CN118215990A

CN118215990A - 接合线及半导体装置

Info

Publication number: CN118215990A
Application number: CN202280073103.3A
Authority: CN
Inventors: 泷川圭美; 棚桥央
Original assignee: Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
Current assignee: Tatsuta Electric Wire and Cable Co Ltd
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2024-06-18
Also published as: JP2023087547A; TW202323542A; JP7142761B1; WO2023112444A1; JP2023087638A

Abstract

本发明的接合线中，In的含量为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Au和Pd中的1种或2种元素的含量的合计为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Bi和Cu中的1种或2种以上元素的含量的合计为5质量ppm以上且500质量ppm以下，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La和Ce中的1种或2种以上元素的含量的合计为0质量ppm以上且500质量ppm以下，其余由Ag构成。由此，长期可靠性优异，可使FAB与电极接触而压扁时的形状成为良好的圆形。

Description

接合线及半导体装置

技术领域

本发明涉及以Ag(银)为主成分的接合线及半导体装置。

背景技术

用于半导体元件上的电极与基板的电极的接线等的接合线通常非常细，因此由导电性良好且加工性优异的金属材料制造。特别是从化学稳定性、在大气中的处理容易性出发，以往广泛使用以Au(金)为主成分的接合线。但是，以Au为主成分的接合线的质量的99％以上为Au，非常昂贵。

因此，也提出了以Ag(银)为主成分的接合线。Ag比Au廉价，但以Ag为主成分的接合线的长期可靠性、对周围温度的变化的耐性(热循环性)差。为了解决该问题，如下述专利文献1所示，提出了在主成分Ag中添加In(铟)、Ga(镓)、Cd(镉)等元素来提高长期可靠性的接合线。

然而，在球焊中，将通过放电加热等而形成于接合线的前端的无空气球(以下简称为FAB)挤压于电极并压扁后，赋予热能及振动能量而进行第一接合。在第一接合之后，将接合线的外周面挤压于另一个电极而进行第二接合。伴随着近年来的半导体元件的高密度化，电极的细间距化不断发展，要求在将FAB挤压于电极而压扁时形成的第一接合部的形状控制为圆形来防止邻接的电极间的短路。但是，在下述专利文献1的接合线中，难以控制第一接合部的形状，存在难以应对细间距化的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6207793号

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种接合线，其在以Ag为主成分的接合线中，能够使长期可靠性良好，并且使FAB与电极接触而压扁时的形状成为良好的圆形。

为了解决上述课题，本发明的接合线的In的含量为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Au和Pd中的1种或2种元素的含量的合计为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Bi和Cu中的1种或2种以上元素的含量的合计为5质量ppm以上且500质量ppm以下，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La和Ce中的1种或2种以上元素的含量的合计为0质量ppm以上且500质量ppm以下，其余由Ag构成。

本发明的接合线中，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce中的1种或2种以上的元素的含量的合计可以为10质量ppm以上且500质量ppm以下。

在本发明的接合线中，In的含量相对于Au和Pd的含量的合计的比率可以为5以下。

在本发明的接合线中，可以含有Bi和Cu这两种元素。

在本发明的接合线中，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce中的1种或2种以上的元素的含量的合计可以多于选自Bi及Cu中的1种或2种以上的元素的含量的合计。

本发明的接合线中，对于线直径为25μm的线，在氮气气氛下制作线直径的2.0倍大小的FAB时，所产生的HAZ长度可以为100μm以下。

在本发明的接合线中，从线表面在半径方向上到线直径的30％为止的区域中的平均晶粒直径相对于以线中心为中心在半径方向上到线直径的30％为止的区域内的平均晶粒直径的比率可以为0.5以上且5.0以下。

在本发明的接合线中，若将存在于线的中心部且线半径方向的长度相对于线长度方向的长度之比为1/10以下的晶体设为细长的晶粒时，能够使细长的晶粒在包含线中心的线长度方向的截面中所占的面积的比率为40％以下。

本发明的半导体装置是使用了上述的本发明的任一种接合线的半导体装置。

本发明的以Ag为主成分的接合线中，能够使长期可靠性良好，并且使FAB与电极接触并压扁时形成的第一接合部的形状为良好的圆形。

附图说明

图1是放大表示在半导体装置中将电极间进行接线的线W的图。

图2是本实施方式的接合线的包含线中心的长度方向的截面的SEM图像，是用于说明算出平均晶粒直径的比率的方法的图。

图3是本实施方式的接合线的包含线中心的长度方向的截面的SEM图像，是用于说明细长的晶粒在包含线中心的线长度方向的截面中所占的面积的比率的计算方法的图。

图4是进行了平坦接合的接合线的放大图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式的接合线W及半导体装置进行说明。

