TW202234482A - 半導體裝置用Ag合金接合線 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種新穎之半導體裝置用Ag合金接合線，其為高密度封裝中所要求之焊球接合時之焊球之壓接形狀優異者。該半導體裝置用Ag合金接合線包含Ag合金，該Ag合金含有選自由Te、Bi及Sb所組成之群中之1種以上元素，且滿足以下條件(1)～(3)中之至少一者， (1)Te之濃度為5～500 at.ppm (2)Bi之濃度為5～500 at.ppm (3)Sb之濃度為5～1500 at.ppm。

Description

半導體裝置用Ag合金接合線
本發明係關於一種半導體裝置用Ag合金接合線。進而，本發明係關於一種包含該Ag合金接合線之半導體裝置。
於半導體裝置中，形成於半導體元件上之電極與引線框架或基板上之外部電極之間藉由接合線相連接。接合線之連接製程係藉由如下方式完成，即，藉由電弧供熱將金屬線末端加熱熔融，藉由表面張力形成焊球(FAB：Free Air Ball，無空氣焊球)後，將該焊球部壓接(以下，稱為焊球接合)於半導體元件上之電極，繼而形成迴路後，將金屬線部壓接(以下，稱為楔型接合)於引線框架或基板上之外部電極。
接合線之材料以金(Au)為主流，但近年來，於Au價格飛漲之背景下，正在積極開發使用價格較為低廉之材料替代Au之接合線。作為替代Au之低成本之金屬線素材，例如研究了銅(Cu)、銀(Ag)，其中，出於具有與Au同等或更高之導電性，且帶來比Cu低之硬度(進而，於連接至電極等時往往不易產生問題)之方面考慮，期待Ag作為金屬線素材。例如專利文獻1、2中揭示了添加有Pt、Pd、Au等元素之Ag合金金屬線，並記載了該Ag合金金屬線呈現出良好之接合可靠性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平11-288962號公報 [專利文獻2]日本專利特開2012-169374號公報
[發明所欲解決之問題]
近年來，隨著半導體裝置之高性能化、小型化進一步進展，於開發接合線時強烈要求接合線能夠應對高密度封裝化。對於高密度封裝中所要求之窄間距連接，需要一種技術不僅可以控制細線化、小焊球形成性，而且更可以控制焊球接合時之焊球之壓接形狀。與焊球之壓接形狀相關之問題如下：於進行焊球接合時，焊球變形為花瓣狀，或者在超音波之施加方向上焊球優先發生變形，而導致焊球變形出現各向異性(以下，亦稱為「異形不良」)。此種異形不良會導致產生如下不良：因焊球接合時超音波傳輸不足導致之接合強度下降、鄰接之焊球彼此之接觸所導致之短路等。因此，關於焊球之壓接形狀，較佳為自電極之正上方觀察焊球時接近真圓之形狀。在該方面上，相較於Au金屬線或Cu金屬線，Ag金屬線於焊球之壓接形狀上往往較差，即便藉由專利文獻1、2所記載之Ag合金金屬線，亦有時壓接形狀變得不良。
本發明之課題在於提供一種新穎之半導體裝置用Ag合金接合線，其為高密度封裝中所要求之焊球接合時之焊球之壓接形狀優異者。 [解決問題之技術手段]
本發明者等人針對上述課題進行了銳意研究，結果發現，藉由具有下述構成之接合線能夠解決上述課題，從而完成了本發明。 即，本發明包含以下內容。 [1]一種半導體裝置用Ag合金接合線，其包含Ag合金，該Ag合金含有選自由Te、Bi及Sb所組成之群中之1種以上元素(以下，稱為「第1元素」)，且滿足以下條件(1)～(3)中之至少一者， (1)Te之濃度為5～500 at.ppm (2)Bi之濃度為5～500 at.ppm (3)Sb之濃度為5～1500 at.ppm。 [2]如[1]記載之Ag合金接合線，其進而含有選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素(以下，稱為「第2元素」)，且第2元素之總計濃度為0.05～3 at.%。 [3]如[1]或[2]記載之Ag合金接合線，其中於將第1元素之總計濃度設為x 1[at.%]，將選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素(第2元素)之總計濃度設為x 2[at.%]，將Ag之濃度設為x Ag[at.%]時，藉由下述式(1)所求出之其他元素之總計濃度為0.1 at%以下， 式(1)：100－(x 1＋x 2＋x Ag)[at.%]。 [4]如[1]至[3]中任一項記載之Ag合金接合線，其中Ag合金之其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。 [5]如[1]至[4]中任一項記載之Ag合金接合線，其中條件(3)中之Sb之濃度為900～1500 at.ppm。 [6]如[1]至[5]中任一項記載之Ag合金接合線，其中各元素之濃度為藉由ICP(Inductively Coupled Plasma，感應耦合電漿)發射光譜分析或ICP質譜分析所測得之濃度。 [7]一種半導體裝置，其包含如[1]至[6]中任一項記載之Ag合金接合線。 [發明之效果]
