WO2024122089A1 - Ａｌ合金ボンディングワイヤ - Google Patents

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WO2024122089A1
WO2024122089A1 PCT/JP2023/024324 JP2023024324W WO2024122089A1 WO 2024122089 A1 WO2024122089 A1 WO 2024122089A1 JP 2023024324 W JP2023024324 W JP 2023024324W WO 2024122089 A1 WO2024122089 A1 WO 2024122089A1
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wire
phase
section
central axis
cross
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PCT/JP2023/024324
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Inventor
哲哉 小山田
智裕 宇野
大造 小田
基稀 江藤
裕弥 須藤
Original Assignee
日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社
日鉄マイクロメタル株式会社
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Priority to PCT/JP2023/042369 priority patent/WO2024122381A1/ja
Priority to PCT/JP2023/042371 priority patent/WO2024122382A1/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/60—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation

Definitions

  • the present invention relates to an Al alloy bonding wire. It also relates to a semiconductor device that includes the Al alloy bonding wire.
  • electrodes formed on a semiconductor chip are connected to electrodes on a lead frame or substrate by bonding wire.
  • aluminum (Al) bonding wire is mainly used, with wire diameters ranging from ⁇ 300 ⁇ m to ⁇ 600 ⁇ m.
  • silicon (Si) is often used as the material for the semiconductor chip, and Al-Si alloys or Al-Cu alloys are often used as the material for the electrodes formed on the semiconductor chip.
  • Power semiconductor devices that use Al bonding wire are often used in high-power equipment such as air conditioners and solar power generation systems, and in-vehicle semiconductor devices.
  • Wedge bonding is a method in which ultrasonic waves and a load are applied to the Al bonding wire via a metal jig to destroy the surface oxide film of the bonding wire material and the electrode material, exposing the new surface and performing solid-phase diffusion bonding. If a bonding defect occurs during bonding, such as the Al bonding wire peeling off from the electrode, it can lead to product defects and reduced manufacturing yields, so it is necessary to obtain good bonding strength at each bonding point. If strong ultrasonic waves or loads are applied to the first bonding point to obtain good bonding strength, the semiconductor chip may be damaged. Therefore, in addition to obtaining good bonding strength, it is necessary to suppress damage to the semiconductor chip in the first bonding.
  • Next-generation power semiconductor devices are required to operate stably for a long period of time compared to general-purpose power semiconductor devices.
  • Power semiconductor devices operate by repeatedly turning current on and off. When current is supplied to a Si semiconductor chip via an Al bonding wire, the temperature of the first junction rises. On the other hand, when the current supply is stopped, the temperature of the first junction drops. In this way, the first junction repeatedly rises and falls in temperature during operation of the power semiconductor. As a result, the first junction is repeatedly subjected to thermal stress due to the difference in thermal expansion between the Al bonding wire and the semiconductor chip.
  • next-generation power semiconductors are required to improve the junction life (hereinafter also referred to as "temperature cycle reliability") associated with the rise and fall of temperature of the first junction.
  • an Al bonding wire In response to the demand for temperature cycle reliability, an Al bonding wire has been proposed that focuses on improving mechanical strength. As a method for improving the mechanical properties of Al bonding wire, a method of adding specific elements to Al has been proposed.
  • Patent Document 1 discloses a bonding wire made of an Al alloy containing at least magnesium (Mg) and silicon (Si) and having a total content of Mg and Si of 0.03% by mass to 0.3% by mass. This patent document discloses that the decrease in the bonding strength of the first bonding part in a thermal cycle test in the temperature range of 70°C to 120°C is delayed due to the effect of increasing the strength by solid solution strengthening of Mg and Si and the effect of suppressing crack growth by precipitated magnesium silicide (Mg 2 Si).
  • Patent Document 2 discloses a bonding wire made of an alloy containing 0.01-0.2 mass% iron (Fe), 1-20 mass ppm silicon (Si), and the remainder being Al with a purity of 99.997 mass% or more, with the amount of Fe in solid solution being 0.01-0.06%, the amount of Fe precipitated being 7 times or less the amount of Fe in solid solution, and a fine structure with an average crystal grain size of 6-12 ⁇ m.
  • This patent document discloses that by uniformly dispersing intermetallic compound particles of Fe and Al in Al to improve the mechanical strength of the matrix and further by refining the recrystallized grains, it is possible to suppress a decrease in the bonding strength of the first bonding part in a thermal shock test in a temperature range of -50°C to 200°C.
  • Patent Document 3 discloses a bonding wire made by melting an Al-Si alloy containing 0.1 to 5 mass% silicon (Si) with the remainder being Al and impurities, then ejecting and quenching the melted Al-Si alloy to form it into a fine wire. This patent document discloses that mechanical strength is improved by quenching the molten Al-Si alloy to finely and uniformly disperse the Si.
  • JP 2014-131010 A JP 2014-129578 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-57440
  • the aluminum bonding wire used in next-generation power semiconductor devices is required to have high temperature cycle reliability at the first joint so that it can withstand long-term use, and to provide good bonding properties at the first joint.
  • Next-generation power semiconductor devices are required to be able to withstand longer periods of use than general-purpose power semiconductor devices.
  • the temperature of the first junction rises and falls repeatedly during operation of the power semiconductor device.
  • the Al bonding wire has a larger linear expansion coefficient than the semiconductor chip, thermal stress occurs at the first junction due to the difference in linear expansion coefficient between the two, and there was a problem that the Al bonding wire eventually breaks down due to fatigue.
  • the temperature cycle test is one of the tests that accelerates evaluation of the life (temperature cycle reliability) of the junction as the temperature of the first junction rises and falls.
  • the Al bonding wire used in next-generation power semiconductor devices is required to have excellent temperature cycle reliability in the temperature cycle test.
  • the objective of the present invention is to provide an Al bonding wire that has excellent temperature cycle reliability and good 1st bondability.
  • the present invention includes the following.
  • the average ratio (a / b) of the length (a) of the Si phase in the L cross section in the wire central axis direction to the length (b) in the direction perpendicular to the wire central axis is 1.3 to 3.2.
  • the present invention provides an Al alloy bonding wire that has excellent temperature cycle reliability and good first bondability.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a measurement target surface (inspection surface) when measuring the average diameter and crystal orientation of the Si phase of an Al alloy bonding wire.
  • the measurement target surface is a cross section (L cross section) in the central axis direction including the wire central axis of the Al alloy bonding wire.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the length (a) of the Si phase in the L cross section in the direction of the central axis of the wire and the length (b) in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the Al alloy bonding wire of the present invention (hereinafter, simply referred to as "the wire of the present invention” or “wire”) is an Al alloy bonding wire containing 3.0 mass% to 10.0 mass% of Si, and is characterized in that the average diameter of the Si phase in a cross section (L cross section) in the central axis direction including the wire central axis of the wire is 0.8 ⁇ m to 5.5 ⁇ m.
  • the wire central axis of the Al alloy bonding wire and the cross section (L cross section) in the central axis direction including the wire central axis of the wire are as described below in the section "(Method of measuring the average diameter of the Si phase and the shape of the Si phase)" with reference to FIG. 1.
  • the inventors have conducted extensive research to solve the above problems and have found that an Al alloy bonding wire containing 3.0% to 10.0% by mass of Si, in which the average diameter of the Si phase in the L-section is 0.8 ⁇ m to 5.5 ⁇ m, can improve temperature cycle reliability.
  • Such a wire of the present invention significantly contributes to achieving the temperature cycle reliability required for next-generation power semiconductor devices.
  • the wire of the present invention has a hypoeutectic composition containing 3.0% to 10.0% by mass of Si, and is composed of an ⁇ phase in which Si is dissolved in Al, and a Si phase.
  • the reason why the wire of the present invention can provide good temperature cycle reliability is presumed to be as follows. First, since the linear expansion coefficient of the Si phase is smaller than that of Al, by containing Si at 3.0 mass% to 10.0 mass%, the linear expansion coefficient of the Al alloy bonding wire is reduced, and the thermal stress generated during the temperature cycle test is reduced. Furthermore, by controlling the average diameter of the Si phase in the L cross section of the Al alloy bonding wire to 0.8 ⁇ m or more, the strength of the ⁇ phase due to the precipitation strengthening of the Si phase can be suppressed. This has the effect of preventing cracks from progressing in the Al alloy electrode during the temperature cycle test.
  • the wire of the present invention can exhibit good reliability by appropriately controlling multiple factors that contribute to improving the temperature cycle reliability.
  • the Si concentration in the Al alloy bonding wire of the present invention is 3.0 mass% or more, preferably 4.0 mass% or more, more preferably 4.2 mass% or more, 4.4 mass% or more, 4.5 mass% or more, 4.6 mass% or more, or 4.8 mass% or more.
  • the hardness of the Al alloy bonding wire is excessive, damage to the semiconductor chip is likely to occur during the first bonding under the commonly used ultrasonic and load bonding conditions.
  • the Si concentration in the Al alloy bonding wire of the present invention is 10 mass% or less, preferably 8.0 mass% or less or 7.0 mass% or less, more preferably 6.8 mass% or less, 6.6 mass% or less, or 6.5 mass% or less.
  • the average diameter of the Si phase in the L-section of the wire of the present invention is 0.8 ⁇ m or more, preferably 1.2 ⁇ m or more or 1.4 ⁇ m or more, more preferably 1.5 ⁇ m or more, 1.6 ⁇ m or more, or 1.8 ⁇ m or more.
  • the Si phase becomes too coarse, the number density of the Si phase decreases, making it difficult to stably obtain the crack propagation suppression effect of the Si phase.
  • the average diameter of the Si phase in the L-section of the wire of the present invention is 5.5 ⁇ m or less, preferably 5.0 ⁇ m or less or 4.5 ⁇ m or less, more preferably 4.0 ⁇ m or less.
  • an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometer or an ICP mass spectrometer can be used. If elements derived from atmospheric contaminants such as oxygen or carbon are adsorbed on the surface of the wire, it is effective to wash the wire with an acid or alkali depending on the adsorbed substance before analysis.
  • a method for measuring the diameter of the Si phase in the L cross section of the wire of the present invention will be described.
  • a method for measuring the diameter of the Si phase in the L cross section for example, a method using a reflected electron image by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) can be mentioned.
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • a specific measurement method will be described below.
  • a reflected electron image of the L cross section of the wire is obtained using an FE-SEM.
  • the ⁇ phase and the Si phase are observed with different contrasts, and the Si phase is extracted by a binarization process using this contrast.
  • the brightness value of the reflected electron image of the acquired L cross section is normalized to a range of 0 to 1, and the threshold value is determined in the range of 0.45 to 0.95 to binarize it.
  • the threshold value is appropriately determined so that the Si phase and the ⁇ phase can be distinguished.
  • the circle equivalent diameter is defined as the diameter of the Si phase, and the arithmetic average value of the diameters of each Si phase is defined as the average diameter. Therefore, in one embodiment, the average diameter of the Si phase in the L cross section of the wire of the present invention is calculated by the following procedures (1) to (3).
  • a backscattered electron image of the L-section of the wire is obtained using an FE-SEM.
  • the Si phase is extracted by binarization processing that utilizes the contrast of the acquired backscattered electron image.
  • Image analysis is performed on each of the extracted Si phases to determine the circle equivalent diameter, and the circle equivalent diameters are arithmetically averaged to calculate the average diameter of the Si phases.
  • the Si concentration may be measured by EDS to identify the Si phase in order to set a threshold value or, if necessary, to distinguish the Si phase from foreign matter or scratches.
  • the average diameter of the Si phase when calculating the average diameter of the Si phase, only Si phases with a diameter of 0.5 ⁇ m or more are considered. This makes it possible to accurately determine whether the requirements for the average diameter of the Si phase suitable for satisfying the temperature cycle reliability required for next-generation power semiconductor devices are met.
