鍵合線的製作方法
2023-05-28 10:47:11
專利名稱：鍵合線的製作方法
技術領域：
本發明涉及適合將集成電路晶片(IC、LSI、電晶體等)上的電極連接到電路布線基片(引線框、陶瓷基片、印製電路板等)上的導電布線的鍵合線(bonding wire)，還涉及使用鍵合線的球形鍵合方法。
背景技術：
作為將集成電路晶片連接到電路布線基片上的方法，可以使用球形鍵合方法(ball bonding method)、楔形鍵合方法、焊料鍵合方法、電阻焊接方法等。在這些方法中，通常使用採用細金引線的球形鍵合方法。
通常，根據下面的過程進行球形鍵合方法。由可移動的毛細管(下文中稱作「焊頭」)引導的引線的尖端被引線和電極炬之間的放電熔化，從而形成球。當施加超聲波時，球被壓向作為第一鍵合點的集成電路晶片上的電極，從而進行鍵合(第一鍵合)。隨後，當提供引線時，焊頭向作為第二鍵合點的電路布線基片上的電極移動，並進行鍵合(第二鍵合)。在第二鍵合中，不形成球。在鍵合之後，焊頭升起，夾子拉住引線並將其切斷。
金通常用作這種鍵合線的材料。但是，因為金比較昂貴，所以希望開發出用除金以外的其它材料，即，低成本的材料，製成的鍵合線。為了滿足這種需要，已經開發出由可以低成本得到的銅製成的鍵合線。但是，銅鍵合線具有以下問題因為銅鍵合線的表面容易氧化，所以難以長期儲存；在鍵合期間，由於來自基片的熱傳導促使氧化，導致鍵合缺陷等。
因此，為了防止銅鍵合線的表面氧化，已經提出了塗有例如金或者抗腐蝕金屬的貴金屬的鍵合線(日本待審公開專利申請No.62-97360)。這些線遠比金鍵合線成本低，並且相信它們可以得到出色的鍵合性能而不引起表面氧化。
但是，隨著半導體器件的集成度越來越高，體積越來越小，即，隨著相鄰引線之間距離的減小，鍍金銅鍵合線引起了下面的新問題。形成小直徑球對於縮小相鄰引線之間的距離是必不可少的。但是，如果試圖通過使用鍍金銅鍵合線形成小直徑球，則形成的球不具有真正的球形，而是矛狀體，並且形狀的可重複性是不穩定的，從而引起降低鍵合可靠性的問題。
另外，為了縮小相鄰引線之間的距離，需要使用具有小的底部面積的焊頭進行鍵合。在這種情況下，特別是在引線沒有熔化的第二鍵合點的鍵合面積變小，從而引起降低粘結強度的問題。
此外，當用銅鍵合線形成球時，使用氮和氫的混合氣體作為保護氣體。但是，氫可能引起爆炸的危險。為了防止爆炸，需要氫洩漏檢測器等，導致更高的成本。
本發明的主要目的是提供一種具有出色的球的形成特性和鍵合特性的便宜的鍵合線。
本發明的另一個目的是提供一種能夠形成小直徑球的球鍵合方法。
發明內容
本發明通過限制鍵合線的材料和斷裂拉伸(rupture elongation)(下文中簡稱為「拉伸」，除非有其它說明)實現上述目的。
本發明的鍵合線是具有主要由銅構成的芯並在芯上形成塗層的鍵合線，其中塗層由熔點高於銅的抗氧化金屬製成，並且該鍵合線每單位截面積的拉伸為0.021％/μm2或更多。
本發明的鍵合線是具有主要由銅構成的芯並在芯上形成塗層的鍵合線，其中塗層由熔點高於銅的抗氧化金屬製成，並且滿足0.007≤X≤0.05的關係，其中面積比X是(在垂直切割引線的剖面的情況下塗層的面積/芯的面積)。
附圖簡要介紹
圖1(A)示出了在尖端彎曲的引線的切割端部的示意圖；圖1(B)示出了直線形狀產生的引線的切割端部的示意圖；圖2示出了循環特性(looping characteristic)評估標準的示意圖；以及圖3是角θ的示意圖。
參考編號介紹
