DE112016002703T5

DE112016002703T5 - Bonddraht für Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE112016002703T5
Application number: DE112016002703.6T
Authority: DE
Inventors: Takashi Yamada; Daizo Oda; Teruo Haibara; Ryo Oishi; Kazuyuki Saito; Tomohiro Uno
Original assignee: Nippon Micrometal Corp; Nippon Steel and Sumikin Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Micrometal Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TW201708553A; KR101925236B1; DE112016000133B4; CN107533992B; JP6254649B2; KR20180129987A; TW201923099A; PH12016501076B1; TWI638366B; JP2018078297A; US10137534B2; KR20170029013A; KR101777995B1; TW201835343A; EP3349246B1; DE112015004422T5; EP3349246A1; CN106489199B; US20170200689A1; CN106489199A

Abstract

Ein Bonddraht für ein Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht ein Cu-Legierungskernmaterial und eine auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildete Pd-Deckschicht aufweist, der Bonddraht ein Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt und ein durch die folgende Gleichung (1) definiertes Streckgrenzenverhältnis 1,1 bis 1,6 beträgt: Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze.(1)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Bonddraht für ein Halbleiterbauelement, der dazu verwendet wird, Elektroden auf einem Halbleiterbauelement und eine Verdrahtung einer Leiterplatte, z. B. Außenanschlüsse, zu verbinden.
Hintergrund der Technik
Derzeit kommen als Bonddraht für ein Halbleiterbauelement, der zwischen Elektroden auf einem Halbleiterbauelement und Außenanschlüssen verbindet (nachstehend „Bonddraht” genannt), hauptsächlich Dünndrähte mit etwa 15 bis 50 μm Drahtdurchmesser zum Einsatz. Ein Verfahren zum Bonden des Bonddrahts ist allgemein eine Technik zum Thermokompressionsbonden mit Hilfe von Ultraschall, die einen Mehrzweckbonder, ein Kapillarwerkzeug zum Bonden durch Hindurchführen des Bonddrahts, u. ä. verwendet. Durchgeführt wird ein Bondverfahrensablauf eines Bonddrahts durch Erwärmen und Schmelzen einer Drahtspitze durch Lichtbogenwärmeeintrag, um eine Kugel (FAB: free air ball) durch Oberflächenspannung zu bilden; Crimp-Bonden des Kugelteils auf eine Elektrode des Halbleiterbauelements, die in einem Bereich von 150 bis 300°C erwärmt ist (nachstehend „Kugelbonden” genannt); Bilden einer Schleife; und abschließendes Crimp-Bonden eines Drahtteils auf eine Elektrode des Außenanschlusses (nachstehend „Keilbonden” genannt). Als Bondgegenstücke des Bonddrahts wird eine Elektrodenstruktur, in der eine hauptsächlich Al enthaltende Legierung als Film auf einem Si-Substrat gebildet ist, für die Elektrode auf dem Halbleiterbauelement verwendet, wogegen eine Ag- oder Pd-plattierte Elektrodenstruktur für die Elektrode des Außenanschlusses genutzt wird.
Au, das vorwiegend als Material des Bonddrahts zum Einsatz kam, wurde hauptsächlich für den LSI-Einsatz durch Cu abgelöst. Vor dem Hintergrund der in letzter Zeit zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen steigt der Bedarf am Ersatz von Au durch Cu auch für die Verwendung von Bauelementen in Fahrzeugen.
Für einen Cu-Bonddraht wurde ein hochreines Kupfer (Reinheit mindestens 99,99 Masse-%) verwendender Draht vorgeschlagen (beispielsweise Patentzitat 1). Cu hat den Nachteil, oxidationsanfälliger als Au zu sein, und hat Probleme, dass Bondzuverlässigkeit, Kugelbildungsfähigkeit und Keilbondbarkeit schlechter sind. Als Verfahren zum Verhindern von Oberflächenoxidation eines Cu-Bonddrahts wurde eine Struktur vorgeschlagen, bei der eine Oberfläche von Cu-Kernmaterial mit einem Metall beschichtet ist, z. B. Au, Ag, Pt, Pd, Ni, Co, Cr und Ti (Patentzitat 2). Vorgeschlagen wurde ferner eine Struktur, bei der eine Oberfläche von Cu-Kernmaterial mit Pd beschichtet und eine Oberfläche davon mit Au, Ag, Cu oder einer Legierung davon beschichtet ist (Patentzitat 3).
Verweis auf verwandte Technik
Patentliteratur

Patentzitat 1: JP-A-S61-48543
Patentzitat 2: JP-A-2005-167020
Patentzitat 3: JP-A-2012-36490

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Bauelemente in Fahrzeugen erfordern Bondzuverlässigkeit in einer härteren Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit als allgemeine elektronische Bauelemente. Von größter Bedeutung ist dabei insbesondere die Bondlebensdauer eines Kugelbondteils, in dem das Kugelteil des Drahts mit der Elektrode gebondet ist.
Zu einem repräsentativen Bewertungsverfahren zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit eines Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit gehört ein stark beschleunigter Temperatur- und Feuchtigkeits-Stresstest (HAST) (ein Beanspruchungstest in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit). Bei der Bewertung der Bondzuverlässigkeit eines Kugelbondteils durch HAST wird ein zu bewertendes Kugelbondteil einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit ausgesetzt, wonach die Bondlebensdauer des Kugelbondteils bewertet wird, indem zeitliche Änderungen eines Widerstandswerts des Bondteils gemessen werden oder indem zeitliche Änderungen der Scherfestigkeit des Kugelbondteils gemessen werden.
Ferner kommt als Mittel zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur von mindestens 170°C ein Hochtemperatur-Lagerungstest (HTS) zum Einsatz. Bei der Bewertung der Bondzuverlässigkeit eines Kugelbondteils durch HTS wird eine zu bewertende Probe einer Umgebung mit hoher Temperatur ausgesetzt, wonach die Bondlebensdauer des Kugelbondteils bewertet wird, indem zeitliche Änderungen eines Widerstandswerts des Bondteils gemessen werden oder zeitliche Änderungen der Scherfestigkeit des Kugelbondteils gemessen werden.
Als Untersuchungsergebnis wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass der Bonddraht, der ein Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, wie beispielsweise Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt, verglichen mit dem Draht, der kein derartiges Element enthält, eine verbesserte Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur von mindestens 130°C zeigt.
Andererseits wird der Bonddraht beim Keilbonden extrem verformt. Erfährt der Draht Umformverfestigung bei der Verformung, härtet der Draht nach einem Bonden, was zu einer Abnahme der Bondfestigkeit des Keilbondens führt. In Fällen, in denen das vorgenannte Element im Bonddraht enthalten ist, erfährt der Draht Umformverfestigung in Abhängigkeit von der Menge des vorgenannten Elements, wenn der Bonddraht beim Keilbonden extrem verformt wird. In einigen Fällen härtet somit der Draht nach einem Bonden, wodurch die Bondfestigkeit des Keilbondens abnimmt.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, einen Bonddraht für ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, der ein Cu-Legierungskernmaterial und eine auf einer Oberfläche davon gebildete Pd-Deckschicht aufweist, wobei der Bonddraht für ein Halbleiterbauelement die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils bei hoher Temperatur und die Keilbondbarkeit verbessern kann.
Problemlösungsweg
Als Ergebnis intensiver Untersuchungen zur Lösung des zuvor beschriebenen Problems wurde festgestellt, dass sowohl die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils bei hoher Temperatur als auch die Keilbondbarkeit verbessert werden können, indem ein Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, im Bonddraht enthalten ist und indem das durch Gleichung (1) definierte Streckgrenzenverhältnis bzw. Festigkeitsverhältnis auf 1,1 bis 1,6 eingestellt wird. Auf diesen neuen Feststellungen beruht die Erfindung. Steckgrenzenverhältnis (Festigkeitsverhältnis) = maximale Streckgrenze (Bruchfestigkeit)/0,2-%- Versatzstreckgrenze (0,2%-Dehngrenze). (1)
Somit lässt sich die Erfindung wie nachstehend zusammenfassen.

[1] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement, wobei der Bonddraht aufweist: ein Cu-Legierungskernmaterial; und eine auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildete Pd-Deckschicht, wobei der Bonddraht ein Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, und ein durch die folgende Gleichung (1) definiertes Streckgrenzenverhältnis 1,1 bis 1,6 beträgt: Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze. (1)
[2] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Punkt [1], wobei eine Dicke der Pd-Deckschicht 0,015 bis 0,150 μm beträgt.
[3] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Punkt [1] oder [2], der ferner eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht auf der Pd-Deckschicht aufweist.
[4] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Punkt [3], wobei eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht höchstens 0,050 μm beträgt.
[5] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Punkte [1] bis [4], wobei der Bonddraht mindestens ein Element enthält, das aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewählt ist, und eine Konzentration des mindestens einen Elements insgesamt 0,011 bis 2 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt.
[6] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Punkte [1] bis [5], wobei der Bonddraht ein oder mehrere Elemente enthält, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, und eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,011 bis 1,5 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt.
[7] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Punkte [1] bis [6], wobei der Bonddraht mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt und Sn ≤ 10 Masse-ppm; Sb ≤ 10 Masse-ppm; und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist.
[8] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Punkte [1] bis [7], wobei der Bonddraht ferner mindestens ein Element enthält, das aus B, P, Mg, Ca und La ausgewählt ist, und eine Konzentration von jedem des mindestens einen Elements 1 bis 200 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt.
[9] Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Punkte [1] bis [8], wobei Cu an einer äußersten Oberfläche des Bonddrahts vorhanden ist.

Wirkung der Erfindung
Die Erfindung kann einen Bonddraht für ein Halbleiterbauelement mit einem Cu-Legierungskernmaterial und einer auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildeten Pd-Deckschicht bereitstellen, der sowohl die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur als auch die Keilbondbarkeit verbessern kann.
Ausführungsform der Erfindung
Der Bonddraht für ein Halbleiterbauelement der vorliegenden Erfindung weist ein Cu-Legierungskernmaterial und eine Pd-Deckschicht auf, die auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildet ist. In der Erfindung enthält der Bonddraht ein Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, und ein durch die folgende Gleichung (1) definiertes Streckgrenzenverhältnis beträgt 1,1 bis 1,6: Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze. (1)
Ein Formharz (ein Epoxidharz) als Gehäuse eines Halbleiterbauelements enthält Chlor (Cl) in seinem Molekülgerüst. In einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit als HAST-Bewertungsbedingung hydrolysiert Cl im Molekülgerüst und löst sich als Chloridion (Cl^–) auf. Wird in einem Fall, in dem ein Cu-Bonddraht ohne Pd-Deckschicht mit einer Al-Elektrode gebondet ist, eine Cu/Al-Bondgrenzfläche hoher Temperatur ausgesetzt, diffundieren Cu und Al gegenseitig, und Cu₉Al₄ wird letztlich als intermetallische Verbindung gebildet. Cu₉Al₄ ist anfällig für Korrosion durch Halogen und erfährt Korrosion durch aus dem Formharz herausgelöstes Cl, was zu Beeinträchtigung der Bondzuverlässigkeit führt. In einem Fall, in dem ein Cu-Draht eine Pd-Deckschicht hat, hat eine Bondgrenzfläche zwischen dem Pd-beschichteten Cu-Draht und der Al-Elektrode eine Struktur aus Cu/Pd-konzentrierter Schicht/Al, wodurch eine Bildung der intermetallischen Cu₉Al₄-Verbindung, verglichen mit einem Fall des Cu-Drahts ohne Pd-Deckschicht, reduziert ist, jedoch ist seine Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, die für Bauelemente in Fahrzeugen erforderlich ist, immer noch unzureichend.
Dagegen geht man davon aus, dass bei einem enthaltenen Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur wie in der Erfindung sorgt, eine Bildung einer intermetallischen Cu₉Al₄-Verbindung im Bondteil in der Tendenz weiter reduziert ist.
Angesichts der Verbesserung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur (besonders der HTS-Leistung bei mindestens 175°C) beträgt die Konzentration des Elements, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, insgesamt relativ zum gesamten Draht vorzugsweise mindestens 0,011 Masse-%, stärker bevorzugt mindestens 0,030 Masse-%, noch stärker bevorzugt mindestens 0,050 Masse-%, mindestens 0,070 Masse-%, mindestens 0,090 Masse-%, mindestens 0,10 Masse-%, mindestens 0,15 Masse-% oder mindestens 0,20 Masse-%. Später wird das Element näher beschrieben, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt.
