CN104937672B - 用于键合用途的铝合金线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种键合线，其包含：具有表面的芯，其中所述芯包含铝作为主要组分，其特征在于所述芯含有0.05%至1.0%的量的钪作为一种组分。

Description

用于键合用途的铝合金线
技术领域
本发明涉及一种键合线，其包含：
具有表面的芯，其中所述芯包含铝作为主要组分，其中所述芯含有0.05%至1.0%的量的钪作为一种组分。
本发明还涉及用本发明的线键合电子器件的系统和制造本发明的线的方法。
背景技术
键合线在半导体器件的制造中用于在半导体器件制造过程中电互连集成电路和印刷电路板。此外，键合线在电力电子学用途中用于将晶体管、二极管等与外壳的焊盘或插脚（pins）电连接。尽管键合线一开始由金制成，但如今使用更便宜的材料，如铝。尽管铝线提供非常好的电导率和热导率，但铝线的键合具有其挑战。
通常，本发明意义上的键合线针对高速键合工具的使用进行优化，其中通常使用球焊或球形焊接(second bonding)（楔形焊接）将引线末端与焊盘之类的表面连接。在铝基线的情况下，主要使用楔形焊接。键合线必须满足特定要求才能至少在可行的工艺范围内与键合工具相容。
对本发明而言，术语键合线包含所有的横截面形状和所有的常见线径。具有圆形横截面和细直径的键合线以及用于高功率用途的具有圆形横截面或扁平横截面的粗键合线都有可能。具有扁平横截面的键合线也被称作带。
由于铝比金和其它材料低的价格，一些最近的开发涉及具有以铝作为主要组分的芯材的键合线。但是，仍需要在键合线本身和键合方法方面进一步改进键合线技术。
发明内容
相应地，本发明的一个目的是提供改进的键合线。
因此，本发明的另一目的是提供具有良好的加工性质并在互连时没有特殊需要由此节省成本的键合线。
本发明的一个目的还在于提供具有优异的电导率和热导率的键合线。
本发明的另一目的是提供表现出改进的可靠性的键合线。
本发明的另一目的是提供表现出优异的可键合性的键合线。
本发明的另一目的是提供在球形焊接或楔形焊接方面表现出改进的可键合性的键合线。
本发明的再一目的是提供至少在线拉制过程中具有高拉伸强度的键合线。
本发明的又一目的是提供具有低电阻率的键合线。
本发明的另一目的是提供用于键合电子器件的系统，所述系统提供电子器件和/或封装装置之类的装置的焊盘之间的可靠连接。
另一目的是提供制造本发明的键合线的方法，所述方法与已知方法相比基本没有表现出制造成本的增加。
令人惊讶地，已经发现本发明的线解决了至少一个上述目的。此外，已经发现了克服引线制造的至少一个挑战的制造这些线的方法。此外，发现包含本发明的线的系统在本发明的线与其它电气元件之间的界面处更可靠。
分类权利要求的主题有助于解决至少一个上述目的，由此该分类的独立权利要求的从属权利要求代表本发明的优选方面，它们的主题同样有助于解决至少一个上述目的。
本发明的第一方面是一种键合线，其包含：
具有表面的芯，
其中所述芯包含铝作为主要组分，
其特征在于
所述芯含有0.05%至1.0%的量的钪作为一种组分。
如果没有特别作出不同的规定，组分的所有含量或份额在此作为重量份额给出。特别地，以百分比给出的组分份额是指重量%，以ppm（百万分之一份）给出的组分份额是指重量ppm。对关于可数物体，如颗粒或粒子的百分比值，给出的值是物体总数的份额。
优选地，本发明的线没有覆盖芯表面的涂层。这使得该线的制造简单并节省成本。这不排除对特定用途而言，可能在本发明的线的芯表面上提供附加的涂层。
要理解的是，预计在制成的线的芯上存在至少有些薄的层，因为本发明的线基于铝，因此即使仅短时间暴露在空气中也几乎立即形成一定的氧化层。为了定义，该线的芯的给定特征和性质涉及这种无意表面区下方的未受影响的芯材。
如果这种组分的份额超过所涉及的材料的所有其它组分，这种组分是“主要组分”。主要组分优选占该材料总重量的至少50%。
选择本发明的钪含量以在不利作用不变明显的情况下表现出有益作用。如果选择大于1%的钪含量，在芯材中存在高量的钪或含钪相的大颗粒。如果此类颗粒的量和尺寸超过一定界限，该线的机械性质受损。如果选择小于0.05%的钪含量，由钪增加的有益性质不再明显。
就本发明的一个优选实施方案而言，将钪含量优化至0.1%至0.35%的范围。在一个最优选的实施方案中，芯的钪含量为0.12%至0.25%。
