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TWI428455B - 銀金鈀三元合金系接合線 - Google Patents

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TWI428455B
TWI428455B TW100129493A TW100129493A TWI428455B TW I428455 B TWI428455 B TW I428455B TW 100129493 A TW100129493 A TW 100129493A TW 100129493 A TW100129493 A TW 100129493A TW I428455 B TWI428455 B TW I428455B
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Description

銀金鈀三元合金系接合線
本發明係有關於一種非常適合使用於半導體裝置之IC晶片電極與外部導腳等之基板連接的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。
長久以來，連接半導體裝置之IC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用熱壓接接合法，與IC晶片電極上之純鋁(Al)焊墊或鋁合金焊墊連接，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。這種純鋁(Al)焊墊或鋁合金焊墊，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9-272931號公報開示有「一種在重量上使Ag為10～60%，使Mn為0.005～0.8%，使Cu、Pd、Pt至少一種合計為0.005～5%，而且使Ca、Be、La、Ce、Y至少一種合計為0.0002～0.03%，剩下部份為金及不可避免不純物所構成之半導體元件用金合金細線」。
又，在日本特開2000-150562號公報開示有「一種由含有Ag：1～50wt.%，Pd：0.8～5 wt.%，Ti：0.1～2 wt.ppm，而且含有Ca、Be、La中一種或兩種以上：1～50 wt.ppm，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熔融焊球。
但是，當欲使銀(Ag)含量超過60%之Ag-Au-Pd三元合金系接合線，在大氣中接合時，在熔融焊球表面會析出氧化物，無法連接在鋁合金焊墊等。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60%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1」)中，開示有「在比再結晶溫度還要高溫之溫度進行熱處理過之Ag-Pd合金、Au-Ag-Pd合金等之線體」，在日本特開2010-171378號公報中，開示有一種藉抽線加工，使線徑為0.050mm～0.010mm之含有8.00～30.00重量%金、66.00～90.00重量%銀及0.01～6.00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，僅能以超音波進行楔接合連接。
又，被樹脂封裝之半導體裝置在高溫之嚴酷使用環境下，當使用於被要求很高可靠性之車載用IC，或者，動作溫度很高之高週波用IC或高亮度LED等時，在進行過最終退火熱處理之Ag-Au-Pd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三元合金系接合線尚未實用化。
[先行技術文獻]
[專利文獻1]　日本專利特開平3-74851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]　日本專利特開2000-150562號公報
本發明之目的在於提供一種被樹脂封裝之半導體裝置，即使在高溫、高濕及高壓之嚴酷使用環境下被使用，亦能維持與鋁焊墊之良好連接可靠性且使用於焊球接合用之Ag-Au-Pd三元合金系接合線。
本發明人等著眼於Ag-Au-Pd三元合金系接合線，不致如銅(Cu)系接合線般地發生氧化，在氮氣氛圍氣體中，對鋁焊墊接合之高溫連接可靠性曾進行調查。此氮氣氛圍氣體，即使為不完全密閉的氮氣氛圍氣體，又，即使不使用氮氣與氫氣之混合氣體，在熔融焊球形成時，僅藉吹入氮氣，即可獲得真球度甚高的無氣體焊球(FAB)。
又，本發明人等添加微量的氧化性非貴金屬元素至高純度Ag-Au-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，Ag-Au-Pd三元合金結晶粒不致粗大化，使加工扭曲變形可予去除，在連續模具抽線後的接合線內僅殘留抽線組織。
