DE3613594C2

DE3613594C2 -

Info

Publication number: DE3613594C2
Application number: DE3613594A
Authority: DE
Inventors: Rensei Futatsuka; Seiji Kumagai; Masuhiro Izumida
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1985-05-08
Filing date: 1986-04-22
Publication date: 1990-06-21
Anticipated expiration: 2006-04-23
Also published as: FR2581657B1; DE3613594C3; GB2175008B; GB2175008A; US4668471A; JPS61257443A; GB8531523D0; FR2581657A1; DE3613594A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kupferlegierungs-Leitermaterial mit Gehalt an Eisen, Phosphor und Zink für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung.

Ein Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung muß die folgenden Eigenschaften aufweisen:

1) Ausgezeichnete Stanzbarkeit sowie Formbarkeit (zum Biegen und Prägen);
2) Genügende Wärmebeständigkeit, so daß weder Wärmespannungen noch Erweichung durch Erhitzen auftreten, wenn Halbleiter-Chips mit dem aus dem Leitermaterial gestanzten Anschlußrahmen verbunden werden;
3) Ausgezeichnete Wärmeabstrahlung, d. h. Wärmeleitfähigkeit (da die Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Leitfähigkeit proportional ist, kann die Wärmeabstrahlung durch die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden); und
4) 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.

Ein übliches typisches Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse besteht im wesentlichen aus:

Eisen: 1,5 bis 3,5 Gewichtsprozent
Phosphor: 0,01 bis 0,15 Gewichtsprozent
Zink: 0,03 bis 0,2 Gewichtsprozent,
Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.

Dieses Material zeigt die geforderten Eigenschaften; es wurde z. B. durch die japanische Patentveröffentlichung Nr. 45-10 623 (entsprechend US-Patent 35 22 039) bekannt und wird weithin als Material für Anschlüsse von Halbleitervorrichtungen verwendet.

Das übliche Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse besitzt die folgenden befriedigenden Eigenschaften:

Zugfestigkeit (als Maß der Festigkeit): in der Größenordnung von 490 bis 500 N/mm²;
Dehnung (als Maß der Stanzbarkeit sowie Formbarkeit beim Biegen und Prägen): in der Größenordnung von 4%;
Elektrische Leitfähigkeit (als Maß der Wärmeabstrahlung und elektrischen Leitfähigkeit): in der Größenordnung von 60 bis 70% I.A.C.S. (International Annealed Copper Standard = Internationaler Standard getempertes Kupfer); und
Erweichungspunkt (als Maß der Wärmebeständigkeit): in der Größenordnung von 350 bis 360°C.

Neuerdings werden jedoch Leitermaterialien für Anschlüsse benötigt, die noch höhere Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen, damit sie in Halbleitervorrichtungen mit höheren Verdrahtungsdichten verwendbar sind.

Außerdem zeigt zwar das erwähnte Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse genügende Haftung an dem Lot, das beim Anlöten der Anschlüsse am Substrat der Halbleitervorrichtung verwendet wird, jedoch eine geringe Zuverlässigkeit der Lötung, so daß im Betrieb der Halbleitervorrichtung die gelöteten Abschnitte der Anschlüsse oft vom Substrat abblättern, was eine Betriebsstörung oder ein Versagen der Halbleitervorrichtung verursachen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kupferlegierungs-Leitermaterial der eingangs genannten Art für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung anzugeben, welches gute Eigenschaften wie Dehnung und elektrische Leitfähigkeit und außerdem ausgezeichnete Festigkeit und Wärmebeständigkeit zeigt, wenn es für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen mit hohen Verdrahtungsdichten verwendet wird, und gleichzeitig eine bessere Zuverlässigkeit der Lötverbindung mit dem Substrat der Halbleitervorrichtung zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 bis 7 Verfahrensschritte zur Herstellung von Anschlüssen einer Halbleitervorrichtung unter Benutzung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitermaterials.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung Untersuchungen durchgeführt, um die Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit von Lötungen des erwähnten üblichen Kupferlegierungsmaterials für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen zu verbessern. Dabei wurde gefunden, daß der Zusatz von Mg als Legierungskomponente zum üblichen Kupferlegierungs-Anschlußmaterial dessen Festigkeit und Wärmebeständigkeit verbessert und auch das Abblättern der angelöteten Abschnitte der Anschlüsse vom Substrat der Halbleitervorrichtung während des Gebrauchs der Vorrichtung verhindert, ohne daß befriedigende Eigenschaften des üblichen Kupferlegierungs-Anschlußmaterials, wie ausgezeichnete Dehnung und elektrische Leitfähigkeit, verloren gehen.