在本发明的一个通常优选的实施方案中，该芯含有0%至0.5%的硅。令人惊讶地证实，尽管硅是传统铝基键合线中的典型量为1%的标准组分，但本发明的线的低硅含量具有有益影响。在不含任何硅时可实现良好的拉伸强度，同时电导率优异。甚至更优选使硅含量保持在0%至0.2%之间。在本发明的线的一个最优选的实施方案中，除不可避免的痕量外不含硅，特别小于100 ppm。
作为本发明的线的一个通常有利的特征，除铝和钪外的芯组分的总量为0%至1.0%。更优选地，此类其它组分的含量合计小于0.5%，最优选小于0.2%。这提供高电导率，因为其它组分几乎不造成铝晶体中的扰动。
为了增强该线的耐蚀性，芯优选含有10 ppm至100 ppm的量的选自铜和镍的至少一种。镍含量或铜含量最优选为30 ppm至80 ppm。
由于归因于电阻加热的低热损失，本发明的线优选具有至少32.0*106 Ohm-1*m-1的电导率。电导率最优选为至少33.0*106 Ohm-1*m-1。不仅可通过选择其元素组成，还可通过指定的处理，如退火或均化来影响本发明的线的电导率。尽管电导率原则上是取决于材料的常数，但至少对极小直径而言，可能在一定程度上依赖于线径。为了定义，用直径大约100微米的粗键合线测量本文中给出的电导率。
在本发明的一个具体实施方案中，芯中至少30%的钪存在于与铝主要组分分开的相中。要理解的是，钪最多在一定程度上完全溶解在铝基质中。溶解钪的这种状态不是分开的相。在某些条件下，钪可以至少部分存在于不同的相中。这样的相通常是与铝主相分开的结晶或甚至非晶颗粒。此类含钪相的性质，如颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、组成等取决于特定的热处理和/或其它组分的存在。
含钪相优选是主要包含Al3Sc的金属间相。金属间相目前被定义为包含两种或更多种金属的均质化学化合物，金属间相的晶格结构不同于金属成分的晶格。
金属间相的微晶总数的至少2/3最优选具有小于25纳米的直径。令人惊讶地证实，一旦将线芯调节至这样的参数，实现电和机械性质的最佳组合。
在本发明的一个可能的实施方案中，该线具有80微米至600微米的直径。这样的线在本发明的意义上被定义为“粗线”。在这方面，该线的横截面形状被视为圆形。与横截面无关，本发明意义上的粗线是具有至少大约5000平方微米横截面积的线，这大致是80微米直径的圆形线的横截面积。
在本发明的另一些实施方案中，该线具有8微米至80微米的直径。这样的线在本发明的意义上被定义为“细线”。在细线的情况下，圆形横截面通常优选，尽管扁平横截面也有可能。
要指出，对所有类型的键合线而言，尤其是在细线的情况下，至少在将线拉至最终直径时，对线材的拉伸强度具有高的要求。对传统引线而言，这意味着必须选择能实现所需拉伸强度的某些铝合金。就本发明而言，通过添加钪和该线的受控热处理，实现甚至对细线拉制而言也足够的拉伸强度。甚至对不含除铝和少量钪以外的其它组分的线而言也是如此。
本发明的另一方面是用于键合电子器件的系统，其包含第一焊盘、第二焊盘和根据前述权利要求任一项的线，其中所述线借助楔形焊接连接到至少一个焊盘上。
对于这种系统的一个优选实施方案，焊盘下方的结构包含至少一个多孔二氧化硅层。可以调节本发明的线的硬度以符合在焊盘下方排列机械敏感结构的要求。如果焊盘由软材料，如铝或金构成，情况特别如此。该敏感结构可以例如包含一个或多个多孔二氧化硅层，特别具有小于2.5的介电常数。这样的多孔和因此弱材料变得越来越常见，因为其有助于提高器件性能。因此，优化本发明的键合线的机械性质以避免该弱层的裂化或其它损伤。可以通过依赖于各自的要求的特定退火程序实现该优化。
本发明的线可有利地用于具有高操作温度的系统。标准操作温度优选始终最高达175℃，优选最高达250℃。本发明的线也可能用于最高达300℃的极高永久操作温度。已经证实，这样高的温度不干扰该线中的合金钪的所需性能。
对用于键合电子器件的系统的一些实施方案而言，可能在键合程序中或甚至在键合的器件的初次运行过程中实现含钪相，特别是金属间Al3Sc相的受控形成。
本发明的另一方面是制造本发明的键合线的方法，其包括步骤
a. 提供具有所需钪含量的铝芯前体；和
b. 拉制和/或轧制所述前体直至达到线芯的最终直径。
