金-鉑-鈀合金接合線的製作方法

2023-06-09 00:14:26 1

專利名稱：金-鉑-鈀合金接合線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在用於半導體裝置的IC晶片電極和外部引線等基板的連接中適合的金-鉬-鈀合金系接合線，尤其是涉及一種用於車載或用於高速器件的成為高溫的環境下使用的無滷素環氧樹脂密封用金-鉬-鈀合金系接合線。
背景技術：
目前，作為在車載用途中要求高的接合可靠性的半導體裝置的連接IC晶片電極和外部引線的金合金線，多用可靠性優異的在高純度金中含有0.5 1.2質量％的鈀的純度99質量％左右的金-鈀合金線。這種金合金線-端通過並用超聲波的熱壓接引線接合法與IC晶片電極上的純鋁墊片或鋁合金墊片連接，另-端與基板上外部引線等連接，然後，接合部位被環氧樹脂密封，製成半導體裝置。這種純鋁或鋁合金墊片通常通過真空蒸鍍等而形成。就使用車載用半導體元件的環境條件而言，由於是在汽車的發動機室內或其附近使用，因此溫度比通常的使用環境高。公知的是，現有高接合可靠性金-鈀合金接合線在使用含有滷素物質的密封樹脂時的高溫放置試驗(HTS)中，具有比由純度99.99質量％以上金構成的純金接合線高的接合可靠性。例如，需要經得起在175°C下使用2，000 4，000小時左右。在這種實際安裝環境下，長期確保金-鈀合金接合線和墊片電極部的接合強度尤為重要。作為這種接合線，已知含有0.5 0.7質量％的鈀、0.1 0.3質量％的鉬及剩餘部分由純度99.999質量％以上的金構成的、具備鋁的金屬或合金墊片的高溫半導體裝置用金合金接合線(專利文獻I的權利要求1)或含有0.5 0.7質量％的鈀、0.1 0.3質量％的鉬及剩餘部分由純度99.999質量％以上的金構成的、具備鋁的金屬或合金墊片的高溫半導體裝置用金合金接合線(專利文獻2的權利要求1)、或者在使用含有滷素的環氧樹脂作為密封樹脂的情況·下，作為金合金細線，含有0.005 0.5重量％的錳、0.005 1.0重量％的鈀、0.01 2.0重量％的鉬、以及在總計為0.0005 0.05重量％的範圍含有鈣、鈹、稀土元素中的至少一種的接合線(專利文獻3的方案5)。近年來，為了應對環境，多使用不含滷素物質的環氧密封樹脂。在使用了該環氧密封樹脂時的高溫放置試驗中，現有的高接合可靠性的金-鈀合金接合線與99.99質量％的金接合線的接合可靠性相比較，有時顯示不出優勢，根據情況，有時金-鈀合金接合線比純金接合線的接合可靠性還差。另外，在車載用IC封裝中，在未進行樹脂密封的半導體元件的高溫放置試驗中，通常施行屏蔽，在175°C X 1000小時放置後進行拉伸試驗。進行這種未密封高溫放置試驗的情況下，現有的高接合可靠性的金-鈀合金接合線有時在早期就產生最初接合部的接合線和鋁墊片的界面的劣化，出現高溫接合可靠性比純金接合線低的結果。現有的高接合可靠性的金-鈀合金線通過比鉬更多地添加鈀，由此控制鋁墊片界面上的金-鋁接合部的擴散，抑制成為熔融球的接合部劣化的原因的金屬間化合物的生成。但是，若想抑制金屬間化合物的生成，就要過度控制金-鋁接合部的金和鋁的擴散，因此不能充分確保由擴散所致的接合強度，認為在金-鋁接合部會引起界面的劣化。由於這種情況，所以實情是金-鈀合金系接合線在車載用IC封裝體、使用有不含滷素物質的環氧密封樹脂的半導體元件中不能實用化。專利文獻1:日本特開平09-321075號公報專利文獻2:日本特開2011-155129號公報專利文獻3:日本特開平10-303239號公報

