键合丝（bonding wire）在电子和微电子应用中的使用是公知的现有技术状况。尽管键合丝一开始由金制成，但现今使用更便宜的材料，如铜。尽管铜丝提供非常好的电导率和热导率，但铜丝的键合具有其挑战性。
已经证实，球形键合到半导体器件，例如集成芯片的铝焊盘上的铜丝的球形键合结合体由于在铝焊盘表面和球形键合的铜丝表面之间的球形键合接触区内，或更简单地说，在接合处或在球形键合界面处的铜铝化合物（copper aluminide）界面层的不合意形成和生长而倾向于随时间经过变弱。
在本文中使用术语“铝焊盘”。其是指由铝或具有例如至少98.5 wt.-%（重量%）的铝含量的铝合金构成的焊盘，特别是半导体器件的焊盘。很常用于铝焊盘的铝合金的一个实例是与1重量%硅和0.5重量%铜形成合金（Al1Si0.5Cu）或与0.5重量%铜形成合金（Al0.5Cu）的铝。铝焊盘具有例如0.6至4微米的总厚度。术语“铝焊盘”也指具有外部铝顶层（例如0.5至1微米厚）的非铝或铝合金的金属的焊盘。
在本文中使用术语“铜铝化合物”。其是指Cu9Al4（68.3原子% Cu和31.7原子% Al）和CuAl2（34原子% Cu和66原子% Al）相和Cu0.01Al0.99（9.11原子% Cu和90.88原子% Al）、Cu0.78Al0.22（78.2原子% Cu和21.84原子% Al）、Cu0.84Al0.16（82.6原子% Cu和17.4原子% Al）、Cu0.85Al0.15（84.5原子% Cu和15.5原子% Al）和Cu0.96Al0.04（97.3原子% Cu和2.7原子% Al）亚稳相。原子%值来自在各自的铜-铝相处进行的SEM-EDX测量。
前面提到的铜铝化合物界面层的形成和生长是老化现象。明显地，发生固态反应，即来自球形键合或丝的铜和来自焊盘的铝的扩散。经过越长时间或球形键合结合体变得越旧，形成越多的铜铝化合物，如可根据该铜铝化合物层的不仅厚度还有面积方面的生长所观察到的。换言之，球形键合结合体处于运行中的时间越长，形成越多的铜铝化合物。还存在温度的影响，这意味着运行中的接点温度（junction temperature）越高，即运行过程中球形键合界面处的温度越高，铜铝化合物层的生长越快。球形键合结合体在运行中的接点温度据信在100至300℃或100至250℃的范围内。
可以通过在高功率光学显微镜（50至1200X放大）中观察的球形键合到铝焊盘上的铜丝的球形键合结合体的剖面样品的颜色对比成像确定或表征这样的界面铜铝化合物层的性质和厚度。选择在500至1000X范围内的放大率是便利的。当在这样的显微镜下观察这样的剖面球形键合结合体时，这样的铜铝化合物层呈现为80至100面积%的灰色区域和0至20面积%的黄色区域，基于这两个区域的总面积计。
可以如下文概述还更详细地进行界面铜铝化合物层的表征。
可以使用扫描电子显微镜 – 能量色散X-射线分析（SEM-EDX）确定界面铜铝化合物层中元素铜和铝的存在及其定量比率。这种方法是技术人员公知的并且不需要进一步说明。例如，可以从含有灰色和/或黄色铜铝化合物相的球形键合界面聚焦离子束(FIB)切割20 µm x 10 µm x 100 nm的样品。例如可以使用来自FEI的Helios Nanolab 450S Dual Beam FIB仪器（在2至30 kV的电压下，用23 pA至21 nA的射束电流）进行FIB剖面和SEM成像。
所述FIB切割样品可用于进一步的透射电子显微术（TEM）研究。例如，可以使用JEOL JEM2100 TEM在200 kV的加速电压下和用105 µA的发射电流进行FIB切片的透射成像和衍射图谱。可以用例如JEOL TEM观察铜铝化合物的纳米尺寸的晶粒和晶粒边界。此外，可以记录晶粒的衍射图谱。由衍射图谱可以使用Hanawalt搜索法使用来自无机晶体结构数据库（Inorganic Crystal Structure Database）(ICSD)和国际衍射数据中心（International Centre for Diffraction Data）(ICDD)参考文件的粉末衍射文件识别晶格类型和原子参数。基本上，该粉末衍射文件中报道的三个强峰必须匹配ICSD或ICDD记录的化合物晶体结构的报道的衍射面。例如，可以用配备有EDX检测器的FEI Titan 80-300 TEM在200 kV的加速电压和89 µA的发射电流下进行铜铝化合物相的组成分析。透射电子显微术（TEM）衍射图谱分析确认在灰色区域中主要是Cu9Al4、CuAl2和Cu0.01Al0.99和在黄色区域中主要是Cu0.78Al0.22、Cu0.84Al0.16、Cu0.85Al0.15和Cu0.96Al0.04。