Diese Legierung besitzt ausgezeichnete Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit von Lötverbindungen.

Die Festlegung der angegebenen Grenzen der Legierungselemente des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitermaterials für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung erfolgte im Hinblick auf die folgenden Gründe:

a) Eisen (Fe)

Eisen steigert die Festigkeit des Leitermaterials. Wenn jedoch der Eisengehalt unter 2 Gewichtsprozent beträgt, tritt diese Wirkung nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Eisengehalt 2,4 Gewichtsprozent übersteigt, kann nicht nur eine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit der Anschlüsse, sondern auch die Bildung von ausgedehnten Eisenniederschlägen in der Matrix des Leitermaterials auftreten, was zu einer Herabsetzung der Formbarkeit der Kupferlegierung führt. Daher wurde der Eisengehalt auf einen Bereich von 2 bis 2,4 Gewichtsprozent begrenzt.

b) Phosphor (P)

Phosphor wirkt nicht nur als Desoxidationsmittel, sondern wirkt auch mit dem Eisen zusammen, um feine Teilchen von Eisenphosphiden zu bilden, die in der Matrix des Leitermaterials dispergiert sind, wodurch die Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeit des Leitermaterials verbessert werden. Wenn jedoch der Phosphorgehalt geringer als 0,001 Gewichtsprozent ist, treten diese Wirkungen nicht in genügendem Maße ein. Wenn andererseits der Phosphorgehalt 0,1 Gewichtsprozent übersteigt, kann das Leitermaterial schlechtere elektrische Leitfähigkeit bei den Anschlüssen aufweisen. Daher wurde der Phosphorgehalt auf einen Bereich von 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent begrenzt.

c) Zink (Zn)

Zink wirkt, wie Phosphor, als Desoxidationsmittel und verringert auch Schwankungen in der Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit des Leitermaterials, d. h. es stabilisiert diese Eigenschaften. Wenn jedoch der Zinkgehalt unter 0,01 Gewichtsprozent liegt, treten diese Wirkungen nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Zinkgehalt 1 Gewichtsprozent übersteigt, werden die angegebenen Wirkungen nicht besser, sondern es kann vielmehr eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit bei den Anschlüssen auftreten. Daher wurde der Zinkgehalt auf den Bereich von 0,01 bis 1 Gewichtsprozent begrenzt.

d) Magnesium (Mg)

Magnesium verbessert die Festigkeit, Wärmebeständigkeit und Zuverlässigkeit von Lötungen des Leitermaterials ohne Verschlechterung der Dehnung und elektrischen Leitfähigkeit desselben, wie oben angegeben. Wenn jedoch der Magnesiumgehalt unter 0,001 Gewichtsprozent liegt, treten diese Wirkungen nicht im gewünschten Ausmaß ein. Wenn andererseits der Magnesiumgehalt 0,1 Gewichtsprozent übersteigt, kann das Leitermaterial verschlechterte elektrische Leitfähigkeit bei den Anschlüssen aufweisen und außerdem die durch Schmelzen der Kupferlegierung erhaltene Legierungsschmelze eine schlechtere Fließfähigkeit aufweisen, so daß das Gießen der Legierungsschmelze erschwert ist. Daher wurde der Magnesiumgehalt im Bereich von 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent festgelegt.

