TWI510651B - 銀金鈀系合金凸塊線 - Google Patents

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Kazuhiko Yasuhara
Wei Chen
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    • H01L2224/13139—Silver [Ag] as principal constituent

Description

銀金鈀系合金凸塊線
本發明係關於一種垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，且特別有關於一種用於倒裝晶片(flip chip)接合半導體裝置之耳釘(stud)凸塊線(bumping wire)。
圖1係表示一般耳釘之組裝狀態之剖面圖。
半導體裝置32與電路基板33，係透過事先形成於半導體裝置32的電極墊上之突起電極(線凸塊)36，電性或機械性地連接，電路基板33與突起電極36係透過以Pb-Sn系合金或Sn-Ag系合金為代表之焊料，被倒裝晶片接合。在倒裝晶片接合中，於形成在基板電極上之此等焊料層上，載置耳釘凸塊形成後之晶片，藉賦予熱而熔融焊料，金屬接合著線凸塊與焊料。
在倒裝晶片接合後，於功率半導體或電動汽車等之高溫用途上，線凸塊往焊料中擴散，產生所謂「焊料侵蝕」之現象。而且，也擴散到晶片電極之鋁(Al)中，所以，形成較脆的Au-Al金屬間化合物，在擴散進展之同時，龜裂在接合界面中進行，結果，產生電性導通不良之問題。
這種線凸塊36之形成方法，例如提案有在日本特開平11-251350號公報(下述之專利文獻2)中，利用線接合技術，將由凸塊形成用之Au、Ag、Cu等金屬所構成的導線當作線接合導線，藉球接合方式形成凸塊之垂直拉切式技術。
圖2係表示先前技術之垂直拉切式凸塊形成法之順序之剖面圖。球線接合裝置係在自捲筒至毛細管為止的接合線2之行走路徑上，設置於XYZ方向上與毛細管1一體移動的線鉗5，藉線鉗5夾持接合線2，使凸塊線2僅拉出對 應期望的凸塊形狀或尺寸之長度(圖2(a))。接著，使火花電流流過導線51之尖端以形成初始球51a(圖2(b))。接著，移動初始球51a到電極墊34上(圖2(c))，使形成在導線尖端之球51a壓著在電極墊34上(圖2(d))。接著，線鉗5在放開導線之狀態下(第2(圖2(f))，少許往正上方上昇後(圖2(g))，線鉗5在夾持導線之狀態下，使毛細管50在每一導線51垂直拉起(圖2(g))，藉垂直上升毛細管50，切斷導線在往球之附著根部以完成凸塊36(圖2(h))。此係垂直拉切方式。之後，雖然未圖示，但是，以線鉗再度夾持導線，在以線鉗夾持導線之狀態下，移動到下一個線接合處所，在導線尖端與焊接頭間進行火花放電以形成球，準備下一個球焊。
這種凸塊線使用之材料，有日本特開2007-142271號公報(下述的專利文獻1)。其係「由含有純度99.99質量%以上之金為10~60質量%，而且，含有純度99.9%以上之Pd或Pt為0.2~2%，或者，純度99.99質量%以上之Cu為0.05~1質量%中之至少一種，剩餘部分係純度99.99質量%以上之Ag所構成的凸塊形成用材料(同申請專利範圍第6項)」，以及「含有純度99.99質量%以上之Au為10~60質量%，而且，含有純度99.9%以上之Pd或Pt為0.2~2%，或者，純度99.99質量%以上之Cu為0.05~1質量%中之至少一種，含有Ca為質量5~100質量ppm，Be為1~20質量ppm或希土類元素為5~100質量ppm中之至少一種，剩餘部分係純度99.99質量%以上之Ag所構成的凸塊形成用材料(同申請專利範圍第8項)」。此接合線係活用在焊料熔融時，不產生焊料侵蝕現象之長處，同時，使Ag合金線凸塊的熔融球之形狀盡量穩定地接近真球狀，提高Al焊墊與Ag合金球之接合可靠性，縮短銀金鈀系合金凸塊之尾長，使銀金鈀系合金凸塊的耐焊料侵蝕性不劣化，使得在Ag與焊料界面不產生空孔之物件(同公報第0006欄)。
