DE3530736C2 - - Google Patents

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Tadao Sakakibara
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Mitsubishi Shindoh Co Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft ein Leitermaterial auf Kupferbasis für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen.
Halbleitervorrichtungen, wie integrierte Schaltungen ("IC"), werden im allgemeinen durch folgende, wesentlichen Verfahrensschritte hergestellt:
  • a) Herstellung eines Anschlußblechstreifens mit einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm als Metallmaterial für Anschlüsse;
  • b) Ausstanzen des Leiterblechstreifens zu einem Anschlußrahmen mit einer Form, die für die herzustellende Halbleitervorrichtung geeignet ist;
  • c) Montieren von IC-Chips auf dem Anschlußrahmen an dessen vorbestimmten Oberflächenbereichen, entweder durch Heißverbinden unter Verwendung eines leitenden Harzes, wie Ag-Paste, oder durch Thermokompressionsverbindung durch eine oder mehrere Plattierungsschichten von wenigstens einem der aus der Gruppe Au, Ag und Ni ausgewählten Metalle, welches bzw. welche zuvor auf der Oberfläche des Blechstreifens oder Anschlußrahmens abgeschieden wurden;
  • d) Verbinden der Elemente des IC-Chips mit dem Anschlußrahmen durch Drahtverbindung unter Verwendung von Au-Drähten oder dergleichen;
  • e) Einkapseln der IC-Chips, der Drahtverbindungsteile, der Oberflächenbereiche des Anschlußrahmens, auf dem die IC- Chips montiert wurden usw., durch ein Kunststoffharz oder dergleichen zum Schutz derselben; und
  • f) Zerschneiden des Anschlußrahmens längs Grenzlinien zwischen benachbarten Bereichen der Oberfläche, auf dem die IC-Chips montiert sind, um Anschlüsse der Halbleitervorrichtung zu bilden.
Leitermaterialien für Anschlüsse an Halbleitervorrichtungen müssen daher unter anderem folgende Eigenschaften aufweisen: ausgezeichnete Stanzbarkeit; genügende Wärmebeständigkeit, so daß weder Wärmespannungen noch Erweichungen durch Erhitzen auftreten, wenn IC-Chips mit dem aus dem Anschlußmaterial gestanzten Anschlußrahmen verbunden werden; ausgezeichnete Wärmeabstrahlung, und Wärmeleitfähigkeit (da die Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Leitfähigkeit proportional ist, kann sie durch letztere bestimmt werden), und hinreichende mechanische Festigkeit, damit kein Bruch während des Transports der Halbleitervorrichtung oder bei wiederholtem Biegen der Anschlüsse auftritt, wenn diese während der Montage der Halbleitervorrichtung in einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung mit Verdrahtungsplatten verbunden werden. Leitermaterialien für Anschlüsse an Halbleitervorrichtungen, müssen damit folgende Mindestbedingungen erfüllen:
Zugfestigkeit (als Maß der Festigkeit): nicht unter 500 N/mm2;
Dehnung: nicht weniger als 5%;
Elektrische Leitfähigkeit (auch als Maß der Wärmeleitfähigkeit): nicht weniger als 3% I.A.C.S. (International Annealed Copper Standard = Internationaler Standard Getempertes Kupfer); und
Erweichungspunkt (als Maß der Wärmebeständigkeit): nicht unter 350°C.
Zu den üblicherweise als Leitermaterialien für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen verwendeten Legierungen gehören Legierung 42 (typische chemische Zusammensetzung: Fe-42%Ni); CDA-Legierung 725 (Legierung 725 der Copper Development Association Inc. - typische chemische Zusammensetzung: Cu-9%Ni-2,4%Sn) und Phosphorbronze (typische chemische Zusammensetzung: Cu-6%Sn-0,2%P), welche die oben geforderten Eigenschaften in hinreichendem Ausmaß aufweisen.
Diese üblichen Leitermaterialien für Anschlüsse zeigen jedoch den Nachteil einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit, die nur bis zu 15% I.A.C.S. geht.
Wenn diese Leitermaterialien daher als Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen mit hohen Verdrahtungsdichten verwendet werden, für welche neuerdings ein steigender Bedarf besteht, strahlen sie die in den Halbleitervorrichtungen erzeugte Wärme nicht vollständig ab, was zum Überhitzen der IC-Chips und weiteren Schwierigkeiten führt.