Im folgenden wird die Art der Verwendung des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitermaterials für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Zuerst wird, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Leiterblechstreifen 1 aus Kupferlegierung mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm aus einer geschmolzenen Kupferlegierung mit der erfindungsgemäßen chemischen Zusammensetzung hergestellt. Vorzugsweise kann eine Hauptfläche des Leiterblechstreifens 1 mit einer oder mehreren Plattierungsschichten von wenigstens einem Material aus der Gruppe Au, Ag und Ni plattiert werden. Dann wird der Leiterblechstreifen 1 ausgestanzt zu einem Anschlußrahmen 2, der eine zur Verwendung in der herzustellenden Halbleitervorrichtung geeignete Form hat (Fig. 2). Halbleiter-Chips 3, in denen Elemente eingebaut sind, welche Halbleiterelemente aus hochreinem Si, Ga-As-Legierung oder dergleichen enthalten, werden auf dem Anschlußrahmen 2 an dessen vorbestimmten Oberflächenbereichen (Fig. 3) montiert durch Heißverbinden bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 350°C unter Verwendung eines leitfähigen Harzes, wie Ag-Paste. Die Halbleiter-Chips 3 können vorzugsweise auf dem Anschlußrahmen 2 an dessen vorbestimmten Oberflächenbereichen durch Thermokompressionsverbindung durch die eine oder mehreren Plattierungsschichten bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 400°C montiert werden. Dann werden die Elemente der Halbleiter-Chips 3 mit dem Anschlußrahmen 2 durch Drahtverbindungen unter Verwendung von Au-Drähten 4 verbunden (Fig. 4). Die Halbleiterchips 3, die Drahtverbindungsabschnitte und die Oberflächenbereiche des Anschlußrahmens 2, auf denen die Halbleiter-Chips 3 montiert wurden, werden zu ihrem Schutz durch ein Kunstharz 5 verkapselt (Fig. 5). Dann wird der Anschlußrahmen 2 längs Grenzlinien zwischen benachbarten Bereichen der Oberfläche, wo die Halbleiter-Chips montiert sind, zerschnitten, um Anschlüsse 2′ der Halbleitervorrichtung zu bilden (Fig. 6). Schließlich werden alle Oberflächen oder ein Teil der Oberflächen der Anschlüsse 2′ mit einem Lot 6 einer Sn-Pb-Legierung durch Eintauchen plattiert, um die Anschlüsse 2′ am Träger der Halbleitervorrichtung anzulöten (Fig. 7).

Beispiel

Kupferlegierungen mit chemischen Zusammensetzungen wie in Tabelle 1 angegeben wurden in einem üblichen Niederfrequenz-Induktionsschmelzofen vom Kanaltyp geschmolzen, und anschließend wurden die Legierungsschmelzen 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 900°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 wiedereholt abwechselnd kaltgewalzt und 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 15 Minuten bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 350°C gehalten, um innere Spannungen aufzuheben, und es wurden so die in Tabelle 1 angegebenen Kupferlegierungs-Leiterblechstreifen Nr. 1 bis 6 als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leitermaterials erhalten.

Diese wurden hinsichtlich Zugfestigkeit, Dehnung, elektrischer Leitfähigkeit und Erweichungspunkt geprüft. Zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Lötverbindungen der Leiterblechstreifen wurden diese mit einem Lot mit der chemischen Zusammensetzung Sn: 60% - Pb: 40% als Plattierungsmaterial durch Eintauchen plattiert und unter Bedingungen wärmebehandelt, welche Bedingungen simulieren, bei denen die Leiterblechstreifen als Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen tatsächlich arbeiten, d. h. in der Atmosphäre bei einer Temperatur von 150°C während 500 Stunden. Die so wärmebehandelten Leiterblechstreifen wurden dann um 180°C gebogen und anschließend in ihre Ausgangsstellung zurückgebogen, und das Auftreten von Abblättern des Lot-Plattierungsmaterials von den Leiterblechstreifen wurde an den gebogenen Abschnitten untersucht. Alle Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.