  • the measurement area for the average diameter of the Si phase was determined to be a length in the direction of the central axis of the wire of 100 ⁇ m or more and less than 400 ⁇ m, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the inventors in the course of their investigations into an Al alloy bonding wire containing 3.0% by mass or more and 10.0% by mass or less of Si and having an average diameter of the Si phase in the L cross section of 0.8 ⁇ m or more and 5.5 ⁇ m or less, have found that the shape of the Si phase in the L cross section also affects the high-speed temperature cycle reliability.
  • the high-speed temperature cycle reliability can be improved by setting the average value of the ratio (a/b) of the length (a) of the Si phase in the L cross section in the wire central axis direction to the length (b) in the direction perpendicular to the wire central axis of 1.3 to 3.2. Further explanation will be given with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 Further explanation will be given with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the Si phase in the L cross section of the wire, with the wire central axis direction corresponding to the horizontal direction (left-right direction) of FIG. 2 and the direction perpendicular to the wire central axis corresponding to the vertical direction (up-down direction) of FIG. 2.
  • the above-mentioned "length in the wire central axis direction (a)" refers to the maximum dimension of the Si phase in the wire central axis direction, which corresponds to the dimension indicated by the symbol a in FIG. 2.
  • the above-mentioned "length (b) in the direction perpendicular to the central axis of the wire” refers to the maximum dimension of the Si phase in the direction perpendicular to the central axis of the wire, and corresponds to the dimension indicated by the symbol b in FIG. 2.
  • the ratio (a/b) of the length (a) of the Si phase in the L cross section in the direction of the central axis of the wire to the length (b) in the direction perpendicular to the central axis of the wire will also be referred to simply as the "ratio (a/b) of the Si phase in the L cross section.”
  • the reason why the high-speed temperature cycle reliability is improved by controlling the average value of the Si phase ratio (a/b) in the L cross section in the wire of the present invention is presumed to be as follows. During the high-speed temperature cycle test, cracks propagate inside the Al alloy bonding wire and lead to destruction. Cracks tend to propagate along the central axis of the wire or a direction close to it, and it is considered effective to reduce the thermal stress in the central axis of the wire.
  • the linear expansion coefficient in the central axis of the wire can be reduced, and as a result, the thermal stress in the central axis of the wire applied to the Al alloy bonding wire can be reduced.
  • the effect of reducing the thermal stress that causes fatigue failure in the Al alloy bonding wire in the central axis of the wire can be synergistically enhanced by containing 3.0 mass% to 10.0 mass%, and the average diameter of the Si phase in the L cross section is 0.8 ⁇ m to 5.5 ⁇ m, and further controlling the average value of the Si phase ratio (a/b) in the L cross section to 1.3 to 3.2.
  • the time of exposure to high temperatures is shorter than in the temperature cycle test, so recovery and recrystallization are less likely to occur, and plastic strain, which is the driving force for crack propagation, is more likely to accumulate.
  • the Si phase may contain a Si phase with a ratio (a/b) of less than 1.3, or a phase with a ratio (a/b) of more than 3.2.
  • the average value of the Si phase ratio (a/b) in the L cross section of the wire of the present invention is more preferably 1.4 or more.
  • the average value of the Si phase ratio (a/b) in the L cross section of the wire of the present invention is preferably 3.2 or less, and more preferably 2.8 or less.
  • a method for measuring the length (a) of the Si phase in the wire central axis direction and the length (b) in the direction perpendicular to the wire central axis in the L cross section of the wire of the present invention will be described.
  • a backscattered electron image of the L cross section is obtained by FE-SEM, and the Si phase is extracted by binarization processing using the contrast of the obtained backscattered electron image.
  • the guideline for setting the threshold value for the binarization processing and, if necessary, the Si phase may be identified by measuring the Si concentration using EDS in order to distinguish the Si phase from foreign matter or scratches are also as described above for the method for measuring the diameter of the Si phase.
  • the length (a) in the wire central axis direction and the length (b) in the direction perpendicular to the wire central axis are calculated using image analysis software (Esprit, etc., manufactured by Bruker).
  • the average value of the ratio (a/b) of the Si phase in the L cross section is the arithmetic average value of the ratio (a/b) calculated for each Si phase.
  • the average value of the Si phase ratio (a/b) in the L cross section of the wire of the present invention is calculated by the following steps (1) to (3).
  • a backscattered electron image of the L-section of the wire is obtained using an FE-SEM.
  • the Si phase is extracted by binarization processing that utilizes the contrast of the acquired backscattered electron image.
  • Image analysis is performed on each extracted Si phase to measure the length (a) in the direction of the central axis of the wire and the length (b) in the direction perpendicular to the central axis of the wire to obtain the ratio (a/b), and the ratios are arithmetically averaged to calculate the average ratio (a/b) of the Si phase.
  • the ratio (a/b) of the Si phase in the L cross section when calculating the ratio (a/b) of the Si phase in the L cross section, only Si phases with a diameter (equivalent circle diameter) of 0.5 ⁇ m or more are considered. This makes it possible to accurately determine whether the requirements related to the ratio (a/b) of the Si phase in the L cross section, which is suitable for improving high-speed temperature cycle reliability, are met.
  • the measurement area was determined so that the length in the direction of the central axis of the wire was 100 ⁇ m or more and less than 400 ⁇ m, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section is preferably 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the inventors have found that by having the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section be in the range of 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, the variation in the bonding strength in the 2nd bond can be reduced. This is thought to be because the effect of promoting uniform deformation of the wire by containing a predetermined concentration of Si and controlling the average diameter of the Si phase in the L cross section to a predetermined range, and the effect of reducing the variation in the mechanical strength in the direction perpendicular to the central axis of the wire by setting the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section to be in the range of 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, work synergistically.
  • the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section of the wire of the present invention is more preferably 10 ⁇ m or more, and even more preferably 12 ⁇ m or more, 14 ⁇ m or more, or 15 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section is more preferably 45 ⁇ m or less, and even more preferably 40 ⁇ m or less, 38 ⁇ m or less, 36 ⁇ m or less, or 35 ⁇ m or less.
  • a method for measuring the diameter of the ⁇ phase in the L cross section of the wire of the present invention will be described.
  • a method of combining information on the Al concentration obtained by SEM-EDS and information on the crystal orientation obtained by electron backscattered diffraction (EBSD) can be used.
  • the L cross section of the wire is used as the inspection surface, and the concentration measurement of Al and Si using EDS and the crystal orientation analysis using EBSD are performed simultaneously. Then, for the region identified as the ⁇ phase from the EDS measurement results, the crystal orientation can be analyzed by using the analysis software attached to the device.
  • the average diameter of the ⁇ phase in the L cross section of the wire of the present invention is calculated by the following steps (1) to (3). (1) The L-section of the wire is used as the inspection surface, and the Al and Si concentrations are measured using EDS and the crystal orientation is analyzed using EBSD at the same time.
  • the crystal orientation is analyzed, and if the orientation difference between the measurement points is 15° or more, it is determined to be a grain boundary, and the circle equivalent diameter of each crystal grain is calculated.
  • the circle equivalent diameters of each crystal grain are arithmetically averaged to calculate the average diameter of the ⁇ phase.
  • the measurement area was determined so that the length in the direction of the central axis of the wire was 100 ⁇ m or more and less than 400 ⁇ m, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> which has an angular difference of 15° or less with respect to the central axis direction of the wire, is 30% to 80%.
  • the orientation ratio of such a crystal orientation ⁇ 110> is also referred to as "the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section".
  • loop straightness is improved by having an orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of 30% or more and 80% or less. This is thought to be because the effect of promoting uniform deformation of the wire by containing a predetermined concentration of Si and controlling the average diameter of the Si phase in the L cross section within a predetermined range works synergistically with the effect of reducing the variation in mechanical strength in the central axis direction of the wire by having an orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of 30% or more and 80% or less.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of the wire of the present invention is more preferably 35% or more, and even more preferably 40% or more, 45% or more, or 50% or more.
  • the upper limit of the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section is preferably 80% or less, and more preferably 78% or less, 76% or less, or 75% or less.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of the wire of the present invention a method of combining information on the concentration of Al and Si obtained by SEM-EDS and information on the crystal orientation obtained by EBSD can be used.
  • the L cross section of the wire is used as the inspection surface, and the concentration measurement of Al and Si using EDS and the crystal orientation analysis using EBSD are performed simultaneously.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase can be calculated by using the analysis software attached to the device.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> calculated as the population of the area of only the crystal orientation that could be identified based on a certain reliability within the measurement area was defined as the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110>.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of the wire of the present invention is calculated by the following procedures (1) and (2).
  • the L-section of the wire is used as the inspection surface, and the Al and Si concentrations are measured using EDS and the crystal orientation is analyzed using EBSD at the same time.
  • the crystal orientation is analyzed, and the orientation ratio of the Si phase crystal orientation ⁇ 110> is calculated.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section was determined as the arithmetic average of the orientation ratio values obtained by measuring three or more locations.
  • the measurement area from the viewpoint of ensuring the objectivity of the measurement data, it is preferable to obtain measurement samples from the bonding wire to be measured at intervals of 1 m or more in the direction of the central axis of the wire and provide them for measurement.
  • the measurement area for the crystal orientation using the EBSD method was determined to be a length in the direction of the central axis of the wire of 100 ⁇ m or more and less than 400 ⁇ m, and to include the entire wire in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the wire of the present invention may further contain at least one of Ni, Pd and Pt in a total amount of 3 ppm by mass or more and 150 ppm by mass or less.
  • the inventors have found that the corrosion resistance in a high-temperature, high-humidity environment can be improved by including at least one of Ni, Pd, and Pt in a total amount of 3 ppm by mass or more and 150 ppm by mass or less.
  • the reason for this is not clear, but it is thought that the effect of improving the corrosion resistance in a high-temperature, high-humidity environment by including a certain concentration of Si is synergistically enhanced by including at least one of Ni, Pd, and Pt in a total amount of 3 ppm by mass or more and 150 ppm by mass or less.
  • the total concentration of Ni, Pd, and Pt in the wire of the present invention is preferably 3 mass ppm or more, more preferably 5 mass ppm or more, 6 mass ppm or more, 8 mass ppm or more, or 10 mass ppm or more, and the upper limit is preferably 150 mass ppm or less, more preferably 145 mass ppm or less, or 140 mass ppm or less.
  • the aluminum raw material for manufacturing the wire of the present invention it is preferable to use Al with a purity of 4N (Al: 99.99% by mass or more), and more preferable to use Al with a low impurity content of 5N (Al: 99.999% by mass or more).
  • the remainder of the wire of the present invention may contain elements other than Al, as long as the effect of the present invention is not hindered.
  • the content of Al is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not hindered, but is preferably 90% by mass or more, more preferably 92% by mass or more, 92.5% by mass or more, or 93% by mass or more, and even more preferably 93.5% by mass or more, 94% by mass or more, 94.5% by mass or more, 94.6% by mass or more, 94.8% by mass or more, or 95% by mass or more.
  • the remainder of the wire of the present invention consists of Al and inevitable impurities. Therefore, in a preferred embodiment, the wire of the present invention consists of Al, Si, and inevitable impurities. In another preferred embodiment, the wire of the present invention consists of Al, Si, one or more of Ni, Pd, and Pt, and inevitable impurities.
  • the wire of the present invention does not have a coating on the outer periphery of the wire that is primarily made of a metal other than Al.
  • a coating that is primarily made of a metal other than Al refers to a coating that contains 50 mass% or more of a metal other than Al.
  • the wire of the present invention satisfies both good temperature cycle reliability and good bondability at the 1st bond, and also provides good high-speed temperature cycle reliability, good bond strength at the 2nd bond, loop straightness, and high corrosion resistance in high-temperature, high-humidity environments. Therefore, the bonding wire of the present invention can be suitably used as an Al alloy bonding wire for semiconductor devices, particularly as an Al alloy bonding wire for power semiconductor devices.
