TW201233817A - Silver-gold-palladium ternary alloy bonding wire - Google Patents

Description

201233817 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種非常適合使用於半導體裝置之1(：晶片電極與 外部導腳4之基板連接的Ag-Au-Pd三元合金系接合線，且特別有 關於一種使用於車載用或高速裝置用之高溫環境下的Ag_AU_pd三 元合金系接合線。 【先前技術】 長久以來，連接半導體裝置之1C晶片電極與外部導腳之金 線，有在高純度金微量添加其他金屬元素之純度99· 99質量％以 上之金線，此種金線可靠性優良而用途很多。這種純金線係一端 藉超音波併賴壓接接合法，與IC ^電極上之触（A1)焊塾 或紹a金知塾連接，另一端連接在基板上之外部導腳等，之後， 樹脂封裝以成半導體裝置。這種_ (A1)焊墊或紹合金焊塾， 通常藉真空蒸著以形成。 另外，Ag-Au-Pd三元合金系接合線，在日本特開平 號公報開示有「-種在重量上使Ag為1()〜6Q%，使㈣為_ 〜〇. 8%，使Cu、Pd、Pt至少一種合計為〇. 〇〇5〜5%，而且使Ca、 Be、La、Ce、Y至少一種合計狀_2〜M3%，剩下部份為金 及不可避免不純物所構成之半導狀件用金合金細線」。 又，在日本特開測—腿62號公報開 旧膏U〜⑽，T1孤 201233817

Ca、Be、La t-種或兩種以上：卜5〇此_，剩下部份為金及 不可避免不純物所構成之金合金製成之半導體裝置接合用金合金 細線」。此等接合線係開發作為金線之代替接合線，可減少昂貴金 (Au)之使用量，同時可在大氣中形成炫融焊球。 但疋，當欲使銀（Ag)含量超過6〇%之元合金 系接合線’在大氣巾接合時，麵融料表面會析出氧化物，無 法連接在紹合金焊墊等。此氧化物之原因係含在貴金屬中之氧化 性非貴金屬元素或含在原料Ag中之不可避免不純物，前述微量添 加成分或不可避免不純物係在熔融焊球表面析出，與大氣中之氧 結合以成為氧化物。 又，當銀（Ag)含量超過6〇%時，接合線本身之剛性增加以 變硬，所以，在成形接合線後，一般會進行最終退火熱處理。例 如在日本特開平3—74851號公報（下述之「專利文獻丨」）中，開 不有「在比再結晶溫度還要高溫之溫度進行熱處理過之Ag_pd$ 金、Au-Ag-Pd合金等之線體」’在日本特開2〇ι〇-ι71378號公報 中，開示有一種藉抽線加工，使線徑為0. 050mm〜0. 〇l〇mm之含有 8. 00〜30. 〇〇重量％金、66· 00〜9〇 〇〇重量％銀及〇 〇1〜6. 〇〇重 量％鈀之金銀鈀合金線，將金銀鈀合金線之表面洗淨、乾燥及進 行退火處理之合金線製造方法。 但是，Ag-Au-Pd三元合金系接合線，係銀（Ag)含量愈多， 因為捲入大氣中之氧氣而表面張力變小’所以，熔融焊球之焊球 形狀不穩定，而且，因為析出上述氧化物，所以，僅能以超音波 201233817 進行楔接合連接。 ，日，、之料财置在高溫之嚴酷朗環境下，杂 使用於被要求很高可練之車_ ic，或者，動作 : 週波用iC或高亮度_時，在進行過最终退火二 A“u,三元合金系接合線中’高溫特性非常不足。因此實際上， Ag-Au-Pd三το合金系接合線尚未實用化。 [先行技術文獻] [專利文獻1]日本專利綱平3_7觀號公報 [專利文獻2]日本專利特開平9-272931號公報 [專利文獻3]日本專觸開__15()562號公報 【發明内容】 本發日狀目的在於提供—種被難封裝之半導職置，即使 ^㈣及高壓之嚴酷使用環境下被使用，亦能轉與銘焊 二:好連接可靠性且使用於焊球接合用之ΑΗιΗΜ三元合金系 接合線。 本發明人特眼於^，三元合金系接合線，不致如銅 u錢合線般地發生氧化，魏岐圍氣财，脑焊塾接 2高溫連接可靠性曾進行調查。錢錢圍氣體，即使為不完 II: _氛圍氣體’又，即使不使隨氣錢氣之混合氣體， w干球形鱗，僅藉奴氮氣，即可獲得真球度甚高的無氣 201233817 體焊球（FAB)。 X ’本發明人等添加微量的氧化性非貴金屬元素至高純度