根據本發明，能夠提供一種新穎之半導體裝置用Ag合金接合線，其為高密度封裝中所要求之焊球接合時之焊球之壓接形狀優異者。
以下，根據本發明之較佳實施方式對本發明詳細地進行說明。
[半導體裝置用Ag合金接合線] 本發明之半導體裝置用Ag合金接合線(以下，亦簡稱為「本發明之金屬線」、「金屬線」)之特徵在於包含Ag合金，該Ag合金含有選自由Te、Bi及Sb所組成之群中之1種以上元素(以下，亦稱為「第1元素」)，且滿足以下條件(1)～(3)中之至少一者， (1)Te之濃度為5～500 at.ppm (2)Bi之濃度為5～500 at.ppm (3)Sb之濃度為5～1500 at.ppm。
-Te、Bi、Sb(第1元素)- 本發明之金屬線包含Ag合金，該Ag合金含有選自由Te、Bi及Sb所組成之群中之1種以上元素作為第1元素，且滿足條件(1)：Te之濃度為5～500 at.ppm、條件(2)：Bi之濃度為5～500 at.ppm、條件(3)：Sb之濃度為5～1500 at.ppm中之至少一者。藉此，本發明之金屬線能夠於焊球接合過程中降低焊球變形之各向異性，實現接近真圓之壓接形狀。雖然詳細之機制尚不明確，但認為，藉由使該等特定之第1元素於晶界等偏析，而抑制晶粒之粗大化，藉此能夠實現良好之壓接形狀。
--條件(1)-- 條件(1)係關於金屬線中之Te之濃度。就於焊球接合時實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Te之濃度為5 at.ppm以上，較佳為10 at.ppm以上、20 at.ppm以上、30 at.ppm以上、40 at.ppm以上或50 at.ppm以上。尤其是若金屬線中之Te之濃度為50 at.ppm以上，則於小焊球接合時能夠實現格外良好之壓接形狀，故而較為適宜。金屬線中之Te之濃度更佳為60 at.ppm以上、70 at.ppm以上或80 at.ppm以上。
就實現良好之FAB形狀，進而實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Te之濃度之上限為500 at.ppm以下，較佳為480 at.ppm以下、460 at.ppm以下、450 at.ppm以下、440 at.ppm以下、420 at.ppm以下或400 at.ppm以下。
--條件(2)-- 條件(2)係關於金屬線中之Bi之濃度。就於焊球接合時實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Bi之濃度為5 at.ppm以上，較佳為10 at.ppm以上、20 at.ppm以上、30 at.ppm以上、40 at.ppm以上或50 at.ppm以上。尤其是若金屬線中之Bi之濃度為50 at.ppm以上，則於小焊球接合時能夠實現格外良好之壓接形狀，故而較為適宜。金屬線中之Bi之濃度更佳為60 at.ppm以上、70 at.ppm以上或80 at.ppm以上。
就實現良好之FAB形狀，進而實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Bi之濃度之上限為500 at.ppm以下，較佳為480 at.ppm以下、460 at.ppm以下、450 at.ppm以下、440 at.ppm以下、420 at.ppm以下或400 at.ppm以下。
--條件(3)-- 條件(3)係關於金屬線中之Sb之濃度。就於焊球接合時實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Sb之濃度為5 at.ppm以上，較佳為10 at.ppm以上、20 at.ppm以上、30 at.ppm以上、40 at.ppm以上或50 at.ppm以上。尤其是，若金屬線中之Sb之濃度為50 at.ppm以上，則於小焊球接合時能夠實現格外良好之壓接形狀，故而較為適宜。金屬線中之Sb之濃度更佳為60 at.ppm以上、70 at.ppm以上、80 at.ppm以上或90 at.ppm以上。又，金屬線中之Sb之濃度亦可設定得更高。例如金屬線中之Sb之濃度亦可為900 at.ppm以上、920 at.ppm以上、940 at.ppm以上、950 at.ppm以上、960 at.ppm以上、980 at.ppm以上、或1000 at.ppm以上。就實現良好之FAB形狀，進而實現良好之壓接形狀之觀點而言，將Te、Bi之濃度之上限設為500 at.ppm以下較為適宜，但是發現：即便包含更高濃度之Sb，亦能夠維持良好之FAB形狀。因此，於一實施方式中，條件(3)中之Sb之濃度為900～1500 at.ppm。
就實現良好之FAB形狀，進而實現良好之壓接形狀之觀點而言，金屬線中之Sb之濃度之上限為1500 at.ppm以下，較佳為1450 at.ppm以下、1400 at.ppm以下、1380 at.ppm以下、1360 at.ppm以下或1350 at.ppm以下。
如上所述，本發明之金屬線滿足條件(1)～(3)中之至少一者。可僅滿足條件(1)～(3)中之任一者，亦可滿足條件(1)～(3)中之任意兩者、亦可滿足所有之條件(1)～(3)。
