DE19733954A1 - Feinstdraht aus einer Goldlegierung, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung - Google Patents

Feinstdraht aus einer Goldlegierung, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

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DE19733954A1
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Guenther Dr Herklotz
Juergen Reuel
Lutz Schraepler
Christoph Dr Simons
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WC Heraus GmbH and Co KG
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Die Erfindung betrifft einen Feinstdraht aus einer Gold-Platin-Seltenerdmetall-Legierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen.
Zum Kontaktieren - Bonden - von Halbleiterbauelementen geeignete Drähte - auch als Bond­ drähte bezeichnet - müssen gute elektrische Eigenschaften besitzen und gute mechanische Fe­ stigkeitswerte aufweisen. Der Durchmesser der Drähte kann etwa 10-200 Mikrometer betragen und liegt üblicherweise bei etwa 20-60 Mikrometer; er wird dem Anwendungszweck entspre­ chend gewählt.
Die Bonddrähte bestehen häufig aus Gold hoher Reinheit oder aus seltenerdmetallhaltigen Goldlegierungen.
So ist zum Beispiel aus DE 16 08 161 C die Verwendung einer Legierung aus Gold und 0,001-0,1% eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, besonders in Form von Cer-Mischmetall, oder Yttrium zur Herstellung von Zuführungsdrähten in integrierten Schaltungen bekannt. Diese Legierung des Goldes mit geringen Mengen an Seltenerdmetallen oder Yttrium besitzt bei Er­ wärmungstemperaturen bis zu 500°C ein wesentlich verbessertes Festigkeits- und Dehnungs­ verhalten, ohne daß andere Eigenschaften des Goldes, wie Härte, chemische Beständigkeit oder elektrischer Widerstand, wesentlich beeinflußt werden.
Gold-Seltenerdmetall-Legierungen für Bonddrähte werden auch in DE 32 37 385 A (US 4885 135), DE 39 36 281 A (US 4 938 923), JP 5-179375 A, JP 5-179376 A, JP 6-112258 A, EP 0 743 679 A und EP 0 761 831 A beschrieben.
DE 32 37 385 A betrifft einen Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit aus einer Goldle­ gierung mit 0,0003-0,01 Gewichts-% Seltenerdmetall, besonders Cer, und gegebenenfalls zu­ sätzlich noch Germanium, Beryllium und/oder Calcium.
DE 39 36 281 A beschreibt einen Golddraht für das Verbinden einer Halbleitervorrichtung aus Gold hoher Reinheit, legiert mit geringen Mengen Lanthan, Beryllium, Calcium und Elementen der Platingruppe, besonders Platin und/oder Palladium.
JP 5-179375 A und JP 5-179376 A beziehen sich auf Feingoldlegierungsdrähte zum Bonden, die aus Gold hoher Reinheit und 0,0003-0,005 Gewichts-% Aluminium beziehungsweise Galli­ um, 0,0003-0,003 Gewichts-% Calcium und 0,0003-0,003 Gewichts-% Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym, Dysprosium und/oder Beryllium bestehen.
Der aus JP 6-112258 A, referiert in Chemical Abstracts Vol. 121, 89287m, bekannte Bonddraht besteht aus einer Gold-Legierung mit 1-30% Platin und 0,0001-0,05% Scandium, Yttrium und/oder Seltenerdmetall und gegebenenfalls 0,0001-0,05% Beryllium, Calcium, Germanium, Nickel, Eisen, Kobalt und/oder Silber.
In EP 0 743 679 A wird ebenfalls ein Bonddraht aus einer platinhaltigen Gold-Seltenerdmetall- Legierung vorgeschlagen. Die Legierung besteht aus Gold und geringen Mengen Platin (0-0001-0,005 Gewichts-%), Silber, Magnesium und Europium und kann zum Beispiel noch Cer in einer Menge von 0,0001-0,02 Gewichts-% enthalten.
