CN100352026C - 半导体器件的金连接线及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于实现窄间距连接的半导体器件的金连接线及其生产方法，其特征在于所述的金连接线具有增加的强度和弹性模量、稳定的拱线形状；抑制了连接线变形；抑制了倾斜；彻底改善了楔形接点的接合或者耐损耗特性，并且提高了工业规模上的生产率。在所述用于半导体器件的金连接线的纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。

Description

半导体器件的金连接线及其生产方法
技术领域
本发明涉及用于连接半导体元件上的电极与外部引线的半导体器件用金连接线，以及生产所述连接线的方法。
背景技术
目前，由高纯4N型金(纯度＞99.99质量％)制成且线直径为约20至约50微米的连接线被用来连接半导体元件上的电极与外部引线。通常使用结合超声波的热压接系统作为连接连接线的技术，为了进行连接所述技术需要常用的连接装置和用来插入连接线的毛细管夹具。通过电弧供热来加热并融化连接线的一端，从而利用表面张力形成球，所述球被压接到在150至300℃加热的半导体元件的电极上，然后，通过超声波压接将连接线直接楔形接合到外部引线侧。为了将器件用作半导体器件(例如晶体管或IC)，在连接线被连接之后，用环氧树脂密封器件，从而保护硅芯片、连接线和组装硅芯片的引线框架部分。除了改进它们的性质外，改进它们与周围元件的关系，以及改进诸如使用和可靠性的整体性能已经日益重要。
伴随着高密度集成半导体元件并降低其厚度的趋势，为了降低半导体元件的厚度，金连接线必须满足种种性质，例如延长金连接线、降低连接线的直径、形成高的拱线(loop)或者形成低的拱线。
与连接线接合的材料也正在变化。除了使用传统的Al合金外，硅衬底上连接线和电极材料现在使用适合高密度集成的Cu和Cu合金。即便在Al合金、Cu和Cu合金的电极元件中，也已经竭力主张使用小的球形接点来满足狭窄的间距，并且在高温接点中维持接点强度、球的变形和可靠性曰益重要。
为了满足高密度集成半导体元件的要求，对于使间距变窄、降低连接线的尺寸、增加引脚(pin)的数量、延长连接线的长度，以及获得金连接线的接点特性，都提出了严格的要求。
举例来说，在高速注入高粘度热固性环氧树脂的树脂密封步骤中，出现连接线变形从而与相邻连接线接触的问题。此外，当间距变窄，并且连接线变得长且细时，在用树脂密封时抑制连接线的变形(下文还称作连接线弯曲(wire sweep))是理想的，即便是少量的抑制。使间距变窄的要求也已经很强烈。目前，批量生产中的间距仍在60微米的水平。50微米的间距也已经开发出来，并且预期在两或三年内可以实现45微米的非常窄的间距，这样的间距在几年前被认为是球形接合的极限。在未来，随着组装技术的发展，将有望实现20微米的间距。
在许多种半导体封装技术中，BGAs(球栅阵列)和CSPs(芯片级封装(chip size packages))具有窄的间距。它们的组装方式是以板和带为基础的，与常规的引线框架结构相比，这样的组装方式限制(例如降低引线间距)较少。当使用所述板和带时，必须小心，以在低达150-170℃的连接温度下实现连接。与在引线框架情况中于210至300℃下实施的连接相比，这将温度降低了几十摄氏度。因此，一直希望能在低温下实现窄间距的连接。由于在低温下扩散变慢、接点面积降低和非常细的毛细端，球形接点和楔形接点必须满足非常严格的性能要求和具有好的可靠性。
满足上述需求的连接线需要具备一些基本特性，以便在连接步骤中可以高度精确地控制拱线形状，改善与电极部分和引线部分的接合，并且在连接步骤后的组装步骤中，抑制连接线的变形。
到目前为止，为了增加连接线的强度，通常添加多种合金元素。在现在的主流连接线-高纯金连接线中，为了阻止球形部分的氧化，或者电阻的升高，合金元素的添加量被限制为几个ppm至几十个ppm。因此，尽管拱线的可控性和接合特性是优越的，但是它仍不能满意地解决在形成所述球时抑制连接线变形或者热影响部分(颈部)的强度问题。在最近几年，在某些ICs中已经使用总添加量增至约1％的高合金连接线。但是，改善连接线在用树脂密封时的变形的作用并不令人满意，存在与引线的接合特性降低的问题。
作为实现高强度的方法，已经建议使用芯部和外围部分不同的多层金属连接线。举例来说，日本未审专利公开(kokai(特开平))第56-21354号教导了用Au覆盖Ag芯而获得的连接线，并且日本未审专利公开(kokai)第59-155161号教导了具有表面镀有Au的导电金属芯的连接线。通过用不同的金属制备芯线和外围部分，与由通常使用单一材料制成的连接线相比，所述连接线有望满足高强度和高接合特性的要求。但是实际上，还没有在半导体中使用多层连接线的报道。
因此，为了满足未来高密度组装的需要，连接线不应仅仅满足它们的个别要求，而且迫切需要开发一种能够改善整体性质的材料。
适合相邻电极间距不大于50微米的窄间距接合的连接线必需同时满足楔形接合特性和倾斜性质，这是新的问题，而且能有利地改善高强度和高弹性、拱线可控性、接合特性，同时能抑制连接线弯曲的传统问题。
关于实现窄间距连接的连接线，研究已经趋向于使用金合金、使用取代金的材料，以及使用多层连接线。下面描述在使用上述方法以批量生产水平实现窄间距连接时遇到的问题。
通过向金中添加合金元素，引起固溶硬化、析出硬化和由于形成化合物而引起的硬化，以及位错相互作用，可以在一定程度上增加常规连接线所需的强度。但是，仅仅通过添加合金元素来增加强度或者增加弹性模量是有限的，并且此外，在用树脂密封时很难抑制连接线的变形。当常规密封技术中连接线弯曲高达5％或更大时，因为连接线变形主要发生在塑性区域，所以连接线强度的增加对于抑制连接线弯曲是有效的。另一方面，由于树脂密封技术最近的发展，现在的连接线弯曲主要是弹性变形，并且弹性模量的增加变得更为重要。但是，为了将金合金连接线的弹性模量增加至不小于88MPa，仅靠合金元素的固溶和析出是不够的。此外，如果为了增加强度和弹性模量而高浓度地添加合金元素，将引起新的问题，例如连接线表面的氧化、所述球形接点形成时出现空穴、所述球形部分接合特性的降低、电阻过度增加等。
通过选择添加元素的种类和浓度来使加入连接线材料的合金元素固溶、析出和形成化合物的传统方法，很难在批量生产中将金连接线用于非常窄间距的连接中形成球形接点。
上述由芯线和外围部分构成的多层连接线的芯线和外围部分可以具有不同的性质，并且有望具有不同的潜在性质。但是，多层连接线的生产非常复杂，其批量生产还存在很多尚待解决的问题，例如成本由于步骤和新设备的增加而增加，以及非常困难的质量控制(例如特性的均匀度和稳定性)。在多层连接线中，可以较容易地改善某些特定的特性。但是，多层连接线仍难以完全满足窄间距连接所需的复杂连接线特性，在实际使用中还有很多尚待解决的问题。
因此，无论用金合金材料来取代金还是使用多层连接线，都难以满足窄间距连接所需的所有性质。窄间距接合的连接线必须具有高的强度、高的弹性和抑制连接线弯曲的高的刚性，并且必须在改善拱线可控性和接合的同时，降低成本和使电阻增加最小化。
此外，在间距变得小于40微米时，引起新的问题，例如球形接点上的直立部分的倾斜，到目前为止这还不是一个问题。在多引脚/窄间距连接中，在单个IC的组装中存在不同的连接线长度和不同的拱线高度。但是，与在芯片中使用相同拱线形状的常规组装方法不同，这趋向于产生涉及拱线控制的问题。在最近几年已经引起最严重关注的问题是连接线直立的部分在球形接点附近倒下，从而离相邻的连接线太近。所述现象被称作倾斜，并且正成为降低窄间距连接批量生产率的主要原因。
仅仅增加连接线的强度和弹性模量，或者相反地，降低强度，并不能容易地改善球形接点上的直立部分的倾斜。即便增加或降低在连接线力学特性中经常使用的断裂伸长率，也不能抑制倾斜。这是因为由于球熔化时的热量和由于拱线的形成，球形接点上的直立部分已经变形并且扭曲，而且不同于母线的性质起主导作用。因此，基于力学特性的常规改善方法面临着极限。为了处理所述倾斜，必须基于新的理念来开发连接线材料。
此外，单纯增加强度的连接线并不能完全满足高密度连接(例如窄间距连接)中楔形接点的变形特性、接点强度和长期的可靠性。在现有技术中间距不短于70微米时，楔形接合中不会发生所述问题。但是在未来的窄间距连接中，改善楔形接合的特性将变得重要。
由于在基板和基片中主要采用窄间距连接，其中细连接线、由于毛细端细化而大大降低的连接面积以及低的连接温度，都会在楔形接合中引发问题。也就是说，楔形接合中的很多问题迄今还没有得到认真处理，因此必须作为实现窄间距的新问题来处理。
楔形接合形成非常不同于球形部分变形的特殊连接结构，例如连接线进行高速的复杂行为，发生大的形变，与所连接部分保持良好的连接强度，并且在形成楔形接合之后，在形成窄间距的小球步骤中稳定切割连接线的形状。目前，楔形接合中还不需要考虑上面的情况。因此，改善楔形接合的连接线材料所涉及的因素并不清楚，而且也没有关于改进楔形接合特性的连接线产品的实例的报道。经常指出高度强化的连接线通常在低温下表现出降低的楔形接合性质。举例来说，如果仅仅通过高浓度的添加来增加连接线的强度，维持楔形接合特性的操作余地会降低。为了满足间距变窄的需求，使用高强度的细连接线，并改善楔形接合特性已经成为一个重要的技术课题。
此外，在楔形接点，除了连接特性外，还需要改善使用可靠性。硅芯片、金属框架、连接线和覆盖它们的密封树脂具有不同的热膨胀系数和弹性模量，并且易于产生热变形。据认为在使用期间(产生热量)，或者温度循环(例如反复冷却)时，热应力会集中在楔形接点中，导致软熔(reflowing)期间的断裂。当连接线变细时，楔形接合也变细，在连接线面上会产生热疲劳的问题。此外，伴随着最近几年无铅焊剂的使用，重变形温度变高，因此加速了热疲劳。目前并不清楚连接线材料中改善楔形接合可靠性的因素。具有严重变形的复杂结构的楔形接点在使用期间的可靠性(例如耐疲劳性)，与控制拱线或者进行密封时的连接线变形和接合可靠性有很大不同。因此，这是常规的简单材料设计(例如通过控制组分及其浓度)所无法实现的。
因此，本发明的一个目标是提供半导体元件的金连接线，它具有适合短间距连接的高强度和高的抗弯刚度(flexural rigidity)，降低的连接线直径和增加的连接线长度，具有改善的接合特性并且适于工业规模的批量生产；并且提供了生产所述连接线的方法。
从上述观点来看，为了实现窄间距连接，本发明人一直致力于全面改善连接线的强度、弹性模量、楔形接合性质，抑制连接线的变形，以及改善球形接点上的直立部分的倾斜的研究和开发；并且首次发现了控制连接线的团聚结构是重要且有效的。
发明内容
下面描述为了实现本发明上述目标的要点。
(1)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。
(2)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％。
(3)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，那么在连接线纵向中央部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc和整个连接线截面上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Ra，满足两者之间的差分率(differential ratio)绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，并且整个连接线截面上的比值Ra不小于1.2。
(4)根据(1)至(3)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
(5)根据(1)至(4)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒所占的面积比不小于60％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
(6)根据(1)至(3)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值小于0.9的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于1/10R，但小于1/3R。
(7)根据(1)至(3)或(6)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[100]取向的晶粒所占的面积比不小于50％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
(8)根据(1)至(7)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积所占的比值不小于50％。
(9)根据(1)至(8)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，在连接线纵向中央部分的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于60％。
(10)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面层部分，在连接线纵向表面层部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6，并且在整个连接线截面上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。
(11)根据(1)至(10)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面区，在连接线纵向表面区的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于50％。
(12)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上由X射线衍射测出的晶体取向上，或者在垂直于连接线纵向的方向上的晶体取向上，[111]取向的晶粒与[100]取向的晶粒的体积比不小于1.2。
(13)根据(1)至(12)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在长度大于连接线直径5倍的连接线纵向截面上，至少包括两个或多个其晶体取向偏离连接线纵向的倾角小于15°且其长度不小于连接线直径70％的晶粒。
(14)根据(1)至(13)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，所述连接线包含金作为主要组分，并包含总浓度C1为0.002至0.03质量％的一种或多种选自Y、Ca、Yb和Eu的元素，并且包含总浓度C2为0.002至0.05质量％的一种或多种选自La、Tb、Dy和Nd的元素，添加组分的浓度在0.1＜C1/C2＜10的范围内。
(15)一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2处的部分作为中央部分，那么连接线纵向中央部分的[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc，和连接线纵向外围部分的[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rs，满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)小于30％。
(16)根据(15)的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Ra不小于1.0。
(17)根据(15)或(16)的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且认为从连接线中央到R/3的部分为芯部，在连接线纵向芯部的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rd在从0.1至0.8的范围内。
(18)根据(15)至(17)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向外围部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rs不小于1.2。
(19)根据(15)至(18)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且以从连接线表面至R/5的部分作为最外面部分，在连接线纵向最外面部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rt不大于1.0。
(20)根据(1)至(19)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，所述晶粒的[111]方向和[100]方向偏离连接线纵向的倾角在10°范围内。
(21)根据(1)至(20)任何之一的用于半导体器件的金连接线，其中，垂直于连接线纵向的横截面上的晶粒数量从每平方微米0.04至4个。
(22)、一种使用铸造材料通过包括压延(rolling)、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；并且后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内。
(23)、一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延和初次拉伸中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为50至1000m/min；拉伸连接线的容器温度为5至45℃；后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内；并且扫描张力(sweep tension)为0.2至70mN。
(24)一种根据权利要求22或23的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在用于拉伸的多个拉伸模具中，不少于30％的拉伸模具具有不小于10％的断面减缩比(area reduction raio)。
(25)、一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延和初次拉伸中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点(绝对温度)的30至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为100至800m/min；拉伸模具前后的张力差值在0.1至50MPa的范围内；后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度(绝对温度)的30至70％的范围内；并且在初次拉伸和二次拉伸中，拉伸模具出口处的拉伸角度不大于30
