DE3610582A1 - Draht zum bonden von halbleitervorrichtungen - Google Patents

Draht zum bonden von halbleitervorrichtungen

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DE3610582A1
DE3610582A1 DE19863610582 DE3610582A DE3610582A1 DE 3610582 A1 DE3610582 A1 DE 3610582A1 DE 19863610582 DE19863610582 DE 19863610582 DE 3610582 A DE3610582 A DE 3610582A DE 3610582 A1 DE3610582 A1 DE 3610582A1
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ppm
wire
elongation
wires
breaking strength
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Naoyuki Osaka Hosoda
Ryusuke Toyonaka Osaka Kawanaka
Toshiaki Osaka Ono
Naoki Osaka Uchiyama
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Mitsubishi Electric Corp
Mitsubishi Metal Corp
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Mitsubishi Electric Corp
Mitsubishi Metal Corp
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Priority claimed from JP60141822A external-priority patent/JPH0736431B2/ja
Priority claimed from JP60161666A external-priority patent/JPS6222469A/ja
Priority claimed from JP60235988A external-priority patent/JPS6294969A/ja
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Description

Die Erfindung betrifft einen sehr feinen Draht aus hoch reinem Kupfer zum Banden von Halbleitervorrichtungen bzw. Halbleiterbauelementen.
ι / Integrierte Schaltkreise (IC) in Form von Halbleitervoryt/
richtungen/die Transistoren und hochintegrierte Bauteile (LSI) umfassen, werden typischerweise nach folgenden Stufen hergestellt:
(a) Es wird ein Leiterrahmenmaterial bereitgestellt, das aus einem Streifen einer Cu-Legierung einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm besteht.
(b) Der Leiterrahmen wird entsprechend der Form der herzustellenden ICs geätzt oder ausgestanzt.
(c) Hochreine Si- oder Ge-Halbleiterchips werden durch Thermokompression mit einem elektrisch leitenden Harz, z.B. einer Ag-Paste,oder durch Verlöten mit einem überzug von Au, Ag, Ni, Cu oder einer Legierung davon, die auf den Berührungsflächen der Halbleiterchips und dem Leiterrahmen ausgebildet ist, oder durch Au-Hartlöten aufgebracht.
(d) Die Halbleiterchips werden mit dem Leiterrahmen durch überbrücken mit sehr feinen Au-Verbindungsdrähten verbunden.
(e) Halbleiterchips, Golddrähte und die Teile des Leiterrahmens, die mit den Chips verbunden sind, werden mit einer KunststoffSchutzverpackung verschlossen.
(f) Der Leiterrahmen wird in einzelne ICs zerschnitten.
Die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen üblicherweise als Verbindungsdrähte verwendeten sehr feinen Au-Drähte sind teuer, so dass man weniger teurem sauerstofffreiem Kupfer in Form von sehr feinen Drähten zunehmende Beachtung geschenkt hat. Jedoch sind Blöcke aus herkömmlichem sauerstoffreiem Kupfer relativ hart (Hv: 50 bis 60),
so dass in der Stufe des Bondens, bei der ein sehr feiner, aus derartigen Blöcken gezogener Draht an den Si-HaIbleiterchips angebracht wird, häufig die an der Drahtspitze gebildete Kugel (ball) eine Beschädigung des Leiterüberzugs aus einer Al-Legierung am Chip verursacht oder gelegentlich sogar Mikrorisse im Chip hervorrufen kann. Ein weiteres Problem liegt in der geringen Dehnung von sehr feinen, sauerstoffreien Cu-Drähten, so dass nicht nur erhebliche Schwierigkeiten bei der Bildung und Beibehaltung
10 einer entsprechenden Form einer Drahtschleife an der
Bondstelle auftreten, sondern auch die grosse Gefahr besteht, dass der Draht bricht, ohne dass eine Verbindung an den entsprechenden Bereich im Leiterrahmen hergestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen sehr feinen, hochreinen Kupferdraht bereitzustellen, der sich in bezug auf Faktoren, wie Dehnung, Bruchfestigkeit, Härte eines Kupferblocks, aus dem der Draht gezogen wird, Form von Schleifen, die bei der Verbindung gebildet werden, und Häufigkeit von Drahtbruch, zum Bonden von Halbleitervorrichtungen eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch Bereitstellung eines sehr feinen Drahts zum Bonden von HaIbleitervorrichtungen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus hochreinem Kupfer mit einem Gehalt an 0 bis 2 ppm S, 0 bis 2 ppm Ag, 0 bis 1 ppm Se und 0 bis 1 ppm Te besteht, wobei der Gesamtgehalt an diesen und anderen zufälligen Verunreinigungen höchstens 10 ppm beträgt, wobei der Draht eine Dehnung von 5 bis 22 Prozent, eine Bruchfestigkeit von 14 bis 33 kg/mm und eine Vickers-Härte von 38 bis 50 aufweist, wobei der letztgenannte Wert an hochreinem Kupfer in Blockform gemessen wird.