In EP 0761 831 A wird ein Feindraht aus einer Platin und/oder Palladium enthaltenden Gold-Sel­ tenerdmetall-Legierung beschrieben. Die Legierung besteht aus 0,1-2,2 Gewichts-% Platin und/oder Palladium, 0,0001-0,005 Gewichts-% Beryllium, Germanium, Calcium, Lanthan, Yttrium und/oder Europium, Rest Gold. Der Draht wird durch Schmelzen der die Legierung bil­ denden Elemente in einem Tiegel, von unten nach oben fortschreitender Kühlung der in dem Tiegel befindlichen Legierungsschmelze zu einem Gußstück (ingot) und anschließendes Wal­ zen, Ziehen und Glühen hergestellt. Er weist eine Dehnung von 3-8% und einen Young-Modul von 6800-9000 kgf/mm2 auf.
Bei der Auswahl von Bonddrähten wird neben speziellen chemischen und physikalischen Eigen­ schaften insbesondere auch eine möglichst hohe Festigkeit bei gegebener Dehnung gefordert.
Ausgehend von DE 16 08 161 C, liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Feinstdraht der eingangs charakterisierten Art aus einer seltenerdmetallhaltigen Gold-Legierung zu finden, der ein möglichst gutes Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis besitzt. Außerdem soll ein Verfahren angegeben werden, das eine kontinuierliche Herstellung des Feinstdrahtes in wirt­ schaftlich vorteilhafter Weise ermöglicht. Der Feinstdraht soll sowohl zum Drahtbonden als auch zur Herstellung von sogenannten Ball-Bumps für die Flip-Chip-Technik, wie sie zum Beispiel in DE 44 42 960 C beschrieben wird, geeignet sein.
Im Sinne der Erfindung werden unter "Seltenerdmetall" Lanthan (Ordnungszahl 57) und die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente Cer (Ordnungszahl 58) bis Lutetium (Ordnungszahl 71), in der Fachliteratur auch als "Elemente der Lanthanreihe" bezeichnet, verstanden.
Der die Lösung der Aufgabe darstellende Feinstdraht aus einer Gold-Platin-Seltenerdmetall- Legierung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Platin-Seltenerdmetall- Legierung aus 0,05-0,95 Gewichts-% Platin, 0,001-0,1 Gewichts-% Seltenerdmetall, 0-0,1 Gewichts-% Erdalkalimetall, Rest Gold und das Seltenerdmetall zu mindestens 50 Gewichts-% aus Cer besteht.
Besonders bewährt hat sich der Feinstdraht, wenn der Platin-Gehalt der Gold-Platin-Seltenerd­ metall-Legierung 0,25-0,9 Gewichts-% beträgt. Günstigerweise liegt der Seltenerdmetall-Gehalt bei 0,001-0,01 Gewichts-% und der Erdalkalimetall-Gehalt bei 0,0001-0,01 Gewichts-%.
Das Seltenerdmetall besteht bevorzugt aus Cer oder einer Mischung aus Cer und einem oder mehreren der Seltenerdmetalle mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71. Als besonders geeig­ net hat sich Cer-Mischmetall erwiesen. Als Cer-Mischmetall wird üblicherweise eine Mischung mit 50-60% Cer, 25-30% Lanthan, 10-15% Neodym, 4-6% Praseodym und 1% Eisen sowie geringen Anteilen weiterer Seltenerdmetalle bezeichnet (Römpp Chemie Lexikon, Georg Thieme Verlag Stuttgart - New York, Band 1, 10. Auflage (1996), 647).
Der erfindungsgemäße Feinstdraht mit für Bonddrähte üblichem Durchmesser besitzt alle für den Einsatz zum Bonden erforderlichen Eigenschaften. Er zeichnet sich besonders durch seine - bezogen auf die Dehnung - sehr gute Festigkeit aus. Überraschenderweise führt die erfin­ dungsgemäße Auswahl von Art und Menge der Legierungsbildner Seltenerdmetall und Platingruppenmetall beziehungsweise Seltenerdmetall, Platingruppenmetall und Erdalkalimetall zu dem sehr günstigen Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis des Feinstdrahtes, das wesentlich zu der sehr guten Qualität der Bondverbindungen beiträgt.
In der Figur wird die Festigkeit (Zugfestigkeit) [MPa] einiger Feinstdrähte gemäß der Erfindung (Beispiele 1-5) und - zum Vergleich - eines bekannten Feinstdrahtes (Beispiel 6) in Abhängig­ keit von der Dehnung (Bruchdehnung) [%] dargestellt. Die Feinstdrähte gemäß der Erfindung besitzen bei gegebener Dehnung eine höhere Festigkeit.
