CN85103501A - 半导体装置的导线材料 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体装置的导线材料，组成的物质按重量计包括：Ni0.4至4.0％、Si0.1至1.0％、Zn0.05％至1.0％、Mn0.01至1.0％、Mg0.001至0.01％以下、Cr0.001至0.01％以下、S最多高达0.003％、余下的是Cu和不可避免的杂质。此外，这导线材料还可含有高达5ppm的氧及高达5ppm的氢。

Description

本发明与半导体装置有关、严格来说，是有关晶体管、集成电路和其它类似的半导体装置的导线材料。

这种工艺的一般做法是使用线膨胀系数接近单元和陶瓷物质的线膨胀系数的Fe-42%Ni作为半导体装置的导线材料。这种Fe-42%Ni合金含有大量的Ni成份，因此便比铜合金不合算。

在制造集成电路时，必须获得高经济效益。因此，便对廉价铜合金展开研究与发展以取代Fe-42%Ni。实际上，因为元素与导线材料的线膨胀系数有所不同，而产生的热压力问题，现在现有技术可以解决，例如可以插入一张钨或钼的薄片作为软垫层，又可以使用焊料或传导性树脂粘胶。此外，虽然昂贵的陶瓷向来都是用作粘胶及以玻璃密封的，但现在为了减低成本已经被廉价的树脂取替。树脂的优点是它们的线膨胀系数相当接近铜合金的系数，又对合金有亲和力。

随着电路集成程度的增加，Fe-42%重量Ni的设计都附有散热装置，以便把元件内产生以焦耳单位计算的热量散发。但是使用铜合金的时候则无须有这种散热装置。

由此可见，以铜合金取代传统的Fe-42%重量Ni，作为半导体装置的导线材料，会有各种极大好处。不过，要注意的是Fe-42%Ni优点，是它具有强度高与延伸率大的特点及有良好的耐热能力。

一般来说，半导体装置的导线材料需要有高的强度、良好的导线挠曲疲劳特性、高刚性、良好的导热率及导电率、抗腐蚀能力、抗压力腐蚀破裂能力、可焊性、对镀上的锡层和软焊层要有高抗剥落能力、金和银的可镀性、有冲压能力，价钱还要不贵。

在各种适合用作半导体装置导线材料的铜合金之中，Cu-Ni-Si合金和Fe-42%重量的Ni的机械特性和耐热度差不多是一样的。不过，这些合金的热加工性比较差，另外一个缺点是如果温度维持在150℃，镀上的锡层或软焊层会在数天内剥落，而且更不容易镀上金或银。

本发明的目的，是为半导体装置提供铜合金导线材料，这些合金必须比Fe-42%重量Ni便宜，其特性也应该比得上现有的合金。

本发明的另一个目的，是提供有下列特性的铜合金导线材料，包括：良好热加工性、锡层和焊层不易剥落、良好的可焊性、并可容易地镀上金、银或类似物质。

要达到本发明的上述目的，半导体装置的导线材料的成份，便应该有按重量计：Ni0.4至4.0%、Si0.1至1.0%、Zn0.05至1.0%、Mn0.01至1.0%、Mg0.001至0.01%以下、Cr0.001至0.01%以下、S最多可高达0.003%，其余的是Cu及不可避免的杂质。这物质内的硫最好是镁的化合物，常用的有MgS;这物质还可以含有高达5ppm的氢，以及高达5ppm的氧。

本发明的详细描述

以下是有关本发明的导线材料含有的各种物质及其份量等的详细说明。

镍元素可以增强机械强度，不过，如果按重量计Ni的含量低于0.4%，就算Si的含量是在0.1至1.0%的范围内，机械强度亦不会有所提高。另一方面，Ni的含量超过4.0%时，加工便会变得很困难，同时机械强度的增强也不大。因此，Ni的量最好是维持在0.4至4.0%之间。

Si元素的作用是改进机械强度。Si的量不适宜低过0.1%，因为就是使用0.4至4.0%的Ni也不能增强机械强度。此外，也没法获得高的导电率。Si的含量超过1.0%时，随着可焊性的下降，可加工性与导电率也会下降。因此，Si的量应该在0.1至1.0%之间。

要改进锡层和软焊层抗剥落性，便必须使用Zn元素。Zn的低于0.05%时，效果并不显著。但是，如果Zn的含量高于10%，可焊性就会下降。因此，Zn的量应该在0.05至1.0%之间。

Mn元素有纯化熔融金属的效用，也可改进热加工性。不过，Mn的量低于0.01%时，热加工性将不会有改进;当Mn的量超过1.0%时，导电率及可焊性将大幅度下降。因此，Mn的量应该是在0.01至1.0%之间。

要保证良好热加工性须使用Mg，因为Mg可以在基质内，把S和Mg化合成稳定的化合物。Mg的份量不适宜在0.001%或以下，因为这样S只会保留S的形态，或是化为MnS，而不会转化为稳定的MgS。在热轧的加热过程中，或是进行热轧的时候，S或MnS有移向晶粒边界的倾向，导致裂缝的产生。另一方面，镁的含量超过0.01%的时候，在金属锭内会形成Cu+MgCu₂的易溶混合物（熔点是722℃）。锭被加热到高于722℃时便破裂，熔化的金属会被氧化，而熔化了的金属的流动性会大为下降。因此，金属锭也会变得不完整。所以，Mg量应该在0.001至0.01%重量之间。