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質量%以上之銀(Ag)、純度99.999質量%以上之金(Au)及純度99.99質量%以上之鈀(Pd)所構成的三元合金系接合線，其特徵在於：其由4～10質量%之金(Au)、2～5質量%之鈀(Pd)、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前，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4～10質量%之金(Au)、2～5質量%之鈀(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，係因為明白當與純鋁(Al)焊墊或鋁合金焊墊連接時，在大氣中形成的銀(Ag)與鋁(Al)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)與鋁(Al)間不會形成金屬間化合物，而且，具有在第1接合時，使熔融焊球以真圓狀接合之效果。在本發明中，使金(Au)為4～10質量%之原因在於：當超過10質量%時，熔融焊球之形成溫度變成過高，會形成氧化性非貴金屬元素之氧化物，無法獲得FAB之真球度，當未滿4質量%時，熔融焊球變得不穩定，無法確保FAB之真球度。金(Au)以6～9質量%之範圍內為宜。
又，在本發明中，鈀(Pd)具有在第1接合時，阻止銀(Ag)與鋁(Al)之金屬間化合物形成之效果，而且具有半導體元件在高溫高濕環境下使用時，抑制銀(Ag)與鋁(Al)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Ag2 Al。
此Ag2 Al與焊球之界面在含有水分之環境下會腐蝕，生成Ag與Al2 O3 。在本申請案之Ag-Au-Pd+微量添加元素α之情形下，在Ag2 Al與焊球間會生成Ag2 Al與Pd濃化層，能抑制Ag2 Al之腐蝕。
如第1圖示意圖所示，當為銀接合線時，於經予接合的焊球與鋁焊墊之界面上，會形成Ag2 Al金屬間化合物，在含有水分之環境下，腐蝕會進行(參考第1(B)圖)。
相對於此，在本發明之Ag-Au-Pd三元合金接合線之情形下，如第1(A)圖所示，相同地在焊球接合界面上，雖然會形成Ag2 Al金屬間化合物，但是，Au與Pd之相溶性良好，在焊球側會形成Au2 Al與Pd濃化層以抑制鋁之腐蝕，剪力強度及HAST可靠性顯著提高。
使鈀(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的熔融焊球會變得太硬，當未滿2質量%時，無法確保抑制銀(Ag)與鋁(Al)之金屬間化合物劣化之效果。鈀(Pd)以於3～5質量%範圍內為宜。
(氧化性非貴金屬添加元素)
在本發明中，氧化性非貴金屬添加元素係15～70質量ppm。在本發明中，雖然銀(Ag)之純度為99.99質量%以上，但是實質上，不可避免不純物為20ppm左右。該不可避免不純物亦也與氧化性非貴金屬添加元素一同細微分散於Ag-Au-Pd三元合金中，藉銷釘固定(bobby pin)作用，發揮防止Ag-Au-Pd三元合金結晶粒粗大化之效果。氧化性非貴金屬添加元素之主要效果，在於提高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元素最多為70質量ppm以下時，即使將Ag-Au-Pd三元合金在大氣中退火熱處理，於合金表面不會產生較厚的氧化膜以變色。氧化性非貴金屬添加元素宜為20～60ppm，較宜為20～50 ppm。
至於氧化性非貴金屬添加元素，則有鈣(Ca)、稀土類元素(Y、La、Ce、Eu、Gd、Nd及Sm)、鈹(Be)、鎂(Mg)、錫(Sn)、銦(In)、鉍(Bi)。宜為鈣(Ca)及稀土類元素，以鑭(La)及鈹(Be)為尤宜。
(退火熱處理)
本發明中之退火熱處理，係用於去除由Ag-Au-Pd三元合金抽線加工而引起的加工扭曲變形，以防止加工龜裂。氧化性非貴金屬添加元素必須事先細微分散入Ag-Au-Pd三元合金內，所以在熱處理中，溫度無法提高至接近Ag-Au-Pd三元合金融點(約1000℃)。通常，係在500℃加熱2小時、在600℃加熱30分鐘或在700℃加熱100分鐘左右。在退火熱處理後，藉由施加抽線加工，在接合線會形成抽線組織。因此，宜為於最終的連續抽線前，事先實施退火熱處理。又，當重複退火熱處理時，接合線之抽線組織會變緻密，所以，雖然宜為重複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)
本發明之調質熱處理，與金線之情形同樣地，係在管狀爐中，調整溫度及速度後，使於拉伸破壞試驗機進行拉伸時調整至成為4%之熱處理。通常係在500℃加熱2秒鐘左右。
如上所述，本發明之接合線用Ag-Au-Pd合金線係在氮氣氛圍氣體中，進行第1接合，所以，熔融焊球與純鋁(Al)焊墊或鋁合金焊墊之接合性良好，能確保壓接焊球之真圓性，又，即使使用於高溫高濕下之半導體裝置，鋁(Al)之金屬間化合物於第1接合之接合界面上，粗大化不會有進展，能確保穩定的接合可靠性。而且，由本發明Ag-Au-Pd合金所構成的接合線係機械性質較軟，所以測平度(leaning)或環套高度方面並無離散度(dispersity)，而且，具有由超音波接合而得的第2接合接合強度離散度校少的效果。