线芯前体是指必须进一步变形才能获得最终线形状的任何结构。可以例如通过将原材料挤出成圆柱形来提供这样的前体，其中该原材料已包含所需组成。可通过熔融指定量的铝、加入指定量的其它组分并处理均质混合物而简单地获得这样的前体。然后可以由该熔融或固化合金以任何已知的方式铸造或成形线芯前体，例如通过铸造或通过挤出。
通常通过一系列拉制步骤将前体成形为最终线形状。在具有圆形横截面的线的情况下，拉制可以是唯一的成形步骤。在另一些情况下，特别是对带材而言，该方法可能包括替代的或附加的轧制步骤。要理解的是，可能包括不同变形方法的进一步步骤。
在一个通常优选的实施方案中，包括芯前体或最终线的均化步骤。铝基材料的均化被理解为是加热程序，其中所含钪的至少大部分份额溶解在铝中。最优选地，整个钪份额溶解在铝中。这能够受控调节晶体结构。根据要求，最终线甚至可以在所有钪仍为溶解态的情况下进给到键合工具中。在这样的情况下，可以稍后在键合过程中或甚至在键合后或甚至在键合的器件的运行过程中形成含钪的金属间相。
最优选在均化后进行指定的处理步骤以改变晶体结构，特别是形成指定的含钪相。
通常优选在最终拉制步骤之前进行均化步骤。这有助于改进线性质，因为在最终拉制步骤中增加晶格缺陷，这有助于稍后形成特别细的含钪金属间相。
为了实现钪的充分溶解，均化步骤优选包括将芯前体或最终线加热到至少450℃，更优选至少550℃的均化温度指定时间。在加热后再更优选以至少10K/秒，更优选至少100K/秒的速率急冷。可通过简单措施，例如将线浸入冷液体，如水中实现这样的急冷。
在一个最优选的实施方案中，包括线的析出硬化步骤。析出硬化是指一种退火步骤，其中晶粒冷凝并以受控方式生长以增强该线的机械强度。这使得线硬度提高，特别是线的拉伸强度提高。析出退火的优选温度范围是250℃至400℃，其中该线的暴露时间通常为至少30分钟。在一个最优选的实施方案中，析出硬化导致形成细分散的Al3Sc金属间相。该细分散的Al3Sc金属间相具有优选小于500纳米，更优选小于300纳米，再更优选小于150纳米，最优选小于25纳米的晶粒尺寸。晶粒尺寸的特别优选的范围是20-200纳米。
优选的线的拉伸强度被选为至少140 MPa，更优选160 MPa，最优选至少180 MPa。这样的拉伸强度特别允许简单和可靠地拉制甚至细线。在粗线的情况下，拉伸强度对制造法不这么重要。为了定义，用100微米直径的圆形线测量该材料的拉伸强度。令人惊讶地证实，本发明的线的拉伸强度甚至可以调节到在传统AlSi1合金线的范围内的值。
关于制造线的方法的更优选的详细实施方案，特别是关于优化的退火参数，参考上文对本发明的线的描述。
附图说明
附图描述
在附图中例示本发明的主题。但是，附图无意以任何方式限制本发明的范围或权利要求书。
图1显示本发明的线的拉伸强度和伸长的图。
图2显示制造本发明的线，特别是细线的方法的图。
实施例
通过实施例进一步例示本发明。这一实施例用于本发明的示例性说明并且无意以任何方式限制本发明的范围或权利要求书。
通过熔化预定量的纯铝（纯度>99.99%）并加入预定量的纯钪以获得如下的充分混合的组合物（按重量%计），制备合金：
铝 钪 其余/不可避免的污染物
99.8% 0.18% <0.02%
将该熔融混合物铸造成锭并冷却。将该锭挤出成圆柱形。可以对挤出的圆柱体进行任选拉制步骤。获得大约1毫米直径的线芯前体。
然后在均化步骤中均化该1毫米直径的线芯前体。在这一步骤中，将芯前体插入预热至640℃的退火炉中。芯前体在该炉中在640℃的恒温下保持几小时的暴露时间。在此期间后，所有量的钪溶解在铝晶格中。
在该暴露时间后，立即通过浸入冷水中而将该热芯前体淬火。通过淬火实现大于100K/秒的冷却速率。这种急冷防止形成含钪相的较大颗粒。
在均化后，将该前体拉制或以其它方式成形为通常80微米至600微米的粗线。在对线拉制前进行均化降低的拉制工具的磨损并改进它们的寿命。
在最终线成形为粗线的情况下，该方法就此结束，或在此后只有用于调节机械性质的最终退火步骤。
在最终线为细线的情况下，现在对粗线进行受控析出硬化，其中第一系列的拉制和/或成形步骤后的直径被视为中间直径。通过使该线暴露在通常250℃至400℃，优选大约300℃的温度下几小时，进行析出硬化。这种温度通常低于用于均化的温度。
在析出硬化过程中，形成细分散的金属间相Al3Sc。之前溶解的钪的这种沉淀增强该线的电导率。此外，改进该线的硬度和拉伸强度。