可以在本发明的球形键合结合体的使用寿命内监测随时间经过的铜铝化合物层的形成。但是，存在加速老化试验方法，其能够通过对新形成的球形键合结合体施以在125至250℃的目标温度下总共例如500至2000小时或在一个实施方案中在250℃的目标温度下2000小时的连续或不连续热处理来模拟随时间经过的铜铝化合物层的形成。技术人员将这样的热老化试验称作所谓的高温储存试验或高温可靠性试验。这种高温储存试验相当好地与现实相关联，因为如已经说到，正常运行过程中的接点温度据信达到或位于100至300℃或100至250℃的范围内。可随后在界面铜铝化合物方面定性和定量分析如此人工热老化的球形键合结合体。
现在已经发现，通过用由0.05至3重量%钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成的铜合金丝替代上述球形键合结合体中的铜丝，可以显著减慢界面铜铝化合物层的上述不合意的形成和生长。钯优选作为合金化贵金属。
因此本发明涉及包括半导体器件的铝焊盘和球形键合到所述铝焊盘上的丝的球形键合结合体，其中所述丝具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯，所述铜合金由0.05至3重量%，优选1至2重量%，最优选1.2至1.3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成。钯优选作为合金化贵金属。
本发明还涉及制造本发明的球形键合结合体的方法。
在下文中，短语“由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜构成的铜合金”也简称为“铜合金”。
在本文中使用短语“作为余量补足100重量%的铜”。其应该是指铜是该铜合金中的主要组分。为避免误解，这不应被理解为排除没有明确提到并由于现行技术条件而可能设法进入铜合金中（例如由于在制造过程中的无意但不可避免的并入）的其它元素。换言之，这样的其它元素可能作为不可避免的杂质存在于该合金中，但仅以例如> 0至100重量ppm的极微小的总量。在任何情况下，此类不可避免的杂质不是有意添加或引入形成铜合金的组合物中。就此而言，短语“作为余量补足100重量%的铜”是指补足100重量%的铜合金所缺失的重量%比例由铜加上所述不可避免的杂质（如果后者存在）构成。
铜合金可通过金属合金领域的技术人员已知的常规方法制备，例如通过将铜和钯和/或铂以所需比率熔融在一起。在该情况下，可以使用常规的铜-钯-铂、铜-钯或铜-铂母合金。可以例如使用感应炉进行熔融过程并且在真空下或在惰性气体气氛下操作是有利的。所用材料可具有例如99.99重量%和更高的纯度级。通常在室温模具中铸造铜合金熔体，在所述模具中其冷却并固化。
本发明的球形键合结合体可通过包括下面的（subsequent）步骤的方法制造：
(1) 提供具有铝焊盘和丝的半导体器件，所述丝具有10至80微米的直径并包含由0.05至3重量%的钯和/或铂与作为余量补足100重量%的铜的合金构成的芯，和
(2) 将所述丝球形键合到所述铝焊盘上。
具有10至80微米的直径并包含由铜合金构成的芯的铜合金丝可通过包括下列步骤的方法制造：
(a) 提供所述铜合金的前体，
(b) 拉制所述前体直至达到10至80微米，优选15至50微米的丝的最终直径；
(c) 将经拉制的丝退火，和
(d) 将经退火的丝淬火。
在该方法的步骤(a)中，提供铜合金的前体。
通常，这样的前体是具有例如2至25毫米的直径和例如5至100米的长度的杆形式。这样的杆可以类似于或根据上文公开的用于制备铜合金的方法制造，即通过在适当的室温模具中铸造铜合金熔体、接着冷却和固化。
在该方法的步骤(b)中，在几个步骤中拉制该前体直至达到10至80微米，优选15至50微米的丝的最终直径。这样的拉丝法是本领域技术人员公知的。可以使用常规的碳化钨和金刚石拉丝模并可以使用常规的拉丝润滑剂辅助该拉制。
在该方法的步骤(c)中，将经拉制的丝例如在570至750℃的目标温度下退火（最终退火、线材退火（strand annealed））0.2至0.4秒。通常通过将该丝以给定速度拉过常规的退火炉（通常为给定长度并具有指定温度分布的圆管形式）来进行退火。在该情况下，可以指定并设置退火时间/目标温度参数。用90至96体积%惰性气体: 4至10体积%氢气混合物吹扫该退火炉。95体积%惰性气体: 5体积%氢气气氛是优选气氛。惰性气体可以是氮气和/或氩气；其通常是氮气。优选在位于43至125 min-1，更优选43至75 min-1，最优选50至63 min-1范围内的气体交换速率（= 气体流量 [升/分钟] : 炉内体积 [升]）下进行吹扫。
在该方法的步骤(d)中，将经退火的丝例如在水中淬火。在一个实施方案中，水可含有表面活性剂，例如0.01至1体积%的表面活性剂。在水中淬火是指立即或迅速地，即在0.2至0.4秒内，将经退火的丝从其在步骤(c)中受到的目标温度冷却到室温。
