专利名称：高强度高伸长率的金合金接合线的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于在用于半导体装置的IC芯片的电极与基板的外部引线等之间连接的Au合金接合线。尤其是，所述Au合金接合线用于高温条件，如用于车载装置和高速
>J-U ρ α装直。
背景技术：
传统上，广泛应用了纯度为99.99质量％以上的Au线。这种Au线是向高纯Au中加入微量的其它金属元素，并且它在作为连接半导体装置的IC芯片电极与外部引线的Au线上的可靠性是出色的。这些纯Au线的一端通过采用超声波热压键合方法键合至IC芯片电极上的纯Al焊点和Al合金焊点，这些Au线的另一端键合至基板上的外部引线，之后通过树脂密封方法成为半导体装置。通常这些Al合金焊点通过真空蒸镀等形成，并且通常是Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-S1-Cu合金等。然而，当树脂密封的半导体装置用于在高温苛刻条件下的高可靠性要求的车载IC时，以及运行温度变高的高频IC等时，会产生被称为柯肯德尔(Kirkendall)的空隙、裂纹，或者由密封树脂中的卤素成分引起的腐蚀，所以它可能导致Al焊点、Al合金焊点与纯Au线之间的键合界面处的电阻增加和键合强度降低。因此，对于保证高键合可靠性(在一定环境下保持球焊键合界面的电阻值和键合强度)的要求比以前更高，并且使用了 Au-1质量％Pd合金的接合线。这种Au-Pb合金线可以通过Pb抑制在高温条件下在Al合金焊点与纯Au线的界面处Au扩散到Al焊点中，可以 相对地抑制在键合界面处容易受到卤素成分腐蚀的影响的金属互化物Au4Al的形成，所以它具有抑制Al合金焊点处、Al合金焊点与Au合金线之间的键合部分的劣化的益处，同时它还具有不会降低键合强度的益处。虽然这种Au-1质量％ Pd合金线与99.99质量％以上纯度的纯Au相比较具有出色的机械性能，但是作为电性能的接合线的电阻率值高。例如，99.99质量％纯度的纯Au线的电阻率值是2.3 μ Ω.cm，与此相反，Au-1质量％ Pd合金的电阻率值是3.0 μ Ω.cm.所以，如进行高密度应用，则会出现由于线发热导致的设备故障或断线，除此之外也会产生信号响应速度发生延迟的危险。随着接合线直径从25 μ m变细至15 μ m,这种趋势更加强化。尽管详细机制仍然未知，在Au-1质量％ Pd合金的情况下，因为Pb的存在促进了在键合界面出现预料不到的Al氧化的促进。例如，因为在空气中的高温测试下更多量的Al氧化物Al2O3的产生，无树脂密封的Au-1质量％ Pd合金的接合线可能变得比具有微量添加元素的99.99质量％以上纯度的Au接合线更不耐用。将Au与所有比例固溶Ag合金化作为接合线使用的想法之前在日本特开昭52-51867号公报和日本特开昭64-87734号公报等中公知。之后，考虑并尝试应用在添加了微量Ag的Au合金中加入Ca和La，所述Ca和La已知是相对99.99质量％以上的纯度的Au提高机械强度的微量添加元素。这是一种半导体接合线，其中熔合有0.06-0.95质量％的与Au全比例固溶的Ag ;并且熔合有0.001-0.005质量％的Ca、Y和稀土元素中的一种以上，所述半导体接合线的目的是达到与大约99.99质量％纯度的纯Au线的电阻率几乎同样的电阻率值(后面描述的参考专利I)。这种接合线是Au合金，其中含有0.05-0.95质量％的Ag、0.0001-0.005质量％的Ca、Y和稀土元素中的一种以上，余量为Au和不可避免的杂质。这种接合线的目的是提供一种半导体用Au合金线，所述Au合金线具有高强度并且在没有线弧变形的情况下抑制电阻率过度增加(参考专利I的第10段)。然而，以前的Au合金接合线遵循与纯度99.99质量％以上的Au接合线的机械性质的测量的方法几乎相同的方法，并且断裂强度是在4-8%的范围内的伸长率下测量的。通过拉伸测试评价接合线的伸长和应力之间的关系。测量中直到接合线断裂时的最大应力值定义为拉伸强度(断裂强度)，并且此时的伸长称为断裂拉伸伸长。作为机械性质，断裂拉伸伸长越大拉伸强度越小，一般两者存在相反的倾向。当使拉伸强度变大时，断裂拉伸伸长降低并且变得容易断裂。另一方面，当使拉伸伸长变大时，接合线的拉伸强度和硬度降低并且很容易产生倾斜和金属线变形。因此，从平衡这些机械性能的方面考虑，通常采用大约4%的伸长率值(参考专利2)。