键合线的制作方法

专利名称：键合线的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合将集成电路芯片(IC、LSI、晶体管等)上的电极连接到电路布线基片(引线框、陶瓷基片、印制电路板等)上的导电布线的键合线(bonding wire)，还涉及使用键合线的球形键合方法。
背景技术：
作为将集成电路芯片连接到电路布线基片上的方法，可以使用球形键合方法(ball bonding method)、楔形键合方法、焊料键合方法、电阻焊接方法等。在这些方法中，通常使用采用细金引线的球形键合方法。
通常，根据下面的过程进行球形键合方法。由可移动的毛细管(下文中称作“焊头”)引导的引线的尖端被引线和电极炬之间的放电熔化，从而形成球。当施加超声波时，球被压向作为第一键合点的集成电路芯片上的电极，从而进行键合(第一键合)。随后，当提供引线时，焊头向作为第二键合点的电路布线基片上的电极移动，并进行键合(第二键合)。在第二键合中，不形成球。在键合之后，焊头升起，夹子拉住引线并将其切断。
金通常用作这种键合线的材料。但是，因为金比较昂贵，所以希望开发出用除金以外的其它材料，即，低成本的材料，制成的键合线。为了满足这种需要，已经开发出由可以低成本得到的铜制成的键合线。但是，铜键合线具有以下问题因为铜键合线的表面容易氧化，所以难以长期储存；在键合期间，由于来自基片的热传导促使氧化，导致键合缺陷等。
因此，为了防止铜键合线的表面氧化，已经提出了涂有例如金或者抗腐蚀金属的贵金属的键合线(日本待审公开专利申请No.62-97360)。这些线远比金键合线成本低，并且相信它们可以得到出色的键合性能而不引起表面氧化。
但是，随着半导体器件的集成度越来越高，体积越来越小，即，随着相邻引线之间距离的减小，镀金铜键合线引起了下面的新问题。形成小直径球对于缩小相邻引线之间的距离是必不可少的。但是，如果试图通过使用镀金铜键合线形成小直径球，则形成的球不具有真正的球形，而是矛状体，并且形状的可重复性是不稳定的，从而引起降低键合可靠性的问题。
另外，为了缩小相邻引线之间的距离，需要使用具有小的底部面积的焊头进行键合。在这种情况下，特别是在引线没有熔化的第二键合点的键合面积变小，从而引起降低粘结强度的问题。
此外，当用铜键合线形成球时，使用氮和氢的混合气体作为保护气体。但是，氢可能引起爆炸的危险。为了防止爆炸，需要氢泄漏检测器等，导致更高的成本。
本发明的主要目的是提供一种具有出色的球的形成特性和键合特性的便宜的键合线。
本发明的另一个目的是提供一种能够形成小直径球的球键合方法。

发明内容
本发明通过限制键合线的材料和断裂拉伸(rupture elongation)(下文中简称为“拉伸”，除非有其它说明)实现上述目的。
本发明的键合线是具有主要由铜构成的芯并在芯上形成涂层的键合线，其中涂层由熔点高于铜的抗氧化金属制成，并且该键合线每单位截面积的拉伸为0.021％/μm2或更多。
本发明的键合线是具有主要由铜构成的芯并在芯上形成涂层的键合线，其中涂层由熔点高于铜的抗氧化金属制成，并且满足0.007≤X≤0.05的关系，其中面积比X是(在垂直切割引线的剖面的情况下涂层的面积/芯的面积)。
附图简要介绍

