TW201816129A

TW201816129A - 半導體裝置用接合線

Info

Publication number: TW201816129A
Application number: TW107102564A
Authority: TW
Inventors: 小田大造; 大壁巧; 榛原照男; 山田隆; 小山田哲哉; 宇野智裕
Original assignee: 日商日鐵住金新材料股份有限公司; 日商新日鐵住金高新材料股份有限公司
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-05-01
Also published as: TWI621720B; TWI657154B; KR20190020175A; EP3382747A1; JP6400155B2; EP3382747B1; CN108292612B; DE112016005580T5; WO2017187653A1; KR20180059951A; CN108292612A; EP3382747A4; JP2017212457A; KR102040450B1; KR101955867B1; CN110527864A; TW201738391A

Abstract

本發明之課題在於提供一種於以Ag為主成分之半導體裝置用接合線中，實現球形接合部之充分且穩定之接合強度、於低線弧中亦不會發生頸部損傷、偏斜特性良好、FAB形狀良好之半導體裝置用接合線。為了解決上述課題，本發明之半導體裝置用接合線之特徵為總計含有0.031～0.180原子%之Be、B、P、Ca、Y、La、Ce之一種以上，進而總計含有0.05～5.00原子%之In、Ga、Cd之一種以上，其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。藉此，可成為充分地形成球形部接合界面之金屬間化合物層而確保球形接合部之接合強度、且低線弧亦不會發生頸部損傷、偏斜特性良好、FAB形狀良好之半導體裝置用接合線。

Description

半導體裝置用接合線

本發明係關於用以連接半導體元件上之電極與外部導線等之電路配線基板之配線而使用之半導體裝置用接合線者。

現在，作為接合半導體元件上之電極與外部導線之間之半導體裝置用接合線(以下亦有時稱為接合線，或僅稱為線)，主要使用線徑15～50 μm左右之細線。接合線之接合方法一般為超音波與熱壓接法並用，使用泛用之接合裝置、及將接合線通過其內部而連接之銲針夾具等。接合線之接合程序係如以下所述。首先，以電弧熱輸入將線前端加熱熔融，藉由表面張力形成球後，於150～300℃之範圍內於加熱之半導體元件之電極上壓接該球形部(以下稱為球形接合)。其次於形成線弧後，藉由將線部壓接(以下稱為楔形接合)至外部導線側之電極而完成。接合線之接合對象即半導體元件上之電極，大多使用於Si基板上成膜以Al為主體之合金膜之電極構造、對外部導線側之電極實施Ag鍍覆、Pd鍍覆等之電極構造。對於接合線要求優異之球形成性、球形接合性、楔形接合性、及線弧形成性等。作為綜合地滿足該等要求性能之接合線之材料，主要使用Au。然而，由於Au較高價，故期望使用材料費較低價之其他種類金屬。已有探討以Cu(銅)作為取代Au之低成本之線素材。由於與Au相比Cu較易於氧化，故於專利文獻1中，作為芯材與被覆層(外周部)之2層接合線，揭示於芯材使用Cu、於被覆層使用Pd(鈀)之例。 Cu線或Pd被覆Cu線於接合後之硬度較高，因而要求硬度較低之材料。作為具有與Au同等以上之電性傳導性、硬度低於Cu之元素，且進而具有抗氧化性之元素，舉出Ag(銀)。然而，使用Ag之接合線(以下、稱為Ag接合線)於高密度安裝中有接合可靠性或線弧之穩定性低之課題。接合可靠性評估係以評估實際之半導體器件之使用環境下之接合部壽命之目的而進行。一般而言於接合可靠性評估中使用高溫放置試驗、高溫高濕試驗。與使用Au之接合線(以下稱為Au接合線)相比，Ag接合線在高溫高濕試驗中具有球形接合部之壽命劣化之課題。於高密度安裝中，由於進行小球形接合故有助於接合之面積減少，故更加難以確保接合部之壽命。於專利文獻2中，揭示有以Ag為主體之Ag-Au-Pd三元合金系接合線。該接合線係於連續模抽絲前進行退火熱處理，於連續模抽絲後進行調質熱處理，於氮氣體環境中進行球形接合。藉此，即使係於高溫、高濕及高壓下之嚴酷之使用環境下使用，亦可維持與鋁墊之接觸可靠性。高溫高濕試驗一般使用於溫度121℃、相對濕度100%之條件下進行之稱為PCT(Pressure Cooker Test:壓力鍋測試)之試驗。近年來，作為進而嚴格之評估方法，多半使用於溫度130℃、相對濕度85%之條件下進行之稱為HAST(Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test：高加速溫度和濕度應力試驗)之試驗。高密度安裝用之半導體器件於假定動作環境之情形下，要求於HAST中經過300小時以上仍正常地動作。Ag接合線於HAST中球形接合部之壽命出現問題。將Ag接合線暴露於高溫高濕環境，會於球形接合部發生剝離，失去電性連接，而造成半導體器件之故障。於專利文獻3中，揭示一種總計含有0.05～5原子%之In、Ga、Cd之一種以上、且其餘部分包含Ag及不可避免之雜質之半導體裝置用接合線。藉此，可改善於高密度安裝所要求之接合可靠性。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]國際專利申請案再公開WO2002-23618號公報 [專利文獻2]日本專利特開2012-169374號公報 [專利文獻3]日本專利第5839763號公報

