專利名稱：金合金細(xì)絲及其制造方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聯(lián)接半導(dǎo)體元件的金合金細(xì)絲以及該細(xì)絲的制造方法和應(yīng)用。
適于聯(lián)接半導(dǎo)體元件的絲，亦稱聯(lián)接絲，應(yīng)具有良好的電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度。絲的直徑約為10-200微米，通常為20-60微米，可根據(jù)應(yīng)用目的作相應(yīng)的選擇。
聯(lián)接絲的組成通常為高純金或金合金，后者的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度較高，在合金組分份額較小的情況下，其電導(dǎo)率與金相近。
例如，DE 16 08 161 C公布一種由金和0.001-0.1％的一種或數(shù)種稀土金屬的合金，特別是和鈰-混合金屬或釔的合金，該合金用于制造組合開關(guān)的導(dǎo)線。這種金和少量稀土金屬或釔的合金在加熱溫度達(dá)500℃時(shí)具有較好的強(qiáng)度特性和膨脹特性，而金的其它性質(zhì)，諸如硬度，化學(xué)穩(wěn)定性或電阻，基本上不受影響。
金-稀土金屬-合金作聯(lián)接絲在DE 32 37 385 A(US 4 885 135),DE39 36 281 A(US 4 938 923),JP 5-179375 A,JP 5-179376 A,JP 6-112258 A,EP 0 743 679 A和EP 0 761 831 A中亦有描述。
DE 32 37 385 A涉及一種具有高拉伸強(qiáng)度的金合金細(xì)絲，其金合金含0.0003-0.01％(重量)稀土金屬，特別是鈰，同時(shí)還含有鍺、鈹和/或鈣。
DE 39 36 281 A描述了一種聯(lián)接半導(dǎo)體裝置的較高純金絲，該絲是金和少量鑭、鈹、鈣和鉑族元素，特別是鉑和/或鈀的合金。
JP 5-179375 A和JP 5-179376 A涉及一種聯(lián)接用的金合金細(xì)絲，該絲由較高純度的金和0.0003-0.005％(重量)鋁或鎵，0.0003-0.003％(重量)鈣和0.0003-0.003％(重量)釔、鑭、鈰、釹、鏑和/或鈹組成。
化學(xué)文摘121卷，89287m提及，JP 6-112258 A公布了一種聯(lián)接絲，其組成為一種金合金，該合金含有1-30％自和0.0001-0.05％鈧、釔和/或稀土金屬，亦可能含有0.0001-0.05％鈹、鈣、鍺、鎳、鐵、鈷和/或銀。
EP 0 743 679 A亦推薦了一種含鉑的金-稀土金屬合金聯(lián)接絲，該合金由金和少量鉑(0.0001-0.005％(重量))、銀、鎂和銪組成，有時(shí)亦可能含有0.0001-0.02％(重量)鈰。
EP 0 761 831 A描述了一種含鉑和/或鈀的金-稀土金屬合金細(xì)絲，該合金的組成為0.1-2.2％(重量)鉑和/或鈀，0.0001-0.005％(重量)鈹、鍺、鈣、鑭、釔和/或銪，其余為金。該絲的制造過程是，將合金的組成元素在坩鍋中熔化，將坩鍋中熔化的合金從下至上冷卻成鑄錠，再經(jīng)軋制、拉制和退火。該絲的拉伸率為3-8％，楊氏彈性模數(shù)為6800-9000kgf/mm2。
EP 0 288 776 A2涉及由鋁金屬化的聯(lián)接，其摻雜有銅，以改善硬度和強(qiáng)度，因此它不太適合于具有較低硬度的摻雜鈹?shù)臉?biāo)準(zhǔn)金聯(lián)接絲。所以推薦用一種合金聯(lián)接絲聯(lián)接由摻雜銅的鋁形成的接觸焊盤，其組成為金和0.01-1％(重量)銅，該絲的硬度與摻雜過的鋁的硬度相匹配。
DE 39 90 432 C2(=US 5 491 034 A)公布了一種含銅聯(lián)接絲。該聯(lián)接絲用于聯(lián)接半導(dǎo)體元件的電極和外部接頭，該絲由含至少1-＜5％(重量)的銅的金合金制成。該聯(lián)接絲還可添加0.0003-0.01％(重量)的鈣、鍺、鈹、鑭和/或銦以及至少1％(重量)和最多5％(重量)的鉑。聯(lián)接絲的制造是將金合金在一個(gè)真空熔化爐中熔化、拉絲，然后在200-600℃下熱處理(退火)。熱處理按常規(guī)進(jìn)行，其目的在于改善由于拉制產(chǎn)生的不良的變形性和延伸率。由于隨改善變形性而會(huì)出現(xiàn)降低強(qiáng)度，因此要選擇影響強(qiáng)度的合金組分的種類和數(shù)量及熱處理?xiàng)l件，使變形性和強(qiáng)度兩者皆滿足各自的要求。聯(lián)接絲的強(qiáng)度將隨銅組分的提高而增大。
JP 01-87734 A(日本專利文摘)公布了一種細(xì)絲，它由金和含0.05-0.3％(重量)的至少一種下列元素組成銅、鋁、釔、鎳、鈷、鈦、鎢、硅、鋯、鈣、鈀、釕、銥、鉑、銀、和鋨。該細(xì)絲具有良好的拉伸性和很好的力學(xué)性質(zhì)。
