专利名称：：具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电...的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于连接晶体管、LSI、IC等半导体元件的芯片电极和外部导线部的具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，尤其是，具有从低温至高温的广大范围的温度(例如，-20~60匸的广泛范围的温度)下可以使用的线径小于2(Hrni的接合引线用金合金线。
背景技术：
：为了连接IC芯片上的电极和外部导线部，通过超声波并用热压接接合引线用金合金线来进行，作为此时所使用的接合引线用金合金线，被熟知的有，成分组成为含有Pd、Pt、Rh、Ir、Os、Ru中的至少1种为3~1000ppm、Eu:1~30ppm、Be、Ca、Ge、Sr中的至少1种为1~30ppm,剩余为Au及不可避免的杂质的接合引线用金合金线(参照专利文献1)。专利文献1日本专利公开平8-109425号公报
发明内容近年，随着半导体元件的集成化的发展，半导体元件的Al垫片面积变小，并使用耐热性低的基板，因此，要求在比以往更低温且更小的接合面积上，得到良好的初始接合性(在Al垫片上进行球形接合时的压接球从Al垫片的剝落难度)。而且，在高温严酷的使用环境下需要高度的可靠性的车载用IC、或动作温度升高的高频用IC等，存在由球形接合的接合界面的接合强度的降低或电阻的上升而发生的接合不良的问题。这些接合不良，由于上迷的低温接合或接合面积的缩小等的接合条件的恶化，越来越容易发生，从而，需要确保比以往更高的接合可靠性(在某环境下的由球形接合的接合界面的接合强度或电阻的持续性)。而且，若球形接合中的压接球的真圆性低，则压接球的一部分从Al垫片突出，与邻接的压接球接触而发生短路不良。该接触不良，由于Al垫片面积的缩小以及接合垫片间距的缩小越来越容易发生，因此要求比以往更高的压接球的真圆性。而且，另一方面，接合半导体元件的芯片电极和外部导线部的引线的环路部的长度(以下称环路长度)变长，同时与平行接合的邻接的环路的间隔变窄。为了应对这种现状，要求作为接合引线所使用的金合金线的线径越来越细。但是，若线径变细，将巻绕的金合金线从巻线轴取出时，金合金线容易发生巻曲或蜿蜒(曲折或弯曲)，若使用存在该巻曲或蜿蜒(曲折或弯曲)的金合金线进行接合，因与邻接的接合引线接触而发生短路，所以半导体芯片会出现次品，而成品率降低。尤其是如果由金合金构成的接合引线线径小于20nm，则刚从巻线轴抽出的引线容易发生巻曲或蜿蜒(曲折或弯曲)。刚从巻线轴抽出的引线不发生巻曲或蜿蜒(曲折或弯曲)且接合形成的环路不与邻接的环路接触的性质就是所谓接合引线的直进性，但是，如果该直进性不足，则与邻接的环路接触，会发生短路，所以半导体装置出现次品而成品率降低。而且，接合引线形成环路后，以树脂成型，但此时接合引线被树脂沖走，与邻接的环路接触发生短路，所以半导体装置出现次品而成品率降低。关于该树脂流动，以往的接合引线用金合金线的线径为25pm或30pm时很少发生问题，但是随着半导体元件的高集成化的发展，半导体元件的芯片电极的间隔变窄，为了应对这些现状，将引线的线径缩小而进行接合，但是，若线径小于2(Him,树脂成型时环路则容易被冲走。因此，即使线径细的引线也需要具备难以发生树脂流动的特性(以下，将该特性称为耐树脂流动性)。尽管能得到改善这种严酷的条件的接合引线用金合金线，但从发热或高频驱动的观点来看，金合金线本身的电阻越低越好。尤其是，如上所述，随着半导体元件的集成化的发展，由于金合金线的线径变细，环路变长，因此金合金线的电阻变高。所以，需要满足上迷特性，及低电阻率的接合引线用金合金线。
发明内容对于近年的这种严格要求，专利文献1所述的接合引线用金合金线有无空气球的加工硬化性低，初始接合性低的缺点，从而不能得到应对近年的严格要求的接合引线用金合金线。本发明的目的在于，提供一种具有这种高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的更加出色的接合引线用金合金线。本发明人员，为了开发具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，进行研究的结果如下(1)純度在99.999质量％的高純度金中，具有含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm、Ir:1~100ppm，还含有Ca及Eu比以往的接合引线用金合金线更多的Ca:大于30100ppm、Eu:大于30~100ppm的组成的金合金线，具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率。