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WO2025028381A1 - アルミニウム配線材及びその製造方法 - Google Patents

アルミニウム配線材及びその製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2025028381A1
WO2025028381A1 PCT/JP2024/026568 JP2024026568W WO2025028381A1 WO 2025028381 A1 WO2025028381 A1 WO 2025028381A1 JP 2024026568 W JP2024026568 W JP 2024026568W WO 2025028381 A1 WO2025028381 A1 WO 2025028381A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wiring material
less
aluminum wiring
ratio
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/026568
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
杉山　利彦
道孝 三上
陳▲イ▼
淳 千葉
修一 三苫
幸弘 彌永
司 市川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tanaka Denshi Kogyo KK
Original Assignee
Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tanaka Denshi Kogyo KK filed Critical Tanaka Denshi Kogyo KK
Publication of WO2025028381A1 publication Critical patent/WO2025028381A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/02—Single bars, rods, wires, or strips
    • H10W72/071—

Definitions

  • the present invention relates to aluminum wiring material, particularly conductive aluminum wiring material that has excellent bonding reliability at high temperatures, excellent followability during bonding, and high strength against vibration, and a method for manufacturing the same.
  • aluminum wiring materials have been used as wiring materials to connect the electrodes and bus bars of lithium-ion batteries and as bonding wiring materials for power semiconductors.
  • Lithium-ion batteries are used as drive batteries (power sources) in hybrid vehicles (HVs), plug-in hybrid vehicles (PHVs, PHEVs), and electric vehicles.
  • Hybrid vehicles and plug-in hybrid vehicles are driven by a gasoline engine and an electric motor. Electric vehicles are driven only by an electric motor.
  • Hybrid vehicles and electric vehicles run by driving an electric motor with electricity stored in the lithium-ion battery.
  • drive batteries other than lithium-ion batteries include lead-acid batteries and nickel-metal hydride batteries, but because lithium-ion batteries are light, small, high-output, and have a long lifespan, they are increasingly being used in electric vehicles that prioritize fuel efficiency.
  • Cylindrical batteries are often used as lithium batteries for the drive batteries of electric vehicles because they are small, have a stable shape, and are easy to replace. Cylindrical batteries have a structure in which an electrolyte solution is sealed in a cylindrical metal case.
  • a battery pack using cylindrical batteries consists, for example, of an outer case to which lead members (bus bars) are connected, multiple cylindrical batteries housed in the outer case, and wiring material that connects the electrodes of the cylindrical batteries to the lead members.
  • Aluminum wiring material made of an aluminum alloy is widely used as the wiring material for these cylindrical batteries because it is advantageous in terms of conductivity and cost.
  • Power semiconductors are also called power chips, power semiconductors, power devices, power elements, and power semiconductor elements. Power semiconductors are composed of power chips and bonding wiring materials that connect the power chips to each other and to external electrodes. Power semiconductors are responsible for driving motors, charging batteries, and supplying power to operate microcontrollers and large-scale integrated circuits (LSIs).
  • the main power chips used in the transportation field, such as automobiles, are insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), which are suitable for high power.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistors
  • bonding wiring materials for power semiconductors relatively thick aluminum wiring materials with wire diameters of 40 ⁇ m to 700 ⁇ m are often used to pass large currents.
  • a power supply circuit that combines multiple power semiconductors and is integrated into one package is called a "power module.”
  • a common method is to hold the tip of the wiring material with a gripping device called a wedge tool (sometimes simply called a "tool"), and while applying ultrasonic waves to the wiring material, press the wiring material together with the wedge tool against a lead material or electrode, crushing and deforming it, thereby joining the lead material or electrode to the wiring material.
  • a wedge tool sometimes simply called a "tool”
  • Electric vehicles are used in a variety of external environments, including cold regions, tropical regions, and regions with high humidity and salt. For example, when an electric vehicle is driven in cold or tropical regions, it is exposed to low and high temperatures and these temperature changes for long periods of time.
  • the power modules and drive batteries installed in electric vehicles, as well as the aluminum wiring materials connected to them are required to be compatible with all possible environments in which electric vehicles will be used, such as those mentioned above.
  • the power module and drive battery of an electric vehicle are also subject to temperature changes due to heating and cooling caused by electric current.
  • An electric vehicle repeats a cycle of stopping the current when it is stopped and starting the current when it starts driving.
  • the power chip heats up and becomes hot due to the current, and cools down rapidly when the current is stopped.
  • the aluminum wiring material bonded to the power chip and drive battery is also exposed to a temperature cycle of heating and cooling.
  • the accelerator and brake are frequently repeated, and this temperature cycle of heating and cooling is also frequently repeated.
  • thermal stress is generated due to the difference in the thermal expansion coefficient between the power chip and the aluminum wiring material, which can cause metal fatigue in the joint between the power chip and the aluminum wiring material and in the aluminum wiring material.
  • the possibility of peeling or breaking of the joint and the possibility of cracks occurring in the aluminum wiring material increase. Therefore, there has been a demand for an aluminum wiring material that can demonstrate long-term reliability of the joint even when such a temperature cycle of heating and cooling is repeated.
  • power transistors a type of power semiconductor
  • Inverters are installed in energy-saving (hereafter also referred to as "energy-saving") home appliances such as air conditioners, refrigerators, and washing machines.
  • the power transistor switches the current on and off, and the inverter controls the rotation speed of the motor that drives the home appliance.
  • energy-saving energy-saving
  • By using an inverter it is possible to reduce unnecessary motor movement and achieve energy savings, while, for example, in an air conditioner, it is possible to maintain a stable room temperature.
  • a temperature cycle of heating and cooling of the wiring material is repeated by turning on and off the current.
  • Patent Document 1 is "an aluminum alloy thin wire for ultrasonic bonding of semiconductor devices, which consists of 0.2 to 2.0 mass % iron (Fe) and the remainder being aluminum (Al) with a purity of 99.99 mass % or more, characterized in that iron (Fe) is dissolved in the aluminum (Al) matrix of the aluminum alloy thin wire at 0.01 to 0.05%, and the wiredrawing matrix structure in the cross section of the aluminum alloy thin wire is a homogeneous fine recrystallized structure on the order of several ⁇ m, with iron (Fe)-aluminum (Al) intermetallic compound particles uniformly crystallized at the interface and inner surface of the structure.”
  • Patent Document 1 describes how, by adding a solution treatment and rapid cooling process before the thermal refining treatment, the amount of iron (Fe) dissolved in the aluminum (Al) matrix is increased to 0.052%, which is the solid solubility limit at 650°C, and then normal continuous cold wire drawing and thermal refining treatment are performed to refine the crystal grain size of
  • Patent Document 2 is "an aluminum alloy wire for ultrasonic bonding with an aluminum pad of a semiconductor element, the wire being made of 0.01-0.2 mass% iron (Fe), 1-20 mass ppm silicon (Si), and the remainder being a high-purity aluminum (Al) alloy, the aluminum alloy wire being an alloy made of 0.01-0.2 mass% iron (Fe), 1-20 mass ppm silicon (Si), and the remainder being aluminum (Al) with a purity of 99.997 mass% or more, 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 the wire has a fine structure with an average crystal grain size of 6-12 ⁇ m.”
  • Patent Document 2 describes how the recrystallization temperature is stabilized by maintaining the ratio of the amount of Fe precipitated to the amount of Fe in solid solution within a certain range, and how the strength is improved by adding a small amount of Si, resulting in stabilization of the thermal shock test results (see paragraph 0012 of the thermal
  • Patent Document 3 is characterized in that "it is made of Al or an Al alloy, has an average crystal grain size of 0.01 to 50 ⁇ m in a cross section perpendicular to the axis of the wiring, and is characterized in that, when the crystal orientation is measured on the cross section perpendicular to the axis of the wiring, the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 111>, which has an angle difference of 15° or less with respect to the longitudinal direction of the wiring, among the crystal orientations in the longitudinal direction of the wiring, is 30 to 90%.”
  • Patent Document 3 also describes that the reliability of the joints in the semiconductor device after long-term operation at high temperatures can be ensured even when the semiconductor device is used continuously for long periods of time in a high-temperature environment (see paragraph 0012 of the specification).
  • Patent Document 4 The invention described in Patent Document 4 is characterized by "containing, by mass%, 0.02-1% Fe, 0.05-0.5% total of at least one of Mn and Cr, the remainder being Al and unavoidable impurities, and the total of the dissolved amounts of Fe, Mn, and Cr being 0.01-1%.”
  • Patent Document 4 describes that by containing a predetermined amount of one or both of Mn and Cr in addition to Fe, and by setting the total of the dissolved amounts of Fe, Mn, and Cr to 0.01-1% in the solution heat treatment and subsequent quenching treatment, the recrystallization temperature of the wire is increased, and the progress of recrystallization of the bonding wire can be sufficiently suppressed and a decrease in the strength of the wire can be prevented even when the semiconductor device is used continuously for a long period of time in a high-temperature environment (see paragraph 0014 of the specification).
  • the area ratio of crystals in which the angle difference between the crystal ⁇ 111> orientation and the longitudinal direction of the wire is within 15° is preferably 30 to 90%, and that this allows recrystallization to proceed appropriately due to the thermal refining treatment during wire drawing, softening the wire, and preventing chip cracking during bonding and reduced bondability of the joint (see paragraph 0026 of the same specification).
  • Patent Document 5 is "an aluminum wire made of an aluminum alloy with an aluminum purity of 99% by mass or more, containing a total of 0.01% by mass or more and 1% by mass or less of iron and silicon relative to the total amount of the aluminum alloy, and characterized in that the (111) orientation index is 1 or more and the (200) orientation index is 1 or less in a cross section perpendicular to the wire axis of the aluminum wire, and the area ratio of precipitated particles is 0.02% to 2% or less.”
  • Patent Document 5 describes that by containing a predetermined amount of iron and silicon and making the (111) orientation index 1 or more and the (200) orientation index 1 or less in a cross section perpendicular to the wire axis, a long life is achieved in a power cycle test (see paragraph 0044 of the specification), and further, by making the area ratio of precipitated particles 0.02% to 2% or less, it is possible to prevent the wire from coming off the wedge tool during bonding wire bonding for power semiconductors (see paragraph 0050 of the
  • Reducing the wiring resistance in semiconductor packages is also important in terms of energy conservation in electric vehicles and home appliances.
  • the wiring resistance i.e. the power consumed by the electrical resistance of aluminum wiring material
  • it is effective to reduce the length of the wiring material by joining the loop with a low height (low loop) and short loop length (short loop).
  • the loop height here refers to the height from the lowest point of the wiring material joint to the highest point of the loop
  • the loop length refers to the straight-line distance between both ends of the first joint and the second joint.
  • the conventional wiring materials aimed at long-term reliability tend to have higher strength, while the stronger the wiring material, the poorer the vibration resistance. This is because the vibration resistance is improved by increasing the elongation rate of the wiring material by reducing the alloy components of the aluminum wiring material, but the breaking strength is lowered and the long-term reliability of the joint is reduced.
  • the strength of aluminum wiring materials has increased, making it more difficult to achieve both vibration resistance and high reliability.
  • Figure 1 shows enlarged photographs of the first and second joints of a bonding example (bonding example 1) in which tool removal occurred due to wiring material with insufficient followability to the wedge tool, and a bonding example (bonding example 2) in which tool removal did not occur.
  • the upper and lower photographs on the left side of Figure 1 are the first and second joints made of wiring material that has come off the wedge tool.
  • the upper and lower photographs on the right side of Figure 1 are normal first and second joints made of wiring material that has not come off the wedge tool.
  • the bonding material in bonding example 1 does not have sufficient conformability, and non-adhesion occurs at the first joint due to tool coming off.
  • Electric vehicles are used in a variety of environments, including areas with poorly maintained roads and low flatness. For example, when an electric vehicle runs on low flatness areas, not only the vehicle body but also the various parts and devices installed in the electric vehicle are constantly exposed to vibrations due to the unevenness of the road surface. Therefore, there is a concern that power semiconductors using aluminum wiring material that does not have sufficient vibration resistance may break down while the electric vehicle is running. Furthermore, while the electric vehicle is running, the power semiconductors are also subjected to temperature cycles. Therefore, to ensure safety, aluminum wiring material installed in electric vehicles is required to have a high degree of vibration resistance and long-term reliability of the joints.
  • the inventors have been working hard to develop aluminum wiring material that is small, thin, has high driving force, and saves energy, aiming to apply it to products with higher performance and functionality. As a result, they have discovered that when aluminum wiring material is bonded to a power chip in a small bonding space, bending stress at the neck part of the aluminum wiring material (the rising part of the wiring material bonded to the semiconductor) increases as the thickness of the wiring material increases.
  • the temperature cycles can cause breakage of the joints, particularly cracks on the lower side of the neck (the side that is bonded to the chip), and cracks on the upper side due to bending stress in the neck. They also found that, depending on how these cracks occur, they can cause the wiring material to break.
  • FIG. 5 is a diagram showing the observation area R of the aluminum wiring material when observing upper cracks.
  • aluminum wiring material 51 is second bonded (wedge bonded) onto aluminum pad 53 on the surface of TEG (Test Element Group) chip 52.
  • Figure 6 shows a photograph of the part corresponding to observation area R in a photograph taken with SEM-BEI (scanning electron microscope backscattered electron image) of the neck rise part of the aluminum wiring material after wedge bonding to the TEG chip with a low loop and then sealing with resin, heating and cooling by electric current, and application of vibrations are repeated a certain number of times.
  • Figure 7 is a photograph of an enlarged part of Figure 6.
  • Figures 6 and 7 show that small cracks exist in region P shown above the wiring material at the neck rise.
  • Figure 8 is a photograph of aluminum wiring material in which no cracks were observed in observation region R.
  • fine cracks such as those shown in Figures 6 and 7 can occur on the upper side of the neck. Cracks can also occur on the lower side of the neck. If cracks progress on both the upper and lower sides of the neck, the combined effect of the two cracks can accelerate the progression of the cracks, potentially increasing the risk of the neck breaking.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide an aluminum wiring material that has excellent long-term reliability of bonding under temperature cycles, excellent compliance with wedge tools, and excellent vibration resistance.
  • the present invention also aims to provide a manufacturing method for aluminum wiring material that has excellent long-term reliability of bonding, excellent compliance with bending, and excellent vibration resistance.
  • the embodiments of the present invention are as follows.
  • the aluminum wiring material is characterized in that it contains, relative to its total amount, at least one of the elements iron (Fe) and silicon (Si) in a total amount of 0.01 mass% or more and
  • Mg magnesium
  • Cu copper
  • Ni nickel
  • Zn zinc
  • Cr chromium
  • Mn manganese
  • titanium (Ti) titanium
  • zirconium (Zr) zirconium
  • Sc scandium
  • a method for producing an aluminum wiring material comprising: A step of preparing an aluminum alloy having a purity of less than 99.9 mass%, which contains at least one element of iron (Fe) and silicon (Si) in a total amount of 0.01 mass% or more and 1 mass% or less, and at least one element of gallium (Ga) and vanadium (V) in a total amount of 50 mass ppm or more and 800 mass ppm or less; and drawing the aluminum alloy.
  • the ratio of the crystal orientation ⁇ 112> which has an angle difference of 10° or less with respect to the longitudinal direction of the aluminum wiring material, is 45% or less; the ratio of the number of precipitated particles having an aspect ratio of 4 or more to the total number of precipitated particles in the aluminum wiring material is 0.5% or more and 16% or less;
  • a method for producing an aluminum wiring material comprising: A step of preparing an aluminum alloy having a purity of less than 99.9 mass%, which contains at least one element of iron (Fe) and silicon (Si) in a total amount of 0.01 mass% or more and 1 mass% or less, and at least one element of gallium (Ga) and vanadium (V) in a total amount of 50 mass ppm or more and 800 mass ppm or less; and drawing the aluminum alloy under the condition that the reduction in area (working rate) per die is 5% or more and 40% or less, In a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the aluminum wiring material, The orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 112>, which has an angle difference of 10° or less with respect to the longitudinal direction, is 45% or less; the ratio of the number of precipitated particles having an aspect ratio of 4 or more to the total number of precipitated particles is 0.5% or more and 16% or less;
  • the load stress ratio defined in the following (1) is 0.4 or more and 0.9 or less, Lo
  • an aluminum wiring material that has excellent long-term reliability of bonding under temperature cycles, excellent compliance with wedge tools, and excellent vibration resistance.
  • FIG. 1 is a graph of an S-N curve.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional shape of an aluminum wiring material.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a simulated power semiconductor device for evaluation in a resin-encapsulated state for evaluating power cycle life and vibration fatigue.
  • 1 is a diagram showing an observation region R of an aluminum wiring material when observing an upper crack. This is a photograph of an aluminum wiring material with a crack occurring on the upper side.
  • FIG. 7 is an enlarged photograph of a part of FIG. This is a photograph of an aluminum wiring material with no cracks on the upper side.
  • the aluminum wiring material of the embodiment is an aluminum wiring material made of aluminum with a purity of less than 99.9 mass%, and in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the aluminum wiring material, the orientation ratio of the crystal orientation ⁇ 112>, which has an angle difference of 10° or less with respect to the longitudinal direction, is 45% or less.
  • the inventors produced multiple wiring material samples using aluminum of different compositions and manufacturing conditions, and evaluated the long-term reliability of the junctions (hereinafter also referred to as "power cycle life") for each sample, as described below, while also carefully observing the cross-sectional structure perpendicular to the longitudinal direction of the wiring material samples.
  • power cycle life the long-term reliability of the junctions
  • the ratio of crystal orientation ⁇ 111> is widely controlled.
  • the ratio of crystal orientation ⁇ 111> it has become possible to put into practical use wire products that are easy to process and soft.
  • controlling the ratio of crystal orientation ⁇ 111> alone is not enough to solve the problems of improving the long-term reliability of the joint under temperature cycles, improving the ability to follow the wedge tool, and improving vibration resistance as described above. Therefore, the inventors of the present invention thought that it is important to mix specific orientations that have higher deformation resistance due to the nature of the metal structure than the ⁇ 111> orientation and optimize their ratio in order to solve the problems described above.
  • the abundance ratio of the crystal orientation ⁇ 112> which has an angle difference with the longitudinal direction of 10° or less, is 45% or less, thereby achieving an excellent power cycle life and also achieving high vibration resistance, which will be described later.
  • the abundance ratio of the crystal orientation ⁇ 112> is preferably 10% or more and 40% or less, and more preferably 15% or more and 35% or less.
