[发明专利]超声波接合用纯铜合金线的剖面构造

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波接合用纯铜合金线，其适用于将半导体装置中所使用的IC芯片电极与外部引线等的基板连接，并且特别涉及一种车用或功率半导体及高速装置用等的高温环境下所使用的直径为100～700μm的超声波连接用接合线以及具有相同剖面积的平角状线材，或是在80μm以下的极细线中所使用的焊球(FAB)、超声波接合用铜接合线。

背景技术

过去，因为在纯度99.99质量％以上的金(Au)之中仅有含小于100质量ppm％的其它金属元素的纯金线的可靠度优良，故大多将其作为使半导体装置的IC芯片电极与外部引线连接的球状接合用线材。此种纯金线的一端在形成熔融球体之后，通过超声波并用热压接合法(第一接合)而球状连接于IC芯片电极上的铝焊垫，而另一端则以超声波法(第二接合)与印刷基板上的外部引线等超声波连接。接着，之后通过模型树脂将连接线封闭，从而形成半导体装置。又，此种线材也有不制作球体而是直接以超声波接合法进行粗线的第一接合与第二接合的方法。此外，铝焊垫由纯铝(Al)与0.2～2质量％的Si、Cu、Ni等合金化的铝合金构成，一般通过真空蒸镀及磁控溅镀等的干式镀敷形成。

作为该纯金线的代替品，以往考虑使用微量添加钛(Ti)、锆(Zr)等贱金属元素的纯铜合金线。例如，日本特开昭61-99646号公报(后述专利文献1)中揭示一种半导体组件的接合用铜线，其特征为：在99.99％以上的高纯度铜(Cu)中，含有第五周期元素中的锆(Zr)(含量5～50ppm)、银(Ag)(含量10～100ppm)、锡(Sn)(含量10～100ppm)等的1种或2种以上，总含量5～150ppm；日本特开昭64-3903号公报中揭示一种用于电子设备的铜细线，其特征为：包含Ti、Zr等的任1种或2种以上，含量共0.05～10ppm，以及氧1～30ppm，而剩余部分由Cu构成；日本特开平6-168974号公报的权利要求1中揭示一种连接线，其特征为：在重量(wt)ppm中，含有选自Zr、Hf、Ti、Cr以及Mn的1种或2种以上的元素，含量为20～560ppm，而剩余部分实际上由Cu构成；日本特开2008-85320号公报(后述专利文献2)的权利要求3揭示一种半导体装置用铜合金连接线，其特征为：含有:10～700质量ppm范围的P、6～300质量ppm的范围的Ti、6～30质量ppm的范围的氧；日本特开2012-89685号公报(后述专利文献3)的权利要求2中揭示一种铜连接线，其包含2质量ppm以上且12质量ppm以下的硫、超过2质量ppm且30质量ppm以下的氧以及4质量ppm以上且55质量ppm以下的钛，且剩余部分为不可避免的杂质；该铜连接线具有加工前的结晶组织，其为从表面往内部50μm深度的、平均晶粒尺寸在20μm以下的表层；日本特开2013-26475号公报(后述专利文献4)的权利要求2中揭示一种铜连接线，其由软质稀薄铜合金材料构成，其特征为：含有超过2质量ppm的氧、含有2质量ppm以上且12质量ppm以下的硫，且含有从由Ti、Zr等所组成的组中选出的添加元素，而剩余部分为铜，其结晶组织为从表面往内部至少深度为线径的20％，平均晶粒尺寸在20μm以下。上述纯铜合金线相较于纯金线较为便宜，故在线径较大的车用或功率半导体及高速装置用等的在高温环境下使用的超声波连接用接合线中，讨论使用该材料。

上述铜合金线材中，纯铜母材中所含的溶解氧(O)及硫(S)等的气体成分使得接合特性变差。基于这样的理解，意图使用钛(Ti)等的贱金属元素，以将溶解氧(O)及硫(S)等的气体成分固定化。亦即，记载了下述内容：2～12质量ppm的硫、2～30质量ppm的氧…及钛(Ti)，其作为TiO、TiO₂、TiS或具有Ti-O-S键的化合物，或是作为TiO、TiO₂、TiS或具有Ti-O-S键的化合物的凝集物而包含于铜连接线，剩余部分的Ti及S则作为固溶体包含于铜连接线(后述专利文献3的段落【0022】)；或是“假设所有的氧为表面的氧化膜(Cu₂O)…30质量ppm的氧，(线径25μm)中成为4.8nm。实际上，亦必须考虑铜中固溶的氧，故推定从氧浓度推算的Cu氧化膜的实际厚度变得更薄(日本特开2008-85320号公报的段落【0042】)”。

如此，即使通过微量贱金属元素的合金化，使得软化温度与纯度99.9999质量％的纯铜合金线一起下降，也可在避免第一接合时的熔融球体变硬的情况下维持焊球接合时的接合特性，且可通过超声波进行第二接合。