DE102012023500A1 - 3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden in Mikroelektronikgeräten - Google Patents

3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden in Mikroelektronikgeräten Download PDF

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Murali Sarangapani
Ping Ha YEUNG
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Abstract

3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden im Bereich der Mikroelektronik, umfassend ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe Ag, Ni, Pd, Au, Pt und Cr als korrosionbeständiger Zusatzstoff, wobei eine Konzentration des korrosionsbeständigen Zusatzstoffs zwischen 90 Gew.-ppm und 980 Gew.-ppm beträgt.

Description

  • FACHGEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen 3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden im Bereich der Mikroelektronik.
  • HINTERGRUND
  • Feine Au-, Cu- und Al-Drähte werden sehr verbreitet für Schaltverbindungen bei integrierten Chips verwendet. Auch Silberdrähte wurden für besondere Anwendungen untersucht. Bei Au- und Al-Drähten wird im üblichen Fall eine Reinheit von 2N bis 4N (99 bis 99,99%) eingesetzt, während Cu typischerweise nur mit einer Reinheit von 4N verwendet wird. Cu mit einer Reinheit von 5N bis 8N wurde zwar untersucht, wird in der Praxis aber nicht eingesetzt. Für spezielle Anwendungen werden Dotiermittel zugesetzt, beispielsweise die Loopingeigenschaften, Zuverlässigkeit, Bondfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. Beim Drahtbonden kommen üblicherweise Drähte mit einem Durchmesser im Bereich von 18 μm bis 75 μm zum Einsatz. Für Hochstromleitungsanwendungen werden Drähte mit einem Durchmesser typischerweise im Bereich von 200 μm bis 400 μm eingesetzt.
  • Die Legierungen für die Drähte werden im typischen Fall durch Stranggießen zu Stäben mit einem Durchmesser von 2 mm bis 25 mm verarbeitet und anschließend in Schritten, die als schwer, mittel und fein bezeichnet werden, weiter ausgezogen. Die fein-gezogenen Drähte werden bei hoher Temperatur von ungefähr 0,25 bis 0,6 Tm (Schmelzpunkt des Drahtes) geglüht und anschließend aufgespult, vakuumverpackt und bis zum Bonden gelagert.
  • Die Vorteile von gedoptem und legiertem Cu-Draht sind in mehreren Patenten beschrieben. Durch Zusatz von Pd im Bereich von 0,13 bis 1,17 Masse-% soll eine hohe Zuverlässigkeit im PCT (pressure cooker test) erhalten werden. Mit Mg und P < 700 ppm dotierter Cu-Draht, der einen Sauerstoffgehalt (O) von 30 ppm behält, und Zugabe einer Reihe von Elementen Be, Al, Si, In, Ge, Ti, V (6–300 ppm), Ca, Y, La, Ce, Pr, Nd < 300 ppm zeigte gute Ergebnisse beim Bonden. Der Zusatz von Nb und P im Bereich von 20–100 ppm sowie der Elemente Cs, Lu, Ta, Re, Os, Ir, Po, At, Pr, Pm, Sm, Gd < 50 ppm und Zr, Sn, Be, Nd, Sc, Ga, Fr, Ra < 100 ppm ergab einen weichen und bondfähigen Draht. Ein bondfähiger Cu-Draht wurde produziert bei Dotierung mit einer Höchstmenge von 1000 ppm der Elemente Mn, Co, Ni, Nb, Pd, Zr und In. Enthielt der Draht Be, Fe, Zn, Zr, Ag, Sn, V < 2000 ppm, erwies er sich als bondfähig und zuverlässig. Die Zugabe von Bor (B) bis zu 100 ppm und eine geringen Menge von zugesetztem Be, Ca, Ge < 10 ppm unter Beibehaltung eines Schwefel(S)-Gehalts < 0,5 ppm führte zu einer niedrigen Ballhärte und reduzierter Kaltverfestigung. Cu-Draht mit Cr < 25 ppm, Zr < 9 ppm, Ag < 9 ppm, Sn < 9 ppm zeigte eine ebenso gute Bondfähigkeit wie Au-Draht. Die Zugabe von Fe, Ag, Sn, Zr in geringen Mengen < 9 ppm ergab einen normal bondfähigen Draht. Bei Zugabe der Elemente B, Na, Mg, Al, Si, Ca, K, V, Ga, Ge, Rb, Sr, Y, Mo, Cd, Cs, Ba, Hf, Ta, Tl, W < 1000 ppm zeigten sich überlegene Eigenschaften und die Eignung zum Bonding.