Im Rahmen der Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfindung führten, wurden die nachstehenden Feststellungen gemacht. Herkömmliche, sehr feine sauerstoffreie Kupfer-
drähte enthalten 5 bis 10 ppm S, 5 bis 10 ppm Ag, 0,4 bis 1 ppm Se und 0,5 bis 1 ppm Te als zufällige Verunreinigungen. Bei Verringerung der Anteile an diesen Verunreinigungen auf 0 bis 2 ppm, 0 bis 2 ppm, O bis 1 ppm bzw. 0 bis 1 ppm und bei Verringerung des Gesamtgehalts an diesen und anderen vorhandenen Verunreinigungen vom herkömmlichen Bereich von 50 bis 100 ppm auf einen Wert von höchstens 10 ppm lassen sich weiche Blöcke aus sauerstoffreiem Kupfer mit einer Vickers-Härte von 38 bis 50 erhalten. Wird ein aus diesem hochreinen Kupfer gezogener Draht von sehr kleinem Durchmesser der letzten Wärmebehandlungsstufe (typischerweise Blankglühen) unterworfen, so erhält man einen Draht mit einer Dehnung von 5 bis 22 Prozent und einer Bruchfestig-
2 keit im Bereich von 14 bis 33 kg/mm (entsprechend einer Bruchlast von 7 bis 16 g bei einem Draht mit einem Durchmesser von 25 μτα). Der auf diese Weise erhaltene Draht ist zum Verbinden von Halbleiterbauelementen sehr gut geeignet.
Die vorerwähnten Obergrenzen für die Anteile an S, Ag, Se und Te sowie für den Gesamtgehalt an diesen und anderen zufällig im erfindungsgemässen Verbindungsdraht enthaltenen Verunreinigungen wurde empirisch aufgrund zahlreicher Versuche festgelegt, übersteigen die Anteile an S, Ag, Se und Te sowie der Gesamtgehalt an diesen und anderen Verunreinigungen die vorgenannten Obergrenzen, so ergeben sich sofort Veränderungen der Eigenschaften der Blöcke, so dass sie zur Herstellung von sehr feinen Drähten, die in zuverlässiger Weise zur Verbindung von Halbleiterbauelementen verwendet werden können, nicht mehr geeignet sind.
Erfindungsgemäss wurden die Untersuchungen mit dem Ziel, die feinen Drähte aus hochreinem, sauerstoffreiem Kupfer zu verbessern, fortgesetzt, wobei folgende Feststellungen getroffen wurden:
1) Ein sehr feiner Kupferdraht, der eine Dehnung von 14 bis 22 Prozent und eine Bruchfestigkeit im Bereich von 16 bis
2
kg/mm (entsprechend einer Bruchlast von 8 bis 13g bei
einem Draht von 25 um Durchmesser) sowie eine Vickers-Härte von 38 bis 45 (gemessen in Blockform) aufweist, aus einem Block erhalten werden kann, der 0 bis 0,5 ppm S, 0 bis 0,2 ppm Se und 0 bis 0,2 ppm Te als zufällige Verunreinigungen enthält, wobei der Gesamtgehalt an diesen und anderen Verunreinigungen nicht mehr als 5 ppm beträgt.
