用於半導體元件鍵合連接的金線的製作方法
2023-05-03 04:43:21
專利名稱：用於半導體元件鍵合連接的金線的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於半導體元件鍵合連接(bonding)的金線，其用來實現半導體元件的電極與外部引線之間的電連接。更具體地涉及這樣的用於半導體元件鍵合連接的金線，即使在加壓鍵合(如果需要可用低壓鍵合完成)時其也能令人滿意地使用。
在半導體器件的封裝中，現在採用的是，基於廣泛使用的「球鍵合」法通過使用金線的布線法實現半導體元件的電極和外部引線之間的互連或鍵合。這種方法通常涉及在半導體元件的電極上用熱壓鍵合或超聲波輔助的熱壓鍵合作為加鍵合方法形成布線。
圖1A～1D示出了用於形成互連和迴路的超聲波輔助的熱壓鍵合，其中，1是毛細管，2是金線，3是焊炬電極，4是金屬球，5是鋁電極，6是半導體元件，7是夾具，8是引線。
在現在的半導體器件製造工藝中，在迴路形成工藝中，為了穩定上述迴路形狀使其變形，強制地使球頸部分向與迴路形成方向相反的方向彎曲，然後才形成最終的迴路，由此是用「反向變形法」形成迴路。許多半導體元件是在曝露在高溫下使用的，該高溫是因電路工作或外部環境造成的。因此，在以此種方式用「反向變形法」形成迴路後，應尋求即使在嚴苛的熱循環條件下儘可能減少線的斷裂。
在日本專利特開平8-316262、特開平9-36162和特開平11-214425中，本發明的中請人已經公開，通過使用具有預定成分的金線作為形成迴路的金線可以實現上述所期望的效果。
儘管在這些提案中已提供了在熱循環條件下防止斷線的成果，但由於近年來出現越來越嚴苛的使用環境導致需要即使在更惡劣的熱循環條件下也能忍受斷線的互連或鍵合。而且，已經發現在上述的幾個提案中增加元件數目以防止斷線，具有增加電阻的缺憾。而且，隨著管腳的增加，必須在目前使用的低迴路和高迴路的運行中維持大的迴路高度。
在圖1A～1D的第二側結點(此處也可稱作引線8側結點)中，高壓鍵合可產生諸如高的迴路形狀的塌陷等的失常情況，因此應當用低壓鍵合。但是低壓鍵合又存在結點強度低的問題。因此，對於高的迴路布線，理想的是在保持高的迴路形狀的同時，提高第二側結點的即使是在低壓鍵合時的結點強度。本發明人已嘗試用金線滿足這些性能要求，但是抗拉強度不夠充分。
因此，鑑於上述現有技術中的問題而提出了本發明，其目的在於提供一種用於半導體元件鍵合連接的金線。其中為了保證低電阻值，添加元素的總重量不超過100ppm；其能夠1)反向變形以防止斷線，即使在迴路形成後處於嚴苛的熱循環條件下；2)形成大於預定高度的高的迴路；3)即使在用低壓鍵合以保持高的電路形狀時，第二側結點的強度也能保持在預定值以上；4)保持高的抗拉強度。
為了實現上述目的，本發明提供一種用於半導體元件鍵合連接的金線，其中包含11～20重量ppm的Ag、1～9重量ppm的Pt、1～15重量ppm的Y、1～15重量ppm的La、1～15重量ppm的Eu、以及1～20重量ppm的Ca和1～10重量ppm的Be這兩者中的一者或兩者，剩餘的元素為Au和不可避免的雜質。
還提供一種使用上述金線的半導體元件的引線鍵合方法。
圖1A-1D用來示意說明在半導體元件的電極和外部引線之間用金線進行超聲波輔助熱壓鍵合的方法。
1.成分a)原料金作為原料的金優選採用提純到至少99.99wt％的高純金。純度更優選為至少99.995wt％，最優選為至少99.999wt％。優選採用高純金是為了減小有害組分的影響。
b)Ag當用於本發明的金合金線含有預定量的Pt、Y、La、Eu和Ca或Be時，具有11～20重量ppm的Ag，可以實現上述目的。
與Ag含量低於11重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與Ag含量大於20重量ppm時不同，這樣做還可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。因此當具有預定含量的Pt等時把Ag的含量限定為11～20重量ppm。
c)Pt當用於本發明的金合金線含有預定量的Ag、Y、La、Eu和Ca或Be時，具有1～9重量ppm的Pt，可以實現上述目的。
與Pt低於1重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與Pt大於9重量ppm時不同，這樣做還可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。因此當具有預定含量的Ag等時把Pt的含量限定為1～9重量ppm。
