DE19821395C2 - Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer nickelhaltigen Gold-Legierung - Google Patents

Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer nickelhaltigen Gold-Legierung

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer Nickel enthaltenden Gold-Legierung zum Kon­ taktieren von Halbleiterbauelementen.

Zum Kontaktieren - Bonden - von Halbleiterbauelementen geeignete Drähte - auch als Bond­ drähte bezeichnet - müssen gute elektrische Eigenschaften besitzen und gute mechanische Festigkeitswerte aufweisen. Der Durchmesser der Drähte kann etwa 10-200 Mikrometer betra­ gen und liegt üblicherweise bei etwa 20-60 Mikrometer; er wird dem Anwendungszweck ent­ sprechend gewählt.

Die Bonddrähte bestehen häufig aus Gold hoher Reinheit oder neuerdings auch aus Gold-Le­ gierungen. Letztere besitzen den Vorteil einer höheren Festigkeit und, wenn sie nur eine gerin­ ge Menge an Legierungsbildnern enthalten, einer gegenüber reinem Gold nur geringfügig ver­ ringerten elektrischen Leitfähigkeit.

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 deutlich verbessertes Festigkeits- und Dehnungsver­ halten, 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 4 885 135), DE 39 36 281 A (US 4 938 923), 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 Gold- Legierung mit 0,0003-0,01 Gewichts-% Seltenerdmetall, besonders Cer, und gegebenenfalls zusätzlich 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.

Der aus JP 6-112258 A, referiert in Chemical Abstracts Vol. 121, 89287 m, 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 0 761 831 A wird ein Feindraht aus einer Platin und/oder Palladium enthaltenden Gold- Seltenerdmetall-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 Gußbarren und anschließendes Walzen, Ziehen und Glühen hergestellt. Er weist eine Dehnung von 3-8% und einen Young-Modul von 6800-9000 kgf/mm2 auf.

Aus JP 52-051867 A sind Bonddrähte aus Gold und 0,004-0,5 Gewichts-% mindestens eines der Metalle Nickel, Eisen, Kobalt, Chrom und Silber bekannt. Die Bonddrähte mit einem Durch­ messer von 30 Mikrometer besitzen gute Bondeigenschaften und - verglichen mit Bonddrähten aus reinem Gold - eine verbesserte Festigkeit. Nickel in einer Menge von 0,004 Gewichts-% be­ wirkt bei einer Dehnung von 6% eine Festigkeit von 13 kg/mm2 (130 N/mm2) und in einer Men­ ge von 0,5 Gewichts-% bei einer Dehnung von 14% eine Festigkeit von 24 kg/mm2 (240 N/mm2). Höhere Nickel-Mengen sollen die mechanischen Eigenschaften verringern; so wird für einen Bonddraht aus einer Gold-Legierung mit 0,6 Gewichts-% Nickel bei einer Dehnung von 5% eine Festigkeit von nur noch 10 kg/mm2 (100 N/mm2) angegeben. Die Herstellung der Bonddrähte wird in JP 52-051867 A nicht beschrieben.

In DD 201 156 werden Gold-Silber-Legierungen für bondfähige Mikrodrähte vorgeschlagen, die als Zusätze Kupfer, Nickel und/oder Kobalt in Konzentrationen von ≦ 5 Masse-% und Eisen, Aluminium, Palladium, Platin, Antimon, Bismut, Germanium, Arsen als übliche Verunreinigungen (nicht über 100 ppm) enthalten. Die Legierungen werden im Vakuuminduktionsofen erschmol­ zen und zu Gußbolzen vergossen. An das nachfolgende Strangpressen der Gußbolzen schließt sich eine Kaltverformung im Direktzug bis auf Enddurchmesser (25-30 Mikrometer) mit ent­ sprechenden Wärmebehandlungen an.

Aus DE-AS 11 69 140, in der Beschreibung, Seite 3, 3. Absatz, ist die Verwendung einer Gold- Nickel-Legierung mit einem Nickel-Gehalt von 1-20% als Werkstoff zur Herstellung von Schwachstromkontakten für Schaltkreise, die bei einer bestimmten Selbstinduktion die geringst mögliche Materialwanderung aufweisen, bekannt (Anspruch 1). Die Legierung kann zur Erhö­ hung der Rekristallisationstemperatur weitere Elemente enthalten (Anspruch 3). Dieser Verwen­ dung einer Gold-Nickel-Legierung liegt nach Spalte 2, Zeile 48-52, die Erkenntnis zugrunde, daß die Materialwanderung auch von den Selbstinduktionswerten der Schaltkreise abhängt, in die Schalter unter Verwendung der Legierung als Kontaktwerkstoff eingebaut sind. Schaltende Kontakte müssen beim Schaltvorgang den elektrischen Strom von einem Schaltstück auf das andere übertragen, vor und nach dem Schalten aber den Stromfluß vollständig unterbrechen. Ein zuverlässiges Öffnen schaltender Kontakte, das heißt das Unterbrechen des Stromkreises, erfordert Kontaktwerkstoffe ohne oder mit nur geringer Kaltverschweißneigung.

