球焊用稀貴金屬銀合金絲的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種球焊用稀貴金屬銀合金絲，本發(fā)明旨在通過在稀貴金屬銀合金絲的整個面上設(shè)置極薄的碳層，利用該碳的還原作用防止大氣對稀貴金屬銀合金的硫化和氧化，而且，即使是第二次鍵合時超聲波的低熱能，也能從鍵合面上去除與銀合金絲表面松散結(jié)合的硫化銀膜等。本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲的特征在于，在質(zhì)量百分比純度99.9%以上的鈀、鉑及金中的至少一種的總量占質(zhì)量百分比0.1～6%、且其他部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀構(gòu)成的球焊用稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，該鍵合絲表面是連鑄面經(jīng)金剛石模具縮徑后的拉絲加工面，該拉絲加工面的整個面上形成了總有機碳量為50～3,000μg/m2的有機碳層。
【專利說明】球焊用稀貴金屬銀合金絲

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及適用于半導(dǎo)體裝置中使用的IC芯片電極與外部引線等電路板連接的鍵合用稀貴金屬銀合金絲，特別是第二次鍵合性優(yōu)良的球焊用稀貴金屬銀合金絲。

【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，作為連接半導(dǎo)體裝置的IC芯片電極與外部引線的球焊鍵合絲，在質(zhì)量百分比純度99.99%以上的金(Au)中只添加了不到10ppm(質(zhì)量比)其他金屬元素的純金絲因連接可靠性優(yōu)良而大量使用。這種純金絲在其一端形成熔球后，通過熱壓超聲波鍵合法被連接至IC芯片電極上的鋁焊盤，另一端被連接至印刷電路板、引線框架及器件等外部引線等。然后，連接好的純金絲被模制樹脂密封，形成半導(dǎo)體裝置。此外，鋁焊盤由純鋁(Al)、Al-l%Si (質(zhì)量百分比)合金、Al-0.5%Cu (質(zhì)量百分比)合金、Al-l%Si (質(zhì)量百分比)_0.5%Cu(質(zhì)量百分比)合金等構(gòu)成，一般采用真空蒸鍍等干式鍍覆成形。
[0003]很早以前就一直考慮使用銀合金來代替這種純金絲。例如，特開2012-99577號公報(后述的“專利文獻I”)中披露了“特征為以銀(Ag)為主要成分；至少含有一種以上從10000 ?90000ppm (質(zhì)量比)的金(Au)、10000 ?50000ppm (質(zhì)量比)的鈀(Pd)、10000 ?30000ppm (質(zhì)量比)的銅(Cu)、10000?20000ppm (質(zhì)量比)的鎳(Ni)中選出的成分；且氯(Cl)含量不到Ippm (質(zhì)量比)的鍵合絲”的發(fā)明。該發(fā)明“旨在廉價提供鍵合絲表面不施加金屬涂層、波長380?560nm處的光反射率高、提高了化學(xué)穩(wěn)定性的鍵合絲，從而提高發(fā)光裝置的光特性(該公報0008段落)”。
[0004]與純銀鍵合絲相比，該銀合金絲因鈀(Pd)等的耐氯性、耐硫性的相互作用，在氯(Cl)、硫(S)等大氣及特殊環(huán)境下的污染均比純銀絲有了大致改善。但是，與純金絲相比，合金成分的貴金屬含量為6%以下的所謂稀貴金屬銀合金絲依然存在鍵合絲表面易臟、硫化程度易加深的缺點。因此，也存在如下缺點:即使是在使用鍵合絲的一般潔凈室內(nèi)，如果將稀貴金屬銀合金絲放置30天左右，鍵合絲表面就會因從室外氣體引入的空氣中存在的硫(S)而形成硫化銀(Ag2S),該硫化銀(Ag2S)會影響優(yōu)良的第二次鍵合，降低采用超聲波時與外部引線的鍵合強度。