d)Y當用於本發明的金合金線含有預定量的Ag、Pt、La、Eu和Ca或Be時，具有1～15重量ppm的Y，可以實現上述目的。
與Y低於1重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與Y大於15重量ppm時不同，這樣做還可使迴路的高度增加，同時可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。
因此當具有預定含量的Ag等時把Y的含量限定為1～15重量ppm。
e)La當用於本發明的金合金線含有預定量的Ag、Pt、Y、Eu和Ca或Be時，具有1～15重量ppm的Eu，可以實現上述目的。
與La低於1重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與La大於15重量ppm時不同，這樣做還可使迴路的高度增加，同時可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。
因此當具有預定含量的Ag等時把La的含量限定為1～15重量ppm。
f)Eu當用於本發明的金合金線含有預定量的Ag、Pt、Y、La和Ca或Be時，具有1～15重量ppm的La，可以實現上述目的。
與Eu低於1重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與Eu大於15重量ppm時不同，這樣做還可使迴路的高度增加，同時可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。
因此當具有預定含量的Ag等時把Eu的含量限定為1～15重量ppm。
g)Ca、Be當用於本發明的金合金線含有預定量的Ag、Pt、Y、La和Eu時，具有1～20重量ppm的Ca和1～10重量ppm的Be這兩者中的一者或兩者，可以實現上述目的。
與Ca和Be的含量都低於1重量ppm時不同，這樣做可以提高熱循環測試後的斷裂強度並具有高的抗拉強度。而且與Ca含量大於20重量ppm或Be含量大於10重量ppm時不同，這樣做還可使迴路的高度增加，同時可以大大提高第二側低壓鍵合時的剝離強度，並保持高的抗拉強度。
因此當具有預定含量的Ag等時，同時或單獨地把Ca的含量限定為1～20重量ppm，把Be的含量限定為1～10重量ppm。
2.金線製造方法下面舉一例說明本發明的用於半導體元件的金線的製造方法。首先熔煉具有預定成分的金屬，鑄成錠，用槽型輥軋機軋制，然後經中間退火，用最終冷加工製成直徑為10～100μm的細線，之後進行最終退火，使線具有4～6％的延伸率，並用潤滑防鏽劑塗敷線的表面。將完全加工後的線以預定拉力和預定長度卷繞到外徑50.3mm的線軸上以製備最終產品。所用的預定長度為100～3000m，但更長的長度也很常見。
3.用途本發明的金線用於半導體元件的電極和外部引線之間的鍵合，鍵合方法用根據如圖1A～1D所示的球鍵合方法的常規鍵合和互連。優選使用所謂的「高的迴路」，其中線2』與圖1D中的一樣高。下面，結合圖1A～1D描述球鍵合的鍵合方法。
如圖1A所示，將金線2插入毛細管1中，使電噴炬3與線2的尖端相對，並產生到達金線2的放電，由此加熱金線2的尖端，使其熔化形成球4。
然後，如圖1B所示，降低毛細管1以在半導體元件6上的鋁電極5上進行壓力鍵合。在此處，施加穿過毛細管1的超聲波振動(未圖示)，同時用加熱器單元加熱半導體元件6，使得球4被熱壓鍵合，成為加壓鍵合後的球4』。
然後，如圖1C所示，將毛細管1移動並降低到沿某一預定軌道的外部引線8上。施加穿過毛細管1的超聲波振動(未圖示)，同時用加熱器單元加熱外部引線8，使得金線2的表面被熱壓鍵合到外部引線8上。
最後，如圖1D所示，夾著金線2提升夾具7，由此切斷金線2，完成布線。然後用樹脂密封布線部分，完成半導體器件。
實施例1把預定量的Ag、Pt、Y、La、Eu、Ca和Be加入純度為99.999wt％的高純金中，並在真空熔爐中熔化混合物，鑄造獲得具有表1所示成分的金合金錠。然後用槽型輥軋機和拉絲機進行冷加工，然後中間退火，冷加工結束時直徑為25μm。之後進行最終退火使線具有4％的延伸率，用潤滑劑塗敷線的表面，這樣金合金線就完成了。
測試方法1)熱循環測試後的線斷裂將試驗材料用作用高速自動鍵合器向IC晶片超聲波熱壓鍵合的鍵合線。以0.196W的超聲波輸出和0.49N的負載進行球鍵合，之後首先將毛細管沿與迴路成形方向相反的方向移動，反向角設為與垂直方向夾角60°，強制地使球頸部分彎曲以變形從而形成並保持向內彎曲，然後與外部引線結合形成矩形迴路(布線)。每個IC晶片形成總共200個管腳線。用樹脂密封布線樣品，進行2000次最嚴苛的從-55℃×30分鐘到160℃×30分鐘的熱循環試驗。製備100個IC晶片進行測試，用導電試驗確定是否有斷線。有斷線部分的IC數目示於表1作為斷線率(％)。