  • the wire diameter of the wire of the present invention is not particularly limited and may be appropriately determined depending on the specific purpose, but is preferably 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 80 ⁇ m or more, 100 ⁇ m or more, 120 ⁇ m or more, 140 ⁇ m or more, or 150 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the wire diameter is not particularly limited and may be, for example, 600 ⁇ m or less, 550 ⁇ m or less, or 500 ⁇ m or less.
  • the Al and alloying elements used as raw materials preferably have a high purity.
  • the purity of Al is preferably 99.99% by mass or more, with the remainder being composed of inevitable impurities.
  • the purity of Si, Ni, Pd, and Pt used as alloying elements is preferably 99.9% by mass or more, with the remainder being composed of inevitable impurities.
  • the Al alloy used for the bonding wire can be produced by loading the Al raw material and the raw material of the alloying elements into a graphite or alumina crucible processed to obtain a cylindrical ingot, and melting it using an electric furnace or a high-frequency heating furnace.
  • the diameter of the cylindrical ingot is preferably ⁇ 6 mm or more and less than 8 mm in consideration of the processability in the subsequent processing steps.
  • the atmosphere in the furnace during melting is preferably an inert atmosphere or a reducing atmosphere to prevent excessive oxidation of Al and other elements constituting the wire.
  • the maximum temperature of the molten metal during melting is preferably in the range of 700 ° C. or more and less than 1050 ° C. to prevent the incorporation of impurity elements from the crucible into the molten metal while ensuring the fluidity of the molten metal.
  • the cooling method after melting can be water cooling, furnace cooling, air cooling, or the like.
  • the cylindrical ingot obtained by melting is subjected to a homogenization process, and then wire drawing using a die and intermediate heat treatment are repeated to produce wire of the desired diameter. After wire drawing, the wire is subjected to final heat treatment in an electric furnace so that it can be used as Al alloy bonding wire.
  • the average diameter of the Si phase in the L cross section In order to control the average diameter of the Si phase in the L cross section to within the range of 0.8 ⁇ m to 5.5 ⁇ m, it is effective to control manufacturing conditions such as the homogenization treatment conditions, wire drawing conditions, intermediate heat treatment conditions, and final heat treatment conditions. During wire drawing, it is effective to use a lubricating liquid to ensure lubrication at the contact interface between the wire and the die.
  • manufacturing conditions for controlling the average diameter of the Si phase in the L cross section to within the range of 0.8 ⁇ m to 5.5 ⁇ m.
  • the temperature range of homogenization is effective to set the temperature range of homogenization to 500°C or higher and lower than 560°C, and the time to 3 hours or higher and lower than 5 hours.
  • This homogenization can reduce the variation in the concentration of Si contained in the ⁇ phase that crystallizes during the solidification process, and by growing fine Si phases to soften the wire, it is possible to control the deformation behavior of the Si phase due to the subsequent wiredrawing process.
  • the diameter of the Si phase can then be controlled by repeating wiredrawing and intermediate heat treatment. When wiredrawing is performed, the Si phase deforms in the direction of the central axis of the wire, and some of the Si phase breaks and becomes finer. On the other hand, when intermediate heat treatment is performed, the Si phase grows.
  • R2 represents the diameter of the wire before processing (mm)
  • R1 represents the diameter of the wire after processing (mm).
  • the final heat treatment is performed without performing the intermediate heat treatment, it is not possible to simultaneously obtain the necessary fracture elongation and the desired diameter of the Si phase for the Al alloy bonding wire. Therefore, it is effective to set the conditions of the intermediate heat treatment to focus on controlling the diameter of the Si phase and the final heat treatment to focus on controlling the fracture elongation, as described above.
  • the intermediate heat treatment under specified conditions and growing the Si phase in advance, it is possible to easily control the Si phase to the desired diameter after the final heat treatment. This allows the wire to be recrystallized to ensure the necessary breaking elongation for Al alloy bonding wire, while the Si phase can be grown and easily controlled to the desired diameter.
  • the intermediate and final heat treatments can be carried out by heating for a certain period of time in an electric furnace. It is preferable that the atmosphere during heat treatment be an inert or reducing atmosphere to prevent excessive oxidation of Al and Si.
  • wiredrawing process 1 The wiredrawing process from the ingot obtained by melting to the first intermediate heat treatment is called “wiredrawing process 1".
  • the wiredrawing process from the first intermediate heat treatment to the second intermediate heat treatment is called “wiredrawing process 2".
  • the wiredrawing process from the second intermediate heat treatment to the final wire diameter is called “wiredrawing process 3". It is effective to set the wire feed speed in wiredrawing process 1 to 15 m/min or more and less than 25 m/min, the wire feed speed in wiredrawing process 2 to 30 m/min or more and less than 55 m/min, and the wire feed speed in wiredrawing process 3 to 70 m/min or more and less than 90 m/min.
  • the die angle In order to control the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section of the wire to a range of 30% or more and 80% or less, it is effective to control the reduction angle of the die (hereinafter also referred to as the "die angle"). In order to control the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase in the L cross section to a range of 30-80%, it is effective to set the die angle to 14° or more and less than 18°. This is thought to be because when the wire enters the die, the contact area between the wire and the die changes, changing the compressive stress applied to the wire surface, allowing the crystal orientation of the Si phase to be controlled to the desired range.
  • Electrode device By using the wire of the present invention to connect electrodes on a semiconductor chip to external electrodes on a lead frame or substrate, a semiconductor device can be manufactured.
  • the semiconductor device of the present invention includes a circuit board, a semiconductor chip, and a bonding wire for electrically connecting the circuit board and the semiconductor chip, the bonding wire being the wire of the present invention.
  • the circuit board and semiconductor chip are not particularly limited, and any known circuit board and semiconductor chip that can be used to configure a semiconductor device may be used.
  • a lead frame may be used instead of a circuit board.
  • the semiconductor device may be configured to include a lead frame and a semiconductor chip mounted on the lead frame, as in the semiconductor device described in JP 2020-150116 A.
  • Semiconductor devices include various semiconductor devices used in electrical products (e.g., computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.) and vehicles (e.g., motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.), among which power semiconductor devices are preferred.
  • electrical products e.g., computers, mobile phones, digital cameras, televisions, air conditioners, solar power generation systems, etc.
  • vehicles e.g., motorcycles, automobiles, trains, ships, aircraft, etc.
  • the method of preparing the samples will be described.
  • the raw material Al had a purity of 4N (99.99% by mass or more), with the remainder consisting of inevitable impurities.
  • the alloying elements Si, Ni, Pd, and Pt had a purity of 99.99% by mass or more, with the remainder consisting of inevitable impurities.
  • the Al alloy used for the bonding wire was produced by loading the Al raw material and the raw material of the alloying elements into an alumina crucible and melting them using a high-frequency heating furnace.
  • the atmosphere in the furnace during melting was an Ar atmosphere, and the maximum temperature of the molten metal during melting was 800 ° C.
  • the cooling method after melting was furnace cooling.
  • a cylindrical ingot with a diameter of 6 mm was obtained by melting, and the ingot was subjected to homogenization treatment, followed by wire drawing using a die and intermediate heat treatment to produce a wire with a diameter of 300 ⁇ m.
  • the temperature range of the homogenization treatment was 500°C or higher and lower than 560°C, and the time was 3 hours or higher and lower than 5 hours.
  • a commercially available lubricant was used during the wire drawing process, and the wire area reduction rate per die during the wire drawing process was 10.5% or higher and lower than 12.5%.
  • the temperature range of the intermediate heat treatment was 400°C or higher and lower than 440°C, and the time of the intermediate heat treatment was 1 hour or higher and lower than 2 hours.
  • the intermediate heat treatment was performed twice, with the wire diameter for the first intermediate heat treatment being 2.6 to 3.0 times the final wire diameter, and the wire diameter for the second intermediate heat treatment being 1.6 to 2.0 times the final wire diameter.
  • the temperature range of the final heat treatment was 250°C or higher and lower than 360°C, and the time of the final heat treatment was 20 hours or higher and lower than 24 hours.
  • the wire feed speed in wire drawing process 1 was 15 m/min or more and less than 25 m/min
  • the wire feed speed in wire drawing process 2 was 30 m/min or more and less than 55 m/min
  • the wire feed speed in wire drawing process 3 was 70 m/min or more and less than 90 m/min.
  • additional heat treatment was performed before the final heat treatment at the final wire diameter, and the additional heat treatment conditions were a temperature range of 540°C or more and less than 560°C, and a time period of 1.5 seconds or more and less than 3.0 seconds.
  • the wire drawing was performed using a die with a die angle of 14° or more and less than 18°.
  • the concentration analysis of the elements contained in the bonding wire was measured using an ICP-OES ("PS3520UVDDII” manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.) or an ICP-MS ("Agilent 7700x ICP-MS” manufactured by Agilent Technologies, Inc.) as an analytical device.
  • ICP-OES PS3520UVDDII
  • ICP-MS Alent 7700x ICP-MS
  • the L cross section of the Al alloy bonding wire was used as the inspection surface, and the average diameter and shape of the Si phase were measured.
  • the wire central axis and the cross section in the wire central axis direction including the wire central axis (L cross section) are as shown in FIG. 1.
  • FE-SEM and EDS were used for the measurement, and the average diameter of the Si phase, the length of the Si phase in the wire central axis direction (a), and the length in the direction perpendicular to the wire central axis (b) were calculated using the above-mentioned procedure.
  • the measurement area was determined to be 200 ⁇ m in the wire central axis direction, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the wire central axis.
  • the cross section When processing the cross section to expose the L cross section of the Al alloy bonding wire, it may be shifted from the wire central axis.
  • the length of the L cross section in the direction perpendicular to the wire central axis is 90% or more of the wire diameter, it can be considered as a cross section including the wire central axis. This is because if the length of the L cross section in the perpendicular direction is 90% or more, the effect of the shift from the wire central axis on the measurement results of the average diameter of the Si phase and the shape of the Si phase is negligibly small.
  • the L-section of the Al alloy bonding wire was used as the inspection surface, and the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110>, which has an angle difference of 15° or less with respect to the wire central axis direction, was measured among the crystal orientations of the Si phase in the wire central axis direction.
  • a method was used that combines information on the Si concentration obtained by SEM-EDS and information on the crystal orientation obtained by EBSD. In detail, the concentration measurement of Al and Si using EDS and the crystal orientation analysis using EBSD were performed simultaneously.
  • the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> was calculated by using the analysis software attached to the device. Three measurement regions were randomly selected at intervals of 1 m or more in the wire central axis direction, and the arithmetic average value of the orientation ratios of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase obtained from the three measurement regions was taken as the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> of the Si phase of the measurement sample.
  • the measurement area was determined to be 200 ⁇ m in the direction of the central axis of the wire, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the central axis of the wire.
  • the L-section of the wire of the Al alloy bonding wire was used as the inspection surface, and the concentration measurement of Al and Si using EDS and the crystal orientation analysis using EBSD were performed simultaneously.
  • the analysis software attached to the device was used to determine that it was a grain boundary if the orientation difference between the measurement points was 15° or more, and the circle equivalent diameter was calculated.
  • the arithmetic mean value of the circle equivalent diameter of each ⁇ phase was taken as the average diameter of the ⁇ phase.
  • the measurement area was 200 ⁇ m in the direction of the wire central axis, and the entire wire was included in the direction perpendicular to the wire central axis.
  • the evaluation method of the Al alloy bonding wire will be described.
  • the wire diameter of the Al alloy bonding wire used for the evaluation was ⁇ 300 ⁇ m.
  • the semiconductor chip used was made of Si, and the electrodes on the semiconductor chip were made of an alloy with a composition of Al-0.5% Cu, which was formed to a thickness of 5 ⁇ m.
  • the substrate used was an Al alloy with a Ni film formed to a thickness of 15 ⁇ m.
  • a commercially available wire bonder (manufactured by Ultrasonic Industries Co., Ltd.) was used to bond the Al alloy bonding wire.
  • a commercially available thermal shock tester was used to evaluate the temperature cycle test.