Cr是保证高度的高温可加工度必需的元素。当Cr的份量是低于0.001%时，热加工性不会提高。Cr的量高于0.01%重量时，熔化的金属会被氧化，熔化金属的流动性会下降，使金属锭变得不完整。

与熔化了的金属混合的硫有数种来源，例如熔炉导管的耐熔物质、燃料和空气内的气体。在熔化的金属内，S会保持本身的形态又或是化合成MnS，这是在加热或热处理时导致裂缝的主因。此外，硫的作用是降低焊料的可湿润性，和贵重金属的可镀性。如果硫的份量高于0.003%，可能通过加热造成晶粒间的裂缝。如果S的量不超过0.003%，S和MnS都可以转化为最稳定的MgS，因为Mg的用量通常都是在0.001至0.01%重量以下。因此，S的量不应超过0.003%。

本发明的导线材料还可以含有氢和氧。不过，如果氢的含量高于5ppm，制成品内会出现小气泡。所以，氢的含量控制在5ppm或以下。氧的量高于5ppm的时候，贵重金属的可镀性将会下降，使元素很难结合。因此，氧的量应该维持在5ppm或以下。

下面的例子将对本发明作出更详细的说明。

举例

把成份及含量的百分比如图1所示的各种合金熔化在一个碳粒炉内的空气中的时候，合金也会被附上炭层，产生出厚60毫米、宽60毫米和长180毫米的金属锭。

接着，从本发明的合金抽取微量的样品，以金属锭形式对比合金，再用X-射线微量分析仪为外来物进行定量分析。在外来物及周围物中试验是否有S的存在，也测定和S一起的元素是什么。

还有，试样是在与滚轧方向平行的方向抽取出来的，再按照ASTM规定的方法用一块E8试片进行抗拉强度及延伸率的测定。

使用下列的方法测试可焊性：用垂直浸入法，把试样浸入一弱活性的焊剂（α611）内，再浸入在230℃温度的Sn60-pb40（焊槽）内5秒钟，接着用肉眼观察焊料的沾湿情况。

使用下列的方法试验焊料受热后的剥落程度：把焊接了的样品置入一150℃的热炉内，经过500小时，再弯曲成90°角，以检验焊料的粘性。

使用下列的方法试验镀层的粘性：在样品上镀上3微米的银层，再在450℃的温度下加热5分钟，接着用放大十倍的显微镜观察气泡的数量。

表2列出本发明的合金与对比合金的试验结果。

表1

从表2可以清楚见到，本发明的合金有令人满意的抗拉强度、焊料抗剥落性与镀层粘附性、而且不容易产生气泡。如果金属锭内所有的S都被转化成大致是MgS的化合物，而S的成份又不超过0.003%重量，金属锭将会有良好的热加工性。

以下将会详细讨论本发明的合金，例如第4号合金和对比合金的差别。

对比合金6号含有0.0035%的S，但却没有Mg，这样会避免不了MnS和S的存在，因而不能进行热轧，可焊性也差。此外，由于Zn的含量低至0.01%，当样品在150℃温度下保留了48小时后，焊层会剥离，而镀上的银也会起泡。

由于7号合金内缺少了Mn和Cr，便不能进行热轧。因为合金含有8ppm的氢，在最后生成物的表面可观察到相当数目的芝麻状气泡。因为Zn的含量高达1.21%，使可焊度变得很低。此外，因为这合金有高达6ppm的氧，加热后镀银层会出现气泡。

对比合金8号含有高达0.013%Mg及铸件外表质量很差;而且不能进行高温加工。由于Mn的含量是1.21%，可焊性并不好。

对比合金9号含有0.0034%的S，但却不含Mg，金属内因而含有MnS和S。在这情况下不能进行热加工，而用低温处理法制成的薄片的可焊性也十分低。Zn含量只有0.03%，结果焊层在短期内便会剥落。另一方面，由于氢的量高达7ppm，合金本身亦会出现气泡，而镀银层也会因含氧量过高而出现气泡。

由于对比合金10号含有0.0036%的S，而Mg的量只有0.003%，所以合金内也有MgS、S和MnS。虽然合金含有0.17%的Mn，不过由于合金内的MnS和S的含量极高，因此仍然不能进行热加工。因为氢的含量高达8ppm，金属锭的表面亦会起泡。

勘误表

Claims (3)

1、一种用于半导体装置的导线材料，其特征是组成的物质按重量计包括Ni0.4至4.0%、Si0.1至1.0%、Zn0.05至1.0%、Mn0.01至1.0%、Mg0.001至0.01%以下，Cr0.001至0.01%以下，S最多可达0.003%，余下的是Cu和不可避免的杂质。

2、根据权项1的导线材料其特征是其中S大致上是以MgS的形式存在。

3、根据权项1和2的导线材料其特征是，另外可含有高达5ppm的氢及高达5ppm的氧。