  • the power cycle test is a test in which a current is passed through the aluminum wiring material so that the surface temperature of the power chip bonded to the aluminum wiring material reaches 150° C., and then the current is stopped and the power chip is cooled down to a surface temperature of 25° C. This test repeats cycles of rapid cooling and rapid heating with a temperature difference of 125° C., and evaluates the number of cycles until a problem occurs in the operation of the power chip. The number of cycles at which current can no longer be passed is determined as the sample life (power cycle life) of the power cycle test. The longer the power cycle life, the better the long-term reliability of the bond.
  • the inventors then carefully observed the metal structure of cross sections perpendicular to the longitudinal direction of wiring material samples fabricated in the same manner as above. As a result, they discovered that the precipitated particles on the aluminum-based matrix differ in shape (aspect ratio of the long and short axes when approximated as an ellipse) and in the distribution of the aspect ratios of the precipitated particles, depending on the composition of the wiring material sample and the manufacturing conditions.
  • the ratio of the number of precipitate particles having an aspect ratio of 4 or more to the total number of precipitate particles in a cross section perpendicular to the longitudinal direction is 0.5% or more and 16% or less.
  • the ratio of the number of precipitate particles having an aspect ratio of 4 or more is preferably 0.7% or more and 12% or less, and more preferably 1% or more and 8% or less.
  • the precipitated particles are particles with a size (maximum particle length) of approximately 30 ⁇ m or less, and are shaped like lumps, rings, plates, needles, roughly spherical particles, irregular shapes, etc. These are thought to include particles that crystallize or precipitate during the manufacturing process, as well as particles contained in the aluminum raw materials.
  • the precipitated particles are also thought to include any one or more of the following: alloys of aluminum and iron, intermetallic compounds, alloys of aluminum, iron, and silicon, intermetallic compounds, and precipitates of silicon alone.
  • the number of precipitated particles and the distribution of the aspect ratios of the precipitated particles can be controlled by the composition of the wiring material (the proportion of iron and silicon), the heat treatment temperature, time, timing of the heat treatment, wire drawing conditions, etc.
  • the measurement points it is preferable to ensure the objectivity of the measurement data.
  • shorter intervals may be used as long as the objectivity of the measurement data can be ensured.
  • the number of precipitated particles and the distribution of the aspect ratios of the precipitated particles can be observed as follows.
  • the observation surface of the observation sample is exposed by embedding polishing, and then buffing and milling are performed to remove any irregularities and contamination on the sample surface (to make the surface extremely clean).
  • the precipitated particles are identified at 1,000x magnification using an FE-SEM (field emission scanning electron microscope, Hitachi High-Tech SU8220), and then the accelerating voltage is set to 5 kV and the working distance (WD) to 10 mm, and the particles are observed using a backscattered electron image (BED-C).
  • the precipitated particles are observed over a wide range of the cross section at 400x magnification, and one to three average locations of the particle distribution are observed at 1,000x magnification. If it is difficult to identify the average location at 1,000x magnification, it is advisable to observe around three locations at 1,000x magnification. In this way, when observing a plurality of locations, the average value of the observed locations should be taken as the aspect ratio value. In addition, if it is desired to observe the entire sample, observation may be performed at 400x magnification, but for samples with fine particles, observation at 1,000x magnification is more preferable than observation at 400x magnification.
  • the observer may select the observation magnification appropriately depending on the wire diameter and particle size, but from the viewpoint of measurement accuracy, observation at 1,000x magnification can obtain a more accurate value.
  • the observation of precipitated particles is preferably performed at a magnification of 400x or more and 1,000x or less, and within this range, a higher magnification is more preferable.
  • the image obtained is adjusted so that the precipitated particles and the aluminum base are clearly visible.
  • the composition of the aluminum wiring material differs from that of other areas, so precipitate particles with smaller atomic weight (density) than aluminum, for example, are displayed as pixels with high brightness values.
  • areas other than the precipitate particles (in the aluminum matrix) are displayed with low brightness values.
  • the brightness values of this FE-SEM image are normalized to a range of 0 to 1 to make it easier to distinguish precipitate particles.
  • a luminance value threshold value e.g., 0.95 capable of separating precipitate particles from other regions is determined using a histogram or the like, and binarized to 1 and 0 at the threshold value. As a result, regions with a luminance value of 0 are shown as black, and regions with a luminance value of 1 are shown as white.
  • the number of regions (regions with a luminance value of 1) observed as precipitate particles in the processed image binarized to 1 and 0, and the aspect ratio of each region are measured using an image analysis program (e.g., an image analysis program using MATLAB language). From the calculated number of precipitate particles and the aspect ratio (distribution of aspect ratio) of each precipitate particle, the ratio of the number of precipitate particles with an aspect ratio of 4 or more to the total number of precipitate particles is calculated.
  • the region observed as precipitate particles is approximated to an ellipse, and the value of the major axis/minor axis of the ellipse is calculated as the aspect ratio of the precipitate particle.
  • the elliptical approximation of the precipitate particle can be performed by the least squares method using the center coordinates of the precipitate particle and the coordinates of each point on the periphery of the precipitate particle region. If it is difficult to identify precipitated particles using FE-SEM, the EDX mapping image may be used for binarization, but it is preferable to identify precipitated particles using FE-SEM.
  • the fine crystal grains in the crystal structure of the aluminum wiring material of this embodiment increase the elasticity of the crystal structure, which, in combination with the presence rate of the above-mentioned ⁇ 112> orientation ratio, further improves wedge tool followability.
  • the average crystal grain size in a cross section perpendicular to the longitudinal direction is preferably 40 ⁇ m or less, in which case wedge tool followability is more easily obtained.
  • the average crystal grain size is preferably 30 ⁇ m or less, and more preferably 20 ⁇ m or less.
  • the average crystal grain size is usually 1 ⁇ m or more.
  • the electron backscatter diffraction pattern (EBSP) method can be used to measure and analyze the cross-sectional crystal structure of aluminum wiring material.
  • the EBSP method makes it possible to measure the cross-sectional crystal structure of even thin wires, such as wiring material used in semiconductor bonding, with high precision and sufficient reproducibility.
  • the EBSP method can be used to measure and analyze the crystal orientation of the cross section of the wiring material with high precision. By measuring the crystal orientation at at least three different locations, and preferably at least ten different locations, it is possible to obtain an average value that takes variability into account.
  • the aluminum wiring material of this embodiment has a load stress ratio defined by the following (1) of 0.4 or more and 0.9 or less.
  • Load stress ratio fatigue limit / tensile strength ... (1)
  • vibrations caused by a car running or a person walking occur randomly in three directions, X, Y, and Z, and that the vibration frequency is often 40 Hz or less.
  • aluminum wiring materials installed in electric vehicles are pulled, compressed, and bent in three directions over a long period of time due to the above-mentioned stresses.
  • the inventors have investigated methods for evaluating the performance against such vibration loads with complex directionality. As a result, they have found that the above-mentioned vibration resistance correlates with the load stress ratio shown in the above formula (1).
  • the S-N curve shown in Figure 2 is a two-axis graph with the magnitude of this repeated stress on the Y axis and the number of repetitions on the X axis.
  • the S-N curve becomes horizontal around 10 to the power of 6 to 10 to the power of 7, and it may not break even if it is subjected to an infinite number of repeated stresses.
  • the value of the repeated stress at this time is called the fatigue limit.
  • the S-N curve of non-ferrous metals such as aluminum does not become horizontal as shown in Figure 2, and there is no fatigue limit.
  • the strength at a certain number of repetitions is considered to be the fatigue limit.
  • a repeated stress that does not break up until 10 to the power of 7 is called the 10 to the power of 7 time strength.
  • the 10 to the power of 7 time strength is used as the fatigue limit.
  • the fatigue limit is usually expressed as the maximum load stress (MPa).
  • MPa maximum load stress
  • the fatigue limit of the present invention can be measured as follows by performing a tensile fatigue test at room temperature (e.g., 25°C) in accordance with the spirit of JIS Z 2273:1978 using a dedicated tensile fatigue tester (ElectroPlusE3000 manufactured by Instron, hereinafter referred to as the "measurement device"): The aluminum wiring material to be evaluated is cut to a length slightly longer than 100 mm to obtain an evaluation sample with a measurement length of 100 mm. In addition, in order to calculate the value of the maximum load stress described later, the 0.2% proof stress value of the aluminum wiring material to be evaluated is obtained in advance by a tensile test.
  • the maximum load stress here is 90% of the 0.2% yield strength and any value less than 90%, and the minimum load stress is 10 MPa (fixed value).
  • the 90% value of the 0.2% yield strength is set as the maximum value, and any value less than 90% is set in ascending order, and the above loading and unloading are repeated at three or more different load cycles.
  • results are plotted on a semi-logarithmic graph with the x-axis representing the load cycle and the y-axis representing the maximum load stress ⁇ , and the x-axis representing logarithmic (logarithmic base is 10) to create an S-N curve.
  • the test conditions are adjusted so that the interval between the load cycles plotted on the graph is 1 or more in the logarithmic display and 10 to the power of 1 in the real display in the x-axis direction.
  • An approximate straight line is obtained from the plotted points by the least squares method, and the maximum load stress at which the load cycle does not lead to breakage at 10 to the power of 7 is obtained from the approximate straight line.
  • the maximum load stress at which the repeated load count of 107 does not result in fracture is the fatigue limit (MPa).
  • MPa the fatigue limit
  • the maximum load stress at a repeated load count that does not lead to fracture and is between 103 and 106 may be plotted at three or more points on a semi-logarithmic graph of an S-N curve, an approximation line is found from the plotted points by the least squares method, and the fatigue limit at a repeated load count of 107 may be estimated using the approximation line.
  • the test conditions are adjusted so that the interval between the plotted points in the x-axis direction is 1 or more in logarithmic display and 101 or more in real number display.
  • the test conditions are adjusted so that the interval between the plotted points in the x-axis direction is 1 or more in logarithmic display and 101 or more in real number display.
  • it is important to satisfy the following three conditions. (i) Both ends of the measuring length (the part being pulled) are fixed and do not move during the test. (ii) Both ends of the measuring length are pulled straight toward each other in one axial direction. (iii) The point of fracture during the tensile test is not the chuck part.
  • Tensile strength is obtained by dividing the maximum load (kgf) when both ends of an evaluation sample are pulled by a tensile testing device by the cross-sectional area of the wiring material. This maximum load is automatically calculated by converting the tensile force into an electrical signal in the tensile testing device. Note that the load stress ratio is calculated as the value of fatigue limit/tensile strength as shown in the above formula (1), but it may also be calculated as the value of maximum load in tensile fatigue test/maximum load in tensile test.
  • the aluminum wiring material of this embodiment has a load stress ratio of 0.4 or more and 0.9 or less, which significantly suppresses damage caused by vibration at the neck portion of the wiring material bonded to the semiconductor chip, thereby improving vibration resistance.
  • the load stress ratio is preferably 0.5 or more and 0.9 or less, more preferably 0.6 or more and 0.9 or less, and even more preferably 0.7 or more and 0.9 or less. If the load stress ratio is in this range, the vibration resistance effect can be improved.
  • the strength ratio is preferably 1.2 or more and 2.1 or less, and more preferably 1.4 or more and 1.9 or less.
  • the yield strength ratio is a value obtained by dividing the maximum stress (MPa) by the 0.2% yield strength (stress) (MPa).
  • MPa maximum stress
  • 0.2% strain load 0.2% strain load
  • the yield strength ratio can be calculated by applying these to the above formula (2). Also, the yield strength ratio may be calculated as the value of the maximum load of the tensile test / 0.2% strain load.
  • the wiring material sample is bonded to two aluminum plates at the first and second bonding portions using an ultrasonic bonding device (REBO7 wire bonder manufactured by Ultrasonic Industries) so that the loop height is 1 mm and the length is 7 mm, to obtain an evaluation sample.
  • an ultrasonic bonding device REBO7 wire bonder manufactured by Ultrasonic Industries
  • a vibration fatigue test is performed using a dedicated vibration fatigue tester manufactured based on JIS standards (e.g., CV-101M manufactured by AS ONE Corporation) to evaluate vibration resistance.
  • JIS standards e.g., CV-101M manufactured by AS ONE Corporation
  • the aluminum wiring material of this embodiment has excellent vibration resistance due to the above-mentioned configuration, and can suppress failures when exposed to vibration for long periods of time. Furthermore, power semiconductors are subjected to the above-mentioned vibrations under temperature cycles caused by electric currents, but the aluminum wiring material of this embodiment, due to the above-mentioned configuration, is extremely unlikely to break or break even when subjected to a combination of temperature cycles and vibrations. Therefore, a high level of safety can be achieved when used in electric vehicles.
  • Ultrasonic bonding a method for bonding aluminum wiring materials, applies ultrasonic waves while applying a load to the aluminum wiring materials, destroying oxide films on the bonding surfaces and deforming the wiring materials while bonding them. Therefore, the thicker the oxide films on the surfaces of the bus bars and electrodes to be bonded, the higher the load and energy of the ultrasonic waves applied to the aluminum wiring materials to remove them.
  • the vibrations can cause a decrease in the strength of the wiring materials, especially near the bonding boundary, which can result in a decrease in the long-term reliability of the bond.
  • the aluminum wiring materials of this embodiment can achieve excellent vibration resistance and power cycle life as described above, so that even aluminum wiring materials ultrasonically bonded at high loads and high energy can maintain the long-term reliability of the bond.
  • the aluminum wiring material of this embodiment has excellent vibration resistance, so it can be joined with a lower loop height, which contributes to the miniaturization of power semiconductors.
  • IGBTs, MOSFETs, etc. wiring materials and semiconductor chips are generally sealed with resin.
  • the sealing resin is not completely in contact with the wiring material or semiconductor chip, and gaps are generally generated between the resin and the wiring material or semiconductor chip. Due to these gaps, vibration resistance is required even in resin-sealed power semiconductors, just like those not sealed with resin.
  • the aluminum wiring material of this embodiment has a long power cycle life and excellent vibration resistance, so that even in resin-sealed power semiconductors, breakage due to temperature cycles and vibration can be suppressed.
  • the aluminum constituting the aluminum wiring material of this embodiment contains, relative to its total weight, at least one of the elements iron (Fe) and silicon (Si) in a total amount of 0.01% by weight to 1% by weight, and at least one of the elements gallium (Ga) and vanadium (V) in a total amount of 50 ppm by weight to 800 ppm by weight.
  • the aluminum wiring material of this embodiment contains these elements, and the above-mentioned distribution of precipitated particles can be obtained by adjusting the manufacturing conditions. Therefore, the aluminum wiring material of this embodiment can provide excellent vibration resistance and long-term reliability of the joint. Iron, silicon, gallium, and vanadium may be contained in the raw materials of the aluminum wiring material beforehand, or may be added during the manufacturing process of the aluminum wiring material.
  • a longer power cycle life can be obtained by having the total amount of at least one of the elements iron and silicon be 0.01 mass% or more. Since a long life is easily achieved, the total amount of iron and silicon is preferably 0.02 mass% or more, more preferably 0.05 mass% or more, even more preferably 0.1 mass% or more, and even more preferably 0.13 mass% or more. In order to achieve a long power cycle life while maintaining conductivity, the total amount of iron and silicon is more preferably 0.9 mass% or less, and even more preferably 0.8 mass% or less.
  • the amount of iron is preferably 0.01 mass% or more, more preferably 0.03 mass% or more, even more preferably 0.05 mass% or more, particularly preferably 0.1 mass% or more, and even more particularly preferably 0.13 mass% or more, relative to the total amount of the aluminum alloy.
  • the amount of iron is preferably 0.95 mass% or less, more preferably 0.9 mass% or less, relative to the total amount of the wiring material.
  • the amount of silicon is preferably 0.01 mass% or more, more preferably 0.05 mass% or more, relative to the total amount of the aluminum alloy.
  • the amount of silicon is preferably 0.5 mass% or less, and more preferably 0.4 mass% or less.
  • the upper limit of the content of at least one of gallium and vanadium is not particularly limited, but is about 1000 ppm by mass.
  • the total amount of gallium and vanadium is preferably 800 ppm by mass or less, which makes it easier to suppress the maximum temperature reached by the aluminum wiring material when current is applied.
  • the content of gallium and vanadium may be 100 ppm by mass or more, or 150 ppm by mass or more, relative to the total amount of the wiring material.
  • the content of gallium and vanadium may be 700 ppm by mass or less, or 600 ppm by mass or less, relative to the total amount of the wiring material.
  • the maximum temperature reached when electricity is applied using aluminum wiring material with a purity of 99.99% by mass is 150°C
  • the gallium and vanadium content is 1000 ppm by mass or less
  • the maximum temperature reached can be kept below 160°C.
  • the temperature rise caused by heat generated when electricity is applied can be kept within about 10°C.
  • the aluminum wiring material of this embodiment may contain one or more of the following trace elements in addition to iron, silicon, gallium, and vanadium: magnesium (Mg), copper (Cu), nickel (Ni), zinc (Zn), chromium (Cr), manganese (Mn), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), and scandium (Sc).
  • the aluminum wiring material of this embodiment may contain inevitable impurities other than the above-mentioned trace elements.
  • the content of the trace elements is an amount that is 0.1 mass% or less in total with respect to the entire wiring material. In addition, the content of the trace elements is, for example, 0.0001 mass% or more with respect to the total amount of the aluminum alloy.
  • trace elements may be contained in advance in the raw material of the aluminum wiring material, may be inevitable impurities in the aluminum raw material, or may be added during the manufacturing process of the aluminum wiring material.
  • the above trace elements are preferably 0.005 mass% or more, more preferably 0.01 mass% or more, and even more preferably 0.015 mass% or more.
  • the content ratio of elements contained in the aluminum wiring material of this embodiment is generally measured by chemical analysis such as inductively coupled plasma (ICP) optical emission spectroscopy, but is not limited to this. For example, it can also be measured similarly by secondary ion mass spectrometry (SIMS), glow discharge mass spectrometry (GDMS), or energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
  • ICP inductively coupled plasma
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • GDMS glow discharge mass spectrometry
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • the aluminum wiring material of this embodiment is preferably made of an aluminum alloy with an aluminum purity (amount of aluminum relative to the total amount of the aluminum wiring material) of 99% by mass or more. This provides sufficient electrical conductivity and can achieve even better vibration resistance and long-term reliability of the joint.