Zum Vergleich wurden in gleicher Weise wie oben angegeben übliche Leiterblechstreifen aus verschiedenen bekannten Kupferlegierungs-Leitermaterialien für Anschlüsse hergestellt und den gleichen Prüfungen ihrer Eigenschaften unterworfen. Die Zusammensetzungen dieser Legierungen und Prüfungsergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.

Es handelt sich dabei um folgende Materialien:

V = ein bekanntes übliches Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse
V21 = eine Kupferlegierung mit fast gleicher Zusammensetzung wie die erfindungsgemäße Probe Nr. 2, jedoch einem außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegenden Gehalt an Mg
V22 = eine Kupferlegierung entsprechend US 35 22 039, mit Gehalt an P und Zn nahe den bekannten Untergrenzen
V23 = bekannte binäre Kupferlegierung mit Mg
V61 = Kupferlegierung entsprechend erfindungsgemäßer Probe Nr. 6, jedoch mit Mg-Gehalt außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches
V62 = Kupferlegierung ähnlich US 35 22 039, mit etwas höherem Zn-Gehalt
V63 = bekannte binäre Kupferlegierung mit Mg (Binäre Kupfer-Magnesiumlegierungen und ihre Eigenschaften sind beschrieben in Kurt Dies, Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik, Springer-Verlag Berlin, 1967, S. 236-238).

Die Prüfungsergebnisse zeigen, daß die Eigenschaften der Dehnung und elektrischen Leitfähigkeit von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kupferlegierungs-Leiterstreifen Nr. 1 bis 6 ebenso gut sind wie diejenigen des üblichen Kupferlegierungs-Leiterblechstreifens V, daß aber die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Leiterstreifen außerdem eine verbesserte Zuverlässigkeit der Lötung aufweisen. Wie oben angegeben, zeigt das erfindungsgemäße Kupferlegierungs-Leitermaterial auch bessere Festigkeit und Wärmebeständigkeit als das bekannte Kupferlegierungs-Leitermaterial, sowie außerdem befriedigende Stanzbarkeit, Ätzbarkeit, Plattierbarkeit und Haftung von Lot.

Die Vergleichsmateerialien V21 und V61 mit fast gleicher Zusammensetzung wie die erfindungsgemäßen Proben 2 bzw. 6, jedoch jeweils höherem Mg-Gehalt (außerdem des erfindungsgemäßen Bereiches) zeigen eine jeweils deutlich geringere elektrische Leitfähigkeit.

Die Vergleichsmaterialien V22 und V62, deren Zusammensetzung den aus US 35 22 039 bekannten Materialien mit möglichster Annäherung an die erfindungsgemäßen Proben 2 bzw. 6, jedoch jeweils ohne Magnesium-Gehalt entspricht, zeigen eine wesentlich verschlechterte Zugfestigkeit und Dehnung und ein Abblättern von Lotplattierung.

Die Vergleichsmaterialien V23 und V63, welche zwar den gleichen Mg-Gehalt wie die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Legierungen 2 bzw. 6, jedoch nicht deren weitere Legierungsbestandteile Fe, P und Zn enthalten, zeigen im Vergleich mit den erfindungsgemäßen Proben 2 bzw. 6 eine Verschlechterung bei Zugfestigkeit, Dehnung und Erweichungspunkt.

Das erfindungsgemäße Kupferlegierungs-Leitermaterial für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung zeigt eine ausgezeichnete Eignung nicht nur als Material für Anschlüsse in gewöhnlichen Halbleitervorrichtungen, sondern auch für Anschlüsse in Halbleitervorrichtungen mit hoher Verdrahtungsdichte, und es kann auch als Material für Ein- oder Ausgänge und Verbindungselemente von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen und Geräten verwendet werden.

Claims

Kupferlegierungs-Leitermaterial mit Gehalt an Eisen, Phosphor und Zink für Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
2 bis 2,4 Gewichtsprozent Eisen, 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent Phosphor, 0,01 bis 1 Gewichtsprozent Zink, 0,001 bis 0,1 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.