(26)一种根据(25)的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在用于拉伸的多个拉伸模具中，断面减缩比小于7％、7至11％及11至20％的三种拉伸模具占拉伸模具总数的不少于10％。
(27)一种根据(25)或(26)的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在后热处理步骤中，使用具有如下温度分布的加热炉来连续扫描(sweep)并热处理连接线，其中加热炉两端的加热温度Te(绝对温度)比中央部分加热温度Tm(绝对温度)低0.02至0.3Tm。
附图说明
图1是通过EBSP测量的金连接线(连接线直径为25微米)晶粒界限的示意图。
图2是通过EBSP测量的金连接线(连接线直径为18微米)晶粒界限的示意图。
具体实施方式
通过关注金连接线的团聚结构和目前公知的窄间距连接线连接之间的关系，本发明人首次发现通过控制特定的晶体取向、特定的晶体取向比以及连接线中晶体取向的分布，可以改善连接线的各种特性(例如强度、弹性模量、拱线可控性、接合和对连接线弯曲的抑制)，而且可以改善一些以往难以同时改进的特性，从而实现了全面改善；此外，还可以解决窄间距连接的内在问题，例如楔形接合特性、楔形接合的可靠性及球形接点上的直立部分倾斜的降低。
下面是本发明(1)至(14)、(20)和(22)中所述半导体器件用金连接线及其生产方法。
所述金连接线具有在连接线纵向延伸的纤维状团聚结构。其长度和弹性模量可以通过选择在连接线纵向的晶体取向方向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2的方法来增强。己证实可以实现不小于300MPa的强度和不小于90MPa的弹性模量。在控制团聚结构的取向时，特别地，弹性模量比强度更有效地增加，这是常规基于添加元素的材料设计所无法实现的。
在实现高强度和高的弹性模量时，与常规材料相比，用树脂密封时可以降低20％以上的连接线弯曲。这就为使用直径不大于15微米的非常细的连接线提供了可能性，这么细的连接线对于使间距变窄到不大于40微米是必需的。此外，连接线的直径可以被降低10％或更多，但仍维持相同的强度，从降低材料成本的角度来说，这就提供了很大的优点。
通过控制所述结构以增加晶粒的[111]取向而不是增加晶粒的[100]取向，可以增加强度和弹性模量，并且有利地实现成球特性，到目前为止在试图通过添加高浓度的元素来增加强度时，球的形成还存在一些问题。举例来说，即使在形成球径/连接线直径的比值为1.3至1.6的小球时，所述球仍具有良好球形特征，并且对于形成间距不大于40微米的连接是有利的。这归因于：当不仅控制[111]方向的取向而且控制[100]方向的取向时，连接线的结构不仅影响楔形接合后的连接线断裂特性，而且在球固化时影响结构的形成。
[111]方向的取向不仅影响强度，而且有助于增加拉伸强度和抗屈强度(yield strength)。因此，当在用树脂密封时在连接线上施加大的负载，或者当连接线长的时候，有效地抑制了连接线弹性形变的发生。到目前为止，通过增加连接线中形成合金元素的添加量，可以一定程度上增加强度，但是伴随着由于高浓度添加引起的连接线电阻增加的问题。未来，必须设计在高频下加工的ICs，因此连接线电阻的增加会降低半导体的功能。相反，通过控制晶粒在[111]方向和[100]方向上的取向，可以增加连接线的强度但不增加其电阻，这样的连接线具有很大的优势，包括用于高功能的LSIs，例如ASICs等。
[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值(在下面的描述中简写为面积比[111]/[100])被选择为不小于1.2。这是因为如果面积比小于1.2，所增加的弹性模量对抑制连接线弯曲只起到得小的作用。优选地，面积比[111]/[100]不小于1.4。这是因为如果面积比不小于1.4，能够增加抑制连接线弯曲的作用。更优选地，选择面积比[111]/[100]不小于2.5，从而增加弹性模量和抗弯刚度，从而，进一步增加抑制连接线弯曲的作用。尽管对于没有具体的上限，但是面积比[111]/[100]的上限小于20的连接线可以稳定且相对容易地生产。这是因为很难在大量生产的水平上完全除去[100]取向的晶粒，而只留下[111]取向的晶粒。
相比而言，观察一般使用的金连接线的结构可以得知面积比[111]/[100]小于1.2。即使是那些所谓的非常强的连接线，当所在工业规模上稳定生产时，它们的面积比[111]/[100]甚至小于1.1。
在本发明中，晶体取向相对于连接线纵向方向具有不大于10°的倾角。即，在所述范围内，连接线中各种取向特性能够得以展示，可以有效地影响连接线的特性。如果晶体取向相对于连接线纵向方向的倾角超过10°，对连接直线性质的影响可能出现偏差。
在连接线纵向截面上的晶体取向上，[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％时，可以增加强度和弹性模量，并且改善拱线的直线性，从而增加窄间距连接的可行性。
在形成连接线的拱线时，根据拱线的复杂轨迹，通过有利地借助弹性变形和塑性变形来规则地形成拱线。垂直于半导体芯片方向上的拱线包括直线部分、弯曲部分和折叠部分的组合。另一方面，在相对于半导体芯片的水平方向上，拱线呈直线状。优选拱线在垂直方向上塑性变形，从而形成弯曲和折叠，并在水平方向上尽可能维持直线状。当连接线在以后变得更细时，直线性可能降低。在借助添加元素的常规材料设计中，很难既维持直线性又维持具有弯曲部分和折叠部分的复杂拱线形状。
因此，在通过[111]取向的晶粒控制连接线结构时，可以有效地同时满足相互冲突的性质，例如在垂直方向上弯曲和折叠，而在水平方向上成直线性。如果[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％，在复杂拱线形状(例如三角形拱线、梯形拱线或者阶梯拱线)中，可以有利地控制弯曲部分和折叠部分，同时改善拱线的直线性。
更优选，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％，并且[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。这是因为除了规定[111]取向的晶粒所占的面积比外，在选择[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2情况下，在用树脂密封时可以抑制连接线的变形，并且在大规模生产中可以提高窄间距连接的产率。
此外，当[100]取向的晶粒所占的面积比在3至20％范围内时，容易高速地控制拱线，降低最高部分形状的分散度；拓宽连接条件的适当范围，例如负载、超声振荡等，从而可以在大规模生产中提高连接的产率。即，当从垂直于连接线纵向的方向上施加外力时，仅依靠[100]取向，经常很难控制连接线的变形。在[100]取向的晶粒所占的面积比处于3至20％范围内时，可以平稳地控制拱线，在连接连接线时弹性形变可以被平稳地转变成塑性形变，并且提高了生产率。如果[100]方向的面积比小于3％，上述作用很小。另一方面，超过20％的[100]方向面积比会抑制基于[111]取向的晶粒来增加强度和弹性模量的作用。
通过单纯地控制整个横截面上的平均结构可以改善必须满足许多要求的连接线。为了改善以往认为很难改进的倾斜和滑动特性，发现通过将连接线在横截面上分成中央区和表面区，并在每个区中控制晶体取向是一种有效的方法。下面描述通过控制连接线结构来抑制倾斜和滑动特性的方法。
当维持间距不大于50微米而实施连接时，球形接点附近直立部分连接线的倾斜经常引起问题。上文所述直线性指的是整个拱线的整体直线性，此处所说的倾斜涉及的是局部的直线，具体地说，是球形接点附近的直线部分的倾斜，在这里，相邻连接线的间距最窄并且在垂直方向上的弯曲和折叠最为严重。在所述部分抑制连接线的倾斜在大规模生产窄间距连接的技术中成为一项重要的任务。单纯地依赖高强度、高弹性模量以及断裂伸长率等连接线力学特性难以抑制倾斜。
尽管由于球形接点附近的弯曲和折叠而发生很大变形和扭曲，但也要求在横向上阻止倾斜。但是依靠基于力学特性的常规方法，很难抑制倾斜。此外，一般来说，仅在连接线的横截面上控制晶体取向不足以充分地抑制倾斜。但是已经发现增强连接线横截面上晶体取向的均匀性，并且特别是控制连接线中央区域的结构对于降低球形接点附近直立部分连接线的倾斜是有效的。
也就是说，在连接线纵向的晶体取向中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，那么通过将在连接线纵向中央部分的晶体取向上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值定为Rc，并且将整个连接线截面上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值定为Ra，使之满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，并且设置整个连接线截面上的比值Ra不小于1.2，来抑制倾斜。
此处，对于面积比[111]/[100]，将整个连接线截面上的比值Ra设为不小于1.2，并且此外，控制连接线中央部分的比值Rc和整个横截面上的比值Ra之间的差分率绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，从而增强整个连接线截面上结构的均匀性。在将球连接到芯片部分之后，通过在四个方向上自由变形连接线来形成拱线时，具有上述结构的连接线可以抑制连接线直立部分的倾斜。此外，对于均匀性，通过控制面积比[111]/[100]，特别是中央部分的面积比可以抑制倾斜和树脂密封时的变形，而并不损害连接线的产率、接合特性和拱线形状的可用性。
接下来，下面描述通过控制连接线表面附近的结构来改善连接线特性的方法。
当在大规模生产中使用不大于40微米的细连接线来实现非常窄的间距时，毛细管的孔洞和连接线之间的间距变小，并且滑动阻力增加至不能忽略的程度。此外，必须考虑密封时占据密封树脂80％以上的SiO2，粉末填料对连接线的震动和伴随的连接线弯曲的增加。因此，需要改善连接线和毛细管之间的滑动特性，并且增加连接线的刚性，从而使连接线在用树脂密封时能抵抗震动并且降低连接线的弯曲。除了改善用来改善窄间距连接线连接特性的强度、弹性模量、拱线形状的直线性和倾斜性质以外，还需要进一步改善仅通过常规组分设计所不能改善的滑动特性和刚性。本发明人已经发现除了控制连接线横截面上的整体结构外，通过进一步控制连接线表面层中的晶体取向分布可以有效地实现上述要求。
具体地说，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面层部分，那么通过将在连接线纵向表面层部分的晶体取向上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值设为不小于1.6，并且将在整个连接线截面上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值设为不小于1.2，可以同时增强强度和弹性模量；抑制连接线弯曲；控制拱线形状；改善滑动特性；并且增强刚性。
通过将[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值设为不小于1.6，可以降低对毛细管的滑动阻力；改善直径不大于15微米的极细连接线的拱线可控性；抑制连接线表面疤痕的产生；并且改善连接线在用树脂密封时与填料碰撞而引起的表面状态。为了增加刚性并抑制用树脂密封时连接线的弯曲，除了控制表面层部分的结构外，还要形成整个连接线截面上面积比[111]/[100]不小于1.2的结构。设置表面层部分的面积比[111]/[100]不小于1.6。这是因为如果面积比小于1.6，不能很好地改善滑动特性及刚性。此处，为了明确晶体取向分布，从而保证最有效地改善滑动特性及刚性的作用，中央部分与表面层部分的界限被定为距连接线表面R/3处。更优选地，可将表面层部分的面积比[111]/[100]设为不小于2.5，并且将整个横截面上的平均面积比[111]/[100]设为不小于1.2，从而提高改善滑动特性并同时抑制连接线的变形的作用。
为了应付增加引脚并降低间距的趋势，人们经常试图在单个IC中进行具有不同连接线长度和不同拱线高度的连接线连接，这就伴随着由于拱线高度的分散度而引起的问题。举例来说，如果拱线形状能够保持不变，通过交替改变相邻连接线之间的拱线高度可以降低连接线之间接触的可能性。但是在目前使用的连接线中，对于准确控制拱线的高度是有限制的。在连接线长度短至约3毫米的常规组装结构中，拱线高度由球附近受热量影响的部分决定，并且可以相对容易地控制拱线的高度。另一方面，在当前的多引脚窄间距的连接中，连接线长度增加至超过5毫米，拱线高度在很宽的范围内变化，降低拱线高度的分散度变得非常重要。
为了降低拱线高度的分散度，发现需要控制连接线的结构，并且此外，除了控制晶体取向(例如上述的[111]取向或[100]取向)以外，单位面积内晶粒的数量起了很大的作用。即，证实当垂直于连接线纵向的横截面上的晶粒数量为每平方微米0.04至4个，并且连接线纵向的晶体取向上整个横截面上的面积比[111]/[100]不小于1.4时，连接线强度增加；即便连接线长度超过5毫米，拱线高度也会降低；并且可以有利地控制拱线。此处，选择晶粒数量的范围。这是因为如果晶粒的数量小于0.04/μm2，当彼此相邻的晶粒的取向差异很大时，拱线的形状容易不一致。此外，通过生产连接线的平常步骤，在整个连接线上很难均匀地形成每平方微米4个或更多的细微晶粒。
除了晶体取向在连接线的整个和部分区域中的平均比例之外，连接线的团聚结构还包括具有良好晶体取向的区域，从而可以进一步改善连接线的强度、弹性模量、拱线的可控性和抑制连接线的弯曲。
当整个连接线中具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且在至少一层或多层中具有其中面积比[111]/[100]不小于1.6且在连接线径向上的宽度不小于连接线半径R的1/10的区域时，可以进一步改善形成拱线的连接线的直线性。这是因为在面积比[111]/[100]不小于1.6的层中，由于晶体的取向方向，连接线表现出高的弹性模量。而且据认为由于抑制了因连接线变形引起的位错增加，和因加工引起的扭曲，连接线的直线性得到改善。此处，当在连接线径向上存在面积比[111]/[100]不小于1.6，并且其宽度不小于连接线半径R的1/10的层时，可以高效地获得上面的效果。当面积比[111]/[100]不小于2，并且这样的区域在连接线径向上的宽度不小于连接线半径R的15％时，可以获得更好的效果。存在一个或多个取向层是必要的。更优选地，应该有两层或更多的取向层。
此外，相似地，当连接线在至少一层或多层中具有其中[111]方向晶粒的面积比不小于60％，并且在连接线径向上的宽度不小于连接线半径R的1/10的区域时，可以增加强度和弹性模量，并且进一步改善直线性。此处，与将面积比[111]/[100]设为不小于1.6的情况相比，通过将[111]方向晶粒的面积比设为不小于60％，可以进一步增加弹性模量。即便在连接迄今不能保持连接的直线性的直径小于20微米的细连接线时，也在不短于3毫米的连接长度上证实了改善连接直线性的作用。
此外，当整个连接线中在连接线纵向的晶体取向中具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且在至少一层或多层中具有其中面积比[111]/[100]小于0.9且在连接线径向上的宽度不小于连接线半径R的1/10但小于1/3R的区域时，可以进一步改善形成拱线的稳定性。在高速形成拱线时，连接线的塑性变形在连接线的纵向及其垂直方向上变得不规则，因而增加了拱线形状的分散度。在面积比[111]/[100]小于0.9的区域中，据认为晶体沿[100]方向取向，并且由于减轻了塑性形变中的不规则性，因而稳定了拱线的。此处，当在连接线径向上存在面积比[111]/[100]小于0.9且其宽度不小于连接线半径R的1/10的层时，可以获得更好的效果。另一方面，当上述层的宽度大于连接线半径R的1/3时，拱线变得很难控制。不仅用细的连接线，而且用直径不小于30微米的粗连接线也能获得所述效果。更优选地，当在连接线径向上面积比[111]/[100]小于0.6且其宽度不小于连接线半径R的15％的层时，获得进一步增强的效果。存在一个或多个取向层是必要的。优选存在两层或多层。
相似地，为了进一步改善拱线的可控性，整个连接线中应具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且在至少一层或多层中还应该具有其中[100]方向晶粒的面积比不小于50％且在连接线径向上的宽度不小于连接线半径R的1/10的区域，从而可以进一步增强稳定拱线形状的作用。也就是说，由于[100]方向晶粒的增加，可以降低拱线高度的分散度并且改善其直线性。这就能够应付连接速度的增加，并且容易控制拱线，同时维持稳定性，即便连接连接线的速度在未来被增加至高达0.1秒或更短时。
为了进一步增强强度、弹性模量、拱线可控性，以及抑制连接线弯曲，并在大规模生产中改善窄间距连接，不仅需要对连接线的上述面积比[111]/[100]进行完全或部分控制，而且需要对[111]和[100]晶粒的总面积比进行完全或部分控制。
如果在整个连接线纵向的晶体结构中，具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积的比值不小于50％，可以增强改善楔形接合并降低连接线连接缺陷的作用。当在低温下将细的连接线连接到BGA板上的Au/Pt镀层上并且维持窄的间距时，楔形接合可能劣化。在所述板上进行等离子体清洗对于改善楔形接合的强度是有效的措施，但是由于连接线的塑性形变，往往伴随着折叠缺陷的发生。到目前为止，改善楔形接合和降低连接线折叠缺陷的问题还不是很突出。当细的连接线被连接到板上并维持窄间距时，上述问题会逐步曝露，并且为了在大规模生产中促进窄间距连接，也需要解决所述问题。
已发现仅调节面积比[111]/[100]还不足以同时解决楔形接合和连接线折叠的问题，并且有效的方法是将连接线中[111]和[100]晶粒的总面积比Pm设为不小于50％。控制[111]和[100]晶粒的总面积比Pm提供了以下好处：在楔形接合时控制连接线的形变行为；增强与镀层的连接；并且通过降低在楔形接合后切割连接线尾部时给连接线带来的震动来降低连接线的折叠。此处，如果[111]和[100]晶粒所占的面积比之和小于50％，改善楔形接合和连接线折叠的适当连接条件的范围受到限制；如果Pm不小于60％，可以进一步增强在的不高于165℃(与基板连接的合适温度)的温度下改善楔形接合的作用。更优选地，如果Pm不低于70％，通过改善使用不粗于18微米的细连接线的楔形接合，并降低连接线折叠缺陷，可以将窄间距连接的间距降至小于40微米。