JP 08-199261 A(日本專利局-日本專利文摘)描述了一種聯(lián)接絲，它由高純金和含0.1-2％(重量)銅、0.01-0.1％(重量)鈀、還可能含0.0001-0.01％(重量)錫和/或0.0001-0.01％(重量)的至少一種下列金屬組成鈣、鈹、鍺、稀土金屬、鍶、鋇、銦、和鈦。聯(lián)接絲的強(qiáng)度足夠避免嵌入有塑料的半導(dǎo)體元件中相鄰聯(lián)接回路的接觸缺陷。
在選擇聯(lián)接絲時(shí)，除了特殊的化學(xué)和物理性質(zhì)外，在給定拉伸率下要求強(qiáng)度盡可能高。
因此，本發(fā)明之目的在于找出一種具有前言所述特性金合金細(xì)絲，該細(xì)絲具有盡可能好的強(qiáng)度/拉伸比，而且其電導(dǎo)性與純金細(xì)絲的差別盡量小。此外，還要提出一種方法，使其能以經(jīng)濟(jì)上有利的方法連續(xù)制造細(xì)絲。該細(xì)絲應(yīng)既適于作聯(lián)接絲又適于制造倒裝晶片技術(shù)中所謂的球狀凸緣(Ball-Bumps)，例如DE 44 42 960 C中所述。
上述目的是通過一種金合金細(xì)絲來達(dá)到的，按本發(fā)明之特征在于，金合金是由0.5-0.9％(重量)銅、0.5-0.95％(重量)鉑、其余為金所組成。
上述目的亦可通過一種金合金細(xì)絲來達(dá)到，按本發(fā)明其特征在于，該金合金由0.5-0.9％(重量)銅、0.0001-0.1％(重量)的至少一種選自堿土金屬和稀土金屬族的元素、0-1％(重量)鉑、其余為金所組成。
按本發(fā)明之含義，“堿土金屬”系指鈹、鎂、鈣、鋇和鍶，“稀土金屬”系指鑭(原子序數(shù)57)和鑭之后的14個(gè)元素即從鈰(原子序數(shù)58)至镥(原子序數(shù)71)，在專業(yè)文獻(xiàn)中亦稱“鑭系元素”。
堿土金屬含量和/或稀土金屬的含量宜在0.001-0.01％(重量)，如含有鉑，則鉑含量宜在0.1-0.9％(重量)。
堿土金屬優(yōu)選鈹、鎂、鈣或至少由兩種上述堿土金屬的混合物組成。如由鈹和鈣組成混合物，則鈹和鈣各占50％(重量)尤為適宜。
稀土金屬優(yōu)選鈰或由鈰和一種或數(shù)種原子序數(shù)為57和59-71的稀土金屬所組成的混合物，鈰-混合金屬尤為適宜。鈰-混合金屬通常系指50-60％鈰、25-30％鑭、10-15％釹、4-6％鐠、和1％鐵以及少量其它稀土金屬(“呂姆普化學(xué)百科全書”(Rmpp Chemie Lexikon),Georg Thieme VerlagStuttgart-New York,Band 1,10.Auflage(1996),647)。
與普通聯(lián)接絲直徑相同的本發(fā)明的細(xì)絲，其性質(zhì)能完全滿足作聯(lián)接絲的要求，它的突出特點(diǎn)在于其電導(dǎo)性高，電導(dǎo)用比電阻量度(見表Ⅷ)，另一特點(diǎn)為與拉伸有關(guān)的強(qiáng)度非常高。(見圖)。令人驚異的是，本發(fā)明所選擇的合金組分銅和堿土金屬和/或稀土金屬的種類和數(shù)量還能使由退火帶來的強(qiáng)度損失減小。(見表Ⅸ)。細(xì)絲很適宜的強(qiáng)度/拉伸比有助于獲得高質(zhì)量的聯(lián)接。
附圖
表示本發(fā)明的數(shù)種細(xì)絲(例1-6)及作為比較的非本發(fā)明之細(xì)絲(例7)的強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)[N/mm2]與拉伸(斷裂拉伸)[％]的關(guān)系。本發(fā)明之細(xì)絲在給定拉伸下具有較高的強(qiáng)度。表Ⅷ給出了例中所述的本發(fā)明的細(xì)絲及用作比較的非本發(fā)明的細(xì)絲的化學(xué)組成及其比電阻。表Ⅸ列出在拉伸硬化狀態(tài)(ziehharten Zustand)和拉伸約為4％的例1-7所述之細(xì)絲的強(qiáng)度值，并表明添加鈹，鈣和鈰對強(qiáng)度的影響。鈹、鈣和鈰減少了退火帶來的強(qiáng)度損失。
本發(fā)明之細(xì)絲，由于其性質(zhì)適宜，特別適用于作聯(lián)接絲，也可用于發(fā)展中的高頻聯(lián)接以及倒裝晶片生產(chǎn)的接觸凸點(diǎn)。
上述目的的實(shí)現(xiàn)還在于，本發(fā)明提出了一種制造聯(lián)接半導(dǎo)體元件的金合金細(xì)絲的方法，其特征在于，將組成為a)0.5-0.9％(重量)銅、0.05-0.95％(重量)鉑、其余為金或b)0.5-0.9％(重量)銅、0.0001-0.1％(重量)的至少一種堿土金屬和稀土金屬族元素、0-1％(重量)鉑、其余為金，將該熔化的合金鑄成條，并將條拉成直徑與通用的連接絲相等的絲，以及將絲退火。
如果將熔化的合金鑄成圓棒和將絲在300-700℃下退火，則本發(fā)明的方法特別有效。通過退火可使起始的拉伸硬化絲(ziehharte Draht)獲得需要的拉伸。合金的熔化，澆鑄可在空氣中、保護(hù)氣例如氬中或真空中進(jìn)行。
本發(fā)明的方法最好熔化其中堿土金屬和/或稀土金屬的含量為0.001-0.01％(重量)以及如果有鉑存在，則鉑的含量為0.1-0.9％(重量)的金合金。
作為堿土金屬，可采用鈹、鎂、鈣、鍶、鋇或至少兩種這些元素的混合物，特別適宜的是鈹、鎂、鈣或至少兩種這些堿土金屬的混合物。如果使用由鈹和鈣組成的混合物，則優(yōu)選是鈹和鈣各占50％(重量)。
