專利名稱：Ag-Au-Pd三元合金接合線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由Ag-Au-Pd三元合金制成的接合線，所述接合線適合用于將半導(dǎo)體裝置中使用的基板如IC芯片電極與外部引出引線連接，并且尤其是涉及一種Ag-Au-Pd三元合金接合線，所述接合線在高溫條件下如在機(jī)動車輛中或在高速裝置中使用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，作為半導(dǎo)體裝置中將IC芯片電極連接至外部引出引線的金線，因為高可靠性的原因，廣泛使用由摻雜有痕量的另一種金屬元素制成的高純金制成的具有99.99質(zhì)量％以上的純度的金線。這種純金線的使用是使得線的一端通過采用超聲波輔助熱鍵合法連接至IC芯片電極上的純鋁(Al)焊點(diǎn)或鋁合金焊點(diǎn)，并且另一端連接至電路板上的外部引線等，并且其后用樹脂密封電路以制得半導(dǎo)體裝置。這樣的純鋁(Al)焊點(diǎn)和鋁合金焊點(diǎn)通常通過真空沉積形成。
日本專利申請公布H09-272931中公開了另一種Ag-Au-Pd三元合金接合線“一種用于半導(dǎo)體裝置的金合金細(xì)線，其特征在于由以下各項組成:10-60重量％的Ag和0.005-0.8 %的Mn，加上與以上元素組合的總計0.005-5重量％的選自Cu、Pd和Pt中的至少一種元素和總計0.0002-0.03重量％的選自Ca、Be、La、Ce和Y中的至少一種元素，并且余量是金和不可避免的雜質(zhì)?！?br> 同樣，日本專利申請公布2000-150562公開了 “一種用于鍵合半導(dǎo)體裝置的金合金細(xì)線，所述金合金細(xì)線由含有以下各項的金合金制成:1至50重量％的Ag、0.8至5重量％的Pb,0.1-2重量ppm的Ti，加上1-50重量ppm的選自Ca,Be和La中的一種或多種，以及由金和不可避免的雜質(zhì)組成的剩余部分。開發(fā)像這些的接合線作為金線的備選，并且預(yù)期能夠減少昂貴的金(Au)的消費(fèi)并能夠在大氣環(huán)境中形成熔球?！?br> 然而，在由具有超過60%的銀(Ag)含量的Ag-Au-Pd合金制成的接合線的情況下，已有的經(jīng)驗是當(dāng)將其在自然大氣中球焊時，一些氧化物在熔球的表面中析出，導(dǎo)致熔球與目標(biāo)如鋁合金焊點(diǎn)的鍵合不良。這些氧化物來源于天然Ag中含有的氧化性非貴金屬元素或不可避免的雜質(zhì)，并且當(dāng)這種微量加入的元素和不可避免的雜質(zhì)在熔球的表面析出時，它們與大氣中的氧結(jié)合并生成氧化物。
當(dāng)銀的含量超過60 %時，接合線自身的硬度變得增大很多，以至于對成形后的接合線進(jìn)行最終退火成為共同的慣例。例如，在日本專利申請公布H03-74851(下文中稱為“IP公布I”)中公開了“由Ag-Pd合金、Au-Ag-Pd合金等制成的線，所述線已經(jīng)在比各自的重結(jié)晶溫度高的溫度下進(jìn)行了熱處理”，并且日本專利申請公布2010-171378公開了一種用于制造由金-銀-鈀合金制成的線的方法，由清潔并且烘干線的表面以及接下來的退火組成，所述線并拉制為0.050mm-0.0lOmm的線直徑，并且含有8.00-30.00重量％的金和66.00-90.00重量％的銀以及0.01-6.00重量％的鈀，所述方法包括清潔并干燥線表面并且之后退火。
然而，在由Ag-Au-Pd三元合金制成的接合線的情況下，存在的事實(shí)是銀(Ag)的含量越大，從空氣中引入的氧越多，以使得表面張力變的十分弱，以致熔球的形狀變得不穩(wěn)定，并且也帶來上述氧化物的析出，只可能通過超聲波楔入鍵合的方式獲得連接。