但是，當添加元素之量超過10%時，機械強 度變高，結果，凸塊線本身變強，而凸塊線可細線化，凸塊線可由25μm細線化到20μm，甚至15μm，此時，如果不實施調質熱處理則熔融球變太硬，而產生晶片龜裂。另外，如果在被細線化後的凸塊線上，進行與一般線接合導線同樣的調質熱處理時，凸塊線會太軟，而無法縮短凸塊之尾長。
尤其，在銀金鈀系合金凸塊線之情形下，當施加調質熱處理時，與純銀凸塊線相比較下，內部組織之變化比例較大。因此，銀金鈀系合金凸塊之尾長，即使內部組織不變化，尾長之參差也會變大。到目前為止，皆不明瞭銀金鈀系合金凸塊線尾長之參差原因，所以，即使僅調整銀金鈀系合金之成分組成，欲使銀金鈀系合金凸塊之尾長一同縮短也很困難。
因此，在日本特開平11-251350號公報(下述的專利文獻2)中，設置一對刃狀突起到毛細管，以在凸塊線上形成缺口，或者，在日本特開平09-283526號公報(下述的專利文獻3)中，調整金屬球徑，使由熔融球而得的熱影響部成為在較長的原樣下，受此熱影響而結晶粒粗大化的金屬球之正上方的金屬導線部分，成為在拉引切碎前述金屬導線之位置內，藉此，調整銀金鈀系金屬凸塊之尾長。
如上述之例所見，僅調整銀金鈀系合金凸塊線之成分組成，以縮短銀金鈀系合金凸塊的尾長之課題，依舊未被解決。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-142271號公報
[專利文獻2[日本特開平11-251350號公報
[專利文獻3]日本特開平09-283526號公報
本發明係提供一種使銀金鈀系合金凸塊線之熔融球接合後的熱影響部之長度極端地短，即使係垂直拉切，也能縮短銀金鈀系合金凸塊的尾長之銀金鈀系合金凸塊線。
本發明人等係發現銀金鈀系合金凸塊的上述尾長之參差，依存於調質熱處理後的維氏硬度，著眼於此，決定維氏硬度可控制的銀金鈀系合金凸塊之成分組成。
本發明之垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，係該銀金鈀系合金係由金(Au)1~9質量%、鈀(Pd)0.5~5質量%及剩下部分為純度99.995質量%(除上述Au及Pd之含有元素)以上的銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
又，較宜為本發明之垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，係該銀金鈀系合金係由金(Au)6~9質量%、鈀(Pd)2~4質量%及剩下部分為純度99.995質量%(除了上述Au、Pd、Ca、Be、La、Y及Eu之含有元素)以上之銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
又，該銀金鈀系合金係由金(Au)1~9質量%、鈀(Pd)0.5~5質量%、鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)中之至少一種為1~30質量ppm，合計共10~100質量ppm及剩下部分為純度99.995質量%(除上述微量之含有元素)以上的銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