  • the sample chamber was moved between a low temperature chamber and a high temperature chamber to repeatedly raise and lower the temperature.
  • the temperature of the low temperature chamber was set to -40°C
  • the temperature of the high temperature chamber was set to 175°C.
  • the test started with the sample chamber in the high temperature chamber, and the test was performed from the time the sample chamber moved to the low temperature chamber to the time it returned to the high temperature chamber, which was defined as one cycle.
  • the time the sample chamber stayed in the low temperature chamber and the high temperature chamber was set to 20 minutes, respectively.
  • the sample to be subjected to the temperature cycle test had a structure in which a semiconductor chip was mounted on a substrate, and the electrodes on the semiconductor chip and the electrodes on the substrate were connected with Al alloy bonding wires. After the start of the test, the sample was taken out every 100 cycles, and a shear test was performed on the first joint. The arithmetic average value of the shear strength of the first joints at five randomly selected locations was used as the value of the shear strength of the first joints used to evaluate the temperature cycle reliability. The number of cycles at which the shear strength dropped to 70% or less of the value before the temperature cycle test was taken as the joint life.
  • a commercially available high-speed thermal shock tester was used for the evaluation of the high-speed temperature cycle test.
  • the samples used for the high-speed temperature cycle test were the same as those used for the evaluation of temperature cycle reliability.
  • Thermal loads were repeatedly applied to the samples placed in the sample chamber of the high-speed thermal shock tester, with heating and cooling being one cycle.
  • the minimum temperature was -50°C, and the maximum temperature was 175°C.
  • the arithmetic average value of the shear strengths of the first joints at five randomly selected locations was used as the value of the shear strength of the first joints used for the evaluation of temperature cycle reliability.
  • the number of cycles at which the shear strength dropped to 70% or less of the value before the temperature cycle test was taken as the joint life.
  • the evaluation method of the 1st bondability will be described.
  • the 1st bondability was evaluated by a shear strength test.
  • the 1st bond was performed at 10 places under general bonding conditions, and the shear strength of the 1st bond was measured.
  • a commercially available micro shear strength tester was used to measure the shear strength.
  • the shear rate was 200 ⁇ m/sec, and the height of the shear tool was 10 ⁇ m from the electrode surface.
  • the shear strength was measured by fixing the substrate to which the wire was bonded with a jig.
  • the observation field was 99% or more of the wire diameter, and the length in the wire central axis direction was 1 mm or more.
  • the area to check for corrosion was the entire observation field.
  • the surfaces of the 10 wires were observed at a magnification of 200 times. If corrosion was observed at a position 15 ⁇ m from the surface of the wire toward the wire central axis, it was judged to be problematic in practical use and rated as "0". If corrosion was not observed at a position 15 ⁇ m from the surface of the wire toward the wire central axis of all 10 wires, it was judged to be problemless in practical use and rated as "1".
  • All of the bonding wires of Examples 1 to 80 contain 3.0 mass% or more and 10.0 mass% or less of Si, and the average diameter of the Si phase in the L cross section is 0.8 ⁇ m or more and 5.5 ⁇ m or less. It was confirmed that they exhibit excellent temperature cycle reliability and good 1st bondability.
  • the average value of the ratio (a / b) of the length (a) of the Si phase in the L cross section in the wire central axis direction to the length (b) in the direction perpendicular to the wire central axis is 1.3 to 3.2. It was confirmed that the bonding wires of Example Nos.
  • the bonding wires of Examples 35 to 48, 61 to 64, and 77 to 80 in which the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 110> was 30% or more and 80% or less, exhibited better results in terms of loop straightness. Furthermore, it was confirmed that the bonding wires of Examples 17 to 22 and 43 to 48 containing at least one of Ni, Pd, and Pt in a total amount of 3 ppm by mass to 150 ppm by mass exhibited better corrosion resistance in a high-temperature and high-humidity environment.
  • the bonding wires of Comparative Examples 1 to 6 had at least one of the Si concentration and the average diameter of the Si phase in the L cross section outside the range of the present invention, and either the temperature cycle reliability or the 1st bondability was not sufficiently obtained.

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Abstract

優れた温度サイクル信頼性と良好な１ｓｔ接合性を満足するＡｌボンディングワイヤを提供する。当該Ａｌボンディングワイヤは、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、該Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下である。

Description

Ａｌ合金ボンディングワイヤ
　本発明は、Ａｌ合金ボンディングワイヤに関する。さらには、該Ａｌ合金ボンディングワイヤを含む半導体装置に関する。
　半導体装置では、半導体チップ上に形成された電極と、リードフレームや基板上の電極との間をボンディングワイヤによって接続している。パワー半導体装置においては主にアルミニウム（Ａｌ）を材質とするボンディングワイヤが用いられており、その線径は主にΦ３００μｍ～Φ６００μｍの範囲である。パワー半導体装置においては、半導体チップの材料としてシリコン（Ｓｉ）、半導体チップ上に形成された電極の材料としてＡｌ－Ｓｉ合金やＡｌ－Ｃｕ合金が用いられることが多い。またＡｌボンディングワイヤを用いたパワー半導体装置は、エアコンや太陽光発電システムなどの大電力機器、車載用の半導体装置として用いられることが多い。
　Ａｌボンディングワイヤの接合方法について、半導体チップ上の電極との１ｓｔ接合と、リードフレームや基板上の電極との２ｎｄ接合とがあり、いずれもウェッジ接合が用いられている。ウェッジ接合とは、金属製の治具を介してＡｌボンディングワイヤに超音波と荷重を印加し、ボンディングワイヤ材料と電極材料の表面酸化膜を破壊して新生面を露出させ、固相拡散接合を行う方法である。接合を行う際にＡｌボンディングワイヤが電極から剥離する等の接合不良が発生すると、製品の不具合や製造歩留低下に繋がるため、各接合部において良好な接合強度を得ることが求められる。１ｓｔ接合部では良好な接合強度を得るために超音波や荷重を強く印加すると半導体チップが損傷してしまうことがある。したがって、１ｓｔ接合においては良好な接合強度を得ることに加えて、半導体チップの損傷を抑制することが要求される。
　次世代パワー半導体装置においては、汎用パワー半導体装置に比べて長時間にわたって安定的に動作することが要求される。パワー半導体装置は電流のオン、オフを繰り返して動作する。Ａｌボンディングワイヤを介してＳｉ製の半導体チップに電流が供給されると１ｓｔ接合部の温度は上昇する。一方、電流の供給が停止されると１ｓｔ接合部の温度は低下する。このようにしてパワー半導体の動作時には１ｓｔ接合部が昇温、降温を繰り返す。そうすると１ｓｔ接合部にはＡｌボンディングワイヤと半導体チップとの熱膨張差に起因する熱応力が繰り返し負荷される。Ａｌボンディングワイヤとして、高純度のＡｌのみからなる材料を用いた場合、熱応力によりＡｌボンディングワイヤが比較的短時間で破壊し、次世代パワー半導体装置に求められる性能を満足することは困難であった。したがって、次世代パワー半導体では、１ｓｔ接合部の昇温、降温にともなう接合部寿命（以下、「温度サイクル信頼性」ともいう。）の向上が要求される。
　温度サイクル信頼性の要求に対して、機械的強度向上に主眼をおいたＡｌボンディングワイヤが提案されている。Ａｌボンディングワイヤの機械的特性を向上させる方法として、Ａｌに特定の元素を添加する手法が提案されている。
　特許文献１には、少なくともマグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）を含有し、且つＭｇ及びＳｉの含有量の合計が０．０３質量％以上０．３質量％以下であるＡｌ合金からなるボンディングワイヤが開示されている。本特許文献には、ＭｇやＳｉの固溶強化による高強度化の効果や析出したマグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）によるき裂進展抑制効果により、７０℃から１２０℃の温度範囲での冷熱サイクル試験における１ｓｔ接合部の接合強度の低下が遅れることが開示されている。
