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CN1168143C - 金-合金细导线及其制造方法和应用 - Google Patents

金-合金细导线及其制造方法和应用 Download PDF

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CN1168143C CNB991064828A CN99106482A CN1168143C CN 1168143 C CN1168143 C CN 1168143C CN B991064828 A CNB991064828 A CN B991064828A CN 99106482 A CN99106482 A CN 99106482A CN 1168143 C CN1168143 C CN 1168143C
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Abstract

本发明涉及由金及0.6-2重量%的镍制成的合金或用金及0.1-2重量%的镍、0.0001-0.1重量%的碱土金属和/或稀土金属、以及有时还加入0.1-1.0重量%的铂和/或钯制成的细导线，其特征是具有优良的导电性能及良好的强度/伸长率关系。它们适宜作连接导线，还可在倒装技术(Flip-Chips)中用于制成接触凸缘。

Description

金-合金细导线及其制造方法和应用
技术领域
本发明涉及一种用于半导体器件连接的含镍的金-合金细导线及其制造方法和应用。
背景技术
适用于半导体器件的连接的导线又称为连接线，它必需具备良好的电性能及具有良好的机械强度。导线的直径可在约10到200微米范围，通常是约20到60微米范围，可按用途进行选择。
这种连线通常是由高纯度的金制成或近来也用金-合金制造。后者具有强度较高的优点，当其含少量合金组分时，与纯金导线对比，其导电性能仅有微小的降低。
例如在专利DE 16 08 161 C中提出一种由金及0.001-0.1％的一种稀土金属或几种稀土金属特别是以铈混合金属的形状或钇制成的引线在集成电路中的应用。这种含少量稀土金属或钇的金-合金具备在加热到500℃还明显地表现良好的强度以及伸长性能，对金的其他性能如硬度，化学稳定性或电阻等影响也不大。
在专利DE 32 37 385 A(US 4 885 135)、DE 39 36 281 A(US 4 938923)、JP 6-112258 A、EP0 743 679 A及EP 0 761 831 A中也介绍过这种用作连接导线的金-稀土金属的合金。
专利DE 32 37 385 A中涉及的高拉伸强度的金-合金细导线中含0.0003-0.01重量％稀土金属，特别是铈，有时还含锗、铍和/或钙。
专利DE 39 36 281 A介绍的连接半导体装置的金连接线由高纯度的金制成，并加入微量的镧、铍、钙以及铂族元素特别是铂和/或钯以制成合金。
化学文摘(Chemical Abstracts)121卷，89287m介绍的JP 6-112258A中的已知连接线也由金-合金制成，其中含1-30％铂及0.0001-0.05％钪、钇和/或稀土金属，有时含0.0001-0.05％铍、钙、锗、镍、铁、钴和/或银。
专利EP 0 743 679 A也介绍了一种由含铂的金-稀土金属合金制成的连接线。合金由金及少量铂(0.0001-0.005重量％)、银、镁及铕组成，并还可含例如铈，其含量为0.0001-0.02重量％。
专利EP 0 761 831 A中描述了一种由铂和/或钯的金-稀土金属合金制的细导线。该合金由0.1-2.2重量％铂和/或钯、0.0001-0.005重量％铍、锗、钙、镧、钇和/或铕、余量为金组成。将构成合金的元素在坩锅中熔化然后从下到上使坩锅中的熔融物逐渐冷却形成一块铸锭，然后经过压延，拉伸和退火制成导线。其延伸率为3.8％，杨氏模量为6800-9000kg/mm2。
从专利JP 52-051 867 A中已知一种由金及含0.004-0.5重量％的至少一种下列金属：镍、铁、钴、铬及银制成的连接导线。该连接导线的直径为30微米，具有良好的连接性能，并与用纯金制的引线对比还有较好的强度。含0.004重量％镍，伸长率为6％时强度为13kg/mm2(130N/mm2)以及含0.5重量％镍，伸长率为14％时强度为24kg/mm2(240N/mm2)。镍含量更高时机械性能有所下降，例如由含0.6重量％镍的金-合金制成的连接导线在伸长率为5％时强度只有10kg/mm2(100N/mm2)。在专利JP 52-051867 A中没有介绍连接导线的制造方法。
专利JP 104115A公开了一种含镍的金-合金制成的用于半导体器件连接的细导线，其中镍的含量为0.005-2wt％。加入镍的目的在于增强金-合金细导线的拉伸强度。
专利JP 6160842A公开了一种用于半导体器件连接的金-合金制成细导线。其披露了加入0.0001-0.1wt％的钇族金属或稀土金属可增加金-合金细导线的拉伸强度，加入0.0005-0.01wt％的碱金属族元素可提高金-合金细导线在高温时的强度。