發明內容
本發明的目的在於提供一種即使在高溫、高溼及高壓下的嚴酷的使用環境下使用已樹脂密封的半導體裝置，與鋁墊片的連接可靠性也優異的、面向車載的半導體用的金-鉬-鈀合金系接合線。另外，本發明的目的在於提供一種即使是使用不含溴等滷素物質的環氧樹脂的情況下，高溫放置中的可靠性也高、也能夠維持高溫放置後的電特性的、與鋁墊片的連接可靠性優異的面向車載的半導體用的金-鉬-鈀合金系接合線。本發明中，作為主要含有元素使金中含有比鈀昂貴的鉬I質量％左右以下，且作為輔助含有元素含有鈀0.5質量％以下，由此適度地控制鋁墊片界面上的金-Al接合部的擴散，同時即使是使用不含滷素物質的環氧樹脂的情況下，也可抑制成為熔融球的接合部劣化的原因的金屬間化合物的生成或者生長。認為現有金中含有I質量％左右的鈀的接合線，由於過度控制與鋁墊片的接合部的擴散，所以在高溫放置(HTS)的情況下，特別是使用不含滷素物質的環氧樹脂時，會引起在鋁墊片界面的接合線的劣化。另外，本發明人等向鋁墊片中添加微量的鋁，並且共添加鈣或鎂並使其微細地分散在金-鉬-鈀合金基質中，適度地控制鋁墊片界面上的金-鋁接合部的擴散，除此之外，不僅提高接合線的機械性能，並且提高了壓接球的成圓性特性。接合線的機械性能及成圓性特性還可通過添加微量的鈹或鑭、鈰等稀土元素來進一步提高。用於解決本發明的課題的半導體元件用金-鉬-鈀合金系接合線之一，是含有0.4 1.2質量％的鉬、0.01 0.5質量％的鈀、10 30質量ppm的鋁、以總計為10 60質量ppm的I丐或鎂中的至少一種及剩餘部分由純度99.999質量％以上的金構成的接合線。另外，另一用於解決本發明的課題的半導體元件用金-鉬-鈀合金系接合線，是含有0.4 L 2質量％的鉬、0.01 0.5質量％的鈀、10 30質量ppm的鋁，以總計為10 60質量ppm的I丐或鎂中的至少一種、以總計為I 30質量ppm的鈹或稀土元素中的至少一種及剩餘部分由純度99.999質量％以上的金構成的接合線。(金-鉬-鈀合金)本發明的金-鉬-鈀合金為0.4 1.2質量％的鉬、0.01 0.5質量％的鈀及剩餘部分由純度99.999質量％以上的金構成的完全均勻地固溶而成的合金。在本發明中，之所以將鉬作為主元素、將鈀作為輔助元素，是因為適度地控制與純鋁墊片或鋁合金墊片的接合部的金和鋁的擴散速度，由此抑制高溫放置時的接合界面的劣化。因此，設定為0.4 1.2質量 ％的鉬、0.01 0.5質量％的鈀。優選鉬和鈀的總計量為0.6 1.3質量％。
具體地說，分別優選鉬為0.4 0.8質量％、鈀為0.05 0.4質量％，更優選鉬為
0.5 0.7質量％、鈀為0.1 0.3質量％。鉬/鈀之比優選為2 4的範圍，更預選2.5
3.5的範圍。另外，在本發明中，之所以將剩餘部分設定為純度99.999質量％以上的金，是因為通過將不可避免的雜質的量設定為少於最大10質量ppm，更好地發揮鋁及鈣或鎂等微量添加元素的效果。在本發明中，將鋁設定為10 30質量ppm。通常，鋁由於會和金形成金屬間化合物，所以是不被用於純金接合線或金-鉬合金系接合線的元素。但是，在本發明的金-鉬-鈀合金接合線中，提高了接合線的機械強度，通過鈣或鎂的協同效果，即使高溫放置也保持高的抗拉強度。在鋁不足10質量 ppm的情況下，不能發揮上述效果，若鋁超過30質量ppm，壓接球成圓性就會變差。因此,將招的範圍設定為10 30質量ppm。優選招的範圍為16 24質量ppm。