[0005]另一方面，關(guān)于為了提高與鍵合工具間的滑動而“以Au、Al、Cu中的任意一種為主要元素，拉絲加工成10?50 μ m左右的極細絲，在線軸上卷繞規(guī)定長度，并以這種狀態(tài)安裝在鍵合機上使用(特開平6-151497號公報(后述的“專利文獻2”)0002段落)”的鍵合絲，已知的還有熔鑄后對鑄塊進行酸洗等，“特征為表面的總有機碳量為50?1500 μ g/m2的半導(dǎo)體器件鍵合絲(該公報權(quán)利要求1)”。關(guān)于該方法，記載如下:“經(jīng)一般工藝，即溶解、鑄造、拉絲、退火、卷繞工藝制造的鍵合絲表面已可以看到超過1500 μ g/m2的總有機碳量，因此，制造表面總有機碳量為50?1500 μ g/m2的鍵合絲的方法之一就是采用…酸洗…等方法對其進行沖洗，令表面總有機碳量在50?1500 μ g/m2范圍內(nèi)(權(quán)利要求2)。該方法的特征在于，只要在一般工藝的退火工藝前或后設(shè)置沖洗工藝就可以了，容易實施。(該公報0010段落)”，而且，“潤滑劑成分有石蠟烴、環(huán)烷烴、芳烴等礦物油類；聚烯烴、烷基苯、脂肪酸、高級醇、脂肪酸皂、聚乙二醇、聚苯醚、脂肪酸二酯、多元醇酯、聚氧乙烯烷基醚、磺酸鹽、胺、胺鹽、硅酮、磷酸酯、碳氟化合物、氟聚醚、氟乙二醇等合成油類；牛油、豬油、棕櫚油、豆油、菜油、蓖麻油、松油等天然油脂類，可以使用任意一種。此外，也可以使用上述多種成分的混合(該公報0012段落)”。
[0006]但是，該有機碳是作為潤滑劑成分使用的，并非以隔離大氣中的硫(S)成分為目的。盡管本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲不是質(zhì)量百分比純度99.9%以上的純銀絲，但仍具有容易吸收大氣中的硫(S)成分的性質(zhì)。因此，如果碳層薄，則具有銀(Ag)成分容易與大氣中存在的硫(S)成分結(jié)合，在鍵合絲表面形成硫化銀的性質(zhì)。于是存在如下缺點，即一旦在鍵合絲表面形成牢固的硫化銀(Ag2S)后，該硫化銀(Ag2S)繼續(xù)向鍵合絲內(nèi)部深入，形成不均一的硫化銀(Ag2S)膜，令第二次鍵合不穩(wěn)定，第二次鍵合的鍵合面不穩(wěn)定。而且，在對稀貴金屬銀合金絲進行第二次鍵合時，一般都會將電路板、引線框架、器件等加熱到高溫(100°C?250°C左右)狀態(tài)，因此，由于其周圍環(huán)境的熱氣，存在于鍵合面的由鍵合絲衍生的硫(S)就更各易與大氣中存在的硫(S)成分結(jié)合。因此，還存在弟_■次鍵合后鍵合面的硫化程度進一步加深，鍵合面變得更容易剝離的缺點。
[0007]而且，如果鍵合前硫化銀(Ag2S)膜進一步向鍵合絲內(nèi)部深入，則第一次鍵合前就會發(fā)生芯片開裂、鍵合不良等不良影響。
[0008]專利文獻:
[0009]專利文獻1:特開2012-99577號公報
[0010]專利文獻2:特開平6-151497號公報。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是為了解決上述第二次鍵合的問題而開發(fā)的，旨在提供令雖為稀貴金屬銀合金但可以防止大氣中的硫引起的硫化的稀貴金屬銀合金絲達到實際應(yīng)用的鍵合絲。
[0012]本發(fā)明人等著眼于熔鑄后的稀貴金屬銀合金表面的活性(與大氣中的硫(S)的化學(xué)反應(yīng)性)比純銀合金小這一點，旨在實現(xiàn)下列目的:首先通過采用稀貴金屬銀合金減弱大氣中的硫(S)與鍵合絲表面的銀(Ag)成分的化學(xué)反應(yīng)性；繼而通過對該表面實施縮徑、減小表面積降低表面活性；然后通過在稀貴金屬銀合金絲的整個面上設(shè)置極薄的碳層，利用該碳(C)的還原作用防止大氣對稀貴金屬銀合金的硫化和氧化；而且，即使不是如第一次鍵合時的熔化熱般的強大熱能，而是第二次鍵合時超聲波的低熱能，也能從鍵合面上去除與銀合金絲表面松散結(jié)合的硫化銀(Ag2S)膜等。
[0013]用以解決本發(fā)明的問題的球焊用稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，在質(zhì)量百分比純度99.9%以上的鈀(Pd)占質(zhì)量百分比0.1?6%(現(xiàn)有技術(shù)合金絲表面結(jié)構(gòu)的鈀質(zhì)量百分比含量，以合金絲總質(zhì)量為100%計)、且其余部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀(Ag)構(gòu)成的球焊用稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，該鈀(Pd)占質(zhì)量百分比3.0?