(2)在具有上述(1)所述的组成的金合金线中，进一步含有Be:0.1~20ppm的金合金线，具有Be给Au的晶格带来应变，提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，而且降低重结晶温度的效果，从而，可以提升环路的高度，而可以实现适当的环路高度，因此根据需要可以进行添加。(3)在具有上迷(2)所述的组成的金合金线中，进一步含有La、Ba、Sr、Bi中的1种或2种以上合计为30~100ppm的金合金线，不但提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，同时提升重结晶温度，而可以降低金合金线的环路的高度。(4)具有上述高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的(1)~(3)所述的金合金线中，即使进一步含有Ag:l-10ppm,也对其特性几乎没有影响。本发明是，基于这种研究结果所进行的，其特征在于(1)一种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm、Ir:1~100ppm、Ca:大于30100ppm、Eu:大于30100ppm,剩余为Au及不可避免的杂质。(2)—种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm、Ir:1~訓ppm、Ca:大于30~100ppm、Eu:大于30100ppm，而且，含有Be:0.1~20ppm,剩余为Au及不可避免的杂质。(3)—种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm、Ir:1~100ppm、Ca:大于30100ppm、Eu:大于30~100ppm，而且，含有Be:0.1~20ppm，而且，含有La、Ba、Sr、Bi中的1种或2种以上合计为30~100ppm,剩余为Au及不可避免的杂质。(4)一种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圓性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其成分为在上迷(1)、(2)或(3)所述的接合引线用金合金线中，还含有Ag:1~10ppm。将具有上述(1)~(4)所述的成分组成的金合金线原材料拉丝加工至成为规定径为止，将得到的金合金线原材料退火的接合引线用金合金线的制造工序中，通过在比以往的退火温度低的550'C以下的温度下进行退火，若以0.2%耐力(Pa)为cTcu、杨氏模量(Pa)为E、断裂延伸率为EL,则可以制造出满足E》75GPa、(a0.2/E)".2"(r3、2%《EL《10%条件的接合引线用金合金线。更优选上述金合金线原材料的拉丝加工时的单管芯的断面收缩率低于以往的断面收缩率5%以下。满足这种条件的接合引线用金合金线，则会具有更高的直进性以及更高的耐树脂流动性。因此，本发明的特征在于，(5)上述(1)、(2)、(3)或(4)所述的具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，若以接合引线用金合金线的0.2。/。耐力(Pa)为ao.2、杨氏模量(Pa)为E、断裂延伸率为EL,则满足以下条件，E>75GPa、(ct0,2/E)>2.2x10-3、20/"Ei^10%。接着，在本发明的具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，以下说明将成分组成及机械特性限定为如上迷的理由。[I]成分组成(a)Pt、Pd:Pt及Pd是皆与Au完全固溶的元素，具有可抑制压接球和Al垫片的接合强度的劣化这一提高接合可靠性的效果。在接合界面附近包含Pt或Pd的相以层状生成，由于该相作为降低Au的扩散速度的层(所谓对Au扩散的阻挡层)而起作用，因此抑制随着Au的扩散在接合部发生的空隙的生成速度，其结果，可认为抑制压接球和Al垫片的接合强度的劣化而提高接合可靠性。Pt或Pd的量越多该接合强度的劣化的抑制(提高接合可靠性)效果就越高。但是，Pt及Pd中的1种或2种的合计小于500ppm,则得不到接合强度劣化的抑制效果，因此不优选，另一方面，若含有Pt及Pd中的1种或2种的合计为1000ppm以上，则金合金线的电阻上升，因此不优选。