作為稀土金屬，宜采用鈰或鈰和原子序數(shù)為57和59-71中的一種或數(shù)種稀土金屬組成的混合物，在這些混合物中優(yōu)選市售的鈰-混合金屬。
本發(fā)明之方法的特點(diǎn)在于，它能進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，工藝產(chǎn)品即鑄條和拉成的絲非常均勻且質(zhì)量穩(wěn)定。
下面用例子對本發(fā)明加以詳細(xì)說明，其中例1-6為按本發(fā)明的細(xì)絲及其制造，例7作為比較例，它是根據(jù)DE 16 08 161 C所公布的為現(xiàn)有技術(shù)已知的細(xì)絲。這幾種細(xì)絲的特性將通過其拉伸率(斷裂拉伸)[％]、強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)[N/mm2]和比電阻[Ohm mm2/m]表征。
例1
含0.8％(重量)銅和0.8％(重量)鉑的金合金細(xì)絲。
將含0.8％(重量)銅，0.8％(重量)鉑，其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條。再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下所測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅰ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.041 Ohm mm2/m。
表Ⅰ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 6002,6 3012,7 2813,6 2635,3 2456,8 2328,5 2199,1 2099,7 19711,4 194例2含0.8％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣和0.8％(重量)鉑的金合金細(xì)絲。
將含0.8％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣、0.8％(重量)鉑、其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條。再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅱ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.041 Ohm mm2/m。
表Ⅱ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 5853,6 3753,8 3544,2 3374,4 3184,6 3085,9 2937,3 2818,7 26710,1 255例3含0.8％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣和0.3％(重量)鉑的金合金細(xì)絲。
將含0.8％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣、0.3％(重量)鉑、其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條，再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅲ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.036 Ohm mm2/m。
表Ⅲ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 6143,6 3673,8 3434,2 3195,2 3086,1 2947,1 2818,7 27010,1 25710,7 246
例4含0.9％(重量)銅、0.001％(重量)鈹和0.001％(重量)鈣的金合金細(xì)絲。
將含0.9％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣、其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條，再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅳ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.034 Ohm mm2/m。
表Ⅳ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 6734,4 3524,6 3305,3 3166,2 2987,9 27310,8 255例5含0.9％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣和0.9％(重量)鉑的金合金細(xì)絲。
將含0.9％(重量)銅、0.001％(重量)鈹、0.001％(重量)鈣、0.9％(重量)鉑、其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條，再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅴ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.043 Ohm mm2/m。