可以有利地使丝配备有外周单层金属涂层或不同金属的相邻层的多层涂层，其中一种或多种金属选自钯、铂、金和银。在这样的实施方案中，铜合金丝的芯具有表面，其中在该芯的表面上叠加2至500纳米薄周向单层金属涂层或不同金属的相邻层的多层涂层，其中所述金属或不同的金属选自钯、铂、金和银且其中所述单层或多层金属涂层的总质量为相对于该芯的总质量的0.09至2.5重量%。为了将该单层金属涂层或不同金属的相邻层的多层涂层叠加到该铜合金丝的芯上，有利的是一旦达到例如80至200微米的特定丝直径就中断拉丝工艺步骤(b)。然后可以例如通过电镀施加周向单层金属涂层或不同金属的相邻层的多层涂层。此后继续该拉丝工艺步骤(b)直至获得10至80微米的最终丝直径。
将铜合金丝球形键合到半导体器件的铝焊盘上。球形键合程序本身是本领域技术人员公知的并且不包括任何方法特殊性。可以使用普通球形键合设备。键合工艺参数可以是：例如22至30 g的键合力；例如78至94 mA的超声能；例如170至250℃的温度；例如6至10.5 µm/ms的接触速度。
与用≥ 99.99重量%纯铜丝制备的相同球形键合结合体相比，由此制备的本发明的球形键合结合体表现出极大降低的在铝焊盘表面和球形键合的铜合金丝表面之间的球形键合接触区内形成界面铜铝化合物层的趋势，即这样的铜铝化合物层的更慢生长。
利用上面提到的分析方法论已经发现，在铝焊盘表面和球形键合的具有20微米直径的≥ 99.99重量%纯铜丝的表面之间的球形键合接触区内的不合意的铜铝化合物界面层在250℃下热老化2000小时时快速生长到10至15微米的厚度。形成100%黄色相，其中TEM衍射图谱分析确认主要是Cu0.84Al0.16、Cu0.85Al0.15和Cu0.96Al0.04相。与之相比，用本发明的球形键合结合体进行的相同评估显露出仅2.5至4微米的薄铜铝化合物界面层，其在灰色区域中包含Cu9Al4、CuAl2和Cu0.01Al0.99并在黄色区域中包含Cu0.85Al0.15、Cu0.84Al0.16和Cu0.96Al0.04。在此在球形键合接触区中还可观察到Cu0.96Pd0.04（99.14原子% Cu和0.85原子% Pd）相。
下列非限制性实施例例示本发明。
实施例
将99.99重量%纯度的铜杆在真空感应炉中熔融并连续铸造成直径8毫米的杆。在另一些实施例中，将少量Cu-15wt.-%Pd母合金添加到熔体中以铸造Cu-Pd合金：Cu0.01Pd、Cu0.05Pd、Cu0.5Pd、Cu1.0Pd、Cu1.25Pd、Cu2.0Pd、Cu3.0Pd、Cu5.0Pd。
此外，将这些连续铸造杆在室温（25℃）下冷拉丝。使用碳化钨模拉制粗丝，并使用金刚石模进一步缩细。在四个步骤中以不同拉制速度进行拉制：以0.5 m/s从8 mm至4 mm和以1 m/s从4 mm至0.8 mm的粗丝拉制，以4 m/s从0.8 mm至0.16 mm的中间丝拉制，和以6 m/s从0.16 mm至0.02 mm的细丝拉制。通过使用水基润滑剂来辅助拉制。模缩小率（die reduction ratio）对于粗丝（直径> 200微米）为14%和对于细丝（直径< 200微米）为8%。
将合金化的Cu-Pd丝在600℃下在45微米的直径下中间退火。99.99重量%纯铜丝不经中间退火。
将该丝最后通过使其经过常规退火炉和使用常规设备（包括卷线器（reels）、线轴、滑轮）线材退火。退火时间为0.3秒。线材退火温度为600℃（纯铜）和700℃（Cu-Pd合金）。用合成气体（95体积% N2 : 5体积% H2）吹扫该炉。
在离开炉后立即，即在0.3秒内，将热丝在去离子水中淬火。
将该丝球形键合（键合力26 g；超声能86 mA；温度220℃；接触速度7.6 µm/ms）到集成芯片的1微米厚Al1Si0.5Cu焊盘上，将由此制成的球形键合结合体人工热老化，将其剖面并在光学显微镜下在500放大率下评估。表1a和1b显示老化条件（时间、目标温度）和对于纯铜丝和Cu1.25Pd丝，在球形键合界面处观察到的铜铝化合物层的厚度以及黄色和灰色相的面积分数。
表1a
。
表1b
注释: 黄色和灰色相可能没有总计100面积%；在该表中没有提到由Al1Si0.5Cu形成的面积%。
表2显示在用20 µm ≥ 99.99重量%纯铜和具有不同Pd含量的Cu/Pd丝制成的经热老化（250℃持续500小时）的球形键合结合体的球形键合界面处的灰色和黄色铜铝化合物相的总面积的面积分数。
表2
#:≥ 99.99重量%纯铜。
用上文公开的分析方法论进行灰色和黄色相的TEM成像和衍射图谱分析。由衍射图谱、衍射的区域平面（zonal plane）、原子参数和组成，通过Hanawalt搜索方法确认不同的铜铝化合物相。结果提供在用纯Cu丝和用Cu1.25Pd丝获得的表3中。