所以，将Pt及Pd中的l种或2种的合计规定为500ppm小于1000ppm。(b)InIr具有抑制高温下的金合金的粒成长(结晶粒的粗大化)的作用，因此，形成无空气球时，由于来自球部的热的影响，具有下述效果防止球正上方的引线部(热影响部)的结晶粒粗大化，同时凝固的无空气球部由大量微细的结晶粒形成，在接合时压接球以辐射状均等地扩散，压接球的真圆性提高；但是，Ir的含量小于lppm得不到规定的效果，另一方面，含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~1000ppm的接合引线用金合金线，即使Ir超过100ppm，上述效果也饱和，不但得不到由添加引起的效杲的明确地提高，而且，发生IC芯片的破坏或损伤，因此不优选。所以，将Ir的含量规定为l~100ppm。(c)Ca:碱土类金属Ca的金属结合半径比Au的金属结合半径大，给Au的晶格带来应变，提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，进而具有提升重结晶温度、降低金合金线的环路高度的效果，但是，Ca的含量为30ppm以下，由于无空气球的加工硬化性低，初始接合性低，且，强度低，因此难以满足E》75GPa、(a02/E)>2.2xl(T3、2%<EL<10%的条件而直进性和耐树脂流动性变低，所以不优选。另一方面，Ca的含量超过100ppm，在进行球形接合时形成的无空气球的表面上生成大量的氧化物，而且在无空气球的底部中央形成不能有助于接合的大缩孔，所以球形接合的初始接合性降低，而不优选。因此，将Ca的含量规定为大于30~100ppm。(d)Eu:稀土类元素Eu的金属结合半径比Au的金属结合半径大，给Au的晶格带来应变，提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，同时具有提升重结晶温度、降低金合金线的环路高度的效果，而且Eu的金属结合半径与其他的稀土类元素相比特别大，所以对细线径(尤其线径小于20nm)的接合引线用金合金线上述效果非常高，但是，Eu的含量为30ppm以下时，由于无空气球的加工硬化性低，初始接合性低，且强度低，因此难以满足E》75GPa、(a0.2/E)>2.2xl0'3、2%《EL《10%的条件而直进性和耐树脂流动性变低，所以不优选。另一方面，如果Eu的含量超过100ppm,则在进行球形接合时形成的无空气球的表面上生成大量的氧化物，而且，在无空气球的底部中央形成不能有助于接合的大缩孔，所以球形接合的初始接合性降低，而不优选。因此，将Eu的含量规定为大于30~100ppm。(e)Be:Be的金属结合半径比Au的金属结合半径小，也给Au的晶格带来应变，提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，含有上述Ca及Eu的同时含有Be时，具有降低重结晶温度的效果，从而，可以提升环路高度，由此可以实现适当的环路高度，所以根据需要添加Be,但是即使添加Be小于O.lppm也得不到规定的效果，另一方面，含有Be超过20ppm，则在无空气球的表面上生成大量的氧化物，而且，在无空气球的底部中央形成不能有助于接合的大缩孔，因此，球形接合的初始接合性降低，而且，产生球的正上部及球部的结晶粒径的增大而降低压接球部的真圓性，因此不优选。因此，将Be的含量规定为0.1~20ppm。(f)U、Ba、Sr、Bi:稀土类元素La、碱土类金属Ba及Sr、周期律表5B族的Bi,也提高接合引线用金合金线的机械强度及无空气球的加工硬化性，同时具有提升重结晶温度、降低金合金线的环路高度的效果，所以根据需要添加，但是即使含有La、Ba、Sr、Bi中的至少1种小于30ppm也得不到规定的效果，另一方面，含有La、Ba、Sr、Bi中的至少1种超过100ppm，在进行球形接合时形成的无空气球的表面上生成大量的氧化物，而且，在无空气球的底部中央形成不能有助于接合的大缩孔，所以球形接合的初始接合性降低，而不优选。因此，将La、Ba、Sr、Bi的至少1种的含量规定为30~100ppm。(g)Ag:即使含有1~Oppm的Ag,也对上述特性几乎沒有影响，所以根椐需要添加，但是超过10ppm,则初始接合性降低，所以不优选。