图1(A)示出了在尖端弯曲的引线的切割端部的示意图；图1(B)示出了直线形状产生的引线的切割端部的示意图；图2示出了循环特性(looping characteristic)评估标准的示意图；以及图3是角θ的示意图。
参考编号介绍
1.引线2.炬实施本发明的最佳方式如上所述，通过限制芯和涂层的材料，并且通过规定每单位面积的拉伸，在熔化期间可以稳定地形成具有接近真正球形形状并且具有不偏离引线中心的中心的球，特别是这种球具有小的直径，由此实现高可靠键合。这里，具有小直径的球是指直径小于引线直径三倍的球。
另外，因为引线具有高拉伸，所以引线难以断裂，并且即使在引线没有熔化的第二键合点也可以获得高粘结强度(bonding strength)。此外，当焊头从第一键合点移动到第二键合点时，引线可以平滑地跟随移动。
作为在球形成期间键合线的芯和涂层的材料对球的形状的稳定性的影响的广泛研究的结果，我们发现，如果涂层材料的熔点高于芯材料的熔点，则在镀金铜线的情况下出现的在形成小直径球期间形成具有矛形球的缺陷在铜引线中没有出现，从而容易得到具有正确形状的球。如果涂层材料的熔点高于铜，则防止涂层材料扩散并混合到铜线中，由此推测球可以保持真正的球形。因此，本发明的特征在于使用熔点高于铜并且抗氧化性高于铜的金属作为涂层。熔点优选比铜高200℃，更有选300℃。具体地，最好从钯、铂和镍中选择至少一种金属。当然，也可以从钯、铂和镍中两种或更多种金属构成的合金作为涂层材料。铜的熔点为1064℃，钯的熔点为1554℃，铂的熔点为1772℃，镍的熔点为1455℃。虽然涂层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为涂层材料，如果合金的熔点高于铜。具体的，优选钯，因为其抗氧化性高于镍，加工性(processability)(容易拉丝)高于铂。虽然优选厚度随着引线直径的不同而不同，但是涂层的厚度最好为芯线直径的大约0.1到0.0001倍。
另一方面，在涂有这些金属的引线中，在球形成期间，球的中心容易偏离引线的轴线，从而容易引起形成具有被称作高尔夫球棒(golf-club)的形状的球。当形成大直径的球时，这个问题变得很明显。即使当形成小直径的球时，如果样品的数量非常大，也会在一定比例上出现高尔夫球棒形状的缺陷。但是，当形成大直径的球时，这种缺陷的比例趋于增加。作为在引线的各种物理特性和引线的形成特性之间的相关性分析结果，我们发现在引线的每单位截面积的拉伸与球的形状的缺陷之间存在相关性。
通常，在金键合线的情况下，是用具有0.005到0.015％/μm2的每单位截面积的拉伸的引线。在铜键合线的情况下，与金键合线相同，拉伸设置为相同的值；或者考虑到铜引线与金引线相比通过处理更容易拉伸，常常使用稍微提高到0.020％/μm2的拉伸的铜引线。但是，作为试验的结果，我们发现如果每单位截面积的拉伸为0.021％/μm2或更多，则引线具有出色的球形成特性。每单位截面积的拉伸优选为0.024％/μm2或更多，更有选0.030％/μm2或更多。
据推测良好的球形成特性是由于在引线具有高拉伸的情况下，如图1所示，在第二键合之后，当用夹子固定引线并拉住以便切割时，切割端部容易形成直线形(图1(B))，而在引线具有低拉伸的情况下，切割端部容易在尖端弯曲，由此导致在下一个球形成中的高尔夫球棒形状(图1(A))。
涂覆的铜线由于涂层的原因而不容易拉伸。
根据本发明的每单位截面积的拉伸是通过在10在10cm长的引线以20mm/min的拉伸速度拉伸并且断裂时的引线拉伸率(％)除以拉伸前的引线截面积(芯和涂层的总面积(μm2))而得到的。
电镀方法特别适合作为形成涂层的方法。通过多次拉伸具有厚电镀层的粗铜线得到所希望的引线直径和电镀厚度的方法是经济的和优选的。具体的，通过电镀和引线拉伸的组合得到的引线在厚度的一致性和表面光洁度上都是极好的，并且在引线与在焊头中的引线通孔的内表面之间的摩擦力较小，由此引线的输送特性出色。此外，因为在芯和涂层之间的接触力很大，所以可以解决从涂层脱落的碎片堵塞焊头通孔的问题。
通常，拉伸键合线得到最终的引线直径，然后经过退火(最终退火)调整拉伸。
在大约440℃的最终退火温度下，拉伸变得饱和，虽然它随着引线直径的不同而不同。即使退火温度进一步上升，拉伸的改善也只有这么多。相反，如果退火温度太高，拉伸趋于减小。当最终退火温度为最佳时，对于直径分别为20μm、25μm和28μm的引线，可以得到大约9％、13％和16％的最大拉伸，如后面介绍的例子所示。
