TWI408787B - 半導體封裝之含銀合金焊接導線 - Google Patents

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Description

半導體封裝之含銀合金焊接導線
本發明有關於半導體封裝，特別是有關於用於導線焊接的含銀合金導線。
半導體封裝中，可使用導線焊接法將半導體晶片電性連接至封裝基板。在習知的半導體封裝中，使用金(Au)導線將半導體晶片的鋁墊和封裝基板焊接在一起。由於金具有很高的化學穩定性和導電性而一直被廣泛使用。然而，為滿足半導體產業對降低製造成本的不斷追求，以及應對金價的成本上漲，需要一種新的導線代替金。
例如，日本專利申請案早期公開第1998-326803、1999-67811、1999-67812和2000-150562號揭露一種金銀合金導線。然而，該金銀合金導線仍包括金，導致成本降低十分有限。
銀導線相較習知金導線可節省成本30%至50%，可作為另一選擇。然而，銀導線焊接至鋁(Al)墊時存在可靠性方面的問題。尤其如圖1所示，進行高濕度環境下可靠性測試時，銀導線和鋁墊的焊接面最易發生腐蝕，或出現晶片裂紋從而嚴重削弱焊接強度。高濕度環境可靠性測試通常使用壓力鍋測試法(PCT)進行。PCT測試中，即使在96小時後，金導線焊接強度仍變化不大。而銀導線之焊接強度在PCT中僅24小時後即接近為零。
此外，銀具有塑性差的缺點，影響產品良率。因此， 銀導線之製造需要進行若干熱退火程序，以致增加製造成本。
本發明提供可靠性高且製造成本低廉的半導體封裝之含銀合金導線。
在本發明之一實施例中，提供一種半導體封裝之含銀合金焊接導線，用以將半導體晶片焊接至封裝基板，所述半導體封裝之含銀合金焊接導線實質上由重量含量為0.05%~5%的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第一添加劑：鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鋨(Os)與金(Au)；重量含量為3ppm~100ppm的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第二添加劑：鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)；以及其餘的銀所構成。
在本發明之一實施例中，所述第一添加劑包括重量含量為0.05%~5%的由鈀(Pd)、銠(Rh)與鋨(Os)所構成的族群中選出的至少一者，且所述第二添加劑包括重量含量為3ppm~100ppm的由鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)所構成的族群中選出的至少一者。
在本發明之一實施例中，提供一種半導體封裝之含銀合金焊接導線，用以將半導體晶片焊接至封裝基板，所述半導體封裝之含銀合金焊接導線實質上由重量含量為0.05%~5%的至少一種由鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os) 與金(Au)所構成的族群中選出的第一添加劑、重量含量為3ppm~5%的至少一種由鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)所構成的族群中選出的第二添加劑以及其餘的銀所構成。
在本發明之一實施例中，提供一種半導體封裝之含銀合金焊接導線，用以將半導體晶片焊接至封裝基板，所述半導體封裝之含銀合金焊接導線實質上由重量含量為0.05%~5%的至少一種由鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)與金(Au)所構成的族群中選出的第一添加劑以及重量含量為3ppm~5%的至少一種由銅(Cu)、鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)所構成的族群中選出的第二添加劑所構成。
上述的重量含量%或重量含量ppm是以百分比或百萬分比為單位表示的所述試劑之重量占總重量之比例。
下文特舉實施例並配合所附圖式對本發明作詳細說明。然而本發明可實施為不同形式，且不應受限於本文所舉之實施例範圍。反之，本文所提供之實施例是為了使發明揭露得完善而詳盡，且向熟悉此技藝者完整展現本發明之原則。
根據本發明之一實施例的半導體封裝之導線可用於將半導體晶片焊接至封裝基板。根據本發明之一實施例的半導體封裝之導線可稱為焊接導線。
