鍵合絲（bonding wire）在電子和微電子應用中的使用是公知的現(xiàn)有技術狀況。盡管鍵合絲一開始由金制成，但現(xiàn)今使用更便宜的材料，如銅。盡管銅絲提供非常好的電導率和熱導率，但銅絲的鍵合具有其挑戰(zhàn)性。
已經(jīng)證實，球形鍵合到半導體器件，例如集成芯片的鋁焊盤上的銅絲的球形鍵合結(jié)合體由于在鋁焊盤表面和球形鍵合的銅絲表面之間的球形鍵合接觸區(qū)內(nèi)，或更簡單地說，在接合處或在球形鍵合界面處的銅鋁化合物（copper aluminide）界面層的不合意形成和生長而傾向于隨時間經(jīng)過變?nèi)酢?/p>
在本文中使用術語“鋁焊盤”。其是指由鋁或具有例如至少98.5 wt.-%（重量%）的鋁含量的鋁合金構成的焊盤，特別是半導體器件的焊盤。很常用于鋁焊盤的鋁合金的一個實例是與1重量%硅和0.5重量%銅形成合金（Al1Si0.5Cu）或與0.5重量%銅形成合金（Al0.5Cu）的鋁。鋁焊盤具有例如0.6至4微米的總厚度。術語“鋁焊盤”也指具有外部鋁頂層（例如0.5至1微米厚）的非鋁或鋁合金的金屬的焊盤。
在本文中使用術語“銅鋁化合物”。其是指Cu9Al4（68.3原子% Cu和31.7原子% Al）和CuAl2（34原子% Cu和66原子% Al）相和Cu0.01Al0.99（9.11原子% Cu和90.88原子% Al）、Cu0.78Al0.22（78.2原子% Cu和21.84原子% Al）、Cu0.84Al0.16（82.6原子% Cu和17.4原子% Al）、Cu0.85Al0.15（84.5原子% Cu和15.5原子% Al）和Cu0.96Al0.04（97.3原子% Cu和2.7原子% Al）亞穩(wěn)相。原子%值來自在各自的銅-鋁相處進行的SEM-EDX測量。
前面提到的銅鋁化合物界面層的形成和生長是老化現(xiàn)象。明顯地，發(fā)生固態(tài)反應，即來自球形鍵合或絲的銅和來自焊盤的鋁的擴散。經(jīng)過越長時間或球形鍵合結(jié)合體變得越舊，形成越多的銅鋁化合物，如可根據(jù)該銅鋁化合物層的不僅厚度還有面積方面的生長所觀察到的。換言之，球形鍵合結(jié)合體處于運行中的時間越長，形成越多的銅鋁化合物。還存在溫度的影響，這意味著運行中的接點溫度（junction temperature）越高，即運行過程中球形鍵合界面處的溫度越高，銅鋁化合物層的生長越快。球形鍵合結(jié)合體在運行中的接點溫度據(jù)信在100至300℃或100至250℃的范圍內(nèi)。
可以通過在高功率光學顯微鏡（50至1200X放大）中觀察的球形鍵合到鋁焊盤上的銅絲的球形鍵合結(jié)合體的剖面樣品的顏色對比成像確定或表征這樣的界面銅鋁化合物層的性質(zhì)和厚度。選擇在500至1000X范圍內(nèi)的放大率是便利的。當在這樣的顯微鏡下觀察這樣的剖面球形鍵合結(jié)合體時，這樣的銅鋁化合物層呈現(xiàn)為80至100面積%的灰色區(qū)域和0至20面積%的黃色區(qū)域，基于這兩個區(qū)域的總面積計。
可以如下文概述還更詳細地進行界面銅鋁化合物層的表征。
可以使用掃描電子顯微鏡 – 能量色散X-射線分析（SEM-EDX）確定界面銅鋁化合物層中元素銅和鋁的存在及其定量比率。這種方法是技術人員公知的并且不需要進一步說明。例如，可以從含有灰色和/或黃色銅鋁化合物相的球形鍵合界面聚焦離子束(FIB)切割20 μm x 10 μm x 100 nm的樣品。例如可以使用來自FEI的Helios Nanolab 450S Dual Beam FIB儀器（在2至30 kV的電壓下，用23 pA至21 nA的射束電流）進行FIB剖面和SEM成像。