4.8% (本發(fā)明合金絲表面結(jié)構(gòu)的鈀質(zhì)量百分比含量，以合金絲總質(zhì)量為100%計)、且其余部分由銀(Ag)構(gòu)成的鍵合絲表面是連鑄面經(jīng)金剛石模具縮徑后的拉絲加工面，該拉絲加工面的整個面上形成了總有機碳量(T0C值)為50?3，000 μ g/m2且由沸點比上述稀貴金屬銀合金的熔點低的水溶性非硫系有機高分子衍生的有機碳層。
[0014]在本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，以連鑄面狀態(tài)保留該鍵合絲表面，是為了使鍵合絲表面不形成新的活性面。此外，通過金剛石模具對該連鑄面進行拉絲加工，是因為金剛石模具對稀貴金屬銀合金的滑動性好，能在保留連鑄面的狀態(tài)下進行縮徑。利用金剛石模具的縮徑至少需要最終的拉絲模具是金剛石模具。一般的縮徑是在水中或采用噴淋的濕式連續(xù)拉絲方式進行的。通過令本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲表面變成令連鑄面縮徑后的惰性拉絲加工面，并在該表面上設(shè)置有機碳層，可以防止大氣中的硫(S)與鍵合絲表面的銀(Ag)成分的結(jié)合。
[0015]在本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，令上述稀貴金屬銀合金為質(zhì)量百分比純度99.9%以上的鈀(Pd)占質(zhì)量百分比0.1?6%、且其余部分為質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀(Ag)，是因為考慮到與鋁焊盤的鍵合性及可靠性壽命。即，如果事先不令稀貴金屬銀合金絲本身的硬度降低一定程度，則熔球與純鋁(Al)焊盤及Al合金焊盤等連接時，會更容易發(fā)生芯片損傷。此外，也是為了第一次鍵合的鍵合面上銀(Ag)與鋁(Al)的鍵合面上沒有硫(S)成分的殘留。鈀(Pd)具有在第一次鍵合時在無空氣焊球(FAB)的氮環(huán)境中不與鋁焊盤形成金屬間化合物且以正球體形狀連接熔球的效果。令合金元素的含量為質(zhì)量百分比6%以下，是因為超過質(zhì)量百分比6%后，在無空氣焊球(FAB)中形成的熔球會過硬，更容易發(fā)生芯片損傷。此外，令合金元素的含量為質(zhì)量百分比0.1%以上，是因為合金元素的含量過少，就不能獲得抗硫化性，即使表層形成了有機碳膜，也不能抑制連鑄面上硫化程度的加深。稀貴金屬銀合金絲的連鑄面上形成硫化銀(Ag2S)膜后，就會形成熔球，即使有機碳層高溫裂解，熔球也會變硬，更容易發(fā)生芯片損傷。
[0016]令銀(Ag)成分的純度為質(zhì)量百分比99.99%以上，是為了令金屬雜質(zhì)不到10ppm(質(zhì)量比)，避免金屬雜質(zhì)在稀貴金屬銀合金絲的連鑄面上發(fā)生內(nèi)部氧化。為了形成優(yōu)質(zhì)的稀貴金屬銀合金絲，銀(Ag)成分的純度應(yīng)為質(zhì)量百分比99.999%以上。同樣，為了形成優(yōu)質(zhì)的稀貴金屬銀合金絲，鈀(Pd)的純度應(yīng)為質(zhì)量百分比99.99%以上；優(yōu)選的，鈀(Pd)、鉬(Pt)及金(Au)等各合金元素的純度應(yīng)為質(zhì)量百分比99.99%以上。
[0017]在本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲的合金元素中，鈀(Pd)最理想。因為易于分解第二次鍵合時稀貴金屬銀合金絲表面形成的硫化物。此外，鈀(Pd)阻礙銀(Ag)與鋁(Al)在第一次鍵合時的鍵合面上形成金屬間化合物、以及在高溫高濕下條件下阻止銀(Ag)與鋁(Al)的金屬間化合物造成的鍵合面劣化的作用都很高。
[0018]此外，本發(fā)明的稀貴金屬銀合金應(yīng)為質(zhì)量百分比純度99.99%以上的鈀(Pd)占質(zhì)量百分比0.1?5%、鈦(Ti)為5?60ppm (質(zhì)量比)、且其他部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀(Ag)構(gòu)成。鈦(Ti)是為了抑制熔球形成時鈀(Pd)帶來的催化活性。另一方面，鈦(Ti)存在令稀貴金屬銀合金的熔球變硬的傾向，因此，應(yīng)為5?60ppm (質(zhì)量比)。