於本發明之金屬線中，就實現良好之FAB形狀，進而實現良好之壓接形狀之觀點而言，第1元素之總計濃度較佳為2000 at.ppm以下，更佳為1800 at.ppm以下，進而較佳為1700 at.ppm以下或1600 at.ppm以下。該總計濃度之下限並無特別限定，只要滿足上述條件(1)～(3)中之至少一者即可。
-Pd、Pt、In、Ga(第2元素)- 本發明之金屬線較佳為進而含有選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素作為第2元素。藉此，本發明者等人發現：與由以特定量包含第1元素所帶來之焊球接合時之壓接形狀之改善效果相輔相成，能夠如下所述，顯著地提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性。
已發現使用Ag之先前之接合線於接合可靠性方面上較Au接合線差。詳細而言，為了對實際之半導體裝置之使用環境下之接合部壽命進行評估，而進行高溫放置試驗、高溫高濕試驗等接合可靠性評估，已發現：於接合可靠性評估(尤其是高溫高濕試驗)中，相較於Au接合線，Ag接合線之焊球接合部之壽命變差。又，高溫高濕試驗(HAST；Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test)包括施加偏壓電壓之bHAST(Biased Highly Accelerated Stress Test，偏壓高加速應力試驗)及不施加偏壓電壓之uHAST(Un-bias High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test，溫濕度無偏壓高加速應力試驗)，但若施加偏壓電壓，則會加速腐蝕，因此bHAST為較uHAST更嚴苛之試驗。
於上文所示之專利文獻1、2之技術中，藉由添加Pd等摻雜劑以謀求改善Ag接合線之接合可靠性，但是發現，於進行小焊球接合之高密度封裝中，有時即使使用該技術亦無法獲得充分之接合可靠性。關於此方面，於使用金屬線線徑為ϕ15～25 μm之金屬線之情形時，在通常之接合中，形成焊球徑為金屬線線徑之1.7～2.0倍之焊球來進行接合，與此相對，於高密度封裝用途中，為了應對窄間距化，大多情況下形成焊球徑為金屬線線徑之1.5～1.6倍之較通常焊球更小的焊球來進行接合。於高密度封裝中，由於以此方式進行小焊球接合，故而有助於接合之面積變小，結果，更進一步難以確保焊球接合部之接合壽命。
與此相對，包含以特定量含有第1元素之Ag合金的本發明之金屬線能夠於焊球接合中降低焊球變形之各向異性，而實現接近真圓之壓接形狀。藉此，即使於小焊球接合時，亦能夠防止鄰接之焊球彼此之接觸所導致之短路，並且最大限度地確保有助於接合之面積。於本發明之金屬線進而包含上述第2元素之情形時，藉由以特定量包含第1元素所發揮出之上述效果與藉由包含第2元素所帶來之接合可靠性之提昇效果協同呈現，藉此能夠穩定地實現接近真圓之壓接形狀，並且顯著地提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性。
在與第1元素之組合中，就能夠顯著提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性之觀點而言，本發明之金屬線較佳為如上所述含有選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素作為第2元素。本發明者等人發現：藉由在與第1元素之組合中含有上述特定之第2元素，能夠實現穩定之壓接形狀，並且提昇接合可靠性。雖然詳細之機制尚不明確，但認為，該等特定之第2元素於焊球接合部之接合界面處會抑制導致腐蝕之Ag與電極金屬(Al等)之金屬間化合物之成長，因此能夠提昇接合可靠性。
在與第1元素之組合中，就能夠顯著提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性之觀點而言，金屬線中之第2元素之總計濃度較佳為0.05 at.%以上，更佳為0.1 at.%以上、0.2 at.%以上、0.3 at.%以上、0.4 at.%以上、0.5 at.%以上、0.6 at.%以上、0.8 at.%以上或1 at.%以上。尤其是，若第2元素之總計濃度為0.3 at.%以上，則能夠實現更良好之接合可靠性，若為0.5 at.%以上，則能夠實現格外良好之接合可靠性，故而較為適宜。
就抑制金屬線之硬質化，而抑制晶片損傷之觀點而言，金屬線中之第2元素之總計濃度之上限較佳為3 at.%以下，更佳為2.9 at.%以下、2.8 at.%以下、2.7 at.%以下、2.6 at.%以下或2.5 at.%以下。藉由與第1元素組合地含有第2元素，本發明之金屬線能夠在不過度增加第2元素之添加量之情況下提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性。
