用于键合用途的铝合金线的制作方法
【专利说明】用于键合用途的铝合金线
[0001] 本发明涉及一种键合线，其包含： 具有表面的芯，其中所述芯包含铝作为主要组分，其中所述芯含有0. 05%至1. 0%的量 的钪作为一种组分。
[0002] 本发明还涉及用本发明的线键合电子器件的系统和制造本发明的线的方法。
[0003] 键合线在半导体器件的制造中用于在半导体器件制造过程中电互连集成电路和 印刷电路板。此外，键合线在电力电子学用途中用于将晶体管、二极管等与外壳的焊盘或插 脚（pins)电连接。尽管键合线一开始由金制成，但如今使用更便宜的材料，如铝。尽管铝 线提供非常好的电导率和热导率，但铝线的键合具有其挑战。
[0004] 通常，本发明意义上的键合线针对高速键合工具的使用进行优化，其中通常使用 球焊或球形焊接（secondbonding)(楔形焊接）将引线末端与焊盘之类的表面连接。在错 基线的情况下，主要使用楔形焊接。键合线必须满足特定要求才能至少在可行的工艺范围 内与键合工具相容。
[0005] 对本发明而言，术语键合线包含所有的横截面形状和所有的常见线径。具有圆形 横截面和细直径的键合线以及用于高功率用途的具有圆形横截面或扁平横截面的粗键合 线都有可能。具有扁平横截面的键合线也被称作带。
[0006] 由于铝比金和其它材料低的价格，一些最近的开发涉及具有以铝作为主要组分的 芯材的键合线。但是，仍需要在键合线本身和键合方法方面进一步改进键合线技术。
[0007] 相应地，本发明的一个目的是提供改进的键合线。
[0008] 因此，本发明的另一目的是提供具有良好的加工性质并在互连时没有特殊需要由 此节省成本的键合线。
[0009] 本发明的一个目的还在于提供具有优异的电导率和热导率的键合线。
[0010] 本发明的另一目的是提供表现出改进的可靠性的键合线。
[0011] 本发明的另一目的是提供表现出优异的可键合性的键合线。
[0012] 本发明的另一目的是提供在球形焊接或楔形焊接方面表现出改进的可键合性的 键合线。
[0013] 本发明的再一目的是提供至少在线拉制过程中具有高拉伸强度的键合线。
[0014] 本发明的又一目的是提供具有低电阻率的键合线。
[0015] 本发明的另一目的是提供用于键合电子器件的系统，所述系统提供电子器件和/ 或封装装置之类的装置的焊盘之间的可靠连接。
[0016] 另一目的是提供制造本发明的键合线的方法，所述方法与已知方法相比基本没有 表现出制造成本的增加。
[0017] 令人惊讶地，已经发现本发明的线解决了至少一个上述目的。此外，已经发现了克 服引线制造的至少一个挑战的制造这些线的方法。此外，发现包含本发明的线的系统在本 发明的线与其它电气元件之间的界面处更可靠。
[0018] 分类权利要求的主题有助于解决至少一个上述目的，由此该分类的独立权利要求 的从属权利要求代表本发明的优选方面，它们的主题同样有助于解决至少一个上述目的。
[0019] 本发明的第一方面是一种键合线，其包含： 具有表面的芯， 其中所述芯包含铝作为主要组分， 其特征在于 所述芯含有0. 05%至1. 0%的量的钪作为一种组分。
[0020] 如果没有特别作出不同的规定，组分的所有含量或份额在此作为重量份额给出。 特别地，以百分比给出的组分份额是指重量％，以ppm(百万分之一份)给出的组分份额是指 重量ppm。对关于可数物体，如颗粒或粒子的百分比值，给出的值是物体总数的份额。
[0021] 优选地，本发明的线没有覆盖芯表面的涂层。这使得该线的制造简单并节省成本。 这不排除对特定用途而言，可能在本发明的线的芯表面上提供附加的涂层。
[0022] 要理解的是，预计在制成的线的芯上存在至少有些薄的层，因为本发明的线基于 铝，因此即使仅短时间暴露在空气中也几乎立即形成一定的氧化层。为了定义，该线的芯的 给定特征和性质涉及这种无意表面区下方的未受影响的芯材。
[0023] 如果这种组分的份额超过所涉及的材料的所有其它组分，这种组分是"主要组 分"。主要组分优选占该材料总重量的至少50%。
[0024] 选择本发明的钪含量以在不利作用不变明显的情况下表现出有益作用。如果选择 大于1%的钪含量，在芯材中存在高量的钪或含钪相的大颗粒。如果此类颗粒的量和尺寸超 过一定界限，该线的机械性质受损。如果选择小于〇. 05%的钪含量，由钪增加的有益性质不 再明显。
[0025] 就本发明的一个优选实施方案而言，将钪含量优化至0.1%至0.35%的范围。在一 个最优选的实施方案中，芯的钪含量为〇. 12%至0. 25%。
[0026] 在本发明的一个通常优选的实施方案中，该芯含有0%至0. 5%的硅。令人惊讶地 证实，尽管硅是传统铝基键合线中的典型量为1%的标准组分，但本发明的线的低硅含量具 有有益影响。在不含任何硅时可实现良好的拉伸强度，同时电导率优异。甚至更优选使硅 含量保持在〇%至〇. 2%之间。在本发明的线的一个最优选的实施方案中，除不可避免的痕 量外不含娃，特别小于100ppm。
