专利名称：线芯-护套带状线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接合线、包含所述接合线的子组合件和制造所述接合线的方法。接合线在微电子中常常用于半导体芯片到支撑衬底(例如布线载体)的电接触中。习惯使用横截面不同的圆形细线或粗线。细线的直径在17μπι到ΙΟΟμπι范围内，而粗线的特征则是直径为100 μ m到500 μ m。 近年来，已经确定了根据特定应用来使用可由不同材料的多个薄片或层构成的圆形接合线可能是有利的。因此，例如由DE4232745可知，出于此目的，通过使用具有铝制护套且由金或铜制成的接合线可以提高超声波接合的可靠性。EP1279491出于成本原因提出，通过提供由铜、银或钯制成的镀金接合线代替纯金线来减少接合线中的金含量。根据JP62-97360，通过用由抗氧化性材料制成的层涂布铜制接合线来保护它不被氧化。尽管如上所述具有圆形横截面的接合线适用于许多应用，但所谓的带状线的使用也已确定多年。这些带状线的特征在于其不具有圆形横截面，而是具有椭圆形或矩形横截面，且主要用于功率元件中的接合。带状线的几何形状更大而且更扁平，这具有实际优势，即由于实现接触仅需要接合少量带状线而不是许多更细的接合线，所以加工更快。此外，因为基底处几乎不存在任何加宽，所以较佳用带状线覆盖将要通过接合线接触的表面(接合衬垫)。此外，带状线的扁平几何形状允许产生下端环(lower loops)。另外，类似的环状几何形状处的踵状物(heel)损坏，即接合材料的敏感弧(sensitive arc)处的损坏,显然不如类似粗线处明显。这允许通过短键桥接异常高的阶梯(step)，从而实现在外壳接合中的密集封装几何形状。为了将具有由不同材料制成的多个层的接合线的上述相关使用优点与带状线的相关使用优点相结合，已经提出了制造具有夹层结构的带状线。举例来说，DE102006060899A1公开了一种接合线，其在一侧上包含可焊涂层且在相对侧上包含可接合涂层。DE102006025870A1也描述了一种接合线，其具有夹层结构且包含至少三个层，即两个外层和至少一个介入层(intervening layer)。所述接合线可通过热轧来制造。这确保接合线的不同层排他性地排列成彼此平行，且因此可见于所述线的侧视图中。然而，测试已显示，从现有技术可知的具有夹层结构的接合线除迄今已经实现的积极性质之外，还存在各种缺点。已经注意到，具有夹层结构的接合线的接合常常会对将要连接的芯片和/或载体的表面(接合表面)造成损坏。此外，很明显的是，当使用含有具有夹层结构的带状线的子组合件时，短路风险显著较高。因此，本发明是基于以下目的将与使用具有由不同材料制成的多个层的接合线相关联的优点与与使用带状线相关联的优点相结合，同时避免因使用具有如从现有技术可知的夹层结构的接合线所产生的缺点。根据本发明，所述目的通过包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套的接合线来满足，其中第一材料包含第一金属且第二材料包含第二金属，且第一金属不同于第二金属，其中接合线具有不大于O. 8的纵横比。本发明的范围还包括一种子组合件，其包含借助于这种类型的接合线连接的至少一个衬底和一个元件。所述接合线可通过一种方法来制造，其中(i)提供包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套的圆线，其中第一材料包含第一金属且第二材料包含第二金属，并且第一金属不同于第二金属；和(ii)重整所述圆线。本发明是基于如下发现在接合具有夹层结构的带状线时观测到发生对接合表面的损坏以及在使用具有所述带状线的子组合件时短路风险的增加与带状线的夹层结构有关。为了产生所述夹层结构，用第二材料涂布由第一材料制成的带材。然后通常平轧所述带材以制造具有夹层结构的对应箔片。为了最终获得接合线，使用适合的切割工具从箔片切割出接合线。这沿着接合线的纵向侧，即垂直于其横截面产生切割毛刺。所述毛刺不仅在接合过程期间对接合表面造成损坏，而且造成短路，在使用含有具有夹层结构的所述带状线的子组合件时常观测到发生所述短路。因此，根据现有技术的具有夹层结构的带状线的切割毛刺的产生是因为制造涉及首先产生具有夹层结构的复合物，然后需要对其切割，这导致了切割毛刺的形成。相比之下，完全不能通过这个程序制造包含由第一材料制成的线芯和包裹线芯且由第二材料制成的线护套的本发明接合线。