如果在整个连接线纵向的晶体取向上，具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且如果将从半径为R的连接线的中央至R/2的部分作为中央部分，而且在连接线纵向中央部分的晶体取向上，[111]方向和[100]方向晶粒面积之和的比值Pc不小于60％，那么除了能改善直线性外，还可以在生产连接线期间降低连接线的断裂；降低连接线纵向上力学特性的分散度；并且增加细连接线生产的产率。
为了提高生产时的产率，本发明人发现单纯控制面积比[111]/[100]是不够的；从连接线中央至R/2处的中央部分的结构对于提高产率起了重要的作用；并且有效的方法是将中央部分中的[111]方向和[100]方向晶粒的总面积的比值Pc设为不小于60％。优选地，如果Pc不小于70％，可以进一步增强稳定力学特性的作用。更优选地，如果Pc不小于80％，可以降低连接线的断裂并且进一步提高生产率。通过增加细连接线的生产率，可以稳定地供应连接线产品，从而应付大规模的生产。从而使连接线的用户得到更多的实惠。
如果在连接线纵向截面上，在整个连接线纵向的晶体取向上，具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且如果将从半径为R的连接线的表面至R/3的部分作为表面部分，在连接线纵向的晶体取向中，表面区域中[111]方向和[100]方向晶粒面积之和的比值Ps不小于50％，那么，在用树脂密封时，所述连接线将具有增强的抑制连接线弯曲度分散的作用。
为了在用树脂密封的步骤中降低连接线接触缺陷，发现除了降低上述的连接线弯曲外，降低连接线弯曲度的分散度也是有效的方法。此处，通常通过密封后连接线的形变量除以连接线长度得到连接线弯曲度。促使连接线弯曲度分散的原因是金属模具中树脂变形不确定性，并且连接线弯曲度随施加在连接线长度上的外力方向的变化而变化。为了在不规则的树脂变形中稳定连接线的弯曲度，发现有效的方法是除了将整个连接线中的面积比[111]/[100]设为不小于1.2，并且特别是将表面区域中的[111]方向和[100]方向晶粒面积之和的比值Ps设为不小于50％以外，还要控制从连接线的表面至R/3的表面区域中的结构。此处，比例Ps被设为不小于50％。这是因为如果Ps小于50％，降低弯曲度标准偏差的作用是小的。优选地，Ps不小于60％，以至于即便在连接线长度具有长达4毫米或更长的跨度时，也能稳定连接线的弯曲度。更优选地，为了用不粗于18微米的细连接线来增强上述作用，从而进一步增强连接并在大规模生产中维持窄至不大于40微米的间距，Ps应不小于70％。
在控制[111]方向和[100]方向晶粒的总面积比的同时，对于其它晶体取向也可以实现基本相同的控制。作为除[111]方向和[100]方向之外的晶体取向，还可以在例如[110]、[112]和[122]的方向上进行控制，从而获得在连接线表面上抑制裂纹发生的作用。如果严格地控制拱线形成低的拱线，那么颈部会因在球附近接收热量而受到损害。即便通过单纯地调节诸如连接线强度的力学特性，或者即便通过单纯地控制整个连接线中所述结构面上的面积比[111]/[100]，也不能降低对颈部的损害。因此，除了控制[111]方向和[100]方向外，还可以在[110]、[112]和[122]方向上取向，从而降低对颈部的伤害并且实现低拱线。
此外，在寻找合适的晶体取向比例时，需要所观察的连接线的长度至少不小于连接线的直径。更优选地，连接线的长度不小于连接线直径的1.5倍，从而获得增强测量再现性的平均数据。此外为了检查连接线局部区域中晶体取向的方向，需要选择观察的长度不小于连接线直径的1.5倍，并且更优选不小于其3倍。
为了增加强度、弹性模量并且降低由树脂密封引起的连接线弯曲，在其长度为连接线直径的5倍或更多倍的连接线的纵向横截面中，需要有两个或多个其晶体取向与连接线纵向的夹角在15°角度以内的晶粒，并且所述晶粒在连接线纵向上的长度不小于连接线直径的70％。在整个连接线中或者连接线的局部区域中，为了进一步增强力学特性，除了控制许多晶粒的平均晶体取向或者它们的比值外，还要充分地保持取向晶粒的长度。
此处，在一般的观察中，将角度差异在约15℃范围内的取向区域看做一个晶粒。在用连接线形成拱线并用树脂密封的步骤中，连接线由于外力而变形时，大多数形变中的弯曲大于连接线的直径。因此，为了抑制形变，需要取向晶粒的长度不小于连接线直径的70％，并且在纵向上具有纤维结构。
接着，下面描述在上面(15)至(21)中提出的本发明的连接线。
连接线具有在连接线纵向上延伸的纤维团聚结构。通过观察连接线纵向横截面中的晶粒结构，如果连接线的半径用R表示，将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，并且认为它们的外面为外围部分，那么中央部分中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc(下文简称面积比[111]/[100])和外围部分的[111]/[100]面积比Rs满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，从而在低温下实施连接并且在间距变窄时促进楔形接合。特别地，所述团聚结构的取向控制能够在实现楔形接点的形变时，改善强度、弹性模量和连接强度，这是基于添加元素的常规材料设计所不能实现的。
因此，即便使用直径不大于20微米的非常细的连接线，所述连接线对于实现不大于50微米的非常窄的间距是必要的，与使用常规材料的方法相比，在用树脂密封时的连接线弯曲也可以降低10％以上，此外，连接温度可以降低30℃以上，从而在很大程度上保证了连续的连接。因此，树脂板和带不必再经受高温，并且在很大程度上改善了生产率和可靠性。
下面简要描述控制晶体取向的作用。在增加[111]方向上的取向时，除了增加拉伸强度外，还可以起到增加抗屈强度的作用，但是这通常并不足以在低温下维持窄间距。因此，通过使用[100]方向的取向，可以在楔形接合、切割尾部以及电弧放电形成球时，改善连接线的成形特性。
当连接线长度增加时，控制晶粒在[111]方向和[100]方向的取向，对于在用树脂密封时抑制连接线的塑性变形是有效的。到目前为止，通过增加连接线中形成合金的元素的量，可以在一定程度上增加强度。但是，高浓度的添加元素一直伴随着连接线电阻增加的问题。在未来，设计在高频下加工的ICs是必要的，所以连接线电阻的增加会引起半导体功能的降低。另一方面，控制晶粒在[111]方向和[100]方向上取向的连接线表现出增加的强度，而不会增加电阻，并且提供了很多的优点，包括用于高功能的LSI，例如ASIC。
通过控制[111]方向上取向和[100]方向上取向，即通过控制面积比[111]/[100]来控制连接线的结构，可以完全控制楔形接合、控制拱线并且使用强度增加的细连接线。也就是说，在控制面积比[111]/[100]时，可以增加强度和弹性模量，从而同时实现了采用以前的添加高浓度的元素以增加强度的方法所无法同时实现的多个有利于形成球的特性。举例来说，即便在形成以前不能稳定形成的球直径/连接线直径为1.2至1.6的小球时，所述球也能维持良好的球形并有利地用于窄间距连接。这是对[111]取向和[100]取向的晶粒的控制不仅影响了楔形接合后连接线的断裂，而且影响了球固化时结构的形成。
本发明从面积比[111]/[100]方面对连接线中央部分和外围部分进行控制，在这两部分之间产生不同的结构，从而同时改善相互冲突的要求，即增加强度并且改善连接特性，使用传统的连接线材料难以实现这样的效果。增加外围部分的面积比[111]/[100]，从而增加强度和弹性模量，同时抑制连接线的弯曲。此外，抑制中央部分的面积比[111]/[100]增加，从而在楔形连接时增加连接强度，并且稳定连接线的断裂形状。即，发现均匀地控制连接线结构是不够的，积极地利用连接线中央部分和外围部分之间的结构差异是重要的。
将中央部分和外围部分的[111]/[100]面积比Rc及Rs之间的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)设为不小于30％。这是因为当所述值小于30％时，虽然可以在一定程度上改善强度或者连接特性，但是很难同时改善它们。此外，尽管没有特别限制，但是从维持生产稳定性和容易性的角度来说，差分率的上限值应小于90％。
更优选地，Rc和Rs之间的差分率不小于40％。这是因为当差分率不小于40％时，楔形接合可以被更有利地连接到软材料(例如所述衬底和带)上的电极上。更优选地，当差分率不小于50％时，可以在低于160℃的温度下大大改善楔形接合，以增强对最新式接合(例如BGA、CSP等)的适用性。
当上述差分率(1-Rc/Rs)×100(％)的绝对值在上述的范围内时，可以获得有利的特性。此外，所述值的正负在某些用途中有轻微的差异。当(1-Rc/Rs)×100(％)＜-30％时，中央部分的Rc较高，并且在低温下对于非常细的连接线是更有利的。另一方面，当(1-Rc/Rs)×100(％)＞30％时，外围部分的Rs高，可以获得抑制由树脂密封引起的变形的的作用。
至于分割连接线区域的界限，如果将从连接线中央至三分之一半径(R/3)的区域定为芯部，则其外面从表面至2R/3的区域为外面层部分，并且芯部和表面层部分的面积比[111]/[100]分别用Rd和Rf表示，那么需要它们之间的差分率绝对值|1-Rd/Rf|×100(％)不小于30％。这是因为通过将从表面至2R/3的部分定为表面层部分，并且剩余的R/3为芯部，相应于上述外围部分的所述部分变厚，从而对抑制连接线的变形表现出进一步增强的作用。
在连接线纵向截面上的连接线纵向晶体取向上，以连接线半径的1/2为界限，将连接线分成中央部分和外围部分。此处，如果中央部分的[111]/[100]面积比Rc和外围部分的[111]/[100]面积比Rs之间的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100％不小于30％，并且连接线纵向整个横截面上的平均面积比[111]/[100]不小于1.0，那么强度和接合特性同时增强。特别地，连接线的直线性被改善，并且进一步增强了抑制连接线弯曲的作用，从而可以应付使用非常细的连接线的窄间距连接。
除了控制被分成连接线中央部分及其外围部分的结构之外，就整个连接线截面上的晶体取向而言，通过增加[111]方向而不是[100]方向的比值，可以起到增强抗弯刚度和抗屈强度的作用。
借助包括复杂的拱线轨迹、打开/关闭用来夹持连接线的夹具，以及基于空气流张力来递送连接线的一系列过程，可以使用连接线来形成规则的拱线。因此，必需控制连接线的弹性形变和塑性形变。通过在连接线的整个横截面上增加平均[111]/[100]面积比Ra，并增强抗弯刚度和抗屈强度，即使在形成复杂的拱线后，也可以稳定且有效地维持连接线的直线性。通过增加抗弯刚度和抗屈强度，可以抑制连接线的弹性形变和塑性形变，从而可以降低连接线在进行高速树脂密封并承受很大的负载时的弯曲。
将整个连接线截面上的平均[111]/[100]面积比Ra设为不小于1.0。这是因为如果Ra小于1.0，抗弯刚度和抗屈强度不能同时增加。如果Ra不小于1.0，可以同时增加弹性模量和抗弯刚度。这样即便使用直径不大于18微米的连接线，也可以改善连接线的直线性，降低连接线的弯曲；并且进一步提高所述连接线在40微米或更小间距的连接中的适用性。此外，需要Ra不小于1.2。这是因为如果Ra不小于1.2，可以同时确保拱线的直线性以及在窄间距连接中所需的复杂拱线形状(例如梯形拱线和阶梯拱线)中的弯曲部分和折叠部分的可控性。
在连接线纵向的晶体取向中，在连接线纵向截面上，将从连接线中央至R/3的部分定为芯部，并且将芯部的[111]/[100]面积比Rd设在0.1至0.8的范围内。在这种情况中，强度增加，同时楔形接合增强。此外，改善了楔形接合上的疲劳耐性，从而增强了可靠性。因此，即便使用20微米或更细的细连接线和细的加工毛细管，也能确保很好的楔形接合，并且增强窄间距连接的批量生产率。另外，将来使用无铅焊接剂时，可以大大减少楔形接点的缺陷(例如裂纹和断裂)的发生，同时伴随着软熔温度的升高。因此，所述连接线促进了无铅焊接剂的实际使用，并且可以用于半导体封装技术来解决环境问题。
至于使用期间的可靠性，例如为了得到复杂结构而发生很大变形的楔形接点的疲劳耐性，如前面所述，目前几乎没有这方面的报道；而且用来改善可靠性的连接线材料因素也还不清楚。在由软熔、使用期间的放热和冷却所组成的温度循环步骤中，包括硅芯片、金属框架、连接线和密封树脂在内的各种元件表现出不同的热膨胀系数和弹性模量，这些都是影响可靠性的因素。因此推定热扭曲集中在楔形接合中，从而导致断裂。为了减轻严重变形的楔形接点的应力，需要改善这些部分的疲劳耐性。因此，本发明人首次注意到通过控制结构可以改善楔形接点的可靠性。
也就是说，为了改善接合部分的疲劳耐性，降低连接线芯部的[111]/[100]面积比Rd，并且增加[100]取向的晶粒与[111]取向的晶粒的面积比。此外，为了充分地增加强度和改善楔形接合特性，并且全面增强窄间距连接中的可靠性，设置外围部分的[111]/[100]面积比Rs高于中央部分的面积比Rc 30％以上。在常规材料设计的拓展中，通过增加高温伸长率(往往伴随连接线强度的降低)，可以轻微改善所述疲劳耐性。因此，这样的处理使得细连接线的拱线很难控制，并且连接线弯曲的增加使之很难应付窄间距连接。然而，通过在连接线芯部适当分布[100]取向的晶粒可以彻底改善所述性质，而几乎不带来任何不利作用。就连接线芯部而言，为了在不损害连接线强度的情况下进一步改善楔形接点的可靠性，在从连接线中央至R/3的区域(称为芯部)中使用[100]取向的结构，这一区域比从连接线中央至R/2的中央部分更深。
在所述芯部中，将芯部的[111]/[100]面积比Rd设在0.1至0.8的范围内。这是因为如果Rd小于0.1，很难保证不厚于15微米的细连接线的强度。另一方面，如果Rd超过0.8，改善楔形接点的疲劳耐性的作用降低。
此外，适当调节参数Rc、Rs、Rd和Ra，设置中央部分和外围部分的面积比Rc和Rs之间的差分率|1-Rc/Rs|×100％不小于30％，将芯部中的比值Rd设在0.1至0.8的范围内，并且设置整个连接线截面上的[111]/[100]面积比Ra不小于1.0。就像控制结构时所预期的那样，由于增加了抗弯刚度和增加的抗曲强度，连接线强度得以增加，楔形接合得到改善，连接线弯曲降低，并且由于不大于1毫米的短跨度，楔形接点附近的拉伸强度增加，这是一种复合作用。
在使用BGA衬底或带的窄间距连接中，在许多情况下在同一个封装中会形成不同长度的连接线拱线。当芯片表面和楔形接合表面之间的高度不同时，以及在跨度短时，在楔形接点附近，连接线和连接表面之间的插入角度相对较大，从而当运输样品时，或者进行拉伸试验时在楔形接点会产生裂纹，引起楔形接点断裂，尽管这并不经常发生。因此，将参数Rc、Rs、Rd和Ra控制在上述的范围内，以便在连接短跨度的楔形接合时，相对容易地扩展操作条件的选择范围。
在外围部分[111]/[100]面积比Rs不小于1.2的连接线中，可以增加强度，同时改善楔形接合，从而进一步改善所述球形接点附近的直立部分的倾斜。下面描述结垢控制对倾斜的作用。
在间距窄达50微米或者更小的连接中，球形接点附近的直立部分的连接线倾斜已成为一个问题。上文所述直线性指的是整个拱线的整体直线性，此处所说的倾斜涉及的是局部的直线，具体地说，是球形接点附近的直线部分的倾斜，在这里，相邻连接线的间距最窄并且在垂直方向上的弯曲和折叠最为严重。在大规模生产窄间距连接的步骤中，抑制这些部分中连接线的倾斜是一个重要的任务。
为了抑制所述倾斜，必需阻止横向倒伏，尽管由于球形接点附近的弯曲或折叠连接线发生严重的变形或扭曲。仅仅基于力学特性的常规方法不足以抑制所述倾斜。仅控制连接线横截面上的平均晶体取向对于抑制所述倾斜也是不够的。本发明人发现控制连接线横截面上晶体取向的分布在抑制所述倾斜方面是有效的。
即，如果连接线中央部分和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs之间的差分率绝对值不小于30％，并且如果外围部分的[111]/[100]面积比Rs增加至不小于1.2，那么就可以有效地抑制倾斜。据认为通过相对降低中央部分的面积比[111]/[100]，形成拱线时的局部弯曲和折叠变得更容易，而外围部分面积比[111]/[100]的增加则可以阻止球形接点上的连接线部分的倒伏，从而抑制倾斜。在球融化时，球形接点上的连接线部分往往会受热而发生重结晶，这里通常也是强度降低最大的区域。对这部分的结构进行改进，增加连接线外围部分的面积比[111]/[100]来降低由于热量引起的强度下降；即认为这是抑制倾斜的因素之一。
此处，将外围部分的[111]/[100]面积比Rs设定为不小于1.2。这是因为如果Rs小于1.2，抑制倾斜的作用不足。更优选地，Rs不小于1.5。这是因为如果增加窄间距连接中的拱线高度，倾斜问题会频繁发生。但是，在Rs不小于1.5的情况下，即便拱线高度超过300微米，也足以抑制倾斜。
此外，如果连接线中央部分和外围部分[111]/[100]面积比Rc和Rs之间的差分率绝对值不小于30％，如果外围部分的[111]/[100]面积比Rs增加至不小于1.2，并且如果将R/3内的芯部中的比值Rd调节至0.1至0.8的范围内，可以降低目前很难克服的反向阶梯连接中的连接线弯曲，从而促进大规模生产中的多层芯片连接。
在反向阶梯连接中，楔形接点位于高于球形接点的位置；球形接点附近连接线直立部分的长度是普通连接的几倍；塑性形变部分具有特殊的结构，并且频繁发生诸如连接线弯曲和倒伏的缺陷。造成所述缺陷的原因与造成上面所述的倾斜的原因类似。因此，通过在连接线的内部、连接线的外围部分以及在连接线的表面层中对晶体结构进行控制，使之满足如上所述的[100]取向和[111]取向之间的关系，从而降低了连接线的弯曲和下降，从而提高了反向阶梯连接的生产率。
在使用细连接线的窄间距连接中，连接线表面是有疤痕的，并且由于毛细管内壁对连接线的刮磨，毛细管的内部也被堵塞。本发明人发现通过控制连接线中大部分表面区域中的结构可以改善所述这些问题。
也就是说，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面至R/5深处的部分定为最外面部分，那么为了减少连接线表面的疤痕或者磨痕，从而抑制毛细管的堵塞并且增加毛细管连续使用的次数，在连接线纵向最外面部分的晶体取向上，将[111]/[100]面积比Rt设为不大于1.0。
此处，将从连接线表面至R/5深处的最外面部分中的[111]/[100]面积比Rt设定在不大于1.0范围内。这是因为毛细管内壁和连接线表面之间的摩擦和滑动特性主要取决于连接线表面至R/5深处的部分。如果所述区域的Rt超过1.0，摩擦和滑动特性劣化，并且很难获得足以改善连接线表面疤痕或者毛细管堵塞的作用。更优选地，Rt在不大于0.8的范围内。这是因为如果毛细管的孔径和连接线直径之间的尺寸差为4微米或者更小(这在窄间距连接中是很可能的)，那么缺陷(例如连接线表面疤痕或者毛细管堵塞)的发生率就会增加。通过选择Rt在不大于0.8的范围内，可以增强改善效果，从而抑制疤痕的产生和毛细管的堵塞。