Wie zuvor beschrieben, wird der Bonddraht beim Keilbonden extrem verformt. Erfährt der Draht Umformverfestigung bei der Verformung, härtet der Draht nach einem Bonden, was zu einer Abnahme der Bondfestigkeit des Keilbondens führt. um eine günstige Keilbondfestigkeit zu wahren, beträgt das durch die folgende Gleichung (1) definierte Streckgrenzenverhältnis vorzugsweise höchstens 1,6, stärker bevorzugt höchstens 1,55 und noch stärker bevorzugt höchstens 1,50, höchstens 1,45 oder höchstens 1,40. Mit Blick auf das Erreichen einer günstigen Keilbondbarkeit beträgt das Streckgrenzenverhältnis vorzugsweise mindestens 1,1. Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze. (1)
Zu Beispielen für Möglichkeiten zur Wahrung des Streckgrenzenverhältnisses von Gleichung (1) im bevorzugten Bereich können gehören: Steuern (i) eines Orientierungsanteils einer Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zu einer Drahtlängsrichtung an Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung bei Messung von Kristallorientierungen auf einem Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zu einer Drahtachse des Bonddrahts (kann nachstehend auch „<100>-Orientierungsanteil” genannt sein) und (ii) einer mittleren Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts (kann nachstehend auch „mittlere Kristallkorngröße” genannt sein). Festgestellt wurde, dass bei Herstellung des Bonddrahts durch ein normales Herstellungsverfahren das Streckgrenzenverhältnis unter 1,1 oder über 1,6 liegt. Dagegen wurde festgestellt, dass durch Gestaltung eines wie später beschriebenen Herstellungsverfahrens der <100>-Orientierungsanteil im Winkel von höchstens 15 Grad zu einer Drahtlängsrichtung an Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung auf einem Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts mindestens 30% betragen kann und die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts 0,9 bis 1,5 μm betragen kann, wodurch das Streckgrenzenverhältnis von Gleichung (1) 1,1 bis 1,6 betragen kann.
Beträgt der <100>-Orientierungsanteil mindestens 30%, ist die Umformverfestigung des Drahts zusammen mit der Verformung beim Keilbonden klein, wodurch das Streckgrenzenverhältnis höchstens 1,6 betragen kann. Liegt aber auch in diesem Fall die mittlere Kristallkorngröße unter 0,9 μm, ist die 0,2-%-Versatzstreckgrenze hoch (schlechte Duktilität), wodurch das Streckgrenzenverhältnis unter 1,1 liegt, was für die Keilbondbarkeit schlecht ist. Liegt die mittlere Kristallkorngröße über 1,5 μm, so liegt der <100>-Orientierungsanteil geschätzt unter 30%, und zudem ist die 0,2-%-Versatzstreckgrenze niedrig, wodurch das Streckgrenzenverhältnis 1,6 übersteigt und die Keilbondbarkeit schlecht ist.
Angesichts der Verringerung der Umformverfestigung von Draht im Zusammenhang mit der Verformung beim Keilbonden beträgt der <100>-Orientierungsanteil vorzugsweise mindestens 30%, stärker bevorzugt mindestens 35%, noch stärker bevorzugt mindestens 40% oder mindestens 45%. Obwohl die Obergrenze des <100>-Orientierungsanteils keiner speziellen Einschränkung unterliegt, kann sie beispielsweise höchstens 90%, höchstens 80%, höchstens 70%, höchstens 60%, höchstens 50% betragen oder unter 50% liegen (z. B. höchstens 49%).
Mit Blick auf die Unterdrückung der Zunahme des Streckgrenzenverhältnisses beträgt eine mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts vorzugsweise mindestens 0,9 und höchstens 1,5 μm. Die Untergrenze der mittleren Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts kann mindestens 1,0 μm, mindestens 1,1 μm, mindestens 1,3 μm oder mehr als 1,3 μm (z. B. mindestens 1,35 μm) betragen.
Ist auch bei Erfüllung der Bedingungen für die Kristallstruktur des Drahts der Gehalt des Elements, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, im Draht übermäßig groß, kann das Streckgrenzenverhältnis steigen. Angesichts der Erzielung des Streckgrenzenverhältnisses von höchstens 1,6 und der Verringerung der Härtung des Bonddrahts, um Beeinträchtigung der Keilbondbarkeit zu reduzieren, beträgt die Konzentration des Elements, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, insgesamt relativ zum gesamten Draht vorzugsweise höchstens 2,0 Masse-%, höchstens 1,8 Masse-% oder höchstens 1,6 Masse-%.
Was die Zugabe des Elements, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, in den Bonddraht betrifft, kann die Wirkung der Erfindung zustande kommen, indem ein Verfahren zum Zugeben des Elements in ein Cu-Kernmaterial oder ein Verfahren zum Abscheiden des Elements auf ein Cu-Kernmaterial oder eine Drahtoberfläche zum Einsatz kommt, um das Element darin zuzugeben. Eine Zugabemenge dieser Elemente ist verschwindend klein und ermöglicht vielfältige Verfahren zur Zugabe, und die Wirkung kommt durch jedes Zugabeverfahren zustande, solange das Element enthalten ist.
Im Bonddraht der Erfindung beträgt die Dicke der Pd-Deckschicht vorzugsweise mindestens 0,015 μm, stärker bevorzugt mindestens 0,02 μm und noch stärker bevorzugt mindestens 0,025 μm, mindestens 0,03 μm, mindestens 0,035 μm, mindestens 0,04 μm, mindestens 0,045 μm oder mindestens 0,05 μm mit Blick auf das Erhalten einer günstigen FAB-Form und mit Blick auf weitere Verbesserung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, die in Bauelementen in Fahrzeugen erforderlich ist. Eine übermäßig große Dicke der Pd-Deckschicht beeinträchtigt die FAB-Form, und die Dicke der Pd-Deckschicht beträgt vorzugsweise höchstens 0,150 μm und stärker bevorzugt höchstens 0,140 μm, höchstens 0,130 μm, höchstens 0,120 μm, höchstens 0,110 μm oder höchstens 0,100 μm.
Nachstehend wird die Festlegung des Cu-Legierungskernmaterials und der Pd-Deckschicht des Bonddrahts beschrieben. Eine Grenze zwischen dem Cu-Legierungskernmaterial und der Pd-Deckschicht wurde auf der Grundlage einer Pd-Konzentration bestimmt. Die Grenze wurde auf eine Position festgelegt, an der eine Pd-Konzentration 50 Atom-% betrug, und ein Bereich, in dem eine Pd-Konzentration mindestens 50 Atom-% betrug, wurde als Pd-Deckschicht bestimmt, und ein Bereich, in dem eine Pd-Konzentration unter 50 Atom-% lag, wurde als Cu-Legierungskernmaterial bestimmt. Grund dafür ist, dass bei einer Pd-Konzentration von mindestens 50 Atom-% in der Pd-Deckschicht eine Verbesserungswirkung von Kennwerten aufgrund der Struktur der Pd-Deckschicht erwartet werden kann. Die Pd-Deckschicht kann einen Bereich einer Pd-Einzelschicht und einen Bereich mit Konzentrationsgradienten von Pd und Cu in Drahttiefenrichtung enthalten. Der Grund, weshalb der Bereich mit den Konzentrationsgradienten in der Pd-Deckschicht gebildet ist, besteht darin, dass Pd- und Cu-Atome durch Wärmebehandlung o. ä. in einem Herstellungsverfahrensablauf diffundieren können. In der Erfindung bezieht sich der Konzentrationsgradient darauf, dass ein Grad einer Konzentrationsänderung in Tiefenrichtung mindestens 10 Mol-% pro 0,1 μm beträgt. Weiterhin kann die Pd-Deckschicht unvermeidliche Verunreinigungen enthalten.
Der Bonddraht der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht auf der Oberfläche der Pd-Deckschicht aufweisen. Mit dieser Konfiguration kann der Bonddraht der Erfindung die Bondzuverlässigkeit weiter verbessern und die Keilbondbarkeit weiter verbessern.
Nunmehr wird die Festlegung der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht des Bonddrahts beschrieben. Eine Grenze zwischen der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht und der Pd-Deckschicht wurde auf der Grundlage einer Au-Konzentration bestimmt. Die Grenze wurde auf eine Position festgelegt, an der eine Au-Konzentration 10 Atom-% betrug, und ein Bereich, in dem eine Au-Konzentration mindestens 10 Atom-% betrug, wurde als Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht bestimmt, und ein Bereich, in dem eine Au-Konzentration unter 10 Atom-% lag, wurde als Pd-Deckschicht bestimmt. Auch im Bereich, in dem eine Pd-Konzentration mindestens 50 Atom-% betrug, wurde ein Bereich, in dem Au mit mindestens 10 Atom-% vorlag, als Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht bestimmt. Diese Bestimmungen erfolgen, da bei einer Au-Konzentration im o. g. Bereich eine Verbesserungswirkung auf Kennwerte aufgrund der Struktur der Au-Außenschicht erwartet werden kann. Die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht ist eine Au-Pd-Legierung und enthält einen Bereich mit Konzentrationsgradienten von Au und Pd in Drahttiefenrichtung. Der Grund, weshalb der Bereich mit den Konzentrationsgradienten in der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht gebildet ist, besteht darin, dass Au- und Pd-Atome durch Wärmebehandlung o. ä. im Herstellungsverfahrensablauf diffundieren. Weiterhin kann die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht unvermeidliche Verunreinigungen und Cu enthalten.
Im Bonddraht der Erfindung reagiert die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht mit der Pd-Deckschicht, um die Haftfestigkeit zwischen der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht, der Pd-Deckschicht und dem Cu-Legierungskernmaterial zu verbessern und um die Pd-Deckschicht und die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht an Ablösung beim Keilbonden zu hindern. Somit kann der Bonddraht der Erfindung die Keilbondbarkeit weiter verbessern. Mit Blick auf das Erhalten einer günstigen Keilbondbarkeit beträgt eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht vorzugsweise mindestens 0,0005 μm und stärker bevorzugt mindestens 0,001 μm, mindestens 0,002 μm oder mindestens 0,003 μm. Angesichts der Verringerung von Exzentrizität, um eine vorteilhafte FAB-Form zu erhalten, beträgt eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht vorzugsweise höchstens 0,050 μm und stärker bevorzugt höchstens 0,045 μm, höchstens 0,040 μm, höchstens 0,035 μm oder höchstens 0,030 μm. Die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht kann durch ein Verfahren gebildet werden, das dem für die Pd-Deckschicht ähnelt.
In der Erfindung zählen zu Beispielen für das Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, ein Element der Gruppe 9 des Periodensystems der Elemente (Co, Rh, Ir), ein Element der Gruppe 10 des Periodensystems der Elemente (Ni, Pd, Pt), ein Element der Gruppe 11 des Periodensystems der Elemente (Ag, Au u. ä.), ein Element der Gruppe 12 des Periodensystems der Elemente (Zn u. ä.), ein Element der Gruppe 13 des Periodensystems der Elemente (Al, Ga, In u. ä.), ein Element der Gruppe 14 des Periodensystems der Elemente (Ge, Sn u. ä.), ein Element der Gruppe 15 des Periodensystems der Elemente (P, As, Sb, Bi u. ä.), ein Element der Gruppe 16 des Periodensystems der Elemente (Se, Te u. ä.) u. ä. Diese Elemente können im Bonddraht einzeln oder in Kombination aus zwei oder mehr davon enthalten sein.
In der Erfindung ist bevorzugt, dass der Bonddraht mindestens ein Element, das aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewählt ist, als das Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt. Vorzugsweise beträgt eine Konzentration dieser Elemente insgesamt 0,011 bis 2 Masse-% relativ zum gesamten Draht.
Ein Formharz (ein Epoxidharz) als Gehäuse eines Halbleiterbauelements enthält einen Silanhaftvermittler. Der Silanhaftvermittler hat eine Funktion zur Verbesserung des Haftvermögens zwischen organischem Material (Harz) und anorganischem Material (Silizium oder Metall) und kann dadurch das Haftvermögen an einem Siliziumsubstrat oder Metall verbessern. In einem Fall, in dem ein höheres Haftvermögen erforderlich ist, z. B. bei Halbleitern in Fahrzeugen, die Zuverlässigkeit bei höheren Temperaturen erfordern, ist ein „schwefelhaltiger Silanhaftvermittler” darin zugegeben. Im Formharz enthaltener Schwefel wird bei Gebrauch unter einer Bedingung von mindestens 175°C, z. B. 175°C bis 200°C, freigesetzt. Kommt bei hoher Temperatur von mindestens 175°C freigesetzter Schwefel mit Cu in Kontakt, korrodiert Cu stark zu einem Sulfid (Cu₂S) oder einem Oxid (CuO). Kommt es zur Cu-Korrosion in einem Halbleiterbauelement, das Cu-Bonddraht verwendet, wird eine Bondzuverlässigkeit, besonders eines Kugelbondteils, beeinträchtigt.
Die Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur (besonders die HTS-Leistung bei mindestens 175°C) lässt sich verbessern, indem eine Konfiguration zum Einsatz kommt, bei der der Bonddraht mindestens ein Element enthält, das aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewählt ist, und eine Konzentration des mindestens einen Elements insgesamt 0,011 bis 2 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt. Mit Blick auf die Verbesserung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur (besonders der HTS-Leistung bei mindestens 175°C) beträgt die Konzentration des Elements insgesamt relativ zum gesamten Draht vorzugsweise mindestens 0,011 Masse-%, stärker bevorzugt mindestens 0,050 Masse-%, noch stärker bevorzugt mindestens 0,070 Masse-%, mindestens 0,090 Masse-%, mindestens 0,10 Masse-%, mindestens 0,15 Masse-% oder mindestens 0,20 Masse-%. Das mindestens eine Element, das aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewählt ist, kann in der folgenden Beschreibung auch als „Element M_A” bezeichnet sein.
In der Erfindung ist bevorzugt, dass der Bonddraht ein oder mehrere Elemente, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, als das Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, und eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,011 bis 1,5 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt. Der Draht kann ein oder mehrere Elemente, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, statt des Elements M_A oder in Kombination mit dem Element M_A enthalten. Das eine oder die mehreren Elemente, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, können in der folgenden Beschreibung auch als „Element M_B” bezeichnet sein.