  • the aluminum purity of the aluminum wiring material is preferably 99.9% by mass or less. By having an aluminum purity of 99.9% by mass or less, sufficient amounts of iron, silicon, gallium, vanadium, and trace elements can be contained, which contributes to improving long-term reliability.
  • the purity of the aluminum alloy is more preferably less than 99.9% by mass, and even more preferably 99.8% by mass or less.
  • the wire diameter of the aluminum wiring material of this embodiment is usually 15 ⁇ m to 700 ⁇ m, preferably 70 ⁇ m to 600 ⁇ m, and more preferably 100 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the wire diameter of the aluminum wiring material is the diameter if the cross-sectional shape is a perfect circle, and the length of the major axis is the diameter if the cross-sectional shape is other than that (the cross-section is circular, elliptical, oval, polygonal, or polygon-like shape as shown below). However, if the cross-section is polygonal or polygon-like, the length may be measured as the width or thickness.
  • Figure 2 shows a schematic example of the cross-sectional shape of the aluminum wiring material.
  • the cross-sectional shape of the aluminum wiring material may be a circle (a in Figure 3), an ellipse (e.g., b in Figure 3), an oval (e.g., c in Figure 3), a square (e.g., e in Figure 3), a triangle (e.g., d in Figure 3), or a polygon-like shape (e.g., f and g in Figure 3).
  • the length of the long axis is preferably 0.3 mm to 4 mm, more preferably 0.5 mm to 3 mm, and the length of the short axis is preferably 0.05 mm to 0.5 mm, and more preferably 0.1 mm to 0.5 mm.
  • the length of the long side is preferably 0.3 mm to 4 mm, more preferably 0.5 mm to 3 mm, and the length of the short side is usually preferably 0.05 mm to 0.5 mm, and more preferably 0.1 mm to 0.5 mm.
  • wiring material with a cross section of a polygon, polygon-like, or flat ellipse (a shape obtained by compressing an ellipse in a uniaxial direction) is called a ribbon, and wiring material with a cross section of a circle, ellipse, or ellipse is called a wire.
  • the method for manufacturing an aluminum wiring material is not limited to the manufacturing method shown below. It is preferable to adjust the conditions appropriately in consideration of the weight of the aluminum wiring material to be manufactured and the processing capacity of the heat treatment furnace.
  • Molten aluminum is prepared by dissolving iron and silicon together in high-purity aluminum of 99% by mass or more.
  • the purity of the high-purity aluminum used as a raw material may be 99.9% by mass or more, or may be 99.99% by mass or more.
  • a heating furnace such as an arc heating furnace, a high-frequency heating furnace, a resistance heating furnace, or a continuous casting furnace is used.
  • the molten aluminum in the heating furnace may be melted while being held in a vacuum or in an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen in order to prevent the inclusion of oxygen or hydrogen from the air.
  • an inclusion removal process in which an inert gas such as argon (Ar) gas or nitrogen gas is bubbled into the molten aluminum, and then a filtration process is performed using a filter.
  • an inert gas such as argon (Ar) gas or nitrogen gas
  • a filtration process is performed using a filter.
  • inclusions such as silicon dioxide (SiO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are coagulated on the surface of the molten aluminum by bubbling the inert gas, and the inclusions can be removed from the molten aluminum by a subsequent filtration process.
  • argon (Ar) gas is used in the inclusion removal process, it becomes easier to adjust the proof stress ratio and the ⁇ 112> orientation ratio to an upper range while increasing the load stress ratio, and it is possible to further improve the long-term reliability and vibration resistance of the joint under temperature cycles.
  • the gas flow rate is too high or the bubbling time is too long, once the inclusion removal effect has reached its limit, no further effect is obtained and it is a waste.
  • a bubbling method in order to prevent impurities from leaching into the molten aluminum, it is preferable to use a steel pipe, which has excellent corrosion resistance at high temperatures, and bubble an inert gas through the pipe.
  • a filtration method there is a method in which the molten aluminum is passed through a ceramic foam filter with a porosity of about 0.8 to 0.9.
  • Table 1 shows the difference in the load stress ratio, yield strength ratio, and ⁇ 112> orientation ratio of aluminum wiring material of the final wire diameter when an inclusion removal process was performed (with bubbling) and when it was not performed (without bubbling), with other manufacturing conditions being the same.
  • the effects of the presence or absence of bubbling were compared for composition A of 0.15 mass% iron (Fe), 0.03 mass% Si (silicon), 0.009 mass% Ga (gallium), 0.012 mass% vanadium (V), with the remainder being aluminum and unavoidable impurities, and composition B of 0.8 mass% iron (Fe), 0.2 mass% Si (silicon), 0.03 mass% Ga (gallium), 0.03 mass% vanadium (V), with the remainder being aluminum and unavoidable impurities.
  • Table 1 when an inclusion removal process is performed on molten aluminum, it is easier to adjust the load stress ratio, yield strength ratio, and ⁇ 112> orientation ratio to the ranges of this embodiment compared to when the process is not performed.
  • the melted aluminum material is solidified by continuous casting from a heating furnace to a predetermined diameter to produce an ingot, which can then be set in an extruder and extruded to a predetermined wire diameter.
  • it is preferable to perform a scratch prevention treatment process in which the original wire material extruded to a predetermined wire diameter is subjected to a scratch prevention treatment. By undergoing the scratch prevention treatment process, it becomes easier to adjust the yield strength ratio to more than 1.0 and 2.3 or less.
  • the scratch prevention treatment can be performed by applying a treatment liquid containing a surfactant as a main component to the surface of the original wire material.
  • surfactants contained in the treatment liquid for the scratch prevention treatment process include alcohol-based solvents such as ethanol, methanol, butanol, n-propyl alcohol, phenol, ethylene glycol, tridecanol, and glycerin.
  • alcohol-based solvents such as ethanol, methanol, butanol, n-propyl alcohol, phenol, ethylene glycol, tridecanol, and glycerin.
  • the concentration of the surfactant used in the scratch prevention treatment process is not particularly limited, but in terms of making it easier to adjust the proof stress ratio to more than 1.0 and not more than 2.3, when a surfactant is used in the subsequent wire drawing process, it is preferable to use the same concentration as the surfactant in the wire drawing process.
  • the wire obtained in the above process is drawn into an intermediate wire having a diameter of 5.0 mm, which is usually about 7 to 330 times the final wire diameter.
  • the wiring material (intermediate wire material) after the wire drawing process may be subjected to a homogenization treatment (homogenization treatment process).
  • the intermediate wire material is subjected to a heat treatment in an atmospheric furnace at 400°C to 500°C for about 30 minutes to 240 minutes, and then quenched.
  • the quenching in the homogenization treatment process is not particularly limited, and can be performed by a method of immersing the intermediate wire material after heating in cold water stored in an immersion tank or the like, or a method of pouring cold water over the intermediate wire material after heating with a shower or the like.
  • a method of immersing the intermediate wire material after heating in cold water stored in an immersion tank or the like or a method of pouring cold water over the intermediate wire material after heating with a shower or the like.
  • a solution treatment may be performed to dissolve elements other than aluminum in the aluminum matrix.
  • the intermediate wire after the homogenization treatment may be subjected to an intermediate heat treatment before wire drawing.
  • the intermediate heat treatment for example, the intermediate wire after the homogenization treatment is heated at 240 to 300°C for about 30 to 140 minutes, and then air-cooled.
  • the intermediate heat treatment can finely adjust the ⁇ 112> orientation ratio, the load stress ratio, and the proof stress ratio.
  • the intermediate heat treatment can be performed by passing the intermediate wire through a heating atmosphere heated to a predetermined temperature, or by a batch-type heat treatment in which the wire is heated in a closed furnace.
  • the intermediate wire is subjected to homogenization treatment, solution treatment, and intermediate heat treatment as necessary, and then drawn to the final wire diameter.
  • the wire is passed through a number of carbide or diamond dies in order to reduce the wire diameter stepwise.
  • the reduction in area (processing rate) per die is 5% to 40%.
  • the temperature of the wiring material is suppressed from increasing due to friction between the die and the wiring material, and this makes it easier to adjust the ⁇ 112> orientation ratio of the aluminum wiring material to 45% or less, and also makes it possible to obtain a homogeneous ⁇ 112> orientation ratio for the entire aluminum wiring material.
  • a die cooling method a method of spraying a cooling liquid containing cold water at the die inlet is effective.
  • a lubricant mainly composed of a surfactant may be flowed into the die at the same time as cooling the die, which makes it easier to adjust the load stress ratio to the above range.
  • the lubricant can be mixed and supplied into the cooling liquid, so that the lubricant can be efficiently flowed into the die.
  • the temperature of the cooling liquid is 20° C. or less and the flow rate of the sprayed cooling liquid is large, the cooling effect is high and the orientation ratio of ⁇ 112> is likely to be homogeneous.
  • the flow rate of the cooling liquid is too high, the cooling effect is limited and the liquid is likely to be wasted.
  • the wiring material is drawn to the final wire diameter and then subjected to a final heat treatment.
  • the final heat treatment mainly removes any distortion in the metal structure remaining inside the wiring material, which allows the mechanical properties of the wiring material to be adjusted.
  • the final heat treatment method includes a running heat treatment in which the wiring material is passed through a heated atmosphere heated to a predetermined temperature, and a batch type heat treatment in which the wiring material is heated in a closed furnace.
  • the final heat treatment is preferably performed as a batch type heat treatment at 150°C to 400°C for 30 minutes to 60 minutes.
  • the higher the final heat treatment temperature and the longer the final heat treatment time the larger the ratio of the number of precipitated particles with an aspect ratio of 4 or more is likely to be, and the lower the final heat treatment temperature and the shorter the final heat treatment time, the smaller the ratio of the number of precipitated particles with an aspect ratio of 4 or more is likely to be.
  • the wiring material that has been subjected to the final heat treatment is preferably subsequently air-cooled.
  • Air-cooling makes it easier to adjust the ⁇ 112> orientation ratio of the aluminum wiring material uniformly to 45% or less. This is because, although water-cooling has a higher cooling effect than air-cooling, air-cooling does not cause contamination or defects on the surface of the aluminum wiring material, and is easier to uniformly and precisely control the ⁇ 112> orientation ratio to 45% or less while achieving the above-mentioned yield strength ratio and load stress ratio, compared to water-cooling.
  • Air-cooling methods include, for example, a method of slowly cooling the aluminum wiring material after the final heat treatment by leaving it at room temperature, and a method of spraying cold air on the surface of the aluminum wiring material.
  • the method of spraying air or cold air on the surface of the aluminum wiring material is preferable because it makes it easier to adjust the ⁇ 112> orientation ratio to the desired range uniformly and stably.
  • air-cooling is performed by spraying air or cold air on the surface of the aluminum wiring material, the lower the temperature of the air or cold air and the higher the wind speed of the spray, the higher the cooling effect and the easier it is to stably obtain the ⁇ 112> orientation ratio in the above range.
  • the manufacturing method for aluminum wiring material of the embodiment described above by adjusting the conditions for the inclusion removal process in the molten metal, the homogenization process in the original wire, the die cooling in the wire drawing process, the final heat treatment, and the air cooling after the final heat treatment using the above-mentioned methods depending on the amount and type of elements other than aluminum in the aluminum wiring material, it is possible to adjust the ⁇ 112> orientation ratio, average crystal grain size, load stress ratio, yield strength ratio, and the ratio of the number of precipitated particles with an aspect ratio of 4 or more within preferred ranges.
  • the aluminum wiring material of this embodiment can be used in all applications where wiring materials made of iron-based materials, copper-based materials, and aluminum-based materials have been used in the past.
  • the aluminum wiring material of this embodiment can be suitably used as a conductive member for power semiconductors, a conductive member such as an electric wire or cable, a battery member, a winding used in a generator or a motor, etc.
  • the conductive member for power semiconductors is a bonding wire or a bonding ribbon for semiconductors, etc.
  • the battery member is a mesh or net for a current collector, a bonding wiring material for connecting a bus bar to a battery, etc.
  • the aluminum wiring materials of the examples were prepared as follows. High-purity aluminum ingots with a purity of 99.9% by mass or more were prepared, and iron, silicon, gallium, and vanadium were added to the wiring materials of each example so that the composition shown in Table 2 was obtained to prepare aluminum alloys.
  • the aluminum alloys of each composition were melted under air. In melting the aluminum alloys, argon (Ar) gas was bubbled into the molten aluminum alloy through a steel pipe, and then the inclusions precipitated on the surface of the molten aluminum alloy were filtered using a ceramic foam filter with a porosity of 0.85.
  • the flow rate of the argon (Ar) gas at this time was 7 L/min, and the molten metal flux during filtration was 22 kg/min.
  • the surface of the wire obtained by extrusion molding was coated with an aqueous solution of ethanol, which is a surfactant, to perform scratch prevention treatment.
  • the wire obtained in this way was drawn to an intermediate wire diameter of 5 mm.
  • the intermediate wire in the middle of the wire drawing was subjected to intermediate heat treatment at 240°C to 300°C for about 30 to 140 minutes.
  • the intermediate wire after the intermediate heat treatment was cooled in air.
  • the intermediate wire before and after the intermediate heat treatment was subjected to wire drawing by cold die drawing. In the wire drawing, the area reduction rate (processing rate) per diamond die was set to 5% to 40%.
  • a lubricating liquid containing the same type of surfactant as the above-mentioned surfactant at the same concentration as the treatment liquid during the scratch prevention treatment was poured into the diamond die to cool the diamond die.
  • the total processing rate until processing to the final wire diameter was set to 99.36%, and the wire drawing was performed to the final wire diameter (400 ⁇ m).
  • the aluminum wiring material processed to the final wire diameter was subjected to a final heat treatment in a batch furnace or salt bath at between 150°C and 400°C for 30 to 60 minutes.
  • the air-cooled aluminum wiring material was rewound on a spool by a rewinding machine every 300 m. This resulted in an aluminum wiring material with a circular cross section.
  • the aluminum wiring materials of the comparative examples were produced as follows. In the same manner as in the examples, aluminum ingot with a purity of 99.9% by mass or more was prepared, and Fe, Si, Ga, V, etc. were added so as to obtain the composition shown in Table 2.
  • the aluminum wiring materials of the comparative examples were produced by changing the manufacturing conditions, such as the heat treatment temperature and time at the intermediate wire diameter and final wire diameter, the processing rate from each wire diameter to the next wire diameter, the cooling rate after the intermediate heat treatment, and the area reduction rate of each die, outside the range of the above examples.
  • the crystal orientation of the cross section of the aluminum wiring material in the examples and comparative examples was measured as follows.
  • the aluminum wiring material was cut into a length of several centimeters to prepare a number of evaluation samples.
  • the evaluation samples were attached straight and flat on a metal (Ag-plated frame) plate, taking care not to stretch or sag.
  • the evaluation sample was then placed in a cylindrical mold together with the metal plate so that the metal plate was the bottom of the cylinder, and then an embedding resin was poured into the mold, and then a hardener was added to harden the resin.
  • the cylindrical resin containing the hardened evaluation sample was then roughly polished with a polisher so that the vertical cross section (hereinafter also referred to as the transverse cross section) in the longitudinal direction of the wiring material was exposed.
  • the cut surface was then finished by final polishing, and the residual strain on the polished surface was then removed by ion milling to obtain a smooth surface.
  • the ion milling device was finely adjusted so that the cut surface of the wiring material was perpendicular to the longitudinal direction of the wiring material.
  • the cross section of the wiring material of the evaluation sample (i.e., the polished surface of the evaluation sample) was attached to the sample stage of a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL JSM-7800F) so that it was parallel to the sample stage, and the crystal orientation and average crystal grain size of the cross section were measured using the FE-SEM at a magnification of 200x, an acceleration voltage of 15 keV, a measurement area of approximately 420 x 420 ⁇ m, and a measurement interval (Step Size) of 1.2 ⁇ m.
  • the crystal orientation thus obtained was analyzed using dedicated software for crystal orientation analysis (OIM analysis, manufactured by TSL, hereafter referred to as the dedicated software).
  • the conditions for determining crystal grains in the dedicated software were set, and the crystal orientation ratio of the measured sample, i.e., the proportion of each crystal orientation, was analyzed.
  • the conditions for determining crystal grains in the dedicated software can usually be set depending on the purpose of the analysis, but since this has almost no effect on the analysis results of the crystal orientation ratio, in this embodiment and comparative example, they were set to recognize two or more pixels connected with an orientation difference of 10° or less as one crystal grain, and the proportion of crystal grains with the ⁇ 112> orientation was calculated.
  • CI value Confidential Index
  • IQ value Image Quality
  • the SEM photographing conditions were set to an acceleration voltage of 5 kV and a working distance (WD) of 10 mm, and a backscattered electron image (BED-C) was selected.
  • BED-C backscattered electron image
  • the brightness value of the photographed SEM image was normalized to a range of 0 to 1, and the image was binarized with a threshold value of 0.95, and the area with a brightness value higher than the threshold value was determined to be a precipitated particle.
  • adjacent pixels in eight neighborhoods of an area on an image recognized as a particle were determined to be one particle.
  • Eight neighborhoods refers to eight directions, up, down, left, right, and a 45° rotation of a specific area recognized as a particle, with the specific area being the center, and an area that is in contact in any of these eight directions is defined as one particle. Note that if only the specific area is recognized as a particle and there is no area that is in contact in any of the eight directions, it is not determined to be a particle.
  • the aspect ratio (the ratio of the major axis to the minor axis when the shape of the precipitate particle is approximated as an ellipse circumscribing the precipitate particle (major axis/minor axis)) and the number of precipitate particles in the entire cross section perpendicular to the wire axis direction were measured, and the ratio of the number of precipitate particles with an aspect ratio of 4 or more to the total number of precipitate particles was expressed as a percentage. This ratio was almost the same at the tip, rear end, and middle part of the wire.
  • the ratio of the numbers in each example is shown in Table 2.
  • the ratio of the total number of precipitate particles to the number of precipitate particles with an aspect ratio of 4 or more in Example 3 and Comparative Example 9 is shown in Table 4.
  • the load stress ratio was obtained by the following method. Each aluminum wiring material of the examples and comparative examples was used to obtain an evaluation sample with a measurement length of 100 mm. Using this evaluation sample, a tensile fatigue test was performed using a dedicated testing machine for tensile fatigue tests (ElectroPlusE3000 manufactured by Instron) at room temperature of 15 to 28 ° C. to measure the fatigue limit (MPa).