1.引線2.炬實施本發明的最佳方式如上所述，通過限制芯和塗層的材料，並且通過規定每單位面積的拉伸，在熔化期間可以穩定地形成具有接近真正球形形狀並且具有不偏離引線中心的中心的球，特別是這種球具有小的直徑，由此實現高可靠鍵合。這裡，具有小直徑的球是指直徑小於引線直徑三倍的球。
另外，因為引線具有高拉伸，所以引線難以斷裂，並且即使在引線沒有熔化的第二鍵合點也可以獲得高粘結強度(bonding strength)。此外，當焊頭從第一鍵合點移動到第二鍵合點時，引線可以平滑地跟隨移動。
作為在球形成期間鍵合線的芯和塗層的材料對球的形狀的穩定性的影響的廣泛研究的結果，我們發現，如果塗層材料的熔點高於芯材料的熔點，則在鍍金銅線的情況下出現的在形成小直徑球期間形成具有矛形球的缺陷在銅引線中沒有出現，從而容易得到具有正確形狀的球。如果塗層材料的熔點高於銅，則防止塗層材料擴散並混合到銅線中，由此推測球可以保持真正的球形。因此，本發明的特徵在於使用熔點高於銅並且抗氧化性高於銅的金屬作為塗層。熔點優選比銅高200℃，更有選300℃。具體地，最好從鈀、鉑和鎳中選擇至少一種金屬。當然，也可以從鈀、鉑和鎳中兩種或更多種金屬構成的合金作為塗層材料。銅的熔點為1064℃，鈀的熔點為1554℃，鉑的熔點為1772℃，鎳的熔點為1455℃。雖然塗層材料主要含有上述元素，但是也可以使用含有其它元素的合金作為塗層材料，如果合金的熔點高於銅。具體的，優選鈀，因為其抗氧化性高於鎳，加工性(processability)(容易拉絲)高於鉑。雖然優選厚度隨著引線直徑的不同而不同，但是塗層的厚度最好為芯線直徑的大約0.1到0.0001倍。
另一方面，在塗有這些金屬的引線中，在球形成期間，球的中心容易偏離引線的軸線，從而容易引起形成具有被稱作高爾夫球棒(golf-club)的形狀的球。當形成大直徑的球時，這個問題變得很明顯。即使當形成小直徑的球時，如果樣品的數量非常大，也會在一定比例上出現高爾夫球棒形狀的缺陷。但是，當形成大直徑的球時，這種缺陷的比例趨於增加。作為在引線的各種物理特性和引線的形成特性之間的相關性分析結果，我們發現在引線的每單位截面積的拉伸與球的形狀的缺陷之間存在相關性。
通常，在金鍵合線的情況下，是用具有0.005到0.015％/μm2的每單位截面積的拉伸的引線。在銅鍵合線的情況下，與金鍵合線相同，拉伸設置為相同的值；或者考慮到銅引線與金引線相比通過處理更容易拉伸，常常使用稍微提高到0.020％/μm2的拉伸的銅引線。但是，作為試驗的結果，我們發現如果每單位截面積的拉伸為0.021％/μm2或更多，則引線具有出色的球形成特性。每單位截面積的拉伸優選為0.024％/μm2或更多，更有選0.030％/μm2或更多。
據推測良好的球形成特性是由於在引線具有高拉伸的情況下，如圖1所示，在第二鍵合之後，當用夾子固定引線並拉住以便切割時，切割端部容易形成直線形(圖1(B))，而在引線具有低拉伸的情況下，切割端部容易在尖端彎曲，由此導致在下一個球形成中的高爾夫球棒形狀(圖1(A))。
塗覆的銅線由於塗層的原因而不容易拉伸。
根據本發明的每單位截面積的拉伸是通過在10在10cm長的引線以20mm/min的拉伸速度拉伸並且斷裂時的引線拉伸率(％)除以拉伸前的引線截面積(芯和塗層的總面積(μm2))而得到的。
電鍍方法特別適合作為形成塗層的方法。通過多次拉伸具有厚電鍍層的粗銅線得到所希望的引線直徑和電鍍厚度的方法是經濟的和優選的。具體的，通過電鍍和引線拉伸的組合得到的引線在厚度的一致性和表面光潔度上都是極好的，並且在引線與在焊頭中的引線通孔的內表面之間的摩擦力較小，由此引線的輸送特性出色。此外，因為在芯和塗層之間的接觸力很大，所以可以解決從塗層脫落的碎片堵塞焊頭通孔的問題。