相反地，这些接合线是通过首先提供适合的线芯-护套圆线，然后在不使用切割工具的情况下重整所述线来产生。因此，本发明提供一种呈带状线形式的接合线，其包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套，其中第一材料包含第一金属且第二材料包含第二金属，且第一金属不同于第二金属。由于制造细节，所述接合线不含可能在接合期间对接合表面造成损坏或可能在操作具有所述接合线的子组合件时造成短路的毛刺。此外，所述接合线在线芯的第一材料与包裹线芯的护套的第二材料之间不包含敞开的接触部位，所述敞开的接触部位在具有夹层结构的接合线中是必然存在的。不同于根据现有技术的具有夹层结构的带状线，这不会在线制造和使用期间产生用于腐蚀线的攻击部位。此外，本发明排除了线芯材料的氧化，而根据现有技术的具有夹层结构的带状线的夹层结构的个别层暴露在环境空气中，且因而可被氧化。因此，本发明的接合线包含由第一材料制成的线芯和包裹线芯且由第二材料制成的线护套。线芯应理解为意指由线护套充分包裹的结构。线护套应理解为充分包裹线芯的层。线护套的厚度决不受到限制，但优选是至少IOnm,更优选是至少30nm,甚至更优选是至 少250nm,尤其优选是至少500nm,甚至更尤其优选是至少I μ m且尤其是至少10 μ m。根据本发明范围，如果线芯材料不是位于沿接合线纵向侧的接合线表面处，而是通过线护套覆盖，那么线护套充分包裹线芯。然而，根据本发明，线芯材料和线护套材料均位于接合线横向侧的表面处可为优选的。根据本发明，接合线可由线芯和线护套构成，或除线芯和线护套以外还可包含至少一个其它层。因此，本发明的范围也包括包含线芯、线护套和至少一个包裹线芯的其它层的接合线。所述至少一个其它层可位于线芯与线护套之间，或可充分包裹线芯与线护套两者。因此，根据本发明，线芯没必要一定直接接触线护套。线护套包裹线芯便已足够，其中线芯是否被其它层包裹以及所述层相对于线芯和线护套位于哪里都不重要。因此，也可设想用多个层包裹线芯且因而可设想多个层作为线护套。根据尤其优选的实施例，线芯是具有均匀组成的结构。所述结构优选位于接合线内部。因此，与可能存在于接合线中的所有其它结构相比，其优选具有距线表面更大的距离。此外，所述结构优选不包裹任何其它结构。 根据另一尤其优选的实施例，线护套是具有均匀组成的层。所述层优选位于接合线的外部。根据本发明，接合线的线芯由第一材料组成且接合线的线护套由第二材料组成。在本文中，线芯的第一材料不同于线护套的第二材料。优选选择线芯的第一材料和线护套的第二材料以便获得接合线的某些所需特性。举例来说，为了提高超声波接合期间的可靠性，可使用金或铜作为线芯材料且可使用铝作为线护套材料。另一方面，为了降低接合线的制造成本，可使用铜作为线芯材料且可使用金作为线护套材料。为了获得氧化保护的接合线，例如可提供由氧化敏感材料(诸如铜)制成的线芯和由氧化不敏感材料(诸如钯)制成的线护套。因此，尤其优选的接合线包含由铜制成的线芯和由铝制成的线护套、由金制成的线芯和由铝制成的线护套、由铜制成的线芯和由金制成的线护套、或由铜制成的线芯和由钯制成的线护套。另外，为了制造具有各别应用中所需的特性的接合线，实施线芯和线护套材料的大量其它组合是可行的。因此，线芯材料的组成不受限制。根据优选实施例，所述材料是纯金属、化合物、金属间相或合金。根据尤其优选的实施例，所述线芯材料是铜、铜化合物、铜合金或含铜的金属间相。根据以上所提供的解释，线护套材料也不受限制。根据优选实施例，所述材料也是纯金属、化合物、金属间相或合金。根据尤其优选的实施例，线芯材料是铝、铝化合物(例如氧化铝)、铝合金或含铝的金属间相。根据本发明，线芯的第一材料包含第一金属且线护套的第二材料包含第二金属，其中第一金属不同于第二金属。线芯的第一材料因此含有至少一种第一金属。所述第一金属可以是第一材料或可以是含有所述第一金属的化合物、合金或金属间相的一部分。根据优选实施例，线芯的第一材料含有至少25重量％且更优选至少50重量％的第一金属。线护套的第二材料含有至少一种第二金属。所述第二金属可以是第二材料或可以是含有所述第二金属的化合物、合金或金属间相的一部分。根据优选实施例，线护套的第二材料含有至少25重量％且更优选至少50重量％的第二金属。因此，本发明范围不包含具有由金属制成的线芯和由所述金属的氧化物制成的线护套的接合线，因为线芯的第一材料和线护套的第二材料并未包含不同金属。相反地，本发明范围包含一种接合线，其具有由第一金属制成的线芯、由不同于所述第一金属的第二金属制成的层、和包裹所述层且由所述第二金属的氧化物制成的层。