作为广泛试验的结果，我们发现除最终退火之外，通过在涂层形成之后的引线拉伸步骤的中间进行退火(称作中间退火)，可以得到仅由最终退火难以得到的具有高拉伸的键合线。通过采用中间退火，可以得到具有0.030％/μm2或更高的高拉伸的键合线。
此外，我们还发现具有高拉伸的引线除了形成具有真正球形的球的特性之外还有一些优点。一个优点是线环的形状的可控性的改善。因为例如钯、铂和镍等金属很硬，所以用这种金属涂覆的铜引线的弯曲能力降低。结果，当焊头从第一键合点移动到第二键合点时，引线不能平滑的跟随移动，从而引起难以控制环路形状的问题。如果环路形状扭曲或变化，则增加了相邻引线之间有缺陷的接触，并且在最差的情况下，在形成环路期间不寻常的张应力加在第一键合点，导致键和部分的断开。通过使用每单位截面积具有0.021％/μm2或更高的高拉伸的引线，可以得到高弯曲能力的引线，并且可以改善引线的环路形状的控制能力。
另一个优点是增加第二键合的粘结强度。这里所说的粘结强度是在键合的芯片在后续步骤进行树脂封装时，引线被熔化的树脂流牵引流动时与引线的断裂强度相关的拉粘结强度。通过用钩子提高键合的引线并测量引线的断裂负载来评估该粘结强度。引线通常在圆形截面部分与被焊头压扁的平坦部分之间的边界处断裂。
在第二键合期间，当被焊头挤压时，容易拉伸的引线具有更大的键合宽度。因此，在测量粘结强度期间从引线施加的力被分散在该键合部分，难以出现应力集中，由此推测获得高粘结强度。此外，当拉引线并断裂时，如果引线本身容易拉伸，则难以出现应力集中，由此引线难以断裂。即使引线开裂，也难以出现应力集中引起的断裂，由此还推测获得高粘结强度。
如上所述，本发明的键合线包括具有主要由铜构成的芯并在芯上形成涂层的键合线，其中涂层由抗氧化性高于铜的金属制成，并且满足0.007≤X≤0.05的关系，其中面积比X是在垂直切割线的剖面的情况下(涂层的面积/芯的面积)。
作为试验的结果，如上所述，我们发现通过限制芯和涂层的面积比，可以形成真球形的球，并且可以降低由高尔夫球棒形引起的不合格率。面积比X特别优选在0.01≤X≤0.04的范围内。
通过改变涂层的厚度可以很容易地调节面积比X。关于涂层的厚度与拉伸之间的关系，具有涂层的引线的拉伸小于没有涂层的引线，并且拉伸随着涂层厚度的增加变小。
另外，涂层最好由具有与芯的熔化热(heat of fusion)相差25cal/g或更少的材料制成。通过使用与芯的熔化热相差25cal/g或更少的材料制成的涂层，在键合期间容易形成接近真正球形形状并且直径小于引线直径三倍的球。
作为对于产生具有矛形的球并且球的尺寸的可重复性变得不稳定问题的原因的广泛研究的结果，当通过使用镀金铜键合线形成小直径球时，我们得出了以下结论当通过放电熔化引线的尖端以形成球时，熔化热比铜低的金(铜49cal/g，金16cal/g)更先熔化，由此，剩下具有更高熔化热的铜作为芯。在形成小球的情况下，由放电提供的热能也小，铜合金之间熔化热的差别的影响变得更加显著，由此推断难以形成具有真正球形的球。
作为与芯的熔化热相差25cal/g或更少的材料，上述钯、铂和镍作为例子。钯的熔化热为36cal/g，铂的熔化热为27cal/g，镍的熔化热为70cal/g。更优选熔化热相差20cal/g或更少，因为要形成的球形具有更小的变化。
在芯中所含的除铜以外其它元素的总量的重量比优选0.001％或更大至1％或更小。作为对于得到“高拉伸”特性而进行的反复试验的结果，我们发现特性明显受杂质的影响。通常，使用杂质重量比为0.001％或更少的金引线。常常使用具有相似纯度的铜引线。但是，在本发明的涂覆引线中，为了获得“高拉伸”特性，希望芯中含有重量比大于0.001％的除铜之外的其它元素。优选杂质数量的重量比大于0.01％。
作为在芯中包含的杂质，铍、锡、锌、锆、银、铬、铁、氧、硫和氢作为例子。通过以上述指定的值或更大的值设定杂质的含量，能够得到在杂质含量小时难以获得的高拉伸特性。此外，即使在没有特别针对高拉伸特性的情况下，与杂质数量较少的情况相比也可以显著减少在处理期间等的引线断裂。但是，如果除铜以外其它元素的数量过多，则电特性将下降，例如，电阻增加，并且在形成球时球具有火口(crater)表面。由此，除铜以外其它元素的数量最好为重量比1％或更少。
此外，通过在芯中含有从锑、磷、锂、锡、铅、镉和铋中选择的重量比为10到1000ppm至少一种元素，在芯和涂层之间熔化热的差可以变得更小。每种金属的熔化热如下锑39cal/g，锡14cal/g，铅5.5cal/g，镉14cal/g以及铋13cal/g。