通常，拉伸鍵合線得到最終的引線直徑，然後經過退火(最終退火)調整拉伸。
在大約440℃的最終退火溫度下，拉伸變得飽和，雖然它隨著引線直徑的不同而不同。即使退火溫度進一步上升，拉伸的改善也只有這麼多。相反，如果退火溫度太高，拉伸趨於減小。當最終退火溫度為最佳時，對於直徑分別為20μm、25μm和28μm的引線，可以得到大約9％、13％和16％的最大拉伸，如後面介紹的例子所示。
作為廣泛試驗的結果，我們發現除最終退火之外，通過在塗層形成之後的引線拉伸步驟的中間進行退火(稱作中間退火)，可以得到僅由最終退火難以得到的具有高拉伸的鍵合線。通過採用中間退火，可以得到具有0.030％/μm2或更高的高拉伸的鍵合線。
此外，我們還發現具有高拉伸的引線除了形成具有真正球形的球的特性之外還有一些優點。一個優點是線環的形狀的可控性的改善。因為例如鈀、鉑和鎳等金屬很硬，所以用這種金屬塗覆的銅引線的彎曲能力降低。結果，當焊頭從第一鍵合點移動到第二鍵合點時，引線不能平滑的跟隨移動，從而引起難以控制環路形狀的問題。如果環路形狀扭曲或變化，則增加了相鄰引線之間有缺陷的接觸，並且在最差的情況下，在形成環路期間不尋常的張應力加在第一鍵合點，導致鍵和部分的斷開。通過使用每單位截面積具有0.021％/μm2或更高的高拉伸的引線，可以得到高彎曲能力的引線，並且可以改善引線的環路形狀的控制能力。
另一個優點是增加第二鍵合的粘結強度。這裡所說的粘結強度是在鍵合的晶片在後續步驟進行樹脂封裝時，引線被熔化的樹脂流牽引流動時與引線的斷裂強度相關的拉粘結強度。通過用鉤子提高鍵合的引線並測量引線的斷裂負載來評估該粘結強度。引線通常在圓形截面部分與被焊頭壓扁的平坦部分之間的邊界處斷裂。
在第二鍵合期間，當被焊頭擠壓時，容易拉伸的引線具有更大的鍵合寬度。因此，在測量粘結強度期間從引線施加的力被分散在該鍵合部分，難以出現應力集中，由此推測獲得高粘結強度。此外，當拉引線並斷裂時，如果引線本身容易拉伸，則難以出現應力集中，由此引線難以斷裂。即使引線開裂，也難以出現應力集中引起的斷裂，由此還推測獲得高粘結強度。
如上所述，本發明的鍵合線包括具有主要由銅構成的芯並在芯上形成塗層的鍵合線，其中塗層由抗氧化性高於銅的金屬製成，並且滿足0.007≤X≤0.05的關係，其中面積比X是在垂直切割線的剖面的情況下(塗層的面積/芯的面積)。
作為試驗的結果，如上所述，我們發現通過限制芯和塗層的面積比，可以形成真球形的球，並且可以降低由高爾夫球棒形引起的不合格率。面積比X特別優選在0.01≤X≤0.04的範圍內。
通過改變塗層的厚度可以很容易地調節面積比X。關於塗層的厚度與拉伸之間的關係，具有塗層的引線的拉伸小於沒有塗層的引線，並且拉伸隨著塗層厚度的增加變小。
另外，塗層最好由具有與芯的熔化熱(heat of fusion)相差25cal/g或更少的材料製成。通過使用與芯的熔化熱相差25cal/g或更少的材料製成的塗層，在鍵合期間容易形成接近真正球形形狀並且直徑小於引線直徑三倍的球。
作為對於產生具有矛形的球並且球的尺寸的可重複性變得不穩定問題的原因的廣泛研究的結果，當通過使用鍍金銅鍵合線形成小直徑球時，我們得出了以下結論當通過放電熔化引線的尖端以形成球時，熔化熱比銅低的金(銅49cal/g，金16cal/g)更先熔化，由此，剩下具有更高熔化熱的銅作為芯。在形成小球的情況下，由放電提供的熱能也小，銅合金之間熔化熱的差別的影響變得更加顯著，由此推斷難以形成具有真正球形的球。