图1所例示的半导体装置M是例如功率IC、LSI、晶体管、BGA(Ball Grid Arraypackage：球栅阵列封装)、QFN(Quad Flat Nonlead package：四方扁平无引脚封装)、LED(发光二极管)等半导体元件1上的电极(例如Al合金电极、镍·钯·金覆盖电极、Au覆盖电极等)10与电路布线基板(线框、陶瓷基板、印刷基板等)2的导体布线(电极)11通过使用了接合线W的球焊法来连接而成的。

半导体装置M中使用的接合线W含有0.005质量％以上且2.0质量％以下的In、0.005质量％以上且2.0质量％以下的选自Au和Pd(钯)中的1种或2种元素、以及5质量ppm以上且500质量ppm以下的选自Bi(铋)和Cu(铜)中的1种或2种元素，其余由Ag构成。

接合线W的线径可以根据用途设为各种大小。例如，接合线W的线径能够设为5μm以上且150μm以下。

具体而言，构成接合线W的Ag可以含有提纯上不可避免地存在的铁(Fe)等杂质，优选使用纯度99.9质量％以上的Ag来制作构成接合线W的Ag合金。

接合线W通过含有In，从而能够提高将熔融的FAB压接于电极10而形成于电极10上的第一接合部12的耐腐蚀性，可改善长期可靠性。半导体封装的电极大多被Al(铝)或Al合金覆盖。若将Ag与Al接合，则在接合界面生成Ag₂Al、Ag₃Al这样的Ag与Al的金属间化合物层。在接合界面生成的金属间化合物层容易因从外部进入水、氯而引起第一接合部12的劣化。若接合线含有一定量的In，则能够抑制由从接合界面进入的水、氯引起的Ag与Al的金属间化合物层的劣化，能够提高第一接合部12的耐腐蚀性。

若In的含量为0.005质量％以上，则第一接合部12的耐腐蚀性提高，能够改善长期可靠性。若In的含量为2.0质量％以下，则线的固有电阻维持在适当的范围。另外，若In的含量为2.0质量％以下，则将电极10、电极11之间进行接线时所形成的线弧形状不易产生偏差。

接合线W通过含有Au及Pd中的至少一种元素，从而使第一接合部12的耐腐蚀性提高，能够改善长期可靠性。特别是，通过除了In以外还含有Au和Pd中的至少一种元素，能够将接合线W的电阻率抑制得较小，并且第一接合部12的耐腐蚀性显著提高，能够大幅改善长期可靠性。另外，通过含有Au和Pd中的至少一种元素，能够减小将电极10、11接线时形成的线弧高度H(参照图1)。

选自Au和Pd中的1种或2种元素的含量的合计优选为0.005质量％以上且2.0质量％以下。如果为0.005质量％以上，则能够改善长期可靠性，能够减小线弧高度H。如果Au和Pd的含量的合计为2.0质量％以下，则贵金属的含量低，能够抑制接合线的制造成本。

特别是从能够在抑制接合线W的固有电阻的同时提高长期可靠性的方面出发，优选以In的含量相对于Au和Pd的含量的合计的比率成为1以上且5以下的方式含有Au、Pd和In，更优选为1以上且3以下。

接合线W通过含有Bi和Cu中的至少一者，能够将第一接合部12的形状控制为接近圆形的形状。Bi和Cu的含量的合计优选为5质量ppm以上且500质量ppm以下，更优选为5质量ppm以上且100质量ppm以下，进一步优选为5质量ppm以上且50质量ppm以下。

Bi和Cu即使分别单独添加，也能够得到将第一接合部12的形状控制为接近圆形形状的效果。然而，通过复合含有Bi和Cu，即使添加量为少量，也能使平均晶粒更加一致，成为进一步接近圆形的形状。若与Cu相比添加更多的Bi，则能够抑制在FAB的表面产生凹凸或产生缩孔，因此更优选含有比Cu更多的Bi。