因為樹脂密封的半導(dǎo)體裝置開始用于其中盡管升高溫度的苛刻條件下仍需要高可靠性的車載裝置1C，以及用于工作溫度升高為非常高的用于高頻波的IC和高亮度LED，已經(jīng)完成最終退火的由Ag-Au-Pd三元合金制成的接合線在這樣的高溫條件下不能夠保持它們的性能。因為這些原因，事實(shí)是Ag-Au-Pd三元合金接合線還未投入使用。
現(xiàn)有技術(shù)公布
[IP公布I]日本專利申請公布H03-74851
[IP公布2]日本專利申請公布H09-272931
[IP公布3]日本專利申請公布2000-150562
發(fā)明概述
本發(fā)明要解決的問題
考慮到要提供一種Ag-Au-Pd三元合金的接合線而提供本發(fā)明，所述接合線能夠與鋁焊點(diǎn)建立持久的球焊連接，甚至當(dāng)在其中使用所述線的樹脂密封的半導(dǎo)體裝置要承受高溫、高濕和高壓的苛刻工作條件時仍然可以保持連接可靠性。
解決問題的方式
本發(fā)明的發(fā)明人將他們的注意力集中到由Ag-Au-Pd三元合金制成的接合線不與含有銅(Cu)的接合線一樣容易受到氧化的事實(shí)，研究了將前者在高溫條件下在氮氛中球焊在鋁合金焊點(diǎn)上的連接持久性。他們發(fā)現(xiàn)在大氣氣氛下他們可以獲得高球度的無空氣球(FAB)，所述無空氣球在氮氛下卻沒有完全封閉，并且甚至不需要使用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚猓⑶疑踔猎谛纬扇矍虻倪^程中吹掃氮?dú)饩妥銐蛄恕?br> 本發(fā)明的發(fā)明人還將痕量的氧化性非貴金屬元素加入至高純Ag-Au-Pd三元合金中，并且通過在合金中均勻地分散添加劑,他們通過退火處理阻止Ag-Au-Pd三元合金中的晶粒粗大化，設(shè)計為將接合線通過模具連續(xù)拉伸后仍能夠保持接合線中的拉伸結(jié)構(gòu)，所述退火處理在拉伸中施加至線以消除成型應(yīng)力
為了解決上述問題，本發(fā)明的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線由具有99.99質(zhì)量％以上的純度的銀(Ag)、具有99.999質(zhì)量％以上的純度的金(Au)和具有99.99質(zhì)量％以上的純度的鈀(Pd)制成，并且這種三元合金接合線由4-10質(zhì)量％的金(Au) >2-5質(zhì)量％的鈕和20-100質(zhì)量ppm的氧化性非貴金屬元素加上余量的銀(Ag)組成，并且這種接合線在通過模具連續(xù)拉伸之前進(jìn)行了熱退火，并且在通過模具連續(xù)拉伸之后進(jìn)行了熱回火，并且適合用于在氮氛中球焊。
(Ag-Au-Pd 三元合金)
本發(fā)明的Ag-Au-Pd三元合金是將由4-10質(zhì)量％的金(Au)、2_5質(zhì)量％的鈕I (Pd)加上余量的銀(Ag)組成的固溶體充分均質(zhì)化之后制成的合金。
在本發(fā)明的情況下，銀(Ag)的含量為不少于84質(zhì)量％，這是因為發(fā)現(xiàn)當(dāng)含銀合金線在氮氛中鍵合在純鋁(Al)焊點(diǎn)或鋁合金焊點(diǎn)上時，在銀(Ag)與鋁(Al)之間形成很少的在天然大氣中鍵合時形成的金屬間化合物。
關(guān)于本發(fā)明，金(Au)不參與具有鋁(Al)的金屬間化合物在氮氛中的形成，并且在第一次鍵合時具有使得將熔球高度圓形壓縮的效果。本發(fā)明為什么規(guī)定金(Au)的含量為4-10質(zhì)量％的原因是:如果金超過10質(zhì)量％，熔球當(dāng)形成時的溫度變得太高以至于氧化性非貴金屬元素氧化物變得很容易形成，由此高球形度的FAB的獲得變得困難，并且另一方面，如果小于4質(zhì)量％，熔球變得太不穩(wěn)定以至于很難保證FAB的球形度。金(Au)含量優(yōu)選為6-9質(zhì)量％。