专利DD 201 156介绍了可用来制造连接用微细导线的金-银合金，其中还加入铜、镍和/或钴，其浓度≤5重量％以及作为一般杂质的含量不大于100ppm的铁、铝、钯、铂、锑、铋、锗、砷。这种合金是在真空感应炉中熔融并浇注成铸锭。经过挤压后进行冷加工直接拉制成最终直径为25-30微米的细丝，并进行相应热处理。
金-镍合金已知还有别的用途，例如在德文文献1 169 140中提到一种含1-20重量％镍的金-镍合金。用于制造弱电电路中的连接材料，其自感系数为10-7到10-4亨利(Henry)范围。还可在金-镍合金中加入银、铂、钯、锆、铜、钴、铁、铬和/或锰以提高其再结晶温度。
                        发明内容
从专利JP 52-051867 A出发，本发明的任务是开发一种用含镍的金-合金制造的细导线，要求它具备良好的强度/伸长率关系。此外还应提出一种可能经济地连续生产极具有十分优良的质量的细导线的方法。这种细导线既适合于用作连接导线，还可用来制造例如在专利DE44 42 960 C中所介绍的用于倒装技术(Flip-Chip-Technik)的所谓球形-突缘(Ball-Bumps)。
按照本发明，该目的是通过一种由合金制造的细导线来达到，其特征在于该合金由金及0.6-2重量％镍构成。
按照本发明，该目的还可通过由一种合金制造的细导线来达到，该合金的特征在于该合金由0.1-2重量％镍、0.0001-0.1重量％的至少一种碱土金属和稀土金属、余量为金构成。
当金-合金中镍含量在0.7-1.5重量％时，其导线特别良好。金-合金中的碱土金属和/或稀土金属含量优选为0.001-0.01重量％。
在某些情况下，制造细导线的金-镍-合金中加入0.1-1.0重量％铂、钯或钯和铂是非常有利的。
本发明中所述及的“碱土金属”意指铍、镁、钙、钡和锶，“稀土金属”意指镧(原子序数57)以及镧后面的从元素铈(原子序数58)到镥(原子序数71)的14个元素，在专业文献中还称之为“镧系元素”。
碱土金属优先采用铍、镁、钙或由至少两种该碱土金属组成的混合物。如果采用铍与钙的混合物，则铍与钙的用量各占50重量％特别适合。
稀土金属优先采用铈或由铈与原子序数57及59-71的一种或几种稀土金属的混合物。采用铈的混合金属特别合适。作为铈的混合金属一般含50-60％铈、25-30％镧，10-15％钕，4-6％镨及1％铁，还可能含微量其他稀土金属(参阅Rompp Chemie Lexikon(化学百科全书)，Georg Thieme Verlag Stuttgart-New York，第一册，第10版1996，647页)。
本发明的具有作连接导线用的通常直径的细导线具备所有作连接线用的所需性能。特别是比电阻适中的合适的电导性(参阅表V)与伸长有关的优良强度(参阅附图)。细导线的良好强度/伸长比对达到良好连接质量是重要的。
令人惊奇的是金与镍或与镍及碱土金属和/或稀土金属的合金制成的细导线与由纯金及按照专利JP 52-051867 A的金-镍合金制成的导线对比，在同样的受力情况下导致本发明细导线具有较高的强度。特别值得惊奇的是加入碱土金属和/或稀土金属制成合金后明显地降低了由于灼热引起的强度损失(参阅表VI)。
                       附图说明
附图示出本发明两种细导线(实例1及2)与两种非本发明细导线(实例3及4)在强度(伸长强度)[N/mm2]与伸长率(断裂伸长)关系上进行对比。本发明的细导线在给定的伸长率情况下具备较高的强度。
                      具体实施方式
表V给出实施例中描述的本发明的细导线和非本发明的细导线的化学组成及其比电阻，还给出一种由含0.8重量％铁的金-合金制成的细导线的特性。表VI给出实施例中描述的细导线在拉伸硬化的状态下的强度值，可以看出伸长率为4％时，加入铍和钙对强度的影响。铍和钙还降低了与灼热处理有关的强度损失。
本发明的细导线，由于它所具备的优越性能，特别是用作连接导线是有利的，还可用于在发展中的高频连接技术，以及在倒装技术中用来制造接触突缘。
为达到本发明的目的，还包括提供一种由含镍的金-合金制造的用作半导体器件连接的细导线的方法，按照本发明，其特征在于熔融由(a)金、0.6-2重量％镍、有时还含0.1-1.0重量％铂、钯或铂和钯，或由(b)金、0.1-2重量％镍、0.0001-0.1重量％的至少一种碱土金属和稀土金属族中的元素，有时还含0.1-1.0重量％铂，钯或铂和钯，余量为金的金-合金，将熔融的合金浇注成铸锭，然后拉成具有作连接用的通常直径的导线和对其进行退火。
按照本发明的制造方法，特别合适的是将熔融的合金浇注成圆形截面的铸件，将铸件拉伸成导线，并在约300-700℃下退火。通过退火可使由于拉伸硬化的导线得到所需的伸长。合金的熔融及浇注可在空气中、在如氩的保护气体中或在真空中进行。
按照本发明的方法，优选熔融含镍量为0.7-1.5重量％的金合金。加入量为0.001-0.01重量％的碱土金属和/或稀土金属是有利的。
作为碱土金属可用铍、镁、钙、锶、钡或由至少两种这些元素的混合物。特别适用的是铍、镁、钙或由至少两种这些碱土金属的混合物。在采用铍和钙的混合物时，应优先选择两者各占50重量％。
作为稀土金属应特别选择铈或铈与原子序数57，59-71的一种或几种稀土金属的混合物，后者可优先采用一般市售的铈-混合金属。
