專利名稱：高強度高伸長率的金合金接合線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適用于在用于半導體裝置的IC芯片的電極與基板的外部引線等之間連接的Au合金接合線。尤其是，所述Au合金接合線用于高溫條件，如用于車載裝置和高速
>J-U ρ α裝直。
背景技術：
傳統(tǒng)上，廣泛應用了純度為99.99質(zhì)量％以上的Au線。這種Au線是向高純Au中加入微量的其它金屬元素，并且它在作為連接半導體裝置的IC芯片電極與外部引線的Au線上的可靠性是出色的。這些純Au線的一端通過采用超聲波熱壓鍵合方法鍵合至IC芯片電極上的純Al焊點和Al合金焊點，這些Au線的另一端鍵合至基板上的外部引線，之后通過樹脂密封方法成為半導體裝置。通常這些Al合金焊點通過真空蒸鍍等形成，并且通常是Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-S1-Cu合金等。然而，當樹脂密封的半導體裝置用于在高溫苛刻條件下的高可靠性要求的車載IC時，以及運行溫度變高的高頻IC等時，會產(chǎn)生被稱為柯肯德爾(Kirkendall)的空隙、裂紋，或者由密封樹脂中的鹵素成分引起的腐蝕，所以它可能導致Al焊點、Al合金焊點與純Au線之間的鍵合界面處的電阻增加和鍵合強度降低。因此，對于保證高鍵合可靠性(在一定環(huán)境下保持球焊鍵合界面的電阻值和鍵合強度)的要求比以前更高，并且使用了 Au-1質(zhì)量％Pd合金的接合線。這種Au-Pb合金線可以通過Pb抑制在高溫條件下在Al合金焊點與純Au線的界面處Au擴散到Al焊點中，可以 相對地抑制在鍵合界面處容易受到鹵素成分腐蝕的影響的金屬互化物Au4Al的形成，所以它具有抑制Al合金焊點處、Al合金焊點與Au合金線之間的鍵合部分的劣化的益處，同時它還具有不會降低鍵合強度的益處。雖然這種Au-1質(zhì)量％ Pd合金線與99.99質(zhì)量％以上純度的純Au相比較具有出色的機械性能，但是作為電性能的接合線的電阻率值高。例如，99.99質(zhì)量％純度的純Au線的電阻率值是2.3 μ Ω.cm，與此相反，Au-1質(zhì)量％ Pd合金的電阻率值是3.0 μ Ω.cm.所以，如進行高密度應用，則會出現(xiàn)由于線發(fā)熱導致的設備故障或斷線，除此之外也會產(chǎn)生信號響應速度發(fā)生延遲的危險。隨著接合線直徑從25 μ m變細至15 μ m,這種趨勢更加強化。盡管詳細機制仍然未知，在Au-1質(zhì)量％ Pd合金的情況下，因為Pb的存在促進了在鍵合界面出現(xiàn)預料不到的Al氧化的促進。例如，因為在空氣中的高溫測試下更多量的Al氧化物Al2O3的產(chǎn)生，無樹脂密封的Au-1質(zhì)量％ Pd合金的接合線可能變得比具有微量添加元素的99.99質(zhì)量％以上純度的Au接合線更不耐用。將Au與所有比例固溶Ag合金化作為接合線使用的想法之前在日本特開昭52-51867號公報和日本特開昭64-87734號公報等中公知。之后，考慮并嘗試應用在添加了微量Ag的Au合金中加入Ca和La，所述Ca和La已知是相對99.99質(zhì)量％以上的純度的Au提高機械強度的微量添加元素。這是一種半導體接合線，其中熔合有0.06-0.95質(zhì)量％的與Au全比例固溶的Ag ;并且熔合有0.001-0.005質(zhì)量％的Ca、Y和稀土元素中的一種以上，所述半導體接合線的目的是達到與大約99.99質(zhì)量％純度的純Au線的電阻率幾乎同樣的電阻率值(后面描述的參考專利I)。這種接合線是Au合金，其中含有0.05-0.95質(zhì)量％的Ag、0.0001-0.005質(zhì)量％的Ca、Y和稀土元素中的一種以上，余量為Au和不可避免的雜質(zhì)。這種接合線的目的是提供一種半導體用Au合金線，所述Au合金線具有高強度并且在沒有線弧變形的情況下抑制電阻率過度增加(參考專利I的第10段)。然而，以前的Au合金接合線遵循與純度99.99質(zhì)量％以上的Au接合線的機械性質(zhì)的測量的方法幾乎相同的方法，并且斷裂強度是在4-8%的范圍內(nèi)的伸長率下測量的。通過拉伸測試評價接合線的伸長和應力之間的關系。測量中直到接合線斷裂時的最大應力值定義為拉伸強度(斷裂強度)，并且此時的伸長稱為斷裂拉伸伸長。作為機械性質(zhì)，斷裂拉伸伸長越大拉伸強度越小，一般兩者存在相反的傾向。當使拉伸強度變大時，斷裂拉伸伸長降低并且變得容易斷裂。另一方面，當使拉伸伸長變大時，接合線的拉伸強度和硬度降低并且很容易產(chǎn)生傾斜和金屬線變形。因此，從平衡這些機械性能的方面考慮，通常采用大約4%的伸長率值(參考專利2)。然而，在熱處理溫度與這些機械性能的關系中，隨著熱處理溫度的升高而減小的拉伸強度曲線與隨著熱處理溫度的升高而增加的拉伸伸長曲線在該范圍內(nèi)交叉。