优选本发明中的晶体取向包括那些偏离连接线纵向的倾角不大于10°的晶体取向。通常，即便是对于某一特定方向的晶体取向，单个晶体之间也会存在一定程度的角度差异。此外，不同的样品制备方法和试验方法(例如测量晶体取向的方法)在一定程度上也会导致角度差异。此处，如果晶体取向偏离连接线纵向的角度不大于10°，则晶体取向的特征就会被包括进去，并且能充分影响连接线的性质。但是如果晶体取向偏离连接线纵向的倾角超过10°，则对连接线的影响可能发生偏差。
为了应对先前所述的增加引脚并降低间距的趋势，人们一直试图在单个IC中实现具有不同连接线长度和不同拱线高度的连接，但拱线高度的分散往往伴随着一些问题。举例来说，当拱线形状总是保持不变时，通过交替改变相邻连接线间的拱线高度可以降低连接线间接触的可能性。但是，使用目前的连接线，准确控制拱线高度的能力是有限的。在连接线长度短至约3毫米的常规组装结构中，拱线高度取决于球附近受热量影响的部分，并且可以相对容易地控制拱线高度。然而，在现代的多引脚窄间距连接中，连接线长度增加至超过5毫米，拱线的高度分布在一个宽的范围内，于是降低拱线高度的分散度非常重要。
为了降低拱线高度的分散度，发现必需控制连接线的结构，此外，除了控制上述例如[111]方向和[100]方向的晶体取向外，单位面积内的晶粒的数量也起着重要的作用。已证实如果选择连接线中央部分和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs之间差分率绝对值不小于30％，并且垂直于连接线纵向的横截面上的晶粒数量为每平方微米0.04至4个，那么强度会增加；即便对于长5毫米的连接线，拱线高度的分散度也会降低；并且可以有利地控制拱线。此处，选择晶粒数量的范围。这是因为如果晶粒的数量小于0.04/μm2，当彼此相邻的晶粒的取向差异很大时，拱线形状会趋于分散。此外，采用通常的连接线生产步骤，很难在整个连接线中均匀地形成每平方微米4个或更多颗的细晶粒。
上文描述了上面(1)至(21)中提出的本发明的连接线。连接线的团聚结构还不知道并且也没有报道。尽管轧制材料和细的拉伸连接线中各种金属的团聚结构是己知的，但是对于金属加工方法、组分和团聚结构之间的关系，以及团聚结构和所用材料特性之间的关系仍然没有一致的观点。到目前为止，团聚结构仍然根据X射线衍射或者使用TEM的电子束衍射来测定，但是它们不能测量直径细至约25微米并且较软的金属连接线中的团聚结构。
分析技术正在迅猛发展，最近开发的能够具有非常小的测量区域的微区X射线分析、电子背散射衍射分析(EBSP)，以及类似的方法都是测量非常小样品的非常有效的测量方法。其中，EBSP可以相对容易地测量连接线这样的细线，以观察其剖面上的团聚结构。举例来说，图1显示了用EBSP观测直径25微米的金连接线的结果，其中可以准确地测量出晶体的取向。通过使用上面最新的分析技术，首次证实就连接线的精细结构而言，可以高度准确地测量单个细晶粒的晶体取向和整个截面上的晶体取向的分布，并且具有良好的再现性。但是，此处，即便通过EBSP或者X射线来测量连接线的表面或者其抛面，也不一定能获得正确的数据。应当指出只有在正确设定许多实验条件(例如样品制备和仪器操作)后，才可能高度准确地分析取向。
此外，在EBSP测量中，可以观察各晶粒的取向来确定晶粒的面积。但是当使用X射线衍射时，根据各晶体取向上的X射线强度可以得出晶体取向的体积比。因此，借助X射线测量在连接线纵向截面上或者垂直于纵向的横截面上的晶体取向，如果[111]取向的晶粒与[100]取向的晶粒的体积比不小于1.2，就可以增加连接线的强度和弹性模量，并且在用树脂密封时可以降低连接线的弯曲。已证实本发明中除上述[111]方向与[100]方向晶粒面积比以外的晶粒面积比，也可以根据X射线衍射方法测得的各晶体取向的体积比来确定。
当使用X射线衍射时，X射线的强度反映了面积。也就是说，[111]取向或[100]取向的晶粒的面积比例可以由所述晶体取向的X射线强度的比值来表达。
因此，在连接线纵向测量的X射线强度中，如果[111]取向晶粒的X射线强度与[100]取向晶粒的X射线强度的比值不小于1.2，那么强度增加、弹性模量增强，并且在用树脂密封时可以降低连接线的弯曲。至于本发明中除上述[111]方向与[100]方向晶粒面积比以外的晶粒面积比，它们的关系也可以用各晶体取向的X射线强度比来表示。
接着，下面描述在上述(1)至(14)、(20)和(21)中提出的本发明连接线生产方法(22)至(24)。
控制晶体取向的方法主要包括控制生产工艺和添加下面所述的形成合金的组分。
一种使用铸造材料通过包括压延、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；并且后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内。所述方法能够调节连接线纵向上的具有[111]取向和[100]取向的晶粒。
压延可以使用具有圆槽的轧辊，或者具有方槽的轧辊来进行，或者采用锻造(swaging)压延。连接线可以使用大的拉伸模具来部分拉伸。如果压延前后的连接线平均直径用Df和Dg表示，压延的总加工程度可以用{1-(Dg/Df)2}×100(％)来表示。接着，主要使用拉伸模具来进行拉伸。拉伸机械是能够同时使用多个拉伸模具拉伸连接线的机械。如果拉伸前后的连接线半径用Rf和Rg表示，拉伸的总加工程度可以用{1-(Rg/Rf)2}×100(％)来表示。拉伸模具的内壁需要用超硬的金属或者金刚石来处理，以具有优异的稳定性。热处理方法是：分批热处理，其中处于缠绕状态的连接线被放在加热炉中加热一段时间；或者连续热处理，其中在预定长度的加热炉中加热连接线的同时不停地递送连接线。
在同时满足上述的压延加工程度、拉伸加工程度和热处理加热温度的条件下，能够容易地促使在[111]方向和[100]方向上的取向。不满足任何一个上述条件都将很难控制结构。举例来说，当压延总加工程度小于95％，或者当拉伸总加工程度小于99.5％时，难以加工出完整的团聚结构，并且很难增加最终团聚结构中的面积比[111]/[100]，其中通过随后的加热可以部分实现回复(recovery)/重结晶。当热处理中的加热温度(绝对温度)小于原材料熔点的20％时，很难在随后的拉伸步骤中促成沿[111]和[100]方向的晶体取向。当加热温度高达原材料熔点的70％以上时，很难维持面积比[111]/[100]不小于1.2，因为尽管连接线被拉伸至最终的连接线直径，但是[111]取向以外的其它晶体取向的比例变得很高。
此外，将随后热处理中的加热温度设在原材料重结晶温度的20至70％的温度范围内。这是因为当加热温度低至小于重结晶温度的20％时，除了缺乏[111]晶体取向外，由于加工扭曲的存在还会发生连接线弯曲的问题。另一方面，当加热温度超过原材料重结晶温度的70％时，连接线表面会被严重氧化，并且楔形接合劣化。这里，因为在预热处理中与熔点密切相关，所以使用熔点作为预热处理中温度的参照。而在后热处理中，则使用重结晶温度。这是因为必须调节后热处理中的温度，从而在最终步骤中在具有不同拉伸加工程度的材料中获得相同的结构。因为加工程度间接地反映在重结晶温度中，所以通过在重结晶温度的基础上确定温度范围很容易控制取向。确定重结晶温度的方法有好几种，其中可以将断裂伸长率随温度变化的曲线中，断裂伸长率突然增加时的温度作为重结晶温度。
为了有效地促成沿[111]和[100]方向的晶体取向，加热被分成预热处理和后热处理两个步骤。预热处理的作用是在通过压延形成的无序晶体取向中引入预定的方向性，以便通过随后的拉伸步骤获得沿预定方向发展的团聚结构。而后热处理部分则诱发了回复/重结晶，从而可以同时控制具有[111]取向和[100]取向的晶粒。
此外，为了控制所述结构，本发明提供了一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为50至1000m/min；拉伸连接线的容器温度为5至45℃；后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内；并且扫描张力在0.2至70mN。根据所述方法，可以同时在连接线纵向上控制具有[111]取向和[100]取向的晶粒，并且控制截面上的取向分布。
为了控制连接线截面上晶体取向的分布，可以在热处理期间有效地控制拉伸速率、拉伸温度和扫描张力，因为仅控制加工比和热处理温度是不够的。具体地说，在上述加工比和热处理温度的范围内，平均拉伸速率被设为50至1000m/min；拉伸连接线的容器温度被设为5至45℃；后热处理中的扫描张力被设为0.2至70mN，以增加整个截面上晶体取向的均匀性，和调节表面层部分结构的取向。通过在适当的范围内调节加工比、热处理温度、拉伸速率、拉伸温度和扫描张力，可以在整个连接线纵向截面上(而不是局部地)高度准确地控制结构分布。尽管很难单独规定这些参数条件，但是下面将对某些条件进行描述。
将平均拉伸速率设为50至1000m/min。这是因为当平均拉伸速率小于50m/min时，纵向上发生偏移并且批量生产能力下降。另一方面，当平均拉伸速率超过1000m/min时，由于拉伸连接线时产生的热量，可能发生动力学重结晶，从而很难维持晶体取向的均匀性。当拉伸连接线的容器温度低于5℃时，连接线表面可能被冷却。另一方面，当容器温度超过45℃时，连接线的最外面区域中发生回复，从而导致结构的分散，增加操作者的负担，并导致操作失败。当后热处理中的扫描张力小于0.2mN时，当连接线在炉中移动时，连接线可能摆动，从而产生热处理状态的分散。当扫描张力超过70mN时，连接线直径可能变细。
从增强结构可控性的角度来说，需要在下列条件下实施所述步骤：压延总加工程度不小于95％；拉伸总加工程度不小于99.5％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在原材料熔点的30至70％的范围内；以及后热处理中的加热温度在原材料重结晶温度的30至70％的范围内。通过所述方法，可以进一步改善[111]取向和[100]取向的完整度。
此外，从控制结构的角度来说，在压延、预热处理、拉伸连接线和后热处理步骤之后，需要增加精细拉伸连接线的步骤，或者精细拉伸连接线步骤和第三次热处理步骤的组合。添加精细拉伸连接线的步骤的目的在于，通过使连接线表面附近的晶粒变细并且增加局部位错来增加连接线的强度。增加精细拉伸连接线的步骤和第三次热处理步骤的组合的目的在于，通过使连接线的外围部分的[111]取向和[100]取向的晶粒比在其中央部分的晶粒更细小，来进一步增加滑动特性并抑制连接线弯曲，同时通过重整表面来提高强度。
更优选在用于拉伸的多个拉伸模具中，不少于30％的拉伸模具具有不小于10％的断面减缩比，从而增加整个截面上晶体取向的均匀性，并降低中央部分和外围部分之间的面积比[111]/[100]的差异。这是因为现有技术中用来拉伸连接线的拉伸模具通常具有不大于6％的断面减缩比，并且据认为增加断面减缩比至不小于10％能促进连接线表面层部分，以及中央部分的均匀化。因为不少于30％的用于拉伸的拉伸模具具有不小于10％的断面减缩比，所以即便在大规模生产水平上高速拉伸连接线也能控制所述结构。
此外，为了控制所述结构，在用于拉伸的多个拉伸模具中，不少于30％的拉伸模具具有不小于10％的断面减缩比。在此情况下，不仅整个截面上晶体取向的均匀性得到增强，而且上述的面积比[111]/[100]也得到有效的增加。通过拉伸而生产的连接线抑制了连接线的弯曲；由于强度和弹性模量的增加，改善了拱线形状的直线性，并且抑制球形接点上的直立部分的倾斜，而且提高了窄间距连接的可行性。
为了控制连接线中各种晶体取向的分布，并且控制晶粒的直径，需要选择各拉伸模具的适当断面减缩比、拉伸模具的顺序、连接线插入拉伸模具的角度和拉伸时的拉力。举例来说，通过将连接线插入拉伸模具的角度维持不变，或者在拉伸时调节拉力，使整个连接线截面上的结构保持均匀，或者在连接线纵向上不仅局部而且在大的范围中(几十米至几百万米)控制表面层的取向，从而生产出均匀的连接线。至于拉伸模具的排列，举例来说为了控制连接线中央部分及其表面层部分的结构，在接近最终连接线直径的步骤中使用断面减缩比不小于10％的拉伸模具，或者在拉伸速率为40至400m/sec的情况下轻微延迟连接线变窄的速率。
除了主要根据生产方法来控制结构外，还可以有效地借助加入连接线中的元素来进一步抑制倾斜，近年来所述倾斜在实现窄间距中已变成一个问题。
通过使用现在已经主要作为现代连接线材料而使用的Au作为主要组分，添加总浓度C1为0.002至0.03质量％的一种或多种选自Y、Ca、Yb和Eu的元素，并且添加总浓度C2为0.002至0.05质量％的一种或多种选自La、Tb、Dy和Nd的元素，这些添加组分的浓度维持在0.1＜C1/C2＜10的范围内，从而获得金合金连接线。除了有助于[111]方向晶粒的形成外，这些组分的添加还可以进一步抑制倾斜。通过上述的连接线生产方法来抑制倾斜。此外，可以通过向球附近受热量影响的部分中添加上述元素，来控制结构，从而进一步抑制倾斜。此处，如果C1小于0.002质量％，或者如果C2小于0.002质量％，控制结构的作用是小的。另一方面，如果C1超过0.03质量％，或者如果C2小于0.05质量％，Al合金垫片上的球形接点的接合强度下降。如果0.1＜C1/C2＜10，那么这两组元素的组合可能会产生协同效果，使得[111]取向的完整度相对容易控制，并且彻底改善使用性能(例如拱线和接合的稳定性)。
更优选将上述的生产方法与下述连接线材料相结合，其中上述两种元素组具有0.4＜C1/C2＜6的浓度关系，从而进一步促进了控制晶体取向的作用，以便将晶体取向[111]和[100]设定在本发明的范围内。
下面描述生产本发明连接线(15)至(21)的方法(25)至(27)。
控制晶体取向的方法主要包括控制生产工艺和添加下面所述的形成合金的组分，如下面所述。
为了控制金连接线的结构，本发明提供了一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延和初次拉伸中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料熔点的30至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为100至800m/min；拉伸模具前后的张力差值在0.1至50MPa的范围内；后热处理中的加热温度(绝对温度)在铸造材料重结晶温度的30至70％的范围内；并且在初次拉伸和二次拉伸中，拉伸模具出口处的拉伸角度不大于30。。在这些条件的范围内，可以通过调节以在本发明规定的连接线纵向上获得具有[111]取向和[100]取向的晶粒。
压延可以使用具有圆槽的轧辊，或者具有方槽的轧辊来进行，或者进行锻造压延。连接线可以使用大的拉伸模具来部分拉伸。如果压延前后的连接线平均直径用Df和Dg表示，压延的加工面积比可以用{1-(Dg/Df)2}×100(％)来表示。接着，主要使用压延拉伸模具来进行拉伸。拉伸机械是能够同时使用多个拉伸模具拉伸连接线的机械。如果拉伸前后的连接线平均半径用Rf和Rg表示，拉伸的加工面积比可以用{1-(Rg/Rf)2}×100(％)来表示。拉伸模具的内壁需要用超硬的金属或者金刚石来处理以使其具有优异的稳定性。热处理方法可以是将缠绕的连接线放在加热炉中分批进行热处理；或者在具有预定长度的加热炉中连续递送连接线，从而进行连续热处理。
对于上述的压延加工面积比、拉伸加工面积比和热处理中的加热温度等条件必须进行适当的选择。选择这些条件的原因是因为如果压延和初次拉伸中加工面积比小于95％，或者二次拉伸中加工面积比小于99.5％时，难以加工出完整的团聚结构，并且很难调整最终团聚结构中的面积比[111]/[100]，其中通过随后的加热可以部分实现回复/重结晶。此外，如果热处理中的加热温度小于原材料熔点的30％，很难在随后的拉伸步骤中促成沿[111]和[100]方向的晶体取向。另一方面，如果加热温度超过70％，尽管连接线被拉伸至最终的连接线直径，但是[111]以外的取向的比值增加，并且很难控制面积比[111]/[100]。
平均拉伸速率被设为100至800m/min。这是因为如果平均拉伸速率小于100m/min，纵向上发生偏移并且批量生产能力下降。另一方面，如果平均拉伸速率超过800m/min，由于拉伸连接线时产生的热量，可能发生动力学重结晶，从而很难维持晶体取向的均匀性。拉伸模具前后的张力差值被设为0.1至50MPa。这是为了通过控制拉伸模具前后的张力差值来控制连接线表面附近的加工扭曲。如果差值小于0.1MPa，在连接线纵向的结构中容易发生分散。如果差值大于50MPa，引起细连接线断裂的问题。此外，如果在初次拉伸和二次拉伸中，拉伸模具出口处的拉伸角度不大于30°，加工应力被控制在垂直于连接线纵向截面上，并且容易控制连接线及其外围部分中的结构。
为了促成连接线中央附近和表面层附近面积比[111]/[100]的差值，需要在一定范围内对加工和回复/重结晶的条件进行控制。举例来说，在压延、初次拉伸和二次拉伸中需要采用能够改变加工程度或者改变中央附近和表面层附近的加工应力的方法，或者采用一种在热处理期间(例如预热处理和后热处理期间)能够改变从连接线表面到内部的深度方向上的回复/重结晶的方法。进一步，通过结合上述两方面，可以在压延和使用拉伸模具的拉伸步骤中，在接近表面层处引入加工应力，而通过提高加工速率，借助动力学重结晶，又可以在表面层部分释放加工应力。通过改变热处理期间的温度、移动速度和张力还可以产生连接线深度方向上的温度变化。团聚结构受加工和回复/重结晶的协同作用影响。通过适当地组合使用加工条件和热处理条件，可以改变连接线内部方向上的面积比[111]/[100]。
在逐步缩小直径的步骤中，各处的条件不必相同，并且通过根据连接线的直径改变这些条件(例如弯曲角度)，可以在连接线中央或者表面层附近产生晶体取向分布的差异。拉伸加工中拉伸模具的断面减缩比、拉伸速率和热处理温度可以相对容易地改变和控制，并且容易获得所述效果。在用于拉伸连接线的多个拉伸模具中，以每种至少不少于10％的数量使用断面减缩比小于7％、7至11％及11至20％的三种拉伸模具组，以便分别在中央附近和表面层附近控制晶体取向。通过改变上面三种拉伸模具组的拉伸模具数量及其组合次序，可以在本发明规定的连接线结构范围内精细地调节晶体取向比。
此外，使用具有如下温度分布的加热炉来连续扫描连接线，并对其进行热处理，其中加热炉两端的加热温度Te(绝对温度)比中央部分加热温度Tm(绝对温度)低0.02至0.3Tm，从而引起中央附近和表面层附近重结晶行为的变化，从而在连接线深度方向上控制晶体取向。通过使用仅在预定部分产生气流的加热炉，并且通过在炉中连续扫描并热处理连接线，还可以控制连接线表面附近的晶体取向。
如果连接线由包含Au作为主要组分的连接线材料组成，可以相对容易地获得根据本发明的结构。优选地，考虑到生产连接线步骤中的可操作性和形成球时的氧化，需要连接线包含Au作为主要组分；包含总浓度C3为0.0005至0.02质量％的一种或多种选自Be、Ca、La、In、Gd、Nd、Ce、Dy、Tb和Y的元素；或者包含总浓度C4为0.003至0.1质量％的一种或多种选自Ag、Sn、Pd、Pt和Cu的元素。更优选地，如果上述的总浓度C3为0.005至0.015质量％，将更容易形成本发明的连接线结构，并便于生产控制。