[發明所欲解決之問題] 在鄰接之接合線之間隔變窄之窄節距化不斷進展下，相應地對於接合線要求細線化、高強度化、線弧控制、接合性提升等。由半導體安裝之高密度化而使得線弧形狀複雜化。作為線弧形狀之分類，以線弧高度、接合線之線長度(跨度)為指標。於最新之半導體中，於一個封裝體內部，高線弧與低線弧、短跨度與長跨度等相反之線弧形成方式混搭之實例日益增加。於高密度安裝中，為了因應窄節距化，多半形成較通常更小之球而接合(小球接合)。接合線於小球接合之情形下亦要求球形接合部具充分且穩定之接合強度。又，為了進行球形接合，要求於接合線前端形成之FAB(free air ball：自由結球)形狀良好。由於多接腳、窄節距化，故於一個半導體裝置內進行線長、線弧高度不同之接線混搭。若形成線弧高度較低之低線弧，則易於發生接合部之頸部損傷。又，若窄節距化，則有時會發生球形直立部之偏斜不良。所謂偏斜不良是指球形接合附近之線直立部傾倒，而與鄰接線之間隔接近之現象。尋求改善低線弧特性及偏斜特性之線材料。本發明之目的在於提供一種於以Ag為主成分之半導體裝置用接合線中，既確保高密度安裝所要求之接合可靠性，且可實現球形接合部之充分且穩定之接合強度，於低線弧中亦不會發生頸部損傷，偏斜特性良好，且FAB形狀良好之半導體裝置用接合線。 [解決問題之技術手段] 即，本發明之主旨係如以下所示。 (1) 總計含有0.031原子%～0.180原子%之Be、B、P、Ca、Y、La、Ce之一種以上，進而含有0.05原子%～5.00原子%之In、Ga、Cd之一種以上，其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。 (2) 如上述技術方案(1)所記述之半導體裝置用接合線，其中進而總計含有0.01原子%～5.00原子%之Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au之一種以上。此處，Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au係取代上述Ag之一部分而包含。 (3) 如上述技術方案(1)或(2)所記述之半導體裝置用接合線，其中於將In、Ga、Cd之原子數之總計相對於金屬元素之原子數之總計之比設為第2元素原子比率時，自線表面朝深度方向0 nm～11 nm之區域(線表層部)之第2元素原子比率為自線表面朝深度方向1 nm～10 nm之區域(線表層下部)之第2元素原子比率之1.1倍以上。 (4) 如上述技術方案(1)至(3)中任一者所記述之半導體裝置用接合線，其中於將In、Ga、Cd之原子數之總計相對於金屬元素之原子數之總計之比設為第2元素原子比率時，自線表面朝深度方向0～10 nm之區域(線表面部)之第2元素原子比率為自線表面朝深度方向20 nm～30 nm之區域(線內部)之第2元素原子比率之2倍以上。 (5) 如上述技術方案(1)至(4)中任一者所記述之半導體裝置用接合線，其中與線軸垂直之剖面之平均結晶粒徑為0.2 μm～3.5 μm。 (6) 如上述技術方案(1)至(5)中任一者所記述之半導體裝置用接合線，其中測定上述接合線之包含線軸之與線軸平行之剖面之線軸方向之結晶方位之結果，上述接合線之相對於線軸方向角度差15度以下即＜100＞結晶方位之存在比率以面積率計為30%以上100%以下。 (7) 如上述技術方案(1)至(6)中任一者所記述之半導體裝置用接合線，其中總計含有2.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上。 [發明之效果] 本發明之半導體裝置用之Ag接合線係總計含有0.031原子%～0.180原子%Be、B、P、Ca、Y、La、Ce之一種以上，進而總計含有0.05原子%～5.00原子%In、Ga、Cd之一種以上，藉此可充分地形成球形部接合界面之金屬間化合物層而確保球形接合部之接合強度。進而，可設為於低線弧中亦不會發生頸部損傷，偏斜特性良好，FAB形狀良好之半導體裝置用接合線。