Aus der US-PS 21 71 697 ist eine auch als elektrisches Leitermaterial verwendbare Kupferlegierung mit 0,5 bis 15% Silber und 0,3 bis 3% Magnesium, Rest im wesentlichen Kupfer, bekannt, welche als Wahlkomponenten noch kleine, zahlenmäßig nicht festgelegte Anteile von Be, Ca, Zn, Cd, In, B, Al, Si, Ti, Zr, Sn, Pb, Th, U, Li, P, V, As, Se, Te, Mn, Fe, Co, Ni und Cr enthalten kann.
Diese Legierung soll durch den Silbergehalt besser härtbar sein, dabei gute elektrische Leitfähigkeit, Temper- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Die angegebene Härte und Temperbeständigkeit ist aber nachteilig für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen, da diese eine gute Stanzbarkeit und verhältnismäßig hohe Dehnung (mindestens 5%) aufweisen sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leitermaterial auf Kupferbasis für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen zu schaffen, welches gute Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit (Zugfestigkeit nicht unter 500 N/mm2, Dehnung nicht weniger als 6%), Wärmebeständigkeit (Erweichungspunkt nicht unter 405°C), Stanzbarkeit, Wärmeabstrahlung und elektrischer Leitfähigkeit (nicht weniger als 72% I.A.C.S.) aufweist und somit für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen mit hoher Verdrahtungsdichte verwendbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Leitermaterial auf Kupferbasis (Kupfer-Silber-Magnesium) zur Verwendung für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung, welches, auf Gewicht bezogen, besteht aus 0,05 bis 0,5% Zinn, 0,01 bis 0,2% Silber, 0,01 bis 0,1% Phosphor, 0,05 bis 0,3% Magnesium, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält dieses erfindungsgemäße Leitermaterial außerdem wenigstens ein Desoxidationsmittel ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Mangan, Calcium und Bor in einer Menge von jeweils nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent.
Die Mengenanteile der Komponenten der Legierung auf Kupferbasis als Leitermaterial für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen gemäß der Erfindung wurden aus den folgenden Gründen in der oben angegebenen Weise festgelegt:
a) Zinn und Silber
Diese Bestandteile erhöhen nicht nur erheblich die Festigkeit des Leitermaterials, sondern verbessern auch seine Stanzbarkeit. Diese Wirkung tritt jedoch nicht in gewünschtem Ausmaß ein, wenn der Zinngehalt unter 0,05 Gewichtsprozent oder der Silbergehalt unter 0,01 Gewichtsprozent liegt. Wenn andererseits der Zinngehalt 0,5 Gewichtsprozent übersteigt, kann eine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit der Anschlüsse eintreten, wodurch der gewünschte Grad von Wärmeabstrahlung nicht mehr erreicht wird, während, wenn der Silbergehalt 0,2 Gewichtsprozent übersteigt, keine weitere Verbesserung erhalten wird. Daher wurden der Zinngehalt auf einen Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent und der Silbergehalt auf einen Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent festgelegt.
b) Phosphor und Magnesium
Diese Bestandteile wirken zusammen, um die elektrische Leitfähigkeit der Anschlüsse stark zu erhöhen, und sie wirken auch als Desoxidationsmittel, wenn beide Bestandteile zusammen vorliegen. Wenn jedoch der Phosphorgehalt unter 0,01 Gewichtsprozent und gleichzeitig der Magnesiumgehalt unter 0,05 Gewichtsprozent liegt, tritt die genannte Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Phosphorgehalt 0,1 Gewichtsprozent übersteigt und gleichzeitig der Magnesiumgehalt 0,3 Prozent übersteigt, kann das Leitermaterial verschlechterte elektrische Leitfähigkeit bei den Anschlüssen aufweisen. Daher wurden der Phosphorgehalt auf 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent und der Magnesiumgehalt auf 0,05 bis 0,3 Gewichtsprozent festgelegt.