本发明的引线的直径没有特殊的限制。在针对小直径球的情况下，引线的直径最好为15到40μm。
本发明的球键合方法的特征在于使用本发明的上述键合线。根据本发明的球键合方法，在球键合期间，形成直径小于引线直径三倍的小直径球。
通过使用本发明的上述键合线，可以进行键合，同时形成接近真正球形的小直径球。因此，可以以更高的粘结强度在更小的键合面积下进行键合，并且可以减小相邻引线之间的距离，由此形成高密度集成电路。为了满足在最近几年对于半导体器件的密度增加的需要，常常要求球的直径为60μm或更小。
在特征在于使用本发明的上述键合线的本发明的球键合方法中，对于在球形成期间使用的保护气体没有特殊限制，可以使用，例如，不含有氢的氮气以及氮和氢的混合气体。当使用不含氢的氮气时，最好氮的纯度为99.9％或更高。
因为本发明的上述键合线在表面用抗氧化金属，例如，贵金属，涂覆，所以与铜键合线相比，很少出现由于氧化引起的缺陷。因此，即使在使用低纯度氮气时也可以得到良好的球状态。换句话说，如果氮的纯度为99.9％或更高，则可以得到具有出色的真正球形形成特性并且表面没有火口的良好的球。虽然希望氮气具有更高的纯度，但是保证具有99.9995％或更高纯度的氮气非常昂贵，因此从成本的角度考虑是不理想的。
作为在球形成期间提供惰性气体，例如氮气，的方法，可以采用各种方法。例如，可以提出从一个或多个气管向引线的尖端喷出气体的方法，以及用壁围绕引线尖端的周围并在壁的内部提供惰性气体以将气体储存在其中的方法。在惰性气体从一个气管喷射到引线尖端的最简单的供气方法的情况下，用气体流速除以气管的开口面积得到的值最好为0.01到2.5升/min·mm2。如果该值小于0.01升/min·mm2，则难以获得足够的气体保护特性。另一方面，如果该值大于2.5升/min·mm2，则气体喷射的冷却能力过度，从而引起难以形成小球甚至形不成球的缺陷。
在特征在于使用本发明的上述键合线的本发明的球键合方法中，最好在连接引线的尖端和炬的放电点的直线与引线的延长线之间的角θ满足0＜θ≤45度。
作为对球形成因素(方法和条件)与不合格率(fraction defective)之间的相关性研究的结果，我们发现在某些因素与不合格率之间存在相关性。其中之一是在球形成期间连接引线的尖端和炬的放电点的直线与引线的延长线之间的角度。该角度θ最好为0＜θ≤45度。该角更优选为20度或更小，因为可以增加良好球形出现的可能性。
通常已知可移动的炬和固定炬作为球键合方法的放电电极。可移动的炬只在通过放电形成球的过程中移动到位于引线尖端的正下方。在球形成之后，炬从引线尖端的正下方离开。但是，因为可移动的炬需要移动时间，所以可移动的炬存在需要花费时间形成球的缺陷，并且由于其复杂的结构，容易引起故障的缺陷，由此球的形成变得不稳定。另一方面，在固定炬的情况下，炬固定在稍稍偏离引线尖端的正下方的位置，以防止在球形成之后当毛细管低于健合点时，毛细管与炬碰撞。在本发明中，当使用固定炬并且如上所述限制角度θ时，可以在短时间内完成球的形成，并且可以形成具有真正球形的良好球。
下面介绍本发明的实施例。
原型例1<引线的产生>
通过在直径为200μm的铜键合线上电镀形成各种涂层，每个引线上一层，然后拉伸引线以得到所需的直径。作为最后的步骤，引线以30m/min的引线速度通过50cm长的加热炉，由此引线经过退火以调节拉伸。在表1和2中示出了加热炉的温度。以20mm/min的拉伸速度拉伸每个10cm长的引线，直到引线断裂，并且其拉伸评估如下100×(断裂后标记之间的距离-拉伸前标记之间的距离)/拉伸前标记之间的距离。每单位截面积的拉伸是通过用上述公式得到的拉伸除以拉伸前引线的截面积(芯和涂层的总面积“μm2”)得到的值。
<球形成特性的检验>
通过使用键合机(bonder)(由KAIJO Corporation生产的Model FB137)，形成具有所需直径的100个球，并检验形状的不合格率。具有真正球形的球判断为“正常的(proper)”。在Pd电镀引线和Ni电镀引线的情况下，具有高尔夫球棒形状的球判为“不正常的(improper)”。在Au电镀引线的情况下，具有矛形状的球(球中心偏离引线的延长线)判为“不正常的”。作为球形成条件，引线尖端与放电棒(炬)之间的距离设置为400μm，纯度为99.999％的氮气以1升/min的流速喷射到引线的尖端，以降低尖端周围氧的浓度。在这些条件下形成球。