如果多于30%，更好地多于70%的钪沉淀在该Al3Sc金属间相中，获得良好的结果。这种相最优选主要以极细颗粒的形式存在，其中至少2/3的颗粒具有优选小于500纳米，更优选小于300纳米，再更优选小于150纳米，最优选小于25纳米的平均直径，特别优选的范围是20-200纳米。颗粒的直径在此以普通方式定义为是穿过颗粒的最大直径距离。
图1显示拉伸强度和伸长作为在300℃下的退火时间的函数的图。拉伸强度作为断裂载荷(breakload)“BL”以cN（百分之一牛顿）为单位给出。由于该线具有100微米的直径，150cN的断裂载荷等于191MPa。从该图中可以看出，容易达到这一值。
这种拉伸强度允许将该线进一步拉制成细线直径。容易达到的典型细线直径小于50微米。
在拉制到最终线径后，对该线施以进一步的最终退火步骤。这一步骤可以与沉淀 加热相同或类似。或者，其可包括暴露在低于250℃的相当温和的退火温度下。进行这种最 终退火以降低已通过该材料的变形引入的应力和晶格缺陷。
钪含量 在640℃下均化48小时 在300℃下析出退火7小时 在300℃下去应力退火7小时 电导率 [m/(Ohm*mm2]
0.18% 是 否 否 33.15
0.18% 是 是 是 35.42
0.25% 否 否 是 35.62
表1。
上表1显示具有300微米直径和不同钪含量的两种粗线的测得电导率。在四点装置中用10mA的外加电流在1.0米长的线上进行测量。
对于0.25%钪样品，不进行均化，但所交付的锭被认为相当均匀。
一般而言，数据证实通过含钪相的沉淀增强电导率，因为溶解的钪在铝晶格中几乎不造成扰动。还表明，容易实现大于33.0*106 Ohm-1*m-1的电导率值。
关于沉淀的Al3Sc相的细度，使用FIB系统（FIB =聚焦离子束）进行测量。FIB系统的空间分辨率为大约20纳米。在线样品上制造几个至少100平方微米的FIB-切口（cuts）并评估颗粒。由于所用材料的纯度，估计所有颗粒都属于Al3Sc相。
用FIB系统进行的测量和评估得出下列结果：
对于交付的材料，观察到平均直径25纳米的颗粒，标准偏差为7纳米。
在640℃下均化48小时后不存在可见颗粒。
在300℃下析出退火7小时后，仍然没有观察到颗粒。
考虑到FIB系统的分辨率以及电性质和机械性质的改变，可以推导沉淀出颗粒尺寸不大于20纳米的细Al3Sc相。

Claims (15)

1.一种键合线，其包含：
具有表面的芯，
其中所述芯包含铝作为主要组分，
其特征在于
所述芯含有0.05重量%至1.0重量%的量的钪作为一种组分，
其中所述芯中至少30重量%的钪存在于与铝主要组分分开的相中，
其中所述相是主要包含Al3Sc的金属间相，
其中所述金属间相的微晶总数的至少2/3具有小于25纳米的直径。
2.根据权利要求1的线，其中所述芯含有0重量%至0.5重量%硅。
3.根据前述权利要求任一项的线，其中除铝和钪外的芯组分的总量为0重量%至1.0重量%。
4.根据前述权利要求1或2所述的线，其中所述芯含有10 重量ppm至100 重量ppm的量的选自铜和镍的至少一种。
5.根据前述权利要求1或2所述的线，其中所述线具有至少32.0*106 Ohm-1*m-1的电导率。
6.根据前述权利要求1或2所述的线，其中所述线具有80微米至600微米的直径。
7.根据前述权利要求1或2所述的线，其中所述线具有8微米至80微米的直径。
8.用于键合电子器件的系统，其包含第一焊盘、第二焊盘和根据前述权利要求任一项的线，其中所述线借助楔形焊接连接到至少一个焊盘上。
9.根据权利要求8的系统，其中所述焊盘下方的结构包含至少一个多孔二氧化硅层。
10.制造根据权利要求1至7任一项的键合线的方法，其包括步骤
a. 提供具有所需钪含量的铝芯前体；和
b. 拉制和/或轧制所述前体直至达到线芯的最终直径。
11.根据权利要求10的方法，其包括芯前体或最终线的均化步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中所述均化步骤在最终拉制步骤之前进行。
13.根据权利要求11或12的方法，其中所述均化步骤包括将芯前体或最终线加热到至少450℃的均化温度指定时间。
14.根据权利要求13的方法，其中在所述加热后以至少10K/秒的速率急冷。
15.根据权利要求10至12任一项的方法，其包括所述线的析出硬化步骤。
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