本发明方法的特征特别在于可以进行连续生产，而且工艺产物-铸锭和拉成的导线非常均一，并且质量也保持不变。
为了进一步说明，通过下列实例描述本发明的细导线及其制造方法(实例1及2)，作为对比例是按照DE 16 08 161 C介绍的已知技术制成的细导线(实例3)和用纯度为99.99重量％的纯金制成的细导线(实例4)。细导线的特征值以伸长率(断裂伸长)[％]，强度(拉伸强度)[N/mm2]及其比电阻[Ohm mm2/m]表示。
实例1
由含0.8重量％镍的金-合金制造的细导线
由0.8重量％镍、余量为金的合金熔体在铸造装置中浇注成具有圆形截面的铸件。接着将铸件拉制成直径为30微米的导线，并且达到所需拉伸后的导线在空气中于约300-700℃下退火。拉伸率[％]与所测强度[N/mm2]的关系列于表1。
直径为275微米的导线在室温中测得的比电阻为0.045Ohmmm2/m。
              表1
    伸长率[％]     强度[N/mm2]
    拉伸硬化后     600
    2.7     357
    2.8     329
    3.4     310
    5.0     285
    6.4     264
    7.6     254
实例2
由含0.8重量％镍、0.001重量％铍及0.001重量％钙的金-合金制造的细导线
由0.8重量％镍、0.001重量％铍、0.001重量％钙、余量为金的合金熔体，在铸造装置中浇注成圆形截面的铸件。接着将铸件拉伸制成直径为30微米的导线。并且达到所需拉伸后的导线在空气中于300～700℃下退火。拉伸率[％]与所测强度[N/mm2]的关系列于表II。
直径为275微米的导线在室温测得的比电阻为0.046Ohmmm2/m。
             表II
    伸长率[％]     强度[N/mm2]
    拉伸硬化后     650
    3.8     433
    4.0     452
    4.5     405
    4.8     380
    5.3     354
    5.8     333
    6.7     309
    8.8     284
实例3(对比)
按照DE 16 08 161 C用含铈-混合金属的金-合金制造的细导线
由金及铈-混合金属的合金熔体在铸造装置中浇注成圆形截面的铸件。接着将铸件拉伸制成直径为30微米的导线，并且达到所需拉伸后的导线在空气中于约300-600℃下退火。拉伸率[％]与所测强度[N/mm2]的关系列于表III。
直径为275微米的导线在室温测得的比电阻为0.023Ohmmm2/m。
            表III
    伸长率[％]     强度[N/mm2]
    拉伸硬化后     375
    2.9     263
    3.1     253
    3.6     243
    4.0     230
    5.7     220
    8.1     209
    10.1     198
实例4(对比)
由99.99重量％的纯金制造的细导线
由纯度为99.99重量％的金的熔体在铸造装置中浇注成截面为圆形的铸件，接着将铸件拉伸制成直径为30微米的导线，并且达到所需拉伸后的导线在空气中于200-500℃下退火。附表IV中列出在不同程度的伸长率[％]与所测强度[N/mm2]的关系列于表IV。
直径为275微米的导线在室温测得的比电阻为0.023Ohmmm2/m。
             表IV
    伸长率[％]     强度[N/mm2]
    拉伸硬化后     435
    2.1     235
    2.2     231
    2.5     226
    3.0     221
    3.6     214
    3.8     192
    4.6     182
    5.8     171
                                       表V
                        组成[重量％]
  实施例   Au   Be   Ca     Ni     Fe     比电阻[Ohm mm2/m]
  1   余量     0.8     0.045
  2   余量   0.001   0.001     0.8     0.046
  3(对比)*     0.023
  4(对比)   99.99     0.023
  5(对比)   余量     0.8     0.227
*按照DE 16 08 161 C含铈-混合金属的金-合金
                                  表VI
             组成[重量％]                                  强度[N/mm2]
  实施例 Au Be  Ca     Ni   拉伸硬化后  4％伸长率
  1 余量     0.8   600  300
  2 余量 0.001  0.001     0.8   650  450
  3(对比)*   375  230
  4(对比) 99.99   435  200
*按照DE 16 08 161 C含铈-混合金属的金-合金