　特許文献２には、鉄（Ｆｅ）を０．０１～０．２質量％、シリコン（Ｓｉ）を１～２０質量ｐｐｍ含有し、残部が純度９９．９９７質量％以上のＡｌである合金からなり、Ｆｅの固溶量が０．０１～０．０６％であり、Ｆｅの析出量がＦｅ固溶量の７倍以下であり、かつ、平均結晶粒子径が６～１２μｍの微細組織であることを特徴とするボンディングワイヤが開示されている。本特許文献には、ＦｅとＡｌの金属間化合物粒子をＡｌ中に均一に分散させてマトリックスの機械的強度を向上させ、さらに再結晶粒を微細化することによって、－５０℃から２００℃の温度範囲での熱衝撃試験における１ｓｔ接合部の接合強度の低下が抑制できることが開示されている。
　特許文献３には、シリコン（Ｓｉ）を０．１～５質量％含み、残部がＡｌ及び不純物からなるＡｌ－Ｓｉ合金を溶融して、これを噴出急冷して細線に成形してなるボンディングワイヤが開示されている。本特許文献には、溶融したＡｌ－Ｓｉ合金を急冷してＳｉを微細かつ均一に分散させることで、機械的強度が向上することが開示されている。
特開２０１４－１３１０１０号公報 特開２０１４－１２９５７８号公報 特開昭５９－５７４４０号公報
　次世代パワー半導体装置に使用するＡｌボンディングワイヤには、長時間の使用にも耐え得るために１ｓｔ接合部の温度サイクル信頼性が高いこと、１ｓｔ接合部において良好な接合性をもたらすことが求められる。
　次世代パワー半導体装置では、汎用パワー半導体装置に比べて、より長時間の使用に耐え得ることが求められる。上述のとおり、パワー半導体装置の動作時に１ｓｔ接合部の温度は昇温、降温を繰り返す。その結果、Ａｌボンディングワイヤは半導体チップよりも線膨張係数が大きいため、１ｓｔ接合部において両者の線膨張係数差に起因する熱応力が発生し、最終的にＡｌボンディングワイヤが疲労破壊する課題があった。温度サイクル試験は１ｓｔ接合部の昇温、降温にともなう接合部の寿命（温度サイクル信頼性）を加速評価する試験の一つである。次世代パワー半導体に使用するＡｌボンディングワイヤには温度サイクル試験において、優れた温度サイクル信頼性が求められる。しかしながら、特許文献１～３に開示されている高強度なＡｌボンディングワイヤを用いた場合、次世代パワー半導体装置での使用を想定した温度サイクル試験において、Ａｌボンディングワイヤよりも強度が低いＡｌ合金電極内において比較的速い速度でき裂が進展してしまい、良好な温度サイクル信頼性を安定的に得ることが困難となる課題があることを確認した。
　すなわち、Ａｌに他元素を添加し高強度化されたＡｌボンディングワイヤについては温度サイクル信頼性に対する有効性が幾つか報告されているものの、その効果は不十分であった。
　本発明は、優れた温度サイクル信頼性と良好な１ｓｔ接合性を満足するＡｌボンディングワイヤを提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題につき鋭意検討した結果、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有するＡｌ合金ボンディングワイヤであって、前記Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）におけるＳｉ相の平均径が０．８～５．５μｍであるＡｌ合金ボンディングワイヤが上記課題を解決できることを見出し、斯かる知見に基づいて更に検討を重ねることによって本発明を完成した。
　すなわち、本発明は以下の内容を含む。
［１］
　Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有するＡｌ合金ボンディングワイヤであって、前記Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下である、Ａｌ合金ボンディングワイヤ。
［２］
　Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）の比（ａ／ｂ）の平均値が１．３以上３．２以下である、［１］に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
［３］
　Ｌ断面におけるα相の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
［４］
　Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位を測定した結果において、ワイヤ中心軸方向の結晶方位のうち、ワイヤ中心軸方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１０＞の方位比率が３０％以上８０％以下である、［１］～［３］のいずれかに記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
［５］
　さらにＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含有する、［１］～［４］のいずれかに記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
［６］
　残部がＡｌ及び不可避不純物からなる、［１］～［５］のいずれかに記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
［７］
　［１］～［６］のいずれかに記載のＡｌ合金ボンディングワイヤを含む半導体装置。
　本発明によれば、優れた温度サイクル信頼性と良好な１ｓｔ接合性を満足するＡｌ合金ボンディングワイヤを提供することができる。
図１は、Ａｌ合金ボンディングワイヤについて、Ｓｉ相の平均径、結晶方位を測定する際の測定対象面（検査面）を説明するための概略図である。測定対象面は、Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）である。 図２は、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を説明するための概略図である。
　以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。ただし、本発明は、下記実施形態及び例示物に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲及びその均等の範囲を逸脱しない範囲において任意に変更して実施され得る。
　［Ａｌ合金ボンディングワイヤ］
　本発明のＡｌ合金ボンディングワイヤ（以下、単に「本発明のワイヤ」、「ワイヤ」ともいう。）は、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有するＡｌ合金ボンディングワイヤであって、該ワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下であることを特徴とする。本発明において、Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸、及び、該ワイヤのワイヤ中心軸を含む中心軸方向の断面（Ｌ断面）とは、後記「（Ｓｉ相の平均径、Ｓｉ相の形状の測定方法）」欄にて図１を参照しつつ説明するとおりである。
　温度サイクル試験において、高純度のＡｌのみからなるボンディングワイヤを使用した場合には、ボンディングワイヤの内部を比較的速い速度でき裂が進展して、良好な温度サイクル信頼性を得ることは困難であった。一方、元素を添加し、高強度化したＡｌボンディングワイヤを使用する場合は、相対的に強度が低いＡｌ合金電極内をき裂が進展するため、次世代パワー半導体装置に要求される温度サイクル信頼性を得ることは困難であることを確認した。
　本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有するＡｌ合金ボンディングワイヤであって、そのＬ断面におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下であるＡｌ合金ボンディングワイヤによれば、温度サイクル信頼性を向上させ得ることを見出した。斯かる本発明のワイヤは、次世代パワー半導体装置で要求される温度サイクル信頼性を実現することに著しく寄与するものである。なお、本発明のワイヤは、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有する亜共晶組成を有し、ＡｌにＳｉが固溶したα相とＳｉ相から構成される。
　本発明のワイヤが良好な温度サイクル信頼性をもたらすことができる理由に関しては、以下のとおり推察される。まず、Ｓｉ相はＡｌよりも線膨張係数が小さいため、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有することによって、Ａｌ合金ボンディングワイヤの線膨張係数を低減して温度サイクル試験中に発生する熱応力を減少させる効果が得られる。さらにＡｌ合金ボンディングワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の平均径を０．８μｍ以上に制御することで、Ｓｉ相の析出強化によるα相の高強度化を抑制することができる。これにより、温度サイクル試験中にき裂がＡｌ合金電極内を進展することを防ぐ効果が得られる。さらにＡｌ合金ボンディングワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の平均径を０．８μｍ以上５．５μｍ以下の範囲に制御することで、温度サイクル試験中に進展したき裂の先端が硬質なＳｉ相に到達したときに、それ以上のき裂の進展が抑制される効果を十分に得ることができる。以上のように、本発明のワイヤは、温度サイクル信頼性の向上に寄与する複数の因子を適切に制御することによって良好な信頼性を発現することができるものと考えられる。
　温度サイクル試験において、良好な温度サイクル信頼性を得る観点から、本発明のＡｌ合金ボンディングワイヤにおけるＳｉの濃度は３．０質量％以上であり、好ましくは４．０質量％以上、更に好ましくは４．２質量％以上、４．４質量％以上、４．５質量％以上、４．６質量％以上又は４．８質量％以上である。他方、Ａｌ合金ボンディングワイヤの硬度が過大となると、一般的に用いる超音波、荷重の接合条件では１ｓｔ接合時に半導体チップの損傷が発生しやすくなる。一般的な接合条件にて１ｓｔ接合する場合に良好な接合強度を得る観点から、本発明のＡｌ合金ボンディングワイヤにおけるＳｉ濃度は１０質量％以下であり、好ましくは８．０質量％以下又は７．０質量％以下、更に好ましくは６．８質量％以下、６．６質量％以下、６．５質量％以下である。
　温度サイクル試験において、良好な温度サイクル信頼性を得る観点から、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の平均径は０．８μｍ以上であり、好ましくは１．２μｍ以上又は１．４μｍ以上、より好ましくは１．５μｍ以上、１．６μｍ以上又は１．８μｍ以上である。他方、Ｓｉ相が粗大になりすぎるとＳｉ相の数密度が減少し、Ｓｉ相によるき裂の進展抑制効果を安定して得ることが困難となる。したがって、良好な温度サイクル信頼性を安定的に得る観点から、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の平均径は５．５μｍ以下であり、好ましくは５．０μｍ以下又は４．５μｍ以下、より好ましくは４．０μｍ以下である。
　本発明のワイヤに含まれる元素の濃度分析には、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）発光分光分析装置やＩＣＰ質量分析装置を利用することができる。ワイヤの表面に酸素や炭素等の大気中からの汚染物由来の元素が吸着している場合には、分析を行う前に吸着した物質に応じて酸やアルカリにより洗浄を行うことが有効である。
　本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の径を測定する方法について説明する。Ｌ断面におけるＳｉ相の径を測定する手法としては、例えば電解放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による反射電子像を用いる手法が挙げられる。以下、具体的な測定手法を説明する。まず、ＦＥ－ＳＥＭを使用して、ワイヤのＬ断面の反射電子像を取得する。反射電子像ではα相とＳｉ相は異なるコントラストで観察され、このコントラストを利用した二値化処理によってＳｉ相を抽出する。二値化処理に際しては、取得したＬ断面の反射電子像の輝度値を０から１の範囲に正規化し、閾値を０．４５～０．９５の範囲で決定して二値化する。このとき、閾値は、Ｓｉ相とα相を区別できるように適宜決定する。なお、Ｌ断面にはサンプル調製時に付着した異物や傷などが存在する場合があり、Ｓｉ相と近いコントラストで観察されることがある。これらの異物や傷と、Ｓｉ相とを区別して、異物や傷の影響を除外するために、ＦＥ－ＳＥＭに備え付けたエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＳ：　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いてＳｉ濃度を測定してＳｉ相を特定することが有効である。このように、必要に応じてＳｉ濃度の情報をもとにＳｉ相を特定した上で、反射電子像をもとに二値化処理によってＳｉ相を抽出する。そして、抽出した各Ｓｉ相について画像解析ソフト（Ｂｒｕｋｅｒ社製　Ｅｓｐｒｉｔ等）を用いて円相当直径を算出する。本発明においては該円相当直径をＳｉ相の径とし、各Ｓｉ相の径の算術平均値を平均径と定義する。したがって一実施形態において、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の平均径は、以下の（１）乃至（３）の手順により算出される。
（１）ＦＥ－ＳＥＭを用いてワイヤのＬ断面の反射電子像を取得する。
（２）取得した反射電子像のコントラストを利用した二値化処理によってＳｉ相を抽出する。
（３）抽出した各Ｓｉ相について画像解析し円相当直径を求め、それらを算術平均してＳｉ相の平均径を算出する。
　ここで、上記（２）において、閾値の設定指針や、必要に応じて、異物や傷とＳｉ相とを区別するために、ＥＤＳを用いてＳｉ濃度を測定してＳｉ相を特定してよいことは先述のとおりである。
　本発明において、Ｓｉ相の平均径を算出する際には径が０．５μｍ以上のＳｉ相のみを対象とした。これにより、次世代パワー半導体装置に要求される温度サイクル信頼性を満足するのに好適なＳｉ相の平均径に係る要件の成否を精度良く判定することができる。
　本発明において、Ｓｉ相の平均径の測定領域は、ワイヤ中心軸方向の長さが１００μｍ以上４００μｍ未満であり、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。
　－Ｓｉ相の形状－
　パワー半導体装置の１ｓｔ接合部の昇温、降温にともなう接合部の寿命を評価する方法として、温度サイクル試験よりも短時間で昇温、降温を繰り返す試験（以下、「高速温度サイクル試験」ともいう。）を用いることがある。次世代のパワー半導体装置では高速温度サイクル試験においても、従来のパワー半導体装置に比べて優れた接合部寿命（以下、「高速温度サイクル信頼性」ともいう。）が得られることが望ましい。