  • Die Verarbeitung von Cu-Draht unter Verwendung von ultra-hochreinem Cu, wie z. B. 8N (99,999999%) bei einem Gehalt an O, C, H, N, S, P < 1 ppm, ergab einen weichen Draht mit einer Härte von 40 HV. Unter Verwendung einer Reinheit von 5N und 6N und einer Dotierung mit einem der Elemente Ti, Cr, Fe, Mn, Ni, Co, allein oder in unterschiedlichen Kombinationen mit einem Gehalt < 4,5 ppm, verarbeitete Cu-Drähte zeigten eine gute Bondfähigkeit. Die Kombination der Zugabe von Hf, V, Ta, Pd, Pt, Au, Cd, B, Al, In, Si, Ge, Pb, S, Sb und Bi < 4,5 ppm sowie Nb < 4,5 ppm bei einer Reinheit von 5N und 6N ergab ebenfalls eine gute Bondfähigkeit. Bei Zugabe von Ti in einer Menge von 0,12–8,4 ppm sowie Mg, Ca, La, Hf, V, Ta, Pd, Pt, Au, Cd, B, Al, In, Si, Ge, Pb, P, Sb, Bi, Nb in einer Menge von < 0,16–8,1 ppm war die Eignung zum Bonding gegeben. Ein Cu-Draht mit einer Verunreinigung von < 4 ppm und einem Gehalt an Mg, Ca, Be, In, Ge, Tl < 1 ppm zeigte eine ähnliche Leistungsfähigkeit wie Au-Draht und war mit 35 HV ein weicher Draht.
  • Ein sauberer kugelförmiger Free Air Ball wurde mit 4N-Cu-Draht mit einem Gehalt an Mg, Al, Si, P < 40 ppm erreicht. Außerdem wurde ein Cu-Draht mit einer Härte von 40 bis 50 HV bei einer Reinheit < 10 ppm erreicht unter Zugabe von La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Y < 20 ppm oder Mg, Ca, Be, Ge, Si < 20 ppm. Cu-Draht mit einem Zusatz an Ni und Co < 100 ppm und Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Zr, Nb, Pd, Ag, In, Sn < 150 ppm war korrosionsbeständig und besaß eine Härte von 41 HV. Auch Cu-Draht mit einem Gehalt an Ti, Fe, Cr, Mn, Ni, Co von < 150 ppm zeigte beim Bonden eine gute Performance. Ein weicher Cu-Draht mit < 49 HV wurde mit zonengereinigtem Cu und einem Gehalt an Mg, Ca, Ti, Zr, Hf < 100 ppm erhalten. Die Zugabe der Elemente Be, Sn, Zn, Zr, Ag, Cr, Fe bis zu einem Höchstgehalt von 2 Gew.% bewahrte den Gehalt an H, N, O, C und kontrollierte die Gasbildung (H2, CO, N2, O2) beim Free Air Ball, so dass eine überlegene Drahtfestigkeit erhalten wurde. Bei Zugabe von 400 ppm Mg und Spurenmengen von Fe und Ag ergab sich eine reduzierte Rissbildung in der Nähe der Wärmeeinflusszone (HAZ). Der Draht war korrosionsbeständig und wurde mit Cu mit einer Reinheit von 6N verarbeitet. Bei Zugabe von La < 0,002 Gew.%, Ce < 0,003 Gew.%, Ca < 0,004 Gew.% zu einem 4N-Cu-Draht wurde eine lange Haltbarkeitsdauer bei Lagerung erhalten.