作為與芯的熔化熱相差25cal/g或更少的材料，上述鈀、鉑和鎳作為例子。鈀的熔化熱為36cal/g，鉑的熔化熱為27cal/g，鎳的熔化熱為70cal/g。更優選熔化熱相差20cal/g或更少，因為要形成的球形具有更小的變化。
在芯中所含的除銅以外其它元素的總量的重量比優選0.001％或更大至1％或更小。作為對於得到「高拉伸」特性而進行的反覆試驗的結果，我們發現特性明顯受雜質的影響。通常，使用雜質重量比為0.001％或更少的金引線。常常使用具有相似純度的銅引線。但是，在本發明的塗覆引線中，為了獲得「高拉伸」特性，希望芯中含有重量比大於0.001％的除銅之外的其它元素。優選雜質數量的重量比大於0.01％。
作為在芯中包含的雜質，鈹、錫、鋅、鋯、銀、鉻、鐵、氧、硫和氫作為例子。通過以上述指定的值或更大的值設定雜質的含量，能夠得到在雜質含量小時難以獲得的高拉伸特性。此外，即使在沒有特別針對高拉伸特性的情況下，與雜質數量較少的情況相比也可以顯著減少在處理期間等的引線斷裂。但是，如果除銅以外其它元素的數量過多，則電特性將下降，例如，電阻增加，並且在形成球時球具有火口(crater)表面。由此，除銅以外其它元素的數量最好為重量比1％或更少。
此外，通過在芯中含有從銻、磷、鋰、錫、鉛、鎘和鉍中選擇的重量比為10到1000ppm至少一種元素，在芯和塗層之間熔化熱的差可以變得更小。每種金屬的熔化熱如下銻39cal/g，錫14cal/g，鉛5.5cal/g，鎘14cal/g以及鉍13cal/g。
本發明的引線的直徑沒有特殊的限制。在針對小直徑球的情況下，引線的直徑最好為15到40μm。
本發明的球鍵合方法的特徵在於使用本發明的上述鍵合線。根據本發明的球鍵合方法，在球鍵合期間，形成直徑小於引線直徑三倍的小直徑球。
通過使用本發明的上述鍵合線，可以進行鍵合，同時形成接近真正球形的小直徑球。因此，可以以更高的粘結強度在更小的鍵合面積下進行鍵合，並且可以減小相鄰引線之間的距離，由此形成高密度集成電路。為了滿足在最近幾年對於半導體器件的密度增加的需要，常常要求球的直徑為60μm或更小。
在特徵在於使用本發明的上述鍵合線的本發明的球鍵合方法中，對於在球形成期間使用的保護氣體沒有特殊限制，可以使用，例如，不含有氫的氮氣以及氮和氫的混合氣體。當使用不含氫的氮氣時，最好氮的純度為99.9％或更高。
因為本發明的上述鍵合線在表面用抗氧化金屬，例如，貴金屬，塗覆，所以與銅鍵合線相比，很少出現由於氧化引起的缺陷。因此，即使在使用低純度氮氣時也可以得到良好的球狀態。換句話說，如果氮的純度為99.9％或更高，則可以得到具有出色的真正球形形成特性並且表面沒有火口的良好的球。雖然希望氮氣具有更高的純度，但是保證具有99.9995％或更高純度的氮氣非常昂貴，因此從成本的角度考慮是不理想的。
作為在球形成期間提供惰性氣體，例如氮氣，的方法，可以採用各種方法。例如，可以提出從一個或多個氣管向引線的尖端噴出氣體的方法，以及用壁圍繞引線尖端的周圍並在壁的內部提供惰性氣體以將氣體儲存在其中的方法。在惰性氣體從一個氣管噴射到引線尖端的最簡單的供氣方法的情況下，用氣體流速除以氣管的開口面積得到的值最好為0.01到2.5升/min·mm2。如果該值小於0.01升/min·mm2，則難以獲得足夠的氣體保護特性。另一方面，如果該值大於2.5升/min·mm2，則氣體噴射的冷卻能力過度，從而引起難以形成小球甚至形不成球的缺陷。
在特徵在於使用本發明的上述鍵合線的本發明的球鍵合方法中，最好在連接引線的尖端和炬的放電點的直線與引線的延長線之間的角θ滿足0＜θ≤45度。
