DE3237385C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen, der zum Verbinden von Drähten einer Halbleitervorrichtung an einen Zuleitungsrahmen geeignet ist.
Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie Transistoren, ICs und LSIs werden Elektroden an äußere Zuleitungen mittels Golddrähten verbunden. Halbleitervorrichtungen werden typischerweise mittels der folgenden Stufen hergestellt:
  • (a) Herstellung eines Zuleitungsmaterials aus einem Streifen aus Cu oder einer Cu-Legierung oder Ni oder einer Nickellegierung mit einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm;
  • (b) Ausstanzen eines Zuleitungsrahmens entsprechend der herzustellenden Halbleitervorrichtung;
  • (c) Anbringen von hochreinen Si- oder Ge-Halbleiterelementen an ausgewählte Flächen des Zuleitungsrahmens durch Thermokompression mit enem elektrisch leitenden Harz wie einer AG-Paste oder durch Plattieren von Au, Ag, Ni oder deren Legierungen, die an der Oberfläche des Zuleitungsmatrials gebildet sind,
  • (d) Verbinden der Halbleiterelemente an den Zuleitungsrahmen mittels Golddrähten (dies ist eine Verbindungsstufe);
  • (e) Umhüllen der Halbleiterelemente der Golddrähte und des Zuleitungsrahmens, an den die Halbleiterelemente gebunden wurden und mit einer plastischen Schutzhülle;
  • (f) Entfernen von unnötigen Teilen von dem Zuleitungsrahmen unter Bildung von einzelnen Zuleitungen und
  • (g) Aufbringen eines Lötmaterials an die Beine der Zuleitungen, um dadurch eine Verbindung der Halbleitervorrichtung an das Substrat zu ermöglichen.
Bei der Bindungsstufe (d) wird der Golddraht manuell an den geeigneten Stellen des Halbleiterelementes und des Zuleitungsrahmens (der bei 150 bis 300°C gehalten wird) fixiert. Dabei wird zunächst der Golddraht an seinen Spitzen in einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme oder durch elektrische Einrichtungen erhitzt, so daß er eine Kugel bildet, die dann gegen den Halbleiter gepreßt wird, und dann wird eine Verlängerung des Golddrahtes gegen einen Punkt an dem Zuleitungsrahmen, an den er fixiert werden soll, gepreßt, und der Draht wird dann abgeschnitten, womit der Verbindungszyklus beendet ist. Das so abgeschnittene Ende wird dann die Spitze, die als der Punkt dient, der gegen den nächsten Verbindungspunkt des Halbleiters im nachfolgenden Verbindungszyklus gepreßt wird.
Da man mit hohen Geschwindigkeiten und höher integrierte Stromkreise verbinden möchte, sind feinere und festere Golddrähte erforderlich. Die derzeit verwendeten Drähte bestehen aus reinem Gold, das eine verhältnismäßig niedrige Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen hat und das man nicht zu einem kleineren Durchmesser von 0,05 mm oder weniger ohne häufigen Bruch des Drahtes verziehen kann, und selbst wenn man Gold zu Drähten dieser Feinheit verzieht, dann brechen diese häufig während der Verbindungsstufe. Wegen des niedrigen Erweichungspunktes von reinem Gold rekristallisieren die Kristallkörner des mit einer Flamme oder durch die elektrische Vorrichtung geschnittenen Drahtes und werden größer und brüchiger, und wenn man dann die Goldkugel bei 150 bis 300°C preßt, erweicht der gebundene Draht und deformiert die Drahtschleife, welche die Halbleiterelemente und den Zuleitungsrahmen verbindet, wodurch dann ein Kurzschluß eintreten kann. Der reine Golddraht hat auch keine ausreichende Bindungsfestigkeit gegenüber den Halbleiterelementen und dem Zuleitungsdraht.
Aus der DE-AS 16 08 161 sind Zuführungsdrähte für integrierte Schaltungen bekannt, die aus einer Goldlegierung mit 0,001 bis 0,1% Seltenen Erden mit der Ordnungszahl 57-71, einzeln oder zu mehreren, und Gold als Rest bestehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, diese Probleme, die beim Verbinden von Drähten aus reinem Gold auftreten, zu vermeiden, und einen Feingoldlegierungsdraht zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Bindungsfestigkeit aufweist und einen ausreichend hohen Erweichungspunkt hat, so daß die Bildung von brüchigen groben Kristallkörnern aufgrund einer Rekristallisation und das Vorliegen einer deformierten Schleife vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit zum Verbinden von Halbleiterelementen gelöst aus 0,0003 bis 0,010 Gew.-% wenigstens eines Elements der Seltenen Erden, ausgewählt aus der Gruppe: La, Ce, Pr, Nd und Sm, Rest Gold und zufällige Verunreinigungen, der sich dadurch auszeichnet, daß er als zusätzliche Komponente 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Ge oder 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Be oder 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Ca enthält, wobei ein Teil des Ge oder Be durch Ca ersetzt sein kann.
Die Wichtigkeit der Komponenten in den Zusammensetzungen wird nachfolgend erläutert.
  • (a) Seltene Erden
    Die Seltenen Erden La, Ce, Pr, Nd und Sm sind untereinander äquivalent in bezug auf ihre Fähigkeit, die Zugfestigkeit des Drahtes bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen zu erhöhen. Beträgt ihr Gehalt weniger als 0,0003 Gew.-%, so kann man die gewünschte Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen nicht erzielen, und übersteigt der Gehalt 0,010 Gew.-%, so wird der Draht brüchig und kann nicht auf kleinere Größen glatt verzogen werden. Deshalb liegt bei der vorliegenden Erfindung der Gehalt von Seltenen Erdelementen zwischen 0,0003 und 0,010 Gew.-%.