在本發明中，將鈣或鎂中的至少一種設定為總計10 60質量ppm。作為接合線的添加元素，一般認為鈣和鎂是提高接合線的機械強度及壓接球成圓性的元素。本發明的金-鉬-鈀合金接合線中，利用與鋁的協同效果，鈣提高接合線的機械強度，鎂提高接合線的壓接球的成圓性。但是，鈣或鎂中的至少一種的總計不足10質量ppm的情況下，不能發揮上述的效果，若總計超過60質量ppm，接合線的機械強度過於強，會破壞鋁墊片。因此，將鈣或鎂中的至少一種的總計設定為10 60質量ppm。優選總計添加|丐及鎂10 30質量ppm,更優選隹丐及鎂共添加總計16 24質量ppm。在本發明中將鈹或稀土元素中的至少一種設定為總計為I 30質量ppm的範圍。一般認為，鈹或稀土元素也是提高接合線的機械強度的元素。本發明的金-鉬-鈀合金接合線，利用與鋁及鈣或鎂的配合效果，鈹或稀土元素不僅提高接合線的機械強度，並且提高了第一熔合線時的壓接球的成圓性。優選共添加I 20質量ppm的鈹及I 60質量ppm的稀土元素。理想的是,稀土元素含有鑭I 30質量ppm或鋪I 30質量ppm,更理想的是,共添加鑭I 30質量ppm及鋪I 30質量ppm。更優選鈹6 14質量ppm、鑭I 30質量ppm和鋪I 30質量ppm的組合；鈹I 20質量ppm、鑭10 30質量ppm和鋪I 30質量ppm的組合；或鈹I 20質量ppm、鑭I 30質量ppm和鋪10 30質量ppm的組合,進一步優選鈹6 14質量ppm、鑭10 30質量ppm和鋪10 30質量ppm的組合；鈹6 14質量ppm、鑭14 26質量ppm和鋪14 26質量ppm的組合為最佳。發明效果如上所述，關於本發明的金-鉬-鈀合金接合線，熔融球和純鋁墊片或鋁合金墊片的接合性良好，能夠確保壓接球的成圓性，並且即使在高溫下放置，第一熔合線的接合界面的空隙率也不會粗大化地進展，能夠確保穩定的接合可靠性，抗拉強度也高。此外，本發明的由金-鉬-鈀合金構成的接合線具有如下效果:使用不含滷素物質的環氧樹脂即使在高溫下放置，也不會引起第一熔合線的接合界面的劣化，電連接也不會劣化。
具體實施例方式[實施例]對具有表I左欄中所示的成分組成的金-鉬-鈀合金(金的純度99.9999質量％以上)進行熔解鑄造，進行粗加工並進行退火熱處理，接著進行連續拉絲達到20 μ m的最終線徑，由此製造具有20 μ m的線徑的本發明的金-鉬-鈀合金接合線(下面稱為「本發明電線」)I 27和未進入本發明的組成範圍的比較品的金-鉬-鈀合金接合線及現有品的金-鈀合金系接合線(下面全部稱為「比較電線」)28 36。對於這些本發明電線I 27及比較電線28 36，測定電線強度。然後，放在Kulicke&Soffa(Kulicke&Soffa)制的接線機(商品名=Maxym ultra)上，在搭接於半導體IC晶片上的由鋁-0.5質量％銅合金構成的70 μ m見方鋁合金墊片上，以40μπι目標製作燒球(FAB)，在加熱溫度:200°C、回線(loop)長度=5mm、回線高度=220 μ m、壓接球徑=48 μ m、壓接球高度:14 μ m的條件下進行接合，對成圓性的偏差進行評價。接著，在175°C下放置1000小時後，對接合線進行拉伸試驗。再將接合好的試樣進行樹脂密封且在175°C下放置4000小時，之後進行電阻測定。[電線強度的評價方法]對各個合金組成，用多功能型拉伸試驗機(型式UTM-2)將IOOmm長的試料以10mm/min的速度進行拉伸，測定斷裂時的強度。測定數設定為5點，對其平均值進行評價。將這些評價結果示於表I右欄。