Ag_A:Pd三元合金，細微分散在高純度Ag Au_pd三元合金中，藉 此藉由抽、線中的退火熱處理，Lpd三元合金結晶粒不致粗 大化’使加X扭曲變形开去除，在連續模具抽線後的接合線内 僅殘留抽線组織。 用於解決上述課題之本發明半導體裝置用Ag_Au_pd三元合 金系接合線，係由純度99. 99 f量％以上之銀（Ag)、純度99·， ΐ量％以上之金（Au)及純度99. 99 f量％以上之把⑽）所構 成的二凡合金系接合線，其特徵在於：其由4〜10質量％之金 (Au) 2〜5貪之把⑽）、15〜70質量ppm之氧化性非貴金 屬添加元素及餘量為銀（Ag)所構成，該接合線在連續模具抽線 刖，經予退火熱處理，在連續模具抽線後，予以調質熱處理，在 氮氣氛圍氣體中予以焊球接合。 (Ag-Au-Pd三元合金） 本發明之Ag-Au-Pd三元合金，係由4〜1〇質量％之金（Au)、 2 5貝里％之|巴（pd)及餘量為銀（Ag)所構成的完全均勻固溶 合金。 在本發明中，使銀（Ag)為84質量％之餘量，係因為明白當 與純叙（A1)焊墊或鋁合金焊墊連接時，在大氣中形成的銀（Ag) 與銘（A1)之金屬間化合物，於氮氣氛圍氣體中幾乎不形成。 又’在本發明中，金（Au)在氮氣氛圍氣體中，金（Au)與 201233817 紹㈤間不會形成金屬間化合物，而且，具有在第工接合時， 使麟相真瞧合嫩。蝴财，使金（Au)為4 二#超過1Q f _ ’ W球之形成溫 度，會形成氧錄非貴金屬綠之氧化物，無法獲得· 當未滿4質量％時，炫轉球變得不穩定，無法· 之真球度。金㈤以6〜9 f量％之範圍内為宜。 又，在本發明中，纪⑽具有在第1接合時，阻止銀㈤ 與1呂（A1)之金相化合物形叙效果，具有半導體元件在 南溫高濕環境下使用時，抑制銀㈤翻（M)之金屬間化合 物劣化的效果。 在先前銀接合線之情形下，在此等接合界面會生成金屬間化 合物Ag2Al。 此八糾與焊球之界面在含有水分之環境下會雜，生成仏 與歸。在本申請案之Ag如_微量添加元素〇之情形下，在 與焊球間會生成_與阳濃化層，能抑制軸之雜。 ★第1圖:^圖所不’當為銀接合鱗’於經傾合的焊球 與糾墊之界面上，會形成域金屬間化合物’在含有水分之環 境下’腐财進行（參考第j⑻圖）。 、相對於此’在本_之Ag-Au-Pd三元合錢合線之情形下， 如第1 (A)圖所示’相同地在焊球接合界面上，雖然會形成刷 金屬間化合物’但是’ Au與pd之相溶性良好，在焊球側會形成 AU2A1與Pd濃化層以抑制銘之顧，剪力強度及可靠性顯著 201233817 提高。 尸使把（Pd)為2〜5質量％之原因在於：當超過5質量％時， 在氮氣氛圍氣體中形成·融焊球_得太硬，當未滿2質量％ 時，無法確保抑制銀（Ag)油（A1)之金屬間化合物劣化之效 果。鈀（Pd)以於3〜5質量％範圍内為宜。 (氧化性非責金屬添加元素） 在本發明中，氧化性非貴金屬添加元素係15〜70質量酬。 在本發明中’雖然銀㈤之純度為99. 99質量％以上，但是實 質上不可避免不純物為2〇ppm左右。該不可避免不純物亦也與 氧化性非貴金加元素―同細微分散於Ag_Au_pd三元合金中， 藉銷釘岐⑽by Pln)_，發揮防止Ag如阳三元合金结晶 粒粗大化之絲。氧化_貴金屬添加元素之主要效果，在於提 向接合線之機械性特性，或者，提高第1接合時的壓接焊球之真 圓性。當氧化性非貴金屬添加騎最多為7G質量_以下時，即 使將Ag-Au-PG元合金在大氣巾退火熱歧，於合金表面不會產 生較厚的氧細以變色。氧化性非貴金屬添力4素宜為20〜 6〇ppm，較宜為 20〜50 ppm。 至於氧化性非貴金屬添加元素，則有約（Ca)、稀土類元素（卜 La、Ce、EU、Gd、Nc^Sm)i(Be)、mMg)^(Sn)j(in)、 鉍（B〇。宜為㈣（Ca)及稀土類元素，以鑭（La)及鍵（此 尤宜。 ‘ (退火熱處理） 201233817 本發财之退火熱處理，係用於去除“g_Au_pds元合金抽 線加工而狀的加工扭曲變形，以防止加工紐。氧化性非貴金 屬添加元素必須耗細微分散人Agn給金内，所以在熱 。中度無法提向至接近Ag-Au-Pd三元合金融點（約1〇〇〇 。）通*係在500 C加熱2小時、在_。〇加熱3()分鐘或在7〇〇 C加熱100分鐘左右。在退火熱處理後藉由施加抽線加工，在 接錢會形成抽線組織。因此，宜為於最終的連續抽線前，事先 實化退火熱處理。又，當重複退火熱處理時，接合線之抽線組織 會變緻密，所以，顧宜為重複2次以上，但是唯恐影響生產效 率’較宜為重複2〜3次。 (調質熱處理） ▲本《月之。周質熱處理’與金線之情形同樣地，係在管狀爐中， ^ &及速度後’使於拉伸破壞試驗機進行拉伸相整至成為4 义之熱處理。通常係在冒c加熱2秒鐘左右。 "如上所述’本發明之接合線用㈣刊合金線係在氮氣氛圍 乳體中，進行第1接合，所以，炫融焊球與純銘（A1)焊墊或銘 合金焊墊之接合性良好，能確讎接焊球之真圓性，又，即使使 用於高溫高濕下之半導體裝置，在呂⑻之金屬間化合物於第丨 接合之接合界面上，粗缝不會麵展，能確觸定的接合可靠 p。而且，由本發明Ag如pd合金所構成的接合線係機械性質較 車人’所以測平度Ueaning)或縣高度方面並無離散度 spersity) *且，具有由超音波接合而得的第2接合接合強 201233817 度離散度校少的效果。 【實施方式】 [實施例] 溶解鑄造具有表示於表1左攔成分組成之Ag_Au-Pd合金，柚 線加工由直徑iOmm至直徑3mm，在60ITC退火熱處理30分鐘，接 著，抽線加工至直徑0 lmm，在6〇{rc退火熱處理3〇分鐘。其後， 以濕式進行最終的連續抽線，藉此，製造具有2〇#m線徑之本發 明接合線用Ag-Au-Pd合金線（以下稱本發明接合線）丨〜27及不 進入本發日紐_之比m的Ag_Au_pd合金線（以下稱比較接 合線）28〜36。設定此等本發明接合線丨〜27及比較接合線狀〜 3^Kulicke&Soffa製接合線接合機（商品名：Max/zmultra) 上’在載置於半導體IC晶片之由A1_〇. 5質量％Cu合金所製成5〇 _四方形A1合金輕上’製作錢魏_體吹拂下，目標％ 及HAST可靠性之評估 _之_ ’在加熱溫度為·。c，環套長度為—，環套高心 220_ ’ |接焊球直徑為48卿壓接焊球高度為…⑺之條件 進行接合’以進行FAB魏度、真圓性之離散度、第i焊球❿ 〈FAB真球度之評估方法〉 測量FAB之X ’藉由其差值 對於各種合金組成，以接合機製作⑽個刚， (與接合線成方向）及y (接合線方向） 予以評估。此等評估結果示於表】右側搁。又 201233817 〈真圓性離散度之評估方法〉 對於各種合金组成，測量在評側IC晶片上接合謂條時之 壓接焊球之X方向（與施加超音波方向麵直）及丫方向（施加 超曰波之方向）之長度’評估其比之離散度。此等評估結果表示 於表1右側搁。 〈第1輝球努切之評估方法〉 對於各種合金組成’以接合機對專用ic晶片進行接合，針對 1〇〇點’使用Dage公司製商品名「萬能接合測試機⑽（侧 本）」進仃第1祕知球之剪切強度評估。此等評估結果表示於 表1右側欄。 〈HAST可靠性之評估方法〉 :於各種合金喊，以接合機_丨⑻（引腳）進 Si:用:塑勝樹崎’製作電阻測量用試樣。將該試 1力2. 2大氧壓之條件下， 阻使用k_ley公司製商品^、、旦92二喊，測量電阻。電 型）」，以專用的m° A源里測器（source meter )(2004 量方法以所ι'/Γ及專⑴編自動測量系統進行測量。測 鄰接的外部導腳間(選擇IC曰片捏里$針流入一定電流至 針間之電壓。 曰曰片接塾形成短路的對），測量探 ’在放置於HAST裝置 評估電阻上昇率。此 電阻係針對外部導腳⑽對⑽ 續放置於HAS丁裝置後進行電阻測量， 201233817 等評估結果示於表1右側欄。 〔表1〕