因此，於較佳之一實施方式中，本發明之金屬線進而含有選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素(「第2元素」)，第2元素之總計濃度為0.05～3 at.%。
於本發明之金屬線中，第2元素含有Pd、Pt、In及Ga中之1種以上元素即可，可含有所有4種元素，亦可含有任意3種或2種元素，亦可僅含有任一種元素。
於一實施方式中，本發明之金屬線實質上僅含有第2元素中之Pd、Pt、In及Ga中之任一種元素。此處，所謂「實質上僅含有Pd、Pt、In及Ga中之任一種元素」意指如下情形，即含有Pd、Pt、In及Ga中之任一種元素，且其他3種元素之濃度分別為50 at.ppm以下。此時，其他3種元素之濃度分別亦可為40 at.ppm以下、30 at.ppm以下、20 at.ppm以下、10 at.ppm以下。
於含有Pd作為第2元素之情形時，金屬線中之Pd之濃度並無特別限定，只要在與Pt、In及Ga之濃度之關聯中滿足上述總計濃度之較佳值即可，例如可為1 at.%以下、未達1 at.%、0.8 at.%以下、未達0.8 at.%、0.75 at.%以下或0.7 at.%以下。
於含有Pt作為第2元素之情形時，金屬線中之Pt之濃度並無特別限定，只要在與Pt、In及Ga之濃度之關聯中滿足上述總計濃度之較佳值即可，例如可為0.4 at.%以上、0.45 at.%以上、0.5 at.%以上、0.55 at.%以上或0.6 at.%以上。
於含有In作為第2元素之情形時，金屬線中之In之濃度並無特別限定，只要在與Pd、Pt及Ga之濃度之關聯中滿足上述總計濃度之較佳值即可，例如可為0.03 at.%(300 at.ppm)以上、0.035 at.%以上、0.04 at.%以上、0.045 at.%以上或0.05 at.%以上。
於含有Ga作為第2元素之情形時，金屬線中之Ga之濃度並無特別限定，只要在與Pd、Pt及In之濃度之關聯中滿足上述總計濃度之較佳值即可，例如可為0.3 at.%以上、0.35 at.%以上、0.4 at.%以上、0.45 at.%以上或0.5 at.%以上。
本發明之金屬線包含Ag合金，該Ag合金以特定量包含第1元素，且視需要還包含上述第2元素。Ag合金之其餘部分包含Ag。於本發明之金屬線中，就可更好地享受本發明之效果之觀點而言，相對於整個金屬線之Ag之濃度較佳為95 at.%以上，更佳為96 at.%以上、96.5 at.%以上、96.6 at.%以上、96.7 at.%或96.8 at.%以上。
於不損害本發明之效果之範圍內，本發明之金屬線亦可進而含有除第1元素、第2元素及Ag以外之元素(以下，亦稱為「其他元素」)。金屬線中之其他元素之總計濃度並無特別限定，只要處於不損害本發明之效果之範圍內即可。該其他元素之總計濃度例如可為0.5 at.%以下。因此，於將第1元素之總計濃度設為x 1[at.%]，將第2元素之總計濃度設為x 2[at.%]，將Ag之濃度設為x Ag[at.%]時，藉由下述式(1)所求出之其他元素之總計濃度可為0.5 at.%以下， 式(1)：100－(x 1＋x 2＋x Ag)[at.%]。
除第1元素、第2元素及Ag以外之元素，即上述其他元素之總計濃度可以更低，例如可為0.4 at.%以下、0.3 at.%以下、0.2 at.%以下、0.15 at.%以下、0.1 at.%以下、0.08 at.%以下、0.06 at.%以下、0.05 at.%以下、0.04 at.%以下、0.02 at.%以下、未達0.011 at.%或0.01 at.%以下。其他元素之總計濃度之下限並無特別限定，可為0 at.%。
例如於含有Ca、稀土類元素作為其他元素之情形時，金屬線中之Ca與稀土類元素之總計濃度可未達20 at.ppm。金屬線中之Ca與稀土類元素之總計濃度可以更低，例如可為18 at.ppm以下、16 at.ppm以下、15 at.ppm以下、14 at.ppm以下、12 at.ppm以下、10 at.ppm以下、8 at.ppm以下、6 at.ppm以下或5 at.ppm以下。該總計濃度之下限並無特別限定，可為0 at.ppm。
於較佳之一實施方式中，本發明之金屬線包含Ag合金，該Ag合金組合包含第1元素與第2元素，且其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。
本發明之金屬線中所包含之第1元素、第2元素、或其他元素等元素之濃度可藉由如下方式來檢測，即，用強酸使該金屬線溶解，利用ICP發射光譜分析裝置、ICP質譜分析裝置對溶解所得之液體進行分析，檢測整個金屬線中所包含之元素之濃度。本發明中所示之各元素之濃度係基於藉由ICP發射光譜分析或ICP質譜分析所測得之濃度。
本發明之金屬線較佳為不具有以除Ag以外之金屬作為主成分之被覆。因此，於較佳之一實施方式中，本發明之金屬線不具有以除Ag以外之金屬作為主成分之被覆。此處，所謂「以除Ag以外之金屬作為主成分之被覆」係指Ag以外之金屬之含量為50 at.%以上之被覆。