[0027] 作为本发明的线的一个通常有利的特征，除铝和钪外的芯组分的总量为0%至 1.0%。更优选地，此类其它组分的含量合计小于0.5%，最优选小于0.2%。这提供高电导率， 因为其它组分几乎不造成铝晶体中的扰动。
[0028] 为了增强该线的耐蚀性，芯优选含有10ppm至100ppm的量的选自铜和镍的至少 一种。镍含量或铜含量最优选为30ppm至80ppm。
[0029] 由于归因于电阻加热的低热损失，本发明的线优选具有至少32. 0*106OhnT1*!^1的 电导率。电导率最优选为至少33. 0*106OhnT1*!^1。不仅可通过选择其元素组成，还可通过 指定的处理，如退火或均化来影响本发明的线的电导率。尽管电导率原则上是取决于材料 的常数，但至少对极小直径而言，可能在一定程度上依赖于线径。为了定义，用直径大约100 微米的粗键合线测量本文中给出的电导率。
[0030] 在本发明的一个具体实施方案中，芯中至少30%的钪存在于与铝主要组分分开的 相中。要理解的是，钪最多在一定程度上完全溶解在铝基质中。溶解钪的这种状态不是分 开的相。在某些条件下，钪可以至少部分存在于不同的相中。这样的相通常是与铝主相分 开的结晶或甚至非晶颗粒。此类含钪相的性质，如颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、组成等取决于 特定的热处理和/或其它组分的存在。
[0031] 含钪相优选是主要包含Al3Sc的金属间相。金属间相目前被定义为包含两种或更 多种金属的均质化学化合物，金属间相的晶格结构不同于金属成分的晶格。
[0032] 金属间相的微晶总数的至少2/3最优选具有小于25纳米的直径。令人惊讶地证 实，一旦将线芯调节至这样的参数，实现电和机械性质的最佳组合。
[0033] 在本发明的一个可能的实施方案中，该线具有80微米至600微米的直径。这样的 线在本发明的意义上被定义为"粗线"。在这方面，该线的横截面形状被视为圆形。与横截 面无关，本发明意义上的粗线是具有至少大约5000平方微米横截面积的线，这大致是80微 米直径的圆形线的横截面积。
[0034] 在本发明的另一些实施方案中，该线具有8微米至80微米的直径。这样的线在本 发明的意义上被定义为"细线"。在细线的情况下，圆形横截面通常优选，尽管扁平横截面也 有可能。
[0035] 要指出，对所有类型的键合线而言，尤其是在细线的情况下，至少在将线拉至最终 直径时，对线材的拉伸强度具有高的要求。对传统引线而言，这意味着必须选择能实现所需 拉伸强度的某些铝合金。就本发明而言，通过添加钪和该线的受控热处理，实现甚至对细线 拉制而言也足够的拉伸强度。甚至对不含除铝和少量钪以外的其它组分的线而言也是如 此。
[0036] 本发明的另一方面是用于键合电子器件的系统，其包含第一焊盘、第二焊盘和根 据前述权利要求任一项的线，其中所述线借助楔形焊接连接到至少一个焊盘上。
[0037] 对于这种系统的一个优选实施方案，焊盘下方的结构包含至少一个多孔二氧化硅 层。可以调节本发明的线的硬度以符合在焊盘下方排列机械敏感结构的要求。如果焊盘由 软材料，如铝或金构成，情况特别如此。该敏感结构可以例如包含一个或多个多孔二氧化硅 层，特别具有小于2. 5的介电常数。这样的多孔和因此弱材料变得越来越常见，因为其有助 于提高器件性能。因此，优化本发明的键合线的机械性质以避免该弱层的裂化或其它损伤。 可以通过依赖于各自的要求的特定退火程序实现该优化。
[0038] 本发明的线可有利地用于具有高操作温度的系统。标准操作温度优选始终最高达 175°C，优选最高达250°C。本发明的线也可能用于最高达300°C的极高永久操作温度。已 经证实，这样高的温度不干扰该线中的合金钪的所需性能。
[0039] 对用于键合电子器件的系统的一些实施方案而言，可能在键合程序中或甚至在键 合的器件的初次运行过程中实现含钪相，特别是金属间Al3Sc相的受控形成。
[0040] 本发明的另一方面是制造本发明的键合线的方法，其包括步骤 a. 提供具有所需钪含量的铝芯前体；和 b. 拉制和/或轧制所述前体直至达到线芯的最终直径。
[0041] 线芯前体是指必须进一步变形才能获得最终线形状的任何结构。可以例如通过将 原材料挤出成圆柱形来提供这样的前体，其中该原材料已包含所需组成。可通过熔融指定 量的铝、加入指定量的其它组分并处理均质混合物而简单地获得这样的前体。然后可以由 该熔融或固化合金以任何已知的方式铸造或成形线芯前体，例如通过铸造或通过挤出。
[0042] 通常通过一系