Während der FAB-Bildung des Kugelbondteils diffundieren Ga und Ge im Draht auch zur Pd-Deckschicht. Angenommen wird, dass Ga und Ge, die in der Pd-konzentrierten Schicht der Cu/Al-Grenzfläche im Kugelbondteil vorhanden sind, eine Verringerungswirkung auf eine gegenseitige Diffusion von Cu und Al durch die Pd-konzentrierte Schicht verstärken, was zu reduzierter Bildung von Cu₉Al₄ führt, das in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit leicht korrodiert. Zusätzlich können Ga und Ge, die im Draht enthalten sind, die Wirkung haben, die Bildung von Cu₉Al₄ direkt zu hemmen.
Weiterhin wurden bei Bildung einer Kugel mit Hilfe eines Pd-beschichteten Cu-Bonddrahts, der mindestens ein aus Ga und Ge ausgewähltes Element in bestimmter Menge enthält, und bei Beobachtung einer resultierenden FAB mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) zahlreiche Niederschläge mit einem annähernden Durchmesser im zweistelligen Nanometerbereich auf einer Oberfläche der FAB festgestellt. Aus einer Analyse der Niederschläge durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) ging hervor, dass Ga und/oder Ge konzentriert war. Obwohl ein detaillierter Mechanismus unklar ist, geht man anhand dieser Situation davon aus, dass diese auf der FAB beobachteten Niederschläge an der Bondgrenzfläche der Kugel und der Elektrode zum Vorschein kommen, wodurch sie eine Bondzuverlässigkeit eines Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit erheblich verbessern.
Obwohl bevorzugt ist, dass Ga und Ge im Cu-Legierungskernmaterial vorhanden sind, kann eine ausreichende Wirkung auch dann erhalten werden, wenn sie in der Pd-Deckschicht oder einer Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht gemäß der späteren Beschreibung enthalten sind. Ein Verfahren zur Zugabe von Ga und Ge zum Cu-Legierungskernmaterial ist im Hinblick auf genaue Konzentrationssteuerung problemlos und verbessert die Produktivität und Qualitätsstabilität des Drahts. Ferner ist ein Teil von Ga und Ge auch in der Pd-Deckschicht oder der Legierungsaußenschicht infolge von Diffusion durch Wärmebehandlung o. ä. enthalten, was ein Haftvermögen von Grenzflächen zwischen den Schichten verbessert, wodurch die Drahtproduktivität weiter verbessert werden kann.
Mit Blick auf das Erhalten einer günstigen FAB-Form und angesichts reduzierter Härtung des Bonddrahts, um eine vorteilhafte Keilbondbarkeit zu erhalten, beträgt die Ga- und Ge-Konzentration insgesamt relativ zum gesamten Draht höchstens 1,5 Masse-%, vorzugsweise höchstens 1,4 Masse-% und stärker bevorzugt höchstens 1,3 Masse-% oder höchstens 1,2 Masse-%.
In der Erfindung ist bevorzugt, dass der Bonddraht ein oder mehrere Elemente enthält, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, und eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt, sofern Sn ≤ 10 Masse-ppm, Sb ≤ 10 Masse-ppm und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist. Der Draht kann ein oder mehrere Elemente, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, statt des Elements M_A und/oder M_B oder in Kombination mit dem Element M_A und/oder M_B enthalten. Das eine oder die mehreren Elemente, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, können in der folgenden Beschreibung auch als „Element M_C” bezeichnet sein.
In der Erfindung geht man davon aus, dass wenn der Bonddraht mindestens ein oder mehrere Elemente, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, in einer bestimmten Menge als das Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, die Bildung einer intermetallischen Cu₉Al₄-Verbindung im Bondteil in der Tendenz weiter reduziert ist. Sind diese Elemente in einer bestimmten Menge enthalten, sinkt bei Bildung einer Kugel die Grenzflächenspannung zwischen Cu des Kernmaterials und Pd der Deckschicht, und dann verbessert sich die Grenzflächenbenetzbarkeit, wodurch Pd in einer Kugelbondgrenzfläche erheblich stärker konzentriert sein kann. Daher lässt sich schätzen, dass eine Verringerungswirkung auf eine gegenseitige Diffusion von Cu und Al durch die Pd-konzentrierte Schicht weiter verstärkt ist und als Ergebnis dessen eine Bildungsmenge von Cu₉Al₄, das durch die Wirkung von Cl leicht korrodiert, reduziert ist, und dann verbessert sich die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit erheblich.
Die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, die für Bauelemente in Fahrzeugen erforderlich ist, kann weiter verbessert sein, wenn der Bonddraht mindestens ein Element enthält, das aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt ist, und eine Konzentration des mindestens einen Elements insgesamt 0,1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt, sofern Sn ≤ 10 Masse-ppm, Sb ≤ 10 Masse-ppm und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist. Dies ist bevorzugt, da so insbesondere die Bondlebensdauer des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit erhöht sein kann, die für Bauelemente in Fahrzeugen erforderlich ist, um die Bondzuverlässigkeit zu verbessern. Die Konzentration des Elements insgesamt relativ zum gesamten Draht beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 Masse-ppm, stärker bevorzugt mindestens 0,5 Masse-ppm, noch stärker bevorzugt mindestens 1 Masse-ppm und noch stärker bevorzugt mindestens 1,5 Masse-ppm, mindestens 2 Masse-ppm, mindestens 2,5 Masse-ppm oder mindestens 3 Masse-ppm. Andererseits beträgt mit Blick auf das Erhalten einer vorteilhaften FAB-Form die Konzentration des Elements insgesamt relativ zum gesamten Draht vorzugsweise höchstens 100 Masse-ppm und stärker bevorzugt höchstens 95 Masse-ppm, höchstens 90 Masse-ppm, höchstens 85 Masse-ppm oder höchstens 80 Masse-ppm. Übersteigt eine Sn- oder Sb-Konzentration 10 Masse-ppm oder übersteigt eine Bi-Konzentration 1 Masse-ppm, wird eine FAB-Form fehlerhaft. Daher ist es zur weiteren Verbesserung einer FAB-Form bevorzugt, dass Sn ≤ 10 Masse-ppm; Sb ≤ 10 Masse-ppm; und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist.
Bevorzugt ist, dass der Bonddraht der Erfindung ferner mindestens ein Element enthält, das aus B, P, Mg, Ca und La ausgewählt ist, und eine Konzentration jedes der Elemente 1 bis 200 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt. Mit dieser Konfiguration kann eine Quetschform eines Kugelbondteils verbessert sein, die zur Montage mit hoher Dichte erforderlich ist, d. h., eine Formzirkularität eines Kugelbondteils kann verbessert sein. Angesichts von Härtungsverringerung der Kugel und Senkung von Chipbeschädigung beim Kugelbonden beträgt die Konzentration jedes der Elemente vorzugsweise höchstens 200 Masse-ppm und stärker bevorzugt höchstens 150 Masse-ppm, höchstens 120 Masse-ppm, höchstens 100 Masse-ppm, höchstens 95 Masse-ppm, höchstens 90 Masse-ppm, höchstens 85 Masse-ppm oder höchstens 80 Masse-ppm.
Enthält wie in der Erfindung der Pd-beschichtete Cu-Bonddraht das Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, ist bei weiterem Vorhandensein von Cu an einer äußersten Oberfläche des Bonddrahts die Bildung einer intermetallischen Cu₉Al₄-Verbindung im Bondteil in der Tendenz weiter reduziert. Enthält der Pd-beschichtete Cu-Bonddraht das Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, erleichtert bei weiterem Vorhandensein von Cu an einer äußersten Oberfläche des Bonddrahts die Wechselwirkung zwischen den Elementen und im Bonddraht enthaltenem Cu die Pd-Konzentration auf einer FAB-Oberfläche während der Bildung der FAB, wodurch die Pd-Konzentration auf einer Kugelbondgrenzfläche stärker ausgeprägt ist. Schätzungsweise ist mit dieser Erscheinung eine Verringerungswirkung auf die gegenseitige Diffusion von Cu und Al durch eine Pd-konzentrierte Schicht weiter verstärkt, eine Bildungsmenge von Cu₉Al₄, das über die Wirkung von Cl leicht korrodiert, ist reduziert, wodurch die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit weiter verbessert sein kann.
Beträgt bei Vorhandensein von Cu an einer äußersten Oberfläche der Pd-Deckschicht die Cu-Konzentration mindestens 30 Atom-%, kann es einen Fall geben, in dem der Bonddraht nicht zum praktischen Gebrauch geeignet ist, da eine Schwefelbeständigkeit der Drahtoberfläche beeinträchtigt und eine Nutzungsdauer des Bonddrahts verschlechtert ist. Folglich liegt bei vorhandenem Cu an einer äußersten Oberfläche der Pd-Deckschicht die Cu-Konzentration vorzugsweise unter 30 Atom-%.
Beträgt bei Vorhandensein von Cu an einer äußersten Oberfläche der Au-Außenschicht die Cu-Konzentration mindestens 35 Atom-%, kann es einen Fall geben, in dem der Bonddraht nicht zum praktischen Gebrauch geeignet ist, da eine Schwefelbeständigkeit der Drahtoberfläche beeinträchtigt und eine Nutzungsdauer des Bonddrahts verschlechtert ist. Folglich liegt bei vorhandenem Cu an einer äußersten Oberfläche der Au-Außenschicht die Cu-Konzentration vorzugsweise unter 35 Atom-%.
Mit äußerster Oberfläche ist ein Oberflächenbereich des Bonddrahts bezeichnet, der durch eine Auger-Elektronenspektroskopievorrichtung ohne Sputtern o. ä. zu messen ist.
Für eine Konzentrationsanalyse der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht ist ein Verfahren zur Analysedurchführung unter Bearbeitung des Bonddrahts von seiner Oberfläche in Tiefenrichtung durch Sputtern o. ä. oder ein Verfahren zum Freilegen eines Querschnitts des Drahts und Durchführen einer Linienanalyse, einer Punktanalyse o. ä. daran wirksam. Für ein Analysengerät, das für eine solche Konzentrationsanalyse verwendet wird, kann eine Auger-Elektronenspektroskopievorrichtung, die in einem Rasterelektronenmikroskop oder einem Transmissionselektronenmikroskop eingebaut ist, ein energiedispersives Röntgenanalysengerät und ein Elektronensonden-Mikroanalysengerät usw. zur Anwendung kommen. Als Verfahren zum Freilegen eines Drahtquerschnitts kann mechanisches Polieren, Ionenätzen usw. verwendet werden. Für eine Mikroanalyse von Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt im Bonddraht wird eine Lösung, die durch Auflösen des Bonddrahts mit einer starken Säure erhalten wird, mit Hilfe eines ICP-Emissionsspektrometers oder eines ICP-Massenspektrometers analysiert, wodurch die Konzentrationen der Elemente detektiert werden können, die im gesamten Bonddraht enthalten sind.
Herstellungsverfahren
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Bonddrahts gemäß der Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Erhalten wird der Bonddraht durch Herstellen einer für ein Kernmaterial verwendeten Cu-Legierung, Umformen derselben zu einem Dünndraht, Bilden einer Pd-Deckschicht und einer Au-Schicht und Durchführen von Wärmebehandlung. Nach Bilden der Pd-Deckschicht und der Au-Schicht können weiteres Drahtziehen und weitere Wärmebehandlung durchgeführt werden. Näher beschrieben werden ein Verfahren zur Herstellung des Cu-Legierungskernmaterials, ein Verfahren zur Bildung der Pd-Deckschicht und einer Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung.
Die für ein Kernmaterial verwendete Cu-Kernlegierung wird durch gemeinsames Schmelzen von Cu als Rohmaterial und von Zugabeelementen und deren Verfestigen erhalten. Ein Lichtbogenheizofen, ein Hochfrequenzheizofen, ein Widerstandsheizofen o. ä. können zum Schmelzen verwendet werden. Um das Einmischen von Gasen, z. B. O₂ und H₂, aus Luft zu verhindern, erfolgt das Schmelzen vorzugsweise in einer Vakuumatmosphäre oder einer Inertatmosphäre, z. B. Ar oder N₂.
Zu Beispielen für ein Verfahren zur Bildung der Pd-Deckschicht und der Au-Schicht auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials zählen ein Plattierungsverfahren, ein Aufdampfverfahren und ein Schmelzverfahren. Sowohl ein Elektroplattierungsverfahren als auch ein stromloses Plattierungsverfahren können als Plattierungsverfahren zum Einsatz kommen. Das Elektroplattieren, das Vorplattieren oder Anschlagplattieren genannt wird, hat eine hohe Plattierungsgeschwindigkeit und eine günstige Haftfähigkeit am Substrat. Eine für das stromlose Plattieren verwendete Lösung wird in eine vom Substitutionstyp und eine vom Reduktionstyp eingeteilt. Obwohl das Durchführen der Plattierung vom Substitutionstyp allein für eine kleinere Dicke ausreicht, ist es für eine größere Dicke wirksam, das Plattieren vom Reduktionstyp nach dem Plattieren vom Substitutionstyp schrittweise durchzuführen.
Für ein Aufdampfverfahren können physikalische Adsorption, z. B. ein Sputterverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren und Vakuumaufdampfen, sowie chemische Adsorption, z. B. Plasma-CVD, verwendet werden. Sie alle sind trockene Verfahrensabläufe und bedürfen keiner Reinigung nach Bildung der Pd-Deckschicht und der Au-Schicht und auch keiner Berücksichtigung von Oberflächenverunreinigung u. ä. beim Reinigen.