本發明係一種半導體裝置用接合線，其特徵為總計含有0.031原子%～0.180原子%之Be、B、P、Ca、Y、La、Ce之一種以上(以下亦稱為「第一元素群」)，更總計含有0.05原子％〜5.00原子％之In、Ga、Cd之一種以上(以下亦稱為「第二元素群」)，其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。另，於本說明書中，成分之含量(％)若無特別註明，則表示原子％。《第1元素群(Be、B、P、Ca、Y、La、Ce)》於將Ag接合線與Al電極球形接合時，於鋁電極與球形部之接合界面(以下稱為「球形部接合界面」)生成Ag-Al金屬間化合物。於本發明中，為了實現球形接合部之充分且穩定之接合強度，必須於球形部接合界面形成穩定之金屬間化合物層。然而，於使用先前之Ag接合線之情形時，球形部接合界面之金屬間化合物層之生成並不充分。對此，已知藉由於接合線中總計含有0.031原子%以上之Be、B、P、Ca、Y、La、Ce之一種以上(第1元素群)，可使球形部接合界面之金屬間化合物之覆蓋率超過90%。其結果，可獲得球形接合部之充分且穩定之接合強度。推斷藉由於0.031原子%以上0.180原子%以下之範圍含有第1元素群，於將Ag接合線與Al電極接合時，初期接合時之Ag與Al之親和性提高，而促進球形部接合界面之Ag-Al金屬間化合物生成。於第1元素群之元素未達0.031原子%之情形時，Ag-Al金屬間化合物未能充分生成，無法獲得充分之球形接合強度。另一方面，若含有超過0.180原子%第1元素群之元素，則FAB形狀惡化。第1元素群之元素含有量之下限較佳可為0.060原子%、更佳為0.090原子%。第1元素群之元素含有量之上限較佳可為0.180原子%，更佳為0.170原子%。於半導體裝置之線接合中，若進行線弧高度較低之低線弧接合，則容易於頸部發生損傷。其結果會有牽拉強度降低之情形。藉由於0.031原子%以上0.180原子%以下之範圍含有第1元素群之元素，於低線弧接合中可防止頸部之損傷，亦可穩定進行低線弧接合。推斷為接合線之球形部附近之熱影響部(HAZ(HAZ: Heat affected zone)部)之結晶細微化，因而降低低線弧接合之頸部之損傷。又，若將線接合窄節距化，則有時會發生球形直立部之偏斜不良。尤其由於Ag接合線硬度較低，故容易發生偏斜不良。藉由以0.031原子%以上0.180原子%以下之範圍含有第1元素群之元素，於窄節距化之情形亦可防止發生偏斜不良。推斷藉由於Ag接合線中含有第1元素群，線之斷裂強度增大，因而減少偏斜不良。進而，藉由以0.031原子%以上0.180原子%以下之範圍含有第1元素群之元素，可改善FAB形狀，降低FAB之偏芯或異形FAB之發生比率。《第2元素群(In、Ga、Cd)》將Ag接合線與Al電極球形接合，且於溫度為130℃、相對濕度為85%之條件下進行高溫高濕試驗(HAST試驗)後，將球形接合部之分配強度成為初期分配強度之1/3為止之時間評估為球形接合部壽命。於先前之不含有In、Ga、Cd之Ag接合線中僅可獲得未達150小時之球形接合部壽命。相對於此，本發明者們發現藉由總計含有0.05原子%以上In、Ga、Cd之一種以上(第2元素群)，可於相同之HAST試驗中獲得300小時以上之球形接合部壽命。另一方面，若總計含有超過5.00原子%之第2元素群之元素，則於接合步驟中之球形接合之時應力會集中而易於發生晶片損傷。因此，亦可將In、Ga、Cd之一種以上(第2元素群)設為總計5.00原子%以下。第2元素群之元素含有量之下限較佳可為0.10原子%，更佳為0.50原子%。第2元素群之元素含有量之上限較佳可為3.00原子%，更佳為2.00原子%。《第3元素群(Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au)》本發明者們發現藉由進而總計含有0.01原子%～5.00原子%之Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au之一種以上(以下亦稱為「第3元素群」)，可進而改善接合線之使用壽命。複合添加In、Ga、Cd之一種以上(第2元素群)之元素與接合力較強之元素即第3元素群對於歷時劣化有效。先前之接合線會隨著時間之經過而於表面吸附硫原子，而有球形形成性等之性能降低的情形。為了抑制接合線表面之硫原子之吸附(即、使抗硫化性提高)，以使接合線表面之活性降低之手法為有效。例如，只要能以硫之吸附能力比Ag低之元素置換接合線表面之Ag原子即可。由於在本發明之Ag接合線之表面存在In、Ga、Cd(第2元素群)，故可藉由添加與該等元素接合力較強之元素而進一步有效地提高抗硫化性。即，本發明之Ag接合線藉由含有Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au之一種以上(第3元素群)而可提高抗硫化性，且可改善接合線之使用壽命。於第3元素群元素之含有量為未達0.01原子%之情形時無法期待上述之效果。於第3元素群元素之含有量為超過5.00原子%之情形時，因向線表面之電弧放電所致之熱輸入會變得不穩定，而無法獲得真球度較高之球形，故不適於實際應用。