本發明之金屬線之直徑並無特別限定，可根據具體之目的來適當決定，較佳可為15 μm以上、18 μm以上或20 μm以上等。該直徑之上限並無特別限定，例如可為100 μm以下、90 μm以下或80 μm以下等。
＜金屬線之製造方法＞ 對本發明之半導體裝置用Ag合金接合線之製造方法之一例進行說明。
準備純度為3 N～5 N(99.9～99.999質量%)之原料Ag。然後，以第1元素之濃度(於含有第2元素及其他元素之情形時第2元素及其他元素之濃度亦)處於上述特定範圍內之方式稱取作為起始原料之原料Ag、第1元素、第2元素及其他元素之原料後，將其等熔融混合，藉此獲得Ag合金。或者，作為第1元素、第2元素、及其他元素之原料，亦可使用包含該等元素之母合金。藉由連續鑄造而將該Ag合金加工成大直徑，繼而藉由拉線加工而使其變細至最終線徑。
拉線加工可使用能夠設置複數個塗覆有金剛石之眼模之連續拉線裝置來實施。視需要，可於拉線加工之前進行酸洗處理，又，亦可於拉線加工過程中實施熱處理。
於拉線加工之後，進行最終熱處理。作為最終熱處理之溫度條件，例如於送線速度固定之情況下僅變更爐內溫度，確認經過熱處理之金屬線之斷裂伸長率，以該斷裂伸長率處於特定範圍內之方式決定熱處理溫度即可。熱處理溫度例如可處於200～700℃之範圍內。熱處理時間例如設定為10秒鐘以下(較佳為5秒鐘以下、4秒鐘以下或3秒鐘以下)較為適宜。作為熱處理之氛圍，可使用氮氣、氬氣等惰性氣體、或組成氣體(5%H 2-N 2)等含有氫之惰性氣體。
本發明之金屬線可用於在半導體裝置之製造中，將半導體元件上之第1電極與引線框架或電路基板上之第2電極相連接。與半導體元件上之第1電極之第1連接(1st接合)可為焊球接合，與引線框架或電路基板上之電極之第2連接(2nd接合)可為楔型接合。焊球接合係藉由電弧供熱將金屬線末端加熱熔融，藉由表面張力形成焊球(FAB)後，藉由施加超音波、壓力將該焊球部接合於經過加熱之半導體元件之電極上。楔型接合係不形成焊球，藉由施加熱、超音波、壓力而將金屬線部壓接於電極上。包含以特定量含有第1元素之Ag合金之本發明之金屬線能夠於焊球接合中降低焊球變形之各向異性，而實現接近真圓之壓接形狀。藉此，即使於小焊球接合時，亦能夠防止相鄰接之焊球彼此之接觸所導致之短路，並且最大限度地確保有助於接合之面積。進而，於以特定量含有第2元素之情形時，本發明之金屬線之藉由以特定量包含第1元素所發揮出之上述效果與藉由包含第2元素所帶來的接合可靠性之提昇效果協同呈現，藉此能夠顯著地提昇高密度封裝中所要求之接合可靠性。因此，本發明之金屬線適宜用於半導體裝置，且適宜用於高密度封裝之半導體裝置。
[半導體裝置之製造方法] 藉由使用本發明之半導體裝置用Ag合金接合線將半導體元件上之電極與引線框架或電路基板上之電極相連接，能夠製造半導體裝置。
於一實施方式中，本發明之半導體裝置之製造方法(以下，亦簡稱為「本發明之方法」)包括藉由本發明之金屬線將半導體元件上之第1電極與引線框架或電路基板上之第2電極相連接之步驟。可藉由焊球接合實施第1電極與本發明之金屬線之第1連接，又，可藉由楔型接合實施第2電極與本發明之金屬線之第2連接。
藉由使用包含以特定量含有第1元素之Ag合金的本發明之金屬線，能夠於焊球接合中降低焊球變形之各向異性，而實現接近真圓之壓接形狀。藉此，即使於小焊球接合時，亦能夠防止鄰接之焊球彼此之接觸所導致之短路，並且最大限度地確保有助於接合之面積。本發明之金屬線亦能夠充分適應50 μm以下之窄間距連接，明顯有助於促進Ag金屬線於高密度封裝用途中之應用。
[半導體裝置] 藉由使用本發明之半導體裝置用Ag合金接合線將半導體元件上之電極與引線框架或電路基板上之電極相連接，能夠製造半導體裝置。
於一實施方式中，本發明之半導體裝置之特徵在於：包含電路基板、半導體元件、及用於使電路基板與半導體元件導通之接合線，且該接合線為本發明之金屬線。
於本發明之半導體裝置中，電路基板及半導體元件並無特別限定，可使用能夠用於構成半導體裝置之公知之電路基板及半導體元件。或者，亦可使用引線框架來代替電路基板。例如，如日本專利特開2020-150116號公報或日本專利特開2002-246542號公報中所記載之半導體裝置所示，可設為包含引線框架及安裝於該引線框架之半導體元件之半導體裝置之構成。
作為半導體裝置，可列舉供於電氣製品(例如電腦、行動電話、數位相機、電視、空調、太陽光發電系統等)及交通工具(例如機車、汽車、電車、船舶及航空器等)等之各種半導體裝置，其中，較佳為要求嚴格控制小焊球接合時之焊球接合部之壓接形狀的高密度封裝之半導體裝置。 [實施例]
以下，示出實施例，對本發明具體地進行說明。但是，本發明並不限定於以下所示之實施例。
(樣品) 作為原材料之Ag使用純度為99.9 at.%以上且其餘部分包含不可避免之雜質者。第1元素(Te、Bi及Sb)、第2元素(Pd、Pt、In及Ga)使用純度為99.9 at.%以上且其餘部分包含不可避免之雜質者。
接合線中所使用之Ag合金係以如下方式來製造，即，將原料裝入加工成圓柱型之碳坩堝內，使用高頻爐，於真空中或氮氣、氬氣等惰性氣體氛圍中加熱至1080～1600℃而使原料熔解後，藉由連續鑄造而製造ϕ4～6 mm之金屬線。