                    实施例
                    实施例I
下面将通过实施例的方式描述本发明的连接线(1)至(14)、(20)和(22)及其生产方法(22)至(24)。
通过使用金纯度不低于约99.995质量％的电解金并添加必需的元素，在熔融炉中熔化并浇铸具有表1至5中所示的化学组分的金合金，压延所得铸锭、在加热炉中预热处理、使用拉伸模具拉伸，并且通过后热处理来连续扫描并加热连接线，从而生产出本发明的连接线。选择最终的连接线直径基本不大于20微米。
现在将具体描述生产步骤。首先，制备直径为6至30毫米的铸锭。在压延步骤中，使用薄的轧辊以30至200m/min的速率压延铸锭，直至连接线直径为0.5至1.5毫米。在预热处理步骤中，所述连接线被保持在250至800℃的炉中0.1至2个小时，然后在置于炉外露天冷却。在拉伸步骤中，通过使用设有多个拉伸模具的拉伸装置并且使用涂布有金刚石的拉伸模具，在20至35℃的拉伸容器温度下，以及80至400m/sec的速率拉伸连接线。拉伸模具的内壁在使用前用超声进行清洗。所用拉伸模具的断面减缩比分为两种，即5至8％的低断面减缩比和12至15％的高断面减缩比。高断面减缩比拉伸模具的数量占所有拉伸模具的35至80％。在后热处理步骤中，使用具有20厘米均匀加热区的红外加热炉。连续递送连接线，并将其通过250至700C的炉进行热处理，移动速率为50至800m/min，扫描张力在2至60mN的范围内，以使抗拉试验中连接线的伸长率为3至5％。表3阐述了表2所示的实施例的具体生产方法。
为了连接连接线，使用常用的自动连接线连接装置来进行球形/楔形接合。在球形接合中，通过电弧放电在连接线末端形成球，并且通过热压接，并使用超声波将所述球连接到电极薄膜上。此外，连接线的另一端被楔形接合到引线框架上，或者BGA衬底的引线部分。维持50微米的电极间距，进行窄间距连接，以检验本发明连接线对未来需要的窄间距连接的适用性。
用于连接连接线的相应部分是硅衬底上的电极薄膜，即厚度约0.8微米的Al合金薄膜(Al-1％Si，Al-0.5％Cu，Al-1％Si-0.5％Cu)或者Cu布线(Au 0.01微米/Ni0.4微米/Cu0.4微米)。使用表面镀有Ag(厚度：1至4微米)的引线框架，或者表面镀有Au/Ni/Cu连接线的玻璃环氧衬底作为连接楔形接合的相应部分。
通过张力测试测量连接线的强度和弹性模量，它们是连接线的代表性力学特性。样品的长度为10毫米，样品数为5个，并且算出平均值。
至于连接线的结构，蚀刻纵向剖开的连接线，并且使用SEM来检查晶粒的数量。此外，通过EBSP方法，测量以相同方式剖开的样品区域的晶体取向。得出整个连接线截面上[111]方向或[100]取向的晶粒所占的面积比。将从半径为R的连接线中央至R/2部分定为中央部分，并且将从连接线表面至R/3深处的部分定为表面层部分。在此情况下，求出连接线纵向截面上，中央部分和表面层部分中的[111]取向晶粒的面积比。
为了评价所连接的拱线的直线性，使用投影仪(projector)自上而下观察一百根维持6毫米间距(跨度)连接的连接线。测量连接线上相对于连接球形接点和楔形接点的连线偏离最大的部分的偏差作为弯曲量。小于连接线直径的平均弯曲量被评价为有利的，并且用◎表示；不小于两根连接线直径的平均弯曲量被评价为有缺陷的，并用△表示；而介于两者之间的平均弯曲量被评价为不会引起问题，并用○表示。
至于连接步骤中拱线形状的稳定性(拱线可控性)，对每根连接线在三个部位测量拱线的高度，并且评价拱线高度的标准偏差。样品数量为50，并且使用光学显微镜来测量。三个测量部位包括：球形接点的正上方部分、拱线顶点和高度易于分散的连接线长度中点。当拱线高度的标准偏差不小于连接线直径的一半时，评价为分散度很大。当标准偏差小于连接线直径的一半时，评价为分散度小并且是有利的。基于所述评价，当三个部位的分散都小时，评价拱线形状是稳定的，并用◎表示。当有一个部位分散大时，评价拱线形状为较好，并用○表示。当有两个部位分散大时，拱线形状用△表示，并且当分散在三个部位都大时，拱线形状用×表示。在两种拱线形状中对连接线进行评价：跨度为4毫米的拱线(形状1，越来越多地用在BGA等中)以及跨度为6微米的拱线(形状2，在这样的跨度下较难获得稳定的拱线形状)。
在窄间距连接中，趋向于在同一个芯片中连接不同高度的拱线，这就伴随着保持直线性并抑制拱线形状分散的问题。为了更严格地评价拱线形状的稳定性，评价高的和低的拱线。连接50个最大高度不高于100微米的低拱线和50个最大高度不低于300微米高拱线。测量所述两类具有不同高度的拱线的直线性。当平均弯曲量小于连接线直径时，评价这两种拱线为有利的，并用◎表示。当只有一种拱线的平均弯曲量不小于连接线直径时，通常不会引起问题，并用○表示。当两种拱线的平均弯曲量都不小于连接线直径时，必需加以改善，并用△表示该拱线。当一种拱线的平均弯曲量不小于两根连接线的直径时，拱线是有缺陷的，并用×表示。
为了评价两种具有不同高度的拱线在拱线形状方面的稳定性(拱线可控性)，在包括拱线顶点和连接线长度中点的两个部位上测量拱线的高度。当拱线高度的标准偏差不小于连接线直径的一半时，所述拱线形状被评价为严重分散。在四个部位上，即两种不同高度的拱线中每种的两个部位上测量的拱线高度的标准偏差中，当四个部位的高度的分散度均小时，评价所述拱线形状是稳定的，并用◎表示；当一个部位的高度的分散度大时，评价所述拱线形状为较好，并用○表示；并且当两个或更多个部位的高度的分散度大时，所述拱线形状用△表示。
为了评价楔形接合，将连接线连接在表面镀有Au/Ni/Cu连接线的树脂衬底。组装样品的样品台被维持在低至175℃的温度下，在此温度下楔形接合变得更加具有挑战性。使用10个200-插脚的芯片作为评价的参比，并且总共连接2000根连接线。使用光学显微镜进行观察，如果出现一次由楔形接合缺陷而引起的连续连接操作的中断，或者在两个或更多个地方发现例如剥离的缺陷，则判断这是由于不合格的楔形接合所引起的，并且用△表示该楔形接合。当连续连接没有问题并且没有缺陷时，楔形接合评价为良好，并用◎表示。如果连续连接顺利完成，但是在一个地方观察到剥离时，这种情况介于上述两种情况之间，不会引起问题，这中楔形接合用○表示。
在将连接线在楔形接合条件下连接到树脂衬底上之后，检查连接线折叠缺陷的发生。所述连接线由于塑性形变而部分折叠的现象不同于通常连接线整体变形的连接线弯曲缺陷。在维持3毫米的跨度下，连接2000根连接线。当折叠缺陷的数量为0时，评价连接线折叠为非常好，并用◎表示。当折叠缺陷的数量为2时，评价为实际上没有问题，并且连接线折叠用○表示。当折叠缺陷的数量在2至4的范围内时，需要一些改进，因此连接线折叠用△表示。
至于最近几年出现的倾斜问题，它指球形接点附近连接线直立部分倒伏的现象，从相对于芯片的水平方向上观察连接线直立部分，并且评价连接线直立部分偏离穿过球形接点中央的垂线的最大间距。连接线长度为4毫米，并且样品数量为30。当所述间距小于连接线直径时，该倾斜被评价为适当的。当所述间距大于连接线直径时，因为直立部分已经倾斜，该倾斜被评价为有缺陷的。根据倾斜缺陷的发生频率进行评价：在三个或更多个地方出现缺陷用△表示；没有地方发生缺陷用◎表示；缺陷的发生介于上述两种情况之间的用○表示。
至于连接线的滑动特性，在本技术领域还没有一致的评价方法。本发明中，将连接线以预定的速度和预定的角度在毛细管中移动，测量此时的牵引力，并且通过SEM观察所测连接线的表面状况。如果牵引力小，并且在连接线表面也没有发现疤痕，评价滑动特性为良好，并用◎表示。如果牵引力大或者在连接线表面发现疤痕，即便是轻微的疤痕，将滑动特性用○表示。
至于在用树脂密封时的连接线弯曲的测量，使用密封设备用环氧树脂密封组装有半导体元件(其上连有连接线)的引线框架，并且维持约4毫米的跨度。然后，使用软×射线无损检验装置来透射用树脂密封的半导体元件的内部，并且对30个样品测量连接线弯曲最大部分的弯曲量，并将其平均值除以连接线的跨度长度而获得的值(百分数)定义为密封后的连接线弯曲。
至于密封后连接线弯曲的分散度，当标准偏差在如上所述发现的连接线弯曲的0.8％以内时，评价所述连接线弯曲为稳定的，并用◎表示；当标准偏差在0.8至2％的范围内时，评价连接线弯曲实际上没有任何问题，并用○表示；并且当标准偏差不小于2％时，评价连接线弯曲实际上会引起问题，并用△表示。
至于评价生产连接线时产率的条件，在将连接线直径拉伸至18微米时，如果每千克铸锭连接线断裂次数小于0.5，并且30个样品断裂强度的标准偏差被降低至小于4.9mN，则可以维持良好的生产率，并且此时的产率用◎表示。当连接线断裂次数，或者断裂强度的分散度不满足上述条件时，产率用○表示。而当每千克铸锭连接线断裂次数为0.5次以上，并且30个样品断裂强度的标准偏差不小于4.9mN时，产率用△表示，此时的生产率必须进一步改善。
表1阐述了连接线结构和连接线使用性能之间的关系。表2和3阐述了添加到主要包含Au的连接线中的各组分、生产方法和连接线结构之间的关系。将对本发明连接线的评价结果以实施例的形式给出，而偏离本发明构成的评价结果以比较实施例的形式给出。
在表1中，实施例1至15涉及本发明(1)的连接线；实施例1至6、9、10及12至15涉及本发明(2)的连接线；实施例1至8及12至15涉及本发明(3)的连接线；实施例3至6、8、9、11、12和15涉及本发明(10)的连接线；并且实施例1至12涉及本发明(21)的连接线。表1中的比较实施例是不符合本发明(1)的连接线结构构成的实施例。
表2和3阐述了添加到主要包含Au的连接线中的各组分、生产方法和连接线结构。实施例16至31是采用满足在本发明(22)至(24)中描述的任何一种方法的生产方法而生产的连接线，且所述连接线符合本发明(1)的连接线结构构成。其中，实施例16至27是具有本发明(14)的组分构成的Au合金连接线，并且实施例28至31是不满足本发明(14)的组分构成但采用本发明生产方法制得的连接线。另一方面，比较实施例(5)至(9)中的连接线，既没有采用本发明(22)至(24)中描述的生产方法，也不具有本发明连接线(1)的结构构成。
在表4和5中，实施例32至34是本发明(4)的连接线；实施例34和35是本发明(5)的连接线；实施例35至37是本发明(6)的连接线；实施例36和37涉及本发明(7)的连接线；并且实施例32、24、26和37涉及本发明(13)的连接线。
在表6和7中，实施例42至49涉及本发明(8)的连接线；实施例43至49涉及本发明(9)的连接线；并且实施例42和44至49涉及本发明(11)的连接线。
                                                             表1
  晶体取向比 每平方微米晶粒数   连接线   电极材料 拉伸强度(MPa) 弹性模量(GPa)   直线性(6mm长)   拱线可控性   倾斜   连接线弯曲(％)   滑动
  整个连接线   表面层   中央与整个截面的平均[111]/[100]面积比的差分率(绝对值)   材料   直径(μm) 形状1(4mm长) 形状(6mm长)
  面积比[111]/[100]   [111]比例(％)   面积比[111]/[100]
  实施例   1   1.2   53   1.4   0.20   0.05   Au   25   Al-Si   320   90   ◎   ◎   ◎   ◎   3.8   ○
  2   1.4   55   1.3   0.15   0.08   Au   20   ″   326   90   ◎   ◎   ◎   ◎   3.4   ○
  3   2.0   55   2.1   0.10   0.1   Au   18   Al-Si-Cu   330   91   ◎   ◎   ◎   ◎   3.3   ◎
  4   2.4   68   2.7   0.10   0.1   Au合金4   20   Al-Cu   342   92   ◎   ◎   ◎   ◎   2.5   ◎
  5   5.2   80   5.5   0.08   0.2   Au合金5   20   ″   372   95   ◎   ◎   ◎   ◎   2.4   ◎
  6   10.0   85   10.2   0.05   1   Au合金4   20   Al-Si-Cu   378   102   ◎   ◎   ◎   ◎   2.2   ◎
  7   1.4   47   1.5   0.10   0.5   Au合金6   20   Cu   311   91   ○   ◎   ○   ◎   3.6   ○
  8   2.1   40   2.2   0.15   0.1   Au   20   Al-Cu   317   92   ○   ◎   ○   ◎   3.2   ◎
  9   1.5   55   2   0.35   1   Au合金1   20   ″   321   92   ◎   ○   ◎   ○   3.7   ◎
  10   1.8   60   1.5   0.35   3   Au合金2   20   Al-Si   352   93   ◎   ◎   ◎   ○   3.2   ○
  11   2.0   48   2.4   0.36   0.1   Au合金3   20   ″   341   96   ○   ◎   ○   ○   3.0   ◎
  12   1.5   47   1.2   0.34   0.1   Au   20   Al-Si   332   92   ○   ◎   ○   ○   3.7   ○
  13   1.8   60   2   0.20   0.02   Au合金1   20   ″   343   92   ◎   ◎   ○   ◎   3.2   ◎
  14   1.5   55   1.4   0.10   0.02   Au   20   Cu   327   92   ◎   ◎   ○   ◎   3.5   ○
  15   3.5   65   3.8   0.15   5   Au合金2   20   Al-Si-Cu   354   96   ◎   ◎   ○   ◎   2.7   ◎
  比较实施例   1   1.1   40   1.2   0.15   0.05   Au   20   Al-Si   253   73   △   △   ×   △   5.4   ○
  2   1.1   52   1.3   0.10   0.08   Au   20   ″   272   78   △   △   ×   △   5.1   ○
  3   1.0   30   1.1   0.10   0.1   Au   20   Al-Si-Cu   256   76   △   △   ×   △   5.7   ○
  4   0.9   40   0.8   0.15   0.05   Au   20   Al-Cu   235   72   △   △   ×   △   6.3   ○
                                                                    表2
                                                                             连接线组分(质量％)
                      C1 总量1                           C2 总量2   总量1/总量2 Au   材料名称
  Y   Ca   Yb   Eu   La   Tb   Dy   Nd
  实施例   16   0.001   0.001   0.002   0.001   0.001   0.002   1.0   剩余
  17   0.002   0.001   0.003   0.002   0.002   0.004   0.8   剩余
  18   0.001   0.002   0.003   0.002   0.002   0.002   0.006   0.5   剩余   Au合金1
  19   0.003   0.004   0.003   0.01   0.005   0.005   0.010   1.0   剩余   Au合金2
  20   0.005   0.005   0.01   0.002   0.002   0.004   2.5   剩余
  21   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  22   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  23   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余   Au合金3
  24   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  25   0.005   0.005   0.005   0.005   0.02   0.01   0.005   0.005   0.005   0.025   0.8   剩余   Au合金4
  26   0.001   0.001   0.001   0.003   0.01   0.001   0.020   0.2   剩余   Au合金5
  27   0.01   0.006   0.01   0.026   0.001   0.001   0.001   0.003   8.7   剩余   Au合金6
  28   0.0005   0.0005   0.001   0.001   0.001   0.001   0.003   0.3   剩余
  29   0.001   0.001   0.001   0.003   0.0005   0.0005   0.001   3.0   剩余
  30   0.0005   0.001   0.0015   0.008   0.001   0.01   0.028   0.05   剩余
  31   0.08   0.1   0.08   0.26   0.008   0.008   0.006   0.022   11.8   剩余
  比较实施例   5   0.0005   0.0005   0.001   0.0005   0.0005   0.0005   0.0015   0.7   剩余