  • Im Allgemeinen besteht ein Bedarf für Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen, die sich durch gute Bondfähigkeit, Free-Air-Ball-Bildung in einer inerten oder reaktiven Umgebung, Zuverlässigkeit, insbesondere unter HAST(highly accelerated stress test)-Bedingungen, gute Loopingeigenschaften und leichtes Drahtziehen mit Massenproduktionseigenschaften auszeichnen. Ein Anstieg des spezifischen Widerstands um 5–15% ist ein typischer Nachteil von dotierten Cu-Drähten. Falls der Draht jedoch insbesondere unter HAST-Bedingungen überlegene Performanceeigenschaften aufweist, ist er trotz des erhöhten spezifischen Widerstands und der höheren Kosten interessant.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden im Bereich der Mikroelektronik bereit, die eine hohe Zuverlässigkeit und weniger Kompromisse in anderen Eigenschaften bieten können.
  • Zusammenfassung
  • Einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein 3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden im Bereich der Mikroelektronik bereit gestellt, der ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe Ag, Ni, Pd, Au, Pt und Cr als korrosionbeständigen Zusatzstoff umfasst, wobei eine Konzentration des korrosionsbeständigen Zusatzstoffes zwischen 90 Gew.-ppm und 980 Gew.-ppm beträgt.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ag umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ni umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Au umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pt umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Cr umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 880 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 580 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 480 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 530 Gew.-ppm Pd umfassen.
  • Der korrosionsbeständige Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Au, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pt und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 3 Gew.-ppm bis 15 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der desoxidierende Zusatzstoff kann 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Ca und Ce, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Mg und La und 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Al umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der desoxidierende Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 3 Gew.-ppm bis 95 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der desoxidierende Zusatzstoff kann 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Ca und Ce, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Mg und La, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Al und 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 30 Gew.-ppm bis 290 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der kornverfeinernde Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Fe, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm B, 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Zr und 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Ti umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der kornverfeinernde Zusatzstoff umfasst 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm B.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 30 Gew.-ppm bis 260 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs umfassen.
  • Der kornverfeinernde Zusatzstoff kann 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Fe, 10 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm B, 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Zr und 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Ti umfassen.
  • Der 3N-Kupferdraht kann darüber hinaus 1 Gew.-ppm bis 3 Gew.-ppm S umfassen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und einem oder mehreren Elementen aus einer Gruppe Ag, Ni, Pd, Au, Pt und Cr als korrosionbeständigem Zusatzstoff, wobei eine Konzentration des korrosionsbeständigen Zusatzstoffs zwischen 90 Gew.-ppm und 980 Gew.-ppm beträgt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der dotierte 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ag.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ni.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Au.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer und 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Cr.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 880 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 580 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 480 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 530 Gew.-ppm Pd.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Au, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pt und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 3 Gew.-ppm bis 15 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht der desoxidierende Zusatzstoff aus 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Ca und Ce, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Mg und La und 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Al.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst oder besteht der desoxidierende Zusatzstoff aus 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr und 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst oder besteht der desoxidierende Zusatzstoff aus 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Au, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pt, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr und 13 Gew.-ppm bis 95 Gew.-ppm eines desoxidierenden Zusatzstoffs. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht der desoxidierende Zusatzstoff aus 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Ca und Ce, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Mg und La, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Al und 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 30 Gew.-ppm bis 290 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht der kornverfeinernde Zusatzstoff aus 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Fe, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm B, 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Zr und 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Ti.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 530 Gew.-ppm Pd und 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst oder besteht der kornverfeinernde Zusatzstoff aus 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm B.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der 3N-Kupferdraht aus 3N-Kupfer, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Ca und Ce, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Mg und La, 1 Gew.-ppm bis 5 Gew.-ppm Al, 10 Gew.-ppm bis 80 Gew.-ppm P und 30 Gew.-ppm bis 260 Gew.-ppm eines kornverfeinernden Zusatzstoffs. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht der kornverfeinernde Zusatzstoff aus 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Fe, 10 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm B, 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Zr und 5 Gew.-ppm bis 20 Gew.-ppm Ti.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der 3N-Kupferdraht eine vorstehend angegebene Zusammensetzung und besteht darüber hinaus aus 1 bis 3 Gew.-ppm S.
  • Einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein System zum Bonden eines elektronischen Geräts bereit gestellt, das ein erstes Bondpad, ein zweites Bondpad und einen erfindungsgemäßen 3N-Kupferdraht umfasst, wobei der Draht mit beiden Pads durch Wedge-Bonden verbunden ist.
  • Bei Bezugnahme auf den Begriff ”bestehend” oder ”besteht aus” ist vorzugsweise gemeint, dass der 3N-Kupferdraht frei oder im Wesentlichen frei von sonstigen Elementen ist, noch bevorzugter frei von weiteren metallischen Elementen ist. Ungeachtet dessen kann der erfindungsgemäße 3N-Kupferdraht beliebige unvermeidliche Verunreinigungen umfassen, deren Gesamtgehalt bevorzugt nicht mehr als 100 ppm und noch bevorzugter nicht mehr als 30 ppm beträgt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsformen werden für den Fachmann besser verständlich und offensichtlich anhand der nachfolgenden schriftlichen Beschreibung, die lediglich Beispielzwecken dient, und in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:
  • 1 vergleichende Zugspannungs-/Dehnungsdaten zur Erläuterung von 3N-Cu-Drähten mit Spurenmengen von Zusatzstoffen eines Ausführungsbeispiels darstellt.
  • 2 vergleichende Polarisationsscan-Daten von 3N-Cu-Drähten mit Spurenmengen von Zusatzstoffen eines Ausführungsbeispiels darstellt.
  • 3a) REM-Aufnahmen zur Erläuterung von Ballbonds für 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen eines Ausführungsbeispiels darstellt.
  • 4a)–b) vergleichende Ballbond- und Stitchbond-Prozessfensterdaten für 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen eines Ausführungsbeispiels darstellen.
  • 5a)–b) vergleichende thermische Alterungsdaten (auch HTS (Hochtemperaturlagerung) genannt) für 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen eines Ausführungsbeispiels darstellen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele können 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden in der Mikroelektronik-Aufbau- und Verbindungsbranche bereit stellen. Die wichtigsten Zusatzstoffe in Spurenmengen sind Ag, Ni, Pd, Au, Pt, Cr, Ca, Ce, Mg, La, Al, P, Fe, B, Zr und Ti, die mit Cu mit hoher Reinheit (> 99,99%) eingesetzt werden. Aus dem Cu mit Spurenmengen von Zusatzstoffen werden Feindrähte gezogen. Die Drähte von Ausführungsbeispielen sind bondfähig an Al-Bondpads sowie an Ag-, Cu-, Au-, Pd-beschichteten Oberflächen. Die mit Drahtbonds erhaltenen HTS-Ergebnisse erweisen sich als vergleichbar zu einem im Handel erhältlichen weichen 4N-Cu-Vergleichsdraht beim Bonding an Al-Bondpad und Lagerung bei ungefähr 175°C für eine Dauer von ungefähr 1000 Stunden. Die Korrosionsbeständigkeit der Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen ist vorteilhaft besser als die des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahts. Wie dem Fachmann geläufig ist, werden HAST- oder THB-(temperature humidity bias)-Tests im typischen Fall an Cu-Drahtgebondeten und in Epoxidharz gegossenen Geräten und zwar bei Bias- und Nicht-Bias-Bedingungen. Im Verlauf des Tests erfährt die Cu-Drahtbond-Grenzfläche (d. h. Cu-Draht an Al-Bondpad angeschweißt) eine galvanische Korrosion auf elektrochemischer Basis. Die Feuchtigkeitsaufnahme durch das Epoxid ist die Quelle für die Diffusion von Hydroxyionen (OH–). Eine Verunreinigung des Epoxids mit Halogenen (Cl, Br, usw.) im ppm-Bereich ist die Quelle von Cl–-Ionen. Polarisationsscans, die für Drähte von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen bei einer elektrochemischen Reaktion des Drahts in verdünnter HCl-Säure aufgenommen wurden, zeigten ein positives Ruhepotenzial, das auf Korrosionsbeständigkeit hinweist. Somit sind für 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen bessere Leistungen in Zuverlässigkeitsuntersuchungen, wie HAST und THB, zu erwarten.