在本發(fā)明中，鈀具有阻止銀(Ag)與鋁(Al)之間金屬間化合物的形成以及抑制當(dāng)在高溫和高濕度的條件下使用半導(dǎo)體裝置時銀(Ag)與鋁(Al)之間的金屬間化合物的劣化的效果。
在傳統(tǒng)的Ag線的情況下，橫跨這些元素之間的鍵合界面形成金屬間化合物Ag2Al。
Ag2Al和球之間的鍵合界面在含水的環(huán)境中被腐蝕從而生成Ag和Ag203。
在由本發(fā)明的Ag-Au-Pd加上微量的添加元素制成的線的情況下，在Ag2Al與球之間形成Ag2Al和一層富Pd層,從而抑制Ag2Al的腐蝕。
如在

圖1的方案圖中所示，在Ag線的情況下，橫跨球與鋁焊點(diǎn)之間的鍵合界面形成金屬間化合物Ag2Al,并且在含水環(huán)境中容易受到腐蝕[參見圖1的(A)]。
與此相反，如圖1的(A)所示，在本發(fā)明的Ag-Au-Pd線的情況下，盡管橫跨球與鋁焊點(diǎn)之間的鍵合界面類似地形成金屬間化合物Ag2Al,但Au與Pd彼此過于相容以至于在球面?zhèn)壬闲纬葾u2Al和富Pb層，從而減速鋁的腐蝕，帶來的結(jié)果是極大地提高了剪切強(qiáng)度(share strength)和 HST 可靠性。
為什么規(guī)定鈕(Pd)是2-5質(zhì)量％的原因是:如果它超過5質(zhì)量在氮氛下形成熔球變得太硬，并且如果小于2質(zhì)量％，不能保證抑制銀(Ag)和鋁(Al)之間的金屬間化合物的劣化的效果。優(yōu)選的是鈀(Pd)含量為3-5質(zhì)量％。
(氧化性非貴金屬添加元素)
在本發(fā)明中，氧化性非貴金屬添加元素的劑量是15-70質(zhì)量ppm。根據(jù)本發(fā)明，要求銀(Ag)的純度為99.99質(zhì)量％以上，并且不可避免雜質(zhì)基本上含量為大約20ppm。這些不可避免的雜質(zhì)和氧化性非貴金屬添加元素一樣均勻地分散在Ag-Au-Pd三元合金中，并且通過他們的磁通釘孔效應(yīng)，他們履行他們的阻止Ag-Au-Pd三元合金晶粒粗大化的任務(wù)。氧化性非貴金屬添加元素的主要作用是提高線的機(jī)械性能和在第一次鍵合時壓縮球的圓度。
如果氧化性非貴金屬添加元素的總量為以質(zhì)量計70ppm以下，那么即使是當(dāng)將Ag-Au-Pd三元合金在大氣氛中退火時，也只會在合金表面出現(xiàn)將改變合金表面顏色的厚氧化物膜的少量出現(xiàn)。優(yōu)選的是氧化性非貴金屬元素的總量為20-60質(zhì)量ppm，并且更優(yōu)選20-50 質(zhì)量 ppm。
氧化性非貴金屬添加元素可以是鈣(Ca)、稀土元素(Y、La、Ce、Eu、Gd、Nd和Sm)、鈹(Be)、鎂(Mg)、錫(Sn)、銦(In)和鉍(Bi)。優(yōu)選的候選是鈣(Ca)和稀土元素，特別是鑭(La)和鈹(Be)。
(退火處理)
根據(jù)本發(fā)明的退火處理設(shè)計為消除Au-Ag-Pd三元合金拉線帶來的成型應(yīng)力，并且從而防止由應(yīng)力引起的裂紋。需要的是氧化性非貴金屬添加劑高度均勻地分散在Ag-Au-Pd三元合金中，以便將體系熱處理的溫度不會升高到Ag-Au-Pd三元合金的熔點(diǎn)附近(約1000攝氏度)。通常，熱處理大致是在500攝氏度保持2小時，在600攝氏度保持30分鐘或者在700攝氏度保持10分鐘。當(dāng)在退火后將合金拉成線時，在接合線中會形成拉伸結(jié)構(gòu)。因此，期望的是在最終的連續(xù)拉伸之前進(jìn)行退火處理。同時，如果重復(fù)進(jìn)行退火處理，接合線的拉伸結(jié)構(gòu)就會變得更加致密，所以優(yōu)選的是進(jìn)行兩次或多次退火，但是這降低生產(chǎn)率，所以兩次或者三次是最好的。