2) Durch Auswahl entsprechender Bedingungen -für die Wärmebehandlung (typischerweise Blankglühen) bei der letzten Stufe zur Drahtherstellung lässt sich aus einem Block der unter 1 ) angegebenen Zusammensetzung ein sehr feiner Kupferdraht erhalten, der eine Dehnung von 5 bis weniger als 14
Prozent und eine Bruchfestigkeit von 18 bis 28 kg/mm (entsprechend einer Bruchlast von 8,8 bis 15,2 g bei einem Draht mit einem Durchmesser von 25 um) sowie eine Vickers-Härte von 38 bis 45, gemessen in Blockform, aufweist.
Der so erhaltene Draht bildet bei Verbindung des Leiterrahmens und einem speziellen IC-Chip eine Schleife von geeigneter Form. Ferner weist der Draht günstige Dehnungseigenschaften auf und kann in zuverlässiger Weise zur Verbindung eines IC mit einer grossen Anzahl von Pins verwendet werden, da die einzelnen verbundenen Drähte gegenüber dem Flüssigkeitsstrom des Pressharzes (etwa 15O0C) ausreichend beständig sind und sich nicht unter Ausbildung einer unerwünschten Form, die zu elektrischen Kurzschlüssen führen kann, verformen.
3) Werden die Anteile an den zufälligen Verunreinigungen
S, Ag, Se und Te auf 0 bis 0,5 ppm, 0 bis 0,5 ppm, 0 bis 0,2 ppm bzw. 0 bis 0,2 ppm verringert und der Gesamtgehalt an diesen und anderen Verunreinigungen auf einer Konzentration von höchstens 5 ppm gehalten, so erhält man einen Block mit einer Vickers-Härte von 38 bis 45. Ein aus einem derartigen Block gezogener Draht von sehr geringem Durchmesser besitzt eine Dehnung von 5 bis 22 Prozent und eine Bruchfestigkeit von 16 bis 28 kg/mm , sofern eine Wärmebehand-
lung (typischerweise Blankglühen) als letzte Stufe der Drahtherstellung durchgeführt wird. Werden die Bedingungen der Wärmebehandlung in geeigneter Weise gewählt, so entsteht ein Draht mit einer Dehnung von 5 bis weniger als 14 Prozent, der in zuverlässiger Weise als Verbindungsdraht verwendet werden kann, der sich während der Verkapselung mit einem Pressharz nicht in unerwünschter Weise verformt. Somit lassen sich aus einem hochreinen, sauerstoffreien Kupferblock der vorstehend angegebenen Zusammensetzung verschiedene Verbindungsdrähte herstellen, die für bestimmte Anwendungsbedingungen geeignet sind, indem man die Bedingungen der Wärmebehandlung in der letzten Stufe der Drahtherstellung in geeigneter Weise wählt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Sauerstoffreies Kupfer wird durch wiederholte Routinelektro-
lyse oder Zonenschmelzen gereinigt. Anschliessend wird das Kupfer einem herkömmlichen Vakuumschmelzvorgang unterworfen, wodurch man Blöcke von hochreinem Kupfer mit den in Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen erhält. Nach Messen der Vickers-Härte werden die Blöcke durch wiederholte herkömm-
liehe Heiss- und Kaltwalzstufen zu sehr feinen Drähten (25 um Durchmesser) ausgezogen. Die Drähte werden blankgeglüht, indem man sie 1 bis 2 Sekunden Temperaturen zwischen 300 und 4000C aussetzt. Gemäss diesem Verfahren werden 5 erfindungsgemässe Drahtproben und 3 Vergleichsproben
hergestellt.
D,ie Dehnung und Bruchfestigkeit der einzelnen Drahtproben werden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt. Anschliessend werden die Drähte zum Verbinden von IC-Chips an Leiterrahmen verwendet. Die Form der einzelnen Drahtschleifen wird mikroskopisch beobachtet. Die verbundenen Drähte werden auch mikroskopisch auf am Leiterrahmen
-δι auftretende Brüche untersucht.