較佳為若第3元素群元素之含有量為0.5原子%～3.00原子%則可獲得較高之效果。因為如此可進一步抑制因電弧放電所致之熱輸入之偏差。接合線中所含之元素之含有量分析，可使用ICP(Inductively Coupled Plasma：電感耦合電漿)發光分光分析裝置等。於接合線之表面吸附有氧或碳等之元素之情形時，亦可於進行解析前以濺鍍等自表面削去2 nm之區域後測定含有量。或，亦可酸洗線表面而測定含有量。《線表面合金濃度梯度之楔形接合性改善》本發明之Ag接合線較佳為接合線表面部(自接合線之表面朝深度方向0～10 nm之區域)之In、Ga、Cd(第2元素群)之原子數之總計相對於該區域之金屬元素之原子數之總計之比即第2元素原子比率，為接合線內部(自接合線表面朝深度方向20 nm～30 nm之區域)之第2元素原子比率之2倍以上。藉此可改善楔形接合性。關於該第2元素原子比率之接合線表面部與內部之比率之上限並未特別限定，但即使為4倍亦無太大問題。即，第2元素原子比率係定義為In、Ga、Cd(第2元素群)之原子數之總計相對於某區域之金屬元素之原子數之總計之比。第2元素原子比率=(In、Ga、Cd之原子數之總計)/(金屬元素之原子數之總計) 自接合線表面朝向線之中心軸(線軸)之半徑方向(以下亦稱為深度方向)之含有量分析可使用歐傑電子分光分析裝置。首先，一面藉由濺鍍等自接合線之表面進行削去一面進行含有量測定，取得深度方向之含有量分佈。只要將取得含有量分佈之對象之元素設為例如Ag與以第1～3元素群添加之元素即可。自線表面相對於深度方向而分為0～10 nm之區域、20～30 nm之區域(以下，亦稱為深度0～10 nm、深度20～30 nm等)，求出各區域之各元素之平均濃度，設為各區域之各元素之濃度。於楔形接合中，由於使接合線變形而確保接合面積，故接合線之表面部越軟質則越容易確保接合面積，可獲得較高之接合強度。因此，相對於接合線之內部，於接合線之表面部使較Ag更軟質之元素濃化之技術為有效。此處，將自線表面深度20～30 nm之區域(線內部)設為接合線之內部，將自線表面深度0～10 nm之區域(線表面部)設為接合線之表面部，以下進行說明。若接合線表面部之第2元素原子比率為接合線內部之第2元素原子比率之2倍以上，則於楔形接合可獲得較高之接合強度。即，若將深度0～10 nm之第2元素原子比率設為X_{0-10 nm} 、將深度20～30 nm之第2元素原子比率設為X_{20-30 nm} 、若X_{0-10 nm} /X_{20-30 nm} ≧2成立，則於楔形接合部可獲得較高之接合強度。於X_{0-10 nm} /X_{20-30 nm} ＜2之情形時，無法期待上述效果。《接合線之製造方法》對接合線之製造方法進行說明。接合線係使用模具而連續地進行抽絲加工等。此時，重複進行200℃～500℃之中間熱處理與抽絲加工，加工至達到最終線徑為止。此處，藉由將200℃～500℃之中間熱處理之次數進行3次以上，可將線表面部之第2元素原子比率相對於線內部之第2元素原子比率而提高2倍以上。較佳為中間熱處理溫度係於第1次為200℃～330℃、第2次為250℃～400℃，第3次以後為350℃～500℃之範圍內進行更為有效。其原因在於，藉由上述之熱處理，使添加之元素擴散至接合線之表面。《藉由改善線結晶粒徑而改善線之抽出性》本發明之Ag接合線進而較佳為其與線軸垂直之剖面之平均結晶粒徑為0.2 μm～3.5 μm。藉此可改善線之抽出性。此處所謂之線軸係通過接合線之剖面中心、與長度方向平行之軸(亦稱為線中心軸)。使線剖面露出之方法可利用例如機械研磨、離子蝕刻法等。求出平均結晶粒徑之方法可使用例如背散射電子繞射法(EBSD: Electron Backscattered Diffraction)。EBSD法可藉由求出相鄰之測定點間之結晶方位差，判定結晶晶界。將結晶晶界係將方位差15度以上者定義為大傾角晶界，將由大傾角晶界包圍之區域作為1個結晶粒。藉由專用之解析軟體(例如、TSL Solutions公司製造OIM analysis等)算出結晶粒之面積，將結晶粒徑作為將其面積假定為圓時之直徑。於將接合線接合時，自捲繞於稱為捲筒之圓柱狀之夾具之狀態將接合線每次抽出少量使用。進行抽出時會對接合線於線軸方向施加張力，故有接合線變形而線徑變細之虞。為了防止此種現象，必須確保相對於作用於與線軸垂直方向之剪切應力之強度。作為確保相對於剪切應力之強度之方法，縮小與線軸垂直之剖面之結晶粒徑為有效。於本發明中，藉由與接合線之線軸垂直之剖面之平均結晶粒徑為0.2 μm～3.5 μm可獲得較高之抽出性能。於平均結晶粒徑超過3.5 μm時，因拉伸應力會造成線局部變形，故無法獲得上述之效果。於上述平均結晶粒徑未達0.2 μm時，接合線硬質化超過所需程度，故與銲針之接觸部之磨損加劇，故不適於實際應用。較佳為若上述平均結晶粒徑為0.4 μm～3.0 μm則可獲得較高之效果。