　本発明者らは、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、そのＬ断面におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下であるＡｌ合金ボンディングワイヤについて検討を進める過程で、さらにＬ断面におけるＳｉ相の形状が高速温度サイクル信頼性に影響を及ぼすことを見出した。詳細には、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）の比（ａ／ｂ）の平均値が１．３以上３．２以下であることにより、高速温度サイクル信頼性が向上し得ることを見出した。図２を参照してさらに説明する。図２は、ワイヤのＬ断面におけるＳｉ相を模試的に示した図であり、ワイヤ中心軸方向が図２の水平方向（左右方向）に、また、ワイヤ中心軸に垂直な方向が図２の垂直方向（上下方向）にそれぞれ対応するように示している。Ｌ断面におけるＳｉ相について、上記の「ワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）」は、ワイヤ中心軸方向におけるＳｉ相の最大寸法をいい、図２において符号ａで示した寸法に該当する。またＬ断面におけるＳｉ相について、上記の「ワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）」は、ワイヤ中心軸に垂直な方向におけるＳｉ相の最大寸法をいい、図２において符号ｂで示した寸法に該当する。以下、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）の比（ａ／ｂ）を、単に「Ｌ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）」ともいう。
　本発明のワイヤにおいて、Ｌ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値を制御することにより高速温度サイクル信頼性が向上する理由に関しては、以下のとおり推察される。高速温度サイクル試験中はＡｌ合金ボンディングワイヤの内部をき裂が進展し破壊に至る。き裂はワイヤ中心軸方向、あるいはそれに近い方向に沿って進展する傾向があり、ワイヤ中心軸方向の熱応力を低減することが有効と考えられる。すなわち、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さがワイヤ中心軸に垂直な方向の長さよりも一定以上大きくなるようにＳｉ相の形状を制御することで、ワイヤ中心軸方向の線膨張係数を低減することができ、その結果としてＡｌ合金ボンディングワイヤにかかるワイヤ中心軸方向の熱応力を低減できると考えられる。具体的には、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、かつＬ断面におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下であることに加えて、さらにＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値を１．３以上３．２以下に制御することにより、Ａｌ合金ボンディングワイヤの疲労破壊の原因となる熱応力を低減する効果が相乗的に高められたと考えられる。なお、高速温度サイクル試験では温度サイクル試験に比べて高温にさらされる時間が短いため、回復や再結晶が起こりづらく、き裂進展の駆動力となる塑性ひずみが蓄積されやすい。高速温度サイクル試験中にＡｌ合金ワイヤに導入される塑性ひずみ量は熱応力が小さくなるほど減少するため、上述したＳｉ相の形状制御が高速温度サイクル信頼性の向上に寄与したと推定される。なお、高速温度サイクル信頼性の向上効果を達成するにあたっては、Ｌ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値が上記好適範囲にあればよく、全てのＳｉ相について比（ａ／ｂ）が１．３以上３．２以下の範囲にある必要はない。例えば、ａ＜ｂやａ＝ｂとなるＳｉ相のように、比（ａ／ｂ）が１．３未満であるＳｉ相を含んでいてもよいし、比（ａ／ｂ）が３．２超であるＳｉ相を含んでいてもよい。
　高速温度サイクル試験中に発生するワイヤ中心軸方向の熱応力を低減し、高速温度サイクル信頼性を向上させる観点から、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値は、より好ましくは１．４以上である。他方、比（ａ／ｂ）の平均値が過大であるとＳｉ相の端部が鋭角になり、Ｓｉ相の端部とα相の界面に沿ってき裂が発生し易くなるため、高速温度サイクル信頼性の向上効果が得られない。したがって、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値は、好ましくは３．２以下であり、より好ましくは２．８以下である。
　本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を測定する方法について説明する。まず、ワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の径の測定方法につき上述した方法と同様に、ＦＥ－ＳＥＭによりＬ断面の反射電子像を取得し、取得した反射電子像のコントラストを利用した二値化処理によってＳｉ相を抽出する。ここで、二値化処理のための閾値の設定指針や、必要に応じて、異物や傷とＳｉ相とを区別するために、ＥＤＳを用いてＳｉ濃度を測定してＳｉ相を特定してよいことも、Ｓｉ相の径の測定方法につき上述したとおりである。続いて、抽出した各Ｓｉ相について、画像解析ソフト（Ｂｒｕｋｅｒ社製　Ｅｓｐｒｉｔ等）を用いて、ワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を算出する。Ｌ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値は、各Ｓｉ相について算出した比（ａ／ｂ）の値の算術平均値とする。したがって一実施形態において、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値は、以下の（１）乃至（３）の手順により算出される。
（１）ＦＥ－ＳＥＭを用いてワイヤのＬ断面の反射電子像を取得する。
（２）取得した反射電子像のコントラストを利用した二値化処理によってＳｉ相を抽出する。
（３）抽出した各Ｓｉ相について画像解析しワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を測定して比（ａ／ｂ）を求め、それらを算術平均してＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値を算出する。
　本発明において、Ｌ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）を算出する際には径（円相当直径）が０．５μｍ以上のＳｉ相のみを対象とした。これにより、高速温度サイクル信頼性を向上させるために好適なＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）に係る要件の成否を精度良く判定することができる。
　また、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を測定するに際しても、測定領域は、ワイヤ中心軸方向の長さが１００μｍ以上４００μｍ未満であり、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。
　－α相の平均径－
　本発明のワイヤは、そのＬ断面におけるα相の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
　Ｌ断面におけるα相の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下の範囲であることにより、２ｎｄ接合における接合強度のばらつきが低減できることを本発明者らは見出した。この理由は、Ｓｉを所定濃度含有し、かつＬ断面におけるＳｉ相の平均径を所定の範囲に制御することによりワイヤの均一な変形を促進する効果と、Ｌ断面におけるα相の平均径を５μｍ以上５０μｍ以下とすることによりワイヤ中心軸と垂直な方向の機械的強度のばらつきを低減する効果とが相乗的に作用するためと考えられる。
　２ｎｄ接合における接合強度のばらつきをさらに低減して、より良好な接合強度の安定性を実現する観点から、本発明のワイヤのＬ断面におけるα相の平均径は、より好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは１２μｍ以上、１４μｍ以上又は１５μｍ以上である。また、Ｌ断面におけるα相の平均径の上限は、より好ましくは４５μｍ以下、更に好ましくは４０μｍ以下、３８μｍ以下、３６μｍ以下又は３５μｍ以下である。
　本発明のワイヤのＬ断面におけるα相の径を測定する方法について説明する。Ｌ断面におけるα相の径の測定には、ＳＥＭ－ＥＤＳによって得られたＡｌ濃度の情報と後方散乱電子線回折法（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって得られた結晶方位の情報を組み合わせる手法を用いることができる。詳細には、ワイヤのＬ断面を検査面とし、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行う。続いて、ＥＤＳの測定結果からα相と特定された領域について、装置に付属している解析ソフトを利用することにより結晶方位を解析することができる。測定点間の方位差が１５°以上であれば結晶粒界と判断して円相当直径を算出する。各α相の円相当直径の算術平均値をα相の平均径と定義する。α相の径を求める過程では、結晶方位が測定できない部位、あるいは測定できても方位解析の信頼度が低い部位は除外して計算した。したがって一実施形態において、本発明のワイヤのＬ断面におけるα相の平均径は、以下の（１）乃至（３）の手順により算出される。
（１）ワイヤのＬ断面を検査面とし、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行う。
（２）ＥＤＳの測定結果からα相と特定された領域について、結晶方位を解析し、測定点間の方位差が１５°以上であれば結晶粒界と判断して各結晶粒の円相当直径を求める。
（３）各結晶粒の円相当直径を算術平均してα相の平均径を算出する。
　本発明において、Ｌ断面におけるα相の平均径を算出する際には径（円相当直径）が０．５μｍ以上のα相のみを対象とした。これにより、２ｎｄ接合における接合強度の安定性を向上させるために好適なＬ断面におけるα相の平均径に係る要件の成否を精度良く判定することができる。
　また、Ｌ断面におけるα相の平均径を測定するに際して、測定領域は、ワイヤ中心軸方向の長さが１００μｍ以上４００μｍ未満であり、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。
　－Ｓｉ相の結晶方位－
　本発明のワイヤは、さらにＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位を測定した結果において、ワイヤ中心軸方向の結晶方位のうち、ワイヤ中心軸方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１０＞の方位比率が３０％以上８０％以下であることが好ましい。以下、斯かる結晶方位＜１１０＞の方位比率を、「Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率」ともいう。
　Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率が３０％以上８０％以下であることにより、ループ直進性が向上することを本発明者らは見出した。この理由は、Ｓｉを所定濃度含有し、かつＬ断面におけるＳｉ相の平均径を所定の範囲に制御することによりワイヤの均一な変形を促進する効果と、Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を３０％以上８０％とすることによりワイヤ中心軸方向の機械的強度のばらつきを低減する効果とが相乗的に作用するためと考えられる。
　ループ直進性をさらに向上させる観点から、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率は、より好ましくは３５％以上、更に好ましくは４０％以上、４５％以上又は５０％以上である。他方、理由は明らかではないがＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率が８０％を超えるとループ直進性向上の効果は得られない傾向にある。Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率の上限は、好ましくは８０％以下であり、より好ましくは７８％以下、７６％以下又は７５％以下である。
　本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を測定するに際しては、ＳＥＭ－ＥＤＳによって得られるＡｌとＳｉの濃度の情報とＥＢＳＤによって得られる結晶方位の情報を組み合わせる手法を用いることができる。詳細には、ワイヤのＬ断面を検査面とし、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行う。続いて、ＥＤＳの測定結果からＳｉ相と特定された領域について、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、Ｓｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を算出することができる。その方位比率を算出するにあたって、測定エリア内で、ある信頼度を基準に同定できた結晶方位のみの面積を母集団として算出した結晶方位＜１１０＞の面積割合を、結晶方位＜１１０＞の方位比率とした。方位比率を求める過程では、結晶方位が測定できない部位、あるいは測定できても方位解析の信頼度が低い部位は除外して計算した。したがって一実施形態において、本発明のワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率は、以下の（１）、（２）の手順により算出される。
（１）ワイヤのＬ断面を検査面とし、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行う。
（２）ＥＤＳの測定結果からＳｉ相と特定された領域について、結晶方位を解析し、Ｓｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を算出する。
　本発明において、Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率は、３箇所以上を測定して得られた方位比率の各値の算術平均値とした。測定領域の選択にあたっては、測定データの客観性を確保する観点から、測定対象のボンディングワイヤから、測定用の試料を、ワイヤ中心軸方向に対し１ｍ以上の間隔で取得し、測定に供することが好ましい。また本発明において、ＥＢＳＤ法による結晶方位の測定領域は、ワイヤ中心軸方向の長さが１００μｍ以上４００μｍ未満であり、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。