  • (b) Ge, Be und Ca
    Diese Elemente sind untereinander äquivalent, wenn man sie mit den Seltenen Erdelementen der Cergruppe kombiniert, und man erzielt mit ihnen die folgenden Vorteile: Sie erhöhen den Erweichungspunkt des Drahtes und vermeiden dadurch, daß dieser während der Verbindungsstufe brüchig wird, und sie vermeiden die Bildung einer deformierten Schleife; sie ergeben eine Erhöhung der Bindungsfestigkeit, und sie erhöhen außerdem auch die Zugfestigkeit des Drahtes bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen. Beträgt der Gehalt an diesen Elementen weniger als 0,0001 Gew.-%, so kann man die beabsichtigten Effekte nicht erzielen, und übersteigt ihr Gehalt 0,0060 Gew.-%, so wird der Draht brüchig und kann nicht ohne Schwierigkeiten auf kleine Größe verzogen werden, und darüber hinaus findet häufig an den Korngrenzen ein Bruch statt, wenn man den Draht auf die Verbindungstemperaturen erhitzt. Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung der Gehalt an Ge, Be und Ca auf den Bereich von 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% begrenzt.
Beispiele
Es wurden Goldlegierungsschmelzen der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen durch übliche Schmelzverfahren hergestellt. Die Schmelzen wurden zu Barren vergossen, die dann in einem üblichen Walzwerk mit Riffelwalzen gewalzt und zu feinen Drahtproben 1 bis 120 mit einem Durchmesser von 0,025 mm gemäß der vorliegenden Erfindung verzogen wurden. Die Drahtproben wurden bei Raumtemperatur auf Zugfestigkeit und bei hohen Temperaturen auf Zugfestigkeit geprüft, wobei die Bedingungen der Verbindungsstufe simuliert wurden (Temperatur: 250°C, Wendezeit: 30 s). Die Ergebnisse der einzelnen Versuche sind in Tabelle 1 angegeben. Proben 1 bis 64 wurden dann zum Verbinden von Halbleiterelementen an einen Zuleitungsrahmen verwendet, und die Bindungsfestigkeit und das Vorhandensein einer deformierten Drahtschleife wurde untersucht. Die Ergebnisse werden auch in Tabelle 1 gezeigt. Die gleichen Versuche wurden mit einem Draht aus reinem Gold durchgeführt, und zu Vergleichszwecken werden die Ergebnisse auch in Tabelle 1 gezeigt.
Die Daten der Tabelle 1 zeigen, daß die erfindungsgemäßen Goldlegierungsdrahtproben höhere Zugfestigkeiten sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen haben als ein Draht aus reinem Gold, und daß solche Drähte auch den Vorteil haben, daß sie eine merklich erhöhte Bindungsfestigkeit aufweisen und keine deformierte Schleife bilden. Wegen dieser Vorteile kann man die erfindungsgemäßen Goldlegierungsdrähte auf kleinere Durchmesser von 0,05 mm oder weniger verziehen und sie für Verbindungszwecke verwenden, ohne daß ein Bruch eintritt. Durch die Mitverwendung von Ge, Be oder Ca wird der Erweichungspunkt des Drahtes noch erhöht, und dadurch kann ein Brüchigwerden (aufgrund der Bildung von groben Körnern) oder das Auftreten einer deformierten Schleife vermieden werden, und man erzielt eine höhere Verbindungsfestigkeit zwischen den Halbleiterelementen und dem Zuleitungsrahmen. Deshalb ist die vorliegende Erfindung sehr gut geeignet, um eine schnellere Verbindung bei der Herstellung von hochintegrierten Schaltkomponenten zu erzielen.

Claims (8)

1. Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit zum Verbinden von Halbleiterelementen aus 0,0003 bis 0,010 Gew.-% wenigstens eines Elementes der Seltenen Erden, ausgewählt aus der Gruppe: Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Samarium, Rest Gold und zufällige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß er als zusätzliche Komponente 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Germanium enthält.
2. Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit zum Verbinden von Halbleiterelementen aus 0,0003 bis 0,010 Gew.-% wenigstens eines Elementes der Seltenen Erden, ausgewählt aus der Gruppe: Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Samarium, Rest Gold und zufällige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß er als zusätzliche Komponente 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Beryllium enthält.
3. Feingoldlegierungsdraht mit hoher Zugfestigkeit zum Verbinden von Halbleiterelementen aus 0,0003 bis 0,010 Gew.-% wenigstens eines Elementes der Seltenen Erden, ausgewählt aus der Gruppe: Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Samarium, Rest Gold und zufällige Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß er als zusätzliche Komponente 0,0001 bis 0,0060 Gew.-% Calcium enthält.
4. Feingoldlegierungsdraht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zusätzlich inkorporierten Germaniums durch Beryllium ersetzt ist.
5. Feingoldlegierungsdraht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zusätzlich inkorporierten Germaniums durch Calcium ersetzt ist.
6. Feingoldlegierungsdraht gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zusätzlich inkorporierten Berylliums durch Calcium ersetzt ist.
7. Feingoldlegierungsdraht gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Berylliums, das zum Teil durch zusätzlich inkorporiertes Germanium ersetzt wurde, weiter durch Calcium ersetzt wird.
8. Verwendung eines Feingoldlegierungsdrahtes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Verbinden von Halbleiterelementen.
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