若為0.5 μm～2.5 μm更佳。如上述般，於使用模具而連續進行抽絲加工等時，藉由重複進行200℃～500℃之中間熱處理與抽絲加工，加工至達到最終線徑為止。此處，藉由將實施中間熱處理之線徑設為φ50 μm～φ100 μm以上，可將與線軸垂直之方向之剖面之平均結晶粒徑控制為0.2 μm～3.5 μm。此係由於可控制再結晶時之結晶粒成長之效果所致者。《線軸方向結晶方位與楔形接合性改善》於測定接合線之包含線軸之與線軸平行之剖面(線中心剖面)之結晶方位時之測定結果中，接合線之相對於線軸方向角度差為15度以下即＜100＞結晶方位之存在比率(以下，亦稱為＜100＞存在比率)以面積率計較佳為30%以上100%以下。藉此可進而改善楔形接合性。關於楔形接合性，於接合線之線中心剖面中，藉由使＜100＞存在比率增加可促進接合部之變形，獲得較高之接合強度。為了獲得上述效果，只要＜100＞存在比率佔30%以上即可。於＜100＞存在比率未達30%時，接合部之變形不充分，於楔形接合部中無法獲得較高之接合強度。作為使接合線之剖面露出之方法，可利用機械研磨、離子蝕刻法等。接合線之剖面之結晶方位可使用EBSD法而決定。＜100＞存在比率可藉由算出接合線之相對於線軸方向之角度差為15度以下即具有＜100＞結晶方位之區域相對於使用EBSD之結晶方位之測定區域之面積所佔面積之比率而求出。上述測定區域只要為線中心剖面，且線軸方向長度為100 μm即可。於使用模具連續地進行抽絲加工等時，藉由重複進行中間熱處理與抽絲加工，加工至達到最終線徑為止。此處，藉由將抽絲時之線進給速度設為200 m/分鐘～300 m/分鐘，將中間熱處理之溫度設為200℃～300℃，可使＜100＞存在比率增加至30%以上。另，本技術於進行複數次中間熱處理之情形下亦有效。《線表面合金濃度梯度與銲針使用壽命改善》抽出接合線時之摩擦會磨損銲針之內部。相對於此，藉由控制接合線之表面之組成，可使接合線之表面之強度降低，使銲針與接合線間之摩擦力降低，而可改善銲針之使用壽命。為了使線表面強度降低，只要增多線表面之In、Ga、Cd之至少一種元素之含有量即可。即，線表層部(自接合線之表面深度0～1 nm之區域)之第2元素原子比率為線表層下部(自接合線之表面深度1 nm～10 nm之區域)之第2元素原子比率之1.1倍以上即可。藉此，可改善銲針之使用壽命。關於該第2元素原子比率之接合線表層部與表層下部之比率之上限並未特別限定，但即使為2倍亦無問題。即，若將線表層部之第2元素原子比率設為X_{0-1 nm} ，將線表層下部之第2元素原子比率設為X_{1-10 nm} ，若X_{0-1 nm} /X_{1-10 nm} ≧1.1，可獲得優異之銲針之使用壽命。於X_{0-1 nm} /X_{1-10 nm} ＜1.1之情形時，無法期待上述效果。抽絲加工後之線係以斷裂延伸最終成為特定之值之方式進行最終熱處理。此處，藉由於最終熱處理後將追加熱處理以350℃～500℃實施0.2秒～0.5秒，可相對於線表層下部之第2元素原子比率，將線表層部之第2元素原子比率設為1.1倍以上。 [實施例] 以下，對實施例詳細地進行說明。使用成為原材料之Ag純度為99.9原子%以上且其餘部分由不可避免之雜質構成者。Be、B、P、Ca、Y、La、Ce、Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au、In、Ga、Cd係使用純度為99.9原子%以上且其餘部分由不可避免之雜質構成者。製造具有表1-1、表1-2所示之成分組成之Ag接合線。使用於接合線之Ag合金係於加工為直徑為φ3 mm～φ6 mm之圓柱型之碳坩鍋裝填原料，使用高頻爐，於真空中或N₂ 、Ar氣體等之惰性氣體環境中加熱至1080℃～1600℃而使其熔解。其後，進行爐冷或空冷。對製得之Ag合金，進行拉拔加工而加工至φ0.9 mm～φ1.2 mm後，使用模具連續進行抽絲加工等，藉此製作φ300 μm～φ600 μm之線。此時，於線表面吸附有氧或硫之情形時，進行藉由鹽酸等之酸洗處理。其後，藉由重複進行200℃～500℃之中間熱處理與抽絲加工而將最終線徑加工至φ15 μm～φ25 μm。抽絲使用市售之潤滑液，將抽絲時之線進給速度設為20 m/分鐘～300 m/分鐘。中間熱處理係於Ar氣體環境中連續通過線。將中間熱處理時之線之進給速度設為20 m/分鐘～200 m/分鐘。此處，藉由變更200℃～500℃之中間熱處理之次數，相對於自線表面深度20～30 nm之第2元素原子比率，調整0～10 nm之區域之第2元素原子比率之比(X_{0-10 nm} /X_{20-30 nm} )。中間熱處理之次數越為增加，越可提高X_{0-10 nm} /X_{20-30 nm} 。作為較佳之條件，以中間熱處理溫度於第1次為200℃～330℃、第2次為250℃～400℃、第3次以後為350℃～500℃之範圍進行。藉由該等熱處理，添加之元素便會擴散至接合線之表面。又，藉由分配實施中間熱處理之線徑，調整線之平均結晶粒徑。