含有元素（質量％) 氧化性非貴金屬元素（質量 ppm) 評估項目 Ag Au Pd Ca La Eu Be FAB 真圓 第1 HAST 可 真球 性之 焊球 靠性 -度 離散 剪切 度 實施 1 餘量 4 2 0 5 10 0 〇 〇 〇 〇 品 2 餘量 4 3 5 10 15 5 〇 〇 ◎ ◎ 3 餘量 4.5 4 10 15 20 10 〇 〇 〇 ◎ 4 餘量 4. 5 5 15 20 0 0 〇 〇 ◎ ◎ 5 餘量 5 2 20 0 5 5 ◎ ◎ ◎ 〇 6 餘量 5 2.5 0 5 10 10 ◎ ◎ ◎ 〇 7 餘量 5.5 3 5 10 15 0 ◎ 〇 ◎ ◎ 8 餘量 5,5 3.5 10 15 20 5 ◎ ◎ ◎ ◎ 9 餘量 6 4 15 20 0 10 ◎ ◎ ◎ ◎ 10 餘量 6 4.5 20 0 5 10 ◎ 〇 ◎ ◎ 11 餘量 6.5 5 0 5 10 5 ◎ ◎ ◎ ◎ 12 餘量 6. 5 2 5 10 15 10 ◎ ◎ ◎ 〇 13 餘量 7 2 10 15 20 0 ◎ 〇 ◎ 〇 14 餘量 7 2.5 15 20 0 5 ◎ ◎ ◎ 〇 15 餘量 7.5 2.5 20 0 5 10 ◎ ◎ ◎ 〇 16 餘量 7.5 3 0 5 10 0 ◎ 〇 〇 ◎ 17 餘量 8 3 5 10 15 5 ◎ ◎ ◎ ◎ 18 餘量 8 3,5 10 15 20 10 ◎ ◎ 〇 ◎ 19 餘量 8.5 3.5 15 20 0 0 ◎ 〇 ◎ ◎ 20 餘量 8.5 4 20 0 5 5 ◎ ◎ ◎ ◎ 21 餘量 9 4 0 5 10 10 ◎ ◎ ◎ ◎ 22 餘量 9 4.5 5 10 15 0 ◎ 〇 ◎ ◎ 23 餘量 9.5 4.5 10 15 20 5 〇 〇 ◎ ◎ 24 餘量 9,5 5 15 20 0 10 〇 〇 ◎ ◎ 25 餘量 10 5 20 0 5 0 〇 〇 ◎ ◎ 26 餘量 10 2 0 5 10 5 〇 〇 ◎ 〇 27 餘量 4 5 5 10 15 10 〇 〇 ◎ ◎ 比較 28 餘量 5 0 0 40 30 0 〇 〇 〇 X 品 29 餘量 6 1 10 0 40 5 ◎ ◎ 〇 X 30 餘量 7 6 20 10 0 10 ◎ ◎ △ X 31 餘量 8 1 30 20 10 0 ◎ 〇 〇 X 12 201233817