  6   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  7   0.05   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  8   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
  9   0.005   0.01   0.015   0.01   0.01   0.020   0.8   剩余
                                                                            表3
  生产方法   晶体取向比   中央与整个截面的平均[111]/[100]面积比的差分率(绝对值)   每平方微米晶粒数
  压延程度(％)   预热处理温度相对熔点的比值(％)   拉伸程度(％)   拉伸速率(m/min)   拉伸容器温度(℃)   高减缩拉伸模具的比例(％)   后热处理温度与重结晶温度的比值(％)   整个连接线   表面层
  面积比[111]/[100]   [111]比例(％)   面积比[111]/[100]
  实施例   16   98   35   99.5   200   25   40   45   1.2   52   1.4   0.10   0.05
  17   99   50   99.5   200   25   40   45   1.5   55   1.6   0.15   0.1
  18   99.9   40   99.5   100   25   60   35   1.5   55   2   0.35   1
  19   99   40   99.5   200   25   40   45   1.8   55   1.8   0.35   3
  20   98   70   99.5   300   25   40   75   1.5   55   1.4   0.05   0.9
  21   98   50   99.5   500   8   34   45   4.0   70   4.5   0.20   0.5
  22   98   50   99.995   300   20   40   70   1.4   55   1.5   0.15   0.02
  23   98   40   99.8   200   30   50   38   1.9   48   2.4   0.36   0.1
24 98 35 99.9 200 43 40 75 1.5 62 1.7 0.20 3
  25   99   60   99.5   100   25   40   45   2.5   68   2.7   0.10   0.1
  26   99.5   50   99.95   400   25   40   35   5.2   80   5.5   0.08   0.2
  27   98   55   99.5   300   20   40   48   1.4   47   1.5   0.10   0.5
  28   98   40   99   70   25   5   35   1.8   60   1.7   0.15   0.7
  29   98   50   99.5   600   23   40   50   2.5   55   2.7   0.15   5
  30   98   60   99.5   200   25   10   45   1.5   55   1.8   0.34   0.1
  31   98   55   99.5   200   25   10   60   1.4   55   1.2   0.20   0.05
  比较实施例   5   80   -   97   100   25   20   70   1.1   40   1.2   0.05   0.05
  6   99   10   97   40   25   20   52   1.1   32   1.4   0.35   2
  7   98   50   99   1200   2   10   60   1.0   38   1.1   0.15   0.03
8 98 90 90 300 25 15   83   0.9   40   0.8   0.20   0.05
  9   98   50   99.5   200   25   10   85   0.9   45   1   0.20   0.05
                                                      表4
  晶体取向比 每平方微米晶粒数   连接线
  整个连接线   表面层 中央与整个截面的平均[111]/[100]面积比的差分率(绝对值)   比例[111]/[100]不同的层A   层A中[111]比例   层A中[100]比例   材料   连接线直径(μm)
  面积比[111]/[100]   [111]比例(％)   面积比[111]/[100]   比例[111]/[100]   层宽与半径的比值
  实施例   32   1.2   45   1.4 0.20   1.68   0.3   42％   25％   0.1   Au   18
  33   1.4   42   1.3 0.15   1.97   0.2   63％   32％   0.2   Au合金2   18
  34   2.0   60   2.1 0.10   8.00   0.3   80％   10％   0.1   Au合金3   15
  35   1.3   40   2.7 0.10   0.86   0.3   30％   35％   0.2   Au   20
  36   1.4   50   5.5 0.08   0.48   0.2   25％   52％   0.2   Au合金2   18
  37   1.4   52   10.2 0.05   0.29   0.2   20％   70％   0.3   Au合金4   15
  38   1.3   38   1.2 0.34   1.33   0.15   40％   30％   0.1   Au   18
  39   1.4   50   2 0.20   0.95   0.2   38％   40％   0.2   Au合金1   18
  40   1.3   55   1.4 0.10   3.75   0.05   75％   20％   0.3   Au合金1   18
  41   1.4   48   3.8 0.15   0.75   0.05   30％   40％   0.5   Au   18
                                                        表5
  电极材料   拉伸强度(MPa)   弹性模量(GPa)   直线性(6毫米长)   拱线可控性   高、低拱线的评价(拱线高度100，300μm) 倾斜   连接线弯曲(％) 滑动
  形状1(4mm长)   形状2(6mm长) 直线性   拱线可控性
  实施例   32   Al-Si   320   95   ◎   ◎   ◎   ○   △   ◎   2.8   ○
  33   ″   326   95   ◎   ◎   ◎   ◎   △   ◎   3.3   ○
  34   Al-Si-Cu   330   105   ◎   ◎   ◎   ◎   △   ◎   2.5   ○
  35   Al-Si   342   92   ◎   ◎   ◎   △   ○   ◎   3.7   ○
  36   ″   320   95   ◎   ◎   ◎   △   ◎   ◎   2.8   ○
  37   Al-Si-Cu   378   102   ◎   ◎   ◎   △   ◎   ◎   2.8   ○
  38   Al-Si   332   92   ◎   ◎   ◎   △   △   ◎   3.7   ○
  39   ″   343   92   ◎   ◎   ◎   △   △   ◎   3.4   ○
  40   Cu   327   92   ◎   ◎   ◎   △   △   ◎   3.5   ○
  41   Al-Si-Cu   354   96   ◎   ◎   ◎   △   △   ◎   3.6   ○
                                                                表6
  [111]和[100]方向上总体面积比   晶体取向比例   每平方微米晶粒数
整个连接线 表面层 中央与整个截面的平均[111]/[100]面积比的差分率(绝对值)   比例[111]/[100]不同的层A 层A中[111]的比值 层A中[100]的比值
  整个连接线上的Pm 中央处Pc(R/2) 表面处Ps(R/3)   面积比[111]/[100]   [111]比例(％)   面积比[111]/[100]   比例[111]/[100]   层宽与半径的比值
  实施例   42   52％   53％   52％   1.5   48   2   0.15   -   -   -   -   0.1
  43   52％   65％   47％   1.8   45   1.8   0.15   2.17   0.13   65％   30％   0.1
  44   62％   63％   62％   1.2   52   1.4   0.20   1.68   0.15   42％   25％   0.05
  45   67％   72％   67％   1.4   55   1.3   0.15   2.03   0.22   65％   32％   0.08
  46   71％   85％   65％   1.8   68   5.5   0.08   0.48   0.2   25％   52％   1
  47   73％   64％   74％   2.4   62   2.7   0.10   -   -   -   -   0.1
  48   81％   68％   85％   4.8   57   4.8   0.10   -   -   -   -   0.2
  49   91％   95％   90％   5.2   80   5.5   0.08   -   -   -   -   0.2
  50   44％   45％   43％   2.1   40   2.2   0.15   1.68   0.13   42％   25％   0.1
  51   46％   62％   40％   2.1   40   2.2   0.15   -   -   -   -   0.1
                                                        表7
  连接   电极材料   拉伸强度(MPa)   弹性模量(GPa)   直线性(6毫米长)   拱线可控性   楔形接合   连接线折叠 倾斜   连接线弯曲(％)   连接线弯曲的分散度 滑动   连接线生产产率
材料   线直径(μm)   形状1(4mm长)   形状1(6mm长)
  实施例   42   Au   18   Al-Cu   317   92   ○   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   3.2   ◎   ○   ○
  43   Au   18   Al-Cu   317   92   ○   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   3.2   ○   ◎   ◎
  44   Au合金2   20   Al-Si   320   90   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   3.8   ◎   ◎   ◎
  45   Au合金3   18   ″   326   90   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   3.4   ◎   ◎   ◎
  46   Au合金1   18   ″   321   92   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ○   3.7   ◎   ○   ◎
  47   Au合金4   18   Al-Cu   342   92   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   2.5   ◎   ○   ◎
  48   Au合金5   18   ″   358   93   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   2.4   ◎   ○   ◎
  49   Au合金5   15   ″   370   95   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   2.7   ◎   ○   ◎
  50   Au   20   Al-Cu   317   92   ○   ◎   ○   ○   ○   ◎   3.2   ○   ◎   ○
  51   Au   18   Al-Cu   317   92   ○   ◎   ○   ○   ○   ◎   3.2   ○   ○   ◎
实施例1至15的本发明连接线具有不小于1.2的面积比[111]/[100]，并且其特征是高强度和不低于300MPa和90MPa的高弹性模量，以及降低至小于4.0％的连接线弯曲。其中，在实施例2和3中，面积比在1.4至2.5的范围内；连接线弯曲被降低至小于3.5％。在实施例4至6中，面积比不小于2.5；连接线弯曲被改善至小于2.5％。另一方面，在比较实施例1至4中，连接线具有小于1.2的面积比[111]/[100]，表现出270MPa或更小的强度，以及低于80MPa的弹性模量。结果连接线弯曲高达5％或更高。
实施例1至6、9和10的连接线满足本发明(2)的不小于55％的[111]方向晶粒面积比，并且表现出高强度、高的弹性模量，以及改善的拱线形状的直线性和改善的低温楔形接合。所述改进不能从不满足本发明(2)的结构构成的实施例7、8、11、12，或者比较实施例1至4中获得。
实施例1至8和13至15的连接线相应与本发明(3)的连接线，其中央处的[111]/[100]面积比Rc与整个截面上平均[111]/[100]面积比Ra之间的差分率绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，并且具有该结构的连接线的整个截面上的比值Ra不小于1.2。至于连接性能，已证实这样的结构可以抑制球形接点上的直立部分的倾斜。上述改进不能从不满足本发明(3)的结构构成的实施例9至12，或者比较实施例1至4中获得。
实施例3至6、8、9、11和12的连接线相应于本发明(4)的连接线，其表面层中的面积比[111]/[100]不小于1.6，并且连接线整个截面的面积比[111]/[100]不小于1.2。从而在连接性能方面，改善了滑动特性；方便了拱线的控制；降低了毛细管的堵塞；并且降低了连接线表面的疤痕。上述改进不能从不满足本发明(4)的结构构成的实施例1、2、7、10和12，或者比较实施例1至4中获得。
至于拱线的可控性，当跨度为4毫米时，本发明实施例1至26的连接线形成稳定的拱线，然而在比较实施例1至4中拱线形状具有很大的分散度。当跨度为6毫米时，在晶粒数量为每平方微米0.04至4个的实施例1至12中，获得稳定的拱线形状，并且获得优异的拱线可控性。
至于各组分和生产方法对结构的影响，参阅涉及Au合金连接线的表2，满足本发明(22)至(24)任何之一中的生产条件，并且在所需的结构中实现了不小于1.2的面积比[111]/[100]。如果比较的话，具有根据本发明(14)的组分构成的实施例16至27与不满足本发明(14)的组分构成的实施例28至31在结构和使用性能方面具有差异。在相应于具有实施例25至27的组分构成的连接线的使用性能的实施例4至7中，在抑制倾斜方面实现了优异的改进。但是，所述这种改进不能从表1中的展示具有实施例18、19和23的组成构成的连接线的使用性能的实施例9至11中获得。比较实施例5至9是不满足本发明生产条件的情况，其中面积比[111]/[100]小于1.2。
在实施例32至34的连接线中，存在面积比[111]/[100]不小于1.6的层，并且所述层在连接线径向上维持不小于R/10的宽度。因此，与不满足上述条件的实施例35至41相比，最大拱线高度不大于100微米的低拱线和最大拱线高度不小于300微米的高拱线表现出良好的直线性。其中，在实施例33和34中，所述层的[111]面积比不小于60％，因此直线性得到进一步改善。
在实施例35至37的连接线中，存在面积比[111]/[100]小于0.9的层，并且所述层在连接线径向上其宽度不小于R/10，但小于R/3。因此，与不满足上述条件的实施例32至34和38至41相比，最大拱线高度不大于100微米的低拱线和最大拱线高度不小于300微米的高拱线表现出稳定的拱线形状。在实施例36和37中，所述层的[100]面积比不小于50％，因此，拱线形状的稳定性得到进一步改善。
至于实施例42至49的连接线，根据本发明设定[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积比不小于50％。因此，与不满足所述条件的实施例50和51相比，证实楔形接合得到改善，此外连接线折叠缺陷降低。
在实施例43至49和51的连接线中，根据本发明设定从连接线中央至R/2处的中央部分的[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积比不小于60％。从而，与不满足所述条件的实施例42和50相比，证实在将连接线直径拉伸至18微米时，连接线生产率得到改善。
在实施例42和44至49的连接线中，根据本发明设定从连接线表面至R/3处的表面区的[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积比不小于50％。从而，与不满足所述条件的实施例43、50和51相比，证实在用树脂密封时，抑制了连接线弯曲的分散度。
此外，在一些样品中，注意观察[111]取向和[100]取向以外的主要晶体取向，证实在实施例42和44的连接线中存在大量的[112]取向的晶粒，并且在实施例43中存在大量的[110]和[122]取向的晶粒，由此证实在保证稳定性的同时，可能形成4毫米长跨度和不高于150微米拱线高度的低拱线。