由于扩散现象，线芯与线护套之间的明显边界可能在本发明接合线的制造和/或储存期间消失，本发明接合线包含由第一材料制成的线芯和包裹线芯且由第二材料制成的线护套。明确地说，线芯材料可能扩散到线护套材料中且线护套材料可能扩散到线芯材料中。这可能导致例如形成位于线芯与线护套之间的合金。所述合金通常由存在于线芯材料和线护套材料中的元素构成，且通常包含一梯度，其中线芯材料的元素含量从线内部朝向线表面降低，且线护套材料的元素含量从线表面朝向线内部降低。然而，本发明范围涵盖接合线不排他性地由至少两种材料的单一均匀合金或金属间相组成，以及接合线含有形成线芯和线护套且含有不同金属的至少两个相。根据优选实施例，第一金属占线芯第一材料的分数是至少25重量％且更优选至少50重量％，且第二金属占线护套第二材料的分数是至少25重量％且更优选至少50重量％。因此，本发明范围包括一种线，其具有(i)由铜制成的线芯，(ii)由铝制成的层，(iii)由含有铝和铜的金属间相制成的层，其位于线芯与铝制层之间，和(iv)由氧化铝制成的包裹铝制层的层。根据本发明，接合线的纵横比不大于O. 8，优选不大于O. 6，甚至更优选不大于O. 5，尤其优选不大于O. 4，甚至更尤其优选不大于O. 3，且尤其不大于O. 2。纵横比优选在1:2到1:500范围内，甚至更优选在1:3到1:200范围内，尤其优选在1:4到1:100范围内，且甚至更尤其优选在1:5到1:50范围内。在本文中，纵横比应理解为意指距离(a)与距离(b)的反比，距离(a)延伸通过接合线的横截面的最宽位置，且距离(b)沿相对于距离(a)的直线延伸通过接合线的所述横截面的最宽位置。如果接合线例如具有椭圆形横截面，那么纵横比是椭圆形横截面的短轴与长轴的t匕。如果接合线具有矩形横截面，那么纵横比是矩形横截面的宽度与长度的比。举例来说，具有尺寸为2，000 μ mX200 μ m的矩形横截面的接合线的纵横比是O.1。根据本发明的 优选实施例，相对于接合线的横截面面积，线护套的材料所占的分数在所述面积的5%到50%范围内，更优选在所述面积的10%到40%范围内，且甚至更优选在所述面积的15%到35%范围内。根据本发明的另一改进方案，线护套的厚度相对于接合线的厚度在1:5到1:20范围内，且更优选在1:8到1:15范围内。根据另一尤其优选的实施例，本发明的接合线具有矩形横截面。在这种情况下，矩形横截面的宽度优选在10 μ m到500 μ m范围内，更优选在50 μ m到400 μ m范围内，且尤其优选在ΙΟΟμπι到300 μ m范围内。在本文中，矩形横截面的长度优选在200 μ m到5，000 μ m范围内，更优选在400 μ m到4，000 μ m范围内，且尤其优选在1，000 μ m到3，000 μ m范围内。上述接合线优选用于接合。在本文中，接合应理解为意指借助于接合线将元件连接到衬底，优选通过将接合线焊接到对应接触表面上。根据优选实施例，所述元件选自由无源元件、离散半导体和集成电路组成的群组。优选的无源元件包括电阻器、电容器和电感器。优选的离散半导体包括二极管和晶体管。此夕卜，诸如石英、传感器、光学元件和微系统(微电机系统，MEMS)等特殊形式也可用作元件。衬底优选是布线载体。可将其构造成单层或多层的。优选地，衬底选自由层压衬底、薄膜衬底和陶瓷衬底组成的群组。
根据优选实施例，借助于超声波进行接合,例如通过楔-楔接合(wedge-wedgebonding)或热超声球-模接合(thermosonic bal 1-wedge bonding)。因此，本发明范围还包括一种子组合件，其包含借助于至少一种上述类型的接合线连接的至少一个衬底和一个元件。在本文中，接合线优选接合到位于衬底上和元件上的连接表面上。根据尤其优选的实施例，将接合线焊接到衬底上和元件上的连接表面上。在本文中，未接合的接合线、尤其未焊接的接合线优选位于衬底与元件的连接表面之间，形成环。本发明接合线是通过以下步骤制造的首先提供圆线，其包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套，其中第一材料包含第一金属且第二材料包含第二金属，且第一金属不同于第二金属；然后将所述圆线重整成纵横比不大于O. 8的接合线。所述圆线的制造可遵循已知程序。具有线芯-护套结构的圆线优选通过挤压成型来制造。另一方面，同样可行的是，提供由第一材料制成的圆线且在其圆周上用第二材料涂布。优选地，在这种情况下涂布是通过第二材料的气相沉积、溅镀或电流沉积而实现的。关于第一材料和第二材料的性质，请参考以上说明。在本发明的范围中，圆线应理解为具有基本上圆形横截面的线。圆线的纵横比优选在O. 85到1. 2范围内且尤其在O. 9到1.1范围内。圆线的直径优选是100 μ m到2，000 μ m且尤其优选是200 μ m到1，000 μ m。根据本发明对圆线进行重整。