使用模嘴對所獲得之Ag合金進行拉線加工等，藉此製作ϕ300～600 μm之金屬線。然後，藉由反覆進行200～700℃之中間熱處理及拉線加工，而加工至最終線徑ϕ20 μm。拉線時使用市售之潤滑液，將拉線時之金屬線之進給速度設為20～600 m/分鐘。中間熱處理係一面連續地對金屬線進行掃掠，一面於氬氣氛圍中進行。中間熱處理時之金屬線之進給速度設為20～100 m/分鐘。
對於拉線加工後之金屬線，以最終之斷裂伸長率約達9～25%之方式實施最終熱處理。最終熱處理係以與中間熱處理相同之方式來進行。最終熱處理時之金屬線之進給速度與中間熱處理之金屬線之進給速度同樣地，均設為20～100 m/分鐘。最終熱處理溫度設為200～700℃，熱處理時間設為0.2～1.0秒。
接合線中之第1元素、第2元素之濃度係以如下方式來檢測，即，用強酸使接合線溶解，利用ICP發射光譜分析裝置、ICP質譜分析裝置對溶解所得之液體進行分析，檢測整個接合線中所包含之元素之濃度。
(試驗、評估方法) 以下，對試驗、評估方法進行說明。
[壓接形狀] 焊球接合部之壓接形狀(焊球之壓扁形狀)之評估係以如下方式進行，即，使用市售之焊線機(K&S製造，Iconn Plus)對Si基板上形成有厚度1.0 μm之Al膜之電極進行焊球接合，利用光學顯微鏡自正上方進行觀察(評估數N＝100)。再者，一面使氮氣＋5%氫氣以0.4～0.6 L/min之流量流入一面形成焊球，球徑設為金屬線線徑之1.5～1.6倍之範圍內。至於焊球之壓扁形狀之判定，於壓扁形狀接近真圓之情形時，判定為良好，若為橢圓形或花瓣狀之形狀，則判定為不良。然後，根據以下標準來進行評估。
評估標準： ◎：無不良 ○：1～4處不良(實際使用方面無問題) ×：5處以上不良
[FAB形狀] FAB形狀之評估係以如下方式進行，即，使用市售之焊線機於引線框架上製作FAB，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察(評估數N＝100)。再者，一面使氮氣＋5%氫氣以0.4～0.6 L/min之流量流入一面形成FAB，該FAB之直徑設為金屬線線徑之1.5～1.6倍之範圍內。至於FAB形狀之判定，若為真球狀，則判定為良好，若存在偏芯、異形，則判定為不良。然後，根據以下標準進行評估。
評估標準： ◎：5處以下不良 ○：6～10處不良(實際使用方面無問題) ×：11處以上不良
[接合可靠性之評估] 接合可靠性評估用樣品係以如下方式製作而成，即，使用市售之焊線機對在一般金屬框架上之Si基板上形成有厚度1.0 μm之Al膜之電極進行焊球接合，並藉由市售之環氧樹脂進行密封。再者，一面使氮氣＋5%氫氣以0.4～0.6 L/min之流量流入一面形成焊球，球徑係設於金屬線線徑之1.5～1.6倍之範圍內。
接合可靠性係藉由高溫高濕試驗(bHAST)來評估。詳細而言，使用不飽和型壓力鍋試驗機，使所製作之接合可靠性評估用樣品暴露於溫度130℃、相對濕度85%之高溫高濕環境中，並施加5 V之偏壓。至於焊球接合部之接合壽命，每48小時實施一次焊球接合部之剪切試驗，將剪切強度之值成為初期所獲得之剪切強度之1/2之時間作為焊球接合部之接合壽命。剪切試驗係藉由酸處理除去樹脂，使焊球接合部露出後進行。
HAST評估之剪切試驗機使用DAGE公司製造之試驗機。剪切強度之值係使用隨機選擇出之焊球接合部之10處之測定值的平均值。然後，根據以下標準進行評估。
評估標準： ◎◎：接合壽命為288小時以上 ◎：接合壽命為144小時以上且未達288小時 ○：接合壽命為96小時以上且未達144小時 ×：接合壽命未達96小時
[晶片損傷] 晶片損傷之評估係以如下方式進行，即，使用市售之焊線機對Si基板上形成有厚度1.0 μm之Al膜之電極進行焊球接合，用藥液使金屬線及Al電極溶解，以使Si基板露出後，利用光學顯微鏡觀察焊球接合部正下方之Si基板(評估數N＝50)。然後，根據以下標準進行評估。
評估標準： ○：無裂痕及接合痕跡 △：儘管無裂痕，但有可以觀察到接合痕跡之處(3處以下) ×：其他情況
[試驗例1]第1元素之添加效果之研究 將變更了第1元素之添加與否狀態及添加量之實施例及比較例之評估結果示於表1。
[表1]
(表1)
   第1元素(at.ppm) 第2元素(at.%) 壓接形狀 FAB形狀 晶片損傷
Te Bi Sb Pd Pt In Ga         
實 施 例 1 5                   〇 ◎ 〇
2 100                   ◎ ◎ 〇
3 495                   〇 〇 〇
4    5                〇 ◎ 〇
5    100                ◎ ◎ 〇
6    495                〇 〇 〇
7       5             〇 ◎ 〇
8       200             ◎ ◎ 〇
9       1495             〇 〇 〇