Übrigens kann bei der Herstellung des Leitermaterials auf Kupferbasis für Anschlüsse gemäß der Erfindung ein Desoxidans, das aus wenigstens einem der Elemente aus der Gruppe Al, Mn, Ca und B ausgewählt ist, dem geschmolzenen Metall zugesetzt werden. Wenn diese desoxidierenden Elemente jeweils in einer Menge von nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent zugesetzt werden, können die Eigenschaften der Anschlüsse von ihnen nicht nachteilig beeinflußt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiele
Legierungen auf Kupferbasis mit einer chemischen Zusammensetzung, wie in Tabelle 1 angegeben, wurden in einem üblichen Niederfrequenz-Induktionsschmelzofen vom Kanaltyp erschmolzen, und die geschmolzenen Metalle wurden anschließend nach einem üblichen halbkontinuierlichen Gußverfahren zu Kupferlegierungsblöcken mit den Abmessungen 150 mm Dicke, 400 mm Breite und 1500 mm Länge gegossen. Die Blöcke wurden mit einer anfänglichen Warmwalztemperatur von 800°C zu warmgewalzten Blechen von jeweils 11 mm Dicke warmgewalzt. Nach dem Abschrecken wurden die warmgewalzten Bleche jeweils auf beiden Seiten geschält auf eine Dicke von 10 mm und anschließend wiederholt abwechselnd kaltgewalzt und bei normaler Temperatur vergütet (ausgehärtet), und dann einem abschließenden Kaltwalzen mit einem Reduktionsverhältnis von 70% unterworfen, um Leiterblechstreifen von jeweils 0,25 mm Dicke zu erhalten. Diese Leiterblechstreifen wurden bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 350°C 15 Minuten gehalten, um innere Spannungen aufzuheben, und es wurden so die in Tabelle 1 angegebenen Leiterblechstreifen auf Kupferbasis Nr. 1 bis 6 als die erfindungsgemäßen Leitermaterialien auf Kupferbasis für Anschlüsse erhalten. Zum Vergleich wurden ein üblicher Leiterblechstreifen Nr. 7 mit einer chemischen Zusammensetzung entsprechend der von Phosphorbronze und ein üblicher Leiterblechstreifen Nr. 8 mit einer chemischen Zusammensetzung entsprechend der von Legierung CDA 725 hergestellt, wie ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Diese Legierungen sind ebenfalls Leitermaterialien auf Kupferbasis für Anschlüsse.
Die erfindungsgemäßen Leiterblechstreifen auf Kupferbasis mit den Nummern 1 bis 6 sowie die bekannten Leiterblechstreifen Nr. 7 (Phosphorbronze) und Leiterblechstreifen Nr. 8 (Legierung CDA 725) wurden hinsichtlich Zugfestigkeit, Dehnung, elektrischer Leitfähigkeit und Erweichungspunkt geprüft. Die Prüfergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.
Die in Tabelle 1 angegebenen Untersuchungsergebnisse lassen erkennen, daß jeder der erfindungsgemäßen Leiterblechstreifen auf Kupferbasis mit den Nummern 1 bis 6 die folgenden Bedingungen erfüllt:
Zugfestigkeit: nicht unter 500 N/mm2;
Dehnung: nicht weniger als 6%;
Elektrische Leitfähigkeit: nicht unter 72% I.A.C.S. und
Erweichungspunkt: nicht unter 405°C.
Daraus folgt, daß sie ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweisen im Vergleich mit der des bekannten Leiterblechstreifen Nr. 7 (Phosphorbronze) sowie des bekannten Leiterblechstreifens Nr. 8 (Legierung CDA 725), und daher ausgezeichnete Eigenschaften bei der Verwendung als Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen aufweisen, besonders in Halbleitervorrichtungen mit hoher Verdrahtungsdichte.
Außerdem wurden die erfindungsgemäßen Leiterblechstreifen auf Kupferbasis Nr. 1 bis 6 hinsichtlich weiterer Eigenschaften untersucht, die von einem metallischen Leitermaterial für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen gefordert werden, wie Stanzbarkeit, Ätzbarkeit, Beschichtbarkeit (Plattierbarkeit), Schweißbarkeit, und es wurde gefunden, daß auch diese Eigenschaften in befriedigendem Maß vorhanden sind. Das erfindungsgemäße Leitermaterial auf Kupferbais für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen zeigt daher ausgezeichnete Eigenschaften bei seiner Verwendung als Material für Anschlüsse nicht nur in üblichen Halbleitervorrichtungen, sondern auch in Halbleitervorrichtungen mit hohen Verdrahtungsdichten, und es kann auch als Material für Ein- oder Ausgänge und Verbindungselemente von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen und Geräten verwendet werden.

Claims (2)

1. Leitermaterial auf Kupferbasis (Kupfer-Silber- Magnesium) zur Verwendung für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent Zinn, 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent Silber, 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent Phosphor, 0,05 bis 0,3 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen besteht.
2. Leitermaterial auf Kupferbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als wenigstens ein Desoxidationsmittel wenigstens ein Element aus der Gruppe Aluminium, Mangan, Calcium und Bor in einer Menge von jeweils nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent enthält.
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