(熱精煉熱處理)
根據(jù)本發(fā)明的熱精煉熱處理設(shè)計為與在金線的情況下類似，以一定方式改變線以使得通過拉伸斷裂強(qiáng)度試驗機(jī)當(dāng)將線拉長4%時會使其突然折斷，并且這通過管式爐內(nèi)的溫度和拉線速度的控制實(shí)現(xiàn)。通常采用大約500攝氏度和2秒。
發(fā)明效果
如上所述，在氮氛中將本發(fā)明的Ag-Au-Pd合金接合線用于第一次鍵合，以使得純鋁(Al)和鋁合金焊點(diǎn)上的熔球的鍵合性良好，并且也能夠保證壓縮球的圓形度，并且即使當(dāng)將半導(dǎo)體裝置在高溫和高濕度環(huán)境中使用時，鋁(Al)的金屬間化合物在第一鍵合的鍵合界面將不會粗大化，從而保證了高鍵合可靠性。此外，用本發(fā)明的Ag-Au-Pd制造的接合線是機(jī)械脆弱的，以致未出現(xiàn)線弧高度內(nèi)的傾斜和無規(guī)律性，并且減少了通過控制超聲波鍵合的第二鍵合過程中鍵合強(qiáng)度上的無規(guī)律性。
發(fā)明實(shí)施方案
通過熔融鑄造制備具有表I的左半邊中所示的元素組成的Ag-Au-Pd合金,并且將IOmm直徑的線拉長至3mm直徑并且在600攝氏度保溫30分鐘退火，并且接下來將線拉長到0.1mm直徑并且在600攝氏度退火30分鐘。此后，通過進(jìn)行最終的濕式連續(xù)拉伸，發(fā)明人制備了由根據(jù)本發(fā)明的Ag-Au-Pd合金制成的20微米厚的接合線1-27 (下文中稱為發(fā)明線)以及用超出本發(fā)明組成范圍的Ag-Au-Pd合金制成的接合線28-36 (下文中稱為比較線)。將這些發(fā)明線1-27和比較線28-36置于由Kulicke&Soffa制造的引線鍵合器(商品名=Maxym Ultra)上，并且在吹掃氮?dú)獾臍夥罩墟I合在安裝在半導(dǎo)體IC芯片中的50平方毫米的由Al加上0.5質(zhì)量％的Cu制成的Al合金焊點(diǎn)上，其中制成38mm大的目標(biāo)尺寸的FAB，鍵合時的操作條件為:加熱溫度為200攝氏度，線弧長度為5mm，線弧高度為220mm，壓縮球的直徑為48mm并且壓縮球的高度為14mm，并且關(guān)于FAB球形度、壓縮球圓形度、第一球剪切力和HAST可靠性進(jìn)行評價。
[FAB球形度的評價方法]
通過線鍵合器在每一個組成的合金的情況下制備100個FAB，并且測量每一個FAB在X方向(垂直于金屬線的縱向)和Y方向(金屬線的縱向)上的長度，并且這些長度之間的差別是評價的基礎(chǔ)。評價的結(jié)果在表I的右半邊給出。
[壓縮球圓形度的評價方法]
關(guān)于用于評價制備的IC芯片上每一種成分的合金進(jìn)行一百次的鍵合，并且測量了每一個壓縮球在X方向(垂直于超聲波指向的方向)和Y方向(超聲波指向的方向)上的長度，在這些長度之間的比的不規(guī)律性是評價的基礎(chǔ)，并且結(jié)果在表I的右半邊中給出。
[第一球剪切力的評價方法]
對于每一種合金成分，通過線鍵合器的方式在為這個目的特殊準(zhǔn)備的IC芯片上進(jìn)行一百次鍵合，并且通過Dage Corporation的產(chǎn)品名稱“萬能鍵合試驗儀(BT)(型號:4000)”評價每一個第一壓縮球的剪切強(qiáng)度。評價的結(jié)果在表I的右半邊中給出。
[HAST可靠性的評價方法]
