专利名称：半导体用导线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于固态器件的连接线的制造方法。特别是，这种连接线由银棒和银棒表面的涂金层构成，其中，在这两种金属之间形成由熔融金和银(固溶体)产生的合金层。
现在，为了解决这些问题，固态器件上的连接线完全由金制造。然而，金价格昂贵，以致提高了半导体的制造成本，并且金对于提高对于连接线必不可少的抗拉强度、导电性和导热性具有固有的局限性。虽然在耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性方面金优于银，但金的热/电传导性比银差。因此，金不能可靠地用作固态器件上的最佳连接线。
韩国专利申请93-21794公开了一种将薄金层附着在银导线表面的传统方法。在这种方法中，金棒被轧成0.5mm厚，直径为3.5mm的金箔。然后将金箔包覆在银棒表面，银棒消除了气泡，并被加热到700℃-800℃。通过把包有金箔的银棒再加热到500℃-600℃，银棒和金箔的每个接触面通过扩散连接而相互粘在一起。
然而，所得到的这种包有金箔的银棒仅能用来制造零件。因为这种普通方法利用了银和金接触处的扩散，因此最好将加热温度提高到金的熔点1063℃。然而，由于银的熔点是960℃，如果加热温度提高到1063℃，银棒的形状就会变形。
韩国专利申请99-17837公开了另一种常规方法，这种方法用于零件的生产过程，使金箔与银导线的表面部分接触。根据这种方法，金箔包覆住向内开有凹槽的银棒，将金导线插入凹槽，然后发生扩散。然而，这种方法不能用于半导体的连接线，只能用于在零件表面包覆金层。
根据所公开的这种常规方法，相互接触面的粘合强度非常弱，以致于它不能提供足够的粘合强度以用作固态器件中的细微导线。
本方法包括以下步骤将特定长度的银棒垂直放置在铸模中央；把带有银棒的铸模插入电加热炉；加热铸模使银棒表面处于半熔融或预热状态；把熔融的金注入铸模中以包覆银棒；在电加热炉中冷却银棒，同时熔融的金渗入银棒；在退火炉中退火已冷却的银棒；从铸模中取出后，拉伸已退火的银棒。
银和包覆银棒的金的体积比的范围在0.1到10之间。然而，优选的是，银对金的体积比为2，3，4或5。
使银棒表面处于半熔融状态的条件为720℃-820℃的加热温度，20分钟到6个小时的加热时间，以及真空电加热炉。退火条件是300℃-450℃和2-3个小时。熔融金渗透的银棒拉伸而成的导线的直径是0.016-0.070mm，这个直径范围对于固态器件中的连接线最适合。
此外，根据本发明可以制造直径小于纯金连接线的临界直径0.018mm的直径为0.016mm的导线，这是因为，这种制造方法可以将导线拉伸到0.01mm的直径，这是已知商业化的制造工艺中的最小直径。因此，本发明可以用在由于芯片变得更小而需要更细连接线的半导体制造领域。
根据本发明制造的导线包括处于导线中心的银棒；通过熔融金渗透入银棒一定深度而生成的银金合金层；以及覆盖在合金层表面、具有耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性的金层。
外部金层所包覆的中心银棒可以是矩形、正方形、圆形或者半圆形的棒。并且，优选的是，银棒具有两个以上的突出，以增加金层和银棒之间的接触面积。
根据本发明的导线制造方法，可以更便利地制造导线，可以解决金在可靠性和价格方面的限制，解决银在耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性方面的限制，满足耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性的标准。此外，根据本发明方法制造的导线具有半导体领域需要的非常好的电阻率和抗拉强度，并具有良好的导热性和导电性。并且，导线的连接合金层具有足够的粘合强度，从而可以制造远细于现在所用导线的极微细导线。
附图中
图1显示了根据本发明的用于固态器件的导线的制造工艺的流程图；图2是本发明中所用银棒的透视图；图3是铸模的透视图；图4是插入铸模的银棒的透视图；图5是内部装有银棒和熔融金的铸模的平面图；图6是内部装有银棒和熔融金的铸模的垂直截面图；图7显示了金和银的热平衡；图8是根据本发明制造的导线横截面的数千倍放大图；图9是图8横截面中一部分的再次放大图；图10是制造好的导线的电阻率对温度的试验曲线；和图11显示了在本发明中形成的金银合金层的厚度和普通发明中形成的金银扩散层厚度之间的差别。
优选实施例说明附图显示了本发明的优选实施例，并结合说明书阐述本发明的原理。
详细说明半导体连接线的制造工艺之前，以下先介绍金(Au)和银(Ag)的特性。
金的耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性非常强，以致于它甚至在氧化剂和在水中一样稳定。它的导电率是银的67％，电阻率是2.35μΩ·cm，导热率是3.15瓦/cm℃。