在本發明中，銀(Ag)合金凸塊被比金(Au)合金凸塊還要具代表性之Pb-Sn系合金或Sn-Ag系合金之焊料侵蝕的現象(「焊料侵蝕」)一般係較慢。其係因為在此等焊料中，銀(Ag)之擴散較金(Au)慢。又，銀(Ag)合金凸塊係與半導體晶片上的鋁(Al)電極之擴散校金(Au)合金凸塊慢。因此，在金(Au)合金凸塊中，也擴散到晶片電極的鋁(Al)中，所以，形成較脆的Au-Al金屬間化合物，在 熔融球之接合界面中，在金屬間化合物之擴散進行之同時，龜裂也在接合界面進行，結果，有電氣性導通不良之問題。在銀(Ag)合金凸塊之情形下，於本發明之成分組成範圍中，明確顯示此電氣性導通不良之延遲效果。又，本發明之銀金鈀系合金係可提高高溫放置耐性，而且，可提高可靠性。
本發明中，金(Au)與鈀(Pd)係完全固溶至銀(Ag)，以製成銀金鈀系合金。而且，此等各貴金屬元素可獲得高純度者，所以，可藉連續伸線形成凸塊線，其品質也很穩定。
銀(Ag)之純度必須超過99.995質量%，其純度係去除金(Au)與鈀(Pd)、鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)之各元素。較宜為銀(Ag)之純度必須超過99.999質量%。本發明中之純度99.99質量%以上的銀(Ag)中之不純元素，可例舉有Al、Mg、In、Ni、Fe、Cu、Si及Cr。
金(Au)之含量低於銀(Ag)一位數，所以，金(Au)之純度只要超過99.99質量%即可。較宜為金(Au)之純度超過99.995質量%。
鈀(Pd)之含量比金(Au)更少，所以，鈀(Pd)之純度只要超過99.9質量%即可。較宜為鈀(Pd)之純度超過99.99質量%。
在本發明中，金(Au)係抑制放置大氣，尤其係放置高溫中之銀(Ag)之硫化。在本發明之銀金鈀系合金中，使金(Au)之範圍為1~9質量%之原因在於：當未滿1質量%時，無法抑制銀(Ag)之硫化，當超過9質量%時，銀金鈀系合金凸塊之凸塊高度之參差變得太大。金(Au)在6~9質量%則更宜。又，為防止第1接合時之晶片龜裂，金(Au)之含量較宜為大於鈀(Pd)之含量。
在本發明中，鈀(Pd)係用於提高凸塊線之熔融球與半導體晶片上的鋁(Al)電極之接合可靠性。鈀(Pd)如果在0.5~5質量%之範圍內，不僅熔融球與鋁(Al)電極 之第1接台之接合性變穩定，在接合後之高溫放置耐性也可提高。鈀(Pd)在2~4質量%範圍則更宜。
在本發明中，凸塊線之維氏硬度必須為80~100Hv。即使為本發明之凸塊線之組成，無調質熱處理之伸線後的導線之維氏硬度為100Hv~120Hv左右。連續伸線後不久的此種銀金鈀系合金，照原樣則其靜態強度及熔融球變形時之動態強度變得太高，在熔融球與鋁(Al)電極之第1接合的接合時產生鋁(Al)電極之晶片龜裂。另外，完全退火本發明之凸塊線後的維氏硬度係50Hv~70Hv左右。在本發明中，在以連續伸線完成最終線徑後，當照原樣通過熱處理爐時，可很有效率地獲得既定的維氏硬度。此維氏硬度之範圍，係被考慮成結晶組織進入回復領域，即將開始再結晶之組織。凸塊線之維氏硬度較宜為85~95Hv。
此連續伸線較宜為相對於連續伸線前的線徑為超過90%之冷間加工者，超過99%之冷間加工者則更宜。藉此，很容易生成被配置成同心圓狀之細長的細微再結晶組織。而且，銀金鈀系合金之內部結晶組織，係在連續伸線後不久，以及在調質熱處理後，以掃瞄式電子顯微鏡也觀察不到變化。
鋁(Al)電極係採用一般的高純度鋁(Al)金屬墊，含有數%銅(Cu)或矽(Si)之鋁合金墊，或者，被覆貴金屬至此等合金之焊墊，使金(Au)電鍍、銀(Ag)電鍍或鈀(Pd)電鍍等之軟質金屬或合金，電鍍單層或複數層之物件。