根據本發明之一實施例的半導體封裝之含銀合金導 線可藉由向純銀中加入一定量添加劑製為合金。然而，儘管未特別提及，含銀合金導線難免可能包含除銀和所述添加劑外的其他雜質。原因在於即使是純銀，在提純過程中總會包含微量雜質，且製成含銀合金時其中亦會包含微量雜質。不過由於微量雜質的量相較添加劑而言其量並不規則，且太少可忽略，故而雜質儘管難免却常常不納入考慮。因此，本發明之範圍不應局限於是否不可避免有雜質存在。
根據本發明實施例之半導體封裝之含銀合金導線可包括至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第一添加劑：鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鋨(Os)、金(Au)、鎳(Ni)，以及其餘的銀。舉例而言，含銀合金導線可包括重量含量為0.05%~5%的第一添加劑，其餘是銀。
第一添加劑可提高含銀合金導線在高濕度環境下的可靠性。第一添加劑可抑制含銀合金導線與半導體晶片接墊間之焊接面形成氧化膜以及發生電蝕。從而可防止焊接面發生晶片裂紋並改進焊接強度。
然而，若第一添加劑之重量含量少於0.05%，則包括含銀合金導線在內的半導體封裝在高濕度環境下的可靠性並無太大提升。例如，含銀合金導線與接墊間之焊接面可能出現晶片裂紋，從而削弱其間之焊接強度。此外，若第一添加劑之重量含量大於5%，則含銀合金導線之電阻將增大，且焊接面上含銀合金導線之自由氣球將變硬從而引起晶片裂紋。因此，導線與半導體晶片間之電性連接的可靠性會大幅降低。
根據本發明另一實施例之含銀合金導線可包括至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第二添加劑：銅(Cu)、鈹(Be)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)、釔(Y)，以及其餘的銀。
舉例而言，第二添加劑可包括重量含量為0.1%~5%的銅(Cu)。舉另一例而言，第二添加劑可包括重量含量為3ppm~100ppm的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之材料：Be、Ca、Mg、Ba、La、Ce、Y。或者，第二添加劑可包括重量含量為0.1%~5%的銅，以及重量含量為3ppm~100ppm的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之材料：Be、Ca、Mg、Ba、La、Ce、Y。
第二添加劑有助於進一步改進含銀合金導線之可使用性及拉伸強度，而非高濕度環境下的可靠性。因此，相較於習知技術而言，本發明可以大幅减少製造含銀合金導線時所進行熱退火程序的次數，從而又可大幅降低製造成本。
若銅之重量含量低於0.1%，則可使用性的改進不明顯。又，若銅的重量含量低於5%，則含銀合金導線之電阻增大，且將發生晶片裂紋，從而降低焊接強度。
若鈹、鈣、鎂、鋇、鑭、鈰、釔之重量含量低於3ppm，則可使用性的改進不明顯。又，若鈹、鈣、鎂、鋇、鑭、鈰、釔之重量含量高於100ppm，則形成自由氣球時將形成固化凹坑(Solidified dimples)，從而大幅減弱焊接強度。
根據本發明另一實施例之含銀合金導線可既包括上 述第一添加劑，亦包括第二添加劑，其餘的部份可為銀。在此情况下，可改進含銀合金導線在高濕度環境下的可靠性和可使用性。
下面將結合實施例實例及對比實例，詳細說明添加劑對含銀合金導線之特性的影響。
表1表示各添加劑含量對應的含銀合金導線。實驗實施例1至16表示只含一種第一添加劑的含銀合金導線，且實驗實施例17至32表示只含一種第二添加劑的含銀合金導線。實驗實施例33至41表示含至少兩種第一添加劑或至少兩種第二添加劑、或者既含第一添加劑亦含第二添加劑的含銀合金導線。對比實例1至3表示包含除第一添加劑和第二添加劑外的其他添加劑的含銀合金導線。
表2為表1所示含銀合金導線之特性相關的實驗結果。表2中，高濕度環境下的可靠性由壓力鍋測試(PCT)中之焊接強度(BPT值)表示。含銀合金導線直徑約30um，且PCT是在121℃溫度下進行96個小時。至於焊接強度之可靠性，◎表示極佳狀態，○表示較佳狀態，△表示正常狀態，X表示較差狀態。可使用性是由含銀合金導線每1千米斷線之次數表示，因此該數字越少說明特性越好。存架壽命表示在含銀合金導線上形成厚度100nm之氧化膜需要的時間，因此該數字越大說明特性越好。
參見表1及表2，實驗實施例1至7表示鈀(Pd)含量(即第一添加劑)對含銀合金導線特性的影響。在實驗實施例2至5中，鈀的重量含量為0.05~5%，含銀合金導線可靠性很好，且可使用性優於比較例1至3。然而，在實驗實施例1中，鈀的重量含量為0.01%，焊接強度較差且存架壽命期較短。又，在實驗實施例6和7中，鈀的重量含量分別為10%和30%，有裂紋出現。