所述FIB切割樣品可用于進一步的透射電子顯微術（TEM）研究。例如，可以使用JEOL JEM2100 TEM在200 kV的加速電壓下和用105 μA的發(fā)射電流進行FIB切片的透射成像和衍射圖譜?？梢杂美鏙EOL TEM觀察銅鋁化合物的納米尺寸的晶粒和晶粒邊界。此外，可以記錄晶粒的衍射圖譜。由衍射圖譜可以使用Hanawalt搜索法使用來自無機晶體結(jié)構數(shù)據(jù)庫（Inorganic Crystal Structure Database）(ICSD)和國際衍射數(shù)據(jù)中心（International Centre for Diffraction Data）(ICDD)參考文件的粉末衍射文件識別晶格類型和原子參數(shù)?；旧?，該粉末衍射文件中報道的三個強峰必須匹配ICSD或ICDD記錄的化合物晶體結(jié)構的報道的衍射面。例如，可以用配備有EDX檢測器的FEI Titan 80-300 TEM在200 kV的加速電壓和89 μA的發(fā)射電流下進行銅鋁化合物相的組成分析。透射電子顯微術（TEM）衍射圖譜分析確認在灰色區(qū)域中主要是Cu9Al4、CuAl2和Cu0.01Al0.99和在黃色區(qū)域中主要是Cu0.78Al0.22、Cu0.84Al0.16、Cu0.85Al0.15和Cu0.96Al0.04。
可以在本發(fā)明的球形鍵合結(jié)合體的使用壽命內(nèi)監(jiān)測隨時間經(jīng)過的銅鋁化合物層的形成。但是，存在加速老化試驗方法，其能夠通過對新形成的球形鍵合結(jié)合體施以在125至250℃的目標溫度下總共例如500至2000小時或在一個實施方案中在250℃的目標溫度下2000小時的連續(xù)或不連續(xù)熱處理來模擬隨時間經(jīng)過的銅鋁化合物層的形成。技術人員將這樣的熱老化試驗稱作所謂的高溫儲存試驗或高溫可靠性試驗。這種高溫儲存試驗相當好地與現(xiàn)實相關聯(lián)，因為如已經(jīng)說到，正常運行過程中的接點溫度據(jù)信達到或位于100至300℃或100至250℃的范圍內(nèi)?？呻S后在界面銅鋁化合物方面定性和定量分析如此人工熱老化的球形鍵合結(jié)合體。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過用由0.05至3重量%鈀和/或鉑與作為余量補足100重量%的銅構成的銅合金絲替代上述球形鍵合結(jié)合體中的銅絲，可以顯著減慢界面銅鋁化合物層的上述不合意的形成和生長。鈀優(yōu)選作為合金化貴金屬。
因此本發(fā)明涉及包括半導體器件的鋁焊盤和球形鍵合到所述鋁焊盤上的絲的球形鍵合結(jié)合體，其中所述絲具有10至80微米的直徑并包含由銅合金構成的芯，所述銅合金由0.05至3重量%，優(yōu)選1至2重量%，最優(yōu)選1.2至1.3重量%的鈀和/或鉑與作為余量補足100重量%的銅構成。鈀優(yōu)選作為合金化貴金屬。
本發(fā)明還涉及制造本發(fā)明的球形鍵合結(jié)合體的方法。
在下文中，短語“由0.05至3重量%的鈀和/或鉑與作為余量補足100重量%的銅構成的銅合金”也簡稱為“銅合金”。
在本文中使用短語“作為余量補足100重量%的銅”。其應該是指銅是該銅合金中的主要組分。為避免誤解，這不應被理解為排除沒有明確提到并由于現(xiàn)行技術條件而可能設法進入銅合金中（例如由于在制造過程中的無意但不可避免的并入）的其它元素。換言之，這樣的其它元素可能作為不可避免的雜質(zhì)存在于該合金中，但僅以例如> 0至100重量ppm的極微小的總量。在任何情況下，此類不可避免的雜質(zhì)不是有意添加或引入形成銅合金的組合物中。就此而言，短語“作為余量補足100重量%的銅”是指補足100重量%的銅合金所缺失的重量%比例由銅加上所述不可避免的雜質(zhì)（如果后者存在）構成。
銅合金可通過金屬合金領域的技術人員已知的常規(guī)方法制備，例如通過將銅和鈀和/或鉑以所需比率熔融在一起。在該情況下，可以使用常規(guī)的銅-鈀-鉑、銅-鈀或銅-鉑母合金?？梢岳缡褂酶袘獱t進行熔融過程并且在真空下或在惰性氣體氣氛下操作是有利的。所用材料可具有例如99.99重量%和更高的純度級。通常在室溫模具中鑄造銅合金熔體，在所述模具中其冷卻并固化。