　－Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの添加－
　本発明のワイヤは、さらにＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含有してもよい。
　さらにＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含有することにより、高温高湿環境における耐食性を改善できることを本発明者らは見出した。この理由は明らかではないが、Ｓｉを所定濃度含有することにより高温高湿環境における耐食性を改善する効果が、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含有することで相乗的に高められるためと考えられる。
　高温高湿環境における耐食性を改善する観点から、本発明のワイヤにおけるＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔの総計濃度は、好ましくは３質量ｐｐｍ以上、より好ましくは５質量ｐｐｍ以上、６質量ｐｐｍ以上、８質量ｐｐｍ以上又は１０質量ｐｐｍ以上であり、その上限は、好ましくは１５０質量ｐｐｍ以下、より好ましくは１４５質量ｐｐｍ以下又は１４０質量ｐｐｍ以下である。
　本発明のワイヤを製造する際のアルミニウム原料としては、純度が４Ｎ（Ａｌ：９９．９９質量％以上）のＡｌを用いることが好適であり、さらに不純物量の少ない５Ｎ（Ａｌ：９９．９９９質量％以上）以上のＡｌを用いることがより好適である。本発明の効果を阻害しない範囲において、本発明のワイヤの残部は、Ａｌ以外の元素を含有してよい。本発明のワイヤにおいて、Ａｌの含有量は、本発明の効果を阻害しない限りにおいて特に限定されないが、好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９２質量％以上、９２．５質量％以上又は９３質量％以上、更に好ましくは９３．５質量％以上、９４質量％以上、９４．５質量％以上、９４．６質量％以上、９４．８質量％以上又は９５質量％以上である。一実施形態において、本発明のワイヤの残部はＡｌ及び不可避不純物からなる。したがって好適な一実施形態において、本発明のワイヤは、Ａｌ、Ｓｉ及び不可避不純物からなる。他の好適一実施形態において、本発明のワイヤは、Ａｌと、Ｓｉと、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上と、不可避不純物とからなる。
　好適な一実施形態において、本発明のワイヤは、該ワイヤの外周に、Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆を有していない。ここで、「Ａｌ以外の金属を主成分とする被覆」とは、Ａｌ以外の金属の含有量が５０質量％以上である被覆をいう。
　本発明のワイヤは、良好な温度サイクル信頼性と１ｓｔ接合部における良好な接合性を共に満足したうえで、良好な高速温度サイクル信頼性、２ｎｄ接合部における良好な接合強度、ループ直進性、高温高湿環境における高い耐食性をもたらすことができる。したがって本発明のボンディングワイヤは、半導体装置用のＡｌ合金ボンディングワイヤ、特にパワー半導体装置用のＡｌ合金ボンディングワイヤとして好適に使用することができる。
　本発明のワイヤの線径は、特に限定されず具体的な目的に応じて適宜決定してよいが、好ましくは５０μｍ以上、６０μｍ以上、８０μｍ以上、１００μｍ以上、１２０μｍ以上、１４０μｍ以上又は１５０μｍ以上などとし得る。該線径の上限は、特に限定されず、例えば、６００μｍ以下、５５０μｍ以下、５００μｍ以下などとし得る。
　（Ａｌ合金ボンディングワイヤの製造方法）
　本発明のＡｌ合金ボンディングワイヤの製造方法の一例を説明する。原材料となるＡｌおよび合金元素は純度が高い方が好ましい。Ａｌは純度が９９．９９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものが好ましい。合金元素として使用するＳｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔは、純度が９９．９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものが好ましい。ボンディングワイヤに用いるＡｌ合金は、円柱形状のインゴットが得られるように加工した黒鉛やアルミナ製のるつぼに、Ａｌ原料と合金元素の原料を装填し、電気炉や高周波加熱炉を用いて溶解することにより製造できる。円柱状のインゴットの直径はその後の加工工程における加工性を考慮してΦ６ｍｍ以上８ｍｍ未満とすることが好ましい。溶解時の炉内の雰囲気は、ワイヤを構成するＡｌやその他の元素が過剰に酸化されることを防ぐため、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気とすることが好ましい。溶解時の溶湯の最高到達温度は、溶湯の流動性を確保しつつ、るつぼから溶湯中への不純物元素の混入を防ぐために７００℃以上１０５０℃未満の範囲とすることが好ましい。溶解後の冷却方法は水冷、炉冷、空冷などを用いることができる。
　溶解によって得られた円柱状のインゴットに対し、均質化処理を行った後、ダイスを用いた伸線加工と中間熱処理を繰り返し行うことで、目的とする線径のワイヤを製造することができる。伸線加工後のワイヤは電気炉を用いて最終熱処理を行うことでＡｌ合金ボンディングワイヤとして使用することができる。
　Ｌ断面におけるＳｉ相の平均径を０．８μｍ以上５．５μｍ以下の範囲に制御するためには、均質化処理条件、伸線加工条件、中間熱処理条件、最終熱処理条件などの製造条件を制御することが有効である。伸線加工時には、ワイヤとダイスの接触界面における潤滑性を確保するため、潤滑液を用いることが有効である。以下、Ｌ断面におけるＳｉ相の平均径を０．８μｍ以上５．５μｍ以下の範囲に制御するための製造条件の一例を示す。
　均質化処理の温度範囲は５００℃以上５６０℃未満、時間は３時間以上５時間未満とすることが有効である。この均質化処理により、凝固過程で晶出するα相に含まれるＳｉの濃度ばらつきを低減することができ、かつ微細なＳｉ相を成長させてワイヤを軟質化させることにより、その後の伸線加工によるＳｉ相の変形挙動が制御可能となる。その後、伸線加工と中間熱処理を繰り返すことによってＳｉ相の径を制御することができる。伸線加工を行うとＳｉ相はワイヤ中心軸方向に変形し、Ｓｉ相の一部は破断して微細化する。一方、中間熱処理を行うとＳｉ相は成長する。したがって、Ｓｉ相を目的とする径に制御するためには、伸線加工の条件、中間熱処理の温度と時間、中間熱処理を行う回数と線径の適正化が重要となる。伸線加工条件については、伸線加工時に使用するダイス１個あたりのワイヤ減面率を１０．５％以上１２．５％未満の範囲とすることが有効である。ここで、ダイス１個あたりのワイヤ減面率をＰ１とすると、Ｐ１は以下の式で表される。
　Ｐ１＝｛（Ｒ２ ２－Ｒ１ ２）／Ｒ２ ２｝×１００
　式中、Ｒ２は加工前のワイヤの直径（ｍｍ）、Ｒ１は加工後のワイヤの直径（ｍｍ）を表す。
　これにより、ワイヤ全体でＳｉ相を概ね均一に変形させることができる。中間熱処理の温度範囲は４００℃以上４４０℃未満、中間熱処理の時間は１時間以上２時間未満とすることが有効である。中間熱処理の回数は２回とし、１回目の中間熱処理を行う線径は最終線径の２．６～３．０倍、２回目の中間熱処理を行う線径は最終線径の１．６～２．０倍の線径で実施することが有効である。最終熱処理の温度範囲は２５０℃以上３６０℃未満、最終熱処理の時間は２０時間以上２４時間未満とすることが有効である。なお、中間熱処理を行わず最終熱処理を行った場合にはＡｌ合金ボンディングワイヤに必要な破断伸びと目的とするＳｉ相の径を同時に得ることができない。そこで、上述した条件のように、中間熱処理はＳｉ相の径の制御、最終熱処理は破断伸びの制御に主眼を置いた条件とすることが有効である。すなわち、所定の条件で中間熱処理を行い、予めＳｉ相を成長させておくことで、最終熱処理後にＳｉ相を目的の径に容易に制御することができる。これにより、ワイヤを再結晶させてＡｌ合金ボンディングワイヤに必要な破断伸びを確保しつつ、Ｓｉ相を成長させて目的とする径に制御し易い。
　中間熱処理および最終熱処理は電気炉で一定時間加熱する方法で実施することができる。熱処理中の雰囲気はＡｌやＳｉの過剰な酸化を抑制するため、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気とすることが好ましい。
　ワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値を１．３以上３．２以下の範囲に制御するためには、伸線加工を行う線径に応じて伸線加工時のワイヤ送り速度を制御することが有効である。上記比（ａ／ｂ）の平均値を目的とする範囲に制御するためのワイヤ送り速度の条件の好適な例を以下に示す。
　溶解によって得られたインゴットから１回目の中間熱処理を行うまでの伸線加工工程を「伸線加工１」とする。１回目の中間熱処理から２回目の中間熱処理までの伸線加工工程を「伸線加工２」とする。２回目の中間熱処理から最終線径までの伸線加工工程を「伸線加工３」とする。伸線加工１におけるワイヤ送り速度を１５ｍ／分以上２５ｍ／分未満、伸線加工２におけるワイヤ送り速度を３０ｍ／分以上５５ｍ／分未満、伸線加工３におけるワイヤ送り速度を７０ｍ／分以上９０ｍ／分未満とすることが有効である。これはワイヤ送り速度を所定の範囲に設定することによって、伸線加工時にワイヤ中心軸方向にかかる応力を制御することができ、ワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の比（ａ／ｂ）の平均値を目的とする範囲に制御できるためと考えられる。
　ワイヤのＬ断面におけるα相の平均径を５μｍ以上５０μｍ以下の範囲に制御するためには、最終線径での最終熱処理前に追加熱処理を行うことが有効である。Ｌ断面におけるα相の平均径を５μｍ以上５０μｍ以下の範囲に制御するための追加熱処理方法とその条件の一例を以下に示す。追加熱処理は、加熱した管状炉内にワイヤを連続的に掃引する方法を用いることができる。また追加熱処理の温度範囲は５４０℃以上５６０℃未満の温度範囲、追加熱処理の時間は１．５秒以上３．０秒未満とすることが有効である。熱処理中のＡｌやＳｉの過剰な酸化を抑制するため、管状炉内には不活性ガスを還流させることが好ましい。これは最終熱処理前に追加熱処理を最終熱処理よりも高温かつ短時間とした上記の条件で行うことにより、Ｓｉ相の成長を抑制しつつ、α相を再結晶させてα相の径を目的とする範囲に制御できるためと考えられる。
　ワイヤのＬ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を３０％以上８０％以下の範囲に制御するためには、ダイスのリダクション角度（以下、「ダイス角度」ともいう。）を制御することが有効である。Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率を３０～８０％の範囲に制御するためのダイス角度は１４°以上１８°未満にすることが有効である。これはワイヤがダイスに入るときにワイヤとダイスが接触する面積が変化してワイヤ表面にかかる圧縮応力が変化することにより、Ｓｉ相の結晶方位を目的とする範囲に制御できるためと考えられる。
　［半導体装置］
　本発明のワイヤを用いて、半導体チップ上の電極と、リードフレームや基板上の外部電極とを接続することによって、半導体装置を製造することができる。
　一実施形態において、本発明の半導体装置は、回路基板、半導体チップ、及び回路基板と半導体チップとを導通させるためのボンディングワイヤを含み、該ボンディングワイヤが本発明のワイヤであることを特徴とする。
　本発明の半導体装置において、回路基板及び半導体チップは特に限定されず、半導体装置を構成するために使用し得る公知の回路基板及び半導体チップを用いてよい。あるいはまた、回路基板に代えてリードフレームを用いてもよい。例えば、特開２０２０－１５０１１６号公報に記載される半導体装置のように、リードフレームと、該リードフレームに実装された半導体チップとを含む半導体装置の構成としてよい。
　半導体装置としては、電気製品（例えば、コンピューター、携帯電話、デジタルカメラ、テレビ、エアコン、太陽光発電システム等）及び乗物（例えば、自動二輪車、自動車、電車、船舶及び航空機等）等に供される各種半導体装置が挙げられ、中でも電力用半導体装置（パワー半導体装置）が好適である。
　以下、本発明について、実施例を示して具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。
　（サンプル）
　サンプルの作製方法について説明する。原材料となるＡｌは純度が４Ｎ（９９．９９質量％以上）で、残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。合金元素として用いるＳｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔは、純度が９９．９９質量％以上で残部が不可避不純物から構成されるものを用いた。ボンディングワイヤに用いるＡｌ合金は、アルミナるつぼにＡｌ原料と合金元素の原料を装填し、高周波加熱炉を用いて溶解することにより製造した。溶解時の炉内の雰囲気はＡｒ雰囲気とし、溶解時の溶湯の最高到達温度は８００℃とした。溶解後の冷却方法は炉冷とした。
　溶解によりΦ６ｍｍの円柱状のインゴットを得、該インゴットに対し、均質化処理を行った後、ダイスを用いた伸線加工と中間熱処理を行いΦ３００μｍのワイヤを作製した。均質化処理の温度範囲は５００℃以上５６０℃未満、時間は３時間以上５時間未満とした。伸線加工時には市販の潤滑液を用い、伸線加工時のダイス１個あたりのワイヤ減面率は１０．５％以上１２．５％未満とした。中間熱処理の温度範囲は４００℃以上４４０℃未満で、中間熱処理の時間は１時間以上２時間未満とした。中間熱処理の回数は２回とし、１回目の中間熱処理を行う線径は最終線径の２．６～３．０倍、２回目の中間熱処理を行う線径は最終線径の１．６～２．０倍の線径で実施した。最終熱処理の温度範囲は２５０℃以上３６０℃未満、最終熱処理の時間は２０時間以上２４時間未満とした。
　一部の実施例では、伸線加工１におけるワイヤ送り速度を１５ｍ／分以上２５ｍ／分未満、伸線加工２におけるワイヤ送り速度を３０ｍ／分以上５５ｍ／分未満、伸線加工３におけるワイヤ送り速度を７０ｍ／分以上９０ｍ／分未満とした。一部の実施例では、最終線径での最終熱処理前に追加熱処理を行い、追加熱処理の条件は５４０℃以上５６０℃未満の温度範囲で、時間は１．５秒以上３．０秒未満とした。一部の実施例では、ダイス角度が１４°以上１８°未満のダイスを用いて伸線加工した。
　（元素含有量の測定方法）
　ボンディングワイヤに含まれる元素の濃度分析は、分析装置として、ＩＣＰ－ＯＥＳ（（株）日立ハイテクサイエンス製「ＰＳ３５２０ＵＶＤＤＩＩ」）又はＩＣＰ－ＭＳ（アジレント・テクノロジーズ（株）製「Ａｇｉｌｅｎｔ　７７００ｘ　ＩＣＰ－ＭＳ」）を用いて測定した。