Bei Durchführung von Wärmebehandlung nach Bildung der Pd-Deckschicht und der Au-Schicht diffundiert Pd in der Pd-Deckschicht in die Au-Schicht, um die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht zu bilden. Statt Bildung der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht über die Wärmebehandlung nach Bildung der Au-Schicht kann die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht von Beginn an abgeschieden werden.
Für eine Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht ist sowohl ein Verfahren zu ihrer Bildung nach Durchführung von Drahtziehen auf einen Enddrahtdurchmesser als auch ein Verfahren zu ihrer Bildung auf einem Cu-Legierungskernmaterial mit großem Durchmesser und anschließenden mehrmaligen Durchführen von Drahtziehen, bis ein Solldrahtdurchmesser erhalten wird, effektiv. Beim erstgenannten, bei dem die Pd-Deckschicht und die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht beim Enddrahtdurchmesser gebildet werden, sind Herstellung, Qualitätskontrolle u. ä. einfach. Beim letztgenannten, bei dem das Drahtziehen in Kombination mit der gebildeten Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht durchgeführt wird, ist vorteilhaft, dass sich das Haftvermögen am Cu-Legierungskernmaterial verbessert. Zu spezifischen Beispielen für die jeweiligen Bildungsverfahren zählen ein Verfahren zur Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht auf einem Cu-Legierungskernmaterial mit einem Enddurchmesser, während der Draht sukzessive durch eine Elektroplattierungslösung geführt wird, und ein Verfahren zur Bildung der Pd-Deckschicht und der enthaltenden Legierungsaußenschicht durch Eintauchen eines Cu-Legierungskernmaterials mit großem Durchmesser in eine Elektro- oder stromlose Plattierungslösung und anschließendes Ziehen des Drahts, um einen Enddrahtdurchmesser zu erzielen.
Nach Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht kann Wärmebehandlung durchgeführt werden. Durch Durchführung der Wärmebehandlung kommt es zu Diffusion von Atomen zwischen der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht, der Pd-Deckschicht und dem Cu-Legierungskernmaterial, was die Haftfestigkeit dazwischen verbessert und wirksam verhindert, dass sich die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht und die Pd-Deckschicht während der Bearbeitung ablösen, weshalb die Produktivität verbessert ist. Um Hineinmischen von O₂ aus Luft zu verhindern, ist bevorzugt, die Wärmebehandlung in einer Vakuumatmosphäre oder einer Inertatmosphäre, z. B. Ar oder N₂, durchzuführen.
Werden wie zuvor beschrieben eine Bedingung der am Bonddraht durchgeführten Diffusionswärmebehandlung oder Glühwärmebehandlung eingestellt, diffundiert Cu des Kernmaterials durch die Pd-Deckschicht und die Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht durch Korngrenzendiffusion, Intrakorndiffusion o. ä., wodurch Cu eine äußerste Oberfläche des Bonddrahts erreichen kann und Cu an einer äußersten Oberfläche vorhanden sein kann. Für eine Wärmebehandlung, damit Cu an einer äußersten Oberfläche vorhanden sein kann, kann eine zuvor beschriebene Wärmebehandlung zur Bildung der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht zum Einsatz kommen. Bei Durchführung der Wärmebehandlung zur Bildung der Legierungsaußenschicht können die Temperatur und Zeit für die Wärmebehandlung so ausgewählt werden, dass Cu an einer äußersten Oberfläche vorhanden sein kann oder dass Cu nicht an einer äußersten Oberfläche vorhanden sein kann. Weiterhin kann auch eine Cu-Konzentration an einer äußersten Oberfläche auf einen bestimmten Bereich eingestellt werden, z. B. einen Bereich von 1 bis 50 Atom-%. Alternativ kann Cu zu einer äußersten Oberfläche durch Wärmebehandlung diffundieren, die an anderer Stelle als der Bildung der Legierungsaußenschicht durchgeführt wird.
Wie zuvor beschrieben, kann sich hinsichtlich der Zugabe des Elements in den Bonddraht, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, die Wirkung der Erfindung durch das Verfahren zur Zugabe dieser Elemente in das Cu-Kernmaterial oder das Verfahren zur Zugabe dieser Elemente darin durch Abscheiden dieser Elemente auf das Cu-Kernmaterial oder die Drahtoberfläche zeigen. Gleiches gilt für B, P, Mg, Ca und La.
Das einfachste Verfahren zur Zugabe der Komponenten ist ein Verfahren zu ihrer Zugabe zu Ausgangsmaterialien des Cu-Legierungskernmaterials. Beispielsweise werden hochreines Kupfer und Rohmaterialien des vorstehenden Bestandteilselements als Ausgangsrohmaterialien abgewogen und dann in einem Hochvakuum oder in einer Inertatmosphäre, z. B. Stickstoff und Argon, erwärmt und geschmolzen, um einen Block herzustellen, in dem die Komponenten in der Konzentration im beabsichtigten Wertebereich zugegeben sind, wodurch die Ausgangsmaterialien, die die Bestandteilselemente in den beabsichtigten Konzentrationen enthalten, erhalten werden. Folglich enthält in einer bevorzugten Ausführungsform das Cu-Legierungskernmaterial des Bonddrahts der Erfindung mindestens ein aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewähltes Element, so dass eine Konzentration der Elemente insgesamt relativ zum gesamten Draht 0,011 bis 2 Masse-% beträgt. Der bevorzugte numerische Bereich der Gesamtkonzentration entspricht der vorstehenden Beschreibung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Cu-Legierungskernmaterial des Bonddrahts der Erfindung ein oder mehrere aus Ga und Ge ausgewählte Elemente, so dass eine Konzentration der Elemente insgesamt relativ zum gesamten Draht 0,011 bis 1,5 Masse-% beträgt. Der bevorzugte numerische Bereich der Gesamtkonzentration entspricht der vorstehenden Beschreibung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Cu-Legierungskernmaterial des Bonddrahts der Erfindung mindestens ein aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewähltes Element, so dass eine Konzentration der Elemente 0,1 bis 100 Masse-ppm beträgt und Sn ≤ 10 Masse-ppm; Sb ≤ 10 Masse-ppm; und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist. Der bevorzugte numerische Bereich der Konzentration entspricht der vorstehenden Beschreibung. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Reinheit von Cu des Cu-Legierungskernmaterials höchstens 3N (vorzugsweise höchstens 2N). In einem herkömmlichen Pd-beschichteten Cu-Bonddraht wird mit Blick auf die Bondbarkeit ein Cu-Kernmaterial mit hoher Reinheit (mindestens 4N) verwendet, und in der Tendenz wird der Gebrauch eines Cu-Kernmaterials mit niedriger Reinheit vermieden. Der die spezifischen Elemente enthaltende Bonddraht der Erfindung hat die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, die für Bauelemente in Fahrzeugen erforderlich ist, besonders bevorzugt erreicht, wenn das Cu-Legierungskernmaterial mit niedriger Reinheit wie oben beschrieben verwendet wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Cu-Legierungskemmaterial des Bonddrahts der Erfindung mindestens ein aus B, P, Mg, Ca und La ausgewähltes Element, so dass eine Konzentration jedes der Elemente relativ zum gesamten Draht 1 bis 200 Masse-ppm beträgt. Der bevorzugte numerische Bereich der Konzentration entspricht der vorstehenden Beschreibung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Cu-Legierungskernmaterial des Bonddrahts der Erfindung ein metallisches Element der Gruppe 10 des Periodensystems der Elemente, so dass eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,1 bis 3,0 Masse-% beträgt. Der bevorzugte numerische Bereich der Konzentration entspricht der vorstehenden Beschreibung.
Die zuvor genannten Komponenten können auch enthalten sein, indem sie auf eine Drahtoberfläche während eines Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung abgeschieden werden. In diesem Fall kann die Abscheidung in jedem Teil des Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung aufgenommen sein und kann mehrmals wiederholt werden. Die Abscheidung kann auch in mehrere Verfahrensabläufe aufgenommen sein. Die Komponenten können einer Cu-Oberfläche vor Pd-Beschichtung hinzugefügt werden oder können einer Pd-Oberfläche nach Pd-Beschichtung hinzugefügt werden, oder sie können einer Au-Oberfläche nach Au-Beschichtung hinzugefügt werden oder können in jeden Verfahrensablauf zur Beschichtung aufgenommen sein. Auswählen lässt sich ein Abscheidungsverfahren aus (1) Auftragen einer wässrigen Lösung, gefolgt von Trocknung und Wärmebehandlung, (2) Plattieren (nass) und (3) Aufdampfen (trocken).
Bei Einsatz des Verfahrens des Auftragens einer wässrigen Lösung mit anschließender Trocknung und Wärmebehandlung wird zunächst eine wässrige Lösung mit einer geeigneten Konzentration mit einer wasserlöslichen Verbindung hergestellt, die die Bestandteilselemente enthält. Dadurch können die Komponenten in das Drahtmaterial eingearbeitet werden. Die Herstellung kann in jeden Teil des Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung aufgenommen sein und kann mehrmals wiederholt werden. Die Herstellung kann in mehrere Verfahrensabläufe aufgenommen sein. Die Komponenten können einer Cu-Oberfläche vor Pd-Beschichtung hinzugefügt werden oder können einer Pd-Oberfläche nach Pd-Beschichtung hinzugefügt werden, oder sie können einer Au-Oberfläche nach Au-Beschichtung hinzugefügt werden oder können in jeden Verfahrensablauf zur Beschichtung aufgenommen sein.
Kommt Plattieren (nass) zum Einsatz, kann das Plattieren Elektroplattieren oder stromloses Plattieren sein. Beim Elektroplattieren kann als Anschlagplattieren bezeichnetes Plattieren, das eine hohe Plattierungsgeschwindigkeit und ein vorteilhaftes Haftvermögen an einem Substrat hat, auch zusätzlich zu normalem Elektroplattieren verwendet werden. Eine zum stromlosen Plattieren verwendete Lösung wird in eine vom Substitutionstyp und eine vom Reduktionstyp eingeteilt. Das Plattieren vom Substitutionstyp wird allgemein für eine kleinere Dicke verwendet, wogegen der Reduktionstyp für eine größere Dicke zum Einsatz kommt. Jedes davon kann verwendet und in Abhängigkeit von einer Konzentration ausgewählt werden, die hinzugefügt werden soll, und eine Konzentration der Plattierungslösung sowie eine Zeit können eingestellt werden. Sowohl Elektroplattieren als auch stromloses Plattieren können in jeden Teil des Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung aufgenommen sein und können mehrmals wiederholt werden. Sowohl Elektroplattieren als auch stromloses Plattieren können in mehrere Verfahrensabläufe aufgenommen sein. Die Komponenten können einer Cu-Oberfläche vor Pd-Beschichtung hinzugefügt werden oder können einer Pd-Oberfläche nach Pd-Beschichtung hinzugefügt werden, oder sie können einer Au-Oberfläche nach Au-Beschichtung hinzugefügt werden oder können in jeden Verfahrensablauf zur Beschichtung aufgenommen sein.
Zum Aufdampfen (trocken) zählen Sputtern, Ionenplattieren, Vakuumabscheidung, Plasma-CVD u. ä. Es hat Vorteile, da es ein trockener Verfahrensablauf ist und Vorbehandlung und Nachbehandlung eliminiert, wodurch keine Verunreinigung zu befürchten ist. Obwohl Aufdampfen allgemein ein Problem damit hat, dass eine Zugabegeschwindigkeit eines Zielelements langsam ist, handelt es sich dabei um eines von geeigneten Verfahren angesichts der Aufgabe der Erfindung, da eine Zugabemenge der zuvor genannten Bestandteilselemente relativ niedrig ist.
Das Aufdampfen kann in jeden Teil des Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung aufgenommen sein oder kann mehrmals wiederholt werden. Das Aufdampfen kann in mehrere Verfahrensabläufe aufgenommen sein. Die Komponenten können einer Cu-Oberfläche vor Pd-Beschichtung hinzugefügt werden oder können einer Pd-Oberfläche nach Pd-Beschichtung hinzugefügt werden, oder sie können einer Au-Oberfläche nach Au-Beschichtung hinzugefügt werden oder können in jeden Verfahrensablauf zur Beschichtung aufgenommen sein.
Beschrieben wird nunmehr ein Verfahren zur Herstellung, durch das eine Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zu einer Drahtlängsrichtung unter Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung einen Anteil von mindestens 30% bei Messung von Kristallorientierungen an einem Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zu einer Drahtachse des Bonddrahts hat, und eine mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts 0,9 bis 1,5 μm beträgt.
Enthält der Bonddraht das Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, im Cu-Legierungskernmaterial, steigt die Materialfestigkeit (Härte) des Drahts. Folglich war bei Durchführung von Drahtziehen am Bonddraht mit einem Cu-Kerndraht eine Flächenabnahmerate beim Drahtziehen mit 5 bis 8% niedrig. Bei Wärmebehandlung nach Drahtziehen ist die Härte immer noch hoch, und die Wärmebehandlung wurde bei mindestens 600°C Temperatur durchgeführt, um Erweichung bis auf einen Grad durchzuführen, der als Bonddraht verwendet werden kann. Aufgrund der Wärmebehandlung mit hoher Temperatur lag der <100>-Orientierungsanteil in Drahtlängsrichtung unter 30%, und gleichzeitig lag die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials über 1,5 μm, und das Streckgrenzenverhältnis überstieg 1,6. Bei Verringerung der Wärmebehandlungstemperatur im Bemühen, das Streckgrenzenverhältnis zu reduzieren, lag die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials unter 0,9 μm, das Streckgrenzenverhältnis war kleiner als 1,1 und die Keilbondbarkeit war schlecht.