實驗實施例8至16表示一種第一添加劑(包括鉑、 鈀、銠、鋨、金、鎳)的含量對含銀合金導線特性的影響。在實驗實施例8至12以及14至16中，第一添加劑之重量含量為0.5~5%，含銀合金導線之可靠性極佳，且可使用性優於對比實例1至3。同時，在實驗實施例13中，鎳之重量含量為0.01%，焊接強度較差。
因此，由上述實驗結果可知，第一添加劑(包括鉑、鈀、銠、鋨、金、鎳)對含銀合金導線之特性的影響相似。相應地，關於鉑和鎳之試驗結果同樣適用於鈀、銠、鋨、金。
實驗實施例17至21表示銅(即第二添加劑)對含銀合金導線特性之影響。在實驗實施例18至20中，銅之重量含量為0.1%~5%，可使用性相較於比較實例1至3大為改進，且相較於實驗實施例1至16略為改進。然而，在實驗實施例17中，銅之重量含量為0.05%，可使用性改進不明顯。又，在實驗實施例21中，銅之重量含量為10%，電阻增大且出現晶片裂紋。
實驗實施例22至26表示鈣(即第二添加劑)對含銀合金導線特性施加的影響。在實驗實施例23至25中，鈣之重量含量為3ppm~100ppm，可使用性較比較例1至3大為改進，且較實驗實施例1至16略為改進。然而，在實驗實施例22中，鈣之重量含量為1ppm，電阻增大且出現晶片裂紋。在實驗實施例26中，鈣之重量含量為500%，出現晶片裂紋，且自由空氣球中(free air ball,FAB)產生凹坑。
實驗實施例27至32表示第二添加劑(包括鈹、鎂、鋇、鑭、鈰、釔)對含銀合金導線特性的影響。在實驗實施例27至32中，鈹、鎂、鋇、鑭、鈰、釔之重量含量為10%，可使用性較比較實例1至3大為改進，且較實驗實施例1至16略為改進。
因此，由上述試驗結果來看可知，第二添加劑鈹(Be)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)、釔(Y)具有相似之特性。相應地，關於鈣之試驗結果同樣適用於鈹、鎂、鋇、鑭、鈰、釔。
實驗實施例33至41表示至少兩種第一添加劑、至少兩種第二添加劑、或第一添加劑與第二添加劑之混合物對含銀合金導線之特性的影響。由實驗實施例1至32之結果來看，實驗實施例33至41分別滿足第一添加劑和第二添加劑之較佳含量。在此情况下，焊接強度與可使用性皆較比較實例1至3有進一步改進。因此，含銀合金導線中可同時包含第一添加劑和第二添加劑，而不會互相之間產生負面影響。
根據本發明之含銀合金導線可增大導電性，同時較常用金導線顯著降低單位成本。
又，根據本發明之含銀合金導線的焊接強度較常用銀導線有進一步增强，從而增大了可靠性。此外，含銀合金導線之可靠性增大，從而降低含銀合金導線之製造成本。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。
圖1描繪在壓力鍋測試(PCT)中，金和銀在高濕度環境下之可靠性。

Claims (3)

  1. 一種半導體封裝之含銀合金焊接導線，用以將半導體晶片焊接至封裝基板，所述半導體封裝之含銀合金焊接導線實質上由重量含量為0.05%~5%的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第一添加劑：鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鋨(Os)與金(Au)；重量含量為3ppm~100ppm的至少一種由下列元素所構成的族群中選出之第二添加劑：鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)；以及其餘的銀所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體封裝之含銀合金焊接導線，所述第一添加劑包括重量含量為0.05%~5%的由鈀(Pd)、銠(Rh)與鋨(Os)所構成的族群中選出的至少一者，且所述第二添加劑包括重量含量為3ppm~100ppm的由鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)所構成的族群中選出的至少一者。
  3. 一種半導體封裝之含銀合金焊接導線，用以將半導體晶片焊接至封裝基板，所述半導體封裝之含銀合金焊接導線實質上由重量含量為0.05%~5%的至少一種由鉑(Pt)、銠(Rh)、鋨(Os)與金(Au)所構成的族群中選出的第一添加劑、重量含量為3ppm~5%的至少一種由鈹(Be)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鑭(La)、鈰(Ce)與釔(Y)所構成的族群中選出的第二添加劑以及其餘的銀所構成。
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