为了评估球的形成特性，用直径20μm的引线形成直径60μm的球，用直径25μm的引线形成直径70μm的球，用直径28μm的引线形成直径80μm的球，并且当引线的不合格率为9/100或更少时，引线判为“正常的”。
<粘结强度的检验>
在200℃的基片温度下，通过使用下表面直径为130μm的焊头，对在IC电极上的铝焊盘进行第一键合，并且对引线框(镀Ag的)进行第二键合，用引线以3mm的距离连接第一键合点和第二键合点，并形成环路。环路的形状为“NORMAL”，环路的高度为“300μm”。对每个引线的40个环路测量第二键合的粘结强度，并计算平均粘结强度。为了测量粘结强度，在靠近第二键合点的位置钩住引线，并且以0.5mm/sec的速度拉伸，并且测量断裂时的力(g)。该力(g)用作粘合强度。
<环路特性的检验>
在200℃的基片温度下，通过使用下表面直径为130μm的焊头，用引线连接第一键合与第二键合之间相距2mm的IC电极上的铝焊盘和引线框(镀Ag的)。环路的形状为“HIGH”，环路的高度为“200μm”。如图2所示，当从上面看环路时，测量从第一键合点和第二键合点之间的连线的中点到环路的偏离(距离)。该偏离用作评估环路形状稳定性的指标。采用30个环路的平均值作为评估值。
实施例1到3和15以及比较例1到3通过使用含有总重量为0.05％的铜之外的其它杂质的铜键合线，产生直径*20μm的引线，Pd电镀厚度0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表1和2所示拉伸的引线。在实施例15中，进行中间退火。通过使用这些引线，评估直径60μm的球的球形成特性和粘结强度。在表3和4中列出了评估的结果。
(*具有芯和涂层的引线的外径。)
实施例4到6和16以及比较例4到6通过使用除铜之外含有总重量为0.05％的其它杂质的铜键合线，产生直径25μm的引线，Pd电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表1和2所示拉伸的引线。在实施例16中，进行中间退火。通过使用这些引线，评估直径70μm的球的球形成特性和粘结强度。此外，还评估环路特性。在表3和4中列出了评估的结果。
实施例7到8以及比较例7到9通过使用除铜之外含有总重量比为0.005％的其它杂质的铜键合线，产生直径25μm的引线，Pd电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表1和2所示拉伸的引线。通过使用这些引线，评估直径70μm的球的球形成特性和粘结强度。在表3和4中列出了评估的结果。
比较例10到11通过使用，含有总重量比为0.0005％的其它杂质的铜键合线，产生直径25μm的引线，Pd电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表2所示拉伸的引线。通过使用这些引线，评估直径70μm的球的球形成特性和粘结强度。在表4中列出了评估的结果。
在拉伸大于比较例10和11的引线中，在拉伸步骤期间产生引线断裂等问题。因此，难以产生稳定的长卷绕(long-wound)产品。
实施例9到11和17以及比较例12到14通过使用除铜之外含有总重量比为0.05％的其它杂质的铜键合线，产生直径28μm的引线，Pd电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表1和2所示拉伸的引线。通过使用这些引线，评估直径80μm的球的球形成特性和粘结强度。在实施例17中，进行中间退火。在表3和4中列出了评估的结果。
比较例15到16通过使用除铜之外含有总重量比为0.05％的其它杂质的铜键合线，产生直径25μm的引线，Au电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表2所示拉伸的引线。通过使用这些引线，评估直径70μm的球的球形成特性和粘结强度。在表4中列出了评估的结果。
实施例12到14以及比较例17到19通过使用除铜之外含有总重量比为0.05％的其它杂质的铜键合线，产生直径25μm的引线，Ni电镀厚度为0.1μm。在生产期间，通过改变处理条件和退火条件，产生具有表1和2所示拉伸的引线。通过使用这些引线，评估直径70μm的球的球形成特性和粘结强度。在表3和4中列出了评估的结果。
表1