需要说明的是，本发明中，除了上述的Au、Pd、In、Bi和Cu以外，还可以追加含有选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La和Ce(有时也成为“选择元素群”)中的1种或2种以上的元素。即，选择元素群是任意成分。如果该选择元素群的含量的合计为500质量ppm以下，则不会损害添加Au、Pd、In、Bi和Cu所带来的上述作用效果。另外，若选择元素群的含量的合计为10质量ppm以上，则线的耐热性提高，并且在FAB形成时难以产生被称为HAZ(Heat AffectedZone)的晶粒大的区域，能够减小接线时的线弧的高度H。因此，添加选择元素群时，选择元素群的含量的合计优选为10质量ppm以上且500质量ppm以下，更优选为10质量ppm以上且100质量ppm以下。

另外，添加选择元素群时，优选选择元素群的含量的合计比Bi和Cu的含量的合计多。通过较多地含有选自Bi及Cu中的选择元素群的元素，能够在不使FAB形状的圆球性恶化的情况下减小线弧高度H。

接着，对棒状铸锭进行拉丝加工，缩径至达到规定的直径，制成接合线。另外，也可以根据需要在拉丝加工的中途进行软化热处理。

然后，进行拉丝加工至规定的直径后，根据需要在热处理炉中移动，进行调质热处理，得到接合线。

本实施方式的接合线中，In的含量为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Au和Pd中的1种或2种元素的含量的合计为0.005质量％以上且2.0质量％以下，选自Bi和Cu中的1种或2种以上元素的含量的合计为5质量ppm以上且500质量ppm以下，其余由Ag构成，因此能够使长期可靠性、热循环性良好，并且能够减小接线时形成的线弧的高度、提高线弧形状的稳定性、提高与电极的接合部分的形状的稳定性。

本实施方式的接合线W中，可以追加含有选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce中的1种或2种以上的元素，这些元素的含量的合计优选为10质量ppm以上且500质量ppm以下。通过在Au、Pd、In、Bi和Cu的基础上进一步追加含有选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La和Ce中的1种或2种以上的元素，能够提高线的强度、耐热性，提高热循环性。

另外，在本实施方式的接合线中，能够使在氮气气氛下制作具有线直径的2.0倍的直径的FAB时产生的HAZ长度为100μm以下。通过设为这样的长度，能够将接线时形成的线弧的高度设置得较小，能够实现半导体装置的薄型化。

其中，HAZ长度可以通过使用通用型电子显微镜的接合线的外观观察来测定。

另外，在本实施方式的接合线中，在如图2所示的接合线的包含线中心C的长度方向的截面的SEM图像中，能够将从线表面在半径方向上至线直径的30％为止的区域R2中的平均晶粒直径D2相对于以线中心C为中心在半径方向上至线直径的30％为止的区域(夹着线中心C在半径方向两侧至线直径的15％为止的区域)R1内的平均晶粒直径D1的比率P(＝D2/D1)设为0.5以上且5.0以下。在这样的情况下，能够在将FAB按压于电极并压扁时形成的第一接合部12的形状控制为接近圆形的形状。

需要说明的是，本说明书中的平均晶粒直径可以通过下述式(1)求出。

[数1]

式(1)中，N是从图2所示的接合线的截面SEM图像中在线的长度方向上任意选择线直径的3～4倍的长度的区域而存在于所选择的区域内的晶粒的个数。S是如上所述选择的区域的面积。

在本发明的接合线中，若将存在于线的中心部且线半径方向的长度相对于线长度方向的长度之比为1/10以下的晶体设为细长的晶粒，则能够将如图3所示的细长的晶粒的面积的合计(在图3的情况下，相当于由存在于线的中心部的细长的晶粒构成的区域R3的面积)在包含线中心C的线长度方向的截面中所占的比率Q设为40％以下。在这样的情况下，能够提高线弧形状的稳定性。

另外，本实施方式的接合线W除了上述那样的半导体装置以外，还能够作为各种方式的接合线使用。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。

实施例

以下，通过实施例更具体地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。

使用纯度99.9质量％以上的Ag原料，熔解如下述表1所示的组成的Ag合金，通过连续铸造法制作棒状铸锭。对所制作的棒状铸锭实施拉丝加工而缩径至直径达到25μm，其后，实施调质热处理，获得实施例1～实施例11及比较例1～比较例7的接合线。另外，实施例1～实施例11及比较例1～比较例7的接合线的线径(直径)均为25μm。

表1

对所获得的实施例1～实施例11及比较例1～比较例7的接合线进行以下(1)～(11)的评价。具体的评价方法如下所述。

(1)固有电阻

对实施例1～实施例11及比较例1～比较例7的各接合线各制作3个评价用试样，使用4端子法测定室温下的电阻。如果3个评价用试样的电阻率的平均值小于4.0μΩ·cm，则具有充分的导电性，因此设为“A”，如果为4.0μΩ·cm以上，则设为“D”。