作為對球形成因素(方法和條件)與不合格率(fraction defective)之間的相關性研究的結果，我們發現在某些因素與不合格率之間存在相關性。其中之一是在球形成期間連接引線的尖端和炬的放電點的直線與引線的延長線之間的角度。該角度θ最好為0＜θ≤45度。該角更優選為20度或更小，因為可以增加良好球形出現的可能性。
通常已知可移動的炬和固定炬作為球鍵合方法的放電電極。可移動的炬只在通過放電形成球的過程中移動到位於引線尖端的正下方。在球形成之後，炬從引線尖端的正下方離開。但是，因為可移動的炬需要移動時間，所以可移動的炬存在需要花費時間形成球的缺陷，並且由於其複雜的結構，容易引起故障的缺陷，由此球的形成變得不穩定。另一方面，在固定炬的情況下，炬固定在稍稍偏離引線尖端的正下方的位置，以防止在球形成之後當毛細管低於健合點時，毛細管與炬碰撞。在本發明中，當使用固定炬並且如上所述限制角度θ時，可以在短時間內完成球的形成，並且可以形成具有真正球形的良好球。
下面介紹本發明的實施例。
原型例1引線的產生
通過在直徑為200μm的銅鍵合線上電鍍形成各種塗層，每個引線上一層，然後拉伸引線以得到所需的直徑。作為最後的步驟，引線以30m/min的引線速度通過50cm長的加熱爐，由此引線經過退火以調節拉伸。在表1和2中示出了加熱爐的溫度。以20mm/min的拉伸速度拉伸每個10cm長的引線，直到引線斷裂，並且其拉伸評估如下100×(斷裂後標記之間的距離-拉伸前標記之間的距離)/拉伸前標記之間的距離。每單位截面積的拉伸是通過用上述公式得到的拉伸除以拉伸前引線的截面積(芯和塗層的總面積「μm2」)得到的值。
球形成特性的檢驗
通過使用鍵合機(bonder)(由KAIJO Corporation生產的Model FB137)，形成具有所需直徑的100個球，並檢驗形狀的不合格率。具有真正球形的球判斷為「正常的(proper)」。在Pd電鍍引線和Ni電鍍引線的情況下，具有高爾夫球棒形狀的球判為「不正常的(improper)」。在Au電鍍引線的情況下，具有矛形狀的球(球中心偏離引線的延長線)判為「不正常的」。作為球形成條件，引線尖端與放電棒(炬)之間的距離設置為400μm，純度為99.999％的氮氣以1升/min的流速噴射到引線的尖端，以降低尖端周圍氧的濃度。在這些條件下形成球。
為了評估球的形成特性，用直徑20μm的引線形成直徑60μm的球，用直徑25μm的引線形成直徑70μm的球，用直徑28μm的引線形成直徑80μm的球，並且當引線的不合格率為9/100或更少時，引線判為「正常的」。
粘結強度的檢驗
在200℃的基片溫度下，通過使用下表面直徑為130μm的焊頭，對在IC電極上的鋁焊盤進行第一鍵合，並且對引線框(鍍Ag的)進行第二鍵合，用引線以3mm的距離連接第一鍵合點和第二鍵合點，並形成環路。環路的形狀為「NORMAL」，環路的高度為「300μm」。對每個引線的40個環路測量第二鍵合的粘結強度，並計算平均粘結強度。為了測量粘結強度，在靠近第二鍵合點的位置鉤住引線，並且以0.5mm/sec的速度拉伸，並且測量斷裂時的力(g)。該力(g)用作粘合強度。
環路特性的檢驗
在200℃的基片溫度下，通過使用下表面直徑為130μm的焊頭，用引線連接第一鍵合與第二鍵合之間相距2mm的IC電極上的鋁焊盤和引線框(鍍Ag的)。環路的形狀為「HIGH」，環路的高度為「200μm」。如圖2所示，當從上面看環路時，測量從第一鍵合點和第二鍵合點之間的連線的中點到環路的偏離(距離)。該偏離用作評估環路形狀穩定性的指標。採用30個環路的平均值作為評估值。