然而，在热处理温度与这些机械性能的关系中，随着热处理温度的升高而减小的拉伸强度曲线与随着热处理温度的升高而增加的拉伸伸长曲线在该范围内交叉。在99.99质量％以上纯度的高纯度Au接合线的情况下，因为伸长率原本就高，而且在大约4%的伸长率处显示断裂伸长曲线的倾斜度以及显示断裂强度的曲线的倾斜度是平缓的，因此即使在成为大约4%的伸长率的热处理条件有一定幅度，其也没有大的变化。在另一方面，在添加元素含量高、金纯度较低的Au合金的情况下，一般是高强度的，断裂强度高并且伸长率低。为了达到平衡，通过热处理在增加伸长率的同时，在合适的范围内降低断裂强度，然而，当通过提高热处理温度增加伸长率时，伸长率在4%附近急剧上升并且断裂强度急剧下降，平衡这两个值变得非常困难。这些关系概念性地在作为示意图的图3(A)和(B)中示出。图中，高纯Au线在成为4%的伸长率的热处理温度附近，显示伸长率和断裂强度变化的曲线的倾斜平缓，相对于热处理温度变化具有较宽的容差，并且相对于图中的热处理温度范围的宽度而言伸长率的变化范围是很小的(断裂强度的变化范围也很小)，基于伸长率来调节断裂强度是容易的。另一方面，对于具有增强元素而提高了强度的合金线而言，伸长率和断裂强度相对热处理温度的变化均有大幅变化，曲线的倾斜均变大，因此，如(B)中所示，相对于同样的热处理温度变化的宽度，伸长率变化的宽度(同样地，断裂强度变化的宽度)大大地加宽，这些值相对于热处理温度的微小变化发生了很大地变化。因此，效仿以大约4%伸长率作为所谓指标的传统热处理，如为了获得这些合金线的伸长率和强度、硬度之间的平衡，而对应这些强度设置百分之五至百分之十几的伸长率，则在该热处理温度范围内，表示伴随温度变化的伸长率变化与线强度变化的曲线陡峭地交叉，设定和保持热处理条件是很困难的，并且所得到的线的特性是不稳定的。因此，不能获得恒定性能的接合线，并且这导致倾斜和线弧高度的宽广分布。在另一方面，当接合线变细、键合节距变得更窄并且更高密度，以及在一个半导体装置中多级、设定不同的长短来进行布线时，则在Au合金接合线中第二键合性的偏差和由倾斜引起的线弧高度的偏差变得明显，开始变得显著影响接合线的键合性品质良否。倾斜定义为，当在焊点侧球焊而使线在球的正上方直立，之后朝向引线缓缓倾斜的线弧形成中，存在线直立部可能倾倒接触到相邻的线的缺陷。尤其是，在高密度应用中接合线细，并且线之间的距离变得狭窄，因此容易发生倾斜，这成为降低半导体装置的组件产
量的主要因素。[参考专利I]日本特开2003-7757号公报[参考专利2]日本特开2009-33127号公报发明概述本发明要解决的问题本发明是为了解决以上技术问题而完成的。本发明的目的是在接合线用合金金中，即使热处理温度有些宽度和Au合金接合线的组成有些不同，也提供由倾斜引起的线圈高度偏差小且具有恒定的机械性能的Au合金接合线。解决问题的方式本发明的发明人发现:在具有伸长率伴随热处理温度升高而平缓的区域，且包含
0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt之中的至少一种元素、余量为Au的金合金接合线中，如利用平缓的热处理温度范围进行接合线的热处理，则可以获得由倾斜引起的线圈高度偏差小的接合线。此外，发现即使该线包含总计10_150ppm质量的Be、Ca、稀土元素(Y、La、Ce、Eu、Gd、Nd和Sm)、S1、Ge、Sn、In、Bi和B中至少一种元素，线横截面的金属组织构造几乎没有变化。(a)本发明的第一点是一种用于半导体装置的接合线，其中:所述接合线具有伸长率随着热处理温度升高而平缓的区域，并且所述接合线包含0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素，且余量为Au ;并且将所述接合线在伸长率平缓区域的450-650°C的范围内热处理。(b)本发明的第二点是一种用于半导体装置的接合线，其中:所述接合线具有伸长率随着热处理温度升高而平缓的区域，并且所述接合线包含0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素，且余量为Au ;并且将所述接合线在伸长率平缓区域的450-650°C的范围内热处理之后，再进行水冷却。本发明的Au合金包含0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素，以及余量的Au。