Dagegen legt die Erfindung beim Drahtziehen mit Hilfe eines Werkzeugs die Flächenabnahmerate auf mindestens 10% bei mindestens der Hälfte der Werkzeuge unter allen Werkzeugen fest und legt die Wärmebehandlungstemperatur bei der Wärmebehandlung nach Drahtziehen auf eine niedrige Temperatur von höchstens 500°C fest. Folglich konnte bei Messung von Kristallorientierungen an einem Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts der Orientierungsanteil der Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zu einer Drahtlängsrichtung an den Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung mindestens 30% betragen, und die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts konnte 0,9 bis 1,5 μm betragen. Aufgrund von Synergie des Einsatzes der neuesten Drahtziehtechnik; der für ein Schmiermittel erfolgenden Gestaltung einer höheren als herkömmlichen Konzentration eines nichtionischen grenzflächenaktiven Stoffs, der im Schmiermittel enthalten war; der für eine Werkzeugform erfolgenden Gestaltung eines schonenderen als herkömmlichen Eingriffswinkels des Werkzeugs; der Festlegung einer niedrigeren als herkömmlichen Kühlwassertemperatur des Werkzeugs; u. ä. konnte Drahtziehen mit einer Flächenabnahmerate von mindestens 10% trotz der Härtung ermöglicht werden, die durch das Cu-Legierungskernmaterial verursacht war, das die Komponenten, z. B. Ni, in einer Gesamtmenge von mindestens 0,03 Masse-% enthielt.
Bei der Messung von Kristallorientierungen an einem Drahtquerschnitt wird vorzugsweise ein Verfahren mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) verwendet. Das EBSD-Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es Kristallorientierungen auf einer Beobachtungsoberfläche beobachten und eine Winkeldifferenz der Kristallorientierungen zwischen benachbarten Messpunkten grafisch darstellen kann. Ferner kann das EBSD-Verfahren relativ leicht die Kristallorientierungen mit hoher Genauigkeit beobachten, selbst für einen Dünndraht wie den Bonddraht. Was die Korngrößenmessung betrifft, lässt sie sich mit Hilfe von Analysensoftware bestimmen, die in einer Vorrichtung für Messergebnisse durch EBSD installiert ist. Die in der Erfindung vorgeschriebene Kristallkorngröße wird durch Bestimmen eines arithmetischen Mittels an einem Äquivalenzdurchmesser von Kristallkörnern erhalten, die in einer Messfläche enthalten sind (dem Durchmesser eines Kreises, der mit einer Fläche eines Kristallkorns äquivalent ist; einem Kreisäquivalenzdurchmesser).
Die Erfindung ist nicht auf die o. g. Ausführungsformen beschränkt, und geeignete Abänderungen können innerhalb des Schutzumfangs und des Grundgedankens der Erfindung vorgenommen werden.
Beispiele
Nachfolgend werden die Bonddrähte gemäß Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben.
<Arbeitsbeispiele 1 bis 59 und Vergleichsbeispiele 1 bis 16>
(Probenherstellung)
Zunächst wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung einer Probe beschrieben. Für Cu als Rohmaterial eines Kernmaterials wurde Cu mit mindestens 99,99 Masse-% Reinheit verwendet, das unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielt. Für Au, Pd, Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt wurden Stoffe mit mindestens 99 Masse-% Reinheit verwendet, die unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielten. Zugabeelemente zum Kernmaterial, z. B. Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt, werden so gemischt, dass der Draht oder das Kernmaterial eine gewünschte Zusammensetzung hat. Bezüglich der Zugabe von Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt können diese einzeln gemischt werden. Alternativ können sie so gemischt werden, dass sie eine gewünschte Menge unter Verwendung einer die Zugabeelemente enthaltenden vorab hergestellten Cu-Vorlegierung haben, wenn das Element einen hohen Schmelzpunkt als Einzelkörper hat oder wenn das Element in verschwindend kleiner Menge zugegeben wird. Ferner enthalten die Arbeitsbeispiele 27 bis 47 Ga, Ge, As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, B, P, Mg, Ca und/oder La.
Die Cu-Legierung als Kernmaterial wurde so hergestellt, dass sie einen Drahtdurchmesser von wenigen Millimeter durch Stranggießen ergab. Die erhaltene Legierung mit wenigen Millimeter Durchmesser wurde gezogen, um einen Draht mit 0,3 bis 1,4 mm Durchmesser herzustellen. Ein handelsübliches Schmiermittel wurde für das Drahtziehen verwendet, und eine Drahtziehgeschwindigkeit betrug 20 bis 150 m/min. Zur Entfernung eines Oxidfilms auf einer Drahtoberfläche wurde eine Beizbehandlung mit Salzsäure o. ä. durchgeführt, und eine Pd-Deckschicht wurde mit 1 bis 15 μm so gebildet, dass sie die gesamte Oberfläche der Cu-Legierung als Kernmaterial bedeckte. Weiterhin wurde für einige Drähte eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht mit 0,05 bis 1,5 μm auf der Pd-Deckschicht gebildet. Zur Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht kam Elektroplattieren zum Einsatz. Eine handelsübliche Halbleiterplattierungslösung wurde als Plattierungslösung verwendet. Danach erfolgte Drahtziehen unter hauptsächlicher Verwendung von Werkzeugen mit einer Flächenabnahmerate von 10 bis 21%, und ferner erfolgten ein bis drei Wärmebehandlungen bei 200 bis 500°C während des Drahtziehens, um das Umformen auf einen Durchmesser von 20 μm durchzuführen. Nach dem Umformen wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt, so dass die abschließende Bruchdehnung etwa 5 bis 15% betrug. Ein Wärmebehandlungsverfahren erfolgte unter sukzessivem Drahtdurchlauf und wurde mit einem durchströmenden N₂- oder Ar-Gas durchgeführt. Eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit betrug 10 bis 90 m/min, eine Wärmebehandlungstemperatur betrug 350 bis 500°C, und eine Wärmebehandlungszeit betrug 1 bis 10 Sekunden.
(Bewertungsverfahren)
Die Gehalte von Ni, Zn, Rh, In, Ir, Pt, Ga, Ge, As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, B, P, Mg, Ca und La im Draht wurden als die Konzentrationen der im gesamten Bonddraht enthaltenen Elemente mit Hilfe eines ICP-Emissionsspektrometers analysiert.
Zur Konzentrationsanalyse der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht kam Auger-Elektronenspektrometrie zum Einsatz, während der Bonddraht von seiner Oberfläche in Tiefenrichtung durch Sputtern o. ä. bearbeitet wurde. Anhand eines erhaltenen Konzentrationsprofils in Tiefenrichtung wurden eine Dicke der Pd-Deckschicht, eine maximale Pd-Konzentration in der Pd-Deckschicht und eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht bestimmt.
Der Orientierungsanteil der Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zur Drahtlängsrichtung an den Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts wurde durch Beobachtung von Kristallorientierungen einer Beobachtungsoberfläche (d. h. des Querschnitts des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse) durch EBSD berechnet. Zur Analyse von EBSD-Messdaten wurde exklusive Software verwendet (beispielsweise OIM Analysis, hergestellt von TSL Solutions). Die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse wurde durch Beobachtung der Kristallorientierungen auf der Beobachtungsoberfläche durch EBSD berechnet. Zur Analyse von EBSD-Messdaten wurde exklusive Software verwendet (beispielsweise OIM Analysis, hergestellt von TSL Solutions). Die Kristallkorngröße wurde erhalten, indem eine arithmetische Mittelung an einem Äquivalenzdurchmesser von Kristallkörnern erfolgte, die in einer Messfläche enthalten waren (dem Durchmesser eines Kreises, der mit einer Fläche eines Kristallkorns äquivalent ist; einem Kreisäquivalenzdurchmesser).
Die 0,2-%-Versatzstreckgrenze und die maximale Streckgrenze wurden bewertet, indem eine Zugprüfung mit einem Zwischenmarkierungsabstand von 100 mm durchgeführt wurde. Eine Mehrzweck-Materialprüfmaschine Typ 5542, hergestellt von Instron, wurde als Zugprüfvorrichtung verwendet. Die 0,2-%-Versatzstreckgrenze wurde mit Hilfe exklusiver Software berechnet, die in der Vorrichtung installiert war. Eine Last zum Bruchzeitpunkt wurde als maximale Streckgrenze bestimmt. Das Streckgrenzenverhältnis wurde anhand der folgenden Gleichung (1) berechnet: Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze. (1)
Die Bewertung der Keilbondbarkeit im Drahtbondteil erfolgte, indem 1000 Bondvorgänge an Keilbondteilen eines BGA-Substrats durchgeführt wurden, sowie anhand der Häufigkeit, mit der Ablösung der Bondteile auftrat. Das verwendete BGA-Substrat war mit Ni und Au plattiert. In dieser Bewertung wurde unter der Annahme härterer Bondbedingungen als normal eine Haltertemperatur auf 150°C festgelegt, was niedriger als ein allgemeiner festgelegter Temperaturbereich war. In der Bewertung wurde in der Spalte „Keilbondbarkeit” in den Tabellen 1 bis 4 ein Fall, in dem mindestens 11 Fehler auftraten, als problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von 6 bis 10 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von 1 bis 5 Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit oder einer Umgebung mit hoher Temperatur wurde durch Herstellen einer Probe zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit, Durchführen der HTS-Bewertung und Bewerten der Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Probe für die Bondzuverlässigkeitsbewertung wurde hergestellt, indem Kugelbonden auf eine Elektrode erfolgte, die durch Bilden einer Legierung aus Al-1,0%Si-0,5%Cu als 0,8 μm dicker Film auf einem Si-Substrat auf einem allgemeinen metallischen Rahmen gebildet wurde, wobei ein handelsüblicher Drahtbonder zum Einsatz kam und das Versiegeln mit einem handelsüblichen Epoxidharz erfolgte. Eine Kugel wurde unter Durchfluss eines Gases aus N₂ + 5% H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 bis 0,6 l/min gebildet, und ihre Größe lag in einem Durchmesserbereich von 33 bis 34 μm.
Für die HTS-Bewertung wurde die hergestellte Probe zur Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur mit einer Temperatur von 200°C mit Hilfe einer Hochtemperatur-Thermostatvorrichtung ausgesetzt. Eine Scherprüfung wurde alle 500 Stunden am Kugelbondteil durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert halb so groß wie die Anfangsscherfestigkeit war, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen des Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät für die HTS-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „HTS” in den Tabellen 1 bis 4 die Bondlebensdauer von mindestens 500 Stunden und unter 1000 Stunden als praktikabel, aber verbesserungswürdig bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, mindestens 1000 Stunden und unter 3000 Stunden wurden als praktisch problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und mindestens 3000 Stunden wurden als besonders hervorragend bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Zur Bewertung des Kugelbildungsvermögens (FAB-Form) wurde eine Kugel vor Bonden entnommen und beobachtet, und es wurden das Vorhandensein oder Fehlen von Hohlräumen auf einer Oberfläche der Kugel sowie das Vorhandensein oder Fehlen von Verformung der Kugel bestimmt, die primär eine perfekte Kugel ist. Als fehlerhaft wurde das Auftreten eines der vorgenannten Fälle bestimmt. Die Bildung der Kugel erfolgte unter Blasen eines N₂-Gases mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 l/min, um Oxidation in einem Schmelzverfahrensablauf zu reduzieren. Die Größe der Kugel betrug 34 μm. Für eine Bedingung wurden 50 Kugeln beobachtet. Zur Beobachtung kam ein REM zum Einsatz. Bei der Bewertung des Kugelbildungsvermögens wurde in der Spalte „FAB-Form” in den Tabellen 1 bis 4 ein Fall, in dem mindestens fünf Fehler auftraten, als problematisch bewertet und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von drei oder vier Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von ein oder zwei Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bondlebensdauer des Kugelbondteils in der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit lässt sich durch die nachstehende HAST-Bewertung bewerten. Zur HAST-Bewertung wurde die hergestellte Probe für die Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit mit Hilfe eines Dampfdrucktesters vom ungesättigten Typ ausgesetzt und mit 5 V Vorspannung beaufschlagt. Eine Scherprüfung am Kugelbondteil wurde alle 48 Stunden durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert halb so groß wie die Anfangsscherfestigkeit war, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen des Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät zur HAST-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „HAST” in den Tabellen 1 bis 4 die Bondlebensdauer von mindestens 144 Stunden und unter 288 Stunden als praktisch problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, mindestens 288 Stunden und unter 384 Stunden wurden als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert, und mindestens 384 Stunden wurden als besonders ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreispaar”-Symbol markiert.