表2

表3

表4

*矛形通过上述实施例与比较例的比较，清楚地发现实施例在球形成特性、粘结强度以及环路特性的所有方面都较好。具体的，经过中间退火的实施例15到17可以得到每单位截面积0.030％/μm2或更多的高拉伸，并且在这些实施例中球形成特性的不合格率为零。
原型例2纯度为99.995％并且直径为200μm的铜键合线经过电镀，从而在引线上涂覆厚度为0.81μm的钯、金或镍涂层。拉伸引线产生电镀钯、金或镍的直径25μm并且镀层厚度为0.1μm的铜键合线。
通过使用键合机(由KAIJO Corporation生产的Model FB 137)，用这些键合线形成具有各种直径的球，并检验有缺陷的球的数量以及它们主要不正常的形状。在表5中列出结果。
球的直径由在相同条件下形成的真正球形的直径确定。在引线尖端与放电棒之间的距离设置为400μm，纯度为99.999％的氮气以1升/min的流速喷射到引线的尖端，以降低尖端周围氧的浓度的条件下形成球。
在镀金铜键合线的情况下，当球的直径小于引线直径的三倍时，常常出现矛形缺陷。另一方面，在镀钯或镍铜键合线的情况下，即使当球的直径小于引线直径的三倍时，也可以稳定地形成真正球形的球，并且即使在高密度引线的情况下，也可以得到正确的键合。
表5

在表中的每个数字表示在50个中缺陷的数量。
原型例3除铜之外含有总重量比为0.05％的其它杂质的直径200μm的铜键合线经过电镀，从而在引线上涂覆所希望厚度的钯层。拉伸引线，然后经过最终退火(450℃)产生在表6-8所示的键合线。
通过使用键合机(由KAIJO Corporation生产的Model FB137)，用这些键合线形成100个直径70μm的球，同时纯度为99.999％的氮气以0.5升/min/mm2(通过用气体流速除以气管的开口面积得到该值)的流速从一侧喷出，并且检验球变形为高尔夫球棒形状的几率。具有9/100或更少不合格率的引线判定为“正常的”，而具有10/100或更高不合格率的引线判定为“不正常的”。
通过下面的公式得到面积比XX＝(镀层面积/芯面积)＝(a2-(a-b)2)/(a-b)2其中a是电镀线的半径，b是镀层的厚度。
在表6到8中列出了检验结果。从表中可以清楚地看出，当面积比X在0.007≤X≤0.05的范围内时，由高尔夫球棒形引起的不合格率较低。
表6

表7

表8

原型例4纯度为99.95％并且直径为200μm的铜键合线经过电镀，从而在引线上涂覆厚度为0.81μm的钯涂层。拉伸引线，并经过最终退火(425℃)。结果，产生镀钯的直径25μm、镀层厚度为0.1μm并且每单位截面积的拉伸为0.024％/μm2的铜键合线。
通过使用键合机(由KAIJO Corporation生产的Model FB137)，用这些键合线形成100个直径70μm的球，同时氮气以0.5升/min/mm2(通过用气体流速除以气管的开口面积得到该值)的流速从一侧喷出，并且检验氮气的纯度与表面上的火口出现与否之间的相关性。用扫描电子显微镜(SEM)检查表面上的火口。在表9中列出了结果。从表中可以清楚地看出，当氮气的纯度为99.9％或更高时，可以形成表面上没有火口的良好的球。
表9

