线在80℃~300℃或150℃~250℃下使用。
    在本发明的合金中微量添加的铑(Rh)和钯(Pd),在后述的实施例所示的通常的线材制造工序中在铝基体中固溶,在铝基体中的晶界形成作为第二相的与铝的金属间化合物的分散相。
    对于该与铝的金属间化合物的分散相而言,通过在添加规定量的Rh、Pd并熔融后凝固的铸锭在接近其熔点的温度下进行热处理,由此在合金基体中强制固溶,在连续拉丝加工后进行的调质热处理中,以它们的金属间化合物的形式在晶界析出,由此形成合金基体中的均匀的分散相(参照图3)。
    关于由该金属间化合物的分散相带来的高湿环境下的防腐蚀机制,除了如前述现有技术所述的通过其催化作用在表层使前述化学反应式产生的原子状氢(H)转变成H2,从而阻止从表层向内部基体中侵入的作用外,还可考虑作为第二相分散于晶界的金属间化合物同样将经由该晶界侵入的原子状氢转变为H2,由此进一步有效阻止向晶界内部侵入。
    作为第二相在铝合金基体中的晶界析出的该金属间化合物的状态 参照图3。
    此外,不含这些Rh、Pd的高纯度铝线中的高湿环境下的腐蚀状态如图2所示,从表面肥大的氧化铝膜向内部的铝基体中形成了裂缝,腐蚀进行,但在本发明实施例的情况下,如图1所示,在表面形成了薄而同样的氧化铝层的状态下,其下方的铝合金基体中未产生由腐蚀导致的裂缝等。
    发明效果
    本发明的在铝合金基体中添加有铑(Rh)和/或钯(Pd)的耐腐蚀性铝合金接合线,能够阻止在高温、高湿环境下与铝反应形成的原子状氢(H)向合金基体中的侵入、扩散,从而防止基体中的晶间腐蚀。
    因此,在发挥高温、高湿环境下的耐腐蚀性的同时,还通过它们的合金组成而抑制线材的硬度,防止芯片裂纹,并维持与高纯度铝同等的导电性。
    附图说明
    图1是表示本发明的实施例3的铝合金细线在耐腐蚀性试验后的截面的图。
    图2是表示比较例1的铝合金细线在耐腐蚀性试验后的截面的图。
    图3是表示在本发明的实施例8的铝合金细线截面的晶界析出的金属间化合物(箭头)的TEM观察照片。
    具体实施方式
    作为本发明的实施例和比较例,将表1所示组成的铝合金熔融,通过连铸制成直径300mm的铝合金铸锭,对该铸锭实施沟纹辊压延后进行拉丝加工,制成直径5mm的铝合金线材。
    接着,在水中对该线材连续拉丝,直到达到规定的线径,最后, 在200℃~300℃下进行1小时热处理来进行调质退火,由此形成规定线径的接合线。通过该调质退火的热处理,在晶界析出作为合金基体的第二相的被强制固溶的铑(Rh)、钯(Pd)与铝的金属间化合物,在铝合金基体中形成分散相。
    作为现有例,采用同样方式制成的Al-50ppmNi合金线材。
    此外,在上述拉丝工序中,可以根据需要进行中间热处理,在考虑线材的性质、这些金属间化合物的形成条件的基础上进行适当调整即可。
    表1

    实施例1
    按照下述条件,确认通过上述工序制成的实施例以下的接合线在 高温、高湿环境下的耐腐蚀性等性质。
    (超声波接合条件)
    铝合金细线的线径为0.05mm、0.3mm、0.5mm,线弧长度为8mm,线弧高度为1.3mm。
    采用超声波工业公司制REBO-7型全自动接合机,实施铝合金细线向Si芯片(厚度为0.2mm)上的Al-1.0%Si膜(厚度为3μm)上的超声波接合。
    接合条件为,在130kHz的频率下,调节载荷和超声波条件以使第一接合部的熔化宽度为线材线径的1.3倍,且在相同的条件下对全部100个样品进行包括第一次接合和第二次接合的超声波接合。作为超硬工具和接合导向装置,使用由超声波工业公司生产并且符合所述线材尺寸的超硬工具和接合导向装置。
    (芯片裂纹观察试验)
    对于接合后的样品,用20%NaOH溶液溶解Al-1.0Si盘后,使用光学显微镜(奥林巴斯公司制测量显微镜,STM6),在100倍的倍率下观察有无芯片裂纹。进行100处观察,如果芯片裂纹一个都没有,则设为OK,如果发现一处以上的芯片裂纹,则设为NG。
    (结晶粒径观察)
    使用截面研磨装置(日立高新技术公司制,型式IM-4000)制作线材截面,使用聚焦离子束加工观察装置(日本电子公司制,型式JIB-4000)进行组织观察。使用截面法测定结晶粒径。
    (耐腐蚀性试验)
    使用平山制作所制不饱和超加速寿命试验装置(HASTEST modelIPAC-R8D),在121℃、100%RH(不饱和)的条件下进行试验 直到1000小时。腐蚀层厚度测定使用截面研磨装置(日立高新技术公司制,型式IM-4000)制作线材截面后,使用FE-SEM(日本电子公司制,型式JSM-7800F)进行腐蚀层的观察。
    上述各试验的结果如表1所示。
    现有例的镍合金线材在耐腐蚀性和抑制芯片裂纹方面取得了满意的结果。
    本发明在含有铑(Rh)和钯(Pd)中的任一种时,含量为10~200质量ppm范围内时,在高温、高湿环境下的耐腐蚀性和抑制芯片裂纹方面达到了与作为现有例的镍合金线材同等以上的优良效果。
    此外,合计含有上述铑(Rh)和钯(Pd)10质量ppm(No.5)或200质量ppm(No.6)时也取得了同样的结果。
    与此相对,作为比较例的铑(Rh)和钯(Pd)分别为不到10质量ppm的5质量ppm时,虽然未产生芯片裂纹,但腐蚀层厚度明显增大,此外,它们的含量为超过200质量ppm的250质量ppm时,虽然耐腐蚀性良好,但硬度大,产生了芯片裂纹。
    随着铑(Rh)和钯(Pd)含量的增大,可见结晶粒径变小、机械强度和硬度变大的趋势,其含量超过本发明范围时,伴随接合而产生芯片裂纹,其界限在结晶粒径与这些元素含量一起低于本发明范围下限值时出现。
    图1和2是实施了耐腐蚀性试验后的本发明实施例和比较例的线材截面照片,图1是实施例3的本发明的铝合金线材截面,浅色的铝层截面上的深灰色薄层是在线材表面形成的氧化铝层,均一且同样薄的氧化铝层覆盖在铝合金表面上,内部的合金基体中未出现裂缝等。
    与此相对,图2的比较例1是在同样条件下对高纯度铝线材实施耐腐蚀性试验后的截面照片,可知在表面形成不均一的厚腐蚀层的同时,从该腐蚀层向合金基体中深入形成裂缝。
    产业上的可利用性
    由于本发明的铝合金细线可以在超声波接合中抑制芯片裂纹,在高温、高湿环境下发挥耐腐蚀性,且具有高导电性,因此,可以适用于飞机、汽车或船舶等广泛的用途,且其优良的接合性在上述用途中的普及受到期待,能够为工业做出贡献。

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