FR 883 104 betrifft eine Spinndüse aus einer Gold-Nickel-Legierung, die 1-15% Nickel und zu­ sätzlich Kobalt, Aluminium, Magnesium, Cadmium und/oder Niob enthält.

Aus US 2,947,623 sind Berstscheiben aus einer Legierung aus 99,0-99,9% Gold oder Silber und mindestens zwei weiteren Metallen - Platin, Iridium, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Kup­ fer, Eisen, Nickel, Calcium, Mangan, Blei, Zinn, Zink und Antimon - bekannt.

In DE-OS 28 03 949 werden feinkörnige Gold-Legierungen für Schmuck und Gebrauchsgegen­ stände beschrieben. Nach Anspruch 1 enthalten die Legierungen neben Gold gebräuchliche Metalle, wie Kupfer, Silber, Nickel u. a. noch bis zu 0,5% Barium und/oder Zirkonium und nach Seite 5, 2. Absatz, Zeilen 1 und 2, geringe Zusätze von Barium, Zirkonium und Molybdän. Diese Zusätze ermöglichen nach Seite 5, Zeilen 8 und 7 von unten, auch eine wesentlich verbesserte Herstellung von Draht (ein Drahtdurchmesser wird in DE-OS 28 03 949 nicht angegeben).

Aus DE-PS 16 08 161, in der Beschreibung, Seite 1, letzter Absatz, ist die Verwendung einer Gold-Legierung mit 0,001-0,1% Seltenerdmetallen oder Yttrium zur Herstellung von Gegen­ ständen, wie Zuführungsdrähten in integrierten Schaltungen, bekannt.

DD 201 156, in der Beschreibung, Seite 3, 2. Absatz, werden Gold-Silber-Legierungen für bond­ fähige Mikrodrähte vorgeschlagen, die als Zusätze Kupfer, Nickel und/oder Kobal in Konzentra­ tionen von < 5 Masse-% und Eisen, Aluminium, Palladium, Platin, Antimon, Bismut, Germanium, Arsen als übliche Verunreinigungen (nicht über 100 ppm) enthalten. Zur Herstellung der Mikro­ drähte werden die Legierungen zunächst im Vakuuminduktionsofen erschmolzen und zu Guß­ bolzen vergossen. An das nachfolgende Strangpressen der Gußbolzen schließt sich eine Kalt­ verformung im Direktzug bis auf Enddurchmesser (25-30 Mikrometer) mit entsprechenden Wärmebehandlungen (Schlußglühung bei 150-850°C) an.

Gold-Nickel-Legierungen sind auch für andere Anwendungszwecke bekannt. So lehrt zum Bei­ spiel die deutsche Auslegeschrift 1 169 140 die Verwendung einer Gold-Nickel-Legierung mit 1-20 Gewichts-% Nickel als Werkstoff für die Herstellung von Schwachstromkontakten für Schaltkreise mit im Bereich von 10-7 bis 10-4 Henry liegender Selbstinduktion. Die Gold-Nickel- Legierung kann zur Erhöhung der Rekristallisationstemperatur zusätzlich noch Silber, Platin, Palladium, Zirkonium, Kupfer, Kobalt, Eisen, Chrom und/oder Mangan enthalten.