  • Die 3N-Cu-Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen werden durch Stranggießen zu Stäben verarbeitet. Die Elemente werden allein oder in Kombination bis zu einem Höchstwert von ungefähr 980 Gew.-ppm (Teilchen pro Million an Gewicht) zugesetzt, wobei die Zusammensetzung des Drahtes in den Ausführungsbeispielen bei 3N gehalten wurde. Die gegossenen Stäbe werden zu einem feinen Durchmesser von ungefähr 10 μm bis 250 μm gezogen. Die Feindrähte von Ausführungsbeispielen zeigen eine vorteilhafte FAB(free air ball)-Bildung, Bondfähigkeit, Loopbildung und Zuverlässigkeit (HTS). Härte, Zugfestigkeit, Oberflächenoxidation, spezifischer elektrischer Widerstand und Schmelzstrom der Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen ähneln den Werten des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahtes zum Bonden in der Mikroelektronik-Aufbau- und Verbindungsbranche, während die Korrosionsbeständigkeit ohne Einbußen bei der Weichheit vorteilhaft verbessert ist.
  • In den Ausführungsbeispielen wurde Kupfer mit einer Reinheit von 4N bis 5N zur Herstellung der Legierungen verwendet und in einem Vakuuminduktionsofen aufgeschmolzen. Mindestens eines oder mehrere Elemente aus Ag, Ni, Pd, Au, Pt, Cr, Ca, Ce, Mg, La, Al, P, Fe, B, Zr und Ti wurden der Schmelze zugesetzt und konnten sich über eine Standzeit von ungefähr 2 bis 15 Minuten vollständig auflösen. Die Elemente wurden einzeln oder in Kombination zugesetzt. Die Legierung wurde bei langsamer Geschwindigkeit mittels Stranggießen zu Stäben von ungefähr 2 mm bis 25 mm verarbeitet. Dabei war kein wesentlicher Verlust an Dotiermittelzusätzen zu beobachten. Diese Stäbe wurden bei Raumtemperatur (ungefähr 23–25°C) einem Kaltdrahtziehen unterzogen.
  • Zuerst diente eine Wolframkarbidmatrize zum Ziehen von schwerem Draht verwendet und anschließend eine Diamantmatrize zur weiteren Reduktion zu Feindraht. Der Draht wurde in drei Stufen mit einer Ziehgeschwindigkeit von ungefähr 15 m/s und weniger ausgezogen. Die Matrizen-Reduktionsverhältnisse lagen bei ungefähr 14–18% für schwere Drähte und ungefähr 4 bis 12% für Feindrähte. Beim Kaltziehen wurden die Drähte geschmiert und zwischen den Stufen zwischen geglüht, um die Restspannungen zu verringern. Und schließlich wurden die ausgezogenen Drähte stranggeglüht, auf saubere eloxierte (beschichtete) Aluminiumspulen aufgerollt, vakuumverpackt und gelagert.
  • Die Härte wurde mit einem Fischer Scope H100C-Messgerät mit einem Vickers-Prüfstempel unter Anwendung einer Kraft von 15 mN für eine Verweildauer von 10 s gemessen. Die Zugeigenschaften des Drähte wurden mit einem Instron-5300 gemessen. Zum Bonden der Drähte diente ein iConn Bonder von Kulicke & Soffa (K&S). Die gebondeten Drähte wurden mit einem LEO-1450VP Rasterelektronenmikroskop untersucht.