Tabelle I
Prol De 1
2
3
4
5		 Verunreinigung im
Cu-Block (ppm)		 Ag gesamt Blockhärte
(HV)		 Draht
dehnung
(%)		 Bruch
festigkeit
des Drahts
(kg/nun^)
1
2
3		 S 0,9
1,5
1,3
1,9
1,1 		4,7
5,9
7,3
8,8
9,7		 40,6
42r7
45,3
47,1
. 497 3		 19,3
18,1
15,5
12,3
10,4 		18,9
23,0
24,0
24,6
25,5
erfindungsgemässe
Proben		 0,3
0,6
1,2
1,6
1,9		 1,2
2,9*
1,4		 7,4
8,1
11,8* 		51,3
53,4
55,1 		9,5
8,6
7,9		 22,2
23,0
25,9
Vergleichs- ; ·
proben		 2,6*
0,6
0,5
(Mit einem Stern versehene Werte liegen ausserhalb des Erfindungsbereichs).
Sämtliche getesteten Drahtproben enthalten in der Blockform nicht mehr als 1 ppm Se oder Te.
Wie aus Tabelle I hervorgeht, eignen sich die erfindungsgemässen 5 Drahtproben aufgrund ihrer Werte für Dehnung,
Bruchfestigkeit und Blockhärte zum Verbinden von Halbleiterbauelementen. Werden diese Drähte als Verbindungen zwischen einem IC-Chip und einem Leiterrahmen eingesetzt, so bilden
sie in fast allen Fällen normal geformte Schleifen, wobei
es nur in minimalem Umfang zu Drahtbrüchen kommt. Andererseits weisen die Vergleichsdrahtproben, die die erfindungsgemässen Obergrenzen in bezug auf eine Einzelverunreinigung oder in bezug auf den Gesamtgehalt an Verunreinigungen übersteigen, geringere Dehnungswerte auf, während sich ein uner-
wünschtes Ansteigen der Werte für die Blockhärte ergibt. Diese Proben sind daher als Verbindungsdrähte ungeeignet. Die verbundenen Drähte bilden unnormal geformte Schleifen und zeigen häufig Brüche.
Beispiel 2
Blöcke aus hochreinem Kupfer mit den in Tabelle II angegebenen Anteilen an Verunreinigungen werden gemäss dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt. Nach Messen der Vickers-Härte werden die Blöcke gemäss Beispiel 1 zu den erfindungsgemässen Drahtproben Nr. 6 bis 14 verarbeitet. Dehnung und Bruchfestigkeit der einzelnen Drahtproben werden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt. Anschliessend werden die Drähte zum Verbinden von IC-Chips mit einem Leiterrahmen verwendet. Die Form der Drahtschleifen wird mikroskopisch festgestellt. Die verbundenen Drähte werden ferner mikroskopisch auf das Auftreten von Brüchen am Leiterrahmen untersucht.