表Ⅴ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 6484,0 3734,2 3584,6 3395,2 3236,2 308例6含0.8％(重量)銅、0.01％(重量)鈰的金合金細(xì)絲。
將含0.8％(重量)銅、0.01％(重量)鈰、其余為金的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條，再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每一達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅵ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.034 Ohm mm2/m。
表Ⅵ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化5852,7 3283,5 2884,9 2688,7 249例7(對比例)按照DE 16 08 161 C的含鈰-混合金屬金合金細(xì)絲。
將含金和鈰-混合金屬的合金熔化體在澆鑄裝置中鑄成圓形截面的鑄條。再將鑄條拉成直徑為30微米的絲，對每-達(dá)到予期拉伸的絲在300-700℃的空氣中退火。不同拉伸率[％]下測得的強(qiáng)度值[N/mm2]列于表Ⅶ。
一根直徑為275微米的絲在室溫下測得的比電阻為0.023 Ohm mm2/m。
表Ⅶ拉伸率[％] 強(qiáng)度[N/mm2]拉伸硬化 3752,9 2633,1 2533,6 2434,0 2305,7 2208,1 20910,1 198
表Ⅷ
*根據(jù)DE 16 08 161 C的金-鈰-混合金屬合金表Ⅸ
根據(jù)DE 16 08 161 C的金-鈰-混合金屬合金
權(quán)利要求
1．一種用于半導(dǎo)體元件連接的金合金細(xì)絲，其特征在于，該金合金由0.5-0.9％(重量)銅、0.05-0.95％(重量)鉑、其余為金所組成。
2．一種用于半導(dǎo)體元件連接的金合金細(xì)絲，其特征在于，該金合金由0.5-0.9％(重量)銅、0.0001-0.1％(重量)的至少一種堿土金屬和稀土金屬族的元素、0-1％(重量)鉑、其余為金所組成。
3．權(quán)利要求2的細(xì)絲，其特征在于，該金合金的堿土金屬和/或稀土金屬的含量為0.001-0.01％(重量)。
4．權(quán)利要求1-3中之一的細(xì)絲，其特征在于，該金合金的鉑含量為0.1-0.9％(重量)。
5．權(quán)利要求2-4中之一的細(xì)絲，其特征在于，該堿土金屬為鈹、鎂和/或鈣。
6．權(quán)利要求2-5中之一的細(xì)絲，其特征在于，該稀土金屬為鈰。
7．一種制備按權(quán)利要求1-6中之一的用于半導(dǎo)體元件連接的金合金細(xì)絲的方法，其特征在于，將組成為a)0.5-0.9％(重量)銅、0.05-0.95％(重量)鉑、其余為金或b)0.5-0.9％(重量)銅、0.0001-0.1％(重量)的至少一種堿土金屬和稀土金屬族的元素、0-1％(重量)鉑其余為金的金合金熔化，將該熔化的合金鑄條，并將條拉成直徑與通用的連接絲相等的絲，以及將絲退火。
8．權(quán)利要求7的方法，其特征在于，將該熔化的合金鑄成圓形截面的條。
9．權(quán)利要求7或8的方法，其特征在于，將堿土金屬和/或稀土金屬含量為0.001-0.01％(重量)的金合金熔化。
10．權(quán)利要求7-9中之一的方法，其特征在于，鉑含量為0.1-0.9％(重量)的金合金熔化。
11．權(quán)利要求7-10中之一的方法，其特征在于，將含有堿土金屬鈹、鎂和/或鈣的金合金熔化。
12．權(quán)利要求7-11中之一的方法，其特征在于，將含鈰作為稀土金屬的金合金熔化。
13．權(quán)利要求7-12中之一的方法，其特征在于，將該細(xì)絲在300-700℃下退火。
14．權(quán)利要求1-6的細(xì)絲作為連接絲的應(yīng)用。
15．權(quán)利要求14的作為連接絲在高頻技術(shù)中的應(yīng)用。
16．權(quán)利要求1-6中之一的細(xì)絲在倒裝晶片技術(shù)中用作半導(dǎo)體元件的連接的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金合金細(xì)絲,該合金含有0.5—0.9%(重量)銅和少量鉑或至少一種堿土金屬和稀土金屬族的元素,該細(xì)絲顯示出與金相近的比電阻和良好的強(qiáng)度/拉伸比。因而適宜作連接絲以及制造倒裝晶片中的接觸凸點(diǎn)。
文檔編號C22C5/02GK1224767SQ9812294
公開日1999年8月4日 申請日期1998年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月29日
發(fā)明者C·西蒙斯, G·赫爾克羅茨, J·羅伊爾, L·施雷普勒, Y·C·仇 申請人:W·C·赫羅伊斯有限公司