Der erfindungsgemäße Feinstdraht kann aufgrund seiner günstigen Eigenschaften mit besonde­ rem Vorteil zum Drahtbonden, auch für das sich in Entwicklung befindende Hochfrequenz-Bon­ den, und zur Herstellung der Kontakthügel von Flip-Chips eingesetzt werden.
Die Lösung der Aufgabe besteht weiterhin in einem Verfahren zur Herstellung eines Feinstdrah­ tes zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen aus einer Gold-Platin-Seltenerdmetall-Le­ gierung, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Gold-Platin-Seltenerdme­ tall-Legierung aus 0,05-0,95 Gewichts-% Platin, 0,001-0,1 Gewichts-% Seltenerdmetall, 0-0,1 Gewichts-% Erdalkalimetall, Rest Gold, wobei das Seltenerdmetall zu mindestens 50 Gewichts-% aus Cer besteht, erschmolzen, die geschmolzene Legierung zu einem Strang vergossen, der Strang zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser gezogen und der Draht geglüht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich besonders bewährt, wenn die geschmolzene Legie­ rung zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen und der Draht bei etwa 300-700°C geglüht wird. Durch das Glühen erhält der zunächst ziehharte Draht die erforderli­ che Dehnung. Das Erschmelzen und Vergießen der Legierung kann an Luft, unter Schutzgas, zum Beispiel Argon, oder im Vakuum erfolgen.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Erschmelzen einer Gold-Platin-Sel­ tenerdmetall-Legierung mit einem Platin-Gehalt von 0,25-0,9 Gewichts-%; ein Seltenerdmetall- Gehalt von 0,001-0,01 Gewichts-% und ein Erdalkalimetall-Gehalt von 0,0001-0,01 Gewichts-% haben sich als sehr günstig erwiesen.
Als Seltenerdmetall wird besonders Cer oder eine Mischung aus Cer und einem oder mehreren Seltenerdmetallen mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71 eingesetzt, letztere vorzugsweise in Form von handelsüblichem Cer-Mischmetall.
Als Erdalkalimetall kann Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Elemente eingesetzt werden. Besonders bewährt hat sich eine Mi­ schung aus Beryllium und Calcium, wobei eine aus etwa 50 Gewichts-% Beryllium und etwa 50 Gewichts-% Calcium bestehende Mischung bevorzugt wird.
Es kann von Vorteil sein, eine Legierung zu erschmelzen, in der das Platin teilweise oder voll­ ständig durch Palladium ersetzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich besonders dadurch aus, daß es kontinuierlich zu führen ist und Verfahrensprodukte - gegossener Strang und gezogener Draht - mit sehr gleichmäßiger und gleichbleibender Qualität liefert.
Zur näheren Erläuterung werden in den folgenden Beispielen Feinstdrähte und ihre Herstellung gemäß der Erfindung (Beispiele 1-5) und - zum Vergleich - ein Feinstdraht gemäß dem aus DE 16 08 161 C bekannten Stand der Technik (Beispiel 6) beschrieben. Die Feinstdrähte werden durch ihre Dehnung (Bruchdehnung) [%] und Festigkeit (Zugfestigkeit) [MPa] charakterisiert. Das in den Beispielen eingesetzte Cer-Mischmetall ist ein Handelsprodukt mit einem Cer-Gehalt von über 50 Gewichts-%.
Beispiel 1 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,25 Gewichts-% Platin und 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall
Die Schmelze einer Legierung aus 0,25 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikro­ meter gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] werden in der Tabelle I angegeben.
Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,026 Ohm mm2/m.
Tabelle 1
Beispiel 2 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,5 Gewichts-% Platin und 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall
Die Schmelze einer Legierung aus 0,5 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikro­ meter gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] werden in der Tabelle II angegeben.
Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,028 Ohm mm2/m.
Tabelle II
Beispiel 3 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,75 Gewichts-% Platin und 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall
Die Schmelze einer Legierung aus 0,75 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikro­ meter gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] werden in der Tabelle III angegeben.
Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,031 Ohm mm2/m.
Tabelle III
Beispiel 4 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,9 Gewichts-% Platin und 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall
Die Schmelze einer Legierung aus 0,9 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall und Gold als Rest wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 25 Mikro­ meter und ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und jeder Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] werden in der Tabelle IV angegeben.
Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,032 Ohm mm2/m.
Tabelle IV
Beispiel 5 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,9 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer- Mischmetall, 0,001 Gewichts-% Beryllium und 0,001 Gewichts-% Calcium
Die Schmelze einer Legierung aus 0,9 Gewichts-% Platin, 0,003 Gewichts-% Cer-Mischmetall, 0,001 Gewichts-% Beryllium, 0,001 Gewichts-% Calcium und Gold als Rest wird in einer Strang­ gußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und je nach zu erzie­ lender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] werden in der Tabelle V angegeben.
Tabelle V
Beispiel 6 (Vergleich) Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit Cer-Mischmetall gemäß DE 16 08 161 C
Die Schmelze einer Legierung aus Gold und Cer-Mischmetall wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 25 Mikrometer und ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und jeder Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [MPa] wer­ den in der Tabelle V angegeben.
Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,024 Ohm mm2/m.
Tabelle VI

Claims (23)

1. Feinstdraht aus einer Gold-Platin-Seltenerdmetall-Legierung zum Kontaktieren von Halb­ leiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Platin-Seltenerdmetall- Legierung aus 0,05-0,95 Gewichts-% Platin, 0,001-0,1 Gewichts-% Seltenerdmetall, 0-0,1 Gewichts-% Erdalkalimetall, Rest Gold und das Seltenerdmetall zu mindestens 50 Gewichts-% aus Cer besteht.
2. Feinstdraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Platin-Gehalt der Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung 0,25-0,9 Gewichts-% beträgt.
3. Feinstdraht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Seltenerdmetall- Gehalt der Gold-Platin-Seltenerdmetall-Legierung 0,001-0,01 Gewichts-% beträgt.
4. Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdalka­ limetall-Gehalt der Gold-Platin-Seltenerdmetall-Legierung 0,0001-0,01 Gewichts-% beträgt.
5. Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sel­ tenerdmetall Cer ist.
6. Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sel­ tenerdmetall eine Mischung aus Cer und einem oder mehreren der Seltenerdmetalle mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71 ist.
7. Feinstdraht nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall Cer- Mischmetall ist.
8. Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdal­ kalimetall eine Mischung aus Beryllium und Calcium ist.
9. Feinstdraht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Platin teilweise oder vollständig durch Palladium ersetzt ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Platin-Seltenerdmetall-Le­ gierung zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold-Platin-Seltenerdmetall-Legierung aus 0,05-0,95 Gewichts-% Platin, 0,001-0,1 Gewichts-% Seltenerdmetall, 0-0,1 Gewichts-% Erdalkali­ metall, Rest Gold, wobei das Seltenerdmetall zu mindestens mit 50 Gewichts-% aus Cer besteht, erschmolzen, die geschmolzene Legierung zu einem Strang vergossen, der Strang zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser gezogen und der Draht geglüht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Legierung zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold-Platin-Sel­ tenerdmetall-Legierung mit einem Platin-Gehalt von 0,25-0,9 Gewichts-% erschmolzen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung mit einem Seltenerdmetall-Gehalt von 0,001-0,01 Ge­ wichts-% erschmolzen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung mit einem Erdalkalimetall-Gehalt von 0,0001-0,01 Ge­ wichts-% erschmolzen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung mit Cer als Seltenerdmetall erschmolzen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung, in der das Seltenerdmetall eine Mischung aus Cer und einem oder mehreren Seltenerdmetallen mit den Ordnungszahlen 57 und 59 bis 71 ist, er­ schmolzen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold-Platin-Seltenerdme­ tall-Legierung mit Cer-Mischmetall als Seltenerdmetall erschmolzen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung, die als Erdalkalimetall eine Mischung aus Beryllium und Calcium enthält, erschmolzen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gold- Platin-Seltenerdmetall-Legierung erschmolzen wird, in der das Platin teilweise oder voll­ ständig durch Palladium ersetzt ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht bei 300-700°C geglüht wird.
21. Verwendung des Feinstdrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Drahtbonden.
22. Verwendung nach Anspruch 21 zum Drahtbonden unter Hochfrequenz-Anwendung.
23. Verwendung des Feinstdrahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Verbinden von Halbleiterbauelementen in Flip-Chip-Technik.
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