在99.99質(zhì)量％以上純度的高純度Au接合線的情況下，因為伸長率原本就高，而且在大約4%的伸長率處顯示斷裂伸長曲線的傾斜度以及顯示斷裂強度的曲線的傾斜度是平緩的，因此即使在成為大約4%的伸長率的熱處理條件有一定幅度，其也沒有大的變化。在另一方面，在添加元素含量高、金純度較低的Au合金的情況下，一般是高強度的，斷裂強度高并且伸長率低。為了達到平衡，通過熱處理在增加伸長率的同時，在合適的范圍內(nèi)降低斷裂強度，然而，當通過提高熱處理溫度增加伸長率時，伸長率在4%附近急劇上升并且斷裂強度急劇下降，平衡這兩個值變得非常困難。這些關系概念性地在作為示意圖的圖3(A)和(B)中示出。圖中，高純Au線在成為4%的伸長率的熱處理溫度附近，顯示伸長率和斷裂強度變化的曲線的傾斜平緩，相對于熱處理溫度變化具有較寬的容差，并且相對于圖中的熱處理溫度范圍的寬度而言伸長率的變化范圍是很小的(斷裂強度的變化范圍也很小)，基于伸長率來調(diào)節(jié)斷裂強度是容易的。另一方面，對于具有增強元素而提高了強度的合金線而言，伸長率和斷裂強度相對熱處理溫度的變化均有大幅變化，曲線的傾斜均變大，因此，如(B)中所示，相對于同樣的熱處理溫度變化的寬度，伸長率變化的寬度(同樣地，斷裂強度變化的寬度)大大地加寬，這些值相對于熱處理溫度的微小變化發(fā)生了很大地變化。因此，效仿以大約4%伸長率作為所謂指標的傳統(tǒng)熱處理，如為了獲得這些合金線的伸長率和強度、硬度之間的平衡，而對應這些強度設置百分之五至百分之十幾的伸長率，則在該熱處理溫度范圍內(nèi)，表示伴隨溫度變化的伸長率變化與線強度變化的曲線陡峭地交叉，設定和保持熱處理條件是很困難的，并且所得到的線的特性是不穩(wěn)定的。因此，不能獲得恒定性能的接合線，并且這導致傾斜和線弧高度的寬廣分布。在另一方面，當接合線變細、鍵合節(jié)距變得更窄并且更高密度，以及在一個半導體裝置中多級、設定不同的長短來進行布線時，則在Au合金接合線中第二鍵合性的偏差和由傾斜引起的線弧高度的偏差變得明顯，開始變得顯著影響接合線的鍵合性品質(zhì)良否。傾斜定義為，當在焊點側(cè)球焊而使線在球的正上方直立，之后朝向引線緩緩傾斜的線弧形成中，存在線直立部可能傾倒接觸到相鄰的線的缺陷。尤其是，在高密度應用中接合線細，并且線之間的距離變得狹窄，因此容易發(fā)生傾斜，這成為降低半導體裝置的組件產(chǎn)
量的主要因素。[參考專利I]日本特開2003-7757號公報[參考專利2]日本特開2009-33127號公報發(fā)明概述本發(fā)明要解決的問題本發(fā)明是為了解決以上技術問題而完成的。本發(fā)明的目的是在接合線用合金金中，即使熱處理溫度有些寬度和Au合金接合線的組成有些不同，也提供由傾斜引起的線圈高度偏差小且具有恒定的機械性能的Au合金接合線。解決問題的方式本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):在具有伸長率伴隨熱處理溫度升高而平緩的區(qū)域，且包含
0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt之中的至少一種元素、余量為Au的金合金接合線中，如利用平緩的熱處理溫度范圍進行接合線的熱處理，則可以獲得由傾斜引起的線圈高度偏差小的接合線。此外，發(fā)現(xiàn)即使該線包含總計10_150ppm質(zhì)量的Be、Ca、稀土元素(Y、La、Ce、Eu、Gd、Nd和Sm)、S1、Ge、Sn、In、Bi和B中至少一種元素，線橫截面的金屬組織構(gòu)造幾乎沒有變化。(a)本發(fā)明的第一點是一種用于半導體裝置的接合線，其中:所述接合線具有伸長率隨著熱處理溫度升高而平緩的區(qū)域，并且所述接合線包含0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素，且余量為Au ;并且將所述接合線在伸長率平緩區(qū)域的450-650°C的范圍內(nèi)熱處理。(b)本發(fā)明的第二點是一種用于半導體裝置的接合線，其中:所述接合線具有伸長率隨著熱處理溫度升高而平緩的區(qū)域，并且所述接合線包含0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素，且余量為Au ;并且將所述接合線在伸長率平緩區(qū)域的450-650°C的范圍內(nèi)熱處理之后，再進行水冷卻。本發(fā)明的Au合金包含0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素，以及余量的Au。作為在Au合金中含有的元素，Cu、Ag、Pd或Pt是典型代表。如所公知的，在這些元素中Cu或Ag即使在少量添加下也在Au中完全固溶形成Au-Cu合金或Au-Ag合金。Au-Cu合金或Au-Ag合金具有比Pb或Pt的Au合金更寬的平緩區(qū)域的熱處理溫度范圍。