在本發明中，較宜為鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)中之至少一種為1~30質量ppm，合計共10~100質量ppm。因為此等各元素係在銀金鈀系合金中，同樣地縮短熔融球的熱影響部之元素。當此等各元素中之至少一種為1~30質量ppm，合計共10~100質量ppm時，銀金鈀系合金凸塊之頸高度之參差變大。另外，當此等各元素中之至少一種為1~30質量ppm，合計共超過10~100質量ppm時，接合線之機械強度變得太高，在第1接合時，產生鋁(Al) 電極之晶片龜裂。自減少銀金鈀系合金凸塊之頸高度之參差之添加元素之觀點觀之，鈣(Ca)及銪(Eu)更佳，自添加量之觀點觀之，含有20~50質量ppm則更宜。
在本發明中，較宜為凸塊線之線徑為15μm~25μm。當凸塊線之線徑愈細時，因為些許的溫度差，銀金鈀系合金凸塊的尾長之參差會變大，本發明之成分組成及維氏硬度之效果更能發揮。
本發明之凸塊線，係藉縮短銀金鈀系合金凸塊之凸塊高度，可穩定參差。尤其，當含有微量的添加元素時，可更縮短銀金鈀系合金凸塊之凸塊高度。
而且，本發明之凸塊線係鈀(Pd)之比例較少，所以，熔融球之真圓性及第1接合之接合性很優良。
〔實施例〕
表示於表1之成分組成之實施例1~20及比較例1~4，係準備使金(Au)及鈀(Pd)含有既定量，而且，因應需要而使鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)中之至少一種含有既定量，使剩餘部分為純度99.995質量%(去除上述含有元素)固溶既定量之合金。
在此，使用銀(Ag)及金(Au)之純度超過99.999質量%之線材，使用鈀(Pd)純度超過99.99質量%之線材。
熔融此等合金，連續鑄造以製作直徑8mm之銀金鈀原料線。之後，進行伸線加工，使其成為20μm~25μm直徑。之後，藉進行用於調質之熱處理，製作銀金鈀系合金原料線。
【表1】
(維氏硬度)
連續伸線後之凸塊線之線徑當作25μm，調質熱處理溫度係實施例及比較例皆以可測量到小數點一位數之溫度計進行管理，獲得表1所示之維氏硬度。維氏硬度之測量使用維氏硬度計(AKASI公司製，型號為MWK-G3)。
(HAZ(Heat Affected Zone)長度)
凸塊線之線徑當作25μm，使用新川股份有限公司製之UTC-3000型凸塊接合器，在氮氣環境氣體中，調整使得熔融球之直徑為線徑之兩倍，各樣品各製作10個，求出其平均值。
(頸高度)
接合線之線徑當作25μm，使用新川股份有限公司製之UTC-3000型凸塊接合器，以線徑兩倍之熔融球及線徑2.5倍之壓著球，以100個單位(10列×10行)，熱壓著並用超音波接合到Al-0.5%Cu合金膜的Si晶片上，製作線凸塊。在求出此線凸塊的頸高度平均值及參差後，獲得表1之結果。
在表1中，○標記表示參差(σ)為5μm以下，△標記表示參差(σ)為8μm以下，×標記表示參差(σ)為超過8μm者。
實施模仿回流之加熱實驗。
在必須再現倒裝晶片接合，面對各種Au合金與各種焊料之狀態下，在Sn系焊料之熔點+20℃之溫度下，加熱30秒再接合。之後，在必須再現回流，使加熱處理重複實施至合計10次。此時之溫度條件，在焊料之熔點+20℃之溫度下，於保持40秒之條件下進行。而且，全部之加熱處理係使用指示熱分析裝置(DSC-3100/(股)MAKKU科學製造)，在氬氣環境氣體(流量：50ml/min)實施。
使此等實施例及比較例之線凸塊與上述各種實驗之結果，表示於表1。
關於以上之結果，在例舉實施例及比較例之表1中，對照導線組成範圍、維氏硬度之條件及頸高度之平均值‧參差，獲得下述之結論。
比較例1係金(Au)含量低於下限值，所以，頸高度之參差較大，無法實施焊料侵蝕實驗。
比較例2係金(Au)及鈀(Pd)含量超過上限值，所以，頸高度之參差較大，無法實施焊料侵蝕實驗。
比較例3係鈀(Pd)含量低於下限值，而且，微量添加元素之合計量低於下限值，維氏硬度也低於下限值，所以，頸高度之參差較大，無法實施焊料侵蝕實驗。