  • Each aluminum wiring material of the examples and comparative examples was cut to a length slightly longer than 100 mm to obtain an evaluation sample separately.
  • the tensile strength i.e., the maximum load (Kgf)
  • Kgf the maximum load
  • the maximum load in the tensile test can be measured using a tensile testing device.
  • the maximum load is calculated as the maximum value until the aluminum wiring material of the evaluation sample is broken by continuously pulling it at a speed of 20 mm/min and a load cell rating of 100 N with a measurement length of 100 mm using a tensile testing device (e.g., Shimadzu Corporation Autograph, Model: AGS-5kNX).
  • the maximum load is the force applied to the wiring material pulled at the above speed, and is usually calculated automatically by converting the pulling force into an electrical signal using a load cell.
  • the maximum load was calculated as the average value of three pieces, taking into account the variation in the measurement results.
  • the maximum load was divided by the cross-sectional area of the wiring material to obtain the tensile strength (MPa).
  • the yield strength ratio was measured by cutting each of the aluminum wiring materials of the examples and comparative examples to a length slightly longer than 100 mm to obtain an evaluation sample for measuring the yield strength ratio.
  • the maximum load (Kgf) and 0.2% strain load (Kgf) of each sample were determined by a tensile test under the same conditions as described above, and each was divided by the cross-sectional area of each sample to calculate the yield strength ratio according to the following formula.
  • Yield strength ratio maximum stress / 0.2% yield strength (stress)
  • Table 2 The yield strength ratios of the aluminum wiring materials of the Examples and Comparative Examples obtained as described above are shown in Table 2 below.
  • the concentration of elements in each aluminum wiring material in the examples and comparative examples was measured as follows. About 0.5 g of the manufactured wiring material was dissolved. The concentration of each element in the solution was determined by high-frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy (Shimadzu Corporation, ICPE-9000).
  • the elements other than aluminum measured here were iron (Fe), silicon (Si), gallium (Ga), vanadium (V), magnesium (Mg), copper (Cu), nickel (Ni), zinc (Zn), chromium (Cr), manganese (Mn), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten (W), and scandium (Sc), and the contents of these are shown in Table 2 below. In the table below, the abbreviation "mass" means mass.
  • compositions of the aluminum wiring materials of the examples and comparative examples obtained above are shown in Table 2. Next, the following performance evaluations were performed on the aluminum wiring materials obtained above.
  • the aluminum wiring materials of the examples and the comparative examples were bonded to the aluminum alloy electrodes of the power chip using an ultrasonic bonding device (REBO7 wire bonder manufactured by Ultrasonic Industries).
  • the ultrasonic energy and pressure during bonding were set so that the longitudinal length of the wiring material at the bonding portion was 500 ⁇ m.
  • the current, current flow time, and cooling time were set to the power chip so that the maximum temperature (Tjmax) of the power chip was 150° C. and the minimum temperature (Tjmin) was 25° C., that is, the temperature difference between the maximum temperature and the minimum temperature ( ⁇ Tj) was 125° C., and a power cycle test was performed.
  • the current flow time was about 7 seconds
  • the current stop time was about 13 seconds
  • one cycle was about 20 seconds.
  • the number of cycles when electricity could no longer be passed was defined as the life in the power cycle test (power cycle life). Samples with a power cycle life of 60,000 cycles or more were judged to be above the target life and were rated as "S” (excellent). A power cycle life of 40,000 to less than 60,000 cycles was judged to be at the target level and were rated as "A” (good). Samples with a power cycle life of 20,000 to less than 40,000 cycles were judged to be a passing grade and were rated as "B" (passable). Samples with a power cycle life of less than 20,000 cycles were rated as "C” (failed). The power cycle test (thermal cycle) evaluations of the aluminum wiring materials in each of the examples and comparative examples are shown in Table 3.
  • Each aluminum wiring material of the examples and comparative examples was bonded to two aluminum plates at the first and second joints using an ultrasonic bonding device (REBO7 wire bonder manufactured by Ultrasonic Industries) so that the loop height was 1 mm and the length was 7 mm, and an evaluation sample was obtained.
  • the length of the loop is the linear distance between both ends of the first and second joints.
  • a vibration fatigue test was performed using a vibration fatigue dedicated tester (CV-101M manufactured by AS ONE Co., Ltd.) manufactured based on the JIS standard, and the vibration resistance was evaluated. In the vibration fatigue test, vibration was applied to each evaluation sample until it broke at a frequency of 50 Hz, an acceleration of 1 G, and an amplitude of 0.099 mm.
  • Example 1 and Comparative Example 11 were subjected to corrosion resistance tests in a high humidity environment as follows. Using an ultra-accelerated life test device, the test was performed for up to 1000 hours under conditions of 121°C and 100% RH (saturation). To measure the thickness of the corrosion layer, a cross-section of the wire was prepared using a cross-section milling device, and then the corrosion layer was observed using an FE-SEM. As a result, it was confirmed that the corrosion layer thickness was about 5 ⁇ m in all cases, which was at a level that did not pose any problems when using the wiring materials.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the simulated power semiconductor device 200 for evaluation.
  • two stepped aluminum terminals 202 and 203 and an IGBT chip 204 were fixed by die bonding to a metal plate 201 made of tungsten carbide, which was 45 mm long, 40 mm wide, and 2 mm thick.
  • a metal spacer was placed on the back surface of one of the aluminum terminals 203 so that it was raised appropriately.
  • the IGBT chip 204 and the terminal 203 were bonded by using the aluminum wiring material of the example and the comparative example, and a loop was formed so that the height from the top of the loop to the surface of the terminal 203 was 1 mm, the height from the surface of the IGBT chip 204 to the top of the loop was 10 mm, and the distance between both end faces of the wiring material joint portion, i.e., the length of the wiring material, was 7 mm at the shortest and 20 mm at the longest.
  • a wall was formed around the IGBT chip using a commercially available resin dam material, and the inside of the wall, the area surrounding the IGBT chip and the bonding area for the wiring material, was filled with a silicone gel-based sealing resin.
  • the number of cycles at which electricity could no longer be passed was defined as the lifespan in this test, and samples with a lifespan of 12 cycles or more were rated "excellent” as they exceeded the target lifespan, samples with 8 to 12 cycles were rated “good” as they met the target level, samples with 4 to 8 cycles were rated “passable” as they passed the test, and samples with less than 4 cycles were rated "fail” as they failed the test.
  • Table 5 shows the evaluation of the thermal vibration fatigue test of the aluminum wiring material in each example and comparative example. Comparative examples 9, 10, and 11 were not evaluated because they failed the tool removal evaluation. The results are shown in Table 5. Note that some of the compositions of the wiring material have been omitted in Table 5.
  • an aluminum wiring material having the composition shown in Table 7 was prepared in the same manner as in Example 1, and the obtained sample was rolled into a ribbon shape with a long side length of 2 mm and a short side length of 0.2 mm.
  • the obtained ribbon-shaped wiring material was used to perform the above-mentioned "thermal vibration fatigue test of resin-encapsulated chip". The results are shown in Table 7.
  • the aluminum wiring material of the embodiment was able to simultaneously achieve improved vibration resistance, improved heat resistance, and improved conformability.
  • the aluminum wiring material for power semiconductors according to the embodiment can greatly contribute to the development of the power electronics industry, the automobile industry, the electric railway industry, the electric power industry, and the like.

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Abstract

温度サイクル下において接合の長期信頼性に優れ、ウェッジツールへの追従性に優れ、耐振動性に優れたアルミニウム配線材及びその製造方法を提供する。純度が９９．９質量％未満のアルミニウムからなるアルミニウム配線材であって、その長手方向に垂直な断面において、角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、耐力比が１．０を超え２．３以下であり、総量に対して、鉄及びケイ素の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウムとバナジウムの少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム配線材。

Description

アルミニウム配線材及びその製造方法
　本発明は、アルミニウム配線材、特に、高温での接合信頼性に優れ、ボンディング時の追従性に優れ、振動に対する強度が高い、導電用のアルミニウム配線材及びその製造方法に関する。
　従来、アルミニウム配線材は、リチウムイオン電池の電極とバスバーを接続する配線材や、パワー半導体のボンディング配線材として用いられている。
　リチウムイオン電池は、ハイブリッド車（ＨＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ、ＰＨＥＶ）、電気自動車の駆動バッテリー（電源）として用いられている。ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車は、ガソリンエンジンと電気モータを駆動力とする。電気自動車は、電気モータのみを駆動力とする。ハイブリッド車や電気自動車は、リチウムイオン電池に充電された電力によって電気モータを駆動して走行する。駆動バッテリーとしては、リチウムイオン電池以外にも、鉛蓄電池、ニッケル水素電池があるが、軽く、小さく、出力も高く、寿命も長いため、燃費を重視した電気自動車へのリチウムイオン電池の活用が広がっている。