 [實施例]
熔解鑄造具有表示於表1左欄成分組成之Ag-Au-Pd合金，抽線加工由直徑10mm至直徑3mm，在600℃退火熱處理30分鐘，接著，抽線加工至直徑0.1mm，在600℃退火熱處理30分鐘。其後，以濕式進行最終的連續抽線，藉此，製造具有20μm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)1～27及不進入本發明組成範圍之比較品的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1～27及比較接合線28～36在Kulicke & Soffa製接合線接合機(商品名：Maxμm ultra)上，在載置於半導體IC晶片之由Al-0.5質量%Cu合金所製成50μm四方形Al合金焊墊上，製作在氮氣氛圍氣體吹拂下，目標38μm之FAB，在加熱溫度為200℃，環套長度為5mm，環套高度為220μm，壓接焊球直徑為48μm，壓接焊球高度為14μm之條件下進行接合，以進行FAB真球度、真圓性之離散度、第1焊球剪切及HAST可靠性之評估。
〈FAB真球度之評估方法〉
對於各種合金組成，以接合機製作100個FAB，測量FAB之X(與接合線成垂直方向)及Y(接合線方向)之長度，藉由其差值予以評估。此等評估結果示於表1右側欄。
〈真圓性離散度之評估方法〉
對於各種合金組成，測量在評估用IC晶片上接合100條時之壓接焊球之X方向(與施加超音波方向成垂直)及Y方向(施加超音波之方向)之長度，評估其比之離散度。此等評估結果表示於表1右側欄。
〈第1焊球剪切之評估方法〉
對於各種合金組成，以接合機對專用IC晶片進行接合，針對100點，使用Dage公司製商品名「萬能接合測試機(BT)(4000型)」，進行第1壓接焊球之剪切強度評估。此等評估結果表示於表1右側欄。
〈HAST可靠性之評估方法〉
對於各種合金組成，以接合機對專用IC晶片(200引腳)進行接合，以專用的塑膠樹脂封裝，製作電阻測量用試樣。將該試樣在高度加速壽命實驗(HAST)裝置內，於溫度130℃、濕度85%、壓力2.2大氣壓之條件下，放置192小時後，測量電阻。電阻使用KEITHLEY公司製商品名「來源量測器(source meter)(2004型)」，以專用的IC插孔及專門構築的自動測量系統進行測量。測量方法以所謂直流四端子法測量。自測量用探針流入一定電流至鄰接的外部導腳間(選擇IC晶片上焊墊形成短路的對)，測量探針間之電壓。
電阻係針對外部導腳100對(200針腳)，在放置於HAST裝置前與放置於HAST裝置後進行電阻測量，評估電阻上昇率。此等評估結果示於表1右側欄。
表1右側欄中，FAB真球度係表示觀察結果，◎係差值為1μm以內，○係差值為2μm以內，△係差值超過2μm。
表1右側欄中，真圓性離散度係表示標準偏差之數值，◎係未滿0.8，○係0.8～1.0，△係1.0～1.5，X係超過1.5。
表1右側欄中，第1焊球剪切係表示剪切負載值，◎係15gf以上，○係12gf以上，△係10 gf以上，未滿10gf或產生焊球剝離之情形則以X表示。
表1右側欄中，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20%以下，○係50%以下，X係超過50%。
由表1右欄所示結果可知，本發明引線係熔融焊球之真球度很好，壓接焊球之真圓性良好，第1焊球之接合性良好，HAST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。
本發明之接合線在高溫高濕之用途中，可適用於在被要求低成本之IC封裝或甚難使用銅接合線之IC封裝(層疊式IC、Low-k IC)，或者，車載用或高亮度LED用半導體等用途。
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。

Claims (7)

  1. 一種銀金鈀三元合金系接合線，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4~10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，經予退火熱處理，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項所述之銀金鈀三元合金系接合線，其中前述氧化性非貴金屬添加元素係鈣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之銀金鈀三元合金系接合線，其中前述氧化性非貴金屬添加元素係稀土類元素。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之銀金鈀三元合金系接合線，其中前述氧化性非貴金屬添加元素係鑭。
  6. 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。
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