[0019]優(yōu)選的，本發(fā)明的稀貴金屬銀合金為質(zhì)量百分比純度99.99%以上的鈀(Pd)占質(zhì)量百分比3.0?4.8%、鈦(Ti)質(zhì)量比為5?60ppm、且其他部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀(Ag)構(gòu)成。
[0020]在本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，令該拉絲加工面的整個面上形成了總有機碳量(T0C值)為50?3，000 μ g/m2的有機碳層，是為了降低鍵合絲活性，避免稀貴金屬銀合金絲與大氣中的硫(S)等結(jié)合。本發(fā)明的有機碳層指的是成分元素中不含硫
(S)的非硫系有機高分子化合物衍生物。由于稀貴金屬銀合金絲的熔點比純金絲低，因此，有機碳層應(yīng)為沸點比稀貴金屬銀合金的熔點低的水溶性非硫系有機高分子衍生物，如非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑。表面活性劑中，非離子表面活性劑最理想。例如，和光純藥工業(yè)株式會社產(chǎn)的商品名NCW-1OOl等。此外，也可以是沸點比稀貴金屬銀合金的熔點低的水溶性醇衍生物。可以是乙醇、甲醇或異丙醇衍生物。優(yōu)選可以是總分子量小的乙醇、甲醇或異丙醇衍生物。
[0021]令本發(fā)明的拉絲加工面的整個面上形成了有機碳層，是因為如果存在未形成有機碳層的部位，即使只有一部分，大氣中的硫(S)也會經(jīng)此與稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)合，形成硫化銀(Ag2S)膜。
[0022]此外，令有機碳層的厚度為總有機碳量(T0C值)50?3，000 μ g/m2，是因為球焊用鍵合絲的線徑一般為15?25μπι，可以根據(jù)總有機碳量(T0C值)通過計算簡單地算出有機碳層的有效厚度。50?3，000 μ g/m2的范圍可以通過純水高溫燙洗及超聲波沖洗、或者有機高分子化合物超稀溶液浸潰來控制，按照控制的容易度，應(yīng)采用超稀溶液浸潰。此外，令上限為3，000 μ g/m2，是為了減少鍵合工具上的碳粉粘附/堆積量。因為，雖然本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲的熔點比純金鍵合絲低，但即便如此，碳粉也會粘附、堆積在鍵合工具上。如果考慮鍵合工具更換頻率等操作性，則應(yīng)為2，400 μ g/m2,1, 800 μ g/m2則更理想。
[0023]水溶性非硫系有機高分子化合物中，如果是非離子表面活性劑、或者乙醇、甲醇或異丙醇等的水溶性醇衍生物，即使表面的總有機碳量超過1，800 μ g/m2,只要在3，000 μ g/m2范圍內(nèi)，在一般鍵合次數(shù)為50萬次的連續(xù)鍵合作業(yè)中不會因碳粉積累而引起毛細管堵塞及夾持器污染等。
[0024]如果采用本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲，則由于縮徑后的惰性連鑄面上已形成了有機碳層，因此，稀貴金屬銀合金絲不會立即與大氣中的硫(S)結(jié)合而形成牢固的硫化銀。因此，即使將本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲長期放置于室溫下，鍵合絲表面也不會產(chǎn)生大氣中存在的硫(S)成分造成的牢固的硫化銀(Ag2S)膜。即，本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲除了成分組成帶來的優(yōu)良鍵合特性之外，利用超聲波的第二次鍵合性也很卓越，因此，可以保證開始使用前的鍵合絲產(chǎn)品壽命。此外，如果采用本發(fā)明的稀貴金屬銀合金絲，即使反復(fù)鍵合，毛細管也不會發(fā)生污染。

【具體實施方式】
[0025]以下通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的實施過程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實質(zhì)和特點，不作為對本案可實施范圍的限定。