　電気自動車の駆動バッテリー用のリチウム電池としては、小型で形状が安定しており、電池交換が容易であることから、円筒形電池が多く使用される。円筒形電池は、電解液等を円筒状の金属ケースに封入した構造である。円筒形電池を使用したバッテリーパックは、例えば、リード部材（バスバー）の接続された外装ケースと、当該外装ケースに収容された複数の円筒形電池と、円筒形電池の電極とリード部材を接続する配線材からなる。導電性及びコストの面から有利であるために、この円筒形電池の配線材としては、アルミニウム合金からなるアルミニウム配線材が広く用いられている。
　パワー半導体は、パワーチップ、パワーセミコンダクタ、パワーデバイス、パワー素子、電力用半導体素子などとも呼ばれる。パワー半導体は、パワーチップと、パワーチップ同士を接続するボンディング配線材やパワーチップと外部電極を接続するボンディング配線材とで構成される。パワー半導体は、モータの駆動やバッテリーの充電、マイクロコントローラや大規模集積回路（ＬＳＩ）を動作させるための電力供給の役割を担う。自動車などの運輸分野で用いられる主要なパワーチップは、大電力に適した、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。パワー半導体用のボンディング配線材には、大電流を流すため、線径（直径）が４０μｍ以上７００μｍ以下の比較的太いアルミニウム配線材が用いられることが多い。なお、複数のパワー半導体を組み合わせた電源用の回路を１つのパッケージに集積したものは「パワーモジュール」と呼ばれる。
　バスバーと配線材の接合や、パワー半導体のボンディング配線材の接合では、ウェッジツール（単に「ツール」ということもある。）と呼ばれる把持具で配線材の先端を把持し、配線材に超音波を印加しながら、ウェッジツールごと、配線材をリード部材や電極に押し当て、押しつぶして変形させることで、リード部材や電極と配線材とを接合する方法が一般的である。
　ところで、電気自動車は、寒冷地や熱帯、高湿度や塩分の多い地域などの多様な外部環境で用いられる。例えば、寒冷地や熱帯で電気自動車が走行するときには、低温や高温の環境やこれらの温度変化に長時間晒されることになる。電気自動車の安全性を担保するために、電気自動車に搭載されるパワーモジュールや駆動バッテリー、それらに接合されたアルミニウム配線材にも、上述したような電気自動車の使用環境として想定され得るあらゆる環境への適合が求められる。
　また、外部環境の温度変化に加え、電気自動車のパワーモジュールや駆動バッテリーには、電流による加熱と冷却の温度変化が加わる。電気自動車は停止時には通電を止め、運転開始時に通電を開始するというサイクルを繰り返す。これにより、パワーチップは通電により発熱して高温になり、通電の停止によって急激に冷却される。パワーチップや駆動バッテリーに接合されたアルミニウム配線材も、発熱と冷却の温度サイクルにさらされる。電気自動車が長時間運転されると、アクセルとブレーキが頻繁に繰り返されることで、この加熱と冷却の温度サイクルも頻繁に繰り返される。その過程で、例えば、パワーチップとアルミニウム配線材の熱膨張率差に起因して熱応力が発生し、これによって、パワーチップとアルミニウム配線材の接合部やアルミニウム配線材に金属疲労をもたらすことがある。その結果、接合部の剥離又は破断の可能性やアルミニウム配線材へのクラックの発生の可能性が高まる。したがって、このような加熱と冷却の温度サイクルが繰り返された場合も、接合の長期信頼性を発揮するアルミニウム配線材が求められていた。
　また、パワー半導体の一種であるパワートランジスタは、インバータに用いられている。インバータは、エアーコンディショナー（エアコン）や冷蔵庫、洗濯機などの省エネルギー（以下「省エネ」ともいう。）家電製品に搭載されている。パワートランジスタが、電流のオンオフの切り替え（スイッチング）を行うことで、インバータが家電製品を駆動するモータの回転数を制御する。インバータを用いることで、モータの無駄な動きを減らし、省エネを実現しつつ、例えば、エアコンにおいては室温を安定的に維持することができる。パワートランジスタのスイッチング動作においても、上述したのと同様に、通電とその停止による、配線材の加熱・冷却の温度サイクルが繰り返される。
　従来、高温状態において、パワーモジュールの破壊や故障を防ぐために、チップダメージを回避する技術、ボンディングワイヤの強度を向上させる技術、接合部の長期信頼性を向上させる技術等が検討されていた（例えば、特許文献１～５参照。）。
　また、家電製品の小型化に伴い、パワー半導体の小型化、薄型化、高密度化の試みもなされている。そのため、アルミニウム配線材の接合スペースが小さくなり、その結果、アルミニウム配線材の屈曲が大きくなる。したがって、アルミニウム配線材には、このような屈曲への追従性が求められる。屈曲への追従性が低いアルミニウム配線材を用いた場合、ウェッジツールによってあらかじめ設定された角度（例えば４５°）で横曲げされたときに、配線材がウェッジツールの横曲げの動きに追従できず、その一部が、ウェッジツールのワニ口から外れることがある。ワイヤの一部が外れたまま第二接合をすると、接合位置が予定した位置から外れて他の電極と接触することで、ショート不具合が発生するおそれがある。また、ワイヤがツールから外れると、ウェッジツールの先端が素子へ接触して半導体素子を破壊することがある。特に、従来の長期信頼性を目指した配線材は一般的に引張強さ、耐力及び硬さ（以下、これらを「強度」と総称する。）が高い傾向にあり、一方で、強度が高い配線材ほど追従性が劣る傾向がある。そのため、長期信頼性とワイヤの追従性を両立させる試みもなされている（例えば、特許文献５参照。）。
　特許文献１に記載された発明は「鉄（Ｆｅ）が０．２～２．０質量％及び残部が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなる、半導体装置の超音波ボンディング用アルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線のアルミニウム（Ａｌ）マトリックス中に鉄（Ｆｅ）が０．０１～０．０５％固溶されており、かつ、当該アルミニウム合金細線の断面における伸線マトリックス組織が数μｍオーダーの均質な微細再結晶組織でその組織の界面及び内面に鉄（Ｆｅ）・アルミニウム（Ａｌ）の金属間化合物粒子が一様に晶出していることを特徴とする」。特許文献１には、調質熱処理前に溶体化・急冷処理という工程を追加することにより、アルミニウム（Ａｌ）マトリックスに固溶する鉄（Ｆｅ）量を６５０℃での固溶限である０．０５２％まで高め、その後の通常の冷間での連続伸線加工と、その後の調質熱処理によりＡｌ－Ｆｅ合金ワイヤの結晶粒径を微細化することを可能としたことと、Ａｌを高純度化することにより、ボンディング時に動的再結晶を発現させてチップダメージを回避したことが記載されている（同明細書００１３段落を参照。）。
　特許文献２に記載された発明は、「鉄（Ｆｅ）％、珪素（Ｓｉ）及び残部が高純度のアルミニウム（Ａｌ）合金からなる半導体素子のアルミパッドと超音波ボンディングするためのアルミニウム合金細線において、当該アルミニウム合金細線は鉄（Ｆｅ）が０．０１～０．２質量％、珪素（Ｓｉ）が１～２０質量ｐｐｍ及び残部が純度９９．９９７質量％以上のアルミニウム（Ａｌ）からなる合金であって、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、平均結晶粒径が６～１２μｍの微細組織である」。特許文献２には、Ｆｅの析出量とＦｅ固溶量との比率を一定の範囲に保つことにより再結晶温度を安定化させ、さらに、Ｓｉを微量添加することにより強度を向上させ、結果として熱衝撃試験結果を安定化させることが記載されている（同明細書００１２段落を参照。）。
　特許文献３に記載された発明は「Ａｌ又はＡｌ合金からなり、配線材軸に垂直方向の断面における平均結晶粒径が０．０１～５０μｍであり、配線材軸に垂直方向の断面に対して結晶方位を測定した結果において、配線材長手方向の結晶方位のうち、配線材長手方向に対して角度差が１５°以下である結晶方位＜１１１＞の方位比率が３０～９０％であることを特徴とする」。特許文献３には、半導体装置を高温環境で長時間使用し続けたときにおいても、高温長時間作動後の半導体装置において接合部の信頼性を確保できることが記載されている（同明細書００１２段落を参照。）。
　特許文献４に記載された発明は「質量％で、Ｆｅを０．０２～１％含有し、さらにＭｎ、Ｃｒの少なくとも１種以上を合計で０．０５～０．５％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計が０．０１～１％であることを特徴とする」。特許文献４には、Ｆｅの含有に加えてＭｎ、Ｃｒの一方又は両方を所定量含有させ、溶体化熱処理とその後の急冷処理において、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの固溶量の合計を０．０１～１％とすることにより、ワイヤの再結晶温度が上昇し、半導体装置を高温環境で長時間使用し続けたときにおいても、ボンディングワイヤの再結晶の進行を十分に抑制することができ、ワイヤの強度低下を防止できることが記載されている（同明細書００１４段落を参照。）。また、ボンディングワイヤ長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）において、結晶＜１１１＞方位とワイヤ長手方向との角度差が１５°以内である結晶の面積比率（＜１１１＞方位面積率）が３０～９０％であることが好ましく、伸線時の調質熱処理による再結晶が適度に進行し、ワイヤが軟化し、ボンディング時のチップ割れの発生、接合部の接合性の低下などを防止することができることが記載されている（同明細書００２６段落を参照。）。
　特許文献５に記載された発明は「アルミニウムの純度が９９質量％以上のアルミニウム合金からなるアルミニウムワイヤであって、前記アルミニウム合金の総量に対して、鉄及びケイ素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、前記アルミニウムワイヤのワイヤ軸に垂直方向の横断面における、（１１１）の配向指数が１以上であり、かつ、（２００）の配向指数が１以下であり、析出粒子の面積率が０．０２％以上２％以下であることを特徴とする」。特許文献５では、鉄及びケイ素を所定量含有させ、ワイヤ軸に垂直方向の横断面における、（１１１）の配向指数を１以上、かつ、（２００）の配向指数を１以下とすることによりパワーサイクル試験での長寿命を実現し（同明細書００４４段落を参照。）、さらに、析出粒子の面積率が０．０２％以上２％以下とすることにより、パワー半導体用のボンディングワイヤ接合時にウェッジツールからワイヤが外れることを防止できることが記載されている（同明細書００５０段落を参照。）。
特開２０１３－２５８３２４号公報 特開２０１４－１２９５７８号公報 国際公開２０２０／１８４６５５号公報 特開２０２０－０５９８８６号公報 国際公開２０２２／１６３６０６号公報
　上述したような、小型のパワー半導体の一例として、従来、厚みが６５μｍのパワー半導体や厚みが５０μｍに至るＩＧＢＴも知られていた。また、パワー半導体の小型化のみならず、半導体パッケージを小型化、かつ薄型化する試みもなされている。半導体パッケージを小型化し、薄型化することで、例えば、電気自動車の軽量化につながり、その結果、燃料効率の向上が見込まれるためである。具体的には、２０００年代に高さ（厚み）２０～４０ｍｍ程度のＩＧＢＴパッケージが普及しており、２０１４年には、高さ１４ｍｍのＩＧＢＴパッケージも使用され、さらに近年では、高さ５ｍｍの次世代型汎用パッケージも存在している。なお、半導体パッケージは、パワー半導体と、ボンディング配線材と、必要に応じてこれらを封止する樹脂を含む。
　また、高性能化や多機能化された電気自動車や家電製品の開発も進められている。高性能や多機能の実現のためには、高い駆動力が求められるため、パワー半導体に、より大きな電流が供給される。そのために、高性能化や多機能化を目指すパワー半導体では、大電流を流しやすい、より太いアルミニウム配線材が用いられる場合が多い。例えば、従来、線径３００μｍ程度のアルミニウム配線材が使用されており、線径５００μｍ程度のアルミニウム配線材の使用に至る製品もある。
　半導体パッケージにおける、配線抵抗を低減することも、電気自動車や家電製品の省エネルギーの点から重要である。配線抵抗、すなわち、アルミニウム配線材の電気抵抗によって消費される電力を削減するためには、ループの高さを低く（低ループ）かつループ長さを短く（短ループ）して接合し、配線材の長さを削減することが有効である。なお、ここでのループ高さとは、配線材の接合部の最も低い箇所からループの最も高い箇所の間の高さをいい、ループ長さとは第一接合と第二接合の両端の間の直線距離をいう。
　また、上述した通り従来の長期信頼性を目指した配線材ほど、強度が高い傾向にあり、一方で、強度が高い配線材ほど耐振動性が劣る。アルミニウム配線材の合金成分を少なくすることによって配線材の伸び率を高くすれば耐振動性が向上するが、破断強度が低くなり、接合の長期信頼性が低下するためである。特に近年、より高度な接合の長期信頼性が求められており、アルミニウム配線材の強度が高くなっているため、耐振動性との両立がより困難となっている。同様に、接合の長期信頼性とウェッジツールへの追従性の両立の困難性も著しく高まっている。ここで、図１に、ウェッジツールへの追従性が十分でない配線材によるツール外れが起きたボンディング例（ボンディング例１）と、ツール外れが起きなかったボンディング例（ボンディング例２）の、第一接合部及び第二接合部を拡大して撮影した写真を示す。図１の左側上下の写真は、ウェッジツール外れが起きた配線材による第一接合部と第二接合部である。図１の右側上下の写真は、ウェッジツール外れが起きなかった配線材による正常な第一接合部と第二接合部である。例えば、ボンディング例１の接合材では追従性が十分ではなく、第一接合部においてツール外れに起因する不着が発生している。
　電気自動車は、路面の整備が十分でなく平坦性が低い地域などの多様な環境で用いられることがある。例えば、平坦性の低い地域で電気自動車が走行するときには、路面の起伏によって、自動車の車体だけでなく、電気自動車に搭載される各種部品や装置も絶えず振動にさらされる。したがって、耐振動性が十分ではないアルミニウム配線材を用いたパワー半導体では、このような電気自動車の走行中の故障の懸念がある。さらに、電気自動車の走行中は、パワー半導体への温度サイクルも加わる。そのため、安全性を担保するために、電気自動車に搭載されるアルミニウム配線材には、高度な耐振動性と接合の長期信頼性が求められる。
　本発明者らは、より高性能であり高機能の製品への適用を目指し、小型、薄型、高駆動力及び省エネルギーを実現できるアルミニウム配線材の開発を鋭意進めた。その結果、小さい接合スペースでアルミニウム配線材をパワーチップに接合する場合に、アルミニウム配線材のネック部（半導体に接合した配線材の立ち上がり部）での、曲げによるストレスが、配線材の太さが太くなるにしたがって増大していることを見出した。
　また、電流による加熱と冷却の温度サイクルにさらされるパワー半導体パッケージでは、温度サイクルによる接合部の破断、特にネック部の下側（チップと接合される側）でのクラックの発生と、ネック部の曲げストレスによる上側のクラックの発生が別個に起こり、これらクラックの生じ方によっては、配線材の破断の原因になりうることも見出した。
　小型・薄型化した近年の半導体パッケージにおいては、曲げによるストレスの増大があることで、振動によってネック部の特に、上側（チップの接合と反対側）にクラックが入りやすく、配線材の破断の原因になりうることも分かった。ここで、図５～図８を参照して、配線材の上側クラックについて説明する。図５は、上側クラックを観察した際の、アルミニウム配線材の観察領域Ｒを表す図である。図５において、アルミニウム配線材５１が、ＴＥＧ（Ｔｅｓｔ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ）チップ５２表面のアルミニウムパッド５３上に第二接合（ウェッジボンディング）されている。図６は、アルミニウム配線材を低ループでＴＥＧチップにウェッジボンディングした後に樹脂封止し、電流による加熱と冷却、さらに振動の印加を一定回数繰り返し、その後、当該アルミニウム配線材のネック立ち上がり部分をＳＥＭ－ＢＥＩ（走査電子顕微鏡反射電子像）で撮影した写真のうち、観察領域Ｒに該当する部分の写真である。図７は、図６の一部を拡大した写真である。図６及び図７より、ネック立ち上がり部分の配線材の上側に示した領域Ｐ内に、小さな亀裂が存在していることが分かる。これに対し、図８は、観察領域Ｒにおいて、クラックの観察されなかったアルミニウム配線材の写真である。小型・薄型化した近年の半導体パッケージにおいては、図６及び図７に示されるような微細な亀裂がネック部の上側に発生することがある。さらにネック部の下側にクラックが発生する場合もある。ネック部の下側と上側の両者のクラックが進展すると、両者のクラックの相乗効果によりクラックの進展を加速させることで、ネック部破断のリスクを増大させる可能性がある。
　本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、温度サイクル下において接合の長期信頼性に優れ、ウェッジツールへの追従性に優れ、耐振動性に優れたアルミニウム配線材を提供することを目的とする。また、本発明は、接合の長期信頼性に優れ、曲げに対する追従性に優れ、耐振動性に優れたアルミニウム配線材の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態は以下のものである。
［１］　純度が９９．９質量％未満のアルミニウムからなるアルミニウム配線材であって、
　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
　長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
　前記断面における析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
　下記（１）で定義される負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
　下記（２）で定義される耐力比が１．０を超え２．３以下であり、
　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
　前記アルミニウム配線材は、その総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有することを特徴とするアルミニウム配線材。
［２］　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする［１］に記載のアルミニウム配線材。
［３］　前記アルミニウム配線材が、さらに、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）及びスカンジウム（Ｓｃ）から選ばれる１種以上の元素を含有することを特徴とする［１］又は［２］に記載のアルミニウム配線材。
［４］　前記アルミニウム配線材の線径が１５μｍ以上７００μｍ以下である［１］乃至［３］のいずれかに記載のアルミニウム配線材。
［５］　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面が円形、長円形又は楕円形状である、［１］乃至［４］のいずれかに記載のアルミニウム配線材。
［６］　前記アルミニウム配線材中のアルミニウム含有量が、アルミニウム配線材の総量に対して、９９質量％以上９９.９質量％未満である、［１］乃至［５］のいずれかに記載のアルミニウム配線材。
［７］　アルミニウム配線材の製造方法であって、
　総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有する純度が９９．９質量％未満のアルミニウム合金を準備する工程と、
　前記アルミニウム合金を伸線加工する工程と、を有し、
前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
　アルミニウム配線材の長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
　アルミニウム配線材の析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
　下記（１）で定義する負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
　　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
　下記（２）で定義する耐力比が１．０を超え２．３以下である、
　　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
　アルミニウム配線材を製造する方法。
［８］　アルミニウム配線材の製造方法であって、
　総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有する純度が９９．９質量％未満のアルミニウム合金を準備する工程と、
　前記アルミニウム合金を、ダイス１つあたりの減面率（加工率）が５％以上４０％以下の条件で伸線加工する工程と、を有し、
前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
　長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
　析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
　下記（１）で定義する負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
　　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
　下記（２）で定義する耐力比が１．０を超え２．３以下である、
　　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
　アルミニウム配線材を製造する方法。