Die Bewertung einer Quetschform des Kugelbondteils erfolgte durch Beobachtung des Kugelbondteils unmittelbar von oben nach Bonden und Bewertung anhand seiner Zirkularität. Als Bondgegenstück wurde eine Elektrode verwendet, bei der eine Al-0,5% Cu Legierung als 1,0 μm dicker Film auf einem Si-Substrat gebildet war. Die Beobachtung geschah mit Hilfe eines optischen Mikroskops, und 200 Stellen wurden für eine Bedingung beobachtet. Elliptische Formen mit starker Abweichung von einem perfekten Kreis sowie anisotrope Verformung wurden als fehlerhafte Quetschform des Kugelbondteils bestimmt. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „Quetschform” in den Tabellen 1 bis 4 ein Fall von ein bis drei Fehlern als unproblematisch bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem ein vorteilhafter perfekter Kreis für alle erhalten wurde, wurde als besonders ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Bewertungsergebnisse
Die Bonddrähte gemäß den Arbeitsbeispielen 1 bis 59 enthalten jeweils Ni, Zn, Rh, In, Ir oder Pt in einer Menge von 0,011 bis 2 Masse-%, und ihr Streckgrenzenverhältnis (= maximale Streckgrenze/0,2%-Versatzstreckgrenze) liegt in einem Bereich von 1,1 bis 1,6, und sie erzielten ein vorteilhaftes Ergebnis sowohl bei der Zuverlässigkeit des Kugelbondteils bei hoher Temperatur in der HTS-Bewertung als auch bei der Keilbondbarkeit. Für den Bonddraht der Erfindung betrug die Flächenabnahmerate während des Drahtziehens mindestens 10%, und die Wärmebehandlungstemperatur nach Drahtziehen war eine niedrige Temperatur von höchstens 500°C, wodurch die Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zur Drahtlängsrichtung unter den Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung mindestens 30% bei Messung von Kristallorientierungen am Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts betragen konnte und die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts 0,9 bis 1,5 μm betragen konnte. Somit geht man davon aus, dass das Streckgrenzenverhältnis im zuvor beschriebenen Bereich liegen konnte.
Die Bonddrähte gemäß den Arbeitsbeispielen weisen jeweils ein Cu-Legierungskernmaterial und eine Pd-Deckschicht auf, die auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildet ist, und eine Dicke der Pd-Deckschicht liegt im bevorzugten Bereich von 0,015 bis 0,150 μm. Sie alle zeigten eine vorteilhafte FAB-Form.
Andererseits war in den Vergleichsbeispielen 1, 3, 10 und 11 mit dem Streckgrenzenverhältnis unter 1,1 die Keilbondbarkeit in allen Fällen fehlerhaft. In den Vergleichsbeispielen 2, 4 bis 9, 12 bis 16 mit dem Streckgrenzenverhältnis über 1,6 war die Keilbondbarkeit fehlerhaft oder problematisch. Insbesondere waren in den Vergleichsbeispielen 15 und 16 auch HST und HAST fehlerhaft, da das Element, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, nicht im Draht enthalten war. Angenommen wird, dass der Grund für das niedrige Streckgrenzenverhältnis in den Vergleichsbeispielen 1, 3, 10 und 11 teilweise darin bestand, dass die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials unter 0,9 μm lag, weil die Flächenabnahmerate kleiner als 10% war. Zudem geht man davon aus, dass der Grund für das erhöhte Streckgrenzenverhältnis in den Vergleichsbeispielen 2, 4 bis 9, 12 bis 14 teilweise darin bestand, dass der <100>-Orientierungsanteil in Drahtlängsrichtung aufgrund der hohen Wärmebehandlungstemperatur von mindestens 600°C unter 30% lag. Insbesondere wird angenommen, dass in den Vergleichsbeispielen 2, 6, 8, 9 und 14 der Grund dafür teilweise auch darin bestand, dass die mittlere Kristallkorngröße im Querschnitt des Kernmaterials 1,5 μm überstieg, weil die Wärmebehandlungstemperatur mit mindestens 620°C hoch war.
<Arbeitsbeispiele 2-1 bis 2-40>
(Probe)
Zunächst wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung einer Probe beschrieben. Für Cu als Rohmaterial des Kernmaterials wurde Cu mit mindestens 99,99 Masse-% Reinheit verwendet, das unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielt. Für Ga, Ge, Ni, Ir, Pt, Pd, B, P und Mg wurden Stoffe mit mindestens 99 Masse-% Reinheit verwendet, die unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielten. Ga, Ge, Ni, Ir, Pt, Pd, B, P und Mg als Zugabeelemente zum Kernmaterial werden so gemischt, dass der Draht oder das Kernmaterial eine gewünschte Zusammensetzung hat. Was die Zugabe von Ga, Ge, Ni, Ir, Pt, Pd, B, P und Mg betrifft, können diese einzeln gemischt werden. Alternativ können sie so gemischt werden, dass sie eine gewünschte Menge unter Verwendung einer die Zugabeelemente enthaltenden vorab hergestellten Cu-Vorlegierung haben, wenn das Element einen hohen Schmelzpunkt als Einzelkörper hat oder wenn das Element in verschwindend kleiner Menge zugegeben wird.
Die Cu-Legierung als Kernmaterial wurde hergestellt durch Beladen eines Kohletiegels, der in eine Zylinderform mit 3 bis 6 mm Durchmesser geformt war, mit Rohmaterialien, Erwärmen und Schmelzen der Rohmaterialien bei 1090 bis 1300°C im Vakuum oder in einer Inertatmosphäre, z. B. einem N₂- oder Ar-Gas, mit Hilfe eines Hochfrequenzofens und Durchführen von Ofenkühlung. Die erhaltene Legierung mit 3 bis 6 mm Durchmesser wurde gezogen, um auf 0,9 bis 1,2 mm Durchmesser umgeformt zu werden, und ein Draht mit 300 bis 600 μm Durchmesser wurde durch aufeinanderfolgendes Drahtziehen mit Hilfe von Werkzeugen hergestellt. Ein handelsübliches Schmiermittel wurde zum Drahtziehen verwendet, und eine Drahtziehgeschwindigkeit betrug 20 bis 150 m/min. Zur Entfernung eines Oxidfilms auf einer Drahtoberfläche wurde eine Beizbehandlung mit Schwefelsäure durchgeführt, und eine Pd-Deckschicht mit 1 bis 15 μm wurde so gebildet, dass sie die gesamte Oberfläche der Cu-Legierung als Kernmaterial bedeckte. Ferner wurde für einige Drähte eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht mit 0,05 bis 1,5 μm auf der Pd-Deckschicht gebildet. Zur Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht kam Elektroplattieren zum Einsatz. Eine handelsübliche Halbleiterplattierungslösung wurde als Plattierungslösung verwendet. Danach erfolgten wiederholt Wärmebehandlung bei 200 bis 500°C und Drahtziehen, um ihn auf 20 μm Durchmesser umzuformen. Nach der Umformung wurde eine Wärmebehandlung unter Durchfluss eines N₂- oder Ar-Gases durchgeführt, so dass die Bruchdehnung abschließend etwa 5 bis 15% beträgt. Ein Verfahren zur Wärmebehandlung erfolgte unter sukzessivem Drahtdurchlauf und wurde mit einem durchströmenden N₂- oder Ar-Gas durchgeführt. Eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit betrug 20 bis 200 m/min, eine Wärmebehandlungstemperatur betrug 200 bis 600°C, und eine Wärmebehandlungszeit betrug 0,2 bis 1,0 Sekunde.
Für die Konzentrationsanalyse der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht wurde die Analyse mit Hilfe einer Auger-Elektronenspektroskopievorrichtung unter Sputtern des Bonddrahts von seiner Oberfläche in Tiefenrichtung mit Ar-Ionen durchgeführt. Die Dicken der Deckschicht und der Legierungsaußenschicht wurden anhand eines erhaltenen Konzentrationsprofils (die Einheit der Tiefe bezog sich auf SiO₂) in Tiefenrichtung bestimmt. Ein Bereich, in dem eine Pd-Konzentration mindestens 50 Atom-% betrug und eine Au-Konzentration unter 10 Atom-% lag, wurde als Pd-Deckschicht bestimmt, und ein Bereich, in dem eine Au-Konzentration in einem Bereich von mindestens 10 Atom-% auf einer Oberfläche der Pd-Deckschicht lag, wurde als Legierungsaußenschicht bestimmt. Die Dicken der Deckschicht und der Legierungsaußenschicht und eine maximale Pd-Konzentration sind in den Tabellen 5 und 6 aufgeführt. Die Pd-Konzentration im Cu-Legierungskernmaterial wurde durch ein Verfahren gemessen, das einen Drahtquerschnitt freilegt und eine Linienanalyse, Punktanalyse o. ä. auf dem freigelegten Drahtquerschnitt durch ein Elektronensonden-Mikroanalysengerät durchführt, das in einem Rasterelektronenmikroskop eingebaut war. Für das Verfahren zum Freilegen des Drahtquerschnitts wurde mechanisches Polieren, Ionenätzen o. ä. verwendet. Für die Konzentrationen von Ga, Ge, Ni, Ir, Pt, B, P und Mg im Bonddraht wurde eine Lösung, die durch Auflösen des Bonddrahts mit einer starken Säure erhalten wurde, mit Hilfe eines ICP-Emissionsspektrometers oder eines ICP-Massenspektrometers analysiert, und sie wurden als Konzentrationen der Elemente detektiert, die im gesamten Bonddraht enthalten waren.
Die Konfigurationen der jeweiligen Proben, die gemäß dem vorstehenden Vorgehen hergestellt wurden, sind in den folgenden Tabellen 5 und 6 aufgeführt.
(Bewertungsverfahren)
Bewertet wurde eine Kristallstruktur auf einer Drahtoberfläche als Beobachtungsfläche. Ein Verfahren mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) kam als Bewertungsverfahren zum Einsatz. Das EBSD-Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es Kristallorientierungen auf einer Beobachtungsfläche beobachten und eine Winkeldifferenz der Kristallorientierungen zwischen benachbarten Messpunkten grafisch darstellen kann. Ferner kann das EBSD-Verfahren die Kristallorientierungen relativ leicht mit hoher Genauigkeit beobachten, selbst für einen Dünndraht wie den Bonddraht.
Bei der EBSD-Durchführung mit einer gekrümmten Oberfläche wie der Drahtoberfläche als Beobachtungsgegenstand sollte sorgfältig vorgegangen werden. Wird ein Bereich mit großer Krümmung gemessen, ist die Messung mit hoher Genauigkeit schwierig. Allerdings wird ein zu messender Bonddraht auf eine Linie auf einer Ebene fixiert, und ein Flachteil nahe der Mitte des Bonddrahts wird gemessen, wodurch die Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Insbesondere funktioniert der nachstehend dargestellte Messbereich gut. Die Größe in Umfangsrichtung beträgt höchstens 50% des Drahtdurchmessers mit der Mitte in Drahtlängsrichtung als Achse, wogegen die Größe in Drahtlängsrichtung höchstens 100 μm beträgt. Vorzugsweise beträgt die Größe in Umfangsrichtung höchstens 40% des Drahtdurchmessers, wogegen die Größe in Drahtlängsrichtung höchstens 40 μm beträgt, wodurch die Messeffizienz durch Messzeitverkürzung verbessert werden kann. Um die Genauigkeit weiter zu steigern, ist erwünscht, drei oder mehr Punkte zu messen, um Mittelwertinformationen unter Berücksichtigung von Abweichungen zu erhalten. Die Messstellen können mindestens 1 mm Abstand voneinander haben, um nicht zu nahe aneinander zu liegen.
Was den Orientierungsanteil der Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zur Drahtlängsrichtung an den Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts sowie die mittlere Kristallkorngröße (μm) im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse betrifft, wurden diese durch das gleiche Verfahren wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 59 erhalten. Hinsichtlich der 0,2-%-Versatzstreckgrenze und maximalen Streckgrenze wurden diese durch das gleiche Verfahren wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 59 bewertet, und ein Streckgrenzenverhältnis wurde durch die vorstehende Gleichung (1) berechnet.
Die Bestimmung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit oder einer Umgebung mit hoher Temperatur erfolgte durch Herstellen einer Probe zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit, Durchführen der HAST- und HTS-Bewertung und Bewerten der Bondlebensdauer des Kugelbondteils in jeder Prüfung. Hergestellt wurde die Probe zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit durch Durchführung von Kugelbonden auf eine Elektrode, die durch Bildung einer Legierung aus Al-1,0% Si-0,5%Cu als Film mit 0,8 μm Dicke auf einem Si-Substrat auf einem allgemeinen metallischen Rahmen gebildet war, mit Hilfe eines handelsüblichen Drahtbonders und deren Versiegeln mit einem handelsüblichen Epoxidharz. Eine Kugel wurde unter Durchfluss eines Gases aus N₂ + 5% H₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 bis 0,6 l/min gebildet, und ihre Größe lag im Durchmesserbereich von 33 bis 34 μm.