Ausgehend von JP 52-051867 A liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Feinstdraht aus einer Nickel enthaltenden Gold-Legierung zu finden, der ein gutes Festig­ keits/Dehnungs-Verhältnis besitzt und 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 ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Verwendungen eines Feinstdrahtes aus einer Legierung, die aus Gold und 0,6-2 Gewichts-% Nickel besteht, zum Kontaktieren von Halblei­ terbauelementen durch Drahtbonden oder zum Verbinden von Halbleiterbauelementen in Flip-Chip-Technik.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe außerdem gelöst durch Verwendungen eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung aus 0,1-2 Gewichts-% Nickel, 0,0001-0,1 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe der Erdalkalimetalle und Seltenerdmetalle, Rest Gold, zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen durch Drahtbonden oder zum Verbinden von Halblei­ terbauelementen in Flip-Chip-Technik. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Verwendung des Feinstdrahtes zum Drahtbonden unter Hochfrequenzanwendung vorteilhaft, da sich die­ se in der Praxis bewährt hat. Weiterhin hat sich die erfindungsgemäße Verwendung eines Feinstdrahtes bewährt, wenn die Gold-Legierung zusätzlich 0,1-1,0 Gewichts-% Platin und/­ oder Palladium enthält.

Besonders bewährt hat sich die Verwendung eines Feinstdrahtes, wenn der Nickel-Gehalt der Gold-Legierung 0,7 bis 1,5 Gewichts-% beträgt. Der Erdalkalimetall- und/oder Seltenerdmetall- Gehalt der Gold-Legierung liegt vorzugsweise bei 0,001-0,01 Gewichts-%.

Im Sinne der Erfindung werden unter "Erdalkalimetall" Beryllium, Magnesium, Calcium, Barium und Strontium, 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.

Das Erdalkalimetall besteht bevorzugt aus Beryllium, Magnesium und/oder Calcium.

Das Seltenerdmetall besteht bevorzugt aus Cer. Als besonders geeignet hat sich Cer-Mischme­ tall 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 wei­ terer Seltenerdmetalle bezeichnet (Römpp Chemie Lexikon, Georg Thieme Verlag Stuttgart - New York, Band 1, 10. Auflage (1996), 647).

Der erfindungsgemäß zu verwendete Feinstdraht mit für Bonddrähte üblichem Durchmesser besitzt alle für den Einsatz zum Bonden erforderlichen Eigenschaften. Er zeichnet sich besonders durch seine günstige elektrische Leitfähigkeit (siehe Tabelle V), gemessen als spezifischer elektrischer Wi­ derstand, und seine - bezogen auf die Dehnung - sehr gute Festigkeit (siehe Figur) aus. Das gute Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis des Feinstdrahtes trägt wesentlich zu der sehr guten Qualität der Bondverbindungen bei.

Überraschenderweise führt die Legierungsbildung des Goldes mit Nickel bzw. mit Nickel und Erdalkalimetall und/oder Seltenerdmetall in den beanspruchten Mengen zu der höheren Festig­ keit des erfindungsgemäß zu verwendenden Feinstdrahtes, verglichen mit der von Drähten aus unlegiertem Gold und aus Gold-Nickel-Legierungen gemäß JP 52-051867 A. Besonders überraschend ist auch, daß durch das Zulegieren von Erdalkalimetall und/oder Seltenerdmetall eine starke Ver­ ringerung des Festigkeitsverlustes durch die Glühung (siehe Tabelle VI) erreicht werden kann.

In der Figur wird die Festigkeit (Zugfestigkeit) [N/mm2] zweier erfindungsgemäß zu verwendender Feinstdrähte (Beispiele 1 und 2) und - zum Vergleich - zweier Feinstdrähte (Bei­ spiele 3 und 4) mit anderer Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Dehnung (Bruchdehnung) [%] dargestellt. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Feinstdrähte besitzen bei gegebener Dehnung eine höhere Festigkeit.

In der Tabelle V werden die chemische Zusammensetzung und der spezifische elektrische Widerstand der in den Beispielen beschriebenen Feinstdrähte und zusätzlich eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung mit 0,8 Ge­ wichts-% Eisen angegeben. Die Tabelle VI zeigt die Werte für die Festigkeit der in den Beispie­ len beschriebenen Feinstdrähte im ziehharten Zustand und bei einer Dehnung von 4% und läßt den Einfluß des Beryllium- und Calcium-Zusatzes auf die Festigkeit erkennen. Beryllium und Calcium vermindern den mit der Glühung verbundenen Festigkeitsverlust.

Die Lösung der Aufgabe besteht weiterhin in der Verwendung eines obigen Feinstdrahtes, wo­ bei dieser erschmolzen, die geschmolzene Legierung zu einem Strang vergossen, der Strang zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser gezogen und der Draht geglüht wird.

Es hat sich besonders bewährt, wenn die geschmolzene Legierung zu einem Strang mit kreis­ förmigem Querschnitt vergossen, der Strang zu einem Draht gezogen 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.