[壓接球成圓性的評價方法]對各個合金組成， 測定在評價用的IC晶片上接合100個時的壓接球的X方向(與超聲波施加成直角方向)和Y方向(與超聲波施加同向)的長度，對其比進行評價。將這些評價結果示於表I右欄。[抗拉強度]對各個合金組成，用接線機在專用的IC晶片上進行接合，使用Dage社制「萬能性接合強度測試儀系列4000」在快速粘接劑正上部對100點進行拉伸試驗，進行抗拉強度的測定。其後，將該接合試樣在175°C下放置1000小時後，再次對100點進行抗拉強度的測定。抗拉強度以高溫放置後的抗拉強度的降低及快速接合部的剝落進行評價。將抗拉強度的評價結果示於表I右欄。[電阻]對各個合金組成，在專用的IC晶片上用接線機進行接合，用不含滷素的環氧樹月旨(日東電工株式會社制產品名GE-7470C)進行密封，製作電阻測定用試樣。電阻使用KEITHLEY社制的產品名「Sourcemeter (型式2004) 」，用專用的IC插座及專門構築的自動測定系統進行測定。測定方法按照所謂的直流四端子法進行測定。電阻是對100對外部引線(200頭)在高溫放置前和175°C 4000小時的高溫放置後進行測定。電阻和高溫放置前相比較，達到20%以上的對產生電阻的情況下，設定為發生故障，對故障發生率進行評價。將電阻的評價結果示於表I右欄。[表 I]
權利要求
1.一種金-鉬-鈀合金接合線，其含有0.5 0.7質量％的鉬、0.1 0.3質量％的鈀、10 30質量ppm的招、總計為10 60質量ppm的I丐或鎂中的至少一種,剩餘部分由純度99.999質量％以上的金組成。
2.一種金-鉬-鈀合金接合線，其含有0.4 1.2質量％的鉬、0.01 0.5質量％的鈕1、10 30質量ppm的招、總計為10 60質量ppm的I丐或鎂中的至少一種、總計為I 30質量ppm的鈹及稀土元素中的至少一種,剩餘部分由純度99.999質量％以上的金組成。
3.如權利要求1或2所述的金-鉬-鈀合金接合線，其特徵在於，所述鈣或鎂中含有10 30質量ppm的I丐及10 30質量ppm的鎂。
4.如權利要求2所述的金-鉬-鈀合金接合線，其特徵在於，所述鈹或稀土元素以總計I 30質量ppm含有I 20質量ppm的鈹以及稀土元素中的至少一種。
5.如權利要求2所述的金-鉬-鈀合金接合線，其特徵在於，所述鈹或稀土元素以總計I 30質量ppm含有I 20質量ppm的鈹、鑭I 30質量ppm或鋪中的至少一種。
6.如權利要求2所述的金-鉬-鈀合金接合線，其特徵在於，所述鈹或稀土元素含有I 20質量ppm的鈹、I 30質量ppm的鑭及I 30質量ppm的鋪。
7.如權利要求1或2所述的金-鉬-鈀合金接合線，其特徵在於，所述接合線用於無滷素環氧 樹脂密封。
全文摘要
本發明提供一種金-鉑-鈀合金系接合線，其為即便在使用不含滷素物質的環氧樹脂的情況下，高溫放置中的可靠性也高，也能夠維持高溫放置後的電特性，且與鋁墊的連接可靠性優異面向車載的半導體用金-鉑-鈀合金系接合線。一種金-鉑-鈀合金接合線，其含有0.4～1.2質量％的鉑、0.01～0.5質量％的鈀、10～30質量ppm的鋁、總計10～60質量ppm的鈣或鎂中的至少一種，剩餘部分由純度99.999質量％以上的金組成。
文檔編號H01L21/60GK103238210SQ201280003142
公開日2013年8月7日 申請日期2012年11月21日 優先權日2011年12月2日
發明者手島聰, 千葉淳, 陳煒, 天田富士夫 申請人:田中電子工業株式會社