(2)线弧高度

如图4所示，利用丝焊器(KAIJO corporation制，丝焊器FB-780)，以形成于电极10上的第一接合部12与在第一接合之后将接合线W的外周面按压于电极11而形成的接合部(第二接合部)的高度相同的方式，在氮气气氛下进行平坦接合。使用光学显微镜测定从第二接合部的接地点到最高点的线的高度h。若为线直径的3～5倍的高度h则设为“A”，若为线直径的5～10倍的高度H则设为“B”，若为线直径的10倍以上的高度H则设为“D”。

(3)FAB球形性(形成性)

利用上述(2)中使用的丝焊器，在氮气气氛下制作线直径的1倍～2.1倍大小的FAB。作为FAB圆球性(形成性)的评价，对于实施例及比较例的每个接合线各制作100个FAB后，利用通用型电子显微镜(日本电子(株)制造，JSM-6510LA)进行外观观察，分别测定所制作的FAB的线平行方向与垂直方向的长度。若FAB的线平行方向的长度X与垂直方向的长度Y的比(X/Y)的平均值为85％以上且115％以下，则判断为“有圆球性”，设为“A”，若所述比(X/Y)的平均值小于85％或大于115％，或者目视未出现圆形，则设为“D”。

(4)HAZ长度

用上述通用型电子显微镜对上述(3)中制作了FAB的线进行外观观察，测定在FAB附近的线部分产生的HAZ的长度，算出其平均值。

HAZ长度为100μm以下则为“A”，其以上则为“B”。

(5)接合线的表面区域中的平均晶粒直径相对于接合线的内部区域中的平均晶粒直径的比率P

利用截面试样制作装置(日本电子(株)制、IB-09020 CP)使线的长度方向的截面露出后，利用通用型电子显微镜(日本电子(株)制、JSM-6510LA)取得线截面的金属组织的SEM图像，从取得的SEM图像中任意选择在线的长度方向上线直径的3倍长度的区域。对于所选择的区域，算出以线中心C为中心在半径方向为线直径的30％的区域R1中的平均晶粒直径D1、和从线表面在半径方向为线直径的30％为止的区域R2中的平均晶粒直径D2，算出区域R2中的平均晶粒直径D2相对于区域R1中的平均晶粒直径D1的比率P。

需要说明的是，平均晶粒直径D1是由SEM图像在线的长度方向上遍及线直径的3倍的长度测量存在于区域R1内的晶粒的个数N和区域R1的面积S，通过上述式(1)求出的。平均晶粒直径D2是由SEM图像在线的长度方向上遍及线直径的3倍的长度测量存在于区域R2内的晶粒的个数N和区域R2的面积S，通过上述式(1)求得的。

区域R2中的平均晶粒直径D2相对于区域R1中的平均晶粒直径D1的比率P为0.5以上且5.0以下的情况设为“A”，除此以外的情况设为“B”。

(6)细长的晶粒的面积相对于线整体的面积的比率Q

从用与上述(5)相同的方法取得的金属组织的SEM图像中，在线的长度方向任意选择线直径的3倍长度的区域，对于存在于所选择的区域的晶粒，分别测量线长度方向和线半径方向的长度，算出线半径方向的长度相对于线长度方向的长度之比。将算出的比为1/10以下的结晶作为细长的晶粒，测量存在于选择的区域的细长的晶粒的面积的合计(总面积)。然后，算出细长的晶粒的总面积相对于所选择的区域的面积的比率Q。将算出的比率Q为40％以下的情况设为“A”，除此以外的情况设为“B”。

(7)第一接合部的尺寸稳定性

利用所述(2)中使用的丝焊器，将在氮气环境下制作的100个FAB按压至电极，以第一接合部的直径成为FAB的直径的1.4倍的大小的方式进行接合。使用通用型电子显微镜(日本电子(株)制、JSM-6510LA)测定第一接合部的正交的2个方向上的直径。在100个FAB所有中，若第一接合部的两个方向的直径之差为2.5μm以下，则设为“A”，若超过2.5μm且为5μm以下的第一接合部即使存在1个，设为“B”，若超过5μm的第一接合部即使存在1个，也判断为真圆性低而不适合细间距用途，设为“D”。