比 較 例 1 4                   × 〇 〇
2    3                × 〇 〇
3       4             × 〇 〇
4 510                   × × 〇
5    505                × × 〇
6       1560             × × 〇
7          0.6          × ◎ 〇
8             0.4       × ◎ 〇
9                0.5    × ◎ 〇
10                   0.4 × ◎ 〇
已確認到：實施例1～9之Ag合金接合線之第1元素之濃度處於本發明範圍內，且焊球之壓接形狀優異。 另一方面，比較例1～10之Ag合金接合線之第1元素之濃度超出本發明範圍之下限或上限，且焊球之壓接形狀不良。
[試驗例2]第2元素之添加效果之研究 將變更了第1元素之添加量，並且變更了第2元素之添加與否狀態及添加量之實施例、比較例之評估結果示於表2、表3。
[表2]
(表2)
   第1元素(at.ppm) 第2元素(at.%) 其他元素(at.%) 壓接形狀 FAB形狀 接合可靠性 晶片損傷
Te Bi Sb Pd Pt In Ga
實 施 例 10 5                0.06    〇 ◎ 〇 〇
11 10                0.1    〇 ◎ 〇 〇
12 20                0.4    〇 ◎ ◎ 〇
13 30                0.7    〇 ◎ ◎◎ 〇
14 40                1    〇 ◎ ◎◎ 〇
15 50                2.8    ◎ ◎ ◎◎ 〇
16 100                2.9    ◎ ◎ ◎◎ 〇
17 200                3    ◎ ◎ ◎◎ 〇
18 300             0.7       ◎ ◎ ◎◎ 〇
19 395       1.8             ◎ ◎ ◎◎ 〇
20 450       0.5    0.5       〇 〇 ◎◎ 〇
21 495          0.3    0.5    〇 〇 ◎◎ 〇
22    5       0.06          〇 ◎ 〇 〇
23    10       0.1          〇 ◎ 〇 〇
24    20       0.4          〇 ◎ ◎ 〇
25    30       0.5          〇 ◎ ◎ 〇
26    40       0.6          〇 ◎ ◎ 〇
27    50       1          ◎ ◎ ◎◎ 〇
28    100       2.8          ◎ ◎ ◎◎ 〇
29    150       2.9          ◎ ◎ ◎◎ 〇
30    200       3          ◎ ◎ ◎◎ 〇
31    300    2             ◎ ◎ ◎◎ 〇
32    395          1       ◎ ◎ ◎◎ 〇
33    450    1       0.4    〇 〇 ◎◎ 〇
34    495          0.4       〇 〇 ◎ 〇
35       5 0.06             〇 ◎ 〇 〇
36       20 0.2             〇 ◎ 〇 〇
37       40 0.4             〇 ◎ ◎ 〇
38       60 0.75             ◎ ◎ ◎◎ 〇
39       80 0.8             ◎ ◎ ◎◎ 〇
40       100 1             ◎ ◎ ◎◎ 〇
41       200 2.8             ◎ ◎ ◎◎ 〇
42       300 2.9             ◎ ◎ ◎◎ 〇
43       400 3             ◎ ◎ ◎◎ 〇
44       500 1    0.2       ◎ ◎ ◎◎ 〇
45       600          0.8    ◎ ◎ ◎◎ 〇
46       700    0.6          ◎ ◎ ◎ 〇
47       900       0.05       ◎ ◎ 〇 〇
48       1100       0.1       ◎ ◎ 〇 〇
49       1200       0.3       ◎ ◎ ◎ 〇
50       1250       0.4       ◎ ◎ ◎ 〇
51       1300       0.5       ◎ ◎ ◎◎ 〇
52       1350       0.7       ◎ ◎ ◎◎ 〇