金的晶体结构是FCC(面心立方)，晶格常数是4.07864(25℃)，原子半径是1.44。
银的耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性比金弱。然而，银的导热导电性在所有金属中最强，它的电阻率是1.59μΩ·cm。银的晶体结构也是FCC，晶格常数是14.0862(25℃)，原子半径是1.44。
因此，可以制成任意混合比率的金和银的完全固溶体。此外，由于金和银的延伸率彼此相等(50∶50)，在退火后不会产生拉伸问题，用金和银也可以制造细微导线。
银由于具有所有金属中最好的导电性而起传导通路的作用，同时金由于良好的耐用性和抗化学腐蚀和抗氧化性，起保护内部银芯的作用。
下文将介绍由金和银制造的固态器件上连接线的详细制造工艺。
首先，用纯度99％的银制造银棒10。如图2所示，环绕银棒10有多个垂直凸起11以加大和熔融金的接触面积。
除了图2所示的形状，银棒10还可以有多种形状，例如四角形，即矩形或者正方形，六边形，八边形，圆形和象半月一样的半圆形。
如图4所示，这种形状的银棒10垂直放置并紧密固定在铸模40内，银棒10的上部50(图6所示)从铸模40内突出一点。装有银棒10的铸模40放入真空电加热炉(未示出)中。在720℃-820℃下加热铸模20分钟到3个小时，直到铸模40内的银棒表面处于半熔融态。
在720℃-820℃下加热银棒10的原因是，如果加热温度高于银的熔点960℃，银棒10的形状将会扭曲，而低于此加热温度，银棒10不能变成半熔融态。尽管优选的是加热时间为20分钟到3个小时，但根据铸模40和银棒10的直径大小也可以选择这个范围以外的加热时间。
银棒10表面处于半熔融态后，将纯度为99.9％的熔融金迅速注入铸模40中。在真空或充满惰性气体的电加热炉内建立起热平衡，由此，熔融金20的粒子渗透进银棒10的半熔融表面，与半熔融的银粒子熔合，这样就在金和银的接触面上生成一个具有固定厚度的合金固溶体层。合金层把外金层和内银棒10紧紧连接起来。
将已注入熔融金20的铸模40留在不再加热的电加热炉内的原因是让铸模40缓慢冷却，电加热炉抽成真空或充满惰性气体的原因是防止银棒10表面被氧化。
当电加热炉足够冷却后，通过紧密连结的合金层30，银棒10和包金层20结为一体。然后，将铸模40放入退火炉(未示出)，在300℃-450℃下退火2-3个小时，再缓慢冷却。要求退火过程可以消除晶格结构内的应力，协调银和金的伸长率，提高延展性。
如果所用的退火温度和/或时间超出上述的各自范围，粗晶结构是不令人满意的，内应力不能消除，金和银的延伸率变得彼此不同，不能提高延展性。
上述过程结束后，将从铸模40内突出一点的上部50连接到拉伸机上(未示出)，拉伸至直径为0.016mm-0.070mm。拉伸好的导线缠绕在导线轴上用作芯片上的连接线。
图8是由上述步骤制造的直径为30.2μm导线的横截面数千倍放大图。如图所示，金融合进银棒的表面形成金银合金层；熔合深度，即合金层厚度，远厚于常规方法(如热压)中形成的扩散层的厚度。
图9是导线横截面一部分的再次放大图。本图清晰显示出在银棒10和包金20的接触面上形成了由金银固溶体生成的合金层。
根据所制导线用于半导体的种类，可以调节银棒10表面的包金量。如上所述，银和金的可用比率范围在0.1到10之间。如果要求高的存储容量或低的电阻率，金的比例应该降低。
如果考虑存储容量和/或电阻率，银和金的体积比可选为2、3、4和5。如果金的用量要求很低，可以选择合适的大于上面所述的体积比。
根据银和金的体积比，温度可以由如下公式计算。
卡Q＝C(比热)×m(质量)×Δt(温度)，其中，比热金＝0.0312卡/克，银＝0.0556卡/克，比重金＝19.3克/cm3，银＝10.5克/cm3。
举例(假设金的体积是100cm3)金的质量100cm3×19.3克/cm3＝1930克银的质量如果银金比为2，200cm3×10.5克/cm3＝2100克，如果银金比为3，300cm3×10.5克/cm3＝3150克，如果银金比为4，400cm3×10.5克/cm3＝4200克，如果银金比为5，500cm3×10.5克/cm3＝5250克。
如上所述，在电加热炉内，熔融金20注入铸模40前，体积随温度变化的银棒10和铸模40已加热到720℃-820℃，在此温度下，银棒10的表面已处于半熔融态。因此，虽然质量和温度成反比，但没有必要对银棒的体积变化进行特殊的温度控制，因为在图7所示的温度平衡态中，熔融的金渗透到银棒各处的深度几乎都相等。
为了制造用于固态器件的高质量导线，银棒10要处于金的固溶体的中心，金要完全包覆住银棒10的表面。
为了检验根据本发明制造的导线的优良特性，下面列出了拉伸载荷和电阻率的试验结果。
表1列出了根据上述过程所制造的导线的拉伸载荷。本实验由韩国工商能源部所属的技术标准局完成。直径为30.2μm，33.1μm，37.5μm，49.5μm导线的拉伸载荷分别为28，38，42和80。
根据本发明所制造的导线的拉伸载荷