作為較佳之條件，將實施中間熱處理之線徑設為φ50 μm～φ100 μm以上，藉此將與線軸垂直之方向之剖面之平均結晶粒徑設為0.2 μm～3.5 μm。此乃利用可控制再結晶時之結晶粒成長之效果者。進而藉由調整抽絲時之線進給速度與中間熱處理之溫度，調整＜100＞存在比率。作為較佳之條件，藉由將抽絲時之線進給速度設為200～300 m/分鐘，將中間熱處理之溫度設為200～300℃而使＜100＞存在比率增加30%以上。另，本技術於進行複數次中間熱處理之情形亦有效。實施最終熱處理以使抽絲加工後之線最終斷裂延伸約9～15%。最終熱處理係以與中間熱處理相同之方法進行。最終熱處理時之線之進給速度係與中間熱處理相同地設為20 m/分鐘～200 m/分鐘。最終熱處理溫度為200℃～600℃且熱處理時間為0.2秒～1.0秒。此處，針對實施例之一部分，藉由於最終熱處理後以350℃～500℃實施0.2秒～0.5秒之追加熱處理，將自線表面深度0～1 nm(線表層部)之第2元素原子比率相對於深度1～10 nm(線表層下部)之第2元素原子比率(X_{0-1 nm} /X_{1-10 nm} )控制為1.1倍以上。接合線中所含之元素之濃度分析係藉由ICP發光分光分析裝置進行。於在接合線之表面吸附有氧或碳等元素之情形時，於進行解析前以濺鍍等自表面削去2 nm之區域後進行濃度測定。藉由歐傑電子分光分析裝置自接合線之表面進行深度方向之濃度分析。首先，一面藉由濺鍍等自接合線之表面進行削去一面進行濃度測定，取得深度方向之濃度分佈。例如，只要將取得濃度分佈之對象之元素設為Ag與以第1～3元素群添加之元素即可。分為自線表面深度0～1 nm之區域(線表層部)、1 nm～10 nm之區域(線表層下部)、0～10 nm之區域(線表面部)、20 nm～30 nm(線內部)之區域，決定各區域中之各種元素之含有量。於以歐傑電子分光分析裝置評估包含線表面之區域(於該情形時為自線表面深0～10 nm之區域及自線表面深20 nm～30 nm之區域)時，亦分析附著於線表面之碳等之非金屬元素。因此，於將分析之全部的元素作為分母而算出合金元素含有量時，實際上評估為線之表面附近較線中含有之合金元素含有量為更少之值。此處，於評估包含線表面之表面附近(以下、亦稱為表面附近)之合金元素含有量時，僅使用作為分母而分析之金屬元素之總計，將非金屬元素自分母排除。藉此，可無誤差地評估線表面附近之合金元素含有量。且，若將線表面部之金屬元素之相對於總計原子數之In、Ga、Cd之第2元素原子比率設為X_{0-10 nm} ，將線內部之第2元素原子比率設為X_{20-30 nm} ，將其比即X_{0-10 nm} /X_{20-30 nm} 作為「表層組成比1」而顯示於表2-1、表2-2。又，若將線表層部之金屬元素之相對於總計原子數之選自In、Ga、Cd之中至少1種以上之元素之第2元素原子比率設為X_{0-1 nm} 、將線表層下部之第2元素原子比率設為X_{1-10 nm} ，將其比即X_{0-1 nm} /X_{1-10 nm} 作為「表層組成比2」而顯示於表2-1、表2-2。於與線軸垂直方向之剖面之平均結晶粒徑之評估中，使線剖面露出之方法係藉由機械研磨進行。使用EBSD，求出相鄰之測定點間之結晶方位差，將方位差為15度以上者定義為大傾角晶界，將由大傾角晶界包圍之區域作為1個結晶粒。藉由專用之解析軟體算出結晶粒徑，且將其面積作為假定為圓時之直徑，顯示於表2-1、表2-2之「平均結晶粒徑」之欄。於與線軸平行之剖面之結晶方位之評估中，使用機械研磨作為使接合線之剖面露出之方法。使用EBSD法評估接合線之剖面之結晶方位。＜100＞存在比率係藉由相對於使用EBSD之結晶方位之測定區域之面積，算出接合線之相對於線軸方向而角度差15度以下即具有＜100＞結晶方位之區域所佔之面積之比例而求出，且顯示於表2-1、表2-2之「結晶方位比」之欄。上述測定區域係包含線軸之與線軸平行之剖面，且將長邊方向設為線軸方向且為100 μm以下，將短邊方向設為線整體(與線直徑大致相同之長度)。用以進行球形接合部之各種評估之樣本係於一般之金屬框架上之Si基板上成膜厚度1.0 μm之Al膜之電極上，使用市售之引線接合器進行球形接合而製作。球係由N₂ +5%H₂ 氣體以流量0.4L/min～0.6L/min一面流動一面形成，將球徑設為相對於導線線徑1.5倍～1.6倍之範圍。對進行球形接合後之球形部接合界面(Al電極與球形部之接合界面)之Ag-Al金屬間化合物層之評估方法進行說明。形成於球形部接合界面之金屬間化合物層因其層之厚度非常薄，故即使以顯微鏡亦難以直接觀察。因此於本發明採用之評估中，對進行球形接合後之樣本進行180℃×4小時之熱處理。藉由該熱處理，球形部接合界面中、就形成金屬間化合物層之部分，該金屬間化合物進而成長而變得能夠以光學顯微鏡進行評估。另一方面，於球形部接合界面中、就接合時未形成金屬間化合物層之部分，即使進行熱處理亦不會新形成金屬間化合物。