实施例32至34是根据本发明(10)的连接线；实施例35至37是根据本发明(20)的连接线；并且实施例36和37是根据本发明(21)的连接线。实施例38和40满足本发明(1)，但不满足本发明(4)的连接线的结构构成。实施例39和41不满足本发明(6)的连接线的结构构成。
已证实在实施例32、34、36和37的连接线中存在长度不小于连接线直径的70％的两个或更多个晶粒，其晶体取向偏离连接线纵向的倾角不大于15°。与实施例33、35和38至42相比，连接线弯曲被降低至小于3％。图2显示了实施例36中金连接线截面上的EBSP测量结果，并显示了倾角不小于15°时的晶粒界限。在连接线中央部分观察到两个或多个其晶体取向在连接线纵向上不大于15°的倾角内取向的晶粒。
为了增加强度，必须增加合金元素的添加量，但是导致材料电阻的增加。在实施例1至19主要包含Au的连接线中，相对于纯金的电阻增加被抑制至不大于10％，同时实现大到300至400MPa的强度。另一方面，在基于常规组分的连接线中，为了获得不小于300MPa的高强度，不得不以高的浓度(＞1质量％)添加其它元素。但是，当以不小于1质量％的量添加例如Cu、Pd或Pt的元素时，相对于纯金，电阻不可避免地增加30％以上。
                    实施例II
下面通过实施例的方式描述本发明连接线(15)至(21)，以及它们的生产方法(25)至(27)。
通过使用金纯度不低于约99.995质量％的电解金，在熔融炉中熔化并浇铸包含总浓度在0.0005至0.02质量％范围内的一种或多种选自Be、Ca、La、In、Gd、Nd、Ce、Dy、Tb和Y的元素的金合金；或者包含总浓度在0.003至0.1质量％范围内的一种或多种选自Ag、Sn、Pb、Pt和Cu的元素的金合金，然后压延所得铸锭、在加热炉中预热处理、使用拉伸模具拉伸，并且通过后热处理来连续扫描并加热连接线，从而生产出连接线。选择最终的连接线直径为20微米。
表8和9列出了所述连接线的晶体取向面积比和所述连接线的使用性能。
表10列出了生产条件。在这些实施例中，满足本发明规定的生产条件，而在比较实施例中，至少一个生产条件位于本发明规定的范围之外。
                                                                   表8
  晶体取向比([111]/[100]面积比R)   每平方微米品粒数   连接线直径(μm)   电极材料   楔形接合
  中央Rc和外围Rs间关系(以半径/2为界限)   整个连接线   中央Rc和外围Rf间关系(以半径/3为界限)   大多数表面部分中面积比Rt(R/5)   金属框架 在树脂带上
|1-Rc/Rs|   中央Rc   外围Rs   [111]/[100]面积比Ra   芯Rd面积比(R/3)   |1-Rd/Rf|   220℃   180℃   160℃
  实施例   61   36％   0.84   1.32   1.20   0.74   40％   1.2   0.1   20   Al-Si   ◎   ○   ◎
  62   45％   0.66   1.20   1.07   0.56   47％   1.2   0.08   20   ″   ◎   ◎   ○
  63   62％   0.50   1.30   1.10   0.40   57％   1.3   0.03   20   Al-Si-Cu   ◎   ◎   ◎
  64   64％   0.40   1.10   0.93   0.30   57％   0.9   0.06   20   ″   ◎   ◎   ◎
  65   83％   0.25   1.50   1.19   0.15   57％   1.2   0.1   20   Al-Cu   ◎   ◎   ◎
  66   75％   0.40   1.60   1.30   0.35   80％   1.2   0.05   20   ″   ◎   ◎   ◎
  67   90％   0.30   3.00   2.33   0.20   92％   2.0   0.1   20   ″   ◎   ◎   ◎
  68   44％   0.85   1.52   1.35   0.80   25％   1.2   1   20   Al-Si-Cu   ◎   ◎   ○
  69   31％   0.90   1.30   1.20   0.85   20％   1.3   0.5   20   Cu   ◎   ○   ○
  70   75％   0.30   1.22   0.99   0.20   35％   1.2   1.5   20   Al-Si   ◎   ◎   ◎
  71   34％   0.67   1.02   0.93   0.57   34％   0.7   4.3   20   ″   ◎   ○   ○
  72   43％   0.70   1.22   1.09   0.60   40％   1.2   0.1   20   Al-Cu   ◎   ◎   ○
  73   31％   0.80   1.16   1.07   0.70   35％   1.2   1   20   ″   ◎   ○   ○
  74   37％   1.3   0.95   1.04   1.20   36％   1.1   0.1   20   Al-Si   ◎   ○   ○
  75   41％   1.2   0.85   0.94   1.10   42％   0.7   0.4   20   ″   ◎   ◎   ○
  76   75％   1.4   0.80   0.95   1.30   70％   0.5   4.2   20   Al-Si   ◎   ◎   ◎
  比较实施例   11   18％   0.90   1.10   1.05   0.80   25％   1.1   0.1   20   Al-Si   △   △   △
  12   27％   0.88   1.20   1.12   0.78   5％   1.3   0.2   20   ″   △   △   △
  13   27％   1.10   1.50   1.40   1.00   30％   1.3   0.03   20   Al-Si-Cu   △   △   △
  14   11％   0.80   0.90   0.88   0.70   15％   1.1   0.1   20   Al-Si   △   △   △
  15   22％   1.10   0.90   0.95   1.00   25％   0.7   1   20   ″   △   △   △
  16   15％   1.50   1.30   1.35   1.40   118％   1.2   2   20   Al-Cu   △   △   △
                                                表9
  小球的球形(1.4倍连接线直径)   树脂密封时连接线弯曲   拱线的直线性(6毫米长) 高温软熔 热循环试验 短跨度剥离   倾斜 反向连接弯曲   连接线表面疤痕和磨痕   窄间距毛细管堵塞   拱线形状稳定性(5毫米长)
  拱线高度200微米  拱线高度350微米
  实施例   61   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎  ○   ◎   ○   ○   ◎
  62   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ◎  ○   ◎   ○   ○   ◎
  63   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ◎  ○   ◎   ○   ○   ○
  64   ◎   ○   ○   ◎   ◎   ○   ◎  ○   ◎   ◎   ◎   ◎
  65   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ◎  ◎   ◎   ○   ○   ◎
  66   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎  ◎   ◎   ○   ○   ◎
  67   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎  ◎   ◎   ○   ○   ◎
  68   ◎   ◎   ◎   ○   ○   ○   ◎  ◎   ○   ○   ○   ◎
  69   ◎   ◎   ◎   ○   ○   ○   ◎  ○   ○   ○   ○   ◎
  70   ◎   ○   ○   ◎   ◎   ○   ◎  ○   ◎   ○   ○   ◎
  71   ◎   ○   ○   ◎   ◎   ○   ○  ○   ○   ◎   ◎   ○
  72   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ◎  ○   ◎   ○   ○   ◎
  73   ◎   ◎   ○   ◎   ◎   ◎   ○  ○   ○   ○   ○   ◎
  74   ◎   ◎   ○   ○   ○   ○   ○  ○   ○   ○   ○   ◎
  75   ◎   ○   ○   ○   ○   ○   ○  ○   ○   ◎   ◎   ◎
  76   ◎   ○   ○   ○   ○   ○   ○  ○   ○   ◎   ◎   ○
  比较实施例   11   △   ○   △   △   △   ○   △  △   △   △   △   ○
  12   △   ○   △   △   △   ○   △  △   △   △   △   ○
  13   △   ○   ○   △   △   △   △  △   △   △   △   △
  14   △   △   △   △   △   ○   △  △   △   △   △   ○
  15   △   △   △   △   △   △   △  △   △   △   △   △
  16   △   ○   ○   △   △   △   △  △   △   △   △   △
                                                        表10
  生产方法
  压延程度(％)   预热处理温度相对熔点的比例(％) 初次拉伸程度(％) 二次牵拉程度(％) 拉伸速率(m/min)   拉伸模具前后张力差值(MPa) 拉伸角度(°)   拉伸模具面积减缩比
＜7％ 7-11％ 11-20％   后热处理相对重结晶温度的比值
  实施例   61   98   50   95   99.8   200   1-5   20   40   40   20   50
  62   99   50   98   99.5   300   1-10   15   30   50   20   45
  63   99.9   55   99   99.7   250   2-20   25   20   50   30   60
  64   99   65   99.5   99.5   200   0.1-2   20   35   40   25   45
  65   98   40   99.9   99.99   300   1-5   20   60   20   20   50
  66   99   35   98.5   99.9   400   1-5   20   45   40   15   45
  67   98   50   99.8   99.995   300   0.5-5   20   40   40   20   55
  68   98   45   99.8   99.8   300   1-5   25   40   40   15   45
  69   99   50   99.9   99.9   250   1-10   20   40   40   20   65
  70   99   50   99.99   99.9   300   5-15   20   35   50   15   45
  71   99   60   99   99.95   400   1-5   20   40   40   20   40
  72   98   50   99.5   99.5   300   2-20   20   50   30   20   48
  73   99.5   45   98.8   99   150   1-5   20   40   30   30   45
  74   98   65   99   99.5   600   5-45   5   50   35   15   35
  75   99   65   99.8   99.5   650   3-20   20   65   25   10   30
  76   98   70   99.5   99.5   700   2-35   20   70   15   15   35
  比较实施例   11   80   -   90   97   100   0.5-1   20   80   20   0   80
  12   99   10   97   97   80   3-20   45   50   50   0   50
  13   98   50   93   99   200   0.08-10   60   75   5   20   60
  14   98   90   99   90   300   8-65   20   5   75   20   40
  15   98   50   93   99.5   1200   0.03-1   20   40   40   20   25
下面简要描述根据所述实施例的具体生产步骤。首先，制备直径为6至30毫米的铸锭。在压延步骤中，使用薄的轧辊以10至100m/min的速率压延铸锭，直至连接线直径为0.5至1.5毫米。在预热处理步骤中，所述连接线被保持在250至800℃的炉中0.1至2个小时，然后在置于炉外露天冷却。在拉伸步骤中，通过使用装有多个拉伸模具的连续拉伸装置并且使用涂布有金刚石的拉伸模具，维持拉伸模具前后张力差值在0.1至50MPa的范围内，以50至400m/sec的速率拉伸连接线。根据断面减缩比，所用拉伸模具包括具有小于7％、7至11％及11至20％断面减缩比的三组拉伸模具。在后热处理步骤中，使用具有20厘米均匀加热区的红外加热炉。连续移动连接线，并且通过250至700℃的炉进行热处理，移动速率为50至800m/min，以至于抗拉试验中伸长率为3至5％。
在表10的实施例64、65和70至76中，调节后热处理步骤中加热炉两端的加热温度Te，使其比中央部分加热温度Tm低0.02至0.3Tm。
为了连接连接线，使用常用的自动连接线连接装置来进行球形/楔形接合。在球形接合中，通过电弧放电在连接线末端形成球，并且通过热压接，并借助超声波将所述球连接到电极薄膜上。此外，连接线的另一端被楔形接合到引线框架(Cu合金)上，或者CSP带衬底的引线部分。维持电极70、50和40间的间距，进行窄间距连接。
用于与连接线连接的相应部分是硅衬底上的电极薄膜，即厚度约0.8微米的Al合金薄膜(Al-1％Si，Al-0.5％Cu，Al-1％Si-0.5％Cu)或者Cu连接线(Au 0.01微米/Ni0.4微米/Cu0.4微米)。
将球接合到电极上，并且拉伸其上的连接线，使之断裂形成栓钉块(stud bumps)。在组装层压芯片时，需要在同一个芯片上以混合方式形成栓钉块和拱线来，首先在所有电极上形成栓钉块，然后通过将球部分接到引线部分上，接着将连接线楔形接合到栓钉块上来形成拱线。
至于连接线结构，蚀刻沿纵向剖开的连接线，并且使用SEM确定晶粒的数量。此外，通过EBSP方法，测量以相同方式剖开的样品区域中的晶体取向。求出整个连接线截面上具有[111]取向或[100]取向的晶粒面积比。为了得出各个区域中的[111]/[100]面积比Rc和Rs，将从半径为R的连接线中央至R/2部分定为中央部分，并且将其外面定为外围部分。将从连接线中央至R/3的区域定为芯部，并且求出芯部中的[111]/[100]面积比Rd。在测量晶体取向时，各种取向的晶粒指的是晶体取向相对于连接线纵向的倾角在10°内的晶粒。
为了评价楔形接合，将连接线连接到表面镀有Ag(厚度：1至4微米)的引线框架上，或者表面镀有Au/Ni/Cu连接线的树脂带衬底上。在使用引线框架时，组装样品的样品台被维持在220℃的常用温度下；在使用带衬底时，组装样品的样品台被维持在180℃常用温度下，以及楔形接合更难进行的160℃下。使用10个200-引脚芯片作为评价的参比，并且总共连接2000根连接线。使用光学显微镜观察，如果出现一次由楔形接合缺陷而引起的连续连接操作的中断，或者在两个或更多个地方发现例如剥离的缺陷，则判断这是由于不合格的楔形接合所引起的，并且用△表示该楔形接合。当连续连接没有问题并且没有缺陷时，楔形接合评价为良好，并用◎表示。如果连续连接顺利完成，但是在一个地方观察到剥离时，这种情况介于上述两种情况之间，不会引起问题，这中楔形接合用○表示。
至于影响楔形接合的球的形成，在低达160℃的温度下将楔形接合连接到带状衬底上，并且通过SEM观察10个直径为连接线直径1.4倍的小球。当球具有真正的球形时，用◎来表示球的球形特性，并且是有利的；当观察到两个或多个球具有真正的球形时，并且是有利的，但偏离连接线中央时，用○表示。
在测量用树脂密封时的连接线弯曲时，在维持5毫米长度下连接连接线，以形成梯形拱线，并且维持连接线高度为约300微米。此后，通过使用密封设备用常用的联苯环氧树脂密封样品。然后，使用软×射线无损检验装置透射半导体元件的内部，并且对30个样品测量在预定部分的连接线弯曲量，而且将其平均值除以连接线的长度而获得的值(百分数)定义为密封后的连接线弯曲。小于4％的连接线弯曲被评价为良好，并用◎表示；用△表示不小于6％的连接线弯曲，因为在窄间距中这样的连接线弯曲可能导致连接线接触；并且在4至6％之间的连接线弯曲量用○表示。
为了评价连接拱线的直线性，使用投影仪自上而下观察一百根维持6毫米间距(跨度)连接的连接线。测量连接线上相对于连接球形接点和楔形接点的连线偏离最大的部分的偏差作为弯曲量。小于连接线直径的平均弯曲量被评价为有利的，并且用◎表示；不小于两根连接线直径的平均弯曲量被评价为有缺陷的，并用△表示；而介于两者之间的平均弯曲量被评价为不会引起问题，并用○表示。