對于每一種合金成分，通過線鍵合器的方式在為這個目的特別制備的IC芯片(200插腳)上進(jìn)行鍵合，并且用為這個目的特別制備的塑性樹脂密封這個芯片，從而完成用于電阻測試的試樣。將每一個試樣在130攝氏度的溫度、85%的濕度和2.2個大氣壓的壓力的條件下置于高度加速壽命試驗(HAST)中192小時，而后測量了電阻。電阻的測量通過KEITHLEYC0RP0RAT10N的產(chǎn)品名稱“源表(型號2004) ”借助于為這個目的特別制備的IC插孔在為這個目的特別構(gòu)建的自動測量系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)行。測量的方式按照所謂的直流四端子法。使恒定電流從用于測量的探針流到相鄰的外部引線探針(選擇芯片上一對焊點(diǎn)短路)，并且測量探針之間的電壓。
關(guān)于100對(200插腳)的外部引線，在HAST中保持之前和之后進(jìn)行電阻的測量，并且評價電壓升高率。該評價的結(jié)果在表I的右半邊中給出。
[表 I]
權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，所述接合線由具有99.99質(zhì)量％以上的純度的銀(Ag)、具有99.999質(zhì)量％以上的純度的金(Au)和具有99.99質(zhì)量％以上的純度的鈕I (Pd)制成,所述線由4-10質(zhì)量％的所述金(Au)、2-5質(zhì)量％的所述鈕I (Pd)、15-70質(zhì)量ppm的氧化性非貴金屬元素和余量％的所述銀(Ag)組成，并且所述線在通過模具連續(xù)拉伸之前被熱退火至少一次，并且所述線在通過所述模具連續(xù)拉伸之后被熱回火，并且所述線適用于在氮氛中球焊。
2.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述線含有6-9質(zhì)量％的所述金(Au)和3-5質(zhì)量％的所述鈕(Pd)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述氧化性非貴金屬元素包括鈣(Ca)。
4.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述氧化性非貴金屬元素包括稀土元素。
5.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述氧化性非貴金屬元素包括鑭(La)。
6.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述線被熱退火兩次以上。
7.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，其特征在于所述熱退火在比進(jìn)行所述熱回火的溫度高的溫度進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提高用于在高溫和高濕度環(huán)境中使用的半導(dǎo)體的接合線鍵合至鋁焊點(diǎn)的可靠性。解決方式是一種用于半導(dǎo)體裝置的Ag-Au-Pd三元合金接合線，所述接合線由4-10質(zhì)量％的具有99.999質(zhì)量％以上的純度的金，2-5質(zhì)量％的具有99.99質(zhì)量％以上的純度的鈀和剩余質(zhì)量％的具有99.999質(zhì)量％以上的純度的銀制成。這種用于半導(dǎo)體的接合線包含15-70重量ppm的氧化性非貴金屬元素，并且在通過模具連續(xù)拉伸之前經(jīng)過熱退火，且在通過模具連續(xù)拉伸之后經(jīng)過熱回火，并且這種接合線在氮氛中進(jìn)行球焊。在鋁焊點(diǎn)與線之間的界面處的Ag2Al金屬間化合物層與Ag-Au-Pd三元合金線之間的腐蝕由Au2Al和富Pb層抑制。
文檔編號H01L21/60GK103155130SQ201180049000
公開日2013年6月12日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者千葉淳, 手島聰, 小林佑, 安德優(yōu)希 申請人:田中電子工業(yè)株式會社