　なお、本明細書において「～」の符号は、その前後の数値を含む数値範囲を表す。
　本発明によれば、温度サイクル下において接合の長期信頼性に優れ、ウェッジツールへの追従性に優れ、耐振動性に優れたアルミニウム配線材を提供することができる。また、本発明によれば、接合の長期信頼性に優れ、曲げに対する追従性に優れ、耐振動性に優れたアルミニウム配線材の製造方法を提供することができる。これにより、アルミニウム配線材を用いたパワー半導体等の小型化に寄与することができる。
ウェッジツール外れが起きた配線材による接合部を拡大して撮影した写真（左側）とウェッジツール外れが起きなかった配線材による正常な接合部の写真（右側）である。 Ｓ－Ｎ曲線のグラフである。 アルミニウム配線材の断面形状の一例を模式的に示す図である。 パワーサイクル寿命及び振動疲労について樹脂封止をした状態で評価するための、評価用の模擬パワー半導体装置を模式的に示した図である。 上側クラックを観察した際の、アルミニウム配線材の観察領域Ｒを表す図である。 上側にクラックの発生したアルミニウム配線材の写真である。 図６の一部を拡大した写真である 上側にクラックの発生しなかったアルミニウム配線材の写真である。
　以下、本発明の実施形態のアルミニウム配線材について説明する。
　実施形態のアルミニウム配線材は、純度が９９．９質量％未満のアルミニウムからなるアルミニウム配線材であって、アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下である。
　本発明者らは、複数の配線材サンプルを、異なる組成のアルミニウム及び製造条件で試作し、それぞれについて、後述するように、接合の長期信頼性（以下、「パワーサイクル寿命」ともいう。）を評価するとともに、配線材サンプルの長手方向に垂直な断面組織を丹念に観察した。その結果、特定の結晶方位の存在比率と、パワーサイクル寿命に相関があることを発見した。すなわち、配線材の長手方向に垂直な断面における結晶方位のうち、長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の存在比率が所定の範囲にある場合、パワーサイクル寿命が特異的に優れることを発見した。
　半導体パッケージの導電用も含めたアルミニウム配線材の製造工程では、結晶方位＜１１１＞の比率の制御が広く行われている。結晶方位＜１１１＞の比率の制御することにより、加工性がよく軟質な線材製品の実用化が可能となった。しかし、小型・薄型化した近年の半導体パッケージの導電に用いられるアルミニウム配線材においては、結晶方位＜１１１＞の比率の制御だけでは、上述したような温度サイクル下における接合の長期信頼性の向上、ウェッジツールへの追従性の向上及び耐振動性の向上を両立するという課題を解決することが出来ないことが判明した。そこで、本発明者らは、＜１１１＞方位よりも金属組織の性質上変形抵抗の高い特定方位を混在させ、その比率を最適化することが上述したような課題解決には重要であると考えた。そして、その特定方位の中でも、特に＜１１２＞方位の存在比率をある範囲に制御することで、上述したような課題を解決可能であることを発見した。すなわち、結晶方位＜１１２＞の比率の範囲を一定の範囲に維持しつつ、かつ配線材の他の特性を複合的に調整することで、これらの相乗効果により、耐振動性とウェッジツールへの追従性を維持しつつ、特にパワーサイクルの長寿命化を達成することを可能とした。
　具体的には、本実施形態のアルミニウム配線材において、長手方向に垂直な断面における結晶方位のうち、長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の存在比率が４５％以下であることで、優れたパワーサイクル寿命が達成され、また、後述の高い耐振動性と両立し得る。これらの観点から、結晶方位＜１１２＞の存在比率は、１０％以上４０％以下であることが好ましく、１５％以上３５％以下であることがより好ましい。
（パワーサイクル寿命の評価）
　パワーサイクル試験とは、アルミニウム配線材を接合したパワーチップ表面温度が１５０℃となるようにアルミニウム配線材に通電させた後、通電を停止し、表面温度が２５℃になるまで冷却させるサイクルを繰り返す試験である。すなわち、温度差１２５℃の急冷却と急加熱のサイクルを繰り返し、パワーチップの動作に問題が発生するまでのサイクル動作回数を評価する試験である。通電ができなくなったときのサイクル回数を、パワーサイクル試験のサンプル寿命（パワーサイクル寿命）と判定する。パワーサイクル寿命が長いほど、接合の長期信頼性に優れる。
　次に、本発明者らは、上記同様に試作した配線材サンプルの長手方向に垂直な断面について入念に金属組織を観察した。その結果、アルミニウムをベースとしたマトリックス上にある析出粒子は、配線材サンプルの組成や製造条件によって形状（楕円近似でみた場合の長軸と短軸のアスペクト比）と、析出粒子のアスペクト比の分布が異なっていることを発見した。
　発明者らは、これら長手方向に垂直な断面における析出粒子のうち、特定のアスペクト比を有する析出粒子の存在が、配線材の追従性に関係すると推定した。この推定に基づいて、ＳＥＭ－ＢＥＩ（走査電子顕微鏡反射電子像）で撮影した析出粒子の写真を、画像処理ソフトを用いて解析し、画像上の析出粒子を定量評価した。定量評価の方法については後に詳述するが、配線材の長手方向に垂直な断面に観察される、析出粒子のアスペクト比と、アスペクト比の分布が、配線材の追従性に関係することを発見した。
　本実施形態のアルミニウム配線材は、長手方向に垂直な断面における析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下である。追従性を向上させる点で、アスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．７％以上１２％以下であることが好ましく、１％以上８％以下であることがより好ましい。
　析出粒子は、大きさ（粒子の最大長）が３０μｍ程度以下の、塊状、リング状、板状、針状、略球状、不定形状等の粒子である。これらは、製造過程で晶出した粒子や析出した粒子、及びアルミニウム原材料に含まれる粒子を含むと考えられる。また、析出粒子は、アルミニウムと鉄の合金、金属間化合物、アルミニウムと鉄とケイ素の合金、金属間化合物、ケイ素単体の析出物のいずれか又は２種以上を含むと考えられる。
　析出粒子の数及び当該析出粒子のアスペクト比の分布は、配線材の組成（鉄及びケイ素の含有割合）や熱処理温度、時間、熱処理のタイミング、伸線加工条件などにより制御することができる。測定箇所の選択にあたっては、測定データの客観性を確保することが好ましい。その方法として、測定対象の配線材から、測定用の試料を配線材の長手方向に対して、例えば、３～５ｍ間隔で取得し、測定に供することが好ましいが、配線材が短い場合等、この間隔で取得することが困難な場合には、測定データの客観性が確保できれば、より短い間隔であってもよい。
　析出粒子の数及び当該析出粒子のアスペクト比の分布は次のようにして観察することができる。 観察試料は、埋込研磨により観察面が露出され、その後バフ研磨、ミリング処理によって試料表面の凹凸およびコンタミネーションが除去された(表面が極めて清浄化された)状態にする。析出粒子は、ＦＥ－ＳＥＭ(電界放出型走査電子顕微鏡、日立ハイテク製ＳＵ８２２０)にて倍率１，０００倍にて特定し、その後、加速電圧を５ｋＶ、作動距離（Ｗ．Ｄ．）を１０ｍｍに設定し、反射電子像（ＢＥＤ－Ｃ）にて観察する。具体的には、倍率４００倍で断面の広範囲の析出粒子を観察し、その中から粒子分布の平均的な１～３か所について倍率１，０００倍で観察する。なお、倍率１，０００倍で平均的な箇所の特定が難しい場合は、倍率１，０００倍で３か所程度、観察するとよい。このように複数個所を観察した場合は、観察箇所の平均値をアスペクト比の値とするとよい。また、試料の全体において観察したい場合は４００倍で観察してもよいが、粒子が細かい試料は４００倍よりも１，０００倍で観察するのが望ましい。この点、観察倍率は線径と粒子サイズによって測定者が適宜選択すればよいが、測定精度の観点から１，０００倍で観察する方がより正確な値を得る事ができる。すなわち、析出粒子の観察は、倍率４００倍以上１，０００倍以下で行うことが好ましく、この範囲で倍率は高い方がより好ましい。また、このＦＥ－ＳＥＭ観察では得られる画像において、析出粒子とアルミニウムの素地の見え方が明瞭になるように調整して撮影する。さらに、同装置付帯のＥＤＸ(ＢＲＵＫＥＲ製Ｆｌａｔ ＱＵＡＤ)を用いて、倍率１，０００倍のＦＥ－ＳＥＭ像により検出された析出粒子が、アルミニウム素地とは異なる元素(または合金)であることをマッピングや数ヵ所の点分析により確認し、同じコントラスト(明度)の部分は同じ元素(または合金)組成であるとみなす。アルミニウム配線材のワイヤ軸に垂直な横断面をＦＥ－ＳＥＭ観察により得られた画像データ(ＴＩＦＦファイル、データサイズ１Ｍ以上、１２８０×１０２４ピクセル以上)において、アルミニウム配線材と、それ以外の領域との組成が異なるために、例えばアルミニウムよりも原子量(密度)の小さい析出粒子は高輝度値の画素として表示される。この場合、析出粒子以外の領域（アルミニウムマトリックスで）では、輝度値は低く表示される。このＦＥ－ＳＥＭ画像を、析出粒子をさらに判別しやすいように輝度値を０から１の範囲に正規化する。その後、析出粒子と、それ以外の領域とを分離可能な輝度値の閾値（例えば０．９５）を、ヒストグラムなどを用いて決定し、閾値を境に１と０に二値化する。これにより、輝度値が０の領域が黒、輝度値が１の領域が白で示される。この１と０に二値化された処理画像中の、析出粒子として観察される領域（輝度値が１の領域）の数、当該各領域のアスペクト比を、画像解析プログラム(例えば、ＭＡＴＬＡＢ言語による画像解析プログラム)を用いて計測する。算出された析出粒子の数と、各析出粒子のアスペクト比（アスペクト比の分布）から、析出粒子の総数に対する、アスペクト比が４以上の析出粒子の数の比を算出する。析出粒子として観察される領域を楕円に近似して、当該楕円の長軸／短軸の値を析出粒子のアスペクト比として算出した。析出粒子の楕円近似は、析出粒子の中心座標と、析出粒子の領域の外周の各点の座標を用い、最小二乗法によって行うことができる。なお、ＦＥ－ＳＥＭによる析出粒子の特定がどうしても難しい場合は、ＥＤＸマッピング像を用いて二値化してもよいが、ＦＥ－ＳＥＭを用いて析出粒子を特定する方が望ましい。
　さらに、本実施形態のアルミニウム配線材の結晶組織中の結晶粒が微細であることにより、結晶組織の弾力性が増し、上記＜１１２＞の方位比率の存在率と相俟って、ウェッジツール追従性をより向上させることが分かった。具体的には、本実施形態のアルミニウム配線材において、長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が４０μｍ以下であることが好ましく、この場合にウェッジツール追従性をより得やすくなる。平均結晶粒径は、３０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましい。平均結晶粒径は、通常、１μｍ以上である。
　アルミニウム配線材の断面の結晶組織の測定及び分析には、後方電子散乱図形（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎ、以下「ＥＢＳＰ」という。）法を用いることができる。ＥＢＳＰ法により、半導体ボンディング用途の配線材のような細線でも、その断面の結晶組織を精度良く、十分な再現性をもって測定することができる。
　ＥＢＳＰ法では、通常、試料の表面の凹凸や曲面が大きい場合は、結晶方位を高精度で測定するのが難しくなる。そのため、配線材断面をＥＢＳＰで観察するために断面の表面を滑らかに処理することが有用である。断面の表面を滑らかに処理する方法としては、機械研磨、化学研磨、ＦＩＢ加工法などがある。これらの方法によれば、断面の表面の残留歪みを除去し、滑らかな表面を得ることができる。
　上記のように試料の前処理を適正に行えば、ＥＢＳＰ法で配線材断面の結晶方位は、高精度の測定、解析が可能である。結晶方位の測定は、少なくとも３箇所以上、可能ならば１０箇所以上の異なる箇所で行うことで、ばらつきを考慮した平均値を得ることが可能となる。
（負荷応力比）
　本実施形態のアルミニウム配線材は、下記（１）で定義される負荷応力比が０．４以上０．９以下である。
　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　・・・（１）
　自動車の走行や人間の歩行時の振動は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向にランダムに発生し、また、振動周波数は４０Ｈｚ以下であることが多いことが知られている。例えば、電気自動車に搭載されるアルミニウム配線材は、長期間にわたり、上記のような応力により、３軸方向に引っ張られたり、圧縮されたり、曲げられたりしている。このような、複雑な方向性を持つ振動負荷に対する性能を評価する方法について、発明者らは検討した。その結果、上記のような耐振動性は、上記式（１）で示される負荷応力比と相関することを見出した。
　一般に、鉄鋼材料は、一定の振幅で繰返し応力を受けた場合、ある繰返し数で、疲労によって破壊に至る。この繰返し応力の大きさをＹ軸に、繰返し回数をＸ軸にして二軸のグラフで表したのが、図２に示されるＳ－Ｎ曲線である。繰返し応力を下げていくと１０の６乗回から７乗回付近でＳ－Ｎ曲線が水平となり、無限回の繰返し応力の負荷によっても破壊に至らなくなることがある。このときの繰り返し応力の値は疲労限度（ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｍｉｔ）と呼ばれる。他方、アルミニウム等の非鉄金属におけるＳ－Ｎ曲線は、図２に示されるように水平となる箇所がなく、疲労限度が存在しない。そのため、ある繰り返し数のところの強度を疲労限度とみなす。例えば、１０の７乗回まで破壊されない繰り返し応力は１０の７乗時間強度と呼ばれる。なお、慣例的に１０の７～８乗回程度の繰り返し数の時の応力振幅を疲労限度という場合もあるため、本実施形態においては、１０の７乗時間強度を疲労限度とする。
　疲労限度は、通常、最大負荷応力（ＭＰａ）として表される。本願発明の疲労限度は、引張疲労試験専用試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製ＥｌｅｃｔｒｏＰｌｕｓＥ３０００、以下「測定装置」という。）によって、ＪＩＳ　Ｚ　２２７３：１９７８の趣旨に従って、室温（例えば２５℃）での引張疲労試験を行うことにより次のように測定することができる。評価対象のアルミニウム配線材を、長さ１００ｍｍよりやや長く切り出して測定長さ１００ｍｍとした評価サンプルを得る。なお、後述する最大負荷応力の値の算定のために、当該評価対象のアルミニウム配線材の０．２％耐力の値をあらかじめ引張試験にて得ておく。その後、評価サンプルを測定装置に固定し、最大負荷応力での負荷及び最小負荷応力での除荷を、５Ｈｚ（１秒間に５回）の速度で最大で１０の７乗回を超える回数で繰り返す（引張疲労試験）。なお、ここでの最大負荷応力は０．２％耐力の９０％の値および９０％未満の任意の値、最小負荷応力は１０ＭＰａ（固定値）とする。０．２％耐力の９０％の値を最大値として、上記９０％未満の任意の値を大きい方から順に設定して、回数の異なる３点以上の繰返し荷重回数で上記負荷と除荷を繰り返す。結果を、繰返し荷重回数をｘ軸、最大負荷応力σをｙ軸として、ｘ軸を対数（対数の底は１０）にした片対数のグラフにプロットしてＳ－Ｎ曲線を作成する。なお、引張疲労試験においては、グラフにプロットされる繰返し荷重回数の間隔が、ｘ軸方向において、対数表示で１以上、実数表示で１０の１乗以上になるように試験条件を調整する。プロットした点から最小二乗法により近似直線を求め、当該近似直線により、繰返し荷重回数が１０の７乗回での破断に至らない最大負荷応力を求める。この繰返し荷重回数が１０の７乗回での破断に至らない最大負荷応力が疲労限度（ＭＰａ）となる。
　また、繰返し荷重回数が１０の７乗回以上の評価が難しい場合は、例えば、１０の３乗回以上１０の６乗回以下の破断に至らない繰返し荷重回数での最大負荷応力を、Ｓ－Ｎ曲線の片対数グラフに３点以上プロットし、プロットした点から最小二乗法により近似直線を求め、当該近似直線により、繰返し荷重回数が１０の７乗回での疲労限度を見積もってもよい。この場合も、プロットされる点のｘ軸方向の間隔が、対数表示で１以上、実数表示で１０の１乗以上となるように試験条件を調整する。また、この引張疲労試験は、より正確に行うために、次の３つの条件を満たすことが重要である。
（i）測定長（引っ張られている部分）の両端が固定されており、試験中に動かないこと
（ii）測定長の両端が互いに一軸方向に真っ直ぐに引っ張られること
（iii）引張試験による破断箇所がチャック部分でないこと
　次に引張強度について説明する。引張強度は、引張実験装置により評価サンプルの両端を引っ張ったときの最大荷重（Ｋｇｆ）を配線材の断面積で除することで得られる。この、最大荷重は、引張実験装置において、引っ張り力が電気信号に変換され自動で算出される。なお、負荷応力比は、上記式（１）に示す通り、疲労限度／引張強度の値として求められるが、引張疲労試験における最大荷重／引張試験における最大荷重の値として求めてもよい。
　本実施形態のアルミニウム配線材は、負荷応力比が、０．４以上０．９以下であることで、半導体チップに接合された配線材のネック部の振動による破壊が著しく抑制され、その結果、耐振動性を向上させることができる。負荷応力比は０．５以上０．９以下であることが好ましく、０．６以上０．９以下であることがより好ましく、０．７以上０．９以下であることがさらに好ましい。負荷応力比がこの範囲であると、耐振動性の効果を高めることができる。
（耐力比）
　本実施形態のアルミニウム配線材は、下記（２）で定義される耐力比が１．０を超え２．３以下である。
　耐力比＝最大応力／０．２％耐力（応力）　・・・（２）
　上記の負荷応力比の範囲とした上で、アルミニウム配線材の耐力比を１．０を超え２．３以下とすることにより、アルミニウム配線材の靭性が増し、耐振動性をさらに向上させることができる。耐力比は１．２以上２．１以下であることが好ましく、１．４以上１．９以下であることがより好ましい。
　耐力比は最大応力（ＭＰａ）を０．２％耐力（応力）（ＭＰａ）で除して得られる値である。まず、上述した引張試験により、配線材の最大荷重（ｋｇｆ）及び０．２％ひずみ荷重（ｋｇｆ）を求める。最大荷重を配線材の断面積で除すことで最大応力（ＭＰａ）が得られる。また、０．２％ひずみ荷重を配線材の断面積で除すことで０．２％耐力（応力）（ＭＰａ）が得られる。すなわち、最大応力＝最大荷重／断面積であり、０．２％耐力（応力）＝０．２％ひずみ荷重／断面積である。これらを上記式（２）に当てはめて、耐力比を算出することができる。また、耐力比は、引張試験の最大荷重／０．２％ひずみ荷重の値として算出しても良い。
（耐振動性の評価）
　配線材サンプルを、超音波ボンディング装置（超音波工業製ワイヤボンダＲＥＢＯ７）を用いて、ループの高さ１ｍｍ、長さ７ｍｍとなるように、２枚のアルミニウム板に第一接合部と第二接合部をそれぞれ接合し、評価サンプルを得る。この評価サンプルを用いて、ＪＩＳ規格に基づき製作された振動疲労専用試験機（例えば、アズワン社製ＣＶ－１０１Ｍ）によって、振動疲労試験を行い、耐振動性の評価とする。振動疲労試験は各サンプルについて、周波数５０Ｈｚ、加速度１Ｇ、振幅０．０９９ｍｍで破断するまで振動を印加する。振動疲労試験において、破断に至るまでの総振動回数が多いほど、耐振動性に優れる。
　上述した通り、例えば、電気自動車は、路面の整備が十分でなく平坦性が低い地域などで運転されることがあり、電気自動車に搭載されるパワー半導体には、振動による故障のないことが求められる。本実施形態のアルミニウム配線材は、上記構成により、耐振動性に優れるため、長期間振動にさらされた場合の故障を抑制することができる。また、パワー半導体には、電流による温度サイクルの下で上記のような振動が加わるが、本実施形態のアルミニウム配線材は、上記構成により、温度サイクルと振動が複合的に加わった場合でも、破断等の故障の発生が著しく少ない。そのため、電気自動車に用いた場合に、高い安全性を実現することができる。
　アルミニウム配線材の接合方法である超音波接合は、アルミニウム配線材に荷重を加えながら超音波を印加することで、接合面の酸化膜等を破壊するとともに、配線材を変形させながら接合する。そのため、例えば接合対象となるバスバーや電極の表面の酸化膜等が厚い程、それを取り除くために、アルミニウム配線材に印加される超音波は高荷重及び高エネルギーになる。しかし、高荷重及び高エネルギーでの超音波を印加すると、その振動のため、特に、接合部境界付近で配線材の強度低下を招き、結果として接合の長期信頼性の低下を招きやすい。しかしながら、本実施形態のアルミニウム配線材では、上記した通り優れた耐振動性とパワーサイクル寿命を実現できるので、高荷重及び高エネルギーでの超音波接合されたアルミニウム配線材であっても、接合の長期信頼性を維持することができる。
　また、低ループ接合では、高ループ接合に比べて振動への耐性が低いため、従来、所定のループ高さを維持することによって、アルミニウム配線材やその接合部の故障を抑制していた。本実施形態のアルミニウム配線材によれば、優れた耐振動性を有するため、ループ高さをより低くして接合することができるので、パワー半導体の小型化に寄与することができる。なお、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等においては、一般に、配線材や半導体チップが樹脂により封止されている。しかしながら、封止樹脂と、配線材や半導体チップとが完全に密着しているわけではなく、樹脂と配線材や半導体チップと間に全体的に隙間が生じる。この隙間のため、樹脂封止されているパワー半導体においても、樹脂封止されていないものと同様に、耐振動性が求められる。温度サイクルで熱疲労が生じた配線材では、樹脂と配線材の間のわずかな空隙で生じる短振幅の振動でも故障の原因となり得る。しかしながら、本実施形態のアルミニウム配線材によれば、パワーサイクル寿命が長く、耐振動性に優れるため、樹脂封止されたパワー半導体においても温度サイクルや振動による破断を抑制することができる。