重整优选理解为意指一种过程，其中在所加工工件的质量无伴随显著变化的情况下获得所加工工件的形状变化。举例来说，切割过程不是重整过程，因为切割过程导致所加工工件的质量减少了切断部分的质量。因此，重整优选不涉及可能引起沿线的纵向侧形成毛刺的任何工具，尤其不涉及切割工具。优选地，圆线在提供之后不切割。明确地说，在重整期间不切割圆线。根据本发明的实施例，重整是借助于平轧来实现的。在本文中适合地调适轧制条件以便在轧制后接合线的纵横比不大于O. 8。根据本发明的另一实施例，经由通过拉伸模拉伸和/或挤压圆线来进行重整。为此目的，首先提供拉伸模。所述拉伸模具有多个开口，所述开口的形状和横截面与将要提供给接合线的形状和横截面基本上对应。因此，拉伸模含有纵横比不大于0.8的开口。然而，拉伸模开口的精确几何形状是所用接合线材料的函数。因为在拉伸之后，由于所用接合线材料的弹性，接合线的横截面可以略微增加，所以在这种情况下，拉伸模开口的横截面需要小于接合线所需的横截面。最后，通过所提供的拉伸模的开口拉伸线，且所述线从而呈现拉伸模开口的形状。如果需要，那么可以在重整之后清洗所获得的线。优选地，使用惯用清洗剂和惯用程序实现清洗。优选使由此获得的接合线在清洗之后退火。退火允许接合线根据其精确性质而具有所需特性。随后，可封装接合线，例如以便保护其免于氧化和损坏。因为上述制造方法已经使用了包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套的线作为起始材料，且简单重整所述线，所以不再需要切割所述线。因此，本发明的接合线不含有毛刺。 因此，可防止所述接合线的接合期间接合表面的损坏以及具有所述接合线的子组合件的操作期间的短路。
权利要求
1.一种接合线，其包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套，其中所述第一材料包含第一金属且所述第二材料包含第二金属，且所述第一金属不同于所述第二金属，且其中所述接合线具有不大于O. 8的纵横比。
2.如权利要求1所述的接合线，其特征在于所述线芯材料由选自由铜、铜合金和含铜的金属间相组成的群组的材料组成。
3.如权利要求1或2所述的接合线，其特征在于所述线芯材料由选自由铝、铝合金和含铝的金属间相组成的群组的材料组成。
4.如权利要求1到3中任一权利要求所述的接合线，其特征在于相对于所述接合线的横截面面积，所述线护套的材料占所述面积的5%到50%。
5.一种子组合件,其包含通过如权利要求1到4中任一权利要求所述的接合线来连接的至少一个衬底和一个组件。
6.—种制造如权利要求1到4中任一权利要求所述的接合线的方法，其中 (i)提供包含由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套的圆线，其中所述第一材料包含第一金属且所述第二材料包含第二金属，且所述第一金属不同于所述第二金属，和 (ii)重整所述圆线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过平轧所述圆线来重整所述圆线。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过拉伸所述圆线经过拉伸模来重整所述圆线。
全文摘要
本发明是基于提供一种带状线的目的，凭借所述带状线可以有效防止在接合过程期间对接合表面的损坏以及使用对应组合件时的短路。根据本发明，通过一种具有由第一材料制成的线芯和包裹所述线芯且由第二材料制成的线护套的接合线来实现这一目的，其中所述第一材料具有第一金属且所述第二材料具有第二金属，且所述第一金属与所述第二金属不同，且其中所述接合线具有不大于0.8的横截面比。
文档编号H01L23/49GK103038879SQ201180035829
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月18日 优先权日2010年7月22日
发明者欧根·米尔克, 于尔根·迪克, 彼得·普热诺希尔, 弗兰克-沃纳·武尔夫 申请人:贺利氏材料科技公司