[II]机械特性具有上迷成分组成的接合引线用金合金线皆具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率,但是通过制造成以金合金线的0.2%耐力(Pa)为cr。.2、杨氏模量(Pa)为E、断裂延伸率为EL,且满足E》75GPa、(cto.2/E)>2.2><l(T3、2%《EL<10%的条件的接合引线用金合金线，从而会具有更高的直进性及更高的耐树脂流动性。其理由为，E〈75GPa时，即引线的杨氏模量低时，引线接合后的成型之际，接合的金合金线被树脂大大地沖走(即、树脂流动大)，其结果，邻接的金合金线相接触，而短路的频度增高，半导体芯片的成品率降低，如果ao.2/E达到2.2x10-3以上，则直进性急剧提高，而且，断裂延伸率小于2%时，因为拉丝后金合金线具有的残留应变在退火后也残存，故直进性降低，另一方面，断裂延伸率高于10%时，成为E<75GPa、(o。.2/E)<2.2x10-3的情况多，而直进性降低、或树脂流动增大。在本发明中，接合引线用金合金线的断裂延伸率EL(%)、0,2%耐力ao.2(Pa)及杨氏模量E(Pa)的测定由以下进行在室温下，将接合引线用金合金线在标距100mm、拉伸速度10mm/分的条件下由拉伸试验机拉伸到断裂为止。在此，将应变和拉伸应力定义为如下。应变=接合引线用金合金线的延伸(mm)/100mm、拉伸应力(Pa)-拉伸负荷(N)/接合引线用金合金线的初始截面面积(m2)将断裂延伸率EL(。/。)、0.2y。耐力CT。.2(Pa)及杨氏模量E(Pa)定义为如下。断裂延伸率EL(。/。H断裂时的应变x100-[断裂时的延伸(mm)/100(mm)]x1000.2。/。耐力cto.2(Pa):给接合引线用金合金线带来0.2。/。的永久应变时的拉伸应力(Pa)杨氏模量E(Pa):在拉伸应力和应变成正比例的范围，拉伸应力和应变的比、即拉伸应力(Pa)/应变如上迷，本发明的接合引线用金合金线的初始接合性、接合可靠性、压接球的真圆性、直进性、耐树脂流动性出色且低电阻率，因此使用该金合金线进行接合，可以提高半导体装置的成品率等，在产业上带来出色的效果。具体实施方式将具有线径5(Him、及表1~3所示的成分组成的金合金线原材料，以单管芯的断面收缩率4.8%进行拉丝加工，制作线径19pm的金合金线，通过将该金合金线在表4~6所示的温度进行退火，制造本发明接合引线用金合金线(以下、称本发明引线)1~34、比较接合引线用金合金线(以下、称比较引线)1~20、及以往接合引线用金合金线(以下，称以往引线)1,并巻绕在半径50mm的中间巻线轴上。在此，在退火及巻绕工程中，为了改变引线的走向而使用的滑轮(滑车)皆为半径9mm。将巻绕在中间巻线轴的引线在半径25mm的巻线轴巻绕2000m，除掉引线的前端15m，测定引线的断裂延伸率EL、杨氏模量(Pa)E、0.2%耐力(Pa)cro.2，并且，算出cto.2/E,将其结果表示在表4~6。进一步测定这些引线的电阻率，将其结果表示在表4~6。在这些各测定中，将样品数设定为5个，求出了其平均值。上述引线的电阻率在室温、标距500mm的条件下用数字万用表测定电阻(Q),以电阻率(pQcm)-电阻(Q)x接合引线用金合金线的截面面积(cm2)/50(cm)xio6求出。将具有这些表1~3所示的成分组成及表4~6所示的机械特性的本发明的引线1~34、比较引线1~20及以往引线l，安装在Kuiicke&Soffa制的引线接合器(MaxumPlus)上，在搭栽有半导体IC芯片的基板上，以加热温度150'C、环路长度5mm、环路高度220pm、压接球径34fxm、压接球高度8pm、的条件下进行接合，通过进行下迷的测定，进行有关直进性、初始接合性、压接球的真圓性的评价。直进性评价以垫片间距45|tim的间隔对每个样品制作10000个环路，测定邻接的环路彼此的接触处的数量(接触数)，将其结果表示在表4~6而评价直进性。初始接合性评〈介对每个样品制作10000个环路，测定在球形接合时压接球没有接触于Al垫片的次数(球上升(BallLift)数)，将其结果表示在表4~6而评价初始接合性。压接球的真圆性评价对每个样品观察100个压接球，以全部良好时为O、若有1个或1个以上的不良时为x，将其结果表示在表4-6而评价球的真圓性。接合可靠性评价将接合的样品，在150。C的空气中保管1000小时之后，在压接球正上方的环路的弯曲(扭折)挂上工具而进行了拉力试验(每个样品100个)。拉力试验中的断裂，或者在颈部断裂，或者在压接球和Al垫片的接合界面断裂(球上升)。观察压接球，全部在颈部断裂时评价为O,若有1个或1个以上的球上升时评价为x。并且，关于具有表1~3所示的成分组成及表4~6所示的机械特性的本发明引线1~34、比较引线1~20及以往引线1,对环路高度、耐树脂流动性进行评价。