作为在Au合金中含有的元素，Cu、Ag、Pd或Pt是典型代表。如所公知的，在这些元素中Cu或Ag即使在少量添加下也在Au中完全固溶形成Au-Cu合金或Au-Ag合金。Au-Cu合金或Au-Ag合金具有比Pb或Pt的Au合金更宽的平缓区域的热处理温度范围。这被认为是因为原子Cu或Ag散步在Au的晶格中各处，并且它依赖于均勻的Au-Cu合金或Au-Ag合金的形成。另一方面，从实际使用方面考虑，对于Pd优选的是组分的范围是0.5-2质量％的Pd和余量的Au。基于同样的原因，对于Pt优选的是组分的范围是0.5-5质量％的Pt和余量的Au。此外,基于相同的原因,对于Ag优选的是组分的范围是0.5-20质量％的Ag和余量的Au。对于本发明的Au合金，当它包含0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素时，该Au合金具有随热处理温度升高而平缓的区域。伸长率的平缓区域和伸长率由于合金元素的量和种类以及热处理温度的不同而略微不同。对于Au-Cu合金优选的范围是
0.5-5质量％的范围。对于Au-Ag合金优选的范围是0.5-20质量％的范围。这是因为在这两种情况下平缓区域的热处理温度范围变得更宽。另一方面，99.99质量％以上的纯度的Au合金不具有这样的平缓区域；伸长率随着热处理温度的升高而上升，当在施加一定张力的同时进行热处理时，线最终切断。顺便提及，与99.99质量％以上纯度的Au合金相同，上述Au合金的伸长率也随着热处理温度的升高而上升，当热处理温度太高时，金属线最终切断。对于99.99质量％以上纯度的Au合金(5N)和加入Ag、Cu、Pd和Pt的Au合金的这些特性，将表I的组成的Au和Au合金的热处理温度与伸长率之间的关系，以及热处理温度与断裂强度之间的关系在
图1和图2中给出。
权利要求
1.一种用于半导体装置的接合线，其中:所述接合线由0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素以及余量的Au组成， 将所述接合线在伴随热处理温度升高的伸长率增加变得平缓的450-650°C的范围内热处理。
2.一种用于半导体装置的接合线，其中:所述接合线由总计为0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素以及余量的Au组成，将所述接合线在伴随热处理温度升高的伸长率增加变得平缓的450-650°C的范围内进行热处理。
3.权利要求1或权利要求2所述的用于半导体装置的接合线，其中:所述接合线由0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素和余量的Au组成，并且在伴随热处理温度升高的伸长率增加变得平缓的450-650°C的范围内的热处理之后将所述接合线淬火。
4.权利要求1或权利要求2所述的用于半导体装置的接合线，其中:上述Au合金由0.5-5质量％的Cu和余量的Au组成。
5.权利要求1或权利要求2所述的用于半导体装置的接合线，其中:上述Au合金由0.5-20质量％的Ag和余量的Au组成。
6.权利要求1或权利要求2所述的用于半导体装置的接合线，其中:上述Au合金由0.5-2质量％的Pb和余量的Au组成。
7.权利要求1或权利要求2所述的用于半导体装置的接合线，其中:上述的热处理在从伸长率变得平缓的开始温度至ST+200°C的范围内进行，其中，ST表示伸长率变得平缓的开始温度。
全文摘要
本发明的目的是对于由Au合金线构成的接合线得到伸长率和断裂强度的最佳组合。将0.5-30质量％的Cu、Ag、Pd和Pt中的至少一种元素加入至高纯Au，在拉丝中伸长率变化的平缓区域出现在450-650℃的热处理温度的范围内。虽然线的断裂强度在该温度范围内下降，但线的强度仍保持在与高纯Au合金线的标准的4％的伸长率的热处理温度相对应的强度以上的强度。因此，通过该平缓范围内的热处理，得到了与温度变化无关地具有一定以上强度的合金线。而且，通过选择适当的温度范围，对于上述伸长率得到了具有不同强度的金属线。
文档编号C22C5/02GK103155129SQ20118004899
公开日2013年6月12日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者三上道孝 申请人:田中电子工业株式会社