  • Die zugesetzten Elemente sowie Bereichsangaben für die Zusätze in den Ausführungsbeispielen sind Tabelle 1 zu entnehmen. Der Zusatz der Edelmetalle Ag, Au, Pd, Pt und der Metalle Ni und Cr erfolgte, um die Korrosionsbeständigkeit des Cu-Drahts zu verbessern. In einigen Ausführungsbeispielen wurde Ca, Ce, Mg, La, Al, P als desoxidierendes Mittel zugesetzt, wodurch der FAB weicher gemacht wurde. In einigen Ausführungsformen wurde Fe, B, Zr, Ti als kornverfeinerndes Mittel zugesetzt, um einen Einfluss auf die FAB-Körner zu bewirken. In einigen Ausführungsformen wurde Bor zugesetzt, um die Kaltverfestigung des Drahtes zusammen mit Ag und Ni zu beeinflussen. Tabelle 1 – Zusammensetzung (Gew.-ppm) von 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen
    Figure 00140001
    Figure 00150001
  • Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Drähte mit Spurenmengen von Zusatzstoffen der Ausführungsbeispiele sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Vorteilhaft entsprechen die Eigenschaften nahezu denen des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahts. Eine repräsentative Zugfestigkeitsgrafik von 3N-Cu-Drähten mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen ist in 1 dargestellt. Wie einem Vergleich von Kurve 100 (3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen) und Kurve 102 (der weiche 4N-Cu-Vergleichsdraht) zu entnehmen ist, ist vorteilhaft ein ähnliches Verformungsverhalten bei Zugbelastung festzustellen. Dies zeigt, dass eine Dotiermittelzugabe von höchstens ungefähr 980 Gew.-ppm die Verformungseigenschaften des Drahtes Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen vorteilhaft nicht ändert. Tabelle 2 – Korrosions-, mechanische und elektrische Eigenschaften von 3N-Cu-Drähten mit Spurenmengen von Zusatzstoffen
    Legierung/Element Drahthärte (15 mN/10 s), HV FAB-Härte (15 mN/10 s), HV Modul, GPa Spez. Widerstand, μΩ.cm Schmelzstrom (für Länge 10 mm, Eingangs-Impulsdauer 300 ms), mA Korrosionsbeständigkeit (++++Hervor ragend, +++Sehr gut, ++Gut, +Zufriedenst ellend)
    weiches 4N-Cu ~85 ~85 ~90 ~1,7 ~340
    1 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    2 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    3 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 ++
    4 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 +
    5 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 ++
    6 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 +
    7 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 ++
    8 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    9 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 ++
    10 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    11 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 ++
    12 ~90 ~90 ~90 ~1,9 ~340 +
    13 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    14 ~90 ~90 ~90 ~1,8 ~340 +
    15 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    16 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    17 ~90 ~90 ~90 ~1,7 ~340 +
    18 ~90 ~90 ~90 ~1,9 ~340 +
    19 ~90 ~90 ~90 ~1,9 ~340 +
  • Die Korrosionsbeständigkeit von 3N-Cu-Drähten mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen ist besser als die des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahtes (Tabelle 2). In 2 ist ein repräsentativer Scan des Cu-Drahtes mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen (Kurve 200) dargestellt, dem ein positiveres Ruhepotenzial von –201 mV im Vergleich zu –255 mV für den weichen 4N-Cu-Vergleichsdraht (Kurve 202) zu entnehmen ist. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist, bedeutet ein positiveres Ruhepotenzial (Korrosionspotenzial) des Prüfelements in einem Polarisationsscan, dass das Element edel ist. Wenn das Ruhepotenzial dagegen negativ ist, bedeutet dies, dass das Element aktiv (korrosiv) ist. Folglich ist der 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen ”edler” als der weiche 4N-Cu-Vergleichsdraht. Der Scan wurde unter Verwendung von verdünnter HCl als saurem Elektrolyten und unter Rühren der auf Raumtemperatur gehaltenen Lösung durchgeführt.