因此，即使進行180℃×4小時之熱處理，金屬間化合物層之範圍亦不會變化，變得更易於觀察，故可確實地進行評估。針對評估，於進行熱處理後將接合線與球形部酸溶解而使球形部接合界面露出，以光學顯微鏡觀察露出之球形部接合界面之Ag-Al金屬間化合物，藉由圖像解析求出金屬間化合物形成面積率。此處所謂金屬間化合物形成面積率係金屬間化合物之面積相對於球形部接合界面之全面積所佔之比率(%)。若金屬間化合物形成面積率為80%以下則為×(不可)，80%以上90%以下為△(可)，90%以上95%以下為○(良)、95%以上為◎(優)。○與◎為合格。將結果顯示於表2-1、表2-2之「金屬化合物層形成性」之欄。針對低線弧特性，於評估用之引線框架上以線弧長1 mm、線弧高度60 μm接合100條。其次，以SEM(Scanning Electron Microscope：掃描式電子顯微鏡)評估球形接合部有無頸部損傷。於球形接合部之頸部部分產生龜裂、或頸部部分變形因而線變細之情形時，為有頸部損傷。10條中，有3條以上頸部損傷為×(不可)，2條為△(可)，1條為○(良)，0條為◎(優)。○與◎為合格。將結果顯示於表2-1、表2-2之「低線弧特性」之欄。針對偏斜評估，於評估用之引線框架上以線弧長5 mm、線弧高度0.5 mm接合100條。作為評估方法，自晶片水平方向觀察線直立部，以通過球形接合部之中心之垂線與線直立部之間隔為最大之時之間隔(偏斜間隔)進行評估。於偏斜間隔小於線徑之情形時判斷為偏斜良好，於較大之情形時因直立部傾斜故判斷為偏斜不良。以光學顯微鏡觀察100條接合之線，計算偏斜不良之條數。將不良為0條設為◎(優)、1～3條設為○(良)、4～5條設為△(可)、6條以上設為×(不可)。○與◎為合格。將結果顯示於表2-1、表2-2之「偏斜特性」之欄。關於FAB形狀，以市售之引線接合器於接合線形成球形接合用之球(FAB)，於該狀態下使用SEM觀察FAB形狀。合計形成100個FAB而進行評估。將真球狀者設為良好，將偏芯、異形者設為不良。將不良為0個設為◎(優)，1～5個為○(良)，6～10個為△(可)，11個以上為×(不可)。○與◎為合格。將結果顯示於表2-1、表2-2之「FAB形狀」之欄。接合可靠性評估用之樣本係於進行上述球形接合後，藉由市售之環氧樹脂加以封裝製作。高溫高濕環境下之接合可靠性係使用不飽和型壓力鍋試驗機，藉由暴露於溫度130℃、相對濕度85%之高溫高濕環境時之球形接合部之接合壽命而判定。球形接合部之接合壽命係設為每實施100小時球形接合部之剪切試驗，剪切強度之值設為於初期獲得之剪切強度之1/3之時間。高溫高濕試驗後之剪切試驗係自藉由酸處理去除樹脂而使球形接合部露出後進行。剪切試驗機係使用DAGE公司製造之微小強度試驗機。剪切強度之值係使用隨意選擇之球形接合部之10個部位之測定值之平均值。於上述之評估中，若接合壽命為未達300小時則判斷為實用實際應用上有問題且標示為×(不可)，若為300以上未達500小時則判斷為實際應用上無問題且標示為△(可)，若為500小時以上則判斷為相當優異且標示為○(良)，若為1000小時以上則標示為◎(優)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「HAST」之欄。晶片損傷性能之評估係藉由對上述進行球形接合後之樣本，以光學顯微鏡觀察球形接合部正下方之Si基板而進行。將於Si基板上可觀察到裂縫之情形判定為不良。觀察100個部位，若不良為1個部位以上則判斷為實際應用上有問題而為×(不可)，於完全未發生不良則判斷為特別優異且標示為○(良)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「晶片損傷」之欄。接合線之使用壽命之評估係將接合線於大氣環境下放置一定期間後，評估能否進行接合、且形成良好之球、能否於球形接合部及楔形接合部獲得良好之接合狀態。球形成之判定係以光學顯微鏡觀察100個球，若有5個以上真球度較低之球或於表面具有凹凸之球，則判定為不良。球之形成條件係使用N₂ +5%H₂ 氣體，將氣體流量設為0.4～0.6 L/min、將球之直徑設為引線線徑之1.5～1.6倍之範圍。於球形接合部及楔形接合部是否獲得良好之接合狀態之判定係使用市售之引線接合器連續進行1000次之接合而判定。以光學顯微鏡觀察球形接合部或楔形接合部，將發生3條以上剝離等不良之情形判定為不良。若放置期間未達12個月且發生上述之任一者之不良之情形，判斷為實際應用上有問題且標示為×(不可)，若於放置期間為經過12個月後未達18個月之期間發生不良之情形則判斷為實際應用上無問題且標示為△(可)，若於放置期間為經過18個月後未達24個月之期間發生不良之情形則判斷為優且標示為○(良)，若放置期間為經過24個月後而完全未發生不良則判斷為特優且標示為◎(優)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「使用壽命」之欄。