32 餘量 9 6 40 30 1〇 ~~ 5 〇 〇 X X 33 餘量 1 2 0 40 30 10 △ Δ △ Y 34 餘量 L 3 10 0 40 0 △ △ Δ X 35 餘量 3 4 20 10 0 5 Δ △ △ X 36 餘量 11 5 30 20 10 10 △ Δ X X 表1右側欄中，fab真球度係表示觀察結果，◎係、差值為1 ’以内，◦係差值為2"m以内，△係差值超過2_。 表1右侧欄t，真圓性離散度係表示標準偏差之數值，◎係 未滿 0· 8 ’ ◦係 0. 〇，△係 h 〇Μ. 5，χ 係超過 h 5。 表1右侧欄令，帛1焊球剪切係表示剪切負載值，◎係邮 以上’〇係12gf以上’ △係1〇 gf以上’未滿师或產生焊球 剝離之情形則以X表示。 表1右侧攔中’ HAST可靠性係表示相對於放置在HAST裝置 前電阻值之放置於HAST裝置後電阻值之上昇率，◎係娜以下， 〇係50%以下，X係超過50%。 由表1右欄所示結果可知，本發明引線係㈣焊球之真球度 2好’壓接焊球之真圓性良好1 !焊球之接合性良好，職可 靠性良好’相對於此’比較引線25〜31在此等特性中至少一項為 不良。 ‘ 、本發日狀接合線在高溫高濕之用途中，可於在被要求低 成本之1C雜或甚難使關接合線之IG _裝（層疊式1C、 ic) ’或者，車載用或高亮度LED用半導體等用途。