53       1400       2       〇 〇 ◎◎ 〇
54       1450       2.5       〇 〇 ◎◎ 〇
55       1495       2.9       〇 〇 ◎◎ 〇
[表3]
(表3)
   第1元素(at.ppm) 第2元素(at.%) 其他元素(at.%) 壓接形狀 FAB形狀 接合可靠性 晶片損傷
Te Bi Sb Pd Ft In Ga
實 施 例 56 100 100    2.2             ◎ ◎ ◎◎ 〇
57 150    1400       0.8       ◎ ◎ ◎◎ 〇
58    150 1400 0.8    0.2       ◎ ◎ ◎◎ 〇
59 100    300    0.3          ◎ ◎ ◎ 〇
60 50 50 200    0.4    03    ◎ ◎ ◎◎ 〇
61 150       4             ◎ ◎ ◎◎ △
62    150       3.1          ◎ ◎ ◎◎ △
63       500       3.1       ◎ ◎ ◎◎ △
64       1000          32    ◎ ◎ ◎◎ △
65    20       0.4       Au：0.2 〇 ◎ ◎ 〇
66       500 1    0.2    Cu：0.3 ◎ ◎ 〇 〇
67 100       1.5          Cu：0.18 P：0.1 ◎ ◎ 〇 △
比 較 例 1 4                      × 〇 × 〇
2    3                   × 〇 × 〇
3       4                × 〇 × 〇
4 510                      × × × 〇
5    505                   × × × 〇
6       1560                × × × 〇
7          0.6             × ◎ ◎ 〇
8             0.4          × ◎ ◎ 〇
9                0.5       × ◎ ◎◎ 〇
10                   0.4    × ◎ ◎ 〇
11 3       0.04             × 〇 × 〇
12    4       0.03          × 〇 × 〇
13       4       0.03       × 〇 × 〇
14       4          0.04    × 〇 × 〇
已確認到：實施例10～60、65～67之Ag合金接合線之第1元素之濃度處於本發明之範圍內，並且第2元素之濃度處於本發明之較佳範圍內，且焊球之壓接形狀與接合可靠性兩者均優異。雖然實施例61～64之Ag合金接合線之焊球之壓接形狀與接合可靠性兩者亦優異，但第2元素之濃度超出本發明之較佳範圍之上限，較其他實施例，有晶片損傷之結果略差之傾向。 另一方面，比較例1～14之Ag合金接合線之第1元素之濃度超出本發明之範圍，且焊球之壓接形狀不良，此外，不包含第2元素之比較例1～6、11～14之金屬線之接合可靠性亦不良。

Claims (7)

  1. 一種半導體裝置用Ag合金接合線，其包含Ag合金，該Ag合金含有選自由Te、Bi及Sb所組成之群中之1種以上元素(以下，稱為「第1元素」)，且滿足以下條件(1)～(3)中之至少一者， (1)Te之濃度為5～500 at.ppm (2)Bi之濃度為5～500 at.ppm (3)Sb之濃度為5～1500 at.ppm。
  2. 如請求項1之Ag合金接合線，其進而含有選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素(以下，稱為「第2元素」)，且第2元素之總計濃度為0.05～3 at.%。
  3. 如請求項1之Ag合金接合線，其中將第1元素之總計濃度設為x 1[at.%]，將選自由Pd、Pt、In及Ga所組成之群中之1種以上元素(第2元素)之總計濃度設為x 2[at.%]，將Ag之濃度設為x Ag[at.%]時，藉由下述式(1)求出之其他元素之總計濃度為0.1 at%以下， 式(1)：100－(x 1＋x 2＋x Ag)[at.%]。
  4. 如請求項1之Ag合金接合線，其中Ag合金之其餘部分包含Ag及不可避免之雜質。
  5. 如請求項1之Ag合金接合線，其中條件(3)中之Sb之濃度為900～1500 at.ppm。
  6. 如請求項1之Ag合金接合線，其中各元素之濃度為藉由ICP發射光譜分析或ICP質譜分析所測得之濃度。
  7. 一種半導體裝置，其包含如請求項1至6中任一項之Ag合金接合線。
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