为了评价楔形接点的可靠性，进行高温软熔试验和热循环试验。通过将连接线连接到具有200引脚的Cu合金引线框架上，并接着用常用的联苯环氧树脂密封来获得样品。样品是总共具有400个引脚的两个芯片。在软熔试验中，为了适应无铅焊接剂，在280℃下进行软熔试验，这一温度高于常规的Sn-Pb低共溶体的工作温度，然后测量电学特性。只要有一根连接线不导电，就用△来表示楔形接点的可靠性；当电学特性没有问题时用◎表示；并且当情况介于上面两种情况之间时，用○表示，其中所有引脚都导电，但有两个或多个引脚具有高电阻，这可能是因为连接可靠性不是很好。
在热循环试验中，以加速的方式评价实际使用期间的热滞后，在-55℃和125℃之间反复升温和降温。在试验300次后，分解模具，除去树脂，并且在楔形接点附近进行拉伸试验(剥离试验)。比较热循环试验后的楔形接合的剥离强度与刚连接时剥离强度的平均值。当试验后剥离强度的降低不大于20％时，楔形接点的耐损耗性是有利的，并且可靠性用◎表示。当强度降低大于70％时，可能发生缺陷，并用△表示可靠性，当情况介于上面两种情况之间时用○表示，此时可以维持电学连接。
通过剥离试验来评价短跨度楔形接点附近的拉伸强度。芯片间距约为450微米，连接线长度约为1毫米，并且将连接线连接到上述的树脂带上。对连接线进行剥离试验，并且当剥离强度(即断裂强度)不小于60mN时评价拉伸强度为良好，并用◎表示；当剥离强度小于20mN时，在使用时拉伸强度有问题，并用△表示；而当情况介于上面两种情况之间时用○表示。
至于最近几年出现的倾斜问题，它指球形接点附近连接线直立部分倒伏的现象，从相对芯片水平的方向上观察连接线直立部分，并且评价连接线直立部分偏离穿过球形接点中央的垂线的最大间距。连接线长度为4毫米，并且样品数量为50。评价两种情况下的倾斜，即具有常用的约220微米的最大高度的拱线和用于更严格的评价的具有约350微米的高度的拱线。当所述间距小于连接线直径时，认为有利地抑制了倾斜；当所述间距大于连接线直径时，因为直立部分已经倾斜，该倾斜被评价为有缺陷的。根据倾斜缺陷的发生频率进行评价：在三个或更多个地方出现缺陷用△表示；没有地方发生缺陷用◎表示；缺陷的发生介于上述两种情况之间的用○表示。
至于在层压芯片连接中的适用性，在反向阶梯连接时评价连接线的弯曲。在电极上形成栓钉块，并使球形接点位于低于楔形接点的位置，并且在其上面形成楔形接合。通过使用阶梯高达450微米的芯片，连接连接线，以使球形接点附近的连接线直立部分约为350微米。从上面观察两百根连接线，其中只要有一个直立部分倾斜不小于连接线直径4倍的量时，连接线的连接被评价为有缺陷的，并用△表示；当所有连接线的最大弯曲量不大于连接线直径的2倍时，评价连接线连接是良好的，并用◎表示；而且当情况介于上面两种情况之间时，尽管在一定程度上发生弯曲，但判断在一般使用中不会有问题，并用○表示。
至于连接线表面的疤痕，形成一百根拱线，并使用SEM进行观察。当连接线表面上看不出疤痕时，连接线表面用◎表示；只要看出一个大于10微米的疤痕时用△表示；并且当情况介于上面两种情况之间时，不会出现疤痕问题，用○表示。至于毛细管堵塞，比较发生毛细管堵塞前的连接次数(例如直至难于继续连接，或者拱线的形状受到影响)。当连接次数小于100,000时，评价毛细管的寿命是短的，并且生产率差，此时的毛细管堵塞用△表示；当次数不小于500,000时，生产率评价是良好，并用◎表示；当情况介于上面两种情况之间时，判断在一般使用中不会有问题，并用○表示。
至于连接步骤中拱线形状的稳定性(拱线可控性)，对每根连接线在三个部位测量拱线的高度，并且根据拱线高度的标准偏差评价稳定性。为了评价在拱线形状较难稳定的窄间距长跨度连接中的实际应用，以两种方式连接连接线，即用长度为的连接线5毫米形成拱线高度分别为约200微米和约350微米的梯形拱线。选择每组包含50个拱线，并且使用光学显微镜测量。在三个拱线高度趋向于分散的部位进行测量，即球形接点的正上方部分、拱线顶点和连接线长度中点。
当拱线高度的标准偏差不小于连接线直径的一半时，分散度被评价为很大；并且当标准偏差小于连接线直径的一半时，分散度被评价为小，并且拱线稳定性良好。基于所述评价，当三个部位的高度的分散度都小时，评价拱线形状是稳定的，并用◎表示。当有一个部位的高度的分散度大时，拱线形状稳定性较好，并用○表示。当有两个部位的高度的分散度大时，拱线形状稳定性用△表示，并且当三个部位的高度的分散度都大时，拱线形状用×表示。
在表8、9和10中，实施例61至76涉及本发明(15)的连接线；实施例61至63，65至69，以及72至74涉及本发明(16)的连接线；实施例61至67及70至73涉及本发明(17)的连接线；实施例61至70和72涉及本发明(18)的连接线；实施例64、71、75和76涉及本发明(19)的连接线；并且实施例61、62、64至70及72至76涉及本发明(21)的连接线。表8中的比较实施例11至16是不满足本发明(15)的连接线结构构成的实施例。
在实施例61至76的连接线中，连接线的中央部分及其外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，并且证实在使用目前主要使用的引线框架时，可以改善楔形接合。另外，可以有利地形成约为连接线直径1.3倍大的小球。在晶体取向差分率的绝对值不小于40％的实施例62至68、70、72、75和76中，当连接线在180℃下被连接到树脂带上时，楔形接合得到改善。此外，在实施例63至67、70和76中，其中晶体取向差分率的绝对值不小于50％，树脂带上的楔形接合即便在160℃的低温下也得到了改善。而在比较实施例11至16的连接线中，因为晶体取向差分率的绝对值小于30％，所以与引线框架或者与树脂带的楔形接合是不足的。
在涉及本发明(16)的实施例61至63、65至69及72至74的连接线中，连接线中央和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，并且整个连接线截面上的平均[111]/[100]面积比Ra不小于1.0。因此，在抑制连接线弯曲的同时可以改善接合。但是，在比较实施例11至16中，不能看出这种改进。在实施例61和66至69中，设定整个连接线截面上的平均Ra值不小于1.2，并且可以在维持长跨度的同时改善拱线的直线性。
在涉及本发明(17)的实施例61至67及70至73的连接线中，连接线中央和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，并且从连接线中央至R/3的芯部中的面积比Rd在0.1至0.8的范围内。已证实这些连接线在抑制连接线弯曲的同时时可以促进楔形接合，此外，在与楔形接合的耐损耗性相关的高温软熔试验中和热循环试验中也验证了良好的可靠性。其中，在实施例61至63、65至67、72和73中，已证实由于其中的连接线除了满足中央部分和外围部分之间的差分率以及芯部中的面积比Rd以外，这些整个连接线截面上的平均[111]/[100]面积比Ra还不小于1.0，所以在短跨度连接中楔形接合附近的剥离强度是足够大的。
在涉及本发明(18)的实施例61至70和72的连接线中，连接线中央和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，并且外围部分中的面积比Rs不小于1.2。已证实使用这样的连接线实现了令人满意的楔形接合，并且可以改善200微米高的拱线的倾斜。其中，即使在拱线高度高达350微米时，使用Rs不小于1.5的实施例65至68的连接线也能很好地改善拱线的倾斜。在实施例61至67、71和72的连接线中，|1-Rc/Rs|×100(％)≥30％，Rs≥1.2，并且芯部中的面积比Rd在0.1至0.8之间，在反向阶梯连接时这些连接线具有降低连接线弯曲的作用。
在涉及本发明(19)的实施例64、71、75和76的连接线中，从表面至R/5的最外面部分中的[111]/[100]面积比Rt不大于1.0，这可以降低连接线表面上的疤痕发生率；延长毛细管被堵塞之前的使用寿命，因此增加了生产率。
在涉及本发明(21)的实施例61、62、64至70和72的连接线中，连接线中央和外围部分的[111]/[100]面积比Rc和Rs的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)不小于30％，并且晶粒数量在从每平方微米0.04至4个的范围内。已证实对于这样的连接线，在维持5毫米的连接线长度的情况下，可以降低拱线高度的分散度，并且可以有利地控制拱线的形状，同时保持稳定性。
工业应用性
根据本发明的半导体器件用金连接线及其生产方法，可以增加强度和弹性模量；抑制连接线弯曲；抑制球形接点上的直立部分的倾斜；彻底改善楔形接点的连接或者耐损耗特性，并且增强工业规模上的生产率。

Claims (30)

1、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。
2、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒所占的面积比不小于55％。
3、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，那么在连接线纵向中央部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc和整个连接线截面上[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Ra，满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Ra|×100(％)小于30％，并且整个连接线截面上的比值Ra不小于1.2。
4、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
5、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒所占的面积比不小于60％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
6、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值小于0.9的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于1/10R，但小于1/3R。
7、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，在连接线纵向的晶体取向中，在至少一层或多层中存在其中[100]取向的晶粒所占的面积比不小于50％的区域，并且该区域在连接线半径方向上的宽度不小于连接线半径R的1/10。
8、根据权利要求7的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积所占的比值不小于50％。
9、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积所占的比值不小于50％。
10、根据权利要求9的用于半导体器件的金连接线，其中，在长度大于连接线直径5倍的连接线纵向截面上，至少包括两个或多个其晶体取向偏离连接线纵向的倾角小于15°且其长度不小于连接线直径70％的晶粒。
11、根据权利要求9的用于半导体器件的金连接线，其中，垂直于连接线纵向的横截面上的晶粒数量从每平方微米0.04至4个。
12、根据权利要求1至3任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2的部分作为中央部分，在连接线纵向中央部分的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于60％。
13、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面层部分，在连接线纵向表面层部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.6，并且在整个连接线截面上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值不小于1.2。
14、根据权利要求1至3和13中任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线表面到R/3深处的部分作为表面区，在连接线纵向表面区的晶体取向上，具有[111]取向和[100]取向的晶粒的总面积在中央部分所占的比值不小于50％。
15、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上由X射线衍射测出的晶体取向上，或者在垂直于连接线纵向的方向上的晶体取向上，[111]取向的晶粒与[100]取向的晶粒的体积比不小于1.2。
16、根据权利要求1至3、13和15中任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，在长度大于连接线直径5倍的连接线纵向截面上，至少包括两个或多个其晶体取向偏离连接线纵向的倾角小于15°且其长度不小于连接线直径70％的晶粒。
17、根据权利要求1至3、13和15中任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，所述连接线包含金作为主要组分，并包含总浓度C1为0.002至0.03质量％的一种或多种选自Y、Ca、Yb和Eu的元素，并且包含总浓度C2为0.002至0.05质量％的一种或多种选自La、Tb、Dy和Nd的元素，添加组分的浓度在0.1＜C1/C2＜10的范围内。
18、一种用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且将从连接线中央至R/2处的部分作为中央部分，而其外边的部分作为外围部分，那么连接线纵向中央部分的[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rc，和连接线纵向外围部分的[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rs，满足两者之间的差分率绝对值|1-Rc/Rs|×100(％)小于30％。
19、根据权利要求18的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，在连接线纵向的晶体取向中，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Ra不小于1.0。
20、根据权利要求18的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面上的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且认为从连接线中央到R/3的部分为芯部，在连接线纵向芯部的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rd在从0.1至0.8的范围内。
21、根据权利要求18的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向外围部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rs不小于1.2。
22、根据权利要求18的用于半导体器件的金连接线，其中，在连接线纵向截面的晶粒结构中，如果连接线的半径用R表示，并且以从连接线表面至R/5的部分作为最外面部分，在连接线纵向最外面部分的晶体取向上，[111]取向的晶粒面积与[100]取向的晶粒面积的比值Rt不大于1.0。
23、根据权利要求1至3、13、15和18中任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，所述晶粒的[111]方向和[100]方向偏离连接线纵向的倾角在10°范围内。
24、根据权利要求1至3、13、15和18中任何一项的用于半导体器件的金连接线，其中，垂直于连接线纵向的横截面上的晶粒数量从每平方微米0.04至4个。
25、一种使用铸造材料通过包括压延、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；并且后热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内。
26、一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延和初次拉伸中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料熔点的20至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为50至1000m/min；拉伸连接线的容器温度为5至45℃；后热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料重结晶温度的20至70％的范围内；并且扫描张力为0.2至70mN。
27、一种根据权利要求25或26的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在用于拉伸的多个拉伸模具中，不少于30％的拉伸模具具有不小于10％的断面减缩比。
28、一种使用铸造材料通过包括压延、初次拉伸、预热处理、二次拉伸和后热处理的组合步骤来生产半导体器件用金连接线的方法，其中至少以所述次序进行一轮所述各种加工，其中压延和初次拉伸中的加工面积比不小于95％；预热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料熔点以绝对温度计的30至70％的范围内；二次拉伸的加工面积比不小于99.5％；平均拉伸速率为100至800m/min；拉伸模具前后的张力差值在0.1至50MPa的范围内；后热处理中的加热温度以绝对温度计在铸造材料重结晶温度以绝对温度计的30至70％的范围内；并且在初次拉伸和二次拉伸中，拉伸模具出口处的拉伸角度不大于30°。
29、一种根据权利要求28的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在用于拉伸的多个拉伸模具中，断面减缩比小于7％、7至11％及11至20％的三种拉伸模具占拉伸模具总数的不少于10％。
30、一种根据权利要求28或29的生产半导体器件用金连接线的方法，其中在后热处理步骤中，使用具有如下温度分布的加热炉来连续扫描并热处理连接线，其中加热炉两端的加热温度Te以绝对温度计比中央部分加热温度Tm以绝对温度计低0.02至0.3Tm。
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