本發(fā)明的球形鍵合結(jié)合體可通過包括下面的（subsequent）步驟的方法制造：
(1) 提供具有鋁焊盤和絲的半導體器件，所述絲具有10至80微米的直徑并包含由0.05至3重量%的鈀和/或鉑與作為余量補足100重量%的銅的合金構成的芯，和
(2) 將所述絲球形鍵合到所述鋁焊盤上。
具有10至80微米的直徑并包含由銅合金構成的芯的銅合金絲可通過包括下列步驟的方法制造：
(a) 提供所述銅合金的前體，
(b) 拉制所述前體直至達到10至80微米，優(yōu)選15至50微米的絲的最終直徑；
(c) 將經(jīng)拉制的絲退火，和
(d) 將經(jīng)退火的絲淬火。
在該方法的步驟(a)中，提供銅合金的前體。
通常，這樣的前體是具有例如2至25毫米的直徑和例如5至100米的長度的桿形式。這樣的桿可以類似于或根據(jù)上文公開的用于制備銅合金的方法制造，即通過在適當?shù)氖覝啬＞咧需T造銅合金熔體、接著冷卻和固化。
在該方法的步驟(b)中，在幾個步驟中拉制該前體直至達到10至80微米，優(yōu)選15至50微米的絲的最終直徑。這樣的拉絲法是本領域技術人員公知的?？梢允褂贸Ｒ?guī)的碳化鎢和金剛石拉絲模并可以使用常規(guī)的拉絲潤滑劑輔助該拉制。
在該方法的步驟(c)中，將經(jīng)拉制的絲例如在570至750℃的目標溫度下退火（最終退火、線材退火（strand annealed））0.2至0.4秒。通常通過將該絲以給定速度拉過常規(guī)的退火爐（通常為給定長度并具有指定溫度分布的圓管形式）來進行退火。在該情況下，可以指定并設置退火時間/目標溫度參數(shù)。用90至96體積%惰性氣體: 4至10體積%氫氣混合物吹掃該退火爐。95體積%惰性氣體: 5體積%氫氣氣氛是優(yōu)選氣氛。惰性氣體可以是氮氣和/或氬氣；其通常是氮氣。優(yōu)選在位于43至125 min-1，更優(yōu)選43至75 min-1，最優(yōu)選50至63 min-1范圍內(nèi)的氣體交換速率（= 氣體流量 [升/分鐘] : 爐內(nèi)體積 [升]）下進行吹掃。
在該方法的步驟(d)中，將經(jīng)退火的絲例如在水中淬火。在一個實施方案中，水可含有表面活性劑，例如0.01至1體積%的表面活性劑。在水中淬火是指立即或迅速地，即在0.2至0.4秒內(nèi)，將經(jīng)退火的絲從其在步驟(c)中受到的目標溫度冷卻到室溫。
可以有利地使絲配備有外周單層金屬涂層或不同金屬的相鄰層的多層涂層，其中一種或多種金屬選自鈀、鉑、金和銀。在這樣的實施方案中，銅合金絲的芯具有表面，其中在該芯的表面上疊加2至500納米薄周向單層金屬涂層或不同金屬的相鄰層的多層涂層，其中所述金屬或不同的金屬選自鈀、鉑、金和銀且其中所述單層或多層金屬涂層的總質(zhì)量為相對于該芯的總質(zhì)量的0.09至2.5重量%。為了將該單層金屬涂層或不同金屬的相鄰層的多層涂層疊加到該銅合金絲的芯上，有利的是一旦達到例如80至200微米的特定絲直徑就中斷拉絲工藝步驟(b)。然后可以例如通過電鍍施加周向單層金屬涂層或不同金屬的相鄰層的多層涂層。此后繼續(xù)該拉絲工藝步驟(b)直至獲得10至80微米的最終絲直徑。
將銅合金絲球形鍵合到半導體器件的鋁焊盤上。球形鍵合程序本身是本領域技術人員公知的并且不包括任何方法特殊性?？梢允褂闷胀ㄇ蛐捂I合設備。鍵合工藝參數(shù)可以是：例如22至30 g的鍵合力；例如78至94 mA的超聲能；例如170至250℃的溫度；例如6至10.5 μm/ms的接觸速度。
與用≥ 99.99重量%純銅絲制備的相同球形鍵合結(jié)合體相比，由此制備的本發(fā)明的球形鍵合結(jié)合體表現(xiàn)出極大降低的在鋁焊盤表面和球形鍵合的銅合金絲表面之間的球形鍵合接觸區(qū)內(nèi)形成界面銅鋁化合物層的趨勢，即這樣的銅鋁化合物層的更慢生長。