這被認為是因為原子Cu或Ag散步在Au的晶格中各處，并且它依賴于均勻的Au-Cu合金或Au-Ag合金的形成。另一方面，從實際使用方面考慮，對于Pd優(yōu)選的是組分的范圍是0.5-2質(zhì)量％的Pd和余量的Au?；谕瑯拥脑颍瑢τ赑t優(yōu)選的是組分的范圍是0.5-5質(zhì)量％的Pt和余量的Au。此外,基于相同的原因,對于Ag優(yōu)選的是組分的范圍是0.5-20質(zhì)量％的Ag和余量的Au。對于本發(fā)明的Au合金，當它包含0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素時，該Au合金具有隨熱處理溫度升高而平緩的區(qū)域。伸長率的平緩區(qū)域和伸長率由于合金元素的量和種類以及熱處理溫度的不同而略微不同。對于Au-Cu合金優(yōu)選的范圍是
0.5-5質(zhì)量％的范圍。對于Au-Ag合金優(yōu)選的范圍是0.5-20質(zhì)量％的范圍。這是因為在這兩種情況下平緩區(qū)域的熱處理溫度范圍變得更寬。另一方面，99.99質(zhì)量％以上的純度的Au合金不具有這樣的平緩區(qū)域；伸長率隨著熱處理溫度的升高而上升，當在施加一定張力的同時進行熱處理時，線最終切斷。順便提及，與99.99質(zhì)量％以上純度的Au合金相同，上述Au合金的伸長率也隨著熱處理溫度的升高而上升，當熱處理溫度太高時，金屬線最終切斷。對于99.99質(zhì)量％以上純度的Au合金(5N)和加入Ag、Cu、Pd和Pt的Au合金的這些特性，將表I的組成的Au和Au合金的熱處理溫度與伸長率之間的關系，以及熱處理溫度與斷裂強度之間的關系在

圖1和圖2中給出。
權(quán)利要求
1.一種用于半導體裝置的接合線，其中:所述接合線由0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素以及余量的Au組成， 將所述接合線在伴隨熱處理溫度升高的伸長率增加變得平緩的450-650°C的范圍內(nèi)熱處理。
2.一種用于半導體裝置的接合線，其中:所述接合線由總計為0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素以及余量的Au組成，將所述接合線在伴隨熱處理溫度升高的伸長率增加變得平緩的450-650°C的范圍內(nèi)進行熱處理。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的用于半導體裝置的接合線，其中:所述接合線由0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素和余量的Au組成，并且在伴隨熱處理溫度升高的伸長率增加變得平緩的450-650°C的范圍內(nèi)的熱處理之后將所述接合線淬火。
4.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的用于半導體裝置的接合線，其中:上述Au合金由0.5-5質(zhì)量％的Cu和余量的Au組成。
5.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的用于半導體裝置的接合線，其中:上述Au合金由0.5-20質(zhì)量％的Ag和余量的Au組成。
6.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的用于半導體裝置的接合線，其中:上述Au合金由0.5-2質(zhì)量％的Pb和余量的Au組成。
7.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的用于半導體裝置的接合線，其中:上述的熱處理在從伸長率變得平緩的開始溫度至ST+200°C的范圍內(nèi)進行，其中，ST表示伸長率變得平緩的開始溫度。
全文摘要
本發(fā)明的目的是對于由Au合金線構(gòu)成的接合線得到伸長率和斷裂強度的最佳組合。將0.5-30質(zhì)量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一種元素加入至高純Au，在拉絲中伸長率變化的平緩區(qū)域出現(xiàn)在450-650℃的熱處理溫度的范圍內(nèi)。雖然線的斷裂強度在該溫度范圍內(nèi)下降，但線的強度仍保持在與高純Au合金線的標準的4％的伸長率的熱處理溫度相對應的強度以上的強度。因此，通過該平緩范圍內(nèi)的熱處理，得到了與溫度變化無關地具有一定以上強度的合金線。而且，通過選擇適當?shù)臏囟确秶?，對于上述伸長率得到了具有不同強度的金屬線。
文檔編號C22C5/02GK103155129SQ20118004899
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者三上道孝 申請人:田中電子工業(yè)株式會社