Tabelle II
Probe 6 Verunreinigung im
Cu-Block (ppm) 		Se Te gesamt Block
härte		 Draht
dehnung '		 Bruchfestig-
<eit des
7 S 0,11 0,12 4,0 (Hv) 21,8 Drahts
(kg/mm2)
8 0,20 0,08 0,15 4,5 38,2 20,9 17,9
9 0,25 0,15 0,10 4,2 39,9 19,4 18,3
C
(D 		10 0,30 0,10 0,17 3,9 40,6 17,2 19,0
.Ω
ο
t 		11 0,40 0,18 0,12 4,8 42,9 14,2 23,2
sse 12 0,47 0,12 0,10 4,6 44 73 . 12,8 25,1
13 0,60 0,25 0,15 4,3 46,5 12,4 24,3
W 14 0,40 0,16 0,24 4,4 46,9 11,8 24,5
find 0,38 0,14 0,16 5,8 47,3 13,2 24,7
b 0,35 45,4 24,1
-ιοί Aus Tabelle II geht hervor, dass die getesteten Drahtproben aufgrund ihrer Werte für Dehnung, Bruchfestigkeit und
Blockhärte zur Verbindung von Halbleiterbauelementen geeignet sind. Die Proben Nr. 6 bis 10, die jeweils weniger
als 0,5 ppm S, weniger als 0,2 ppm Se, weniger als 0,2 ppm
Te und weniger als 5 ppm an Gesamtverunreinigungen enthalten, ergeben normal geformte Schleifen und führen bei der
Herstellung von Verbindungen nicht zu Brüchen. Andererseits kommt es bei den Proben Nr. 11 bis 14, bei denen die vorgenannten Obergrenzen für die einzelnen Verunreinigungen oder den Gesamtanteil an Verunreinigungen überschritten werden,
zu missgeformten Schleifen oder zu Drahtbrüchen. Somit
lassen sich Verbindungsdrähte von höherer Zuverlässigkeit
und besseren Eigenschaften, was die Form von Drahtschleifen und die Häufigkeit von Drahtbrüchen betrifft, erhalten, indem man den Gehalt an S, Se und Te auf weniger als 0,5, 0,2 bzw. 0,2 ppm sowie den Gesamtgehalt an diesen und anderen
Verunreinigungen auf weniger als 5 ppm hält.
20 Beispiel 3
Kupferblöcke mit den in Tabelle III angegebenen Anteilen an Verunreinigungen werden gemäss dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt. Nach Messen der Vickers-Härte werden die Blöcke gemäss Beispiel 1 zu sehr feinen Drähten (25 um Durchmesser) gezogen. Anschliessend werden die Drähte blankgeglüht, indem man sie 1,5 Sekunden den in Tabelle III angegebenen Temperaturen aussetzt. Auf diese Weise werden 10 erfindungsgemässe Drahtproben (Nr. 15 bis 24) und 5 Vergleichsproben (Nr. 4
bis 8) hergestellt. 30
Die Dehnung und die Bruchfestigkeit der einzelnen Proben
werden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt. Die Proben Nr. 15 bis 19 werden zur Verbindung von Transistoren verwendet, während die Proben Nr. 20
bis 24 und die Vergleichsproben Nr. 4 bis 8 zum Verbinden
von 16-Pin-ICs eingesetzt werden. Die Form der nach der
Verbindung gebildeten Drahtschleifen wird mikroskopisch
festgestellt. Die Verbindungsdrähte werden auch mikroskopisch auf das Auftreten von Brüchen am Leiterrahmen untersucht. Nach der Verkapselung mit einem Pressharz werden die mit ICs verbundenen Drahtproben (Nr. 20 bis 24 und 4 bis 8) durch Untersuchung mit weichen Röntgenstrahlen auf das Auftreten von Deformationen untersucht.
Wie aus Tabelle III hervorgeht, besitzen die erfindungsgemässen Drahtproben Nr. 15 bis 24 Werte für Dehnung, Bruchfestigkeit und Blockhärte, aufgrund derer sie zur Verbindung von Halbleiterbauelementen geeignet sind. Ausserdem erweisen sie sich als sehr zuverlässig in bezug auf die Ausbildung von normal geformten Schleifen. Bei der Ausführung der Verbindungen kommt es zu keinen Brüchen. Demgegenüber sind die Dehnungswerte der Vergleichsproben Nr. 4 bis 8 so gering, dass sie in der Praxis nicht als Verbindungsdrähte geeignet sind. Dabei werden nicht nur unnormal geformte Schleifen gebildet, sondern es kommt auch häufig zum Bruch der Verbindungsdrähte.
Die Proben der erfindungsgemässen Verbindungsdrähte Nr. 20 bis 24 und die Vergleichsproben Nr. 4 bis 8 zeigen beim Verkapseln mit einem Pressharz keine Verformungen.
