[发明专利]高强度高伸长率的金合金接合线

说明书

技术领域

本发明涉及适用于在用于半导体装置的IC芯片的电极与基板的外部引线等之间连接的Au合金接合线。尤其是，所述Au合金接合线用于高温条件，如用于车载装置和高速装置。

背景技术

传统上，广泛应用了纯度为99.99质量％以上的Au线。这种Au线是向高纯Au中加入微量的其它金属元素，并且它在作为连接半导体装置的IC芯片电极与外部引线的Au线上的可靠性是出色的。这些纯Au线的一端通过采用超声波热压键合方法键合至IC芯片电极上的纯Al焊点和Al合金焊点，这些Au线的另一端键合至基板上的外部引线，之后通过树脂密封方法成为半导体装置。通常这些Al合金焊点通过真空蒸镀等形成，并且通常是Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Si-Cu合金等。

然而，当树脂密封的半导体装置用于在高温苛刻条件下的高可靠性要求的车载IC时，以及运行温度变高的高频IC等时，会产生被称为柯肯德尔(Kirkendall)的空隙、裂纹，或者由密封树脂中的卤素成分引起的腐蚀，所以它可能导致Al焊点、Al合金焊点与纯Au线之间的键合界面处的电阻增加和键合强度降低。因此，对于保证高键合可靠性(在一定环境下保持球焊键合界面的电阻值和键合强度)的要求比以前更高，并且使用了Au-1质量％Pd合金的接合线。

这种Au-Pb合金线可以通过Pb抑制在高温条件下在Al合金焊点与纯Au线的界面处Au扩散到Al焊点中，可以相对地抑制在键合界面处容易受到卤素成分腐蚀的影响的金属互化物Au₄Al的形成，所以它具有抑制Al合金焊点处、Al合金焊点与Au合金线之间的键合部分的劣化的益处，同时它还具有不会降低键合强度的益处。虽然这种Au-1质量％Pd合金线与99.99质量％以上纯度的纯Au相比较具有出色的机械性能，但是作为电性能的接合线的电阻率值高。例如，99.99质量％纯度的纯Au线的电阻率值是2.3μΩ·cm，与此相反，Au-l质量％Pd合金的电阻率值是3.0μΩ·cm。所以，如进行高密度应用，则会出现由于线发热导致的设备故障或断线，除此之外也会产生信号响应速度发生延迟的危险。随着接合线直径从25μm变细至15μm，这种趋势更加强化。尽管详细机制仍然未知，在Au-1质量％Pd合金的情况下，因为Pb的存在促进了在键合界面出现预料不到的Al氧化的促进。例如，因为在空气中的高温测试下更多量的Al氧化物Al₂O₃的产生，无树脂密封的Au-1质量％Pd合金的接合线可能变得比具有微量添加元素的99.99质量％以上纯度的Au接合线更不耐用。

将Au与所有比例固溶Ag合金化作为接合线使用的想法之前在日本特开昭52-51867号公报和日本特开昭64-87734号公报等中公知。之后，考虑并尝试应用在添加了微量Ag的Au合金中加入Ca和La，所述Ca和La已知是相对99.99质量％以上的纯度的Au提高机械强度的微量添加元素。这是一种半导体接合线，其中熔合有0.06-0.95质量％的与Au全比例固溶的Ag；并且熔合有0.001-0.005质量％的Ca、Y和稀土元素中的一种以上，所述半导体接合线的目的是达到与大约99.99质量％纯度的纯Au线的电阻率几乎同样的电阻率值(后面描述的参考专利1)。这种接合线是Au合金，其中含有0.05-0.95质量％的Ag、0.0001-0.005质量％的Ca、Y和稀土元素中的一种以上，余量为Au和不可避免的杂质。这种接合线的目的是提供一种半导体用Au合金线，所述Au合金线具有高强度并且在没有线弧变形的情况下抑制电阻率过度增加(参考专利1的第10段)。

然而，以前的Au合金接合线遵循与纯度99.99质量％以上的Au接合线的机械性质的测量的方法几乎相同的方法，并且断裂强度是在4-8％的范围内的伸长率下测量的。

通过拉伸测试评价接合线的伸长和应力之间的关系。测量中直到接合线断裂时的最大应力值定义为拉伸强度(断裂强度)，并且此时的伸长称为断裂拉伸伸长。作为机械性质，断裂拉伸伸长越大拉伸强度越小，一般两者存在相反的倾向。

当使拉伸强度变大时，断裂拉伸伸长降低并且变得容易断裂。另一方面，当使拉伸伸长变大时，接合线的拉伸强度和硬度降低并且很容易产生倾斜和金属线变形。因此，从平衡这些机械性能的方面考虑，通常采用大约4％的伸长率值(参考专利2)。

然而，在热处理温度与这些机械性能的关系中，随着热处理温度的升高而减小的拉伸强度曲线与随着热处理温度的升高而增加的拉伸伸长曲线在该范围内交叉。