　（Ｓｉ相の平均径、Ｓｉ相の形状の測定方法）
　Ａｌ合金ボンディングワイヤのＬ断面を検査面とし、Ｓｉ相の平均径、Ｓｉ相の形状を測定した。本発明において、ワイヤ中心軸、ワイヤ中心軸を含むワイヤ中心軸方向の断面（Ｌ断面）は、図１に示すとおりである。測定にはＦＥ－ＳＥＭとＥＤＳを用い、前述の手順でＳｉ相の平均径、Ｓｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）、ワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）を算出した。測定領域はワイヤ中心軸方向に２００μｍ、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。Ａｌ合金ボンディングワイヤのＬ断面を露出させるために断面加工する際は、ワイヤ中心軸からずれることがある。このときＬ断面のワイヤ中心軸に垂直な方向の長さが、ワイヤ線径の９０％以上であれば、ワイヤ中心軸を含んだ断面と見なすことができる。これは、Ｌ断面の垂直な方向の長さが９０％以上であればワイヤ中心軸からのずれがＳｉ相の平均径やＳｉ相の形状の測定結果に及ぼす影響が無視できるほど小さいためである。
　（Ｓｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率の測定方法）
　Ａｌ合金ボンディングワイヤのＬ断面を検査面とし、Ｓｉ相のワイヤ中心軸方向の結晶方位のうち、ワイヤ中心軸方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１０＞の方位比率を測定した。結晶方位＜１１０＞の方位比率の測定には、ＳＥＭ－ＥＤＳによって得られるＳｉ濃度の情報とＥＢＳＤによって得られる結晶方位の情報を組み合わせる手法を用いた。詳細には、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行った。続いて、ＥＤＳの測定結果からＳｉ相と特定された領域について、装置に付属している解析ソフトを利用することにより、結晶方位＜１１０＞の方位比率を算出した。ワイヤ中心軸方向に対して１ｍ以上の間隔で３箇所の測定領域を無作為に選択し、３箇所の測定領域から得られたＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率の算術平均値を、測定サンプルのＳｉ相の結晶方位＜１１０＞の方位比率とした。測定領域はワイヤ中心軸方向に２００μｍ、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るように決定した。
　（α相の平均径の測定方法）
　Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤのＬ断面を検査面とし、ＥＤＳを用いたＡｌとＳｉの濃度測定と、ＥＢＳＤを用いた結晶方位解析を同時に行った。続いて、ＥＤＳの測定結果からα相と同定された領域について、装置に付属している解析ソフトを利用して、測定点間の方位差が１５°以上であれば結晶粒界と判断して円相当直径を算出した。各α相の円相当直径の算術平均値をα相の平均径とした。測定領域はワイヤ中心軸方向に２００μｍ、ワイヤ中心軸と垂直な方向にはワイヤ全体が入るようにした。
　（Ａｌ合金ボンディングワイヤの評価方法）
　Ａｌ合金ボンディングワイヤの評価方法について説明する。評価に用いたＡｌ合金ボンディングワイヤの線径はΦ３００μｍとした。半導体チップはＳｉ製のものを用い、半導体チップ上の電極には、組成がＡｌ－０．５％Ｃｕの合金を厚さ５μｍで成膜したものを用いた。基板にはＡｌ合金にＮｉを１５μｍ成膜したものを用いた。Ａｌ合金ボンディングワイヤの接合には市販のワイヤボンダー（超音波工業社製）を用いた。
　（温度サイクル信頼性の評価方法）
　温度サイクル試験の評価には市販の冷熱衝撃試験装置を用いた。温度サイクル試験では低温槽と高温槽の間を試料室が移動することにより昇温、降温を繰り返す。低温槽の温度を－４０℃、高温槽の温度を１７５℃とした。試料室が高温槽にある状態から試験を開始し、低温槽に移動して高温槽に戻ってくるまでを１サイクルとした。低温槽および高温槽に試料室が滞在する時間は各々２０分間とした。温度サイクル試験を行うサンプルは基板に半導体チップを搭載した構造とし、半導体チップ上の電極と基板上の電極間をＡｌ合金ボンディングワイヤで接続した。試験開始後は１００サイクル毎にサンプルを取り出し、１ｓｔ接合部のせん断試験を行った。温度サイクル信頼性の評価に用いる１ｓｔ接合部のせん断強度の値には、無作為に抽出した５箇所の１ｓｔ接合部のせん断強度の算術平均値を用いた。せん断強度が温度サイクル試験前の値に対して７０％以下に低下した時点のサイクル数を接合部寿命とし、接合部寿命が５００サイクル未満であれば実用上問題があると判断し「０」、接合部寿命が５００サイクル以上７５０サイクル未満であれば実用上問題ないと判断し「１」、接合部寿命が７５０サイクル以上１０００サイクル未満であれば優れていると判断し「２」、接合部寿命が１０００サイクル以上であれば特に優れていると判断し「３」とした。「０」が不合格であり、「１」、「２」、「３」が合格である。評価結果は表中の「温度サイクル信頼性」の欄に記載した。
　（高速温度サイクル信頼性の評価方法）
　高速温度サイクル試験の評価には市販の高速冷熱衝撃試験装置を用いた。高速温度サイクル試験を行うサンプルは温度サイクル信頼性の評価に用いるサンプルと同様とした。高速冷熱衝撃試験装置の試料室内に設置したサンプルに対して加熱と冷却を１サイクルとして熱的負荷を繰り返し与えた。最低温度は－５０℃、最高温度は１７５℃とした。昇温時間を含む加熱時間は２０秒、降温時間を含む冷却時間は４０秒とした。試験開始後は５００サイクル毎にサンプルを取り出し、１ｓｔ接合部のせん断試験を行った。温度サイクル信頼性の評価に用いる１ｓｔ接合部のせん断強度の値には、無作為に抽出した５箇所の１ｓｔ接合部のせん断強度の算術平均値を用いた。せん断強度が温度サイクル試験前の値に対して７０％以下に低下した時点のサイクル数を接合部寿命とし、接合部寿命が４０００サイクル未満であれば実用上問題があると判断し「０」、接合部寿命が４０００サイクル以上６０００サイクル未満であれば実用上問題ないと判断し「１」、接合部寿命が６０００サイクル以上８０００サイクル未満であれば優れていると判断し「２」、接合部寿命が８０００サイクル以上であれば特に優れていると判断し「３」とした。「０」が不合格であり、「１」、「２」、「３」が合格である。評価結果は表中の「高速温度サイクル信頼性」の欄に記載した。
　（１ｓｔ接合性の評価方法）
　１ｓｔ接合性の評価方法について説明する。１ｓｔ接合性はせん断強度試験により評価した。一般的な接合条件で１０箇所の１ｓｔ接合を行い、１ｓｔ接合部のせん断強度を測定した。せん断強度の測定には、市販の微小せん断強度試験機を用いた。せん断速度は２００μｍ／秒、せん断ツールの高さは電極表面から１０μｍとした。せん断強度の測定は、ワイヤを接合した基板を治具で固定して行った。１０箇所の１ｓｔ接合部のうち、せん断強度が８００ｇｆ未満となる箇所が１箇所でもあれば不合格と判断し「０」、１０箇所ともせん断強度が８００ｇｆ以上１１００ｇｆ未満である場合は実用上問題ないと判断し「１」と評価した。さらに、１０箇所のうちせん断強度が８００ｇｆ未満の箇所がなく、１１００ｇｆ以上の箇所が含まれる場合は優れていると判断し「２」と評価した。また、せん断強度試験後に半導体チップ上の電極をアルカリ等で除去して、半導体チップを光学顕微鏡で観察したときに半導体チップにき裂が認められた場合は、１ｓｔ接合部のせん断強度が８００ｇｆ以上であっても実用上問題があると判断し「０」と評価した。「０」が不合格であり、「１」、「２」が合格である。評価結果は表中の「１ｓｔ接合性」の欄に記載した。
　（２ｎｄ接合部の接合強度安定性の評価方法）
　無作為に選択した５０か所の２ｎｄ接合部に対してせん断強度試験を行い、接合強度を取得して母標準偏差（σ）を算出した。σが８０ｇｆ以上の場合は実用上問題があると判断し「０」、σが４０ｇｆ以上８０ｇｆ未満であれば良好と判断し「１」、σが４０ｇｆ未満であれば優れていると判断し「２」と評価した。「０」が不合格であり、「１」、「２」が合格である。評価結果は表中の「２ｎｄ接合部の接合強度安定性」の欄に記載した。
　（ループ直進性の評価方法）
　ループ直進性の評価方法について説明する。ループの形成条件は、ループ長さを３５．０ｍｍ、ループ高さ８ｍｍとした。ワイヤ接合部間の距離をＸ、基板を真上から光学顕微鏡で観察した際のワイヤ中心軸を通る線の長さをＹとしたとき、接合した１０本のボンディングワイヤについてＹをＸで除した値（すなわち、Ｙ／Ｘ）の算術平均値が１．０４≦Ｙ／Ｘであれば不良と判定し「０」、１．０２≦Ｙ／Ｘ＜１．０４であれば良好と判定し「１」、Ｙ／Ｘ＜１．０２であれば優れていると判定し「２」と評価した。「０」が不合格であり、「１」、「２」が合格である。評価結果は表中の「ループ直進性」の欄に記載した。
　（高温高湿環境における耐食性の評価方法）
　一般的な接合条件でＡｌ合金ボンディングワイヤを１０本接合し、エポキシ樹脂で封止した後、高温高湿炉内に放置した。高温高湿試験の試験条件は温度を１３０℃、相対湿度を８５％とし、高温高湿炉内の雰囲気は大気雰囲気とした。高温高湿試験後のサンプルについて、ワイヤループ部分についてワイヤ中心軸を含むワイヤ中心軸方向の断面を機械研磨によって露出させ、５００時間毎にＡｌ合金ボンディングワイヤに腐食が発生しているかどうかを調べた。腐食発生有無の確認にはＦＥ－ＳＥＭを用いた。観察する視野は、線径の９９％以上、ワイヤ中心軸方向の長さは１ｍｍ以上とした。腐食の有無を確認する箇所は観察する視野内全体とした。２５００時間経過後に２００倍の倍率で１０本のワイヤの表面を観察し、ワイヤの表面からワイヤ中心軸に向かって１５μｍの位置に腐食が認められた場合は実用上問題があると判断し「０」、１０本ともワイヤの表面からワイヤ中心軸に向かって１５μｍの位置に腐食が認められない場合は実用上問題ないと判断し「１」と評価した。さらに、３５００時間経過した時点で１０本ともワイヤの表面からワイヤ中心軸に向かって１５μｍの位置に腐食が認められない場合は、優れていると判断し「２」と評価した。ワイヤの腐食の中でワイヤの円周方向に向かって腐食が進んでいる場合であっても、ワイヤの表面からワイヤ中心軸に向かって１５μｍ以上の位置に腐食が認められない場合であれば実用上問題ないと判断した。「０」が不合格であり、「１」、「２」が合格である。評価結果は表中の「高温高湿環境における耐食性」の欄に記載した。
　実施例及び比較例の評価結果を表１～表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　実施例Ｎｏ．１～８０のボンディングワイヤはいずれも、Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有すると共に、そのＬ断面におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下であり、優れた温度サイクル信頼性と良好な１ｓｔ接合性を呈することを確認した。
　加えて、Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）の比（ａ／ｂ）の平均値が１．３以上３．２以下である実施例Ｎｏ．２、３、５～８、１０、１１、１３～２２、２４、２５、２７～３０、３２～３８、４０～４２、４４、４６、４８、５０、５１、５４、５５、５８～６０、６２～６４、６６～７２、７４～７６、７８～８０のボンディングワイヤは、高速温度サイクル信頼性においてより良好な結果を呈することを確認した。
　また、Ｌ断面におけるα相の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下である実施例Ｎｏ．９～２２、３１～４８、５７～６４、７３～８０のボンディングワイヤは、２ｎｄ接合部の接合強度安定性においてより良好な結果を呈することを確認した。
　Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位を測定した結果において、結晶方位＜１１０＞の方位比率が３０％以上８０％以下である実施例Ｎｏ．３５～４８、６１～６４、７７～８０のボンディングワイヤは、ループ直進性においてより良好な結果を呈することを確認した。
　さらに、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔの一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含む実施例Ｎｏ．１７～２２、４３～４８のボンディングワイヤは、高温高湿環境における耐食性においてより良好な結果を呈することを確認した。
　他方、比較例Ｎｏ．１～６のボンディングワイヤは、Ｓｉ濃度、Ｌ断面におけるＳｉ相の平均径の少なくとも一方が本発明範囲外であり、温度サイクル信頼性および１ｓｔ接合性のいずれかが十分に得られないことを確認した。

Claims (7)

  1. 　Ｓｉを３．０質量％以上１０．０質量％以下含有するＡｌ合金ボンディングワイヤであって、前記Ａｌ合金ボンディングワイヤのワイヤ中心軸を含むワイヤ中心軸方向の断面（Ｌ断面）におけるＳｉ相の平均径が０．８μｍ以上５．５μｍ以下である、Ａｌ合金ボンディングワイヤ。
  2. 　Ｌ断面におけるＳｉ相のワイヤ中心軸方向の長さ（ａ）とワイヤ中心軸に垂直な方向の長さ（ｂ）の比（ａ／ｂ）の平均値が１．３以上３．２以下である、請求項１に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
  3. 　Ｌ断面におけるα相の平均径が５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１又は２に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
  4. 　Ｌ断面におけるＳｉ相の結晶方位を測定した結果において、ワイヤ中心軸方向の結晶方位のうち、ワイヤ中心軸方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１０＞の方位比率が３０％以上８０％以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
  5. 　さらにＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれか一種以上を総計で３質量ｐｐｍ以上１５０質量ｐｐｍ以下含有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
  6. 　残部がＡｌ及び不可避不純物からなる、請求項１～５のいずれか１項に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤ。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のＡｌ合金ボンディングワイヤを含む半導体装置。
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