實施例1到3和15以及比較例1到3通過使用含有總重量為0.05％的銅之外的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑*20μm的引線，Pd電鍍厚度0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表1和2所示拉伸的引線。在實施例15中，進行中間退火。通過使用這些引線，評估直徑60μm的球的球形成特性和粘結強度。在表3和4中列出了評估的結果。
(*具有芯和塗層的引線的外徑。)
實施例4到6和16以及比較例4到6通過使用除銅之外含有總重量為0.05％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑25μm的引線，Pd電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表1和2所示拉伸的引線。在實施例16中，進行中間退火。通過使用這些引線，評估直徑70μm的球的球形成特性和粘結強度。此外，還評估環路特性。在表3和4中列出了評估的結果。
實施例7到8以及比較例7到9通過使用除銅之外含有總重量比為0.005％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑25μm的引線，Pd電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表1和2所示拉伸的引線。通過使用這些引線，評估直徑70μm的球的球形成特性和粘結強度。在表3和4中列出了評估的結果。
比較例10到11通過使用，含有總重量比為0.0005％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑25μm的引線，Pd電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表2所示拉伸的引線。通過使用這些引線，評估直徑70μm的球的球形成特性和粘結強度。在表4中列出了評估的結果。
在拉伸大於比較例10和11的引線中，在拉伸步驟期間產生引線斷裂等問題。因此，難以產生穩定的長卷繞(long-wound)產品。
實施例9到11和17以及比較例12到14通過使用除銅之外含有總重量比為0.05％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑28μm的引線，Pd電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表1和2所示拉伸的引線。通過使用這些引線，評估直徑80μm的球的球形成特性和粘結強度。在實施例17中，進行中間退火。在表3和4中列出了評估的結果。
比較例15到16通過使用除銅之外含有總重量比為0.05％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑25μm的引線，Au電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表2所示拉伸的引線。通過使用這些引線，評估直徑70μm的球的球形成特性和粘結強度。在表4中列出了評估的結果。
實施例12到14以及比較例17到19通過使用除銅之外含有總重量比為0.05％的其它雜質的銅鍵合線，產生直徑25μm的引線，Ni電鍍厚度為0.1μm。在生產期間，通過改變處理條件和退火條件，產生具有表1和2所示拉伸的引線。通過使用這些引線，評估直徑70μm的球的球形成特性和粘結強度。在表3和4中列出了評估的結果。