ω O
to to
CJI O
Tabelle III
CJi
cn
Probe 15 Anteil an Verunreinigungen im Cu-Block (ppm) Ag Se Te gesamt Temperatur
beim Blank
glühen
(0C)		 Blockhärte
(Hv)		 Draht-
dehnuög		 Bruch
festigkeit
(kg/mm2)
erfindungsgemässe Proben 16 S 0,25 0,11 O7 12 4,0 380 38,2 21,8 17,9
Vergleichsprobe 17 0,20 0,48 0,08 0,15 4,5 380 39,9 20;9 18,3
18 0,25 0,33 0?15 O7IO 4,2 380 40,6 19,4 19,0
19 0,30 0,40 0,10 0?17 3,9 370 42,9 17,2 23,2
20 0,40 0,20 0,18 0,12 4,8 350 44,3 14,2 25,1
21 0,47 0,33 0,12 0,13 3,9 350 38,1 13,9 18,1
22 0,19 0,35 0,09 0,10 4,4 340 39,8 11,5 20,5
23 0,25 0,20 0;17 0;15 4;0 300 40,9 9,8 23,5
24 0,30 0,25 0,13 0,17 280 42,6 7,5 25,4
4 0,41 0,36 0,18 0,12 4,7 250 44,5 5,2 27,5
5 0,48 0,29 0,13 0,12 4,8 250 46,8 2,9 31,3
6 0,60 0;58 0,14 0,18 4,5 250 45,9 3,3 30,5
7 0,44 0,36 0,25 0,13 4,2 260 45,3 3J7 29?4
8 0,42 0,34 0,16 0,23 .4,5 260 45,8 4,0 28,3
0,39 0,40 0;18 0,15 5,6 260 45,9 M 27,8
0,35

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    /y. Sehr feiner Draht zum Bonden von Halbleitervorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus hochreinem Kupfer mit einem Gehalt an 0 bis 2 ppm S, 0 bis 2 ppm Ag, 0 bis 1 ppm Se und 0 bis 1 ppm Te besteht, wobei der Gesamtgehalt an diesen und anderen zufälligen Verunreinigungen höchstens 10 ppm beträgt, wobei der Draht eine Dehnung von 5 bis 22 Prozent, eine Bruchfestigkeit von 14 bis 33 kg/mm und eine Vickers-Härte von 38 bis 50 aufweist, wobei der letztgenannte Wert an dem hochreinen Kupfer in Blockform gemessen wird.
  2. 2. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochreine Kupfer 0 bis 0,5 ppm S, 0 bis 0,2 ppm Se und 0 bis 0,2 ppm Te enthält, wobei der Gesamtgehalt an diesen und anderen zufälligen Verunreinigungen höchstens 5 ppm beträgt, wobei der Draht eine Dehnung von 14 bis 22 Prozent, eine Bruchfestigkeit von 16 bis 26 kg/mm2 und eine Vickers-Härte von 38 bis 45 aufweist, wobei der letztgenannte Wert an dem hochreinen Kupfer in Blockform gemessen wird.
  3. 3. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochreine Kupfer 0 bis 0,5 ppm S, 0 bis 0,2 ppm Se und
    1 O bis 0,2 ppm Te enthält, wobei der Gesamtgehalt an
    diesen und anderen zufälligen Verunreinigungen höchstens 5 ppm beträgt, wobei der Draht eine Dehnung von 5 bis weniger als 14 Prozent, eine Bruchfestigkeit von 18 bis
    28 kg/mm und eine Vickers-Härte von 38 bis 45 aufweist, wobei der letztgenannte Wert an dem hochreinen Kupfer in Blockform gemessen wird.
  4. 4. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochreine Kupfer 0 bis 0,5 ppm S, 0 bis 0,5 ppm Ag, 0 bis 0,2 ppm Se und 0 bis 0,2 ppm Te enthält, wobei der Gesamtgehalt an diesen und anderen zufälligen Verunreinigungen höchstens 5 ppm beträgt, wobei der Draht eine Dehnung von 5 bis 22 Prozent, eine Bruchfestigkeit von 16 bis 28 kg/mm und eine Vickers-Härte von 38 bis 45 aufweist, wobei der letztgenannte Wert an dem hochreinen Kupfer in Blockform gemessen wird.
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