楔形接合性之評估係藉由使用實施Ag鍍覆之一般金屬框架，使用市售之引線接合器進行楔形接合、觀察楔形接合部而進行。接合條件係使用一般使用之接合條件。以光學顯微鏡觀察50條楔形接合部，於接合部若接合線之剝離為5個以上則判斷為實際應用上有問題且標示為×(不可)，若剝離為3～4個則判斷為使用上無問題且標示為△(可)，若剝離為1～2個則判斷為優且標示為○(良)，若完全未發生不良則判斷為特優且標示為◎(優)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「楔形接合性」之欄。接合線之抽出性能之評估係藉由於一般之接合條件下進行接合後，以掃描型顯微鏡觀察線弧部分之接合線，測定直徑而求出相對於接合前之接合線之直徑之減少率而進行。若減少率為80%以下則判定為不良。觀察30條接合線，若不良為5條以上則判斷為實際應用上有問題且標示為×(不可)，若不良為3～4條則判斷為實際應用上無問題且標示為△(可)，若不良為1～2條則判斷為優且標示為○(良)，若完全未發生不良則判斷為特優且標示為◎(優)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「線抽出性能」之欄。銲針之使用壽命係於使用前後觀察銲針之前端之孔，藉由銲針之前端之孔之磨損量進行評估。將接合條件設為一般之條件，觀察將接合線接合3000次後之銲針，將即使實際應用上無問題亦確認出磨損之情形標示為△(可)，若無磨損則標示為○(良)，進而觀察10000次接合後之銲針，若無磨損則判斷為優且標示為◎(優)。將結果顯示於表2-1、表2-2之「銲針使用壽命」之欄。 [表1-1][表1-2][表2-1][表2-2]表1-1、表1-2、表2-1、表2-2之本發明例No.1～46為本發明例。本發明例No.1～46係於任一者之品質指標中均可獲得良好之結果。表1-2、表2-2之比較例No.101～117為比較例。又，於比較例中就評估欄為空欄者未進行評估。比較例No.101～103不含有第1元素群，比較例No.111～113係第1元素群之含有量超出本發明之下限，比較例No.114～117係第1元素群之含有量超出本發明之上限，其任一者之金屬間化合物層形成性、低線弧特性、偏斜特性、FAB形狀皆不良。比較例No.104～107係第2元素群之含有量超出本發明之下限，HAST成績不良。比較例No.108～110係第2元素群之含有量超出本發明之上限，晶片損傷性能不良。 [產業上之可利用性] 本發明可使用於半導體裝置。即，本發明之接合線係用以連接半導體元件上之電極與外部導線等之電路配線基板之配線而使用。

Claims

一種半導體裝置用接合線，其特徵在於含有0.031原子%以上0.045原子%以下之P，或總計0.031原子%以上0.045原子%以下之Be、B、Ca、Y、La、Ce之一種以上及P，且進而含有總計0.05原子%以上5.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上，其餘部分包含Ag及不可避免雜質。
如請求項1之半導體裝置用接合線，其進而含有總計0.01原子%以上5.00原子%以下之Ni、Cu、Rh、Pd、Pt、Au之一種以上。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其中與線軸垂直之剖面之平均結晶粒徑為0.2 μm以上3.5 μm以下。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其中測定上述接合線之包含線軸之與線軸平行之剖面之線軸方向之結晶方位之結果，上述接合線之相對於線軸方向角度差為15度以下即＜100＞結晶方位之存在比率，以相對於測定區域之面積，具有接合線之相對於線軸方向角度差為15度以下即＜100＞結晶方位之區域所佔面積之比率計，而為30%以上100%以下。
如請求項3之半導體裝置用接合線，其中測定上述接合線之包含線軸之與線軸平行之剖面之線軸方向之結晶方位之結果，上述接合線之相對於線軸方向角度差為15度以下即＜100＞結晶方位之存在比率，以相對於測定區域之面積，具有接合線之相對於線軸方向角度差為15度以下即＜100＞結晶方位之區域所佔面積之比率計，而為30%以上100%以下。
如請求項1或2之半導體裝置用接合線，其中總計含有2.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上。
如請求項3之半導體裝置用接合線，其中總計含有2.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上。
如請求項4之半導體裝置用接合線，其中總計含有2.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上。
如請求項5之半導體裝置用接合線，其中總計含有2.00原子%以下之In、Ga、Cd之一種以上。