原型例5纯度为99.95％并且直径为200μm的铜键合线经过电镀，从而在引线上涂覆厚度为0.81μm的钯涂层。拉伸引线，并经过最终退火(425℃)，产生镀钯的芯直径25μm、镀层厚度为0.1μm并且每单位截面积的拉伸为0.024％/μm2的铜键合线。
通过使用能够改变引线的尖端以及放电点的位置(引线的尖端与放电点的位置之间的距离设置为常数)的原型键合机，用这些线以角度θ的各种值形成50个直径60μm的球，并且检验球变形为高尔夫球棒形状的几率。如图3所示，引线1尖端向下垂直放置，角度θ由在连接引线的尖端和炬2的放电点的直线与引线的延长线之间形成的角表示。进行球的形成，同时纯度为99.999％的氮气以0.5升/min/mm2(通过用气体流速除以气管的开口面积得到该值)的流速从一侧喷出。球变形为高尔夫球棒形状的几率为14/50或更少，并且固定炬具有对应性的球形成判定为“正常的”。在表10中列出了结果，如表10所示，发现当角度θ为45度或更小时，可以降低球变形为高尔夫球棒形状的几率。
表10

工业适用性如上所述，在主要含有铜的芯上形成由熔点高于铜的抗氧化金属制成的涂层，并且通过设置引线每单位截面积的拉伸为0.021％/μm2或更多，本发明的键合线可以获得出色的真正球形的形成特性、键合特性以及环路特性。当X＝(涂层面积/芯的面积)在0.007≤X≤0.05的范围内时，可以同样形成具有出色的真正球形的形成特性的球。
此外，根据本发明的球键合方法可以稳定地形成小直径球。结果，可以在更小的键合面积中进行键合，并且通过缩小相邻引线之间的距离可以进行高密度引线的键合，由此可以形成高密度集成电路。
权利要求
1.一种键合线，具有主要由铜构成的芯以及在芯上形成的涂层，其中所述涂层由熔点高于铜的抗氧化金属制成，并且该键合线每单位截面积的拉伸为0.021％/μm2或更多。
2.根据权利要求1的键合线，其中使用熔点比铜高200℃的金属作为涂层。
3.一种键合线，具有主要由铜构成的芯以及在芯上形成的涂层，其中所述涂层由抗氧化性高于铜的金属制成，并且满足0.007≤X≤0.05的关系，其中面积比X是(在垂直切割引线的剖面的情况下，涂层的面积/芯的面积)。
4.根据权利要求3的键合线，其中X在0.01≤X≤0.04的范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项的键合线，其中从钯、铂和镍中选择的至少一种金属用作涂层。
6.根据权利要求1-5中任一项的键合线，其中在芯中所含的除铜以外的其它元素的总量为0.001重量％或更多至1％重量或更小。
7.根据权利要求1-6中任一项的键合线，其中涂层由与芯的熔化热相差25cal/g或更少的材料制成。
8.根据权利要求1-7中任一项的键合线，其中在芯中含有从锑、磷、锂、锡、铅、镉和铋中选择的重量为10到1000ppm的至少一种元素。
9.根据权利要求1-8中任一项的键合线，其中用电镀方法形成涂层。
10.一种球键合方法，其特征在于使用根据权利要求1-9中任一项的键合线。
11.根据权利要求10的球键合方法，其中在球键合期间，形成直径小于引线直径三倍的小直径球。
12.根据权利要求10或11的球键合方法，其中在球键合期间，使用纯度为99.9％或更高的氮气作为保护气体。
13.根据权利要求10-12中任一项的球键合方法，其中在连接引线的尖端和炬的放电点的直线与引线的延长线之间的角θ满足0＜θ≤45度。
全文摘要
一种具有主要由铜构成的芯并在芯上形成涂层的键合线，其中涂层由熔点高于铜的抗氧化金属制成，并且该键合线每单位截面积的拉伸为0.021％/μm
文档编号H01L23/49GK1575512SQ0282116
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月17日 优先权日2001年10月23日
发明者改森信吾, 野中毅, 深萱正人, 井冈正则 申请人:住友电工运泰克株式会社