Für die HAST-Bewertung wurde die hergestellte Probe zur Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit mit Hilfe eines Dampfdrucktesters vom ungesättigten Typ ausgesetzt und mit 7 V Vorspannung beaufschlagt. Eine Scherprüfung am Kugelbondteil wurde alle 48 Stunden durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert halb so groß wie die Anfangsscherfestigkeit war, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen des Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät für die HAST-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „HAST” in den Tabellen 5 und 6 die Bondlebensdauer unter 96 Stunden als praktisch problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, mindestens 96 Stunden und unter 144 Stunden wurden als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, mindestens 144 Stunden und unter 288 Stunden wurden als praktisch problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und mindestens 288 Stunden wurden als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Für die HTS-Bewertung wurde die hergestellte Probe zur Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur mit 200°C Temperatur mit Hilfe einer Hochtemperatur-Thermostatvorrichtung ausgesetzt. Eine Scherprüfung am Kugelbondteil wurde alle 500 Stunden durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert halb so groß wie die Anfangsscherfestigkeit war, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen des Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät für die HTS-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. Bei dieser Bewertung wurde die Bondlebensdauer von mindestens 500 Stunden und unter 1000 Stunden als praktikabel, aber verbesserungswürdig bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, mindestens 1000 Stunden bis unter 3000 Stunden wurden als praktisch problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und mindestens 3000 Stunden wurden als besonders hervorragend bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Zur Bewertung des Kugelbildungsvermögens (FAB-Form) wurde eine Kugel vor Bonden entnommen und beobachtet, und es wurden das Vorhandensein oder Fehlen von Hohlräumen auf der Kugeloberfläche sowie das Vorhandensein oder Fehlen von Verformung der Kugel bestimmt, die primär eine perfekte Kugel ist. Als fehlerhaft wurde das Auftreten eines der vorgenannten Fälle bewertet. Die Bildung der Kugel erfolgte unter Durchblasen eines N₂-Gases mit einer Durchflussgeschwindigkeit von 0,5 l/min, um Oxidation in einem Schmelzverfahrensablauf zu reduzieren. Die Größe der Kugel betrug 34 μm. Für eine Bedingung wurden 50 Kugeln untersucht. Zur Beobachtung kam ein REM zum Einsatz. Bei der Bewertung des Kugelbildungsvermögens wurde in der Spalte „FAB-Form” in den Tabellen 5 und 6 ein Fall, in dem mindestens fünf Fehler auftraten, als problematisch bewertet und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von drei oder vier Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von ein oder zwei Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bewertung der Keilbondbarkeit am Drahtbondteil erfolgte, indem 1000 Bondvorgänge an Leitern eines Leiterrahmens durchgeführt wurden, sowie anhand der Häufigkeit, mit der Ablösung des Bondteils auftrat. Ein Leiterrahmen aus einer Legierung aus Fe-42 Atom-% Ni, der mit 1 bis 3 μm Ag plattiert war, kam als Leiterrahmen zum Einsatz. Bei dieser Bewertung wurde unter der Annahme härterer Bondbedingungen als normal eine Stufentemperatur auf 150°C festgelegt, was niedriger als ein allgemeiner festgelegter Temperaturbereich war. Bei der Bewertung wurde in der Spalte „Keilbondbarkeit” in den Tabellen 5 und 6 ein Fall, in dem mindestens 11 Fehler auftraten, als problematisch bewertet und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von 6 bis 10 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von 1 bis 5 Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bewertung einer Quetschform des Kugelbondteils erfolgte durch Beobachtung des Kugelbondteils unmittelbar von oben nach Bonden und Bewertung anhand seiner Zirkularität. Als Bondgegenstück wurde eine Elektrode verwendet, bei der eine Legierung aus Al-0,5% Cu als Film mit 1,0 μm Dicke auf einem Si-Substrat gebildet war. Die Beobachtung geschah mit Hilfe eines optischen Mikroskops, und 200 Stellen wurden für eine Bedingung beobachtet. Elliptische Formen mit starker Abweichung von einem perfekten Kreis sowie anisotrope Verformung wurden als fehlerhafte Quetschform des Kugelbondteils bestimmt. In dieser Bewertung wurde in der Spalte „Quetschform” in den Tabellen 5 und 6 ein Fall von mindestens sechs auftretenden Fehlern als problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von vier oder fünf Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein bis drei wurden als problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem ein vorteilhafter perfekter Kreis für alle erhalten wurde, wurde als besonders ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
[Schiefe]
An einem Leiterrahmen wurden zur Bewertung 100 Bondvorgänge mit einer Schleifenlänge von 5 mm und einer Schleifenhöhe von 0,5 mm durchgeführt. Als Bewertungsverfahren wurde ein aufrechtes Drahtteil aus einer waagerechten Chiprichtung beobachtet, und die Bewertung erfolgte auf der Grundlage eines Abstands, wenn der Abstand zwischen einer die Mitte des Kugelbondteils durchlaufenden Senkrechten und dem aufrechten Drahtteil maximiert war (Schiefenabstand). War der Schiefenabstand kleiner als der Drahtdurchmesser, wurde die Schiefe als vorteilhaft bestimmt, wogegen bei größerem Schiefenabstand das aufrechte Teil Schiefe zeigte und die Schiefe als fehlerhaft bestimmt wurde. Einhundert Bonddrähte wurden mit einem optischen Mikroskop beobachtet, und die Anzahl von Schiefenfehlern wurde gezählt. In der Spalte „Schiefe” in den Tabellen 5 und 6 wurde ein Fall, in dem mindestens sieben Fehler auftraten, als problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von vier bis sechs Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von ein bis drei Fehlern wurde als problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
(Bewertungsergebnisse)
Gemäß den Tabellen 5 und 6 weisen die Bonddrähte der Arbeitsbeispiele 2-1 bis 2-40 jeweils das Cu-Legierungskernmaterial und die Pd-Deckschicht auf, die auf der Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildet ist, und der Bonddraht enthält ein oder mehrere Elemente, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, und eine Konzentration der Elemente insgesamt beträgt 0,011 bis 1,5 Masse-% relativ zum gesamten Draht. Festgestellt wurde, dass mit dieser Konfiguration die Bonddrähte der Arbeitsbeispiele 2-1 bis 2-40 die Zuverlässigkeit des Kugelbondteils im HAST-Test in der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit erreichen können.
Zudem wurde gezeigt, dass die Bonddrähte der Arbeitsbeispiele 2-1 bis 2-40 eine ausgezeichnete Keilbondbarkeit erhalten können, da ihr Streckgrenzenverhältnis 1,1 bis 1,6 betrug.
In den Arbeitsbeispielen, in denen die Bonddrähte ferner mindestens ein aus Ni, Ir, Pt und Pd ausgewähltes Element enthalten, wurde festgestellt, dass die Hochtemperaturzuverlässigkeit des Kugelbondteils in der HTS-Bewertung noch vorteilhafter ist.
In den Arbeitsbeispielen, in denen die Bonddrähte ferner mindestens ein aus B, P und Mg ausgewähltes Element enthalten, war die Quetschform des Kugelbondteils vorteilhaft, wenn eine Konzentration jedes der Elemente 1 bis 200 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht betrug.
<Arbeitsbeispiele 3-1 bis 3-56>
(Probe)
Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung einer Probe beschrieben. Für Cu als Rohmaterial eines Kernmaterials wurde Cu mit mindestens 99,99 Masse-% Reinheit verwendet, das unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielt. Für As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, Ni, Zn, Rh, In, Ir, Pt, Ga, Ge, Pd, B, P, Mg, Ca und La wurden Stoffe mit mindestens 99 Masse-% Reinheit verwendet, die unvermeidliche Verunreinigungen als Rest enthielten.
As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, Ni, Zn, Rh, In, Ir, Pt, Ga, Ge, Pd, B, P, Mg, Ca und La als Zugabeelemente zum Kernmaterial werden so gemischt, dass der Draht oder das Kernmaterial eine gewünschte Zusammensetzung hat. Bezüglich der Zugabe von As, Te, Sn, Sb, Bi, Se, Ni, Zn, Rh, In, Ir, Pt, Ga, Ge, Pd, B, P, Mg, Ca und La können diese einzeln gemischt werden. Alternativ können sie so gemischt werden, dass sie eine gewünschte Menge unter Verwendung einer die Zugabeelemente enthaltenden vorab hergestellten Cu-Vorlegierung haben, wenn das Element einen hohen Schmelzpunkt als Einzelkörper hat oder wenn das Element in verschwindend kleiner Menge zugegeben wird.
Hergestellt wurde die Cu-Legierung für das Kernmaterial durch Beladen eines Kohletiegels, der in eine Zylinderform mit 3 bis 6 mm Durchmesser gebracht war, mit Rohmaterialien, Erwärmen und Schmelzen der Rohmaterialien bei 1090 bis 1300°C im Vakuum oder in einer Inertatmosphäre, z. B. einem N₂- oder Ar-Gas, mit Hilfe eines Hochfrequenzofens und Durchführen von Ofenkühlung. Die erhaltene Legierung mit 3 bis 6 mm Durchmesser wurde gezogen, um einen Draht mit 0,9 bis 1,2 mm Durchmesser herzustellen. Danach wurde ein Draht mit 300 bis 600 μm Durchmesser durch sukzessives Drahtziehen u. ä. mit Hilfe eines Werkzeugs hergestellt. Ein handelsübliches Schmiermittel wurde zum Drahtziehen verwendet, und eine Drahtziehgeschwindigkeit betrug 20 bis 150 m/min. Zur Entfernung eines Oxidfilms auf einer Drahtoberfläche wurde eine Beizbehandlung mit Salzsäure durchgeführt, und eine Pd-Deckschicht mit 1 bis 15 μm wurde so gebildet, dass sie die gesamte Oberfläche der Cu-Legierung als Kernmaterial bedeckte. Weiterhin wurde für einige Drähte eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht mit 0,05 bis 1,5 μm auf der Pd-Deckschicht gebildet. Für die Bildung der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht kam Elektroplattieren zum Einsatz. Eine handelsübliche Halbleiterplattierungslösung wurde als Plattierungslösung verwendet. Danach wurden Wärmebehandlung bei 200 bis 500°C und Drahtziehen wiederholt durchgeführt, um ihn auf 20 μm Durchmesser umzuformen. Nach der Umformung wurde eine Wärmebehandlung unter Durchfluss eines N₂- oder Ar-Gases durchgeführt, so dass die Bruchdehnung abschließend etwa 5 bis 15% beträgt. Ein Wärmebehandlungsverfahren erfolgte unter sukzessivem Drahtdurchlauf und wurde mit einem durchströmenden N₂- oder Ar-Gas durchgeführt. Eine Drahtzufuhrgeschwindigkeit betrug 20 bis 200 m/min, eine Wärmebehandlungstemperatur betrug 200 bis 600°C, und eine Wärmebehandlungszeit betrug 0,2 bis 1,0 Sekunde.
Für eine Konzentrationsanalyse der Pd-Deckschicht und der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht wurde eine Auger-Elektronenspektrometrie unter Bearbeitung des Bonddrahts von seiner Oberfläche in Tiefenrichtung durch Sputtern o. ä. durchgeführt. Anhand eines erhaltenen Konzentrationsprofils in Tiefenrichtung wurden eine Dicke der Pd-Deckschicht, eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht und eine maximale Pd-Konzentration bestimmt.
Bei den Arbeitsbeispielen 3-1 bis 3-50 ist ein aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewähltes Element im Kernmaterial enthalten. Bei den Arbeitsbeispielen 3-51 bis 3-56 wurde Cu mit 99,99 Masse-% Reinheit für das Kernmaterial verwendet, und As, Te, Sn, Sb, Bi oder Se war enthalten, indem sie auf die Drahtoberfläche (Deckschicht) durch Elektroplattieren während des Verfahrensablaufs zur Drahtherstellung abgeschieden wurden.
Bei den Arbeitsbeispielen 3-34 bis 3-44 wird veranlasst, dass Cu an einer äußersten Oberfläche des Bonddrahts vorhanden ist. Diesbezüglich ist eine Spalte „Cu-Konzentration an Drahtoberfläche” in Tabelle 8 vorgesehen, und durch Messung einer Oberfläche des Bonddrahts durch eine Auger-Elektronenspektroskopievorrichtung erhaltene Ergebnisse wurden darin eingetragen. Durch Auswählen einer Temperatur und Zeit für die Wärmebehandlung des Bonddrahts wurde veranlasst, dass Cu an einer äußersten Oberfläche in einer bestimmten Konzentration vorhanden war. Bei den Arbeitsbeispielen 3-1 bis 3-33 und 3-45 bis 3-56 wurden Wärmebehandlungsbedingungen angewendet, die bewirkten, dass Cu nicht an einer äußersten Oberfläche vorhanden war, weshalb Cu nicht durch die Auger-Elektronenspektroskopievorrichtung detektiert wurde.
Die Konfigurationen der gemäß diesem Vorgehen hergestellten Proben sind in den Tabellen 7 und 8 aufgeführt.
(Bewertungsverfahren)
Eine Kristallstruktur wurde mit einer Drahtoberfläche als Beobachtungsfläche bewertet. Ein Verfahren mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) wurde als Bewertungsverfahren verwendet. Das EBSD-Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es Kristallorientierungen auf einer Beobachtungsfläche beobachten und eine Winkeldifferenz der Kristallorientierungen zwischen benachbarten Messpunkten grafisch darstellt. Das EBSD-Verfahren kann die Kristallorientierungen mit hoher Genauigkeit relativ leicht beobachten, auch für einen Dünndraht wie den Bonddraht.
Bei Durchführung des EBSD-Verfahrens mit einer gekrümmten Oberfläche wie der Drahtoberfläche als Gegenstand sollte sorgfältig vorgegangen werden. Wird ein Bereich mit großer Krümmung gemessen, ist die Messung mit hoher Genauigkeit schwierig. Allerdings wird ein zu messender Bonddraht auf einer Linie auf einer Ebene fixiert, und ein Flachteil nahe der Mitte des Bonddrahts wird gemessen, wodurch die Messung mit hoher Genauigkeit erfolgen kann. Insbesondere funktioniert der nachstehend dargestellte Messbereich gut. Die Größe in Umfangsrichtung beträgt höchstens 50% des Drahtdurchmessers mit einer Mitte in Drahtlängsrichtung als Achse, und die Größe in Drahtlängsrichtung beträgt höchstens 100 μm. Vorzugsweise beträgt die Größe in Umfangsrichtung höchstens 40% des Drahtdurchmessers, und die Größe in Drahtlängsrichtung beträgt höchstens 40 μm, wodurch die Messeffizienz durch Messzeitverkürzung verbessert werden kann. Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, ist erwünscht, mindestens drei Punkte zu vermessen, um Mittelwertinformationen unter Berücksichtigung von Abweichungen zu erhalten. Die Messstellen können mindestens 1 mm Abstand voneinander haben, um nicht zu nahe aneinander zu liegen.