表1
表2
表3
表4
*矛形通過上述實施例與比較例的比較，清楚地發現實施例在球形成特性、粘結強度以及環路特性的所有方面都較好。具體的，經過中間退火的實施例15到17可以得到每單位截面積0.030％/μm2或更多的高拉伸，並且在這些實施例中球形成特性的不合格率為零。
原型例2純度為99.995％並且直徑為200μm的銅鍵合線經過電鍍，從而在引線上塗覆厚度為0.81μm的鈀、金或鎳塗層。拉伸引線產生電鍍鈀、金或鎳的直徑25μm並且鍍層厚度為0.1μm的銅鍵合線。
通過使用鍵合機(由KAIJO Corporation生產的Model FB 137)，用這些鍵合線形成具有各種直徑的球，並檢驗有缺陷的球的數量以及它們主要不正常的形狀。在表5中列出結果。
球的直徑由在相同條件下形成的真正球形的直徑確定。在引線尖端與放電棒之間的距離設置為400μm，純度為99.999％的氮氣以1升/min的流速噴射到引線的尖端，以降低尖端周圍氧的濃度的條件下形成球。
在鍍金銅鍵合線的情況下，當球的直徑小於引線直徑的三倍時，常常出現矛形缺陷。另一方面，在鍍鈀或鎳銅鍵合線的情況下，即使當球的直徑小於引線直徑的三倍時，也可以穩定地形成真正球形的球，並且即使在高密度引線的情況下，也可以得到正確的鍵合。
表5
在表中的每個數字表示在50個中缺陷的數量。
原型例3除銅之外含有總重量比為0.05％的其它雜質的直徑200μm的銅鍵合線經過電鍍，從而在引線上塗覆所希望厚度的鈀層。拉伸引線，然後經過最終退火(450℃)產生在表6-8所示的鍵合線。
通過使用鍵合機(由KAIJO Corporation生產的Model FB137)，用這些鍵合線形成100個直徑70μm的球，同時純度為99.999％的氮氣以0.5升/min/mm2(通過用氣體流速除以氣管的開口面積得到該值)的流速從一側噴出，並且檢驗球變形為高爾夫球棒形狀的機率。具有9/100或更少不合格率的引線判定為「正常的」，而具有10/100或更高不合格率的引線判定為「不正常的」。
通過下面的公式得到面積比XX＝(鍍層面積/芯面積)＝(a2-(a-b)2)/(a-b)2其中a是電鍍線的半徑，b是鍍層的厚度。
在表6到8中列出了檢驗結果。從表中可以清楚地看出，當面積比X在0.007≤X≤0.05的範圍內時，由高爾夫球棒形引起的不合格率較低。
表6
表7
表8
原型例4純度為99.95％並且直徑為200μm的銅鍵合線經過電鍍，從而在引線上塗覆厚度為0.81μm的鈀塗層。拉伸引線，並經過最終退火(425℃)。結果，產生鍍鈀的直徑25μm、鍍層厚度為0.1μm並且每單位截面積的拉伸為0.024％/μm2的銅鍵合線。
通過使用鍵合機(由KAIJO Corporation生產的Model FB137)，用這些鍵合線形成100個直徑70μm的球，同時氮氣以0.5升/min/mm2(通過用氣體流速除以氣管的開口面積得到該值)的流速從一側噴出，並且檢驗氮氣的純度與表面上的火口出現與否之間的相關性。用掃描電子顯微鏡(SEM)檢查表面上的火口。在表9中列出了結果。從表中可以清楚地看出，當氮氣的純度為99.9％或更高時，可以形成表面上沒有火口的良好的球。
表9
原型例5純度為99.95％並且直徑為200μm的銅鍵合線經過電鍍，從而在引線上塗覆厚度為0.81μm的鈀塗層。拉伸引線，並經過最終退火(425℃)，產生鍍鈀的芯直徑25μm、鍍層厚度為0.1μm並且每單位截面積的拉伸為0.024％/μm2的銅鍵合線。