Claims (12)

1.一种由含镍的金-合金制成的用作半导体器件连接的细导线，其特征在于金-合金仅由金及0.6-2重量％镍组成。
2.一种由含镍的金-合金制成的用作半导体器件连接的细导线，其特征在于金-合金仅由0.1-2重量％镍、0.0001-0.1重量％的至少一种碱土金属族及稀土金属族中的元素、余量为金组成。
3.权利要求1或2中的细导线，其特征在于金-合金中的镍含量为0.7-1.5重量％。
4.权利要求2中的细导线，其特征在于金-合金中所含碱土金属及/或稀土金属的含量为0.001-0.01重量％。
5.权利要求2中的细导线，其特征在于所含碱土金属为铍、镁和/或钙。
6.权利要求2中的细导线，其特征在于所含的稀土金属为铈。
7.一种制造权利要求1-6中之一的由含镍金-合金制的用作半导体器件连接的细导线的方法，其特征在于熔融金-合金，将合金熔体浇注成铸件，再将铸件拉伸成具有连接用导线的一般直径的细导线，并将该导线退火。
8.权利要求7中的制造方法，其特征在于熔融合金被铸成圆形截面的铸件。
9.权利要求7或8的制造方法，其特征在于细导线在300-700℃下退火。
10.权利要求1-6中之一的细导线作为连接导线的应用。
11.按照权利要求10的应用，作为高频应用中的连接导线。
12.权利要求1-6中之一的细导线在倒装技术中用于半导体器件的连接的应用。
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