　本実施形態のアルミニウム配線材を構成するアルミニウムは、その総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有する。
　本実施形態のアルミニウム配線材は、これらの元素が含有されていることで、製造条件の調整により上記析出粒子の分布が得られる。このため、本実施形態のアルミニウム配線材による優れた耐振動性及び接合の長期信頼性を得ることができる。鉄、ケイ素、ガリウム、バナジウムは、アルミニウム配線材の原料に予め含まれていてもよく、アルミニウム配線材の製造過程で添加されてもよい。
　本実施形態のアルミニウム配線材において、鉄とケイ素の少なくとも１つの元素の合計量が０．０１質量％以上であることで、より長いパワーサイクル寿命を得ることができる。鉄及びケイ素の量は、長寿命を達成しやすいことから、合計で０．０２質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましく、０．１質量％以上であることがさらに好ましく、０．１３質量％以上であることがよりさらに好ましい。また、鉄及びケイ素の量は、長いパワーサイクル寿命を達成しつつ、導電性を維持する点から、合計で、０．９質量％以下であることがより好ましく、０．８質量％以下であることがさらに好ましい。
　本実施形態のアルミニウム配線材において、鉄の量は、アルミニウム合金の総量に対して、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましく、０．０５質量％以上であることがさらに好ましく、０．１質量％以上であることが特に好ましく、０．１３質量％以上であることがより特に好ましい。また、鉄の量は、配線材の総量に対して、０．９５質量％以下であることが好ましく、０．９質量％以下であることがより好ましい。また、ケイ素の量は、アルミニウム合金の総量に対して、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましい。ケイ素の量は、０．５質量％以下であることが好ましく、０．４質量％以下であることがより好ましい。上記鉄とケイ素の好ましい範囲を組み合わせることで、鉄とケイ素の相乗効果によって、接合の長期信頼性がよりさらに得やすくなる。
　本実施形態のアルミニム配線材において、ガリウムとバナジウムのうち少なくとも１種の含有量の上限は特に限定されないが、１０００質量ｐｐｍ程度である。ガリウムとバナジウムの合計量が８００質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、これにより、通電時のアルミニウム配線材の最高到達温度を抑えやすい。ガリウムとバナジウムの含有量は、配線材の総量に対して、１００質量ｐｐｍ以上であってもよく、１５０質量ｐｐｍ以上であってもよい。ガリウムとバナジウムの含有量は、配線材の総量に対して、７００質量ｐｐｍ以下であってもよく、６００質量ｐｐｍ以下であってもよい。ガリウムとバナジウムの含有量は、ガリウムとバナジウムのいずれか一方のみが配線材中に含まれる場合はその一方の量が上記範囲であればよく、ガリウムとバナジウムの両者が含まれる場合は、ガリウムとバナジウムの合計量が上記範囲であればよい。
　例えば、純度９９．９９質量％のアルミニウム配線材を使用した場合の通電時の最高到達温度が１５０℃であった場合、ガリウムとバナジウムの含有量が１０００質量ｐｐｍ以下であれば、最高到達温度を１６０℃以下に抑えることができる。すなわち、純度９９．９９質量％のアルミニウム配線材を基準として、通電時の発熱上昇温度を１０℃程度以内で抑えることができる。
　本実施形態のアルミニム配線材は、鉄、ケイ素、ガリウム、バナジウム以外に、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、スカンジウム（Ｓｃ）の微量元素の１種又は２種以上を含んでいてもよい。本実施形態のアルミニウム配線材は、上記した微量元素以外の不可避不純物を含有していてもよい。微量元素の含有量は、配線材全体に対して、合計で０．１質量％以下となる量である。また、微量元素の含有量は、アルミニウム合金の総量に対して、例えば、０．０００１質量％以上である。これらの微量元素は、アルミニウム配線材の原料に予め含まれていてもよく、アルミニウム原料の不可避不純物であってもよく、アルミニウム配線材の製造過程で添加されてもよい。上記の微量元素は、０．００５質量％以上であることが好ましく、０．０１質量％以上であることがより好ましく、０．０１５質量％以上であることがさらに好ましい。
　本実施形態のアルミニム配線材に含有される元素の含有割合は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析等の化学分析で測定されるのが一般的であるが、これに限定されない。例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）またはエネルギー分散型Ｘ線分光法による分析（ＥＤＸ）によっても同様に測定することができる。
　本実施形態のアルミニウム配線材は、アルミニウムの純度（アルミニウム配線材の総量に対するアルミニウムの量）が、９９質量％以上のアルミニウム合金からなることが好ましい。これにより、十分な導電率を有するとともに、さらなる良好な耐振動性及び接合の長期信頼性を実現し得る。アルミニウム配線材のアルミニウムの純度は９９．９質量％以下であることが好ましい。アルミニウムの純度は９９．９質量％以下であることで、十分な量の鉄、ケイ素、ガリウム及びバナジウムや微量元素を含有することができるので、長期信頼性の向上に寄与する。アルミニウム合金の純度は、９９．９質量％未満であることがより好ましく、９９.８質量％以下であることがさらに好ましい。
　本実施形態のアルミニウム配線材の線径は、通常、１５μｍ以上７００μｍ以下であり、７０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましい。アルミニウム配線材の線径は、断面形状が真円であれば直径とし、それ以外の形状（下記に示すような断面が円形、楕円形、長円形、多角形、多角形類似の形状）であれば長軸の長さを直径とする。ただし、断面が多角形、多角形類似の形状の場合は、幅や厚みとしてその長さを測定してもよい。図２に、アルミニウム配線材の断面形状の一例を模式的に示す。アルミニウム配線材の断面形状は、図３で示すように、円形状（図３のａ）以外にも、楕円形状（例えば、図３のｂ）や長円形状（例えば、図３のｃ）、四角形状（例えば、図３のｅ）、三角形（例えば、図３のｄ）又は多角形類似の形状（例えば、図３のｆ、ｇ）などであってもよい。アルミニウム配線材の断面が楕円形状や長円形状の場合、長軸の長さが、０．３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがより好ましく、短軸の長さが、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。アルミニウム配線材の断面が四角形状の場合、長辺の長さが、０．３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがより好ましく、短辺の長さが、通常、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、断面が多角形や多角形類似、あるいは扁平楕円形（楕円形を単軸方向に圧縮した形状）の形状の配線材をリボン、断面が円形、楕円形、長円形の配線材をワイヤという。
（アルミニウム配線材の製造方法）
　次に、実施形態のアルミニウム配線材の製造方法の一例を説明する。なお、アルミニウム配線材の製造方法は、以下に示す製造方法に限定されるものではない。製造するアルミニウム配線材の重量や熱処理炉の処理能力を鑑みて適宜条件を調整することが望ましい。
　９９質量％以上の高純度のアルミニウムに、鉄及びケイ素を共に溶解してアルミニウム溶湯を作製する。原料とする高純度アルミニウムの純度は、９９．９質量％以上であってもよく、９９．９９質量％以上であってもよい。溶解には、アーク加熱炉、高周波加熱炉、抵抗加熱炉、連続鋳造炉等の加熱炉が用いられる。大気溶解でも問題ないが、大気中からの酸素や水素の混入を防止する目的で、加熱炉のアルミニウム溶湯は真空あるいはアルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気に保持して溶解してもよい。また、アルミニウムの溶解に際しては、溶湯中に、アルゴン（Ａｒ）ガスや窒素ガスなどの不活性ガスをバブリングした後、フィルタによるろ過処理を行う、介在物除去工程を行うことが好ましい。介在物除去工程では、不活性ガスのバブリングにより二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの介在物をアルミニウム溶湯表面に凝集させ、続くろ過処理によって介在物をアルミニウム溶湯から除去することができる。介在物を除去することで、負荷応力比を０．４以上に調節しやすくなる。介在物除去工程において、アルゴン（Ａｒ）ガスを使用すると、負荷応力比を高くしながら、耐力比や＜１１２＞方位比率を上位範囲に調整しやすくなり、温度サイクル下において接合の長期信頼性と耐振動性をさらに向上させることができる。
　また、介在物除去工程においてバブリングされるガス流量を大きく、バブリングの時間を長くするほど介在物の除去効果が高くなるため、負荷応力比を０．４以上に調節しやすい。これに対し、ガス流量が大きすぎるか、バブリング時間が長すぎても、介在物の除去効果が局限に達した後は、効果が得られず無駄である。なお、バブリングの方法としては、アルミニウム溶湯中への不純物の溶出を抑える点で、高温での耐食性に優れる鋼鉄製のパイプを用い、当該パイプを介して不活性ガスをバブリングすることが好ましい。ろ過処理方法としては、空孔率０．８～０．９程度のセラミックフォーム製のフィルタにアルミニウム溶湯を通流させる方法がある。
　表１は、介在物除去工程を行った場合（バブリング有）と行わなかった場合（バブリング無）で、その他の製造条件が共通した場合の、最終線径のアルミニウム配線材の負荷応力比、耐力比、＜１１２＞方位比率の相違を示す表である。表１に示される実験例では、鉄（Ｆｅ）が０．１５質量％、Ｓｉ（ケイ素）が０．０３質量％、Ｇａ（ガリウム）が０．００９質量％かつバナジウム（Ｖ）が０．０１２質量％で残部がアルミニウム及び不可避不純物の組成Ａと、鉄（Ｆｅ）が０．８質量％、Ｓｉ（ケイ素）が０．２質量％、Ｇａ（ガリウム）が０．０３質量％かつバナジウム（Ｖ）が０．０３質量％で残部がアルミニウム及び不可避不純物の組成Ｂについてバブリングの有無による影響を比較した。表１に示されるように、アルミニウム溶湯において介在物除去工程を行った場合は、行わなかった場合に比べて、負荷応力比、耐力比、＜１１２＞方位比率を本実施形態の範囲に調整しやすいことがわかる。
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　溶解させたアルミニウム材料は、所定の直径となるように加熱炉から連続鋳造で凝固させてインゴットを作り、そのインゴットを押出機にセットし所定の線径に押出成形加工することができる。実施形態のアルミニウム配線材の製造方法では、所定の線径に押出成形加工された元線材にキズ防止処理を行う、キズ防止処理工程を行うことが好ましい。キズ防止処理工程を経ることで、耐力比を１．０を超え２．３以下に調節しやすくなる。キズ防止処理は、界面活性剤を主成分とする処理液を、元線材の表面に塗布して行うことができる。界面活性剤を用いることで、油性の処理液を用いるよりも、元線材の表面腐食を起こしにくいだけでなく、後の熱処理工程におけるアルミニウム配線材表面での界面活性剤の焼き付きや高温腐食を抑制できるので、耐力比を上記範囲に調整しやすくなる。また、キズ防止処理工程を経ることで、耐力比を上記範囲に調整しつつ、４５％以下への＜１１２＞方位比率の調整と、０．４以上０．９以下の範囲への負荷応力比の調整を両立しやすくなる。なお、キズ防止処理工程の処理液に含有される界面活性剤としては、エタノール、メタノール、ブタノール、ｎ－プロピルアルコール、フェノール、エチレングリコール、トリデカノール、グリセリン等のアルコール系溶剤等が挙げられ、後の伸線工程で潤滑剤として界面活性剤を用いる場合、当該伸線工程と同種の界面活性剤を用いることが好ましい。また、キズ防止処理工程で用いられる界面活性剤の濃度は特に限定されないが、耐力比を１．０を超え２．３以下に調節しやすくする点では、後の伸線工程で界面活性剤を用いる場合、当該伸線工程の界面活性剤と同じ濃度であることが好ましい。
　上述の工程で得られた線材を、線径５．０ｍｍの中間線材に伸線加工する。中間線材の線径は通常、最終線径の７～３３０倍程度である。
　次いで、伸線加工後の配線材（中間線材）に均質化処理を行ってもよい（均質化処理工程）。均質化処理では、中間線材に、大気炉で、４００℃～５００℃にて３０分～２４０分程度加熱する熱処理を施し、その後急冷する。均質化処理工程を経ることで、特に、アルミニウム配線材中のアルミニウム以外の元素の量が少ない場合に、上記所定の結晶方位＜１１２＞の方位比率と、負荷応力比の値を両立しやすくなる。均質化処理工程における急冷は、特に限定されず、加熱後の中間線材を浸漬槽等に貯留した冷水に浸漬する方法や、加熱後の中間線材に冷水をシャワー等でかけ流す方法などで行うことができる。溶体化処理よりも、低温かつ短時間の均質化処理を行うことで、アルミニウム以外の元素をアルミニウムマトリックス中に均質に分散させることができるので、上記所定の結晶方位＜１１２＞の方位比率と、負荷応力比の値を両立しやすくなり、接合の長期信頼性と耐振動性を向上させつつ、曲げに対する十分な追従性を得ることができる。
　なお、本実施形態のアルミニウム配線材の製造方法では、上記均質化処理に加えて、アルミニウム以外の元素をアルミニウムマトリックス中に固溶させるための溶体化処理を行ってもよい。また、均質化処理後の中間線材には、伸線加工前に、中間熱処理が施されてもよい。中間熱処理では、例えば、均質化処理後の中間線材を、２４０～３００℃で３０～１４０分程度加熱し、その後、空冷する。中間熱処理によって、＜１１２＞方位比率や、負荷応力比、耐力比の微調整を行うことができる。中間熱処理における中間線材の加熱は、所定の温度に加熱した加熱雰囲気内に線材を通過させて熱処理を行う走間熱処理や、密閉式の炉内に線材を加熱して行うバッチ式熱処理がある。
　中間線材は、必要に応じて均質化処理、溶体化処理、中間熱処理を施された後、最終線径まで伸線加工される。伸線加工では、複数の超硬ダイスもしくはダイヤモンドダイスに順に配線材を通過させて、段階的に配線材の線径を縮小する。＜１１２＞の方位比率を４５％以下にするために、ダイス１つあたりの減面率（加工率）は５％以上４０％以下とするのがよい。
　また、伸線加工は、ダイスを冷却しながら行うことが好ましい。ダイスを冷却することで、ダイスと配線材の摩擦により配線材の温度が上がるのを抑制し、これにより、アルミニウム配線材の＜１１２＞方位比率を４５％以下に調整しやすくするとともに、アルミニウム配線材全体として均質な＜１１２＞方位比率を得ることができる。ダイス冷却方法としては、ダイス入口に冷水を含む冷却液を噴射する方法が有効である。またダイスの冷却と同時に、ダイス内に、界面活性剤を主成分とする潤滑剤を流入させてもよく、これにより、負荷応力比を上記範囲に調節しやすくなる。ダイス入口に冷却液を噴射してダイスを冷却する方法によれば、冷却液に潤滑剤を混合して供給することができるので、潤滑剤を効率的にダイス内に流入させることもできる。なお、ダイス冷却は、例えば、冷却液の温度が２０℃以下で、噴霧される冷却液の流量は多い方が、冷却効果が高く、＜１１２＞の方位比率が均質になりやすい。これに対し、冷却液の流量は多すぎると、冷却効果が限定的となるため無駄が生じやすい。
　最終線径まで伸線した配線材に、最終熱処理を施す。最終熱処理では、主に配線材内部に残留する金属組織の歪みが除去され、これにより配線材の機械的特性等が調整され得る。
　最終熱処理の方法としては、所定の温度に加熱した加熱雰囲気内に配線材を通過させて熱処理を行う走間熱処理や、密閉式の炉内に配線材を加熱して行うバッチ式熱処理がある。本実施形態での最終熱処理は、例えば、１５０℃以上４００℃以下で３０分以上６０分以下程度、バッチ式熱処理にて行うことが好ましい。最終熱処理を上記の条件で行うことで、アスペクト比が４以上の析出粒子の数の比を０．５以上５以下に調整することができる。具体的には、最終熱処理温度が高いほど、また最終熱処理時間が長いほど、アスペクト比が４以上の析出粒子の数の比は大きくなりやすく、最終熱処理温度が低いほど、また最終熱処理時間が短いほど、アスペクト比が４以上の析出粒子の数の比は小さくなりやすい。
　最終熱処理を施された配線材は、続いて空冷されることが好ましい。空冷により、アルミニウム配線材の、＜１１２＞方位比率を均質に、４５％以下に調節しやすくなる。これは、空冷よりも水冷の方が冷却効果は高いが、空冷では水冷に比べて、アルミニウム配線材表面に汚染や欠陥を生じず、上述した耐力比及び負荷応力比を実現しつつ、４５％以下の＜１１２＞方位比率に均質かつ精密に制御しやすいためである。空冷方法としては、例えば、最終熱処理後のアルミニウム配線材を室温で放置することで徐冷する方法や、冷風をアルミニウム配線材表面に噴射する方法がある。中でも、エアや冷風をアルミニウム配線材表面に噴射する方法が、＜１１２＞方位比率を均質かつ安定に上記所望の範囲に調整しやすいため好ましい。空冷をエアや冷風をアルミニウム配線材表面に噴射する方法で行う場合、エアや冷風の温度が低い程、また噴射する風速が大きい程、冷却効果が高く、上記範囲の＜１１２＞方位比率を安定的に得やすくなる。
　上記で説明した実施形態のアルミニウム配線材の製造方法においては、アルミニウム配線材中のアルミニウム以外の元素の量や種類に応じて、溶湯での介在物除去工程、元線材での均質化処理、伸線加工におけるダイス冷却、最終熱処理及び最終熱処理後の空冷におけるそれぞれの条件を上述した手法で調整することで、＜１１２＞方位比率、平均結晶粒径、負荷応力比、耐力比及びアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比を好ましい範囲に調整することができる。
（アルミニウム配線材の用途）
　本実施形態のアルミニウム配線材は、従来、鉄系材料、銅系材料及びアルミニウム系材料からなる配線材が用いられているあらゆる用途が対象となり得る。本実施形態のアルミニウム配線材は、具体的には、パワー半導体用の導電部材、電線やケーブル等の導電部材、電池用部材、発電機やモータに用いられる巻線等として好適に用いることができる。パワー半導体用の導電部材は、半導体用のボンディングワイヤやボンディングリボン等である。電池用部材は、集電体用のメッシュや網、バスバーと電池接合用のボンディング配線材等である。
　次に、実施例について説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。
　実施例のアルミニウム配線材を、次のように作製した。純度が９９．９質量％以上の高純度のアルミニウム地金を準備し、各実施例の配線材について、表２に示される組成となるように、鉄及びケイ素、ガリウム及びバナジウムを添加して、アルミニウム合金を作製した。各組成のアルミニウム合金を、大気下で溶解した。アルミニウム合金の溶解においては、アルミニウム合金の溶湯中に、アルゴン（Ａｒ）ガスを、鋼鉄製のパイプを介してバブリングした後、溶湯表面に析出した介在物を、空孔率０．８５のセラミックフォーム製のフィルタによってろ過した。このときのアルゴン（Ａｒ）ガスの流量は７Ｌ／分、ろ過時の溶湯流束は、２２ｋｇ／分であった。その後、連続鋳造・押出成形加工して線材を得た。押出成形加工により得られた線材表面に、界面活性剤である、エタノールの水溶液を塗布してキズ防止処理を行なった。これにより得られた線材を、中間線径５ｍｍまで伸線加工した。その後、この伸線途中の中間線材に対して、中間熱処理を２４０℃から３００℃で３０分から１４０分程度行った。中間熱処理後の中間線材を、空中にて冷却した。中間熱処理前後の中間線材に、冷間でのダイス引き抜きによる伸線加工を施した。伸線加工においては、ダイヤモンドダイス１つあたりの減面率（加工率）は５％以上４０％以下とした。また、ダイス引き抜きによる伸線加工においては、ダイヤモンドダイスに、上記した界面活性剤と同種の界面活性剤を、キズ防止処理時の処理液と同濃度となるように含有させた潤滑液を流入させて、ダイヤモンドダイスを冷却した。実施例のアルミニウム配線材の作製では、最終線径に加工するまでの総加工率を９９．３６％として、最終線径（４００μｍ）まで伸線加工した。さらに、最終線径まで加工されたアルミニウム配線材に、バッチ式炉又はソルトバスにて最終熱処理を１５０℃から４００℃の間で３０分間から６０分間、施した。最終熱処理を終えたアルミニウム配線材に冷風を噴射して空冷した後、空冷されたアルミニウム配線材を巻き替え機によってスプールに約３００ｍごとに巻き替えた。これにより、断面が円形状のアルミニウム配線材を得た。
　比較例のアルミニウム配線材は次のように作製した。実施例と同様にして、純度９９．９質量％以上のアルミニウム地金を準備し、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｖ等を表２に示す組成になるように添加し、中間線径や最終線径での熱処理温度や時間、各線径から次の線径までの加工率、中間熱処理後の冷却速度、各ダイスの減面率などの製造条件を上記実施例の範囲外に変えて各比較例のアルミニウム配線材を作製した。
（配線材断面の結晶方位及び平均結晶粒径の測定）
　実施例及び比較例のアルミニウム配線材断面の結晶方位は次のように測定した。アルミニウム配線材を、数センチ長さに切り出して、評価サンプルを複数本用意した。評価サンプルが伸びたりたるんだりしないように配慮しながら、金属（Ａｇめっきフレーム）板上に真っ直ぐかつ平坦に貼り付けた。その後、評価サンプルを金属板ごと円筒状の型（かた）に、金属板が円筒の底面となるように入れ、次いで、型内に埋め込み樹脂を流し込んで、その後、硬化剤を添加して樹脂を硬化させた。続いて、硬化させた評価サンプル入りの円筒状の樹脂を、配線材長手方向の垂直断面（以下、横断面ともいう。）が露出するように研磨器にて粗研磨した。その後、最終研磨によって切断面の仕上げをし、続いて、イオンミリングにより、研磨面の残留歪みを除去し、滑らかな表面を得た。なお、配線材切断面が配線材長手方向と垂直になるようにイオンミリング装置を微調整した。