表2和表3列出了在世界上广泛应用于固态器件的HeraeusOriental Gold Wire导线和Tanaka Bonding Wire导线的参数。与表1相比，在相同直径下，由本发明所制导线的拉伸载荷几乎是HeraeusOriental Gold Wire导线或Tanaka Bonding Wire导线的两倍。
Heraeus Oriental Gold Wire导线的特性
Tanaka Bonding Wire导线的特性(H硬，M中度，S软)
比较表1和表2、表3的特性可知根据本发明制造的导线的拉伸载荷——固态器件用的连接线的最重要特性之一—是传统产品的两倍。在封装过程中，传统金导线由于导线连接工序和/或模铸物体引起的压力而产生的断线率是20％。因此，拉伸载荷的提高可以显著降低断线率，由此增加半导体的产出率。
图10显示了根据本发明制造的导线的电阻率一温度曲线。本试验也是由韩国工商能源部所属的技术标准局完成。通过权威试验得到的本曲线显示，导线的平均电阻率为1.920μΩ·cm，不超过1.930μΩ·cm。试验用的样品导线宽0.3mm，厚235.5μm，长68mm。实验条件是升温速率6K/min，电流强度1mA。
因为Tanaka Bonding Wire导线的电阻率已知为2.31～3.02μΩ.cm，其它金导线的电阻率也与此相差无几，所以根据本发明制造的导线的电阻率远好于传统导线的电阻率。
图11的曲线显示了本发明形成的金银合金厚度与现存发明中进入银的扩散金层厚度的区别。如图11所示，由熔融金渗透到半熔融态银表面形成的合金层厚度“T1”大于扩散层的厚度“T2”，因此，金和银的粘合性自然好于以前的产品。
权利要求
1.一种固态器件用导线的制造方法，包括如下步骤(a)把银棒纵向放置在铸模中；(b)加热铸模，使银棒表面变成半熔融态；(c)将熔融金注入铸模以包覆住银棒；(d)缓慢冷却铸模，直到熔融金渗入银棒形成金银合金层；(e)将铸模退火；和(f)从铸模中取出后，拉伸被金包覆的银棒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，银和包覆银棒的金的体积比的范围为0.1到10。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的银和包覆银棒的金的体积比为2。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的银和包覆银棒的金的体积比为3。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的银和包覆银棒的金的体积比为4。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的银和包覆银棒的金的体积比为5。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中，在720℃-820℃下加热铸模20分钟-6个小时，其中铸模放置在真空或充满惰性气体的空间内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铸模在300℃-450℃下退火2-3个小时，其中铸模放置在真空或充满惰性气体的空间内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(f)中，拉伸由金包覆着的银棒，直到被拉伸的导线的直径变为0.010mm-0.070mm。
10.一种固态器件用导线，包括银棒；包覆银棒的金层；和在银棒和包覆的金之间的结合面上形成的金银合金层，所述合金层由熔融金与银棒的半熔融表面融合而形成。
11.根据权利要求10所述的导线，其特征在于，所述银棒是矩形、正方形、圆形或半圆形的棒。
12.根据权利要求10和权利要求11之一所述的导线，其特征在于，环绕所述银棒有多个突起，每个突起都是纵向形成的。
13.根据权利要求10所述的导线，其特征在于，所述的导线的直径范围从0.010mm到0.070mm。
14.一种固态器件用导线的制造方法，包括如下步骤(a)将银棒纵向放置在铸模中；(b)铸模加热后，将熔融金注入到铸模中；和(d)缓慢冷却铸模，直到熔融金渗入银棒形成金银合金层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，银棒的表面由金包覆，金通过中间合金层与银棒紧密结合。
全文摘要
本发明涉及制造固态器件用导线的方法。该制造工艺将银棒垂直放置在铸模中央，把带有银棒的铸模插入电加热炉，加热铸模使银棒表面处于半熔融或预热状态，把熔融的金注入铸模中以包覆银棒，在电加热炉中缓慢冷却银棒，直到熔融的金渗入银棒，在退火炉中使银棒退火，从铸模中取出后，拉伸已退火的银棒至必要的直径。
文档编号C23C10/22GK1399795SQ00816090
公开日2003年2月26日 申请日期2000年8月23日 优先权日1999年10月16日
发明者朴判镐, 朴成贤 申请人:(株)Cm电字