(8)热循环试验

对利用上述(2)中使用的丝焊器在氮气气氛下进行接合后进行了环氧树脂密封的半导体试样，使用市售的热循环试验装置进行评价。关于温度历程，在-40℃下保持60分钟后，升温至125℃，在该温度下保持60分钟。将其作为1个循环，进行1000个循环的试验。在试验后进行电测定，进行导通评价。评价的线数为500根，不良率为1％以下时评价为“A”，超过1％且为3％以下时评价为“B”，超过3％时耐性低，因此评价为“D”。

(9)高温放置试验(长期可靠性)

制作用上述(2)中使用的丝焊器在氮气气氛下进行接合后进行了环氧树脂密封的半导体试样。使用市售的恒温槽，将所制作的半导体试样在175℃下保持1000小时后，进行电测定，进行导通评价。评价的线数为500根，不良率为1％以下时评价为“A”，超过1％且为3％以下时评价为“B”，超过3％时耐性低，因此评价为“D”。

(10)线弧形成性

利用上述(2)中使用的丝焊器，在氮气气氛下将第一接合部和第二接合部设为相同的高度，以线弧长度(连接第一接合部和第二接合部的线的长度)为2mm、线弧高度为200μm的方式进行接合。从正上方观察线弧，测量连结第一接合部的中心和第二接合部的中心的直线与线材中心C的偏移量的最大值(线材中心C在线材径向上最远离所述直线的部位处的线材中心C与所述直线的距离)。评价的线数为500根，线中心C从所述直线偏离20μm以上的不良线为评价的线整体的5％以下时为“A”，超过5％且10％以下时为“B”，超过10％时不能稳定地形成线弧，因此记为“D”。

(11)综合评价

将各评价中全部为“A”的情况设为“A”，将“B”为1～3个的情况设为“B”，将“B”为4个以上的情况设为“C”，将“D”为至少1个的情况设为“D”。需要说明的是，在该评价中，“A”当然可以发挥本发明的作用效果，“B”、“C”，根据半导体元件的种类而对接合条件没有限制的情况等使用条件而也能发挥本发明的作用效果。

表2

结果如表2所示，在实施例1～实施例11中，在所述(1)～(11)的所有评价中获得了良好的结果。

另一方面，Bi及Cu的含量的合计超过500质量ppm的比较例1中，无法形成球形度高的FAB。In的含量超过2.0质量％的比较例2中，固有电阻和线弧形成性的评价为“D”。在Au和Pd的含量的合计小于0.005质量％的比较例3中，热循环试验和高温放置试验的评价为“D”。Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce的含量的合计超过500质量ppm的比较例6中，固有电阻及FAB形成性的评价为“D”。在Au和Pd的含量的合计超过2.0质量％的比较例5中，电阻率的评价为“D”。在In的含量小于0.005质量％的比较例6中，高温放置试验的评价为“D”。在Bi和Cu的含量的合计小于5质量ppm的比较例7中，第一接合部的形状的评价为“D”。

Claims

1.一种接合线，其中，In的含量为0.005质量％～2.0质量％，选自Au和Pd中的1种或2种元素的含量的合计为0.005质量％～2.0质量％，选自Bi和Cu中的1种或2种以上元素的含量的合计为5质量ppm～500质量ppm，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La和Ce中的1种或2种以上元素的含量的合计为0质量ppm～500质量ppm，其余由Ag构成。

2.根据权利要求1所述的接合线，其中，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce中的1种或2种以上的元素的含量的合计为10质量ppm～500质量ppm。

3.根据权利要求1或2所述的接合线，其中，In的含量相对于Au和Pd的含量的合计的比率为5以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的接合线，其中，必须含有Bi和Cu。

5.根据权利要求2所述的接合线，其中，选自Ca、Mg、Ge、Y、Nd、Sm、Gd、La及Ce中的1种或2种以上的元素的含量的合计多于选自Bi及Cu中的1种或2种以上的元素的含量的合计。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的接合线，其中，对于线直径为25μm的线在氮气气氛下制作线直径的2.0倍大小的FAB时，所产生的HAZ长度为100μm以下。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的接合线，其中，相对于以线中心为中心在半径方向上至线直径的30％为止的区域内的平均晶粒直径，从线表面在半径方向上至线直径的30％为止的区域中的平均晶粒直径的比率为0.5～5.0。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的接合线，其中，将存在于线的中心部且线半径方向的长度相对于线长度方向的长度之比为1/10以下的晶体设为细长的晶粒时，所述细长的晶粒在包含线中心的线长度方向的截面中所占的面积的比率为40％以下。

9.一种半导体装置，其使用了权利要求1～8中任一项所述的接合线。