　電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ、日本電子製　ＪＳＭ－７８００Ｆ）の試料台に、評価サンプルの配線材の横断面（即ち、評価サンプルの研磨面）が試料台と平行になるように貼り付け、ＦＥ－ＳＥＭによって２００倍の観察倍率、加速電圧１５ｋｅＶ、測定領域約４２０×４２０μｍ、測定間隔（Ｓｔｅｐ　Ｓｉｚｅ）１．２μｍを設定して横断面の結晶方位及び平均結晶粒径を測定した。こうして得られた結晶方位は結晶方位解析専用ソフト（ＴＳＬ製　ＯＩＭ　ａｎａｌｙｓｉｓ、以下専用ソフトともいう。）を用いて解析した。
　専用ソフトの結晶粒の判別条件を設定し、測定した試料の結晶方位比率、すなわち各結晶方位の存在割合を解析した。専用ソフトの結晶粒の判別条件は、通常、解析の目的によって設定できるが、結晶方位比率の解析結果にはほとんど影響しないので、本実施例及び比較例では、方位差が１０°以下で２つ以上のピクセルが繋がっている場合に１つ結晶粒として認識するように設定し、その内＜１１２＞方位の結晶粒の割合を求めた。
　また、ＥＢＳＰ測定データの解析では、測定面の、粗さ、研磨等による残留歪み、コンタミネーション、酸化膜の存在などによって、結晶方位が測定できない領域がありうる。このため、信頼度を設定し、この信頼度を基準として、測定エリア内で同定できた結晶方位だけの面積を母集団として、各方位比率を、専用ソフトにより自動で算出した。つまり、結晶方位が測定できない部位及び測定できるが結晶方位の測定結果の信頼度が低い部位等は除外して方位比率を求めた。ここで、専用ソフトにパラメータが用意されている場合があり、信頼度は、当該パラメータを使用して設定することができる。具体的には、Ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ　Ｉｎｄｅｘ（ＣＩ値）、Ｉｍａｇｅ　Ｑｕａｌｉｔｙ（ＩＱ値）等の数種のパラメータを使用して、試料の状態、解析目的等に応じて、信頼度を満たすか否かの判定基準を選定することができる。例えば、ＣＩ値は０．１以上を設定し、ＣＩ値が０．１より小さい部位を除外した。さらに、専用ソフトに含まれているクリーンアップ処理を使用し、測定の信頼度が低いピクセルの方位データ等を、その周辺の正常な測定がなされたピクセルのデータで置き換え、測定の信頼度が低い部分の測定結果を補完した。この方法は、測定信頼度の低いピクセルが点在しているときに、その除去のために有効である。ただし、クリーンアップ処理が過剰になると映し出された像のノイズが大きくなるので、例えば、方位差が１０°以下で２つ以上のピクセルが繋がっている場合に、１つの結晶粒を認識することとし、Ｇｒａｉｎ　Ｄｉｌａｔｉｏｎ法を１回実施し、さらに、Ｇｒａｉｎ　ＣＩ　Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ法を１回実施した。
　上記により求めた、実施例及び比較例の各アルミニウム配線材の、長手方向に垂直な断面における、長手方向に対して角度差が１０°以下である＜１１２＞方位比率、平均結晶粒径を下記の表２に示す。
（析出粒子のアスペクト比とアスペクト比の分布の測定）
　最終線径４００μｍの調質熱処理後のワイヤについて、上述のサンプリング方法にてサンプルを取得し、析出粒子の粒径についてワイヤ軸に垂直な断面（横断面）をＦＥ－ＳＥＭ（電界放出型走査電子顕微鏡、日本電子製ＪＳＭ－７８００Ｆ）にて倍率４００倍で断面の広範囲の析出粒子を観察し、その中から粒子分布の平均的な１～３か所について倍率１，０００倍にて観察した。ＳＥＭ撮影条件は加速電圧を５ｋＶ、作動距離（Ｗ．Ｄ．）を１０ｍｍに設定し、反射電子像（ＢＥＤ－Ｃ）を選択して実施した。画像解析では撮影したＳＥＭ画像の輝度値を０から１の範囲に正規化した上で、閾値を０．９５として二値化し、閾値より輝度値が高い領域を析出粒子とした。
　また、画像解析においては、粒子として認識される画像上の領域のうち８近傍で隣り合う画素を一つの粒子として判定した。８近傍とは、粒子として認識される所定の領域を中心とし、上下左右及びこれを４５°回転した８つの方向を意味し、この８つの方向のいずれかで、接触する領域を１粒子と定義する。なお、粒子として認識されるのが所定の領域のみで８つの方向のいずれかに接触する領域が存在しない場合は粒子として判定されない。
　次いで、ワイヤ軸方向に垂直な断面全体の析出粒子のアスペクト比（析出粒子の形状を、析出粒子に外接する楕円に近似した場合の長軸と短軸の比（長軸／短軸））と数を計測し、析出粒子の総数に対するアスペクト比４以上の析出粒子の数の比を百分率で表した。当該数の比は、ワイヤの先端部、後端部及び中間部のいずれにおいてもほぼ一致していた。各実施例における当該数の比を表２に示す。なお、実施例３及び比較例９の析出粒子の総数とアスペクト比４以上の析出粒子の数の比を表４に示す。
（負荷応力比の測定）
　負荷応力比は、以下の方法により求めた。実施例及び比較例の各アルミニウム配線材を、測定長さ１００ｍｍとして、評価サンプルを得た。この評価サンプルを用いて、１５～２８℃の室温中で引張疲労試験専用試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製ＥｌｅｃｔｒｏＰｌｕｓＥ３０００）によって、引張疲労試験を行うことにより疲労限度（ＭＰａ）を測定した。評価サンプルの両端を引っ張って、最大負荷応力での負荷及び最小負荷応力での除荷を、５Ｈｚ（１秒間に５回）の速度で１０の７乗回を超える繰り返し回数を最大回数として、３点以上の異なる繰返し荷重回数での最大負荷応力をＳ－Ｎ曲線の片対数グラフにプロットし、プロットした点から最小二乗法により近似直線を求め、当該近似直線により、１０の７乗回繰り返したときの疲労限度（ＭＰａ）を求めた。
　また、実施例及び比較例の各アルミニウム配線材を、長さ１００ｍｍよりやや長く切り出して、別途、評価サンプルを得た。１５～２８℃の室温中で引張試験にて引張強度、すなわち最大荷重（Ｋｇｆ）を測定した。引張試験における最大荷重は引張実験装置により測定することができる。最大荷重は、引張実験装置（例えば、株式会社島津製作所製　オートグラフ、モデル：ＡＧＳ－５ｋＮＸ）にて、測定長さ１００ｍｍとして、評価サンプルのアルミニウム配線材を速度２０ｍｍ／ｍｉｎ、ロードセル定格１００Ｎで引っ張り続け、破断に至るまでの最大値として算出される。最大荷重は、上記速度で引っ張られる配線材にかかる力であり、通常、ロードセルにより、引っ張り力を電気信号に変換して自動で算出される。最大荷重は、測定結果のばらつきを考慮し、３本の平均値を求めた。最大荷重を配線材の断面積で除して引張強度（ＭＰａ）を求めた。
　上記により測定した、疲労限度及び引張強度から、以下の式により負荷応力比を計算した。
　負荷応力比＝疲労限度／引張強度
　上記により求めた、実施例及び比較例の各アルミニウム配線材の負荷応力比を下記の表２に示す。
（耐力比の測定）
　耐力比は、実施例及び比較例の各アルミニウム配線材を、長さ１００ｍｍよりやや長く切り出して、耐力比測定用の評価サンプルを得た。引張試験により、上述と同様の条件で、各サンプルの最大荷重（Ｋｇｆ）及び０．２％ひずみ荷重（Ｋｇｆ）を求め、それぞれを各サンプルの断面積で除し、以下の式により耐力比を計算した。
　耐力比＝最大応力／０．２％耐力（応力）
上記により求めた、実施例及び比較例の各アルミニウム配線材の耐力比を下記の表２に示す。
（元素濃度の測定）
　実施例及び比較例の各アルミニウム配線材中の元素の濃度は次のように測定した。製造した配線材の０．５ｇほどを溶解させた。溶液中の各元素の濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（株式会社島津製作所製、ＩＣＰＥ－９０００）により求めた。なお、ここで測定したアルミニウム以外の元素は、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、ガリウム（Ｇａ）、バナジウム（Ｖ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、スカンジウム（Ｓｃ）であり、下記表２にこれらの含有量を示す。下記表において、「ｍａｓｓ」の略称は質量を意味する。
　上記で得られた実施例及び比較例のアルミニウム配線材の組成を表２に示す。次に、上記で得られたアルミニウム配線材について次の性能評価を行なった。
（パワーサイクル試験）
　実施例及び比較例のアルミニウム配線材のそれぞれを、超音波ボンディング装置（超音波工業製ワイヤボンダＲＥＢＯ７）を用いてパワーチップのアルミニウム合金電極上にアルミニウム配線材を接合した。各アルミニウム配線材について、接合部分の配線材の長手方向長さが５００μｍとなるように、接合時の超音波エネルギーと加圧力をそれぞれ設定した。アルミニウム配線材を接合後、パワーチップに、パワーチップの最大温度（Ｔｊｍａｘ）が１５０℃で最低温度（Ｔｊｍｉｎ）が２５℃、すなわち最大温度と最低温度の温度差（ΔＴｊ）＝１２５℃となる電流、通電時間、冷却時間を設定し、パワーサイクル試験を実施した。このときの通電時間は約７秒、通電停止時間は約１３秒、１サイクルあたり約２０秒である。
　通電ができなくなったときのサイクル数をパワーサイクル試験での寿命（パワーサイクル寿命）と定義した。パワーサイクル寿命が６万サイクル以上のサンプルを目標以上の寿命ということで「Ｓ」（優）と判定した。パワーサイクル寿命が４万サイクル以上６万サイクル未満を目標レベルということで「Ａ」（良）と判定した。パワーサイクル寿命が２万サイクル以上４万サイクル未満のサンプルを及第点ということで「Ｂ」（可）と判定した。パワーサイクル寿命が２万サイクル未満のサンプルを「Ｃ」（不合格）と判定した。各実施例及び比較例におけるアルミニウム配線材のパワーサイクル試験（熱サイクル）の評価を表３に示す。
（耐振動性）
　実施例及び比較例の各アルミニウム配線材を、超音波ボンディング装置（超音波工業製ワイヤボンダＲＥＢＯ７）を用いて、ループの高さ１ｍｍ、長さ７ｍｍとなるように、２枚のアルミニウム板に第一接合部と第二接合部をそれぞれ接合し、評価サンプルを得た。ループの長さは、第一接合と第二接合の両端の間の直線距離である。この評価サンプルを用いて、ＪＩＳ規格に基づき製作された振動疲労専用試験機（アズワン社製ＣＶ－１０１Ｍ）によって、振動疲労試験を行い、耐振動性の評価とした。振動疲労試験は各評価サンプルについて、周波数５０Ｈｚ、加速度１Ｇ、振幅０．０９９ｍｍで破断するまで振動を印加した。振動疲労試験において、破断に至るまでの総振動回数が５万を超える評価サンプルを目標以上ということで「Ｓ」と判定した。破断に至るまでの総振動回数が１万以上５万未満のものを目標レベルということで「Ａ」と判定した。破断に至るまでの総振動回数が５千以上１万未満のものを及第点ということで「Ｂ」と判定した。破断に至るまでの総振動回数が５千未満のサンプルを不合格ということで「Ｃ」と記した。各実施例及び比較例におけるアルミニウム配線材の振動疲労試験の評価を表３に示す。
（ツール外れ評価）
　次に、線径が４００μｍのアルミニウム配線材の評価サンプルを用い、超音波ボンディング装置（Ｋ＆Ｓ製ワイヤボンダ　ＡＳＴＥＲＩＯＮ）を用い、２枚のアルミニウム板に第一接合と第二接合を、これらの距離が５ｍｍとなるように接合した。第二接合部は配線材軸方向に対して水平方向に横に４５°を目標に、評価サンプルを曲げて接合した。接合条件は、評価サンプルに対して超音波エネルギーと加圧力がそれぞれ最適な条件となるように設定した。なお、ボンドツールはＫｕｌｉｃｋｅ＆Ｓｏｆｆａ社製、型番：１２７５９１－１６を使用し、その配線材をつかむワニ口の寸法は、間口（内径）が０．５ｍｍ、深さ（高さ）が０．２ｍｍ、長さ（奥行）が１．０ｍｍである。
　ツール外れの不具合が発生したかどうかの判定は、第二接合部の配線材の状態を観察して行った。評価サンプルを用い、３０回のボンディング（第一接合と第二接合の組合せを１回とする。）を行い、配線材が不着、もしくは、図３の左下のように片当たりしたツールとの接触痕が１箇所でもある場合は不合格で「×」と判定した。図３の右下のように正常に接合されていたら合格で「○」と判定した。これらの結果を表３に示した。
　なお、実施例１及び比較例１１の配線材について、次のとおり、高湿度環境下における耐腐食試験を行った。超加速寿命試験装置を使用し、１２１℃、１００％ＲＨ（飽和）の条件で１０００時間まで試験を行った。腐食層厚さ測定は、断面ミリング装置を使用してワイヤ断面を作製した後、ＦＥ－ＳＥＭを使用して腐食層の観察を行った。その結果、腐食層厚さはいずれも５μｍ程度であり、配線材の使用に問題がないレベルであることを確認した。
（総合評価）
　上記３つの評価が「Ｓ」及び「○」のみであれば、優秀であるという意味で総合評価「優」と判定した。上記３つの評価が「Ｓ」、「Ａ」又は「○」のみの場合は良好という意味で総合評価「良」と判定した。それ以外の評価の組合せで、かつ「Ｃ」又は「×」の評価がなければ、及第点という意味で総合評価「可」と判定した。１つでも「Ｃ」又は「×」の評価があるサンプルは不合格という意味で総合評価「不可」と判定した。これらの結果を表３に記した。
（樹脂封止したチップのパワーサイクル及び振動疲労試験）
　樹脂封止をした状態でのパワーサイクル寿命及び振動疲労について評価するため、評価用の模擬パワー半導体装置を作製した。図４に、評価用の模擬パワー半導体装置２００を模式的に示す。図４に示されるように、縦４５ｍｍ、横４０ｍｍ、厚さ２ｍｍのタングステンカーバイド製の金属板２０１に、２つの階段状のアルミニウム製端子２０２、２０３とＩＧＢＴチップ２０４をダイボンドで固定した。なお、一方のアルミニウム製端子２０３の裏面には金属製スペーサーを配置し、適宜、盛り上がるようにした。その後、実施例及び比較例のアルミニウム配線材によって、ＩＧＢＴチップ２０４と端子２０３をボンディングし、ループ頂上から端子２０３表面の高さが１ｍｍ、ＩＧＢＴチップ２０４表面からループ頂上までの高さが１０ｍｍ、配線材接合部分の両端面の距離、すなわち配線材の長さが最も短いもので７ｍｍ、最も長いもので２０ｍｍとなるようにループを形成した。その後、市販の樹脂製ダム剤でＩＧＢＴチップ周囲に壁を形成し、シリコーンゲル系の封止樹脂で壁の内側の、ＩＧＢＴチップ及び配線材のボンディング部分を満たした。
　上記の方法で作製した模擬パワー半導体装置で熱振動疲労試験として、パワーサイクル試験及び振動疲労試験を実行した。すなわち、実デバイスでの熱ストレス及び振動によるストレスに近い負荷を再現するために、上述したパワーサイクル試験の４，３２０サイクル（２０秒×４３２０回＝２４時間）とその後の半導体装置自体の振動試験（２４時間）を本試験での１サイクルとし、１サイクル毎に通電試験を行った。なお、当該振動試験は、上述の振動疲労試験の条件により実施した。
　通電ができなくなったときのサイクル数を当該試験での寿命と定義し、寿命が１２サイクル以上のサンプルを目標以上の寿命ということで「優」、８サイクル以上１２サイクル未満を目標レベルということで「良」、４サイクル以上８サイクル未満のサンプルを及第点ということで「可」、４サイクル未満のサンプルを不合格ということで「不可」と記した。各実施例及び比較例におけるアルミニウム配線材の熱振動疲労試験の評価を表５に示す。なお、比較例９、１０及び１１はツール外れ評価が不合格であったため評価を行わなかった。結果を表５に示す。なお、表５において、配線材の組成の一部は記載を省略した。
（圧延した配線材の評価）
　さらに、表６に示す組成のアルミニウムを用い、実施例１と同じ加工条件で作製したサンプルを、長辺の長さ２ｍｍ、短辺の長さ０．２ｍｍとなるようにリボン状に圧延した。得られたリボン状の配線材を用い、実施例１と同様に２枚のアルミニウム板の間にループ接合した。この際、リボン状の配線材では、第二接合において、配線材軸方向に対して配線材を水平横方向に２０°の曲げを目標にして接合した以外は、実施例１と同じ条件で接合及び評価を行った。結果を表６に記す。また、表７に示す組成のアルミニウム配線材を実施例１と同様に作成し、得られたサンプルを、長辺の長さ２ｍｍ、短辺の長さ０．２ｍｍとなるようにリボン状に圧延した。得られたリボン状の配線材を用い、上述した「樹脂封止したチップの熱振動疲労試験」を行った。結果を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　以上のことから、実施例のアルミニウム配線材によれば、耐振動性の向上、耐熱強度の向上及び追従性の向上を同時に実現することができた。
　実施例のパワー半導体用アルミニウム配線材により、パワーエレクトロニクス産業、自動車産業、電気鉄道、電力産業等の発展に大きく貢献できる。
 
 
 

Claims (8)

  1. 　純度が９９．９質量％未満のアルミニウムからなるアルミニウム配線材であって、
    　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
    　長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
    　前記断面における析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
    　下記（１）で定義される負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
    　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
    　下記（２）で定義される耐力比が１．０を超え２．３以下であり、
    　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
    　前記アルミニウム配線材は、そのアルミニウム配線材の総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有することを特徴とするアルミニウム配線材。
  2. 　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面における平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム配線材。
  3. 　前記アルミニウム配線材が、
    　さらに、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）及びスカンジウム（Ｓｃ）から選ばれる１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム配線材。
  4. 　前記アルミニウム配線材の線径が１５μｍ以上７００μｍ以下である請求項１又は２に記載のアルミニウム配線材。
  5. 　前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面が円形、長円形、楕円形又は扁平楕円形状である、請求項１又は２に記載のアルミニウム配線材。
  6. 　前記アルミニウム配線材中のアルミニウム含有量が、アルミニウム配線材の総量に対して、９９質量％以上９９.９質量％未満である、請求項１又は２に記載のアルミニウム配線材。
  7. 　アルミニウム配線材の製造方法であって、
    　総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有する純度が９９．９質量％未満のアルミニウム合金を準備する工程と、
    　前記アルミニウム合金を伸線加工する工程と、を有し、
    前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
    　アルミニウム配線材の長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
    　アルミニウム配線材の析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
    　下記（１）で定義する負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
    　　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
    　下記（２）で定義する耐力比が１．０を超え２．３以下である、
    　　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
    　アルミニウム配線材を製造する方法。
  8. 　アルミニウム配線材の製造方法であって、
    　総量に対して、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つの元素を合計で０．０１質量％以上１質量％以下含有し、かつ、ガリウム（Ｇａ）とバナジウム（Ｖ）の少なくとも１つの元素を合計で、５０質量ｐｐｍ以上８００質量ｐｐｍ以下含有する純度が９９．９質量％未満のアルミニウム合金を準備する工程と、
    　前記アルミニウム合金を、ダイス１つあたりの減面率（加工率）が５％以上４０％以下の条件で伸線加工する工程と、を有し、
    前記アルミニウム配線材の長手方向に垂直な断面において、
    　前記アルミニウム配線材の長手方向に対して角度差が１０°以下である結晶方位＜１１２＞の方位比率が４５％以下であり、
    　前記アルミニウム配線材の析出粒子の総数に対するアスペクト比が４以上の析出粒子の数の比が０．５％以上１６％以下であり、
    　下記（１）で定義する負荷応力比が０．４以上０．９以下であり、
    　　負荷応力比＝疲労限度／引張強度　（１）
    　下記（２）で定義する耐力比が１．０を超え２．３以下である、
    　　耐力比＝最大応力／０．２％耐力　（２）
    　アルミニウム配線材を製造する方法。
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