环路高度将具有表1~3所示的成分组成及表4~6所示的机械特性的本发明引线1~34、比较引线1~20及以往引线1安装在Kulicke&Soffa制的引线接合器(MaxumPlus)，不进行倒转、在压接球径34^m、压接球高度8pm、环路长度lmm的条件下进行成圏，用光学显微镜，测定环路最高部和Al垫片面的高度，将其差作为环路高度而求出，通过其结果表示在表4~6而评价环路高度。耐树脂流动性将搭栽以环路长度3.5mm的条件下接合的半导体IC芯片的基板，用成型装置以环氧树脂密封后，用软X射线非破坏检查装置对树脂密封的半导体芯片内部进行X射线投影，测定20根引线流动最大的部分的流量，将其平均值除以环路长度的值(％)定义为树脂流动，测定该树脂流动，通过将其结果表示在表4~6而评价耐树脂流动性。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表51<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>表6<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>*表示脱离本发明范围的值,聽6聽29204.1转滔*被16A3从表16所示的结果可知，本发明引线1~34电阻率小，直进性、初始接合性、压接球的真圆性、接合可靠性及耐树脂流动性良好，尤其是直进性、初始接合性、接合可靠性、压接球的真圆性及耐树脂流动性良好，相反，比较引线1~20及以往引线1在这些特性中的至少任何1个为不良。权利要求1.一种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其特征在于其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500～小于1000ppm、Ir1～100ppm、Ca大于30～100ppm、Eu大于30～100ppm，剩余为Au及不可避免的杂质。2.—种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其特征在于其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm、Ir:1~100ppm、Ca:大于30100ppm、Eu:大于30100ppm,而且，含有Be:0.1~20ppm，剩余为Au及不可避免的杂质。3.—种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其特征在于其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500~小于1000ppm满、Ir:1~100ppm、Ca:大于30100ppm、Eu:大于30100ppm，而且，含有Be:0.1~20ppm，而且，含有La、Ba、Sr、Bi中的1种或2种以上合计为30~100ppm，剩余为Au及不可避免的杂质。4.根据权利要求l、2或3所迷的具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圓性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其特征在于还含有Ag:1~10ppm。5.根据权利要求l、2、3、或者4所迷的具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线，其特征在于若以接合引线用金合金线的0.2%耐力(Pa)为cyo.2、杨氏模量(Pa)为E、断裂延伸率为EL，则满足以下条件，E"5GPa、(cr02/E)".2xl(T3、2%化<10%。全文摘要本发明提供一种具有高初始接合性、高接合可靠性、压接球的高真圆性、高直进性、高耐树脂流动性及低电阻率的接合引线用金合金线。该接合引线用金合金线，其成分组成为含有Pt及Pd中的1种或2种合计为500～小于1000ppm、Ir1～100ppm、Ca大于30～100ppm、Eu大于30～100ppm，并且，根据需要含有Be0.1～20ppm，再根据需要含有La、Ba、Sr、Bi中的1种或2种以上合计为30～100ppm，而且，根据需要含有Ag1～10ppm，剩余为Au及不可避免的杂质。文档编号H01L21/60GK101238564SQ20068002920公开日2008年8月6日申请日期2006年6月8日优先权日2005年6月14日发明者中田有治,牧一诚申请人:田中电子工业株式会社