S 13 201233817 【圖式簡單說明】 第1 (A)圖係表示本發明Ag-Au-Pd三元合金系引線與鋁焊墊 接合界面之圖面；第1 (B)圖係表示本發明Ag引線與鋁焊墊 接合界面之圖面。 【主要元件符號說明】

Claims (1)

1. 201233817 七、申請專利範圍： 1.種銀金—纪二元合金系接合線’係由純度99. 99質量％以 上之銀、純度99. 999質量％以上之金及純度99, 99質量％ 以上之鈀所構成，其特徵在於：其由4〜1〇質量％之金、2 〜5質量％之鈀、15〜70質量ppm之氧化性非貴金屬添加元 素及餘量為銀所構成，該接合線在連續模具抽線前，經予退 火”’'處理，在連續模具抽線後，予以調質熱處理，使能於氮 氣氛圍氣體中進行焊球接合。 2·如申請專利範圍第1項所述之銀_金_鈀三元合金系接合線，其 中前述金係6〜9質量％，鈀係3〜5質量％。 3_如申請專利範圍第1項所述之銀-金巴三元合金系接合線，其 中刖述氧化性非貴金屬添加元素係鈣。 4. 如申請專利範圍第1項所述之銀-金-I巴三元合金系接合線，其 中則述氧化轉貴金屬添加元素係稀土類元素。 5. 如申請專利範圍» 1項所述之銀-金-把三元合金系接合線，其 中雨述氧化性非貴金屬添加元素係鋼。 6. 如申請專利範圍» 1項所述之銀-金-把三元合金系接合線，其 201233817 中前述退火熱處理係重複2次以上。 7.如申請專利範圍第1項所述之銀-金-鈀三元合金系接合線，其 中前述退火熱處理之溫度較前述調質熱處理之溫度高。 S 16