通過使用能夠改變引線的尖端以及放電點的位置(引線的尖端與放電點的位置之間的距離設置為常數)的原型鍵合機，用這些線以角度θ的各種值形成50個直徑60μm的球，並且檢驗球變形為高爾夫球棒形狀的機率。如圖3所示，引線1尖端向下垂直放置，角度θ由在連接引線的尖端和炬2的放電點的直線與引線的延長線之間形成的角表示。進行球的形成，同時純度為99.999％的氮氣以0.5升/min/mm2(通過用氣體流速除以氣管的開口面積得到該值)的流速從一側噴出。球變形為高爾夫球棒形狀的機率為14/50或更少，並且固定炬具有對應性的球形成判定為「正常的」。在表10中列出了結果，如表10所示，發現當角度θ為45度或更小時，可以降低球變形為高爾夫球棒形狀的機率。
表10
工業適用性如上所述，在主要含有銅的芯上形成由熔點高於銅的抗氧化金屬製成的塗層，並且通過設置引線每單位截面積的拉伸為0.021％/μm2或更多，本發明的鍵合線可以獲得出色的真正球形的形成特性、鍵合特性以及環路特性。當X＝(塗層面積/芯的面積)在0.007≤X≤0.05的範圍內時，可以同樣形成具有出色的真正球形的形成特性的球。
此外，根據本發明的球鍵合方法可以穩定地形成小直徑球。結果，可以在更小的鍵合面積中進行鍵合，並且通過縮小相鄰引線之間的距離可以進行高密度引線的鍵合，由此可以形成高密度集成電路。
權利要求
1.一種鍵合線，具有主要由銅構成的芯以及在芯上形成的塗層，其中所述塗層由熔點高於銅的抗氧化金屬製成，並且該鍵合線每單位截面積的拉伸為0.021％/μm2或更多。
2.根據權利要求1的鍵合線，其中使用熔點比銅高200℃的金屬作為塗層。
3.一種鍵合線，具有主要由銅構成的芯以及在芯上形成的塗層，其中所述塗層由抗氧化性高於銅的金屬製成，並且滿足0.007≤X≤0.05的關係，其中面積比X是(在垂直切割引線的剖面的情況下，塗層的面積/芯的面積)。
4.根據權利要求3的鍵合線，其中X在0.01≤X≤0.04的範圍內。
5.根據權利要求1-4中任一項的鍵合線，其中從鈀、鉑和鎳中選擇的至少一種金屬用作塗層。
6.根據權利要求1-5中任一項的鍵合線，其中在芯中所含的除銅以外的其它元素的總量為0.001重量％或更多至1％重量或更小。
7.根據權利要求1-6中任一項的鍵合線，其中塗層由與芯的熔化熱相差25cal/g或更少的材料製成。
8.根據權利要求1-7中任一項的鍵合線，其中在芯中含有從銻、磷、鋰、錫、鉛、鎘和鉍中選擇的重量為10到1000ppm的至少一種元素。
9.根據權利要求1-8中任一項的鍵合線，其中用電鍍方法形成塗層。
10.一種球鍵合方法，其特徵在於使用根據權利要求1-9中任一項的鍵合線。
11.根據權利要求10的球鍵合方法，其中在球鍵合期間，形成直徑小於引線直徑三倍的小直徑球。
12.根據權利要求10或11的球鍵合方法，其中在球鍵合期間，使用純度為99.9％或更高的氮氣作為保護氣體。
13.根據權利要求10-12中任一項的球鍵合方法，其中在連接引線的尖端和炬的放電點的直線與引線的延長線之間的角θ滿足0＜θ≤45度。
全文摘要
一種具有主要由銅構成的芯並在芯上形成塗層的鍵合線，其中塗層由熔點高於銅的抗氧化金屬製成，並且該鍵合線每單位截面積的拉伸為0.021％/μm
文檔編號H01L23/49GK1575512SQ0282116
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月17日 優先權日2001年10月23日
發明者改森信吾, 野中毅, 深萱正人, 井岡正則 申請人:住友電工運泰克株式會社