利用上面提到的分析方法論已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鋁焊盤表面和球形鍵合的具有20微米直徑的≥ 99.99重量%純銅絲的表面之間的球形鍵合接觸區(qū)內(nèi)的不合意的銅鋁化合物界面層在250℃下熱老化2000小時時快速生長到10至15微米的厚度。形成100%黃色相，其中TEM衍射圖譜分析確認主要是Cu0.84Al0.16、Cu0.85Al0.15和Cu0.96Al0.04相。與之相比，用本發(fā)明的球形鍵合結(jié)合體進行的相同評估顯露出僅2.5至4微米的薄銅鋁化合物界面層，其在灰色區(qū)域中包含Cu9Al4、CuAl2和Cu0.01Al0.99并在黃色區(qū)域中包含Cu0.85Al0.15、Cu0.84Al0.16和Cu0.96Al0.04。在此在球形鍵合接觸區(qū)中還可觀察到Cu0.96Pd0.04（99.14原子% Cu和0.85原子% Pd）相。
下列非限制性實施例例示本發(fā)明。
實施例
將99.99重量%純度的銅桿在真空感應爐中熔融并連續(xù)鑄造成直徑8毫米的桿。在另一些實施例中，將少量Cu-15wt.-%Pd母合金添加到熔體中以鑄造Cu-Pd合金：Cu0.01Pd、Cu0.05Pd、Cu0.5Pd、Cu1.0Pd、Cu1.25Pd、Cu2.0Pd、Cu3.0Pd、Cu5.0Pd。
此外，將這些連續(xù)鑄造桿在室溫（25℃）下冷拉絲。使用碳化鎢模拉制粗絲，并使用金剛石模進一步縮細。在四個步驟中以不同拉制速度進行拉制：以0.5 m/s從8 mm至4 mm和以1 m/s從4 mm至0.8 mm的粗絲拉制，以4 m/s從0.8 mm至0.16 mm的中間絲拉制，和以6 m/s從0.16 mm至0.02 mm的細絲拉制。通過使用水基潤滑劑來輔助拉制。模縮小率（die reduction ratio）對于粗絲（直徑> 200微米）為14%和對于細絲（直徑< 200微米）為8%。
將合金化的Cu-Pd絲在600℃下在45微米的直徑下中間退火。99.99重量%純銅絲不經(jīng)中間退火。
將該絲最后通過使其經(jīng)過常規(guī)退火爐和使用常規(guī)設備（包括卷線器（reels）、線軸、滑輪）線材退火。退火時間為0.3秒。線材退火溫度為600℃（純銅）和700℃（Cu-Pd合金）。用合成氣體（95體積% N2 : 5體積% H2）吹掃該爐。
在離開爐后立即，即在0.3秒內(nèi)，將熱絲在去離子水中淬火。
將該絲球形鍵合（鍵合力26 g；超聲能86 mA；溫度220℃；接觸速度7.6 μm/ms）到集成芯片的1微米厚Al1Si0.5Cu焊盤上，將由此制成的球形鍵合結(jié)合體人工熱老化，將其剖面并在光學顯微鏡下在500放大率下評估。表1a和1b顯示老化條件（時間、目標溫度）和對于純銅絲和Cu1.25Pd絲，在球形鍵合界面處觀察到的銅鋁化合物層的厚度以及黃色和灰色相的面積分數(shù)。
表1a
。
表1b
注釋: 黃色和灰色相可能沒有總計100面積%；在該表中沒有提到由Al1Si0.5Cu形成的面積%。
表2顯示在用20 μm ≥ 99.99重量%純銅和具有不同Pd含量的Cu/Pd絲制成的經(jīng)熱老化（250℃持續(xù)500小時）的球形鍵合結(jié)合體的球形鍵合界面處的灰色和黃色銅鋁化合物相的總面積的面積分數(shù)。
表2
#:≥ 99.99重量%純銅。
用上文公開的分析方法論進行灰色和黃色相的TEM成像和衍射圖譜分析。由衍射圖譜、衍射的區(qū)域平面（zonal plane）、原子參數(shù)和組成，通過Hanawalt搜索方法確認不同的銅鋁化合物相。結(jié)果提供在用純Cu絲和用Cu1.25Pd絲獲得的表3中。