比較例4係微量添加元素之合計量超過上限值，所以，頸高度之參差較大，無法實施焊料侵蝕實驗。
由上述結果可知：本發明之凸塊線在其成分組成範圍中，必須具有既定之維氏硬度。
【產業上利用之可能性】
本發明係凸塊高度較短，且參差也較小，所以，很適用於高密度之高速凸塊用之接合線，尤其，很適用於線徑小於25μm之凸塊線。
1‧‧‧毛細管
2‧‧‧凸塊線
5‧‧‧線鉗
32‧‧‧半導體裝置
33‧‧‧電路基板
34‧‧‧電極墊
36‧‧‧突起電極(線凸塊)
50‧‧‧毛細管
51‧‧‧導線
51a‧‧‧初始球
圖1係表示一般耳釘之組裝狀態之剖面圖。
圖2係表示先前技術之垂直拉切式凸塊形成法之順序之剖面圖。
1‧‧‧毛細管
2‧‧‧凸塊線
5‧‧‧線鉗
32‧‧‧半導體裝置
34‧‧‧電極墊
50‧‧‧毛細管
51‧‧‧導線
51a‧‧‧初始球

Claims (8)

  1. 一種銀金鈀系合金凸塊線，係垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，其特徵在於：該銀金鈀系合金係由金(Au)1~9質量%、鈀(Pd)0.5~5質量%及剩下部分為純度99.995質量%以上之銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
  2. 一種銀金鈀系合金凸塊線，係垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，其特徵在於：該銀金鈀系合金係由金(Au)6~9質量%、鈀(Pd)2~4質量%及剩下部分為純度99.995質量%以上之銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該接合線之維氏硬度係80~100Hv。
  3. 一種銀金鈀系合金凸塊線，係垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，其特徵在於：該銀金鈀系合金係由金(Au)1~9質量%、鈀(Pd)0.5~5質量%、鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)中之至少一種為1~30質量ppm，合計共10~100質量ppm及剩下部分為純度99.995質量%(除了上述微量之含有元素)以上之銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
  4. 一種銀金鈀系合金凸塊線，係垂直拉切式之銀金鈀系合金凸塊線，其特徵在於：該銀金鈀系合金係由金(Au)6~9質量%、鈀(Pd)2~4 質量%、鈣(Ca)、鈹(Be)、鑭(La)、釔(Y)及銪(Eu)中之至少一種為1~30質量ppm，合計共10~100質量ppm及剩下部分為純度99.995質量%(除了上述微量之含有元素)以上之銀(Ag)所構成，而且，在熔融球形成前之該凸塊線之維氏硬度係80~100Hv。
  5. 依申請專利範圍第1項~第4項中任一項所述之銀金鈀系合金凸塊線，其中，前述銀(Ag)之純度係99.999質量%以上。
  6. 依申請專利範圍第1項~第4項中任一項所述之銀金鈀系合金凸塊線，其中，前述金(Au)之含量比前述(Pd)之含量還要多。
  7. 依申請專利範圍第1項~第4項中任一項所述之銀金鈀系合金凸塊線，其中，該凸塊線之維氏硬度係85~95Hv。
  8. 依申請專利範圍第1項~第4項中任一項所述之銀金鈀系合金凸塊線，其中，該凸塊線之線徑係15~25μm。
TW102113704A 2012-09-12 2013-04-18 銀金鈀系合金凸塊線 TWI510651B (zh)

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