Was den Orientierungsanteil der Kristallorientierung <100> im Winkel von höchstens 15 Grad zur Drahtlängsrichtung an den Kristallorientierungen in Drahtlängsrichtung im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse des Bonddrahts sowie die mittlere Kristallkorngröße (μm) im Querschnitt des Kernmaterials in senkrechter Richtung zur Drahtachse betrifft, wurden diese durch das gleiche Verfahren wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 59 erhalten. Hinsichtlich der 0,2-%-Versatzstreckgrenze und maximalen Streckgrenze wurden diese durch das gleiche Verfahren wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 59 bewertet, und ein Streckgrenzenverhältnis wurde durch die vorstehende Gleichung (1) berechnet.
Die Bestimmung der Bondzuverlässigkeit des Kugelbondteils in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit oder einer Umgebung mit hoher Temperatur erfolgte durch Herstellung einer Probe zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit, Durchführung der HAST- und HTS-Bewertung und durch Bewertung der Bondlebensdauer des Kugelbondteils in jedem Test. Hergestellt wurde die Probe zur Bewertung der Bondzuverlässigkeit durch Durchführen von Kugelbonden auf eine Elektrode, die durch Bildung einer Legierung aus Al-1,0%Si-0,5%Cu als Film mit 0,8 μm Dicke auf einem Si-Substrat auf einem allgemeinen metallischen Rahmen gebildet war, mit Hilfe eines handelsüblichen Drahtbonders und deren Versiegeln mit einem handelsüblichen Epoxidharz. Eine Kugel wurde unter Durchfluss eines N₂ + 5% H₂-Gases mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 bis 0,6 l/min gebildet, und ihre Größe lag in einem Durchmesserbereich von 33 bis 34 μm.
Für die HAST-Bewertung wurde die hergestellte Probe zur Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit mit Hilfe eines Dampfdrucktesters vom ungesättigten Typ ausgesetzt und mit 5 V Vorspannung beaufschlagt. Eine Scherprüfung am Kugelbondteil wurde alle 48 Stunden durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert die Hälfte der Anfangsscherfestigkeit betrug, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen eines Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät zur HAST-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. In dieser Bewertung wurde in der Spalte „HAST” in den Tabellen 7 und 8 die Bondlebensdauer unter 96 Stunden als praktisch problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, mindestens 96 Stunden und unter 144 Stunden wurden als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, mindestens 144 Stunden und unter 288 Stunden wurden als praktisch problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, mindestens 288 Stunden und unter 384 Stunden wurden als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert, und mindestens 384 Stunden wurden als besonders hervorragend bestimmt und mit einem „Doppelkreispaar”-Symbol markiert.
Für die HTS-Bewertung wurde die hergestellte Probe zur Bondzuverlässigkeitsbewertung einer Umgebung mit hoher Temperatur mit einer Temperatur von 200°C mit Hilfe einer Hochtemperatur-Thermostatvorrichtung ausgesetzt. Eine Scherprüfung am Kugelbondteil wurde alle 500 Stunden durchgeführt, und eine Zeit bis zu dem Punkt, an dem ein Scherfestigkeitswert halb so groß wie die Anfangsscherfestigkeit war, wurde als Bondlebensdauer des Kugelbondteils bestimmt. Die Scherprüfung nach dem Test mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit wurde nach Entfernen eines Harzes durch Säurebehandlung und Freilegen des Kugelbondteils durchgeführt.
Ein von DAGE hergestelltes Prüfgerät kam als Scherprüfgerät zur HTS-Bewertung zum Einsatz. Ein Mittelwert von Messwerten von 10 zufällig ausgewählten Kugelbondteilen diente als Wert für die Scherfestigkeit. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „HTS” in den Tabellen 7 und 8 die Bondlebensdauer von mindestens 500 Stunden bis unter 1000 Stunden als praktikabel, aber verbesserungswürdig bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, mindestens 1000 bis unter 3000 Stunden wurden als praktisch problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und mindestens 3000 Stunden wurden als besonders hervorragend bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Zur Bewertung des Kugelbildungsvermögens (FAB-Form) wurde eine Kugel vor Bonddurchführung entnommen und beobachtet, und es wurden das Vorhandensein oder Fehlen von Hohlräumen auf einer Oberfläche der Kugel sowie das Vorhandensein oder Fehlen von Verformung der Kugel bestimmt, die primär eine perfekte Kugel ist. Als fehlerhaft wurde das Auftreten eines der vorgenannten Fälle bewertet. Die Bildung der Kugel erfolgte unter Durchblasen eines N₂-Gases mit 0,5 l/min Strömungsgeschwindigkeit, um Oxidation in einem Schmelzverfahrensablauf zu reduzieren. Die Größe der Kugel betrug 34 μm. Für eine Bedingung wurden 50 Kugeln beobachtet. Zur Beobachtung kam ein REM zum Einsatz. Bei der Bewertung des Kugelbildungsvermögens wurde in der Spalte „FAB-Form” in den Tabellen 7 und 8 ein Fall, in dem mindestens fünf Fehler auftraten, als problematisch bewertet und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von drei oder vier Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von ein oder zwei Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bewertungsbestimmung der Keilbondbarkeit am Drahtbondteil erfolgte, indem 1000 Bondvorgänge an Leitern eines Leiterrahmens durchgeführt wurden und die Häufigkeit bewertet wurde, mit der Ablösung des Bondteils auftrat. Ein Leiterrahmen mit einer Legierung aus Fe-42 Atom-% Ni, der mit 1 bis 3 μm Ag plattiert war, kam für den Leiterrahmen zum Einsatz. Bei dieser Bewertung wurde unter der Annahme härterer Bondbedingungen als normal eine Haltertemperatur auf 150°C festgelegt, was niedriger als ein allgemein festgelegter Temperaturbereich war. Bei dieser Bewertung wurde in der Spalte „Keilbondbarkeit” in den Tabellen 7 und 8 ein Fall, in dem mindestens 11 Fehler auftraten, als problematisch bewertet und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von 6 bis 10 Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von 1 bis 5 Fehlern wurde als problemlos bewertet und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
Die Bewertung einer Quetschform des Kugelbondteils erfolgte durch Beobachtung des Kugelbondteils unmittelbar von oben nach Bonden und Bewertung anhand seiner Zirkularität. Als ein mit dem Bonddraht zu bondendes Objekt wurde eine Elektrode verwendet, bei der eine Legierung aus Al-0,5% Cu als Film mit 1,0 μm Dicke auf einem Si-Substrat gebildet war. Die Beobachtung geschah mit Hilfe eines optischen Mikroskops, und 200 Stellen wurden für eine Bedingung beobachtet. Elliptische Formen mit starker Abweichung von einem perfekten Kreis sowie anisotrope Verformung wurden als fehlerhafte Quetschform des Kugelbondteils bestimmt. In dieser Bewertung wurde in der Spalte „Quetschform” in den Tabellen 7 und 8 ein Fall von mindestens sechs auftretenden Fehlern als problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von vier oder fünf Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein bis drei wurden als problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem ein vorteilhafter perfekter Kreis für alle erhalten wurde, wurde als besonders ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
[Schiefe]
An einem Leiterrahmen zur Bewertung wurden 100 Bondvorgänge mit 5 mm Schleifenlänge und 0,5 mm Schleifenhöhe durchgeführt. Als Bewertungsverfahren wurde ein aufrechtes Drahtteil aus waagerechter Chiprichtung beobachtet, und die Bewertung erfolgte auf der Grundlage eines Abstands, wenn der Abstand zwischen einer die Mitte des Kugelbondteils durchlaufenden Senkrechten und dem aufrechten Drahtteil maximiert war (Schiefenabstand). War der Schiefenabstand kleiner als der Drahtdurchmesser, wurde die Schiefe als vorteilhaft bestimmt, wogegen bei größerem Schiefenabstand das aufrechte Teil Schiefe zeigte und die Schiefe als fehlerhaft bestimmt wurde. Einhundert Bonddrähte wurden mit einem optischen Mikroskop beobachtet, und die Anzahl von Schiefenfehlern wurde gezählt. In der Spalte „Schiefe” in den Tabellen 7 und 8 wurde ein Fall, in dem mindestens sieben Fehler auftraten, als problematisch bestimmt und mit einem „Kreuz”-Symbol markiert, ein Fall von vier bis sechs Fehlern wurde als praktikabel, aber etwas problematisch bestimmt und mit einem „Dreieck”-Symbol markiert, ein Fall von ein bis drei Fehlern wurde als problemlos bestimmt und mit einem „Kreis”-Symbol markiert, und ein Fall, in dem es zu keinem Fehler kam, wurde als ausgezeichnet bestimmt und mit einem „Doppelkreis”-Symbol markiert.
(Bewertungsergebnisse)
Die Bonddrähte gemäß den Arbeitsbeispielen 3-1 bis 3-56 weisen jeweils ein Cu-Legierungskernmaterial und eine Pd-Deckschicht auf, die auf der Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildet ist, und der Bonddraht enthält mindestens ein oder mehrere Elemente, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, eine Konzentration der Elemente insgesamt beträgt 0,1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht. Festgestellt wurde, dass mit dieser Konfiguration die Bonddrähte gemäß den Arbeitsbeispielen 3-1 bis 3-50 die Zuverlässigkeit des Kugelbondteils im HAST-Test in der Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit 130°C Temperatur und 85% relativer Feuchtigkeit erreichen können.
In den Arbeitsbeispielen, die ferner eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht auf der Pd-Deckschicht aufweisen, wurde festgestellt, dass ausgezeichnete Keilbondbarkeit erhalten werden kann, wenn eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht 0,0005 bis 0,050 μm beträgt.
In den Arbeitsbeispielen 3-21 bis 3-33, 3-35, 3-37 und 3-39 bis 3-44 wurde festgestellt, dass die Hochtemperaturzuverlässigkeit des Kugelbondteils durch die HTS-Bewertung günstig ist, da der Bonddraht ferner mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus Ni, Zn, Rh, In, Ir, Pt, Ga und Ge ausgewählt sind, und eine Konzentration jedes der Elemente mit Ausnahme von Pd 0,011 bis 1,2 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt und eine Konzentration von Pd, das im Cu-Legierungskernmaterial enthalten ist, 0,05 bis 1,2 Masse-% beträgt.
In den Arbeitsbeispielen 3-22 bis 3-26 sowie 3-29 bis 3-32 war die FAB-Form günstig und die Keilbondbarkeit war vorteilhaft, wenn der Bonddraht ferner mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus B, P, Mg, Ca und La ausgewählt sind, und eine Konzentration jedes der Elemente 1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt.
In den Arbeitsbeispielen 3-34 bis 3-44 enthält der Draht As, Te, Sn, Sb, Bi und Se, und Cu war an einer äußersten Oberfläche des Drahts vorhanden. Mit dieser Konfiguration trugen die Arbeitsbeispiele 3-34 bis 3-44 ein „Doppelkreispaar”-Symbol oder ein „Doppelkreis”-Symbol in den HAST-Bewertungsergebnissen, was die Wirkung zeigt, dass veranlasst wurde, dass Cu an einer äußersten Oberfläche vorhanden war.

Claims

Bonddraht für ein Halbleiterbauelement, wobei der Bonddraht aufweist: ein Cu-Legierungskernmaterial; und eine auf einer Oberfläche des Cu-Legierungskernmaterials gebildete Pd-Deckschicht, wobei der Bonddraht ein Element enthält, das für Bondzuverlässigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur sorgt, und ein durch die folgende Gleichung (1) definiertes Streckgrenzenverhältnis 1,1 bis 1,6 beträgt: Streckgrenzenverhältnis = maximale Streckgrenze/0,2-%-Versatzstreckgrenze. (1)
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Pd-Deckschicht 0,015 bis 0,150 μm beträgt.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Au- und Pd-haltige Legierungsaußenschicht auf der Pd-Deckschicht aufweist.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei eine Dicke der Au- und Pd-haltigen Legierungsaußenschicht höchstens 0,050 μm beträgt.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bonddraht mindestens ein Element enthält, das aus Ni, Zn, Rh, In, Ir und Pt ausgewählt ist, und eine Konzentration des mindestens einen Elements insgesamt 0,011 bis 2 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bonddraht ein oder mehrere Elemente enthält, die aus Ga und Ge ausgewählt sind, und eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,011 bis 1,5 Masse-% relativ zum gesamten Draht beträgt.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bonddraht mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus As, Te, Sn, Sb, Bi und Se ausgewählt sind, eine Konzentration der Elemente insgesamt 0,1 bis 100 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt und Sn ≤ 10 Masse-ppm; Sb ≤ 10 Masse-ppm; und Bi ≤ 1 Masse-ppm ist.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Bonddraht ferner mindestens ein Element enthält, das aus B, P, Mg, Ca und La ausgewählt ist, und eine Konzentration von jedem des mindestens einen Elements 1 bis 200 Masse-ppm relativ zum gesamten Draht beträgt.
Bonddraht für ein Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Cu an einer äußersten Oberfläche des Bonddrahts vorhanden ist.