[0026]將具有表I所示的成分組成的稀貴金屬銀合金(貴金屬成分的純度為:銀(Ag)質(zhì)量百分比99.999%以上，其他合金成分分別為質(zhì)量百分比99.99%以上)熔化均勻后進行連續(xù)鑄造，得到直徑5mm的粗絲。不對該粗絲進行酸洗處理，而是采用濕式通過金剛石模具連續(xù)拉絲，為獲得規(guī)定的機械特性而進行調(diào)質(zhì)熱處理，得到保留了連鑄面的直徑20 μ m的鍵合絲。然后，連續(xù)浸潰于表2所示的各種濃度的非硫系有機化合物水溶液中，得到本發(fā)明的球焊用稀貴金屬銀合金絲(實施品I?實施品15)。
[0027]此處，實施品9表示將鍵合絲浸潰于乙醇濃度為1%的水溶液中后，干燥時的有機碳量為 2，800 μ g/m2。
[0028]實施品15是在制造Ag_3%Pd合金鍵合絲后，浸潰于乙醇稀溶液中，再以純水高溫沖洗之物。
[0029]表I
稀貴金屬銀合金的組成Ag Pd (%) Pt (%) Au (%) Ti (ppm)
I其余部f 3.5 —_
[0030]2 其余部分___2___
實 3 其余部分____4__
施 4其余部f 4.8 — "
品 5 其余部f_ 0.3—
6]余部分—5.8—
7其余部分丨I丨0.5
8其余部分I 1.5 I 23 I_
9—其余部分一0.43.6U7
10]余部分~?^~—28 _
II]余部分4.6 —14 一
12]余部分—.1.756一
[0031]13其余 0.71,242 —
14-其余部分—0,2— 3.349
_ 15 其余部3 ——
卜K16I余部分 2.5——
胃17 其余部f4—
品18 其余部分0.07
[0032]此外，表2所示的非離子表面活性劑為BLUEBELL株式會社銷售的服裝用液體洗滌齊IJ(商品名:Natural)。陰離子表面活性劑為日油株式會社產(chǎn)的商品名:PERS0FT(注冊商標)。陽離子表面活性劑為日油株式會社產(chǎn)的商品名:NISSANCAT10N(注冊商標)。兩性表面活性劑為日油株式會社產(chǎn)的商品名:NISSANAN0N(注冊商標)BD。
[0033]表2
[0034]

【權(quán)利要求】
1.球焊用稀貴金屬銀合金絲，其特征在于，在質(zhì)量百分比純度99.9%以上的鈀占質(zhì)量百分比0.1?6%、且其余部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀構(gòu)成的球焊用稀貴金屬銀合金絲的表面結(jié)構(gòu)中，該鈀占質(zhì)量百分比3.0?4.8%、且其余部分由銀構(gòu)成的鍵合絲表面是連鑄面經(jīng)金剛石模具縮徑后的拉絲加工面，該拉絲加工面的整個面上形成了總有機碳量為50?3，000yg/m2且由沸點比上述稀貴金屬銀合金的熔點低的水溶性非硫系有機高分子衍生的有機碳層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的球焊用稀貴金屬銀合金絲，其特征在于，上述鈀的純度為質(zhì)量百分比99.99%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1記載的球焊用稀貴金屬銀合金絲，其特征在于，上述稀貴金屬銀合金為質(zhì)量百分比純度99.99%以上的鈀占質(zhì)量百分比3.0?4.8%、鈦質(zhì)量比為5?60ppm、且其他部分由質(zhì)量百分比純度99.99%以上的銀構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1記載的球焊用稀貴金屬銀合金絲，其特征在于，上述有機碳層為沸點比上述稀貴金屬銀合金的熔點低的水溶性醇的衍生物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1記載的球焊用稀貴金屬銀合金絲，其特征在于，上述有機碳層為乙醇、甲醇或異丙醇的衍生物。
【文檔編號】H01L23/49GK104134644SQ201410131290
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月2日
【發(fā)明者】安原和彥, 安德優(yōu)希, 陳煒, 前田菜那子, 千葉淳, 岡崎純一 申請人:田中電子工業(yè)株式會社