  • Der 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen kann an Pads gebondet werden, die mit Au, Ag, Pd und Cu metallisiert (beschichtet) sind. Beim Bonden an Al-Bondpads steht zu erwarten, dass die Drahtbonds eine längere Zuverlässigkeits-Haltbarkeitsdauer aufweisen, insbesondere unter HAST- und THB-Testbedingungen. In 3 sind repräsentative rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Ballbonds eines 3N-Cu-Drahts mit 0,8 mil mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen dargestellt. Bezug nehmend auf 4 und 5 zeigen sich das Ball- und Stitchbond-Prozessfenster und die Zuverlässigkeit des 3N-Cu-Drahtes mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen und der weichen 4N-Cu-Vergleichsdrähte als nahezu identisch. Insbesondere in 4(a) zeigt das repräsentative Ballbond-Prozessfenster 400 für den 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen eine Ähnlichkeit zu dem Ballbond-Prozessfenster 402 des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahts. Ebenso zeigt in 4(b) das repräsentative Stitchbond-Prozessfenster 404 für den 3N-Cu-Draht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen eine Ähnlichkeit zu dem Stitchbond-Prozessfenster 406 des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahts mit 0,8 mil. Ein Vergleich von Kurve 500 (5(a)) und der repräsentativen Kurve 502 (5(b)) verdeutlicht die Ähnlichkeit des thermischen Alterungsverhaltens des weichen 4N-Cu-Vergleichsdrahts mit 0,8 mil und des 3N-Cu-Drahtes mit 0,8 mil mit Spurenmengen von Zusatzstoffen von Ausführungsbeispielen.
  • Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist geläufig, dass die vorliegende Erfindung zahlreichen Variationen und/oder Modifikationen unterzogen werden kann, wie in den speziellen Ausführungsformen dargestellt ist, ohne vom Geist oder Rahmen der in allgemeiner Form beschriebenen Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeglicher Hinsicht als erläuternd und keinesfalls als einschränkend anzusehen.

Claims (19)

  1. 3N-Kupferdraht mit Spurenmengen von Zusatzstoffen zum Bonden im Bereich der Mikroelektronik, umfassend ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe Ag, Ni, Pd, Au, Pt und Cr als korrosionbeständiger Zusatzstoff, wobei eine Konzentration des korrosionsbeständigen Zusatzstoffs zwischen 90 Gew.-ppm und 980 Gew.-ppm beträgt.
  2. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ag umfasst.
  3. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Ni umfasst.
  4. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pd umfasst.
  5. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Au umfasst.
  6. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Pt umfasst.
  7. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 90 Gew.-ppm bis 980 Gew.-ppm Cr umfasst.
  8. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 880 Gew.-ppm Pd umfasst.
  9. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni umfasst.
  10. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 580 Gew.-ppm Pd umfasst.
  11. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag und 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni umfasst.
  12. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 200 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 480 Gew.-ppm Pd umfasst.
  13. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd umfasst.
  14. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfasst.
  15. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfasst.
  16. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni und 10 Gew.-ppm bis 530 Gew.-ppm Pd umfasst.
  17. 3N-Kupferdraht nach Anspruch 1, wobei der korrosionbeständige Zusatzstoff 10 Gew.-ppm bis 300 Gew.-ppm Ag, 10 Gew.-ppm bis 100 Gew.-ppm Ni, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pd, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Au, 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Pt und 10 Gew.-ppm bis 50 Gew.-ppm Cr umfasst.
  18. 3N-Kupferdraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der darüber hinaus 1 bis 3 Gew.-ppm S umfasst.
  19. System zum Bonden eines elektronischen Geräts, umfassend ein erstes Bondpad, ein zweites Bondpad und einen Draht nach einem der Ansprüche 1–18, wobei der Draht mit beiden Bondpads durch Wedge-Bonden verbunden wird.
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