2)迴路高度以同樣的方式進行上述熱循環試驗，不同的是形成線時不用反向變形，且在8個IC晶片上形成鍵合。在隨機選出的IC上用長度測量顯微鏡測量200條線的迴路高度。將平均值列在表1中作為迴路高度。
3)低輸出接觸鍵合時的第二側剝離強度以0.157W的超聲波輸出(通常為0.235W)和0.392N(通常為0.588N)的負載進行低輸出接觸鍵合，對第二側(引線側)的加壓鍵合條件如圖1C所示。如圖1形成布線後，布線的中間部分被切斷，用鍵合測試儀提供的鑷子夾住引線側的線的尖端，測量使線從被固定的引線剝離所需的負載。共測量了50個點，取其平均值列在表1中，作為第二側低壓鍵合時的剝離強度。
實施例2～17，比較例1～12以與實施1相同的方式製作並測試金線，不同的是其元素含量如表1和2所示那樣變化。試驗結果也示於表1和2中。
表1
表2
(試驗結果)(1)其元素Ag、Pt、Y、La、Eu、Ca和Be的含量分別在本發明範圍內的實施例1～17都是優良的產品，在嚴苛條件下的熱循環試驗後表現出0％的線斷裂，同時迴路高度在170μm以上，即使用低壓鍵合第二側(引線側)的剝離強度也在51mN以上，且能維持130mN以上的高的抗拉強度。
因此，本發明的構造能實現本發明的目的，即提供一種用於半導體元件鍵合連接的金線。其中為了保證低電阻值，添加元素的總重量不超過100ppm；其能夠1)反向變形以防止斷線，即使在迴路形成後處於嚴苛的熱循環條件下；2)形成大於預定高度的高的迴路；3)即使在用低壓鍵合以保持高的電路形狀時，第二側結點的強度也能保持在預定值以上；4)保持高的抗拉強度。
(2)對於比較例1～5，元素Ag、Pt、Y、La和Eu中的其中一個未加入，它們的添加量分別為Ag15重量ppm、Pt5重量ppm、Y10重量ppm、La10重量ppm、Eu10重量ppm、Ca10重量ppm、Be5重量ppm。而比較例6中，添加了Ag、Pt、Y、La和Eu，但未添加Ca和Be。所有這些比較例的樣品在嚴苛條件下的熱循環測試後具有無法接受的高達10～43％的線斷裂，且雖然迴路高度和低壓鍵合下的第二側剝離強度有改進，但抗拉強度不夠，只有105～117mN，因此在實現本發明目的方面，這些樣品遠不如根據本發明的樣品。
(3)對於比較例7和8，在添加量分別為Ag15重量ppm、Pt5重量ppm、Y10重量ppm、La10重量ppm、Eu10重量ppm、Ca10重量ppm、Be5重量ppm的成分中，Ag含量增加到20重量ppm以上，或Pt含量增加到9重量ppm以上。這兩者的樣品都具有高的迴路高度，但是低壓鍵合時第二側的剝離強度為8～12mN，抗拉強度為127～129mN，因此在實現本發明目的方面，這些樣品遠不如根據本發明的樣品。
(4)對於比較例9～12，在添加量分別為Ag15重量ppm、Pt5重量ppm、Y10重量ppm、La10重量ppm、Eu10重量ppm、Ca10重量ppm、Be5重量ppm的成分中，Y含量增加到15重量ppm以上，La含量增加到15重量ppm以上，Eu含量增加到15重量ppm以上，或Ca含量增加到20重量ppm以上。這些樣品都具有130～141微米的高的迴路高度，但是低壓鍵合時第二側的剝離強度為19～33mN，因此在實現本發明目的方面，這些樣品遠不如根據本發明的樣品。
(5)對於比較例13，在不含Eu的成分中，其它元素添加量分別為Ag15重量ppm、Pt5重量ppm、Y10重量ppm、La10重量ppm、Ca30重量ppm、Be5重量ppm，迴路高度為131微米，低壓鍵合時第二側的剝離強度為20mN，因此在實現本發明目的方面，這些樣品遠不如根據本發明的樣品。
權利要求
1.一種用於半導體元件鍵合連接的金線，其中包含11～20重量ppm的Ag、1～9重量ppm的Pt、1～15重量ppm的Y、1～15重量ppm的La、1～15重量ppm的Eu、以及1～20重量ppm的Ca和1～10重量ppm的Be這兩者中的一者或兩者，剩餘的元素為Au和不可避免的雜質。
全文摘要
一種用於半導體元件鍵合連接的金線,其中包含:11～20重量ppm的Ag、1～9重量ppm的Pt、1～15重量ppm的Y、1～15重量ppm的La、1～15重量ppm的Eu、以及1～20重量ppm的Ca和1～10重量ppm的Be這兩者中的一者或兩者,剩餘的元素為Au和不可避免的雜質。
文檔編號C22C5/02GK1330404SQ01108920
公開日2002年1月9日 申請日期2001年2月28日 優先權日2000年6月19日
發明者板橋一光, 高浦伸 申請人:田中電子工業株式會社