Zur näheren Erläuterung werden in den folgenden Beispielen Feinstdrähte und ihre Herstellung (Beispiele 1 und 2) und - zum Vergleich - ein Feinstdraht gemäß dem aus DE 16 08 161 C be­ kannten Stand der Technik (Beispiel 3) und ein Feinstdraht aus Gold mit einer Reinheit von 99,99 Gewichts-% (Beispiel 4) beschrieben. Die Feinstdrähte werden durch ihre Dehnung (Bruchdehnung) [%], ihre Festigkeit (Zugfestigkeit) [N/mm2] und ihren spezifischen elektrischen Widerstand [Ohm mm2/m] charakterisiert.

Beispiel 1 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,8 Gewichts-% Nickel

Die Schmelze einer Legierung aus 0,8 Gewichts-% Nickel 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 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-700°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle I angegeben.

Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit einem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,045 Ohm mm2/m.

Tabelle I

Beispiel 2 Feinstdraht aus einer Gold-Legierung mit 0,8 Gewichts-% Nickel, 0,001 Gewichts-% Beryllium und 0,001 Gewichts-% Calcium

Die Schmelze einer Legierung aus 0,8 Gewichts-% Nickel, 0,001 Gewichts-% Beryllium, 0,001 Gewichts-% Calcium 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 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei et­ wa 300-700°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle II angegeben.

Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit einem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,046 Ohm mm2/m.

Tabelle II

Beispiel 3 (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 30 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzielender Dehnung bei etwa 300-600°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] ge­ messenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle III angegeben.

Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,023 Ohm mm2/m.

Tabelle III

Beispiel 4 (Vergleich) Feinstdraht aus Gold mit einer Reinheit von 99,99 Gewichts-%

Die Schmelze aus Gold mit einer Reinheit von 99,99 Gewichts-% wird in einer Stranggußanlage zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen. Anschließend wird aus dem Strang ein Draht mit einem Durchmesser von 30 Mikrometer gezogen und der Draht je nach zu erzie­ lender Dehnung bei etwa 200-500°C an Luft geglüht. Die in Abhängigkeit von der Dehnung [%] gemessenen Festigkeitswerte [N/mm2] werden in der Tabelle IV angegeben.

Der spezifische elektrische Widerstand bei Raumtemperatur, gemessen an einem Draht mit ei­ nem Durchmesser von 275 Mikrometer, beträgt 0,023 Ohm mm2/m.

Tabelle IV

Tabelle V

Tabelle VI

Claims (13)

1. Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung aus Gold und 0,6-2 Ge­ wichts-% Nickel zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen durch Drahtbonden.
2. Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung aus Gold und 0,6-2 Ge­ wichts-% Nickel zum Verbinden von Halbleiterbauelementen in Flip-Chip-Technik.
3. Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung aus 0,1-2 Gewichts-% Nic­ kel, 0,0001-0,1 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe der Erdalkali­ metalle und Seltenerdmetalle, Rest Gold zum Kontaktieren von Halbleiterbauelementen durch Drahtbonden.
4. Verwendung eines Feinstdrahtes aus einer Gold-Legierung aus 0,1-2 Gewichts-% Nic­ kel, 0,0001-0,1 Gewichts-% mindestens eines Elements aus der Gruppe der Erdalkali­ metalle und Seltenerdmetalle, Rest Gold zum Verbinden von Halbleiterbauelementen in Flip-Chip-Technik.
5. Verwendung eines Feinstdrahtes für den in Anspruch 1 oder 3 angegebenen Zweck, da­ durch gekennzeichnet, daß das Drahtbonden unter Hochfrequenzanwendung erfolgt.
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold- Legierung zusätzlich 0,1-1,0 Gewichts-% Platin und/oder Palladium enthält.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel- Gehalt der Gold-Legierung 0,7-1,5 Gewichts-% beträgt.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erdal­ kalimetall- und/oder Seltenerdmetall-Gehalt der Gold-Legierung 0,001-0,01 Gewichts-% beträgt.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdal­ kalimetall Beryllium, Magnesium und/oder Calcium ist.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sel­ tenerdmetall Cer ist.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinstdraht durch Erschmelzen der Gold-Legierung, Vergießen der geschmolzenen Legie­ rung zu einem Strang, Ziehen des Stranges zu einem Draht mit für Bondzwecke üblichem Durchmesser und Glühen des Drahtes hergestellt wurde.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Legie­ rung zu einem Strang mit kreisförmigem Querschnitt vergossen wurde.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht bei 300-700°C geglüht wurde.
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